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    蘇東奧陶系馬五5亞段碳酸鹽巖成巖作用與孔隙演化

    2013-03-01 07:37:47季明明趙俊興李鳳杰伍宏遠(yuǎn)
    天然氣勘探與開發(fā) 2013年4期
    關(guān)鍵詞:亞段奧陶系白云石

    季明明 趙俊興 李鳳杰 伍宏遠(yuǎn)

    (成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院)

    蘇東奧陶系馬五5亞段碳酸鹽巖成巖作用與孔隙演化

    季明明 趙俊興 李鳳杰 伍宏遠(yuǎn)

    (成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院)

    利用巖心觀察、薄片圖像分析、X-射線衍射、地化分析等資料,分析認(rèn)為蘇里格地區(qū)東部馬五5亞段碳酸鹽巖在成巖過(guò)程中經(jīng)歷了海水、大氣淡水、埋藏成巖環(huán)境;成巖作用復(fù)雜多樣,其中溶蝕作用和白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育有利。馬五5亞段白云巖成因可劃分為準(zhǔn)同生期白云巖化和埋藏期白云巖化兩種。圖4表2參14

    碳酸鹽巖 成巖作用 白云石化 孔隙演化 蘇東地區(qū)

    0 引言

    蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地的中北部、中央古隆起東北側(cè),區(qū)域構(gòu)造屬于伊陜斜坡北部中帶。依據(jù)古生物特征、沉積旋回和區(qū)域性標(biāo)志層,馬家溝組從下往上劃分為馬一—馬六6段,其中馬五段沉積厚度最大處約300 m,目前所發(fā)現(xiàn)的主要?dú)鈱泳褪邱R五段頂部的碳酸鹽巖風(fēng)化殼儲(chǔ)層,厚度約60~90 m。本文通過(guò)巖石薄片鑒定、薄片圖像分析、測(cè)井資料以及地球化學(xué)分析等手段,對(duì)蘇里格氣田東部地區(qū)馬五5亞段成巖作用和白云巖的成因有了進(jìn)一步的了解,并取得一些新的認(rèn)識(shí)。

    1 地質(zhì)背景及沉積環(huán)境

    中奧陶統(tǒng)馬家溝組沉積時(shí)期,由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖,產(chǎn)生相向擠壓作用力,蘇里格地區(qū)整體表現(xiàn)為震蕩性海退;盆地的北面、西面、南面共同隆起環(huán)繞,形成障壁強(qiáng)蒸發(fā)的陸棚邊緣,是具高咸度、淺水、暴露的低能沉積環(huán)境,處于高頻海平面變化相對(duì)低水位期[1]。馬五期中央隆起出露水面,阻隔西邊海水補(bǔ)給;東邊華北地塊海平面整體降低,海水因海底消能,涌入量相對(duì)減少;南邊斷裂作用減弱,海水補(bǔ)給量有限,所以盆地內(nèi)海水循環(huán)性較差[2](圖1)。到了加里東末期,由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖加速造成構(gòu)造擠壓,鄂爾多斯盆地腹地海退成陸,研究區(qū)馬家溝組地層抬升地表遭受約1.5億年的風(fēng)化剝蝕;海西期,鄂爾多斯盆地整體下沉,研究區(qū)奧陶系地層結(jié)束了長(zhǎng)期暴露溶蝕的歷史,開始接受沉積;到了燕山-喜山中、深埋藏成巖期,該時(shí)期研究區(qū)持續(xù)坳陷,奧陶系處于較高溫高壓的深埋藏環(huán)境。

    圖1 研究區(qū)位置及奧陶系馬五5亞段沉積環(huán)境

    根據(jù)測(cè)井解釋綜合成果,將馬五5亞段劃分為馬、、三個(gè)小層,對(duì)應(yīng)的沉積亞相依次為潮上帶、潮間帶和潮下帶。研究區(qū)內(nèi)白云巖縱向上厚度變化較大,具東南厚西北薄的特點(diǎn);巖性自上而下依次為微晶灰質(zhì)白云巖、粉晶—中晶白云巖、微晶灰?guī)r,由于縱橫向上沉積環(huán)境變化和白云石化作用的差異性造成的[3]。總之,研究區(qū)內(nèi)海水在馬五5時(shí)期處于較低水位,蒸發(fā)作用較強(qiáng),整體表現(xiàn)為海平面下降的特征。

