利用X射线衍射和岩矿鉴定等技术研究河南汤家坪钼矿区主要矿物标型特征

周姣花, 汪建宇, 顾茗心, 王真

周姣花, 汪建宇, 顾茗心, 王真. 利用X射线衍射和岩矿鉴定等技术研究河南汤家坪钼矿区主要矿物标型特征[J]. 岩矿测试, 2015, 34(1): 82-90. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.011
引用本文: 周姣花, 汪建宇, 顾茗心, 王真. 利用X射线衍射和岩矿鉴定等技术研究河南汤家坪钼矿区主要矿物标型特征[J]. 岩矿测试, 2015, 34(1): 82-90. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.011
Jiao-hua ZHOU, Jian-yu WANG, Ming-xin GU, Zhen WANG. The Main Mineral Typomorphic Characteristics of the Henan Tangjiaping Molybdenum District Using X-ray Diffraction and Rock Mineral Identification Technology[J]. Rock and Mineral Analysis, 2015, 34(1): 82-90. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.011
Citation: Jiao-hua ZHOU, Jian-yu WANG, Ming-xin GU, Zhen WANG. The Main Mineral Typomorphic Characteristics of the Henan Tangjiaping Molybdenum District Using X-ray Diffraction and Rock Mineral Identification Technology[J]. Rock and Mineral Analysis, 2015, 34(1): 82-90. DOI: 10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.011

利用X射线衍射和岩矿鉴定等技术研究河南汤家坪钼矿区主要矿物标型特征

基金项目: 

河南省科技厅河南省重点实验室专项经费项目"大别山成矿带钼矿区矿物组合及标型矿物空间分布特征与成矿规律关系研究"(122300413221)

详细信息
    作者简介:

    周姣花, 高级工程师, 主要从事岩矿鉴定、工艺矿物学、成因矿物学研究工作.E-mail:1071732967@qq.com

  • 中图分类号: P618.65;P575.5

The Main Mineral Typomorphic Characteristics of the Henan Tangjiaping Molybdenum District Using X-ray Diffraction and Rock Mineral Identification Technology

  • 摘要: 汤家坪钼矿床是2006年探明的一处大型斑岩型钼矿床, 前人用常规地质方法对该矿区基础地质工作和成矿规律研究已比较系统和完整, 认为汤家坪钼矿床属于深源浅成斑岩型钼矿床, 汤家坪花岗斑岩体为矿区钼矿的成矿母岩; 但是没有从矿物学角度来应证这些成矿规律.本文从矿物学角度, 采用分离单矿物进行化学分析、X射线衍射(XRD)及岩矿鉴定等技术, 对汤家坪钼矿区的辉钼矿、黄铁矿、石英、长石4种矿物标型特征(化学组成、微量元素、晶体结构、晶胞参数、结构状态等)进行研究.结果表明:① 该矿区辉钼矿全部是2H型多型变体, 且成分中Re含量很低; 辉钼矿的δ34S值为3.0‰, 硫同位素变化范围小, 接近于陨石硫, 具深源硫的特点, 硫来源于花岗斑岩.② 黄铁矿微量元素以富含Mo、Co、Cu, 贫Ni、Pb、Zn为标型特征, 另外Au、Ag含量低, S/Se大于250000, 与前人"S/Se大于250000~500000的地区不可能找到金矿"的结论相符.③ 石英富含Mo; 成矿期石英脉中δ18O降低, 表明成矿晚期有少量大气降水参与热液蚀变成矿.④ 长石富含Mo; 轻稀土(La~Nd)含量大于中稀土(Sm~Ho)含量, 也大于重稀土(Er~Y)含量; 钾长石的有序度、三斜度以及结构参数的值均较高, 钾长石结构温度较低, 表明该矿区钾长石为低温状态下的三斜对称的微斜长石, 是热液作用的产物, 岩体钾长石化对钼矿化最为有利.本研究应证了汤家坪钼矿床属于深源浅成斑岩型钼矿床, 对于总结斑岩型钼矿成矿规律、找矿标志有重要意义.

