川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

林 彤, 雍自權(quán),2, 劉樹根,2, 白志強(qiáng), 王 浩

( 1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059 )

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川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

林 彤1, 雍自權(quán)1,2, 劉樹根1,2, 白志強(qiáng)1, 王 浩1

( 1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059 )

川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖為四川盆地頁巖氣勘探重點(diǎn)地區(qū)重點(diǎn)層位，應(yīng)用野外觀察、鏡下鑒定、化學(xué)測試等方法分析石林地區(qū)頁巖特征.結(jié)果表明：川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組主要為陸棚相黑色頁巖、硅質(zhì)泥頁巖和粉砂質(zhì)泥巖沉積，且黑色頁巖段富含黃鐵礦和筆石化石；以Ⅱ型干酪根為主， 有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度大于2.0%，具備大量生氣條件；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，有利于人工造縫；儲(chǔ)集空間類型豐富，以納米級(jí)孔隙及微裂縫為主，測試孔隙度為2.5%.與焦石壩地區(qū)對(duì)比，川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖整體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、成熟度高、頁巖脆性好和生氣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，較有利于頁巖氣的形成和富集，為勘探遠(yuǎn)景有利區(qū).

頁巖； 沉積特征； 川東南； 石林地區(qū)； 五峰組； 龍馬溪組

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，油氣勘探難度越來越大，油氣勘探研究也逐漸由常規(guī)向非常規(guī)方向轉(zhuǎn)變.美國頁巖氣的成功開發(fā)利用，使得頁巖氣資源在全世界受到廣泛的重視.作為化石能源領(lǐng)域的一次重大革命，非常規(guī)油氣的成功勘探與開發(fā)將使石油工業(yè)的生命周期有效延長[1].

在對(duì)頁巖氣藏的探索與準(zhǔn)備階段，作為陸相沉積為主的國家，中國的陸相頁巖主要分布在鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)長7段地層[2]，而更有利于頁巖氣生成與富集的海相頁巖主要分布在南方地區(qū).張金川、聶海寬[3-5]等在分析中國南方頁巖氣成藏條件的基礎(chǔ)上，認(rèn)為下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)黑色頁巖是四川盆地廣泛發(fā)育的6套有效烴源巖中形成頁巖氣藏最有利的層系；王社教、黃文明等[6-8]在探討整個(gè)四川盆地下志留統(tǒng)頁巖氣成藏條件的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，五峰組—龍馬溪組黑色頁巖分布范圍廣、厚度大、埋藏適中、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、生氣能力強(qiáng)、處于高成熟—過成熟階段，具有良好的頁巖氣勘探前景，因此五峰組—龍馬溪組是非常好的頁巖氣研究層段.截至2014年5月，中國石化先后在涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊鉆探4口探井，均在五峰組—龍馬溪組下段海相地層中發(fā)現(xiàn)良好的頁巖氣層，頁巖氣年產(chǎn)能達(dá)到10×108m3[9].中國深層海相頁巖，尤其是中國南方地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖勘探開發(fā)前景廣闊.筆者分析涪陵氣田西南方向的石林地區(qū)地表出露的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖，探討五峰組—龍馬溪組黑色頁巖整體特征.

1 地質(zhì)概況

石林地區(qū)位于四川盆地東南緣，隸屬重慶市南川區(qū)，五峰組—龍馬溪組地層出露完整.在構(gòu)造歷史時(shí)期，四川盆地是一個(gè)特提斯構(gòu)造域內(nèi)長期發(fā)育、不斷演化的古生代—中新生代復(fù)雜疊合盆地，具有早期沉降、晚期隆升，沉降期長、隆升期短等特點(diǎn)[10-11].在晚奧陶世—早志留世隨著黔北和湘東大部分古陸的隆起[12]，上、中揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育川東北、川東鄂西、川西南3個(gè)深水陸棚區(qū)，黑色頁巖主要分布于夾持在川中、黔中、江南(雪峰)三大古隆起之間不受都勻運(yùn)動(dòng)影響的半閉塞滯留環(huán)境[13-14](見圖1).研究區(qū)五峰組—龍馬溪組野外實(shí)測厚度為280～420 m，其中富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖主要發(fā)育于五峰組—龍馬溪組下段，厚度為60～150 m；到志留紀(jì)時(shí)，隨著全球氣候變暖，古生產(chǎn)力也逐漸降低[15]，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，普遍發(fā)育灰黑色頁巖及粉砂質(zhì)泥頁巖.

