剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)球狀風(fēng)化物的成因分析

李 蒙，趙紅格，卓魚周，高少華，董 欣

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069;2.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

0 引言

本次研究中所討論的球狀風(fēng)化物指的是自然界巖石中球形狀的風(fēng)化產(chǎn)物，這類風(fēng)化產(chǎn)物分布范圍廣泛，涉及各類巖石，對(duì)其成因的探討，目前主要以國外報(bào)道為主。在簡單綜述各類球狀風(fēng)化物研究現(xiàn)狀的情況下，認(rèn)為所有球狀風(fēng)化物類型在形成過程中都存在應(yīng)力的作用，故而以剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)為例進(jìn)行分析，從應(yīng)力作用的方式，進(jìn)而闡明各類球狀風(fēng)化物成因過程及共性。

1 國內(nèi)外球狀風(fēng)化物研究進(jìn)展及存在的問題

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究者主要觀點(diǎn)認(rèn)為，由于巖石各個(gè)部分受到的風(fēng)化影響不同，在地表接受風(fēng)化時(shí)，棱角、棱邊和表面上受到的風(fēng)化影響越來越小，因而造成了風(fēng)化剝落的速度差異，尖角部分由于風(fēng)化速度過快逐漸被磨圓，最終巖石越來越趨向于“球狀”。在球狀風(fēng)化過程中，微觀上受到巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分以及礦物抗風(fēng)化能力大小等因素的影響，宏觀上受到區(qū)域構(gòu)造條件、水文條件、氣候、地形等因素的影響(夏邦棟，1995)。在花崗巖、玄武巖形成的球狀風(fēng)化物研究中，分析了巖石內(nèi)部的元素變化。工程上對(duì)其力學(xué)性質(zhì)研究相當(dāng)深入，不過對(duì)其成因的深層次探索卻很少涉及。

1.2 國外研究進(jìn)展

國外研究球狀風(fēng)化物時(shí)主要有2種方法：一種方法是研究巖石形成以及破壞過程中發(fā)生的變化，另一種是研究巖石破壞后風(fēng)化改造的變化。前者主要有巖石卸載與巖石膨脹，恒定體積改變，微裂隙以及外部壓力作用等觀點(diǎn)(Ollier，1971;Jocelyn，1972;Sarracino et al，1989)。后者主要觀點(diǎn)為：Liesegang原理、元素遷移、巖石外部形態(tài)控制、巖石易風(fēng)化礦物膨脹導(dǎo)致球狀剝落等。前者重點(diǎn)研究巖石所發(fā)生的物理變化，而后者主要關(guān)注巖石的化學(xué)變化，例如：內(nèi)部化學(xué)元素遷移變化、巖石體積與密度變化、巖石內(nèi)部造巖礦物的風(fēng)化改變等(Chapman et al，1949;Augustithis et al，1966，1980;Leitch et al，1994;Patino et al，2003)。

1.3 國內(nèi)外研究成果

球狀風(fēng)化物分布廣泛，在各類巖石中均有發(fā)現(xiàn)，如花崗巖、玄武巖、片麻巖、安山巖、砂巖類、輝長巖、鋁土礦，以及其他一些巖石類型中(Ollier，1967;Heald et al，1979;Fritz et al，1984;Eggleton et al，1987;Chatterjee et al，1998)，具有形成的普遍性。

對(duì)同一風(fēng)化巖層有裂隙與沒有裂隙部位以及相似環(huán)境有裂隙與沒有裂隙部位對(duì)比發(fā)現(xiàn)：球狀風(fēng)化物只發(fā)生在有裂隙和有水通過的地方，球狀巖石幾乎只發(fā)生在厚層巖層，薄層不會(huì)發(fā)展成這種球狀形態(tài)，球狀風(fēng)化多出現(xiàn)于風(fēng)化作用活躍的厚層裂隙發(fā)育地帶(Gindy et al，1985;McBride，2003)，具有發(fā)育的特殊性。

