华南花岗岩暗色微粒包体矿物组成及微结构研究_彭卓伦

第18卷第1期2011年1月

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences(Beijing);PekingUniversity)Vol.18No.1Jan.2011

华南花岗岩暗色微粒包体矿物组成及微结构研究

彭卓伦, RodneyGrapes, 庄文明, 张献河

11中山大学地球科学系,广东广州510275

21DepartmentofEarthandEnvironmentalSciences,KoreaUniversity,Seoul136-731,Korea31广东省佛山地质局,广东佛山52800041广东省地质调查院,广东广州510080

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PengZhuolun1, RodneyGrapes2, ZhuangWenming3, ZhangXianhe4

11DepartmentofEarthSciences,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China21DepartmentofEarthandEnvironmentalSciences,KoreaUniversity,Seoul136-731,Korea31FoshanGeologicalBureauofGuangdongProvince,Foshan528000,China41GuangdongGeologicSurveyInstitute,Guangzhou510080,China

PengZhuolun,GrapesR,ZhuangWenming,etal.AstudyofmineralcompositionandmicrotextureofthemaficmicrogranularenclaveingranitesinSEChina.EarthScienceFrontiers,2011,18(1):063-073

Abstract:Observationsofmineralcompositionandmicrotextureofthemaficmicrogranularenclaves(MMEs)fromdifferentgranitebodiesinSEChinademonstratedthatnomatterwhatmineral,rock-formingoraccesso-ry,twogenerationsofthemineralwerefoundcoexistinginallsamplesoftheMMEs.MostoftheMMEswerenotwithigneoustexture,astheyweregenerallyconsidered,butwiththemeltingtexture.Mult-itypesoftex-turescoexistedinthesameenclavesuggestedthattheMMEsshouldhavebeenderivedfromtheresiduesofpartialmeltingofrocks.DifferencesofmineralcompositionandmicrotexturebetweenMMEsorbetweencoreandrimofoneMMEsuggestedavaryingmeltingdegreeofsourcerocks,implyingthattheMMEswereindif-ferentevolutionstagesinmagma.

Keywords:granite;maficmicrogranularenclave(MME);mineralcomposition;microtexture

摘 要:对来自华南多个花岗岩体的暗色微粒包体样品进行了系统的矿物组成和微结构研究,发现包体中不管是造岩矿物还是副矿物,均存在新、老两个不同世代;包体的微结构大部分情况下也不是/火成结构0,而是以熔融结构为主,并且常多种结构共存,揭示包体是岩石部分熔融的残余物而并非来自岩浆的结晶。不同包体或同一包体从中心到边缘的矿物组成与微结构的差异,反映原岩部分熔融程度的不同,揭示其处于不同的演化阶段。

关键词:花岗岩;暗色微粒包体;矿物组成;微结构

中图分类号:P5881121;P5881122 文献标志码:A 文章编号:1005-2321(2011)01-0063-11

花岗岩中的暗色微粒包体(简称暗色包体或包体),是花岗岩成因研究的重要组成部分。众多文献中对/包体0术语定义存在差异,本文所指的暗色微

收稿日期:2010-11-30;修回日期:2010-12-16

粒包体或包体是指常见于花岗岩中,与寄主岩相比

富含细粒或微粒暗色矿物的岩石包体,不包括完全保留原岩性质的围岩捕虏体。随着地质学的发展和

基金项目:高等学校博士学科点基金项目(20070558033,20030558005);中央高校基本科研业务费专项资金项目(32110-3161318);中国地质调查局资助项目(200013000126)

作者简介:彭卓伦(1970)),女,博士,岩矿地球化学专业,主要从事花岗岩成因与成矿研究。E-mail:eespzl@

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科学研究的深入,对花岗岩暗色微粒包体的研究越来越受到学者的重视[1-15]。目前对于暗色包体的来源主要有两种认识:一是认为来自岩浆,即包体由混入花岗岩浆中的中基性岩浆固结而成;二是认为来自岩石,即包体是岩石部分熔融产生的富铁镁残余熔渣。虽然两者均有大量的地球化学和同位素数据支持,但决定性的证据应来自包体矿物学,因为由岩浆固结而成的岩石和由原始岩石部分熔融而成的岩石,其矿物特征和微结构特征应有质的不同,

