河南省地溫場分布規(guī)律及成因機(jī)制分析

李騰超 王書宏 寇正衛(wèi)

摘 要：河南省新生界地溫梯度變化范圍2.0℃/100m～4.0℃/100m，總體分布具有由山前至平原，地溫梯度漸增，局部存在地溫異常，沉積盆地內(nèi)凸起區(qū)大于凹陷區(qū)的特點。不同埋深的地溫，總體具有由山前向東部平原或盆地邊緣向盆地內(nèi)部漸增的變化規(guī)律，高溫區(qū)往往位于斷裂構(gòu)造發(fā)育部位或構(gòu)造單元的交匯部，地溫場成因受所在位置、區(qū)域構(gòu)造、地層組合、巖漿活動及地下水活動的密切影響。

關(guān)鍵詞：河南省;地溫場;地溫梯度;地?zé)?/p>

Abstract： The geothermal gradient of the Cenozoic strata in Henan Province ranges from 2.0 to 4.0°C/100m. From the piedmont to the plain， the geothermal gradient gradually increases with the local geothermal anomalies. In the sedimentary basin， the geothermal gradient in the uplift area is more than that of the depression area. The ground temperature at different burial depths generally increases from the piedmont to the eastern plain， or from the edge of the basin to the interior of the basin. The high-temperature region is often located at the developmental location of the fault structure or the intersection of the structural unit. Based on the research of the geothermal data in Henan Province， it is concluded that the geothermal field is closely related to its location， regional structure， stratum combination， magmatic activity and groundwater activity.

Keywords： Henan Province; Geothermal field; Geothermal gradient; Geothermal energy

0 引言

地?zé)崴菍氋F的礦產(chǎn)資源。地?zé)崮茏鳛樾履茉粗形ㄒ坏牡叵碌V藏，集熱、礦、水為一體，具有潔凈、易開采、用途廣泛等特點，受到世界各國的廣泛重視。開發(fā)利用地?zé)崴Y源，在改善生態(tài)環(huán)境，提高人們健康水平，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，擴(kuò)大就業(yè)等方面，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，是構(gòu)建“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會提倡的礦產(chǎn)資源。

河南省橫跨華北和揚(yáng)子（華南）兩個地層區(qū)，地層發(fā)育齊全，從太古界到新生界均有出露。地質(zhì)構(gòu)造跨越中朝準(zhǔn)地臺和秦嶺褶皺系兩個一級大地構(gòu)造單元。河南省大地構(gòu)造形態(tài)上有隆起區(qū)、坳陷區(qū)之分，隆起區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地下水徑流較強(qiáng)烈并參與地溫場形成，地面有溫泉出露，地?zé)崽镆?guī)模不大，有條帶狀、層狀熱儲，坳陷區(qū)一般為層狀熱儲，面積分布廣，構(gòu)造較為簡單（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989;徐連利等，2004）。

本文在收集整理大量河南省地?zé)豳Y料的基礎(chǔ)上，對河南省新生界的地溫梯度以及不同深度地溫場分布規(guī)律進(jìn)行研究，并分析了地溫場分布規(guī)律與區(qū)域構(gòu)造、地層組合、巖漿活動及地下水活動的聯(lián)系。

1 地溫場特征

1.1 恒溫帶特征

本次恒溫帶深度及恒溫帶溫度的確定，主要依據(jù)以往實際測量的恒溫帶數(shù)據(jù)，結(jié)合已有地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、普查、研究成果及當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁刭Y料而綜合確定，各地恒溫帶溫度與深度見圖1。

1.2 地溫梯度特征

自恒溫帶以下，深度每增加100m，溫度增加的度數(shù)稱地?zé)嵩鰷芈?，即地溫梯度。根?jù)確定的恒溫帶溫度、深度及取水段平均深度或井底深度，實測井口或井底溫度（文中計算地溫梯度皆為井口溫度），利用下式計算地溫梯度（徐連利，2006）。