  • 矿产品堆场由于堆存量大、堆放时间久、堆存条件简陋,且土壤具有吸附富集作用,造成土壤中重金属含量较高,危害人类健康[1, 2, 3]。环境中重金属的迁移性主要取决于它们的化学形态或元素的结合形式,许多研究表明:只用总量分析重金属元素在环境中的活性、生物可用性、毒性等生态效应是不确切的[4, 5, 6],对重金属元素的研究不仅要关注其总量,更要关注其形态分量,特别是有效态和可交换态[7, 8, 9]

    为了研究土壤中重金属化学形态,国内外学者大多采用单独或连续提取法,其中应用最广泛的是Tessier五步提取法[10],然而该方法存在分析结果的可比性差,无法进行数据的验证和比对等缺点。为了克服以上缺点,欧共体标准局提出了BCR连续提取法[11],将土壤重金属化学形态划分为酸可交换态、可还原态和可氧化态,在后来的实践应用中,Rauret等[12]又在该方案的基础上进一步修正,提出了改进的BCR顺序提取方案,目前该方法已被广泛应用于底泥和土壤样品的金属形态分析[13, 14, 15, 16]。本实验采用改进的BCR顺序提取方案[17],结合Cd、As、Pb的物理化学性质,将港口矿产品堆场土壤中Cd、As、Pb分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态,确定了电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定Cd、As、Pb的最佳测试条件,将改进的BCR法应用于堆场土壤样品中Cd、As、Pb的形态分析。

    Prodigy全谱直读原子发射光谱仪(美国利曼公司)。工作条件:功率1.1 kW;辅助气流量0.2 L/min;载气压力221 kPa;冷却气流量18 L/min;泵速1.2 mL/min;进样时间40 s;读数时间30 s。

    THZ-82水浴恒温振荡器(常州市恒久仪器公司)。

    L-550台式离心机(湖南湘仪公司)。

    湖底沉积物重金属顺序提取形态分析标准物质GBW 07436(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所)。

    镉、砷、铅标准储备液(国家钢铁材料测试中心冶金部钢铁研究总部):1.000 mg/mL,使用时按要求稀释成标准溶液。

    冰乙酸、盐酸羟胺、硝酸、双氧水、醋酸铵、醋酸钠等试剂均为分析纯,实验用水为去离子水。

    在确定的矿产品堆场采样点上,先用小土铲去掉表层覆盖有矿物的3 cm土壤,然后倾斜向下去一片片的土壤,采取约1 kg的土壤试样。样品风干后,用玻璃棒压碎,过841 μm尼龙筛,将筛下的样品置于研钵中研磨后,再过147 μm尼龙筛,储存于塑料瓶中备用。

    称取试样1.00 g于聚四氟乙烯烧杯中,加入30 mL王水,低温消解30 min,再加入2 mL氢氟酸,加热至白烟冒尽,冷却后,加入10 mL双氧水,蒸发至约5 mL,冷却至室温转移至100 mL容量瓶中,用ICP-AES测定Cd、As、Pb含量[18]

    按照改进的BCR连续提取法进行提取,提取过程如下。

    第一步(可交换态):称取土壤试样1.0 g于100 mL塑料烧杯中,加20 mL 4 mol/L的乙酸,30℃恒温水浴中振荡2 h,取下,于离心机上4000 r/min离心20 min。上层清夜经0.45 μm微孔滤膜过滤,用ICP-AES测定可交换态。

    第二步(可还原态):向第一步提取后的残余物中加入20 mL 0.4 mol/L盐酸羟胺溶液(盐酸羟胺溶液用硝酸调节pH=2),30℃恒温水浴中振荡6 h,离心分离。其余操作同第一步,测定可交换态。

