張云峰, 焦超衛(wèi), 李劍斌, 任濤, 張西社
(1.西北有色地質(zhì)研究院,西安 710054; 2.西北有色地質(zhì)勘查局七一三總隊,商洛 726000)
近年來,礦產(chǎn)地質(zhì)勘查逐步加快,地表覆蓋較嚴(yán)重的勘查區(qū)內(nèi)常常需要布置大量勘探工程,在投入成本增高的同時也對地表環(huán)境帶來了不容忽視的破壞。遙感地質(zhì)勘查技術(shù)具有視域廣闊、快速經(jīng)濟及地表工程少等特點,可有效彌補淺覆蓋區(qū)野外地質(zhì)工作的某些不足。特別是隨著航空航天遙感技術(shù)的不斷提高,高空間分辨率、高光譜分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn),為大比例尺遙感地質(zhì)勘查提供了有力支持。多種遙感數(shù)據(jù)源的配合使用可以準(zhǔn)確圈定地質(zhì)體的界線,同時通過光譜技術(shù)可以提取與蝕變有關(guān)的遙感異常信息,為地質(zhì)找礦服務(wù)。董建樂等[1]應(yīng)用ETM數(shù)據(jù)在吉(林)黑(龍江)東部地區(qū)通過對線性構(gòu)造、環(huán)形構(gòu)造的解譯以及遙感異常信息提取總結(jié)了工作區(qū)的遙感地質(zhì)特征,并借助GIS平臺圈定了13個金礦找礦遠(yuǎn)景區(qū); 王鋒德等[2]應(yīng)用SPOT5等多源遙感數(shù)據(jù)在云南綠春地區(qū)開展了遙感地質(zhì)特征提取以及找礦遠(yuǎn)景綜合分析,圈定了20多個找礦有利地段; 章欽瑜等[3]在浙江板橋地區(qū)開展1∶5萬比例尺稀土礦遙感找礦信息提取與找礦預(yù)測,建立了離子吸附型稀土礦遙感找礦預(yù)測模型,圈定了找礦范圍; 張遠(yuǎn)飛等[4]通過對遙感圖像的二維散點圖類型劃分及蝕變信息提取的研究,在青海巴音山地區(qū)取得了良好的實驗效果。但目前大比例尺遙感地質(zhì)特征提取和遙感找礦預(yù)測區(qū)圈定仍在探索階段,筆者在陜西柞水冷水溝地區(qū)應(yīng)用WorldView-I,ALOS和ASTER等多源遙感數(shù)據(jù)開展了1∶1萬比例尺遙感地質(zhì)解譯和蝕變異常信息提取,旨在通過對遙感地質(zhì)特征的分析,圈定遙感找礦預(yù)測區(qū),加速找礦突破進程。
研究區(qū)位于南秦嶺北部,鳳鎮(zhèn)—山陽斷裂南側(cè),柞水縣杏坪鎮(zhèn)一帶。區(qū)內(nèi)主要出露地層為泥盆系,巖性以凝灰質(zhì)千枚巖、灰?guī)r和大理巖為主。區(qū)內(nèi)巖漿巖以冷水溝多旋回復(fù)式巖體為主,侵入于竹園溝短軸背斜核部,主要巖性為閃長巖、斜長花崗巖和花崗閃長(斑)巖等[5]。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造大致有4組,以NW和NE向為主,NNW和NEE向斷裂發(fā)育程度次之。
已有地質(zhì)研究表明,柞水地區(qū)上地幔熔漿上升,基性物質(zhì)結(jié)晶殘存少量的酸性物質(zhì)結(jié)晶形成高位侵入體[6],即形成了柞水冷水溝—山陽下官房一帶中酸性小巖體群。區(qū)域上與小巖體有關(guān)的礦產(chǎn)豐富,已發(fā)現(xiàn)的有小河口銅(金)礦床、下官房銅(金)礦體和池溝—雙元溝銅金(鉬)礦體等。與冷水溝巖體有關(guān)的銅礦化位于石甕溝—洋芋溝一帶,礦化體位于巖體內(nèi)部斜長花崗巖與閃長巖接觸帶上,受近SN向破碎帶控制。研究還發(fā)現(xiàn)該區(qū)也存在矽卡巖型銅礦化。區(qū)內(nèi)與巖體接觸帶主要的圍巖蝕變有鉀化、絹云巖化、矽卡巖化和角巖化等[5]。
