鄂爾多斯盆地中元古界烴源巖熱演化史模擬

田 剛，宋立軍

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

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鄂爾多斯盆地中元古界烴源巖熱演化史模擬

田 剛，宋立軍

(西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

鄂爾多斯盆地中元古界是中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的潛在層系，然而長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)其內(nèi)烴源巖熱演化史一直缺乏深入研究。以PetroMod盆地模擬軟件為工具，在對(duì)區(qū)內(nèi)各構(gòu)造單元巖性、剝蝕厚度、古大地?zé)崃髦档饶M參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，以實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率(Ro)作為約束，對(duì)區(qū)內(nèi)各構(gòu)造單元中元古界進(jìn)行熱史模擬，分析不同構(gòu)造單元烴源巖熱演化的差異性，并結(jié)合含油氣系統(tǒng)分析，對(duì)有利的勘探區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:(1)盆地中元古代拗拉槽及周緣中元古界烴源巖進(jìn)入生烴門限時(shí)間明顯較早；除西緣沖斷帶中北部之外，其他拗拉槽及周緣處烴源巖各階段成熟時(shí)間也早于其他地區(qū)，現(xiàn)今處于生干氣階段；除伊盟隆起地區(qū)長(zhǎng)城系烴源巖成熟期次都較晚、現(xiàn)今仍處于生濕氣階段外，其他地區(qū)基本上于晚二疊世晚期進(jìn)入生烴門限，現(xiàn)今處于生干氣階段；薊縣系烴源巖于晚二疊世晚期—中三疊世早期先后進(jìn)入生烴門限，隨后受盆地沉積中心不斷向西遷移和天環(huán)向斜北部、渭北隆起西部早白堊世巖漿巖的侵入影響，烴源巖成熟加快，早白堊世先后進(jìn)入生干氣階段。(2)渭北隆起中部、天環(huán)向斜南部、伊陜斜坡西北部、伊盟隆起中部為有利勘探區(qū)，是下一步開展研究的重點(diǎn)區(qū)域。

熱史模擬；鏡質(zhì)體反射率；生烴門限； 有利勘探區(qū)；中元古界；鄂爾多斯盆地

近年來(lái)，隨著在鄂爾多斯周緣甘肅平?jīng)觥⑷A亭和崇信等地露頭處薊縣系古油藏瀝青[1]、蘇峪口長(zhǎng)城系(有機(jī)碳含量達(dá)3.00%)[2]和甘陜裂陷槽(桃59井有機(jī)碳含量為0.21%～5.50%)[3]優(yōu)質(zhì)烴源巖，以及伊盟隆起杭錦旗地區(qū)錦13井和錦3井中元古界天然氣的發(fā)現(xiàn)[4]，表明鄂爾多斯盆地中新元古界具有油氣形成的條件，也表明該地區(qū)中元古界可能成為未來(lái)天然氣勘探的新領(lǐng)域。但時(shí)至今日，鄂爾多斯盆地中元古界烴源巖熱演化程度、過(guò)程及其與油氣的關(guān)系尚不明確，嚴(yán)重制約了油氣資源評(píng)價(jià)和勘探。本次研究選用PetroMod盆地模擬軟件，在恢復(fù)盆地埋藏史的基礎(chǔ)上，采用EASY%Ro模型[5-6]，分析不同構(gòu)造單元中元古界烴源巖成熟度演化的歷史，預(yù)測(cè)有利勘探區(qū)，以期為該地區(qū)油氣勘探及分析油氣成藏條件提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，為一典型的克拉通邊緣疊合盆地；可劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)向斜、西緣沖斷帶等6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(圖1)；經(jīng)歷了呂梁、晉寧、加里東、海西、印支、燕山及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回演化[7-8]。

