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牛树银1 ,孙爱群1 ,李红阳1 ,侯泉林2 ,宋立军3 ,王宝德1 ,许传诗1
1. 石家庄经济学院资源学院,河北石家庄050031
2. 中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029
3. 河北省地质调查院,河北石家庄050081
NIU Shu2yin 1 , SUN Ai2qun 1 , L I Hong2yang 1 , HOU Quan2lin 2 , SON G Li2jun 3 , WAN GBao2de 1 , XU Chuan2shi 1
1.Col lege of Resource , S hi j iaz huang Universit y of Economics , S hi j iaz huang 050031 , China
2.I nstit ute of Geology and Geophysics , Chinese Academy of Sciences , Bei j ing 100029 , China
3. Hebei Geological S urvey I nstitute , S hi j iaz huang 050081 , China
NIU Shuryin , SUN Ai-qun , LI Hong-yang , et al. Evolution of crust-mantle and its eco-environmental effects in Zhangjiakou-Xuanhua region. Earth Science Frontiers ,2005 ,12( 4) :597-606
Abstract :
The living circumstances of human beings are closely related to the geological environment . As ex-emplified by the Zhangjiakou2West Beijing region , this paper describes the intensive mantle-crust uplif t , whichled to anomalous element background values for regional rocks (ores) and soils. As a result , some agriculturalcrops , forests and fruits are of“super-quality and high-yield”or of“poor-quality and low-yield”. The anoma-lous element s can find their way into grains , fruits , vegetables and drinking water ; where they will then be taken in by human beings. This can directly affect human health and lead to the spread of some endemic disea-ses. Studies have shown that the geomorphological features in the Zhangjiakou-West Beijing region are the out-come of geotectonic evolution since the Mesozoic. Mantle-crust movement is the key factor leading to the evo-lution and change of the regional geological environment .
Key words : geological environment ; element background ; ecological effect ; mantle branch ; mantle-crust move-ment ; Zhangjiakou2West Beijing region