这一认识就是本文的研究起点。

[3,10-12,23-27]

[4-7,13-22]

岩浆固结时,不同包体处于不同的演化阶段。图2中包体直径最大的达25cm,小者只有1~2cm。图片左上角的包体a颜色较深,其下方边缘尚发育

一宽约3cm、岩性介于包体和寄主岩之间的条带ac。包体b、c具有明显的基性边,包体c上方及包体d周围尚有明显的长英质酸性边。此外,包体e与包体f体积相当,但基性度差异甚大。

对包体的野外地质调查还发现,剥蚀较深的大岩基(例如九峰岩体、大东山岩体、佛岗岩体等)其岩体的内部发现包体甚少,即使偶有发现,也多是直径一般为1至几cm、质地较均一的富云包体。个体较大的包体多分布于岩体的顶部或边缘。以佛冈岩体为例,该岩体属于燕山中期[29],主体为粗粒斑状黑云母花岗岩,其内甚少发现包体,但在岩体内部的残留顶盖附近以及岩体边缘靠近接触带处,通常发育有众多的暗色包体。暗色包体在岩体中分布的另一特点是在复式岩体中,包体多见于早期岩体中,在早期岩体中的晚期岩体里则包体较为罕见

[25,30]

1 暗色包体的野外地质特征

对华南诸多岩体暗色包体的野外调查发现,花岗岩中的暗色包体,按其岩石组构可分为两类(图1),即/均一包体0和/非均一包体0[28]。前者的物质组成和内部结构相对较均一,直径多在1至几cm,常表现为黑云母集合体;后者从中心向边缘,物质组成和岩石结构均有显著差异。非均一包体大小不等,直径可达数十甚至上百cm,而且形态各异(图1)。陈国能等(1993)曾根据非均一包体的形态特

。

2 暗色包体矿物的显微特征

征,将其分为/截然型0(图1A)和/弥漫型0(图1B、通过从野外调查而获得的众多包体样品的镜下

[25]

C、D)两大类,其中又划分出若干亚类型。观察,发现包体矿物的粒径多在015~1mm(少数暗色包体不但常成群产出(如图1A所示),且野外常可见不同类型、不同大小、不同形态和不同基性度的包体共存于同一露头的现象。图2的露头见于粤西封开岩体,其内的包体不但大小悬殊,而且类型不同,既有具黑云母扩散圈的/弥漫型0包体,也有具清晰基性边或无基性边的/截然型0包体,显示在

可达1~2mm,极少数达3~20mm),矿物种类与寄主岩相似,但含量比例不同。包体的主要造岩矿物有斜长石(Pl)、角闪石(Hb),较富黑云母(Bi)而贫石英(Qz),少见钾长石,说明铁镁组分在包体中相对富集,而硅碱组分则在寄主岩中相对富集。Didier等曾比较了115对包体-寄主花岗质岩石的矿

图1 不同类型暗色包体形态

Fig11 TheshapesofdifferenttypesofMMEs

A)粤北大东山岩体中的包体群,绝大部分包体与寄主岩界线清晰为/截然型0包体;B、C、D)均属/弥漫型0包体,其特点是包体外围尚有各种形态的黑云母扩散圈。

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图2 粤西封开同一露头上不同大小、不同形态和不同成分的包体

Fig12 Enclavesofdifferentcompositions,shapesandsizeswithinasmalloutcropin

theFengkaigranite,GuangdongProvince,SEChina

[3]

物组成,其结果与作者的观察一致。包体中副矿物种类与寄主岩中副矿物相似,但含量明显比寄主岩高。副矿物主要有磷灰石(Ap)、锆石(Zr)、榍石

(Tn)、磁铁矿(Mag)等,其次有褐帘石(Alla)、绿帘石(Ep)、独居石(Mona)等。镜下研究发现包体矿物普遍由新、老两个世代矿物所组成,但不同世代矿物比例在不同包体或同一包体的不同部位是不同的。对包体中的主要造岩矿物和常见的部分副矿物特征简述如下。