圖1 鄂爾多斯盆地中元古界分布Fig.1 Distribution of the Mesoproterozoic in the Ordos Basin

中元古代早期，鄂爾多斯盆地結(jié)晶基底破裂，在盆地北緣地區(qū)形成興蒙大洋裂谷，南緣形成秦祁大洋裂谷，西南部相繼形成晉陜、晉豫陜拗拉槽，其內(nèi)沉積了巨厚的長(zhǎng)城系濱海相碎屑巖。薊縣紀(jì)，盆內(nèi)裂谷先后進(jìn)入拗陷階段，區(qū)域沉積了薊縣系淺海陸棚相碳酸鹽巖[9]。青白口紀(jì)，鄂爾多斯盆地整體抬升，整體處于隆起剝蝕狀態(tài)，區(qū)域缺失青白口系。震旦紀(jì)，受泛大陸解體的影響，盆地西南部裂陷，發(fā)育了以冰川碎屑為主的震旦系。鄂爾多斯盆地中元古代整體為一向西南傾斜的大型臺(tái)緣斜坡；之后盆地先后經(jīng)歷了早古生代差異升降、晚古生代碰撞邊緣、中生代內(nèi)陸拗陷和新生代周緣斷陷等演化階段，依次沉積了下古生界淺海相碳酸鹽巖、上古生界濱海平原相碎屑巖、中生界內(nèi)陸湖泊相碎屑巖、新生界風(fēng)成黃土相碎屑巖，形成了現(xiàn)今盆地東西高、西陡東緩和北高南低的地貌。

中新元古界分布在鄂爾多斯西部和南部，東北部缺失，整體具有自西南向東北逐漸減薄的趨勢(shì)[10]；受早期陸內(nèi)裂谷影響，不同沉積區(qū)厚度變化明顯，沿北東方向呈明顯的隆坳相間分布格局。中元古界作為鄂爾多斯盆地第一套沉積蓋層，上覆于呂梁期結(jié)晶基底之上，主體部位被寒武系碎屑巖覆蓋，部分地區(qū)與上古生界煤系地層直接接觸。

2 熱演化史模擬方法

沉積盆地?zé)嵫莼分亟ㄒ话阌?種方法：地球化學(xué)法、地球熱力學(xué)法和綜合法，其中綜合法相對(duì)合理[11]。根據(jù)不同演化階段的地質(zhì)背景，結(jié)合熱演化史模擬，對(duì)旬探1井、天深1井熱流值進(jìn)行了計(jì)算，并以現(xiàn)今實(shí)測(cè)Ro作為標(biāo)定值(圖2)得出：中新元古代大地?zé)崃髦禐?9～63 mW/m2，早古生代為58～62 mW/m2，晚古生代石炭—二疊紀(jì)為60～64 mW/m2，中生代三疊紀(jì)為65～68 mW/m2，侏羅紀(jì)—早白堊世晚期為75～92 mW/m2，現(xiàn)今為62.67 mW/m2；獲得的熱流值演化趨勢(shì)與地溫梯度演化趨勢(shì)一致[12-16]，即早古生代地溫梯度為24～26 ℃/km，晚古生代為22～24 ℃/km，早白堊世晚期為38～43 ℃/km，現(xiàn)今為29 ℃/km。

3 模型參數(shù)分析

3.1 巖性特征

地層巖性組成及其參數(shù)的正確選取，是合理進(jìn)行地層壓實(shí)校正和客觀恢復(fù)沉降埋藏史的關(guān)鍵。

圖2 鄂爾多斯盆地鏡質(zhì)體反射率與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison between modeled and tested Ro values in the Ordos Basin

研究中利用典型井測(cè)井曲線和分層厚度資料，計(jì)算了各地層的巖性及其含量百分比?；旌蠋r性則通過(guò)PetroMod軟件巖性混合器將多種標(biāo)準(zhǔn)巖性按不同的比例混合得到，而混合巖性的壓實(shí)系數(shù)、初始孔隙度、熱導(dǎo)率等數(shù)據(jù)則依據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)。