用于制作遙感解譯基礎(chǔ)圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)為美國WorldView-I衛(wèi)星的全色波段數(shù)據(jù)以及日本ALOS衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù)。前者的地面分辨率為0.5 m,后者為10 m,通過兩者融合制作成研究區(qū)1∶1萬比例尺的基礎(chǔ)遙感圖像(圖1)。
圖1 冷水溝地區(qū)WorldView-I與ALOS融合圖像
由于以上2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率相差較大,即ALOS圖像中的1個像元在WorldView-I圖像中對應(yīng)為400個像元,為保證融合效果,在圖像制作過程中首先以WorldView-I圖像為參考,對ALOS假彩色合成圖像進行幾何糾正配準(zhǔn)。在控制點選擇過程中,由于常規(guī)方法中的水系交匯點、道路交叉點、橋梁等特征點在2種圖像中均不容易選擇, 因而筆者在WorldView-I圖像中選擇面積較小的等軸狀(或似等軸狀)的高亮或低暗灰度值的地物作為控制點; 該地物在ALOS圖像中一般顯示為特殊亮度值的單個像元,控制點分別選在2景圖像的中部位置,糾正效果較理想。對ALOS數(shù)據(jù)采用立方插值的方法進行重采樣,并對經(jīng)幾何糾正的ALOS圖像和WorldView-I圖像通過IHS變換進行數(shù)據(jù)融合。融合后的遙感圖像不僅分辨率提高,而且無重影現(xiàn)象,色彩較為豐富,影紋特征清晰,滿足1∶1萬比例尺基礎(chǔ)遙感圖像制圖的要求。
遙感異常信息提取使用了日本ASTER衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的光譜分辨率較高,短波紅外(SWIR)圖像的光譜分辨率達40 nm,為精確提取各種含水礦物信息提供了物理前提[7]。
基礎(chǔ)遙感圖像(圖1)顯示,研究區(qū)內(nèi)無雪,無云覆蓋,影像質(zhì)量良好。從該圖像可以看出,研究區(qū)屬于中山地貌,山巒起伏不大,水系沖溝發(fā)育,植被覆蓋較為嚴(yán)重,人文活動較多,影像紋理清晰,但色調(diào)相對比較單一。地質(zhì)解譯過程中主要通過不同影紋特征對地質(zhì)體進行分類。
研究區(qū)遙感地質(zhì)特征主要從巖性(或巖性組合)、線性構(gòu)造以及環(huán)形構(gòu)造等方面進行解譯分析,并制成遙感地質(zhì)解譯圖件(圖2)。
不同巖性的物理、化學(xué)特征差異可在遙感圖像中反映為色調(diào)和影紋特征差異。依據(jù)已有巖性地質(zhì)資料[5,8]建立解譯標(biāo)志,進行巖性解譯。因冷水溝巖體為研究重點,故僅對不同巖性侵入體的主要遙感影像特征(圖3)表述如下:
斜長花崗巖主要分布于研究區(qū)中部,影像紋理在總體上比較細(xì)碎,山脊陽坡色調(diào)較亮,不發(fā)育粗大沖溝,多為較短的似平行狀沖溝,局部可見鉗狀溝頭,沖溝類型以U-V型為主(圖3(a))。閃長巖主要位于研究區(qū)中西部,呈不規(guī)則狀,長軸方向近SN,影像特征顯示為淺色調(diào),開闊的V型沖溝,尖棱狀山脊,坡面發(fā)育平行狀較淺的沖溝(圖3(b))。石英閃長巖主要位于研究區(qū)東南部,巖體面積均較小,影像上有梳狀水系的特征,發(fā)育較短的U型沖溝(圖3(c))?;◢弾r主要位于研究區(qū)西南部,影像上以較亮的色調(diào)、粗大的影紋為特征,開闊的V型溝谷,末級沖溝不發(fā)育,其內(nèi)部有部分區(qū)域影紋特征有差異,從解譯角度難以厘定巖性(圖3(d))。巖體外圍主要以千枚巖、灰?guī)r、大理巖為主,影像以粗大的水系沖溝、平滑的坡面為主要特征。
