廣西憑祥盆地深水底流沉積類型及其研究意義

宋　博　閆全人　向忠金　李向東　高景民　王彥聞　李現冰

(1.中國地質調查局西安地質調查中心　西安　710054；2.中國地質科學院地質研究所　北京　100037；

3.中國科學院大學　北京　100049；4.昆明理工大學國土資源工程學院　昆明　650093；

5.陜西省核工業地質調查院　西安　710100)

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廣西憑祥盆地深水底流沉積類型及其研究意義

宋博1,2閆全人3向忠金2李向東4高景民5王彥聞1李現冰5

(1.中國地質調查局西安地質調查中心西安710054；2.中國地質科學院地質研究所北京100037；

3.中國科學院大學北京100049；4.昆明理工大學國土資源工程學院昆明650093；

5.陜西省核工業地質調查院西安710100)

摘要內波、內潮汐沉積和復合流沉積是二十余年來在古代深水環境中新發現的一種具牽引流性質的沉積相類型，由于地層沉積記錄十分有限，制約了深水底流沉積的沉積學研究。大比例尺實測地質剖面和精細露頭測量表明，底流沉積發育于憑祥盆地深水沉積之中，通過對其沉積構造精細剖析和古水流測量，識別出內波、內潮汐沉積和復合流沉積，其中內波、內潮汐沉積以雙向交錯層理、單向交錯層理、透鏡狀層理為特征，復合流沉積以復合流層理、丘狀交錯層理和較陡的爬升波紋層理為特征，進一步表明存在濁流和底流的交互作用，為古代地層中的深水底流沉積提供了又一研究實例。

關鍵詞內波、內潮汐復合流深水底流憑祥盆地

自從Hollisteretal.(1972)關于等深流的開創性工作以來，以等深流為代表的深水牽引流理論已有40余年的研究歷史，深水牽引流理論發展后期出現了底流(bottom currents)理論[1-2]。一般說來，底流是指作用在深水的，且為大洋和其邊緣海中的溫鹽或風所驅動而循環的那些海流，它們并不嚴格遵循等深線，但等深流依然作為底流的同義詞被廣泛使用[3]，其包括等深流、潮汐底流(內波、內潮汐)、溫鹽循環底流和風驅底流[4]。目前，海洋物理學的相關新近研究成果并未及時應用在深水底流沉積的研究中，而地層記錄中底流沉積研究則更為滯后，因此，精細識別深水牽引流沉積對恢復沉積環境和盆地充填與演化過程具有重要意義[2,5-9]。

新近海洋學調查表明，深水環境內波和內潮汐可產生雙向流動的水流(20～50 cm/s)[10]，深水潛水裝置還觀察到，這種流動能搬運沉積物的粒度可達細砂級，并能在數千米深處形成大量波痕[11]。需要指出的是，重力流和底流是深水環境下的兩大基本流動機制，對二者交互作用的研究是當前沉積學研究的前緣和薄弱環節[4,7,12-13]。目前有關重力流和底流交互作用的研究主要集中在巖芯、露頭和地震識別方面，地震識別可在地震剖面上識別出規模巨大的等深流漂積體[14-16]，巖芯和露頭則可以較精細化地識別出“底流改造”所特有的沉積構造[17]。我國學者在古代地層中底流沉積研究領域進行了積極的探索和研究，相關工作主要集中在露頭和巖芯尺度的內波、內潮汐沉積[8,18-26]、等深流沉積[27]、大型沉積物波[28-29]和復合流沉積[30]等方面，地震識別方法則主要應用在南海的新生代沉積[13,29-32]。相比同屬深水異地沉積的濁流理論而言，其已將現代沉積、地層沉積記錄和室內水槽實驗相結合，而關于重力流和底流交互作用(后文簡稱為交互作用)的研究僅限于理論綜述以及少量的野外探索階段[13,29-32]。目前亟需將地層記錄研究與室內水槽實驗反演結合起來，解決底流沉積的沉積動力學成因[33]。此外，由于缺少系統地控制因素、形成條件和構造背景研究，特別是古海洋和古氣候等影響因素，也制約了深水底流(以內波、內潮汐為代表)沉積的研究[33]。也有學者將與內波、內潮汐相關的沉積稱為斜壓巖(baroclinites)[34]，并針對深水內波、內潮汐沉積的成因以及沉積構造特征等方面提出了質疑[35]。但是盡管目前缺少大洋鉆探方面的現代沉積記錄[36]，利用“將古論今”的方法論，并針對客觀地質事實(特征沉積構造分析)進行研究，也是值得肯定的[37]。

