Neoproterozoic geochronologic framework of magmatism in Fanjingshan area and its tectonic implications
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摘要: 江南造山带位于华夏与扬子地块之间,发育大量新元古代火成岩,是研究地球早期壳幔相互作用、板块构造演化的理想对象。江南造山带东段新元古代板块演化研究已初具雏形,但对其西南段构造演化还争议不断,主要问题在于没有构建与区域地质特点吻合的岩浆活动年代学格架。本文以江南造山带西南段梵净山为研究区,基于详细的区域地质填图结果,针对侵入于梵净山群(沉积时代850~830 Ma)中的基性-超基性岩样品开展原位锆石年代学研究。新的年代学数据表明,侵入于梵净山群的3个辉长岩体结晶年龄分别为813 Ma、804 Ma、748 Ma。结合前人发表数据,提出梵净山地区岩浆活动可划分为两个阶段:晋宁I期(850~825 Ma)、晋宁II期(820~750 Ma),分别对应于梵净山期、下江期盆地演化。该岩浆岩年代学格架与区域地层年代格架吻合,形成了完整的新元古代沉积-岩浆活动记录。这套沉积-岩浆组合的大地构造背景尚不明确,需要通过大地构造相分析予以确定。Abstract: The Jiangnan orogen is located between the Cathaysian and Yangtze blocks, where numerous Neoproterozoic igneous rocks have been identified, which provide a chance to study the mantle-crust interaction and plate tectonics of the earth's earlier history. The tectonic evolution of the eastern segment of the Jiangnan orogen seems to be clear, but the tectonic evolution of its southwestern segment remains controversial mainly due to absence of field relationship-consistent geochronologic framework. The Fanjingshan area is located in the northern portion of the southwestern segment of the Jiangnan orogen. 1:50000 geological mapping of that area revealed detail field relationship between different geological units, thus it is an ideal area to construct a reasonable geochronologic framework. This paper reports four in- situ zircon U/Pb dating results of mafic to ultramafic plutons which intruded the Neoproterozoic Fanjingshan Group. (deposition time 850- 830 Ma). The new data obtained by the authors demonstrate that the three gabbroic plutons crystallized at 813 Ma, 804 Ma, and 748 Ma, respectively. Combined with previously published geochronologic data, the authors hold that the magmatism that occurred in the southwestern segment of the Jiangnan orogen consisted of two stages: the Jinning-I stage (850 to 825 Ma) and the Jinning-II stage (820 to 750 Ma), which correspond to the sedimentation time of Fanjingshan and Xiajiang Groups, respectively. Between them is an angular unconformity. Such a magmatic geochronological framework is consistent with that of the sedimentary rocks. The tectonic setting of the Neoproterozoic tectonostratigraphy is not very clear due to the fact that regional tectonic setting remains unclear.
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1. 引言