從上述巖體不同巖性的分布來看,研究區(qū)經(jīng)歷了多期(次)巖漿活動,不同期(次)巖漿成分具有較大差異,從而造成了如今地表影像特征的差異。
研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖2),主要有:
1)線性斷裂構(gòu)造。在影像上多以直線狀沖溝、連續(xù)或斷續(xù)的陡坎為顯示特征,形跡比較清晰。鳳鎮(zhèn)—山陽斷裂(圖2中的F1)是區(qū)內(nèi)的較大斷裂,在區(qū)域上控制著柞山盆地的南界,而冷水溝巖體緊鄰該斷裂南側(cè)。該斷裂僅在研究區(qū)北部出現(xiàn),旁側(cè)發(fā)育走向相同的次級斷裂。其余線性斷裂構(gòu)造主要為NW向,規(guī)模較小,分布較為密集; 其次為NE向或近EW向,分布較少。斷裂構(gòu)造之間的交切關(guān)系不明確,形成時代難以確定。NW向斷裂構(gòu)造與鳳鎮(zhèn)—山陽斷裂(F1)有一定夾角,并且均在遙感解譯的冷水溝大型環(huán)形構(gòu)造之上或旁側(cè),其密集分布是否與隱伏的巖漿穹窿有一定關(guān)系,值得進一步驗證分析。
2)斷裂破碎帶。與線性斷裂構(gòu)造形跡較相似,但有一定寬度,橫切沖溝時,沖溝形態(tài)由V型變?yōu)閁型(圖4)。
圖4 斷裂破碎帶遙感影像特征
研究區(qū)內(nèi)解譯的斷裂破碎帶主要分布在解譯的閃長巖與二長花崗巖接觸帶附近及南部的石英閃長巖中。斷裂破碎帶走向近SN,并被后期NEE向小型斷裂切錯,在斷裂破碎帶北部已發(fā)現(xiàn)銅礦體。
3)構(gòu)造密集帶。影像特征比較隱約,在小比例尺圖像中可從宏觀上看到其延伸趨勢,地貌上多為同方向、斷續(xù)的小型沖溝,密集分布在一定寬度之內(nèi)。在研究區(qū)北部松樹溝一帶解譯的構(gòu)造密集帶呈向NW凸出的弧形分布(圖2),位于解譯的巖體外接觸帶。中部周家溝—普陀溝一帶有2條構(gòu)造密集帶沿NEE向平行展布,橫貫研究區(qū)(圖2),影像特征更為隱約; 在區(qū)域上該帶向東延伸與鳳鎮(zhèn)—山陽斷裂交匯,向西延伸有向NW拐折的趨勢。構(gòu)造密集帶一般為深部構(gòu)造在地貌上的反映,推測北部松樹溝構(gòu)造密集帶與深部巖漿穹窿有關(guān),中部周家溝—普陀溝構(gòu)造密集帶與深部韌性斷裂有關(guān)。
研究區(qū)內(nèi)解譯的5個環(huán)形構(gòu)造大致呈近EW向展布,均位于近EW向構(gòu)造密集帶之上或緊臨其旁側(cè)(圖2)。其中最大的為冷水溝環(huán)形構(gòu)造,呈橢圓狀,長軸近EW向,長約5.7 km,由近似弧形的山脊圍成; 環(huán)形構(gòu)造內(nèi)部影紋相對比較細(xì)膩,冷水溝巖體就位于環(huán)形構(gòu)造之內(nèi)。從解譯的巖體出露范圍以及環(huán)形構(gòu)造發(fā)育范圍推測,該環(huán)形構(gòu)造為深部巖漿穹窿在地表的反映。在該環(huán)形構(gòu)造內(nèi)部,Cu, Au, As和Pb地球化學(xué)異常發(fā)育。