宁夏贺兰山北段孙家沟组凝灰岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及地质意义

马学东 ,  汪栋刚 ,  马彦云 ,  李晓娟 ,  何庆志 ,  黄生金 ,  王成 ,  田景雄 ,  李明涛 ,  杨凡燕 ,  梁志荣

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3660-3673

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3660-3673 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502984
天文学、地球科学

宁夏贺兰山北段孙家沟组凝灰岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及地质意义

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Zircon U-Pb Ages and Hf Isotope Characteristics and Their Geological Significance of Tuff in Sunjiagou Formation in Northern Segment of Helan Mountain

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摘要

贺兰山北段孙家沟组内发育有数层凝灰岩,是火山喷发的凝灰物质沉积的产物,为了约束贺兰山地区二叠纪—三叠纪之交的火山事件时限及孙家沟组的地质时代,对该区孙家沟组内发育的凝灰岩进行了锆石U-Pb测年和Hf同位素研究。锆石U-Pb年龄为(264.5±3.3)~(250.0±2.0) Ma,结合古生物地层学,将孙家沟组的主体沉积时代厘定为中二叠世晚期到早三叠世早期。年龄值<300 Ma的锆石Hf同位素εHf(t)值介于-4.25~-17.75,二阶段模式年龄范围为1 392~2 148 Ma,主要集中于1.4~1.8 Ga,表明这套凝灰岩主要来源于华北板块北缘阿拉善地块东部古元古代地壳再循环。结合区域上该套凝灰岩的发育特征,推测贺兰山北段孙家沟组火山凝灰岩物质应主要来自贺兰山北部的狼山一带。

Abstract

There are several layers of tuff developed in the Sunjiagou Formation in the northern segment of Helan Mountain, which was produced by volcanic ash-fall deposits. In order to constrain the timing of volcanic events at the Permian-Triassic transition period and the formation time of the Sunjiagou Formation in the Helanshan region, zircon U-Pb dating and Hf isotope studies were conducted on the tuff developed within the Sunjiagou Formation in the area. Zircon U-Pb isotope dating results from (264.5±3.3) Ma to (250.0±2.0) Ma. Combined with paleostratigraphy, the main depositional period of the Sunjiagou Formation is determined to be from the late Middle Permian to the early Early Triassic. Zircon grains (age<300 Ma) have negative εHf(t) values from -4.25 to -17.75 and two-stage model age from 1 392 Ma to 2 148 Ma, suggests that the parental magmas of these tuff were mainly originated from the melting of Meso-proterozoic crust of the eastern part of the Alxa Block of the northern margin of the North China Plate. Based on the regional development characteristics of tuff, it is speculated that the volcanic tuff material of the Sunjiagou Formation in the northern segment of Helan Mountain mainly comes from the Langshan area of Inner Mongolia.

Graphical abstract

关键词

贺兰山 / 孙家沟组 / 凝灰岩 / 锆石U-Pb年龄 / Hf同位素

Key words

Helangshan Mountains / Sunjiagou Formation / volcanictuf / zircon U-Pb dating / Hf isotope

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马学东, 汪栋刚, 马彦云, 李晓娟, 何庆志, 黄生金, 王成, 田景雄, 李明涛, 杨凡燕, 梁志荣. 宁夏贺兰山北段孙家沟组凝灰岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及地质意义[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3660-3673 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502984
MA Xue-dong, WANG Dong-gang, MA Yan-yun, LI Xiao-juan, HE Qing-zhi, HUANG Sheng-jin, WANG Cheng, TIAN Jing-xiong, LI Ming-tao, YANG Fan-yan, LIANG Zhi-rong. Zircon U-Pb Ages and Hf Isotope Characteristics and Their Geological Significance of Tuff in Sunjiagou Formation in Northern Segment of Helan Mountain[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3660-3673 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502984