伸展构造指岩层在水平引张力下形成的构造变形，是裂陷盆地动力学成因研究的基础[1-2]。早期二连盆地的研究主要集中于盆地基础结构方面[3-7]；20世纪90年代末人们开始对二连盆地伸展模式及动力学背景进行探讨[2, 8-12]，建立了低伸展率、宽裂陷作用的伸展构造系统[13]。二连盆地是形成于晚古生代褶皱基底上的中生代裂陷盆地[8], 对于其形成的动力学背景的研究仍然存在分歧，早期研究集中于古太平洋板块向西俯冲导致的弧后伸展，也有部分学者认为是蒙古鄂霍茨克板片脱落引起。
乌尼特坳陷位于二连盆地东北部，相比于其他坳陷来说，受勘探程度以及复杂的地质条件限制，该区域基本伸展构造格架的研究一直较为薄弱。随着二维以及部分三维地震资料的覆盖，新的凹陷如霍林河相继发现, 目前基本结构已清晰。作为二连盆地五大坳陷之一，对乌尼特坳陷的盆地结构、形成演化等系统性的研究有助于整个盆地构造格架的深化认识，为盆地动力学分析夯实基础。利用地面地质、地球物理资料对乌尼特坳陷早白垩世断陷的伸展构造特征进行综合分析，在此基础上探讨坳陷的成盆演化过程。
2. 区域概况
二连盆地是发育在中蒙边境的裂陷盆地，包含有大量由区域基底规模正断层或兼具张剪断层控制地层充填的中生代断陷[13, 14]，多个断陷彼此连接、相对集中在一起构成了盆地内部的负向二级构造单元, 隆起上则零星分布。其中，中生代地层包括侏罗系、下白垩统，缺失三叠系与上白垩统。侏罗系主要是沉积-火山碎屑岩建造，在盆地内部及周边隆起区尤其是大兴安岭隆起区有广泛出露，岩性与厚度受断层影响较小[15]。下白垩统主要发育含煤、含油及砂砾岩建造，为断陷沉积主体，厚度及岩性变化受同生断层控制。
二连盆地基底属于兴-蒙碰撞带一部分[16]。兴-蒙碰撞带由一系列大小不等的块体、岛弧及充填其间的古地层组成，在经历早古生代、晚古生代、印支期、燕山期等多期构造旋回后形成众多重要的构造拼合带[17-19]，其中位于二连盆地基底的有二连-贺根山混杂岩带（Pz2）及索伦山-西拉木伦缝合带（Pz2）[19]（图 1中的Ⅰ、Ⅱ）。二连-贺根山混杂岩带主要是一些中、小型块体间的拼合，沿此带多出露陆间小洋盆型蛇绿岩体。索伦山-西拉木伦缝合带为一些中、小块体群与华北板块间的构造拼合带，沿此带常常发育一些大型逆冲推覆构造[20]。二者在华北油田内部1:20万重力异常图上均表现为明显的异常梯度带。根据1:50万内蒙古地质图及华北油田内部1:20万重力、磁力异常图综合判断乌尼特坳陷基底由锡林浩特至霍林郭勒段的二连-贺根山混杂岩带（以下简称混杂岩带）及以二叠系为核部的东乌旗复式向斜带东段（以下简称复式向斜）组成。
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图 1 乌尼特坳陷构造单元轮廓图（剖面见图 2）构造单元划分及名称引用华北油田科研项目成果❶，略有修改1-基底构造带：Ⅰ-二连-贺根山混杂岩带（Pz2）；Ⅱ-索伦山-西拉木伦缝合带（Pz2）；2-早白垩世断陷：①-霍林郭勒；②-迪彦庙；③-巴彦花；④-高力罕；⑤-阿拉达布斯；⑥-包尔果吉；⑦-布日墩；⑧-白音胡硕；⑨-朝克乌拉；⑩-吉尔嘎朗图Figure 1. The distribution of tectonic units and major faults in the Wunite Depression (for profiles see Fig. 2)1-Basement tectonics:Ⅰ-Erlian-Hegenshan mélange zone (Pz2); Ⅱ-Suolunshan-Xilamulun suture zone (Pz2); 2-Early Cretaceous faulted-sags: ①-Huolinguole; ②-Diyanmiao; ③-Bayanhua; ④-Gaolihan; ⑤-Aladabusi; ⑥-Baoerguoji; ⑦-Buridun; ⑧-Baiyinhushuo; ⑨-Chaokewula; ⑩-Jiergalang The division and names of units are modified after the research production of Huabei Oilfield❶漆家福等.二连盆地构造沉积演化特征与富油凹陷形成机制研究(HBYT-WTY-2011-JS-327). 2013.
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图 2 乌尼特坳陷典型断陷构造剖面图剖面位置见图 1；图中实线依据地震剖面解释；浅层虚线依据地面地质图解释，深层虚线依据华北油田内部万重、磁资料❶推测Figure 2. Typical sections of faulted-sag in Wunite DepressionPositions of sections are seen in Fig. 1; The solid lines are interpreted by seismic data, the dashed lines in subsurface are interpreted based on geological outcrops and in deep level are inferred by gravity/magnetic data❶东方地球物理公司综合物化探事业部.二连盆地及周边重磁电资料研究及新断陷优选评价(华北油田二连勘探部项目成果).2009.
