馬 濤， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 劉 歡， 由夏冰

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

肥東低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石變形特征

馬 濤， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 劉 歡， 由夏冰

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

肥東低角度韌性剪切帶緊鄰郯廬斷裂帶巨大的近直立的左行平移韌性剪切帶發(fā)育，其巖石變質(zhì)變形特征具有韌性剪切帶的一般特征，即越靠近剪切帶內(nèi)側(cè)，巖石變質(zhì)變形程度越強(qiáng)，遠(yuǎn)離韌性剪切帶，巖石變質(zhì)變形強(qiáng)度越弱。低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖變形強(qiáng)烈，變質(zhì)相可達(dá)到角閃巖相，其變質(zhì)變形程度與直立的郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱變質(zhì)變形程度類似，兩者在形成環(huán)境和成因類型上統(tǒng)一，具有大陸巖石圈被高角度韌性剪切帶切割并沿低角度韌性剪切帶逆沖推覆的形成機(jī)制。

低角度韌性剪切帶；郯廬斷裂帶；古應(yīng)力差；應(yīng)變速率；石英C軸組構(gòu)

韌性剪切帶近年來(lái)一直是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的重點(diǎn)之一，通過(guò)對(duì)韌性剪切帶幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及顯微構(gòu)造特征的研究，可以了解其所反映的構(gòu)造變形環(huán)境，進(jìn)而探討地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在位于安徽東部張八嶺隆起的南部、浮槎山構(gòu)造區(qū)東側(cè)的西韋地區(qū)發(fā)現(xiàn)的低角度韌性剪切帶在空間上與相鄰的高角度郯廬斷裂帶中發(fā)育的超糜棱巖帶相連，兩者具有成因上的相關(guān)性和巖石變質(zhì)變形特征上的相似性。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

西韋地區(qū)出露的低角度韌性剪切帶西側(cè)緊鄰近直立的大規(guī)模左行平移斷裂帶——郯廬斷裂帶，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線受郯廬斷裂帶影響，呈北北東走向，如圖1所示（據(jù)中華人民共和國(guó)地質(zhì)圖H50E002015（烔陽(yáng)河幅）及H50E001015（梁園鎮(zhèn)幅）修改，1999年安徽省地質(zhì)調(diào)查院測(cè)制）。區(qū)內(nèi)主要出露古元古界肥東群變質(zhì)雜巖，它是下?lián)P子地區(qū)揚(yáng)子板塊上出露的最深變質(zhì)的巖石［1－4］。

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

1.2 低角度韌性剪切帶野外地質(zhì)特征

低角度韌性剪切帶發(fā)育于古元古界肥東群中，其野外照片如圖2所示。韌性剪切帶內(nèi)及兩側(cè)巖石變質(zhì)程度由淺到深依次有長(zhǎng)英質(zhì)初糜棱巖、糜棱巖和超糜棱巖，帶內(nèi)出露的超糜棱巖帶露頭長(zhǎng)約90 m，厚0.5～1.0 m，東側(cè)略向上揚(yáng)起，西側(cè)傾伏于地表之下并與郯廬斷裂帶高角度韌性剪切帶相連。

野外露頭的西側(cè)為郯廬斷裂帶厚度在10 m以上的糜棱巖和超糜棱巖，其自西向東具代表性的糜 棱 巖 面 理 依 次 為 140°∠80°、136°∠65°、130°∠59°，顯示為上部較陡立、下部漸平緩，西側(cè)較陡立、東側(cè)較平緩的連續(xù)的弧形形態(tài)（圖2d），且不同位置糜棱面理上發(fā)育較為統(tǒng)一的礦物拉伸線理，具代表性的線理為194°∠20°。剪切帶的弧形下部向東為人工采石堆所遮蓋，沿該超糜棱巖帶的延伸趨勢(shì)，采石堆東側(cè)露頭見較為平直的低角度韌性剪切帶，寬度為0.5～1.0 m，帶內(nèi)發(fā)育超糜棱巖，糜棱面理195°∠20°，超糜棱巖面理上發(fā)育的礦物拉伸線理為傾向線理，產(chǎn)狀195°∠20°（圖2a）。低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生糜棱巖化（圖2b），部分達(dá)到超糜棱巖，低角度韌性剪切帶下方先期片麻巖面理為175°∠18°，被低角度韌性剪切帶牽引（圖2c）。剪切帶上方發(fā)育有寬度最大達(dá)1 m的中酸性巖脈，拖尾向西，顯示其具有向北東方向逆掩的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

