摘要 是否發(fā)育有效烴源巖是鄂爾多斯盆地中元古界成藏的關(guān)鍵。采用野外地質(zhì)考察、顯微薄片鑒定和地球化學分析等研究方法,對鄂爾多斯盆地北緣書記溝中元古界長城系阿古魯溝組烴源巖地質(zhì)特征展開研究。研究表明,阿古魯溝組烴源巖為黑色含粉砂質(zhì)泥質(zhì)碳質(zhì)板巖及黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,原巖為黑色含砂頁巖。烴源巖有機碳含量高,為0.34%~9.56%,平均值為3.3%;有機質(zhì)類型以I型和Ⅱ1型為主;Ro變化范圍為3.57%~4.68%,平均值為4.09%;Tmax值為404~562 ℃,處于以生成干氣為主的過成熟階段。稀土元素配分模式為輕稀土微富集、輕重稀土分異不明顯的略微右傾型;δCe值為0.74~0.92,表現(xiàn)出Ce負異常;δEu變化范圍比較大,為0.95~4.83,指示阿古魯溝組烴源巖當時沉積時處于還原-氧化過渡環(huán)境。稀土元素、微量元素含量指示阿古魯溝組烴源巖形成于濱淺海-臺后盆地沉積環(huán)境。當時,氣候溫暖潮濕,間或出現(xiàn)短暫偏干熱氣候變化,水體具有一定深度,能量較小,為與北側(cè)廣海溝通有限的較閉塞貧氧-厭氧、咸水-微咸水還原環(huán)境,這種條件非常有利于烴源巖的形成。
關(guān)鍵詞 書記溝;中元古界;烴源巖;地質(zhì)特征;地球化學
中圖分類號:P618.13 DOI:10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-06-002
Geological characteristics of source rocks of Mesoproterozoic
Changchengian System in Shujigou area of the northern
margin of Ordos Basin
FENG Juanping1,2," YAO Weizhuo1, OUYANG Zhengjian3, LI Wenhou4
(1.College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China;
2.Geological Research Institute for Coal Green Mining, Xi’an 710054, China;
3.Bailie School of Petroleum Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China;
4.Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China)
Abstract The development of effective source rocks is the key to Mesoproterozoic hydrocarbon accumulation in Ordos area. In this paper, the geological characteristics of the Agulugou Formation source rocks in Shujigou area were studied by means of field geological investigation, microscopic section identification and geochemical analysis. Researches show that the source rocks of Agulugou Formation are carbonaceous slate and phyllite, and the original rocks are black sand-bearing shale. The contents of organic carbon in the source rocks are high, and the value ranges from 0.34% to 9.56%, with an average of 3.3%. The types of organic matter are I and" II1" kerogen. The value of Ro ranges from 3.57% to 4.68%, and the Tmax value is from 404 ℃ to 562 ℃. These results show that the thermal evolution of source rocks is high, and is in the over-mature stage. The distribution pattern of rare earth elements is a slightly right-leaning pattern with slight enrichment of LREE and no obvious differentiation of LREE and HREE. The δCe values range from 0.74 to 0.92, showing a negative Ce anomaly, and the δEu range is relatively large, ranging from 0.95 to 4.83, that indicates that the deposit of the source rocks formed in a transitional environment from reduction to oxidation. The content of trace elements indicates that the Agulugou Formation deposited in a back-plateform basin with a water depth of less than 250 m, and the sedimentary facies were fluvial-shore sands, shallow water carbonaceous-argillaceous deposits of the barrier island. Combined with the above research, it shows that the Mesoproterozoic source rocks in the study area are mainly good-excellent source rocks formed in the reduction-oxidation environment, and the hydrocarbon generation geological conditions are favorable.
