《应力场分析与裂缝预测》第3章-1古构造应力场的主应力方向分析

第三章古构造应力场分析技术一、古构造应力场的主应力方向分析二、

古构造应力大小分析三、

构造应力场的实例四、

构造应力场的模拟技术PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn1.

利用中、小型构造解析(1)

利用纵弯褶皱判断纵弯褶皱轴面与最大主应力轴垂直，褶皱枢纽相当于中间主应力轴，最小主应力轴包含在轴面内，与枢纽垂直。注意：利用褶皱构造求解应力状态一般是构造变形最后阶段的应力状态。横弯褶皱反映最大主应力方向近垂直PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn图

2

热育福皱与主应为方向Fig.2Flexurefoldandprincipalstress

orientatim.—最大主压应力；g—

中间主应万；c₃—

最小主压应力：M—

辅面；N—层间小褶铍：T

纵同逆断层PDF

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ww.finepr(2)利用节理构造判断张节理与最小主应力轴相垂直，与最大主应力轴和中间主应力轴平行。共轭剪节理：自Bucher(1920)

提出吕德尔滑移理论来解释共轭剪节理以来，普遍用共轭剪节理压缩象限平分线来判断最大主压应力方向。注意：共轭剪节理的剪切角并不一定为锐角，在塑性变形时可以为钝角。追踪张节理与最大主应力方向一致PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn图1

共轭剪市理系、维行张节理系与主应力方向PDF文件使用

pdfFactoryPro”试用版本创建(3)利用断层判断依据：

Anderson

模式正断层：0₁垂直，σ₂和σ₃水平逆断层：

o3垂直，

o₁

和

c₂

水平平移断层：σ₂垂直，σ1和σ₃水平注意：由于断层一般具有多期活动特点，断层在后

期重新活动时，断层与后期应力场的主应轴之间的关系就不一定遵循Anderson

模式。断层和剪节理主要为剪切活动，与区域构造应力场

的最大剪应力轨迹线近平行。岩墙代表了一种区域性脆性破裂构造系统，其先存破裂为张节理或剪节理。

因此，利用剪切破裂面及其相关矿脉、岩脉和岩墙可

指示剪应力迹线方位。PDF

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ww.fineprint.cnPDF文件使用

pdfFactoryPro”试用版本创建(4)其它小构造容易确定o,

小构造有：劈理、片理、片麻理、构造缝合线、构造透镜体、石香场构造等；容易确定o,

小构造有：窗棂构造、杆状构造、皱纹线理、交面线理等B型线理；容易确定o;

小构造有：拉长线理、矿物生长线理、压力影构造等。(5)遥感图象解析法遥感图象解析可获取露头区线性构造分布规律，以此来恢复区域构造应力场，减少野外工作量。PDF

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“pdfFactoryPro”试用版本创建PDF

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“pdfFactory

Pro”

试用版本创建www.fineprint.cnPDF

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www.fineprint.cn背斜轴区国代表性横张大节理二最大主应力迹我

日最小主应力迹线

E褶皱束分界线PDF

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2.

利用显微组构分析石英、方解石、白云石、云母、辉石等矿物光轴方位、

变形纹、双晶纹等，它与其它方法结合，可有效地恢复构造应力场的三个主应力产状。石英矿物的结晶光学优选方位是由晶内滑移并伴以晶粒旋转而形成的。在岩石压缩变形时，晶体沿滑移面发生滑移和旋转，使光轴逐渐转向压缩方向，使光轴向缩短方向密集，从而形成光轴(C轴)优选方位。PDF

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石英显微组构岩组图PDF

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“pdfFactoryPro”

试用版本创建PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建3.

断层擦痕滑动方向拟合法利用定向岩心或断层面上擦痕的滑动矢量数据，求解平均应力张量，包括三个主应力产状和差应力比值。根据安德森模式，断层擦痕与主应力关系：断层擦痕与o2

垂直，也与o1-o3

所在的平面垂直。若已知断层产状、断层擦痕的性质及侧伏向、侧伏角和岩石剪裂角，即可求出主应力o1、o2、o3

方位。PDF

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Pro”试用版本创建w.fineprint.cn数学算法(1)求中间应力σ₂设断层面产状为①,∠θ,,断面上擦痕侧伏角为β,o,的产状为oo,