圖1 四川盆地及其周緣晚奧陶系五峰組沉積格架及石林地區(qū)地層分布Fig.1 Sedimentary structure trellis diagram of the Sichuan basin and nearby regions during the late Ordovician Wufeng intervalandsection locations in work area, Shilin, southwest of Sichuan basin

2 巖相類型

四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組為一套深水陸棚—淺水陸棚相沉積，常見的巖相類型為黑色頁巖、粉砂巖、生物灰?guī)r、硅質(zhì)巖和斑脫巖[16].綜合石林地區(qū)上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)野外露頭剖面及鏡下鑒定信息，五峰組—龍馬溪組地層有3種主要巖相.

2.1 黑色頁巖相

黑色頁巖是石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組最重要的沉積類型，主要分布在五峰組—龍馬溪組下段，以SH02剖面為例，黑色頁巖段累積厚度可達(dá)120 m.研究層段黑色頁巖頁理發(fā)育，隱約可見水平層理，局部含粉砂質(zhì)，龍馬溪組底部黑色頁巖段筆石化石豐富，且普遍發(fā)育典型的莓球狀黃鐵礦(見圖2(a)、(b))，反映水體深且盆地隔絕性強(qiáng)、水體循環(huán)差的深水貧氧—缺氧環(huán)境[17].

2.2 硅質(zhì)泥頁巖相

該巖相主要集中在五峰組—龍馬溪組下段，肉眼觀察巖石具紋層狀構(gòu)造，局部可見順層或斜切紋層的硅質(zhì)細(xì)脈(見圖2(c)).巖石內(nèi)混有少量放射蟲沉積(見圖2(d))，呈點(diǎn)星狀分布，體積分?jǐn)?shù)為1%～2%.少量云母呈定向排列，可見較多的石英顆粒，分選好，粒度小，體積分?jǐn)?shù)為16%～26%.放射蟲是一類終生浮游、具有硅質(zhì)骨骼的原生動(dòng)物，它的出現(xiàn)反映一種安靜、清潔、遠(yuǎn)離陸源碎屑及淡水補(bǔ)給的古海洋環(huán)境[18].

2.3 粉砂質(zhì)泥頁巖相

該類巖相主要由泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和陸源粉砂(石英、云母)構(gòu)成，常表現(xiàn)為紋層狀構(gòu)造，粉砂質(zhì)紋層夾于泥巖，顏色較下段淺.泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為60%～80%，粉砂顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%～20%，在實(shí)測剖面中，從龍馬溪組下段上部開始向上粉砂質(zhì)體積分?jǐn)?shù)逐漸增多，直至小河壩組變?yōu)槟噘|(zhì)粉砂巖，出現(xiàn)粉砂質(zhì)紋層與泥質(zhì)紋層互層(見圖2(e)).龍馬溪組粉砂質(zhì)泥巖中含有有機(jī)質(zhì)(見圖2(f))及黃鐵礦，共占體積分?jǐn)?shù)的5%～8%，黃鐵礦部分氧化為褐鐵礦，少見云母，石英顆粒相對(duì)較多，分選較好，磨圓差.粉砂質(zhì)的逐漸增加反映水位線下降、水深逐漸變淺的沉積環(huán)境.

