中上扬子地块在Grenville期造山过程中形成稳定的结晶基底和褶皱基底, 其范围以断裂带为界, 北靠大巴山断裂带, 西临龙门山断裂带, 东南接安化— 溆浦— 怀化断裂, 南抵紫云— 罗甸断裂(图1), 为扬子陆块的主体部分, 自南华纪开始扬子陆块开始进入板块运动机制的克拉通盆地演化阶段(黄福喜等, 2011)。震旦纪— 志留纪, 中上扬子地块经历了由伸展到挤压的2个阶段, 震旦纪— 中奥陶世处于拉张环境, 中上扬子地块由最初的裂谷盆地逐渐演化为裂陷盆地。寒武纪在南华纪碎屑岩垫板的基础之上形成以碳酸盐为主的碳酸盐岩缓坡, 进而发展成为镶边型碳酸盐岩台地体系(陈洪德等, 2009; 牟传龙等, 2010, 2011; 余谦等, 2010; 黄福喜等, 2011), 中晚奥陶世末期伴随着加里东构造运动的发生, 扬子陆块与华夏陆块挤压碰撞作用加剧, 川中、黔中和江南— 雪峰等边缘隆起不断抬升扩大, 海平面相对上升。中上扬子镶边型台地被淹没并演化为碳酸盐岩缓坡沉积, 末期随着边缘隆起面积的扩大中上扬子地区由克拉通盆地逐渐变为被各隆起所围限的隆后盆地(牟传龙和许效松, 2010; 牟传龙等, 2011; 刘伟等, 2012; Wang et al., 2012), 沉积岩性也由碳酸盐岩变为五峰组黑色笔石页岩。

图1

Fig.1

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	图1 研究区中上扬子地区位置图Fig.1 Location of Middle-Upper Yangtze Region

中上扬子地区上奥陶统发育良好, 分布广泛, 根据其地层分布情况和沉积岩性特点, 并结合相应的区域地质背景将研究区及邻区划分成了上扬子地层区、中扬子地层区及江南— 华夏地层区。笔者根据全球最新的奥陶系三统七阶的划分方案, 以生物地层为依托, 并结合研究区的沉积地层演化特征, 建立了中上扬子及其邻区中上奥陶统的划分对比格架(表 1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 中上扬子及其邻区中上奥陶统划分及对比(据陈旭等①, 2007, 有改动) Table 1 Stratigraphic correlation of the Middle-Upper Ordovician in Middle-Upper Yangtze Region(modified from Chen et al., 2007)

表1 中上扬子及其邻区中上奥陶统划分及对比(据陈旭等①, 2007, 有改动) Table 1 Stratigraphic correlation of the Middle-Upper Ordovician in Middle-Upper Yangtze Region(modified from Chen et al., 2007)

上扬子地层区大致西以龙门山断裂带为界, 北邻汉中— 城口— 房县— 襄樊断裂带, 东以竹山— 建始— 恩施— 咸丰— 保靖— 铜仁一线与中扬子地层区分开, 东南以都匀— 凯里— 镇远— 铜仁一线与江南— 华夏地层区相接。上扬子区上奥陶统主要发育宝塔组、临湘组或涧草沟组、五峰组和观音桥组。滇东北昭通、鲁甸、巧家一带上奥陶统称之为大箐组或大箐组+王家河坝组(云南省地质矿产局, 1990), 岩性以灰色、灰黑色中厚层状白云岩、白云质灰岩、灰岩及钙质粉砂岩为主, 其上与志留系或泥盆系假整合接触。宝塔组以发育龟裂纹灰岩为特征, “ 龟裂纹” 顾名思义, 在其层面、底面或纵切面上都呈不规则的多边形, 形似龟背壳, 龟裂纹灰岩中发育大量的生物, 有介形虫、腹足类、棘皮动物和三叶虫, 其中震旦角石尤为发育。临湘组以紫红色、灰色瘤状灰岩为主, 岩石风化面上多呈眼球状、长扁豆状等瘤状突起, 故统称为瘤状灰岩。在黔北及扬子北缘南江、旺苍一带, 该组对应层位称为涧草沟组, 岩性与临湘组大体一致, 为灰绿色薄层瘤状灰岩、泥灰岩与粉砂质页岩或页岩互层(图 2)。五峰组广泛分布于上扬子地层区, 岩石主要为黑色碳质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩, 富含笔石, 硅质页岩中发育放射虫化石。该地层区另一显著特点是奥陶系顶部普遍发育观音桥组, 与上覆志留系龙马溪组连续整合接触, 观音桥组以富产赫南特贝— 小达尔曼虫动物群(Hirnantia-Dalmanitina Fauna)为特征(戎嘉余和陈旭, 1987; 周名魁等, 1993; 詹仁斌等, 2010), 地层岩性以生物灰岩、泥灰岩、砂质灰岩和泥岩为主, 沉积厚度相对较小, 多数在十几至几十厘米范围内, 最大者也仅十多米。