在化學(xué)元素方面，球形巖石與同層沒有裂隙的巖石相比，缺少 Al、Si、Mg、K，而富 Fe、Ca，擴(kuò)散環(huán)帶分為相對(duì)富鐵帶和相對(duì)貧鐵帶，說明在球狀風(fēng)化物形成過程中元素確實(shí)發(fā)生了遷移變化。球狀風(fēng)化巖石內(nèi)部礦物確實(shí)發(fā)生了后期風(fēng)化改造，易風(fēng)化礦物的含量及比例影響球形風(fēng)化物的發(fā)展變化(Ferry，1984;Le Pera，2000)，球狀風(fēng)化物的密度、體積比新鮮巖石有較明顯的增加(Heald et al，1979;Skinnep et al，1996)。Liesegang環(huán)帶確實(shí)受巖石外形的控制，早期形成的Liesegang環(huán)帶與后期會(huì)發(fā)生交錯(cuò)，早期受早期巖石外形控制，晚期受晚期巖石外形控制(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。

1.4 研究過程中出現(xiàn)的問題

球狀風(fēng)化物分類以及命名的多樣性：國內(nèi)有球形風(fēng)化、球狀風(fēng)化以及球形分化等，俗稱其為“石蛋”、“石球?！钡取庥?Liesegang phenomena，Liesegang shells，Liesegang zones，Liesegang weathering，Liesegang structures，Liesegang bands，spheroidal structures，spheroidal weathering，onion-skin weathering，concentric weathering，onion structure等形容術(shù)語。研究者大都根據(jù)自己的觀察，用直觀的方式描述這種現(xiàn)象，這也是造成名稱多樣性的原因。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及對(duì)大量野外實(shí)物及照片的分析，作者認(rèn)為 Liesegang weathering與 spheroidal weathering是2種不同的現(xiàn)象。如圖1中A與B、C的區(qū)別。spheroidal weathering又分為2種情況，如圖1中B類與C類的區(qū)別。國外學(xué)者在研究這3類不同類型的風(fēng)化巖石時(shí)并沒有很好地進(jìn)行區(qū)分，這也可能是導(dǎo)致研究球狀風(fēng)化物受內(nèi)因和外因影響時(shí)，沒有得出一種讓人信服的觀點(diǎn)的原因。

圖1 不同節(jié)理類型發(fā)育的球狀風(fēng)化物Fig.1 Spheroidal weathering products in different types of joint areas

2 對(duì)國內(nèi)外研究成果的討論

在國內(nèi)，球狀風(fēng)化物的主流認(rèn)識(shí)并沒有人提出什么質(zhì)疑，也一直在被引用。球狀風(fēng)化產(chǎn)物的形成環(huán)境比較復(fù)雜，剪節(jié)理伴生的類型，戈壁灘發(fā)育的類型，河道礫石以及早期形成的圓形礫石經(jīng)過埋藏和后期抬升出露地表形成的類型，玄武巖以及花崗巖等火山巖中受巖石解理特性而發(fā)育的球狀風(fēng)化物等等。同樣是球形風(fēng)化物，外形樣式如此豐富多樣，間接反映了成因上必然存在著差別。

2.1 對(duì)于國內(nèi)主流認(rèn)識(shí)的懷疑

球狀風(fēng)化物在剪節(jié)理發(fā)育區(qū)域具有形成的普遍性。剪節(jié)理處巖石棱角分明，表面看，由于不同位置風(fēng)化速度的不同導(dǎo)致這種現(xiàn)象似乎非常合理。但是，在剪節(jié)理發(fā)育的地區(qū)，風(fēng)化的巖石球狀風(fēng)化物的環(huán)帶邊界并不是明顯的均勻剝落，棱角處的環(huán)帶寬度并不比面上發(fā)育的環(huán)帶寬，這一點(diǎn)用風(fēng)化速度的差異就解釋不通，如圖2所示。

圖2 賀蘭山小松山構(gòu)造剪節(jié)理發(fā)育區(qū)細(xì)砂巖球狀風(fēng)化物標(biāo)本Fig.2 Fine-sandstone spheroidal weathering samples in the Xiaosongshan shear joint areas of the Helan Mountains

