试论黄河中游地质环境背景分析与岩土侵蚀类型划分.doc

试论黄河中游地质环境背景分析与岩土侵蚀类型划分 摘要通过资料分析和野外地质调查，简述了黄河中游主要岩土侵蚀区的基础地质条件，地形地貌特征，阐明了黄河中游岩土侵蚀的主要类型有重力侵蚀、水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、化学侵蚀、复合侵蚀和人力侵蚀等形式，并对不同侵蚀类型的侵蚀规律进行了研究，重点剖析了岩土侵蚀类型及发展规律及其地质环境背景。根据研究资料分析，认为岩土侵蚀的地质环境是区域地质构造格局、地层岩性、地层结构及岩石微结构、地形地貌和新构造运动以及人为活动。并且区域构造格局和构造运动控制着岩土侵蚀的发展方向；地层的岩性和结构控制着岩土侵蚀的抗侵蚀能力；地形地貌控制着岩土侵蚀类型的差异性；外动力条件控制着岩土侵蚀的速率和强烈程度。 关键词黄河；地质环境；岩土侵蚀 黄河是我国第二大河流，是中华民族的摇篮，是中华民族历史文化的象征。然而，由于水土流失带来下游河道的严重淤积，使得每年大约16亿t泥沙进入黄河河道，其中大约1/4淤积在黄河下游，使下游成为地上“悬河”［1］。黄河中游地区由于暴雨集中，植被稀疏，土壤抗蚀性差，加上土地利用不合理，使黄河中游成为我国水土流失最严重的地区，也是黄河粗泥沙的主要来源地。由于岩土侵蚀，导致土地退化、荒漠化等一系列环境问题。加之黄河水资源利用中存在的一些问题，造成了黄河流域洪涝、断流等危及国民经济发展和人民生命财产的严重灾害。 开展实际野外调查，查明岩土侵蚀的主要环境地质背景对该地区强烈的岩土侵蚀发育影响，重点认识地层岩性特征以及导致该地区强烈岩土侵蚀的主要影响因素，对解决该地区侵蚀监测预报，防治黄河带来的危害性非常有帮助。 1 地质构造背景 研究区在地质构造上（图1）属于华北地台鄂尔多斯台向斜的一部分，为较稳定的中生代内陆坳陷盆地。构造变动极其微弱，只有轻微的波状挠曲和小断裂构造，地壳运动主要表现为升降运动。根据沉积旋回和区域性不整合的特征［2］，准格尔旗境内的地层可分为三个构造，印支期构造层由三迭系及其以前的老地层组成；燕山期构造层包括侏罗系和白垩系地层；喜马拉雅期构造层则包括第三系上新世地层。  图中可以看到大小环形隆起7个，隐伏断层40余条（图1），这些隐伏断层成近东西向展布，南北向的隐伏断层较少，最大的是沿纳林川、十里长川方向的北西南东向断层，这些断层相互交错，控制研究区内微地形地貌。 图1调查区位置及构造地质图 Fig.1 The position of studied area and tectonic map 根据区域构造发育情况和现有的岩土侵蚀现状可以看出，大的侵蚀冲沟的发育基本上沿大的构造线发育而成，如纳林川的发育是沿着大的构造线而成，其支沟也是沿袭的伴生小构造或构造影响带的发育而发育。小的侵蚀冲沟的发育和发展方向也受小构造控制（图2）。所以，构造控制着岩土侵蚀的主要发展方向。 图2 小断层与小冲沟 Fig.2 Minor fault and rill erosion 2 地形地貌 地形地貌与岩土侵蚀的方式有着非常密切的联系。调查区内的总体地势从西北向东南逐渐降低，沟谷面积占30～40％，沟网密度达3～6 km/km2。北部地势较平坦，波状起伏，由于靠近沙漠，地表大部覆盖浅层沙，岩土侵蚀类型主要是风力侵蚀，水力侵蚀现象相对较弱［3］。中部地区以劈砂岩分布为主，如圪秋沟、干察板沟、布尔洞沟和尔架麻沟小流域，地形破碎切割强烈，沟谷发育，相对高差较大，岩土侵蚀方式以重力侵蚀为主要[HJ1.9mm]的表现形式，水力侵蚀相对处于次要的地位，在纳林川以东、十里长川以西和库布齐沙漠以南地区为砂质黄土劈砂岩丘陵区，在地形低凹处，因风蚀较轻，尚残留有部分黄土，但厚度不大，地形总的特点是较平缓，呈波状起伏，沟道较浅，岩土侵蚀类型以水力侵蚀为主，岩土侵蚀现象相对较轻。