LA-ICP-MS zircon U-Pb ages of metamorphic volcanic rocks in Balonggongge'er Formation of South Qilian Mountain in Qinghai Province and their geological significance
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摘要:
广泛分布于南祁连的巴龙贡噶尔组一直缺少精确的化石和同位素测年依据，其地质时代备受关注。1：5万区域地质调查在青海省天峻县织合玛乡南部的该套地层中新发现了英安质火山熔岩。采用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法，获得1件英安岩样品的锆石U-Pb年龄为457.6±2.4Ma，表明该套火山岩形成于晚奥陶世。这是首次获得的有关巴龙贡噶尔组的高精度测年数据，为该组的解体及其时代归属提供了可靠的同位素年代学依据。这一新发现和成果对于研究南祁连的早古生代地层层序及构造演化具有重要意义。
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关键词:
- 南祁连 /
- 巴龙贡噶尔组 /
- 变火山岩 /
- 晚奥陶世 /
- LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄
Abstract:The Balonggongge'er Formation is widely distributed in the South Qilian Mountain. Due to the absence of the fossils and available geochronologic data, its geological epoch has aroused much attention. Based on 1:50000 regional geological survey, the authors identified some volcanic flows, which consist of dacites within the Balonggongge'er Formation. LA-ICP-MS zircon U-Pb analyses indicate that a dacite sample was formed at 457.6±2.4Ma, belonging to the Late Ordovician period. This is the first precise radiometric age for the Balonggongge'er Formation, which provides some persuasive geochronologic evidence for the disintegration and the epoch of the formation. The new discoveries and results are of importance to the Early Paleozoic stratigraphic sequence and tectonic evolution in the South Qilian Mountain.
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祁连造山带位于青藏高原东北部，是中国中央造山系的重要组成部分，西段被阿尔金断裂所截，东段与西秦岭相接，北接阿拉善地块，西南与柴达木地块相接，整体呈北西西向展布[1-3]。受加里东造山作用影响[4-6]，形成北祁连及柴达木北缘2条俯冲-碰撞杂岩带[7]和不同构造环境下的各类岩体。南祁连位于该造山带南部，以柴达木北缘断裂、中祁连南缘断裂及阿尔金左行走滑断裂为界[8]，由于其特殊的构造位置形成于独特的地质构造环境和地球动力学背景，一直以来被众多的地质学者所关注。然而，以往的研究多集中于前寒武纪、晚古生代及新生代地质体[9-13]，对于早古生代地质体的研究多以花岗岩类为主[14-18]。总之，与柴北缘和北祁连相比，南祁连的研究程度偏低，对其各个阶段的构造演化缺少精确时限。因此，对南祁连早古生代地质体的研究对于认识祁连造山带构造演化具有重要意义。
巴龙贡噶尔组广泛分布于南祁连地区，目前在划分和归属方面尚有疑问。该套地层最早由柴达木石油地质普查大队[19]命名为志留纪—泥盆纪巴龙贡噶尔系，但多数人将其划归下古生界未分；青海第一区测队①在刚察县尔德公麻、尕日娄曲发现了早志留世笔石，将其归属于志留系，并将下部划分为下志留统，上部划分为志留系中、上统2个岩组单位；青海省区域地层表编写组[20]沿用此划分；青海省地质矿产局[21]在《青海省区域地质志》中将该套地层归为下志留统；青海地层多重划分对比研究组[22]改称巴龙贡噶尔组，其时代厘定为早志留世。张国英等[23]在南祁连西段清水沟南部将一套深色碎屑沉积岩系对比划归为巴龙贡噶尔组，时代为早志留世。