∠8o,

,则：80₂=arcsin(sin

βsinθ)0σ₂=P-arcsin(cosβ,/cosδo2)PDF

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pdfFactoryPro”

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www.fineprint.cn(2)求σ₁-

o₃

所在平面的产状设

o₂

的方位为0σ₂

∠802,0

ro₃所在平面的产状为φ₁s∠013,则：₁₃=arctg(-m/-1)013=arcos[n/(1²+m²+n²)2]其中(1,m,n)为

o₁-o₃

所在平面的空间坐标：l=-cosδo?cos0O2m=-cos60₂sin0g₂n=sinδ02PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn(3)求断层擦痕产状设断层的产状为①,∠0,,断层擦痕的侧伏角为β,,产状为o.

∠o.,则：o=arcsin(sin

ßr

sinθr)O=-arcsin(cos

β,/cos

o

.)(4)求断层擦痕在σ₁-o₃所在平面上的侧伏角β

。=arcsin(sino./sinθ13)PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn(5)求主应力0₁

、03方位设a1、0₃的方位

为

0o1∠801、o₃

∠δ03,

则0、03在01-0₃所在平面上的侧伏角β₁、β

₃

为：正断层：β₁=β。

-aa=45⁰-U/2(u

为岩石的内摩擦角βs=90°+β

。-a逆断层：β;=β。+

aa=45°-H/2(μ为岩石的内摩擦角)β₃=β

。+a-90°PDF文件使用

pdfFactoryPro”试用版本创建从而求得o、c₃

的方位为：80₁=arcsin(sinβ,sinθ13)0G₁=1s-arcsin(cosβ₁/cosδo₁)80₃=arcsin(sinßssinθ13)0σ₃=P13-arcsin(cosβ₃/cosδo₃)通过大量断层擦痕数据的计算机处理和统计分析，最后可以求出形成擦痕的构造应力场的主

应力优选方位PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn开

始读入断层产状，性质，断层操痕方位，剪裂角求中间应力轴G₂方位业求断层探羰产状求断层擦旅在σ1-03平面上的偶伏角断层性质计算

G103

侧伏角

计算

a]d3制伏角求G13

方位结

束PDF文件使用

“pdfFactory

Pro”

试用版本创建www.fineprint.cnN(逆)Y(正)位置断层产状性质断

层

擦

痕q

方

位q

方

位B

方

位侧伏角侧伏向临桂县汉塘西100

m16D.0°/85.0°50°(8l-l-l13.0⁴28.0°-1-1L04.37°/808°35B.99°117.69°222.35°776.09°l23.62°760.7012.76°?ll.25°348

.89°/22

.52临

桂

县

林

业

机

械320.0°/86.0°-l18.Q⁴-1264.75°l3.89°43.90°(l3.89°l7l

.89°/l1

.38°东采石场325.0°/78.0°-ll5.0°-l270.5075.69°17.20°(70.88°178.62/18

.l9*定

江

镇

龙

口

北

约

2

0

0

m140.0/85.0°-l35.0°-l90.39°/25

.59°222.92154.69348.89°/22

.52⁴输出数据：

No:10断层面产状：123.00/43.00°棕痕方位：186.74/22.42°01方位：252.46/55.32*a₂

方位：80.32/34.43°a₃

方位：347.79/3,68*继续吗?……(Y/N)图2

利用擦痕求解断层应力微机程序运行结果表

1桂林市灵川—永福断裂带应力场请输入数据：

No:10断层产状：123/43*擦痕侧伏角：34*擦痕侧伏向(1,-1):1

断层性质(1,-1):1剪裂角：32°PDF文件使用

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Pro”试用版本创建

断层应力赤平投影.6盒塔嘉地类二指哈拉

连ⅡD张掖市口民乐1墙什达板断首龙

会

红

柳

的尔

金艇山网

12在电镇I

教地4

下

佛

洞裂

安南坝拉配身

Ⅱ8节肠了沟

带西宁市Ⅱ听裂

吴氏网上投影的主应力叫·02和d₃

的

方PDF文件使用

pdfFactoryPro”试用版本创建9

永

金

擦痕浦点的序号度位工

T,Ⅱ

第一-·期及第二期构造应力场⊥

ⅡI断连

←

一裂I

πI

将尔术市o老花出5赤金大柴H天门?带末山4.