G=100×（T-T0）/（Z-Z0）

式中：G為地溫梯度（℃/100m）;T為井口溫度或井底溫度（℃）;T0為恒溫帶溫度（℃）;Z為取水段平均深度或井底深度（m）;Z0為恒溫帶深度（m）。

（1 ）平面分布規(guī)律

本次工作收集了區(qū)域、城市地?zé)岬刭|(zhì)工作中測溫數(shù)據(jù)及石油鉆孔測溫資料，區(qū)域涵蓋河南省新生界14個地市的331眼地?zé)峋y溫井孔深度為350～1400m，通過計算該段的地溫梯度平均值，繪制新生界地溫梯度等值線圖（圖2）。新生界地溫梯度變化范圍2.0℃/100m～4.0℃/100m，總體分布具有由山前至平原，地溫梯度漸增，局部存在地溫異常，沉積盆地內(nèi)凸起區(qū)大于凹陷區(qū)的特點。分布形態(tài)主體呈NW-NWW向，其次為NE-NNE向。

沉積盆地地溫梯度一般2.5℃/100m～4.0℃/100m，分布相對均勻，但不同構(gòu)造單元略有差異。華北盆地（河南部分）內(nèi)黃凸起、荷澤凸起、通許凸起等凸起區(qū)地溫梯度值相對較高，一般3.0℃/100m～3.75℃/100m。濟(jì)源開封凹陷、周口凹陷地溫梯度一般3.0℃/100m～3.5℃/100m。湯陰斷陷、東明斷陷、平輿凸起、駐馬店凹陷及潢川山前拗陷一般小于3.0℃/100m;山間盆地中，靈三斷陷及洛陽坳陷地溫梯度一般3.0℃/100m（河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2008）。坳陷盆地內(nèi)，通許凸起及周口凹陷兩構(gòu)造單元的內(nèi)部（通許—尉氏—漯河、太康西南部）、周口凹陷沈丘南部及湯陰斷陷、內(nèi)黃凸起和開封凹陷交匯部（新鄉(xiāng)東南、原陽—延津一帶）和南陽盆地魏崗一帶，地溫梯度均大于3.5℃/100m（鄢陵附近梯度值達(dá)4.19℃/100m，新鄉(xiāng)市東南洪門一帶地溫梯度4.01℃/100m、新鄉(xiāng)滑峪地?zé)崽荻葹?.0℃/100m，南陽盆地魏崗一帶平均在4.0℃/100m左右），為高地溫梯度帶，屬高溫異常。

南陽盆地總體來看，地溫梯度呈現(xiàn)西低東高、南北高中部低的特征。南陽市區(qū)至唐河以西的中部地區(qū)，地溫梯度值3.5℃/100m～4.0℃/100m，其中南陽市區(qū)的最高值達(dá)到4.68℃/100m，西部外圍地區(qū)新生界相對薄，地溫梯度值小于3.0℃/100m。這是由于南陽盆地基巖埋深整體表現(xiàn)為南深北淺、向南傾伏的形態(tài)，南陽市區(qū)正處于盆地北部斜坡帶前緣，且下伏的下元古界秦嶺群雁嶺溝組大理巖導(dǎo)熱條件較好，因此使得該部位成為高地溫梯度帶。

隆起山地的前緣地帶，由于新生界沉積厚度薄，基巖埋藏淺，地下水循環(huán)距離較短，水交替迅速，地溫梯度一般小于2.5℃/100m。如焦作一帶（熱儲層主要為奧陶—寒武系灰?guī)r）地溫梯度0.67℃/100m～2.0℃/100m，存在低溫異常。但在斷裂構(gòu)造發(fā)育的局部地帶，如濟(jì)源北部省莊、新鄉(xiāng)北站、鄭州西南及新鄭礦區(qū)等地，由于構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)水、導(dǎo)熱斷裂構(gòu)造發(fā)育，存在高溫異常，局部有溫泉出露。

（2 ）垂向變化規(guī)律

新生界地溫梯度垂向上隨新生界厚度增加而呈現(xiàn)小—大—小的變化規(guī)律。厚度小于1000m時，地溫梯度相對較小（一般小于3.2℃/100m），厚度在1000～2000m時，地溫梯度大（一般2.8℃/100m～3.5℃/100m，大者在4℃/100m以上），2000m以上地溫梯度隨新生界厚度增加逐漸變大，厚度大于2000m時，隨深度增加又有逐漸減小趨勢。

