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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2021, 29(3): 334-344 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.180

矿产勘查与资源评价

云南中甸地区斑岩铜矿床的保存与夷平面关系探讨——基于地貌因子分析

张静静,1,2, 冷成彪,1

1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013

2.东华理工大学地球科学学院,江西 南昌 330013

Discussion on the Relationships Between Planation Surface and Preservation of Porphyry Copper Deposits in the Zhongdian Region,Yunnan Province,SW China:Constraints from Geomorphic Factor Analysis

ZHANG Jingjing,1,2, LENG Chengbiao,1

1.State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Nanchang 330013,Jiangxi,China

2.College of Earth Science,East China University of Technology,Nanchang 330013,Jiangxi,China

通讯作者: 冷成彪(1982-),男,山东临沭人,教授,从事矿床学方面的科研与教学工作。lcb8207@163.com

收稿日期: 2020-10-10   修回日期: 2021-04-26   网络出版日期: 2021-07-14

基金资助: 国家自然科学基金项目“斑岩型矿床”.  42022021
“滇西北中甸岛弧印支期斑岩铜矿床的保存与剥蚀程度研究:低温年代学制约”.  41373051

Received: 2020-10-10   Revised: 2021-04-26   Online: 2021-07-14

作者简介 About authors

张静静(1993-),女,安徽阜阳人,硕士研究生,从事斑岩矿床与地貌学研究工作Jingjingz1515@163.com , E-mail:Jingjingz1515@163.com

摘要

夷平面具有形成时间跨度大、分布范围广的特征,是地貌学研究的基本内容。为了探讨斑岩铜矿床成矿后的保存与夷平面的关系,基于GIS技术,利用DEM数据提取了中甸地区高程、坡度及条带剖面等地貌因子,明确了中甸夷平面的高程及其分布范围。通过对该区典型成矿斑岩体(如雪鸡坪岩体)进行热史反演模拟,重建了中甸地区斑岩体的冷却和剥蚀历史。结果表明:中甸地区分布有两级夷平面,其坡度集中在0°~10°之间,并显示出高海拔(+4 100~+4 400 m、+3 100~+3 300 m)、低地势的特征;雪鸡坪岩体在早白垩世至晚中新世时期经历了长期缓慢的冷却(<1 ℃/Ma)和极低的剥蚀量(500~950 m),暗示该区夷平面的形成不晚于晚白垩世。结合前人研究,认为中甸地区广泛分布的夷平面为斑岩矿床的保存提供了有利的古地貌条件。同时,斑岩矿床的冷却历史也刻画了夷平面的形成过程,二者具有一定的耦合关系。

关键词: 斑岩铜矿床 ; 夷平面 ; GIS ; DEM ; 低温热年代学 ; 中甸地区

Abstract

The planation surface formation and its distribution have the characteristics of long-time span and wide distribution range, which is the basic content of geomorphology research.In order to discuss the relationship between the preservation of porphyry copper deposits after mineralization and the planation surface, based on geographic information system(GIS)platform,the paper extracted various geomorphic factors,such as the elevation,the slope and swath profile from digital elevation model(DEM)data,and then the elevation and distribution range of the planation surface were defined in the Zhongdian region.The Zhongdian region is located at the southeastern Tibetan Plateau.In this paper,DEM data from National Aeronautics and Space Administration(NASA) were used to calculate the slope value of 0°~61° in Zhongdian region by GIS technology platform,and the areas with low slope value(0°~10°)were reclassified.Meanwhile,the profile elevation of the Zhongdian region is accurately depicted by using the strip profile,and then the elevation values of the planation surface (+4 100~+4 400 m and +3 100~+3 300 m) and the topographic relief were visually displayed,indicating the distribution height of the planation surface in Zhongdian region.In this study,the thermal history of the typical porphyry(such as Xuejiping complex)was simulated,and the cooling and denudation history of the complex were reconstructed,and the cooling curve were obtained.The results show that the slope distribution in Zhongdian region was concentrated in two planation surfaces between 0° and 10°,revealing the characteristics of the high elevation and low topography.The Xuejiping complex experienced a prolonged slow cooling from the Upper Cretaceous to Late Miocene(<1 ℃/Ma),and the denudation extremely low(500~950 m),reflecting the tectonic quiet period.The process suggests that the planation surface was formed earlier than Late Cretaceous and finally in the Miocene.Combined with the former research results,the widely distributed planation surface in Zhongdian area provides favorable paleogeomorphologic conditions for the preservation of Late Triassic porphyry deposits.As the same time,the cooling history of porphyry deposits also describes the formation process of planation surface,and there is a certain coupling relationship.The existence of planation surface in Zhongdian region not only directly provides geomorphological evidence of surface uplift,but also further supports the stepwise uplift geodynamic model of the southeastern Tibetan Plateau.