Keywords Shujigou area; Mesoproterozoic; source rocks; geological characteristics; geochemistry
20世紀90年代,世界上對中新元古界的油氣勘探已經(jīng)引起足夠重視[1-9],分別在多地如西伯利亞和阿曼探明了儲量可觀的油氣資源。我國對中新元古界的油氣研究主要集中在燕山地區(qū)[10-17]。近年鄂爾多斯盆地的勘探工作在盆地北緣中新元古界取得了一些進展[18-20], 位于伊盟隆起的桃59井揭示了盆地內(nèi)部發(fā)育青白口系崔莊組烴源巖, 總有機碳含量最高達5.5%, J13井中元古界在3 527~3 530 m獲得23 970 m3/d氣流,表明鄂爾多斯盆地中新元古界具有非常大的勘探潛力。近年來筆者先后考察了盆地南緣洛南巡檢司鎮(zhèn)中元古界長城系、東南緣永濟水幽溝長城系、盆地北緣巴彥諾日公、烏加河、河灣、書記溝、小佘太、巴音布拉格及固陽縣北[21]的中新元古界烴源巖并采集樣品。相關(guān)研究及實驗分析顯示,這些烴源巖均具備成藏的基本地質(zhì)條件(相關(guān)研究成果另文發(fā)表)。位于“拗拉槽”邊緣的桃59井,并沒有處于烴源巖發(fā)育最有利部位“拗拉槽”中心[22],加之,中新元古界雖然經(jīng)歷多期構(gòu)造運動,但烴源巖變質(zhì)作用并未顯著發(fā)生。因此,推測盆地中南部“拗拉槽”中心部位存在有效烴源巖。本次對盆地北緣書記溝中元古界烴源巖開展地質(zhì)特征研究,并在此基礎(chǔ)上分析烴源巖形成的有利條件及沉積環(huán)境,以期為鄂爾多斯盆地古老層系的油氣勘探提供借鑒。
1 地質(zhì)概況
書記溝位于內(nèi)蒙古烏拉特前旗小佘太鎮(zhèn)東北側(cè),大地構(gòu)造位置為中新元古代狼山—渣爾泰山裂谷帶東段(見圖1)。該裂谷帶呈近EW向展布,大致以烏拉特后旗—烏拉特中旗為界,以西呈NEE向,以東呈NWW向,在中部形成一個向北凸出的弧形構(gòu)造格架[23]。中元古界渣爾泰山群、新太古界色爾騰山巖群及中生界下白堊統(tǒng)火山巖在此出露。巖漿活動以加里東早期和印支-海西晚期為主。
渣爾泰山群為一套以碎屑巖為主夾碳酸鹽巖的沉積建造,經(jīng)受了低綠片巖相淺變質(zhì)作用而形成板巖及千枚巖,其中灰?guī)r、石英砂巖等僅出現(xiàn)大理巖化和石英巖化。自下而上可分為書記溝組、增隆昌組、阿古魯溝組和劉洪灣組。
書記溝組不整合于太古界烏拉山群之上, 與上覆增隆昌組為連續(xù)沉積, 厚度變化很大, 為220~1 490 m。下部以灰白色含礫長石石英砂巖為主,向上逐漸過渡為礫巖、含礫粗粒長石石英砂巖和長石石英砂巖,發(fā)育楔狀、槽狀交錯層理。礫巖多呈透鏡狀夾于其中。上部發(fā)育粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾中粗粒石英砂巖。本組普遍發(fā)生低綠片巖相變質(zhì)作用,發(fā)育片狀構(gòu)造,片理面上可見黑云母和白云母等新生礦物。
增隆昌組頂部被阿古魯溝組平行不整合覆蓋,厚度為213~288 m。底部為中粗粒-中細粒變質(zhì)石英砂巖、粉砂質(zhì)泥質(zhì)板巖,發(fā)育大型板狀交錯層理、雙向交錯層理和緩波狀交錯層理。中部主要為脈狀、透鏡狀、波狀及水平層理發(fā)育的碳質(zhì)、粉砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖及淺變質(zhì)石英砂巖、含砂質(zhì)泥晶灰?guī)r。上部為含疊層石灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。
