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第2卷 第1期 2012 年 3 月

地球科学期刊 Scientific Journal of Earth Science [SJES]

Vol.2 No.1 Mar. 2012

嵊泗辉绿岩墙群侵位分析和倒转组构成因探讨1 石林权,潘小青,沈忠悦﹡,陈宁华,张志亮,商亮节,吕青 浙江大学 地球科学系,浙江 杭州 310027

要:岩墙磁组构特征可以指示岩浆侵位时的流向。我们对中国东部嵊泗岛晚白垩世早期辉绿岩岩墙群中 8 条不同走向岩

墙进行了系统采样,沿岩墙两边部及横跨岩墙剖面获得共 273 个独立定向岩芯样品,测定了磁化率各向异性和热退磁曲线。研 究表明,岩墙剖面样品的天然剩磁强度呈现“U”型变化趋势,岩墙壁的剩磁强度总是大于岩墙中部,可能是结晶作用导致磁性 矿物在岩墙壁富集。岩墙壁附近的叠瓦状磁组构具有很好的岩浆流动方向指示意义。直岩脉段与岩脉转弯处的磁组构特征对比 表明,岩脉转弯处的倒转组构可以用岩浆湍流来解释。沿流面发育的节理正好与湍流方向一致,表明了湍流可能是产生倒转组 构的重要原因。

关键词:嵊泗列岛;磁组构;辉绿岩岩墙群;湍流;倒转组构

Discussion on Emplacement of Shengsi Diabase Dyke Swarms and the Origin of Reverse Magnetic Fabrics ﹡

Linquan Shi, Xiaoqing Pan, Zhongyue Shen , Ninghua Chen, Zhiliang Zhang, Liangjie Shang, Qing Lv Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou, China gs_zshen@zju.edu.cn

Abstract: Characteristics of a magnetic fabric dyke can indicate the flow of magma emplacement. 273 oriented core samples were collected on 8 different dykes with various strikes from a diabase dyke swarms well developed in Shengsi Island, the Eastern Chine, in the early stage of the late Cretaceous. Through testing, we found Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) and demagnetization curve. The result shows that the NRM intensities of cores drilled at dyke reveals a characteristic U-shape, with higher intensities at both sides than the center of the dyke. The analysis of the imbrication of magnetic lineation along the margins of dykes is a very promising tool to reveal the sense of flow. This paper thoroughly analyses and discusses the magnetic fabric characteristics of three typical dykes (one straight dyke and two bent dykes) based on fluid theory. Finally, we found magma’s turbulent flow is the possible reason for the inverse fabric. In addition, the joint plane along magma flow verifies that the inverse fabric is caused by magma’s turbulent flow.

Key words: Shengsi Island; Magnetic Fabric; Diabase Dyke Swarms; Inverse Fabric; Turbulent Flow 岩墙是深源岩浆沿着岩层裂隙或断层贯入而形成的板状侵入体,它具有活动时间短、富含信息广的特点,起着 构造标志和时间标尺的作用[1-5],是陆壳伸展最直接的证据,也是探讨火山作用和深部岩层性质、壳幔相互作用的 重要纽带[6,7,8]。因此了解岩墙侵入的时间和流向对于探讨岩浆作用及其来源十分重要。 岩浆的流动可以用岩石组构方法来研究[7,8]。然而对于岩墙这类浅层侵入岩,往往结晶细腻,并没有保留流动 构造,难以观察到岩浆流向。但由于岩浆流动的存在,使得其中的细粒磁性矿物沿流线排列,可以应用磁化率各向 异性(AMS)的测定来研究岩浆的流向。自Graham[9]提出磁化率各向异性(AMS)可以作为一种测量岩石组构的 方法以来,AMS就在岩石变形[10,11]、岩浆流动方向[2-5]和古水流方向等地质事件分析中得到了广泛的应用。AMS又 称为磁组构,Khan和Ellwood在半个世纪前开创性地利用磁组构推断镁铁质岩墙的岩浆流向,经过近20年的研究, 岩石磁组构已成为研究岩墙侵位时岩浆流向最有效的方法之一[2-3]。 1

