









摘 要 巖相古地理恢復是碳酸鹽巖油氣勘探的重要環節。為了明確巖相古地理環境與天然氣分布之間的關系,以鄂爾多斯盆地西北部奧陶系馬家溝組馬五4亞段為例,通過巖心觀察、薄片鑒定、多礦物測井解釋以及“單因素分析多因素綜合作圖法”等多種方法,對研究區馬五4亞段巖相分布、巖相古地理特征進行研究,并結合天然氣層厚度及巖相古地理與天然氣產能數據,探討了巖相古地理特征與天然氣分布關系。結果表明:研究區馬五4亞段巖石類型主要包括泥質白云巖、膏質白云巖、白云質石灰巖和白云巖,共發育蒸發臺地和局限臺地兩種沉積環境,蒸發臺地相包括白云巖坪和含膏白云巖坪亞相,局限臺地相主要包括含膏潟湖亞相。白云巖坪和含膏白云巖坪分別主要分布于研究區西北部和中部,而含膏潟湖主要展布于中東部及東南部。蒸發臺地相中的含膏白云巖坪亞相是研究區馬五4亞段天然氣儲集的最有利相帶。
關鍵詞 古地理恢復;天然氣分布;碳酸鹽巖地層;馬家溝組;鄂爾多斯盆地
第一作者簡介 吳珍珍,女,1995年出生,碩士研究生,沉積學與儲層地質學,E-mail: 1365879780@qq.com
通信作者 郭艷琴,女,教授,沉積學與儲層地質學,E-mail: guoyanqin@xsyu.edu.cn
中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A
0 引言
現今碳酸鹽巖大多經歷了復雜成巖改造,所以一些現今巖石與原巖類型之間可能具有明顯差異。但是,原始沉積環境及原巖特征在根本上仍影響著現今巖相特征及展布規律。因此,巖相古地理環境也成為影響碳酸鹽巖儲層分布的重要因素之一[1?2]。已有研究表明,碳酸鹽巖巖相古地理恢復是尋找碳酸鹽巖儲層分布有利區以及有效評價儲層類別的重要環節[3?4]。
馬家溝組是鄂爾多斯盆地下古生界天然氣勘探開發的關鍵層系,其中馬五段是其主力產氣層之一。隨著靖邊大氣田天然氣勘探開發力度加大,其勘探范圍逐漸向鄰區擴展。其中,靖邊氣田西北部地區也成為近年來重點關注的地區之一。該地區除馬五5亞段為主力產氣層段外,馬五4亞段作為其天然氣接替層位,也逐漸引起人們關注。包洪平等[2]指出,以組、段為基本單元的巖相古地理編圖對于指導宏觀油氣勘探方向具有重要意義,但是在預測段內更小地層單元中油氣分布效果相對較差,甚至會出現與實際地質情況相矛盾的結果,同時也指出細分小層巖相古地理編圖的重要性。目前,關于靖邊西北部馬五4亞段主要為低海平面、海退時期發育的蒸發臺地相這一認識尚且統一,但眾多學者對其內部發育的亞相環境仍存在爭議。例如,謝錦龍等[1]認為該地區馬五4亞段自西向東依次發育含硬石膏結核白云巖坪和含膏白云巖坪。于洲等[5]認為主要發育3種亞相環境,自西向東分別為泥質白云巖坪、含膏白云巖坪以及膏質白云巖坪。胡光明等[6]則提出硬石膏結核白云巖潮坪和塊狀硬石膏白云巖洼地的認識。
曹紅霞等[4]分析指出,該地區馬五4亞段主要發育泥質白云巖坪和含膏白云巖坪兩種亞相環境,且泥質白云巖坪環繞含膏白云巖坪分布。上述關于沉積亞相環境的爭議在一定程度上限制了天然氣勘探方向部署。由此可見,重新認識鄂爾多斯盆地靖邊西北部地區馬五4亞段巖相古地理環境,對于該地區天然氣勘探具有重要意義。