東部云蒙鄉(xiāng)環(huán)形構(gòu)造由環(huán)形山脊圍成,與云蒙鄉(xiāng)巖體吻合較好。南溝環(huán)形構(gòu)造位于冷水溝大環(huán)的內(nèi)部,以內(nèi)切圓形態(tài)出現(xiàn),環(huán)內(nèi)影紋相對粗大,色調(diào)較深; 該環(huán)形構(gòu)造內(nèi)部為遙感解譯的花崗巖,推測與該巖體的侵入有關(guān)。普陀溝埡環(huán)形構(gòu)造的東部為弧形水系,西部為弧形山脊,在地貌上顯示為一個完整的橢圓形,其內(nèi)部及旁側(cè)均有弧形水系發(fā)育; 但目前野外地質(zhì)工作尚未發(fā)現(xiàn)地表有巖體出露,推測與隱伏巖體有關(guān)(圖5(a)); 該環(huán)形構(gòu)造內(nèi)外發(fā)育有As和Pb化探異常,值得進一步勘查。周家溝環(huán)形構(gòu)造較小,直徑約460 m左右,位于冷水溝大環(huán)外部,環(huán)內(nèi)色調(diào)較亮,影紋特征與環(huán)外有明顯不同,推測與埋深較淺的隱伏巖體有關(guān)(圖5(b))。
(a) 普陀溝埡環(huán)形構(gòu)造(b) 周家溝環(huán)形構(gòu)造
4.1.1 異常信息提取依據(jù)
近年來,應(yīng)用多光譜遙感數(shù)據(jù)提取與礦產(chǎn)有關(guān)的遙感異常信息的技術(shù)取得了長足進展,特別是ASTER數(shù)據(jù)在遙感地質(zhì)工作中的應(yīng)用尤為明顯,應(yīng)用該數(shù)據(jù)可以有針對性地提取某些特征礦物(組合)信息[7,9]。
冷水溝巖體群外圍主要為中泥盆統(tǒng)古道嶺組灰?guī)r、大理巖和大楓溝組凝灰質(zhì)大理巖夾千枚巖,巖體與圍巖接觸帶部位矽卡巖化發(fā)育[10]。常見的矽卡巖化蝕變礦物有鈣鋁榴石、鈣鐵榴石、透輝石、透閃石、綠簾石、陽起石和綠泥石,這些礦物的光譜曲線特征(圖6)顯示,在2.3~2.4 μm波譜范圍內(nèi)(即分
(a) 鈣鐵榴石、鈣鋁榴石、透輝石和透閃石(b) 綠簾石、陽起石和綠泥石
別對應(yīng)于ASTER數(shù)據(jù)的B8,B9波段),它們均具有一定的吸收峰值(表1)。
表1 蝕變礦物吸收特征譜帶與ASTER波段對應(yīng)關(guān)系
4.1.2 異常信息提取方法
面向?qū)ο蟮闹鞒煞址治龇椒ㄓ欣趯Σ煌V物信息進行分類,同時可以將蝕變礦物信息進一步集中到某個主成分之中[11]。為了比較完整地提取矽卡巖化蝕變礦物信息,根據(jù)其光譜特征,將蝕變礦物分成2類,分別進行提取。由ASTER數(shù)據(jù)B1,B3,B4和B9波段參與的主成分分析有利于突出在B4波段反射且在B9波段吸收的礦物信息,如榴石類礦物、透閃石、透輝石和陽起石等礦物,稱為第一類異常(Ⅰ);由 ASTER數(shù)據(jù)B1,B3,B5和B8波段參與的主成分分析有利于集中在B5波段反射且在B8波段吸收的礦物信息,如綠泥石、綠簾石、陽起石、透閃石和透輝石等礦物,稱為第二類異常(Ⅱ)。主成分分析結(jié)果見表2。
表2 2類蝕變礦物信息提取主成分變換的特征向量矩陣及變異系數(shù)
①V為變異系數(shù)。
從表2可以看出,在Ⅰ類異常PC4中,B4和B9波段具有較強的負(fù)載,且符號相反。理論上在B9波段具有強吸收且在B4波段具有強反射的礦物(如榴石類礦物、透閃石、透輝石和陽起石等)信息在PC4中集中,且以高亮度值顯示[12]。在Ⅱ類異常PC′4中,B5和B8波段具有較強的負(fù)載,且符號相反。理論上在B8波段具有強吸收且在B5波段具有反射的礦物(如綠泥石、綠簾石等)信息在PC′4中集中,且以高亮度值顯示。兩者特征向量的變異方程分別為