3.2 剝蝕厚度

鄂爾多斯盆地在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中三疊紀(jì)末期、中侏羅世、侏羅紀(jì)末期和早白堊世末期發(fā)生了4次抬升剝蝕事件，前三期的抬升剝蝕量微弱，以白堊紀(jì)時(shí)期剝蝕較為強(qiáng)烈。參考前人[17-21]關(guān)于鄂爾多斯盆地中生代地層剝蝕厚度估算成果，確定熱參數(shù)，以實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率(Ro)作為約束，反演計(jì)算、綜合確定各井剝蝕量(表1)。

3.3 邊界條件參數(shù)分析

合理預(yù)測(cè)古水深可以提高地層埋藏史和地溫場(chǎng)的模擬精度[22]。鄂爾多斯盆地各時(shí)期的古水深主要依據(jù)該時(shí)期的沉積相和現(xiàn)代沉積水深綜合預(yù)測(cè)，建立古水深與沉積相的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1 鄂爾多斯盆地鉆井剝蝕量

表2 鄂爾多斯盆地各時(shí)期古水深

利用PetroMod軟件中以時(shí)間和緯度為坐標(biāo)的全球平均地表溫度模板(SWIT)，結(jié)合鄂爾多斯盆地古今區(qū)域地理位置(東亞地區(qū)北緯35°～44°)，綜合預(yù)測(cè)了鄂爾多斯盆地古地表溫度，中元古代長(zhǎng)城紀(jì)為23.48 ℃、薊縣紀(jì)為21.48 ℃，震旦紀(jì)為23.48 ℃，寒武—奧陶紀(jì)為21.48 ℃，石炭紀(jì)為20.99 ℃，二疊紀(jì)為17.09 ℃，三疊紀(jì)為20.27 ℃，侏羅紀(jì)為18.82 ℃，白堊紀(jì)為24.30 ℃，第四紀(jì)為14.05 ℃。

3.4 烴源巖成熟度模型選取和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于EASY%Ro模型對(duì)中、高演化程度地層的模擬較為客觀與精確[23-24]，因此本次采用眾多平行的化學(xué)動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)模型——EASY%Ro模型對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟度史進(jìn)行了模擬。本次模擬采用的有機(jī)質(zhì)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)是：Ro小于0.5%為未成熟階段，0.5%～0.7%為低成熟階段，0.7%～1.0%為成熟階段，1.0%～1.3%為晚成熟階段，1.3%～2.0%為生濕氣階段，2.0%～4.0%為生干氣階段，4.0%～5.0%為過(guò)成熟階段。

4 模擬結(jié)果分析

通過(guò)確認(rèn)上述參數(shù)的可行性，以PetroMod軟件為工具，分別對(duì)天環(huán)向斜南部鎮(zhèn)探1井、天環(huán)向斜北部天深1井、伊陜斜坡中部城川1井、伊陜斜坡西南部慶深1井、伊陜斜坡東部宜探1井、渭北隆起中部旬探1井、渭北隆起西部靈1井、西緣沖斷帶中北部任3井、伊盟隆起中部鄂2井等9口單井(圖1)進(jìn)行中元古界烴源巖熱史模擬。以天環(huán)向斜為例：

(1)鎮(zhèn)探1井代表天環(huán)向斜南部，該井模擬結(jié)果(圖3)表明：該井薊縣系烴源巖在中三疊世早期Ro值達(dá)到0.5%，進(jìn)入生烴門限；晚三疊世中期達(dá)到0.7%，進(jìn)入成熟階段；早侏羅世中期達(dá)到1.0%，進(jìn)入晚成熟階段；晚侏羅世晚期達(dá)到1.3%，進(jìn)入生濕氣階段；早白堊世晚期達(dá)到2.0%，進(jìn)入生干氣階段。

圖3 鄂爾多斯盆地天環(huán)向斜鎮(zhèn)探1井中元古界烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度史Fig.3 Maturity history of source rocks in the Mesoproterozoic in ZT1 well, Tianhuan syncline, Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地天環(huán)向斜天深1井中元古界烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度史Fig.4 Maturity history of source rocks in the Mesoproterozoic in TS1 well, Tianhuan syncline, Ordos Basin