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在二叠纪与三叠纪之交生物大灭绝事件中,全球约90%的海洋生物和70%的陆地脊椎生物遭到灭绝[1-5]。从20世纪中期开始,中外地学界开始对二叠纪与三叠纪之交生物大灭绝事件的原因进行了广泛的探索和研究,其中殷鸿福等[6]对煤山剖面二叠纪与三叠纪之交导致生物大灭绝特大地质事件的起因进行了综合研究,首次提出和证实了二叠纪与三叠纪之交大绝灭事件的主因事件之一为火山事件,引起中外高度重视。宁夏贺兰山北段一带二叠纪与三叠纪之交的石千峰群孙家沟组内发育数层英安—流纹质凝灰岩[7-8]。这套凝灰岩的发现,充分说明了华北板块西北缘二叠纪与三叠纪转折期火山事件的存在,并在贺兰山地区的陆相地层中记录了下来。近年来,已有学者对鄂尔多斯盆地、华北盆地三叠纪火山凝灰岩进行了研究[9-11],但是尚未有贺兰山盆地的相关研究报道。本文研究团队在宁夏1∶5万乌达、老石旦、石嘴山站、石嘴山幅区域地质调查项目实施过程中,于贺兰山北段沙巴台地区孙家沟组内填绘出数层橘红色流纹质玻屑凝灰岩,为获得二叠纪与三叠纪之交火山活动事件时限、孙家沟组沉积年龄及火山活动对古环境、古气候的影响等研究工作打下了物质基础。现主要对采集的沙巴台剖面孙家沟组凝灰岩样品进行锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成研究,对该套凝灰岩的喷发时代、物源区等问题进行分析,探讨贺兰山地区孙家沟组的沉积时代,为分析华北板块西北缘二叠纪与三叠纪之交的火山活动提供重要物证和时间约束,进而为下一步火山活动规模、频次及生物复苏与古气候转变时限等研究提供资料。

1 区域地质背景

贺兰山地区大地构造位置属华北陆块鄂尔多斯地块西缘冲断构造带之贺兰山褶断带[8],为鄂尔多斯地块与阿拉善地块的交接部位,东以银川地堑与鄂尔多斯盆地相邻,向西近临阿拉善地块,南接北祁连弧盆体系(图1)。

贺兰山北段结晶基底为古元古代贺兰山岩群,为一套由富铝片麻岩、富铝变粒岩、大理岩、钙硅酸粒岩类及少量麻粒岩等组成的变质岩系,变质程度达角闪岩相-麻粒岩相,是华北克拉通北部孔兹岩带的组成部分。中元古代时该地区为古陆块西缘稳定陆缘,沉积了陆缘滨海-浅海相碎屑岩建造和台缘浅滩相碳酸盐岩建造;早古生代中寒武世—早奥陶世为陆缘盆地-裂谷演化阶段,接受了从滨海浅滩相碎屑岩和碳酸盐岩组合到台地相碳酸盐岩沉积;早古生代中奥陶世—晚古生代早石炭世主体为碰撞造山阶段,不再接受沉积;晚古生代晚石炭世-中生代三叠纪为板内伸展阶段,由晚石炭—早二叠世完成由陆表海盆转为陆相盆地的转换过渡期,二叠—三叠纪持续为陆相盆地形成期;侏罗纪—白垩纪为陆内造山阶段;始新世以来进入盆岭构造演化阶段,贺兰山加速隆升,并最终导致现代贺兰山地貌格局的形成。由此可以看出,贺兰山北段地区具有基底结晶变质岩系(贺兰山岩群)与基底之上沉积盖层组成的二元结构(图2)。其中二叠与三叠纪之交时期沉积的石千峰群是一套河流相红色碎屑岩及泥岩沉积组合,自下至上分别为孙家沟组、刘家沟组、和尚沟组。孙家沟组主要为紫红、灰红间夹灰绿色泥岩、粉砂质泥岩,夹灰白、黄绿色长石石英砂岩、长石砂岩等;刘家沟组主要为红、浅灰红间夹灰绿色长石砂岩、长石石英砂岩,夹暗紫、灰红、灰绿色粉砂质泥岩;和尚沟组主要为灰红、紫红色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和少量灰绿、黄绿色长石砂岩、长石石英砂岩。

