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        塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序及沉積演化特征

        2013-06-17 05:52:44謝世文傅恒張東輝白曉亮竹合林
        斷塊油氣田 2013年3期
        關(guān)鍵詞:塔中臺(tái)地層序

        謝世文,傅恒,張東輝,白曉亮,竹合林

        (1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 廣州510240;2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610059;3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)

        塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖探明石油儲(chǔ)量超過10 億t[1],盆地勘探靶區(qū)已拓展到巴麥地區(qū),并在玉北1 井奧陶系獲重大突破,油氣顯示厚度26 m,充分證實(shí)了下古生界碳酸鹽巖的勘探潛力。近20年來,前人已做了大量塔里木盆地下古生界層序、沉積的研究,但層序劃分觀點(diǎn)、劃分依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)各不相同[2-5],有必要利用新鉆井、地震資料,進(jìn)一步研究層序地層格架、沉積特征。本文結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,綜合地震、巖心資料,以野外露頭研究為依托,參考測(cè)井資料,系統(tǒng)解析了研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖層序地層格架及沉積演化特征。

        1 地質(zhì)背景

        塔里木盆地位于天山、昆侖山造山帶之間,是不同時(shí)期、不同構(gòu)造環(huán)境下形成的大型疊加復(fù)合盆地[6-8]。晚震旦開始,塔里木板塊從邊緣開始裂解,周緣形成昆侖洋和南部天山洋、北部古大洋。之后,北部古大洋向南部俯沖,昆侖洋向南部的中昆侖地塊俯沖,盆地漸顯西臺(tái)(碳酸鹽臺(tái)地)東盆(陸棚-盆地)的沉積格局。早寒武世為最大海泛,至中奧陶世完成碳酸鹽巖臺(tái)地建設(shè),晚奧陶世晚期克拉通轉(zhuǎn)為前陸碎屑巖沉積,滿加爾凹陷反轉(zhuǎn)為濁流盆地[9]。根據(jù)沉積序列、盆山轉(zhuǎn)換的界面特征與沉積相的配置關(guān)系,較為成熟的觀點(diǎn)是:固結(jié)后的塔里木陸塊,在南華紀(jì)裂解,歸屬特提斯構(gòu)造域和古亞洲構(gòu)造域體系,在顯生宙演化過程至古近紀(jì),可劃分出加里東、海西、印支、燕山和喜山5 個(gè)構(gòu)造旋回,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程形成了12 個(gè)地質(zhì)事件界面[5,10]。在這種區(qū)域構(gòu)造背景下,不同時(shí)期的盆地演化階段都有對(duì)應(yīng)的盆地沉積層序充填,從而形成不同特征的層序地層沉積。

        2 層序地層特征

        2.1 層序劃分

        前人對(duì)塔里木盆地下古生界層序地層學(xué)方面的研究已有眾多成果[3-4,11],其觀點(diǎn)差異主要體現(xiàn)在層序級(jí)別及劃分?jǐn)?shù)量上。綜合前人觀點(diǎn),筆者認(rèn)為一級(jí)層序(巨層序)的形成受控于全球性板塊運(yùn)動(dòng)最高級(jí)別的周期性,時(shí)限120.0~60.0 Ma[12],層序界面為造山角度不整合,震旦系—奧陶系包含在震旦系—二疊系的一級(jí)巨層序內(nèi);二級(jí)層序(超層序SSQ)時(shí)限60.0~5.0 Ma[12],由明顯海平面下降形成,并伴隨地區(qū)性的構(gòu)造隆升,通常構(gòu)造作用大于基準(zhǔn)面下降的影響,層序界面為隆升不整合,是沉積背景、巖相組合轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。

        利用野外勘察、鉆井識(shí)別、地震追蹤等手段,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng),并用元素地球化學(xué)特征繪制的海平面升降曲線驗(yàn)證[13],可識(shí)別盆地下古生界碳酸鹽巖5 個(gè)二級(jí)層序,即SSQ1(寒武系下統(tǒng),542.0~521.0 Ma),SSQ2(寒武系中統(tǒng),521.0~499.0 Ma)、SSQ3(寒武系上統(tǒng),499.0~488.3 Ma)、SSQ4(奧陶系中、下統(tǒng),488.3~460.9 Ma)、SSQ5(奧陶系上統(tǒng),460.9~443.7 Ma)。