2.2 對(duì)Liesegang原理的懷疑

球狀風(fēng)化環(huán)帶分為相對(duì)富鐵帶和相對(duì)貧鐵帶，有時(shí)風(fēng)化邊界非常標(biāo)準(zhǔn)，這與Liesegang原理形成的多種環(huán)帶不符，Liesegang環(huán)帶的形狀有時(shí)很不標(biāo)準(zhǔn)，這也與圖2中樣本出現(xiàn)的現(xiàn)象不符，前人(Sarracino et al，1989)在研究時(shí)也提出了這個(gè)問題。再者，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，球狀風(fēng)化環(huán)帶的淺色部分與未風(fēng)化的基巖比較相似(Gindy et al，1985)。對(duì)于厚層狀巖石來說，內(nèi)部成分往往較為均一。但是流體侵入巖石會(huì)有優(yōu)先侵入位置，在此位置處其風(fēng)化速度應(yīng)當(dāng)較快，形成如此規(guī)整的風(fēng)化邊界可能性比較小，但是這種球形的風(fēng)化邊界卻非常普遍。后期風(fēng)化是如何沿著球面侵入而沒有侵入現(xiàn)在的淺色部分，即便是淺色部分有一些裂隙允許外部物質(zhì)侵入，但侵入的各項(xiàng)差異性之大也不能不讓人感到疑惑。

2.3 對(duì)后期風(fēng)化導(dǎo)致球狀風(fēng)化物形成的懷疑

在觀察球狀風(fēng)化物時(shí)，發(fā)現(xiàn)球形風(fēng)化物經(jīng)常含有一些與邊部風(fēng)化程度相差明顯的核部(圖3)。巖石若是受后期風(fēng)化影響，那內(nèi)部未受風(fēng)化或風(fēng)化程度與邊部差異明顯是怎樣造成的呢?Liesegang原理認(rèn)為，Liesegang環(huán)帶是形成球狀風(fēng)化的早期過程，早期的Liesegang環(huán)帶就是后期球狀風(fēng)化剝落的位置(Gindy et al，1985)，這種現(xiàn)象也是其解釋不通之處。

圖3 存在明顯核部的球狀風(fēng)化物Fig.3 Spheroidal weathering products with obvious cores

3 球狀風(fēng)化物的成因新觀點(diǎn)

球狀風(fēng)化物多出現(xiàn)于風(fēng)化作用活躍的厚層裂隙發(fā)育地帶，裂隙也就是節(jié)理。節(jié)理按類型可以分為：(1)原生節(jié)理，在成巖過程中形成，如沉積巖中因縮水而造成的泥裂或火成巖冷卻收縮形成的柱狀節(jié)理;(2)構(gòu)造節(jié)理，由構(gòu)造變形而成，是最常見的一類節(jié)理，分布廣泛，延伸也較長、較深;(3)非構(gòu)造節(jié)理由外動(dòng)力作用形成，如風(fēng)化作用、山崩或地滑等引起的節(jié)理，常局限于地表淺處。

因此認(rèn)為，玄武巖、花崗巖以及其他類型的火山巖中發(fā)育的球狀風(fēng)化物對(duì)應(yīng)于原生節(jié)理，如圖1中C1、C2所示;剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)形成的球狀風(fēng)化物對(duì)應(yīng)于構(gòu)造節(jié)理，如圖1中B1、B2所示;由Liesegang環(huán)帶結(jié)構(gòu)形成的球狀風(fēng)化物類型對(duì)應(yīng)于非構(gòu)造節(jié)理，如圖1中A1、A2所示。

3.1 與剪節(jié)理相關(guān)的球狀風(fēng)化物成因

應(yīng)力對(duì)巖石的影響，在相關(guān)的研究中已有提及(霍布斯等，1982;Ollier，1971;Jocelyn，1972)，但研究深度不夠。前人對(duì)球狀風(fēng)化形成在裂隙發(fā)育的地區(qū)這一特性具有共識(shí)，已研究地區(qū)發(fā)生過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也是事實(shí)(Ollier，1971;Isherwood et al，1976)。那么裂隙發(fā)育、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響與球狀風(fēng)化物的形成之間到底存在著什么樣的聯(lián)系呢?

