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中深源地震成因之谜

已有 665 次阅读 2019-10-8 14:28 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流

中深源地震成因之谜

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

1 中深源地震分布

中深源(70-700Km)地震在地球上只局限在特定的、比较窄的区带存在,它们是怎样形成的?这不但关系到防震救灾,更是大地构造研究和全球构造演化中的至关重要的问题。中深源地震与大陆漂移有什么关系?它在大陆地壳长英质化过程中扮演什么样的角色?是本文关注的重点。

世界上中深源地震主要发生在环太平洋地区(图1),深源地震主要分布在4个区带,(1)南美洲西部的近南北向条带,(2)欧亚板块东缘的日本海-千岛岛弧带和日本海-马里亚纳岛弧带,(3)新西兰-斐济岛弧带,(4)印度尼西亚-菲律宾岛弧带。中源地震主要分布区主要有3个,(1)阿留申岛弧带,(2)中美洲西部,(3)台湾岛-琉球岛弧带。另外青藏高原西构造结局部区域和特提斯中部的希腊南部区域也是重要的中源地震带。



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1环太平洋主要中深源地震带分布图(改自USGS 1900-2007全球地震分布图)

2 前人的看法

前人对中深源地震成因机制的看法主要集中在两个阵营,一是地震专家阵营,另一个是大地构造专家阵营。地震专家主要从中深源地震的物理化学机制入手理解单个地震的成因,而大地构造专家主要从地球动力学入手理解中深源地震带的成因机制。

地震专家的观点:中深源地震有多种成因假说,包括脱水致裂、相变失稳、剪切熔融失稳和反裂隙断层作用等等,但它们均存在与观测事实不符的情况(吴晓娲,秦四清等,2016),也就是说还没有找到中深源地震的关键控制因素。

大地构造专家的观点主要包括两个:

(1)  板块俯冲深入地幔,引起中深源地震。比如南美洲西部的深源地震被解释成是太平洋板块俯冲进入南美洲板块深部的结果,但难以合理解释为什么北美洲西部没有中深源地震。更难以解释的是在南美西部和新西兰北部深源地震带中,高达约80度的俯冲是如何实现的,在大洋上地壳脆性情况下,这种高角度俯冲不可能不发生折断,而脆性层又是整个洋壳俯冲的框架约束,它一旦折断,完整的洋壳俯冲将不可能持续。

(2)  地壳加厚造成下地壳垂直拆沉,引起中深源地震。在造山带地区,地壳加厚造成下地壳镁铁质麻粒岩相变为榴辉岩相,密度增加,缓慢沉降进入地幔中。但这个成因机制也难以合理解释青藏高原的地震特征,因为那里是当前地壳加厚的最明显最厚区域,但该区并没有深源地震发生。更无法解释整个特提斯带缺乏深源地震,而环太平洋却有诸多深源地震带,难道陆陆碰撞造成的地壳加厚小于洋陆碰撞造成的地壳加厚?显然也不符合逻辑和事实。

也就是说,中深源地震的成因机制无论从地震专家阵营还是大地构造专家阵营都还没有完全解决,都有很多难以合理解释的现象。

本文基于理论分析通过大量的实例对比说明,中深源地震与大陆板块漂移密切相关,在大陆板块漂移急转弯过程中,下地壳由于旋扭力剪切作用,与中上地壳分离并拆沉,在上地幔中因高温发生部分熔融,呈弥散状缓慢沉降,并发生分异,重物质下沉,轻物质上浮。下沉的重物质与上地幔物质发生物理化学作用,产生隐爆,发生中深源地震。

3 大陆漂移与中深源地震

3.1 新大陆漂移模型

无论是地质还是地球物理都有证据表明,大陆板块地壳不是均匀的,从浅到深,密度逐渐加大,上地壳密度约2.7,中地壳密度约3.0,下地壳密度约3.3,平均密度约3.0。

