四川盆地巫溪2井龍馬溪組含氣頁巖細(xì)粒沉積紋層特征

施振生 ，邱振 ，董大忠 ，盧斌 ，梁萍萍 ，張夢琪

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，河北廊坊 065007；2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，河北廊坊 065007）

0 引言

通過四川盆地東北緣巫溪 2井志留系龍馬溪組130余米巖心描述及483塊樣品X衍射全巖、X衍射黏土礦物、常規(guī)電子掃描電鏡、場發(fā)射電子掃描電鏡等綜合分析，確定含氣頁巖紋層組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，以期為提煉紋層關(guān)鍵屬性、創(chuàng)建相應(yīng)研究方法提供素材，并明確其地質(zhì)意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

巫溪 2井位于四川盆地東北緣，其奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組發(fā)育大套黑色頁巖（見圖 1）。五峰組與下伏寶塔組或臨湘組呈不整合接觸；龍馬溪組與下伏五峰組整合接觸，與上覆石牛欄組、小河壩組或梁山組角度不整合接觸，由下至上分為龍一段和龍二段，龍一段分為龍一1亞段和龍一2亞段，龍一1亞段細(xì)分出 4個(gè)小層[14]。龍馬溪組龍一段為黑色、灰黑色薄層狀頁巖或塊狀頁巖夾薄層狀粉砂巖；龍二段為泥質(zhì)粉砂巖，有時(shí)夾粉砂巖。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻(xiàn)[15]修改和補(bǔ)充）

四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組形成于華南盆地消亡和南華造山帶形成階段，該時(shí)期揚(yáng)子板塊進(jìn)入前陸盆地構(gòu)造演化階段，為半閉塞滯流海盆，盆地基底東南高北低，海域自東南向北逐漸變深[14]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

研究樣品來自巫溪 2井龍馬溪組巖心，取樣井深為1 500.9～1 630.5 m，分析樣品483塊次，通過提取關(guān)鍵屬性，識別紋層、紋層組和層，開展系統(tǒng)研究，分析地質(zhì)意義。紋層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造通過巖心描述和巖石薄片觀察確定。通過X衍射全巖、X衍射黏土礦物、常規(guī)電子掃描電鏡等確定礦物組成。有機(jī)質(zhì)類型通過光片分析確定，并通過感應(yīng)爐或巖石熱解分析獲得有機(jī)碳含量（TOC值）。在感應(yīng)爐分析之前，用酸去除樣品中的碳酸鹽。

不同分析項(xiàng)目對樣品規(guī)格的要求有所差異。制作大薄片樣品要求直徑不小于8 cm。X衍射全巖和X衍射黏土礦物分析樣品要求為粉末，樣品質(zhì)量分別不低于20 g和50 g。場發(fā)射電子掃描電鏡分析樣品直徑不小于20 mm，垂直和平行層面切制，制成薄片（20～25 μm），并進(jìn)行氬離子拋光。有機(jī)質(zhì)光片分析用于確定有機(jī)質(zhì)類型，樣品直徑要求不小于8 cm；有機(jī)碳分析樣品為粉末，質(zhì)量不低于100 g。