阿古魯溝組在書記溝附近厚度為1 800 m左右,自下而上分為4段。第一段為板巖段,主要為灰黑色-黑色板巖、碳質(zhì)板巖及泥質(zhì)粉砂質(zhì)碳質(zhì)板巖;第二段為灰?guī)r段;第三段為(含)碳質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖;第四段為灰色、灰黃色灰?guī)r(見圖2)[24-26]。
劉洪灣組整合于阿古魯溝組之上,在書記溝石龍灣剖面中其厚度超過200 m。主要為灰色、灰黃色中-厚層狀含礫石英巖、薄層狀石英巖及長石石英砂巖等,頂部被剝蝕。
2 巖石學特征
烴源巖主要發(fā)育在阿古魯溝組第一和第三巖性段(見圖2、3),為深灰色-黑色含粉砂質(zhì)泥質(zhì)碳質(zhì)板巖、黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,具板狀構(gòu)造及千枚狀構(gòu)造,劈理面(破裂面)或微片理面上有微晶絹云母及綠泥石等片狀礦物分布,具弱絲絹光澤,易破碎呈薄片狀及粉末狀,在野外露頭上易識別。顯微鏡下可見淺色形似“眼球”的集合體主要由微晶白云母及長英質(zhì)組成,其余主要由碳質(zhì)和泥鐵質(zhì)組成(見圖3)。
烴源巖以石英為主,含量約為75%,斜長石約占7%,方解石、菱鐵礦、黏土含量分別約為1.5%、2.5%、13.5%。其中菱鐵礦的存在指示了當時可能為還原環(huán)境。
3 有機地球化學特征
本次對烴源巖分別進行了巖石總有機碳、氯仿瀝青“A”、巖石熱解、Ro及碳同位素測試,具體結(jié)果見表1和2。
(a)黑色碳質(zhì)板巖;(b)黑色-灰黑色碳質(zhì)板巖,易風化破碎;(c)黑色碳質(zhì)板巖;(d)黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,單偏光;(e)黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,正交偏光;(f)黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,單偏光
3.1 有機質(zhì)豐度
書記溝阿古魯溝組烴源巖樣品總有機碳含量變化范圍較大,為0.34%~9.56%。氯仿瀝青“A”的含量比較低(見表2)。依據(jù)烴源巖評價標準[27-28],阿古魯溝組有80%的樣品屬于非常好等級的烴源巖,16%的樣品為好烴源巖,差烴源巖占4%,說明絕大部分樣品達到了非常好烴源巖標準。
3.2 有機質(zhì)類型
利用干酪根δ13C對有機質(zhì)類型進行劃分,研究區(qū)烴源巖干酪根δ13C測定結(jié)果見表2。結(jié)果變化為-29.4‰~-26.83‰,其中有4個樣品有機質(zhì)碳同位素小于-28‰,干酪根類型為I型。1個樣品有機質(zhì)碳同位素為-26.83‰,干酪根類型為Ⅱ1型,表明有機質(zhì)類型好,具較好的生烴潛力。
3.3 有機質(zhì)成熟度
研究區(qū)烴源巖Ro平均值為4.09%,Tmax值變化范圍較大,平均值為521 ℃(見表2)。反映了書記溝阿古魯溝組烴源巖已經(jīng)處于生成干氣的過成熟階段。
4 無機地球化學特征
烴源巖全巖無機地球化學測試中主量元素采用XRF法,微量元素與稀土元素用ICP-MS測定,分析結(jié)果見表3和4。
4.1 稀土元素特征
稀土元素配分模式圖解表現(xiàn)為輕微右傾型的輕稀土富集型配分模式〔見圖4(a)〕。稀土總量變化較大,為82.27×10-6~216.06×10-6(平均值為126.70×10-6);輕稀土總量為73.77×10-6~194.24×10-6(平均值為113.66×10-6);重稀土為8.50×10-6~21.82×10-6(平均值為13.04×10-6)。(La/Yb)N值為1.14~1.80(平均值為1.43),表現(xiàn)為輕稀土輕微富集和輕、重稀土分異不明顯的特征。
