南海北部深水區烴源巖形成和分布研究①

李友川 米立軍 張功成 傅 寧 孫玉梅

(1.中國海洋石油研究總院 北京 100027;2.中國海洋石油股份有限公司勘探部 北京 100010)

南海北部深水區烴源巖形成和分布研究①

李友川1米立軍2張功成1傅 寧1孫玉梅1

(1.中國海洋石油研究總院 北京 100027;2.中國海洋石油股份有限公司勘探部 北京 100010)

南海北部深水盆地與大西洋被動大陸邊緣盆地烴源巖存在明顯差異,大西洋被動大陸邊緣盆地以中生界裂陷期湖相和坳陷期海相烴源巖為主,有機質主要來源于水生低等生物。南海北部深水區裂陷期可能發育第三系湖相烴源巖,但油氣源分析結果表明,第三系海陸過渡相煤系烴源巖為本區主力烴源巖。南海北部深水區煤系烴源巖和海相烴源巖有機質主要來源于陸生高等植物,河流-三角洲體系是控制陸生高等植物生長和有機質富集的重要因素,海相烴源巖的有機質豐度存在由陸向海降低的趨勢。南海北部深水區高有機質豐度烴源巖主要分布于盆地或凹陷周緣,以煤系烴源巖為主,部分為海相烴源巖,但盆地或凹陷沉積中心主要為有機質豐度相對較低的海相烴源巖,烴源巖條件較盆地或凹陷周緣地區差。

南海北部 深水盆地 海相烴源巖 煤系烴源巖 形成和分布

南海北部深水區是指南海北部水深大于300 m的陸源盆地區,主要包括珠江口盆地珠二坳陷的白云、荔灣、開平和順德凹陷以及瓊東南盆地中央坳陷帶的樂東-陵水、松南-寶島和長昌凹陷(圖1)。近年來,中國海油在南海北部深水區的白云凹陷獲得荔灣3-1等重大油氣發現,揭開了國內深水油氣勘探的序幕。關于南海北部深水區烴源巖已經開展了部分研究工作[1～4],但烴源巖的形成和分布仍然是該區油氣勘探研究的薄弱環節。本文通過南海北部與大西洋被動大陸邊緣盆地的對比分析,認識到南海北部深水盆地與大西洋被動大陸邊緣盆地烴源巖的形成條件存在顯著差異,南海北部深水區烴源巖的形成和分布具有其自身的特殊性。

圖1 南海北部深水區凹陷分布圖Fig.1 Distribution of depressions in the northern of South China Sea

表1 國外深水盆地烴源巖組合分類Table1 Classifications of source rock assemblage of abroad deep water basins

1 南海北部與國外深水盆地烴源巖的差異性

國外深水區盆地按烴源巖的發育特征可分為三種類型:第一類盆地裂陷期和坳陷期均以海相烴源巖為主;第二類盆地裂陷期發育湖相烴源巖,坳陷期則發育海相烴源巖;第三類盆地裂陷早期發育湖相烴源巖,裂陷晚期發育海陸過渡相烴源巖,坳陷期則發育海相烴源巖(表1)。總體來說,第一和第二類盆地主要分布于大西洋被動大陸邊緣,如北海盆地、墨西哥灣盆地、坎波斯盆地、下剛果盆地等;第三類盆地主要分布于南海海域、東南亞和南亞等地區。南海北部深水區烴源巖的發育與東南亞和南亞存在較強的相似性,而與大西洋被動大陸邊緣盆地相差較大。

從烴源巖形成的地質時代看,大西洋被動大陸邊緣盆地湖相烴源巖和主要的海相烴源巖均形成于侏羅紀和白堊紀,其湖相烴源巖的形成條件與中國東部湖相烴源巖相似,但海相烴源巖的形成條件則與南海北部深水區存在較大差異。中生代的海洋缺氧事件在大西洋被動大陸邊緣盆地形成了優質的海相烴源巖,其有機質以海相藻類為主,有機質類型主要為Ⅰ和Ⅱ1型,有機碳含量最高可達10%[5,6]。而南海北部深水區烴源巖形成于第三紀,不存在海洋缺氧事件的影響,有機質主要來源于陸生高等植物,有機質類型主要為Ⅱ2和Ⅲ型,濕熱的氣候條件及有利于陸生高等植物生長的環境是形成烴源巖的重要條件。