摘 要:
人类的生存状况与地质环境密切相关。文章以张宣地区为例,阐述了由于该区强烈的幔壳隆升,导致区域性岩(矿) 石、土壤的元素背景值异常,使得某些农作物、林果“优质高产”或“劣质低产”。异常的元素分布还会通过粮食、水果、蔬菜、水等饮食进入人体循环,直接影响人类的身体健康,甚至导致某些地方性疾病蔓延。研究表明,张宣地区的地貌景观是中生代以来地质构造演化的结果。幔壳运动是区域地质环境演变的主导因素。
关键词:地质环境;元素背景;生态效应;幔枝构造;幔壳运动;张宣地区
中图分类号:P595 ; P541 文献标识码:A 文章编号:1005 2321 (2005) 04 0597 10
人类的生存与幔壳演化息息相关,特别是人们进入小康生活以后,不仅关心饮食问题,而且更加关心生活质量,发达国家,包括一些发展中国家已经从地层建造、地球化学、新生代沉积、城市建筑,甚至对外贸易政策与资源消耗、资源利用等方面来探讨生态环境问题[1～4 ] 。因此,对地质环境及其生态效应的认识理应引起高度关注。很显然,在众多生态环境影响因素中,地质环境才是导致人类生存环境优劣的主导因素。
1 地质环境与人类生存关系
地质环境是由地壳、空气、水等组成的生存空间,人与地质环境最基本和最广泛联系的物质就是活跃在自然界中的化学元素,人和生物就是不断地从生存环境中摄取生长、发育和繁殖所需要的元素与能量,在体内通过吸收、代谢,以维系自身的繁衍与发展。特别是英国地球化学家汉密尔顿通过人体血液化学元素的含量分析所得结果表明,除了人体原生质中的主要成分碳、氢、氧、氮和地壳中的主要成分硅以外,其他化学元素在人体血液中的含量与地壳中这些元素的含量分布规律具有惊人的相似性(图1) 。这充分说明人类对地壳(岩石圈) 的依存性、对地质环境的适应性及人与地质环境的密切关联性
具体地说,岩石中的化学元素经过物理、化学风化及生物作用变为土壤,再通过食物、水果、蔬菜、水等饮食进入人体,人体以新陈代谢的形式与所生存环境进行不停的物质交换,从而获得所需要的各种化学元素。因此,元素在人体中的组成和丰度,是人类长期对环境适应的结果,并依地质环境的不同而发生着遗传、变异和进化。迄今为止,在人体中所发现的60 余种元素中有991954 %是由氢、氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量元素组成。其余微量元素如氟、锌、钴、溴、铜、钒、硒、锰、碘、镍、钼和铬等不足0105 %[5 ] 。但是,它们是人体所必需的,没有它们人就无法生存或不能保持身体健康。很显然,虽然微量元素在人体所占比例很小,但对人体健康具有不可替代的作用。然而,由于幔壳运动往往导致地质环境发生重大改变,进而导致人体中某些元素的含量过高或过低,对人体健康产生不良影响,甚至产生致命的疾病。
横跨燕山西段与太行山北段的张宣地区和北京西北部山区,是华北地台北缘重要的金银铅锌多金属矿床集中分布区,也是拒马河、桑干河、洋河、永定河、潮白河等高矿化度河流的发源地以及官厅水库、十三陵水库、密云水库等水体的汇水区[ 6～9 ] 。该地区的环境背景值和空间变化规律以及元素在岩(矿)石2土壤2水2植物2人体的循环过程、迁移规律、赋存状态,已成为张家口—北京地区环境质量评价的重要依据,也是制约该区农业生态环境和人体健康的重要原因所在(图2) 。因此,本文着重环境背景值的统计分析,并尝试从中—新生代张(张家口) 宣(宣化) 幔枝构造活动对环境背景值空间变化制约关系的角度,探讨地质背景、地球化学环境与张家口—北京地区生态环境的内在联系,从根本上为该区环境质量评价与生态环境的改善与保护提供依据。
2 张宣地区的地质环境背景
环境背景值是指未受人为活动影响与污染的原始环境,也称自然本底值,也是原生(或次生) 环境质量评价的主要依据。岩(矿) 石、土壤、水体是重要的环境要素,从岩(矿) 石2土壤2水2植物2人体循环过程角度分析,富含或缺少某些元素的岩(矿) 石在其风化所形成的土壤中,以及流经这些岩(矿) 石和土壤的水体中通常富含或缺少某些元素,在一定区域内形成具有一定代表性的原生地球化学(生态) 环境背景值。然而,元素的富集与离散、环境背景值的空间变化又受众多地质因素、环境因素和水文地质条件的制约。因此,次生环境背景值的研究应包括环境背景值调查和以地质背景为主体的控制因素分析,尤其是人类开垦农田、采矿和水利、交通等基本建设,已成为不可忽视的重要地质营力。因此,次生地质(或人类生存地质) 环境的评价应包括原生地质环境和次生人为改造的地质环境。
