辽西地区早白垩世义县组大康堡层沉积特征及沉积环境演化
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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (6): 1166-1175  
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王铁晖, 巩恩普, 陈晓红, 崔莹, 高飞, 黄文韬. 辽西地区早白垩世义县组大康堡层沉积特征及沉积环境演化[J]. 地质通报, 2018, 37(6): 1166-1175.
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Wang T H, Gong E P, Chen X H, Cui Y, Gao F, Huang W T. Sedimentary characteristics and environmental evolution of Da-kangpu layer of Early Cretaceous Yixian Formation in western Liaoning[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(6): 1166-1175.
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基金项目

国家自然科学基金项目《辽西地区下白垩统义县组碳酸盐岩沉积环境及热河生物群古地理景观研究》(批准号:411720)、国家重点基础研究发展规划(973计划)项目《我国中、新生代主要陆地生物群的年代框架和沉积环境演变》(编号:2012CB821905)和中央高校基本科研业务费专项《辽西地区古环境研究境演变》(编号:N120601001)

作者简介

王铁晖(1980-), 男, 在读博士生, 从事沉积学研究。E-mail:wangtiehuily@163.com

通讯作者

巩恩普(1958-), 男, 博士, 教授, 从事沉积学、古生物学研究。E-mail:gongep@mail.neu.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2017-08-18
修订日期: 2017-09-14
辽西地区早白垩世义县组大康堡层沉积特征及沉积环境演化
王铁晖1 , 巩恩普1 , 陈晓红1 , 崔莹2 , 高飞1 , 黄文韬1     
1. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004;
2. 沈阳大学师范学院, 辽宁 沈阳 110004
摘要: 辽西义县盆地下白垩统义县组大康堡沉积层分布范围广,为“热河生物群”的重要产出层位。通过对王家沟西山典型剖面的沉积学研究,识别出11种岩相类型,包括基质支撑砾岩相、凝灰质中-粗粒砂岩相、平行层理中-细砂岩相等,并将该时期的湖泊沉积划分为滨浅湖和深-半深湖环境。分析大康堡层垂向序列特征及纹泥特征,将该时期的湖泊演化划分为4个阶段:早期浅水湖泊沉积,见大量浅水生物化石;中期深-半深湖沉积,处于相对封闭-半封闭的状态,盐度增加;晚期湖泊水体变浅,水文动力条件增强,盐度降低;末期深-半深湖环境,纹泥指示陆源碎屑供给极少,降水较少。湖泊的演化过程受古气候控制明显。
关键词: 大康堡沉积层    热河生物群    岩相    垂向序列    纹泥    
Sedimentary characteristics and environmental evolution of Da-kangpu layer of Early Cretaceous Yixian Formation in western Liaoning
WANG Tiehui1, GONG Enpu1, CHEN Xiaohong1, CUI Ying2, GAO Fei1, HUANG Wentao1     
1. Resources and Civil Engineering College, Northeast University, Shenyang 110004, Liaoning, China;
2. Normal College of Shenyang University, Shenyang 110004, Liaoning, China
Abstract: Widely distributed in Yixian Basin in western Liaoning, Dakangpu layer of the Yixian Formation belongs to Lower Creta-ceou and is an important horizon of "Jehol Biota". A typical section was measured in detail for sedimentology and 11 lithofacies types were recognized, such as matrix supported conglomerate facies, tuffaceous medium-coarse grained sandstone facies and medium-fine grained sandstone facies with parallel bedding. Dakangpu layer comprises mainly lacustrine sediments including shore shallow lake fa-cies and deep and semi-deep lake facies. Based on analyzing the changes of vertical sequence characteristics and varves characteristics of Dakangpu layer, the authors divided it into four depositional stages. At the initial stage, the lake was just formed with a large num-ber of shallow water fossils. After that it entered into the middle-range stage with deep and semi-deep water in the relatively closed and semi-closed state, during which the salinity increased. In the late depositional stage, the lake became shallow with higher hydrodynamic condition and low salinity. At the end of the deposition the lake had deep and semi-deep water, and the varves were devel-oped which indicated poor terrigenous clast and little precipitation. The evolution of the lake was controlled by paleoclimate obviously.
Key words: Dakangpu layer    Jehol Biota    lithofacies    vertical sequence    varve    