华北油田油气勘探资料所揭示的乌尼特坳陷下白垩统分布范围如图 1所示，依据坳陷内部主干断层及其控制的下白垩统，坳陷内部可以划分为10个断陷（三级构造单元）。考虑坳陷基底性质差异，将10个断陷划分为混杂岩断陷带及复式向斜断陷带，前者分为东部霍林郭勒（图 1中①）及西部布日墩、白音胡硕、朝克乌拉、吉尔嘎朗图（图 1中⑦~⑩），后者包括迪彦庙、巴彦花、高力罕、阿拉达布斯、包尔果吉（图 1中②~⑥）。断陷内所充填的下白垩统自下而上分为巴彦花群阿尔善组、巴彦花群腾格尔组（分为腾格尔组一段、腾格尔组二段）和巴彦花群赛汉塔拉组，总厚度在2000~4000 m。三个岩石地层单位之间在断陷内部多为整合、平行不整合接触，但是在断陷斜坡带多表现为逐步上超或是赛汉塔拉组削截下部地层形成角度不整合接触。平面上，乌尼特坳陷长轴延伸方向为NE向，内部单个断陷通常发育规模较小，多为长条状，大致延伸长度40~60 km，宽度几千米至20 km，呈NNE、NE、NEE三组方向延伸，彼此首尾相连或被低凸起相隔。
3. 伸展构造特征
早白垩世乌尼特坳陷与整个中国东部一样主要发生伸展裂陷形成伸展构造[1, 2, 9, 21-26]。伸展构造的基本构造要素是正断层，不同类型、规模的正断层以不同方式组合在一起形成丰富多彩的伸展构造样式。但并非所有正断层都是真正的伸展断层，那些与区域伸展方向近于平行或斜交的断层和构造带属于变换构造，是由于伸展断层走向、位移等变化诱导形成。伸展断层使得岩层发生脆性减薄，变换构造起应力调节/传递作用[27-29]。
3.1 伸展断层
乌尼特坳陷伸展构造主要伴生由主边界断层控制形成的地堑、半地堑。通过地球物理资料分析，早白垩世断陷主边界断层（MBF）主要为高角度铲式正断层，控制断陷走向、形成及演化，同时受变换构造影响。主边界断层上盘发育一系列同向或反向次级伸展断层、横向或斜向变换断层等形成不同规模的断陷。这些铲式断层一般中间位移量大，向两侧逐渐消失或以其他方式传递至其他主边界断层，向深部延伸时并未终止、聚敛成为统一的滑脱面。这与一些盆岭省或被动大陆边缘地区所形成的大型连锁式滑脱正断层系及伴生变质核杂岩的伸展构造系统[30, 31]有着显著区别。主边界断层向深部延伸时受基底软弱带走向及变形特征影响滑脱深度不同，平面延伸时受变换构造影响，导致上盘伸展构造特征有所差异。
混杂岩断陷带断陷为NE-NNE走向，断陷总体沿混杂岩带走向分布，呈并联或串联式复合。断陷主边界断层受NE向以伸展变形为主的混杂岩带影响，在浅层表现为高角度正断层，向深部延伸至5000 m甚至更深处才逐渐变缓滑脱成为铲式。断陷另一侧常常发育反向次级断层促使断陷进一步深陷，因此形成的断陷深而狭长。如朝克乌拉凹陷主边界断层于晚侏罗世形成，阿尔善组沉积时期期开始活动控制地层沉积，腾格尔组沉积时期活动加剧，赛汉塔拉组沉积时期期活动减弱。根据现今地震剖面实测断层倾角在3000 m处仍为近80°，4000 m以下才开始逐渐变缓。断层最大断距大于2000 m，断陷基底埋深约3000 m。反向高角度次级断层与主边界断层共同控制西部洼槽沉降形成深断陷（图 2中剖面C-C'）。霍林郭勒凹陷也具有相同特征，南洼槽边界断层倾角在2000 m以上约72°，2000~3000 m处约67°，4000 m以下逐渐变缓，断层最大断距近3000 m。断陷发育的反向次级断层倾角约77°（图 2中剖面A-A'）。主边界断层向北延伸与中央变换带相交，受变换断层影响断距相对减小，断面相对变缓。但霍林郭勒总体仍为宽度约10 km而基底埋深大于3000 m的深而狭长的断陷。