本文通過巖心觀察、薄片鑒定和X衍射數據分析,在明確靖邊西北部馬五4亞段主要巖石類型及礦物成分的基礎上,利用多礦物測井解釋模型對區內未取心井段巖性進行詳細解釋,然后在保證巖性測井解釋結果可靠的前提下,采用馮增昭[7]提出的單因素分析多因素綜合作圖法繪制了研究區的巖相分布圖,并結合不同類型巖石的沉積結構及構造恢復了其原巖類型、重建了研究區的巖相古地理環境。在此基礎上,結合測井解釋的氣層厚度分布特征以及實際天然氣產量數據深入分析巖相古地理環境與天然氣層分布之間的關系,以期為明確天然氣分布規律及優選下一步天然氣勘探有利區提供參考。
1 區域地質概況
鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣,南抵秦嶺海槽、北臨興蒙海槽、西接祁連海槽、西北側與賀蘭坳拉槽相連,整體表現為三面環海特征[8?10]。該盆地在早古生代進入克拉通盆地穩定發育時期,由于經歷多期次快速海進和緩慢海退,盆地內沉積物表現出以巨厚海相碳酸鹽巖建造為主的特征,地層厚度整體呈北薄南厚、東薄西厚特征[11?14]。中生代末期,燕山運動形成了現今鄂爾多斯盆地軸心東翼平緩、西翼陡峭的大型不對稱復式向斜的構造格局以及六個二級構造單元(伊盟隆起、渭北隆起、西緣逆沖帶、晉西撓褶帶、天環坳陷、陜北斜坡)雛形,并受新生代末期喜山運動影響,盆地構造格局最終定型[15],研究區位于盆地伊陜斜坡內靖邊地區的西北部(圖1a)。
奧陶系馬家溝組是一套以石灰巖和白云巖為主夾蒸發巖和泥質巖的海相碳酸鹽臺地建造[16],并自下而上可劃分為馬一—馬六段6個巖性段,馬五段經歷了多期的海進—海退,自上而下劃分為馬五1—馬五10亞段(圖1b)。其中馬五4亞段在盆地中東部巖性以膏巖、鹽巖、膏質白云巖和白云質膏巖為主,而在盆地西南部主要發育石灰巖、白云巖、白云質石灰巖、石灰質白云巖、泥質白云巖、泥質石灰巖和泥巖。
2 巖性特征及巖相分布
2.1 主要巖石類型及分布
巖心觀察、鏡下薄片鑒定結果顯示,研究區馬五4亞段發育多種巖石類型,包括泥質白云巖、白云質石灰巖、白云巖和膏質白云巖。其中,泥質白云巖通常具有砂礫屑結構并表現出巖溶角礫化特征,反映其為表生期巖溶坍塌角礫化結果。此外,由于巖溶作用伴隨陸源碎屑灌入[17],不同砂、礫屑之間常見充填的泥質組分(圖2a)。白云質石灰巖一般發育殘余交代結構,方解石呈細晶等軸粒狀,普遍具霧心亮邊結構(圖2b)且顆粒之間緊密接觸,顯示一定的白云石化交代作用及重結晶作用。白云巖一般具有泥晶結構,礦物組分多為泥晶或粉晶白云石,巖石中常見大量石膏假晶,還可見溶蝕孔隙或溶蝕微裂縫(圖2c)。膏質白云巖多表現為泥晶結構,巖心中可見由硬石膏結核充填溶蝕孔隙形成的鳥眼構造,一般呈順層分布(圖2d)。
縱向上,根據四級海平面升降旋回變化特征,將馬五4亞段自下而上劃分為三個巖性段。其中,馬五4下段形成于四級相對海平面下降過程,發育大量分散泥質組分,巖性主要為礫屑泥晶白云巖,地層厚度平均約13.9 m;中段形成于四級相對海平面上升過程,同樣以礫屑泥晶云巖為主,含較多泥巖及粉砂等大量陸源碎屑,平均地層厚度約11.76 m;上段同樣形成于四級相對海平面上升過程,且該段自下而上泥質組分逐漸減少,下部巖性主要為砂屑泥晶白云巖,平均地層厚度約6.95 m,上部主要為膏、鹽模孔隙發育的泥晶或粉晶白云巖,平均地層厚度約5.18 m。
2.2 巖性測井解釋及巖相分布
由于碳酸鹽巖地層礦物組分復雜,利用單一測井曲線擬合解釋方法無法滿足碳酸鹽礦物測井解釋需要[18]。因此,本文采用多礦物測井解釋模型對研究區55口井馬五4亞段地層礦物含量進行解釋。
2.2.1 多礦物解釋模型原理