白垩纪又被称为“白垩纪世界”,期间发生了许多重大地质事件,如大规模火山活动、大洋缺氧事件、大洋红层富氧作用、生物群的辐射、超静磁带的出现、典型的温室气候等。当时陆地上最大的爬行动物恐龙的繁盛和灭绝备受瞩目。辽西地区早白垩世义县组产丰富的“热河生物群”化石,以恐龙和鸟类为代表[1-3],该时期的古环境一直是国内外学者关注的焦点。诸多学者从古生物学[4-6]、沉积学[7-10]等方面展开研究,探讨了“热河生物群”的生活环境。

湖泊作为陆相沉积的重要场所,沉积物中包含了丰富的古环境信息。在全面了解义县期湖泊环境特征的基础上,选择“热河生物群”的重要产出层位大康堡层为研究对象,开展了细致的沉积学工作,识别岩相类型、划分沉积相及沉积环境、建立沉积层的垂向序列。以此为基础,进一步探讨了义县组中期古湖泊环境、古气候的演化及其控制因素。通过对纹泥的观测,为高分辨率古环境、古气候的研究奠定基础。

1 地质背景

辽西地区位于华北地台东北部、燕山造山带内,其北部为蒙古古生代弧。中生代辽西地区发生“构造活化”,形成了一系列的火山沉积盆地,如义县盆地、金-羊盆地等。

受强烈的火山活动影响,义县盆地内发育一套以陆相火山喷发为主,夹多层沉积岩的火山-沉积岩系。盆地内巨厚的义县组火山岩,经历了由基性-中酸性渐进的演化过程,可以划分为4个火山旋回[11]。火山活动间歇在盆地内出现破火山、构造凹陷、洼地等[12],形成一系列的火山湖泊[10],沉积了6个规模不等的夹层[7, 13],分别为老公沟层、业南沟层、砖城子层、大康堡层、朱家沟层、金刚山层。义县组火山沉积结束后,盆地进入持续扩张阶段,沉积了九佛堂组、沙海组、阜新组等。

大康堡层主要分布在王家沟西山、河夹心、王油匠沟、四方台等地(图 1)。通过对各个位置沉积层的观测,王家沟西山大康堡层沉积以细粒湖泊沉积为主,主要为纹层状泥岩、中细粒砂岩等,其中纹层构造非常发育,且保存良好;河夹心、破台子、王油匠沟、四方台等地的沉积多以中厚层状膨润土、凝灰岩、硅化凝灰岩为主。据此以王家沟西山剖面为基础,研究大康堡层沉积期湖泊的演化。

图 1 辽西地区义县盆地和金-羊盆地义县组分布及地质简图(据参考文献[12]修改) Fig.1 The distribution and geological sketch map of Yixian Formation in Yixian and Jin-Yang basins, western Liaoning 1—太古宙变质岩;2—长城系变质岩;3—土城子组;4—义县组一段;5—义县组二段;6—义县组三段;7—义县组四段;8—九佛堂组;9—沙海组;10—第四系;11—断裂;12—火山构造洼地;13—地质界线;14—平行/角度不整合
2 岩相及沉积相分析

本文对王家沟大康堡层剖面进行了详细的测量描述,沉积层以灰色-灰黑色纹层状泥岩、纸片状页岩、泥灰岩、中粗粒砂岩及砾岩为主;沉积构造有水平层理、韵律层理、交错层理、平行层理、块状构造、冲刷构造;产出有昆虫、植物、潜龙类、手盗龙类、叶肢介等化石。

2.1 岩相特征

根据Miall的岩相分类方法,主要通过岩性和沉积构造对岩相进行划分[14-16]。本文将研究区的岩石划分为11种岩相类型:杂基支撑砾岩相(Gm)、平行层理凝灰质中-粗粒砂岩相(Sp1)、平行-交错层理中-细粒砂岩相(Sp2)、水平层理中-细砂岩相(Sh)、纸片状页岩相(Fl1)、纹层状泥岩相(Fl2)、纹层状泥灰岩相(Fl3)、中厚层状膨润土化泥岩相(Fm)、含砂屑泥灰岩相(M1)、厚层状泥灰岩相(M2)、含生物碎屑泥灰岩相(M3)(表 1)。