2 凝灰岩层位与样品

研究区位于宁夏贺兰山北段沙巴台地区,野外调查过程中对沙巴台剖面进行了详细的实测。沙巴台剖面露头良好,孙家沟组在该剖面连续出露,地层整体向西倾斜。沙巴台剖面孙家沟组沉积厚度约296.6 m,岩性主要为紫红、黄绿色粉砂质泥岩、泥岩夹紫红、黄绿色中粗粒砂岩、长石岩屑杂砂岩、含砾粗粒凝灰质长石石英砂岩等,中上部发育4层橘红色晶屑玻屑凝灰岩,单层厚30~50 cm。所采2件样品分别为中下部第1层和顶部第4层凝灰岩(图3)。凝灰岩,颜色为橘红色,具有块状构造,粒度均匀,极为致密,易裂开[图4(a)、图4(b)]。显微观察,岩石为流纹质晶屑玻屑凝灰岩,凝灰结构,由玻屑(约35%)、晶屑(约20%)、火山灰(约30%)、金属矿物及铁质(约15%)组成[图4(c)、图4(d)]。玻屑呈鸡骨状、弧面多角状及弓状等,大小在0.06~0.48 mm,边界清晰,普遍被铁质浸染显褐红色,略均匀分布于岩石中。晶屑由石英、长石及云母组成。石英呈棱角状,粒径为0.02~0.5 mm,无色透明,表面干净,普遍具一级灰干涉色,部分颗粒边缘可见熔蚀现象,略均匀散布于岩石中;长石呈棱角状,粒径<0.32 mm,弱土化,表面浑浊,以斜长石为主,少量为碱性长石,二者不均匀散布;云母呈细小片状,片径<0.32 mm,由白云母及黑云母组成。白云母无色透明,可见最高干涉色为二级蓝绿,黑云母具浅褐、深褐色多色性,表面暗化,弱绿泥石化,二者零星散布。火山灰略均匀充填于上述碎屑间隙中,起胶结作用。火山灰普遍脱玻化成隐晶质长英质矿物,少量分解为细小鳞片状黏土矿物、绿泥石集合体及方解石细粒。金属矿物呈不规则粒状及浑圆状,粒径<0.16 mm,不均匀散布于火山灰间隙中。铁质呈浸染状大多分布于玻屑表面,少量不均匀散布,显红褐色。

3 分析方法

锆石挑选是在广州市拓岩检测技术有限公司完成,采用了传统的人工重砂法和磁选法,从众多样品中精心挑选出形态良好、适合测试的锆石颗粒。这些锆石颗粒经过精细的镶嵌处理,被嵌入环氧树脂制成的靶中,形成了整齐条状。为了确保测试的准确性,对锆石靶进行了镜下、背散射电子(back scattered Electrons, BSE)与阴极发光(cathodoluminescence,CL)的综合观察和拍照。通过对比分析,选择相对完整、裂隙较少、透光性强且不含包体的锆石作为年代分析的样品。

3.1 锆石U-Pb测年

锆石U-Pb同位素定年和微量元素含量在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成,测试结果如表1所示。

3.2 Lu-Hf同位素

锆石Lu-Hf同位素组成分析工作是在阴极发光图像及锆石U-Pb定年的基础上开展的,测试在武汉上谱分析科技有限责任公司利用激光剥蚀多接收杯等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)完成,测试结果如表2所示。

4 分析结果

4.1 锆石阴极发光图像特征

凝灰岩作为火山碎屑岩由火山爆发作用而产生,为了精确厘定凝灰岩所代表火山事件的喷发时限,应挑选岩浆成因的锆石。第1层凝灰岩样品Sn-1的锆石呈无色,多为柱状或复方锥形自形晶,锆石晶体的长轴为100~170 μm,短轴为60~110 μm,长短轴之比为1.3∶1~2.0∶1。锆石的Th/U比值较大,为0.37~1.46。第4层凝灰岩样品Sn-4的锆石呈无色,为自形晶,多为柱状或复方锥形自形晶,锆石晶体的长轴为70~175 μm,短轴为50~100 μm,长短轴之比为1.5∶1~3.0∶1。锆石的Th/U比值较大,均为0.15~1.51。CL图像显示样品Sn-1和样品Sn-4的大部分锆石都具有明显的振荡环带和扇形环带(图5),指示其为岩浆成因[13-14]。