多礦物模型的本質是通過礦物組分分析,把一個具有復雜巖性的地層看作是由骨架礦物、黏土組分以及孔隙流體等均勻的幾部分組成,而地層測井值可以看成是各種礦物和流體的綜合效應。從而,可以根據對已有測井曲線信息充分分析來識別復雜碳酸鹽巖地層中各類礦物組分類型及其相對含量[19]。
以中子測井為例,其響應方程可表示為:
CNL1V1+CNL2V2+…+CNLiVi+…CNL?V?=CNLb (1)
V1+V2+…+Vi+…V?=1 (2)
式中:Vi=地層中第i種礦物體積含量;CNLi=第i種礦物中子測井值;V?=孔隙流體體積;CNL?=孔隙流體中子測井值;CNLb=實際測量的地層中子值。
由于目前中子測井曲線縱向分辨率為0.30 m[20],因此,針對研究區馬五4亞段地層中薄層碳酸鹽巖巖性變化也可以有效識別。同理,聲波時差(AC)、光電吸收截面指數(Pe)、密度(DEN)、自然伽馬(GR)等測井曲線也可表示為與中子(CNL)測井曲線相類似的響應方程。
2.2.2 礦物含量解釋模型構建
綜合巖心觀察、顯微鏡下薄片分析以及研究區近50塊碳酸鹽巖樣品的X衍射分析結果,研究區馬五4亞段地層礦物類型主要為白云石、方解石及伊利石(主要的泥質組分),部分樣品含有硬石膏,而硅質含量相對較少。縱向上,自馬五4亞段下部至上部,硅質和泥質含量呈現先減少、再略微增加的趨勢,中部局部層段硬石膏含量增加,中、下部方解石含量相對增高、白云石含量相對減少,上部白云石含量相對升高(圖3)。因此,研究區馬五4亞段地層礦物含量解釋模型構建過程中,首先均考慮上述幾種礦物類型,其次,為了避免由于巖溶改造導致巖相古地理恢復結果的誤差,多礦物測井解釋時均主要選取泥質含量相對較少或者基本不含泥質組分、巖溶角礫及表生巖溶孔隙基本不發育的純碳酸鹽巖層段。并且通過對現有測井資料的詳細分析與對比,認為不同礦物組分的CNL、AC、GR、DEN和Pe測井值具有明顯差異(表1),反映測井曲線對多礦物識別效果較好。因此,在本次礦物解釋模型構建時,充分考慮了上述5條測井曲線信息。
2.2.3 取心井礦物含量測井解釋結果驗證
利用上述多礦物測井解釋模型對靖邊西北部地區關鍵取心井礦物含量進行解釋,并對其巖性進行綜合分析。例如,在Y914井馬五4亞段3 376~3 381m處,實測白云石含量(體積分數)平均約92.3%,測井解釋白云石體積分數平均約89.5%;實測方解石體積分數平均約4.2%,測井解釋結果約5.6%,實測伊利石及其他礦物總體積分數小于4%,測井解釋結果小于5%。總體來看,測井解釋礦物類型及含量準確率較高(約86.96%),表明本次研究所采用的多礦物模型測井解釋結果可信度較高,綜合分析該段巖性為白云巖(圖4)。
2.2.4 未取心井礦物含量單井解釋
在保證關鍵取心井礦物含量和巖性測井解釋結果相對準確的前提下,利用上述模型對研究區未取心井馬五4亞段礦物含量和巖性進行測井解釋。以S147井為例,多礦物模型測井解釋結果顯示,該井馬五4 亞段上部3 452~3 466 m 礦物組分主要為白云石,其次為方解石并含少量泥質組分,基本不含硬石膏,巖性主要為石灰質白云巖、含灰白云巖以及含泥含灰白云巖;中、下部3 466~3 490 m硬石膏含量相對增加,巖性主要為膏質白云巖、含膏白云巖,以及少量含灰白云巖;底部3 490~3 500 m灰質組分含量明顯增加,巖性以白云巖、灰質白云巖以及云質石灰巖為主,膏巖基本不發育(圖5)。
2.2.5 馬五4亞段巖相分布