2 南海北部深水盆地烴源巖形成條件和影響因素

圖2 南海北部深水區盆地演化與烴源巖發育史模式圖Fig.2 Patterns of basin evolution and source rock development history in deep water region of the northern of South China Sea

南海北部深水盆地發育三套可能的烴源巖:裂陷早期的湖相烴源巖、裂陷晚期的海陸過渡相烴源巖和坳陷期的海相烴源巖(圖2)。但從油氣源分析結果看,瓊東南盆地崖城13-1氣田的油氣主要來源于崖城組海陸過渡相烴源巖[7～9]。白云凹陷無論淺水區還是深水區的油氣均主要來源于恩平組海陸過渡相烴源巖,少部分來源于珠海組海相烴源巖[3,10～11]。目前珠江口盆地和瓊東南盆地深水區均很少發現裂陷早期湖相烴源巖對油氣的貢獻。因此,裂陷晚期海陸過渡相烴源巖和坳陷期海相烴源巖是南海北部深水區現實和有效的烴源巖,裂陷晚期海陸過渡相烴源巖為本區主要烴源巖[12]。

2.1 裂陷晚期海陸過渡相烴源巖的形成條件和影響因素

南海北部深水區海陸過渡相烴源巖是湖盆收縮期伴隨著間歇性海侵形成的一套由煤層、碳質泥巖和煤系暗色泥巖組成的有機質豐度較高的烴源巖。晚始新世-早漸新世是珠江口盆地拉張-斷陷的晚期,斷裂活動的差異性大,拉張強烈的地區繼續深陷,成為沉積中心;拉張作用減弱或停止的地區沉積充填使之準平原化、沼澤化,沉積中心消失。并且隨著南海在早漸新世(32 Ma)的擴張,珠江口盆地和瓊東南盆地存在頻繁的海侵活動,分別形成了恩平組和崖城組海陸過渡相沉積[12]。

圖3 PY33-1-1井恩平組層序地層綜合剖面Fig.3 Comprehensive profiles of sequence stratigraphy of Enping Formation forWell PY33-1-1

恩平組沉積時期,珠江口盆地不僅淺水區的珠一坳陷、珠三坳陷和番禺低隆起發育煤系烴源巖,而且深水區的白云凹陷也可能有較為廣泛的煤系地層分布,其原因在于:(1)恩平組沉積時期具有濕熱的氣候條件。恩平組孢粉組合以松粉-榆粉組合和淚杉粉-雙溝粉組合為特征,反映氣候較熱且濕潤,有利于植被發育。(2)珠二坳陷西部由于控制開平主洼半地塹的主斷裂在始新世末已基本停止活動,沉積作用很快把洼地填平,湖區迅速沼澤化和河流平原化,整個珠二坳陷西部成為一個向東傾斜的大斜坡,在KP6-1-1井和PY33-1-1井之間的白云西洼形成了一個大型的三角洲體[13]。開平凹陷KP6-1-1井恩平組為200多米的河流相砂巖為主的地層,河流間灣及河漫灘的薄層暗色泥巖富含有機質。白云凹陷西部PY33-1-1井濱岸沼澤和河流沼澤相沉積中均有煤、碳質泥巖和暗色泥巖發育(圖3)。番禺低隆起上與PY33-1-1井鄰近的PY27-2-1、PY20-1-1等井在恩平組揭示河流平原沉積,同時發育含煤地層。此外,恩平組沉積時期,白云凹陷北部和南部均有水系進入白云凹陷[13],為陸生高等植物的發育和煤系烴源巖的形成提供了良好的條件。(3)白云凹陷恩平組為斷-坳轉換期沉積,恩平組沉積時期白云凹陷的濱岸帶范圍寬廣,地勢較緩,宜于近湖沼澤的廣泛發育和長期維持,為在廣大范圍發生湖相與沼澤相交互沉積創造了條件,有利于的大范圍堆積。因此,珠江口盆地白云深水區可能屬于河流-三角洲-湖沼相共控的成煤模式(圖4),凹陷周緣坡折帶河流-三角洲發育的地區可形成河沼相和三角洲平原沼澤相煤系地層,而凹陷邊部由于濱淺湖沼澤化而形成湖沼相煤系地層。總體來說,這種模式下形成的煤系地層分布較為廣泛而穩定。