        2.2 層序界面特征

        盆地范圍內(nèi),下古生界碳酸鹽巖層序界面在鉆(測(cè))井、地震響應(yīng)上具有以下特征:

        1)SSB1 為隆升不整合,在塔北-塔中、庫魯克塔格等地存在地層缺失,是加里東早期Ⅰ幕(柯坪運(yùn)動(dòng))的構(gòu)造響應(yīng),露頭上震旦系奇格布拉克組頂部為古暴露溶蝕帶,巖石角礫化并發(fā)育不規(guī)則洞穴、裂隙和泥質(zhì)充填,是區(qū)域性的沉積間斷和暴露溶蝕界面。GR 在界面之上較界面之下呈低值,且界面之下呈微齒狀,界面之上呈尖齒狀;電阻率在界面上下均為微齒狀,界面之上較界面之下呈高值。對(duì)應(yīng)的地震界面為T90,在塔北為一套強(qiáng)反射波組的頂面,在巴麥-塔中為一套強(qiáng)波組與下伏弱波組的分界。

        2)SSB2 疑為隆升不整合,巴麥-塔中為典型的暴露不整合面,界面之下發(fā)育褐紅色膏鹽巖,見膏溶角礫,為海平面下降暴露的標(biāo)志。GR 在界面之上20 m 呈低值微齒狀,界面之下為起伏相對(duì)劇烈的高值鋸齒狀。對(duì)應(yīng)的地震界面為T82,為高連續(xù)強(qiáng)反射軸,界面有下超現(xiàn)象。

        3)SSB3 疑為隆升不整合,在巴麥-塔中為暴露不整合、巖性突變面(白云巖/膏鹽巖)。GR 在界面之上呈低值微齒狀,界面之下為起伏相對(duì)劇烈的高值齒狀。對(duì)應(yīng)的地震界面為T81,塔中地區(qū)中寒武統(tǒng)頂部地層有頂超現(xiàn)象,說明有局部暴露,遭受剝蝕。

        4)SSB4 為隆升不整合,在巴麥-塔中、庫魯克塔格等地存在地層缺失,是加里東運(yùn)動(dòng)早期Ⅱ幕的構(gòu)造響應(yīng)。該界面巖性巖相變化小,鉆井識(shí)別較為困難,臺(tái)相區(qū)為大套白云巖結(jié)束而灰?guī)r開始的位置,GR 變化不明顯,電阻率多由低值變?yōu)楦咧怠?duì)應(yīng)的地震界面為T80,盆地相區(qū)界面上部還可以見到前積現(xiàn)象。

        5)SSB5 為隆升不整合,臺(tái)相區(qū)表現(xiàn)明顯,界面下伏一間房組灰?guī)r(塔北)或鷹山組灰?guī)r(巴麥-塔中大部缺失一間房組),其上為奧陶系上統(tǒng)恰爾巴克組泥灰?guī)r或瘤狀灰?guī)r(塔北、巴麥-塔中)。該界面在塔北、巴麥-塔中存在程度不同的地層缺失,塔北缺失2~3 個(gè)牙形刺帶[14],巴麥-塔中多缺失8~12 個(gè)牙形刺帶[15],時(shí)間間斷最多在10 Ma 以上,是加里東運(yùn)動(dòng)中期Ⅰ幕(全球事件)的構(gòu)造響應(yīng)。該界面在臺(tái)相區(qū)為暴露不整合,界面之下發(fā)育加里東中期巖溶。巖相變化大,測(cè)井極易識(shí)別,GR 在界面之下多為穩(wěn)定的低值,在界面之上為尖峰狀高值,對(duì)應(yīng)的地震界面為T74,為連續(xù)的強(qiáng)反射,局部地區(qū)(如塔中)可見削截下伏地層。

