三峽地區新元古代蓮沱組底部凝灰巖鋯石SHRIMP U-Pb年代學及其地質意義

景先慶, 楊振宇, 仝亞博, 王 恒，徐穎超

1.南京大學地球科學與工程學院，南京 210093 2.首都師范大學地球空間信息科學與技術國際化示范學院，北京 100048 3.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081 4.中國地震局地質研究所，北京 100029 5.中國地質大學地球科學學院，武漢 430074

0 引言

湖北宜昌三峽地區大地構造上位于華南地塊東北部，因其新元古代中—晚期地層發育齊全、研究歷史久遠[1]且研究程度較高，成為我國南方新元古代地層的標準命名地區[1]。這一地區發育有Marinoan冰期前的蓮沱組陸源碎屑巖和對應Marinoan冰期和雪球地球的南沱組冰磧巖，以及冰期之后的陡山沱組和燈影組碳酸鹽巖。其所記錄的一系列的地球系統的劇變[2-12]，使其成為國際上研究新元古代的熱點地區之一。特別是在20世紀90年代Rodinia超大陸研究不斷深入后，許多學者將華南新元古代盆地的演化與Rodinia超大陸的聚合及裂解聯系起來[13-14]。

但是，在我國南方新元古代地層對比中，一直以來都存在三峽地區“蓮沱組”是否等同于“板溪群”的爭論[15-19]。一些學者認為蓮沱組應為南華紀沉積地層，與板溪群為上下關系，因此將其與渫水河組[20-26]或長安組進行對比[27]，而林樹基等[28]和其他一些學者[23-24]則把蓮沱組與富祿組進行對比。另外一些學者，如劉鴻允等[15-17]，則始終認為蓮沱組等同于板溪群，應為南華紀大冰期前的沉積地層[29-30]。造成以上問題的原因：一方面是相對于湘黔桂地區而言，揚子陸塊內部及其北緣和西緣中新元古代(720～635 Ma)地層發育較為局限[14,31-33]，在蓮沱組上下缺失大量青白口系和南華冰期地層；另一方面，是對于南華系開始時間以及其與新元古代成冰系(Cryogenian)的對比問題都還沒有獲得統一的認識[30,33-40]。高林志等[38-39]通過對湘黔貴地區南華系連續的界線層型剖面的鋯石年代學研究，提出南華系應限定在780～635 Ma，可能包含3個冰期，分別為長安冰期、古城冰期和南沱冰期。而近幾年許多學者通過大量的年代學研究，更傾向于南華系的底界年齡應小于720 Ma[30,33-36,41-43]。而同樣以地球寒冷事件開始的新元古代成冰系底界年齡也從850 Ma[44]變為720 Ma[45-46]，因此，南華系的底界年齡是否應小于720 Ma[30,33-36,41-43]，值得在華南區域上開展更深入的研究。

前人對這一地區新元古代地層進行了大量的定年工作，取得了一些認識，但也出現了一些矛盾，特別是對蓮沱組的沉積年齡存在爭議：一部分學者認為蓮沱組沉積應該為780～714 Ma[41,47-48]；另一些學者則認為三峽地區蓮沱組沉積年齡可能小于730 Ma[49-51]。另外，蓮沱組年齡的不確定性直接影響到蓮沱組古地磁數據的可靠性及其與其他板塊古地磁數據的可對比性，進而影響華南這一時期古構造位置及全球的古板塊位置的恢復[52-53]。因此，需要更多的研究去確定三峽地區蓮沱組的沉積年齡。

筆者在對三峽地區蓮沱組進行詳細的古地磁研究過程中，于花雞坡剖面蓮沱組底部發現一層凝灰巖層，通過SHRIMP U-Pb鋯石定年，對蓮沱組的沉積下限年齡給出了限定，以期為確定蓮沱組與區域地層的對比關系以及華南新元古代盆地的演化過程提供時間約束。

1 研究區地質概況

華南揚子地塊可分為上揚子區和下揚子區。根據不同的構造單元及沉積盆地的不同古地理單元，新元古代時上揚子區又可以劃分為上揚子東南區、上揚子西緣區和上揚子北緣區3個地層分區[35-36]。上揚子東南區新元古代地層序列發育完整，研究基礎較好。