裂隙的發(fā)育與力的作用關(guān)系不言而喻，巖石形成剪節(jié)理，說明巖石的受力已經(jīng)到達(dá)并且超過巖石承受的最大應(yīng)力值。對(duì)一個(gè)地區(qū)來講，產(chǎn)生節(jié)理說明該地區(qū)巖石在變形過程中整體的受力達(dá)到了巖石的破裂程度，而且沒有破裂的地方也同樣經(jīng)歷了此受力過程，其內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了部分應(yīng)變反應(yīng)。

那么這種應(yīng)變反應(yīng)到底是什么樣的呢?有研究人員在材料工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4是工程上橋塔模型立柱壓力實(shí)驗(yàn)過程中，立柱橫截面內(nèi)的最大剪應(yīng)力等值線分布和邊界應(yīng)力分布圖像(顧紹德等，2003)。

圖4 立柱橫向切片等差線條紋最大剪應(yīng)力等值線分布Fig.4 Maximum shear stress contours of isochromatic fringe for column transverse section

由圖4可以明顯地看出最大剪應(yīng)力分布的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，這種力的作用與巖層受力應(yīng)變的初期過程非常相似，這就是巖石內(nèi)部受到剪切力之后的變化，這種變化近似于球形。鋼鐵材料與巖層比較相似，從內(nèi)部來講，鋼鐵材料由碳原子與鐵原子組成，而巖石由礦物顆粒組成，兩者受力后的反應(yīng)具有一定的可類比性。

圖5是筆者在西安藍(lán)田湯峪調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。該地區(qū)主要分布中元古界寬坪群，節(jié)理非常發(fā)育，是秦嶺造山帶的一部分。而且該地區(qū)地?zé)峄顒?dòng)異常，巖石已經(jīng)發(fā)生了變質(zhì)作用。由圖5可以明顯地看出巖石在后期改造過程中內(nèi)部發(fā)生的變化，而且具有明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。該地區(qū)由于地?zé)峄顒?dòng)異常，在巖石變形過程中礦物發(fā)生了部分重熔和定向排列，使得內(nèi)部受力作用的反應(yīng)更加明顯。

圖5 西安湯峪地區(qū)中元古界花崗片麻巖巖石受構(gòu)造應(yīng)力后形成的環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)Fig.5 Zonal structure formed from the stress of the Middle Proterozoic granite gneiss in the Tangyu area of Xi'an

通過以上實(shí)例可以看出，剪節(jié)理發(fā)育的巖層內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了球狀或者似球狀的最大剪應(yīng)力作用。但是在很多剪節(jié)理發(fā)育的巖層中并沒有發(fā)現(xiàn)這種明顯的現(xiàn)象，例如在一些球狀風(fēng)化物中觀察到裂隙并不完全平行于球形環(huán)帶(Gindy et al，1985)。筆者認(rèn)為，微裂隙多形成于后期的風(fēng)化過程，早期剪應(yīng)力作用時(shí)，最大剪應(yīng)力經(jīng)過的部位可能使巖石內(nèi)部產(chǎn)生了少量的微裂隙，但主要是使巖石內(nèi)部顆粒發(fā)生了球狀細(xì)微剪切變動(dòng)(圖6)，這種微細(xì)剪切環(huán)帶就是巖石后期風(fēng)化的薄弱帶，也就是后期球狀剝落的位置。環(huán)帶狀的細(xì)微剪切變動(dòng)不同于微裂隙，是巖石受力后，內(nèi)部顆粒受環(huán)帶狀最大剪應(yīng)力作用發(fā)生的顆粒彈性變動(dòng)或者輕微搓動(dòng)，并沒有形成或者僅僅形成少量的宏觀微裂隙。

圖6 剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)形成球狀風(fēng)化物理想簡易模型(f為最大剪應(yīng)力，該“地層”為在有圍巖壓力的條件下)Fig.6 Ideal simple model for the formation of spheroidal weathering products in joint shear areas

在剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)，筆者認(rèn)為球狀細(xì)微剪切變動(dòng)帶是發(fā)生球狀風(fēng)化的根本原因。后期的風(fēng)化剝蝕以及元素遷移，相對(duì)富鐵帶和相對(duì)貧鐵帶的分布都是在早期細(xì)微剪切變動(dòng)帶的基礎(chǔ)上形成的，并不是后期風(fēng)化作用導(dǎo)致球狀風(fēng)化。

在節(jié)理發(fā)育的地區(qū)，只有厚層巖層才可能形成球狀風(fēng)化物，這是因?yàn)閹r層在受力之后，薄層不能提供較大的均勻空間使其產(chǎn)生球狀的剪切力，而厚層巖石具備這種特點(diǎn)。

在純凈的石英砂巖、大塊的重結(jié)晶或者比較純的石灰?guī)r中沒有發(fā)現(xiàn)球狀風(fēng)化物(Gindy et al，1985;Shahabpour，1998)。這并非因?yàn)檫@類巖石不具有發(fā)育成球狀風(fēng)化物的基礎(chǔ)，而是這幾類巖石內(nèi)部易風(fēng)化的礦物含量非常少，不易被風(fēng)化，從而沒有表現(xiàn)出球狀風(fēng)化的特征。

同一巖層，有水通過的裂隙發(fā)育地帶會(huì)發(fā)育形成球狀風(fēng)化物;沒有水通過的裂隙發(fā)育地帶卻沒有球狀風(fēng)化物形成，這并非因?yàn)闆]有水通過的地帶不能夠形成球狀風(fēng)化物，而是因?yàn)楹笳呤艿降娘L(fēng)化作用相對(duì)較弱，從而沒有表現(xiàn)出球狀風(fēng)化物的特征。

對(duì)于有明顯核部的球狀風(fēng)化物，巖石受外部作用力發(fā)生應(yīng)力擠壓過程時(shí)，由于巖石具有一定的彈性，使得由邊部到核部形變量將逐漸變小，故核部受到的影響較小，抗風(fēng)化能力相對(duì)強(qiáng)于邊部。同樣是受到擠壓，為什么有的存在核部，有的卻沒有明顯的核部?這是由于巖石在發(fā)生變形時(shí)所處的深度等其他外部環(huán)境的不同。巖石埋藏深度較大或者有水分參與往往會(huì)發(fā)生韌性變形，這種類型和圖1中B類以及圖2表現(xiàn)的類型相似，核部發(fā)育不明顯。而發(fā)生脆性變形的巖石內(nèi)部還沒有發(fā)生明顯的彈性形變就發(fā)生了破裂，故而核部在后期風(fēng)化過程中保留了下來(圖3)。再者，存在明顯核部與核部不明顯的球狀風(fēng)化物地區(qū)，節(jié)理形式有較大不同，核部明顯的節(jié)理區(qū)域往往較為復(fù)雜(圖3);而核部不明顯的節(jié)理區(qū)域往往節(jié)理相對(duì)簡單而又有規(guī)律，如圖1中B類。說明二者經(jīng)歷的受力過程存在明顯的差異，前者受力復(fù)雜，后者相對(duì)簡單。

是否是后期風(fēng)化程度的不同造成的?筆者認(rèn)為應(yīng)該有這方面的因素，但是核部與邊部差異如此之大，風(fēng)化程度應(yīng)該是次要原因。

有一定石英含量的巖層，如砂巖、花崗巖等在受到剪切力、張力等其他類型力的過程中，內(nèi)部的石英顆粒會(huì)產(chǎn)生一定的壓電效應(yīng)，這種變化對(duì)后期化學(xué)元素的遷移聚集有沒有一定的控制作用，還有待于進(jìn)一步研究證明。

