于春勇 崔军平 王起琮 任虎俊
摘要:基于巖石学及稀土元素等特征,开展马家沟组中下组合白云岩储层成因机制研究。结果表明,研究区主要发育泥微晶、粉细晶和细中晶3种类型的白云岩;不同类型白云岩的稀土元素总含量具有一定的差异性,整体含量较低,平均值为13.75×10-6,Y/Ho平均值为38.4,主要与沉积与埋藏作用有关;白云岩稀土元素的配分模式均与泥晶灰岩相似,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损,NdN/YbN的平均值为6.87,δCe值均表现为显著负异常;不同类型白云岩稀土元素Eu异常值具有一定的差异性,泥微晶白云岩δEu值表现为微弱正异常,平均值为1.02,粉细晶白云岩和细中晶白云岩表现为微弱负异常,平均值均为0.96,且多数样品Y和La呈显著正异常,表明泥微晶白云岩形成于相对开放、低氧化性、低温度的局限台地环境,粉细晶白云岩形成于相对封闭、低还原性、弱—中等水动力条件的潮缘浅滩环境,细中晶白云岩形成于相对封闭、低还原性、温度相对较高的潮坪浅滩环境,且主要受回流渗透白云石化作用机制控制。
关键词:稀土元素;白云岩;中下组合;马家沟组;奥陶系;鄂尔多斯盆地
中图分类号:P54;P58;P59
DOI:10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020-05-016
The REE characteristics and genesis of the middle and lower
combinations dolomite of Ordovician Majiagou inthe southern Ordos Basin
YU Chunyong1, CUI Junping2, WANG Qicong3, REN Hujun1
(1.Hydrogeology Bureau of CNACG, Handan 056006, China;
2.State Key Laboratory for Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069, China;
3.College of Oil and Gas Resources, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)
Abstract: Based on the characteristics of petrology and rare earth elements, the genetic mechanism of the middle and lower combined dolomite reservoirs in the Majiagou Formation was studied. The results show that there are mainly three types of dolomite, namely micritic dolomite, silty-fine dolomite, fine mesocrystalline dolomite in the study area. The total content of rare earth elements in different types of dolomites is somewhat different, and the overall content is relatively low. The average value is 13.75×10-6 and the average value of Y/Ho is 38.4, which is mainly related to sedimentation and burial, the REE pattern of dolomite is similar to that of limestone, the light rare earth elements are relatively enriched, the heavy rare earth elements are relatively depleted, the average of NdN/YbN is 6.87, and the δCe values are all significant negative anomalies, the δEu values of different types of dolomite have some differences. The δEu values of micritic dolomite is negative anomalies, with average values of 1.02, respectively. The silty-fine dolomite and fine mesocrystalline dolomite exhibits a weak negative anomaly with an average of 0.96, and most of the samples Y and La presented significant positive anomalies. It indicates that the micritic dolomite is formed in a relatively open, low-oxidation, low-temperature limited mesa environment, and the silty-fine dolomite is formed in a relatively closed, low-reduction, weak-medium hydrodynamic condition in the tidal shoal environment, fine medium crystal Dolomite is formed in the relatively closed, low-reducing, relatively high temperature tidal flat shoal environment, which is mainly controlled by the mechanism of reflux infiltration and dolomitization.
