崖南凹陷Y1井崖三段煤系烴源巖發(fā)育規(guī)律

張春良 沈玉林 秦 勇 趙志剛 楊 柳 謝國梁

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室 江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 江蘇徐州 221116；3.中海油研究總院 北京 100028；4.江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊 江西鷹潭 335000)

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崖南凹陷Y1井崖三段煤系烴源巖發(fā)育規(guī)律

張春良 沈玉林 秦 勇 趙志剛 楊 柳 謝國梁

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室 江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 江蘇徐州 221116；3.中海油研究總院 北京 100028；4.江西省煤田地質(zhì)局223地質(zhì)隊 江西鷹潭 335000)

基于Y1井煤系烴源巖樣品微量元素分析、煤巖顯微組分及熱解測試結(jié)果，結(jié)合小波分析的米氏旋回劃分結(jié)果，系統(tǒng)研究了崖南凹陷Y1井崖三段煤系烴源巖特征及發(fā)育規(guī)律。研究表明：①以104和260尺度結(jié)合巖芯沉積序列及地球化學(xué)測試結(jié)果，將崖三段劃分為2個中期和5個短期米氏旋回，垂向上表現(xiàn)為旋回厚度及烴源巖比例向上增大的趨勢，中期旋回上部為烴源巖優(yōu)勢發(fā)育層位，其中ⅠA2、ⅠA3和ⅠB2為煤系烴源巖發(fā)育的優(yōu)勢旋回；②煤系烴源巖有機顯微組分表現(xiàn)為富鏡質(zhì)組、貧惰質(zhì)組、貧殼質(zhì)組+腐泥組，鏡質(zhì)組含量為44%～100%，平均為83%，以基質(zhì)鏡質(zhì)體及鏡屑體為主，烴源巖類型以Ⅲ型(腐殖型)有機質(zhì)為主，少量為Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有機質(zhì)，烴源巖以產(chǎn)氣為主，其成熟度較低，Ro值平均為1.12%，處于生烴階段初期；③煤系烴源巖發(fā)育受多種因素控制，其中斷陷盆地向坳陷盆地的轉(zhuǎn)化時期是成煤的關(guān)鍵構(gòu)造時期、強烈進積作用使得煤系烴源巖保存不全、區(qū)域海平面上升時期是成煤的關(guān)鍵時期、短期旋回小波曲線右偏拐點處為煤系烴源巖相對發(fā)育層位。

米氏旋回 煤系烴源巖 熱解 崖城組 崖南凹陷

大量研究顯示瓊東南盆地崖城組煤系及暗色泥巖是研究區(qū)天然氣的主要烴源巖，具有較大生烴潛力[1-7]，使瓊東南盆地成為我國潛在的海上油氣富集區(qū)及研究熱點。前期雖勘探出崖13-1、崖13-4氣田及一批含油氣或見油氣顯示的圈閉，但其后的油氣勘探成效并不理想，尤其是近年來尚無重大突破[8]。崖南凹陷作為瓊東南盆地有利的勘探區(qū)帶，研究其崖城期煤系烴源巖發(fā)育規(guī)律對油氣開發(fā)具有重要意義。前人研究表明沉積地層明顯受到米蘭科維奇旋回的影響[9-11]。本工作基于Y1井崖三段系統(tǒng)、完整的巖芯觀察及相關(guān)測試分析成果，利用小波分析開展米氏旋回劃分工作，期望查明崖三段煤系烴源巖發(fā)育規(guī)律，探討其控制因素，為天然氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于海南島東南部海域，南海北部大陸邊緣西北部(圖1)，為新生代形成的NE向伸展盆地，海域面積6×104km2，盆地面積4.5×104km2。前人根據(jù)沉積旋回的一致性、生物群面貌的一致性及地震反射波組特征將崖城組劃分為崖一、崖二及崖三段[2-4]。崖城組垂向發(fā)育多個沉積旋回，旋回間多以沖刷接觸疊置產(chǎn)出，崖城組各段巖性組合特征如下：①崖三段垂向巖性變化顯著，其底部發(fā)育棕紅色砂礫巖夾深灰色薄層泥巖，下部以灰白色、淺灰色粗砂巖或含礫砂巖為主，向上粒度逐漸變細，局部為薄層的深灰色粉砂質(zhì)泥巖，上部主要發(fā)育砂泥互層(砂巖為灰白色、泥巖為深灰色)，局部含薄煤層；②崖二段深灰色泥巖發(fā)育，厚度較大，其下部含灰白色的薄層砂巖，屬于障壁海岸沉積體系，由潮坪—潟湖沉積環(huán)境構(gòu)成；③崖一段為灰白色砂巖、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層和炭質(zhì)泥巖，晚期泥巖含量突然增加，發(fā)生了較大海侵，扇三角洲沉積體系和潮坪沉積體系較為發(fā)育，其潟湖萎縮，潮坪聚煤作用發(fā)育。受構(gòu)造沉降、沉積物供給、海平面變化影響，其沉積體系、沉積相及組合類型呈多樣化。崖城組沉積時期崖南凹陷整體為障壁—潟湖—辮狀河三角洲沉積，盆地邊緣發(fā)育沖積扇—扇三角洲等沖積體系(圖1)，三角洲以河控淺水三角洲為主，間或受潮汐作用影響，形成陸源碎屑巖的含煤混合沉積。沉積組合及空間配置表現(xiàn)為障壁—潟湖—三角洲沉積組合，空間上自南東向北西依次展布。

