鄂尔多斯盆地延长组长10期沉积环境与沉积体系①

完颜容 李相博 刘化清 魏立花 廖建波 黄军平 黄思静

(1.成都理工大学沉积地质研究院 成都 610059;2.中国石油勘探开发研究院西北分院 兰州 730020)

鄂尔多斯盆地延长组长10期沉积环境与沉积体系①

完颜容1,2李相博2刘化清2魏立花2廖建波2黄军平2黄思静1

(1.成都理工大学沉积地质研究院 成都 610059;2.中国石油勘探开发研究院西北分院 兰州 730020)

三叠系延长组为鄂尔多斯盆地主要含油层位,其中长10油层组是盆地油气勘探新层系。依据大量野外露头、岩芯观察、粒度分析及古地貌恢复等资料,对盆地延长组下组合长10油层组沉积相特征、沉积环境与沉积体系进行了系统研究。研究结果表明:①长10油层组主要发育冲积扇相和河流相,其中河流相是盆地主要沉积相类型;②长10期,河流沉积体系主要受西部和北部物源体系控制,南部物源体系影响很弱;③长10期,鄂尔多斯地区发育曲流河和辫状河两种河流类型,其中辫状河沉积体系主要分布在盆地中西部地区,曲流河沉积体系主要分布在盆地东南部地区。④长10期,现今的鄂尔多斯地区为一“泄水区”,当时的“汇水区”可能位于豫西-东秦岭地区,其古地理环境可能与现今密西西比河地区类似。⑤长10河道砂体与上覆长9湖相油页岩匹配,在纵向上可以形成“上生下储”式成藏组合。

沉积体系 延长组 长10油层组 石油地质意义 鄂尔多斯盆地

0 引言

鄂尔多斯盆地是我国第二大含油气盆地。盆地基底为太古代、元古代变质岩结晶基底,其上有古生代、中生代、新生代盖层沉积,具明显的二元结构。其中上三叠统延长组是盆地的主要含油层位,前人按沉积旋回将延长组自下而上划分为10个油层组(从长10到长1)[1],其沉积特征总体反映了大型坳陷湖盆形成、发展和消亡的全过程[2]。

以往延长组勘探层系主要集中在长8以上,但近年来在盆地内部陕北地区长10发现了丰富油气显示,有的井(如高52井)甚至在长10获得了高产纯油流。这些勘探成果充分说明延长组下部长10油层组具有较大的勘探潜力,可能是该盆地未来储量接替新领域,但以前对延长组下组合尤其是长10油层组的地质研究不够重视,同时也由于钻遇长10层位的井相对较少,可利用的资料十分有限,编制的沉积相图基本上以延长组长9油层组以上物源研究结果为依据,由此推断得出了现今鄂尔多斯盆地中央地区长10期存在汇水区并发育湖相沉积的认识[2～5]。

显然,前人对10油层组沉积相(环境)的认识缺乏直接证据,影响了长10油层组勘探区带和目标的选择,重新开展该层段沉积相的研究十分必要。近年来,随着打穿长10钻井资料的不断补充,为这一问题的解决提供了可能。本文在前人研究工作的基础上,通过大量野外地质调查、钻井岩芯观察和室内分析测试,根据长10油层组岩石矿物特征、结构构造特征、沉积微相组合特征以及古地貌背景分析等多项指标,对鄂尔多斯盆地延长组早期长10层段沉积环境(相)提出了新的认识。

1 岩石类型与结构构造

岩石类型及其结构构造特征是水动力条件、搬运距离和沉积环境特征的综合反映。盆地内钻达长10的探井数较少,本次研究收集了44口钻遇长10取芯井的薄片资料,统计结果显示长10层段岩石类型主要为岩屑长石砂岩,长石砂岩及长石岩屑砂岩次之(图1)。长石含量一般13.8%～60%,平均38.5%;石英含量10.5%～41.5%,平均26.2%;岩屑含量4.8%～33.2%,平均16.4%,岩屑成分有板岩、千枚岩、石英岩、酸性喷出岩及变质砂岩等,并含有一定数量的黑云母,说明岩石成分成熟度较低。从长10砂岩粒度看,明显偏粗,为中一粗粒、含砾粗砂岩、细粒砂岩,磨圆度较差(以次棱角状为主),分选中等-较好,反映结构成熟度总体偏差。此外,长10砂岩填隙物中杂基(水云母)含量总体较低,平均仅有1.3%。