瓊東南盆地崖城組沉積時期的古氣候與珠江口盆地恩平組沉積時期相似,具有濕熱的氣候條件,有利于陸生高等植物生長和發育。但是,瓊東南盆地缺乏大型的水系流入,有利的成煤環境主要為扇三角洲體系、濱岸帶-潟湖體系及沖積扇體系。瓊東南盆地崖南凹陷西北部發育扇三角洲沉積[14],位于扇三角洲上的鉆井普遍在崖城組揭示煤系地層。崖城組各段平均解釋煤層數以崖城組三段最多,崖城組一段次之,崖城組二段最少,總體表現為煤層數量較多,但單層厚度薄的特征,單層厚度普遍小于1 m,單井中揭示的最大總煤層厚度為11.52 m(表2),而扇三角洲以外地區鉆井揭示的崖城組煤層發育一般較差,這說明瓊東南盆地煤系地層的發育與扇三角洲關系密切。另外,瓊東南盆地崖城組屬于以斷陷為主的沉積,沉積水體相對較深,濱岸帶地勢較陡而且范圍較窄,與珠江口盆地相比,不利于形成湖沼相的煤系烴源巖,瓊東南盆地的成煤模式屬于以扇三角洲-濱岸帶為主的成煤模式(圖5)。該模式在水進期濱海帶向凹陷邊緣推進,扇三角洲后退,水退期反之。每個演化階段,扇三角洲平原、廢棄朵體、朵體間洼地、海岸平原沼澤均能發育泥炭堆積。該模式發育早期,煤層厚度薄、分布面積不廣;當發生較大海退時,扇三角洲、濱海帶范圍較廣,聚煤作用范圍相對擴大,但總體而言煤層分布較為局限而不穩定。

因此,南海北部珠江口盆地與瓊東南盆地煤系烴源巖的形成條件存在差異。由于河流-三角洲體系發育程度及凹陷結構的差異,珠江口盆地深水區恩平組煤系烴源巖的發育程度優于瓊東南盆地深水區崖城組。

圖4 珠江口盆地深水區湖沼相成煤模式圖Fig.4 The coal formingmodel of limnetic facies in deep water basins of Pearl River Mouth basin

表2 瓊東南盆地鉆井揭示的崖城組煤層數和煤層厚度統計表Table2 Statistics of number and thickness of coal beds of wells in Qiongdongnan basin

圖5 瓊東南盆地深水區扇三角洲和濱海帶成煤模式圖Fig.5 The coal formingmodel of fan delta and coast plain facies in deep water region of Qiongdongnan basin

2.2 坳陷期海相烴源巖的形成條件和影響因素

2.2.1 南海北部深水區海相烴源巖的有機質來源

盡管珠江口盆地及瓊東南盆地漸新統和中新統海相泥巖含有少量的海相溝鞭藻化石,但含量很低,孢粉組合中藻類的含量低于10%,而90%以上屬于蕨類孢子和木本花粉。從有機質的組成看,南海北部深水區海相烴源巖其有機質以陸生高等植物有機質為主,珠江口盆地珠海組從三角洲平原到淺水三角洲前緣,從淺水三角洲前緣到陸坡深水沉積,其有機質均以煤質、木質和殼質為主(圖6)。煤質和木質植屑源自陸地植物群,木質為未降解的高等植物的導管組織和降解的大植物組織;煤質為炭屑或氧化的木質組織;殼質和孢質有機質是成分較穩定的非木質植屑,主要包括高等植物來源的角質、孢子、花粉和樹脂等,也有水生植物體非木質部分形成的碎屑。雖然不同海相沉積環境其有機質組成存在一定差異,三角洲平原和三角洲前緣距物源區較近,泥巖中相對富含煤質和木質,而處于半深海的陸坡距物源區較遠,煤質和木質,尤其是煤質含量降低,而相對耐水解和抗氧化并易于被流水搬運的孢質和殼質含量較高。但是,無論是淺水沉積還是深水沉積均表現出以陸生高等植物有機質為主的特征。

2.2.2 南海北部海相烴源巖形成的主要影響因素

南海北部海相烴源巖中有機質主要來源于陸生高等植物,其有機質含量主要取決于兩個因素:一是是否存在有利于陸生高等植物發育的沉積環境;二是陸生高等植物有機質是否能夠被有效搬運到海洋中聚集并保存。