本次研究采樣區位于上揚子東南區北部的湖北宜昌地區(圖1)。研究區出露的新元古代巖石自下而上包括黃陵花崗巖、蓮沱組砂巖、南沱組冰磧巖、陡山沱組和燈影組灰巖等。黃陵花崗巖主體為斑狀黑云母斜長花崗巖，西南部的茅坪和三斗坪一帶為黑云母閃長花崗巖和黑云母角閃石英閃長巖，在黃陵廟附近為黑云母花崗閃長巖。前人[48]的年代學研究表明，黃陵花崗巖的侵位時間為850～810 Ma。蓮沱組一般不整合覆蓋于下伏崆嶺群變質巖/黃陵花崗巖之上，主要為厚層的紫紅色河流相砂巖和礫巖以及粉砂巖、頁巖，可分為兩大沉積旋回(圖2)，每個旋回底部為礫巖或粗粒石英砂巖，向上逐漸變為粉砂巖、泥質砂巖和頁巖，夾多層凝灰巖或凝灰質碎屑巖。在區域上，西南部地層厚度較大而向東北部變薄[53,55]。本區南沱組與蓮沱組呈平行不整合接觸或低角度不整合接觸，南沱組主要為暗綠色冰磧礫巖，也有部分為紅色冰磧巖[55]。與上揚子東南區其他地區新元古代沉積相比，本地區缺失長安組—富祿組—鐵絲坳組(古城組)—大塘坡組沉積[32-33,35]。

研究區自南沱組沉積后，基本無構造運動影響；直到晚志留世，由于加里東構造運動的影響，研究區抬升出露地表；隨后，研究區繼續接受海相沉積；到三疊紀晚期，受印支構造運動的影響，本區新元古界抬升出露地表開始剝蝕；燕山運動使得本區地層發生褶皺，形成近南北走向的黃陵背斜。

2 分析方法

本次研究的樣品采自湖北宜昌地區花雞坡剖面蓮沱組近底部的凝灰巖夾層，距下伏黃陵花崗巖大約6 m，樣品編號為LZ1(圖2)。

樣品經破碎、重液分選后在雙目顯微鏡下挑選出鋯石100余顆。 將代表性鋯石與標準鋯石TEM(417 Ma)一起制靶。樣品靶制成后，首先在光學顯微鏡下對被測樣品進行照相(包括透射光和反射光)；然后，在掃描電子顯微鏡下進行鋯石陰極發光(CL)成像研究，對照可見光透反射圖像進行標點選樣，排除裂隙發育和包裹體較多的鋯石顆粒；最后，將樣品靶表面鍍金，以增強其導電性。鋯石挑選在河北省區域地質調查研究所完成，可見光透反射圖像、陰極發光(CL)圖像及鋯石制靶在中國地質科學院北京離子探針中心完成。測年實驗在北京離子探針中心SHRIMP II儀器上完成。在分析過程中，一次離子流強度為4 nm，一次離子流束斑為20～30 μm。標準鋯石TEM與未知樣品比例為1∶3，以充分檢驗儀器的穩定性，實現對測定數據的有效同位素分餾校正。詳細的SHRIMP分析流程見文獻[56-57]。數據處理和年齡計算采用程序SQUID1.02和ISOPLOT3.0[58]；衰 變 常 數 使 用Steiger和Jager的推薦值；普通鉛校正使用直接測定204Pb方法[56]，其組成用Stacey-Kramers模式給出的相應時間的地殼平均Pb同位素組成[59]，詳細的分析流程見參考文獻[60]。

圖1 研究區區域地質簡圖 Fig.1 Schematic geological map of the sampling area

圖2 蓮沱組柱狀圖及凝灰巖樣品采樣位置Fig.2 Stratigraphic column of Liantuo Formation and the horizon of the tuff