δCe值為0.74~0.92,平均值為0.86,表現(xiàn)出Ce負異常。δEu變化范圍比較大,除1個樣品值(SJG-1-1)為4.83之外,其余樣品值為0.95~1.17(平均值為1.05),出現(xiàn)微弱負異常和正異常,指示阿古魯溝組烴源巖沉積時處于弱還原-弱氧化的過渡環(huán)境。
4.2 微量元素特征
烴源巖微量元素總體表現(xiàn)為富集Th、U、Rb等,相對虧損Co、Ni、Ti、Nb、Sr等〔見圖4(b)〕。與大陸上地殼相比,大部分樣品的Sc、V、Cr、Rb、Cs、U含量略高,所有樣品的Sr、Ba、Co、Ni含量均遠遠小于上地殼豐度值,Nb、Ta等元素含量低于或略低于上地殼值。Nicholls曾提出[29],當Mogt;5 mg/L、Cugt;90 mg/L、Cogt;40 mg/L、Bagt;1 000 mg/L、Cegt;100 mg/L、Prgt;10 mg/L、Ndgt;50 mg/L、 Nigt;150 mg/L、 Pbgt;40 mg/L, 特別同時伴有Ult;1 mg/L和Snlt;3 mg/L時,沉積時水體深度可能大于250 m。
從表5中可以看出,阿古魯溝組烴源巖稀土元素、微量元素中Ce、Pr、Nd、Cu、Ba、Pb、Co、Ni元素都小于Nicholls標準值,U元素絕大部分樣品元素含量大于Nicholls標準值,僅有一個樣品值小于Nicholls標準值。這說明阿古魯溝組沉積時的水體深度小于250 m,可能為近岸沉積環(huán)境。
5 烴源巖沉積環(huán)境
REE、Sr、Ba、V、Ni、Th、U等元素的含量及其相關(guān)比值常被用于研究古沉積環(huán)境特征的分析[21]。研究區(qū)烴源巖各元素比值列于表6。
5.1 古鹽度
沉積巖中SiO2、Al2O3等的含量可以用來反映沉積物形成或遷移時受陸源碎屑含量的影響程度,二者往往呈正相關(guān),即陸相沉積經(jīng)常具有高Si、Al,低P、S的特點。因Al2O3具明顯親陸性,而MgO在海相沉積物中含量高,因此MgO和Al2O3含量及其比值能夠有效指示水體鹽度變化。
研究區(qū)樣品分析數(shù)據(jù)表明,SJG-6-1與SJG-18-1樣品的SiO2、Al2O3含量明顯低于其他樣品,而MgO/Al2O3遠大于其他樣品,表明它們形成于具有一定鹽度但整體鹽度不高的海相沉積環(huán)境。其余樣品可能形成于受陸源物質(zhì)影響較大的近岸微咸水環(huán)境。
Sr、Ba、V,Ni、Ga、Th、U等元素能夠有效指示水體鹽度變化情況,Sr/Ba比值也可用來判斷古鹽度(gt;1.0為咸水、1.0~0.5為半咸水,lt;0.5為微咸水)。研究區(qū)SJG-6-1和SJG-18-1樣品值分別為1.338和0.992,指示水體鹽度較高,其余值均小于0.5,為微咸水環(huán)境。由此得出研究區(qū)阿古魯溝組烴源巖處于咸水-微咸水沉積環(huán)境。
研究表明,Th/U值gt;7為淡水環(huán)境,2~7為微咸水-半咸水沉積環(huán)境,小于2為咸水環(huán)境[30-32]。研究區(qū)樣品的Th/U平均值為3.2,反映沉積時為咸水-微咸水海相環(huán)境。
Campbell等指出[33],Rb/K值小于4×103代表淡水至陸源的低鹽度沉積條件,大于6×103代表海水沉積環(huán)境。研究區(qū)樣品Rb/K值為3.56×103~8.36×103,其中2個樣品的Rb/K值略低于6×103,其余均略高于該標準值,顯示為海水沉積環(huán)境,但鹽度可能不太高。
