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        三江特提斯南段構(gòu)造活動時限
        ——磷灰石裂變徑跡年齡新證據(jù)

        2021-12-15 14:35:24袁二軍袁萬明馮小偉馮子睿朱傳寶叢殿閣王延倫
        原子能科學(xué)技術(shù) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:特提斯隆升徑跡

        袁二軍,袁萬明,馮小偉,馮子睿,朱傳寶,叢殿閣,6,王延倫

        (1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系,青海 西寧 810016; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 科學(xué)研究院,北京 100083; 3.內(nèi)蒙古眾興煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030; 4.包頭市北斗地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014000; 5.青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院,青海 西寧 810029; 6.青海省地質(zhì)調(diào)查院 青藏高原北部地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810012)

        三江特提斯構(gòu)造域是貫穿歐亞大陸的巨型特提斯構(gòu)造帶,由多個微地塊匯聚而成,呈中腰聚攏、兩側(cè)散開的獨(dú)特構(gòu)造形態(tài),涵蓋滇西、川西、藏東等地[1]。三江特提斯經(jīng)歷了陸塊裂解和弧盆匯聚增生造山作用,同時也遭受了印度板塊和歐亞板塊碰撞和構(gòu)造轉(zhuǎn)換造山作用,構(gòu)造邊界模糊不清,巖石記錄不全,是國際構(gòu)造動力學(xué)研究的熱點(diǎn)地區(qū)。近年來構(gòu)造演化時限研究成果豐碩[2-6],但在熱年代學(xué),特別是低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方面的研究甚少。裂變徑跡年代學(xué)作為新興熱年代學(xué)技術(shù)方法,可有效記錄地質(zhì)體演化過程,將時間、溫度聯(lián)系在一起研究地質(zhì)體演化歷史[7-8],為區(qū)域熱事件活動時限和演化過程提供證據(jù)。

        本文擬在前人研究基礎(chǔ)上,通過磷灰石裂變徑跡年代學(xué),研究三江特提斯南段熱演化歷史和年代學(xué)制約,為深入認(rèn)識三江特提斯南段構(gòu)造演變提供新佐證,提高研究區(qū)找礦潛力。

        1 地質(zhì)背景

        西南三江特提斯構(gòu)造帶位于青藏高原東南段,屬于全球特提斯構(gòu)造域的東段,地處印度板塊和歐亞板塊碰撞結(jié)合部的東側(cè),在空間上有兩大板塊特征,屬于東特提斯構(gòu)造帶南部巨型彎轉(zhuǎn)地帶。西南三江特提斯主要經(jīng)歷了原、古、中、新特提斯洋閉合引發(fā)的增生造山作用和印度-歐亞板塊匯聚造山作用[1]。侯增謙等[9]對印度-歐亞大陸碰撞造山帶時空演化進(jìn)行了系統(tǒng)分析,建立了青藏高原主碰撞(65—41 Ma)、晚碰撞(40—26 Ma)、后碰撞(25—0 Ma) 3階段地質(zhì)演化模式。青藏高原主碰撞時期,印度-歐亞板塊碰撞造成三江地區(qū)處于陸內(nèi)擠壓匯聚構(gòu)造環(huán)境[9]。在擠壓作用下以及剛性塊體的阻擋作用下,該地區(qū)形成逆沖推覆為主的薄皮板塊構(gòu)造[10]。三江地區(qū)受邊界條件制約,地殼縮短尚不能抵消擠壓應(yīng)力,致使部分物質(zhì)和塊體向東南方向擠出,呈現(xiàn)大型走滑斷裂系,即青藏高原晚碰撞期[11]。25 Ma以來,三江地區(qū)在大規(guī)模走滑運(yùn)動影響下,地殼處于伸展環(huán)境,形成新生代斷陷盆地、拉伸盆地、走滑拉分盆地等[12],與此同時形成大量基性、中性、酸性、堿性侵入巖石。目前該造山帶仍處于活動狀態(tài),同時也是全球最典型的大陸碰撞造山帶。