3 樣品分析結果

宜昌地區花雞坡剖面蓮沱組底部凝灰巖樣品(LZ1) 中的鋯石顆粒磨圓度各有差異，大部分鋯石呈自形，另有少量鋯石磨圓度較好；鋯石顆粒大小為100～150 μm，長寬比為2∶1～4∶1。獲得的鋯石多為無色或灰黑色，無色鋯石顆粒以自形鋯石為主，而灰黑色鋯石顆粒的磨圓度較高。本研究共選取14顆典型鋯石顆粒進行了測試分析。測試點1-6、1-11的鋯石Th/U< 0.4，且鋯石顆粒陰極發光(CL)圖像顯示其內部無明顯環帶構造，表面粗糙灰暗，表明其可能為變質鋯石；測試點1-5的鋯石(表1，圖3)w(U)和w(Th)分別為1 444×10-6、1 212×10-6，且w(206Pbc) (8.45%)明顯高于其他鋯石顆粒，推測該鋯石可能受到了后期的蝕變。因此，本研究對上述3顆鋯石不做進一步的討論。從剩余11顆鋯石共獲得了13組數據，并且w(U)為(40～449)×10-6，w(Th)為(36～365)×10-6，Th/U值均大于0.4 (0.55～2.20)；此外鋯石CL照片顯示這些鋯石顆粒內部具有明顯的震蕩環帶，說明本研究中的大部分鋯石為巖漿鋯石。

樣品LZ1中鋯石的U-Pb測試分析結果列于表1。 鋯石 U-Pb 年齡可分為2組，較年輕一組共包括來自4顆鋯石的6個數據點(1-7.1,1-7.2,1-8,1-9,1-12,1-13)，年齡全部投在諧和曲線上。6個點的206Pb/238U 年齡加權平均值為(763±10) Ma (MSWD=0.58) (圖4a)。鋯石的陰極發光圖像(CL)顯示這些鋯石為自形鋯石，且顆粒內部具有典型的巖漿生長振蕩環帶和韻律結構，表明其未經歷長期搬運，應為原生的凝灰巖鋯石。因此，這一年齡可以用來限定蓮沱組底部的最大沉積年齡。另一組年齡由6顆鋯石的6組數據(1-1,1-2,1-3,1-4,1-10,1-14)組成，都投在諧和曲線上，其206Pb/238U 年齡加權平均值為(810±7) Ma (MSWD=0.77) (圖4b)。鋯石CL圖像顯示這些鋯石為半自形—他形，磨圓度較高，呈灰黑色，表明其經歷了顯著的的搬運和剝蝕。此外，本研究還獲得了1顆鋯石的206Pb/238U年齡(2 010±20) Ma (1-15)，結合其磨圓及增生邊的形態(圖3)，推測其應為來源于古老地層的碎屑鋯石。

鋯石的年齡、同位素數據及形態學特征表明，年輕一組鋯石應來自周邊火山噴發，而較老一組可能為蓮沱組下伏黃陵花崗巖剝蝕后再沉積的結果[48]。

圖3 宜昌地區花雞坡剖面蓮沱組底部凝灰巖樣品LZ1的鋯石顆粒陰極發光(CL)圖像Fig.3 CL images of zircons from LZ1 tuff sample from bottom of Liantuo Formation at Huajipo section, Yichang area

點號w(206Pbc)/%w(Th)/10-6w(U)/10-6Th/U同位素比值年齡/Ma207Pb*/206Pb*1σ207Pb*/235U1σ206Pb*/238U1σ206Pb/238U1σ207Pb/206Pb1σ1-10.282011991.040.06530.00161.1970.0310.1330.0018048784501-20.351101840.620.06260.00191.1650.0370.1350.0018168693641-30.7173790.950.06190.00361.1240.0670.1310.002797106721201-40.012894490.660.06670.00081.2430.0190.1350.0018167831241-58.45121214440.870.14230.00382.4440.0710.1240.00175772255471-61.591083840.290.16270.00167.8800.1100.3510.0031941162483171-7.10.9167900.760.05410.00440.9300.0780.1240.003758153751801-7.20.5857750.780.06970.00471.2270.0850.1270.002775119191401-81.1265780.870.05930.00651.0100.1110.1240.002753125792501-90.33931340.720.06460.00191.1230.0360.1260.0027669760611-100.53671240.550.06630.00231.2170.0460.1330.0028059817741-110.04561780.330.18410.000912.8900.1680.5070.006264725269091-121.5936400.920.05900.01060.9900.1780.1220.004743225673801-131.7164571.150.06110.00611.0500.1050.1250.004760216432101-140.261081180.940.06740.00221.2540.0430.1350.00281610849661-150.123651722.200.12160.00116.1350.0920.3660.004201020198017

