天山北麓活动背斜区河流阶地与古地震事件

杨晓平 李 安 黄伟亮 张 玲

(中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029)

天山北麓活动背斜区河流阶地与古地震事件

杨晓平 李 安 黄伟亮 张 玲

(中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029)

利用航空遥感照片和Google earth卫星影像，对天山北麓独山子活动背斜区奎屯河两侧的河流地貌进行解释，结合野外调查发现，奎屯河流经独山子背斜段发育7级基座阶地，阶地基座为上新统独山子组泥岩，其上部为2.5～15m厚的砂砾石层和砂质黏土。在开挖或剥离的各级阶地堆积物剖面中采集细粒堆积物样品，实验室中采用细粒石英光释光测年的简单多片再生法对每件样品进行测试，得到独山子背斜区 T1、T2、T3、T5、T6和 T7阶地堆积上部的堆积时代分别为距今1.7、14.98、20.7～27.3、29.3～39.2、47～56和103～118ka。结合晚第四纪的气候变化，认为奎屯河T1～T7阶地的下切形成时代分别为距今约1.7、14、20、25、30、50和100ka。独山子-安集海断裂带上的古地震资料表明，距今约25ka以来发生了8次古地震事件，发生时间分别为距今2、3.4、4.3、5.8、7.5、12.8、18和24ka。对比古地震发生的时代和阶地形成的时代发现，最新1次、第6次、第7次、第8次古地震事件发生时代分别与T1、T2、T3和T4阶地形成时代大致相同。T2阶地形成之后到T1阶地形成之前还发生了4次古地震事件，这期间沿奎屯河没有发育河流阶地，但奎屯河快速下切约40m。我们认为独山子-安集海断裂带上古地震的发生使得其断层上盘的独山子背斜快速隆起，以及奎屯河河床坡度增大，从而使水流的下切能力增强，引起河流快速下切而形成河流阶地或深切峡谷，活动背斜段的阶地序列可能反映与其相关断裂上的古地震序列。

河流阶地 古地震 同震隆升 活动褶皱 天山

0 引言

新生代以来印度板块和欧亚板块碰撞使天山地区遭受了强烈的挤压缩短和隆升，并形成了复杂的构造格局，因此该区成为大陆动力学研究的热点之一(Minster et al.，1978;Avouac et al.，1993;郭召杰等，2006)。在天山北侧由南向北形成3排中-新生代褶皱带 (图1，2)，这些褶皱带在晚第四纪时期有不同程度的活动，一系列河流横切褶皱带并发育了多级阶地(邓起东等，2000)。对河流阶地的研究可以获取构造活动的信息，鄂尔多斯高原、祁连山、天山和喜马拉雅等地区第四纪构造活动研究新进展就是通过对河流阶地的研究取得的(Molnar et al.，1994;杨晓平等，1995，2009;程绍平等，1998;杨景春等，1998;Li et al.，1999;郑文涛等，2000;Lave et al.，2000;Shen et al.，2001;袁庆东等，2006;Yang et al.，2007;史兴民等，2008;吕红华等，2008)。因此，河流阶地的研究在创建构造演化和河流发展历史等方面有重要的意义(Merri et al.，2002;史兴民等，2008)。天山北麓发育3期冲积扇，相应的这3期洪积扇被下切之后形成天山北麓河流3级主要的阶地(张培震等，1995)。对奎屯河阶地的研究主要集中在河流阶地的发育特征和褶皱隆升，对河流阶地的形成年代只有少量的直接测年结果(Molnar et al.，1994;邓起东等，2000;袁庆东等，2006;吕红华等，2008)，对奎屯河等穿越活动褶皱段的河流阶地尚无系统的年代学研究。Ota等在1991年就提出Huon半岛上重复发生的7级以上地震导致了该地区的第四纪隆升，并在2006年研究了Huon半岛上阶地的形成，认为其形成与同震隆起有关。笔者对天山北麓的奎屯河穿越活动褶皱段的河阶地进行了野外科学考察，精确测定了阶地砾石层顶面和底面的拔河高度，系统采集了各阶地堆积物中的测年样品，用光释光技术测定了阶地沉积物的堆积年代，厘定了阶地沉积物的堆积时代和阶地的形成时代，把独山子活动断裂带中揭露出的古地震事件(毛凤英等，1995)发生年代与阶地形成年代对比，进而对独山子活动褶皱的隆起提出一些新的认识。

图1 天山南北两侧活动褶皱带分布图Fig.1 Active fold belts at both south and north sides of Tianshan.