圖2 川東南石林地區(qū)SH02剖面五峰組—龍馬溪組顯微特征Fig.2 Microscope characteristic of Wufeng-Longmaxi foramation in Shilin SH02 section, southeast of Sichuan basin

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

巖石中有足夠數(shù)量的有機(jī)質(zhì)既是能夠形成豐富油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是決定巖石生烴能力大小的主要因素[19].有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量巖石有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)，一般具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)帶的頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%以上[18].在石林地區(qū)9個(gè)野外剖面的五峰組—龍馬溪組頁巖層段選取222個(gè)樣品，進(jìn)行有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試，其結(jié)果顯示(見圖3)：石林地區(qū)總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，尤其是五峰組—龍馬溪組底部黑色頁巖段，遠(yuǎn)超過優(yōu)質(zhì)烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)界定的2.0%；至龍馬溪組上段主要為粉砂質(zhì)泥巖或灰色頁巖，測試有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，遠(yuǎn)小于優(yōu)質(zhì)烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)界定的2.0%.川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部黑色頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有較大的產(chǎn)氣潛力.

圖3 川東南石林地區(qū)不同剖面五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 The comparison of TOC at each section of Wufeng-Longmaxi formation in Shilin, southeast of Sichuan basin

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

圖4 石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組干酪根碳同位素分布Fig.4 The distribution of kerogen carbon isotope at Wufeng-Longmaxi formation in Shilin

有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))和鏡質(zhì)體反射率(Ro)是決定烴源巖生氣潛力的關(guān)鍵因素，干酪根類型是評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的主要指標(biāo)[20].對(duì)石林地區(qū)12個(gè)剖面五峰組—龍馬溪組共計(jì)25個(gè)樣品進(jìn)行鏡檢測試分析，顯示剖面中五峰組—龍馬溪組黑色頁巖主要為殼質(zhì)組，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.37%；其次為鏡質(zhì)組，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.69%；腐泥組較少，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.24%.研究區(qū)干酪根類型以Ⅱ型為主，局部為Ⅲ型.此外,對(duì)研究區(qū)不同剖面的10個(gè)志留系樣品進(jìn)行干酪根δ13C值測試(見圖4)，按照烴源巖干酪根碳同位素劃分標(biāo)準(zhǔn)[16,21]分類原則,石林地區(qū)烴源巖干酪根類型多為Ⅱ～Ⅲ型，與鏡檢測試分析結(jié)果基本一致.石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ～Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)類型條件一般.

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

沉積巖中有機(jī)質(zhì)豐度和類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)成熟度是確定有機(jī)質(zhì)能夠生油、生氣或判定有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化程度的關(guān)鍵指標(biāo)，只有有機(jī)質(zhì)達(dá)到一定熱演化程度,才能開始大量生烴.四川盆地五峰組—龍馬溪組總體埋藏較深，熱演化程度較高.

對(duì)川東南石林地區(qū)各剖面的25個(gè)五峰組—龍馬溪組樣品進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析測試鏡質(zhì)體反射率，石林地區(qū)烴源巖樣品Ro大多數(shù)達(dá)到2.0%以上，其中XJG01-02D、SQ01-02D較低(見圖5)，反映石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組熱演化程度較高，屬于高成熟晚期—以過成熟、生干氣為主的階段，能夠大量生成天然氣.

圖5 石林地區(qū)樣品鏡質(zhì)體反射率測試結(jié)果Fig.5 The test result of Ro in Shilin

4 泥頁巖儲(chǔ)層特征

4.1 巖石學(xué)特征

脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析是確定巖石脆性的重要手段.頁巖中石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，伊利石、蒙脫石等黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，巖石的脆性越強(qiáng)，在外力的作用下越易形成天然裂縫和誘導(dǎo)性裂縫[22]，或者樹狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縫，有利于天然氣滲流和開采.具備商業(yè)性開發(fā)的頁巖，一般脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于40%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%[19].