表 1 义县盆地义县组大康堡层岩相划分 Table 1 Lithofacies classification of the Dakangbao layer of Yixian Formation in Yixian basin
图版Ⅰ   PlateⅠ   a、b、c.杂基支撑砾岩相(Gm-Sp1);d.灰黑色泥岩(Fm)夹中-细粒砂岩(Sh)和(Fl2);e.中-细粒砂岩相(Sp2)夹灰黑色泥岩(Fm);f.纸片状页岩(Fl1);g.纹层状泥岩产生强烈变形(Fl2);h.纹层状泥岩(Fl3)
图版Ⅱ   PlateⅡ   a.膨润土化泥岩(Fm);b.泥灰岩(M1)与灰黑色泥岩(Fm)互层;c.含砂屑泥灰岩(M1);d.厚层状泥灰岩(M2);e.砂纹层理泥灰岩(M2);f.泥灰岩(M2)中见缝隙、液化砂岩;g.含石蚕巢化石(M3);h.含生物遗迹泥灰岩(M3)

通过详细的沉积学研究发现,大康堡层湖相纹泥极发育,约占沉积层的60%。纹泥于1912年被DeGeer提出[17],为高分辨率湖泊环境和气候变化提供了可靠的时间标尺[18-20]。随着研究的深入,纹泥的类型和组构特征也用于指示不同的气候环境[21-23],纹泥厚度的变化更用于指示古温度的变化[24-27]。大康堡层中纹泥分别为碎屑纹泥(Fl2)、内生纹泥(Fl3)和碎屑纹泥(Fl1)。

(1)纹层状泥岩相(Fl2

纹泥由暗层灰黑色泥岩和亮层浅黄绿色膨润土(膨润土质粉砂岩)组成,泥质结构,纹层状构造,纹泥层偶(由一个亮层和一个暗层组成)厚度多为0.2~0.3mm,局部略厚至1mm(图版Ⅰ-g)。灰黑色泥岩暗层发生了弱膨润土化,通过X射线分析,暗层的主要矿物成分为蒙脱石,含量约60%,其次是伊利石和高岭石;亮层的主要矿物成分也为蒙脱石,超过80%,且含石英、长石颗粒。这是一类碎屑纹泥,亮层形成于降水丰富的季节,为富火山碎屑被地表径流水体带入分层湖泊[28],较粗碎屑率先沉积并发生脱玻水解而成[29];进入湖泊的粘土矿物则滞留较长的时间,在静水湖泊中发生沉积形成暗层。这类纹泥出现于大康堡层下部,下伏灰绿色玄武玢岩。

(2)纹层状泥灰岩相(Fl3

纹层状泥灰岩纹泥由亮层灰白色泥灰岩和暗层灰黑色泥岩组成(图版Ⅰ-h),其中亮层泥灰岩含量超过50%,因此命名为纹层状泥灰岩。纹层状构造,纹泥厚度为0.10~0.20mm,局部见0.30mm。单偏光镜下,纹泥的亮和暗条带明显。通过X射线分析,暗层的主要矿物为蒙脱石,其次是伊利石和高岭石。正交偏光镜下,亮层主要为微晶方解石,颗粒极细小,为2~8μm。同时在亮色条带内见石英碎屑,粒径多在10~50μm之间(属于细粉砂级别),偶见长石和云母碎屑。这是一类内生纹泥,并伴有碎屑纹泥的特征[30-31]。亮层微晶方解石的形成与湖泊水体物理化学条件的改变有关,反映了湖水盐度相对较高,存在干旱-半干旱的气候条件[32-34];暗层粘土矿物的沉积与降水有关,反映年降水量的变化。这类纹泥集中出现在大康堡层的中部,与下部分界线是含砂屑中厚层状泥灰岩。

(3)纸片状页岩相(Fl1

灰色-灰黑色泥岩与粉砂岩组成,具有极薄的页理,风化后呈灰白色、纸片状,又称“纸片状页岩”(图版Ⅰ-f),纹泥厚度为0.01~0.10mm。主要矿物成分为蒙脱石,其次是伊利石,少量石英、长石颗粒及钙质成分。这是一类碎屑纹泥,指示年降水量较少,湖泊进入沉积物供给极度匮乏时期。这类纹泥出现在大康堡层的顶部,上覆灰色-灰绿色玄武玢岩。

