梁勁1，王明君2，王宏斌1，陸敬安1，梁金強(qiáng)1

梁勁（1971－），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事天然氣水合物調(diào)查與研究工作，E-mail:Liangjin 1999@163.com。

注：本文曾發(fā)表于《現(xiàn)代地質(zhì)》2009年第2期，本次出版有修改。

1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州　510760

2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京　100037

摘要：利用地震和測(cè)井資料，綜合分析了南海北部神狐海域含天然氣水合物沉積層聲波測(cè)井速度及水合物飽和度的分布特征和變化規(guī)律，對(duì)水合物飽和度的理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)水合物穩(wěn)定帶的速度特征與飽和度的關(guān)系進(jìn)行了綜合研究。結(jié)果表明：神狐海域A站位水合物層厚度約20 m，聲波速度在1 873～2 226 m/s變化，水合物飽和度在15％～47％變化，飽和度值相對(duì)較高；受海底復(fù)雜地質(zhì)因素的影響，實(shí)測(cè)的水合物飽和度隨聲波速度的變化并不是單一的正比例關(guān)系，而是隨聲波速度的升高而上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在10％～20％變化，總體趨勢(shì)上隨聲波速度的升高而升高，并集中分布在理論曲線附近；利用熱彈性理論的速度模型計(jì)算并通過(guò)校正的水合物飽和度曲線隨速度的增加有規(guī)律增加，水合物飽和度理論曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，說(shuō)明所建立巖石物理模型正確，模型參數(shù)選取合理；可根據(jù)地震速度擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域來(lái)計(jì)算水合物飽和度，并為研究區(qū)的水合物資源量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；聲波測(cè)井；速度；飽和度

Relationship Between The Sonic Logging Velocity and Satur多功能聲級(jí)計(jì)ation for Gas Hydrate in Shenhu Region,Northern South China Sea

Liang Jin1,Wang Mingjun2,Wang Hongbin1,Lu Jingan1,Liang Jinqiang1

1.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China

2.Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China

Abstract:The distributing feature and regular pattern of sonic logging velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate-bearing sediments have been summarized by use of seismic and logging data,furthermore,theoretic calculational and practical values of gas hydrates saturation have also been compared,in Shenhu area,northern slope of South China Sea.The relationship between velocity and gas hydrates saturation in gas hydrate stability zone has been analyzed,too.These evidences show: (1)The thickness,the variety of sonic velocity,and gas hydrates saturation of gas hydrate-bearing zone are separately about 20m,1 873～2 226m/s,15％～47%,and the value of gas hydrates saturation is bigger.(2)The relationship between practical value of gas hydrates saturation and sonic velocity is not only dirECt proportion under the influence of seafloor geological factor,but practical value of gas hydrates saturation fluctuates according to sonic velocity,which the range is 10％～20%,generally increasing with increasing sonic velocity and the distribution near theoretic curve.(3)The value,which from calculated by velocity model of heat elasticity theory and corrected,of gas hydrates saturation regular raises with velocity increasing.The fit between the theoretic and practical value of gas hydrates saturation indicated that established rock physical model is correctional and selected model parameter is rational.The methods that gas hydrates saturation is calculated by use of seismic velocity may extend total research area,and it also provides basic data for resource volume of gas hydrates in research area.

