青藏高原東北緣重力異常多尺度橫向構(gòu)造分析

孟小紅，石 磊，郭良輝，佟 拓，張 盛

1 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實驗室（中國地質(zhì)大學(xué)，北京），北京 100083

2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

1 引 言

青藏高原被稱為“世界屋脊”，位于中國大陸西南，面積達(dá)240km2，是由不同地質(zhì)歷史時期的微大陸拼合起來的，是亞洲乃至全球變形規(guī)模最大、形成時間最晚的陸陸碰撞造山帶，吸引了全世界地球科學(xué)家的極大關(guān)注［1-2］.目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對青藏高原是由印度—?dú)W亞兩大板塊于50～60Ma碰撞形成的這一觀點(diǎn)已達(dá)成共識，但其隆升變形機(jī)制仍是長期爭論的重要科學(xué)問題［3］.青藏高原東北緣作為印度—?dú)W亞板塊碰撞作用由近南北向向北東、東向轉(zhuǎn)換的重要場所，成為研究高原隆升變形機(jī)制問題的關(guān)鍵地區(qū)之一.

研究區(qū)位于青藏高原東北緣地區(qū)，跨越青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙等省份部分地區(qū)，經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)102°—110°，北緯33°—39°，在我國大地構(gòu)造上處于華北—塔里木塊體、揚(yáng)子塊體和青藏塊體等塊體的交匯部位，如圖1所示.該區(qū)晚新生代以來構(gòu)造變形十分強(qiáng)裂，廣泛發(fā)育第三—第四系褶皺、逆沖和走滑斷裂，強(qiáng)震頻繁發(fā)生.

20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對青藏高原東北緣地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)、殼內(nèi)低速層、電性結(jié)構(gòu)和莫霍面形態(tài)等問題進(jìn)行了廣泛的研究，并取得許多重要認(rèn)識與成果［4-10］.人工反射地震、天然地震和大地電磁具有較大的探測深度和較高的垂向分辨率，但受施工成本高等因素影響，現(xiàn)階段該區(qū)主要以二維剖面探測為主，較少開展大面積的三維面積性測量，因此無法全面整體地反映出研究區(qū)深部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造.

重力測量相對簡單，數(shù)據(jù)采集成本較低，具有覆蓋面積廣、快速高效的特點(diǎn)，歷來是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與動力學(xué)研究的重要方法之一.經(jīng)過我國幾十年的重力測量積累，到目前為止青藏高原東北緣地區(qū)已完全覆蓋1∶100萬的重力測量，大部分地區(qū)已覆蓋1∶50萬甚至1∶20萬的重力測量，豐富且高精度的重力資料為研究該區(qū)深部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造提供了極其重要的資料.梁桂培［11］、郭守年［12］、李清河［13］和江為為［14］等通過對該區(qū)重力資料的研究，得到了關(guān)于均衡重力異常特征、莫霍面深度分布和地殼密度結(jié)構(gòu)等方面的研究成果.本文在系統(tǒng)收集該區(qū)重力資料和前人研究成果基礎(chǔ)上，研究青藏高原東北緣地區(qū)不同尺度的重力異常特征，分析其橫向構(gòu)造格架，為探討青藏高原隆升變形機(jī)制問題提供一定的重力學(xué)參考.

圖1 青藏高原東北緣及鄰區(qū)構(gòu)造簡圖（圖中紅色實線框為研究區(qū)位置）F1：瑪沁斷裂帶；F2：秦嶺地軸北緣斷裂帶；F3：馬銜山斷裂帶；F4：海原—六盤山斷裂帶；F5：香山—天景山斷裂帶；F6：煙筒山斷裂帶；F7：青銅峽—固原斷裂帶；F8：賀蘭山東麓斷裂帶；F9：龍首山斷裂帶.Fig.1 Tectonic sketch of the northeastern margin of Tibetan Plateau and its adjacent regions，Red box shows the outline of studied areaF1：Maqin fault；F2：Qinling North Margin fault；F3：Maxian Shan fault；F4：Haiyuan－Liupan Shan fault；F5：Xiang Shan－Tianjing Shan fault；F6：Yantong Shan fault；F8：Helan Shan fault；F9：Longshou Shan fault.