    2 巖石學(xué)特征

    馬家溝組馬五5亞段巖性主要以白云巖、灰?guī)r為主,其次為少量巖溶角礫巖。白云巖以灰色、淺灰色為主,晶粒結(jié)構(gòu),少數(shù)具有顆粒結(jié)構(gòu),多為泥晶、粉晶

    和細(xì)晶,有少量的中晶、不等晶白云巖;主要礦物為白云石和方解石,常見自生石英和黃鐵礦,含少量泥質(zhì)。一些白云石晶粒具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)?;?guī)r以深灰色、灰黑色為主,多為微晶灰?guī)r,少量顆?;?guī)r及次生灰?guī)r及疊層灰?guī)r;礦物以方解石為主,含黃鐵礦,偶見石膏。巖溶角礫巖,按其成分,可以分為巖溶角礫灰?guī)r和巖溶角礫白云巖(圖2a)。

    根據(jù)Gregg和Silbey所作常見的白云石結(jié)構(gòu)分類[4],依據(jù)形成溫度的不同,將白云石化所結(jié)晶的晶體結(jié)構(gòu)分為平直晶面和非平直晶面兩種。形成平直晶面的白云石溫度一般在50~60℃以下,顆粒細(xì)小,自形—半自形(圖2b),形成于淺埋藏的或近地表的環(huán)境;而后者形成溫度在50~60℃以上,顆粒粗大,半自形—他形(圖2c),則是在中—深埋藏環(huán)境下形成的。

    圖2 蘇東地區(qū)馬五5亞段白云巖顯微鏡下照片特征

    3 成巖作用

    借助于地球化學(xué)分析手段,對(duì)該區(qū)成巖作用及成巖環(huán)境的變化有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。微量元素方面,研究區(qū)白云巖的Sr和Na含量較低,F(xiàn)e、Mn含量相對(duì)灰?guī)r則升高。白云巖樣品中Sr含量很低(0.004%~0.016%,平均值0.0084%),灰?guī)r樣品中Sr含量也很低,這說(shuō)明該區(qū)白云石化的母體是低鎂方解石。Na含量(0.02%~0.17%,平均值0.078%,)大大低于近代生物成因的碳酸鹽巖Na含量(0.5%~0.8%)[4],表明是在成巖過(guò)程中流體受到大氣水的稀釋。與該區(qū)內(nèi)灰?guī)r樣品相比,白云巖中Fe(0.10%~1.68%,平均值0.47%)和Mn(0.0027%~0.035%,平均值0.01%)含量要增高,因?yàn)殡S著埋藏深度的增加,在還原環(huán)境下進(jìn)行的成巖作用使Fe、Mn進(jìn)入白云石晶格中。碳、氧同位素測(cè)試結(jié)果顯示,δ13C和δ18O都為負(fù)值(δ13C為-3.08‰~-0.71‰,平均值-1.63‰;δ18O為-7.1‰~-10.3‰,平均值-8.9‰),這是由于大氣淡水加入的原因。大氣淡水的混入,促使白云石的氧于大氣水中的氧進(jìn)行了交換,使δ18O向負(fù)值偏離更高。δ13C主要取決于初始沉積環(huán)境中流體的性質(zhì),其值與灰?guī)r中δ13C相似,代表了當(dāng)時(shí)沉積初期海水的信息,這表明白云石化的流體性質(zhì)為海水。

    根據(jù)地球化學(xué)分析,沉積物從沉積埋藏到后期變質(zhì)之前共經(jīng)歷了海水成巖環(huán)境、大氣淡水成巖環(huán)境和埋藏成巖環(huán)境。因此,筆者結(jié)合區(qū)域地質(zhì)演化將成巖過(guò)程劃分為準(zhǔn)同生期、早期藏成巖期、大氣淡水-表生期、晚埋藏成巖晚期4個(gè)階段。研究區(qū)內(nèi)的成巖作用主要包括白云巖化作用、溶蝕作用、壓實(shí)和壓溶作用、重結(jié)晶作用、去育化作用、去白云巖化作用和鹽鐵礦化作用共七種類型。其中溶蝕作用和白云巖化作用對(duì)儲(chǔ)層的改造最為有利。