(2)天深1井代表天環(huán)向斜北部，該井模擬結(jié)果(圖4)表明：該井薊縣系烴源巖在早三疊世中期Ro值達(dá)到0.5%，進(jìn)入生烴門限；晚三疊世晚期達(dá)到0.7%，進(jìn)入成熟階段；早白堊世早期達(dá)到1.0%，進(jìn)入晚成熟階段；早白堊世中期達(dá)到1.3%，進(jìn)入生濕氣階段；隨后過(guò)了3～4 Ma，達(dá)到2.0%，進(jìn)入生干氣階段。長(zhǎng)城系烴源巖于晚二疊世晚期Ro值達(dá)到0.5%，進(jìn)入生烴門限；晚三疊世早期進(jìn)入主生烴窗；晚侏羅世中期進(jìn)入晚成熟階段；早白堊世早期進(jìn)入生濕氣階段；隨后過(guò)了3～4 Ma，進(jìn)入生干氣階段；現(xiàn)今Ro值為2.6%，仍處于生干氣階段。

晚白堊世，鄂爾多斯盆地地層整體抬升，遭受剝蝕，薊縣系烴源巖成熟度變化不大，現(xiàn)今北部Ro值最大為2.4%，現(xiàn)今南部Ro值最大為2.7%，都處于生干氣演化階段。

5 討論

對(duì)上述9口單井烴源巖成熟度演化史模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(表3，4)發(fā)現(xiàn)，各構(gòu)造單元薊縣系和長(zhǎng)城系烴源巖進(jìn)入各階段門限的時(shí)間存在差異。

表3 鄂爾多斯盆地各構(gòu)造單元薊縣系烴源巖成熟度史對(duì)比

表4 鄂爾多斯盆地各構(gòu)造單元長(zhǎng)城系烴源巖成熟度史對(duì)比

(1)西緣沖斷帶中北部和渭北隆起中部薊縣系烴源巖進(jìn)入生烴門限較早，分別于中奧陶世中期和早奧陶世中期開始生油。由于這2個(gè)地區(qū)分別位于甘陜裂陷槽和晉陜裂陷槽周緣，寒武系沉積較厚，致使兩區(qū)在早奧陶世先后進(jìn)入生烴門限。其他地區(qū)由于寒武紀(jì)和早中奧陶世埋藏淺，未進(jìn)入生烴門限。晚奧陶世，由于盆地碰撞抬升，遭受剝蝕，缺失志留系—下石炭統(tǒng)，以致它們進(jìn)入生烴門限的時(shí)間明顯晚于這2個(gè)地區(qū)?，F(xiàn)今除西緣沖斷帶中北部受晚三疊世—早白堊世逆沖隆升的影響而處于生濕氣階段外，其他地區(qū)薊縣系烴源巖都處于生干氣階段。

(2)渭北隆起西部薊縣系烴源巖于晚二疊世晚期進(jìn)入生烴門限，其次是天環(huán)向斜北部于早三疊世中期進(jìn)入生烴門限。由于伊陜斜坡西南部和天環(huán)向斜南部位于慶陽(yáng)古隆起之上，2個(gè)地區(qū)進(jìn)入生烴門限時(shí)間明顯晚于前面提到的兩者。

(3)西緣斷褶帶的中北部和渭北隆起中部薊縣系烴源巖都于晚二疊世晚期進(jìn)入成熟階段。受盆地沉積中心不斷向西遷移影響，渭北隆起西部、天環(huán)向斜北部、伊陜斜坡西南部、天環(huán)向斜南部先后進(jìn)入生烴階段，而伊陜斜坡西南部、渭北隆起西部、天環(huán)向斜南部、天環(huán)向斜北部依次進(jìn)入生油成熟門限。