2 布格重力異常特征

圖2顯示了研究區(qū)布格重力異常，數(shù)據(jù)比例尺為1∶100萬，網(wǎng)度為5km.由圖2可以清楚的看出，研究區(qū)內(nèi)布格重力異常全部為負(fù)異常，從東到西呈逐漸減小趨勢，幅值為-400mGal～-100mGal.大致以東經(jīng)106°線為界，有一條醒目的重力異常梯級帶，其東西兩側(cè)異常特征在形態(tài)和走向上截然不同.東側(cè)布格重力異常變化平緩，主要呈北東和近東西走向；西側(cè)異常值變化劇烈，走向以北西或北西西為主.該重力異常梯級帶即是將中國大陸劃分為東、西兩大不同地貌和構(gòu)造部分的賀蘭山—六盤山—川滇南北構(gòu)造帶的北段［15］.根據(jù)布格重力異常特征及隨后討論方便，將研究區(qū)劃分為I區(qū)（青藏高原東北緣重力異常區(qū)）、II區(qū)（阿拉善東南緣重力異常區(qū)）、III區(qū)（鄂爾多斯西南緣重力異常區(qū)）、IV區(qū)（古浪、海原、銀川邊界帶重力異常區(qū)）和V區(qū)（揚(yáng)子西北緣重力異常區(qū)）五個部分，下面分別介紹各部分布格重力異常特征.

圖2 青藏高原東北緣布格重力異常圖Fig.2 Bouguer gravity anomalies of the northeastern margin of Tibetan Plateau

青藏高原為全國布格重力異常值最低的負(fù)異常區(qū)，高原東部和北部被一條巨大的重力梯級帶所圍限［16］.青藏高原東北緣（I區(qū)）永登—蘭州—武都一線附近的重力梯級帶，就是上述巨大梯級帶中的一部分，它是青藏高原東北緣在重力場上的反映.其西南側(cè)表現(xiàn)為一系列次一級的重力梯級帶，且沿北西向有扭曲現(xiàn)象，顯示出高原隆起過程中其東北部經(jīng)歷了推覆、擠壓和走滑等作用，物質(zhì)自西向東“流動”［17］.

阿拉善東南緣（II區(qū)）表現(xiàn)為寬緩平靜的負(fù)重力異常，幅值較低，與圍繞青藏高原的巨型重力異常梯級帶相連.由于研究區(qū)涉及阿拉善地塊有限，本次未進(jìn)行深入研究.

鄂爾多斯西南緣（III區(qū)）以北東走向?qū)捑彽母咧亓Ξ惓橹?，從塊體西南邊界隴縣起，斜穿整個鄂爾多斯地塊.塊體內(nèi)部定邊以北地區(qū)，此重力異常高帶走向轉(zhuǎn)為近南北向，顯示出鄂爾多斯塊體南北兩部分布格重力異常在延伸方向和走向等方面的差異.

古浪、海原、銀川邊界帶（IV區(qū)）內(nèi)海原—六盤山斷裂帶，西起景泰西，途經(jīng)海原、固原，向東南延伸至六盤山，呈弧形展布，弧頂在海原附近.在布格重力異常圖上該斷裂帶反映為延伸很長的斷續(xù)展布的重力異常梯級帶，其中局部異?？赡苁腔鹕綆r沿斷裂上涌的結(jié)果.青銅峽—固原斷裂帶在布格重力異常圖上表現(xiàn)為清晰連續(xù)展布的近南北向重力梯級帶，其東西兩側(cè)重力場特征明顯不同.東側(cè)重力異常平緩簡單，走向主要為北東或北北東，西側(cè)重力異常復(fù)雜多變，有扭曲現(xiàn)象，呈弧形展布，走向以北西、北北西為主，推測此斷裂帶為深大斷裂并可能為鄂爾多斯塊體西南邊界.銀川裂谷位于北東和北西走向的低異常區(qū)，布格重力異常特征基本反映其構(gòu)造走向.

