草原石林：东北亚早白垩世花岗岩伸展穹隆和岩浆成矿爆发的地质遗迹及其形成过程

杜 灿，童 英，郭 磊，王 涛，侯贺晟(.中国地质科学院地质研究所，北京 0007；2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 0008；.中国地质科学院地球深部探测中心，北京 00096)

地质遗迹是在长期地球系统演化过程中，不同地质作用下形成的千姿百态的地质剖面、地质构造、古生物、矿物与矿床、地貌景观、水体景观、环境地质遗迹景观等资源，是宝贵的自然遗产，是探索和研究地球演化历史的主要内容之一，具有独特的、典型的科学价值。其中，与花岗岩相关的地质遗迹在中国大陆广泛分布，以地貌景观遗迹和环境地质遗迹为主，如我国的黄山、九华山、天柱山、华山等旅游胜地，现大多为地质公园，发育各类地质遗迹。然而，在东北亚地区，包括中国北方的内蒙古以及蒙古国中南部在内，还发育一种特殊的花岗岩地质遗迹，散布于大兴安岭及蒙古草原之上，称之为草原石林，以著名的锡林浩特阿斯哈图石林为代表，是具有特殊地质科学意义和较高美学观赏价值的地质遗迹[1]。这类石林发现后被称之为“阿斯哈图”地貌[1-2]，并成为克什克腾世界地质公园的主要园区之一。按照《国家地质公园规划编制技术要求》，阿斯哈图石林属于典型的地貌遗迹大类。

实际上，在位于蒙古草原的二连浩特东北部也发育类似的宝德尔石林[3]，与阿斯哈图石林相距数百公里以上。近期的研究发现，这类草原花岗岩石林，不仅具有花岗岩地貌遗迹的特点，更重要的是具有表现早白垩世大型伸展构造的地质构造景观[3]和保留岩浆成矿大爆发的矿物矿床遗迹特点[4]，普遍发育不同规模的锡银铅锌铜金矿床以及萤石矿床，是我国重要的多金属战略基地[4]。那么什么是草原石林，这种石林具有什么特点，是如何形成的，两种石林是否具有相似的地质背景值得研究。前人的研究认为阿斯哈图石林的主体是早白垩世花岗岩[4]，宝德尔石林则是早白垩世花岗岩伸展穹隆的一部分[3,5]。因此，本文从石林花岗岩及相关穹隆的形成背景——东北亚早白垩世巨量伸展入手，深入揭示石林花岗岩构造和形态的成因，为内蒙古等地方政府整合地质遗迹资源，整体规划建设国家地质公园，打造地质旅游品牌提供科学支撑。

1 草原石林的概念

草原石林是花岗岩石林的一种，是新发现的花岗岩地貌类型[2]，形态上类似云南石林、土林、雅丹地貌和现代冰川上的冰林地貌。野外考察发现这种石林主要分布在内蒙古大兴安岭及以北的蒙古国东部和南部草原戈壁地区，位于东北亚中生代巨量伸展省的腹心(目前发现至少有9个大型石林)，如大兴安岭南段的阿斯哈图石林[1,2]、二连浩特东北部的宝德尔石林[3,5-6]、蒙古东南部的Nartyn石林、Atanshiree石林[7]，以及作者所在项目组新发现的蒙古中南部Erdenesant-Onjuul石林、纳兰石林、Erdene石林、东乌旗北部和蒙古交界的罕乌拉石林等，数量众多。它们在美丽的蒙古大草原上，由无数的石雕群组成，一根根石柱或一座座石墩分布在平坦而广阔的草原上。这些石柱或石墩在地表并非一个整体而是像一块块状如饼子的石头堆叠而成，其间隔只数米，分布集中，大小错落有致。

这些石林均由花岗岩体所组成，石林地貌花岗岩分布在平缓山脊上或几乎没有起伏的草原地带，成片出现，连绵几百米至数十千米(面积最大的是Nartyne石林和Atanshiree石林，为10～20 km2)，部分长度超过100 km2(如东乌旗罕乌拉石林)，与岩体的出露密切相关。石林之间相对高一般从数米到数百米，在山脊地区(如大兴安岭南段阿斯哈图石林)高差较大，草原覆盖区则相对较小，但也有较高的石林(如蒙古中部的Erdenesant-Onjuul石林)。石林的底部常相连，上部大部分受垂直节理或风化作用影响影响被分割成各种形态，顶部较平缓。

2 草原石林的形成过程分析

草原石林显而易见的地貌特征是密集发育的近水平节理，整体为穹隆形态[3,7]，部分石林发育多期垂直的节理[2]。近期的岩浆岩专题填图发现的宝德尔草原石林主要由少量边部中侏罗世(约160 Ma)和主体早白垩世(140～120 Ma)两个岩套五个单元的花岗岩所组成[5]，而详细的构造解析则清楚地显示这些特征的近水平节理的形成与岩体侵位的流动构造和后期伸展抬升密切相关[3,7]，晚期沿这些构造面理的物理风化和化学作用(包括风蚀、冰川以及盐风化等)造就了不同的形态[2]。