基金资助来源:国家重点基础研究发展计划(2007CB411706) ,浙江省基金委(Y5100114),国家自然科学基金(40274014)资助。

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石林权,等 嵊泗辉绿岩墙群侵位分析和倒转组构成因探讨

岩墙中磁组构可分为正常组构、中间组构和倒转组构3种,通常认为只有正常组构和岩浆流向有关。正常磁组 构为磁面理(K 1 -K 2 面)近平行于岩墙壁,而最小磁化率主轴(K 3 )近垂直于岩墙壁;倒转组构与之相反,磁面理 近垂直于岩墙壁[1,2,4]。进一步的研究表明岩墙正常磁组构时,其两边的呈叠瓦状构造的磁面理可以指示岩浆的流 向[2,5]。对于倒转磁组构,一般认为后期的构造应力使得磁性矿物排列方式改变,国外少数学者推测由于岩浆侵位 时的湍流(或紊流)运动导致倒转组构的出现,而并没有做过详细的探究。 倒转组构一直让学者们又爱又恨,爱它的构造意义重要性,恨它的成因不确定性。倒转组构成因可分为两大类: 一类由于后期的构造作用导致岩墙内矿物排列方式发生改变,此类倒转组构可以指示后期构造运动主应力方向[9]; 另一类是由于岩浆侵位时的不同流动方式和型态导致岩墙的倒转组构,与岩浆侵位时的流动方式与冷凝作用有 关[1,2,3,4]。其中后者又可以分为三个小类:上涌、湍流和岩墙末端,当岩浆上涌以垂向运动为主时会导致倒转组构[12,13]; 岩墙转弯处湍流运动也可能导致倒转组构的产生;当岩浆侵入到岩墙末端静止不再流动,根据晶体生长理论可知磁 性矿物在静水区会垂直于岩壁生长,也可能会形成倒转组构。此外,由后期绿泥石蚀变析出铁质磁性矿物的叠加事 件[2]也可能会导致倒转组构的出现。 本文结合流体运动学基本理论对嵊泗列岛辉绿岩岩墙的侵位方式进行深入的研究探讨,并对嵊泗辉绿岩中出现 的倒转组构进行了岩浆紊流分析。

1 地质背景 嵊泗列岛位于杭州湾入海口东北部,主要出露燕山期花岗岩和火山碎屑岩(图 1a) ,其中贯穿有大量的晚白垩 世早期的辉绿岩岩墙群(图 1b、c、d)。前人对此区域做过 1/5 万区域地质调查,近期我们对嵊泗岛的辉绿岩岩墙 群进行了岩相学分析和锆石定年。辉绿岩主要矿物为基性斜长石(约 50%)、辉石(约 30%)和角闪石(约 8%)。 常见板条状斜长石组成的格架内填充辉石或角闪石颗粒,组成典型的辉绿结构。副矿物为磁铁矿,含量约 2%,为 角闪辉绿岩。野外和镜下观察均未见角闪辉绿岩和花岗岩围岩出现碎裂现象和重结晶现象,表明岩石未受后期动力 改造。角闪辉绿岩岩墙侵入时间为 90Ma左右[2],为晚白垩世早期岩浆作用的产物[2]。 对嵊泗辉绿岩墙的磁组构分析表明,大部分岩墙具有正常磁组构,其叠瓦状分布的磁面理构造可以良好地指示 岩浆流向[2];然而潘小青等人发现一处具有倒转磁组构的特征[2]。本文在前人的基础上,结合流体学知识和磁组构 特征对此岩墙群进一步深入分析,对比正常组构和倒转组构的磁组构特征,探讨岩浆湍流可能是形成倒转组构的原 因。

图1

嵊泗岛地质简图

(a)为嵊泗岛地质简图;(b)(c)(d)分别为 1 号采点、2 号采点和 3 号采点的放大地质图

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Scientific Journal of Earth Science [SJES]

2 实验过程和流体学知识 2.1 样品采集与测试 野外采样使用便携式汽油钻机,对 8 条不同走向岩墙进行了采样。沿岩墙两边部及横跨岩墙剖面设置了 27 个 采点,系统钻取了共 273 个独立定向岩芯样品,室内将每块定向岩芯加工成 1-3 个直径 25mm 长 22mm 的标准圆柱 标本,共计 532 个。我们在浙江大学古地磁实验室使用 MFK1-A 卡帕桥磁化率仪,对所有定向标本进行了磁化率各 向异性测试,同时,使用 JR6A 旋转磁力仪对 400 多块标本做了热退磁的剩磁研究。