由于地区的局限性，南祁连广大地区未能采集到化石，仅在局部地区采集到的早志留世笔石不能完全作为划分巴龙贡噶尔组的依据，同时也没有相关高精度的同位素年龄的报道。笔者在青海省天峻县织合玛地区开展1:5万区域地质调查的过程中，在原划巴龙贡噶尔组中新发现了英安质火山熔岩，并对其开展了LA-ICP-MS锆石微区原位UPb测年，旨在对该套地层的形成时代进行限定。
1. 地质背景
研究区位于南祁连造山带的中段（图 1-a），区内有古生物记录的最老地层为奥陶系，岩性主要为火山岩及火山碎屑岩，属火山活动型沉积，分布在盆地东段和西段的边界断裂附近。志留系巴龙贡噶尔组下部为灰色、浅灰紫色千枚岩夹硅质灰岩透镜体，中部为浅灰绿色硬砂岩夹板岩及凝灰岩，上部为紫色、灰绿色硬砂岩夹板岩、黄绿色硅质岩沉积。上古生界和中生界广泛发育，均为台地型盖层。其中，二叠系巴音河群主要岩性为碎屑岩夹碳酸盐岩，为典型的海陆交互相沉积；三叠系郡子河群和默勒群主要岩性为碎屑岩、碳酸盐岩和河湖相炭质页岩及煤线，分别为滨海相、滨-浅海相和河湖相沉积。另外，在志留系巴龙贡噶尔组中分布大量的早古生代花岗岩类岩体（图 1-b）。
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图 1 南祁连青海天峻县一带地质简图（据参考文献[3]修改）1—第四系；2—古近系-新近系；3—三叠系郡子河群和默勒群；4—二叠系巴音河群；5—石炭系中吾农山群；6—志留系巴龙贡噶尔组；7—奥陶系；8—蓟县系花石山群；9—古元古界化隆岩群；10—早古生代花岗岩；11—断层；12—角度不整合Figure 1. Simplified geological map of Tianjun County in Qinghai Province本次研究的重点是位于青海省天峻县织合玛乡南部的巴龙贡噶尔组（图 2），呈北西西—近东西向带状展布，与二叠系巴音河群勒门沟组呈角度不整合接触，局部为断层接触。在研究区该组下部岩性为灰绿色千枚状板岩、变流纹质凝灰岩、安山质凝灰岩；上部岩性为灰绿色、灰紫色粉砂质板岩、千枚状板岩夹变石英砂岩、变细砂岩等。
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图 2 天峻县织合玛乡一带地质简图1—第四系；2—三叠系郡子河群；3—二叠系巴音河群；4—志留系巴龙贡噶尔组；5—角度不整合；6—平行不整合；7—产状；8—断层；9—样品号及采样点位置Figure 2. Simplified geological map of Zhihema Township in Tianjun County变英安岩样品采自天峻县织合玛乡南部的勒黑陇一带，采样地理坐标为北纬37°32′6.63″、东经99°1′9.32″。野外可见英安岩与上覆二叠系巴音河群勒门沟组以石英质砾岩为界呈角度不整合接触，与下伏灰绿色凝灰质板岩呈整合接触关系（图 3）。英安岩呈褐红色，斑状结构、显微粒状片状变晶结构，块状构造（图 4-a）。由斑晶和基质组成，斑晶主要为石英、长石和少量角闪石，其中石英呈半自形-他形粒状，边缘多被熔蚀呈港湾状，粒径为0.2~1.6mm，含量为3%~5%；长石呈半自形柱状-他形粒状，部分边缘被熔蚀，表面蚀变强烈，被绢云母集合体完全交代形成长石假象，推测主要为斜长石，粒径0.2~2.8mm，含量为6%~8%；暗色矿物多呈半自形片状，表面蚀变强烈，被绢云母和铁质集合体完全交代，根据晶形推测应该为黑云母或角闪石，粒径0.2~0.8mm，含量为1%~2%；基质具有显微粒状片状变晶结构和显微嵌晶结构，主要由石英、绢（白）云母组成，其中石英呈他形粒状，粒径为0.01~0.1mm，个别为0.1~0.2mm，多包含或镶嵌绢云母呈包含嵌晶结构，含量为4%~45%；绢云母呈细小的鳞片状，粒径0.01~0.03mm，含量为3%~40%（图 4-b）。
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图 3 巴龙贡噶尔组英安岩样品采样剖面1—石英粗砂岩；2—砾岩；3—英安岩；4—凝灰质板岩；5—角度不整合；6—志留系巴龙贡噶尔组；7—二叠系巴音河群勒门沟组；8—样品号及采样点位置Figure 3. Geological cross section of the meta-dacite in Balonggongge' er Formation![]()
图 4 巴龙贡噶尔组英安岩宏观（a）和显微特征(b)Pl—斜长石；Q—石英Figure 4. Macroscopic (a) and microscopic (b) characteristics of the meta-dacite in Balonggongge' er Formation2. 分析方法