總體來看，地溫梯度值具有隨深度增加而降低的規(guī)律，局部地段也存在地溫梯度隨深度增加而增大的現(xiàn)象（河南省地質(zhì)局水文地質(zhì)管理處，1981），主要是由于隨著埋深的加深，下部地層在上覆地層的重力作用下，逐漸壓密，孔隙率變低，熱傳遞作用變好，熱滲透率變強(qiáng)的緣故。

1.3 地溫分布規(guī)律

根據(jù)河南省各地的平均地溫梯度分別計算埋深1000m、2000m、3000m及4000m處的地溫，繪制的不同埋深的地溫等值線圖。

1.3.1 地溫平面分布規(guī)律

不同埋深的地溫，總體具有由山前向東部平原或盆地邊緣向盆地內(nèi)部漸增的變化規(guī)律，高溫區(qū)往往位于斷裂構(gòu)造發(fā)育部位或構(gòu)造單元的交匯部，其相應(yīng)的大地?zé)崃髦狄草^高（張德禎，2015），山前地帶地溫一般較低。

（1）1000m埋深地溫

地溫變化范圍40℃～50℃（圖3），50℃以上的高溫區(qū)有3塊，分別位于通許凸起、開封凹陷、南陽盆地，其中最大的區(qū)域位于通許凸起內(nèi)，大致范圍：開封南至漯河市、許昌市至太康范圍內(nèi);其次位于新鄉(xiāng)市東南至開封的西北東南條帶以及南陽盆地的南陽市區(qū)—唐河一帶。高溫分布區(qū)域斷裂構(gòu)造較發(fā)育，鄢陵縣城附近地溫高達(dá)55℃。各構(gòu)造區(qū)邊緣及構(gòu)造區(qū)西部山前斜坡地帶，靈寶、洛陽、太行山前的濟(jì)源—焦作—輝縣以北地區(qū)地溫較低，一般低于42℃;桐柏大別山前的駐馬店—正陽息縣—潢川固始一線西南，地溫最低，一般低于40℃，最低37.2℃。

（2）2000m埋深地溫

地溫變化范圍一般60℃～92℃（圖4）。超過85℃的高地溫區(qū)主要分布在通許凸起內(nèi)的開封以南、漯河以北、許昌以東、周口以西的區(qū)域;延津縣—開封市一帶以及南陽盆地南陽市—新野東北部。靈寶、洛陽附近地溫71℃～76℃;太行山前一帶，地溫較低，一般地溫66℃～70℃;桐柏—固始一線的西南山前，地溫一般小于60℃，最低57.4℃。

（3）3000m埋深地溫

地溫變化范圍一般80℃～126℃（圖5）。大于110℃的高地溫區(qū)依舊是通許凸起、開封凹陷、南陽盆地三個區(qū)域，分布范圍分別位于通許凸起的漯河—周口一帶，新鄉(xiāng)—開封—民權(quán)一帶以及南陽盆地南陽市—新野—唐河。靈寶、洛陽附近為98.9℃～109.3℃，太行山前濟(jì)源—焦作以北地溫小于90℃;桐柏—固始一線的西南山前，地溫一般小于80℃，最低77.6℃。

（4）4000m埋深地溫

地溫變化范圍一般98℃～162℃（圖6）。地溫大于140℃的區(qū)域仍然是通許凸起、開封凹陷、南陽盆地三個區(qū)域，分布范圍分別位于通許凸起的漯河—周口一帶，開封—民權(quán)一帶以及南陽盆地南陽市—新野—唐河。太行山前濟(jì)源—焦作—安陽以北地溫小于110℃;桐柏—固始一線的西南山前，地溫一般小于98℃，最低97.2℃。

1.3.2 地溫垂向變化規(guī)律

垂向上地層地溫隨深度增加而增大。100m埋深處地溫為18℃～20℃，300m深地溫22℃～29℃，1000m深地溫40℃～58℃，2000m深地溫60℃～89℃，3000m深地溫80℃～126℃，4000m深地溫大于90℃。即：溫水一般埋藏深度為300～1000m，溫?zé)崴话懵癫厣疃?000～2000m，熱水一般埋藏深度2000～3500m，中溫地?zé)崃黧w埋藏深度一般大于3500m。