1 构造背景

乌鲁木齐山前坳陷发育于准噶尔盆地南缘，呈EW向带状分布，长达300km以上，南北宽50～80km，是一个中新生代山前坳陷，中新生界最厚达12 000m。各时代沉降中心由老至新从东向西迁移，新生代不同时代地层之间大多为连续沉积，其中下更新统西域组与上新统独山子组产状有轻微变化，下更新统与中更新统之间则为不整合关系，显示了最新构造活动。乌鲁木齐山前坳陷大致以乌鲁木齐市为界分为东西两段，东段为博格达推覆构造，西段为北天山活动褶皱带。北天山活动褶皱带南界为准噶尔南缘断裂，它是天山再生造山带与乌鲁木齐山前坳陷的分界断裂，也是二者在地貌上的分界线。南侧天山山体海拔高达3 000～4 000m，北侧山前坳陷内发育3排近EW向由背斜山岭组成的低山-丘陵区，自南向北海拔高程分别为1 300～2 100、1 000～1 500和600～1 200m。准噶尔南缘断裂总体走向为280°～290°，倾向S，倾角45°～75°，为一长达245km的逆冲断裂。沿断裂可见古生代地层逆冲于中新生代地层之上，断裂在第四纪不同时期均有活动。准噶尔南缘断裂以北，乌鲁木齐山前坳陷内最南边的第1排逆断裂-背斜带被称为齐古逆断裂-背斜带。在该带以北20～30km发育了第2排逆断裂-背斜带，即霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁活动逆断裂-背斜带，简称玛纳斯逆断裂-背斜带。1906年玛纳斯7.7级地震时沿该逆断裂发育了不连续的地表破裂带和同震隆起带(张培震等，1994)。玛纳斯逆断裂-背斜带西段以北10km左右处发育了第3排逆断裂-背斜带，即独山子-安集海活动逆断裂-背斜带，简称独山子逆断裂-背斜带。该带自西向东由独山子、哈拉安德和安集海3个逆断裂-背斜组成，其中独山子背斜核部地层为中新统，两翼地层为上新统及下更新统(图2)。独山子逆断裂-背斜带北翼陡、南翼缓，北翼发育主逆冲断裂，断裂上盘发育反冲逆断裂，其中独山子背斜北翼靠近主逆冲断裂的中新统发生倒转，断裂切割不同时代的地层和河流阶地，并使阶地发生褶皱变形(邓起东等，2000)。

图2 北天山活动逆断裂-背斜带分布图Fig.2 Map showing active fold-and-thrust belts along the northern Tianshan.

北天山山前坳陷中发育的3排褶皱带为一个前展式的逆冲推覆构造，玛纳斯逆断裂-背斜带、独山子逆断裂-背斜带分别为主滑脱断层上2个逆冲断坡上盘地层中的断层相关褶皱。玛纳斯、独山子活动逆断裂-褶皱带的构造变形，以及断裂带上的古地震事件记录了天山山前推覆构造根带(天山山前的活动隐伏断坡)上的逆冲活动和地震事件(邓起东等，2000)。

2 方法

本文从以下几个方面开展工作:1)利用高精度的航空遥感图像、1/5万地形图以及Google earth卫星遥感图像，对独山子市西侧及其以南的奎屯河沿岸进行地质地貌填图，详细划分了奎屯河两侧的河流阶地;2)在独山子背斜段的河流阶地堆积物中采集测年样品，然后在地震动力学国家重点实验室用光释光法测定年龄;3)通过地质样品的测年结果和第四纪气候变化对比，确定河流阶地的形成时代;4)收集整理独山子活动断裂带上的古地震研究成果，确定晚第四纪以来的古地震发生时代;5)对比古地震时代和阶地的形成时代，讨论二者之间的关系。

3 河流阶地分布和形成年代

3.1 活动背斜段的河流阶地

利用高精度的遥感影像，对奎屯河流经独山子背斜及南北两侧进行了地貌解释，发现奎屯河在独山子背斜北侧只发育1级阶地，且为堆积阶地，在独山子背斜南侧的向斜部位发育2级堆积阶地，而流经独山子背斜段的奎屯河发育7级阶地，均为基座阶地。其中只有T6阶地在独山子背斜区及其南北两侧均有分布(图3)。

图3 奎屯河流经活动背斜段阶地分布Fig.3 The distribution of Kuytun River terraces in Dushanzi active anticline area.