Key words: rare earth element; dolomite; middle and lower combinations; Majiagou Formation; Ordovician; Ordos Basin
自鄂尔多斯盆地南部奥陶系马家沟组中下组合优质白云岩储层发现以来,多口井获得高产工业气流,展现出巨大的天然气勘探潜力,其天然气勘探开发工作逐渐进入一个新的阶段。然而,研究区复杂多样的白云岩成因机制致使对有效白云岩储层的预测十分困难,极大地阻碍了继续寻找、扩大天然气资源量的进程。近年来,众多学者对鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组白云岩储层的特征及成因做了大量的研究工作,认为马家沟组白云岩储层的形成是表生成岩期和埋藏成岩期共同作用下,孔、洞、缝系统叠加的结果,且典型的蒸发泵、回流渗透、埋藏、混合水及热液白云岩化等成因模式近乎都被提及[1-8],但以哪种模式为主,目前尚未达成共识。
白云石化流体性质是判断不同白云岩成因模式的主要依据之一,故可作为研究白云岩成因的重要手段。前人研究通常采用同位素示踪技术(C,O,Sr同位素)来探讨白云岩化流体来源,虽取得了一定程度的进展,但仍然存在一定的多解性[9]。自然界中稀土元素(REE)的地球化学性质一般较稳定,不同来源流体的沉积物,其稀土元素的配分模式往往不同,且流体中沉淀出来的矿物对母液的特性具有较好的继承性,故可作为白云岩化流体性质研究的一种重要的地球化学示踪指标[10]。近年来,国内少数学者已初步尝试应用稀土元素特征来解释四川、塔里木及羌塘等盆地中白云岩化流体的性质及成因,并取得良好的效果[11-15],但研究水平整体处于起步阶段,仍需进一步深入探讨稀土元素对白云岩化流体的指示意义。
鉴于上述原因,本研究以鄂尔多斯盆地南部奥陶系马家沟组中下组合白云岩为例,充分结合岩石学特征,通过稀土元素分析化验资料,阐明南部马家沟组中下组合白云岩的形成机制,以期为研究区的天然气勘探工作提供理论依据。
1 区域地质概况
鄂尔多斯盆地地处华北克拉通西部,是在太古界及下元古界变质岩的基础上形成的一个稳定的多旋回克拉通型盆地,分布面积广,整体呈矩形展布,是中国非常重要的大型含油气盆地之一[16]。鄂尔多斯盆地南部奥陶系马家沟组中下组合碳酸盐岩沉积地层内,断层及褶皱不发育,整体由东北向西南方向倾伏,区域构造相对平缓[6,17]。研究区位于鄂尔多斯盆地南部,包括吴起—志丹及部分靖边、定边、甘泉、富县、黄陵、宜川等地区(见图1)。马家沟组沉积时期,鄂尔多斯盆南部主要发育浅海碳酸盐岩台地相及潮坪相沉积,共经历了3次海进和海退旋回,沉积地层自下而上可划分为马一~马六段, 其中马五段自上而下又可进一步划分为上组合马五1~马五4, 中组合马五5~马五10,共计10个亚段。中组合马五5~马五10沉积时期,鄂尔多斯盆地南部主要发育浅水碳酸盐岩台地相沉积,古气候周期性转变为干热,海平面动荡升降,高频海退、海进旋回发育,期间水下古隆起广泛发育,台地坡度倾缓[18-20]。高频海进、海退旋回的发育,致使中下组合马五5~马四段形成了一套以潮下—潮间沉积环境为主,岩性以泥微晶灰岩、灰色泥微晶白云岩、深灰色藻砂屑灰岩、藻叠层石白云岩及含膏泥晶白云岩为主,且纵向上岩性变化频繁的沉积体系。其中,灰岩经后期白云石化作用,可形成有效的白云岩储层,为天然气的富集奠定了良好的基础(见图1)。
2 样品制备及实验方法
本研究样品均来自鄂尔多斯盆地南部的钻井岩心(钻井分布见图1),泥微晶、粉细晶、细中晶等白云岩共计11块。为进行对比,同时还选取同层段的4块灰岩样品进行岩石学和地球化学分析。制备测试样品前,首先对所选取样品进行详细的岩心观察及镜下显微结构鉴定,其次,考虑到样品的微量元素含量测试结果可能受非碳酸盐岩含量(黏土矿物、陆源碎屑物、铁锰氧化物),尤其是非碳酸盐岩含量高于5%时的干扰[21-22],样品选取时遵循挑选不含或含极少非碳酸盐岩矿物的原则。在遵循上述原则的前提下,采用微型牙钻方法,在与薄片对应的新鲜岩石切面上钻取50 mg样品。