    3.1 白云石化

    研究區(qū)內(nèi)的主要儲(chǔ)層為白云巖,主要集中分布于北部的蘇東39-61井—桃33井一帶,呈近北東—南西向展布,白云巖厚度自0~28.7 m,平面上呈串珠狀分布,反映出有效儲(chǔ)層橫向變化快、規(guī)模小的特點(diǎn);有效儲(chǔ)層基本上繼承了白云巖的分布范圍。氣藏與白云巖之間存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,氣藏均分布于白云巖分布區(qū)和有效儲(chǔ)層的分布區(qū)范圍之內(nèi)。該區(qū)白云巖的成因主要為準(zhǔn)同生期白云巖化和埋藏白云巖化兩種,早期沉積形成的準(zhǔn)同生白云巖巖石致密,孔滲極低,不利于孔隙水的賦存和流動(dòng);而早期的粒屑灰?guī)r相對(duì)孔隙度較大,經(jīng)埋藏作用發(fā)生白云巖化,形成

    的晶粒粉晶—中晶白云巖,孔隙發(fā)育,是氣藏富存的重要空間。根據(jù)白云巖化的時(shí)期不同以及其鏡下巖石學(xué)特征差異,將研究區(qū)內(nèi)白云巖類型劃分為三類,分別為準(zhǔn)同期形成的白云巖和淺埋藏期早成巖期白云巖及中—深埋藏晚成巖期形成的白云巖。這三類白云巖在巖石學(xué)特征上有不同(表1)。

    表1 三類白云巖特征對(duì)比

    產(chǎn)于潮上云坪、泥云坪、云泥坪的準(zhǔn)同生白云巖,泥晶—微晶,顏色多為淺灰色或土黃色,含泥多,晶形較差,無(wú)核心、無(wú)環(huán)帶構(gòu)造,其結(jié)構(gòu)細(xì),有水平紋層。在陰極射線照射下,此類白云石發(fā)較暗的棕紅色光;這是由于淺水的潮坪環(huán)境處于氧化條件下,Mn2+和Fe2+無(wú)法進(jìn)入泥晶白云石的晶格中。進(jìn)入埋藏環(huán)境后,泥晶、微晶白云石顆粒變粗,有序度增大,逐漸形成半自形—自形粉晶白云石;而早期灰?guī)r在白云石化流體持續(xù)供給下,其基質(zhì)和顆粒部分會(huì)發(fā)生白云石化。這些白云石干凈,泥質(zhì)較少,可見環(huán)帶構(gòu)造(“霧心亮邊”);在陰極發(fā)光照射下具有環(huán)帶發(fā)光性,呈橙黃色,且核部不發(fā)光(圖2d)。在顯微鏡下晶體結(jié)構(gòu)為平直晶面,反映了較淺的埋藏環(huán)境及相對(duì)較低的溫度。

    到了中—深埋藏階段,白云巖形成的動(dòng)力學(xué)障礙大大降低,多數(shù)流體都可能成為白云石化流體[5]。這些流體一方面對(duì)原始灰?guī)r進(jìn)行交代,另一方面導(dǎo)致早期形成的白云巖發(fā)生重結(jié)晶。隨著溫度和壓力的增加,白云石晶體快速生長(zhǎng),晶面發(fā)生曲面化;此時(shí)形成的白云石的多為細(xì)—中晶,呈它形晶,晶體緊密堆積,非平直晶面[6]。其薄片在陰極射線照射下發(fā)淡暗紅色光,因?yàn)橹車锢砘瘜W(xué)環(huán)境發(fā)生變化,致使少量Mn2+和Fe2+進(jìn)入白云石晶格中,可見其薄片在陰極射線照射下發(fā)淡暗紅色光??p合線的出現(xiàn)以及孔隙中充填的異性白云石顆粒(非平直晶面,波狀消光(圖2e)),也是埋藏的標(biāo)志之一,表明深度至少達(dá)到600 m,溫度應(yīng)在50~60℃以上。