根据新的大陆漂移模型(梁光河,2013,2018),大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移,动力机制可以用传统的伸展构造的形成机制和过程来解释。这个推动力来自一个个连续的伸展构造形成过程。当地幔上涌推动两侧地块向两边移动,处于中心的上涌地幔因上升最高首先凝固,而已经移动的地块必然会在后面腾出空间,产生低压诱发下面地幔进一步上涌,上涌的地幔再进一步推动地块移动,这是一个连锁反应过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移(图2A)。

大陆板块漂移后,在特殊环境下,下地壳可能发生拆沉。中上地壳和下地壳通常粘合紧密,必须旋扭力才能使二者分离。怎么样才能旋扭呢?那就是大陆漂移过程中急转弯,在下地壳上部低角度断层处发生裂离,使得下地壳与中上地壳分离(图2B)。

分离后的下地壳密度3.3,飘浮在密度也是3.3的上地幔顶部,要沉降到地幔深处,必须符合浮力基本原理。事实上,在分离后飘浮在地幔上部的下地壳因高温会发生部分熔融,发生重力分异。密度大于3.3的岩石才能沉降,而下地壳中镁铁质麻粒岩相变为榴辉岩相后密度会增加到3.5,是可以发生沉降的。由此推断,这种沉降不会是非常完整的下地壳板块,而是断裂成碎块后,成弥散状的块体(似包裹体)缓慢下沉(图2C),由于下地壳的不均匀性这些块体可以巨大也可以很小


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2新大陆漂移模型和下地壳拆沉示意图

3.2 大陆漂移与中深源地震

根据以上分析,我们得到的初步认识是:中深源地震不可能像传统认识那样,板块俯冲可以让洋壳产生高达80度的弯曲并俯冲,在力学上对脆性上地壳是不可能的。相对大陆板块洋壳只能是近水平俯冲。深源地震产生的机制是部分大陆板块在急转弯过程中,因旋扭力造成下地壳分离并拆沉,发生熔融分异,其中重物质下沉,轻物质上浮。缓慢下沉的弥散状的重物质产生了深源地震。

从大陆板块漂移的角度分析,全球当前的主要中深源地震带,都符合这个规律。如图3所示。南美长条形板块漂移拼贴到北美,留下比较完整的下地壳根部在南美拆沉形成南美西部中深源地震带,拼贴到北美的只是中上地壳部分,因此北美西侧没有中深源地震。新西兰南岛从北往南漂,在北部急转弯处开始大规模拆沉形成新西兰北部地震带,推测这个下地壳拆沉是碎裂状的,撒落在漂移路径上。阿留申中源地震带是由于秋林地体从西伯利亚往东漂移过程中拆沉形成的,推测秋林地体(组合)是准克拉通地体,至少包含了准克拉通地体,因此其漂移过程中下地壳拆沉形成了中源地震。堪察加从日本海向北东方向漂移拆沉形成日本海-千岛岛弧中深源地震带。而北海道和库页岛从赤道附近向北快速漂移过程中的下地壳拆沉形成了马里亚纳岛弧地震带。印度尼西亚和菲律宾中深源地震带则是其中很多个碎陆块急转弯拆沉综合形成的。这些地块的运动轨迹证据都有诸多证据链可以证明,作者在之前的文章中都分别有论述,主要包括古生物、古地磁以及深海钻探证据等等。


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3全球主要中深源地震带成因机制与大陆漂移过程示意图

3.3 中国的中深源地震

我国境内的中深源地震带主要有两个,一个是吉林东部的深源地震带,另一个是台湾-琉球群岛的中源地震带(图4a),在我国境内的区域主要包括台湾和钓鱼岛地区。

吉林东部的深源地震带是堪察加地块从日本海裂离漂移后形成的(图4b),这个区域位于堪察加地块漂移的起始点。其中的疑问是,堪察加漂移后,为什么欧亚板块东缘又覆盖在其原始位置?其实道理很简单,堪察加漂移后,由于日本陆块的东漂,拉动欧亚东缘向东运动,因此当前的深源地震才发生在我国东北大陆上。