廣西憑祥盆地發育一套以濁積巖為代表的海相深水沉積，地層賦存有菊石和雙殼類化石，時代為中三疊世[38]，高振中等[39]對其東南側十萬大山盆地的早三疊世碳酸鹽巖重力流沉積進行了詳細分析，并識別出了其中的等深流沉積(文中稱為“等高流”)，而針對憑祥盆地深水底流沉積的研究較少，筆者通過1/1 000大比例尺剖面測制及精細露頭柱狀圖分析識別出了以內波、內潮汐沉積為代表的底流沉積[40]，此文擬對該套底流沉積及其交互作用進行詳細的沉積動力學分析。

1區域地質背景

憑祥盆地位于廣西南部中越邊境地區，部分位于越南境內[40]。區域大地構造上位于滇—瓊縫合帶東段[40](圖1A)，盆地東側以憑祥—東門區域性大斷裂與十萬大山盆地相鄰(圖1B)，周緣展布著早三疊世島弧火山巖[41]。盆地充填物主要為中三疊統板納組(T2b)和蘭木組(T2l)，主體為一套海相復理石沉積地層，周緣弧型斷裂構造明顯控制盆地現今形態，前人研究認為這些斷裂可能與印支—燕山期強烈逆沖推覆作用有關[42-43]，盆地南側變形明顯強于北側，因而盆地原型已被破壞并肢解于造山帶之中。

圖1　華南地塊南緣區域大地構造簡圖(A)和廣西憑祥中三疊世盆地地質構造圖(B)(A據文獻簡化[44]；B據文獻簡化[38])Fig.1　Sketch map showing geology in the southern margin of the South China block and its relationship with surrounding regions (A. simplified after references[44]) and geological sketch map of the Pingxiang Middle Triassic basin, southern Guangxi (B. simplified after references[38])

圖2　橫跨憑祥盆地的憑祥―安鎮實測剖面圖(據文獻[40]修改)Fig.2　The Pingxiang-Anzhen geological section across the Pingxiang Basin (modified from reference [40])

圖3　憑祥盆地沉積層序和沉積環境解釋Fig.3　The sedimentary sequence and sedimentary environment explanation of Pingxiang Basin

本文完成了憑祥—安鎮公路一線的1/1 000大比例尺實測剖面，長度約12 km，跨越地層由下至上包括茅口組(P2m)、北泗組(T1b)、板納組(T2b)和蘭木組(T2l)，盆地充填物為板納組(T2b)和蘭木組(T2l)，板納組為一套灰綠色泥巖夾少量薄層粉砂巖和細砂巖，蘭木組為一套砂巖和泥巖組合，均以細碎屑巖為主，二者為斷層接觸，板納組與下伏北泗組中酸性火山巖為斷層接觸，上二疊統茅口組灰巖逆沖推覆于蘭木組之上(圖2)。沉積微相及組合分析表明憑祥盆地包括深水盆地相、濁積扇相和扇三角洲相等[40](圖3)，其中深水盆地相以發育大套深灰色泥頁巖和裹夾碎屑流沉積為特征，濁積扇相以發育槽模、正粒序、爬升波紋層理、包卷層理、雙向交錯層理、透鏡狀層理、平行層理為特征，三角洲相以發育大型板狀交錯層理、潮溝、厚層透鏡狀砂體和磚紅色泥巖為特征[40]。盆地周邊出露的地層從下至上包括有石炭系—二疊系碳酸鹽巖、下三疊統南洪組砂巖、下三疊統碳酸鹽巖、下三疊統北泗組中酸性火山巖以及侏羅系砂巖等。

2數據來源

本文古水流方向的獲得大量來自深水沉積中的交錯層理，次為槽模。在野外測量統計過程中，每個測點盡可能保證10個以上數據，并按層系分開測量雙向交錯層理，每個層系一般為5～8個數據，共采集了6組共74個數據。在室內通過Stereo軟件進行玫瑰花圖解投圖，并且根據地層產狀進行了水平校正。