PC4=0.175 94B1-0.201 35B3+0.615 47B4-0.741 42B9,
(1)
PC′4=-0.023 06B1+0.000 08B3+0.774 57B5-0.632 07B8。
(2)
Ⅰ類異常的PC4和Ⅱ類異常的PC′4經(jīng)濾波、分級后分別形成研究區(qū)Ⅰ類、第Ⅱ類異常信息圖像。
遙感異常提取結(jié)果如圖7所示。
1.第四系; 2.上泥盆統(tǒng)星紅鋪組; 3.中泥盆統(tǒng)古道嶺組; 4.中泥盆統(tǒng)大楓溝組; 5.中泥盆統(tǒng)牛耳川組; 6.閃長巖; 7.斜長花崗巖; 8.花崗巖; 9.石英閃長巖; 10.遙感解譯的構(gòu)造密集帶; 11.遙感解譯的斷裂破碎帶; 12.遙感解譯的環(huán)形構(gòu)造; 13.遙感解譯的線性斷裂構(gòu)造; 14.第I類遙感蝕變異常; 15.第II類遙感蝕變異常; 16.Au次生暈異常; 17.Cu次生暈異常; 18.遙感找礦預(yù)測區(qū); 19.已知銅礦點; ph-千枚巖; ls-灰?guī)r; mb-大理巖; sl-板巖
遙感異常提取結(jié)果表明,第Ⅰ類遙感蝕變異常主要集中在研究區(qū)西北部高家溝—松樹溝—石甕溝一帶,在區(qū)域上有沿NWW向帶狀展布的特征。在該異常帶內(nèi)又有3個比較集中的NE向的條帶狀異常,分別為高家溝異常帶、陽溝凹—松樹溝—吊莊梁異常帶和石甕溝—長溝異常帶。異常與巖性的對應(yīng)關(guān)系顯示,除石翁溝—長溝一帶的異常位于閃長巖之中以外,大部分異常分布于中泥盆統(tǒng)古道嶺組灰?guī)r和大理巖[D2g(ls+mb)]之中。陽溝凹—松樹溝—吊莊梁異常帶分布面積及強度最大,位于遙感解譯的冷水溝環(huán)形構(gòu)造之西北邊緣、閃長巖與灰?guī)r的接觸帶部位,具有一定的找礦指示意義。南部青定坪一帶也有面狀異常分布,異常位于石英閃長巖之中,與遙感解譯的斷裂破碎帶有區(qū)位上的相關(guān)關(guān)系。
第Ⅱ類遙感蝕變異常呈星點狀分布于全區(qū),表明該類蝕變具有普遍性。經(jīng)濾波處理后發(fā)現(xiàn),第Ⅱ類遙感蝕變異常在研究區(qū)西北部的陽溝凹—吊莊梁一帶、西南部的西溝—南溝一帶、中南部的青定坪一帶均有一定的集中趨勢,其中陽溝凹—吊莊梁一帶異常與第Ⅰ類遙感蝕變異常有一定重疊,也位于巖體與灰?guī)r(大理巖)的內(nèi)外接觸帶上。南部的2個異常相對集中區(qū)均位于遙感解譯的侵入體中,其中青定坪一帶的異常與第Ⅰ類遙感蝕變異常有一定的重疊。
通過2類異常的疊置分析,可以看到2個明顯的異常集中區(qū)域: ①西北部異常區(qū),2類異常均在冷水溝環(huán)形構(gòu)造內(nèi)側(cè)、巖體內(nèi)外接觸帶的松樹溝—吊莊梁一帶以高值集中出現(xiàn),該區(qū)域NW,NNE向斷裂與NEE向構(gòu)造密集帶交匯通過,為氣液上升提供了通道,環(huán)形構(gòu)造預(yù)示著深部巖漿活動為蝕變提供能量以及物源; ②中南部青定坪一帶異常區(qū),面積較小,主要分布在遙感解譯的石英閃長巖中的斷裂破碎帶旁側(cè),且以Mg-OH礦物(綠泥石、陽起石、綠簾石等)異常信息為主,明顯受巖體及斷裂破碎帶控制。
根據(jù)遙感地質(zhì)解譯及異常提取所反映的研究區(qū)遙感地質(zhì)特征分析,結(jié)合區(qū)內(nèi)已有地質(zhì)、物化探成果,在研究區(qū)內(nèi)共圈定2個遙感找礦預(yù)測區(qū),即陽溝凹—吊莊梁預(yù)測區(qū)和青定坪預(yù)測區(qū)(圖7)。