依据前人的研究，天山北麓发育3期冲洪积扇，相应的这3期冲洪积扇被下切之后形成天山北麓河流的3级主要阶地，而这3级阶地为晚第四纪气候变化形成的气候阶地。在天山北麓的奎屯河沿岸，其中的T7和T6阶地为两级气候阶地(张培震等1995，邓起东等2000)。T7阶地存在于独山子背斜区和以南地区，T6阶地在独山子背斜区及其南北均有分布，且阶地面宽阔。T1～T5阶地仅存在于独山子活动背斜分布区，它们的形成与背斜的构造隆起密切相关。

3.2 阶地堆积物的年代测定

在奎屯河T1～T7阶地分别采集了断代样品，并进行了光释光测年，样品全部采集于地下0.5～1.5m，成分为含黏土的粉砂和细砂或砂质黏土 (图3b)。对粉砂和细砂样品，采用直径8cm、长20cm的不锈钢管封装，两头用锡箔纸包装;对砂质黏土，则采集重约1.5kg的块状样品，用锡箔纸包装。各阶地堆积物采样位置的地质剖面如图4。上述两种包装的样品外层均用胶带密封，保持地层原始的含水量。样品测试由地震动力学国家重点实验室完成。光释光测年法适于测定第四纪沉积物的沉积年龄(孙洪艳等，2003)，其中细颗粒矿物简单多片再生法(SMAR)是河流阶地沉积物释光测年最为实用的方法之一(王昌盛等，2005;Lu et al.，2007)。因此，本批样品均采用简单多片再生法测定阶地堆积物的沉积年龄，测试结果见表1。

虽然细颗粒石英光释光测年的简单多片再生法是一种有效的测定沉积物堆积年龄的方法，但由于每件测年样品本身的不同也会导致同一级阶地堆积物测年结果存在较大的差异。其原因主要有:1)同一级阶地不同地点的堆积物堆积时代应在一个特定的时间段内，但阶地堆积物的形成也不是在短时间内完成的，而是要经历一定长时段，先期堆积物的沉积年龄本身就大于后期形成的堆积物;2)奎屯河阶地堆积物均为冲洪积物，细颗粒物质在沉积之前受到的光晒退程度不一致，部分样品释光信号没有“归零”，导致同一层位中的沉积物样品光释光测年结果不一致;3)测年样品颗粒的大小也是影响测年结果的原因之一，在相同的光晒退条件下，细颗粒石英样品中较粗颗粒石英样品的释光信号更容易“归零”。

另外，在奎屯河T1阶地粉细砂透镜体中发现一个长约10cm、直径3cm已经炭化的树干，地震动力学国家重点实验室测定结果为距今(1.705±0.07)ka，树轮校正区间为252～411AD。

3.3 奎屯河阶地形成的年代

影响河流阶地形成的主要因素是气候变化和构造活动。气候变化主要表现为冰期和间冰期的交替。在内陆地区由于冰期河流流量的减少导致河流下切能力减弱，使得河流的侵蚀以拓宽河谷为主;间冰期河流的流量增大使得其下切能力增强，河流以下切河谷为主，冰期形成的冲洪积扇被下切而形成阶地(Bull et al.，1990;Molnar et al.，1994)。在活动构造发育的地区，地壳相对稳定时河流以侧蚀为主，形成河漫滩和冲洪积层;地壳隆升阶段河流以深切为主，使河漫滩转化为阶地。天山北麓穿越活动褶皱带的河流因褶皱的间歇性隆升会引起间歇式的侧向侵蚀和下切，以及晚第四纪气候的变化引起的河流侧蚀和下切共同作用形成深切河谷和两岸的阶地地貌;而在活动褶皱带以北的准噶尔盆地南缘，河流仅发育因气候变化形成的区域性阶地(邓起东等，2000)。