    第三步(可氧化态):向第二步提取后的残余物中加入10 mL水和10 mL 30%的过氧化氢溶液(30%的双氧水溶液用硝酸溶液调pH值至2~3),室温振荡浸取1 h,后于85℃水浴中振荡2 h,冷却后加入10 mL 1 mol/L的乙酸铵溶液,持续震荡1 h,离心分离取其上清液。其余操作同第一步,测定可氧化态。

    将经过第三步提取后的残渣置于100 mL聚四氟乙烯烧杯中,加入10 mL浓硝酸和5 mL氢氟酸,加热煮沸10 min后,加入2.5 mL高氯酸,电热板低温加热至冒浓白烟,加盖,使黑色有机碳化物分解。加热至近干后再加入2.5 mL高氯酸,蒸至近干,取下坩埚,冷却后,加入25 mL 2%的稀硝酸并加热,使白色残渣溶解,最终消解后的样品定容至50 mL或100 mL容量瓶,用ICP-AES测定残渣晶格结合态。

    ICP-AES测定样品时主要存在基体干扰和背景干扰。土壤样品中含有大量的Fe、Al、K、Na、Ca、Mg等基体元素,为此,本实验采用了基体匹配法来消除基体干扰,具体做法是先测定样品基体元素的浓度,后在Cd和Pb的浓度范围为0~25.0 mg/L、As的浓度范围为0~50.0 mg/L的系列标准溶液中加入基体元素的参考浓度;同时在配制各系列标准溶液时,用相应的提取剂溶液来定容,以便使待测样品溶液与标准溶液的基体大体保持一致,从而消除基体干扰。

    ICP-AES测试中的背景干扰主要来自非分析物自身的发射光产生的干扰。本实验通过仪器自带软件,采用离峰扣背景法消除此干扰。具体方法:分别对空白溶液、标准溶液及代表性的待测溶液进行波长扫描,观察扫描得到的叠加峰形图,本实验对Cd和Pb进行了单侧的背景扣除,对As进行了双侧的背景扣除。

    用1.0 mg/mL的镉、砷、铅标准储备液配制标准曲线,使得Cd和Pb的浓度范围为0~25.0 mg/L,As的浓度范围为0~50.0 mg/L,通过仪器测试混合标准溶液,测定不同元素的线性方程,如表 1所示,各元素的相关系数为0.99996~0.99999。

    表  1  标准工作曲线
    Table  1.  Calibration curves of elements

    待测元素
    线性范围
    ρ/(mg·L-1)
    线性方程相关系数
    Cd0~25.0y=53578x-0.59970.99999
    As0~50.0y=1531.7x+7.26540.99996
    Pb0~25.0y=3125x+21.540.99998
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    按各形态的浸取流程,分别做11次空白试验,以测定值的3倍标准偏差,并考虑试样的称样量及稀释倍数作为方法的检出限。表 2结果显示,各形态测试方法的检出限(3σ)Cd为0.026~0.147 μg/g,As为0.015~0.219 μg/g,Pb为0.017~0.108 μg/g。

    表  2  方法检出限
    Table  2.  Detection limits of the method
    元素形态检出限/(μg·g-1)
    CdAsPb
    可交换态0.0230.0150.017
    可还原态0.0260.0240.031
    可氧化态0.0430.0330.022
    残渣态0.1470.2190.108
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    取天津港口矿产品堆场土壤样品共3份,按各形态的提取流程分别进行6次提取实验,取其平均值。由表 3结果可见,Cd的相对标准偏差(RSD)在0.41%~7.31%之间,As的RSD在0.18%~4.99%之间,Pb的RSD在0.57% ~9.28%之间,表明该方法的精密度较好。