无论从地质图(图4c)还是从磁异常图(图4e)上都能够说明,堪察加地块是一个克拉通地块,它没有漂移前应该和华北克拉通板块连接在一起。日本2011年9级大地震后的同震位移(图4d)也说明,伴随着日本陆块的东漂,欧亚东缘也在向东漂移,使得欧亚东缘覆盖在堪察加漂移的路径上,这个过程主要发生在新生代晚期。细节上看,原堪察加地块也包括下杨子向东北的延伸部分,这部分不是真正的克拉通,而是褶皱造山带,因此在堪察加裂解漂移过程中,这部分没有下地壳拆沉,因此日本海西南部没有中深源地震。

而北海道和库页岛地块的漂移形成了另外一个南北向的马里亚纳岛弧中深源地震带,从其漂移轨迹和诸多证据也能推测北海道和库页岛是克拉通陆块,因此其从赤道附近漂移过程中推出了深度巨大的马里亚纳海沟。而与北海道和库页岛同步漂移的锡霍特陆块应该是一个造山岛或岛弧陆块,陆壳厚度很小,因此没有发生下地壳拆沉,也就没有对应的中深源地震。

从日本三岛(九州、四国、本州)的漂移路径,也可以很容易得出推论,台湾-琉球群岛的中源地震带应该是四国岛从华南东部裂离漂移过程中,下地壳拆沉形成的。推测四国岛地块是准克拉通块体(至少包含部分准克拉通块体),而不是古老克拉通块体,因此只有中源地震而没有深源地震。这可能和下地壳中重物质成分的含量多少和密度大小有关。


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4中国及邻区中深源地震带成因机制与大陆漂移过程示意图(底图据USGS

过去对这些中深源地震带都是按照太平洋板块俯冲到欧亚大陆之下来解释的,并有著名的贝尼奥夫地震带支持,但贝尼奥夫地震带是否真的存在?

3.4 贝尼奥夫带问题

上世纪50年代美国地震学家贝尼奥夫发现部分地区平行于海沟连续分布着浅源地震(震源深度 0~70公里)、中源地震(震源深度 70~300公里)、深源地震(震源深度300~700公里),海沟附近为浅源地震,趋向岛弧、大陆依次为中源、深源地震。该带倾角平均为45°左右,但沿岛弧延长方向倾角有变化,约在15°~90°之间。由此称作贝尼奥夫带(Benioff zones)。

事实果真如此吗?以斐济西部的那个中深源地震带为例(图5),传统上认为太平洋板块俯冲形成这些中深源地震带。但在该区域就解释不通,首先这个地震带两侧都是洋壳,洋壳密度都是2.9,基于普通的物理原理,洋壳不可能俯冲到洋壳之下。更重要的是这个俯冲带是反的,从西南往东北地震深度逐渐加深,按照传统成因模式,意味着必须北侧的太平洋板块洋壳迎冲到南侧的洋壳之上。这个模式不但不符合基本物理原理,而且如果这个模式成立的话,那么太平洋板块只能像面片一样上下翻滚扭曲,因为在邻近的新西兰北部它还要向西俯冲,而这里它却是向西仰冲。

实际上,根据新大陆漂移模型很容易解释这个地震带,斐济陆块(组合)在从西北往东南漂移过程中,发生了下地壳拆沉从而引发了地震,其厚度大的一侧靠太平洋一侧,后期漂移方向也是转向大洋一侧。


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5斐济西部中深源地震带分布特征(底图据USGS

    自从贝尼奥夫带说法出现之后,跟风的部分科学家直接做出了很像板块俯冲的双地震带定位(Tatsumi and Eggins, 1995),把那些地震震中都集中在两个线条上,似乎证明了存在这个带,并说明板块俯冲模式的正确性。但更多的严谨的科学家则无法重复这个双地震带定位。如图6是杜建国等(2018)根据最新的地震定位技术所做的横跨库页岛-千岛群岛1960-2016年M≥6实测地震震中重新定位结果,其中没有看到贝尼奥夫地震带的特征,而是很凌乱的地震震中分布。


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6 横穿库页岛-千岛群岛1960-2016M6实测地震震中(杜建国等,2018