图2

Fig.2

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	图2 上扬子地区上奥陶统岩性特征照片Fig.2 Field rock characteristics of the Upper Ordovician in Upper Yangtze Region

中扬子地层区北邻房县— 襄樊— 武汉断裂带, 西接竹山— 建始— 恩施— 咸丰— 保靖— 铜仁一线, 东以武汉— 咸宁— 通城为界, 南以凯里— 镇远— 铜仁— 怀化— 溆浦— 安化— 桃江一线与江南华夏地层区分开, 该地层区上奥陶统发育庙坡组、宝塔组、临湘组和五峰组, 庙坡组主要分布于鄂西南神农架、宜昌等地, 岩性为浅黄、黑色或黄绿色页岩夹灰岩透镜体, 厚度仅2~3 m, 富含笔石、三叶虫、腕足类和头足类等生物, 其大致与上扬子区宝塔组下部相当。宝塔组、临湘组及五峰组的岩性特征与上扬子区基本一致, 唯一区别就是该地层区普遍不发育观音桥组, 与下志留统龙马溪组假整合接触。

江南— 华夏地层区从凯里— 镇远— 铜仁— 怀化— 溆浦— 安化— 桃江一线以南, 包括了贵州东南部、湖南中南部、广西和广东等广大地区。上奥陶统以磨刀溪组(双家口组)、南石冲组(城步组)、五峰组(天马山组)为代表地层(贵州省区域地质志, 1987; 湖南省地质矿产局, 1988), 本区的奥陶系, 基本上全部由砂泥质等陆源碎屑岩组成, 生物多以笔石和三叶虫为主。

根据中上扬子地区上奥陶统近50个野外露头和钻井的岩石学、古生物、古生态、沉积构造和沉积层序等方面的特征, 结合室内分析及前人的研究成果, 将该区上奥陶统划分为潮坪、浅海陆棚、深水盆地3种沉积相类型。

潮坪相在中上扬子晚奥陶世各个时期都有发育, 主要分布在汉南隆起、川中隆起、川西— 滇中— 黔中— 雪峰隆起的周缘, 该时期潮坪相与其挤压构造背景下所形成的局限低能环境相吻合, 总体水动力条件相对较弱, 岩性以粉砂质泥页岩、粉砂岩和碳酸盐岩或它们的混合沉积为主, 依据岩性组成的不同分为了混和潮坪和碳酸盐岩潮坪两种。生物多发育腕足类、珊瑚和海百合茎等, 沉积构造有小型沙纹层理、波状层理和透镜状层理等。

川西— 滇中隆起东北缘碧鸡山、巧家一带以灰— 灰黑色中厚层细晶白云岩、白云质灰岩为主, 基本无陆源碎屑成分的混入, 属碳酸盐岩潮坪环境。黔中隆起、川中隆起及汉南隆起的周缘多为碎屑岩和碳酸盐岩的混合沉积。靠近黔中隆起北缘德江、务川一带多沉积龟裂纹灰岩、瘤状泥灰岩和粉砂质泥页岩, 陆源碎屑含量较西侧明显增多。北部宁强一带为黄绿色页岩、龟裂纹灰岩夹薄层或透镜状粉砂岩, 可见波痕发育(余谦等, 2011), 据钻井资料显示川中隆起外围威远一带主要为泥质灰岩、龟裂纹灰岩和白云质页岩沉积。