4.2 锆石U-Pb测试结果

对样品Sn-1的40颗锆石进行分析,其中谐和度≥91%的谐和锆石27颗(表1),并获得了谐和年龄[图6(a)]。谐和锆石年龄值范围为(2 500±59)~(260±6) Ma,同位素年龄小于1.0 Ga的锆石采用206Pb/238U年龄,同位素年龄大于1.0 Ga的锆石采用207Pb/ 206Pb年龄,具体情况如下:①年龄在(2 500±59)~(1 904±66) Ma的有9颗锆石,CL图像显示其具有一定的磨圆度,为岩浆成因的捕获或碎屑锆石;②年龄在(424±9)~(339±9) Ma的有6颗锆石,CL阴极发光图像显示多具有明显的振荡环带,代表不同期次岩浆作用的产物;③其余12颗锆石的年龄明显存在2个年龄峰值[图6(b)],且均位于锆石U-Pb年龄谐和曲线上[图6(a)],其中年龄在(295±9)~(279±9) Ma的有6颗锆石,峰值年龄为288 Ma,对应加权平均年龄为(287.8±3.3) Ma(N=6,MSWD=1.2,MSWD为平均标准权重偏差),CL图像上亮度较均一,具有典型酸性岩浆锆石的振荡环带,代表早期岩浆活动(火山喷发)年龄;其次年龄在(270±9)~(260±6) Ma的有6颗锆石,峰值年龄为265 Ma,对应加权平均年龄为(264.5±3.3) Ma(N=6,MSWD=1.7),锆石CL图像上亮度较一致,粒度相当,内部岩浆振荡环带清晰,代表地层年龄或火山喷发年龄。

对样品Sn-4的50颗锆石进行打点分析,其中谐和度≥94%的谐和锆石37颗(表1),并获得了谐和年龄[图6(c)]。谐和锆石年龄值范围为(2 295±73)~(239±5) Ma,具体情况如下:①年龄在(2 295±19)~(1 410±56) Ma的有5颗锆石,为岩浆成因的捕获或碎屑锆石;②年龄在(311±14)~(539±14) Ma之间的有11颗锆石,CL图像显示多数锆石具有明显的振荡环带,代表不同期次岩浆作用的产物;③其余21颗锆石的年龄明显存在2个年龄峰值[图6(d)],且均位于锆石U-Pb年龄谐和曲线上[图6(c)],其中年龄在(298±6)~(275±6) Ma的有11颗锆石,峰值年龄为285 Ma,对应加权平均年龄为(285.2±2.0) Ma(N=11,MSWD=4.7),锆石多具有明显的岩浆振荡环带特征,代表早期岩浆活动(火山喷发)年龄;年龄在(270±7)~(239±5) Ma的有10颗锆石,其次峰值年龄为250 Ma,对应加权平均年龄为(250.0±2.0) Ma(N=10,MSWD=1.4),锆石颗粒细小且多具有典型酸性岩浆锆石的振荡环带,代表地层年龄或火山喷发年龄。

4.3 Lu-Hf同位素测试结果

在锆石U-Pb年龄有效测试点基础上,在样品Sn-1和Sn-4中分别挑选年龄值<300 Ma的12个和21个典型点,共计33个典型点进行Hf同位素测试,其中样品Sn-4中的锆石Sn4-37和Sn4-50因被打穿了数据去除,具体结果如表2所示。

测试分析结果显示,测试锆石物质的量(原子数)比值n(176Yb)/n(177Hf)比值介于0.030 049~0.119 052,n(176Lu)/n(177Hf)比值介于0.000 747~0.003 063,fLu/Hf值介于-0.98~-0.91。测试点的n(176Hf)/n(177Hf)比值介于0.282 104~0.282 704,比较均一。根据相应年龄计算的εHf(t)均为负值,分布在-4.25~-17.75[图7(a)],TDM2为1 392~2 148 Ma,平均值为1 715 Ma[图7(b)]。