(1)石英:包体中的石英矿物有两种,一种是近等轴他形粒状的圆滑骸晶,显然应为早世代石英(Qz-I)(图版IA);另一种呈它形不规则状、树枝状等充填于各种矿物间,被这种石英包裹的矿物几乎包括了包体中的所有矿物,且石英与其包裹的矿物(似漂浮状)紧密接触并连为一体,视域内石英同时消光(图版IB),显而易见,这种石英应为后期部分熔融产生的熔体重结晶所致,也就是说,属于包体与寄主岩浆达到热平衡后冷却结晶的第二世代石英(Qz-II)。

(2)斜长石:包体中第一世代的斜长石(P-lI)多为粒状或板柱状,颗粒边缘圆化、绢云母化明显,粒0,(IC),常包裹柱粒状或短柱状磷灰石、角闪石等矿物。

第二世代的斜长石(P-lII)多为半自形板状,边缘平直,表面常较洁净,粒度一般为015~210mm,常具正环带状结构,双晶发育,其外缘则具它形生长边,略具韵律性。在图版ID中,第一世代的斜长石仅残留绢云母化的老核,边部则因熔融而形成净化边,同时产生一新生且连体的更长石(Og),显示早世代斜长石部分熔融产生的熔体向外迁移(箭头所示),并形成新矿物。暗色包体中有时见到钾长石巨斑晶,其边缘常见由短柱状白色斜长石(更长石)环绕,中心部分尚可见淡肉红色的钾长石残核而形成的环斑结构,其钾长石核应为源岩残留矿物。

(3)黑云母:包体中的黑云母颜色一般比寄主岩中的黑云母深,多呈深黄褐至褐绿色,多色性与吸收性均较强。早世代的黑云母边缘常被熔蚀成锯齿状,甚至被熔蚀脱落而成孤立残块(图版IE)。包体中两个世代的黑云母(B-iI,B-iII)常交互生长,新生黑云母呈细小鳞片状,解理完全(图版IF)。黑云母为含水矿物,也是富钾矿物,其熔融后常在周围形成熔体团,这与Busch等(1974)的岩石熔融实验观察到的现象一致,反映了黑云母对熔融的促进作[31]

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较贫钾,当黑云母分解释放的钾向四周扩散时,周围的K2O/Na2O值就会大大提高,向/最低点熔体0靠近,从而提高了岩石的熔融程度[32]。

(4)角闪石:包体中第一世代的角闪石(Hb-I),呈短柱状(012~110mm),边缘圆化,颜色为暗绿色(图版IG),多色性明显,吸收性强,次生蚀变绿泥石化,并常包裹短柱状的磷灰石(Ap)及榍石(Tn)、锆石(Zr)等副矿物;而图版IH所示角闪石应是黑云母与熔体反应而在其边部产生的新角闪石,明显属于晚世代的角闪石矿物(Hb-II)。

(5)锆石:包体中既有原岩保留下来的继承性锆石,也有包体矿物部分熔融后在熔体中形成的新生锆石。图版IIA中继承性锆石一端残存在部分熔蚀的黑云母中,另一端被重熔石英包裹,还能见到磷灰石也横跨于此两矿物。图版IIB所示锆石沿裂纹薄

结晶与再生长大,不同世代矿物共存于包体中。既然包体矿物具有这样的组成特征,那么进一步的包体微结构的研究将充分证明这一认识。

3 暗色包体的微结构与岩石熔融

在包体的成因研究中,微结构是指示包体成因的最好标志之一。人们一直十分注意包体与寄主岩在结构上的异同[1,33-37],而对包体内部的结构变化甚少关注。暗色包体貌似岩浆岩的结构(常称为半自形粒状结构或花岗变晶结构),习惯上被认为是岩浆结晶的产物。通过对获得的众多包体薄片的观察,发现包体内部通常不是简单的火成结构或变质结构,而是多种结构共存,反映了包体发展过程中内

部物理化学条件的非均一性。包体的结构大体可分

交代结构、熔融结构,再继而发展为真弱处被熔蚀断离,其上部的顶部可见有一熔蚀环影。为变晶结构、

继承性锆石具不同程度的磨圆,有裂纹,透明度低,正的火成结构,它们之间关联起来其实是反映了岩颜色深,长宽比一般小于310,而且外形比较复杂,常呈破碎的柱状、块状、葫芦状、水滴状等不规则形态(图版IIC)。而新生锆石(图版IID)常具完整晶形,透明度高,以柱状四方双锥为主,电镜下还可见锆石的生长环带。