1.3 紋層研究方法

層序地層學(xué)中地層單元等級自小到大可劃分為紋層、紋層組、層、層組、準(zhǔn)層序、準(zhǔn)層序組、層序 7個(gè)級別。紋層研究首先要識別紋層、紋層組和層，然后提取紋層組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等關(guān)鍵屬性，最后明確紋層組和層的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。單個(gè)紋層研究包括組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3個(gè)方面（見表1）。紋層組成關(guān)鍵屬性是無機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)、孔隙和顆粒類型。無機(jī)礦物研究關(guān)鍵是確定各無機(jī)礦物類型及相對含量，并探討其成因[16-17]。有機(jī)質(zhì)可分為陸源有機(jī)質(zhì)和內(nèi)源有機(jī)質(zhì)，研究重點(diǎn)是確定有機(jī)質(zhì)類型、豐度與成熟度。細(xì)粒沉積以納米孔隙為主，研究關(guān)鍵是確定孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙度。顆粒類型分為簡單顆粒和復(fù)合顆粒，復(fù)合顆粒包括絮凝顆粒[18]、泥質(zhì)內(nèi)碎屑[19]、巖屑[20]、有機(jī)質(zhì)-黏土礦物集合體及浮游動(dòng)物糞球粒等[11,21-37]。露頭和巖心觀察階段，可通過肉眼觀察法（顏色、斷口、光澤度、硬度）和鹽酸法初步判斷碎屑礦物組成。室內(nèi)分析要借助場發(fā)射電子掃描電鏡、常規(guī)電子掃描電鏡、能譜、陰極發(fā)光等手段來確定碎屑礦物組成、有機(jī)質(zhì)、孔隙和顆粒類型。

表1 細(xì)粒沉積紋層關(guān)鍵屬性

紋層結(jié)構(gòu)關(guān)鍵屬性是顆粒粒徑（見表 1）。根據(jù)Lazar的劃分標(biāo)準(zhǔn)[4]，細(xì)泥巖粒徑小于8 μm，黏土礦物含量相對較高；中泥巖粒徑8～32 μm，碎屑礦物含量增加；粗泥巖粒徑32.0～62.5 μm，以粉砂級碎屑顆粒為主。露頭和巖心分析階裂主要通過刻痕法[4]確定粒徑。室內(nèi)分析階段，要借助于場發(fā)射電子掃描電鏡，觀察顆粒外部形態(tài)和內(nèi)部構(gòu)成，判斷顆粒類型。

紋層構(gòu)造關(guān)鍵屬性包括紋層形態(tài)、連續(xù)性和疊置關(guān)系（見表 1）。紋層形態(tài)有板狀、彎曲狀和波狀[4]。紋層形態(tài)與流體性質(zhì)、水動(dòng)力條件及沉降方式等有關(guān)：板狀常形成于較強(qiáng)的單向水流條件或靜水懸浮沉降條件；彎曲狀常與單向水流底載荷搬運(yùn)或波浪振蕩有關(guān)，水體能量較高；波狀常與波浪振蕩流有關(guān)，水流能量相對中等至較低。紋層連續(xù)性分為連續(xù)型和斷續(xù)型2類，其形成可能與沉積作用空間穩(wěn)定性有關(guān)。多個(gè)紋層發(fā)育平行和非平行2種疊置關(guān)系，平行疊置紋層頂、底界面平行、不相交，非平行疊置紋層頂、底界面相交。疊置關(guān)系反映水流流向和能量在時(shí)間和空間上的變化。

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紋層組組成關(guān)鍵屬性是紋層組成，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵屬性是粒徑，構(gòu)造關(guān)鍵屬性是界面形態(tài)、連續(xù)性、疊置關(guān)系和粒序（見表1）。界面形態(tài)有板狀、彎曲狀和波狀，連續(xù)性有連續(xù)型和斷續(xù)型，疊置關(guān)系有平行和非平行，粒序有正遞變、反遞變和均質(zhì)狀3種類型[5,21]。正遞變形成多與濁流、等深流及底流搬運(yùn)有關(guān)；反遞變形成多與氣候周期性變化有關(guān)；均質(zhì)紋層分原生均質(zhì)紋層和次生均質(zhì)紋層，原生均質(zhì)紋層形成與懸浮沉降及快速沉降有關(guān)，次生均質(zhì)紋層形成多與生物擾動(dòng)及成巖作用有關(guān)。