    表  3  方法精密度
    Table  3.  Precision tests of the method
    元素
    形态
    样品
    编号
    Cd As Pb
    w/(μg·g-1) RSD/% w/(μg·g-1) RSD/% w/(μg·g-1) RSD/%
    可交
    换态
    12.12.95.21.01.42.7
    21.24.81.35.00.47.8
    318.10.416.20.40.74.5
    可还
    原态
    14.52.17.10.40.55.6
    20.93.71.63.70.39.3
    33.61.721.20.20.65.2
    可氧
    化态
    11.15.289.40.215.90.6
    24.70.815.70.61.93.7
    38.30.4199.11.24.52.4
    残渣
    10.67.2221.21.728.10.8
    20.57.360.13.55.52.0
    35.60.5679.82.313.40.6
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    为验证三步提取过程中测试元素的化学存在形态的准确性,本实验采用了湖底沉积物形态分析标准物质GBW 07436进行了验证,将每次提取形态的测定值与标准值进行了比较,从表 4可以看出,Cd、As、Pb的测定值与标准值吻合较好。

    表  4  改进BCR法分析GBW 07436标准物质中Cd、As、Pb的测定值与标准值(n=5)
    Table  4.  Certified and determined contents of extractable contents of Cd, As and Pb in certified reference material of GBW 07436 (n=5)w/(μg·g-1)
    测试
    元素
    可交换态可还原态可氧化态
    测试值标准值测试值标准值测试值标准值
    Cd1.53±0.251.46±0.200.94±0.070.86±0.030.15±0.020.12±0.03
    As0.23±0.040.25±0.031.52±0.051.48±0.040.47±0.040.44±0.03
    Pb1.61±0.221.58±0.1748.4±4.649.1±5.55.1±0.345.4±0.23
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    采用本方法分析6个堆场土壤样品中不同化学形态的Cd、As、Pb的含量,结合样品总量进行综合评价,结果见表 5。由表 5可以看出,样品各元素的各个浸取形态之和其总量基本相符,回收率在84.54%~102.88%,表明提取方法具有较好的可行性。

    表  5  土壤样品Cd、As、Pb形态分析
    Table  5.  Analytical results of Cd, As and Pb in soil samples
    样品
    编号
    测试
    元素
    w/(μg·g-1)回收率
    /%
    可交
    换态
    可还
    原态
    可氧
    化态
    残渣态四形态
    之和
    总量
    1Cd2.14.51.10.68.29.488.2
    As5.27.189.4221.2322.8333.696.8
    Pb1.340.515.928.145.947.995.9
    2Cd1.91.342.50.76.57.191.9
    As7.910.2116.8428.4563.4600.593.8
    Pb0.30.24.413.718.619.098.1
    3Cd1.20.94.70.57.28.584.5
    As1.31.615.760.178.779.898.6
    Pb0.40.31.95.58.19.089.8
    4Cd1.72.22.50.56.97.296.6
    As1.31.619.069.991.795.596.1
    Pb2.31.217.434.155.055.199.7
    5Cd22.117.420.53.363.361.5102.9
    As16.918.9300.7687.41024.01077.095.1
    Pb1.81.723.040.667.268.498.1
    6Cd18.13.68.35.635.536.597.2
    As16.1221.2199.1679.8916.4954.196.1
    Pb0.70.64.513.419.222.186.7
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    表 6为土壤中Cd、As、Pb四种化学形态含量占总量的百分比。由表 6可知,堆场土壤中Cd主要以可交换态、可还原态和可氧化态存在,占总量的70%~90%,残渣态占比很小。As和Pb以残渣态占绝对优势,占总量的60%以上,其他三种存在形态所占比例较小。在这四种化学形态中,当环境酸度发生变化时,可交换态的金属元素容易被生物体吸收,表明该形态的迁移性强;可还原态和可氧化态主要为氧化物、硫化物和有机物的结合态,可被生物间接吸收,其环境迁移型较弱;残渣态主要是硅酸盐类,迁移性很小并且很难被生物体吸收利用,因此,在自然条件下,Cd、As、Pb进入生物体中的几率取决于可交换态、可还原态、可氧化态含量的多少。由表 6提供的数据可见,矿产品堆场土壤中Cd、As、Pb的可交换态、可还原态和可氧化态三种形态总量顺序为Cd(79.40%~94.94%)>Pb(24.27%~37.73%)>As(22.89%~31.51%),其溶解性顺序Cd>Pb>As,表明堆场土壤中Cd易被生物吸收和累积。