陽溝凹—吊莊梁預(yù)測區(qū)位于冷水溝環(huán)形構(gòu)造的內(nèi)側(cè),地表出露巖體的旁側(cè)。該區(qū)內(nèi)發(fā)育NEE向構(gòu)造密集帶,且NW和NNE向斷裂發(fā)育并與之交匯; 2類遙感異常均以高值集中分布,可作為矽卡巖型礦產(chǎn)的工作重點區(qū)。區(qū)域化探成果顯示,長軸近NW向的Cu異常在巖體中有多個異常中心,但該處異常明顯向NW方向突出,包括了大部分預(yù)測區(qū)面積; 另在陽溝凹地區(qū)也有Cu異常分布,與此預(yù)測區(qū)吻合程度很好。
青定坪預(yù)測區(qū)位于遙感解譯的石英閃長巖之中,區(qū)內(nèi)斷裂破碎帶發(fā)育,區(qū)域化探成果顯示Cu,Au異常較發(fā)育; 而且在該斷裂破碎帶的北延石甕溝一帶,地質(zhì)工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銅礦(化)體。本次研究提取的2類遙感異常在該區(qū)均有零星分布,因此可作為破碎帶型銅礦的工作重點區(qū)。
除上述2處遙感找礦預(yù)測區(qū)以外,還推測普陀溝埡環(huán)形構(gòu)造及周家溝環(huán)形構(gòu)造均與隱伏巖體有關(guān),且均處于NEE向構(gòu)造密集帶上,應(yīng)在進一步勘查工作中給予重視。
2013年,西北有色713隊在陽溝凹—吊莊梁預(yù)測區(qū)及其外圍開展地質(zhì)普查工作,1∶2 000比例尺地質(zhì)草測、地質(zhì)剖面及槽探揭露表明,該區(qū)普遍發(fā)育與中酸性巖漿活動有關(guān)的熱液蝕變作用,以鈉長石化、矽卡巖化和角巖化為主。其中矽卡巖化在泥盆系地層中較為普遍,蝕變強度僅次于鈉長石化,蝕變礦物為透閃石、透輝石、陽起石和綠泥石。多條剖面顯示,矽卡巖化和綠泥石化等蝕變與遙感異常中心對應(yīng)良好。
1)高空間分辨率、高光譜分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的配合使用在大比例尺遙感地質(zhì)特征解譯及找礦預(yù)測中具有一定的優(yōu)勢。利用WorldView-Ⅰ等高空間分辨率遙感圖像可以較為準(zhǔn)確地圈定目標(biāo)地質(zhì)體的界線,利用ASTER數(shù)據(jù)可以有針對性地提取蝕變礦物異常信息,通過綜合分析可以圈定遙感找礦預(yù)測區(qū)。
2)巖漿侵位與斷裂構(gòu)造關(guān)系密切,鳳鎮(zhèn)—山陽斷裂為研究區(qū)巖漿運移的通道,NW向次級斷裂以及NEE向斷裂密集帶交匯部位為巖漿侵位提供了空間。環(huán)形構(gòu)造特征表明,研究區(qū)深部存在較大的巖漿穹窿,已知巖體周圍仍可能有隱伏巖體存在。
3)在陽溝凹—吊莊梁及青定坪地區(qū)圈定的遙感找礦預(yù)測區(qū)的遙感地質(zhì)特征明顯,預(yù)測要素齊全,與區(qū)域化探成果吻合程度高,初步地質(zhì)工作在陽溝凹—吊莊梁一帶和石甕溝—洋芋溝一帶已發(fā)現(xiàn)礦(化)體或礦化蝕變,應(yīng)在地質(zhì)找礦工作中給予重視。
志謝: 本文研究及文稿撰寫過程中得到李領(lǐng)軍高工、王瑞廷教授及代軍治博士等的熱情指導(dǎo),在此深表謝意!
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