样品在玛瑙研钵中研磨后过300 μm筛,装入纸质信封袋内备用。微量元素(包括稀土元素)的测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。稀土元素测定时,将样品和酸加入Teflon高压溶样弹中溶解后制成溶液,然后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Agilent 7500A)进行测定,测量结果相对标准偏差(RSD)小于5%,精度能够满足研究的要求。样品的制备及具体实验过程与刘晔等的微量元素分析方法相同[23]。
3 实验结果
3.1 岩石学特征
岩石显微观察发现,鄂尔多斯盆地南部奥陶系马家沟组中下组合主要发育白云岩、灰岩及其过渡岩石类型(如灰质云岩、云质灰岩)。根据岩石结构及成因分类,又可将研究区的白云岩划分为泥微晶白云岩、粉细晶白云岩、细中晶白云岩3种类型。
泥微晶白云岩主要发育于马五5, 马五7及马四段,以泥晶或微晶结构为主,含少量砂屑。显微镜下,砂屑颗粒与基质界限不甚清晰,颗粒一般小于50 μm,晶粒结构与晶体形态较难识别,孔隙不发育,可见大量显微纹层(见图2A),基质中富含丝絮状、絮凝状隐藻斑点,可见水平层理、盐类假晶等原始沉积构造(见图2B),应为弱水动力局限台地潮坪环境下的准同生作用阶段的产物。
粉晶白云岩主要发育于马五5亚段上部, 马五6,马五9亚段也可见呈薄层展布的粉晶白云岩。按颗粒结构,其又可划分为残余砂屑颗粒结构及鲕粒结构两大类。镜下观察发现,残余砂屑结构粉晶白云岩的颗粒大小不均一,彼此之间混杂排列,粒径介于50~130 μm;鲕粒结构白云岩的粒径较小,介于10~30 μm(見图2C,D)。粉晶残余砂屑白云岩的晶形多为他形,部分为半自形,发育大量不规溶蚀孔隙,后期多被方解石充填(见图2C);鲕粒白云岩较好地保留了颗粒的原始结构,粒间亮晶白云石栉壳状胶结,白云石重结晶作用明显,可见微细的交错层理(见图2D),应为弱—中等水动力条件下潮缘浅滩环境下的准同生作用阶段的产物。
细中晶白云岩主要发育于马五5,马五10段,晶粒相对较粗,以细晶结构为主,大小介于150~350 μm,岩性整体较致密;白云石晶形以他形、半自形为主(见图2E,F),晶粒间多呈凹凸或镶嵌接触,颗粒轮廓清晰;可见平行、交错等纹层构造,且白云石颗粒多顺纹层发育,常见“雾心亮边”结构(见图2E);孔隙以晶间孔、晶间溶孔为主,少量溶蚀孔隙被异形白云石充填(见图2F),应为潮坪浅滩相沉积环境下的回流渗透白云石化作用的产物。
3.2 稀土元素测试结果
稀土和钇元素测试结果见表1。测试结果采用球粒陨石进行标准化[24],标准化后的数据用下标CN进行标注。其中,相关参数异常值计算公式为:δCe=Ce/Ce*=CeN/(0.5LaN+0.5PrN),δPr=Pr/Pr*=PrN/(0.5CeN+0.5NdN), δY=Y/Y*=YN/(0.5DyN+0.5HoN),δEu=Eu/Eu*=EuN/(0.5SmN+0.5GdN)。在研究区的采集样品中,ΣREE+Y含量整体相对偏低,仅1个泥晶白云岩样品相对偏高,其中又以粉细晶白云岩总含量最低。根据(Nd/Yb)N比值判断轻重稀土元素相对富集系数的方法[25],发现研究区白云岩样品的(Nd/Yb)N比值均大于1,平均值为6.87,灰岩样品整体(Nd/Yb)N比值亦均大于1,平均值为5.01,这表明轻稀土元素(LREE)较重稀土元素(HREE)富集,且二者分异程度较大。灰岩样品的Ce异常值分布范围为0.96~1.07,平均值为1.02,白云岩样品的Ce异常值则略微偏负,分布范围为0.89~1.10,平均值为0.98;灰岩和白云岩样品的Y异常值分布范围分别为1.13~1.36,1.09~1.84,平均值分别为1.21,1.35;Eu异常值分布范围分别为0.46~0.68,0.44~0.77,平均值分别为0.56,0.60。