    表  6  堆场土壤中Cd、As、Pb各种化学形态所占比例
    Table  6.  Species distribution of Cd, As and Pb in soil samples
    样品编号测试元素各形态含量的比例/%
    可交换态可还原态可氧化态残渣态
    1Cd23.147.811.86.1
    As1.62.127.567.9
    Pb2.71.132.056.4
    2Cd26.719.334.510.3
    As1.51.720.675.6
    Pb1.61.021.768.6
    3Cd14.410.256.75.7
    As1.62.019.474.0
    Pb4.63.622.566.3
    4Cd24.130.235.26.7
    As1.41.620.173.8
    Pb4.12.231.060.4
    5Cd34.528.432.15.1
    As1.61.828.264.4
    Pb2.72.432.57.5
    6Cd47.89.721.914.9
    As1.72.221.172.0
    Pb3.32.622.164.9
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    本实验采用改进的BCR和ICP-AES提取测定了6个堆场土壤样品中不同化学形态的Cd、As、Pb的含量,并通过形态分析标准物质和回收率实验证明了改进的BCR三步提取程序的可行性,该提取和检测方法可以在全国各口岸矿产品堆场进行土壤重金属形态的调查,为受污染土壤治理提供了科学依据。

  • 图  1   矿石类型

    Figure  1.   Types of the ores

    图  2   钾长石结构参数与保留结构状态的温度之间的关系

    Figure  2.   The relationship between potassium feldspar structure parameters and temperature of structure retention state

    表  1   辉钼矿单矿物微量元素分析结果

    Table  1   Analytical results of trace elements in molybdenite single minerals

    化学成分含量(10-6)化学成分含量(10-6)
    Re9.53W40.4
    Se0.55Pt0.00211
    Te1.19Pd0.05693
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    表  2   辉钼矿晶胞参数测量结果

    Table  2   Measurement results of molybdenite lattice parameters

    样品编号晶胞参数a0(Å)晶胞参数c0(Å)z
    ZP-033.15312.3012
    ZP-043.15012.2952
    ZP-063.15212.2822
    ZP-083.15512.3092
    D-013.15412.3062
    2H型理论值3.1512.302
    3R型理论值3.1618.332
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    表  3   黄铁矿单矿物元素分析结果

    Table  3   Analytical results of single minerals pyrite

    化学成分含量(10-6)化学成分含量(10-6)
    Fe(10-2)46.25Cu3405
    S(10-2)52.59Ag6.64
    Co503Au3.66
    Ni59.7Pb97.2
    As36.1Zn28.9
    Se0.27Mo326
    Sb0.30
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    表  4   黄铁矿晶胞参数测量结果

    Table  4   Measurement results of pyrite lattice parameters

    序号晶胞参数
    a0(Å)
    z
    0-15.4174
    D-015.4184
    ZP-015.4214
    ZP-025.4134
    ZP-035.3994
    ZP-045.4264
    ZP-055.4164
    理论值5.4174
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    表  5   石英单矿物元素分析结果

    Table  5   Analytical results of quartz single minerals

    化学成分含量(10-2)化学成分含量(10-2)
    SiO299.80TiO20.032
    Mo68.80×10-4Al2O30.025
    W4.88×10-4TFe0.084
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    表  6   汤家坪矿区钼矿石氢氧同位素分析结果

    Table  6   Analytical results of hydrogen and oxygen isotope of Tangjiaping molybdenum ore mines

    成矿阶段岩石组合δDV-SMOW
    (‰)
    δ18OV-SMOW
    (‰)
    测试对象
    Ⅱ-2辉钼矿-石英脉-769.2石英
    Ⅱ-2辉钼矿-石英脉-799.3石英
    Ⅱ-2辉钼矿-石英脉-799.6石英
    Ⅱ-2辉钼矿-石英脉-809.0石英
    Ⅱ-3石英-萤石脉-8411.1石英
    Ⅱ-1石英-钾长石脉-588.6石英
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    表  7   石英晶胞参数测量结果