研究区西南部，虽以基岩为主、地势较高，但地形相对平缓，岩土侵蚀方式以水力侵蚀为主、风力侵蚀，重力侵蚀次之［4］。 3 主要地层及分布 调查区内出露的地层有三叠系下统刘家沟组（T.1l）和尚沟组（T.1h），中统二马营组（T.2e），上统延长组（T.3y）；侏罗系下统延安组（J.1y）；白垩系下统的东胜组（K.1d）；第三系（N.2）和第四系的黄土、砂黄土、冲洪积物及风积沙（表1）。其余地层由于构造运动被侵蚀或沉积间断而缺失［5］。 Table 1 Strata table of studied area 3.1 下三叠统刘家沟组T.1l 本组呈条带状分布，走向北西-南东。分布于干察板沟、西尔加马村、束机沟、拉麻敖包、沙圪堵东、西五色浪沟、孙二家庙沟等地，出露面积约为1 000 km2。上部主要为浅粉红色、灰白色长石石英砂岩与含砾中粗粒紫红色砂岩互层，夹紫红色泥岩及粉砂质泥岩（图3），具有交错层构造；下部为灰白色、紫红色砂岩夹紫红色泥质砂岩、砂质粉砂质泥岩，交错层构造特别发育。本组岩相和厚度总的说来变化不大，厚度大于140.97 m，与上覆和尚沟组为连续沉积。 图3 张家梁刘家沟组地层实测剖面 Fig.3 Liujiagou set actual-survey of strata profile in Zhangjialiang 图3中①至⑨代表的地层岩性如下。 ①灰白色厚层砂岩，颜色较纯，厚11.68 m。 ②灰白色砂岩与紫红色砂岩呈薄层带状互层，少许交错层理，顶部有两层砂质泥岩，单层厚10 cm，该层总厚度为247 m。 ③主要为灰白色砂岩，厚4.57 m。 ④底部为一层厚约20 cm的紫红色砂质泥岩，其余为灰白色砂岩与紫红色砂岩呈薄条带状互层，顶部为一薄层紫红色砂岩，厚8.85 m。 ⑤底部为一层厚约40 cm的紫红色砂质泥岩，其余为灰白色砂岩与灰白、紫红色条带状砂岩互层，厚10.36 m。 ⑥顶、底部为灰白紫红色砂岩薄条带，中部为厚层灰白砂岩，厚3.84 m。 ⑦上部为厚约30 cm的砂质泥岩，中、下部为薄层灰白紫红相间的砂岩，厚1.60 m。 ⑧上下部为较厚的灰白色砂岩，厚度不均，中部为灰白紫红相间的薄条带状砂岩，交错层理发育，厚3.69 m。 ⑨上部为紫红色砂质泥岩，较厚，下部为紫红、灰白薄层交错砂岩，未见底。 3.2 下三叠统和尚沟组T.1h 呈北西南东向条带状展布，出露于大、小母化沟、昌汗不拉沟、圪秋沟、沙圪堵西、戏楼沟、四道海等地，出露面积约为700 km2。上部为棕褐色、棕红色粉砂质泥岩与灰绿色、灰白色中细粒、中粗粒长石石英砂岩（局部含砾）互层。中下部为棕红色泥质粉砂岩夹泥岩及灰白色、灰绿色中细粒长石石英砂岩，具水平层理构造，沉积方式由粗到细，韵律清楚，岩性变化不大，是属于氧化环境下的河湖相红色岩系沉积建造［6］。图4为该组地层的实测剖面。 图4 田家圪卜和尚沟组地层实测剖面 Fig.4 Heshanggou set actual-survey of strata profile in Tianjiagebu 图4中①-○14代表的地层岩性如下。 ①厚度为10 cm的黄色细砂。 ②灰白色中粗粒长石石英砂岩，夹浅红色泥质粉砂岩，厚1.57 m。 ③紫红色中粗粒长石石英砂岩，紫红色中粗粒长石石英砂岩与灰白色中粗粒长石石英砂岩互层，少量深紫红色泥岩夹在其中，厚1.68 m。 ④灰白色、灰绿色长石石英粗砂岩，厚1.85 m。 ⑤浅红色砂岩与灰白色砂岩呈细条带状互层。