圖6 珠江口盆地珠海組不同沉積環境有機質組成特征Fig.6 Compounds of organicmaterial of different depositional environments for Zhuhai Formation of Pearl River Mouth basin

圖7 珠江口盆地與瓊東南盆地不同時代海相烴源巖有機質豐度對比Fig.7 The correlation of organicmatter content ofmarine source rocks for different formations in Qiongdongnan basin and the Pearl River Mouth basin

首先,陸生高等植物生長發育條件的優劣決定了有機質的供給量。珠江口盆地古珠江自晚始新世恩平組沉積時期開始發育,珠海組沉積時期,古珠江的影響范圍達到白云凹陷南部,白云凹陷發育淺水三角洲沉積[14]。珠江口盆地珠一坳陷多口鉆井在珠海組揭示沼澤相含煤沉積,白云凹陷PY35-2-5井珠海組泥巖有機碳含量最高可達6%以上,同樣屬于沼澤相沉積。由此可見,受古珠江的影響,珠江口盆地珠海組沉積時期陸生高等植物有機質來源較為豐富。瓊東南盆地則與珠江口盆地存在較大差異,瓊東南盆地缺乏大型河流和三角洲沉積,盆地邊緣主要發育一些扇三角洲、沖積扇和海岸平原沉積,其北部少數鉆井在陵水組可見煤層,但煤層的發育程度較珠江口盆地珠海組差,說明珠江口盆地和瓊東南盆地陸生高等植物的發育程度存在差異。這不僅反映在兩個盆地含煤地層的發育程度上,而且海相泥巖的有機質豐度也存在差異。相同時代泥巖的有機質豐度相比,珠江口盆地珠海組、珠江組和韓江組海相泥巖有機質豐度高于瓊東南盆地陵水組、三亞組和梅山組海相泥巖(圖7),說明珠江口盆地和瓊東南盆地陸生高等植物的發育程度對南海北部海相烴源巖的形成具有重要影響。陸生高等植物越發育,陸生高等植物來源的有機質更加豐富,海相烴源巖的有機質豐度則更高。

第二,陸生高等植物有機質向海洋中的聚集。現代沉積研究表明,河流對陸生高等植物有機質的聚集具有顯著作用.alier Galy等[15]對恒河三角洲的研究表明,恒河和布拉馬普特拉河沉積物中含有較為豐富的有機碎屑,有機碳平均含量為0.35%,最大可達1.50%。由此可見,河流體系有利于陸生高等植物有機物質在海洋環境中的富集。

波浪作用、洋流和風力也是陸生高等植物有機質由近岸向遠洋富集的重要因素。馬哈坎三角洲現代沉積研究發現,植物木質碎屑的密度為1.00 g/cm3,與海水密度相近或稍小于海水密度(海水密度一般為1.03 g/cm3)[16],因此木質碎屑可以漂浮于海水中并通過波浪和洋流的作用搬運到遠離海岸的泥巖中沉積。中國東南沿海陸地植物花粉可以通過洋流及風力作用搬運到巴士海峽聚集也是一個很好的實例[13]。

2.2.3 南海北部海相烴源巖有機質豐度的橫向變化特征

珠江口盆地白云凹陷LW3-1-1井珠海組和珠江組泥巖的有機質豐度存在明顯差異,該井珠海組泥巖有機碳含量介于0.66%～1.47%之間,平均為1.08%;珠江組泥巖有機碳含量介于 0.26%～ 0.64%之間,平均為0.44%(圖8)。從沉積環境看, LW3-1-1井珠海組為陸架淺海沉積,珠江組為陸坡半深海沉積,珠江組沉積時期的海水深度明顯較珠海組沉積時期深,似乎存在沉積水體深度加大而有機質豐度降低的趨勢。

圖8 珠江口盆地淺水區至深水區珠海組和珠江組泥巖有機碳含量剖面Fig.8 Profiles of change of organic carbon content from shallow water area to deep water area for Zhuhai Formation and Zhujiang Formation in the Pearl River Mouth basin