复式向斜断陷带内除包尔果吉（NE走向）外均为NNE走向，主要呈串联或斜列式复合。断陷边界均为铲式断层，上盘常常发育一系列同向正断层组成掀斜断块。铲式断层受复式向斜构造层韧性变形影响，向深部延伸至4000 m甚至更浅处便发生滑脱，因此形成的断陷多表现为浅而宽阔。如高力罕凹陷的高力罕断层北段倾角在埋深1000 m以上为68°，1000~2000 m处约62°，2000~3000 m处约42°，在3000 m以下逐渐滑脱。断层最大断距大于1000 m，基底埋深2500 m左右，断陷宽度近50 km（图 2中剖面D-D'）。复式向斜断陷带向南部延伸至混杂岩带终止，受以右行走滑作用为主的混杂岩带影响，断陷表现为浅而狭长。如高力罕凹陷南洼槽基底埋深约2500 m，而洼槽宽度约20 km（图 2中剖面B-B'）。
3.2 变换构造
变换构造是与伸展方向平行或斜交的断层、构造带，通常具有走滑或斜滑作用。伸展断层穿过变换构造一般表现为位移量、倾向、走向等变化[27, 32]。在乌尼特坳陷，变换构造可以位于断陷内部以调节单个断陷伸展断层构造变化，也可以位于首尾相连的断陷之间以调节伸展断层叠覆位置构造变化。
乌尼特坳陷内主边界断层平面延伸方式主要为两种：简单弧形或波状延伸，其中后者居多。它们实际上是多个分段断层通过变换构造连接而成，分段断层间以变换构造为桥梁相互作用。如高力罕凹陷的主边界断层高力罕断层由北向南分为三段式，分别控制3个洼槽的形成演化，它们通过哈拉根图变换带（图 3中A）及高力罕走向斜坡（图 3中B）彼此连接相互作用。哈拉根图变换带主要由哈拉根图变换断层及一些小型横向断层组成。其中哈拉根图断层走向近EW向，具有左行走滑特征，与高力罕及其他主干伸展断层（图 3中的①、②、③、④）同期形成并活动，共同控制北部各洼槽及断阶带的地层沉积。高力罕走向斜坡连接高力罕断层的中段和南段，中段断层的伸展应变通过走向斜坡逐渐传递至南段断层。
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图 3 高力罕凹陷变换构造示意图（图中断层依据地震资料解释）1-变换带：A-哈拉根图变换带，B-高力罕走向斜坡；2-主干断层：①-高力罕断层；②-呼格吉勒图断层；③-查西斯断层；④-胡热诺尔断层；⑤-哈拉根图变换断层Figure 3. Transform structures in Gaolihan fualted-sag1-Transfer zones (TZ): A-Halagentu TZ, B-Gaolihan TZ; 2-Major faults: ①-Gaolihan fault; ②-Hugejiletu fault; ③-Chaxisi fault; ④-Hutetu fault; ⑤-Halagentu transfer fault乌尼特坳陷内2个首尾相连断陷的主边界断层叠覆位置也常常发育一些与区域伸展方向近于平行的构造带，穿过这类构造带断陷极性一般发生变化。它们也属于变换构造范围，通过断层的倾向关系主要识别两种类型，即背向型（divergent）与相向型（convergent）。背向型变换带，顾名思义2条主边界断层背向倾斜，在断层叠覆区域形成“垒式”构造带，如迪彦庙与巴彦花凹陷（图 4-a）。相向型变换带即2条主边界断层相向倾斜，断层叠覆区域形成“堑式”构造带，如阿拉达布斯与布日墩凹陷（图 4-b）。一般背向型变换带由于2条主边界断层背向倾斜，构造带范围相对狭窄。而相向型变换带因2条主边界断层相向倾斜，在深部逐渐聚敛，构造带范围相对宽阔，沉积地层也较背向型变换带厚度大。但不论是背向型还是相向型变换带，都是由于倾向相反的两条主边界断层在叠覆的岩桥区域发生应力传递所致。因此，在穿过这类变换构造带时，断陷极性常常发生变化，剖面上表现为断陷边界断层位移量的此消彼长。