以石林地區(qū)的SH02剖面為例，對(duì)五峰組—龍馬溪組3個(gè)典型頁巖樣品進(jìn)行全巖分析測試，礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖6.黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.0%～57.0%，平均為45.0%；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.0%～69.0%，平均為41.0%；長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%～8.0%，平均為6.0%；方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～7.0%，平均為4.0%；白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～4.0%，平均為3.0%；黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%～3.0%，平均為1.0%.其中，石英、長石、碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和平均達(dá)到54.0%；黏土礦物主要為伊—蒙混合成因的物質(zhì).另外，通過縱向?qū)Ρ绕拭鏄悠风R下特征發(fā)現(xiàn)，底部樣品脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，由龍馬溪組上段向上至小河壩組黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，石英、碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低.

圖6 川東南石林地區(qū)SH02剖面五峰組—龍馬溪組沉積特征Fig.6 Composite depositional characteristics of Shilin SH02 section, southeast of Sichuan basin

4.2 頁巖儲(chǔ)集空間特征

常規(guī)領(lǐng)域頁巖主要作為烴源巖和蓋層存在，在非常規(guī)領(lǐng)域頁巖作為特低孔滲的儲(chǔ)層，儲(chǔ)層致密，孔隙類型多樣，發(fā)育大量有利于頁巖氣吸附的微孔(孔隙直徑≥0.75 μm)和納米級(jí)孔隙(孔隙直徑<0.75 μm)，包括顆粒間微孔、黏土片間微孔、顆粒溶孔、溶蝕雜基內(nèi)孔、粒內(nèi)溶蝕孔及有機(jī)質(zhì)孔等.平均50%左右的頁巖氣儲(chǔ)存在頁巖基質(zhì)孔隙中[23].

對(duì)川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段樣品進(jìn)行掃描電鏡分析，觀察納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu).分析測試采用FEI-QUANTAN 250 FEG掃描電子顯微鏡和OXFORD-INCA X-MAX 20 X射線能譜儀，測試環(huán)境溫度為21 ℃，濕度為45%RH.測試的樣品編號(hào)分別為SH02-02D、SH02-03D.識(shí)別的微孔隙類型包括溶蝕孔(見圖7(a))、粒間微孔(見圖7(b))、粒內(nèi)微氣孔(見圖7(c))、黃鐵礦粒內(nèi)孔(見圖2(b))、黏土礦物片理縫(見圖7(d))、粒緣縫(見圖7(e))及收縮縫(見圖7(f)).其中溶蝕孔最為發(fā)育，還有長石等礦物的粒內(nèi)溶蝕微孔、莓球狀黃鐵礦溶蝕的印?？椎?微裂縫主要有黏土礦物在一定條件下脫水縮合形成的收縮縫、礦物顆粒邊緣的粒緣縫和黏土礦物的片理縫等.微裂縫的發(fā)育不僅為頁巖氣提供充足的儲(chǔ)集空間，也為頁巖氣提供運(yùn)移通道，更有效提高頁巖產(chǎn)氣量[24-25].

圖7 川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖儲(chǔ)集空間掃描電鏡特征

對(duì)川東南石林地區(qū)SH02剖面五峰組—龍馬溪組的2個(gè)野外樣品(SH02-02D、SH02-03D)進(jìn)行孔隙度、密度測試，孔隙度分別為3.29%和1.76%.另外，對(duì)石林地區(qū)頁巖氣區(qū)塊及鄰區(qū)五峰組—龍馬溪組其他28個(gè)野外樣品進(jìn)行孔隙度、密度測試，結(jié)果顯示石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖密度變化不大，集中在2.13～2.55 g/cm3之間，平均為2.34 g/cm3；孔隙度分布在1.02%～5.64%之間，平均為3.66 %，大部分集中在2.00%～5.00%之間(見圖8)，測試頁巖樣品的密度和孔隙度具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系.此外，所取樣品整體孔隙度值顯示偏高，這與露頭泥頁巖中發(fā)育大量的次生孔隙有關(guān).