Keywords: porphyry copper deposits ; planation surface ; GIS ; DEM ; low-temperature thermochronology ; Zhongdian region

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本文引用格式

张静静, 冷成彪. 云南中甸地区斑岩铜矿床的保存与夷平面关系探讨——基于地貌因子分析[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(3): 334-344 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.180

ZHANG Jingjing, LENG Chengbiao. Discussion on the Relationships Between Planation Surface and Preservation of Porphyry Copper Deposits in the Zhongdian Region,Yunnan Province,SW China:Constraints from Geomorphic Factor Analysis[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(3): 334-344 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.180

斑岩铜矿床作为汇聚板块边缘复杂岩浆—热液活动的产物(Yanites et al.,2015),通常形成于古地表之下1~6 km(平均约为2 km)范围内。已知的斑岩铜矿床的成矿年龄主要集中在新生代(56%)和中生代(26%),其次为古生代(15%),极少数为前寒武纪(芮宗瑶等,2004)。这种年龄分布特征反映了年龄越老的斑岩矿床被剥蚀破坏的可能性越大。此外,该类斑岩矿床的剥露过程还记录了浅部地壳的隆升与剥蚀历史(Braxton et al.,2012Zhao et al.,2015)。Leng et al.(2018)基于对锆石和磷灰石(U-Th)/He的低温热年代学研究,结合热史模拟技术,精细刻画了云南中甸地区普朗斑岩铜—金矿床的冷却历史与剥露过程,提出残留的准平原(即夷平面)是该斑岩矿床得以保存的关键地貌条件,然而该认识尚缺乏来自区域地貌学的进一步支撑。

夷平面是指由剥蚀和夷平作用所产生的、以截面形式横切所有老于其地层和构造的一种平缓地形(徐叔鹰,1963),是地貌长期发展的终极产物(熊建国等,2020),相当于Davis理论的准平原、King理论的山麓剥蚀平原或Budel理论的双层水平面(潘保田等,2000)。随着构造地貌学的发展,夷平面被认为是地壳稳定时期的产物,强调其发育受到地壳构造稳定下外动力作用的最终状态(潘保田等,2000)。近年来,数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的发展为地貌分析提供了重要的数据源和新的技术手段。国内外学者针对夷平面的问题,结合各研究区的实际情况开展了大量研究。如:刘勇等(1999)从遥感监督分类方法入手,开展了夷平面的三维显示与定量分析,获得了青藏高原东北部美武高原夷平面的具体分布区域;刘洪光等(2010)提取地形起伏度和坡度因子,并进行统计分析,准确识别出夷平面地貌信息。Haider et al.(2015)提取坡度、曲率、地形粗糙度和相对高度等相关地貌因子,结合模糊函数特征,提出了夷平面隶属度的概念,隶属度越高,表明属于夷平面的可能性越大,进而创建了准平原分析工具(Peneplain Analyzing Tool,PAT)的方法。Xiong et al.(2016)根据高原夷平面特征,提出地形夷平指数(Landform Planation Index,LPI)的峰簇量化理论,并基于该理论在冈底斯、柴达木和秦岭—昆仑地区识别出夷平面的分布范围。类似地,Liu et al.(2018)基于长江流域中上游地区的地貌因子,勾勒出该区夷平面的分布范围。