圖1 瓊東南盆地崖南凹陷沉積體系展布圖(據(jù)中海油研究總院，2012)及Y1井采樣位置Fig.1 The sedimentary distribution of Yanan depression, Qiongdongnan Basin (according to CNOOC Research Institute, 2012) and the sampling sites of Well Y1

2 樣品測試結(jié)果

本文基于Y1井崖三段25塊泥巖及煤樣，對其進行微量元素測試分析、煤巖分析及熱解測試，分析其煤系烴源巖特征，探討其發(fā)育規(guī)律，采樣位置見圖1。

2.1 有機巖石學(xué)特征

選用Y1井不同深度樣品共16個，對其有機顯微組分進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

顯微組分主要為鏡質(zhì)組，其含量為44%～100%，平均為83%，以基質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2a，b)及鏡屑體(圖2c)為主體。其基質(zhì)鏡質(zhì)體多與其他組分或礦物膠結(jié)，可見較多裂隙和裂紋；鏡屑體粒度為0.02～0.05 mm，主要分布于基質(zhì)鏡質(zhì)體中；少量樣品中間可見均質(zhì)鏡質(zhì)體，輪廓清楚，成分均一純凈；少量為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體；未見熒光鏡質(zhì)體及團塊鏡質(zhì)體。

殼質(zhì)組+腐泥組含量范圍在0～44%，平均為16%。殼質(zhì)組主要為殼屑體，粒徑小于3 μm，見孢子體(圖2d)、藻類體等。腐泥組見少量瀝青質(zhì)體，及少量無結(jié)構(gòu)藻類體，未見其他結(jié)構(gòu)藻類體。

惰質(zhì)組含量范圍在0～6%，平均為1%。主要為惰質(zhì)體，在顯微鏡下呈圓形或橢圓形(圖2e)。

次生組分較常見，礦物瀝青基質(zhì)發(fā)育(圖2f)。

研究表明Y1井崖三段煤系烴源巖有機顯微組分表現(xiàn)為富鏡質(zhì)組、貧惰質(zhì)組、貧殼質(zhì)組+腐泥組，少數(shù)樣品為富鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組+腐泥組、貧惰質(zhì)組，烴源巖類型以Ⅲ型(腐殖型)有機質(zhì)為主，部分為Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有機質(zhì)，烴源巖以產(chǎn)氣為主，烴源巖發(fā)育厚度較大，有機質(zhì)含量高，生烴潛力較大。