(6)磷灰石:暗色微粒包体中最引人注目的副矿物是磷灰石,含量明显比寄主岩高。寄主岩中磷灰

石熔融程度从低到高的变化。311 变晶结构

镜下观察具变晶结构的包体,其内各种矿物晶粒多为不规则晶形,但原有的较大晶体仍可能保留清晰的外形轮廓。变斑晶中常有许多基质矿物包裹体,这和岩浆岩中斑晶形成较早的情况相反。另外,包体中粒状矿物较少见拉长、破碎、波状消光、双晶

石多呈短柱状或粒状产出,长宽比一般小于410。弯曲、错位等变形现象(除非是原岩的残余),从这一

包体中磷灰石的自形程度甚高,多呈细长针状(图版侧面可说明包体主要受热变质作用,而非应力变质IIE),长宽比可达1010到2510,显然为晚世代磷灰石,但也有少部分磷灰石呈细柱状或短柱状晶形;而包体中早世代的磷灰石呈柱状或短柱状,边缘熔蚀圆化(图版IIF)。

(7)榍石:包体中亦常见两个世代的榍石。榍石常呈菱形、楔形,也有呈板状或粒状。图版IIG中的榍石颗粒较大,且边角破碎,有断口和裂纹,明显为早世代的矿物。而图版IIH中的榍石颗粒细小,呈板状或粒状,这些小颗粒的榍石应为富钛黑云母与熔体反应产生的新生榍石矿物。

由此可知,包体中普遍出现继承性矿物和新生矿物共存的现象,不仅出现在同一岩体的不同包体中,同时出现在同一包体的不同部位中。也许基本排除了暗色包体由岩浆(不论是寄主岩浆抑或混合的基性岩浆)固结而成的可能性,而强烈支持包体的岩石来源说,亦即包体由岩石部分熔融的残余熔渣,作用。岩石加热到熔融是一个缓慢过程,低熔矿物开始熔融而产生微量熔体,导致矿物发生重结晶而形成变晶结构。图版IIIA中重结晶的第二世代斜长石,由于自净作用部分将原地矿物(如黑云母)排除在外,部分就地包裹原有矿物,这种关系充分体现了包体矿物间的先后关系,与正岩浆结晶序列不同,是固熔相互作用的结果。

包体中的矿物形态以及矿物间的接触关系是体系热化学局部平衡与非平衡的体现。包体中矿物颗粒的大小与自形程度复杂,根据这些来划分包体的结构类型不足以充分体现包体内部微结构特征。包体中矿物自变晶生长与变质岩中变晶的生长的对比表明,自变晶的生长不应是岩浆后期的(次生的),而应是岩石受热发生部分熔融转变为中酸性岩石的一种重要结构。根据本次观察研究结果,按变晶的交生关系,将包体的变晶结构进一步划分为包含变晶、()

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次变边变晶等亚类型[28]。如图版IIIB镶嵌粒状变晶结构中长石矿物颗粒边缘凹凸不平(箭头所示为长石的熔蚀凹坑),可能指示反应尚处于亚稳定状

解释这些现象,包体应是岩石部分熔融而产生的熔融结构。

包体部分熔融产生的熔体,在包体的边缘显示

态,体现了局部反应的不平衡,这种情况多出现于非出较大的流动性,而包体中心流动性相对较小。图均一包体中,尤其在非均一暗色包体的中心部位。版IIIG为S10包体的边缘,可以看到熔体的比例较由于组分与温度的不同,固熔之间的局部反应程度是有差异的,包体边缘比中心要明显,意味着包体边缘所处的外部环境即寄主岩浆作用在微结构上的响应更明显,并非岩浆骤冷的结果。312 交代结构

包体中的交代结构是比变晶结构更进一步的变质结构,由一系列不平衡矿物构成。交代结构的研究,对判断包体岩石中矿物之间是/共生关系0还是/共存关系0具有重要意义。暗色包体中交代结构常