4 讨 论
4.1 样品受污染程度
海相碳酸盐岩沉积物与陆源碎屑岩沉积物中,稀土元素的分布特征存在显著差异,沉积时期海水、后期的外来流体、杂质的注入、成岩作用等因素均可影响海相碳酸盐岩沉积物中稀土元素的分布特征[26]。因此,确定样品是否遭受后期杂质的混染是利用稀土元素分析碳酸盐岩沉积环境和成岩作用的必要前提。近年来,国内外学者一致认为,海相碳酸盐岩的稀土元素分布特征主要受陆源碎屑物、铁锰氧化物两大因素控制[25-26]。
Webb研究发现,陆源沉积物与海相碳酸盐岩沉积物中,Y/Ho值的分布范围差别较大,海相沉积物或海水中的Y/Ho值相对较高,分布范围分别为26~28,44~72[22],因此可通过Y/Ho值来判别海相碳酸盐岩样品是否遭受陆源碎屑物的混染。若样品遭受陆源碎屑物的混染作用,Y/Ho值则应表现为显著偏低的特征。研究区除Y1112-3,Y1165-6白云岩样品的Y/Ho比值高于44,其余样品均低于44,接近现代海水的Y/Ho比值,表明样品可能遭受陆源碎屑物的混染(见表1)。然而,已有研究发现,沉积后期成岩作用可形成Y/Ho比值低于现代海水(44~72)或Coral Sea全新世微生物碳酸盐岩(50~61)的现象[27],且本测试样品选取前已经过详细的岩心观察及镜下显微结构鉴定,加之后期采用微型牙钻方法,因此可基本排除陆源碎屑物的干扰。刘建清等研究认为,ΣREE+Y含量通常会随着陆源碎屑沉积物混染程度的加大而增加[9],由表1可知,研究区样品ΣREE+Y含量平均值(13.84×10-6)远低于陆源碎屑物ΣREE+Y含量平均值(100×10-6),这同样表明,测试样品遭受陆源碎屑物混染程度可近似为0。另外,根据ΣREE与Fe,Mn含量关系(见图3),发现ΣREE与Fe,Mn含量之间均不存在显著相关性,亦可反映样品未遭受铁锰氧化物的混染,最终确保了测试结果的可靠性。
4.2 白云岩稀土元素特征
4.2.1 稀土元素总含量
碳酸盐岩的类型不同,其REE总含量分布特征亦不同。由表1可知,研究区奥陶系马家沟组中下组合除1块泥晶白云岩外(49.06×10-6),各类碳酸盐岩中,稀土元素的总含量均表现为偏低的特征(<20×10-6),且灰岩中稀土元素总含量整体相对白云岩高,这主要与白云岩化过程中,稀土元素发生迁移作用有关。胡忠贵等发现,碱性环境条件下,稀土元素的迁移能力与白云石化流体的Mg/Ca比值呈正相关:白云岩化程度越高,稀土元素贫化幅度越大[28]。
单从理论上推断,研究区泥微晶白云岩中较高的稀土元含量可能与后期外来流体的混入作用或强烈的成岩作用有关。然而,镜下显微观察发现,该样品岩石结构致密且发育大量的藻纹层,基本排除了外来流体侵入或强烈成岩作用导致稀土元素含量增加的可能性。另外,研究区泥微晶白云岩中,稀土元素平均含量(28.64×10-6)与沉积藻类中的稀土元素平均含量(24.3×10-6)颇为相似,因此推断,泥微晶白云岩较高的稀土元素含量可能主要与藻类有关[29]。实际地质过程中,藻类富集的Mg2+往往不足以供给白云石化作用的需求,其相似甚至略高于灰岩的稀土元素特征,表明研究区白云石化流体应主要为海源性流体。粉细晶白云岩和细中晶白云岩较灰岩中的稀土元素含量均相对较低,且白云石化程度较高的细中晶白云岩,稀土元素含量高出粉细晶白云岩近两倍,平均值分别为12.87×10-6,5.35×10-6(见表1)。白云石化程度较高的细中晶白云岩的稀土元素含量高出粉细晶白云岩近两倍的现象,与上述白云石化程度越高,稀土元素越贫乏的结论相悖,这主要与中奧陶世马家沟组中下组合沉积地层一直处于高频海进、海退的动荡环境有关:当处于高频海进旋回时期,相对较充足的水动力促使粉细晶中的泥质不断被淘洗,从而大幅度降低了稀土元素的总含量,而细中晶白云岩相对较高的稀土元素含量则可能主要与低水岩比的浅埋藏环境有关。