注：Pbc和Pb*分別為普通鉛和放射性鉛。

a、b分別為較年輕一組和較老一組。圖4 宜昌地區花雞坡剖面蓮沱組底部凝灰巖樣品LZ1鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams for zircons from LZ1 tuff sample of Liantuo Formation at Huajipo section, Yichang area

4 討論

4.1 三峽地區蓮沱組沉積年齡的厘定

馬國干等[54]首次對湖北宜昌蓮沱王豐崗剖面蓮沱組一段上部的一層凝灰巖進行了SHRIMP U-Pb鋯石定年(圖2)，其23顆鋯石均落在諧和曲線上及內側，不諧和曲線與諧和曲線下交點得到1個年齡為(748±12) Ma。長期以來由于缺乏對蓮沱組更細致的年代學研究，馬國干等[54]的結果一直被視作蓮沱組的可靠年齡數據。但被多數人忽略掉的是，其采樣層位之下仍有近40 m的蓮沱組，并且下伏花崗巖體的冷卻年齡為800 Ma左右，因此，蓮沱組底部的年齡可能為800～760 Ma。而其頂部的年齡也可能小于740 Ma。

Liu等[47]在古城剖面，從蓮沱組的頂部和中部的凝灰巖樣品中，利用LA-ICP-MS 鋯石U-Pb定年方法，分別得到了(704±6)和(733±7) Ma兩個較年輕的年齡。另外，該作者從蓮沱村蓮沱組底部的碎屑鋯石中得到的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡為(770±6) Ma(圖2)。

高維等[48]在田家園子剖面距南沱組冰磧巖底界大約60 cm的蓮沱組頂部層凝灰巖，利用其鋯石 SHRIMP U-Pb定年得到(724±12) Ma (n=2，MSWD=1.7) (圖2)。該年齡在誤差范圍內與Liu 等[47]和Lan等[41]所得的蓮沱組頂部年齡一致。另外，Hofmann等[61]在本次采樣的花雞坡剖面，利用鋯石U-Pb LA-ICP-MS從砂巖碎屑鋯石中得到1個諧和年齡(727±4) Ma(n=8，MSWD=1.06)，其最年輕的1顆鋯石年齡為(710±18) Ma。

最近，Lan等[41]對三峽地區王豐崗、田家園子和石板溪—高家老屋剖面蓮沱組進行了詳細的SIMS U-Pb鋯石定年研究(圖2)。其獲得的6個層位凝灰巖/凝灰質砂巖層的年齡，把三峽地區蓮沱組的沉積年齡限制在780～714 Ma。另外，其結果還表明蓮沱組頂部20 m地層沉積年齡應小于734 Ma(圖2)。

本次對花雞坡剖面底部凝灰巖層的鋯石 SHRIMP U-Pb定年結果，與前人在王豐崗、石板溪—高家屋剖面蓮沱組底部獲得的年齡基本接近[41,47]，表明其底部年齡應在780 Ma左右(圖2)。

本文研究表明，三峽地區蓮沱組沉積年齡為780～714 Ma，其中蓮沱組一段沉積年齡應為780～750 Ma，而二段年齡應為750～714 Ma(圖2)。

4.2 區域地層對比

華南新元古代地層對比中存在兩個問題，即渫水河組和蓮沱組的劃分對比問題[36]。渫水河組為一套陸棚相交錯層理石英砂巖、長石砂巖和礫巖夾有少量的薄層凝灰質砂巖-粉砂巖，厚約230 m，偶見冰川特征發育[31,42,62-63]。其直接下伏于古城組冰磧巖，因此，許多學者將其與蓮沱組進行對比[20-26]。然而最新的SIMS U-Pb鋯石年代學表明，渫水河頂部年齡應為(691 ± 8) Ma[42]。結合馮連君等[64]對渫水河組化學蝕變指數的研究以及其較大的沉積速率，其應與兩界河組、富祿組層位相當，屬南華系。

對于蓮沱組的劃分對比問題，早期劉鴻允等[15-17]的工作認為蓮沱組應等同于板溪群，是“南華紀大冰期”前的沉積地層，也得到后期工作的推崇[29-30]，也有學者認為蓮沱組應與富祿組進行對比[23-24,28]。近年來，仍有多數學者將蓮沱組與板溪群進行對比[14,33,35,41,65-69]，但對其具體層位仍有不同的見解。