    經(jīng)過(guò)前人對(duì)白云巖中碳、氧同位素的研究,其影響因素主要為成巖溶液的溫度和鹽度。資料顯示[7-8],奧陶紀(jì)海水的穩(wěn)定同位素值大約為δ18O:-6.6‰~-4.0‰;δ13C:-2.0‰~+0.5‰。對(duì)研究區(qū)內(nèi)三種白云巖樣品地球化學(xué)測(cè)試分析,結(jié)果表明(表1)Ⅰ類白云巖δ18O同位素值與奧陶系海水中的數(shù)值范圍大致相同,反映了準(zhǔn)同生期白云巖形成的時(shí)代及環(huán)境為奧陶系較淺的蒸發(fā)海水環(huán)境。Ⅱ類白云巖較陶系海水及Ⅰ類白云巖的δ18O同位素值偏負(fù),表明成巖環(huán)境已經(jīng)不再是蒸發(fā)海水環(huán)境;而進(jìn)入埋藏環(huán)境。在埋藏條件下,發(fā)生白云石化作用,由于比近地表溫度高,發(fā)生“熱同位素分餾作用”,相對(duì)較重穩(wěn)定同位素18O進(jìn)入到交代流體中,相對(duì)較輕的穩(wěn)定同位素16O進(jìn)入到白云石晶格中。這樣埋藏白云石化形成的白云巖必然就具有比奧陶紀(jì)海水要偏負(fù)的氧穩(wěn)定同位素值。Ⅲ類白云巖的δ18O同位素值的分布范圍和平均值與Ⅱ類很相近,說(shuō)明白云石化流體為同一流體源。造成兩類白云石的穩(wěn)定同位素值微弱差別的主要原因是其形成環(huán)境的不同,后者形成與埋藏較深的環(huán)境下,高溫狀態(tài)下促進(jìn)氧同位素的分餾作用。研究區(qū)三類白云巖中δ13C平均值分別為-2.1‰、-1.25‰和-1.45‰,Ⅰ類白云巖相對(duì)于典型的準(zhǔn)同生期白云巖相比明顯偏負(fù),可能與原巖中藻類有關(guān)[9];Ⅱ、Ⅲ類白云巖的內(nèi)白云巖的碳同位素值與奧陶系海水中碳同位素值范圍大致相同,表明成巖流體的來(lái)源均為奧陶系海水,非混合水模式的白云巖化;Ⅲ類白云巖較Ⅱ類白云巖向負(fù)值偏移的原因可能為較深埋

    藏環(huán)境下生油期有機(jī)質(zhì)的介入有關(guān)。

    3.2 溶蝕作用

    本文中溶蝕作用為廣義的溶蝕作用,可分為淡水溶蝕和埋藏溶蝕。研究區(qū)域內(nèi)大量可見溶孔、洞、縫等構(gòu)造,證明了溶蝕作用發(fā)生。而溶蝕作用是一種建設(shè)性的成巖作用,能夠擴(kuò)大孔隙度,使得孔縫相連,增加滲透率,改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能。