锆石的分选工作在河北省欣行测绘院完成，之后在北京锆年领航科技有限公司完成了锆石制靶、反射光、透射光和阴极发光（CL）显微照相。锆石U-Pb年代学和微量元素含量分析在中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）上完成。LA-ICP-MS激光剥蚀系统为美国New⁃Wave公司生产的UP193FX型193nmArF准分子系统，激光器来自于德国ATL公司，ICP-MS为Agilent 7500a。激光器波长为193nm，脉冲宽度小于4ns，束斑直径为10~125μm可调。采用Plesovice（年龄为337±0.37Ma[24]）和Qin⁃ghu标准锆石（TIMS谐和年龄为159.45±0.16Ma[25]）作为外标进行校正；成分标样采用NIST SRM 612，其中29Si作为内标元素。在测试过程中每测定5个未知样品点插入一组标样（锆石标样和成分标样）。样品的同位素比值及元素含量计算采用Glitter(ver 4.0, Macquarie University)程序，普通铅校正采用Anderson[26]提出的ComPbCorr#3.17校正程序，U-Pb谐和图和年龄加权平均值计算采用Isoplot/Ex_ver 3[27]程序完成。
3. 分析结果
英安岩样品锆石干净、透明，以短板状为主，粒径多为60~90μm。阴极发光图像显示，岩浆韵律环带清晰，为典型的岩浆结晶锆石（图 5）。对该样品进行了16个点的分析测试，分析结果见表 1。锆石Th、 U含量分别为214×10-6~571×10-6和705×10-6~1384×10-6，Th/U值为0.29~0.51，多大于0.4，因此这些锆石属于典型的岩浆成因锆石。
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图 5 英安岩样品D0634-3锆石阴极发光（CL）图像及206Pb/238U年龄Figure 5. CL images of zircons from the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation, and its 206Pb/238U ages measured with LA-ICP-MS表 1 青海南祁连巴龙贡噶尔组英安岩样品D0634-3 LA-ICP-MS U-Th-Pb锆石同位素分析结果Table 1. U-Th-Pb composition of zircons from the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation measured by LA-ICP-MS测点编号 Th/10-6 U/10-6 Pb/10-6 Th/U 同位素比值 同位素年龄/Ma 207Pb/206Pb ±1σ 207Pb/235U ±1σ 206Pb/238U ±1σ 207Pb/206Pb ±1σ 207Pb/235U ±1σ 206Pb/238U ±1σ DHQ1-01 520 1146 104 0.45 0.05408 0.00074 0.55137 0.00837 0.07389 0.00103 374 15 446 5 460 6 DHQ1-02 379 900 80 0.42 0.05405 0.00073 0.54769 0.00826 0.07344 0.00102 373 15 443 5 457 6 DHQ1-03 445 993 87 0.45 0.05569 0.00125 0.56215 0.01244 0.07317 0.00118 440 24 453 8 455 7 DHQ1-04 571 1110 99 0.51 0.05421 0.00064 0.54878 0.00759 0.07338 0.00099 380 14 444 5 456 6 DHQ1-05 214 705 60 0.30 0.05589 0.00100 0.56738 0.01051 0.07361 0.00109 448 19 456 7 458 7 DHQ1-06 558 1384 122 0.40 0.05747 0.00102 0.57860 0.01064 0.07300 0.00109 510 18 464 7 454 7 DHQ1-07 399 1082 94 0.37 0.05481 0.00066 0.55350 0.00780 0.07323 0.00100 404 14 447 5 456 6 DHQ1-08 388 1148 99 0.34 0.05506 0.00191 0.55347 0.01823 0.07289 0.00147 415 39 447 12 454 9 DHQ1-09 271 844 72 0.32 0.05783 0.00138 0.58299 0.01374 0.07312 0.00122 523 25 466 9 455 7 DHQ1-10 449 1202 105 0.37 0.05702 0.00081 0.57660 0.00908 0.07335 0.00103 492 15 462 6 456 6 DHQ1-11 367 983 88 0.37 0.05778 0.00098 0.59676 0.01072 0.07491 0.00110 521 18 475 7 466 7 DHQ1-12 394 1144 99 0.34 0.05491 0.00087 0.55939 0.00955 0.07389 0.00106 409 17 451 6 460 6 DHQ1-13 221 774 66 0.29 0.05582 0.00090 0.56374 0.00976 0.07326 0.00106 445 17 454 6 456 6 DHQ1-14 277 908 77 