鉴于此,本文将基于地貌因子,定量刻画中甸地区夷平面的分布范围,模拟出雪鸡坪岩体的冷却过程,并进一步探讨夷平面分布与斑岩铜矿床保存之间的耦合关系。

1 地貌特征及地质背景

中甸地区位于川西高原南部,青藏高原的东南缘,地理坐标为99°45′~100°20′E,27°40′~28°32′N (图1图2)。地貌特征呈现出沿着金沙江分布着巨大且保存完好的高海拔、低地势的层状地貌(Tian et al.,2014),受到河流侵蚀作用,河谷呈现“V”型。中甸地区缺失侏罗纪—白垩纪地层,表明该区可能在晚侏罗世就从海平面上升为古陆(Leng et al.,2018)。

图1

图1   中甸地区位置及高程图

(a)中甸地区在青藏高原的位置;(b)中甸地区高程图1.本文样品点;2.文献Leng et al.(2018)的样品点;3.走滑断裂;4.河流

Fig.1   Location and elevation map of Zhongdian region


图2

图2   中甸地区条带剖面位置分布图

Fig.2   Distribution map of swath profile location in Zhongdian region


该区处于义敦弧的最南端,其东部与南部为甘孜—理塘结合带,西部为中咱微陆块,属于三江特提斯成矿域重要的斑岩—矽卡岩型铜多金属矿集区。晚三叠世(220~210 Ma),由于甘孜—理塘古洋盆的低角度俯冲,该区产生大量与挤压构造背景相关的斑岩型铜矿床,如普朗和雪鸡坪等(冷成彪等,2015)。

2 数据及分析方法

2.1 数据来源

本研究使用的DEM数据源自美国航空航天局(NASA),为SRTM3(3角秒精度),空间分辨率为90 m,投影类型为UTM/WGS84。以ArcGIS为分析平台,针对中甸地区DEM数据的地貌因子,采用地表坡度分析和地形剖面分析方法,量化夷平面的坡度、高程和地势起伏度。

2.2 研究方法

(1)坡度分析。坡度是指地表面上某一点的倾斜程度(马金萍,2017)。坡度值的高低代表地势的陡峭程度,低值表示地势平坦,高值表示地势陡峭(图3)。在ArcGIS中计算坡度的原理是依据DEM中每个单元与其相邻的8个单元之间的最大变化率计算其倾斜程度来实现的(Burrough et al.,1998)。该参数可以检测平坦区域,排除陡峭区域。但是,由于其他地形的存在,像湖泊和冲积盆地一样,地势平坦,坡度较低,单靠坡度无法探测潜在的夷平面,因此需要进一步排除分析。

图3

图3   中甸地区坡度分布图

Fig.3   Slope distribution map of Zhongdian region


(2)条带剖面分析。与传统的线性剖面不同,条带剖面可直接提取一定范围内的地形特征,并定量化分析沿特定方向的地形起伏变化。本文运用ArcGIS对中甸地区条带高程所表征的地形信息进行提取。过程如下:①以中甸地区DEM高程数据为底图,建立矢量区文件并绘制矩形条带,新定义的矩形宽度为5 km,长度为300 km。②利用ArcToolbox中的创建渔网(Create Fishnet)工具生成1行60 列格网,其大小为5 km×5 km。③利用编辑工具将生成的网格移动和旋转到合适的位置,使格网条带延伸方向尽量垂直于构造线方向,使尽可能多的地貌单元被格网覆盖。本研究选择2个条带交叉穿过中甸地区,其中1条与中咱大断裂垂直,目的是展现出中甸地区地貌形态变化特征。④利用分区统计(Zonal Statistics)功能可计算出最大高程、最小高程、平均高程和地势起伏度,其中地势起伏度表示为最大高程与最小高程之差,提取相关地貌数据并导入Origin Pro软件,制作出剖面高程图。

(3)热历史模拟。在本研究中,主要采用HeFTy软件(Ketcham,2005)模拟雪鸡坪岩体的冷却历史。HeFTy的反演过程中需要设置不同约束值之间的变化路径,并且模拟过程一直进行到获得50次“好”的拟合路线为止。本研究模拟过程设定磷灰石(U-Th)/He封闭温度为(70±10)℃,锆石(U-Th)/He封闭温度为(180±10)℃,地表温度为10 ℃。结合低温梯度和冷却速率,估计出雪鸡坪岩体的剥蚀量。