    (1)淡水溶蝕

    淡水溶蝕包括準(zhǔn)同生期淡水間歇性的選擇性溶蝕和表生時(shí)期長(zhǎng)期暴露的非選擇溶蝕[10]。表1中Ⅱ類白云巖、Ⅲ類白云巖較Ⅰ類白云巖中Fe、Mn含量升高,Na、Sr含量降低表明這兩類白云巖在形成過(guò)程中受淡水影響。準(zhǔn)同生時(shí)期,以組分選擇性溶蝕為特征,最先被溶蝕的為石膏、石鹽以及顆?;?guī)r中的膠結(jié)物等不穩(wěn)定組分。在成巖早期,由于沉積環(huán)境不是十分穩(wěn)定,海水發(fā)生周期性震蕩,地層會(huì)周期性的暴露于地表,經(jīng)大氣淡水的淋濾,不穩(wěn)定組分被溶解,形成溶孔、晶間溶孔、鑄??滓约按怪钡娜芪g孔洞(圖2f)。在加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期末期,由于構(gòu)造擠壓抬升,使奧陶系馬家溝組地層暴露并長(zhǎng)時(shí)間的遭到風(fēng)化剝蝕,位于古風(fēng)化殼的頂部,進(jìn)入表生成巖環(huán)境。可溶性巖石受到地表風(fēng)化環(huán)境和地下水的長(zhǎng)期作用,使巖石發(fā)生溶解。石膏溶蝕,對(duì)圍巖釋壓,使其產(chǎn)生裂隙[11],經(jīng)大氣淡水淋慮形成溶蝕裂隙。裂隙繼續(xù)擴(kuò)溶,伴隨地下水系統(tǒng),形成大量的角礫巖和陷角礫巖,角礫大小不均,角礫間被更小角礫充填,角礫被后期方解石膠結(jié)[12]。上部的白云石坍塌,從而形成溶蝕角礫白云巖。

    (2)埋藏溶蝕作用

    進(jìn)入中石炭世,鄂爾多斯盆地下沉,進(jìn)入封閉的埋藏環(huán)境。埋藏溶蝕作用包括上覆的石炭紀(jì)煤系地層淺埋藏壓釋酸性水溶蝕、燕山—喜馬拉雅期中深埋藏排烴有機(jī)酸溶蝕以及深部熱水溶蝕[13]。酸性液體沿著裂縫向下滲透,發(fā)生溶解作用,是之前的溶蝕孔縫擴(kuò)大,孔隙度也隨之增加。另外,深部熱液對(duì)碳酸鹽的溶蝕也起了一定的作用[14]。

    4 孔隙演化

    4.1 孔隙類型

    研究區(qū)內(nèi)馬五5亞段碳酸鹽的孔隙包括孔隙以及裂縫,其中孔隙包括微孔、粒間孔、晶間孔;縫包括微縫、晶間縫、溶縫和破裂縫。

    4.2 孔隙物性特征

    研究區(qū)的物性資料分析結(jié)果(表2)表明,孔隙度分布范圍為0.46%~13.10%,滲透率分布范圍為0.0008~5.38 mD在各種類型的巖石中,中晶、細(xì)晶和粉晶白云巖的儲(chǔ)層物性最好,孔隙度和滲透率都很高,為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的主要巖性基礎(chǔ);微晶白云巖孔隙度中等,滲透率中等,儲(chǔ)集性能一般;灰質(zhì)白云巖孔隙度較好,但是其滲透率較差,不利于油氣的運(yùn)移;微晶云質(zhì)灰?guī)r以及微晶灰?guī)r孔隙度很低,基本上不具備成為儲(chǔ)層的能力,而微晶灰?guī)r中由于裂縫的存在,其滲透能力有所提高。

    表2 不同巖性儲(chǔ)層物性特征統(tǒng)計(jì)表

    4.3 孔隙演化

    根據(jù)將成巖作用的發(fā)生時(shí)間建立一個(gè)較為清晰的演化序列(圖4):機(jī)械壓實(shí)、壓溶、早期白云石化→淡水溶解→角礫化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有機(jī)酸溶蝕→深埋藏溶解、埋藏白云巖化→重結(jié)晶、方解石、石英充填??紫堆莼c成巖演化的具有十分密切的關(guān)系,成巖后生階段的壓實(shí)作用、壓溶作用及充填作用可依次減少孔隙度,而后來(lái)的淡水-有機(jī)質(zhì)水及深部熱水溶蝕作用及白云石化作用又可使增加孔隙。

    在早期大氣淡水環(huán)境時(shí)期,碳酸鹽沉積物(巖)周期性暴露于地表中,與大氣淡水接觸,從而發(fā)生了早期的白云石化作用及大氣淡水溶解作用,并伴隨充填作用,導(dǎo)致部分溶蝕空洞被充填,巖石早期原始孔隙度明顯減少至5%~10%(據(jù)薄片中顆粒接觸關(guān)系估算而得)。進(jìn)入淺埋藏環(huán)境后,沉積物可以繼續(xù)發(fā)生白云石化;同時(shí),由于上覆壓力使得沉積物脫水收縮,形成大量網(wǎng)狀縫。此時(shí),沉積物經(jīng)過(guò)壓實(shí)、壓溶作