3深水沉積證據

確定存在深水系統是研究深水底流沉積及其交互作用的前提，廣西憑祥中三疊世盆地深水沉積的主要證據有：

(1) 盆地內發育有大套深灰色泥頁巖和泥質粉砂巖的深水原地沉積(圖4A)。

表1憑祥盆地古水流數據統計表

Table 1Statistical table of plaeocurrent data of Pingxiang Basin

圖4　廣西憑祥盆地深水沉積特征A.深水原地沉積；B.舌狀槽模；C.正粒序、平行層理、包卷層理和水平層理；D.碎屑流沉積之“泥包礫”Fig.4　The sedimentary characteristics of deep-water sediments of Pingxiang Basin, Guangxi

(2) 盆地沉積物以濁積巖為主，具備典型鮑馬序列的沉積構造，即舌狀槽模(圖4B)、正粒序、平行層理、包卷層理、爬升波紋層理以及水平層理(圖4C)。

(3) 盆地內部24件細碎屑巖及泥巖樣品的地球化學特征均表明具有明顯的Ce、Eu負異常[45]，指示了深水沉積特征。

(4) 盆地內部發育有三處碎屑流沉積，且該套沉積與厚層深灰色泥頁巖和濁積巖共生，(圖4D)，并見有典型深水碎屑流沉積的“泥包礫”結構[46]，灰巖礫石成渾圓狀，并被泥質包殼所包裹，且礫巖底部可見“S”型拖曳變形，反映了水下碎屑流的剪應力作用，這些灰巖礫石主要來自濱淺海的碳酸鹽巖點礁，后經碎屑流搬運至深水盆地中[40]。

(5) 盆地地層中賦存菊石、雙殼等海相化石，指示了海洋環境[38]。

(6) 區域構造上，研究區位于滇—瓊縫合帶東段，諸多學者對展布于該構造帶內的早石炭世八布蛇綠巖[47]、印支期洋島玄武巖[48]、中三疊世島弧火山巖[41,49-50]以及二疊紀放射蟲硅質巖[51]進行了研究，表明該近東西向的構造帶存在古特提斯分支洋盆的俯沖增生作用，雖然該洋盆的形成時代和俯沖極性存有爭議，但是諸多學者均認為中三疊世研究區主體為深水海相沉積[52-54]。

4底流沉積微相劃分及沉積作用分析

4.1雙向交錯層理細—粉砂巖微相

該微相以發育雙向交錯層理為特征(圖5A，B，C)，發育于濁積扇外扇亞相中，剖面共發育3處雙向交錯層理，另外有2塊室內光片標本發育有雙向交錯層理。其一般由2個或2個以上層系構成，形態呈彎曲狀或平行狀，并夾有泥質紋層，層系界面清晰，上覆準平行層理粉砂巖(圖5C)。該微相下伏為濁積扇中扇亞相的透鏡狀水道砂體，砂體最厚處約20 cm，向上砂體厚度逐漸變小，數量變少，上覆一套深水盆地相的泥巖沉積，且發育雙向交錯層理的砂巖對下伏泥巖形成較強侵蝕，并發育高起伏底面(圖5D)。顯微鏡下薄片觀察到兩組傾向相反的交錯層理(圖5E)，二者之間為富含泥質組分的濁流沉積，為低角度爬升波紋層理。我們對露頭樣品進行古水流統計，研究表明其指示了兩組不同方向的水流，其中斜坡傾向南南西，古水流呈發散狀，而斜坡向上方向則較為穩定，遺憾的是我們未對光薄片樣品進行定向采樣，只標定了頂底方向，因而并未統計其古水流方向。

4.2平行層理粉砂巖微相

該微相與雙向交錯層理粉砂巖微相共生(圖5C)，其中部分層理泥質含量明顯增多，分選較好，部分石英顆粒較大，順層理展布(圖5E)。該微相與雙向交錯層理共同產出，很可能是底流改造的結果，較之與濁流成因的平行層理相比，其表現為雜基含量明顯變少，要更為純凈[4]。