層組成關(guān)鍵屬性是紋層或紋層組組成，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵屬性是顆粒粒徑，構(gòu)造關(guān)鍵屬性有紋層組耦合、界面形態(tài)和界面清晰性（見表1）。紋層組耦合分相似耦合和相關(guān)耦合，相似耦合表現(xiàn)為各紋層或紋層組組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征基本一致，相關(guān)耦合表現(xiàn)為各紋層或紋層組性質(zhì)差異，但其間具備成因聯(lián)系。層界面形態(tài)分為板狀、彎曲狀和波狀，界面清晰性分為清晰和欠清晰 2種，上下層之間形成條件差異較大時(shí)常發(fā)育清晰界面，上下層形成條件相近時(shí)發(fā)育欠清晰界面，生物擾動(dòng)也可造成界面清晰性變差。

2 巫溪2井龍馬溪組紋層

2.1 沉積組成

細(xì)粒沉積有碎屑礦物、生物碎屑、有機(jī)質(zhì)，這些礦物構(gòu)成多種顆粒類型，碎屑礦物含量 93%，生物碎屑含量3%，有機(jī)質(zhì)含量為4%（見表2）。碎屑礦物主要有石英、黏土礦物、碳酸鹽礦物、長石和硫化物，局部見硬石膏、螢石及磷灰?guī)r。硫化物主要為黃鐵礦，其中，草莓狀黃鐵礦發(fā)育，直徑為1～10 μm。生物碎屑有筆石、放射蟲（見圖 2a）和硅質(zhì)海綿骨針（見圖2b）等。筆石沿層面分布，龍馬溪組發(fā)育 9個(gè)筆石帶[38-43]。放射蟲多被硅質(zhì)充填（見圖2c），硅質(zhì)可見被碳酸鹽礦物交代，少數(shù)被黃鐵礦（見圖2d）和有機(jī)質(zhì)充填。海綿骨針掃描電鏡下形狀平直，內(nèi)部常發(fā)育大量自生鋇長石（見圖2e）。有機(jī)質(zhì)有分散有機(jī)質(zhì)和有形有機(jī)質(zhì)。有形有機(jī)質(zhì)顯微組分為鏡質(zhì)體（見圖 2f）和絲質(zhì)體。有機(jī)質(zhì)以“海洋雪”、糞球粒和層狀產(chǎn)出，局部富集成層。

顆粒類型有簡單顆粒（見圖 3a）和復(fù)合顆粒（見表2）。復(fù)合顆粒分糞球粒、有機(jī)質(zhì)-黏土礦物集合體（見圖3b）、內(nèi)碎屑（見圖3c）、泥巖巖屑（見圖3d）和絮凝顆粒（見圖 3e、圖 3f）。有機(jī)質(zhì)-黏土礦物集合體含水量與絮凝顆粒相似[21]，內(nèi)碎屑成巖作用過程中常脫水形成壓平狀，并沿著其他顆粒發(fā)生彎曲[24-26]，泥巖巖屑與基質(zhì)性質(zhì)差異明顯，呈現(xiàn)明顯的支撐性質(zhì)或造成周圍泥質(zhì)發(fā)生彎曲。

表2 巫溪2井龍馬溪組細(xì)粒沉積組成

2.2 紋層組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

紋層類型有富有機(jī)質(zhì)紋層、含有機(jī)質(zhì)紋層、黏土質(zhì)紋層和粉砂質(zhì)紋層（見表3）。富有機(jī)質(zhì)紋層單層厚度為0.1～0.6 mm，多紋層相互疊置，形成界面不清晰的富有機(jī)質(zhì)層（見圖4a），也可與含有機(jī)質(zhì)紋層疊置，構(gòu)成反遞變層（見圖4b）。含有機(jī)質(zhì)紋層單層厚度0.1～1.0 mm，個(gè)別達(dá)1 mm，其中有機(jī)質(zhì)呈塊狀或絮狀分布，多個(gè)紋層相互疊置，形成界面不清晰的含有機(jī)質(zhì)層（見圖4c），也可與粉砂質(zhì)紋層（見圖 4d）互層，形成界面清晰的含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組（見圖 4e）。粉砂質(zhì)紋層厚度0.02～0.10 mm，一般為0.05 mm，常與含有機(jī)質(zhì)紋層互層，形成界面清晰的砂泥薄互層紋層組或?qū)樱ㄒ妶D4e）。