5 问题与讨论

5.1 孙家沟组地质时代

孙家沟组化石较为稀少,以华北板块区域上来看为数不多的动植物化石一方面具有二叠纪晚期的面貌,同时又具备三叠纪早期的色彩[15]。因此,孙家沟组地质时代一直存在分歧,主要有晚二叠世[16-18]、早三叠世[19-23]和跨越二叠纪—三叠纪[24-25]三种方案。

贺兰山地区孙家沟组中下部凝灰岩(Sn-1)最新的锆石U-Pb加权平均年龄为(264.5±3.3) Ma,顶部凝灰岩(Sn-4)最新的锆石U-Pb加权平均年龄为(250.0±2.0) Ma。这两组锆石都具有自形晶型特征,并且发育明显的振荡环带和扇形环带,Th/U值为0.23~1.68(>0.1),表明这些锆石属岩浆锆石,基本可以代表火山喷发事件的时间。这是在贺兰山地区孙家沟组凝灰岩中首次得到的岩浆型锆石U-Pb年龄,精确测定了底、顶两层凝灰岩层的年龄,对孙家沟组的地层时限提供了直接的同位素年代学约束。这与Zhu等[26]在山西保德孙家沟组获得的最年轻碎屑锆石年龄(269±3) Ma是基本相当的。

宁夏地质局(1982年)[27]在孙家沟组中段获得孢粉:Classopllis classoides,Trchytriletes sp.,Cordaitina sp.,Lycopodiumsporites sp.,Perocauoidospora sp., Floorinites sp.,Pityosporites sp.,Verucosisporites sp.,Cedripites sp.等,并认为总的组合面貌为晚二叠世。从所含的孢粉分析,Floorinites、Cordaitina时限为二叠纪—三叠纪,Pityosporites、Verucosisporites和Cedripites从二叠纪到白垩纪都存在,Lycopodiumsporites常见于中生代,至于Classopllis的第一个繁盛时代在三叠纪。

由于样品Sn-1处于孙家沟组中下部,凝灰岩之下还沉积有厚度约80 m的紫红、灰绿色粉砂质泥岩及少量灰白色砂岩,故而孙家沟组的沉积起始年龄限定在二叠系瓜德鲁普统卡匹敦阶之下;样品Sn-4处于孙家沟组的顶部,凝灰岩之上仅有厚度约2 m的紫红色泥岩,故而孙家沟组的沉积结束年龄限定在下三叠统印度阶。综合以上信息,认为贺兰山地区孙家沟组的主体沉积时代应为中二叠世晚期到早三叠世早期。

5.2 凝灰岩的岩浆源区

贺兰山地区孙家沟组凝灰岩中年龄值<300 Ma的锆石二阶段模式年龄TDM2范围为1 392~2 148 Ma,平均值为1 715 Ma,主要集中于1. 4~1. 8 Ga,远大于锆石U-Pb年龄,而锆石中绝大部分的n(176 Lu) /n(177Hf )值小于0. 002,并且εHf(t)均为负值,分布在-4.25~-17.75,在176Hf/177Hf-年龄和年龄-εHf(t)图解上,绝大部分测点位于下地壳和地壳平均区域(图8),表明凝灰岩的岩浆主要来源于古老地壳物质的再循环[28-29]。测试的33颗锆石的二阶段模式年龄TDM2介于1. 3~2. 1 Ga,显示该凝灰岩的岩浆主要来源于古元古代-中元古代的地壳物质的重熔,其中有4颗锆石的二阶模式年龄大于2.0 Ga,表明为该凝灰岩的岩浆提供物源的古老地壳的物源区在2.0 Ga或者更早就已经发生壳幔分异事件,而1.4~1. 8 Ga期间较为强烈。

前人对华北板块北缘和阿拉善地块的锆石U-Pb年龄进行了统计[30-33],结果显示华北板块北缘和阿拉善地块存在500~100 Ma期间的岩浆作用[图9(a)]。随着对阿拉善地块的深入研究,表明其发育晚古生代二叠纪—早三叠世(299~230 Ma)构造热事件[34],花岗岩、基性岩和火山岩在阿拉善全区普遍发育[图9(b)]。其中阿拉善陆块东缘靠近贺兰山地区的雅布赖山—诺尔公—狼山岩浆岩带发育大量300~250 Ma 花岗岩类[35-41]和276~250 Ma火山岩[42-45]。这一期的构造热事件的年龄与贺兰山地区孙家沟组凝灰岩就位的年龄十分吻合。