成分成熟度和结构成熟度低反映了砂岩沉积时水流急、堆积快等特点;填隙物中杂基含量低说明沉积时水动力条件强。

长10砂岩中沉积构造也非常发育。在中粗粒砂岩中常见大型槽状与板状交错层理、平行层理以及大量反映流水冲刷与搬运成因的泥砾及高等植物茎杆化石等;在粉细砂岩及泥岩(常含煤线)中常见沙纹层理及大量垂直虫孔等生物遗迹构造等。沉积构造特征总体反映了河流相沉积环境,与上述岩石类型及成熟度反映的沉积环境一致。

图1 长10砂岩三端元分类图Fig.1 Triangular diagram showing Chang 10 sandstone classification

2 沉积相类型及特征

在充分借鉴前人[2]研究成果的基础上,通过对鄂尔多斯盆地周缘20余条露头剖面及盆地内近30口钻井取芯井段岩芯的系统观测描述与测试分析,研究认为延长组长10段主要发育冲积扇和河流2类沉积大相、5个亚相及若干个微相(表1),其中河流相发育广泛,是盆地主要沉积相类型,可明显划分出曲流河和辫状河两种类型。冲积扇沉积仅在盆地西部边缘局部地区可见。

2.1 冲积扇

长10期的冲积扇沉积体系主要分布于盆地西缘北段的贺兰山区水磨沟-哈托乌沟,河西走廊肃南马良沟以及北部伊盟隆起等地区,盆地内部则少见。一般由两个以上的扇体侧向相连成裙,见有快速堆积-筛状沉积-泥石流沉积-漫流沉积-辫状河道沉积[6]。

2.2 河流相

2.2.1 辫状河亚相

长10层段的辫状河亚相主要由河道底部滞留沉积、心滩和泛滥平原微相组成。

河床沉积:一般发育于辫状河层序的底部,与下伏沉积呈冲刷接触(图2a,b;图3a)。其岩性主要为灰色、浅灰色砂质砾岩或含砾砂岩。沉积构造有块状层理或不明显平行层理、大型槽状或板状交错层理(图2a,b;图3a)。河床沉积的厚度从不足1 m到3 ～5 m不等,在垂向剖面上向上一般都逐渐过渡为心滩。在电测曲线上,自然电位或视电阻率呈高幅度的箱形或齿化箱形。

心滩沉积:主要为中粗砂岩及砂砾岩。砂岩成分成熟度低,不稳定矿物含量高,以岩屑长石砂岩和长石砂岩为主,颗粒分选中等-好,磨圆以次棱角状为主,填隙物含量一般不超过15%,孔隙式胶结为主。主要发育大型槽状交错层理、板状交错层理和块状层理(图2a,b;图3a,b)。在电测曲线上,呈高幅度的齿化箱形、漏斗形、钟形等。

泛滥平原沉积:主要为暗色泥岩或粉砂质泥岩,局部夹粉砂岩薄层。发育水平纹理,含大量植物碎屑。在电测曲线上,其自然电位或视电阻率曲线呈平直形夹脉冲形[7]。

表1 延长组长10油组主要沉积相类型Table1 M ajor types of sedimentary facies in Chang 10 oil-bearing interval of Yanchang Formation

图2 延长组部分钻井长10取心井段沉积相a。耿150,辫状河;b。高52,辫状河;c。宁36,曲流河Fig.2 Sedimentary facies of some Chang 10 core drillings in Yanchang Formation

图3 延长组长10油层组露头照片及沉积剖面a,神木窟野河,辫状河;b,宁夏石沟驿,辫状河;c,旬邑山水河,曲流河; d,旬邑山水河,曲流河沉积序列(据杨友运,内部资料,有修改),图中箭头指照片位置Fig.3 Outcropping photos and sedimentary section in Chang 10 oil-bearing interval of Yanchang Formation

上述3个微相构成的剖面组合中,以心滩微相最为发育,并与河床滞留沉积共同组成辫状河道的主体,上部泛滥平原沉积往往极薄或不发育,这是鉴别辫状河的主要标志。此外,辫状河亚相砂岩粒级明显较曲流河粗,并常见由河道心滩迁移形成的各种层理,尤其是大型槽状交错层理发育。