大,流动性强,针状磷灰石、柱状的长石、鳞片状的云母略具定向性,垂直于包体边缘,显示熔体向外流动。图版IIIF是S10包体的中心,可能是熔体比例较小或包体内部压力较低之故,其流动性不如边缘强,可以看到熔体沿颗粒间隙或沿斜长石薄弱部位缓慢渗透(箭头所示)。熔体比例从包体中心向边缘增加,说明包体边缘的温度比包体中心高,内部的温度尚未达到均一化。根据对暗色包体的蚀变矿物与包体中的水研究发现,包体边缘富含挥发份,暗示包

见,因此,交代结构对了解包体中组分活动性、浓度体边缘的部分熔融程度高于包体中心,指示包体边变化、所处的环境及其演化过程都能提供重要依据。缘的流体作用时间或强度比包体中心更为显根据交代程度的由浅入深又划分为交代穿孔结构、著[38-39]。包体部分熔融产生的熔体与残留矿物相并交代残留(岛屿)结构、交代蠕英结构和交代净边结[28]

构。交代程度是与熔体比例、温度、持续时间密切相关的。包体岩石交代残留结构很发育,硅质的低熔组分常交代角闪石、黑云母、长石等,如图版II-C为角闪石的交代残留体,暗示此时包体中熔体温度高出初熔温度,熔体所占比例较大、持续时间较长的缘故,其熔体与残留相之间并没有明显分离,说

未完全分离而呈半塑性状态,且并存于寄主岩浆中,

这就能解释暗色包体与寄主岩界线分明(截然型)、有时还能见到部分斜长石横跨于包体和寄主岩边界上的现象。包体中的熔融结构以及熔体的流动性等与Busch等(1974)的岩石熔融实验象是一致的。

[31]

观察到的现

另外,在包体微结构研究中,还有一种较特殊的

明包体岩石曾处于部分熔融的状态即存在固熔两相/眼斑0结构,特点是石英大颗粒边缘围绕颗粒细小状态,而不是单一熔体相的炽热熔浆的固结。的暗色矿物。石英斑晶显示浑圆的熔蚀外形,周边313 熔融结构

熔融结构是比交代结构更为高级的结构,是暗色包体中最常见的结构类型,这种结构是岩石部分熔融产生的熔体重新结晶、与原有矿物叠置而产生,因而也称固熔反应结构。本文把此种结构分列出来,以突显其在包体成因研究上的重要性。在暗色包体中,黑云母熔融分解后析出铁质,周围常形成大的熔体团,如图版IIID中石英的/熔体环0(以Q表示),环边有一玻璃质边,说明岩石内部

发育有黑云母或角闪石的暗色矿物集合的镶边,形成一/黑眼圈0,故称其为/眼斑0结构。有学者认为,包体中的石英斑晶是外来晶(捕获晶),是从围岩落入或是不同岩浆混合的结果[1,3,40]。但笔者认为,石英/眼斑结构0的形成有两种可能的解释:一是在岩石熔融过程中,低熔矿物石英首先熔融,其发生熔融应从边缘开始,部分熔融的结果形成眼球状、浑圆状颗粒。熔融作用的吸热效应在紧靠石英边缘的一圈熔体中形成了局部的过冷条件,导致细粒暗色矿

已达岩石的初熔温度。由于硅质熔体的活动,此时物(熔浆中的饱和组分)集合体围绕石英晶体产出。黑云母最易被激活,因而出现不同程度的熔蚀现象。另一种解释是系统冷却过程中,先结晶暗色矿物随图版IIIE中的黑云母中间部分被熔于熔体(melt)中,熔蚀后的残余细片由于熔体的流动而漂移了一段距离(箭头所示)。图版IIIF中,黑云母不仅被熔断还产生了位移,其移出的空位被熔体局部流动推过来的早世代斜长石镶入,充分证明包体内部的熔着其后硅质熔体的结晶(石英晶体的逐渐长大)而被排斥到石英晶体的边缘,即所谓的自净作用。暗色包体中除了特殊的/眼斑0结构外,还可见长石的环斑结构,即在细粒基质中呈卵圆形的长石巨晶或粗晶,以碱性长石为核心,外面被小板柱状斜长,