圖8 石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組孔隙度特征Fig.8 Porosity characteristic of Wufeng-Longmaxi formation in Shilin

5 石林地區(qū)與焦石壩地區(qū)黑色頁巖特征

受喜馬拉雅期構(gòu)造隆升作用的影響，在川東南附近桐梓—石林地區(qū)北東—南西向發(fā)生構(gòu)造抬升，石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層被抬升至地表，焦石壩地區(qū)隆升至埋深3 000 m左右[26].川東南地區(qū)夾持于黔中古隆起與樂山—龍女寺古隆起之間，沿漆遼—桐梓一線，黑色頁巖沉積中心與有機(jī)碳富集中心呈耦合特征(見圖9).對(duì)比五峰組—龍馬溪組在石林地區(qū)的野外地表露頭特征與焦石壩地區(qū)地腹鉆井資料[27-28]，由于沉積期地理位置接近，兩者在沉積環(huán)境、沉積厚度、巖性和礦物組成等多方面具有相似性(見表1)；同時(shí)樣品性質(zhì)存在差異，形成不同特征：

表1 石林地區(qū)與焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖特征

(1)有機(jī)質(zhì)類型.石林地區(qū)多為Ⅱ型或Ⅲ型干酪根，以殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組為主，母質(zhì)來源多為植物的孢子及各種凝膠體；焦石壩地區(qū)有機(jī)質(zhì)品質(zhì)較高，以Ⅰ型干酪根為主，腐泥組質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，母質(zhì)來源主要為浮游生物和菌藻類.

(2)孔隙度及孔隙類型.石林地區(qū)為地表露頭信息，一方面由于地層抬升至地表后，壓力釋放，巖石發(fā)生彈性膨脹；另一方面受地表的風(fēng)化、淋濾作用影響，露頭樣品多見溶蝕孔、粒內(nèi)溶孔等孔徑普遍大于50 nm的大孔且測試孔隙度值偏高.焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組下部以2～900 nm的有機(jī)質(zhì)孔為主，向上逐漸演變至以黏土礦物孔為主.

圖9 川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖厚度特征Fig.9 Shale thickness of Wufeng-Longmaxi formation in southeast of Sichuan basin

6 結(jié)論

(1)川東南石林地區(qū)五峰組—龍馬溪組野外實(shí)測厚度為280～420 m，主要發(fā)育深水陸棚相黑色頁巖、硅質(zhì)泥頁巖及淺水陸棚相粉砂質(zhì)泥頁巖；五峰組—龍馬溪組下部頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，平均為65.0%；測試有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.46%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型干酪根為主，有機(jī)質(zhì)成熟度為2.43%；主要發(fā)育溶蝕孔、粒間微孔、粒內(nèi)微氣孔、黃鐵礦粒內(nèi)孔、黏土礦物片理縫、粒緣縫及收縮縫等7類微型儲(chǔ)集空間，平均孔隙度約為3.66%，具備較大生烴潛力、較有利儲(chǔ)存運(yùn)移和壓裂改造條件.

(2)與焦石壩地區(qū)具有較高的相似性，五峰組—龍馬溪組發(fā)育深水陸棚—淺水陸棚相的富筆石黑色頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖沉積,石林地區(qū)為地表露頭區(qū)，斷層發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜，相較于焦石壩地區(qū)具有較差的保藏條件.

(3)由于沿桐梓—石林一線向東南方向五峰組—龍馬溪組多被抬升至地表或剝蝕，該方向近四川盆地東南緣的五峰組—龍馬溪組具有較淺的埋深條件、較厚的有效頁巖厚度、較高的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，更具備頁巖氣勘探價(jià)值.

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2015-03-19；編輯：劉麗麗

中國地質(zhì)調(diào)查局基金項(xiàng)目(1212011220749)

林 彤(1990-)，女，碩士研究生，主要從事儲(chǔ)層沉積學(xué)方面的研究.

雍自權(quán),E-mail: yongzq@cdut.edu.cn

TE122.1

A

2095-4107(2015)03-0083-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.011