2.2.2 曲流河亚相

长10层段曲流河微相类型主要包括河道滞留沉积、边滩沉积、天然堤及河漫滩沉积。

河道滞留沉积:底部发育冲刷面,主要由粗砾岩、砾质砂岩组成,夹砂岩透镜体,厚度大,常发育块状层理、粒序层理,砾石成分主要为灰绿色、咖啡色泥岩等。

边滩沉积(也称点坝):主要由砂岩、粉细砂岩以及粉砂岩组成,厚度从几米到数十米,主要由中细粒长石砂岩和岩屑砂岩组成,往往下部粒度粗,向上河道发育末期逐渐变细,相应的沉积构造也随之形成大型交错层理-大型板状交错层理-水平纹理细砂岩-波状层理细砂岩-具波状或透镜状、水平纹理(图2c;图3c,d)。在测井曲线上,自然电位或自然伽马曲线值向上变大,视电阻率向上减少,为逐渐变化的过程,呈钟型或箱型。

河漫滩(泛滥盆地):是长10曲流河沉积体系中最主要的沉积相类型之一,研究区主要由席状分布的漫溢越岸沉积、或分布局限的决口扇、废弃河道、牛轭湖及河间洼地组成。沉积物较细,常见岩石类型包括粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩以及泥岩,且以泥岩为主,局部夹细砂岩透镜体及泥炭沼泽(图2c;图3c, d)。

天然堤岸沉积:主要由粉砂岩和泥岩互层组成,粒度明显比河道、边滩细,沉积构造有丘状和爬升层理、波状层理或透镜状层理,并发育植物根须,在主河道两侧保存较好,岩芯和露头剖面上均易于识别。

上述微相组合在剖面上往往形成“下粗上细”的退积型正旋回沉积层序,且中上部细粒或泥质成分占有相当大的比重,代表着一次由强到弱的流水堆积过程,这是区分辫状河与曲流河的重要标志。

3 沉积环境与沉积体系分析

3.1 沉积环境

在上述沉积微相研究的基础上,结合物源分析、粒度分析、地层结构分析、古地貌分析及前人研究成果,认为长10期鄂尔多斯地区总体属于“泄水区”, “汇水区”位于河南豫西及东秦岭地区,其证据除了如前所述的岩性岩相、结构构造特征外,还存在以下证据:

(1)矿物资料显示,长10期现今鄂尔多斯地区可能不存在汇水区。

在统计了全盆地60余口探井和十几处露头点的轻重矿物、岩屑及成岩矿物资料之后,发现长10期鄂尔多斯地区主要受西部和北部物源体系控制,受南部物源体系影响很弱,这可能意味着研究区不存在汇水区。

重矿物:盆地大部分地区矿物成分成熟度低(图4,左图),以含有较高绿帘石为特征,其含量分布在10%～23%之间,尤其盆地西北部高绿帘石不稳定重矿物组合带延伸较远,末端抵达华池以南地区,表明此时西部物源区沉积体系异常强盛。指示矿物成熟度较高的锆石-石榴子石组合分布范围非常有限,呈零星状态穿插分布在盆地北部、南部及盆地中央地区的不稳定矿物组合区中,这与长9期以及延长组中期稳定重矿物位于湖盆中央、不稳定重矿物位于四周的特征显然不同,说明该时期沉积物可能主要受单向水流影响。至于少量稳定重矿物组合呈零星状态与不稳定矿物穿插分布的现象,可能与河漫湖或局部积水洼地的回流作用有关。

图4 延长组长10油层组轻矿物(右)与重矿物(左)分布图Fig.4 The graph showing lightmineral(right)and heavymineral(left)in Chang 10 oil-bearing interval of Yanchang Formation

轻矿物:长10轻矿物组分可以明显划分出高石英、高岩屑与高长石、低岩屑两个组合区,前者主要位于盆地中西部地区,后者位于盆地东北部、西南部及东部洛川-宜川地区(图4,右图)。从图4可以看出,西北体系与东北体系的分界线大致位于吴旗-志丹连线附近,该线以南地区岩屑相对含量有所增高,说明受西北体系影响明显。