Key words:gas hydrate; the sonic logging; velocity; saturation

0 引言

天然氣水合物是在低溫、高壓環(huán)境下，由水的冰晶格架及其間吸附的天然氣分子組成的籠狀結(jié)構(gòu)化合物，廣泛分布于海底和永久凍土帶。據(jù)估計(jì)，全球天然氣水合物中蘊(yùn)涵的有機(jī)碳總量是已探明的所有煤、石油、天然氣等化石類(lèi)燃料中有機(jī)碳總量的兩倍，因而是一種極有前途的21世紀(jì)乃至以后更長(zhǎng)時(shí)期的潛在能源。這種水合物對(duì)溫度、壓力十分敏感，由溫壓變化引起的水合物分解可釋放出大量溫室效應(yīng)極強(qiáng)的甲烷氣體，也會(huì)引起海底滑坡，從而破壞鉆井平臺(tái)和海底電纜等基礎(chǔ)設(shè)施。因此，當(dāng)今對(duì)賦存于海底的水合物研究已在能源、環(huán)境和災(zāi)害等領(lǐng)域引起了普遍關(guān)注。一般認(rèn)為海底天然氣水合物的儲(chǔ)量主要取決于水合物的分布面積、水合物穩(wěn)定帶的厚度、沉積層的孔隙度及水合物的飽和度（或充填率）等，所以水合物在沉積物孔隙中的飽和度對(duì)其儲(chǔ)量的估計(jì)具有重要的意義[1-2]。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2007年在神狐海區(qū)進(jìn)行了天然氣水合物鉆探取樣工作，其中在3個(gè)站位取得了天然氣水合物實(shí)物樣品。本研究通過(guò)對(duì)神狐海區(qū)聲波測(cè)井速度與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度關(guān)系的精細(xì)分析，結(jié)合聲波測(cè)井速度特征，對(duì)比速度估算水合物飽和度理論模型，最后對(duì)聲波測(cè)井速度與水合物飽和度的關(guān)系進(jìn)行了分析和探討。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于南海北部陸緣陸坡區(qū)的中段，是歐亞、太平洋和印度—澳大利亞三大板塊交匯處的一部分，地質(zhì)發(fā)展經(jīng)歷了由板內(nèi)裂陷演變?yōu)檫吘壽晗莸倪^(guò)程。研究區(qū)基底構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育、新構(gòu)造作用活躍，由于受到北東、北東東、東西、北西方向斷裂的控制，南海北部陸坡海底地形呈階梯狀逐級(jí)下降，在陸坡上發(fā)育有深海槽、海底高原、陸坡臺(tái)地、沖刷槽溝、海底陡崖、海底陡坡和海谷海丘等各種特殊構(gòu)造地貌或地質(zhì)體。研究區(qū)內(nèi)張性斷層和褶皺構(gòu)造發(fā)育，為下部天然氣向淺部地層運(yùn)移開(kāi)辟了有利通道，促使氣體向上運(yùn)移到水合物的穩(wěn)定帶上，而褶皺構(gòu)造更易于對(duì)天然氣的捕獲，進(jìn)而形成水合物礦藏。區(qū)內(nèi)還發(fā)育一系列可能與天然氣水合物有關(guān)的特殊構(gòu)造體，如滑塌體、泥底辟、增生楔等，是天然氣水合物發(fā)育的有利區(qū)域。研究區(qū)水深在800～2 000 m，東西橫跨約20 km，南北縱跨25 km，水深線走向大體與海岸線平行。海底地形比較復(fù)雜，坡度變化大，上陸坡陡，下陸坡緩。晚中新世以來(lái)深水重力流相當(dāng)發(fā)育，沉積速率達(dá)（40～120)cm/ka，高的沉積速率導(dǎo)致發(fā)育有巨厚的中、新生代快速沉積物，厚達(dá)幾千米，有的甚至超過(guò)萬(wàn)米，并在沉積中積累大量有機(jī)質(zhì)含量，為細(xì)菌將其降解成甲烷氣提供物源。經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的調(diào)查，區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多處BSR發(fā)育區(qū)，并在2007年鉆探取得天然氣水合物實(shí)物樣品[3-4]。

2 天然氣水合物飽和度的理論計(jì)算

天然氣水合物飽和度的估算可以利用一些參數(shù)反演計(jì)算來(lái)獲得，反演方法有多種分類(lèi)方法，根據(jù)反演的目標(biāo)不同可分為屬性參數(shù)反演、巖性參數(shù)反演、儲(chǔ)層參數(shù)反演三類(lèi)。根據(jù)反演方法的不同，可分為迭代正演模擬法、線性反演法與非線性反演法。本文主要應(yīng)用迭代正演模擬法反演飽和度。基本思想：假定模型的孔隙度、密度、初始飽和度及一些物性參數(shù)已知，根據(jù)給定模型計(jì)算初始飽和度下的速度，與實(shí)際反演或測(cè)井得到的速度比較，通過(guò)不斷修改模型飽和度參數(shù)，使理論計(jì)算的速度值和實(shí)際反演或測(cè)井得到的記錄最佳匹配，反復(fù)修正模型來(lái)達(dá)到反演飽和度參數(shù)目的。常用的速度估計(jì)天然氣水合物飽和度包括2種理論：一是根據(jù)雙相介質(zhì)理論推導(dǎo)出縱波速度公式來(lái)估計(jì)天然氣水合物含量和游離氣的飽和度[5-6]；二是根據(jù)熱彈性理論推導(dǎo)出縱波速度公式來(lái)估計(jì)天然氣水合物含量和游離氣的飽和度[7]。本文研究的理論計(jì)算采用熱彈性理論推導(dǎo)的縱波速度公式。