2.1 岩( 矿) 石的元素背景值
张宣地区的地质环境主要受燕山西段和太行山
北段中生代陆内造山作用的影响,特别是燕山西段宣化—赤城—崇礼深源岩浆-变质岩区、太行山北段易县—涞源深源岩浆-变质岩区的影响。在地貌上,它们不仅是这些地区的隆起区,是大小河流的发源地,更重要的是这些地区发育深源岩浆-变质岩系带来的大量深源元素,使张宣地区处于较特殊的生态环境中,加之人类对各种矿山的开采,更加大了这种外生地质作用。大量岩(矿) 石微量元素资料统计分析,得出该区主要岩类中Pb 、Zn 、Cu 、As、Cd、Mo 、Au 、Ag、Sb 、Ba 、Co 、Ni 、Cr 、Mn 、Bi 、Ga 、Se 、Te 、In 、U20 种元素的背景值(表1) 。必须指出的是,这种元素背景值高低不仅与幔壳演化有关,而且与人类活
动亦密切相关。
(1) 主要岩浆岩的化学成分背景值。张宣地区主要岩浆岩类的化学成分的特点在于K2O、Na2O或K2O + Na2O 含量明显高于中国和世界花岗岩类化学成分的平均值。在区域空间上,位于崇礼—宣化—赤城“金三角”金矿床集中区的水泉沟碱性杂岩, K2O、Na2O 含量最高,分别为6.32 %和5.72 % , K2O + Na2O 总量达12.04 %;而分布于金矿集中区外围“银镶边”银铅锌矿床集中区的花岗岩和火山岩, K2O、Na2O 含量也相对较高,分别为5.16 %～6.32 %和3.74 %～ 3.23 % , K2O + Na2O 总量达8.90 %～9.55 %。与此同时, 张宣地区岩浆岩,特别是火山岩类的Fe2O3 平均含量相对较高, 为1.53 %～2.12 % ,揭示了张宣地区以水泉沟碱性杂岩体为中心形成的统一的K2O、Na2O 及Fe2O3 的高背景区,以及从中心向外围的分异与演化特征。它从另一侧面反映了张宣地区存在着以水泉沟碱性杂岩体为中心的统一的地球化学场和从中心向外的地球化学分异与演化过程。与之有关的其他深源元素同样也被带到了地表环境。
(2) 不同岩石类型微量元素的分布特征。张宣地区不同类型岩石中某些微量元素的含量平均值具有较大的差异,表现出明显的元素分异特征: ①砂页岩和碳酸盐岩类, Ag 背景值最高(6.1) , Cd 背景值最低(0.3) ; ②深变质岩类, As、Pb 、Bi 、Cd 背景值最高,浓度克拉克值分别为4.3 、3.5 、7.5 、
9.75 ; ③火山岩类Mo 、U 背景值最高,As 相对较高,浓度克拉克值分别为4.5 、5.2 及3.9 ; ④花岗岩类,Sb 相对较高, 浓度克拉克值为6.9 ; ⑤碱性杂岩类,Pb 、Zn 、As 背景值最低,浓度克拉克值分别为1.7 、0.6 、0.6 , 但是Cd、Sb 、Ba 、Au 背景值最高,浓度克拉克值分别为25.0 、9.3 、3.4 、1.6 。
在区域空间分布上,水泉沟碱性杂岩体位于该区中心地带[10] , 构成Cd、Sb 、Ba 、Au 高背景区和Pb 、Zn 、As 低背景区;太古宇桑干群及古元古界红旗营子群深变质岩类则环绕碱性杂岩体分布,形成Bi 及Cd 高背景区;中新元古界—古生界砂页岩、碳酸盐岩类和中生代火山岩类又主要围绕深变岩类分布在外围区域, 表现为Ag、U 高背景区(As 相对较
高区) ;花岗岩类也主要是环绕水泉沟碱性杂岩体分布,呈现出Sb 相对较高的背景区;从而构成以水泉沟碱性杂岩体为中心的Cd、Sb 、Ba 、Au →(Cd、Sb)As、Pb 、Bi →(As、Sb) Ag、U 微量元素分异模式,进一步证实了张宣地区具有以碱性杂岩体为中心的统一的微量元素分异与演化特征。
(3) 不同矿石微量元素的分异特征。张宣地区是我国重要的金、银铅锌多金属矿产资源基地之一,中部崇礼—宣化—赤城三县交界地区因盛产金矿而素有“金三角”之称,外围地区因富产银铅锌多金属矿产而素有“银镶边”之称[11] 。“金三角”区金矿石, Au 、Te 、Se 、Co 4 种元素含量平均值相对较高,分别是地壳克拉克值的2 690 倍、2 500 倍、2 倍和1.1 倍。Te 和Se 的异常具有重要指示意义。“银镶边”区银铅锌多金属矿石Ag、Cd、Sb 、As、Bi 、Pb 、In 、Zn 、Mo 、Mn 10 种元素含量平均值相对较高,分别是地壳克拉克值的5 218 、1 367 、740 、697 、588 、539 、101 、85 、30 、13.6 倍,Cd、Sb 、As、In 、Mo 、Mn 异常较为突出。