4.3束狀透鏡體疊加的交錯層理粉砂巖微相

該微相以發育透鏡狀砂紋層(1 cm±)并側向疊加生長為特征(圖5F)，該微相與發育平行層理的粉砂巖微相共生，向上泥質成分增多，透鏡狀層理是由孤立的泥質沉積和砂質波痕組成的，通常小于1 cm，這些“饑餓”的波痕的是由“潔凈”的底流沖刷泥質沉積形成的，因而小型透鏡狀的砂或粉砂向前進積形成了透鏡狀層理[15]。Shanmugam[17]認為其是底流改造的沉積標志，而Stowetal.[3]則認為細粒濁流的快速沉降也可以形成壓扁層理、饑餓波痕，甚至是泥質衍生物。綜合微相組合特點，本文認為其可能為內波產生的波痕遷移產物，垂向序列反映了底流的周期性[55]。

4.4復合流層理和丘狀交錯層理粉砂巖微相

廣義來講，復合流是指2種或多種不同類型的流體在時間和空間上疊加而成，但通常將疊加的流體限定為振蕩流和單向流[56]，復合流層理、準平行層理、不對稱的小型丘狀交錯層理及角度較陡的爬升層理等沉積構造是其鑒別標志[57-58]，另外，丘狀交錯層理被認為是風暴沉積的標志之一，通常發育于臨濱—近海過渡帶[59]，但是也可以發育于深水環境[60-61]。

該微相以發育復合流層理和不對稱丘狀交錯層理為特征(圖5G)，發育于灰綠色粉砂巖中，盡管發現數量不多，但是其特征較為明顯。底部為水動力較強的高角度的爬升波紋層理，向上則出現包卷層理和低角度斜層理，應為水動力減弱抑或底流改造作用產物，向上則為不對稱的小型丘狀交錯層理，該沉積構造與發育在大型丘狀交錯層理上的復合流痕十分相似[57]。基于此，我們推測該套沉積為內波與濁流的交互作用產物。這是繼李向東等[30]在寧夏香山群徐家圈組識別出地層中深水復合流沉積構造之后，在廣西憑祥盆地識別出的又一例深水復合流沉積。

5討論

5.1底流沉積及其交互作用

圖5　廣西憑祥盆地深水底流沉積及其交互作用A，B，C，E.雙向交錯層理；D.底流沉積的高起伏底面；F.透鏡狀砂紋層；G.丘狀交錯層理Fig.5　Deep-water bottom current deposits and interaction between bottom currents and turbidity currents

根據深水盆地不同地質時期主導沉積機制的不同，深水環境下的交互作用一般包括以下四個方面：底流改造前期重力流沉積；重力流改造前期底流沉積；重力流與底流交互主導同一地區的沉積；底流與重力流同時作用于沉積物[13]。目前關于深水底流沉積及其交互作用的研究還相對薄弱，近十年來，深水環境下的交互作用研究逐漸增多，并逐漸成為國際沉積學界的研究熱點[13]。前人對廣西憑祥地區發育深水沉積存有共識，但僅僅停留于傳統濁積巖的認識，并識別出鮑馬序列為代表的沉積構造，其中的底流沉積以及交互作用鮮有學者進行識別并研究。

筆者基于研究區存有海相深水沉積的認識，結合古流向資料，認為該深水沉積中的雙向交錯層理砂巖微相，并不屬于濁流或者等深流的沉積產物，因為濁流為順斜坡向下方的單向流動，不能形成這種雙向指向構造，而等深流則大角度相交于濁流方向，且是橫越海底水道而不是平行海底水道軸向的[22]。而這種深水環境中形成的雙向交錯層理和紋層傾向水道(或區域斜坡)上方的單向交錯層理是內波、內潮汐沉積典型的特征性沉積構造[62]，另共生有不同巖石組成的復合層理，如韻律性砂、泥巖薄互層[63-64]和脈狀、波狀、透鏡狀層理等[55,62]。根據槽模古流向測量，研究區古斜坡方向為南南西，雙向交錯層理的古流向測量結果表明濁流方向較為發散，而內波、內潮汐方向為北東東，沿陸坡上方且流向穩定，因而該底流沉積很有可能為內波、內潮汐沉積[40]。