0.31 0.05512 0.00077 0.55823 0.00876 0.07347 0.00103 417 16 450 6 457 6 DHQ1-15 415 1141 99 0.36 0.05602 0.00077 0.56753 0.00882 0.07349 0.00103 453 15 456 6 457 6 DHQ1-16 250 829 70 0.30 0.05596 0.00071 0.56441 0.00834 0.07316 0.00101 451 15 454 5 455 6 DHQ1-17 335 1001 87 0.33 0.05596 0.00070 0.57284 0.00846 0.07426 0.00102 451 15 460 5 462 6 DHQ1-18 291 874 74 0.33 0.05559 0.00092 0.56112 0.00998 0.07322 0.00107 436 18 452 6 456 6 DHQ1-19 501 1196 104 0.42 0.05673 0.00091 0.57336 0.01001 0.07333 0.00106 481 17 460 6 456 6 DHQ1-20 468 1158 101 0.40 0.05502 0.00076 0.56020 0.00881 0.07387 0.00103 413 16 452 6 459 6 DHQ1-21 347 936 81 0.37 0.05560 0.00070 0.56405 0.00841 0.07359 0.00101 436 15 454 5 458 6 DHQ1-22 331 1017 87 0.33 0.05578 0.00078 0.56847 0.00909 0.07394 0.00104 444 16 457 6 460 6 DHQ1-23 351 1082 93 0.32 0.05627 0.00072 0.56997 0.00859 0.07348 0.00101 463 15 458 6 457 6 DHQ1-24 396 1041 90 0.38 0.05833 0.00076 0.59197 0.00901 0.07362 0.00102 542 15 472 6 458 6 DHQ1-25 431 1300 112 0.33 0.05777 0.00072 0.59132 0.00889 0.07426 0.00102 521 15 472 6 462 6 DHQ1-26 570 1327 117 0.43 0.05978 0.00091 0.60421 0.01027 0.07332 0.00105 596 17 480 7 456 6 在锆石的U-Pb谐和曲线图（图 6）中，英安岩样品中26个测点均位于U-Pb谐和线上或其附近很小的区域内，206Pb/238U表面年龄变化于454~466Ma之间，年龄加权平均值为457.6±2.4Ma(MSWD=0.18)，代表英安岩样品的结晶年龄。按照国际上最新划分的奥陶纪方案，英安岩应形成于晚奥陶世。
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图 6 英安岩样品D0634-3锆石U-Pb谐和图和206Pb/238U年龄分布Figure 6. Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results and 206Pb/238U weighted mean age of the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation4. 讨论与结论
巴龙贡噶尔组中生物化石贫乏，目前仅有的划分依据是青海第一区调队①在刚察县尔德公麻、尕日娄曲发现的笔石化石： Glyptograptus sp., Pristiograptus nrdtes, P. cf. aciguacaces, Tornguist, Pseuoclinacograptus sp., Climacograptus rectungularis M′coy。上述化石多属早志留世常见分子。由于地区的局限性，在南祁连广大地区未能采集到化石。本次获得青海省天峻县织合玛乡南部的原划归志留系巴龙贡噶尔组中英安岩样品的锆石U-Pb年龄为457.6±2.4Ma，表明该套火山岩的形成时代应为晚奥陶世，代表了含火山岩的巴龙贡噶尔组的时代应为晚奥陶世。另外，在区域上巴龙贡噶尔组中侵入较多的花岗岩体，通过测定花岗岩体的形成时代可以有效地约束该地层的形成时代，笔者获得侵入于该组中闪长岩脉的锆石U-Pb年龄为453.9±1.9Ma（另文报道）。廖华等[18]获得研究区西部扫迪一带侵入于该组中的花岗岩锆石U-Pb年龄为461.5±1.6Ma，四川省地勘局二零七地质队在研究区东部刚查县泉吉地区获得侵入该组的花岗岩年龄为447.4±3.8Ma、 447±4.6Ma、 450.2±5.2Ma、 452.5±9.7Ma（来自野外验收成果交流），进一步反映巴龙贡噶尔组的时代应早于早志留世。考虑到地区的局限性和前人曾采集到早志留世笔石化石的事实，广泛分布于南祁连地区的巴龙贡噶尔组有待进一步的解体和重新认识。总之，这次获得的天峻县织合玛乡一带原巴龙贡噶尔组变火山岩的高精度测年数据，为其划分及时代归属提供了可靠的年代学依据，巴龙贡噶尔组中含变火山岩应解体出来，重新归属。同时也揭示，南祁连存在晚奥陶世火山活动。这一新发现和成果对于深入研究南祁连早古生代构造演化具有重要意义。