浅海陆棚相在中上扬子晚奥陶世各个时期都有发育, 岩性以宝塔组和临湘(涧草沟)组龟裂纹生物灰岩、瘤状灰岩或瘤状灰岩与页岩互层, 五峰组含碳粉砂质页岩、钙质粉砂质页岩和粉砂质页岩和观音桥组生物灰岩、泥岩为主, 沉积构造多以水平层理为主, 据岩性成分的不同分为了碳酸盐岩陆棚、混积陆棚和碎屑岩陆棚3种。桑比期— 凯迪早中期, 鄂西北神农架— 宜昌、川东南宜宾— 泸州及渝东南南川— 武隆地区主要为碳酸盐岩陆棚相, 岩性以瘤状灰岩和龟裂纹灰岩为主, 该相带向东南延伸至五峰— 鹤峰— 咸丰— 道真— 正安— 桐梓— 仁怀— 威信一线; 该线以东南湘西北张家界— 永顺地区和黔东北沿河— 凤冈一带沉积龟裂纹灰岩、瘤状灰岩和页岩, 为以碳酸盐岩为主夹细碎屑岩的混积陆棚环境; 湘中溆浦— 洞口一带则为含碳页岩和粉砂质页岩为主的碎屑岩陆棚相。碎屑组分含量自北西向南东不断增多。凯迪晚期— 赫南特期, 该沉积相主要为碎屑岩陆棚, 分布在各大隆起的外缘, 北部广元— 镇巴沉积灰黑色含碳粉砂质页岩和粉砂质页岩; 西部甘洛向东至黔东北凤冈— 秀山和湘西北安化— 洞口一带主要沉积含碳粉砂质页岩和钙质粉砂质页岩; 湘东北长沙— 益阳附近围绕江南隆起也沉积了小范围的灰黑色含碳粉砂质页岩。

有关于宝塔组龟裂纹灰岩“ 龟裂” 构造的成因和环境解释有多种说法:(1)形成于暴露环境的干裂纹构造(张文堂, 1962); (2)胶体沉积物脱水凝缩裂纹构造(刘特民和陈学时, 1983; 姬再良, 1985); (3)水下沉积物在同生或成岩作用初期所产生的收缩裂纹构造(陈旭和邱金玉, 1986); (4)形成于水深140~450 m之间, 与叠层石生长相伴生的生物遗迹构造(陈均远等, 1991); (5)含水的碳酸盐沉积物在应力作用下产生裂隙, 并在成岩作用下脱水收缩(王尧, 1995); (6)“ 龟裂纹” 构造是构造— 沉积环境相、生态相和成岩相的产物(许效松等, 2001); (7)早期成岩阶段形成的准同生变形构造(周传明和薛耀松, 2000)。针对以上多种成因和说法, 笔者更倾向于认为该种网纹构造是构造环境、生态和成岩作用的共同产物。宝塔组灰岩内发育介形虫、腹足类、棘皮动物及三叶虫, 其中角石尤为发育(图 2-5)。角石多出现于层面之上且个体保存完整, 角石属游泳习性, 活动水域深度50~150 m(周名魁等, 1993; 周传明和薛耀松, 2000; 许效松等, 2001)。针对该灰岩的形成深度, 还有约100 m(戎嘉余和陈旭, 1987), 200 m或小于200 m(Fortey, 1997), 或100~200 m之间(李志明等, 1997)等的推测(周志毅等, 2000)。在靠近各边缘隆起周缘五峰组含少量粉砂质和钙质成分, 岩性主要为含碳粉砂质页岩、钙质粉砂质页岩。以浮游性笔石为统治性生物群, 除水平层理外几乎不见其他原生沉积构造。观音桥组生物灰岩或泥岩产特征性的赫南特贝腕足动物群, 该类动物群常与以Dalmanitina 为主的三叶虫相伴生, 生态位置上它相当于底栖组合BA2-3, 主要为BA3, 水深不超过60 m。