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细粒斜长石是从岩浆中快速结晶的结果[40-42]。环斑结构自1891年由芬兰地质学家Sedoholm首次描述以来,其成因一直是令人感兴趣的问题,已提出了多种机制,如出溶作用、岩浆的混合作用和同化混染作用、岩浆上升时压力和水含量的变化等[43-47]。从包体的化学成分(参见后续包体主量元素地球化学研究)看,绝大部分暗色微粒包体的化学成分不适宜于钾长石巨晶或粗晶的生长,事实上包体内极少见钾长石矿物。笔者认为,巨斑中心钾长石核应来源由于随着早期熔融的硅碱质熔体向外的迁移,导致包体中的残余组分偏向基性,残余熔体则结晶出更长石,因而环绕钾长石残核的微粒新生长的是斜长石而不是钾长石,从而更进一步说明其环斑结构是部分熔融后重结晶的结果,其寄主岩中出现的钾长石环斑结构也不例外。

综上所述,花岗岩中的暗色微粒包体,并非是通常所认为的具有/火成结构0,而是多种结构共存。包体结构的复杂性说明其不是由岩浆结晶而成,而是岩石部分熔融的残余熔渣(暗色包体)。包体之间的结构差异反映了其处于不同的熔融阶段,同一包体从边缘到中心的结构差异,则反映了其边缘和内部的温度差异以及由此引起的表面和内部的熔融程度的差异。包体表面熔融程度较高,熔出物向外迁移到寄主岩浆中,残余物更偏基性,此为非均一包体暗色边形成的根本原因。

差异,反映了作为包体前身的物质处于不同的演化(熔融)阶段。

(4)非均一包体从边缘到中心的矿物组成和微结构差异,反映了原始岩块或其熔渣从外到里熔融程度的差异。对包体的特殊熔融结构研究表明,包体边缘的熔融程度一般较其中心高,随着边缘的熔出物向外迁移到寄主岩浆中,残余物逐渐偏向基性,此为非均一包体通常具有暗色边(基性边)的原因。

(5)不同世代矿物和不同类型微结构在同一包来自岩石部分熔融的残余物(残余熔渣),而不是来自岩浆的结晶。参考文献

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于包体原岩,其发生部分熔融是从颗粒的边界开始。体中共存的现象,说明花岗岩中的暗色微粒包体是

4 几点认识

在对华南多个花岗岩体暗色微粒包体野外调查的基础上,开展了包体矿物特征及微结构的系统研究,获得了如下几点主要认识:

(1)花岗岩中的暗色微粒包体按组构特征有均

一和非均一两类,后者是花岗岩暗色包体的常见重要类型。

(2)来自不同岩体的暗色包体中的矿物,不论是造岩矿物还是副矿物,均存在新、老两个世代。两个世代的矿物颗粒排列紧密,彼此镶嵌或相互包裹,不显示应力影响因素,应为热作用所引起。

(3)暗色微粒包体的微结构通常不是/火成结构0,而是/熔融结构0,并且在同一包体中常有多种结构共存,表明包体演化过程中其内部物理化学条[5] SilvaMMVG,NeivaAMR,WhitehouseMJ.Geochemis-tryofenclavesandhostgranitesfromtheNelasarea,centralPortugal[J].Lithos,2000,50:153-170.

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投稿预告

欢迎向主题专辑投稿 也欢迎非主题投稿

5地学前缘6为双月主题性期刊,欢迎按主题投稿,也欢迎非主题投稿,因本刊设有/非主题来稿选登0。近期投稿预告如下:

(1)2011年第2期为/地球物质科学0主题:

具体专辑名为/变质作用与造山带演化0。 具体专辑名为/大陆地质与大陆构造0。 第4期为特约专辑/沉积地质与资源0。 第6期为/地球表层科学0主题:

具体专辑名为/中国土壤碳库与全球变化0。 具体专辑名为第1期/油气沉积地质0

第2期/油气藏开发地质0

(5)2012年第3期为特约专辑/化学地球0

第4期为/地球结构、构造与动力学0主题:具体专辑名为/造山带与盆地构造及其动力学0。

(2)2011年第3期为/地球结构、构造与动力学0主题:

(3)2011年第5期为特约专辑/成矿流体动力学0

(4)2012年第1、2期/地球物质科学0主题:

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