圖2 低角度韌性剪切帶野外照片

剪切帶內(nèi)以及其下部發(fā)育有具透入性構(gòu)造特征的中酸性巖石，其形成的面理與剪切帶內(nèi)超糜棱巖面理構(gòu)成S－C組構(gòu)，超糜棱巖形成的C面理與中酸性巖石形成的S面理之間形成10°～30°夾角，指示該剪切帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向?yàn)橛赡衔飨虮睎|的逆沖，剪切帶內(nèi)變形特征如圖3所示。

圖3 低角度韌性剪切帶內(nèi)變形特征

韌性剪切帶產(chǎn)狀與其形成的構(gòu)造背景有關(guān)。有研究者根據(jù)大型韌性剪切帶的產(chǎn)狀將其劃分為產(chǎn)狀較陡的大型韌性平移剪切帶和產(chǎn)狀較緩的大型推覆型韌性剪切帶，如果考慮韌性剪切帶的產(chǎn)狀和運(yùn)動(dòng)方式，韌性剪切帶應(yīng)分為3種類型：走滑（平移）型、推覆（逆沖）型和滑覆（正滑）型［5］。與北北東向郯廬斷裂帶（走滑型韌性剪切帶）相伴生的西韋低角度韌性剪切帶屬低角度推覆型韌性剪切帶。

逆沖推覆構(gòu)造由于應(yīng)力狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)和流變學(xué)狀態(tài)的差異，在逆沖方向上可分為根帶、中帶和鋒帶3個(gè)主變形帶。具體特征上，根帶、中帶和鋒帶的產(chǎn)狀依次變陡，變質(zhì)變形程度依次減弱。西韋低角度韌性剪切帶內(nèi)的超糜棱巖帶表現(xiàn)出較低的產(chǎn)狀、變形性狀上塑性增強(qiáng)，具備較高的應(yīng)變狀態(tài)，表明其在構(gòu)造位置靠近逆沖推覆構(gòu)造的根帶。文獻(xiàn)［6］在對(duì)本區(qū)域郯廬斷裂帶超糜棱巖的研究中指出，肥東韌性剪切帶目前出露的為該斷裂帶的根部，具備典型的深層次左行走滑變形。

2 巖石特征及估溫

2.1 巖石的鏡下特征

顯微鏡下糜棱巖中礦物以斜長(zhǎng)石、石英和角閃石為主，部分含少量云母和綠簾石。斜長(zhǎng)石發(fā)生機(jī)械破碎、波狀消光和機(jī)械雙晶，石英發(fā)生鼓脹式重結(jié)晶、顆粒邊界遷移動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和亞顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等多種形式的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶，并具核幔構(gòu)造。剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生強(qiáng)烈糜棱巖化，表現(xiàn)為礦物顆粒強(qiáng)烈的細(xì)?；退苄宰冃?。隨著遠(yuǎn)離剪切帶中心位置，巖石的糜棱巖化逐漸減弱，即表現(xiàn)為由超糜棱巖—糜棱巖—初糜棱巖化的變化。鏡下巖石變形特征如圖4所示。

圖4 鏡下巖石變形特征

圖4a為剪切帶內(nèi)超糜棱巖，斜長(zhǎng)石和石英發(fā)生十分強(qiáng)烈的細(xì)粒化，并發(fā)生強(qiáng)烈的塑性拉長(zhǎng)，顯示出強(qiáng)烈的應(yīng)變狀態(tài)；圖4b為旋轉(zhuǎn)的斜長(zhǎng)石σ型斑晶，指示左旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)；圖4c中角閃石斑晶形成書斜構(gòu)造，指示左旋運(yùn)動(dòng)；圖4d中石英顆粒邊緣發(fā)生動(dòng)態(tài)重結(jié)晶。

由巖石的鏡下特征可以判斷，韌性剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，巖石的變質(zhì)變形特征以及定向標(biāo)本所反映的運(yùn)動(dòng)方向，和該韌性剪切帶在宏觀上的特征一樣，指示出較強(qiáng)的應(yīng)變狀態(tài)和逆沖的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性。

2.2 糜棱巖化過(guò)程中礦物變形溫度的估計(jì)

巖石中的石英和斜長(zhǎng)石具有明顯的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和變形特征，應(yīng)用糜棱巖化過(guò)程中的礦物溫度計(jì)對(duì)其顯微鏡下所反映的溫度進(jìn)行分析。