2 地溫場成因分析

地溫場的形成、空間分布及特性與所在位置、區(qū)域構(gòu)造、地層組合、巖漿活動及地下水活動有密切關(guān)系（王繼華等，2009）。

（1）地質(zhì)構(gòu)造的影響

河南省地跨中朝準(zhǔn)地臺和秦嶺褶皺系兩個一級大地構(gòu)造單元。中朝準(zhǔn)地臺基底主要為線性褶皺，蓋層為寬緩的褶皺和斷塊隆起、坳陷。構(gòu)造線方向大致以新鄉(xiāng)-商丘斷裂為界，以北為北北東向，以南為呈北西西向、北西向或近東西向;秦嶺褶皺系為一長期活動的復(fù)雜構(gòu)造帶，總體為北西西向的線性褶皺，褶皺系內(nèi)深大斷裂及斷（坳）陷盆地發(fā)育（張滿波等，2008）。隆起區(qū)地?zé)岙惓｜c（帶）多受斷裂構(gòu)造的控制，異常點或出露于斷裂帶附近，或出露于斷裂交匯部，斷裂構(gòu)造的性質(zhì)、規(guī)模、活動強(qiáng)度影響地?zé)岙惓｜c（帶）的分布范圍和形態(tài);坳陷區(qū)內(nèi)活動性斷裂和深大斷裂發(fā)育部位，如新鄉(xiāng)-商丘斷裂、太行山東麓深斷裂、聊蘭斷裂等，為導(dǎo)熱通道，具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱作用，沿斷裂形成如新鄉(xiāng)洪門、新鄉(xiāng)延津及通許-尉氏-鄢陵-漯河等地?zé)岙惓?，地溫梯度大?.5℃/100 m。

（2）基底起伏的影響

熱流總是向著利于傳導(dǎo)的方向運(yùn)動，大地?zé)崃髟谶\(yùn)動時也遵循同樣的規(guī)律。隆起區(qū)巖層結(jié)晶程度高，構(gòu)造發(fā)育，相同巖層的熱導(dǎo)率高于坳陷區(qū)，導(dǎo)致熱流在隆起區(qū)匯集（劉洪戰(zhàn)，2016）。如平頂山礦區(qū)為一構(gòu)造隆起，其北為襄城坳陷、南為葉縣坳陷，礦區(qū)一般地溫梯度2.6℃/100m～4.1℃/100m，最大5.5℃/100m，其南側(cè)葉縣坳陷地溫梯度2.52℃/100m，僅為礦區(qū)的55%，熱流在礦區(qū)富集。又如新鄭礦區(qū)的大隗斷層兩盤，同一水平其上盤溫度比下盤低20℃，明顯受到隆起斷陷影響，也是基底隆起熱流富集的一個例證。坳陷盆地基底以古生界為主，其次為元古界及太古界，新生界蓋層厚度最大超過7000m。盆地內(nèi)，凸起區(qū)由于高熱導(dǎo)率的結(jié)晶基巖較凹陷區(qū)埋藏淺，地下深處的熱量易于向上部傳遞，因此，地溫梯度一般較凹陷區(qū)大，且淺部地層溫度高于凹陷區(qū)同深度溫度;而由于蓋層較薄，熱量易于散失，在基巖內(nèi)部較深處，地溫則低于凹陷區(qū)同深度地溫。通許賓館和河大新校區(qū)地?zé)峋謩e位于通許凸起和開封凹陷區(qū)。前者井深1276m，水溫55℃，地溫梯度3.72℃/100m;后者井深1250m，水溫52℃，地溫梯度3.37℃/100m，二者深度大致相當(dāng)，但因所處構(gòu)造單元及基底起伏狀況不同，溫度和地溫梯度均有差異。同樣通許一帶大地?zé)崃髦狄哺哂陂_封。