3 分析结果

3.1 坡度分布

坡度值的变化范围被限制在0°~90°之间。冯金良等(2005)将坡度分布在0°~7°之间视为潜在夷平面分布区。然而,基于简单的DEM数据分析,可能会严重低估坡度值(毕华兴等,2005)。这里进一步将坡度划分为0°~10°,利用重分类原则,分别设置0°~10°和10°~61°的坡度,最大坡度为61°。由中甸坡度分布图(图3)可以直观地看出低坡度值集中在平坦盆地边缘、山顶面及河流谷地等。

3.2 条带剖面特征

条带剖面分析避免了线性剖面的主观性,能够准确获取高程属性的相关参数(邹斌文等,2011)。中甸地区的条带剖面图中最大高程、最小高程、平均高程及地势起伏度可以直观地反映出地貌的高程分布和变化特征,如山脉峰顶、金沙江沟谷、平均海拔高程和遭受切割剥蚀程度等(图2图4)。中甸地区分布相对平坦的两级夷平面,高度分别位于海拔+4 100~+4 400 m和+3 100~+3 300 m。由于遭到金沙江河流侵蚀和中咱大断裂的影响,中甸地区夷平面具有同时期不同高度的地貌特征(何浩生,1985)。因此,从条带剖面图上可以看出整个中甸地区高程分布及地势起伏度,且受到中咱大断裂的构造作用和金沙江侵蚀的影响,局部夷平面高程分布相对较低。

图4

图4   中甸地区条带剖面图

Fig.4   Swath profile of Zhongdian region


3.3 夷平面分布

夷平面是一个接近基准面的平坦地形,是地貌长期演化的终极产物。地形特征蕴含着地貌形态、发育机制和形成过程等复杂信息,所以单一地貌因子不能全面反映地形特征。这里借助坡度与条带剖面的高程分布特征明确中甸地区夷平面的存在。Clark et al.(2006)利用高程插值得到青藏高原东南缘的残存面(准平原)分布范围。笔者将残存面与所得到的夷平面进行比较,二者分布范围基本一致,说明中甸地区广泛分布夷平面。

中甸地区的主体地貌结构表现为辽阔的丘状高原面或分割山顶面的夷平面(罗来兴等,1963),浑圆状残丘与宽浅坳沟相间分布,主体夷平面的高度已降至约3 000 m(李吉均等,1979)。在高原形成过程中,夷平面会因地壳隆升、构造变形和地表侵蚀而解体。由于印亚板块碰撞挤压,内部收缩构造变形、地壳缩短及增厚导致了地表隆升(Spicer et al.,2020)。而且青藏高原东南缘通过河流侵蚀和河口下切,形成了高海拔的低起伏面,并保持着高基准面的平原形态(Clark et al.,2006Liu-Zeng et al.,2008)。从中甸地区地貌图可以看出,浑圆状残丘与沟谷相间分布,局部相对高程为+500~ +900 m(图4~图6)。为了凸显矿床分布与夷平面之间的关系,笔者选取了普朗、雪鸡坪矿区进行放大处理(图6),普朗矿床位于最高的夷平面上(+4 100~+4 400 m),雪鸡坪矿床分布于二级夷平面上(+3 100~+3 300 m)。由此可知,这些地区地势起伏变化较小,基本分布于同一高原面上。

图5

图5   中甸地区夷平面分布图[据Clark et al.(2006)修改]

Fig.5   Planation surfaces distribution map of Zhongdian region[modified after Clark et al.(2006)