        2 方法

        2.1 樣品采集

        本文樣品采集主要集中在中咱地塊的中甸縣納帕海-橋頭兩側(cè)(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,增加了實(shí)驗(yàn)室測試難度。實(shí)驗(yàn)獲得14件磷灰石裂變徑跡測試結(jié)果,樣品YN15取自下泥盆統(tǒng)何元寨組(D1h),巖性是斜長角閃巖;其余樣品采于震旦系巨甸巖群(Pt3J),巖性是片巖(表1)。視樣品巖性不同,采樣質(zhì)量在2~5 kg,確保分選出的磷灰石單礦物樣品滿足裂變徑跡測試分析要求。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        按照實(shí)驗(yàn)要求對所選樣品進(jìn)行粉碎,并采用常規(guī)搖床進(jìn)行分選、磁選、重液分離、介電分離等,分選磷灰石單礦物。將分選好的磷灰石單礦物顆粒制成環(huán)氧樹脂片,經(jīng)研磨和拋光后,用7%HNO3在25 ℃下蝕刻20 s,揭示其自發(fā)徑跡。利用反應(yīng)堆輻射樣品和低鈾白云母片,然后用40%HF在25 ℃下蝕刻20 s,揭示其誘發(fā)徑跡。利用CN5鈾玻璃對磷灰石中子通量進(jìn)行標(biāo)定[13],與此同時對自發(fā)徑跡、誘發(fā)徑跡密度進(jìn)行測量,并統(tǒng)計(jì)裂變徑跡條數(shù)。裂變徑跡中心年齡應(yīng)用IUGS[14]推薦的加權(quán)平均Zeta常數(shù)標(biāo)定法計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)獲得的磷灰石樣品Zeta常數(shù)為(410.0±10.7) a/cm2。

        3 結(jié)果與討論

        本文獲得的14件磷灰石樣品裂變徑跡分析結(jié)果列于表2,磷灰石樣品單顆粒年齡直方圖及其頻率曲線示于圖2,年齡-高程相關(guān)性示于圖3。表2中Ns為自發(fā)徑跡數(shù)、Ni為誘發(fā)徑跡數(shù)、Nd為標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃的外探測器白云母記錄的徑跡數(shù);ρs、ρi、ρd分別為Ns、Ni、Nd對應(yīng)的徑跡密度;P(χ2)為χ2檢驗(yàn)值;N為徑跡條數(shù)。由表2可見,所有樣品的表觀年齡變化均較小,在(13±2)—(36±4) Ma之間。由圖2可見,單顆粒年齡分布頻率曲線峰值較為集中,除YN16呈雙峰分布外,其余全是單峰狀分布。圖3顯示研究區(qū)年齡與高程較分散,相關(guān)性較差,表明區(qū)域受構(gòu)造活動影響較大。

        圖1 三江特提斯地質(zhì)簡圖及采樣位置圖(據(jù)鄧軍等[1])Fig.1 Simplified geological map of Sanjiang Tethys and sample location (Deng et al.[1])

        表1 樣品采集信息Table 1 Sample collection information

        續(xù)表1

        表2 磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果Table 2 Fission track analysis result of apatite sample

        磷灰石水平封閉徑跡長度依據(jù)Green等[15]建議的程序測定,通過χ2檢驗(yàn)評價所測樣品各單顆粒是否屬于同組年齡。P(χ2)>5%表明單顆粒礦物年齡屬于同組年齡,P(χ2)<5%表明單顆粒礦物年齡不均勻分布,代表混合年齡或多期熱事件,需進(jìn)行年齡分解。由表2可知,樣品YN16的P(χ2)<5%,表明屬于混合年齡,經(jīng)歷了多期地質(zhì)熱事件。其他樣品的P(χ2)>5%,說明這些樣品單一顆粒年齡都是同組年齡,代表最近一次地質(zhì)熱事件。應(yīng)用Binomfit軟件[16]將YN16樣品進(jìn)行年齡分解,結(jié)果示于圖4。由圖4可得YN16樣品的擬合年齡為19.4、35.4 Ma,即樣品經(jīng)歷了2次熱事件。