熱彈性理論的速度模型為

 

 

南海天然氣水合物富集規(guī)律與開(kāi)采基礎(chǔ)研究專(zhuān)集

 

式中：vp為縱波速度（m/s）;K為有效體積模量；μ為剪切模量；α為膨脹系數(shù)；T0為初始溫度（開(kāi)氏度）；Ce為比熱系數(shù)；ρm為沉積層有效密度（g/cm3）。

假定地層為均勻的多孔隙巖石且孔隙中流體飽和，孔隙中填充天然氣水合物和水，沉積在孔隙空間的天然氣水合物包裹著巖石顆粒，類(lèi)似于成巖膠結(jié)物，影響固體巖石的體積模量，稱(chēng)接觸膠結(jié)型水合物[8]。相鄰顆粒間普遍存在機(jī)械相互作用，同初始的巖石（因?yàn)槌跗跒檐浤z結(jié)）速度相比，天然氣水合物沉積處地震速度高，若沉淀于顆粒接觸處，則小顆粒物質(zhì)的硬度較高[9]。

對(duì)于有效熱膨脹和有效比熱系數(shù)定義為

 

 

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其中：φeff為有效孔隙度；αs為顆粒的熱膨脹系數(shù)；αw為水的熱膨脹系數(shù)；αg為游離氣的熱膨脹系數(shù)；Sw為水的飽和度；Sg為游離氣的飽和度；Ces為顆粒的比熱（J/cm3&midDOt;K）; Cew為水的比熱；Ceg為游離氣的比熱。

對(duì)于體積模量（K）采用Gassmann導(dǎo)出的計(jì)算公式[10]：

 

 

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其中，Kb為巖石基質(zhì)固有的體積模量；Km為干燥巖石骨架體積模量，R為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。

假定流體相和固體相的壓縮率為

 

 

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其中：Ss為顆粒的飽和度；Sh為水合物的飽和度；Cs為顆粒的可壓縮率；Ch為水合物的可壓縮率；Sw為水的飽和度；Sg為游離氣的飽和度；Cw為水的壓縮率；Cg為游離氣的壓縮率；體積模量和壓縮率之間滿(mǎn)足關(guān)系式：K = 1/C。

為了考慮在天然氣水合物飽和度較高時(shí)，水合物和固體基質(zhì)膠結(jié)情況的影響，采用滲濾模型[11]，即從連續(xù)狀態(tài)（完全膠結(jié)）到不連續(xù)狀態(tài)（無(wú)膠結(jié)）的轉(zhuǎn)變體系。基質(zhì)的剪切模量定義為

 

 

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其中：μsmKT為固體骨架剪切模量（完全膠結(jié)）；μsm0為固體骨架剪切模量（無(wú)膠結(jié)）；φh為水合物的體積分?jǐn)?shù)；φs為顆粒的體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)于流體相ρf和固體相ρb的密度，則分別采用：

 

 

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其中：ρw為水的密度（g/cm3）；ρg為游離氣的密度（g/cm3）；ρs為顆粒的密度（g/cm3）；ρh為水合物的密度（g/cm3）。

與固體骨架顆粒接觸型膠結(jié)的天然氣水合物，包裹或沉積在巖石顆粒相，沉積的結(jié)果使骨架的孔隙空間變小，用有效孔隙度（φeff）表示。孔隙中充填流體時(shí)，并不影響骨架孔隙的變化，孔隙度保持不變。有效孔隙度定義為

 

 

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其中：Ch為天然氣水合物的濃度；φ為巖石骨架的孔隙度。那么，充填水合物或流體的沉積層有效密度ρm可以表示為

 

 

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根據(jù)上述天然氣水合物飽和度的估算原理，建立速度與孔隙度、飽和度的巖石物理模型，模型參數(shù)包括沉積物中巖石礦物組分、海水、游離氣和天然氣水合物的物性參數(shù)。把根據(jù)假定模型的初始飽和度，通過(guò)熱彈性理論計(jì)算出含水合物地層的速度作為理論值，根據(jù)迭代正演模擬法，通過(guò)不斷修正模型參數(shù)，使理論值和實(shí)際值最佳匹配，多次迭代，即可計(jì)算出天然氣水合物的飽和度[12-15]。