2.2 熱解實驗結(jié)果

選用Y1井不同深度樣品共23個，均為有機質(zhì)含量高的暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤樣。實驗結(jié)果見表2，樣品整體的鏡質(zhì)組反射率(Ro)在0.8%～1.3%范圍內(nèi)，平均為1.12，按中國煤級劃分方案應(yīng)屬低成熟度至中等成熟度，即長焰煤至肥煤階段，少數(shù)達到焦煤階段；含油氣總量(S1+S2)為1.2～100.42 mg/g，平均為12.67 mg/g；有機碳含量(TOC)范圍為0.36%～43.28%，平均為7.43%，所測結(jié)果的垂向分布模式如圖3所示。由圖3可知，崖三段TOC、Tmax、S1、S2及S1+S2整體變化趨勢基本一致。值得注意的是，在Ro為1.20%附近且TOC含量較高的樣品中多數(shù)表現(xiàn)為S1+S2高值，如Y1-7(Ro為1.13%，TOC為43.28%，其S1+S2達到95.97 mg/g)和Y1-20(Ro為1.21%，TOC為40.90%，其S1+S2達到100.42 mg/g)，由此可見Y1井煤系烴源巖成熟度較低，處于生烴階段初期，Ro與生烴量S1+S2具有一定的正相關(guān)關(guān)系。

表1 Y1井煤系烴源巖顯微組分

圖2 Y1井煤系烴源巖顯微組分照片a，b.基質(zhì)鏡質(zhì)體，4 057.5 m, 4 012.08 m；c.鏡屑體，4 037.68 m；d.孢子體，4 057.49 m e.惰屑體，4 037.68 m；f.礦物瀝青基質(zhì)，4 066.62 m。Fig.2 The maceral images of the coal-measure source rock in Well Y1

3 崖三段煤系烴源巖發(fā)育特征

3.1 基于小波分析的崖三段米氏旋回劃分

在沉積地層中，經(jīng)小波分析處理后的GR曲線對地層中砂/泥相對含量垂向變化及旋回性反映明顯，可識別地層中突變點或突變區(qū)(即地層中的旋回和基準面的變化)。有些學(xué)者還探討了測井?dāng)?shù)據(jù)小波變換的地質(zhì)意義，并以此進行相關(guān)的測井層序分析研究[12-17]。前期對中國近海新生代煤系烴源巖開展過相關(guān)研究工作，并取得階段性研究成果[17]。本次工作在前期研究基礎(chǔ)上，對GR曲線進行一維的Morlet小波分析，選取了2種不同尺度A并獲得相應(yīng)的小波曲線，將旋回界面劃分于小波曲線突變點處，旋回界面運用巖芯觀測結(jié)果加以約束。

基于不同尺度A的小波曲線，綜合巖芯中沖刷接觸面及沉積間斷面等特征，對Y1井崖三段進行米氏旋回劃分，分別取A值為260和104，在Y1井崖三段共識別出2個中期旋回(ⅠA、ⅠB)及5個短期旋回(ⅠA1、ⅠA2、ⅠA3、ⅠB1、ⅠB2)，如圖3。

表2 Y1井煤系烴源巖巖石熱解參數(shù)統(tǒng)計

圖3 Y1井樣品熱解、微量元素垂向分布模式及米氏旋回劃分圖Fig.3 The vertical distribution of sample pyrolysis， trace elements and the sequence division based on the Milankovitch cycle, Well Y1

3.2 米氏旋回與小波分析的關(guān)系

米氏旋回與天文軌道周期(偏心率(e)、斜率(ε)及歲差(p))關(guān)系密切，主要表現(xiàn)為對冰川消融型海平面變化影響而形成四—六級的高頻層序(表3)。米氏旋回受天文軌道周期作用會在地層中留下其特有的比例關(guān)系，因此可在地層中尋找對應(yīng)的旋回關(guān)系來印證米氏旋回的響應(yīng)。