7.6～80 m处含有砾石。薄层交错层理，厚4.0 m。 ⑥上部为深紫红泥岩色，中部为深紫红色与灰白色条带互层状的砂岩，下部为紫红色粉沙质泥岩，厚2.1 m。 ⑦粉红色中粗粒长石石英夹灰白色长石石英砂岩条带。15.8～7.0 m之间为一层含砾砂岩，含有泥质团块。底部为一层厚约40 cm 的紫红色泥岩，厚8.65 m。 ⑧灰白色砂岩，底部为夹砾石和紫红色泥质团块，局部可见紫红色和灰白色交错层理，厚2.65 m。 ⑨灰白色粉红色砂岩呈条纹状交替出现。本层由上至下夹的砾石由少增多，底部夹紫红色泥岩透镜体，厚3.01 m。 ⑩灰白色长石石英砂岩为主，夹多层薄层紫红色砂岩和泥岩，厚2.45 m。 ○11三层厚约1 m的灰白色砂岩夹两层厚约50 cm的灰白色紫红色交错层状的砂岩，厚4.25 m。 ○12粉红色砂岩与灰白色砂岩薄层状互层，各层厚约10 m，底部为交错层状的砂岩，厚2.40 m。 ○13紫红色泥质砂岩，从上到下，泥质减少，中间颜色较深，上部和下部颜色较浅，厚1.15 m。 ○14灰白色、灰绿色中粗粒长石石英砂岩，厚0.95 m。 3.3 中三叠统二马营组T.2e 本组也呈北西南东条带状分布，在工作区内，主要出露于西营子、卜尔洞沟、马家梁、南梁一带。主要岩性中上部为灰绿色、灰白色块状含砾石中粗粒长石石英砂岩，夹多层暗紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，含钙质结核；下部为灰绿色、黄绿色、灰紫色长石石英砂岩，块状含砾石中粗粒砂岩与紫红色粉砂质泥岩互层，泥岩富含钙质结核（图5）。 ①为侏罗系底部的白砂岩，砂岩沉积有四个旋回，从上到下粒径由细变粗，夹有砾石，并含有一种黑灰色的长石石英粗砂岩，本层抗风化能力强，厚19.17 m。 ②紫红色泥质砂岩、灰绿色砂岩互层，单层厚度为40 cm，层厚共18.70 m。 ③该层为二马营组上部地层，岩性为灰绿色粗砂岩夹多层紫红色、棕红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，泥岩中含有钙质结核，砂岩中含有砾石，未见底。 3.4 上三叠统延长组T.3y 本组地层在调查区内零星出露，主要分布于中南部暖水川、四道柳川、清水川、及各个川的支沟沟谷中，其他在狮子沟、哈拉沟、毛五素沟和束机沟掌也有零星分布，总体来说， 该组地层在调查区内出露面积很小。主要岩性为灰黄、灰绿色含砾砂岩夹紫红色黑灰色粉砂质泥岩或互层。 3.5 下侏罗统延安组J.1y 区内延安组地层广泛分布于工作区边缘，束几沟掌、窑店北、老爷庙沟也有零星分布。其上覆地层为中侏罗统直罗组J.2z，接触关系为连续沉积。但大部分地[JP1]段被下白垩统或第 图5 王连圪堵二马营组地层实测剖面 Fig.5 Ermaying set actual-survey of strata profile in Wangliangedu 三系上新统所盖。本工作区内主要在暖水川上游出现。主要岩性为蓝灰、浅灰色粉砂岩、粉砂质泥岩夹淡黄色块状中粒砂岩、细砂岩，夹有十多层煤及煤线，[JP2]砂岩中含铁质结核及龟背石，底部有一层2～15 m的灰白色含砾中粒石英砂岩，统称白砂岩。3.6 下白垩统东胜组地层（K.1d） 该组地层主要分布在调查区的北部地区，岩性是黄色、黄绿色砾岩夹土红色含砾砂岩及长石石英砂岩透镜体、灰白色、黄色砾岩，砂砾岩与灰白色含砾砂岩，长石石英砂岩互层，但岩性总的以黄色、黄绿色为主（图6）。厚度由东向西增大。砾石成分随地而异，岩性受陆源岩性控制。 