揚(yáng)子西北緣（V區(qū)）為秦嶺北緣造山帶，重力異常特征表現(xiàn)為一系列近東西向的高重力異常帶，幅值較大，說明揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞、拼合對秦嶺造山帶進(jìn)行了強(qiáng)烈的改造作用［18］.

3 重力異常多尺度橫向構(gòu)造分析

3.1 異常多尺度分離和梯度分析

重力異常是地表到地下深部所有密度不均勻體的綜合反映，定性地講，小尺度的重力異常與規(guī)模小、埋藏淺的地質(zhì)體（比如地質(zhì)構(gòu)造或巖礦體）分布有關(guān)，而大尺度的重力異常則相反，與規(guī)模大、埋藏深的地質(zhì)體分布有關(guān).要根據(jù)重力異常研究某個特定地質(zhì)體，必須首先從疊加異常中分離出單純由這個地質(zhì)體引起的異常，然后用這個異常進(jìn)行反演解釋.

傳統(tǒng)向上延拓法是一種常用的異常分離方法，但它存在的主要問題是，在向上延拓時，淺源短波長信息和深源長波長信息同時延拓，即在淺源信息被壓制的同時，深源信息也受到壓制，使得異常分離不徹底.針對這個問題，意大利學(xué)者Pawlowski［19］根據(jù)維納濾波和格林等效層原理提出了優(yōu)選延拓法，應(yīng)用該方法進(jìn)行向上延拓時，可以在壓制淺源短波長信息的同時，盡量保持深源長波長信息不衰減，使得異常分離相對徹底.然而，優(yōu)選延拓法需要已知延拓高度，而實際應(yīng)用中延拓高度往往是未知的.針對此問題，郭良輝等［20］對優(yōu)選延拓法進(jìn)行改進(jìn)而提出了優(yōu)化濾波法，它既保留優(yōu)選延拓法分離異常相對徹底的特性，同時無需已知延拓高度，能實現(xiàn)對某一指定頻段或尺度的局部異常有選擇地分離.

本文采用優(yōu)化濾波法對研究區(qū)布格重力異常（圖2）進(jìn)行了多尺度分離，方法原理詳見文獻(xiàn)［20］.根據(jù)研究區(qū)布格重力異常的徑向?qū)?shù)功率譜形狀特征（圖3），這里用 0～0.0023cycles／km（頻段 1）、0.0023～0.0047cycles／km（頻 段 2）、0.0047～0.0145cycles／km （頻 段 3）、0.0145～0.0297 cycles／km（頻段4）、0.0297～0.0599cycles／km（頻段5）和0.0599～0.1cycles／km（頻段6）六個等效層分段擬合.其中，頻段1～2對應(yīng)大尺度重力異常，頻段3對應(yīng)中尺度重力異常，頻段4～5對應(yīng)小尺度重力異常，而頻段6主要對應(yīng)高頻噪聲.圖4a和圖4b分別顯示了指定頻段1～2的優(yōu)化濾波算子和分離出的大尺度重力異常，圖5a和圖5b分別繪制了指定頻段3的優(yōu)化濾波算子和分離出的中尺度重力異常，圖6a和圖6b則分別顯示了指定頻段4～5的優(yōu)化濾波算子和分離出的小尺度重力異常.

根據(jù)場源視深度估計分析，頻段1～2的大尺度重力異常主要反映深度41km以下的莫霍面起伏和上地幔密度不均勻分布，頻段3的中尺度重力異常主要反映深度12～41km的中、下地殼密度不均勻分布，頻段4～5的小尺度重力異常主要反映深度12km以上的上地殼及沉積蓋層密度不均勻分布.