圖3中，尺度A=260的中期旋回小波曲線中識別出2個周期，各周期平均厚度約為：100 m(總厚度)/2(周期數(shù))=50 m；尺度A=104的短期旋回小波曲線識別出5個周期，各周期平均厚度約為：100 m(總厚度)/5(周期數(shù))=20 m。其中期旋回與短期旋回厚度比為5∶2，與米氏旋回中短偏心率旋回：黃赤交角旋回的比值一致，印證了地層中保存的米氏旋回及其與小波曲線之間的對應(yīng)關(guān)系：即260尺度小波曲線對應(yīng)于五級層序(中期旋回)，104尺度小波曲線對應(yīng)六級層序(短期旋回)。

表3 層序級別劃分與驅(qū)動機制(趙宗舉等，2010)

3.3 優(yōu)勢聚煤周期分布

運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，在已劃分的米氏旋回中統(tǒng)計各短期旋回內(nèi)煤系烴源巖發(fā)育厚度(表4)。由表4可知，Y1井崖三段短期旋回內(nèi)，旋回ⅠA2、旋回ⅠA3與旋回ⅠB2內(nèi)發(fā)育的煤系烴源巖厚度均超過5 m，相對于其他旋回煤系烴源巖發(fā)育較好；旋回ⅠA2煤系烴源巖發(fā)育厚度為7.01 m，旋回內(nèi)烴源巖比例為42.16%；旋回ⅠA3煤系烴源巖發(fā)育厚度為5.47 m，旋回內(nèi)烴源巖比例為43.96%；旋回ⅠB2煤系烴源巖發(fā)育厚度達15.21 m，旋回內(nèi)烴源巖比例為59.61%。另外這3個旋回內(nèi)TOC及S1+S2均較高，由此把ⅠA2、ⅠA3、ⅠB2旋回確定為Y1井崖三段的煤系烴源巖發(fā)育優(yōu)勢旋回。垂向上表現(xiàn)為旋回厚度及烴源巖比例向上增大的趨勢，中期旋回ⅠB較ⅠA發(fā)育；垂向變化趨勢在短期旋回內(nèi)更為顯著，旋回內(nèi)烴源巖比例向上明顯增大，ⅠA3>ⅠA2>ⅠA1且ⅠB2>ⅠB1，可見中期旋回上部為烴源巖優(yōu)勢發(fā)育層位(表4)。

表4 Y1井崖三段各短期旋回內(nèi)煤系烴源巖發(fā)育情況

4 煤系烴源巖發(fā)育控制因素探討

4.1 斷陷盆地向坳陷盆地的轉(zhuǎn)化時期是成煤的關(guān)鍵構(gòu)造時期

南海北部盆地構(gòu)造演化受印歐板塊碰撞引發(fā)的地幔蠕動推動太平洋板塊俯沖帶的后撤的控制，各事件之間具有較好的順承與對應(yīng)關(guān)系。其中漸新世是瓊東南盆地構(gòu)造演化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，盆地性質(zhì)由斷陷轉(zhuǎn)化為坳陷[18]。邊緣海構(gòu)造旋回控制南海北部被動大陸邊緣盆地，古南海旋回于古新世至始新世使盆地發(fā)生多幕非海相裂陷，瓊東南盆地于漸新世早期形成海陸過渡相斷陷；新南海擴張早期形成了晚漸新世海相斷陷、斷坳或坳陷，相當(dāng)于陸間裂谷的前期，盆地成為一個東西向的窄海灣，由東向西為海灣—海相環(huán)境，晚漸新世以來為海相坳陷疊合型盆地[4]。斷陷盆地的晚期構(gòu)造活動趨于穩(wěn)定，為盆地的聚煤提供了穩(wěn)定的構(gòu)造背景。此外斷陷晚期盆地充填淤淺，古地形趨于平坦，為聚煤事件的發(fā)生奠定了古地理背景。

4.2 區(qū)域海平面上升時期是成煤的關(guān)鍵時期

相對海平面的變化，控制了沉積環(huán)境在空間與平面展布，及煤系烴源巖的分布及保存情況。瓊東南盆地距今約30Ma海侵以來，總體表現(xiàn)為一個海平面上升過程[19-20]。這一大的海平面上升過程構(gòu)成了長期海平面旋回，其中包含了3個中期海平面變化旋回，一定程度上與Haq[21]制定的全球二級海平面變化曲線相似，但在短期旋回的認識上兩者卻差異甚大。郝詒純等[19]通過精細對比研究，認為主要為區(qū)域構(gòu)造運動造成了其中的差異性。