        磷灰石裂變徑跡長度為(10.4±2.2)~(13.1±2.3) μm,整體徑跡屬于中等長度,部分樣品沒有獲得徑跡長度數(shù)據(jù),主要原因是徑跡條數(shù)太少,只有足夠多的徑跡條數(shù)才能測出徑跡長度。年齡與徑跡長度的相關(guān)性示于圖5。圖5表明,研究區(qū)樣品年齡與徑跡長度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),年齡越大徑跡長度越小,表明年齡大的磷灰石在退火帶停留時間較長。

        圖2 磷灰石樣品單顆粒年齡直方圖及其頻率曲線Fig.2 Single particle age histogram and frequency curve of apatite sample

        圖3 年齡-高程相關(guān)性Fig.3 Correlation between age and elevation

        4 地質(zhì)熱歷史與隆升速率

        4.1 地質(zhì)熱歷史

        基于Ketcham等[17]的退火模型,確定模擬初始條件:磷灰石裂變徑跡封閉溫度為110 ℃、退火溫度帶為60~120 ℃,通過磷灰石單顆粒徑跡長度、年齡、退火帶溫度等參數(shù)進(jìn)行熱歷史模擬,反映區(qū)域地質(zhì)熱事件。應(yīng)用HeFTy軟件進(jìn)行模擬,結(jié)合磷灰石單顆粒年齡和區(qū)域構(gòu)造熱事件可知,區(qū)域上較近一次熱事件是45 Ma發(fā)生的印度-歐亞陸陸硬碰撞,該事件對研究區(qū)影響較大,因此模擬年齡從45 Ma開始,溫度為從高于退火帶底部溫度130 ℃到現(xiàn)今地表溫度15 ℃范圍。模擬過程中不斷修正模擬區(qū)間,從而獲得最符合區(qū)域構(gòu)造演化的最佳熱歷史模擬路徑[18]。采用擬合參數(shù)(GOF)對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),GOF>0.05時模擬結(jié)果可接受,GOF>0.5時模擬結(jié)果良好[17]。因樣品YN15的徑跡年齡在36 Ma,因此參照樣品單顆粒最大年齡45 Ma作為熱歷史模擬的起始年齡,對樣品YN07、YN12、YN15、YN16、YN17、YN19、YN20、YN22進(jìn)行熱歷史模擬,結(jié)果示于圖6,圖6中只有樣品YN07、YN15、YN16的熱歷史模擬結(jié)果,樣品YN12、YN17、YN19、YN20、YN22沒有模擬結(jié)果,可能是由于徑跡條數(shù)較少。

        a——概率密度圖解;b——雷達(dá)圖解圖4 P(χ2)<5%樣品的磷灰石裂變徑跡年齡分解圖Fig.4 P(χ2) Apatite fission track age breakdown of <5% sample

        圖5 年齡-徑跡長度相關(guān)性Fig.5 Correlation between age and track length

        依據(jù)磷灰石單顆粒徑跡長度和徑跡年齡,應(yīng)用Green描述的磷灰石退火特征,可較好地解釋磷灰石裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)[19]。由圖6可知,研究區(qū)經(jīng)歷了3階段熱歷史過程:第1階段為45—30 Ma,溫度從130 ℃降至80 ℃,主體溫度較高,平均冷卻速率為3.33 ℃/Ma,表現(xiàn)為快速冷卻過程;第2階段為30—8 Ma,溫度從80 ℃降至70 ℃,平均冷卻速率為0.46 ℃/Ma,表現(xiàn)為緩慢降溫過程;第3階段為8 Ma以來,溫度從70 ℃降至15 ℃,平均冷卻速率為6.88 ℃/Ma,表現(xiàn)為快速冷卻過程。綜上所述,研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造呈快速冷卻、緩慢降溫、快速冷卻3階段演化過程。

        4.2 隆升速率

        巖石隆升是指相對于古海平面巖石隆升變化的程度,本文主要參照袁萬明等[20]對黃山山體隆升的計(jì)算方法,其關(guān)系式為:

        U=D+ΔH+Δs.L

        (1)