板塊邊界、不同地質(zhì)體邊界和斷裂帶等構(gòu)造邊界往往具有一定密度差異，造成重力異常變化較大，根據(jù)這一特點(diǎn)可利用重力方法研究橫向線性構(gòu)造.重力異常線性構(gòu)造分析主要以重力異常導(dǎo)數(shù)（或梯度）為基礎(chǔ)，利用異常方向?qū)?shù)、各階垂直導(dǎo)數(shù)或總水平梯度的極值點(diǎn)、零點(diǎn)和其他特征點(diǎn)來識別構(gòu)造邊界.其中，重力異?？偹教荻确ㄊ且环N常用的方法，其極大值在劃分規(guī)模較大的線性構(gòu)造時具有明顯優(yōu)勢，但規(guī)模較小的線性構(gòu)造往往會被規(guī)模較大的線性構(gòu)造所淹沒.針對此問題，王萬銀等［21］對總水平梯度法進(jìn)行改進(jìn)而提出了歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)法，此方法對不同規(guī)模大小的線性構(gòu)造都能較好反映，刻畫的細(xì)節(jié)也較常規(guī)方法的豐富.

圖3 布格重力異常徑向?qū)?shù)功率譜分析黑色：重力異常功率譜；藍(lán)色：分頻段擬合；紅色：模型擬合的功率譜.Fig.3 Radially averaged logarithm power spectrum of Bouguer gravity anomalies（black line）and its fitting by using piece－wise linearizationBlue lines show the fitted straight lines in each radial frequency section，and the red line indicates the fitted radial logarithm power spectrum by using power spectrum density function models.

本文采用歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)法對上述優(yōu)化濾波法分離出的大尺度、中尺度和小尺度重力異常分別進(jìn)行線性構(gòu)造分析，結(jié)果分別見圖4c、圖5c和圖6c，圖中同時顯示了本文依據(jù)不同尺度重力異常及其線性構(gòu)造特征綜合推斷出的五條斷裂帶，分別為：F1—秦嶺地軸北緣斷裂帶，F(xiàn)2—海原—六盤山斷裂帶，F(xiàn)3—香山—天景山斷裂帶，F(xiàn)4—煙筒山斷裂帶和F5—青銅峽—固原斷裂帶.

3.2 大尺度異常橫向構(gòu)造特征

由圖4b可見，分離出的大尺度重力異常體現(xiàn)了布格重力異常的區(qū)域特征，主要反映莫霍面起伏和上地幔深部場源的信息.大尺度重力異常以大致東經(jīng)106°線為界，東西兩側(cè)異常特征在形態(tài)和走向上明顯不同，說明研究區(qū)東西兩側(cè)深部密度結(jié)構(gòu)具有顯著差異.鄂爾多斯塊體內(nèi)部定邊以北，重力異常高帶走向由北東向轉(zhuǎn)為近南北向，推測定邊附近深部存在一個密度或構(gòu)造界面，其兩側(cè)物質(zhì)組成和構(gòu)造特征具有差異.

圖4c所示的大尺度重力異常歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)主要反映切穿莫霍面的深大斷裂或構(gòu)造邊界.圖中可以看出，本文推斷的五條斷裂帶（F1～F5）除了部分與重力異常線性構(gòu)造（高導(dǎo)數(shù)值所指示的）吻合外，大部分分布在低導(dǎo)數(shù)值區(qū)，推測這五條斷裂帶大部分沒有切穿莫霍面，主要為殼內(nèi)斷裂.

圖4 頻段1～2的優(yōu)化濾波算子（a），分離出的大尺度重力異常（b），及其歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)F1：秦嶺地軸北緣斷裂帶；F2：海原—六盤山斷裂帶；F3：香山—天景山斷裂帶；F4：煙筒山斷裂帶；F5：青銅峽—固原斷裂帶Fig.4 The amplitude response of the preferential filtering operator for frequency bands of 1to 2（a），the separated large－scale gravity anomalies （b）and their linear structure features（c）.F1：Qinling North Margin fault；F2：Haiyuan－Liupan Shan fault；F3：Xiang Shan－Tianjing Shan fault；F4：Yantong Shan fault；F5：Longshou Shan fault

3.3 中尺度異常橫向構(gòu)造特征

圖5 頻段3的優(yōu)化濾波算子（a），分離出的中尺度重力異常（b），及其歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)F1：秦嶺地軸北緣斷裂帶；F2：海原—六盤山斷裂帶；F3：香山—天景山斷裂帶；F4：煙筒山斷裂帶；F5：青銅峽—固原斷裂帶Fig.5 The amplitude response of the preferential filtering operator for frequency bands of 3（a），the separated largescale gravity anomalies （b）and their linear structure features（c）.F1：Qinling North Margin fault；F2：Haiyuan－Liupan Shan fault；F3：Xiang Shan－Tianjing Shan fault；F4：Yantong Shan fault；F5：Longshou Shan fault.