4.2.2 稀土元素配分模式
沉积于不同地质背景或流体来源不同的碳酸盐岩,其稀土元素配分模式亦不同[30]。因此,可通过稀土元素配分模式来判别不同类型碳酸盐岩的沉积环境及成岩流体来源。已有研究发现,泥晶灰岩与同沉积时期海水中的稀土元素的组成特征基本一致,能够一定程度反映碳酸盐岩沉积时期的海水稀土元素的信息,故可作为探讨白云石化流体来源的参照依据[24]。
白云岩前驱物灰岩与白云岩稀土元素组成特征相似时,后期白云岩稀土元素特征往往不会发生较大变化[25],仅当白云岩形成期或后期遭受富含大量阳离子的外来源流体混入时,其稀土元素特征才会发生显著变化,但这通常需要較高的水岩比或高浓度的稀土元素流体。研究区白云岩与灰岩稀土元素的配分模式十分相似,均表现为右倾型(见图4),这不仅表明白云岩中稀土元素具有同沉积时期海水的特征(即白云石化流体主要为海源性流体),同时也说明,白云石化流体水岩比值相对较低且该成岩系统具有一定的封闭性。另外,在白云岩与灰岩稀土元素配分模式整体相似的前提下,泥微晶和粉细晶白云岩的各类稀土元素含量,在球粒陨石标准化后分布范围基本一致,表明二者应形成于相似的沉积和成岩环境。
4.2.3 轻稀土与重稀土元素特征
稀土元素中的(Nd/Yb)N比值可用来判别轻稀土元素与重稀土元素的相对富集程度,比值越大,轻稀土元素越富集。由表1可知,研究区粉细晶白云岩的轻重稀土元素分异程度较泥微晶、细中晶白云岩均显著偏高,(Nd/Yb)N平均值分别为8.92,5.33,4.98。不同类型碳酸盐岩的轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损,与典型海水轻稀土元素相对亏损、重稀土元素相对富集的特征恰恰相反,这主要是由于碳酸盐岩在沉积或成岩过程中,稀土元素通常以溶解态碳酸盐离子络合物形式存在,且络合作用从LREE向HREE呈规律性增加,从而致使流体中的HREE相对更稳定,形成沉积物中相对富集LREE,流体中相对富集HREE的现象[30-31]。Y元素含量通常又与白云石化程度呈负相关关系[25]。研究区不同类型白云岩的Y元素含量由高到低分别为泥微晶白云岩(平均值3.99×10-6)、细中晶白云岩(平均值2.62×10-6)、粉细晶白云岩(平均值0.62×10-6)(见表1),与白云石有序度测试(细中晶白云岩有序度最高,平均值为0.87)的结论显然相悖。产生此现象的主要原因同样与细中晶白云岩形成的水动力环境相关:细中晶白云岩形成于浅埋藏环境,水岩比较低,水动力相对较弱,泥质淘洗能力差,从而形成Y元素含量相对粉细晶白云较高的特征。另外,由(ΣLREE)与(ΣHREE+Y),(ΣHREE+Y)与(ΣLREE)/(ΣREE+Y)的相关性可知(见图5,6),泥晶灰岩、泥微晶白云岩和粉细晶白云岩的轻重稀土元素含量变化具有一定协同性,表明三者形成于相似的沉积和成岩环境的同时,又具有一定的继承性,而细中晶白云岩轻重稀土元素分异程度较低的现象则同上文论述的,其形成于浅埋藏环境因素相关。