在区域空间上,矿石微量元素分异规律是从中心向外,由Au ( Te-Se-Co ) 到Ag-Pb-Zn-Cd-In ( Sb-As-Bi) 至(Mo) Mn 。三者在空间上构成典型的由中心向外、由高温向低温、由金矿到银铅锌多金属硫化物矿床的元素共生组合,很好地揭示了张宣地区统一的地球化学元素迁移、富集活动中心,以及主要受温度、压力和元素地球化学活动性质所决定的元素空间分异演化规律。此外,燕山西段和太行山北段中低温热液金银多金属矿床多发育萤石化, 而且该区还分布有多个萤石和云母小型矿床与矿化点,其中云母中含氟量达10 340 ×10-6 ,而萤石(CaF2 ) 含氟甚至可达48.8 %。这些岩(矿) 石中的含氟矿物可通过水溶态、可交换态、有机束缚态和残余固定态等形式进入水土系统[12 ] (表2) 。
2.2 土壤中某些元素的环境背景值
经过长期的物理、化学和生物风化作用,岩石(矿石) 中所含化学元素会通过不同途径(介质) 进入土、水之中,并逐步形成基本反映区域地壳特征的地球化学原、次生环境背景值,并进而影响植物、动物和人类的生活质量。
以研究区环境背景值很高的氟( F) 元素为例(图3A) ,氟在土、水中的存在形式达22 种,任福弘等在华北地区中性或偏碱性(pH 值7～8) 浅层地下水中测试[3] ,氟的组分存在形式大约10 种,分别为F- , BF (OH)2- 、HFaq、CaF +、MgF+、MnF +、AlF2 + 、AlF 2+ 、AlF30、AlF4- , 其中, 以F- 、MgF+ 、CaF+ 3 种形式为主。一般情况下, F- 、MgF+ 、CaF+分别占总氟浓度的79 %～ 96 %、3.1 %～1912 %、0.3 %～3.0 %。就对植物、动物、微生物及人类的有效性而言,水溶态氟有较高的参与作用,它以离子状态或络合物式存在于土壤和水体中(包括F- 、HF 2- 、H2 F 3- 、H3 F 4- 、AlF 63- 、FeF63-等) , 并通过饮水、水果、粮食、蔬菜等参与人体循环,虽然氟是人体所必需的元素,但是,人类长期饮、食高氟水( >1.0 mg/ L) 或食物, 包括其他传输途径(图4) 。便会引起慢性氟中毒病[14] 。饮食氟含量越高,发病率越高,两者基本呈正相关。毒砂( FeAsS) 是重要的含硫砷矿物,亦含“五毒(汞、镉、铅、铬、砷) ”元素之一[5 ,10 ,13 ,15 ,16 ] 。张宣地区金、银铅锌多金属硫化物矿床中常常伴有毒砂产出。在氧化带的酸性和氧化环境下,毒砂的氧化速度比黄铁矿大很多,可与闪锌矿的氧化速度相类比。毒砂一旦被氧化,就会释放出Fe 、As、S 等元素。在硫化物矿床氧化带及矿坑、尾砂中,由于大量黄铁矿的氧化所产生的酸性水将导致毒砂的不稳定,促使毒砂中砷进入水环境,引起As 异常(图3B) ,从而危害人体健康。
 
砷在天水溶液中以比较稳定的亚砷酸盐(As3+ ) 和砷酸盐(As5+
砷在天水溶液中以比较稳定的亚砷酸盐(As3+ ) 和砷酸盐(As5+ )为主。其中,在氧化条件下以砷酸盐为主,存在形式主要为H3AsO4 、H3AsO4- 、H2As O42 - ,均是As5 + ;在还原条件下以亚砷酸盐为主,存在形式主要为H3AsO3 、H2 AsO3- 、HAsO32 - , 均是As3 + 。三价砷与硫有很强的亲和力,常被金属硫化物所吸附或与其共同沉淀。砷酸盐可被氢氧化铁、粘土矿物和其他的含铁化合物吸附而沉淀。砷的毒性与其价态有关,亚砷酸盐(As3 + ) 的毒性是砷酸盐(As5 + )的数十倍。砷能从空气、饮用水、食品等多种途径进入人体,形成不同程度的急、慢性砷中毒症,如皮肤病变和神经系统、消化系统、心血管疾病等。世界卫生组织规定的饮用水中砷的最高质量浓度为50μg/ L 。长期饮用砷过量,特别是砷严重超标的水,将发生慢、急性砷中毒症。
3 不同地质环境的生态效应