上述常量元素及微量元素含量及其比值共同表明了阿古魯溝組烴源巖的形成經(jīng)受了海進海退和構(gòu)造作用的影響,形成于海平面向內(nèi)陸遷移而導致的其部分地區(qū)被海水淹沒的沉積環(huán)境。
5.2 水動力條件
利用Rb易賦存于黏土等輕礦物而沉淀于深水,Zr易以鋯石等重礦物形式賦存于水動力作用強的濱、淺海的特點,通過研究Zr/Rb比值可以定量反映采樣區(qū)水動力條件的強弱,其值越大反映的水動力條件越強[34]。樣品SJG-6-1和SJG-18-1的Zr/Rb值較高(均大于4),表明其沉積時水動力條件較強,其余樣品的Zr/Rb比值較低,均小于2,反映了其沉積于水動力較弱的環(huán)境中。Ba和Rb的含量高低可定性反映古環(huán)境水體能量的高低, 即 Ba和Rb的含量高值均表征水動力條件弱,樣品SJG-6-1和SJG-18-1的Ba和Rb的含量值較其他樣品低,表明它們形成于水動力較強的動蕩環(huán)境,與Zr/Rb比值判別結(jié)果一致。
Zr/Al比值大小可反映沉積區(qū)水體深度特征,值越小則水體深度越大。只有樣品SJG-6-1的Zr/Al比值最大,為43.46,表示其沉積于水體較淺、水動力較強的動蕩環(huán)境中,其余樣品值在17.82~25.85,反映其形成水體具有一定深度、能量較小且鹽度較低的閉塞環(huán)境。
5.3 氧化還原條件
V是反映介質(zhì)氧化還原條件的敏感元素之一, 它傾向于富集在缺氧-近缺氧水體沉積物中[35-36]。 由于V和Sc都是不溶元素, 并且V含量會隨著Sc含量的變化而變化, 因此V/Sc值能有效反映沉積物中V的富集程度[37]。 阿古魯溝組除樣品SJG-6-1的V/Sc值(2.17)小于5之外, 其余均在5.24~7.57, 表明為缺氧-近缺氧水體環(huán)境。
V/Cr和V/(V+Ni)比值也可用于研究沉積水體的氧化還原環(huán)境[38-41],V/Cr比值小于2通常指示貧氧條件,在2~4.25為缺氧環(huán)境,而V/Cr比值大于4.25為厭氧條件,V/(V+Ni)gt;0.54可判別為厭氧環(huán)境,表明水體較深或水流不暢,0.46lt;V/(V+Ni)lt;0.54可判別為貧氧環(huán)境, V/(V+Ni)lt;0.46可判別為富氧環(huán)境。阿古魯溝組所有樣品的V/Cr值均小于2,反映出它們?yōu)樨氀醐h(huán)境下的產(chǎn)物。除樣品SJG-6-1的V/(V+Ni)比值等于0.46之外,其余樣品值均在0.57~0.97之間,表明總體處于水體有一定深度的貧氧-厭氧的還原環(huán)境。
Th/U值經(jīng)常被作為沉積環(huán)境氧化還原條件判別的指示劑[42-43]。前人根據(jù)δU法(δU=U/[0.5×(Th/3+U)])和Th/U值來判斷沉積環(huán)境的氧化還原條件。當δUgt;1時為缺氧還原環(huán)境,δUlt;1則說明為氧化還原正常的水體沉積環(huán)境[44]。當Th/U值在0~2之間指示缺氧環(huán)境,在強氧化環(huán)境下Th/U值可達8[43]。經(jīng)計算分析,研究區(qū)僅1個樣品的δU值為1.4,其余均小于1, Th/U值也不高,為1.3~4.7(平均3.2),反映沉積整體處于缺氧-貧氧環(huán)境下。
5.4 古氣候
Fe、Al、V、Ni、Ba、Cu、Co等元素容易在氣候潮濕時富集在沉積物中而使它們的含量升高,干旱氣候則有利于Na、Ca、Mg、Sr、Zn、Mn等析出造成它們在沉積物中的相對含量增高。同時,水體鹽度增高也會使大量低等生物死亡而造成P元素在沉積物中富集。因此,P元素含量高,Sr/Cu、Sr/Ca、Sr/Ba等值越高,Rb/Sr、Al/Mg、Fe/Mn等值越低,反映古氣候偏干熱,反之則指示溫濕氣候[45-47]。當Sr/Cult;10指示溫濕氣候,Sr/Cugt;10指示干熱氣候。