2.2 实验结果 热退磁实验表明,150℃左右出现强度衰减(图 2),可能是针铁矿的脱水所致。由于样品采自地表露头,局部 还受潮汐影响,高潮期被海水掩没。长期地暴露于地表,角闪辉绿岩中的顺磁性矿物发生分解并使铁质形成针铁矿。 320-350℃时剩磁强度迅速下降(图 2),但最终的解阻温度为 580℃,结合前人的K-T分析和电镜观察[2],认为其原 生携磁矿物主要为含钛磁铁矿和磁铁矿,是基性岩浆冷凝结晶的产物,为磁组构的主要载体矿物(包括倒转组构)。

图2

典型热退磁曲线

据潘小青等的研究[2],嵊泗辉绿岩脉 27 个采点的磁组构数据大部分具有正常组构,只有 3 个采点显示了倒转 组构(表 1)。正常磁组构的磁化率值为 4.3-59.5×10-3SI,平均值为 34.2×10-3SI,各向异性度 1.025;倒转磁组构的磁 化率值为 30-51.8×10-3SI,平均值为 35.9×10-3SI,各向异性度 1.020,它们均没有明显的差异。从形状因子上看,正 常组构有正也有负值,其平均值为 0.225,倒转组构均为负值,平均值为-0.198。由于形状因子表示了各向异性椭球 的拉长或压扁形态,正常组构中可正也可负,仍然无法完全区分。那么为什么有的显示正常组构类型,而有的却是 倒转组构?造成这一现象的原因是什么?

2.3 流体学知识 流体的流动型态可以分为两类:一种为流体的每一个质点都稳定地做直线运动,与旁侧的流体在宏观上并没有 相互混合,这种流动型态称为层流;另一种为流体的质点相互碰撞,使速度在大小和方向上时时刻刻都在发生变化, 这种流动型态称为湍流(或紊流)。层流流体中流动形式稳定,湍流流体中不断有漩涡生成、移动、扩大、分裂和 消失。在岩墙平直段可以将岩浆流动抽象为层流运动,在岩墙转折拐弯段则应考虑为湍流运动。无论湍流还是层流 都具有边界层,实际流体中可以划分为两个区域:一是壁面附近,因黏度的影响,其内部存在速度梯度和剪应力, 称为边界层;另一是距壁面较远处,速度未受壁面影响,速度梯度几乎为零[14]。正是由于边界层的存在导致矿物叠 瓦状排列,从而使磁组构主轴特征上也呈现出叠瓦状排布。

3 磁组构主轴分布的流体学解释 结合磁组构实验数据和岩浆流动方式具体分析典型岩脉的特性。实验数表表明,嵊泗列岛辉绿岩岩墙群主要以 水平侵位为主,为方便分析忽略岩浆垂直侵位影响将岩脉的流动方式简单抽象为二维平面管道里的运动。磁性矿物 ]

定向排列主要由岩浆流动因素决定,退磁后的磁组构类型不变[2 ,侵位时地磁场干扰可以忽略。 www.j-es.org PP.1-7 © 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD -3-


石林权,等 嵊泗辉绿岩墙群侵位分析和倒转组构成因探讨 表1

岩墙

采样位置

样品

体积磁化 -3

率(10 SI)

不同岩墙的磁化率各向异性测试结果[2] 最大磁化率主

最小磁化率主

轴方位 K(偏

轴方位 K(偏

角/倾角)

角/倾角)

磁各向异

椭球形状

磁组构

性度

因子

类型

1-1

East

34

33.1

29.2/26.2

296.2/6.1

1.021

0.441

正常组构

1-1

West

31

27.4

57.3/23.0

318.4/19.9

1.025

0.224

正常组构

1-1

Center

55

16.0

67.8/50.0

330.6/6.1

1.026

0.124

正常组构

2-4

North

44

4.3

70.4/12.9

160.7/1.2

1.033

0.267

正常组构

2-4

South

36

15.7

69.2/63.9

172.2/6.3

1.024

0.403

正常组构

2-4

Center

49

2.6

71.1/42.6

181.4/20.7

1.016

0.230

3-1

North

26

30.0

29.9/12.3

294.3/23.8

1.023

-0.152

倒转组构

3-1

South

23

26.1

188.2/30.9

329.0/52.3

1.020

-0.168

倒转组构

3-1

Center

22

51.8

206.4/7.7

320.7/71.9

1.017

-0.275

倒转组构

注:采样位置指岩脉的中间部位、南侧边缘和北侧边缘。数据引自潘小青等人(2011)