雖然憑祥盆地被后期逆沖推覆作用強烈改造，但是局部地層沉積序列完整，據此仍可以判別沉積亞相、微相及其組合特征，研究區的內波、內潮汐沉積以薄互層的砂巖、泥巖為主，其砂巖、泥巖比率在縱向上呈規律性變化，其可能暗示了其沉積環境為水平開闊地帶，根據微相組合特征，其發育部位處于濁積扇外扇部位，且內波、內潮汐一般發生于水流相對靜止期和流動期，因而造成砂質和泥質沉積頻繁互層沉積[19]。同時底流作用抑或及交互作用不但流速變化大，而且水流反復倒向，不利于底棲生物生存，因而地層中缺乏化石，且不發育生物擾動構造[40]，而現代和古代的等深流沉積的生物擾動構造都是很發育的[13]，這和底流沉積中缺乏化石的認識也是一致的[22]。另外發育雙向交錯層理的砂巖具有高起伏底面(圖4D)，說明底流對下伏泥巖存在較強的侵蝕作用。

此外，通過對研究區19個砂巖樣品進行巖相學分析，結果表明發育雙向交錯層理和平行層理的底流沉積較為“純凈”，其雜基含量明顯少于其他濁積巖樣品，底流沉積的砂巖雜基含量約10%，而濁流沉積樣品雜基含量為20%左右，結合野外露頭觀察到的底流改造現象，二者共同指示濁積巖(濁流沉積)受到了后期底流的“淘洗”作用[4,22]。如美國弗吉尼亞州芬卡斯爾地區中奧陶統貝斯組濁積砂巖樣品的雜基平均含量為24%，而與其伴生的內潮汐沉積砂巖的雜基平均含量為20%，表明內潮汐對其進行了明顯的“淘洗”作用[22]。

研究表明，當濁流爆發前中期，其速度大于內波軌跡速度，表現為濁流沉積特征，底部見侵蝕面，形成槽模、粒序層理等，當濁流進入后期時，速度減小，復合流沉積占主導作用，形成復合流痕，如波痕、爬升波紋層理和丘狀交錯層理[65]。研究區發育的復合流層理和丘狀交錯層理粉砂巖微相則很有可能為復合流作用的產物。

5.2沉積模式

憑祥盆地濁積巖底面的舌狀槽模指示的古流向為SW225°左右，鮑馬序列C段交錯層理傾向的變化范圍為 178°～234°，代表了古斜坡方向，另外與之相伴生的碎屑流沉積也反映出通過滑移作用進入深水盆地之中[40]。研究表明，內波、內潮汐的雙向指向沉積并不一定剛好相差180°，也可以有一定程度的偏離，且優勢方向為重力流方向(圖4A)，這與潮坪環境中形成的指向沉積構造的方向類似[22]。古水流測量結果表明，研究區主要存在向南和向北兩個水流方向，依據舌狀槽模指示確定的古斜坡方向應為向南，因而雙向水流和朝北的單向水流應為底流作用產物。底流沉積作為深水交互作用的產物，之所以容易發育于濁積扇外扇部位，這很有可能與其通常只能搬運粉砂級的沉積物有關，憑祥盆地的研究也支持這一觀點。

圖6　憑祥盆地深水沉積模式圖(據參考文獻[66]修改)Fig.6　Deep-water sedimentary model of Pingxiang Basin(modified from reference[66])

前人對內波、內潮汐沉積的沉積模式進行了研究，認為存在水道型、陸坡非水道型和海臺型三種沉積模式[22]，由于憑祥盆地受到后期強烈的逆沖推覆作用的改造，原始沉積充填序列已經無法恢復，但是仍可以識別并劃分露頭尺度殘存的沉積微相和亞相，進而分析相組合特征，憑祥盆地可以歸為Bouma[66]提出的細粒(富泥)濁積扇沉積體系(圖6)。其中，底流沉積發育于濁積扇外扇部位，憑祥盆地發育典型的濁積扇中扇、外扇亞相，此外還有扇三角洲相和深水盆地相沉積，缺失陸坡部位的海下峽谷、滑塌體以及濁積扇內扇亞相沉積，這可能由于盆地受到后期構造改造并抬升遭受剝蝕所致，深水盆地的碎屑流滑移體的生物碎屑灰巖礫石反映了可能存有濱淺海的碳酸鹽巖生物點礁。此外，研究表明，當垂向密度穩定變化的海水在天體引潮力的作用下流動時，地形劇烈變化的大洋邊緣區域經常形成內波、內潮汐，包括海峽、海山、海嶺、海溝和陸架坡折處等[67-68]，這與筆者團隊所推斷的憑祥盆地處于活動大陸邊緣的構造背景是一致的[40,45]。