3 研究區(qū)天然氣水合物聲波測(cè)井速度和飽和度

3.1 天然氣水合物聲波測(cè)井速度特征

用測(cè)井技術(shù)來(lái)確定海洋沉積物中氣體水合物與其下伏地層游離氣的聯(lián)系已被證明非常有效，測(cè)井技術(shù)能揭示實(shí)驗(yàn)室樣品難以測(cè)量到的氣體水合物現(xiàn)場(chǎng)性質(zhì)，聲波速度測(cè)井在確定地震信號(hào)與氣體水合物及游離氣關(guān)系的作用尤其明顯，如果在氣體水合物層下存在游離氣層，會(huì)導(dǎo)致速度的減少和出現(xiàn)強(qiáng)反射。神狐海區(qū)中部海區(qū)有2007年水合物鉆探的幾個(gè)先導(dǎo)孔的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，有部分聲波測(cè)井曲線呈現(xiàn)明顯的高速、速度倒轉(zhuǎn)等天然氣水合物存在的特征；根據(jù)這些速度異常特征，結(jié)合其他地球物理、地質(zhì)和地溫資料，先后在3個(gè)站位成功地鉆獲了天然氣水合物實(shí)物樣品，筆者利用這其中的一個(gè)站位（A站位）聲波測(cè)井資料，結(jié)合地震反射剖面，來(lái)分析聲波測(cè)井速度特征。

A站位位于神狐海區(qū)中部，水深1 232 m，最大井深248 m。圖1為該站位的聲波測(cè)井曲線，這是一條典型的含天然氣水合物的速度異常曲線，聲波測(cè)井段范圍為40～248 m，聲波速度值主要在1 600～2 250 m/s的范圍內(nèi)變化。按曲線變化特征可分為4段。40～195 m為第一段，聲波速度緩慢增大，范圍在1 600～1 900 m/s之間，是普通的沉積物特征。195～215 m為第二段，聲波速度隨深度增加而起伏，且表現(xiàn)為遞增快，遞減快，整段呈典型三段式異常特征，即兩頭小中間大；其中在195～215 m段聲波速度明顯增高，該厚度范圍內(nèi)聲波速度平均值為2 105 m/s，并在該段成功采集到水合物樣品，水合物厚度約20 m，水合物飽和度最高為47.3％。215～220 m段聲波速度快速下降到1750 m/s，是水合物之下存在游離氣層的緣故。220 ～248 m 段，聲波速度緩慢增加，為普通的沉積物特征。在地震剖面上， BSR特征明顯，BSR之上為眼球狀結(jié)構(gòu)，BSR 位置距海底239 ms， （圖2），根據(jù)時(shí)深轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的深度約為210 m，即測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與地震解釋的BSR位置相差不大。

 

 

圖1 A站位聲波測(cè)井速度曲線

 

 

 

圖2 通過(guò)A站位的地震反射剖面

 

3.2 天然氣水合物飽和度理論數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由于海底地層存在許多不確定的因素，利用地震波速度求取的水合物飽和度一般都需要進(jìn)行校正。天然氣水合物一般分布于海底以下未固結(jié)的沉積物中，地層巖性主要為粉砂質(zhì)泥。在利用地震波速度求天然氣水合物飽和度時(shí)，應(yīng)首先考慮對(duì)地震波速度進(jìn)行壓實(shí)校正。在未壓實(shí)的松軟地層中，聲波速度降低，而在孔隙度較大且孔隙被流體或氣體填充的壓實(shí)地層中，地震波速度同樣降低，因此只有正確地校正地層的壓實(shí)效應(yīng)才能求準(zhǔn)地層的孔隙度和飽和度參數(shù)[16-18]。

表1和圖3分別為利用熱彈性理論的速度模型計(jì)算并通過(guò)校正的天然氣水合物飽和度數(shù)據(jù)和隨縱波速度變化的飽和度曲線。理論計(jì)算的天然氣水合物飽和度數(shù)據(jù)，是一種理想型的飽和度值，圖中飽和度曲線隨速度的增加有規(guī)律增加，其變化規(guī)律滿(mǎn)足公式：

 

 

南海天然氣水合物富集規(guī)律與開(kāi)采基礎(chǔ)研究專(zhuān)集

 

式中：V為縱波速度（m/s）,S為水合物飽和度。

含水合物的沉積物中孔隙水的淡化程度與水合物飽和度之間存在著某種相關(guān)性，即氯離子濃度自上而下減小，這是巖心中水合物分解所釋放的低鹽度水淡化所造成的，所以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一般是利用巖心孔隙水氯離子淡化程度來(lái)計(jì)算水合物的飽和度。