研究區(qū)樣品的P元素含量普遍較低,平均值為0.07%,大部分樣品低于0.05%,2個樣品(SJG-6-1和SJG-18-1)的值約0.10%。除2個樣品(SJG-6-1和SJG-18-1)的Sr/Cu值大于10外,其余樣品的Sr/Cu值均小于10。大部分樣品的Sr/Ca和Sr/Ba值偏低,而Al/Mg和Fe/Mn較高。2個樣品(SJG-6-1和SJG-18-1)顯示出Sr/Cu、Sr/Ca、Sr/Ba、Ca/Mg較高和Rb/Sr、Al/Mg、Fe/Mn較低的趨勢,指示偏干熱氣候條件,這與2個樣品(SJG-6-1和SJG-18-1)所反映的較高古鹽度一致。上述元素的含量及比值反映出研究區(qū)阿古魯溝組整體上形成于溫暖潮濕氣候條件下,但存在因季節(jié)性變化而出現(xiàn)從溫暖潮濕到偏干熱的短暫氣候轉(zhuǎn)換。
5.5 沉積演化及沉積模式
中元古代時期,鄂爾多斯盆地及周緣地區(qū)處于區(qū)域伸展構(gòu)造環(huán)境,具裂谷盆地特征,發(fā)育海陸交互沉積[22,48]。
長城系形成初期(書記溝組),由于裂陷作用,基底下沉,海平面開始上升,海水自北向南侵入至包頭以北一帶,形成一套陸相-濱海相的石英砂巖沉積建造。
當海平面達到最大時,形成增隆昌組厚層臺地相碳酸鹽巖沉積。隨后基底發(fā)生快速上升運動即增隆昌隆升,增隆昌組頂部的白云巖遭受風化剝蝕并形成風化殼。
當?shù)貧ぴ俅伟l(fā)生下降運動時,鄂爾多斯盆地北緣又一次被海水淹沒,海平面由北向南向內(nèi)陸遷移,此時沉積的阿古魯溝組平行不整合于增隆昌組之上。阿古魯溝組底部砂巖具下伏殘積鐵礦礫石就是新的海進層序的底礫巖[49]。海水深度由南向北增大,但研究區(qū)整體水深小于250 m,仍處于濱淺海-臺后盆地沉積環(huán)境。此時,總體為溫暖潮濕氣候條件,但可能出現(xiàn)短暫偏干熱的氣候變化,隨之也可能引起水體鹽度發(fā)生變化但鹽度總體不高,為咸水-微咸水環(huán)境。水體具有一定深度,能量較小,為與北側(cè)廣海溝通有限的較閉塞貧氧-厭氧的還原環(huán)境,這種條件非常有利于烴源巖的形成。烴源巖中普遍含有陸源砂和黏土是由于在阿古魯溝組沉積時,鄂爾多斯古陸增長使陸源物質(zhì)持續(xù)性向北輸入臺后盆地而造成(見圖5)。海水向北退出的同時,濱淺海-臺后盆地也不斷向北遷移。
至阿古魯溝組末期,發(fā)生大規(guī)模海退,形成大陸侵蝕面,使之后沉積的三角洲相劉洪灣組平行不整合于阿古魯溝組之上。
6 認識與結(jié)論
1)書記溝阿古魯溝組烴源巖發(fā)育區(qū)域性淺變質(zhì)作用,形成黑色含粉砂質(zhì)泥質(zhì)碳質(zhì)板巖、黑色含電氣石云母碳質(zhì)千枚巖,具板狀和千枚狀構(gòu)造。
2)烴源巖有機碳含量高,有機質(zhì)類型為I型和Ⅱ 1型,達到好-極好烴源巖標準,具有較高的生烴能力,使鄂爾多斯盆地具備了成藏的基本條件。
3)烴源巖發(fā)育于濱淺海-臺后盆地沉積環(huán)境。當時,氣候溫暖潮濕,間或出現(xiàn)短暫偏干熱氣候變化,水體具有一定深度,能量較小,為與北側(cè)廣海溝通有限的較閉塞貧氧-厭氧、咸水-微咸水還原環(huán)境,這種條件非常有利于烴源巖的形成。
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(編 輯 李 波)
收稿日期:2024-07-15
基金項目:國家自然科學基金青年項目(41502107)
第一作者:馮娟萍,女,博士,副教授,從事沉積學和石油地質(zhì)學研究,fengjuanping@163.com。
通信作者:歐陽征健,男,博士,副教授,從事構(gòu)造地質(zhì)學研究,ouyangzhengjian@126.com。