图6

图6   中甸地区现代地貌特征

(a)中甸地区卫星影像图[蓝色线条为分图(b)、(c)的边界线];(b)雪鸡坪、普朗矿床卫星影像图;(c)雪鸡坪、普朗矿床DEM高程图

Fig.6   Characteristics of modern geomorphologic of the Zhongdian region


4 讨论

4.1 雪鸡坪岩体的热史模拟

基于锆石和磷灰石(U-Th)/He年龄(表1),重点利用HeFTy软件模拟了雪鸡坪岩体(XJP 11-26、XJP 3301-503)的冷却曲线(图7)。平均加权时间—温度曲线表明岩体经历了3个冷却阶段:在早白垩世时期(130~120 Ma)快速冷却阶段的冷却速率为80~98 ℃/Ma,在早白垩世至晚中新世(120~10 Ma)极度缓慢冷却阶段的冷却速率小于1 ℃/Ma,在晚中新世至今阶段的冷却速率约为3 ℃/Ma。第一阶段的冷却过程可能与中特提斯洋沿班公缝合带向北俯冲的地壳作用有关,造山带隆升而引起岩体快速冷却。第二阶段经历了极其缓慢的剥蚀过程,反映为构造静寂期,有利于夷平面的形成。到中新世时期,第三阶段又经历一个快速冷却阶段,可能是由中咱大断裂构造活动和青藏高原隆升引起的冷却。而第二阶段冷却速率的降低可能与剥蚀速率的降低有关。

表1   中甸地区斑岩矿床位置和测年结果汇总

Table 1  Summary of location and dating results for porphyry deposits in Zhongdian region

样品编号采样位置海拔/m锆石U-Pb/Ma锆石(U-Th)/He/Ma磷灰石(U-Th)/He/Ma
XJP11-2999.85° E,28.00° N3 556214±2.5128.3±13.323.1±1.2
XZK3301-6899.85° E,28.00° N3 592215.6±1.556.2±4.6
XZK3301-53099.85° E,28.00° N3 130214.2±1.4142.0±7.620.8±1.5
PL12-34*99.98° E,28.03° N3 950217.0±1.3146.1±9.262.5±5.8

注:样品PL12-34 据Leng et al.(2018)

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图7

图7   雪鸡坪岩体的时间—温度曲线

注:图中的绿色区域表示所有可接受的时间—温度曲线,其拟合度大于0.05;紫色区域包含所有“好”的时间—温度曲线,其拟合度大于0.6;紫色区域中黑色的粗线表示每个区域的加权平均冷却曲线

Fig.7   Time-temperature curves of the Xuejiping rock mass


在中甸地区夷平面形成过程中,由时间—温度曲线中的120~10 Ma期间平均冷却速率约为0.21 ℃/Ma,可以估算出雪鸡坪岩体的剥蚀量。将这个冷却速率与估计的地温梯度25~50 ℃/Ma相结合,可以得到4.2~8.4 m/Ma的剥蚀速率。因此,在120~10 Ma期间,夷平面形成过程中雪鸡坪岩体移除了500~950 m厚的岩体,这表明大区域面积的岩体剥露需要一种有效的剥蚀作用。笔者认为中甸地区经历了长期缓慢的冷却速率(<1 ℃/Ma)和极低的剥蚀量(500~950 m),也表明青藏高原东南缘自早白垩世至早中新世以来形成了相对稳定的地貌(Leng et al.,2018)。因此,中甸地区白垩纪以来的构造静寂期不仅为夷平面的形成提供相对稳定的构造条件,而且为晚三叠世斑岩矿床的保存提供有利地貌条件。

4.2 中甸夷平面的形成时代

中甸夷平面形成的具体时间涉及到构造演化、河流侵蚀以及青藏高原东南缘的隆升变化规律,虽然针对该问题仍存在争议,但是根据已有的古沉积、河流和低温热年代学等研究结果也能反映出其形成时代。

Clark et al.(2004,2006)提出低起伏的地貌面在地理分布上是连续的,基于此,重建了青藏高原东南缘的河流系统演化,发现地貌面与大尺度的构造抬升或高原边缘的倾斜所导致的河流水系格局有关。这表明青藏高原东南部古河流形成于区域性的低起伏地貌,说明高原隆升在时间上略早于或同步于区域水系格局的重组。由于受到掀斜变形运动的影响(何浩生,1993),区域上升高度不统一,青藏高原东南缘的夷平面呈现西北高、东南低的特征,表明夷平面形成初期可能为统一的高原面,后期由于遭受地壳运动的破坏而解体。沉积物的存在也说明该时期的构造较稳定,促进了准平原型夷平面的发展。一些沉积物的研究也揭示了中甸地区夷平面上发育较厚的红色风化壳(李德文等,2000李吉均,2013),表明夷平面形成于中新世(崔之久等,2001)。许多学者认为川西高原、滇西高原以及青藏高原东南部分布有大量的中新世至上新世夷平面(罗来兴等,1963何浩生,1985)。近年来关于青藏高原东南缘构造地貌发育过程的研究表明,在上新世时期构造隆升过程中断裂作用和河流的快速侵蚀加剧了夷平面的解体(程捷等,2001李吉均等,20012013)。大量的低温热年代学研究也揭示了青藏高原东南缘在白垩世至中新世经历了缓慢冷却过程(冷却速率约为0.3 ℃/Ma),而晚中新世至今经历了快速冷却过程(冷却速率为2~3 ℃/Ma)(Reid et al.,2005Tian et al.,2014Zhang et al.,2015Leng et al.,2018Liu-Zeng et al.,2018Cao et al.,2019)。其中,晚中新世时期的剥蚀过程与地貌演化同步,多集中于金沙江河谷。这种河流的侵蚀过程必然会在地貌上有所反映,夷平面的形成也与青藏高原东南缘的隆升有所联系。