图4 奎屯河阶地堆积物采样位置地层剖面Fig.4 Cross sections of terrace deposits of the Kuytun River and sampling locations.(采样点位置见图3b)

阶地堆积物的时代大致为晚第四纪的寒冷阶段，或活动褶皱带隆升相对缓慢的时代，这个时期河流拓宽河谷，冲洪积砂砾石、粉质黏土等堆积于河谷中，河流下切时代大致为晚第四纪温暖期以及褶皱相对隆升较快阶段。奎屯河自南向北横穿独山子活动背斜，在背斜以北的地区仅发育1级堆积阶地，独山子活动背斜段发育7级阶地，且为基座阶地 (图3，5)。野外工作中用手持GPS测定了阶地采样地点阶地面的海拔高度，用TRUPULSETM200激光测量仪测定了阶地砾石层的厚度。奎屯河西岸阶地横剖面如图5a所示。

图5 奎屯河阶地横剖面、阶地下切时代和古地震年代对比图Fig.5 Cross profiles，incision time and paleoeathquake age of the Kuytun River terraces.

新疆和藏北地区均属于大陆内部干旱地区，中更新世末期以来经历了多次气候的变化。断代样品采样的位置均位于河流堆积物的上部，它们的光释光测年结果应反映了冰期、冰阶、寒冷阶段河流拓宽河谷，或构造隆升相对缓慢阶段的末期。之后的气候转暖期间，河流流量增加，或背斜构造快速隆升阶段，河流切割冲洪积物和下伏的基岩而形成基座阶地。

我们在另文中对奎屯河阶地的下切时代进行了详细的讨论(杨晓平等，2011)，以下简要概述奎屯河各级阶地的形成时代。奎屯河T7阶地堆积物的测年样品采自砂砾石层之上的黄土夹砾石层中，测年结果为距今103～118ka;采样位置以上的黄土中未发现砾石和层理，因此，这个年代值应大致代表了奎屯河T7阶地沉积物的最后形成时代，之后的末次间冰期奎屯河下切形成T7阶地，下切的时代推测为距今100ka左右。奎屯河T6阶地砾石层厚约10m，砂砾石层顶部的细砂透镜体光释光测年结果为距今47～56ka，推测该阶地堆积物形成于距今58～75ka的末次间冰期早冰阶，在末次间冰期间冰阶被下切，距今约为50ka。T5阶地堆积物有3个测年结果，较年轻的2个年龄值为距今29.3～39.2ka，为末次间冰期间冰阶的堆积物，推测T5阶地的下切时代为距今约30ka的异常温暖阶段。奎屯河T3阶地砾石层厚3～5m，其上部粉细砂透镜体测年结果为距今20.7～27.3ka，应为距今23～30ka之间的低温期的冲洪积物，推测该级阶地下切的时代为距今约20ka的末次冰盛期温暖阶段。奎屯河T2阶地为典型的二元沉积结构，下部为砂砾石堆积，上部为粉质黏土;粉质黏土的光释光测年结果为距今14.98ka，为末次冰后期寒冷阶段的沉积，推测在距今14ka开始的末次冰后期温暖阶段被下切。T1阶地为二元沉积结构，下部细砂层中夹的黏土层14C年龄为距今8.4ka的全新世早期(邓起东等，2000)，上部细砂透镜体中炭化的植物残体14C年龄为距今1.7ka，应是全新世末气候干湿波动阶段的堆积，推测T1阶地被下切时代为全新世末干湿气候波动阶段。奎屯河T4阶地堆积物测年结果为距今100ka左右，可能是测年样品堆积之前没有充分退火的原因，依据奎屯河阶地序列关系，可以推测T4阶地下切的时代约为25ka。

4 古地震事件

毛凤英等(1995)利用逐次限定法对独山子-安集海断裂带15个探槽内揭露的古地震事件(邓起东等，1991)进行了综合分析，可以确定在20ka以来至少发生过6～7次古地震事件(图5b)。最早的一次事件(事件7)发生年代为距今 (18±2)ka，在2个探槽中发现了这次事件。事件6发生在距今 (12.8±1.5)ka，在2个探槽中发现了事件6。事件5发生在距今(7.5±0.55)ka，在4个探槽中发现了该次事件的遗迹。事件4发生年代为距今 (5.8±0.55)ka，在2个探槽中揭露出这次古地震事件。事件3的年代为距今 (4.3±0.12)ka，在2个探槽中发现了这次古地震事件的遗迹。事件2发生的年代为距今 (3.4±0.1)ka，也是在2个探槽中发现了这次事件。事件1发生在距今2ka左右。