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1-构造变换带模型：a-背向型变换带；b-相向型变换带；2-早白垩世断陷：DYM-迪彦庙；BYH-巴彦花；ALDBS-阿拉达布斯；BRD-布日墩Figure 4. The model of TZ between fault-sags in Wunite Depression (for range of model see Fig. 1)[33]1-Transfer zone models: a-Divergent TZ model; b-Convergent TZ model; 2-Early Cretaceous faulted-sags: DYM-Diyanmiao; BYH-Bayanhua; ALDBS-Aladabusi; BRD-Buriduan4. 成盆演化过程
二连盆地整体经历3期构造演化，形成2个区域性不整合面[34]。前裂陷期为晚侏罗世至早白垩世早期，伴随大量火山活动，主要沉积晚侏罗火山碎屑岩[35, 36]，前人研究侏罗系岩性厚度等变化受断层控制较小[15]。裂陷期变形地层主要为巴彦花群阿尔善组（K1ba）和腾格尔组（包括K1bt1及K1bt2），与下伏晚侏罗世地层形成区域性角度不整合。此阶段伴随强烈构造沉降，形成一系列地堑、半地堑。后裂陷期变形地层主要为巴彦花群赛汉塔拉组（K1bs），主要表现为地层下沉坳陷。盆地在早白垩世末期发生反转剥蚀，致使大部分区域上白垩统缺失，盆地演化至此结束。乌尼特坳陷属于二连盆地一部分，与整个盆地一样经历3期构造演化，其中早白垩世的伸展演化主体为裂陷期及后裂陷期，具有其独特的演化特征。
根据断陷内沉积地层所记录的变形特征分析乌尼特坳陷早白垩世伸展包括裂陷期及后裂陷期2期共4个阶段，演化模式如图 5。阿尔善组沉积时（图 5-a）为断陷初期，坳陷内主要发育一些小型断陷，其边界断层为高角度同生正断层，控制地层沉积，断面较陡，平面上表现为简单的弧形。各断陷相对独立，自成体系，物源主要来自于周边高地。腾格尔组一段沉积时期（图 5-b），随着伸展量的加大，断陷边界断层逐渐侧向扩展/传递（lateral propagation），相邻断层以走向斜坡或变换断层的方式侧向连接。此时边界断层向深部延伸的断面相对变缓，初具铲式断层的雏形。早期相对独立断陷也随边界断层侧向扩展连接成为统一断陷，物源多来自于断层连接处的构造变换带及断陷斜坡带。也有一些小型断陷边界断层没有向两侧扩展，而是活动较弱或趋于停止（图 5中的X、Y、Z断层）。对于这类断层前人研究认为是由于构造应力集中于其他断块，它们处于构造应力影（stress shadow）中的原因[36, 10]。腾格尔组二段沉积时期（图 5-c），伸展应力持续作用，断面向深部延伸时可能进一步变缓而成为真正的铲式断层。处于应力集中地带的断层继续侧向扩展连接成为区域性贯通边界断层（图 5中的A、B、C及D、E断层）。由于区域性贯通边界断层是通过变换断层或走向斜坡等变换构造连接而成，因此在平面上表现为由多个分段连接而成。其上盘也成为具有多个次级沉积中心的大型复式断陷，物源仍主要来自于断层连接处的构造变换带及断陷斜坡带（图 5-c）。赛汉塔拉组沉积时期（图 5-d），伸展作用减弱或趋于停止，贯通的边界断层活动基本停止，物源来自于断陷周边各个方向，此时断陷进入了后裂陷期。
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图 5 乌尼特坳陷早白垩世断陷演化示意图[10]沉积期：a-阿尔善组沉积期；b-腾格尔组一段沉积期；c-腾格尔组二段沉积期；d-赛汉塔拉组沉积期Figure 5. The evolution model of fault-sags in Wunite Depression [10]Sedimentation period: a-Aershan Formation sedimentation period; b-1st member of Tenggar Formation sedimentation period; c-2nd member of Tenggar Formation sedimentation period; d-Saihantala Formation sedimentation period通过以上分析可见，乌尼特坳陷早白垩世断陷的成盆演化大致经历了3个过程。