海平面變化控制著優(yōu)質(zhì)烴源巖在地層中的分布位置。在崖城期發(fā)生明顯海侵[22]，崖南凹陷為半封閉海灣環(huán)境，受區(qū)域海平面上升影響，粗粒碎屑沉積物向坳陷邊緣遷移，細粒沉積物發(fā)育廣泛。在這種低水動力條件下，有機質(zhì)也能較好的保存下來，從而為提高烴源巖有機質(zhì)豐度創(chuàng)造了沉積環(huán)境條件。

崖南凹陷內(nèi)崖三段煤質(zhì)以高硫含量為特征，全硫含量在1.07%～6.39%之間，平均4.70%。多數(shù)為高硫煤，全硫含量>3%；少數(shù)為中硫煤，全硫含量在1.00%～3.00%之間。前人[23-25]研究認為煤中的硫主要為沉積期受到海水影響。高硫煤中的硫主要來源于同生期海水入侵以及準同生海水下滲，高硫煤的形成離不開海水或海侵的影響。據(jù)Y1井崖三段樣品分析結(jié)果，煤層全硫含量均大于1.00%(圖3)，印證了海侵事件的存在，且水位的上升，利于其有機質(zhì)的保存。

4.3 強烈進積作用與煤系烴源巖保存

崖三段三角洲沉積表現(xiàn)為典型的進積特點，分流河道與水下分流河道砂體間的沖刷作用顯著，后期河道沉積因強烈的進積作用常對先前細粒沉積單元沖刷切割，乃至包括先前沉積的煤系烴源巖因沖刷作用而保存不全(圖4)。

4.4 米氏旋回的控制

據(jù)米氏旋回理論，地球軌道參數(shù)周期性變化引起地球接受太陽輻射能量的變化，進而導(dǎo)致氣候變化，而氣候變化影響著海平面升降以及陸地基準面的波動。始新世—漸新世全球氣候事件的發(fā)生[26-27]，使瓊東南盆地氣候由炎熱干旱轉(zhuǎn)溫濕，海侵開始使得盆地由陸轉(zhuǎn)海，根據(jù)米氏旋回與小波分析的對應(yīng)關(guān)系推測，認為崖三段煤系烴源巖的發(fā)育受到地球軌道參數(shù)控制，地球軌道短偏心率與黃赤交角分別影響了五級和六級旋回的發(fā)育。崖三段優(yōu)質(zhì)煤系烴源巖垂向分布具有明顯的規(guī)律性，在米氏旋回短期曲線的右偏拐點處，煤系烴源巖相對發(fā)育，且TOC等指標相對較高(圖3)，而米氏旋回短期曲線右偏拐點處正是海平面最高處。因受米氏旋回影響，海平面上升時期成為成煤關(guān)鍵時期，使得形成煤層的泥炭沼澤發(fā)育期受到海水的影響，其控制了煤系烴源巖發(fā)育位置及其保存條件。

圖4 崖南凹陷Y1井崖三段含煤旋回垂向疊置特征Fig.4 The vertically superposed characteristics of coal cycles in Ya-3 member, Well Y1, in Yanan depression, Qiongdongnan Basin

5 結(jié)論

(1) Y1井崖三段煤系烴源巖有機顯微組分主要表現(xiàn)為富鏡質(zhì)組、貧惰質(zhì)組、貧殼質(zhì)組+腐泥組，烴源巖類型以Ⅲ型(腐殖型)有機質(zhì)為主，部分為Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有機質(zhì)，烴源巖以產(chǎn)氣為主，烴源巖發(fā)育厚度較大，有機質(zhì)含量高，生烴潛力較大；崖三段TOC、Tmax、S1、S2及S1+S2整體變化趨勢基本一致，烴源巖成熟度較低，處于生烴階段初期，Ro與生烴量S1+S2具一定的正相關(guān)關(guān)系，在Ro為1.20%附近且TOC含量較高的樣品中多數(shù)表現(xiàn)為S1+S2高值；