本文研究表明，三峽地區蓮沱組沉積年齡為780～714 Ma，而最近Lan等[43]通過SIMS U-Pb鋯石年代學研究將長安冰期的開始年齡定在～716 Ma[43]之后，則排除了蓮沱組相當于富祿組和長安組的假設。因此在區域地層對比上，蓮沱組可與發育在湘黔桂次級盆地(主要包括湘北、湘西、湘中、黔東、桂北，以及渝東、鄂西等地區)的板溪群、下江群、丹洲群以及康滇次級盆地的澄江組、開建橋組等相關地層進行比較(圖5)。

湘北地區的板溪群老山崖組，為濱岸相沉積，底部為紫紅、灰白色厚層塊狀淺變質石英礫巖、砂礫巖，往上則為紫紅、灰綠色中至厚層狀淺變質中—細粒石英砂巖、長石石英砂巖、粉砂巖、砂質板巖及板巖，含有火山凝灰巖，厚約180 m[42]；下伏于渫水河組，由于渫水河組與富祿組相當，并且渫水河組與老山崖組之間存在一定的間斷。因此從巖性和沉積環境，以及沉積時間上來看，老山崖組應與蓮沱組沉積時間相當(圖5)。

桂北的丹洲群由白竹組、合桐組、三門街組和拱洞組組成，主要為一套淺海—半深海相的淺變質的砂泥質巖夾少量碳酸鹽巖和細碧角斑巖沉積，總厚度為970～4 800 m[35,70]。Wang等[14,71]認為蓮沱組應相當于拱洞組，而王正江等[33]則認為其可與合桐組二段及三門街組和拱洞組對比。最近的年代學研究表明，合桐組下部SHRIMP U-Pb鋯石年齡約為801 Ma[27]，拱洞組頂部SIMS U-Pb鋯石年齡約為716 Ma[43]，結合其他的一些SIMS U-Pb鋯石年代學研究[72]，可以確定合桐組二段—拱洞組沉積年齡應為800～716 Ma。由于合桐組二段主要為火山巖沉積，沉積時間可能較短，因此，蓮沱組應與三門街組及拱洞組層位相當，位于合桐組之上(圖5)。

黔東南的下江群位于湘北板溪群和桂北丹洲群兩者間的大陸斜坡相區，自下而上包括甲路組、烏葉組、番召組、清水江組、平略組和隆里組6個組，它們之間互為整合接觸[73]。通過對烏葉及同古等地下江群地層系統的LA-LCP-MS 鋯石U-Pb年代學研究，并結合前人對下江群的年代學研究成果[34,74-78]，覃永軍等[74]將烏葉組第2段至隆里組的沉積時間限制在780～717 Ma，基本與蓮沱組沉積同時(圖5)。

據文獻[33]修編。圖5 揚子地塊新元古代沉積序列對比圖 Fig.5 Sedimentary sequence correlation of Neoproterozoic strata in Yangtze block

澄江組分布于上揚子西部康滇拗陷次級盆地南段，在云南澄江、玉溪、東川、金陽、巧家至四川會理等地廣泛發育，厚度一般為200～1 800 m[79]，總體為一套紫紅色的河流-近濱相碎屑沉積，其粒度大致從西向東有逐漸變小的趨勢[69]。由3個由粗到細的沉積旋回組成，每個旋回的底部均為礫巖，向上逐漸變為細粒長石巖屑砂巖，局部發育厚度不等的火山巖和火山碎屑巖，下與昆陽群變質地層角度不整合接觸，頂與南沱組或陡山沱組不整合接觸[66-69]。近年來的SHRIMP鋯石U-Pb年代學研究[66-69]表明，云南地區澄江組地層沉積年齡應為800～725 Ma。另外，陸俊澤等[68]通過對滇東北巧家地區的澄江組中部凝灰巖夾層SHRIMP鋯石U-Pb定年研究，表明澄江組中部年齡應為(785±12) Ma，與蓮沱組底部年齡相當。因此，蓮沱組應相當于澄江組中上部(圖)。