        6)SSB6 為隆升不整合,該界面在塔北—巴麥—塔中均不同程度缺失,在柯坪見褐鐵礦化風(fēng)化殼,缺失多個(gè)筆石帶,是加里東運(yùn)動(dòng)中期Ⅱ幕的構(gòu)造響應(yīng)。對(duì)應(yīng)的地震界面為T70,大部地區(qū)表現(xiàn)為中—強(qiáng)高連續(xù)波組。

        2.3 層序特征

        通過典型井層序地層分析,利用地震剖面層序界面標(biāo)定與追蹤,塔里木全盆下古生界碳酸鹽巖層序在不同區(qū)域具有不同特征(見圖1)。

        圖1 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序地層分區(qū)特征

        1)SSQ1 層序在巴麥-塔中底部玉爾吐斯組多為代表寒武紀(jì)最大海侵沉積的黑色泥巖,方1 井、和4 井等高部位為陸源碎屑巖或硅藻巖等淺水沉積,存在2 個(gè)小殼動(dòng)物化石帶[11]。玉爾吐斯組之上為向上變淺的碳酸鹽臺(tái)地生長序列,巖性由肖爾布拉克組局限臺(tái)地沉積的白云巖變?yōu)槲崴筛駹柦M蒸發(fā)臺(tái)地沉積的褐色膏鹽巖,頂部存在短暫的暴露剝蝕。塔北為局限臺(tái)地-臺(tái)地邊緣的晶粒白云巖夾砂屑白云巖、鮞粒白云巖,膏鹽巖不發(fā)育,頂部的暴露剝蝕不明顯。塔東及庫魯克塔格盆地相區(qū)處于較深水部位,海平面下降影響不到此區(qū)域,主要為欠補(bǔ)償?shù)幕液谏鄮r、泥質(zhì)灰?guī)r沉積。

        2)SSQ2 層序在巴麥-塔中表現(xiàn)為向上變淺的碳酸鹽巖臺(tái)地生長序列,巖性由沙依里克組灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘⑼咚窠M褐色灰色膏巖、鹽巖夾云巖,表明早期開放的開闊臺(tái)地演變?yōu)榘敕忾]的局限臺(tái)地—蒸發(fā)臺(tái)地,反映海平面下降,存在短暫的暴露剝蝕。塔北阿瓦塔格組不發(fā)育膏鹽巖,巖性為晶粒白云巖夾少量顆粒白云巖,為局限臺(tái)地相,頂部暴露剝蝕不明顯。盆地相區(qū)SSQ2 為莫合爾山組,巖性主要為灰黑(紫)色薄層狀灰?guī)r夾少量棕褐色鈣質(zhì)頁巖及中厚層灰?guī)r及砂、泥質(zhì)灰?guī)r。與SSQ1 相似,處于較深水位置,沉積相變化不大,為陸棚—盆地沉積。

        3)SSQ3 層序在巴麥-塔中為向上變淺的局限臺(tái)地生長序列,巖性為大套白云巖的疊置,下奧陶統(tǒng)顆?;?guī)r與薄層白云巖超覆在上寒武統(tǒng)的暴露面上。塔北與巴麥-塔中的巖性差異消失,同為局限臺(tái)地,巖性主要為晶粒白云巖。盆地相區(qū)SSQ3 為突爾沙克塔格組下部,巖性主要為灰色厚層塊狀?yuàn)A薄層狀灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖,仍處于較深水位置,為陸棚—盆地沉積。