（3）蓋層厚度的影響

蓋層通常是指新生界和中、古生界的松散，碎屑沉積巖層，它們熱導(dǎo)率偏低，一般小于3W/m·k，隔水層發(fā)育，具有一定厚度時，可起到隔熱、保溫作用，利于熱儲大面積形成。如果蓋層過薄，或為禿頂構(gòu)造時，凸起區(qū)的地溫等值線為下凹曲線，而凹陷區(qū)為上凸曲線;有蓋層時，在熱平衡線以上，隆起區(qū)的溫度、梯度，明顯高于坳陷區(qū)同一深度的相應(yīng)值。

老鴉陳斷層為北西-南東方向穿越鄭州地?zé)崽锏膹埿哉龜鄬?，其西盤上升，東盤下降，斷層落差400m。位于其上盤的鄭熱40號井熱儲埋深800m，井底溫度42℃，梯度3.33℃/100m，下盤的鄭熱2號井熱儲埋深600m，井底溫度37℃，梯度3.62℃/100m，可見在有600m以上的松散蓋層時，隆起熱儲地溫高于坳陷區(qū)同一深度的熱儲溫度。再如平頂山礦區(qū)，濮陽地?zé)崽锏纫捕季哂泻穸却笥?00m的蓋層。

新鄭礦區(qū)為一受大隗斷層、八千背斜控制的向南東仰起的背斜構(gòu)造，在新鄭市區(qū)東南部，灰?guī)r熱儲隱伏出露，露頭部位松散層蓋層厚度350～430m。由于缺少上古生界碎屑巖層的覆蓋，灰?guī)r露頭內(nèi)外奧陶系頂界溫差3℃～5℃，局部相差更大，這是由于蓋層過薄造成的。在具有高熱流值的滹沱背斜軸部沒有形成新鄭礦區(qū)最高的地溫塊段，也受這一因素影響。

河南省內(nèi)具有一定價值規(guī)模地?zé)崽锏臒醿β裆疃纫话愦笥?00m。如果蓋層過薄則熱量有損。斷裂型熱儲受蓋層的影響，一般僅限于規(guī)模上，即熱儲層在橫向擴(kuò)展幅度方面受影響，蓋層面積大且厚，則形成規(guī)模較大的地?zé)崽?，反之，較小并且多呈條帶狀。

（4）巖漿作用的影響

從火成巖演化特征知道，省內(nèi)火成巖侵入，噴發(fā)活動較為頻繁，但大多發(fā)生在新生代之前的構(gòu)造活動中，新第三紀(jì)上新世之后，基本沒有巖漿活動。單從余熱效應(yīng)考慮巖漿活動意義不大（河南省地質(zhì)調(diào)查院，2015）。新生代規(guī)模較大的活動是晚喜馬拉雅山運(yùn)動時火山活動，形成沿太行東麓深斷裂與伊河斷裂的基性活山巖，規(guī)模不大，在伊河斷裂玄武巖實地測溫時，沒有發(fā)現(xiàn)地溫異常;在鶴壁的五巖山的玄武巖噴發(fā)巖體附近也沒有發(fā)現(xiàn)地溫異常;其他的火成巖體的余熱跡象也沒有發(fā)現(xiàn)，因此可以推斷，河南省境內(nèi)一般沒有巖漿余熱影響下的地溫場的正異常。但在鶴壁浮山玄武巖出露區(qū)，局部地溫呈現(xiàn)高溫異常。

（5）巖層的影響

通常情況下，泥巖砂質(zhì)泥巖段的熱導(dǎo)率低、熱擴(kuò)散率低，對熱傳導(dǎo)是一種阻礙作用。例如在有蓋層隆起區(qū)的新鄭礦區(qū)，地層的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率由大到小的順序為寒武系、奧陶系石炭系、二疊系，山西組以上地層的地溫梯度為1.92℃/100m～5.35℃/100m，太原組為2.17℃/100m～7.81℃/100m，奧陶系界面以下為0.68℃/100m～4.40℃/100m等，可見巖層結(jié)晶程度高、易于傳熱，因此地溫梯度變化相對較小。