在康滇拗陷次級盆地北部川西地區發育有與澄江組同期的蘇雄組或開建橋組。開建橋組為一套紫紅色、灰綠色河流沖積扇相酸性火山碎屑巖及凝灰質砂礫巖，常夾厚度、層數不等的酸性火山熔巖[65]，上覆于蘇雄組雙峰式火山巖層之上。SHRIMP U-Pb鋯石年代學研究表明蘇雄組年齡為(803±12) Ma[80]，開建橋組底部凝灰巖年齡為(801±7) Ma[65]，結合前人對川西地區蘇雄組/開建橋組年代學研究，卓皆文等[65]認為開建橋組沉積年齡應為800～725 Ma，與澄江組為同期異相沉積。通過上文分析，我們認為蓮沱組應相當于開建橋組中上部地層(圖5)。另外，近年來卓皆文等[66]通過對滇中河流相沉積為主夾濱岸相砂巖、凝灰巖的陸良組的SHRIMP U-Pb鋯石年代學研究表明，陸良組下段的底界年齡為820 Ma，與湘桂次級盆地板溪群下部底界年齡相當，說明康滇沉積盆地的開啟時間與南華盆地的開啟時間一致，兩者具有相似的充填序列。

Wang等[14,71]和卓皆文等[65-66]將華南新元古代拗陷盆地的發育分為4個階段。其中820～800 Ma為拗陷發育的初始階段，這一階段各次級盆地，如湘桂、滇中地區，底部主要發育礫巖和角礫巖，表明其形成應受盆地邊緣斷層的控制，主要為大陸的河湖相磨拉石組合和火山碎屑巖相組合，從底到頂經歷了濱岸—淺海—饑餓灰質頁巖相的演化過程(圖6)；而800～720 Ma為拗陷發育的主要階段(圖7)。

據文獻[14]修改, 同時參考文獻[65-66]對康滇拗陷的研究。圖6 820～800 Ma華南沉積-火山巖相古地理圖及剖面圖 Fig.6 820-800 Ma sedimentary-volcanic lithofacies and palaeogeographic map of South China and a schematic cross-section

據文獻[14]修改, 同時參考文獻[65-66]對康滇拗陷的研究。圖7 800～720 Ma華南沉積-火山巖相古地理圖及剖面圖 Fig.7 800-720 Ma sedimentary-volcanic lithofacies and palaeogeographic map of South China and a schematic cross-section

通過區域地層對比我們發現，相對于康滇和湘黔桂次級盆地沉積地層，三峽地區缺失華南新元古代盆地發育的早期(820～790 Ma)地層記錄(圖6, 7)，并且沒有記錄長安—古城冰期(715～660 Ma)沉積或已剝蝕。蓮沱組的沉積時間相當于康滇拗陷和南華拗陷發育的第二階段(800～720 Ma)[14,81-82]。這一階段，不論是湘北的板溪群、黔東南的下江群、桂北的丹洲群還是康滇的澄江組和開建橋組等，其中都含有大量的火山凝灰質或火山巖夾層，部分層位還夾有基性火山巖[65,83-84]。這些火山巖的發育不僅在時間上有明顯的階段性，在空間上也分布廣泛[65,83-84]，并具有明顯的雙峰式特點[83-84]，廣泛發育的火山碎屑巖地層和沖洪積相地層可能表明，華南在經歷了早期的(大約820 Ma)初始張裂之后，在800 Ma左右達到了拗陷的高峰期，而780和750 Ma可能是拗陷作用高峰的延續，為拗陷發育的主要階段。

5 結論

1)對花雞坡剖面蓮沱組底部凝灰巖層的SHRIMP U-Pb鋯石年代學進行了研究，獲得兩組年齡(810±7) Ma、(763±10) Ma，其中(763±10) Ma與前人在王豐崗、高家屋剖面蓮沱組底部獲得的年齡基本接近。結合前人三峽地區蓮沱組的年代學數據，我們認為三峽地區蓮沱組沉積年齡為780～714 Ma。

2)區域上，通過沉積相以及年代學的對比表明，蓮沱組可與發育于康滇拗陷次級盆地的澄江組/蘇雄組-開建橋組及湘北的板溪群、黔東南的下江群及桂北的丹洲群進行對比，但其缺失拗陷盆地發育早期—中早期(820～790 Ma)的沉積地層，只相當于高澗群、下江群、丹洲群的中上部地層。

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