在地球化学环境中,各种元素的富集程度对生态系统产生正、负两个方面的影响或控制作用,称之为生态效应。它主要是指岩(矿) 石在遭受表生风化淋滤过程中及人类活动影响下释放出某些化学元素,参与岩(矿) 石2土壤2水2植物2人体的系统循环过程,导致某些农作物“优质高产”或“劣质低产”,某些人群“健康长寿”或不同地方病的发生。研究资料表明,Cu 、Zn 、V 、Cr 、Fe 、Mo 、Sr 、Mn 、A1 、Na 、Mg、K、B、P、Co 、Se 等元素即是人体所必需的,亦是对农作物有益的; Ca 、Si 等元素是人体所必需的,但对农作物的作用尚不清楚; F、Al 、Ni 等元素是人体所必需的,但对农作物是有害的;As、Sb 、Hg、Cd、Be 、Pb ,Ba 、U 、Th 等元素则对人体和农作物均是有害的。当然,对人体和农作物所必需的或有益的元素,由于其缺乏或过量对人体和农作物及其他生物亦可产生负面效应。
这种生态效应甚至通过食物链在多方面、大范围、长时间起作用。过去南极曾被认为是全球唯一未受污染的地区,近期王自磐等①研究表明,南极也已受到污染。他们在乔治王岛4 种海鸟及海豹的传统栖息地,从22 个采样点采集了200 多个样品,经过在德国和我国实验室进行严格的化学分析,检测出明显的有机污染物。他们认为有机氯污染物质由海洋植物细胞吸收,进入海洋生物食物链,并从低营养级生物转移到高营养级生物,最终在海鸟或海洋哺乳动物等生物体内富集。同时,还可随着动物代谢作用排出体外,造成对环境的二次污染。
3.1 地球化学环境对农作物的影响
根据环境背景值分析,结合农业部门现行的土壤微量元素养分分级标准,张宣地区K2 O、Fe2O3 和Mn 、Zn 、Mo 等元素总体是丰富的,特别是K2O含量很高,形成了该区的特殊农业地质背景。
冀西北张家口地区以葡萄、马铃薯,蕃茄、啤酒花等农作物优质高产而闻名,特别是宣化“牛奶”葡萄已闻名中外。这些名优土特产与该区独特的地球化学环境(丰富的K、Fe 、Zn 及Mo 元素) 具有密切的内在成因关系。例如,钾是植物必需的营养元素,它既是植物体许多酶的活化剂,亦能促进呼吸作用、光合作用以及提高植物对病虫、干旱和霜冻等不良环境的抵抗力。比如,钾不仅使啤酒花产量提高,而且还可明显改善其品质;钾亦可使蕃茄产量提高,并可促进维生素C 和还原糖含量的明显增加;钾还是马铃薯优质高产的重要营养元素。而该区主要为山盆地貌、气候干燥、风大雨少的温带荒漠环境,土壤钾素主要来源于成土母质的含钾矿物分解。钾的含量很高,有效态钾的供应较为充足。因此,从农业地球化学角度分析,冀西北张家口地区葡萄、马铃薯,蕃茄、啤酒花等农作物优质高产的根本原因是该区环境地球化学物质( K2O、Fe2O3 和Mn 、Zn 、Mo 等元素) 在起主导作用。
3.2 地球化学环境对人体健康的影响
根据环境背景值分析,结合不同元素对人体健康的影响[17] (表3) ,张宣地区人体所需的某些元素总体是丰富的。但是,对人体有害的As、Sb 、Cd、Pb 、Ba 、U 、Th 等多种元素亦明显富集。这些元素主要来源于该区的岩(矿) 石,而且明显地表现出以水泉沟碱性杂岩体为中心的地球化学物质分异与演化,并控制了Pb 、K、As、Ba 、Cd 及Sb 等元素在不同地带的具体分布。这些有害元素进入土壤、地下水、河流、湖泊、温泉及动、植物体内,进而给不同地区人体健康带来不同的影响。特别是金矿集中区外围众多铅锌矿床的开采,矿山排出的废水中Pb 、K、As、Ba 、Cd、Sb 元素将在土壤中进一步积累,而后通过不同存在形式进入农作物或饮水源,从而导致该区生态环境的进一步恶化。另外,地下水与温泉中生命所需元素F 含量过高,而生命元素Se 含量相对较低。因此,原、次生地球化学环境对张宣地区人体健康的影响至关重要,是显而易见的。
冀西北张宣地区已发现的地方病主要有地氟病、克山病、大骨节病、甲状腺肿及其他有害元素中毒症等[5 ,18 ,19 ] ,其中地氟病最为普遍并容易发现。诚然,该区Cd、As、Pb 、K、Hg、Be 等有害元素对人体健康的影响也应引起足够的重视。
张宣—京西地区含氟高的岩(矿) 石是地下水淋溶富集氟的基础,是形成高氟地下水的原因之一。
4 幔壳运动与地质生态
就总体地质环境而言,地壳的组成成分是主导因素,人类通过水、风等外动力介质以及粮食、蔬菜、水果及饮用水等餐饮途径与地壳成分相联系。对每一个地区来说,地质环境则与该区的幔壳演化特征密切相关。地幔热柱多级演化是壳幔运动的主导因素[20～25 ] 。
张家口地区经历了强烈的造山运动,大范围地改变了该区的地壳结构,地质生态环境也发生了明显改变。由于北京西部山区位于燕山西段、太行山
① 王自磐. 我国研究南极环境获重要进展从海鸟粪土取得有机污
染新证据. 海洋科技动态,2003 (5) :20-21.