3.1 大而直的岩墙磁组构 基性岩浆在流进花岗岩先存裂隙刚触碰到冷的岩壁时会猝冷立刻冷凝成岩而形成冷凝边,高黏度特性使内部的 晶体贴着岩壁,导致晶体长轴方向近乎平行于岩壁。冷凝边构成了新的岩浆通道,通道里的岩浆逐渐向内侧冷凝, 通道越来越小,流速越来越慢,直到完全冷凝为止。对于相同物质成分的岩浆在大而直的岩脉中温度下降慢黏度小, 岩脉中近似认为是层流且边界层不足以充满整个岩脉。 当岩浆从下地壳或上地幔侵入到近地表时随着温度逐步下降,高熔点的磁性矿物率先结晶,结晶的小磁性矿物 晶体漂浮在岩浆中并随之流动,当与边界层相交时,由于剪应力的作用矿物被冲到两壁。又因为后期边界层内黏度 低,速度梯度小,剪应力不足,使晶体完全贴着壁面,矿物主轴会以一定角度与壁面相交形成似叠瓦状构造指示岩 浆的流向。随着岩浆进一步降温,熔点较低的矿物也逐渐在边界层结晶。若岩浆静止在裂隙中稳定结晶,根据晶体 生长理论可知晶体会垂直与岩壁生长[15];但如果结晶过程中岩浆依然还在流动,晶体就会受岩浆的侧向冲击作用长 轴方向发生蠕变,最后与岩壁呈一锐角且沿着流动方向生长,越靠近岩脉中央角度越大。此锐角的大小可以定性推 测侧向冲击力的大小,故可以判定当时流动速率的大小,角度越小流速越大。综上所述,磁性矿物会优先堆积在岩 脉两侧,导致岩脉中央的剩磁强度低于两侧(图 3b)。在嵊泗 4、5、6 采点(图 1b矩形框)所在的 2-4 岩脉很好地验 证了上述的论点(图 3a) 。

图3

笔直岩墙(2-4)磁组构特征

(a)岩墙磁组构 K1 偏角示意图;(b)剖面天然剩磁大小比对图

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Scientific Journal of Earth Science [SJES] 此条岩脉走向稳定,宽约 2.5m,肉眼可以直观地发现两侧样品比中间样品色率高,这是由岩石中的暗色矿物 含量不同导致。仔细分析此岩脉的磁组构特征可以将此类岩墙磁组构特点概括为三层:1.最靠近岩墙壁面K 1 方向与 岩墙近水平,为最初的冷凝边;2.离开一定距离后K 1 方向与岩墙以一定的角度相交,为晶体沉积和生长的边界层; 3.在岩墙中央K 1 方向与岩浆流向基本一致,称为中央层。对岩墙一条横切剖面(图 3a右侧剖面)进行天然剩磁强度 大小比较(图 3b),可以发现岩墙中间剩磁强度小两边大的规律。由于受野外岩墙具体情况限制,采样点并不是绝 对的对称。对于此剖面而言,岩墙南边的 4-13、5-1 等采点比北边的 6-3、6-4 更贴近壁面,导致南边的NRM强度大 于北边。另外,两壁岩浆流速和冷凝速率的微小差异均可能造成两壁剩磁强度的不对称,但其趋势是两壁剩磁强度 高于中心。