致谢: 野地质工作过程中得到陕西区域地质矿产研究院李海平教授级高工的指导和帮助，中国地质调查局西安地质调查中心何世平研究员审阅了本稿，并提出宝贵的修改意见，LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试和解释得到中国地质大学（北京）张东阳博士和中国科学院青藏高原研究所岳雅慧副研究员的帮助，在此一并表示衷心感谢。 -
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图 1 南祁连青海天峻县一带地质简图（据参考文献[3]修改）
1—第四系；2—古近系-新近系；3—三叠系郡子河群和默勒群；4—二叠系巴音河群；5—石炭系中吾农山群；6—志留系巴龙贡噶尔组；7—奥陶系；8—蓟县系花石山群；9—古元古界化隆岩群；10—早古生代花岗岩；11—断层；12—角度不整合
Figure 1. Simplified geological map of Tianjun County in Qinghai Province
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图 2 天峻县织合玛乡一带地质简图
1—第四系；2—三叠系郡子河群；3—二叠系巴音河群；4—志留系巴龙贡噶尔组；5—角度不整合；6—平行不整合；7—产状；8—断层；9—样品号及采样点位置
Figure 2. Simplified geological map of Zhihema Township in Tianjun County
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图 3 巴龙贡噶尔组英安岩样品采样剖面
1—石英粗砂岩；2—砾岩；3—英安岩；4—凝灰质板岩；5—角度不整合；6—志留系巴龙贡噶尔组；7—二叠系巴音河群勒门沟组；8—样品号及采样点位置
Figure 3. Geological cross section of the meta-dacite in Balonggongge' er Formation
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图 4 巴龙贡噶尔组英安岩宏观（a）和显微特征(b)
Pl—斜长石；Q—石英
Figure 4. Macroscopic (a) and microscopic (b) characteristics of the meta-dacite in Balonggongge' er Formation
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图 5 英安岩样品D0634-3锆石阴极发光（CL）图像及206Pb/238U年龄
Figure 5. CL images of zircons from the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation, and its 206Pb/238U ages measured with LA-ICP-MS
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图 6 英安岩样品D0634-3锆石U-Pb谐和图和206Pb/238U年龄分布
Figure 6. Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results and 206Pb/238U weighted mean age of the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation
表 1 青海南祁连巴龙贡噶尔组英安岩样品D0634-3 LA-ICP-MS U-Th-Pb锆石同位素分析结果
Table 1 U-Th-Pb composition of zircons from the meta-dacite D0634-3 in Balonggongge' er Formation measured by LA-ICP-MS