北段,加之北京市又地处张家口地区的下游,因此,张家口地区的地质环境改变,必然会通过多种外动力地质营力作用及地表水、地下水的径流和溶解作用严重影响着北京地区的生态环境,而且这种影响是缓慢的、长期的[26] (图2 、5) 。
4.1 张家口地区的地质构造演化
张家口地区为一巨大的穹状幔枝构造,它北起康保,南到涿鹿,西自尚义,东至赤城,其间发育了一系列环绕中心的弧形、半环形、环形韧性剪切带、褶皱带和断裂带,总体构成以崇礼为中心的巨大穹隆状幔枝构造。在隆起的中部,沿幔枝构造东西向展布的韧性剪切变形变质带(早期为韧性剪切带,上隆期间被脆韧性剪切作用所叠加,成为幔源岩浆通道)侵位的海西晚期水泉沟碱性角闪二长杂岩体,具较典型的幔源产物特征。出露面积近4 000 km2 。此外,在隆起构造的外缘为太
古宙桑干群、古元古代红旗营子群中深变质岩系,向外围则为中新元古代碎屑岩、碳酸盐和泥质岩石,部分燕山期断陷盆地中分布有侏罗—白垩纪火山2沉积岩系。它们分别赋存有金→金、银→银铅锌多金属矿床(图6) 。另外,在汉诺坝一带还分布有大面积第三纪大陆拉斑玄武岩,其中含有大量来自地幔的二辉橄榄岩包体,表明隆起构造具有强烈而漫长的演化历史。太行山北段
易县—涞源地区是阜平幔枝构造的北段,其地壳演化及岩(矿) 石、元素分布特征与张家口幔枝构造相类似。
4.2 张宣幔枝构造的形成机制
当华北地幔亚热柱向外拆离滑脱的地幔物质受到乌龙沟—上黄旗韧性剪切带和尚义—赤城—平泉韧性剪切带的切割时,地幔物质便因减压释荷而发生深熔作用。深熔岩浆沿韧性剪切带上侵,形成沿韧性剪切带呈串珠状展布的碱性杂岩体。特别是在两组韧性剪切带交汇部位,岩浆活动强度更大。由于乌龙沟—上黄旗韧性剪切带以中等角度向北西倾斜(图6) ,因此,交汇点的深延随深度向北西偏移。当切割到地幔岩时,交汇处已偏至崇礼一带。而深熔岩浆向上侵位时,岩浆的出露点也自然在崇礼一带。至于水泉沟岩体长轴展布呈近东西向,则是由于岩体向上侵位过程中,中、上地壳是刚性地块,上部主要受韧脆性剪切带控制,且越向上脆性越强。岩浆上侵自然受到近地表断裂的控制,沿断裂扩展成长轴近东西向的长条状岩体[27] 。
由于岩体的大规模侵位及岩体密度较低造成的负重力异常,导致岩体及其变质围岩一起隆升,直至形成张宣幔枝构造,将深部岩浆岩系及中、深变质岩系隆起至地表。同时亦把岩浆、变质岩中所含部分深源元素(包括一些金、银、铅锌铜多金属矿床、矿点) 带到地表,不仅改变了张宣地区地形地貌特征,还造就了现今地质环境和独特的生态效应。
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