距今20ka以来独山子-安集海断裂带的古地震活动在时间上是不均一，距今8ka以前只发生过2次古地震事件，重复间隔是4～5ka，距今3～8ka之间发生过4次古地震事件，重复间隔为1.5ka。即该断裂带上的古地震重复周期在平静期为4～5ka，活跃期为约1.5ka，最近一次古地震事件发生在距今2ka左右(毛凤英等，1995)。

Deng等(1996)对独山子-安集海断裂带揭露的古地震事件进行了再研究，认为该活动断裂带古地震的复发间隔为4ka左右。另据邓起东等(1991)的资料，在DTC-13探槽中还揭露出1次古地震事件，距今年代为24～27ka(图5b)。

邓起东等(1991)根据一次古地震事件垂直位移量，估算了独山子断裂带上的古地震震级应＞7级。

5 阶地形成与古地震事件的关系

对比奎屯河独山子活动背斜段阶地的形成时代，可以发现最近一次古地震事件(距今2ka)以来，奎屯河下切了7m，据T1阶地堆积物距离地表0.6m深处的14C年代样品测年结果为距今1.7ka左右，推测这次古地震事件造成独山子背斜的强烈隆起而导致河流下切。奎屯河T2阶地顶部河漫滩相堆积物底部的堆积时代为距今15ka年左右，被下切时代为距今14ka。独山子活动逆断裂带距今12.8ka左右发生过古地震事件，它可能造成独山子背斜瞬间的快速隆起，而导致奎屯河的快速下切。距今3～8ka之间，独山子-安集海断裂带还记录到4次古地震事件，但在独山子背斜段奎屯河没有发育河流阶地。推测这期间独山子逆断裂-背斜带发生了多次强烈地震，造成独山子背斜以平均2.7mm/a的速率快速隆起(杨晓平等，2011)，在奎屯河独山子背斜段形成现今的峡谷地貌。奎屯河T3阶地为距今23～30ka之间的冲洪积物，阶地下切的时代为距今约20ka，距今18ka左右独山子断裂带发生过1次(丛)古地震事件。T4阶地形成的年代为距今25ka左右，在距今24ka左右发生了1次(丛)古地震事件(图5b，c)。

奎屯河流经独山子活动背斜时还发育了T5、T6和T7阶地，其中T6和T7阶地是区域气候变化形成的阶地(张培震等，1995;邓起东等，2000)。但是同样可以看到，T6阶地在独山子背斜南、北地区为堆积阶地，出露的砾石层厚度分别达290m和80m左右，而在独山子活动背斜段，阶地砾石层厚度仅有2～20m。这种阶地砾石层厚度的巨大差异说明，T6阶地砾石层在活动背斜段地层沉积不连续，或活动背斜隆起过程中遭受了剥蚀;也可能是活动背斜段阶地砾石层沉积速率慢，背斜南北两侧砾石层沉积速率快。推测在背斜南北两翼T6阶地砾石层中发育的生长地层，记录了T6阶地砾石层堆积时段独山子背斜的隆起过程，这期间可能伴随多次古地震事件的发生。

T5阶地被下切的时代为距今30ka左右，阶地堆积物中最新的测年结果为(29.28±1.59)ka BP，二者之间的年龄差异小，或接近一致，大致可以推测为距今30ka左右，独山子逆断裂-背斜带发生强烈的古地震事件，导致了T5阶地堆积物的被下切。

6 结论和讨论

天山北麓的独山子活动背斜区发育7级基座阶地，它们的形成时代分别为距今100、50、30、25、20、14和1.7ka。独山子活动逆断裂带上的古地震事件发生在距今24、18、12.8、7.5、5.8、4.3、3.4和2.0ka。奎屯河T1、T2、T3和T4阶地的形成与分别距今2.0、12.8、18和24ka的古地震事件相对应。