    Table  7   Measurement results of quartz lattice parameters

    序号晶胞参数
    a0(Å)
    晶胞参数
    b0(Å)
    晶胞参数
    c0(Å)
    z
    0-14.914-5.4053
    D-014.915-5.4063
    ZP-014.912-5.4063
    ZP-024.903-5.3933
    ZP-034.913-5.4033
    ZP-044.911-5.4033
    ZP-054.906-5.3973
    α-石英理论值4.91-5.413
    α-磷石英理论值8.745.048.248
    α-方石英理论值4.97-6.934
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    表  8   长石单矿物微量元素和稀土元素分析结果

    Table  8   Analytical results of trace elements and rare earth elements in feldspar single minerals

    化学成分含量(10-6)化学成分含量(10-6)
    Mo66.1Eu0.55
    W11.2Gd2.07
    Cu9.71Tb0.25
    Pb19.5Dy1.12
    Zn23.4Ho0.21
    La24.7Er0.62
    Ce41.4Tm0.10
    Pr4.54Yb0.70
    Nd15.2Lu0.13
    Sm2.20Y5.42
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    表  9   碱性长石晶胞参数测量结果

    Table  9   Measurement results of alkali feldspar lattice parameters

    样品编号晶胞参数
    a0(Å)
    晶胞参数
    b0(Å)
    晶胞参数
    c0(Å)
    αβγz
    0-18.56712.9707.22190.43116.0088.484
    D-018.55312.9797.22690.66116.1887.804
    ZP-018.60413.0067.22390.54116.1588.634
    ZP-028.60413.0007.22189.97115.9889.824
    ZP-038.54612.9837.23190.60116.2187.904
    ZP-048.61712.9917.22690.59116.0488.164
    透长石理论值8.6013.037.1890116.00904
    正长石理论值8.56212.9967.19390116.09904
    微斜长石理论值8.5412.977.2290.65115.9387.654
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    表  10   斜长石晶胞参数测量结果

    Table  10   Measurement results of plagioclase lattice parameters

    样品编号晶胞参数
    a0(Å)
    晶胞参数
    b0(Å)
    晶胞参数
    c0(Å)
    αβγz
    0-18.14212.7857.15994.19116.6187.684
    D-018.14512.8027.16494.27116.6087.814
    ZP-018.14612.8187.21794.08117.3787.814
    ZP-028.15712.9017.20793.82117.3188.594
    ZP-038.15112.8157.13194.26116.2287.884
    ZP-048.15513.0177.10994.21116.5487.934
    钠长石理论值8.13512.7887.15494.22116.5287.704
    钙长石理论值8.17712.87714.16993.17115.8591.228
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    表  11   钾长石X射线粉晶衍射数据及相关参数

    Table  11   The X-ray powder diffraction data and related parameters of potassium feldspar

    项目D-010-1ZP-01ZP-03ZP-04ZP-05
    2θ06041.63941.68341.66441.64441.65141.646
    2θ-20450.47150.44050.52950.46250.44150.443
    2θ-20120.87220.92720.86120.87320.89820.904
    2θ13129.46329.44229.50329.40129.45429.469
    2θ-13130.02530.01830.08129.99930.01830.019
    d 1313.0303.0313.0253.0353.02803.028
    d -1312.9742.9742.9652.9762.9762.974
    Sm0.8580.9950.7900.8840.9360.924
    ΔP0.6910.7140.7510.7410.6410.665
    η1.8262.3501.5621.9272.1302.081
    T1(0)+T1(m)0.7130.7690.6830.7240.7460.741
    T1(0)-T1(m)0.7100.7280.7310.7600.7130.695
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  • 期刊类型引用(11)

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出版历程
  • 收稿日期:  2014-08-11
  • 修回日期:  2014-12-15
  • 录用日期:  2015-01-14
  • 发布日期:  2015-01-24

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