其实根据本文提出的中深源地震成因模式,很容易理解这种地震震中深度分布特征,那就是堪察加地块从欧亚板块裂解后漂移过程中,发生了下地壳拆沉,一边漂移一边撒落下地壳碎块,它们呈弥散团块状缓慢下沉,分布在地幔中(图7)。它们在下沉过程形成了扰动,相当于发生高角度断裂,沟通深部和浅部流体聚集的圈闭,产生隐爆从而发生地震。也就是说地震的发生和拆沉块体这种异物的加入和扰动有关。

注意图7中这些震源宏观上的确是西侧深东侧浅,这也很容易解释,堪察加地块从欧亚裂离过程中就好像一个船头,西侧厚度大,东侧厚度小,拆沉过程中也是西侧起点深,东侧起点浅。而且这个大陆漂移模式也能合理说明为什么堪察加地块漂移的轨迹是弧形的,那就是地块东侧薄,岩浆上涌产生的推力更大。


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7 横穿库页岛-千岛群岛中深源地震成因机制模式图

由此可以推测,贝尼奥夫带可能局部存在,那是因为拆沉过程中在较浅的深度,拆沉板块还没有完全碎裂,可能存在较大的完整板块。但这个贝尼奥夫带模式不可能在全球到处存在,那不是一个普遍真理。

进一步推测青藏高原西构造结的中源地震应该是在碰撞挤出过程中,有压碎的准克拉通陆块急转弯下地壳拆沉的结果。其他中深源地震带也应该类似成因。

4中深源地震与地体漂移

4.1 地体与大陆漂移

前人的大量研究发现,环太平洋构造带存在一系列地体,美国和加拿大西部存在超百个大小地体(Coleman, 1984; Howell et al., 1985)。 北美洲的地体来源主要有来自西太平洋区域的地体和来自南美洲西部的裂解地体,图4用一个动画示意图来说明它们的来龙去脉,图中的每个地体代表多个地体组合,其中有一个比较大的地体,也可能还有很多碎小的地体单独漂移。



8太平洋地体漂移过程示意图

从南美洲西侧裂解的地体,北漂拼合在北美洲西侧,有诸多证据支持,主要包括古地磁、GPS测量、深海钻探、地磁异常分布(梁光河,2019)。更有深源地震分布特征的支持,从南美洲西侧裂解的地体,下地壳拆沉主要发生在原地,形成了当前的南美洲中深源地震带。南美洲和北美洲的超大型铜金矿床分布和成矿年龄也支持这个漂移拼合模式。

4.2 中国东北深源地震与Izanagi古板块

传统上认为在中国东北地区存在一个50-55 Ma年前的Izanagi 古板块已经深深地俯冲并滞留在欧亚东缘的地幔中(李娟,2015;Seton et al., 2012),由此造成了两个方向的深源地震带。

存在的问题是,如果是一个古板块俯冲下去,平面上投影它应该是一个完整的三角形,但现在在平面上却只有两个边。这是古板块俯冲难以合理解释的。正确的解释是,这两个方向的地震带分别是不同地块漂移形成的。堪察加地块漂移过程中的下地壳拆沉形成了北东方向的日本海-千岛岛弧深源地震带,而日本北海道和库页岛地块北漂过程中的下地壳拆沉形成了南北向的马里亚纳岛弧深源地震带。二者交汇在日本中部地区。千岛岛弧深源地震带截至到堪察加地块尾部,堪察加地块当前的西部和北部没有深源地震也能得到很好地解释。

李娟(2015)利用震源下方S-P转换波进行的地震观测中,确实也看到了位于千岛岛弧局部地区地下的散射体的影子(图9)。地球物理反演异常区往往比实际异常体大,因此剖面中的散射体可能比实际的要小,并不是一个完整的板块。事实上,Izanagi古板块残留体就是堪察加地块发生的下地壳拆沉的板片。


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9地震学方法“看”到Izanagi古板块残留体(李娟,2015