圖6 頻段4～5的優(yōu)化濾波算子（a），分離出的小尺度重力異常（b），及其歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)F1：秦嶺地軸北緣斷裂帶；F2：海原—六盤山斷裂帶；F3：香山—天景山斷裂帶；F4：煙筒山斷裂帶；F5：青銅峽—固原斷裂帶.Fig.6 The amplitude response of the preferential filtering operator for frequency bands of 4to 5（a），the separated large－scale gravity anomalies （b）and their linear structure features（c）.F1：Qinling North Margin fault；F2：Haiyuan－Liupan Shan fault；F3：Xiang Shan－Tianjing Shan fault；F4：Yantong Shan fault；F5：Longshou Shan fault.

由圖5b可以清楚的看出，分離出的中尺度重力異常主要反映深度12～41km的中、下地殼不均勻密度結(jié)構(gòu).研究區(qū)鄂爾多斯地塊內(nèi)部分布近乎平行的四條重力低帶和三條重力高帶，重力低帶、高帶相間，異常單調(diào)，走向北東，且地塊構(gòu)造西南邊界為清晰連續(xù)的重力異常梯級帶，顯示出剛性塊體特征.與圖4b不同的是，圖5b中鄂爾多斯地塊內(nèi)部南北兩部分重力異常特征相同，表明異常特征的差異不應(yīng)該由中、下地殼引起的，而主要是由上地幔深部結(jié)構(gòu)引起的.鄂爾多斯地塊西南緣存在大范圍的重力低帶，永登—秦安一線走向北西，向南至寶雞以南轉(zhuǎn)為近東西向，并在漢中以北突轉(zhuǎn)為北東向延伸，整體上看，負(fù)異常呈V字形狀，存在向秦嶺造山帶插入的趨勢，與研究區(qū)磁異常特征基本一致［22］，推測由于印度—?dú)W亞板塊碰撞及隨后印度板塊持續(xù)向北的擠壓作用，造成青藏高原東北緣中、下地殼物質(zhì)在巨大的北東向推擠力和鄂爾多斯剛性塊體阻擋的共同作用下，沿著相對軟弱的秦嶺造山帶方向蠕動.

圖5c所示的中尺度重力異常歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)主要反映切穿中、下地殼的深大斷裂或構(gòu)造邊界.從圖可見，海原弧形構(gòu)造區(qū)內(nèi)海原—六盤山斷裂帶（F2）和青銅峽—固原斷裂帶（F5）分布在重力異常線性構(gòu)造上及其附近，香山—天景山斷裂帶（F3）西側(cè)分布在重力異常線性構(gòu)造上，而煙筒山斷裂帶（F4）分布在低導(dǎo)數(shù)值區(qū)，因此推測海原—六盤山斷裂帶和青銅峽—固原斷裂帶深達(dá)下地殼，香山—天景山斷裂帶屬次一級的斷裂帶，而煙筒山斷裂帶并不是中、下地殼斷裂帶.

3.4 小尺度異常橫向構(gòu)造特征

由圖6b可見，分離出的小尺度重力異常主要反映深度12km以上的上地殼及沉積蓋層不均勻密度結(jié)構(gòu).可以看出，海原弧形構(gòu)造區(qū)內(nèi)斷續(xù)展布的重力異常梯級帶與本文推斷的五條斷裂帶位置有較好的對應(yīng)關(guān)系.圖6b與圖4b不同尺度重力異常對比可見，青藏高原東北部各塊體深部邊界位置與地表構(gòu)造分布差異較大，反映出該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，演化多期次、多樣化，深淺構(gòu)造不同.