根据磁组构分析原理：岩石磁化率椭球形状与应力作用方式有关，从而使磁化率椭球可以成为应力作用的指示器。

主磁化率方向与主应力方向关系：K1//(1+e1)K2//(1+e2)K3//(1+e3)K1,K2,K3为主磁化率(K1>K2>K3),主应变(1+e1)>(1+e2)>(1+e3),e1,e2,e3是主伸长。

反映岩石磁组构的最小磁化率主轴方向与构造应力

场的最大主压应力方向一致。PDF

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Pro”试用版本创建w.fineprint.cn受力情况样品数(块)磁化率各向异性度P)百分率各向异性(H)最小磁化率主轴最大磁化率主轴口

：l₃Dl₁受力前151.0585.59253.8°66.8°116.4°17.6°受力后151.0595.73227.8°51.3°110.5°18.0°实际岩样受力前后磁组构参数对比表PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn20.34.410.29.97.629.922.9220.919.229.324.921.9-10.720112.7128.2122.6128.8118.7126.8120.4117.9132.8120.4172.4115.9117284.2115.669.685.579.78082.3606767.98970.760.6656879.269.9B1点岩石磁组构分析的主要参数表K1E02

K2

E02

K3E02

K

E02

P1.859

1.817

1.78

1.8198.56

E018.44

E018.346

E018.449

E019.485

E019.376

E019.249

E019.370

E019.535

E019.371

E019.300

E019.402

E018.536

E018.249

E018.095

E018.302

E01D1g1.02331.01431.01151.01741.03791.02191.0121.00961.01371.0031.02391.0311.01381.04971.01981.1731.2314.5011.2511.0291.1481.2164.4581.2341.0261.1421.1914.2391.2181.0071.1541.2134.41.2351.021D3g44.357.856.55482.2-35.151.753.748.927.3-23.561.73369.455D2g38.631.731.4341.540.3-28.8274155.550.7-12.348.517.227.2llg39.940.938.945.7208.4187.5223.839.943.661218.9211.854.210.836.4F-0.0614-0.12360.0856-0.3875-0.3279-0.59310.27650.6787-0.02070.7173-0.0838-0.04170.5041-0.53270.105112g181.5211.1196.8204.8107.1240.7178174.2221.7199.9-83.3145.9191.8224.8174.1T0.99730.99681.00210.99030.98170.98391.00921.04150.99941.01530.99630.99751.02830.96671.0046E1.04441.02561.02541.02521.05771.02761.03371.06181.07271.02151.04451.06051.05691.06541.04513g-67.2-51.7-57.3-51.1-61.2-53.1-59.5-62-47.1-59.5-7.5-64-62.9-75.7-64.31.02061.01111.01371.00761.0191.00551.02141.05161.01311.01841.02011.02851.04251.01491.0246No.B1-15B1-14B1-13B1-10B1-9B1-12B1-11B1-8B1-7B1-6B1-5B1-4B1-3B1-2B1-1PDF

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“pdfFactory

Pro”

试用版本创建ww.fineprint.cn8.770

E018.354

E018.231

E018.452

E011.651

1.619

1.58

1.6171.05

1.0189.903

E011.0191.222

1.205

1.1561.1948.902

E018.694

E018.522

E018.706

E01FACE

DgFACE

IgPDF

文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建

+样品最大磁化率主轴K1

最大磁化率主轴库车河剖面J₁

地层样品的最大与最小磁化率

主轴投影图，

反映最大主压应力方向为北西向PDF文件使用

pdfFactoryPro”试用版本创建K1

最大磁化率主轴

K2

中间磁化率主轴

K3

最小磁化率主轴+样品最大磁化率主轴

A

样品最小磁化率主轴库车河剖面K₁

地层样品的最大与最小磁化率

主轴投影图，

反映最大主压应力方向为南北向PDF

文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建

K1

最大磁化率主轴

K2

中间磁化率主轴

K3

最小磁化率主轴+样品最大磁化率主轴

A

样品最小磁化率主轴主轴投影图，

反映最大主压应力方向为近东西向PDF

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“pdfFactoryPro”