深水盆地相主要发育在中上扬子凯迪晚期— 赫南特期— 五峰期, 该沉积相主要指的是在陆架基底上受构造挤压形成的盆地凹陷沉积区, 水深大致60~200 m范围。岩性以黑色碳质页岩、硅质页岩和粉砂质碳质页岩为主(图 3)。水平微细层理发育, 黑色碳质页岩层面上产丰富的笔石化石组合, 圆尾虫类三叶虫也有发育。硅质页岩中普遍发育放射虫和硅质海绵骨针, 放射虫含量在15%~30%之间, 多呈圆状或椭圆状, 个体的外壳及内部被玉髓和自生石英所充填, 个别被黑色碳质有机质等充填(图 4)。沉积厚度不大, 仅几到几十米不等。总体属低能还原的局限浅海环境(穆恩之, 1954; 戎嘉余和陈旭, 1987; 黄志诚等, 1991; 方一亭等, 1993; 牟传龙和许效松, 2010; 刘伟等, 2010, 2012; 牟传龙等, 2011; 葛祥英等, 2013)。

图3

Fig.3

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	图3 五峰组深水盆地相宏观及显微岩性特征Fig.3 Macroscopic and microscopic characteristics of deep water basin facies in the Wufeng Formation

图4

Fig.4

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	图4 重庆武隆黄草上奥陶统沉积剖面Fig.4 Sediment profile of the Upper Ordovician in Huangcao, Wulong, Chongqing

中上扬子地区晚奥陶世赫南特期自下而上包括了五峰组顶部笔石页岩相、观音桥组介壳灰岩相以及龙马溪组底部笔石页岩相, 在短短的不到2 Ma的时间内, 沉积岩性发生很大变化, 观音桥组介壳灰岩的沉积环境各家说法不一(戎嘉余, 1984; Brenchley et al., 1994; 何卫红等, 2003; 高振中等, 2008; Fan et al., 2009, 2011; Zhang et al., 2009, 2010a; Zhan et al., 2010, 2011), 针对观音桥组的沉积环境笔者通过对黔北、渝东南地区一些典型剖面的野外考察分析, 初步认为该组沉积环境总体为碳酸盐岩和碎屑岩共同沉积的混积陆棚相(另文发表), 文中所编制的晚奥陶世凯迪晚期— 赫南特期的沉积相和古地理将采用优势相分析方法主要探讨五峰组黑色页岩沉积特征。中上扬子地区上奥陶统发育宝塔组、临湘组和五峰组, 宝塔组和临湘组主要发育龟裂纹灰岩和瘤状灰岩, 其顶界大致对应于凯迪阶中下部, 五峰组发育黑色碳质硅质泥页岩, 其底界大致对应于凯迪阶上部(图5)。为了更清楚地研究中上扬子地区上奥陶统碳酸盐岩与黑色页岩岩性转换阶段的沉积相及古地理特征, 采用优势相等分析方法, 选取了桑比— 凯迪期早中期和凯迪晚期— 赫南特期2个时期为编图单元来编制相应的岩相古地理图。

图5

Fig.5

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	图5 中上扬子及邻区晚奥陶世沉积相对比图Fig.5 Sedimentary facies correlation diagram of the Late Ordovician in Middle-Upper Yangtze Region

4.1 桑比— 凯迪早期(宝塔期— 临湘期)

中奥陶世末期由于加里东运动的发生, 华南板块构造挤压作用不断加剧(刘宝珺等, 1993, 1994; 周名魁等, 1993; 许效松等, 1996, 2004; 舒良树等, 2008; Faure et al., 2009; Wang et al., 2009; Charvet et al., 2010; Yan et al., 2010; 舒良树, 2012)。川中隆起不断扩大, 黔中隆起等水下隆起开始抬升至水面之上, 北部的汉南隆起、中部的川中隆起和南部的川西— 滇中— 黔中隆起面积不断扩大, 其他地区由于各隆起不断围限, 其相对海平面上升, 镶边型碳酸盐岩台地被淹没(周名魁等, 1993; 李志明等, 1997; 黄福喜等, 2011; 余谦等, 2011; 葛祥英等, 2013)。桑比期— 凯迪早中期中上扬子地区依次发育隆起— 潮坪— 浅海陆棚— 深水盆地。