        式中:U為隆升量;D為剝蝕量;ΔH為現(xiàn)今地表高程與古地表海拔之差;Δs.L為海平面變化幅度[21]。

        三江特提斯中段樣品古地表高程為1 000 m,D+Δs.L為磷灰石徑跡封閉溫度對應(yīng)的埋藏深度,取磷灰石裂變徑跡封閉溫度110 ℃,若取地溫梯度為35 ℃/km[20],則其埋深為3 143 m,即D+Δs.L=3 143 m,相當(dāng)于剝蝕的部分,因此有:

        U=ΔH+3 143

        (2)

        隆升速率=隆升量/時間,冷卻速率=溫差/時間。結(jié)合熱歷史模擬將中咱地塊隆升量分為3個階段:第1階段為45—30 Ma,平均隆升速率為0.10 mm/a,隆升量為1.50 km,是快速隆升階段;第2階段為30—8 Ma,平均隆升速率為0.01 mm/a,隆升量為0.27 km,是緩慢冷卻階段,并無大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生的地表隆升,經(jīng)歷了相對平緩的隆升過程;第3階段為8 Ma以來,平均隆升速率為0.20 mm/a,隆升量為1.60 km,經(jīng)歷了快速隆升過程。

        圖6 地質(zhì)熱演化歷史模擬結(jié)果及徑跡長度分布直方圖Fig.6 Simulation result of geothermal evolution history and histogram of track length distribution

        5 地質(zhì)意義

        本文獲得14件磷灰石裂變徑跡年齡,記錄了區(qū)域構(gòu)造熱事件,結(jié)合區(qū)域始新世以來年代學(xué)數(shù)據(jù)(表3),通過磷灰石裂變徑跡模擬熱演化歷史,將研究區(qū)演化過程分為3階段,如圖7所示。

        表3 三江特提斯南段年代學(xué)數(shù)據(jù)Table 3 Chronological data of southern section of Sanjiang Tethys

        ASSZ——哀牢山剪切帶;CSZ——崇山剪切帶;DBPF——奠邊府?dāng)嗔?;GLSZ——高黎貢山剪切帶; JLF——嘉黎斷裂;NTF——南汀河斷裂;SGSZ——實(shí)皆斷裂;WDF——畹町?dāng)嗔?;Ⅱ——甘?理塘縫合帶; Ⅳ1——金沙江縫合帶;Ⅳ2——哀牢山縫合帶;Ⅶ1——龍木措-雙湖縫合帶; Ⅶ2——昌寧-孟連縫合帶;Ⅹ——潞西裂谷;SB——撣邦斷裂圖7 三江特提斯大陸碰撞造山作用的構(gòu)造演化(據(jù)鄧軍等[1]修改)Fig.7 Tectonic evolution of continental collision orogenesis in Sanjiang Tethys (Modified according to Deng Jun et al.[1])

        第1階段:始新世—漸新世快速隆升階段(45—30 Ma)。在此階段,印度-歐亞陸陸硬碰撞,金沙江-哀牢山縫合帶以及周圍巖石圈加厚,巖石圈地幔發(fā)生拆沉作用,致使軟流圈物質(zhì)上涌以及殼幔物質(zhì)強(qiáng)烈混染,金沙江-哀牢山縫合帶附近地殼物質(zhì)部分熔融,有大規(guī)模鉀質(zhì)巖漿巖帶和超鉀質(zhì)巖漿巖分布。從熱歷史模擬結(jié)果可看出在45—30 Ma之間,經(jīng)歷了1次快速隆升過程,受此構(gòu)造活動事件影響,區(qū)域上有多處響應(yīng)。