(4)晚三疊世盆地西、南緣強(qiáng)烈逆沖隆升，以致西緣沖斷帶中北部薊縣系烴源巖抬升剝蝕，現(xiàn)今仍處于生濕氣階段。對(duì)比天環(huán)向斜南部和北部以及渭北隆起西部薊縣系烴源巖進(jìn)入成熟階段之后的演化時(shí)間，天環(huán)向斜北部和渭北隆起西部烴源巖早于天環(huán)向斜南部進(jìn)入生干氣階段，這與巖漿巖侵入有關(guān)。任戰(zhàn)利等[12-14]發(fā)現(xiàn)天深1井附近的李1井、李華1井等存在熱液礦化現(xiàn)象，以及在靈1井西部龍1井、龍2井三疊系鉆遇厚度達(dá)150 m以上的中閃長(zhǎng)玢巖，證實(shí)了這2個(gè)地區(qū)烴源巖成熟異常與巖漿活動(dòng)有關(guān)。

(5)通過(guò)對(duì)比各構(gòu)造單元進(jìn)入長(zhǎng)城系生烴門限的時(shí)間發(fā)現(xiàn)，伊盟隆起由于長(zhǎng)期處于隆起區(qū)，以致于下伏烴源巖成熟史各時(shí)期時(shí)間都晚于其他地區(qū)，其中伊盟隆起中部現(xiàn)今仍處于生濕氣階段。位于盆地內(nèi)部拗拉槽及周緣的長(zhǎng)城系烴源巖成熟較早，其他地區(qū)基本上于晚二疊世晚期進(jìn)入生烴門限，現(xiàn)今處于生干氣階段。

6 有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)

(1)位于盆地拗拉槽及周緣的中元古界烴源巖進(jìn)入生烴門限的時(shí)間明顯早于盆地其他地區(qū)，其中渭北隆起中部地區(qū)中元古界烴源巖在開始生油后，后續(xù)地層沉降相對(duì)完整，形成了以上覆寒武系泥頁(yè)巖為區(qū)域性蓋層、長(zhǎng)城系碎屑巖和薊縣系頂部風(fēng)化殼為有效儲(chǔ)層的中元古界自生自儲(chǔ)的成藏組合，且現(xiàn)今仍處于生干氣階段，預(yù)測(cè)為有利勘探區(qū)。

(2)天環(huán)向斜南部、伊陜斜坡西北部位于慶陽(yáng)古隆起之上，薊縣系烴源巖進(jìn)入生烴門限相對(duì)較晚，當(dāng)烴源巖進(jìn)入主要生油期時(shí)，受沉積中心向西遷移影響，這2個(gè)地區(qū)大量接受沉積，烴源巖成熟加快。伊陜斜坡西北部形成以上覆寒武系毛莊組泥頁(yè)巖為蓋層、薊縣系頂部風(fēng)化殼和震旦系碎屑巖為有效儲(chǔ)層的薊縣系自生自儲(chǔ)的成藏組合；而天環(huán)向斜南部薊縣系烴源巖除自生自儲(chǔ)成藏組合外，也形成了以上覆上石盒子組為區(qū)域性蓋層、上古生界煤系為主要烴源巖、薊縣系頂部風(fēng)化殼和震旦系碎屑巖為有效儲(chǔ)層的上生下儲(chǔ)成藏組合，且現(xiàn)今仍處于生干氣階段，預(yù)測(cè)這2個(gè)為有利的勘探區(qū)。

(3)伊盟隆起中部長(zhǎng)城系烴源巖進(jìn)入生烴門限時(shí)間最晚，即晚三疊世早期，現(xiàn)今處于生濕氣階段，且上古生界煤系烴源巖直接覆蓋于長(zhǎng)城系碎屑巖之上，形成以上石盒子組為區(qū)域性蓋層、下伏太原組—山西組為主要烴源巖、長(zhǎng)城系砂礫巖為儲(chǔ)層的上生下儲(chǔ)成藏組合，預(yù)測(cè)為有利勘探區(qū)。