4.3 下地壳拆沉与地球化学示踪

下地壳拆沉会造成下地壳中镁铁质-超镁铁质麻粒岩相变为榴辉岩相,这些可能的被拆沉物质均以富集Eu、Sr和过渡金属元素(Cr、Ni、Co、Sc、V、Ti)为特征。包括Eu的多种同位素指标都能够对下地壳拆沉作用进行示踪分析。美国西部岩浆岩的分析结果说明,中新世晚期内华达岩基地区冷的榴辉岩根被热的、橄榄岩质软流圈地幔所置换(高山等,1998),意味着美北美洲西侧新生代晚期存在下地壳拆沉作用,也就是说这个地区当时只有中上地壳而没有下地壳。但这个拆沉作用并不一定发生在当地,从诸多证据来看,它应该发生在南美洲西侧。

地球化学示踪分析也表明中国的秦岭-大别造山带也曾发生过下地壳拆沉,只是这个过程发生的时间太过久远,目前只保留了折返上来的榴辉岩,而拆沉的下地壳早已沉降到地幔下部,现在已经观测不到深源地震了。基于大陆漂移模型也可以推断在对称型碰撞造山运动过程中也容易发生下地壳拆沉,而且拆沉相变后的少部分榴辉岩能够沿着碰撞形成的深大断裂带快速折返到地面,这个过程必然伴随着岩浆喷发或者地震,也一定伴随着深部排气作用,否则根据密度特征,它们不可能上升到地表。

4.4 下地壳拆沉与地壳长英质化过程

前人的研究表明,由地幔形成的原始地壳增生物质主要是玄武质的,而现今大陆地壳整体成分却是安山质或英云闪长质的(Rudnick,1995)。是什么机制造成了大陆地壳的这种演化?这是任何一个大陆动力学模型必须回答的问题。

下地壳拆沉作用也是大陆地壳从玄武质到长英质演化过程中的重要机制。下地壳拆沉过程中,麻粒岩相变为榴辉岩相,在部分熔融状态,不但使得超基性物质榴辉岩下沉进入地幔深处,使地壳基性程度降低,也会分异出长英质矿物组合,它们密度低,在其他重物质下沉过程中,它们上浮并粘贴到其他板块的下地壳之下。这个地质过程长期循环作用的结果,就是大陆地壳逐渐长英质化。这个过程中会伴随中深源地震,也就是说中深源地震是地球演化和地壳分异中的一个重要机制。地壳拆沉作用的直接地球化学结果就是使大陆地壳总体成分向着长英质方向演化,同时使大陆地壳中过渡金属元素(Cr、Ni、Co、Sc、V、Ti)相对贫化。

根据本文的模式,金刚石的成因和榴辉岩的成因也能得到很好解释,那就是拆沉的下地壳在深源地震发生过程中,随着地球深部排气像包裹体一样随气团被快速推升到地球浅表部,这个过程就是传统的大陆深俯冲折返过程。这个拆沉和深源地震主要发生在造山带,特别是对称型陆陆碰撞造山带。事实上,能够随着地下高压流体(或气泡)返回地面的超高压变质岩是极少数的,大部分还是沉入地幔中,其结果是地球自形成至今仍在不断发生重力分异。

4.5 传统拆沉模式与大陆漂移拆沉模式对比

综合上述分析,这里给出传统的造山带模式和俯冲模式与大陆漂移模式简图,说明下地壳拆沉的不同方式。前两种方式没有考虑拆沉块体的密度特征是否符合物理基本原理。后者符合密度分异的基本原理,也与实际观测符合,结合大陆漂移过程,它能够合理解释目前地球上的所有中深源地震分布。


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10 造山带模式-俯冲模式与大陆漂移模式对比图

 

5 结论与讨论

5.1 结论

(1)  大陆漂移过程中的下地壳拆沉产生了中深源地震。

(2)  目前的全球地震分布特征说明,只有陆壳板块的下地壳拆沉才能发生中深源地震。

(3)  下地壳的拆沉不但产生了中深源地震,也使地壳中超基性物质沉入地幔,使得地壳逐渐长英质化。

5.2 讨论

诸多观测事实说明,无论浅源地震还是中深源地震,都应该伴随一个隐爆过程。一个地震的发生过程,首先需要能量的聚积,这个过程需要断裂带封闭,也就是一个堵塞过程。一旦断裂活动,沟通深部和浅部,产生瞬间降压,包括聚集的岩石弹性能量和聚集的高温高压超临界物质瞬间释放,体积膨胀产生地震。也就是说堵塞聚集能量,解堵释放能量,地震过程就是一个堵塞-解堵塞过程。