GPS观测资料表明，2008年汶川8.0级地震的同震隆起为5.5～7.5m(王敏等，2009)，徐锡伟等(2008，2010)测得汶川8.0级地震最大垂直位移为6.2m左右，冉勇康等(2010)在北川附近测得汶川8.0级地震的最大垂直位移为(9±0.5)m，刘静等(2008)、李海兵等(2008)认为汶川8.0级地震的最大垂直位移是11m。总之，汶川地震至少造成映秀-北川逆冲断裂的上盘隆升了5.5m以上，甚至达到11m。这样的垂直隆升足以增加河流在近断裂附近的坡降，导致河流形成的快速下切。

独山子逆冲断裂的上盘为一个活动褶皱，晚第四纪以来平均隆升速率为1.1～1.9mm/a(邓起东等，2000)，但它的隆升速率是非均匀的(杨晓平等，2011)。我们虽然不清楚一次古地震事件造成的褶皱隆升量，也不知道地震之后河流的快速下切量。但通过古地震发生的时间和阶地形成的时间对比，可以认为古地震的同震隆起导致了河流的加速下切形成河流阶地，它们在时间上有很好的一致性。地震多发的时期，既是地壳活动强烈的时段，也是阶地形成过程中构造因素占主导地位的时期。

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PALEOEARTHQUAKE EVENTS AND FORMATION OF RIVER TERRACES IN ACTIVE ANTICLINE REGION，NORTHERN PIEDMONT OF TIANSHAN MOUNTAINS，CHINA

YANG Xiao-ping LI An HUANG Wei-liang ZHANG Ling

(National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

Using the aerial remote sensing photos and Google earth satellite images，we find seven terraces at the both sides along the Kuytun River in Dushanzi active anticline area，northern piedmont of Tianshan.Based on the field investigation，we find that all these terraces are pedestal terraces.The rock of pedestal is Pliocene mud rock，and on the top of each terrace pedestal are the stratums of sandy gravel or sandy clay with 2.5～15m in thickness.We collected samples from deposits of all terraces for OSL(optically stimulated luminescence)geological dating using the SMAR(single-multiple-aliquot-regeneration)method on fine grains.We also performed dating using the14C method to the samples from the deposit of terrace T1of the Kuytun River.The results show that the ages of all these deposits are the later phase of the Late Pleistocene.The accumulation time of the upper stratum for T1，T2，T3，T5，T6and T7terraces is about 1.7ka，14.98ka，20.7 ～ 27.3ka，29.3 ～ 39.2ka，47 ～ 56ka and 103 ～118ka，respectively.Combining with late Quaternary climate change，we believe that the formation age for T1～ T7terraces of Kuytun River are 1.7ka，14ka，20ka，25ka，30ka，50ka and 100ka BP.Paleoearthquake data reveal that eight paleoearthquake events occurred on the Dushanzi-Anjihai reverse fault since about 25ka BP，respectively at 2ka，3.4ka，4.3ka，5.8ka，7.5ka，12.8ka，18ka and 24ka BP.Comparing the ages of paleoearthquakes and terraces，we find that the ages of the latest，the sixth，the seventh and the eighth paleoearthquake are roughly corresponding to the formation times of T1，T2，T3and T4terraces，respectively.The other four paleoearthquake events occurred during the period after the formation of T2and before the formation of T1.In this time，no terraces developed along the Kuytun River，but the Kuytun River incised rapidly for 40m.We believe that the paleoearthquake events resulted in the fast uplift of Dushanzi active anticline on the hanging wall of Dushanzi-Anjihai Fault and the increase of riverbed slope and river incision ability，which led to the formation of river terraces or deep canyons.The terrace sequence in active anticline region may reflect the paleoearthquake sequence associated with fault or blind fault.

river terrace，paleoearthquake，coseismic uplift，active fault，Tianshan

P315.2

A

0253-4967(2011)04-0739-13

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.001

2011-10-28收稿，2011-11-19改回。

地震行业科研专项(200808013)和国家自然科学基金(40572126)共同资助。

杨晓平，男，1963年生，1995年在中国地震局地质研究所获得理学博士学位，研究员，主要从事新生代构造、活动构造和工程地震等方面的研究，电话:010-62009144，E-mail:yangxiaopingdzs@sina.com。