圖6c所示的小尺度重力異常歸一化總水平梯度垂直導(dǎo)數(shù)主要反映切穿上地殼或基底的斷裂帶或構(gòu)造邊界.由圖可見，祁連—秦嶺兩大褶皺系的分界—秦嶺地軸北緣斷裂帶（F1）［23］分布在同仁—隴西—西安一線走向北西西向的重力異常線性構(gòu)造上.海原弧形構(gòu)造區(qū)內(nèi)由南西到北東的海原—六盤山斷裂帶（F2）、香山—天景山斷裂帶（F3）、煙筒山斷裂帶（F4）和青銅峽—固原斷裂帶（F5）分別分布在不同的重力異常線性構(gòu)造帶，與地表露頭位置相吻合［24］.秦嶺地軸北緣斷裂帶（F1）在圖5c中、下地殼重力異常線性構(gòu)造上顯示的位置比圖6c上地殼重力異常線性構(gòu)造中顯示的位置偏向西南，因此推測此斷裂帶傾向西南，且傾角較緩.海原—六盤山斷裂帶（F2）在圖5c中、下地殼重力異常線性構(gòu)造上顯示的位置與圖6c上地殼重力異常線性構(gòu)造中反映的位置基本一致，推斷該斷裂帶傾角較大，近似直立.青銅峽—固原斷裂帶（F5）在圖5c中、下地殼重力異常線性構(gòu)造上顯示的位置比在圖6c上地殼重力異常線性構(gòu)造中反映的位置向西移動，因此推測該斷裂帶傾向西，淺部較陡，且綜合中小尺度重力異常特征，推測青銅峽—固原斷裂帶為研究區(qū)內(nèi)鄂爾多斯地塊西邊界.

4 結(jié)論與討論

4.1 研究區(qū)大致以東經(jīng)106°線為界，有一條醒目的重力異常梯級帶，即賀蘭山—六盤山—川滇南北構(gòu)造帶的北段，其東西兩側(cè)布格重力異常特征在形態(tài)和走向上截然不同.東側(cè)異常變化平緩，主要呈北東和近東西走向；西側(cè)異常變化劇烈，走向以北西或北西西為主.

4.2 通過多尺度重力異常對比分析，青藏高原東北緣各塊體深部邊界位置與地表構(gòu)造分布差異較大，反映出該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，演化多期次、多樣化，深淺構(gòu)造不同.由于印度—?dú)W亞兩大板塊碰撞及隨后印度板塊持續(xù)向北的擠壓作用，造成青藏高原東北緣中、下地殼物質(zhì)在巨大的北東向推擠力和鄂爾多斯剛性塊體阻擋的共同作用下，沿著相對軟弱的秦嶺造山帶方向蠕動，整體上看，形成V字型負(fù)重力異常.

4.3 鄂爾多斯地塊內(nèi)部重力異常平緩簡單，走向基本一致，與研究區(qū)內(nèi)其他塊體異常特征明顯不同，且鄂爾多斯地塊西南邊界為清晰連續(xù)的重力異常梯級帶，顯示出剛性塊體特征.塊體內(nèi)部定邊向北，重力異常高帶走向由北東向轉(zhuǎn)為近南北向，推測定邊附近存在一個密度或構(gòu)造界面，其兩側(cè)物質(zhì)組成和構(gòu)造特征具有顯著差異.對比大尺度重力異常和中尺度重力異常，表明異常特征的差異主要是由上地幔深部結(jié)構(gòu)引起的，但上地幔深部結(jié)構(gòu)差異是由什么引起，還需要近一步更深入的研究.

4.4 通過重力異常多尺度橫向構(gòu)造分析，綜合推斷出五條深斷裂帶，其中秦嶺地軸北緣斷裂帶深達(dá)下地殼，傾向西南，且傾角較緩；海原—六盤山斷裂帶為深大斷裂，傾角較大，近似直立；香山—天景山斷裂帶只有西側(cè)分布在中尺度重力異常線性構(gòu)造上，屬于次一級的斷裂帶；煙筒山斷裂帶僅分布在小尺度重力異常線性構(gòu)造上，為上地殼內(nèi)斷裂；青銅峽—固原斷裂帶為下地殼斷裂，傾向西，淺部較陡，推測為研究區(qū)內(nèi)鄂爾多斯地塊西邊界.

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