图6 下白垩统东胜组地层 Fig.6 Lower Cretaceous of Dongsheng set stratum 3.7 第三系N 第三系上新统地层N.2分布于区内平缓山顶和沟掌，其岩性为土红色粉砂质泥岩夹似层状钙质结核层，有些地方底部为紫红色含砾粗砂岩、砾岩。本层岩性与厚度变化都不大，局部钙质结核层发育，多达几十层。产状近于水平，在本组地层中由于钙结核层的存在，对于水土流失有一定的防护作用（图7）。 图中①-③代表岩性如下。 ①风成沙，最外层呈黄色，含粗粒的长石、石英等沙粒，沙属于中细粒级。沙层内有一层颜色较深的沙土。 ②为沙黄土，沙粒为粉细级，呈黄色块状，厚12.30 m。 ③红色粉沙质泥岩，含两层各40 cm的似层状钙结核层，成碎片状。未见底。 3.8 第四系Q 区内第四系黄土零星出露有下更新统（Q.1）黄土和上更新统黄土（Q.3），在调查区的西南角，出露面积很小。全新世的堆积物以风成沙、冲洪积物、沙黄土分布面积较大，在研究区内较多见，如冲积层Q.4al分布于各条沟谷中。 图7 公益盖沟地层实测剖面 Fig.7 Gaiou actual-survey of strata profile in Wangliangedu in Gongyi 以上是对研究区内出露的地层及其岩性和分布进行了简单的描述，从野外的岩土侵蚀现象上来看，不同的地层岩性，在同等的气候和自然条件下，其岩土侵蚀的方式和被侵蚀量是不同的。如三叠系的劈砂岩和侏罗系延安组的砂岩，它们的侵蚀量和方式存在着差异，而且不同时期沉积的劈砂岩的相对侵蚀强度也有差异。岩石的层理、垂直节理的发育程度对侵蚀的类型影响较大，垂直节理发育好的地方重力侵蚀越强烈，冻融侵蚀的作用越突出。出露地表地层的风化程度直接影响风力侵蚀和水力侵蚀的强度，风化程度与风力侵蚀和水力侵蚀的强度均呈正比，岩石的结构和成分主导着其抗侵蚀的能力［7］。 4 岩土侵蚀的外动力类型 影响岩土侵蚀的外动力条件很多，根据外动力类型，综合起来不外乎以下几种①风力侵蚀；②水力侵蚀；③重力侵蚀；④冻融侵蚀；⑤化学侵蚀；⑥复合侵蚀；⑦人为侵蚀以及植被的发育和覆盖程度等。外动力的强弱直接影响到岩土的侵蚀程度。例如一次特大的暴雨，形成的地表径流会强烈地冲刷地表，产生严重的面状岩土侵蚀现象，沟底的水流会对沟坡底产生严重的侧向侵蚀，古人云“水滴石穿”，除了表示持之以恒外，另一个含义可以理解为外力作用的强大［5］。 4.1 风力侵蚀 在调查区内，因为受季风的影响，风力侵蚀现象的存在较为普遍（图8、图9）。风成沙分布区全年以风力侵蚀占主导地位，丘陵沟壑区，冬春风力侵蚀强烈。通过野外调查发现，由于调查区内植被覆盖率极低，大风所引发的气流直接作用于地表或坡面，风力侵蚀现象明显。从现象上来说，主要以二种形式表现，一种是风积沙在季风的作用下的风力侵蚀；一种是劈砂岩由于风化作用，而使其表面形成的松散颗粒，在风沙冲击下而产生风力侵蚀。风力侵蚀的对象主要是第四系风积沙、沙黄土、劈砂岩及其风化物，如沙化地、沙盖梁、风蚀光板梁、沙平地、小沙丘、沙滩地、沟坡的砂岩、泥岩及黄土等。其中主要的侵蚀对象是风积沙、劈砂岩及其风化物。从地域的分布来看，风积沙的风力侵蚀可以分为两大片，调查区北部顶端、调查区东部，东部和西部的界线基本上是以纳林川为界，这主要受北部的库布齐沙漠和西南部毛乌素沙地的影响所造成的，其它区域风积沙的风力侵蚀分布零星［8］。覆土的劈砂岩的粒径相对较小，受风力影响较大，侵蚀较裸露的劈砂岩大，裸露的劈砂岩风化速率快，风化物的抗蚀性较弱，易遭风力侵蚀。总之，劈砂岩的风力侵蚀只要有其分布且出露的地区都不同程度地存在着风力侵蚀现象。