從有機質豐度的橫向變化看,珠江口盆地珠江組由淺水沉積向深水沉積有機質豐度存在明顯降低的趨勢(圖8)。位于珠一坳陷西江凹陷的XJ33-2-1井珠江組為三角洲平原和三角洲前緣沉積,珠江組泥巖有機碳含量為0.22%～1.98%,平均為1.02%;位于番禺低隆起的PY15-1-1井珠江組為前三角洲沉積,珠江組泥巖有機碳含量為0.28%～1.25%,平均為0.63%;位于白云凹陷北坡的PY33-1-1井珠江組為陸架淺海沉積,珠江組泥巖有機碳含量為0.37%～ 0.94%,平均為0.52%;位于白云凹陷南部的LW3-1-1井珠江組為陸坡半深海沉積,珠江組泥巖有機碳含量為0.26%～0.64%,平均為0.44%;白云凹陷東南ODP1148站珠江組同樣為陸坡半深海沉積,但沉積水體更深,珠江組泥巖有機碳含量為0.04%～0.39%,平均為0.25%。珠海組烴源巖同樣也存在隨著沉積環境的水體加深,有機質豐度降低的趨勢(圖8)。

由此可見,南海北部海相泥巖有機質豐度的變化表現出明顯的規律性,即隨著沉積環境距離海岸越遠,沉積水體深度加大,泥巖中有機質含量降低。產生此種現象的原因主要在于,該區海相烴源巖中海相藻類來源的有機質很少,對烴源巖的形成不具有顯著的影響,而陸生高等植物來源的有機質是烴源巖中有機質的主體,因而陸生高等植物有機質的數量對該區海相烴源巖有機質豐度具有重要的控制作用。距離海岸較近的海相環境中陸生高等植物有機質來源較為豐富,能夠形成有機質豐度較高的海相烴源巖,但隨著離岸距離增大,陸生高等植物有機質的數量減少,海相烴源巖的有機質豐度因而降低。

3 南海北部深水區烴源巖的分布特征

不同盆地類型和地質背景下烴源巖的分布特征存在明顯差異。中國東部湖相斷陷盆地優質烴源巖主要分布于斷陷內的中-深湖沉積相中[17];優質的傳統海相烴源巖主要分布于近濱潟湖、淺海陸棚、大陸坡及大洋底部等沉積環境[18],它們的共同特征是有機質主要來源于水生低等生物。然而,南海北部深水盆地無論是海陸過渡相烴源巖還是海相烴源巖其有機質主要來源于陸生高等植物,因此烴源巖的分布具有其特殊性。

南海北部深水盆地或凹陷周緣的河流-三角洲、辮狀河三角洲、障壁島-潟湖、濱岸帶等有利于陸生高等植物生長,有利于形成有機質高度富集的海陸過渡相煤系烴源巖,而凹陷內高等植物的生長受到限制,不利于煤系烴源巖的發育,如崖南凹陷西北凸起區的很多鉆井在崖城組揭示煤層(表2),但崖南凹陷內YC26-1-1井在崖城組未見煤層。因此,煤系烴源巖主要發育于凹陷的周緣,盆地或凹陷內部煤系烴源巖的發育程度變差,一般發育海相烴源巖。但是,由于有機質主要來源于陸生高等植物,因此距岸較近的海相環境中陸生高等植物有機質來源較為豐富,能夠形成有機質豐度較高的海相烴源巖,但隨著離岸距離增大,陸生高等植物有機質的數量減少,海相烴源巖有機質豐度降低(圖9)。

從沉積環境看,岸后的濱海平原-沼澤環境水動力較弱,屬于低能弱氧化環境,陸生高等植物來源的有機質充足,有利于形成較高豐度的海相烴源巖。濱海環境雖然陸生高等植物來源的有機質比較充足,但沉積環境水動力強,沉積環境具有較強的氧化性,不利于有機質保存,有機質豐度較低。淺海-半深海環境具有較好的有機質保存條件,陸生高等植物來源的有機質比較多,同時還有部分海相藻類等低等生物來源的有機質,具有較好的烴源巖形成條件。深海沉積雖然為低能的還原環境,有機質保存條件優越,但陸生高等植物來源的有機質很少,同時海相藻類等低等生物來源的有機質也比較少,烴源巖的有機質豐度普遍較低。

圖9 南海北部深水盆地烴源巖分布模式Fig.9 Distributionmodel for source rocks in deep water basin of the northern of South China Sea