结合中深源地震,也应该是一个堵塞-解堵塞过程。推测地幔深处不同深度压力不同,不同深度上也存在大大小小不同类型的圈闭,它们包含多种超高温超高压环境下的超临界流体,也可能是接近固态的其它易相变超-超临界物质。在拆沉的块体下降过程中,相当于一个近乎垂直断层发生了活动,它刺穿连通了两个不同压力的圈闭,发生降压隐爆。但其中哪种物质的相变起主要作用还很难给出结论,也可能有多种物质成分,比如水、二氧化碳、甲烷、岩浆等等。这些都是以后需要深入研究的问题,更需要有符合逻辑的推理及实证。

从堪察加地块和北海道地块的漂移历史和中深源地震分布特征,可以推断,下地壳拆沉速度相当缓慢,堪察加和北海道大约漂移了15-20Ma,而其漂移路径上的拆沉和中深源地震还在继续发生,意味着在约20Ma年内最快的块体沉降了约700Km,沉降速率约每年3.5cm。这说明地幔黏性非常大,近乎于固体状态。进一步也可以推测,下地壳块体拆沉过程不是连续的,而是和地表断裂活动类似,间歇性的活动,在活动过程中造成了中深源地震。

主要参考文献

1)   Coleman R G. The diversity of ophiolites[J]. Geol. Mijnbouw, 1984,63: 141-150.

2)      Engdahl E. R., Scholz C. H. A double Benioff zone beneath the central Aleutians; an unbending of the lithosphere[J]. Geophysical Research Letters, 1977, 4: 473-476

3)   Howell D G, Jones D L and Schermer E R. 1985. Tectonostratigraphic Terranes of the Circum-Pacific Region[M]. Houston, Texas, U. S. A., 3-30.

4)      Hudnut K. W., Taber J. J. Transition from double to single Wadati-Benioff seismic zone in the Shumagin Islands, Alaska[J]. Geophysical Research Letters, 1987, 14: 143-146

5)   Jones D.L., Cox A., Coney P., Beck M., 北美洲西部的增长[J].地质科技情报,1985,4(1): 39-45马万钧译自Scientific American,1982,247(5):70-84.

6)      Ratchkovsky N. A., Pujol J., Biswas N. N. Stress pattern in the double seismic zone beneath Cook Inlet, south-central Alaska[J]. Tectonophysics, 1997, 281: 163-171

7)   Rudnick R L. Making continental crust[J].Nature,1995,378:571~578

8)      Tatsumi Y., Eggins S. Subduction zone magmatism[M]. Cambridge: Blackwell Science, Inc. 1995. 1-49

9)   杜建国,仵柯田,孙凤霞.地震成因综述[J].地学前缘.2018,25(4):255-267

10)  高山等. 下地壳拆沉作用及大陆地壳演化[J]. 高校地质学报,1998,4(3):242~248.

11)  李娟,2015. Izanagi古板块俯冲的地震学证据[C]. 北京:中国科学院地质与地球物理研究所年会报告, 2015.

12)  梁光河. 郯庐断裂带的几个关键问题探讨[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(5): 543-558.

13)  梁光河. 谈谈美洲大地构造演化[OL].2019-9-22 16:46.科学网. http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1074480&do=blog&id=1199034

14)  梁光河.大陆漂移的源动力-板块自驱动模式[J]. 地球科学前沿, 2013,3:86-96.

15)  梁光河.新大陆漂移模型与地震成因关系研究[J]. 科学技术与工程, 2018, 18(28): 47-57.

16)  吴晓娲,秦四清,薛雷等.基于震例探讨大地震的物理机制[J].地球物理学报,2016,59(10):3696-3710.



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2 杨学祥 张国宏

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