(2) 基于不同尺度小波曲線結(jié)合微量元素參數(shù)垂向分布模式及巖芯序列，將崖三段米氏旋回劃分為2個中期旋回及5個短期旋回，指出ⅠA2、ⅠA3和ⅠB2為煤系烴源巖發(fā)育優(yōu)勢旋回；垂向上表現(xiàn)為旋回厚度及烴源巖比例向上增大的趨勢，中期旋回上部為烴源巖優(yōu)勢發(fā)育部位。

(3) Y1井煤系烴源巖發(fā)育受到多因素控制，其中斷陷盆地向坳陷盆地的轉(zhuǎn)化時期為成煤的關(guān)鍵構(gòu)造時期，強烈進積作用使得煤系烴源巖保存不全，其區(qū)域海平面上升時期是成煤的關(guān)鍵時期，明顯受到米氏旋回控制，其海平面變化不但控制煤系烴源巖發(fā)育位置，還影響著煤系烴源巖有機質(zhì)的保存條件，使得米氏旋回短期曲線的右偏拐點處煤系烴源巖相對發(fā)育。

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Development Regularities of the Coal-measure Source Rock in Ya-3 Member of Yacheng Formation, Well Y1, in Yanan Depression within Qiongdongnan Basin

ZHANG ChunLiang1,2SHEN YuLin1,2QIN Yong1,2ZHAO ZhiGang3YANG Liu1,2XIE GuoLiang4

(1. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources & Reservoir Forming Process of the Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China;2. College of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;3. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China;4. 223 Geological Team of Jiangxi Coal Geology Bureau, Yingtan, Jiangxi 335000, China)

Based on the analysis of trace element, maceral and the results of rock pyrolysis of the coal-measure source rock samples from Well Y1, the development regularities of the coal-measure source rock in Ya-3 member of Yanan depression were systematically studied combining the Milankovitch cycle division results of wavelet analysis. This research shows that: (1)Based on the 104 and 260 wavelet scale of Milankovitch cycling, combined with the sequence of core and geological test results , two medium cycles and five short-cycles were identified in Ya-3 member, which points out that the coal-measure source rock tends to thicken visibly in vertical direction, and the proportion of the source rock increases clearly upward in each cycle and it is mainly developed on the top of the medium cycle, in which ⅠA2, ⅠA3 andⅠB2 are the dominant cycles; (2)As for organic macerals, the source rock is vitrinite-rich, inetinite-poor , exinite-poor and sapropelinite-poor. Of all the organic macerals, the average concentration of vitrinite is 83%, which accounts for 44%～100% of the total content. The vitriniteis mainly composed by desmocollinite and vitrodetrinite, and the kerogen types of the source rock are primarily Type III (humus type) and some Type II (sapropelic-humus type) organic matter. Besides, the source rock generates gas prevailingly, and it is in the initial stage of hydrocarbon generation with low maturity. The average value of Rois is 1.12; (3) The development of the source rock in the study area is controlled by multiple factors, and the period in which the faulted depression basin transformed into a sag basin is a critical tectonic stage of coal formation. The incomplete preservation of the source rock resulted from the process of strong progradation, and the time in which regional sea level rising was also a critical period of coal formation, and the toward-right inflection point of the short-cycle represented layer which was relatively rich in coal-measure source rock.

Milankovitch cycle; coal-measure source rock; Pyrolysis; Yacheng Formation; Qiongdongnan Basin

1000-0550(2016)05-1003-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.019

2015-10-10； 收修改稿日期： 2016-03-03

國家重大專項(2011ZX05023-001-008)[Foundation：National Science and Technology Major Project，No.2011ZX05023-001-008]

張春良 男 1990年出生 碩士研究生 沉積學(xué)及沉積地球化學(xué) E-mail: cumtzcl@163.com

沈玉林 副教授 E-mail: yulinsh@163.com

P618.13

A