2.2 沉积相及沉积环境

根据岩相类型、岩相组合特征(图 2),大康堡层湖泊沉积包括滨浅湖亚相和深-半深湖亚相。

图 2 王家沟义县组大康堡层沉积层柱状图 Fig.2 Sedimentary column of the Dakangbao bed of the Yixian Formation in Wangjiagou

(1)滨浅湖相

滨、浅湖相位于湖盆边缘,水位较浅,沉积物受湖浪和湖流作用较强烈。沉积物以浅灰色、灰色泥岩和粉砂岩为主,夹有少量薄层状或透镜体状灰岩。多以水平层理、波状层理为主,水动力较强时具小型交错层理,生物化石丰富,保存完整。

大康堡层滨-浅湖相沉积主要出现在沉积层下部及中上部,包括M1-Fm、M2、M3和Sp2-Fm四种岩相组合。M1-Fm为薄-中厚层状泥灰岩沉积,含砂屑,指示较强的水动力条件,并见砂纹层理,为滨浅湖环境。M2为块状构造、砂纹层理,较多的生物碎屑或生物遗迹,少量的泥灰岩砾石、砂屑,指示水动力较强的滨-浅湖环境,水体特征为淡水-微咸水、硬水浅水湖泊环境[35-37]。M3为白色中厚层状泥灰岩,见大量的石蚕巢化石(以颗粒形式出现),局部较多,约30%,偶见泥灰岩小砾石。Sp2-Fm以灰色中细粒砂岩为主,夹薄层灰黑色膨润土化泥岩,具平行层理,略显低角度交错层理,为滨-浅湖沉积环境。

大康堡层中出现多层含砂屑泥灰岩相(M1-M3),指示湖泊水动力条件较强,为沉积期较浅的滨-浅湖环境,说明沉积期湖泊水位的震荡,经历了多次变浅。

(2)深-半深湖相

深-半深湖相位于浪基面以下的水体较深部位,存在缺氧环境。岩性以深灰色、灰黑色、灰褐色泥页岩为特征,见薄层状泥灰岩,水平层理、块状层理、韵律层理发育,沉积厚度较大。化石较丰富,以浮游生物为主,保存较好,底栖生物不发育。

大康堡层以泥岩沉积为主,所占比例较大(超过70%),包括Fm、Fl1、Fl2、Fl3、Fl2-Sh、Fl3-Sh、GmSp1-Fm和Gm-Sp1八种岩相组合。Fm为灰色-灰黑色泥岩,中-厚层状,水平层理,块状构造,为典型的深湖相泥岩沉积。Fl1、Fl2、Fl3三种纹泥在沉积层中最发育,其形成和保存环境指示湖泊具有低表面积/深度比和季节性缺氧条件,通常保存在较深的水体环境中[38]。沉积层下部纹层状泥岩(Fl2)内,纹泥亮-暗层界面上见大量的三尾泥蜉蝣、叶肢介化石(浅水化石),据叶肢介的生态习性[39-42]和辽西地区化石的埋藏学研究[43],指示该时期湖泊水体较浅,存在季节性缺氧现象。而Fl2仍以水平层理和韵律层理为主,未见湖浪扰动痕迹及生物扰动构造,指示形成于浪基面以下,为深-半深湖沉积。Sh为薄层状,横向上厚度变化不大,延伸较远,多出现在灰色-灰黑色泥岩间(Fl2、Fl3),为洪水在湖泊远端(深湖区)沉积,指示湖区较开阔平坦。Gm-Sp1-Fm以砾岩沉积为主,成分混杂,凝灰质、膨润土质胶结,砾石多为泥灰岩,少量玄武岩、安山岩砾石,向上变细,底部具有明显的冲刷构造,横向变化较快,局部由Gm-Sp1组成,为与洪水作用有关的泥石流沉积[9, 44-45]。泥石流多为近源快速沉积,出现在湖泊边缘相带,而义县期火山活动背景下,形成的火山湖泊[10]通常较小,泥石流沉积可以延伸至深湖区。