（6）地下水活動的影響

地下水易于流動且熱能量大，是熱能的良好載體，在不斷運(yùn)動中，通過吸收和釋放熱量，對圍巖地溫場有明顯的影響，主要表現(xiàn)在以下方面：

冷卻降溫作用：在補(bǔ)給充沛、地下水徑流強(qiáng)烈的地區(qū)，補(bǔ)給的地下水溫度較低，因水交替強(qiáng)烈，沒有充分的加熱過程，在徑流時不斷補(bǔ)充的新冷水吸收圍巖的熱能，把巖體的熱能帶走，降低地溫，水、巖之間未達(dá)到溫度平衡，地下水起著冷卻降溫的作用（王心義等，2010）。因此，即使有較高的熱能背景，也難以形成好的儲熱塊段。如太行山南麓的焦作-輝縣就屬于這種類型，因巖溶裂隙、溶隙發(fā)育，地下水徑流暢通，地溫梯度普遍較低。

深循環(huán)熱水對圍巖加熱作用：深循環(huán)的地下水，經(jīng)加熱之后，在地質(zhì)構(gòu)造有利條件下，如沿高角度的斷裂帶或急傾斜的透水地層上涌至淺部或出露于地表時，可攜帶出巨大熱量。水在上涌過程中，由于流動速度快、溫度高，水溫大于巖溫，起到對圍巖加溫的作用，在熱水上涌通道附近形成局部的熱異常，隆起山地出露的溫泉均屬此現(xiàn)象。熱水沿裂隙上升后，如上部有一定厚度的蓋層，地下熱水呈層狀流動，富集于低凹盆地，可形成面積較大的熱水異常帶，如新鄭礦區(qū)，地溫梯度最高處達(dá)7.9℃/100m。

動態(tài)儲熱作用：坳陷盆地區(qū)，地下水為盆地形成時保存下來的封閉水，或為沉積形成后，經(jīng)漫長的地質(zhì)年代、通過各種途徑入滲至熱儲層中的大氣降水，水巖溫度已達(dá)到平衡，水溫即為巖溫，具有徑流途徑深遠(yuǎn)、滯緩、具承壓的特點。因為地下熱水為流動性的彈性體，可動態(tài)儲熱，一旦富集，可增加該塊段的地?zé)豳Y源量，儲熱量遠(yuǎn)大于其賴于存在的空間儲熱量。

在西部巖漿巖出露地區(qū)，熱量早已散發(fā)殆盡，一般表現(xiàn)為次級斷裂的帶狀熱儲以及點狀熱儲，一般以溫泉出露為表現(xiàn)形式。在東部沉積盆地區(qū)域由于大量的第四系、第三系蓋層覆蓋，形成大面積的層狀熱儲。如在開封凹陷區(qū)域地?zé)嵯到y(tǒng)是傳導(dǎo)和對流雙重影響的結(jié)果。地球內(nèi)部的熱經(jīng)傳導(dǎo)至中元古界下部;中元古界至新生界古近系經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動，其間斷裂、裂隙發(fā)育，來自西部山區(qū)并賦存于灰?guī)r中的地下水經(jīng)加熱增溫，沿著斷裂和裂隙上升至古近系頂部，此時對流起主導(dǎo)作用;古近系頂部的熱水受弱透水層的阻礙而又以傳導(dǎo)的形式對新近系及以上地層施加影響。

3 結(jié)論

本文在前人工作成果的基礎(chǔ)上，對河南省新生界的地溫梯度以及不同深度地溫場分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）河南省新生界地溫梯度變化范圍2.0℃/100m～4.0℃/100m?？傮w分布具有由山前至平原，地溫梯度漸增，局部存在地溫異常，沉積盆地內(nèi)凸起區(qū)大于凹陷區(qū)的特點。垂向上隨新生界厚度增加而呈現(xiàn)小—大—小的變化規(guī)律，界線為2000m左右。

（2）地溫平面分布規(guī)律為不同埋深的地溫，總體具有由山前向東部平原或盆地邊緣向盆地內(nèi)部漸增的變化規(guī)律，高溫區(qū)往往位于斷裂構(gòu)造發(fā)育部位或構(gòu)造單元的交匯部，其相應(yīng)的大地?zé)崃髦狄草^高，山前地帶地溫一般較低。

（3）地溫場分布規(guī)律與所在位置、區(qū)域構(gòu)造、地層組合、巖漿活動及地下水活動有密切關(guān)系。

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