        4)SSQ4 層序在巴麥-塔中為淺灰色白云巖-少量灰?guī)r-白云巖-顆?;?guī)r-生物灰?guī)r巖性組合,頂部一間房組富產(chǎn)頭足類、三葉蟲化石。SSQ4 頂部為暴露剝蝕面,界面附近存在加里東中期巖溶,大部分地區(qū)缺失頂部一間房組和鷹山組上部灰?guī)r。塔北與巴麥不同的是鷹山組下部為較純的灰?guī)r,為微晶灰?guī)r與藻砂(礫)屑灰?guī)r組成的沉積序列,下部為潮下潮道沉積的砂(礫)屑灰?guī)r、藻砂屑灰?guī)r,上部為潮間微晶灰?guī)r、云化微晶灰?guī)r。一間房組為明顯的生物灰?guī)r,可見建礁演化過程,厚90~140 m。塔北一間房組仍產(chǎn)三葉蟲和介形蟲類,可與巴麥-塔中對(duì)比。盆地相區(qū)SSQ4 主要為灰色灰質(zhì)泥巖夾薄層灰色泥質(zhì)粉砂巖、黑色硅質(zhì)巖等,仍為欠補(bǔ)償沉積,上部存在濁積,沒有暴露現(xiàn)象。

        5)SSQ5 層序在巴麥-塔中底部恰爾巴克組為海平面迅速上升的產(chǎn)物,主要為泥灰?guī)r,之后沉積良里塔格組顆粒灰?guī)r,桑塔木組泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)粉砂巖。良里塔格組頂部發(fā)育加里東中期溶蝕孔洞,頂界T72為典型的暴露不整合與海侵上超不整合的疊合界面(三級(jí)層序界面)。塔北SSQ5 底部發(fā)育深水的瘤狀灰?guī)r、含薄殼介形蟲的微晶灰?guī)r,厚度較穩(wěn)定,良里塔格組主要為藻粘結(jié)灰?guī)r,部分鉆井還含有反映較深水沉積環(huán)境的深灰色微晶灰?guī)r或紫紅色生屑灰?guī)r夾紫紅色泥巖條帶,生物組合為藻、海百合、海膽、腕足等淺海正常鹽度生物。桑塔木組為深灰灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,南部厚度最大達(dá)600 m以上。盆地SSQ5 為卻尓卻克組中、上段的一套巨厚的陸源碎屑濁積巖,巖性為綠色粗—細(xì)砂巖與粉砂巖、泥巖不等厚互層,厚600~700 m。

        2.4 層序地層格架

        在井震結(jié)合的基礎(chǔ)上,進(jìn)行全盆地地震層序解釋,建立層序地層格架(見圖2),解釋發(fā)現(xiàn):巴麥SSB1—SSQ4 由北向南層序厚度變薄,由西向東則表現(xiàn)為層序厚度增大。巴麥地區(qū)層序厚度變化一方面由各層序內(nèi)部層序上超變薄所致,另一方面則由中、下奧陶統(tǒng)頂部遭受不同程度的剝蝕引起,巴麥西部剝蝕程度明顯強(qiáng)于東部。SSQ4 在巴麥層序底部界面(T80)的削截、上超特征清楚。層序內(nèi)發(fā)育以上超為標(biāo)志的海進(jìn)早期沉積,且都由多個(gè)次一級(jí)層序組成,次級(jí)層序呈上超組合,向?qū)有虻捉缑嬷饘由铣鉁?,這種組合特征在和田河和巴麥區(qū)域大剖面上均較明顯。另外,SSQ4 內(nèi)部發(fā)育規(guī)模較大的礁(或丘)體,其反射特征比較典型。

        塔中寒武系—下奧陶統(tǒng)厚度較穩(wěn)定,由南向北緩慢增厚。SSQ1 與SSQ2 地震剖面的突出特點(diǎn)是局部層序增厚,并發(fā)育頂超和前積,這種現(xiàn)象可能與膏泥巖受擠壓塑性流動(dòng)有關(guān)。SSQ3 與SSQ4 地震反射弱,缺少可連續(xù)追蹤的反射波。其中,SSQ3 反射略強(qiáng)于SSQ4,二者之間有著較清晰的分界線,這是能夠在上寒武統(tǒng)與下奧陶統(tǒng)之間進(jìn)行地震層序劃分、對(duì)比的基礎(chǔ)。這套地震反射特征代表了沉積環(huán)境穩(wěn)定、巖性均一的層序發(fā)育特點(diǎn)。