        由于印度-歐亞陸陸硬碰撞及金沙江-哀牢山縫合帶加厚巖石圈發(fā)生拆沉作用,形成了大量鉀質(zhì)巖漿巖,年齡集中在36.9—32.5 Ma之間,是此階段構(gòu)造事件年代學(xué)證據(jù)[32]。伴隨著印度-歐亞大陸碰撞,在陸內(nèi)轉(zhuǎn)換造山以及逆沖推覆構(gòu)造體系影響下,形成了玉龍超大型銅礦,其中,輝鉬礦Re-Os等時線年齡為(40.1±1.8) Ma[33],馬拉松多、多霞松多銅礦輝鉬礦Re-Os模式年齡為35.8—36.0 Ma[34],馬廠箐銅鉬礦床輝鉬礦Re-Os等時線年齡為(35.8±1.6) Ma[35],上述成礦年齡記錄了該構(gòu)造活動。與此同時,金沙江-哀牢山縫合帶和甘孜-理塘縫合帶的擠壓作用致使中咱地塊處于陸內(nèi)擠壓構(gòu)造環(huán)境,發(fā)生了大規(guī)??焖俾∩饔谩A谆沂炎儚桔E年齡為36—30 Ma,記錄了該構(gòu)造事件在中咱地塊響應(yīng)的時限范圍。

        第2階段:漸新世—中新世緩慢隆升階段(30—8 Ma)。此階段,在新生代三江特提斯承接巖石圈拆沉作用下,印度大陸向拉薩地塊、西緬地塊俯沖,華南板塊向印支地塊俯沖。在碰撞擠壓構(gòu)造環(huán)境下,印支板塊逃逸,發(fā)生了大規(guī)模剪切活動,以走滑變形為主,受華南板塊向印支地塊俯沖作用的影響,三江地區(qū)各微地塊發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)以及東南向逃逸,形成高黎貢山、崇山、雪峰山-點(diǎn)蒼山-哀牢山三大剪切帶。熱歷史模擬結(jié)果顯示,在30—8 Ma發(fā)生了緩慢隆升過程,受此構(gòu)造活動事件影響,區(qū)域上有多處響應(yīng)。鎮(zhèn)沅Au、金廠Au、大坪Au、長安Au礦床形成時代在27—21 Ma[21-22]。金頂Pb-Zn、白秧坪Pb-Zn-Cu礦床形成時代約在29 Ma[23]。在研究區(qū)獲得了26、23—17、13—12 Ma磷灰石裂變徑跡年齡組,記錄了區(qū)域的3次構(gòu)造熱事件。

        26 Ma為高黎貢山、崇山、雪峰山-點(diǎn)蒼山-哀牢山剪切帶走滑運(yùn)動在中咱地塊的遠(yuǎn)程響應(yīng)。三大剪切帶在31—32 Ma左右開始滑移,高黎貢山在13 Ma結(jié)束運(yùn)動,崇山剪切帶在17 Ma結(jié)束運(yùn)動。雪峰山-點(diǎn)蒼山-哀牢山在20 Ma結(jié)束運(yùn)動[1]。中咱地塊處于三大剪切帶東北方向,區(qū)域斷裂普遍存在,此次獲得的中咱地塊磷灰石裂變徑跡年齡為26 Ma,應(yīng)力消減致使在中咱地塊對此構(gòu)造事件響應(yīng)要晚。綜上所述,中咱地塊受三大剪切帶滑移運(yùn)動影響,處于陸內(nèi)拉伸環(huán)境,熱歷史模擬結(jié)果顯示其呈緩慢隆升過程,磷灰石裂變徑跡年齡(26 Ma)記錄了三大剪切帶開始滑移事件在中咱地塊的響應(yīng)。

        23—17 Ma為青藏高原后碰撞巖漿作用的響應(yīng)。后碰撞形成鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)火山巖為特征,集中發(fā)育于岡底斯構(gòu)造-巖漿帶和西藏南部地區(qū)。在雄巴產(chǎn)出超鉀質(zhì)火山巖同位素40Ar/39Ar年齡介于25—17 Ma[27],記錄了該構(gòu)造活動。中咱地塊磷灰石裂變徑跡年齡(23—17 Ma),記錄了青藏高原后碰撞構(gòu)造-巖漿巖事件。

        13—12 Ma為青藏高原NS裂谷正斷層形成。Coleman等[28]和Blisniuk等[29]認(rèn)為NS裂谷正斷層發(fā)育于13.5—14 Ma之前,此次獲得的中咱地塊磷灰石裂變徑跡年齡為13—12 Ma,是青藏高原NS裂谷正斷層活動時限的響應(yīng)。