试用版本创建www.fineprinK1

最大磁化率主轴

K2

中间磁化率主轴+样品最大磁化率主轴主轴投影图，

反映最大主压应力方向为北西向K1

最大磁化率主轴

K2

中间磁化率主轴PDF

文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.finep+样品最大磁化率主轴序

号地层时代构造变形解析的σ|方位节理分析的σ₁方

位煤镜质体反射率分析的o₁方

位磁组构分析的σ₁方位KlT8°189°25°6.5°K2J318°310°306°329°K3K358°/2°K4N,134°312°/298°库车河剖面用多种方法恢复的最大主压应力(o,)

方位对比表PDF文件使用

pdfFactoryPro”

试用版本创建www.fineprint.cn问

题1、

关于构造磁化率各向异性·

岩性是影响磁化率各向异性的主要因素：高磁化率但其各向异性低的矿物：磁铁矿、

磁黄铁矿等铁磁性矿物；低磁化率但其各向异性高的矿物：黑云母、

绿泥石等矿物；反映构造变形的主要是由同构造期生成的绿

泥石、黑云母和细粒磁黄铁矿等矿物所产生的磁

化率各向异性。·

当岩石中存在着较强的非变形期铁磁性矿物

时，构造产生的反映构造变形的磁化率各向异性

就会被掩盖。对于存在较强非变形期铁磁性矿物

的岩石，区分这两种不同类型磁性矿物产生的磁

化率各向异性是非常必要的。PDF

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pdfFactory

Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn2、

关于磁化率各向异性应用的条件在一定的条件下，磁化率各向异性度与有限

应变大小之间存在着对数关系，但磁化率各向异

性度的大小并不能代表岩石变形的强弱。岩石变

形可以是无限增加的，而磁各向异性却有一个饱

和水平，当磁性矿物优选方位达到极限状态时磁

各向异性就达到了饱和，这时岩石变形即使再增

大，其磁各向异性也不会增加。当岩石的变形达到什么程度时，构造磁化率

各向异性将占主导地位?在什么变形条件下，最

小磁化率主轴与最大主压应力方位一致?除了构

造变形程度外，还有没有其它地质条件的影响?

影响有多大?PDF

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Pro”试用版本创建

ww.fineprint.cn3、

关于应力场的分期构造应力场的存在是有时间范围的，研究构造应力场的分布时需要进行分期。如果一个地区存在多期构造应力场，而且不

同期次的构造应力场不仅存在应力大小不同，而

且其构造应力场的最大主压应力方向甚至性质(挤压或伸展)也发生较大变化的话，那么该方法是否还可适应?如果岩石没有磁组构的叠加，

而且初始磁化率各向异性被完全改造，此时岩石

的最小磁化率各向异性主轴所反映的最大主压应

力方向是哪一构造期应力场的?是反映的最初一期构造应力场?还是最强烈一期构造应力场?还是多期应力场的综合叠加的结果?后期构造作用

又是如果改造岩石的磁化率各向异性的?这是该方法在构造应力场应用的又一难题。PDF

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Pro”试用版本创建w.fineprint.cn5、利用煤的镜质体反射率分析最大主应力方位原理：煤的镜质体反射率在三维空间为各向异

性

(X

、Y

、Z,椭球体),在构造作用较强时，

Z

轴

(Rmin)

逐渐平行最大主压应力方向

(o₁),XY面平行于01。Rs=1.10

Rs

=1.13

Rs=1.35

Rs=1.0Rs=1.14

Rs=1.0390°∠90°PDF

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pdfFactoryPro”试用版本创建

01J5Rs=1.14切面180°

∠0°J1Rs=1.15J6Rg=1.19J7Rg=1.0732Rs=1.24J0Rx=1.02图

6

X煤

样

VRl

主轴赤平投影图PDF

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试用版本创建

ww6.

利用沉积相带、火山岩带或古地磁条带等推断由于区域最大主压应力方向与板内主要缩短方向基本一致，最小主压应力方向与板内主要拉张方向基

本一致，因此，

一些学者尝试用沉积相带、沉积等厚线、火山岩带、岩脉带或古地磁条带等资料来分析区域构造应力场的主应力方向。PDF

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试用版本创建

www.fineprint.cn二、古构造应力大小分析1、岩石力学试验推断(70年代前)2、

数学解析法利用共轭断裂剪切角断裂带中动力变质岩的剪切热注意：利用共轭断裂的剪切角解析法主要适应于脆性破裂条件下共轭剪切角小于

90°情况。PDF

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Pro”试用版本创建

ww.fineprint.cnσ₁为岩石极限强度，

K为初始抗剪强度，σc为抗压强度，θ为共轭剪切角。PDF

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“pdfFactory

Pro”

试用版本创建www.fineprint.cn实例：新疆准东帐北地区岩石力学实验测得的岩石力学参数平均抗压强度105.4

MPa平均初始抗剪强度27.6

MPa平均共轭剪切角65.5°(据31个观察点统计)平均差应力值121MPa(海西晚期)(陆梁地区：100-120MPa,2001)PDF

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Pro”试用版本创建

ww.fineprint.cn3.