        塔北SSB1—SSQ4 東厚西薄,呈不明顯的楔狀,塔北北部層序由于強(qiáng)烈的剝蝕而明顯薄于南部。在塔北東部的阿克庫勒地區(qū)及其以東,各層序內(nèi)部發(fā)育多期特征明顯的由西向東的大型S 型、S-斜交型和斜交型前積結(jié)構(gòu),代表著不同時(shí)期形成的具有向東遷移特征的臺(tái)緣相沉積特征。在阿克庫勒以其以東的臺(tái)地邊緣區(qū),代表礁灘沉積的丘形反射現(xiàn)象明顯,并具有逐期向東遷移的特征。

        SSQ5 在滿加爾坳陷和塘古孜巴斯坳陷,發(fā)育了巨厚的濁積(可達(dá)3 000 m),而塔中、巴麥和塔北層序厚度迅速減薄,總體上呈東厚西薄的巨大楔狀體,以細(xì)砂巖、粉砂巖與泥巖、頁巖互層為主要沉積特征。滿加爾物源主要來自盆地東、南方向,形成了東南方向的大角度前積。

        圖2 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序地層格架

        3 層序-沉積演化

        塔里木陸塊震旦紀(jì)從碎屑巖過渡為碳酸鹽巖沉積,呈現(xiàn)西臺(tái)東盆的沉積格局,之后相對(duì)海平面整體上升。西部臺(tái)地逐步縮小,晚奧陶世2 次海侵后轉(zhuǎn)化為碎屑巖沉積;東部(滿加爾)晚奧陶世由欠補(bǔ)償盆地轉(zhuǎn)為濁積盆地。整個(gè)碳酸鹽巖臺(tái)地呈現(xiàn)緩坡型碳酸鹽巖臺(tái)地—弱鑲邊型碳酸鹽巖臺(tái)地—鑲邊型碳酸鹽巖臺(tái)地—淹沒型碳酸鹽巖臺(tái)地的演化過程(見圖3)。晚震旦世,西部(沙4、塔東1 井)碳酸鹽巖臺(tái)地發(fā)育局限臺(tái)地白云巖,臺(tái)地頂部存在古巖溶暴露,為陸上暴露不整合(柯坪運(yùn)動(dòng),T90);東部(滿加爾、庫魯克塔格)欠補(bǔ)償盆地主要為泥質(zhì)沉積,厚度較小。臺(tái)盆之間為過渡的臺(tái)地邊緣-臺(tái)緣斜坡窄相帶。

        SSQ1,早期(玉爾吐斯組沉積期)海侵淹沒了之前的碳酸鹽巖臺(tái)地,玉爾吐斯組多為深水黑色泥巖。在緩坡型臺(tái)地背景下,海侵沉積之上發(fā)育向上變淺的碳酸鹽巖臺(tái)地生長序列,由局限臺(tái)地白云巖過渡為蒸發(fā)臺(tái)地(塔北蒸發(fā)臺(tái)地不發(fā)育)膏鹽巖夾膏質(zhì)云巖、膏質(zhì)泥巖,頂部存在短暫暴露剝蝕,東部欠補(bǔ)償盆地主要為陸棚-盆地沉積的暗色泥巖及微晶灰?guī)r。

        圖3 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖臺(tái)地沉積演化

        SSQ2,西部碳酸鹽巖臺(tái)地由早期海侵形成的開放的開闊臺(tái)地變淺,轉(zhuǎn)化為半封閉的局限臺(tái)地—蒸發(fā)臺(tái)地,巖性由灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)樵茙r、膏鹽巖。臺(tái)地頂部存在短暫的暴露剝蝕,可能還發(fā)生了一次小規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(地震T81)。東部欠補(bǔ)償盆地主要為陸棚—盆地暗色薄層狀灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖沉積。

        SSQ3,西部碳酸鹽巖臺(tái)地為向上變淺的局限臺(tái)地生長序列,發(fā)育大套白云巖,頂部受全球海平面下降影響存在暴露,可視為暴露巖溶面(加里東早期Ⅱ幕,T80);東部欠補(bǔ)償盆地主要為陸棚—盆地相鈣質(zhì)頁巖。