早白垩世早期，乌尼特坳陷由多个相互独立的小型断陷组成，断陷自成体系，物源主要来自于断陷周边高地，断层平面上主要为简单弧形；早白垩世中期，随着伸展量不断加大，相邻断陷边界断层逐渐侧向连接成为区域性贯通边界断层，陡坡带物源主要来自于断层连接处的变换构造，断层平面上多呈分段式的波状延伸。相邻断陷侧向连接成为统一的大型复式断陷，具有多个次级沉积、沉降中心；早白垩世晚期，边界断层基本停止活动，物源来自于断陷周边，断陷下沉坳陷进入后裂陷期。
5. 讨论
乌尼特坳陷大部分地区植被覆盖且目前只有吉尔嘎朗图中部覆盖三维地震，其他凹陷覆盖二维地震，因此对该凹陷的勘探进程一直进展缓慢。就目前的地震资料显示乌尼特坳陷内断陷基本结构及演化过程与其他坳陷有共同之处，即多为箕状断陷且均经历3期演化过程[3, 4, 7]，但断陷内部沉积地层也存在较大差异性。乌尼特坳陷侏罗系沉积厚度总体较薄，最厚处：巴彦花凹陷约为800 m，而在乌里雅斯太凹陷约为2500 m，阿南凹陷约为2300 m。研究区侏罗系厚度受断层影响较小，但在阿南凹陷明显受主边界断层控制[15]。反转构造在研究区内发育相对较少，仅表现为部分地层的挠曲现象（图 2中剖面C-C'与剖面D-D'）。而在乌尼特坳陷北部马尼特坳陷内的巴音都兰凹陷，发育典型的压性断层扩展褶皱，前人研究称之为包楞构造[38]。这些地层及结构上的现象说明二连盆地内各坳陷结构在共性的基础上也存在着明显异性，而这些异性很有可能与基底性质、结构或构造走向等存在密切联系。二连盆地周边其他的早白垩世裂陷盆地，如东戈壁、银根、塔木察格、海拉尔等也发育一系列的箕状断陷[39]，且经历3期演化过程[10, 12]。这些盆地均为NE/NNE走向，早白垩世受NW-SE向伸展应力作用[40]，有学者分析发现这些盆地发育范围与早期增厚的岩石圈相吻合，认为这类盆地是由于向北俯冲的鄂霍茨克板片脱落后，增厚的岩石圈在重力作用下导致的伸展[10, 12, 14, 41, 42]，但白垩纪时期大陆地壳实际是略微减薄。也有学者分析认为是太平洋板块俯冲作用导致的弧后伸展[9, 13]，但中国大陆距离岛弧上千千米，弧后扩张作用甚微[40]。近年有学者对中国大陆19个地区的中、新生代差应力值进行测试分析发现差应力值总体表现为由西南向东北逐渐减小，这一现象说明中、新生代构造动力主要来源于西南部，与印度板块北移、特提斯洋缩小存在密切联系[40]。但东戈壁、银根等盆地发育大量的低角度拆离断层及变质核杂岩[10, 42]而二连盆地基本不发育这一现象说明在统一的动力学背景下盆地的发育也可能受控于多方因素的影响。
6. 结论
通过对乌尼特坳陷伸展构造特征与演化过程的总体分析主要得到以下结论：
（1）乌尼特坳陷主要发育伴生单侧主边界断层的地堑、半地堑。主边界断层浅层表现为高角度正断层，向深部延伸时表现为铲式。受基底构造变形影响滑脱深度不同，混杂岩带主边界断层在混杂岩深层滑脱，复式向斜带主边界断层在复式向斜浅层滑脱。
（2）断陷内部主边界断层位移量主要通过变换断层及走向斜坡等进行调节/传递。首尾相连的断陷间主要通过狭窄的背向型（divergent）及宽阔的相向型（convergent）变换带进行构造变换，穿过变换带断陷极性常常发生变化。
（3）乌尼特坳陷早白垩世演化分为3个过程。早白垩世早期，坳陷由多个相互独立的小型断陷组成，自成体系；早白垩世中期，随着伸展量不断加大，相邻断陷边界断层逐渐侧向连接成为区域性边界断层，相邻断陷侧向连接成为大型复式断陷；早白垩世晚期，断陷群下沉坳陷进入后裂陷期。
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