利用显微与超显微构造估算显微构造：主要是利用方解石、白云石、辉石、条纹长石、红帘石等矿物的机械双晶化颗粒的百分数来估算剪应力值大小，它能判断剪应力的数量级。在超显微构造中，主要是利用石英、方解石、橄榄石、石灰岩、大理岩等晶体位错密度、重结晶颗粒以及亚颗粒大小来估算古差应力值。位错密度法主要适应构造活动强度中等以上，重结晶颗粒大小只适合于强烈挤压的剪切带或糜棱岩带中。PDF文件使用

pdfFactoryPro”

试用版本创建

p

为石英晶体位错密度(未变形103/cm²,

强烈变形以后可达1012/cm²)重结晶颗粒大小：石英：△o=3.81

D-0.71橄榄石：△o=20.47

D-0.79亚颗粒大小：石英：△o=(1800-1900)d-1PDF

文件使用“pdfFactory

Pro”试用版本创建www.fineprint.cn石英位错密度：△o=1.64×10~⁴×0.68

p3.

利用声发射(AE)

方法原理：声发射抹录不净现象德国学者Kaiser

效应

(1953年)实验：对大量人工样品进行多次加压，然后测量它们的声发射特征时发现，样品的声发射数

量急剧增加点的次数与加压的次数一致，即当应

力达到样品所受的先期加载应力时，都会出现明

显的声发射现象——声发射抹录不净现象。表明

岩石具有记忆曾经受到的构造运动期次和应力大

小的能力。PDF

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Pro”试用版本创建w.fineprint.cn由敬陷各地层岩石记忆的主要构造运动期次PDF

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pdfFactory

Pro”

试用版本创建ww.fineprint.cn声

发

射

数

量

(

个

)声

发

射

数

量(

个)应力

(MPa)应另(MPa)应力

(MPa)应力(MPa)试样号压应力(MPa)Gc(MPa)10-2020-3030-4040-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110KF-1c37.752.561.171.3107.5124.3-1f29.550.973.894.7KE-2c38.757.069.380.086.1-2f74.8108.5138.5KF-3c19.435.155.080.596.8-3f51.473.394.7102.9138.0KE-4c28.067.579.587.693.2-4f11.225.037.244.876.494.21040140.6KE-5c26.548.457.668.2101.3129.0-5f28.044.850.964.270.395.2KE-6c35.145.863.292.2134.5-6f77.486.694.7103.9-6z39.757.062.681.095.7104.4应出现记

忆个数13131313131313131313实际记忆

的个数256487104106记忆出现

率

(

%15.438.546.230.862547730.87746.2平均值54.065.275.795.3备注6

1

今01古G1古01古KL3

井E,

地层岩

样记忆的四次主要构造运动PDF文件使用

“pdfFactoryPro”试用版本创建地层时代井

号样品数(块)记忆的主要古构造次数活动时间新生代Q/Q与QN与QE与NK与EJ与KT与JNTB1、DMI01172EKL3、KL201、KL202123中生代KKL201、KL202164JYh2、Yn4、KL3195T地表取样156库车坳陷岩石记忆信息反映的主要古构造运动次数PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn地层时代样品井位样品数(块)燕山早期°值(MPa)燕山晚期°值(MPa)喜马拉雅早期o,值(MPa)喜马拉雅中晚期o,值I(MPa)NDW101

TB110///26/39NDW1016///56.1/81.5E+2KL201KL202KL311//50.271.6/85.2KKL201KL20210/35.259.974.8/80.9JKL3

Yn2

Yn42128.846.965.388.2/95.6库车坳陷钻井岩心声发射测量的最大有效古应力值PDF

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Pro”试用版本创建ww.fineprint.cn中国东部地区中新生代应力场研究实例PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建ww.fineprint.cn0

360kmPDF文件使用

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