圖2 巫溪2井龍馬溪組生物碎屑、有機(jī)質(zhì)組分照片

圖3 巫溪2井龍馬溪組場發(fā)射掃描電鏡照片顯示顆粒類型

2.3 紋層組和層組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

紋層組有2類（見表3），富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組（見圖 4f）和含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組（見圖 4g—圖4i）。富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組層厚1～2 mm，含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組在顯微鏡下呈現(xiàn)亮暗紋層相間，可細(xì)分為稀疏型和密集型。稀疏型中含有機(jī)質(zhì)紋層厚度為0.1～1.0 mm，一般為0.8 mm，粉砂質(zhì)含量較高，分選性較差，大小混雜，而粉砂質(zhì)紋層厚度為 0.1～

0.3 mm，呈脈狀、透鏡狀或線狀分布，含有機(jī)質(zhì)紋層與粉砂質(zhì)紋層厚度比為8～10。密集型中含有機(jī)質(zhì)紋層厚度0.06～0.30 mm，粉砂質(zhì)紋層厚0.03～0.10 mm，含有機(jī)質(zhì)紋層與粉砂質(zhì)紋層厚度比為 2～3。龍馬溪組發(fā)育 5類層（見表 3），即富有機(jī)質(zhì)層（見圖 4a）、含有機(jī)質(zhì)層（見圖4c）、生物碎屑層（見圖4j）、砂泥薄互層（見圖4k、圖4l）和黃鐵礦層。砂泥薄互層界面上下常發(fā)育上超、下超和削截等現(xiàn)象（見圖4k、圖4l）。生物碎屑層單層厚度6～9 mm，生物碎屑有放射蟲，橢圓狀，呈粒度雙眾數(shù)分布。黃鐵礦層厚 0.5～1.5 cm，一般為1.0 cm，黃鐵礦富集，呈斑點(diǎn)狀、層狀分布。

表3 巫溪2井龍馬溪組細(xì)粒沉積紋層關(guān)鍵屬性

圖4 巫溪2井龍馬溪組顯微鏡下紋層、紋層組和層

2.4 紋層縱向演化

巫溪 2井龍馬溪組由深至淺，脆性礦物含量輕微降低，黏土礦物含量逐漸增加，TOC值逐漸降低（見圖 5）。龍一1亞段脆性礦物含量為 60%～80%，黏土礦物含量為 20%～40%，TOC值為 2%～7%。龍一2亞段脆性礦物含量為 40%～60%，黏土礦物含量為40%～60%，TOC值小于2%。龍一1亞段內(nèi)部，脆性礦物含量、黏土礦物和TOC值也呈現(xiàn)規(guī)律性變化，其中，龍一1亞段1—3小層脆性礦物含量70%～80%，黏土礦物含量為 20%～40%，TOC值為 4%～7%，龍一1亞段4小層脆性礦物含量為60%～70%，黏土礦物含量為30%～40%，TOC值為2%～4%。