2.1 草原石林花岗岩穹隆的伸展过程

国内外的研究认为组成这些石林的花岗岩是早白垩世东北亚地区巨量伸展的结果[6,8]。蒙古国南部的Nartyn石林和Atanshiree石林花岗岩为早白垩世同减薄岩体，岩体边部的韧性剪切带和核部近水平的岩浆面理为伸展变形的产物[7]。相似的是中蒙边境的数个石林，它们是多个不对称花岗岩伸展穹隆的重要组成部分。其中，宝德尔石林和纳兰石林是宝德尔-纳兰穹隆的核心，该穹隆由内向外由核部多期次早白垩世花岗岩、西北边缘韧性剪切带和脆性拆离断层组成，上盘为不变形侏罗纪花岗闪长岩、泥盆系片岩和早白垩世盆地。剪切带具有统一向北西的剪切，变形程度由不变形的岩体核部向外侧逐渐增强，面理的形成与岩体的侵位和隆升过程密切相关，反映了区域上伸展拆离环境下侵位的非对称同构造花岗岩穹隆特点。韧性剪切带底部至顶部糜棱岩石英C轴组构，保留了早期高温变形和晚期中温-低温组构，表明伸展早期为高温变形，可能与岩浆同侵位伸展有关，伸展减薄峰期以中温和低温变形为主，反映了剪切带及岩体伸展抬升至浅部的递进变形过程[3](图1)。而罕乌拉石林则位于东乌旗罕乌拉韧性剪切带的下盘，组成石林的沙麦早白垩世花岗岩边部也受上盘向北西的伸展变形影响而发育构造面理[9]，核部则发育与糜棱面理和线理近平行的岩浆流动面理和线理。其他石林如阿斯哈图石林、Erdene石林等因为剥蚀程度较深，未观察到边部韧性剪切带，但岩体仍发育近水平的岩浆面理，围绕岩体发育后期高角度正断层，显示穹隆的构造特点。

石林花岗岩主体的形成时代为140～120 Ma[4-5,7,9]，说明这些花岗岩及穹隆构造发育时限与东北亚大陆早白垩世花岗质岩浆的活动峰期一致[10]。因此，石林花岗岩形成于东北亚大陆整体的伸展环境下，其过程从侵位一直持续到冷却抬升至脆性域，反映出东北亚大陆显著的地壳减薄。

图1 东北亚早白垩世不对称花岗岩穹隆/同减薄岩体的形成模式Fig.1 Evolution model of Early Cretaceous asymmetric granitic domes and syn-thinning pluton in NE Asia

2.2 草原石林地貌的形成过程

伸展的递进变形过程形成了石林花岗岩早期的糜棱面理、近水平岩浆面理和后期抬升重力卸载沿岩浆面理发育的密集节理[3,7]，受持续的同伸展岩浆作用上涌导致隆(抬)升到地表之后，大量近水平为主的节理和更晚期叠加的其他方向节理，受北国昼夜温差大导致的石(裂)崩影响，在雨水侵蚀的作用以及第四纪冰川的改造下[2]，把这些抬升到地表的花岗岩体分割不同的岩块，发生崩塌、滚落、碎裂，同时狂风卷起的沙尘、碎石对岩石表面的不断进行雕刻，从而呈现独特的景观(图2)。

图2 草原花岗岩石林的形成机制Fig.2 Formation mechanism of granitic stone forest in grass land

3 草原石林的地学意义

3.1 对早白垩世东北亚巨量伸展的构造指示

草原石林花岗岩形成于东北亚大陆巨量的伸展背景下，是地壳伸展的典型特征之一。目前的研究显示，石林无一例外，全部属于某个早白垩世伸展穹隆或同减薄岩体的一部分[3,5-8]。东北亚地区晚中生代的巨量伸展，与蒙古鄂霍次克构造带的造山后垮塌和古太平洋的弧后扩张相关[8]，是晚中生代东北亚地区最显著的构造事件。石林所属穹隆的构造组成、变形样式以及显微构造等是研究东北亚晚中生代中下地壳流变特征、地壳伸展启动机制和伸展过程的典型代表，具有重要的构造地质学意义，可以作为伸展构造实习和教学的理想场所。

3.2 对花岗岩填图和研究的年代学意义

综合锆石U-Pb年代学结果显示，所有这些发育石林的花岗岩主体的时代均为140～120 Ma[3,4-7,9](以及项目组未发表资料)。岩体由黑云母二长花岗岩、钾长花岗岩等组成，绝大部分为A型花岗岩[4,11]，形成于伸展背景下。近期的岩浆岩专题填图将“石林”作为早白垩世花岗岩重要的谱系单位进行了命名[5,12]，在东北亚地区具有广泛意义，是野外识别早白垩世岩体的一个重要指示标志。

3.3 对草原地貌的意义

大兴安岭和蒙古草原是中国的第二台阶，总体为较平缓的地形特征。众多大型的石林像千层饼、汉诺塔或千奇百怪的石柱矗立在草原上十分醒目。早白垩世伸展和岩浆作用是形成石林的岩石和构造基础，而外动力是塑造花岗岩石林的关键要素，应是在古冰川、寒冻风化、风和水等外动力综合作用下才形成这种罕见的石林地貌[2]，独特的地貌景观集构造地貌、岩浆地貌和气候等地貌特点于一体，具有重要的地貌学研究意义。

4 结 语

综上所述，草原石林是一种奇特的岩石景观，是花岗岩地貌中的“另类”，不仅具有指示东北亚地区花岗岩形成时代的特点，而且风化形成的千姿百态的景色极具观赏价值，可以作为整个蒙古草原地区和大兴安岭南段地区极具特色的地学科普和生态旅游资源。另外，矿床学的研究也认为形成这些石林的花岗岩与钨锡锂铍等多金属矿床[4]和萤石矿床的形成具有直接联系，是我国和东北亚地区潜力极大的金属成矿基地和战略资源基地，也是未来发展研究矿物与矿床类地质遗迹的理想场所。