风力侵蚀的相对强弱在研究区内也有明显的差异，北部风力侵蚀的分布面积较大，图8 第四系风积沙的风力侵蚀现象 Fig.8 Wind erosion of Quaternary aeolian sand 图9 树根由于风力侵蚀而露出地表 Fig.9 The roots above surface because of wind erosion且主要以风力侵蚀为主，风力侵蚀剧烈，南部侵蚀类型虽不是以风力侵蚀为主，但其属强度侵蚀区，中部一带属中等侵蚀强度，风力侵蚀只占次要地位，属轻度风力侵蚀。 4.2 水力侵蚀 水力侵蚀在调查区内普遍存在（图10），不同地区水力侵蚀的强度有所不同，其发生的时间也多集中在暴雨时期。野外地质调查的现象来看，调查区的北部，地形较平坦，相对高差不大。由于地表大部地区覆盖第四系风成沙，在水土保持工程的作用下，对水力侵蚀起到了一定的保护作用，水力侵蚀相对较弱。在调查区的东部，即在纳林川与十里长川之间，如刘家塔、纳林乡的东部、沙圪堵镇东部等一些地区，虽然在这些地区以劈砂岩出露为主，地形破碎，大小冲沟发育，但在这些地区的沟西坡大部地区覆盖厚薄不等的风成沙，其上有拧条、沙棘、杂草等植被发育，对雨滴的击溅、地表径流的冲刷起到一定的减缓作用。在西部，主要为劈沙岩覆盖，地形破碎，大小冲沟发育，形成多个独立的小水系。地形高差相对较大，沟坡陡立，地表几乎无任何覆盖物质，劈砂岩在风化作用的影响下，地表形成细小的颗粒，很容易造成水力侵蚀，在调查区范围内水力侵蚀现象明显，属水力侵蚀较强区。 图10 地表径流形成的坡面小冲沟和冲刷作用 Fig.10 Rill erosion of sloping land and washing action because of surface runoff 4.3 重力侵蚀 在调查区内的北部地区，重力侵蚀现象不甚明显，这主要是与地形地貌以及地层的岩性组合有关。重力侵蚀主要分布在调查区的南部地区，即劈砂岩分布地区和小部分的黄土分布地区（图11），以沟谷或沟边坡的重力侵蚀最为显着。在该类地区，地形切割强烈，相对高差大，水系发育，劈砂岩沟谷广泛分布。在黄土沟谷地中，植物普遍生长不良，植被覆盖率低，在劈砂岩的沟谷中，往往寸草不生，植被覆盖率一般不会超过30。另一个比较显着的特征之一就是，大小冲沟的边坡陡立，基岩岩性不同，其抗侵蚀性能亦有差异，在各种外营力作用下，沟坡的岩石容易以崩塌、滚落、滑塌等形式脱离母体，形成重力侵蚀。劈砂岩地区的重力侵蚀主要发生在大于30的沟坡，由于劈砂岩中泥岩、砂质泥岩质地较细，硬结成岩程度较差，遇水很容易崩解，且崩解速度快，对整个岩体的稳定性不利［7］。重力侵蚀所形成的风化堆积物是流域侵蚀产沙的重要来源。图11 劈砂岩的重力侵蚀 Fig.11 Gravitational erosion by Pi-sandstone 4.4 冻融侵蚀 冻融侵蚀是当温度在0 ℃上下变化时，岩石孔隙或裂缝中的水在冻结成冰时，体积膨胀（增大9左右），因而它对围限它的岩石裂缝壁产生很大的压力，使裂缝加宽加深；当冰融化时，水沿着扩大了的裂缝更深地渗入岩体的内部，同时容水量也可能增大，这样冻结、融化频繁进行，使裂缝不断加深扩大，以致岩体裂成岩屑或崩塌。 在野外虽然没有发现明显的冻融侵蚀过程，但其结果是明显的。又根据冻融侵蚀的定义，在调查区内是具有产生冻融侵蚀的物质和气象条件。一方面，调查区内地表组成物质主要由劈砂岩、沙黄土和风成沙等物质组成，黄土结构松散，孔隙大，颗粒分散，垂直节理发育；劈砂岩，部分地层结构松散，颗粒粗，物理风化作用强烈，劈砂岩的柱状节理发育（图12）。黄土和劈砂岩都具备暂时容留水体的可能性。另一方面，调查区内属中温带大陆性气候，干旱风大，温差大，寒暑剧变，最低气温-32.8 ℃,最高气温39.1 ℃,极端气温年较差68.7 ℃～71.1 ℃,日较差14.1 ℃～12.5 ℃。