汉南地区、川中地区及川西— 滇中— 黔中地区在桑比— 凯迪早期未接受沉积, 故将其定义为隆起, 分别发育在研究区北部、西北部和西南部。

潮坪相主要发育在各隆起的边缘, 呈环带状(图 6), 北部宁强元坝、南江桥亭等地主要沉积粉砂质页岩、龟裂纹灰岩和瘤状泥灰岩, 为混积潮坪环境, 见波痕发育(余谦等, 2011); 川中隆起周缘根据钻井资料显示主要为龟裂纹灰岩和泥质灰岩; 在川西— 滇中— 黔中隆起的周围昭觉— 昭通附近主要发育白云岩和白云质灰岩, 向东在金沙、镇雄一带沉积岩性与汉南隆起周缘一致, 主要为粉砂质页岩、龟裂纹灰岩和瘤状泥灰岩, 湘西北沅陵— 吉首地区则为碎屑岩潮坪沉积, 主要为粉砂岩和页岩。

图6

Fig.6

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	图6 中上扬子地区晚奥陶世桑比— 凯迪早中期岩相古地理Fig.6 Lithofacies palaeogeography of the Sandbian to Middle-Early Katian Age of Late Ordovician in Middle-Upper Yangtze Region

潮坪相外侧为浅海陆棚相沉积, 该相带占据了中上扬子绝大部分面积, 威信— 仁怀— 正安— 道真— 咸丰— 鹤峰— 五峰— 荆沙一线以西主要沉积纯碳酸盐岩相 “ 龟裂纹” 生物灰岩和瘤状灰岩, 该线以东沉积“ 龟裂纹” 灰岩、瘤状泥灰岩和页岩, 为碳酸盐岩和陆缘细碎屑岩的混合沉积, 该混积组合向东一直延续到修水— 沅江— 沅陵一带, 雪峰隆起东侧溆浦— 洞口一带浅海陆棚相则主要为含碳粉砂质页岩和粉砂质页岩。

隶属于江南— 华夏地层区沅陵— 桃源— 沅江— 修水之东南侧湘中一带则基本无碳酸盐岩沉积, 主要沉积深水盆地相黑色硅质页岩和碳质页岩。

4.2 凯迪晚期— 赫南特期(五峰期— 观音桥期)

晚奥陶世凯迪晚期— 赫南特期, 随着加里东主幕的到来, 该时期中上扬子地区依次发育隆起— 潮坪— 浅海陆棚— 深水盆地, 从沉积相的角度看与桑比— 凯迪早中期并无区别, 但其分布范围发生很大的变化(图7)。

图7

Fig.7

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	图7 中上扬子地区晚奥陶世凯迪晚期— 赫南特期岩相古地理图Fig.7 Lithofacies palaeogeography map of the Late Katian-Hirnantian Age of Late Ordovician in Middle-Upper Yangtze Region

西南部的川西— 滇中— 黔中隆起、西北部川中隆起以及北部汉南隆起的面积不断增大, 东部新增加江南隆起。川西— 滇中— 黔中隆起向北、东扩至鲁甸— 金沙— 湄潭— 思南— 松桃— 古丈— 溆浦— 会同一线, 汉南隆起向南扩至宁强— 西乡一线。

受隆起围限作用的加剧, 中上扬子地区由淹没台地逐渐向局限隆后盆地转变(周名魁等, 1993), 各隆起周缘依旧为潮坪沉积, 较前期相比陆源碎屑含量逐渐增多, 汉南隆起附近沉积粉砂岩和含碳粉砂质页岩, 川中隆起周缘沉积白云质页岩和泥灰岩, 川西— 滇中隆起的东侧昭觉、昭通地区主要沉积白云岩和钙质粉砂岩, 向东在黔中— 雪峰隆起的北及东北部遵义、古丈、溆浦一带主要发育粉砂岩、泥灰岩和含碳粉砂质页岩, 为混积潮坪沉积环境(图 8)。

图8

Fig.8

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	图8 五峰组潮坪相岩性特征Fig.8 Lithological features of tidal flat facies in the Wufeng Formation