3.2 岩墙弯道时的磁组构 类比于河流拐弯处外侧侵蚀内侧沉积、外侧速度大于内侧等特点,岩墙转弯处同样外侧流速大于内侧,外侧的 冲击力也大于内侧。我们选取了图 1c中 1-1 岩脉转弯处的 1、2、3 采点(矩形框)磁组构数据作图(图 4)分析, 由于外侧岩流的侧向冲击力远比内侧大,导致 2 号采点样品K 1 方向明显比 1 号采点更紧贴岩壁,此点有力地说明了 角度大小可以指示流速快慢的论点。1、2 号采点都明显的表现出随着岩浆流向的改变和岩壁的转弯,K 1 方向极其 配合地顺着岩墙面转动。从图 4 知,处于岩墙中间的 3 号采点K 1 方向基本近平行于岩流,只有弯道末端四个样品近 垂直于岩壁,呈现出类似于倒转的状态。笔者根据流体力学推测,外侧的岩流首先受到岩壁的阻���改变流向,内侧 的岩流由于惯性存在不能及时地改变流向依旧向前运动,对外侧岩流产生侧向挤压力。因此岩流束汇聚缩小,相互 间的挤压力增大,且在岩壁内侧形成一片流速空白区。随着挤压力进一步增大,最终推动内侧岩流改变流向形成反 弹,岩流束分散扩大,并在原先的流速空白区形成漩涡。漩涡可以使部分区域的岩流流向垂直于岩壁,使得部分磁 组构近垂直于岩壁[16]。对于此岩脉而言,漩涡产生区在岩流束最集中的区域即弯道的末端。据此可知磁组构特征可 以良好地指示岩浆侵位时的流动方向变化。

图4

弯岩墙(1-1)磁组构 K1 方向分布图

3.3 倒转磁组构 图 1d中 3-1 岩墙的K 3 近平行于岩壁,磁面理近垂直于岩壁,属于倒转组构。现着重分析此倒转组构的成因机 制。将磁化率各向异性测试得到的磁化率主轴K 1 偏角情况做出示意图更形象地分析倒转组构的特征。从图 5 可以直 观地看出大部分样品K 1 偏角近垂直于岩壁且方向略现凌乱。至此有学者提出此条岩墙可能以垂直运动为主,岩浆运

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石林权,等 嵊泗辉绿岩墙群侵位分析和倒转组构成因探讨

动时遇到阻碍改变流向从下往上涌,导致K 1 近垂直于岩壁。此观点理论基础确实成立,可是进一步对磁面理和K 1 的倾角进行分析并和正常组构比对后发现此岩墙侵位时还是以水平运动为主,K 1 倾角集中分布在 5-30°,甚至略小 于正常组构的倾角,故垂直侵位论不成立。

图5

倒转组构 K1 偏角和岩浆流示意图

野外照片中可以清晰地看到岩墙内部有一组呈自然流线形的节理(图 6 虚线)。一般节理面为岩层先存的薄弱 面,对于岩墙而言是侵位时的流动层面,而且此节理面非常吻合流动曲线。另外,该辉绿岩的结晶较粗,长条形的 斜长石板状晶体排布正好也与流动曲线相吻。以此节理面为基础在图 5 上勾勒出侵位时的岩浆流动形式,与K 1 的排 布方向吻合度非常高。据此笔者大胆推测当岩浆从西向东侵位时碰到转弯处流向发生改变,由于此处岩壁宽(约 2.5m)且连续两个转弯,流动方向剧烈改变,岩浆流转化为湍流并伴有一系列漩涡产生,直至岩浆在最后的弯道里 几乎垂直于岩壁流动(如图 5 虚线所示)。在流速较快(离虚线近)的区域,磁性矿物顺着流向排布;在流速较慢 区域磁性矿物在“静水区”垂直于壁面安静的生长,最后凝结为如今的倒转组构。因此该倒转组构本质上和正常组构 并无不同,只是此处特殊的弯道导致岩浆流呈现不同的流动型态,并最终形成倒转。

图6

倒转组构所在岩墙(3-1)及其中的节理

4 结论 岩浆的不同流动状态可以产生不同的磁组构特征。嵊泗辉绿岩墙中,岩墙剖面样品的天然剩磁强度呈现“U”型 变化趋势,岩墙壁的剩磁强度总是大于岩墙中部,可能是结晶作用导致磁性矿物在岩墙壁富集。直岩脉中叠瓦状的 磁组构是岩浆流向的一个理想指示器,叠瓦状磁组构与岩墙壁面所交的角度大小与流速有关,角度越大流速越小。 在岩墙急转弯处往往发生湍流,K 1 方向同样配合地随之转弯,从而形成倒转组构。沿流面发育的节理与湍流方向一