3.2 原生節(jié)理與非構(gòu)造節(jié)理中球狀風(fēng)化物的成因

對(duì)于原生節(jié)理形成的球狀風(fēng)化物，前人認(rèn)為是因?yàn)閹r石冷卻收縮造成的，或者是由于成巖時(shí)水分加入時(shí)巖石溫度非常高，使得水分氣化，體積劇烈膨脹，巖石內(nèi)部遭受了強(qiáng)烈的擠壓作用(Kennedy et al，1966;Windom et al，1981)，例如玄武巖成巖早期的過程。他們認(rèn)為這2種變化使巖石內(nèi)部發(fā)生了變化，但是發(fā)生了怎樣的變化并沒有給出確切的答案。

對(duì)于非構(gòu)造節(jié)理產(chǎn)生的球狀風(fēng)化物，前人認(rèn)為是由于Liesegang現(xiàn)象造成的，而且認(rèn)為Liesegang環(huán)帶的形狀受巖石外形的控制(Heald et al，1979;Sarracino et al，1987)。但是也有人認(rèn)為Liesegang環(huán)帶與后期球狀風(fēng)化并沒有直接的關(guān)系(Sarracino et al，1989)。

仔細(xì)觀察這2種類型的球狀風(fēng)化物，不難發(fā)現(xiàn)它們都經(jīng)歷了巖石破裂的過程，而且?guī)r石破裂的外形在很大程度上控制著2類球狀風(fēng)化物的形狀。原生節(jié)理形成的塊狀巖石，無論是經(jīng)歷收縮還是擠壓的作用，棱角部分往往是受力最大和最復(fù)雜的地方，所以巖石內(nèi)部變化不論是產(chǎn)生了微裂隙還是只發(fā)生了彈性變化，相對(duì)于其他部位必然是最易風(fēng)化的地方。

巖石中發(fā)育的Liesegang環(huán)帶，其形狀受巖石外形控制，樣式多種多樣，不一定是球形。這也說明它與球狀風(fēng)化物的形成必然不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖1中A類所示，左上方裂隙的形成顯然控制著Liesegang環(huán)帶的發(fā)育。分析認(rèn)為，裂隙的形成必然使巖石承受了最大的破壞強(qiáng)度，裂隙形成時(shí)周圍的應(yīng)力分布也正合乎 Liesegang環(huán)帶的形成形狀。認(rèn)為Liesegang環(huán)帶的形成也是受巖石破裂時(shí)應(yīng)力分布的控制。

4 結(jié)論

通過以上研究分析可以看出，3種節(jié)理類型形成的球狀風(fēng)化物并不屬于1種類型，球狀風(fēng)化物的外形上就存在著較大的差別。但是，3種球狀風(fēng)化物卻無一例外地經(jīng)過了巖石破裂的過程。3種球狀風(fēng)化物受到巖石破裂時(shí)巖石應(yīng)力分布的控制，應(yīng)力分布的不同導(dǎo)致了其外形的差別。

國內(nèi)外研究球狀風(fēng)化物后期風(fēng)化作用的影響，都只是對(duì)已形成球狀巖石特征的描述。筆者認(rèn)為，不論是Liesegang原理還是后期巖石由于風(fēng)化膨脹而發(fā)生球狀剝落，都只是在前期巖石應(yīng)變基礎(chǔ)上的后期發(fā)展而已。恒定體積改變理論有其物理學(xué)理論的支撐，但是巖石發(fā)生擠壓或者膨脹時(shí)，應(yīng)力的分布也同樣遵循這一理論，本質(zhì)上是由于巖石體積變化的應(yīng)力分布控制著體積變化的形式，這也是卸載作用對(duì)巖石影響的方式。

以材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)際證據(jù)為基礎(chǔ)，說明了構(gòu)造剪節(jié)理發(fā)育地區(qū)環(huán)帶狀細(xì)微剪切變動(dòng)存在的科學(xué)性。對(duì)于原生節(jié)理和非構(gòu)造節(jié)理地區(qū)節(jié)理產(chǎn)生過程中發(fā)生的變化，尚無巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)支撐，但是其中力的作用卻如影隨形，力的作用形式也復(fù)雜多變，這方面還有待于進(jìn)行更深入的力學(xué)研究。

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