        第3階段:晚中新世至今快速隆升階段(8 Ma至今)。繼印度大陸俯沖后,地塊物質(zhì)發(fā)生順時針旋扭以及伸展減薄,軟流圈物質(zhì)上涌,拉伸作用引起三江地區(qū)裂陷,物質(zhì)順時針旋鈕,受到剛性巖體阻擋作用,中咱地塊處于陸內(nèi)擠壓構(gòu)造環(huán)境,發(fā)生快速隆升作用。熱歷史模擬結(jié)果顯示,在8 Ma附近有轉(zhuǎn)折,此年齡記錄了三江地區(qū)以走滑為主的運(yùn)動形式逐漸向伸展旋鈕運(yùn)動轉(zhuǎn)換,三江特提斯南段處于伸展環(huán)境,引起三江地區(qū)裂陷,物質(zhì)順時針旋鈕,受到剛性巖體阻擋作用,引發(fā)區(qū)域快速隆升。受青藏高原后碰撞晚期影響,形成藏南正斷層的活動年齡(8 Ma)是此階段構(gòu)造事件的響應(yīng)。袁萬明等[30]對岡底斯地塊南木林和尼木地區(qū)進(jìn)行了磷灰石裂變徑跡年齡測定,結(jié)果為9.6—5.2 Ma,張麗婷等[31]測得的甘孜-理塘帶嘎拉礦區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡為8.1 Ma,均是青藏高原陸陸側(cè)向碰撞構(gòu)造活動事件的響應(yīng)。

        6 結(jié)論

        本研究應(yīng)用磷灰石裂變徑跡年代學(xué)探討三江特提斯南段構(gòu)造演化,獲得了構(gòu)造演化時限新證據(jù)。

        1) 研究區(qū)獲得了14個磷灰石裂變徑跡年齡分析結(jié)果,其中13個樣品屬于單一年齡,為(13±2)—(36±4) Ma,平均徑跡長度為(10.4±2.2)~(13.1±2.3) μm,呈單峰式分布,是最近一次構(gòu)造事件的響應(yīng)。YN16屬于混合年齡,由19.4 Ma和35.4 Ma兩組年齡組成,反映了兩期構(gòu)造事件。

        2) 三江特提斯南段熱歷史模擬分為3個階段:第1階段為45—30 Ma,冷卻速率為3.33 ℃/Ma,隆升速率為0.10 mm/a,隆升量為1.50 km,是快速隆升階段;第2階段為30—8 Ma,冷卻速率為0.46 ℃/Ma,隆升速率為0.01 mm/a,隆升量為0.27 km,是緩慢隆升階段;第3階段為8 Ma至今,冷卻速率為6.88 ℃/Ma,隆升速率為0.20 mm/a,隆升量為1.60 km,是快速隆升階段。

        3) 研究區(qū)顯示出3階段構(gòu)造演化過程:第1階段為始新世—漸新世快速隆升階段(45—30 Ma),印度-歐亞陸陸硬碰撞,致使金沙江-哀牢山縫合帶附近地殼物質(zhì)部分熔融,大規(guī)模鉀質(zhì)巖漿巖帶和超鉀質(zhì)巖漿巖形成;第2階段為漸新世—中新世緩慢隆升階段(30—8 Ma),新生代三江特提斯承接巖石圈拆沉作用,印度大陸向拉薩地塊、西緬地塊俯沖,華南板塊向印支地塊俯沖運(yùn)動致使研究區(qū)發(fā)生緩慢抬升;第3階段為晚中新世至今快速隆升階段(8 Ma至今),繼印度大陸俯沖運(yùn)動,引起三江地區(qū)裂陷,物質(zhì)順時針旋鈕,受到剛性巖體阻擋作用,中咱地塊處于陸內(nèi)擠壓構(gòu)造環(huán)境,發(fā)生快速隆升作用。

        對中國地質(zhì)大學(xué)(北京)鄧軍教授為本研究提供的支持表示衷心感謝。

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