就油氣勘探而言,南海北部深水區盆地或凹陷的周緣地區由于烴源巖有機質豐度高,烴源巖的生烴潛力大,在其它地質條件具備的情況下,有利于形成油氣田,具有較好的油氣勘探前景。而盆地或凹陷的沉降中心由于烴源巖質量較差,對油氣勘探不太有利。

4 結論

(1)南海北部深水盆地與大西洋被動大陸邊緣盆地烴源巖的形成條件存在差異。大西洋被動大陸邊緣盆地中生界湖相和海相烴源巖有機質主要來源于水生低等生物,以Ⅱ1和Ⅰ型有機質為主;而南海北部深水區海陸過渡相和海相烴源巖有機質主要來源于陸生高等植物,以Ⅱ2和Ⅲ型有機質為主。

(2)南海北部深水盆地海陸過渡相煤系烴源巖和坳陷期海相烴源巖的形成受控于河流-三角洲體系的發育程度。氣候適宜的情況下,河流-三角洲體系越發育的地區煤系烴源巖也越發育,海相烴源巖的有機質豐度更高。

(3)南海北部深水區盆地或凹陷周緣既發育煤系烴源巖,海相烴源巖也具有較高的有機質豐度,是生烴條件有利的區域;而凹陷的沉積中心海相烴源巖有機質豐度普遍較低,生烴條件較差。

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The Formation and Distribution of Source Rocks for Deep Water Area in the Northern of South China Sea

LIYou-chuan1MILi-jun2ZHANG Gong-cheng1FU Ning1SUN Yu-mei1

(1.Research Institute,CNOOC Beijing 100027;2.Department of Exp loration of CNOOC(China),Beijing 100010)

Source rocks in deep water basins in the north of South China Sea are obviously different from the passive margin basins in Atlantic Ocean.Mesozoic lacustrine source rock in the rifting sequence andmarine source rock in the post-rift depression are themain source rocks in the passivemargin basins of Atlantic Ocean,and their organicmatters in lacustrine and marine source rocks allmainly came from aquatic lower organisms.Theremaybe exist three kinds of source rocks,including lacustrine source rock,transitional coal-bearing source rock and marine source rock in deep water basins in the north of South China Sea,but the correlation of oil/gas and source showed that Tertiary coal-bearing source rocks in transitional sequence is the main source rock there.Organic matters in transitional coal-bearing source rock and marine source rock mainly came from terrestrial higher plants in the north of South China Sea,and fluvial deltaic system is one of the very important factors for controlling the growth of terrestrial higher plants and abundance of organicmatter.Because of the influence of the Paleo-pearl River,coal-bearing source rock of Enping Formation distribute relatively widespread and stable in the Pearl River Mouth basin.But there is no large river system,and fan-delta is themain type of delta,so coal-bearing source rock of Yacheng Formation distributed relatively limited in Qiongdongnan basin.The formation ofmarine source rocks is influenced by the quantity of terrestrial organic matter and accumulation and reservation of organic matter.Because of the difference of paleo-geography condition between the Pearl River Mouth basin and Qiongdongnan basin,origin of terrestrial organicmatter in the Pearl River Mouth basin ismuchmore abundant than Qiongdongnan basin,and the contentof total organic carbon formarine source rock in the Pearl River Mouth basin is higher than the same geological time source rocks in Qiongdongnan basin.Because the supply of terrestrial organicmatter decrease from land to ocean,so the organicmatter contentofmarine source rock also lower from land to ocean.Seen from the distribution of source rocks in north of South China Sea,source rockswith relative high organic matter contentmainly distributed in the surrounding area of basin or depression,they aremainly composed of coal-bearing source rock,also include somemarine source rock with abundantorganicmatter,but the organic matter content is popularly low in the depocenter of basin or depression,the surrounding area of basin or depression ismore profit for oil and gas exploration.

northern of South China Sea;deep water basin;marine source rock;coal-bearing source rock;formation and distribution

李友川 男 1967年出生 碩士 有機地球化學 E-mail:liych@cnooc.com.cn

TE122.1+13

A

1000-0550(2011)05-0970-10

①國家重點基礎研究發展規劃(973)項目(編號:2009CB219400)及國家科技重大專項項目(編號:2008ZX05025)聯合資助。

2010-07-25;收修改稿日期:2010-11-02