圖5 巫溪2井龍馬溪組礦物組成與紋層分布

巫溪 2井龍馬溪組紋層類型縱向上呈規(guī)律性變化（見圖 5）。龍一1亞段 1—3小層富有機(jī)質(zhì)紋層約占90%，含有機(jī)質(zhì)紋層和粉砂質(zhì)紋層各占 5%；龍一1亞段4小層含有機(jī)質(zhì)紋層約占55%，富有機(jī)質(zhì)紋層和粉砂質(zhì)紋層分別占20%，黏土質(zhì)紋層占5%；龍一2亞段黏土質(zhì)紋層占 60%，粉砂質(zhì)紋層占 30%，富有機(jī)質(zhì)紋層和含有機(jī)質(zhì)紋層各占5%。紋層組類型中，龍一1亞段1—3小層富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組占90%，含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組占10%；龍一1亞段4小層富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組約占 15%，含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組約占85%；龍一2亞段富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組約占5%，含有機(jī)質(zhì)+粉砂質(zhì)紋層組占95%。層類型中，龍一1亞段1—3小層富有機(jī)質(zhì)層占75%，含有機(jī)質(zhì)層占5%，生物碎屑層和黃鐵礦層分別占10%；龍一1亞段4小層下部含有機(jī)質(zhì)層占70%，富有機(jī)質(zhì)層占20%，砂泥薄互層占10%；龍一1亞段4小層上部砂泥薄互層占 60%；龍一2亞段砂泥薄互層占約 80%，富有機(jī)質(zhì)層和含有機(jī)質(zhì)層分別占10%。

3 地質(zhì)意義

3.1 古物源與古環(huán)境

前人通過大量地球化學(xué)分析認(rèn)為，龍馬溪組底部水體處于缺氧狀態(tài)，向上由于海平面下降，水體含氧量有所增加[38]。紋層特征進(jìn)一步表明，巫溪 2井龍一1亞段1—3小層沉積期水體缺氧，古水動(dòng)力弱，但由下至上古水動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，水體含氧量增加，證據(jù)有：①有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)質(zhì)-黏土礦物以集合體或糞球粒的形式富集，表明沉積期水動(dòng)力弱，水體含氧量低，沉積物以懸浮沉降為主；②富有機(jī)質(zhì)紋層界面不清晰，粉砂質(zhì)紋層含量低，表明古水動(dòng)力弱、陸源碎屑供給少；③黃鐵礦層的出現(xiàn)及生物擾動(dòng)缺失，表明水體處于缺氧還原狀態(tài)；④局部出現(xiàn)順層狀雜亂堆積生物碎屑層，可能反映周期性風(fēng)暴作用。龍一1亞段4小層沉積期水體含氧量進(jìn)一步增加，古水動(dòng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，證據(jù)有：①草莓狀黃鐵礦大量發(fā)育及生物擾動(dòng)缺失，表明水體仍處于周期性分層、缺氧狀態(tài)；②粉砂級顆粒和粉砂質(zhì)紋層增加（見圖4k、圖4l），表明陸源碎屑供給增加，古水動(dòng)力增強(qiáng)；③含有機(jī)質(zhì)紋層、富有機(jī)質(zhì)紋層和粉砂質(zhì)紋層互層，表明古水動(dòng)力條件周期性變化；④粉砂質(zhì)紋層多呈透鏡狀、波狀甚至交叉，表明水體流速較大，水動(dòng)力較強(qiáng)。龍一2亞段沉積期水體含氧量明顯增加，古水動(dòng)力和物源供給進(jìn)一步增強(qiáng)，證據(jù)有：①粉砂質(zhì)紋層和黏土質(zhì)紋層互層，表現(xiàn)古水動(dòng)力條件周期性變化；②粉砂質(zhì)紋層呈連續(xù)或斷續(xù)的線狀，甚至出現(xiàn)交錯(cuò)紋層（見圖4k、圖4l），表明水體流速較高，碎屑顆粒以底載荷形式搬運(yùn)堆積；③有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)一步降低（見圖5），粉砂質(zhì)含量進(jìn)一步增高，表明沉積速率增大，陸源碎屑供給進(jìn)一步增加。整體上，巫溪 2井在龍馬溪組沉積期處于深水陸棚沉積環(huán)境，底部水體的還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生與保存。

3.2 儲(chǔ)集層特征與“甜點(diǎn)”井段

紋層組成和結(jié)構(gòu)研究中，頁巖有機(jī)質(zhì)含量、含氣性、孔隙度等分析可為“甜點(diǎn)”井段儲(chǔ)集層評價(jià)提供定量指標(biāo)。同時(shí)，微觀非均質(zhì)性影響油氣滲流能力和滲流路徑，也影響頁巖儲(chǔ)集層“甜點(diǎn)”井段的選擇[39-43]。紋層構(gòu)造研究通過分析紋層、紋層組和層縱向疊置和空間匹配關(guān)系，明確各紋層界面展布和匹配關(guān)系，從而明確儲(chǔ)集層微觀非均質(zhì)性。