大康堡层深-半深湖沉积物中纹层状泥岩发育,反应了周期性气候的循环。纹泥组成和厚度变化指示湖泊水体环境及古气候的变化。

3 沉积环境演化

分析王家沟西山大康堡层垂向序列的变化,结合沉积层中出现的湖相纹泥特征的变化,将大康堡层沉积期划分为4个阶段(图 2)。

(1)大康堡层沉积初期,以深-半深湖沉积为主,包括灰色-灰黑色纹层状泥岩和薄-中厚层状膨润土化泥岩,同时见多层薄层状凝灰质中细粒砂岩(洪水沉积)。沉积层中出现的灰色-灰黑色泥岩为碎屑纹泥,其厚度较上部出现的纹泥大,层偶厚度为0.20~0.30mm,厚度变化不大,膨润土层厚度多集中在0.15~0.20mm之间,粘土层厚度多为0.05~0.10mm。指示了沉积初期义县地区年降水量变化不大,气候较温暖湿润。

厚层状泥灰岩相(M2)的出现,可作为沉积初期与中期的界线,沉积物钙质成分明显增加,陈登辉等[46]对大康堡层湖相碳酸盐岩的碳氧同位素分析表明,湖泊处于相对封闭-半封闭的环境,盐度增加,为咸水-半咸水湖泊环境。泥灰岩相中见大量的砂屑沉积及砂纹层理,指示水动力条件增强,说明此时期湖泊收缩经历短暂的变浅。

(2)大康堡层沉积中期,为深-半深湖沉积,较沉积初期钙质成分明显增加,以纹层状泥岩(Fl3)沉积为主,还伴有Gm、Sp1、Sh、Fm、M1、M3六种岩相发育。湖泊处于持续的封闭-半封闭环境,为稳定的咸水-半咸水湖泊。内生纹泥(Fl3)的形成和保存指示季节性气候的循环,湖泊水体分层。纹层状泥岩中发育泥石流沉积,其中砾石成分以泥灰岩砾石为主。其中出现的含砂屑泥灰岩相(M1)和厚层状泥灰岩相(M3)指示了湖泊较动荡,经历多次的变浅。

分析内生纹泥厚度特征,层偶厚度变化多在0.10~0.20mm之间,较沉积初期出现的纹泥厚度减小。浅色层(泥灰岩)在0.01~0.31mm之间,暗色层(泥岩)在0.01~0.16mm之间。可具体划分为2种:①纹泥层偶厚度与亮层泥灰岩厚度相关,同时亮层厚度较大,指示温度的变化控制着纹泥厚度变化;②纹泥层偶厚度与暗层泥岩厚度相关,指示降水的变化控制着纹泥厚度变化。整个沉积过程中泥灰岩层厚度较薄,且厚度变化不大,指示相对稳定的古温度,偶尔增厚的泥灰岩薄层则体现了古温度的波动。

(3)大康堡层沉积晚期纹泥未发育,取而代之的是中-细粒砂岩(Sp2)、泥岩(Fm)和砾岩(Gm)沉积,见少量钙质沉积,指示水动力条件明显增加,大量的陆源碎屑进入湖区,也代表了降水量的增加,气候更加湿润。

(4)大康堡层沉积末期,以纸片状页岩(Fl1)沉积为主,为碎屑纹泥,厚度较小,为0.05~0.10mm,单层厚度更小。这是一个特殊的沉积时期,纹泥的形成和保存指示深-半深湖环境,单层厚度薄指示沉积期降水量明显减少,物源供给匮乏,相应的钙质成分却未增加,仅见2cm厚的泥灰岩夹层。上覆灰色-灰绿色玄武玢岩,指示大规模火山活动,结束了湖泊沉积。

综合前人对大康堡层古气候的研究,此时期平均气温在10±4℃左右[47],较低。整个大康堡层沉积期湖相纹泥(Fl1、Fl2、Fl3)发育,指示季节性气候的循环及湖泊水体分层或季节性分层。其中,内生纹泥Fl3的形成指示可能存在一个相对干旱的时期。沉积期纹泥层偶厚度变化(Fl2 > Fl3 > Fl1),指示大康堡层沉积期降水量逐渐减少。