潮坪相外侧发育浅海陆棚相含碳粉砂质页岩、钙质粉砂质页岩等, 该相带沿各隆起呈带状展布, 其范围大致沿汉南隆起向南至广元— 南江— 镇巴, 沿川中隆起向东至武胜— 宜宾附近, 沿川西— 滇中— 黔中— 雪峰山隆起北东至威信— 仁怀— 务川— 沿河— 永顺— 张家界— 安化— 洞口一线, 该线之北东则主要发育深水盆地相(图 8)。

随着扬子、华夏两陆块碰撞挤压作用的持续, 中上扬子克拉通盆地原本平坦的构造基底发生弱变形, 盆地内部相应地形成了凹凸不平的沉积地形。受基底地形的影响, 发育了3个地形坳陷区, 分别位于川北旺苍— 南江、川东南宜宾— 泸州及黔北渝东武隆— 道真一带, 该地形坳陷区内主要沉积深水盆地相黑色碳质页岩和含放射虫硅质页岩, 其他地区则接受少量陆缘细碎屑成分, 主要发育粉砂质碳质页岩和粉砂质页岩。

五峰组黑色页岩广泛分布于中上扬子地区, 厚度稳定, 约几米到几十米, 很少超过100 m(四川省地质矿产局, 1991; 牟传龙等, 2011), 是中上扬子地区乃至整个南方非常重要的生油岩系(胡书毅等, 2001; 李双建等, 2008; 刘伟等, 2010, 2012; 牟传龙等, 2011), 近年来四川盆地作为目前中国天然气探明储量、气田发现数量最多的盆地, 其地质条件与美国东部页岩气发育盆地有许多相似性(张金川等, 2008), 国内许多页岩气专家也早已开始对该区进行相应的页岩气方面的勘探研究工作, 五峰组作为黑色页岩的代表层位, 与上覆志留系龙马溪组黑色岩段一起被认定为是中国南方页岩气勘探开发的重中之重, 而且从先期取得的成果来看, 仅就四川盆地威远地区而言, 五峰组— 龙马溪下段在13口井中有10口井见气显示(闫剑飞等, 2010), 四川盆地内部该段地层的有机碳丰度也相对较高, 其质量分数在0.1%~4.88%之间, 平均为1.1%(万洪程等, 2012)。

从古地理角度看, 中上扬子地区在凯迪晚期— 赫南特期发育大范围的五峰组黑色岩系, 尤其在川东南宜宾— 泸州, 川北旺苍— 南江以及黔北渝东武隆— 道真一带为深水盆地相内的沉积坳陷区, 该区五峰组黑色碳硅质页岩厚度相对稳定, 均在十几米至几十米范围内, 以上几个地区多个钻井页岩气测显示丰富并测试产气, 而且通过对多个地表露头采样测试五峰组黑色页岩有机碳丰度在1.95%~4.98%之间, 具有很高的生烃生气潜力, 可作为中国南方下一步烃源岩及页岩气勘探开发的重点研究区。

1)以“ 构造控盆、盆地控相、相控油气基本地质条件” 理论为指导, 指出中上扬子地区晚奥陶世受加里东构造运动的影响, 板内构造挤压作用加剧, 川中、黔中、雪峰山隆起等不断抬升扩大, 中上扬子地区由原来的克拉通海相盆地变为发育在克拉通之上的受古隆起所围限的隆后盆地环境, 构造运动导致沉积盆地性质的改变, 中上扬子地区也由早中奥陶世的镶边型碳酸盐岩台地向淹没台地演化, 进而演变为沉积五峰组黑色页岩的局限深水盆地环境。

2)根据中上扬子地区30多条野外剖面及钻井资料的岩石学特征、沉积构造、古生物发育特征及古生态, 采用优势相分析方法将中上扬子地区晚奥陶世划分为潮坪相、浅海陆棚相和深水盆地相3种沉积相类型。

3)通过对中上扬子地区晚奥陶世沉积相及古地理方面的研究, 认为川东南宜宾— 泸州一带和川北旺苍— 南江以及黔北渝东武隆— 道真一带五峰组黑色岩系厚度稳定且具有较高的生烃生气潜力, 与其上覆龙马溪组底部黑色岩系一起可作为中国南方下一步烃源岩及页岩气勘探开发的重点研究区。