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Scientific Journal of Earth Science [SJES] 致,表明了湍流可能是产生倒转组构的重要原因。 参考文献 [1]. Knight M D, Walker G P L. Magma flow direction in dykes of Koolau Complex, Oahu, determined from magnetic fabric studies [J]. J. Geographys. Res, 1988, B5: 4301~4319. [2]. 潘小青, 沈忠悦, 陈宁华等. 嵊泗岛辉绿岩墙群的侵位方式: 来自磁组构的证据[J].地球物理学报, 2011, 54(12): 3269-3279, DOI:10.3969/j.issn.00015733. 2011.12. 25. [3]. 侯贵廷, 王传成, 李乐, 等. 华北南缘古元古代末岩墙群侵位的磁组构证据[J]. 岩石学报. 2010, 26(01): 0318-24. [4]. Callot J P, Guichet X. Rock texture and magnetic lineation in dykes:a simple analytical mode[J]l.Tectonophysics, 2003, 366:207~222. [5]. Geoffroy L, Callot J P, Auborg C, et al.Magnetic and plagioclase linear fabric discrepancy in dykes: a new way to define the flow vector using magnetic foliation[J]. Terra Nova, 2002, 14: 183~190. [6]. 董传万, 闫强, 张登荣, 等. 浙闽沿海晚中生代伸展构造的岩石学标志:东极岛镁铁质岩墙群[J]. 岩石学报. 2010, 26(4):1195-03. [7]. 侯贵廷, 李江海. 华北晚前寒武纪镁铁质岩墙群的流动构造及侵位机制[J]. 地质学报. 2003, 77(2):210-216. [8]. 李乐, 侯贵廷, 王传成, 等. 鲁西岩墙群侵位机制的磁组构研究[J]. 北京大学学报(自然科学版). 2009, 45(5):789-804. [9]. Graham J W. Magnetic susceptibility anisotropy, an unexploited petrofabric element [J]. Bull Geol Soc A, 1954, 65: 1257-1258. [10]. Shen Zhongyue, Ye Ying, Fang Dajun, et al. Characteristics of magnetic fabrics of Jiangshan-Shaoxing collision belt and its tectonic implications[J]. Chinese Science Bulletin, 1999, 44(19): 1819-1824. [11]. 沈忠悦, 王兆梁, 方大钧, 等. 非滞后剩磁各向异性[J]. 地球物理学报, 1999, 42(4): 572-576. [12]. Khan M A. The anisotropy of magnetic susceptibility of some igneous and metamorphic rocks[J].J.Geographys. Res, 1962, 67: 2867~ 2875. [13]. Ellwood B B. Flow and emplacement direction determined for selected basaltic bodies using magnetic susceptibility anisotropy measurements[J]. Earth Planet Sci Lett, 1978, 41: 254~264. [14]. 谭天恩, 窦梅, 周明华, 等. 化工原理[M]. 化学工业出版社. 2006, 4: 15-20. [15]. 李胜荣. 结晶学与矿物学[M]. 地质出版社. 2008: 14-15. [16]. Airoldi G, Muirhead J D, Elena Z. Emplacement process of Ferrar Dolerite sheets at Allan Hills (South Victoria Land, Antarctica) inferred from magnetic fabric[J]. Geographys J Int, 2012 :1-15, doi: 10.1111/j.1365-246X.2011.05334.x.

【作者简介】 石林权(1991-),男,汉族,浙江新昌人,本科生。研究方向:矿物学, 古地磁学。已发表《晶 体的培养与表征》等一篇研究论文。 E-mail: 820099686@qq.com。

﹡沈忠悦 (1957-),男,汉族,教授。研究方向:矿物学, 古地磁学。 1982 年 7 月毕业于浙江大学地质学系获学士学位,1992 年毕业于 Aberdeen 大学获硕士学位, 2001 年毕业于浙江大学获博士学位。长期从事《结晶学与矿物学》和《古地磁与古板块恢复》 等课程的教学与研究工作。曾主持国家自然科学基金项目 2 项,国家科技攻关项目子课题 2 项。 发表论文 80 余篇, 发明专利二项, 获浙江省科技进步一等奖一项。 Email: gs_zshen@zju.edu.cn。

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