糜棱巖化過(guò)程中石英和長(zhǎng)石的變形和重結(jié)晶主要受控于溫度，因此可以通過(guò)石英和長(zhǎng)石的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶形式對(duì)糜棱巖的形成溫度進(jìn)行估計(jì)。石英的重結(jié)晶開始于300℃下，從300～700℃過(guò)程中，分別經(jīng)歷鼓脹式重結(jié)晶（BLG）、顆粒邊界遷移動(dòng)態(tài)重結(jié)晶（SR）和亞顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶（GBM）。鏡下巖石重結(jié)晶特征如圖5所示。在300～380℃主要發(fā)生BLG重結(jié)晶（圖5a），380～420℃，BLG向SR轉(zhuǎn)變，420～480℃發(fā)生SR重結(jié)晶（圖5b），500℃以上時(shí)GBM動(dòng)態(tài)重結(jié)晶占主要地位（圖5c）。長(zhǎng)石也是糜棱巖中的主要變形礦物，糜棱巖化過(guò)程中，長(zhǎng)石的變形與石英相似，也可分為鼓脹式重結(jié)晶、亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶3個(gè)階段，但其變形溫度高于石英，300～400℃時(shí)，長(zhǎng)石主要變現(xiàn)為顯微破裂，雙晶紋彎曲、波狀消光和機(jī)械雙晶，400～500℃時(shí)長(zhǎng)石塑性變形和顯微破裂共存（圖5d），500～650℃時(shí)長(zhǎng)石顆粒表現(xiàn)為BLG動(dòng)態(tài)重結(jié)晶，650～850℃時(shí)表現(xiàn)為SR動(dòng)態(tài)重結(jié)晶為主，850℃以上時(shí)以獨(dú)立的SR重結(jié)晶存在。據(jù)此可以通過(guò)鏡下石英和長(zhǎng)石的顆粒重結(jié)晶特征來(lái)估計(jì)其糜棱巖化過(guò)程中的溫度［7－8］，西韋低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石變形溫度估計(jì)見表1所列。

圖5 鏡下巖石重結(jié)晶特征

表1 部分巖石標(biāo)本鏡下特征及估溫

3 石英變形及分維值

由于低角度與高角度韌性剪切帶存在空間的相連性，可通過(guò)分維分析和確定古應(yīng)力差應(yīng)變速率的方法，定量地探索低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石的變質(zhì)變形規(guī)律以及兩剪切帶之間巖石變質(zhì)變形程度的關(guān)系。

3.1 分形維數(shù)

韌性變形巖石中動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的石英顆粒邊界具有自相似性，表現(xiàn)出分形特征，動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的石英顆粒邊界的分形維數(shù)隨溫度的升高而降低，隨應(yīng)變速率的增大而增大，可以作為韌性變形應(yīng)變速率的標(biāo)度計(jì)。不同溫度范圍的石英顆粒邊緣的分形具有不同的分形維數(shù)，低綠片巖相變質(zhì)巖中石英顆粒邊界的分維數(shù)在1.23～1.31之間，高綠片巖相到低角閃巖相為1.14～1.23，麻粒巖相為1.05～1.14［9－10］。韌性變形巖石中的石英顆粒在重結(jié)晶過(guò)程中分維數(shù)隨溫度的升高而減小。

Takahashi通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，把分維數(shù)D、變形溫度T和應(yīng)變速率ε聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)最小二乘法線性擬合得到（1）式［11］：

其中，φ＝9.34×10－2；ρ＝6.44×102。

3.2 面積周長(zhǎng)法

面積周長(zhǎng)法是通過(guò)不規(guī)則復(fù)雜曲線的周長(zhǎng)與具有相同面積的圓的直徑比較來(lái)確定分維數(shù)的方法。

在待測(cè)巖石的顯微照片上利用軟件測(cè)定石英顆粒的周長(zhǎng)P和面積A，計(jì)算出相同面積圓的直徑d，將測(cè)量數(shù)據(jù)投在雙對(duì)數(shù)圖上，其最小二乘法擬合線的斜率即為分維值D，周長(zhǎng)－粒徑雙對(duì)數(shù)圖如圖6所示。

圖6 周長(zhǎng)－粒徑雙對(duì)數(shù)圖

3.3 古應(yīng)力差和應(yīng)變速率

Twiss提出的通過(guò)石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒的粒徑計(jì)算差異應(yīng)力的公式為［12－16］：

其中，d為動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的粒徑；Δσ為差異應(yīng)力。利用（2）式計(jì)算出巖石變形的差異應(yīng)力。