测点编号 Th/10-6 U/10-6 Pb/10-6 Th/U 同位素比值 同位素年龄/Ma 207Pb/206Pb ±1σ 207Pb/235U ±1σ 206Pb/238U ±1σ 207Pb/206Pb ±1σ 207Pb/235U ±1σ 206Pb/238U ±1σ DHQ1-01 520 1146 104 0.45 0.05408 0.00074 0.55137 0.00837 0.07389 0.00103 374 15 446 5 460 6 DHQ1-02 379 900 80 0.42 0.05405 0.00073 0.54769 0.00826 0.07344 0.00102 373 15 443 5 457 6 DHQ1-03 445 993 87 0.45 0.05569 0.00125 0.56215 0.01244 0.07317 0.00118 440 24 453 8 455 7 DHQ1-04 571 1110 99 0.51 0.05421 0.00064 0.54878 0.00759 0.07338 0.00099 380 14 444 5 456 6 DHQ1-05 214 705 60 0.30 0.05589 0.00100 0.56738 0.01051 0.07361 0.00109 448 19 456 7 458 7 DHQ1-06 558 1384 122 0.40 0.05747 0.00102 0.57860 0.01064 0.07300 0.00109 510 18 464 7 454 7 DHQ1-07 399 1082 94 0.37 0.05481 0.00066 0.55350 0.00780 0.07323 0.00100 404 14 447 5 456 6 DHQ1-08 388 1148 99 0.34 0.05506 0.00191 0.55347 0.01823 0.07289 0.00147 415 39 447 12 454 9 DHQ1-09 271 844 72 0.32 0.05783 0.00138 0.58299 0.01374 0.07312 0.00122 523 25 466 9 455 7 DHQ1-10 449 1202 105 0.37 0.05702 0.00081 0.57660 0.00908 0.07335 0.00103 492 15 462 6 456 6 DHQ1-11 367 983 88 0.37 0.05778 0.00098 0.59676 0.01072 0.07491 0.00110 521 18 475 7 466 7 DHQ1-12 394 1144 99 0.34 0.05491 0.00087 0.55939 0.00955 0.07389 0.00106 409 17 451 6 460 6 DHQ1-13 221 774 66 0.29 0.05582 0.00090 0.56374 0.00976 0.07326 0.00106 445 17 454 6 456 6 DHQ1-14 277 908 77 0.31 0.05512 0.00077 0.55823 0.00876 0.07347 0.00103 417 16 450 6 457 6 DHQ1-15 415 1141 99 0.36 0.05602 0.00077 0.56753 0.00882 0.07349 0.00103 453 15 456 6 457 6 DHQ1-16 250 829 70 0.30 0.05596 0.00071 0.56441 0.00834 0.07316 0.00101 451 15 454 5 455 6 DHQ1-17 335 1001 87 0.33 0.05596 0.00070 0.57284 0.00846 0.07426 0.00102 451 15 460 5 462 6 DHQ1-18 291 874 74 0.33 0.05559 0.00092 0.56112 0.00998 0.07322 0.00107 436 18 452 6 456 6 DHQ1-19 501 1196 104 0.42 0.05673 0.00091 0.57336 0.01001 0.07333 0.00106 481 17 460 6 456 6 DHQ1-20 468 1158 101 0.40 0.05502 0.00076 0.56020 0.00881 0.07387 0.00103 413 16 452 6 459 6 DHQ1-21 347 936 81 0.37 0.05560 0.00070 0.56405 0.00841 0.07359 0.00101 436 15 454 5 458 6 DHQ1-22 331 1017 87 0.33 0.05578 0.00078 0.56847 0.00909 0.07394 0.00104 444 16 457 6 460 6 DHQ1-23 351 1082 93 0.32 0.05627 0.00072 0.56997 0.00859 0.07348 0.00101 463 15 458 6 457 6 DHQ1-24 396 1041 90 0.38 0.05833 0.00076 0.59197 0.00901 0.07362 0.00102 542 15 472 6 458 6 DHQ1-25 431 1300 112 0.33 0.05777 0.00072 0.59132 0.00889 0.07426 0.00102 521 15 472 6 462 6 DHQ1-26 570 1327 117 0.43 0.05978 0.00091 0.60421 0.01027 0.07332 0.00105 596 17 480 7 456 6 
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