需要指出的是，目前單一的相模式還無法解釋復雜深水環境下的所有變化[69]，包括海底地形、沉積過程、幾何形態及堆積樣式等諸多因素的綜合影響，深水沉積系統是非常復雜的[2,69]，本文研究區露頭十分有限，植被十分發育，因而僅靠一條主干剖面和輔助剖面控制盆地充填序列是不夠的，針對憑祥盆地這種造山帶內被構造肢解的殘余盆地，我們需要盡可能依托局部精細沉積柱狀圖測量，仔細觀測相關深水沉積構造，但就恢復盆地巖相古地理格局而言，還是存有一定難度，因而憑祥盆地的濁積扇相模式還需要進一步的考證和后期證據的補充。

6結論

本文基于在廣西憑祥盆地識別出內波、內潮汐沉積的基礎上，對其中的深水底流沉積作用和古水流數據進行詳細解析，并進一步厘定出其中發育的復合流沉積，提出了憑祥中三疊世盆地細粒(富泥)濁積扇沉積模式，該套底流沉積發育于濁積扇外扇部位，這和憑祥盆地處于活動陸緣環境的構造背景是一致的。深水環境下的底流沉積和重力流沉積實際上是不同性質流體的產物，以往的研究工作可能忽視了深水重力流沉積中的底流沉積，而識別出雙向交錯層理、傾向斜坡上方的單向交錯層理、透鏡狀層理、復合流層理以及丘狀交錯層理等沉積構造，結合古水流和沉積微相組合特征分析是區分底流沉積和重力流沉積的有效手段。

致謝在論文撰寫初期，筆者請教了長江大學地球科學學院何幼斌教授，感謝他對本文的指導和鼓勵，另外中國地質科學院地質研究所的陳輝明研究員在野外考察過程中提供了幫助，審稿人及本刊編輯對本文提出了建設性修改意見。在此一并表示感謝！

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Sedimentary Types and Significance of Deep-water Bottom Currents Deposit in the Pingxiang Basin, Guangxi

SONG Bo1,2YAN QuanRen3XIANG ZhongJin2LI XiangDong4GAO JingMin5WANG YanWen1LI XianBing5

(1. Xi’an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi’an 710054, China;2. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. School of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;5. Shaanxi Nuclear Industry Geology Surveying Institute, Xi’an 710100, China)

Abstract:The internal-wave, internal-tide and combined-flow deposit of the ancient deep-water system is a new find in recent twenty years. As the sedimentary records are rare, the sedimentology research on the bottom currents in the deep-water system is restricted. Based on detailed analysis of the geological sections and sedimentary outcrop columns, there exists bottom current deposits in the deep-water deposits of Pingxiang Basin. This paper deeply analyzes the sedimentary structure and paleocurrent of these bottom current deposits. The bottom current deposits consist of internal-wave, internal-tide and combined-flow deposits. The internal-wave and internal-tide deposits are characterized by bidirectional cross lamination, unidirectional cross lamination and lenticular lamination. The combined-flow deposit is characterized by combined-flow ripple lamination, hummocky cross lamination and sharp climbing ripple lamination. Furthermore, it shows the interaction between turbidity and bottom currents. This paper provides a new sample for the research of bottom currents in the ancient deep-water system.

Key words:internal-wave and internal-tide; combined-flow; deep-water bottom current; Pingxiang Basin

中圖分類號P512.32

文獻標識碼A

作者簡介第一宋博男1988年出生碩士助理工程師造山帶沉積學E-mail: song5080@yeah.net

基金項目:國家自然科學基金項目(40872147，41102141); 中國地質調查局項目(1212011085415)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, NO.40872147, 41102141; China Geological Survey Project, NO.1212011085415]

收稿日期：2014-04-08； 收修改稿日期： 2015-03-26

doi:10.14027/j.cnki.cjxb.2016.01.005

文章編號：1000-0550(2016)01-0058-12