4 湖泊演化的控制因素

辽西地区义县盆地以太古宙、古元古代变质岩为基底,中生代进入地质构造活化期,逆冲推覆作用控制着盆地的形成,义县组形成时期伸展断陷作用使辽西地区处于快速沉降环境,形成义县盆地的雏形。盆地内充填了义县组火山-沉积岩系,通过分析标准剖面和辅助剖面各沉积层岩石组合特征及垂向序列特征,对沉积期湖泊的形成和演化有一定的认识:沉积初期老公沟层、业南沟层,受构造运动影响湖泊初成,以近源粗碎屑沉积为主,为辫状河-扇三角洲-滨浅湖沉积体系;进入义县组沉积中期,湖盆逐渐扩张,盆地内出现大面积湖泊,沉积了砖城子层,以湖泊边缘相沉积为主,为扇三角洲-湖泊(滨浅湖)沉积体系,大康堡层以细碎屑湖盆中心相沉积为主,为湖泊(滨浅湖-深湖)沉积体系;晚期朱家沟层为河流沉积体系,金刚山层以湖泊边缘相沉积为主,为扇三角洲-湖泊(滨浅湖)沉积体系。在义县盆地内湖泊的形成与演化过程中,火山活动起到了重要的作用:首先为湖泊的形成提供场所(火山构造洼地、破火山口等),其次带来大量碎屑沉积(火山碎屑流),最后导致湖泊的消亡。

大康堡层沉积期以细碎屑深-半深湖沉积为主,构造趋于稳定,盆地逐渐扩张,湖泊范围较大(与其他时期相比)。前人对沉积层中的碳酸盐岩进行碳、氧同位素分析表明,湖泊处于相对封闭-半封闭状态。而封闭湖泊沉积物是古气候变化的重要敏感标志,沉积物特征的变化记录了古气候的变化。沉积层中的纹泥季节性气候明显,其厚度变化反映了温度与降水的变化;泥石流沉积和稳定型重力流沉积,记录了沉积期内特大洪水的发生。沉积层中纹泥厚度变化趋势、稳定型重力流沉积在层垂向序列上的分布特征(向上减少),均指示沉积期降水量逐渐减少。大康堡层沉积期,沉积物特征变化是古气候变化的良好记录。

5 结论

(1)大康堡层中出现11种岩相类型:杂基支撑砾岩相(Gm)、平行层理凝灰质中-粗粒砂岩相(Sp1)、平行-交错层理中-细粒砂岩相(Sp2)、水平层理中-细砂岩相(Sh)、纸片状页岩相(Fl1)、纹层状泥岩相(Fl2)、纹层状泥灰岩相(Fl3)、中厚层状膨润土化泥岩相(Fm)、含砂屑泥灰岩相(M1)、厚层状泥灰岩相(M2)、含生物碎屑泥灰岩相(M3)。湖泊沉积划分为滨浅湖亚相、深-半深湖亚相,湖相纹泥(Fl1、Fl2、Fl3)发育。

(2)据大康堡层垂向序列及纹泥特征的变化,将大康堡层沉积期划分为4个阶段:早期为深-半深湖环境,但水体深度不大;湖泊经历短暂的变浅,进入中期相对封闭-半封闭状态的深-半深湖环境,盐度增加,为咸水-半咸水湖泊;晚期水文动力条件增强,为浅水湖泊环境;末期湖泊较特殊,仍为深-半深湖环境,但陆源碎屑供给极少,降水较少。大规模的火山活动结束了大康堡层的沉积,湖泊消亡。

(3)通过对大康堡层中纹泥的研究发现,由下至上纹泥层偶厚度逐渐降低(Fl2 > Fl3 > Fl1),指示沉积期降水逐渐减少。内生纹泥Fl3的形成,指示大康堡层沉积中期可能存在一个相对干旱的气候环境。

(4)构造运动和古气候变化共同控制湖泊的形成和演化:火山活动为湖泊的形成提供场所(火山构造洼地、破火山口等),带来大量碎屑沉积(火山碎屑流),导致湖泊的消亡;大康堡层沉积特征的变化,体现了沉积期古气候的控制作用。

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