Parrish提出的的濕石英流變速率公式為：

其中，ε為應(yīng)變速率；Δσ為差異應(yīng)力。

選取 FW2－2、FW2－20 、FW2－21、FW2－23等巖石樣品做石英顆粒變形分維分析，其中標(biāo)本FW2－2為近直立郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖，F(xiàn)W2－20為低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖，F(xiàn)W2－21、FW2－23垂向上依次遠(yuǎn)離低角度韌性剪切帶。從巖石鏡下特征來(lái)看，標(biāo)本FW2－20、FW2－21、FW2－23變質(zhì)變形強(qiáng)度依次減弱，礦物變形估溫依次降低，而高角度超糜棱巖帶內(nèi)巖石標(biāo)本FW2－2的變質(zhì)變形強(qiáng)度與FW2－20相類似。

顯微鏡下對(duì)每個(gè)標(biāo)本選取不少于50個(gè)顆粒做分維分析，并計(jì)算其差異應(yīng)力和應(yīng)變速率，結(jié)果見表2所列。

表2 石英顆粒邊界分形特征

從計(jì)算結(jié)果可以看出，所選取4個(gè)標(biāo)本的分形維數(shù)為1.163～1.227，表明所選取標(biāo)本的變質(zhì)相應(yīng)為高綠片巖相到低角閃巖相，隨糜棱巖化程度的加深，石英顆粒的分維數(shù)逐漸升高、差異應(yīng)力逐漸降低、應(yīng)變速率逐漸降低。

低角度韌性剪切帶中央超糜棱巖的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果與高角度郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖相近，兩者的古應(yīng)力差、應(yīng)變速率和分形維數(shù)相似，表明兩剪切帶在形成環(huán)境和變形變質(zhì)條件上具有相似性。

4 石英C軸組構(gòu)

礦物沿特定的滑移系發(fā)生位錯(cuò)蠕變可形成晶格優(yōu)選定向，成為組構(gòu)。通常用下半球等面積赤平投影的形式將光軸、雙晶面極點(diǎn)等結(jié)晶學(xué)要素投影到平面上，做出等密度圖來(lái)表示礦物晶體的優(yōu)選定向，稱為礦物組構(gòu)圖。石英是韌性剪切帶中最重要的組成礦物之一，也是人們最早用以研究巖石組構(gòu)的礦物之一，剪切帶內(nèi)巖石中石英C軸組構(gòu)的特征可以給剪切帶的變形機(jī)制和變形環(huán)境提供重要信息［17－18］。

石英的滑移系很多，大致可分為底面滑移、菱面滑移和柱面滑移。不同的滑移系在不同溫度下起主導(dǎo)作用，而不同的滑移系在剪切作用下產(chǎn)生不同的石英晶格優(yōu)選方位，導(dǎo)致不同的石英光軸排列。通過(guò)測(cè)量剪切帶中石英C軸分布的極圖，可推測(cè)剪切帶的剪切溫度和剪切指向。研究表明，石英的滑移系在400℃以下以底面滑移為主，400℃以上開始出現(xiàn)菱面滑移，且兼有底面滑移和柱面滑移，650℃以上表現(xiàn)為柱面滑移為主。石英滑移系在極圖上的表現(xiàn)為點(diǎn)極密從邊緣至中心的不同分布，從極圖邊緣至中心依次為底面滑移、菱面滑移和柱面滑移［19－21］。

利用EBSD技術(shù)可快速精準(zhǔn)地獲取礦物的晶格取向信息，其效率和精確度大大優(yōu)于傳統(tǒng)的光學(xué)方法。

本次實(shí)驗(yàn)于合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心完成，采用JSM－6490LV型掃描電鏡和Channel5型EBSD儀，加速電壓15 k V，工作距離12 mm。選取垂直面理、平行于線理的方向進(jìn)行樣品的切割，經(jīng)過(guò)研磨、拋光、噴碳以后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到的極圖如圖7所示。

圖7 EBSD分析石英C軸組構(gòu)極圖

圖7a～圖7c 3個(gè)樣品為低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖。圖7d～圖7f 3個(gè)樣品為代表郯廬斷裂帶的高角度韌性剪切帶內(nèi)巖石，圖7d樣品為變質(zhì)變形程度最為強(qiáng)烈的超糜棱巖，采樣位置上，圖7e、圖7f樣品依次遠(yuǎn)離圖7d樣品，向片麻巖靠近。