尤其值得一提的是,高岩屑分布带从盆地西北边部一直延伸到华池以南地区,并且覆盖了盆地西北部及中西部广大地区(图4,右图)。不稳定轻矿物成分延伸距离如此之远,分布范围如此之广同样与受单向水流影响作用有关。

成岩矿物:除碎屑物质外,一些成岩矿物如胶结物形成被认为与母岩有关,如白清华等[8]最新研究表明,延长组中浊沸石的形成与盆地北部阴山造山带凝灰岩和火山碎屑有关。

浊沸石是延长组中最常见的成岩矿物,其中长10砂岩中因普遍含浊沸石(常呈斑点状分布于砂岩中,俗称麻斑砂岩或愚人花岗岩)而成为地层对比的标志之一(图5)。但浊沸石分布在盆地中具有明显分区分带性,大致以镇原-合水-宜川-薛峰川一线以北从长10到长1均有分布,以南部只有长10有分布(参见图8)。为什么长10浊沸石砂岩分布如此普遍而长9层段以上只有北部物源才有呢?前人一直未对其分布规律做出合理解释。笔者研究认为,可能是由于长10期整个鄂尔多斯地区沉积物主要来自北部物源,而无南部物源供给所造成。长10期,源远流长的北部河流体系带来了丰富的火山碎屑物质,后期经过成岩变化而形成浊沸石砂岩。长9期以后盆地内部形成了汇水区,沿镇原-合水-宜川-薛峰川一线以南属于南部物源供给区,北部火山碎屑物质无法到达该区,因此,这一地区长9后普遍缺少浊沸石胶结。

长10浊沸石砂岩的普遍分布清楚地表明沉积物主要受单向水流和来自北部物源的影响,这与从轻重矿物研究得出的结论是完全一致的。

(2)粒度分析显示,长10期鄂尔多斯地区为河流相沉积环境,不存在汇水区。

图5 延长组长10油层组麻斑砂岩露头照片a,盆地西北,石沟驿,长10,麻斑砂岩;b,盆地东南,金锁关,长10,麻斑砂岩; c,盆地东北,窟野河,长10,麻斑砂岩;d,盆地东南,薛峰川,长10,麻斑砂岩Fig.5 The outcropping photos of granulitic sandstones in Chang 10 oil-bearing of interval Yanchang Formation

粒度统计是分析沉积环境的有效方法之一[3]。通过对全盆地峰2、高52及旺10等20口井75块样品的粒度分析表明,长10层段概率曲线主要有两种类型(图6)。Ⅰ型为单段式(如峰2井,高52井),跳跃组分占99%以上,对应具冲刷构造和大型交错层理中粗砂岩,水动力条件较强,为典型辫状河特征,主要分布在盆地的中西部地区;Ⅱ型为发育过渡带的双跳跃两段式(如旺10井),跳跃组分也占99%以上,其中过渡带含量可达20%～30%,对应具交错层理的细砂岩,水动力条件相对较弱,为典型曲流河特征,主要分布在盆地的东南部地区。

图6 延长组长10油层组部分取芯井段粒度统计图Fig.6 The grain-size statistical diagram of some core drillings in Chang 10 oil-bearing interval of Yanchang Formation

图7 鄂尔多斯盆地陕北斜坡北西-南东向地震“层拉平”演化剖面Fig.7 The Northwest-Southeast seismic evolution profiles on“floor leveling”in the Shanbei slope of Ordos Basin

显然,上述粒度分布特征表明长10层段属于河流相沉积环境,且从西北往东南水动力条件有减弱的趋势,表明盆地东南部接近河流下游地区。这与从沉积构造观察得出的结论是一致的。

(3)地层结构特征反映,长10期鄂尔多斯地区可能为河流相沉积环境,不存在汇水区。

根据120口钻井资料统计分析,长10砂地比平均约为55%,最高可达90%,砂岩单层厚度厚约6～ 22 m。而长9砂地比约为34%,砂体厚度一般小于10 m,长10砂地比和砂体单层厚度明显大于长9,因此,从地层结构上,长10总体是一套以砂为主的地层,反映了长10可能为河流相沉积环境,不同于长9期的三角洲-湖泊沉积环境。