        SSQ4,西部碳酸鹽巖臺(tái)地由局限臺(tái)地逐漸過渡為開闊臺(tái)地,巖性由白云巖過渡為灰?guī)r,晚期開闊臺(tái)地及臺(tái)緣發(fā)育海綿礁,形成鑲邊型臺(tái)地。臺(tái)地頂部存在明顯的暴露剝蝕及喀斯特化(加里東中期Ⅰ幕,T74)。東部由欠補(bǔ)償盆地過渡為濁積盆地。

        SSQ5,西部碳酸鹽巖臺(tái)地經(jīng)歷2 次與全球海平面上升淹沒后消亡,第1 次淹沒的是一間房組開闊臺(tái)地,沉積了恰爾巴克組泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r(厚5~70 m),塔北、塔中2 個(gè)臺(tái)地開始分異并縮小,且被阿瓦提-順托果勒臺(tái)間盆地分割,臺(tái)地頂部存在暴露剝蝕及加里東中期溶蝕(T72)。第2 次淹沒的是良里塔格組開闊臺(tái)地,沉積了泥灰?guī)r、泥巖。東部濁積盆地發(fā)育陸源碎屑濁積巖,厚600~700 m,頂部存在暴露剝蝕(T70)。

        4 油氣勘探意義

        構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降和古氣候是塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序發(fā)育的主要控制因素。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了古地貌和層序界面的形成,伴隨海平面下降可使碳酸鹽巖臺(tái)地暴露剝蝕(干旱氣候),甚至喀斯特化(潮濕氣候)。因此,海平面下降(多疊加構(gòu)造隆升)形成碳酸鹽層序界面上的巖溶,影響著碳酸鹽巖儲(chǔ)集體的發(fā)育。如SSQ4 頂部一間房組受加里東中期Ⅰ幕影響,在巴麥、塔中地區(qū)均發(fā)現(xiàn)層序界面附近有大量的巖溶型儲(chǔ)集體,層序界面之上的海侵(恰爾巴克組)又為之提供區(qū)域蓋層,滿加爾凹陷欠補(bǔ)償?shù)纳詈2叟璩练e了富生物營養(yǎng)鏈的烴源巖[5]。塔北地區(qū)SSQ3 層序頂部寒武系白云巖也發(fā)育一套由巖溶風(fēng)化殼組成的儲(chǔ)集體[16],儲(chǔ)集空間為溶洞+溶孔+裂縫。層序格架下生儲(chǔ)蓋的良好匹配關(guān)系為油氣成藏研究及油氣勘探提供了思路。

        5 結(jié)論

        1)在區(qū)域構(gòu)造及沉積相研究基礎(chǔ)上,綜合年代地層、巖石地層、生物地層及地震地層,塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖可識(shí)別、劃分為5 個(gè)二級(jí)層序。

        2)塔里木陸塊在震旦紀(jì)—奧陶紀(jì)被天山洋和昆侖洋環(huán)繞,從晚震旦世晚期開始呈現(xiàn)西臺(tái)東盆的沉積格局。下古生界碳酸鹽巖沉積演化過程為,蒸發(fā)、局限臺(tái)地—臺(tái)緣—斜坡—陸棚—欠補(bǔ)償盆地模式(SSQ1—SSQ2),局限臺(tái)地—臺(tái)緣—斜坡—陸棚—欠補(bǔ)償盆地模式(SSQ3),開闊臺(tái)地—臺(tái)緣—斜坡—陸棚—欠補(bǔ)償盆地模式(SSQ4),開闊(淹沒)臺(tái)地—臺(tái)緣—斜坡—(混積)陸棚—濁積盆地模式(SSQ5)。

        3)碳酸鹽巖臺(tái)地在層序界面上均遭受不同程度的剝蝕及喀斯特化,SSQ4 在巴麥地區(qū)尤為明顯,這對(duì)巖溶型儲(chǔ)集體的勘探具有指導(dǎo)意義。

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