    用并發(fā)生破碎、變形。到了加里東末期,由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖加速造成構(gòu)造擠壓,鄂爾多斯盆地腹地海退成陸,馬家溝組抬升地表遭受約1.5億年的風(fēng)化剝蝕。由于大氣淡水的滲流及選擇性溶解作用,致使溶蝕垮塌,角礫間孔、礫內(nèi)孔及溶蝕孔成為了新的儲(chǔ)及空間,此時(shí)的孔隙度以增加為主,約10%~15%左右(據(jù)后期充填物含量估算得到)。另外,去膏化作用和作用形成了膏???、溶孔,去白云山化使孔縫略微減少。到了海西期,鄂爾多斯盆地整體下沉,接受沉積,上覆地層的有機(jī)酸性地層水沿各種渠道進(jìn)入奧陶系地層,產(chǎn)生不同程度的溶解作用,將前期各種孔洞擴(kuò)大,邊緣表現(xiàn)為溶蝕港灣狀。淺埋藏白云石化作用形成白云石多成斑塊狀,晶間孔較發(fā)育,進(jìn)入到中、深埋藏成巖期后,白云石化形成的白云石顆粒粗大,鑲嵌式接觸,充填于孔隙中。此時(shí),奧陶系處于較高的溫壓環(huán)境,壓溶、重結(jié)晶作用使巖石致密化,原生孔隙降低。在深埋藏成巖期,自生石英、方解石等充填溶蝕孔洞,使儲(chǔ)集性降低,最終鑄體薄片中觀察孔隙度約為5%左右。

    圖4 蘇東地區(qū)奧陶系馬家溝組馬五5亞段孔隙演化模式圖

    5 結(jié)論

    (1)馬五5亞段碳酸鹽巖成巖演化經(jīng)歷了海水、大氣滲流及埋藏環(huán)境,成巖階段可劃分為海水準(zhǔn)同生期、早埋藏成巖期、表生期以及晚埋藏成巖期四個(gè)時(shí)期。

    (2)成巖演化序列為機(jī)械壓實(shí)、壓溶、早期白云石化→淡水溶解→角礫化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有機(jī)酸溶蝕→深埋藏溶解、埋藏白云巖化→重結(jié)晶、方解石、石英充填。

    (3)溶蝕作用和白云巖化作用是最為有利建設(shè)性成巖作用。白云巖化作用可分為準(zhǔn)同生期、淺埋藏期和深埋藏期三種。

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    10 張永生.鄂爾多斯地區(qū)奧陶系馬家溝群中部塊狀白云巖的深埋藏白云石化機(jī)制[J].沉積學(xué)報(bào),2000,18(3):424-430.

    11 蘇中堂,陳洪德,朱平,等.鄂爾多斯盆地南部馬家溝組孔隙類型及其演化[J].海相油氣地質(zhì),2010,15(4):6-13.

    12 喬琳,沈昭國(guó),方少仙,等.鄂爾多斯盆地靖邊潛臺(tái)及其周邊地區(qū)中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五1-4亞段儲(chǔ)層非均質(zhì)性主要控制因素[J].海相油氣地質(zhì).2007,12(1):12-20.

    13 蘇中堂,陳洪德,趙俊興,等.鄂爾多斯盆地靖邊北部奧陶系馬五4-1段成巖作用特征[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008.35(2):194-200.

    14 Hairuo Qing,鄧禮正,張子樞,等.加拿大西部盆地沉積Presqu’ile障壁島粗晶熱液白云巖儲(chǔ)層的成因[J].天然氣勘探與開發(fā)1995,(2):27-43.

    (修改回稿日期 2013-07-07 編輯 王曉清)

    季明明,男,1987年出生,碩士研究生,主要從事沉積學(xué)和巖石學(xué)研究。地址:(610059)四川成都市二仙橋東三路成都理工大學(xué)。電話:18200121071。E-mail:627142134@qq.com

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