(4)古地貌恢复结果显示研究区西高东低,汇水区应在现今鄂尔多斯盆地以东地区。

地震剖面“层拉平”可以快速简便恢复构造演化史及相应各期古地貌特征。本文对鄂尔多斯盆地陕北斜坡以及横跨天环坳陷的多条地震测线(如99217,98254,00145,011109,021173,01310及99201w等地震测线)进行逐层拉平(图7),结果都表明,天环坳陷及陕北斜坡主要形成于晚侏罗世[9,10],在晚三叠世,整个鄂尔多斯盆地表现为“西高东低”古地貌背景。显然这一古地貌特征为“河水东流”提供了条件。

(5)豫西-东秦岭地区存在湖相沉积。

那么,长10期湖盆的汇水区究竟在何处呢?这个问题或许可以从以下两点得到答案:一是在豫西济源地区,前人在相当于延长组早期的油坊庄组中发现了大量生物遗迹化石,其组构特征表明该地区当时为浅湖沉积环境[11];二是根据区域地质资料[12,13],笔者通过实地考察,在大致位于东秦岭商丹缝合线北部的南召、五里川、马市坪、卢氏瓦穴子、双槐树等地区广泛发育上三叠统深湖相沉积,厚度超过千米,断续绵延几百公里,直接覆盖在古老结晶基底之上,湖相沉积稳定,未见边缘相沉积。根据晚三叠世陕北斜坡存在“西高东低”的古地貌背景条件,完全有理由相信豫西-东秦岭地区可能是长10期湖盆汇水区的位置,现今的鄂尔多斯地区是位于其上游的“泄水区”,根据这一思路,粗绘了长10期岩相古地理概貌图(图8)。

图8 鄂尔多斯-华北南部地区长10期岩相古地理概貌图1-深湖,2-浅湖,3-滨湖,4-水下隆起,5-辫状河,6-曲流河,7-三角洲,8-水下扇,9-冲积扇, 10-山脉,11-火山口,12-湖湾,13-地名,14-露头剖面;方框代表现今鄂尔多斯盆地范围Fig.8 The lithofacies palaeogeography overview map of Chang 10 stage in the Ordos-Southern North China

有趣的是,该地区长10期的沉积环境可能与现今密西西比河盆地中下游地区类似。密西西比河地区除东南角与海洋沟通外,其余周缘都被分水岭包围而形成盆地,但盆地中央并不存在汇水区域(图9)。整个密西西比河地区流域面积达322万平方千米,共汇集了约250多条支流,其中以发源于西北部落基山脉的支流为多,东北部支流相对少,汇集形成的主河道最终流入到了东南部的墨西哥湾中。

图9 密西西比河地区河流分布图Fig.9 The distribution map of rivers in the Mississippi River area

3.2 沉积体系

在沉积特征及古沉积环境研究的基础上,以砂岩与地层厚度比等值线为依据,绘制了今鄂尔多斯地区长10期的沉积体系图(图10),主要特征如下:

(1)现今鄂尔多斯地区长10期以西部(西北)河流沉积体系为主,东北沉积体系影响较弱,无南部沉积体系。

沉积体系图显示(图10),在“西高东低”古地貌背景控制下,各分支河流体系逐步汇集成主河道,最终流向东南部的豫西-东秦岭地区汇水区。从整个流域面积看,来自西北部物源的沉积体系向盆内延伸远,影响范围大,基本控制了志丹-宜川一线以南广大地区的沉积,东北河流体系影响有限,仅限于志丹-宜川一线以北的地区。

图10 鄂尔多斯盆地延长组长10上部沉积体系图Fig.1 0 The depositional system in the upper of Chang 10 of Yanchang Formation,Ordos Basin

(2)中西部地区主要发育辫状河沉积体系,东南部以发育曲流河沉积体系为主。

根据地层结构、沉积构造和微相组合特点,大致可以将长10的河流类型划分为曲流河和辫状河两种类型,它们分布在不同地区。

就曲流河体系而言,其主河道砂地比值一般在50%左右,主要发育在东南部,其原因是长10油组沉积时,古地形西高东低,尤其是盆地东南部由于靠近下游豫西“汇水区”,地形平缓开阔,变化相对稳定,有利于形成曲流河沉积体系。就辫状河体系而言,其主河道砂地比值一般在50%～80%,主要发育在中西部地区,与曲流河相比,辫状河道发育的古地形较陡,河道不断巡回迁移游荡,横向构成宽敞的辫状河平原(图10)。