綜合研究，確定巫溪2井龍一1亞段1—3小層為“甜點(diǎn)”井段。原因有 2：①龍一1亞段 1—3小層儲(chǔ)集層高有機(jī)質(zhì)含量、高含氣性、高孔隙度，其TOC值為4%～7%、含氣量為5%～8%、孔隙度為6%，而龍一1亞段4小層和龍一2亞段TOC值小于4%、含氣量為 5%～8%、孔隙度為 6%。②龍一1亞段 1—3小層紋層縱向疊置和空間匹配關(guān)系簡單、非均質(zhì)性弱，而龍一1亞段4小層和龍一2亞段紋層縱向疊置和空間匹配關(guān)系復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)。

3.3 儲(chǔ)集層可壓裂性與最佳鉆井目標(biāo)

可壓裂性是確定頁巖儲(chǔ)集層最佳鉆井目標(biāo)的關(guān)鍵因素，其受脆性礦物含量、硅質(zhì)含量和紋層構(gòu)造控制。脆性礦物含量越高，頁巖儲(chǔ)集層可壓裂性越好；硅質(zhì)含量越高，順層縫和非順層縫越發(fā)育。紋層構(gòu)造中，界面連續(xù)性、形態(tài)和幾何關(guān)系影響頁巖壓裂過程中裂縫擴(kuò)展規(guī)律。平直、連續(xù)和清晰的界面，壓裂過程中易造成應(yīng)力集中，從而形成單一縫網(wǎng)。非平直、斷續(xù)、不清晰的紋層界面，壓裂過程應(yīng)力不易集中，有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)體系。同時(shí)，紋層界面的角度也影響頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，在巖樣單軸受壓直到破壞的過程中，隨頁巖層理傾角的增大，其單軸抗壓強(qiáng)度線性增大。

綜合研究，確定巫溪2井龍一1亞段1—3小層為最佳鉆井目標(biāo)。原因有 2：①龍一1亞段 1—3小層脆性礦物含量高（70%～80%），可壓裂性強(qiáng)；②龍一1亞段1—3小層紋層構(gòu)造復(fù)雜，紋層界面多為斷續(xù)、波狀不清晰界面，壓裂過程中易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，可壓性強(qiáng)，易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)體系。

4 結(jié)論

巫溪2井志留系龍馬溪組紋層組成包括碎屑礦物、生物碎屑、有機(jī)質(zhì)等組分，紋層結(jié)構(gòu)有細(xì)粒、中粒和粗粒，紋層構(gòu)造有連續(xù)和斷續(xù)，板狀、透鏡狀、線狀或波狀，平行或非平行。發(fā)育4類紋層、2類紋層組和5類層，隨深度的變淺紋層TOC值逐漸降低、黏土礦物含量逐漸增加、脆性礦物含量輕微降低，沉積時(shí)期陸源碎屑供給逐漸增加，古水動(dòng)力增強(qiáng)，水體含氧量增加。龍一1亞段1—3小層以富有機(jī)質(zhì)紋層、富有機(jī)質(zhì)+含有機(jī)質(zhì)紋層組及富有機(jī)質(zhì)層為主，沉積期水體缺氧，古水動(dòng)力弱；龍一1亞段4小層富有機(jī)質(zhì)紋層、含有機(jī)質(zhì)紋層和黏土質(zhì)紋層均發(fā)育，水體含氧量增加，古水動(dòng)力增強(qiáng)。龍一1亞段1—3小層為目前頁巖氣勘探開發(fā)“甜點(diǎn)”井段及最佳鉆井目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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