利用巖心孔隙水氯離子淡化程度來(lái)計(jì)算水合物的飽和度，首先需要建立水合物分解前的原地孔隙水氯離子濃度剖面，從而制約由水合物分解所造成的稀釋程度。假定巖心孔隙水氯離子剖面上小于原地孔隙水氯離子剖面的部分都代表了水合物分解的影響，則可以用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行水合物飽和度的估算[19-21]:

 

 

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式中：Sh為天然氣水合物飽和度；ρh為純天然氣水合物密度，取0.9 g/cm3; Clpw為實(shí)測(cè)的巖心孔隙水中氯離子濃度；Clsw為原地孔隙水中氯離子的濃度，主要采用水取樣溫度探針測(cè)量獲得。

表2和圖4分別為神狐海區(qū)A站位的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的飽和度數(shù)據(jù)和飽和度隨聲波速度變化的散點(diǎn)圖。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的飽和度數(shù)據(jù)，是真實(shí)可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，雖然受復(fù)雜的地質(zhì)因素影響較大，飽和度與聲波速度的對(duì)應(yīng)并不嚴(yán)整，但總體趨勢(shì)上與理論計(jì)算比較接近。

 

表1 理論計(jì)算的飽和度數(shù)據(jù)

 

 

 

表2 神狐海區(qū)A站位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的飽和度數(shù)據(jù)

 

 

 

 

圖3 理論計(jì)算的水合物飽和度隨速度變化曲線

 

 

 

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度隨速度變化散點(diǎn)圖

 

4 結(jié)果討論

海底沉積層的地質(zhì)因素相當(dāng)復(fù)雜，通過(guò)熱彈性理論計(jì)算的水合物飽和度，是假設(shè)海底沉積物均勻變化的計(jì)算結(jié)果，忽略了海底復(fù)雜地質(zhì)因素帶來(lái)的影響，大大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的計(jì)算程序，是一種簡(jiǎn)單的計(jì)算結(jié)果，不可避免地存在一定的誤差。利用巖心孔隙水氯離子淡化程度來(lái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度，雖然只是某一井口位置垂向的飽和度數(shù)據(jù)，但可以擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域，并且體現(xiàn)了各種復(fù)雜影響因素，是沉積層水合物飽和度的真實(shí)體現(xiàn)。

利用理論計(jì)算的水合物飽和度與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水合物飽和度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以驗(yàn)證水合物飽和度的準(zhǔn)確度和誤差程度。圖5為神狐海區(qū)A站位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論計(jì)算的水合物飽和度交匯圖，從圖中可以看出，神狐海區(qū)A站位的水合物飽和度值大約在15％～47％之間，受海底復(fù)雜地質(zhì)因素的影響，水合物的飽和度隨聲波速度的變化并不是單一的正比例關(guān)系，而是隨聲波速度的升高而上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在10％～20％內(nèi)變化，但總體趨勢(shì)上是隨聲波速度的升高而升高，并集中分布在理論曲線附近，這說(shuō)明理論計(jì)算的速度與孔隙度、飽和度等巖石物理模型正確，模型參數(shù)選取合理，理論值和實(shí)測(cè)值的匹配達(dá)到最佳效果。

 

 

圖5 神狐海區(qū)A站位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論計(jì)算的水合物飽和度對(duì)比

 

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)神狐海區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的飽和度數(shù)據(jù)、聲波測(cè)井速度以及理論計(jì)算的水合物飽和度對(duì)比分析，總結(jié)出神狐海區(qū)水合物飽和度隨聲波速度變化規(guī)律，并得出以下結(jié)論：

1)A站位水合物層厚度約20 m，聲波速度在1 873～2 226 m/s之間變化，水合物飽和度在15％～47％之間變化，飽和度值相對(duì)較高。

2）利用熱彈性理論的速度模型計(jì)算并通過(guò)校正的水合物飽和度值，是簡(jiǎn)化了復(fù)雜地質(zhì)因素帶來(lái)的影響，飽和度曲線隨速度的增加有規(guī)律增加。

3）受海底復(fù)雜地質(zhì)因素的影響，實(shí)測(cè)的水合物飽和度隨聲波速度的變化并不是單一的正比例關(guān)系，而是隨聲波速度的升高而上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度在10％～20％內(nèi)變化，總體趨勢(shì)上隨聲波速度的升高而升高，并集中分布在理論曲線附近。

4）水合物飽和度理論曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，說(shuō)明所建立巖石物理模型正確，模型參數(shù)選取合理，可根據(jù)地震速度擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域來(lái)計(jì)算水合物飽和度，并為研究區(qū)的水合物資源量計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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