地表经常处于频繁的热胀冷缩，冻融交替的状况，为冻融侵蚀提供了必要的气候环境条件。[JP1]从现象上看，调查区的北部地区地形相对平缓，沟壑切割密度相对较小，冻融侵蚀相对微弱，而调查区的南部地区，地形破碎，大小冲沟发育，出露的地层主要是劈砂岩，由于劈砂岩独特的岩性组合及其结构构造，使其冻融侵蚀现象相对较强。 图12 岩石的垂直裂隙发育 Fig.12 Vertical fractures development of rock 5 结论 岩土侵蚀的影响因素很多，包括地质和地形因素、植被和社会经济因素、降水和气候因素等，总体上可以概括为外部因素和内部因素两大类。 [JP1]影响岩土侵蚀的外部自然因素主要是指构造运动营力、风力、水力、气温变化、降雨、植被的发育情况、人类活动等因素，这些因素有的直接造成或加剧岩土侵蚀的强烈程度，有的可以减缓岩土侵蚀的速度和程度。各种外营力作用直接导致岩土侵蚀，温度变化的差异可以破坏被侵蚀体的内部结构，加速岩石风化，直接产生岩土侵蚀或为岩土侵蚀创造条件，植被的发育程度对岩土侵蚀起到直接的或间接的阻碍作用。 影响岩土侵蚀的人为因素如不合理的土地利用、毁林毁草、滥垦滥牧、开荒扩种、陡坡耕作、开矿修路及不合理的弃土弃渣等，都可以造成岩土侵蚀。 影响岩土侵蚀的内部因素主要是被侵蚀体的地质条件，如地形地貌、地层岩性、地层的组合方式、地层的物理力学性质、岩石的矿物组成和胶结方式等，这些因素共同作用而组合成被侵蚀体抵抗外力的作用，称为抗蚀性。抗蚀性的大小表示岩石被侵蚀的难易程度。构造格局和构造运动控制着岩土侵蚀的发展方向；地层的岩性和结构控制着岩土侵蚀的抗侵蚀能力；地形地貌控制着岩土侵蚀类型的差异性；外动力条件控制着岩土侵蚀的速率和强烈程度。 参考文献 ［1］ 景可,卢金发,梁季阳,等.黄河中游侵蚀环境特征和变化趋势［M］.郑州黄河水利出版社，1997.JING Ke,LU Jin-fa,LIANG Ji-yang,et al.Environment Characteristic and Variation Trend of Erosion in the Middle of Yellow River［M］.Zhen zhou The Yellow River Water Conservancy Press,1997.in Chinese ［2］ 张宗祜，陈云.黄土高原地区土壤侵蚀［M］.北京中国地质大学出版社，1993.ZHANG Zong-hu,CHEN Yun.Soil Erosion on Loess Plateau region［M］.BEijingChina University of Geoscience Press,1993.in Chinese ［3］ 张洪江.土壤侵蚀原理［M］.北京中国林业出版社，2000.ZHANG Hong-jiang.Theory of Soil Erosion［M］.BEIjingChina Forestry Publishing House,2001.in Chinese ［4］ 李祯,周慧堂.鄂尔多斯盆地东缘中生代延长组浊流沉积的发现与意义［J］.现代地质，1995,197-107.LI Zhen,ZHOU Hui-tang.Discovery of TurbidityDepositinYanchangGroupAlongEasternMarginofordosBasinanditsSignificance［J］.Geoscience,1995,197-107.in Chinese ［5］ 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