中甸地区雪鸡坪岩体经历了晚侏罗世—早白垩世(140~120 Ma)的造山隆升,剥蚀冷却速度较快,并上升为古陆,地层缺乏白垩纪的沉积物,说明中甸地区白垩纪之前就遭受夷平作用。在早白垩世至晚中新世(120~10 Ma),雪鸡坪岩体经历了缓慢的冷却过程(冷却速率小于1 ℃/Ma),表明该时期构造和地貌稳定,剥蚀、夷平作用使得夷平面不断向基准面接近,地形趋于平缓,形成准平原型夷平面。晚中新世(10 Ma)以来,受青藏高原隆升和中咱大断裂的影响,岩体冷却剥蚀速度快,表明构造活动断裂隆升和河流侵蚀加剧了夷平面的解体(时间约为3.6 Ma)(李吉均,2013),也奠定了高原东南缘河流水系的流向。因此,中甸地区夷平面形成时间应该不晚于晚白垩世,至中新世时期最终形成,上新世时期遭到解体。

夷平面的存在揭示了青藏高原东南部的隆升模式,支持了高原由挤压和断裂作用形成的分阶段加厚模式(Tapponnier et al.,2001Japsen et al.,2009Tian et al.,201320142015Spicer et al.,2020),而不是下地壳通道流模式(Clark et al.,2005Liu-Zeng et al.,20082018Li et al.,2015)。夷平面的形成过程不仅证明了青藏高原及东南缘的夷平面是在低海拔地区发育、形成的(Liu-Zeng et al.,2008Hetzel et al.,2011Tian et al.,2014),而且为上地壳挤压而抬升、河流同步剥蚀古地貌提供了证据(Tian et al.,2013)。李德文等(2004)通过对比青藏高原与云贵高原红色风化壳的厚度,说明构造隆升对夷平面产生的刻蚀作用。从青藏高原向东,刻蚀厚度增厚,表明高原东南缘隆升程度减弱。但上新世之后,青藏高原的隆升机制显示并不是由印度与亚欧板块直接碰撞产生的(吴福元等,2007),而是多阶段、非均匀的过程(钟大赉等,1996),是挤压模式下的产物,进而支持了青藏高原及东南缘分阶段加厚的隆升模式。

综上所述,中甸地区晚三叠世斑岩矿床的冷却曲线显示该区域自早白垩世以来经历了缓慢的剥蚀速率(<1 ℃/Ma)和极低的剥蚀量(500~950 m),是对夷平面形成过程的响应,进一步为斑岩矿床的保存提供有利的地貌条件。因此,中甸地区斑岩矿床的保存与夷平面的形成具有一定的耦合关系,同时也支持了青藏高原及东南缘分阶段加厚的隆升模式。

5 结论

(1)利用DEM数据,对中甸地区进行坡度和高程量化分析,得出该区坡度分布范围在0°~10°之间,其低坡度地区主要分布于平坦盆地边缘、山顶面和河流谷地。

(2)中甸夷平面的形成时间不晚于晚白垩世,中新世时期地貌特征最典型,为中甸地区三叠纪斑岩矿床的保存提供了缓慢的剥蚀速率、稳定的构造环境以及有利的地貌条件,可作为该地区斑岩矿床找矿的地貌学依据。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-3-334.shtml

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