4 石油地质意义

沉积相对油气聚集成藏具有重要控制作用,有利的沉积相带是油气运移聚集的有利载体。现有资料表明,在长9期,由于湖盆沉积沉降中心向西迁移,从而在鄂尔多斯地区形成了广泛湖侵,并发育了面积较为广泛的李家畔油页岩[14,15],但由于同期三角洲多为破坏性的[2],面积小、物性差,给长9自身油气勘探带来了困难。长10期河流相砂体发育时间长,厚度大,面积广,物性好,与上覆长9油页岩匹配可以形成“上生下储”式成藏组合,因此,长10期沉积环境(相)研究及河道砂体的确定对延长组下部组合(长9 +长10)的油气勘探具有十分重要的现实意义。

需要说明的是,对长10油气勘探而言,由于河道砂体物性普遍较好,所以其油气藏类型并不是简单的岩性油气藏,勘探目标选择除了考虑岩性外,还应该考虑构造因素。

5 结束语

(1)长10期,鄂尔多斯地区主要发育冲积扇和河流2种沉积相,其中河流相是盆地主要沉积相类型。进一步可以识别出辫状河和曲流河2种河流沉积体系,前者主要分布在盆地中西部地区,后者主要分布在盆地东南部地区。

(2)长10期,现今的鄂尔多斯地区河流沉积主要受西部和北部物源体系控制,受南部物源体系影响很弱。从古沉积环境看,当时该区可能为一“泄水区”,而“汇水区”可能位于豫西-东秦岭地区。

(3)长10河道砂体与上覆长9湖相油页岩匹配,在纵向上可以形成“上生下储”式成藏组合。

致谢 西北大学李文厚教授、长庆油田勘探开发研究院凌升阶高级工程师在野外工作期间给予悉心指导,甘肃省地质矿产局左国朝教授帮助清绘了古地貌鸟瞰图,项目组房世平帮助清绘了其余图件,在此一并表示衷心感谢!

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Depositional Environment and Sedimentary System of Chang 10 Stage Yanchang Formation in the Ordos Basin

WANYAN Rong1,2LIXiang-bo2LIU Hua-qing2WEILi-hua2LIAO Jian-bo2HUANG Jun-ping2HUANG Si-jing1
(1.Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059; 2.Research Institute of Petroleum Exp loration&Development-Northwest,Petrochina,Lanzhou 730020)

Triassic Yanchang Formation was themain oil bearing formation in the Ordos Basin,and Chang 10 oil layer was new layer for oil and gas exploration in the basin.According to data of outcrop,core observation,grain size analysis,and palaeogeomorphologic reconstruction,etc。,the paper systematically investigated characteristics of sedimentary facies,depositional environment and sedimentary system in the lower Yanchang 10 interval.The result indicated that①Chang 10 oil layermainly developed alluvial fan and fluvial,and fluvialwas chief types of sedimentary facies;②During Chang 10 stage,fluvial sedimentary system was typically controlled by thewestern and northernmaterial source system,butwas affected weakly by the southernmaterial source system;③In Chang 10 period,Ordos region developed two types ofmeandering and braided rivers,and braided river sedimentary system mainly distributed in themiddle-western basin,meandering river sedimentary system was chiefly in the south of basin。④During Chang 10 stage,the Ordos area todaywas“discharge zone”,then“collection area”may be located in thewestern Henan province-the East Qinling,and its ancient geographical environmentmay be similar to the present Mississippi River;⑤Channel sands of Chang 10 werematched with lacustrine oil shales of Chang 9,which may form“the source rock on the reservoir”hydrocarbon accumulation assemblage in the longitudinal direction.

sedimentary system;Yanchang Formation;Chang 10 oil-bearing interval;petroleum geological significance;Ordos Basin

完颜容 女 1965年出生 博士研究生 高级工程师 层序地层与沉积学

E-mail:wanyan_r@petrochina.com

P512.2

A

1000-0550(2011)06-1105-10

①中国石油天然气股份有限公司项目《鄂尔多斯盆地有利预探区带综合评价及目标优选研究》(2008-2010年度)资助。

2010-12-02;收修改稿日期:2011-01-15