华北板块北缘的锆石Hf同位素亏损地幔模式年龄显示华北板块北缘的地壳增生主要发生在太古宙至中元古代期间,在1.5~1.9 Ga期间存在较为强烈的壳幔分异事件[图10(a)]。阿拉善地块东缘雅布赖山-诺尔公-狼山岩浆岩带显生宙岩浆岩的锆石Hf同位素亏损地幔模式年龄也显示,阿拉善地块东部的地壳增生主要发生在1.3~2.6 Ga期间[图10(b)]。这与孙家沟组凝灰岩的锆石Hf同位素年龄特征相一致,贺兰山地区孙家沟组凝灰岩主要来源于华北板块北缘阿拉善地块东部元古代地壳再循环。

为了进一步确定孙家沟组凝灰岩的物源区,把雅布赖山-诺尔公-狼山岩浆岩带显生宙岩浆岩自南向北依次划分为雅布赖、诺尔公、庆格勒及狼山4个地区,分别对以上4个地区的显生宙岩浆岩的锆石Hf同位素亏损地幔模式年龄进行统计分析,可以明显地看出贺兰山地区孙家沟组凝灰岩锆石Hf的TDM2年龄集中范围与狼山地区的最为吻合(图11)。张拴宏等[46]研究表明,二叠纪—三叠纪华北板块北缘有大量的火山活动,但火山岩遭受后期强烈的构造作用被大量剥蚀出露非常有限。狼山乌兰敖包地区大石寨组内发育265~285 Ma火山岩[45,47]、狼山西南地区发现有晚古生代末期—早三叠世早期(243~259 Ma)的枕状玄武岩[43],表明该地区在247~285 Ma存在火山事件。区域上孙家沟组在横向上岩性有一定变化,其中表现之一为贺兰山北段胡鲁斯台—沙巴台一带及陶乐北部的孙家沟组普遍发育凝灰质砂岩,并夹数层凝灰岩、沉凝灰岩,而贺兰山中段和宁东地区南部则未见夹凝灰岩,砂岩中凝灰质成分明显减少。在大区域岩浆岩岩性及自北向南凝灰质成分明显减少直至消失的变化趋势基础上,并结合雅布赖山—诺尔公—狼山岩浆岩带显生宙岩浆岩的锆石Hf同位素特征分析,推测孙家沟组的凝灰质成分应主要来自贺兰山北部的内蒙古狼山一带。

6 结论

通过对宁夏贺兰山北段发育的孙家沟组凝灰岩进行锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成研究,得出如下结论。

(1)贺兰山北段孙家沟组凝灰岩锆石U-Pb 年龄为(264.5±3.3)~(250.0±2.0) Ma,代表了该地区孙家沟组同沉积喷发的火山凝灰岩的年龄。这一年龄对孙家沟组的地层时限提供了直接的同位素年代学约束,结合古生物地层年龄,认为贺兰山地区孙家沟组的的主体沉积时代应为中二叠世晚期到早三叠世早期。

(2)研究区孙家沟组凝灰岩中年龄值<300 Ma的锆石二阶段模式年龄范围为1 392~2 148 Ma,平均值为1 715 Ma,主要集中于1. 4~1. 8 Ga。锆石Hf同位素特征显示,这套凝灰岩主要来源于华北板块北缘阿拉善地块东部古老地壳再循环,是元古代地壳物质部分熔融的产物。结合区域上该套凝灰岩的发育特征,推测贺兰山北段孙家沟组火山凝灰岩物质应主要来自贺兰山北部的内蒙古狼山一带。

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基金资助

宁夏回族自治区自然科学基金(2023AAC03768)

中国矿产地质志项目(DD20221695)

中国矿产地质志项目(DD20190379)

中国矿产地质志项目(DD20160346)

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