7 結(jié)論

(1)盆地中元古代拗拉槽及周緣中元古界烴源巖進(jìn)入生烴門限時(shí)間明顯早于盆地其他地區(qū)。除西緣沖斷帶中北部后期受逆沖隆升的影響，現(xiàn)今處于生濕氣階段之外，其他拗拉槽及周緣處烴源巖各階段成熟時(shí)間也早于其他地區(qū)，現(xiàn)今處于生干氣階段。

(2)對(duì)于其他地區(qū)長(zhǎng)城系烴源巖而言，除伊盟隆起地區(qū)成熟期次都晚于其他地區(qū)，現(xiàn)今仍處于生濕氣階段外，其他地區(qū)基本上于晚二疊世晚期進(jìn)入生烴門限，現(xiàn)今處于生干氣階段。

(3)對(duì)于其他地區(qū)薊縣系烴源巖而言，晚二疊世晚期至中三疊世早期先后進(jìn)入生烴門限；晚三疊世至晚侏羅世，盆地沉積中心不斷向西遷移，以致盆地西南部烴源巖成熟明顯加快；在早白堊世早期，天環(huán)向斜北部和渭北隆起西部受巖漿巖侵入影響，烴源巖成熟也加快，于早白堊世先后進(jìn)入生干氣階段。

(4)在明確了各構(gòu)造單元中元古界烴源巖成熟期次和不同構(gòu)造單元烴源巖熱演化的差異性的基礎(chǔ)上，以含油氣系統(tǒng)分析為依據(jù)，提出了盆地渭北隆起中部地區(qū)、天環(huán)向斜南部、伊陜斜坡西北部、伊盟隆起中部為有利的勘探區(qū)帶，是下一步開展研究的重點(diǎn)區(qū)域。

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(編輯 韓 彧)

Thermal evolution modeling of Mesoproterozoic source rocks in the Ordos Basin

Tian Gang, Song Lijun

(GeosciencesandEngineeringFaculty,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shaanxi710065,China)

The Mesoproterozoic is a potential stratum of gas accumulation and production of the Changqing oil field in the Ordos Basin. However, few recent studies have been made on the thermal evolution history of source rocks.Applying the PetroMod basin modeling software, the thermal evolution histories of the Proterozoic source rocks in each tectonic unit of the study area were simulated taking measuredRovalues as calibration and based on the analyses of lithology, erosion thickness restoration and ancient heat flow. The differences of thermal evolution of source rocks in different tectonic units were discussed. Some favorable exploration areas were predicted combining with oil and gas system analyses. The results show that: (1)The hydrocarbon generation threshold of Mesoproterozoic aulacogens and peripheral source rocks is much earlier than others. The maturation stage of other aulacogens and peripheral source rocks is also earlier than others except for the mid-northern part of the western margin thrust belt, and it is in a stage of dry gas generation at present. The source rocks in the Changcheng System reached the hydrocarbon generation threshold at the end of the Late Permian and are generating dry gas now, except for those in the Yimeng uplift, which became mature late and are still generating wet gas. The source rocks in the Jixian System reached the hydrocarbon generation threshold from the end of the Late Permian to the beginning of the Middle Triassic, became mature as the basin depositional center migrated continuously to the west and influenced by intrusions in the northern Tianhuan syncline and western Weibei uplift, and finally entered the dry gas stage in the early Cretaceous. (2)The central area of the Weibei uplift, southern Tianhuan syncline, northwestern Yishan slope,and the central part of the Yimeng uplift in the Ordos Basin are favorable exploration areas.

thermal history simulation;vitrinite reflectance; hydrocarbon generation threshold; favorable exploration zone; Mesoproterozoic; Ordos Basin

1001-6112(2017)04-0520-07

10.11781/sysydz201704520

2016-12-23；

2017-05-03。

田剛(1991—)，男，碩士，從事含油氣盆地分析研究。E-mail:691561570@qq.com。

宋立軍(1977—)，男，副教授，從事盆地分析及構(gòu)造地質(zhì)教學(xué)與研究。E-mail:8210954@qq.com。

構(gòu)造地質(zhì)與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(TRR-2012-20)資助。

TE122.1

A