4.2.4 δEu,δCe特征 白云岩中的Eu异常值主要受白云石化流体母液及后期成岩作用等因素的影响。已有研究表明,正常海相沉积物的稀土元素经球粒陨石标准化后,Eu往往不会出现正异常,若后期经过热液改造或者直接从热液中沉积的白云岩稀土元素Eu值通常表现为正异常[32]。研究区不同类型碳酸盐岩中的稀土元素经球粒陨石标准化后,δEu值范围介于0.44~0.77,平均值为0.59,表现为显著负异常(见表1),这表明研究区碳酸盐岩的形成,整体受热液流体的影响较小,白云石化流体应主要为海源性流体。然而,研究区不同类型白云岩的δEu值又存在显著的差异性,泥微晶白云岩和粉细晶白云岩δEu值分布范围相似,分别为0.48~0.60,0.44~0.71,平均值分别为0.54,0.58,与泥晶灰岩平均值0.56均十分接近;细中晶白云岩δEu值则相对偏高,分布范围为0.60~0.77,平均值为0.69,表明泥微晶白云岩和粉细晶白云岩应形成于温度相似且较低的准同生作用阶段,细中晶白云岩则应形成于温度相对较高的浅埋藏作用阶段。
Ce由于其本身对氧化还原条件的敏感性,沉积演化过程中常与正常海水中的其他的三价稀土元素发生分馏作用[33]。氧化条件下,易溶解的Ce3+将转变为热力学稳定、迁移能力较弱的的Ce4+,从而优先附着于沉积物的颗粒表面而沉淀下来,致使沉积物中Ce呈现正异常,成岩流体则显示负异常。因此,Ce的异常程度能够用来反映沉积水体的氧化还原程度[34]。由表1可知,研究区不同类型白云岩样品的δCe值存在着显著的差异,泥微晶白云岩的δCe值分布范围为0.97~1.10,平均值为1.02,呈微弱正异常,表明泥微晶白云岩应形成于低氧化且相对开放的环境中,这与上文论述的泥微晶白云岩形成于局限台地潮坪环境相吻合;粉晶白云岩和细中晶白云岩的δCe值分布范围为0.89~1.07,0.93~0.98,平均值均为0.96,呈微弱正异常,反映二者均应形成于相对封闭的低还原环境条件,这似乎与粉细晶白云岩形成于准同生阶段相互矛盾,其实不然。粉细晶白云岩形成时期,水动力弱—中等,水体相对较深,从而形成了低还原且相对封闭的沉环境。根据δCe与δPr海相沉积物判别图版可知(见图7),虽然研究区的白云岩δCe值相比斐济盆地Coral Sea现代海水(平均值0.487)高[35],但与古代正常海水稀土元素的典型代表Heorn reef全新世微生物碳酸盐岩的δCe值却相近(平均值为0.752)[22],某种程度上亦可反映研究区白云石化流体具有海源性特征。
除上述特征外,研究区不同类型白云岩的δY值均大于1,介于1.09~1.83,平均值为1.35,表现为显著正异常,且对应的Y/Ho值也均相对较高,显著Y正异常和La正异常均代表典型海水稀土元素特征,同样为研究区白云岩化流体主要为海源性流体提供了佐证。
5 结 论
1)鄂尔多斯盆地南部马家沟组中下组合主要发育泥微晶、粉晶、细中晶3种白云岩类型。泥微晶白云岩的显微藻纹层结构发育,孔隙相对不发育;粉晶白云岩包括残余砂屑白云岩和鲕粒白云岩两大类,颗粒较粗,溶蚀孔隙发育;细中晶白云岩岩石较致密,常见“雾心亮边”结构,晶间孔及晶间溶孔发育。
2)研究区3种白云岩的稀土元素总含量总体均较低,泥微晶白云岩稀土元素含量最高,主要与富含藻类有关;白云石化程度较低的粉晶白云岩稀土元素含量相对较低,主要与沉积时期较充足的水动力有关;白云石化程度较高的细中晶白云岩稀土元素含量相对较高则主要与其形成于低水岩比的浅埋藏阶段有关。
3)研究区不同类型的白云岩与灰岩具有相似的稀土元素配分模式,整体轻稀土元素相对富集,重稀土相对亏损,轻重稀土元素分异程度较高;3种类型白云岩的Y/Ho值均较高,全部样品的Y和多数样品的La呈显著正异常,不同类型白云岩δEu值均表现为显著负异常;泥微晶白云岩δCe值表现为微弱正异常,粉晶白云岩和细中晶白云岩δCe值表现为微弱负异常,这表明其白云石化的流体主要为海源性流体:泥微晶白云岩应为相对开放、低氧化性、低温度的局限台地环境下的产物,粉细晶白云岩应为相对封闭、低还原性、弱—中等水动力条件的潮缘浅滩环境下的产物,细中晶白云岩应为相对封闭、低还原性、温度相对较高的潮坪浅滩环境下的产物。
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(編 辑 雷雁林)