圖7a～圖7c 3個(gè)樣品的點(diǎn)集密分布在圓周向中心靠近的位置，表明其滑移系表現(xiàn)為菱面滑移為主，指示其變形溫度集中為450～550℃，圖7d～圖7f 3個(gè)樣品的點(diǎn)集密分布于圓周和中間位置，表明其滑移系為菱面滑移向底面滑移過(guò)渡的狀態(tài)，推斷其變形溫度為400～500℃。因?yàn)閳D7d～圖7f 3個(gè)樣品依次遠(yuǎn)離韌性剪切帶的強(qiáng)變形帶，其點(diǎn)集密的變化趨勢(shì)依次向圓周位置集中，表明其變形溫度上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。據(jù)極圖點(diǎn)集密的不對(duì)稱性判斷，所有樣品在運(yùn)動(dòng)學(xué)上均具有左旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，這與野外觀測(cè)和鏡下觀測(cè)的特征相符。

因此，據(jù)EBSD實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，低角度韌性剪切帶和高角度韌性剪切帶在運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性上相同，宏觀上表現(xiàn)為低角度韌性剪切帶由南西向北東逆沖，而郯廬斷裂帶為左旋平移。形成溫度上，低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石的形成溫度和高角度韌性剪切帶內(nèi)最強(qiáng)應(yīng)變的巖石的形成溫度相仿，表明其在形成溫度上的一致性。

5 結(jié) 論

（1）野外觀測(cè)的超糜棱巖帶為一由南西向北東逆沖的低角度韌性剪切帶，其在剖面上的延伸趨勢(shì)和郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖帶相連，統(tǒng)一為同一條韌性剪切帶。

（2）分維分析中，4個(gè)標(biāo)本的分形維數(shù)為1.163～1.227，屬高綠片巖相到低角閃巖相；應(yīng)變速率為（7.96～23.18）×10－11s－1，屬中應(yīng)變速率。低角度韌性剪切帶內(nèi)靠近剪切帶中央位置的巖石變質(zhì)變形程度較深，石英顆粒的分形維數(shù)逐漸升高，應(yīng)變速率逐漸減小，韌性剪切帶中央形成溫度等變形條件和變質(zhì)強(qiáng)度均高于兩側(cè)巖石并向外表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

（3）剪切帶內(nèi)巖石的石英C軸組構(gòu)具有相似性和漸變性，從點(diǎn)集密的分布狀態(tài)看，其形成溫度為400～550℃，均具有左旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性。

（4）肥東低角度韌性剪切帶與相鄰的郯廬斷裂帶的幾何形態(tài)表現(xiàn)為低角度逆沖和高角度直立剪切，并且呈相互過(guò)渡的弧形相連。這種相連在室內(nèi)分析中同樣可以得到支持，兩剪切帶內(nèi)變形強(qiáng)烈的巖石在實(shí)驗(yàn)分析上也具有相似的顯微構(gòu)造特征、應(yīng)變速率、古應(yīng)力差、分形維數(shù)、石英C軸組構(gòu)，這表明該剪切帶在形成環(huán)境和運(yùn)動(dòng)機(jī)制上的統(tǒng)一性。

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Rock deformation characteristic of low－angle ductile shear zone of Feidong

MA Tao， SONG Chuan－zhong， REN Sheng－lian， LI Jia－h(huán)ao， LIU Huan， YOU Xia－bing

（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The low－angle ductile shear zone of Feidong developed next to the huge suberect sinistral ductile shear zone of the Tan－Lu fault zone，its rock metamorphism and deformation characteristics corresponded with the general characteristics of the ductile shear zone，i.e.the closer it was to the shear zone inside，the stronger the rock metamorphism and deformation were，and the farther it was away from the ductile shear zone，the weaker the metamorphism and deformation strength were.Ultramylonite deformed greatly in low－angle ductile shear zone，the metamorphic facies reached to lower amphibolite facies，and the deformation and metamorphism degree were similar to those of ultramylonite in the erect Tan－Lu fault zone.Both were unified in the forming environment and genetic types，and the forming mechanism was that continental lithosphere was cut by high－angle ductile shear belt and thrust nappe formed along low－angle ductile shear zone.

low－angle ductile shear zone；Tan－Lu fault zone；paleo－stress difference；strain rate；quartz C axis fabric

P542.2

A

1003－5060（2015）03－0239－07

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.021

2014－02－20；

2014－04－18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41072161；41272222）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科研資助項(xiàng)目（1212011121114；201201044002）

馬 濤（1988－），男，安徽臨泉人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

宋傳中（1955－），男，安徽阜陽(yáng)人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張淑艷）