在巖石學特征分析基礎上,利用多礦物模型對研究區55口井的馬五4亞段碳酸鹽巖進行各礦物含量測井解釋,根據此解釋結果并參照馮增昭[7]提出的單因素分析多因素綜合作圖法繪制了區內馬五4亞段巖相平面分布圖,具體繪制過程為:首先繪制馬五4亞段的地層厚度、白云石、方解石、陸源泥質組分、硬石膏和石鹽含量等6個單因素的平面分布圖;其次對各單因素圖進行綜合分析,并參考其他環境標志和區域地質背景資料綜合判斷巖相分布特征[7]。
多因素綜合作圖的步驟及原理舉例如下:若一個區域白云石含量大于50%,則將其巖性主名定為白云巖;同時方解石、硬石膏、石鹽含量均小于10%,但泥質組分含量介于10%~25%,那么該區域可確定為含泥白云巖分布區。同理,白云巖發育區內白云石含量介于50%~100%,同時其他礦物含量均小于10%;膏質白云巖發育區內白云石含量大于50%,同時硬石膏含量介于10%~29%,其他礦物含量均小于10%;白云質石灰巖發育區內方解石含量均大于50%,同時白云石含量介于25%~50%,而其他礦物含量均小于10%。
巖相平面分布圖顯示,研究區東部S147井區主要分布膏質白云巖,表明該地區蒸發作用較強;圍繞膏質白云巖在S167井—S188井—S20井區分布面積相對較大的白云巖,反映其外圍蒸發作用相對減弱,白云巖化作用較徹底;白云巖外圍主要發育含灰白云巖,表明該地區白云化作用相對不徹底;而在研究區西北部巖石類型以泥質白云巖為主,這可能是由于該區域更靠近剝蝕區,受陸源泥質影響相對較大。整體來看,馬五4亞段平面上的優勢巖相自西部靠近剝蝕區到東部依次為泥質白云巖相、白云質石灰巖相、白云巖相和膏質白云巖相(圖6)。
3 原巖恢復及古地理重建
多數碳酸鹽巖在經歷成巖改造之后,其成分和結構也會發生改變。因此,現今巖石類型特征并不能完全代表沉積時期巖石類型及特征。綜上,要明確碳酸鹽巖沉積時期的環境特征,首先要對巖石進行原巖恢復。而原巖恢復所考慮的因素主要為碳酸鹽巖經歷的成巖作用及保留的原始巖石結構等信息 。精細巖相學觀察及地球化學分析結果表明,研究區馬五4亞段碳酸鹽巖主要經歷了準同生白云巖化、同生或準同生成巖階段的早期淡水溶蝕作用、表生成巖階段的早期暴露去白云石化以及巖溶角礫化等成巖作用①。
3.1 原巖恢復主要依據
同生或準同生成巖階段的早期大氣淡水溶蝕作用:蒸發臺地含膏白云巖坪環境所沉積的含膏泥晶白云巖中一般發育大量板條狀硬石膏,這些硬石膏遇水易溶解。因此,在早期大氣淡水環境下硬石膏便發生選擇性溶蝕,從而形成特征的膏模孔隙,而巖石則演變為膏模孔發育的泥晶白云巖。
表生成巖階段的早期暴露去白云石化、去石膏化作用:低海平面時期或強制海退過程中,臺地邊緣的潮上帶環境所形成的蒸發巖會發生短時期暴露。在此過程中,地表淡水溶蝕及交代作用會使得這些蒸發巖首先發生去石膏化作用。同時,與膏巖互層分布的白云巖也會在富含Ca2+和SO24 -的流體介質中發生去白云石化作用形成Ca2+、Mg2+和CO23 -,充足的Ca2+與CO23 -相結合就會形成具結晶結構的白云質石灰巖。
表生期巖溶階段的角礫化作用:表生期的巖溶作用波及面廣、規模大,屬于非選擇性溶蝕。當巖層遭受淋濾、溶蝕的同時,還會伴隨其大面積坍塌和角礫化,加之巖溶流體會將地表泥質組分攜帶進入巖層,因此會形成角礫結構非常發育的泥晶白云巖或泥晶含灰白云巖,角礫之間通常充填陸源泥質碎屑物。
3.2 原巖恢復過程及結果
基于上述原巖恢復依據,結合巖相學分析結果,恢復了研究區馬五4亞段碳酸鹽巖的原巖類型。一般認為,白云巖和膏巖發生去白云石化或去石膏化后,其結果是形成白云質石灰巖而不是膏質白云巖,因此膏質白云巖應當保持了其原巖特征,即其原巖仍為膏質白云巖,反映一種局限臺地相內含膏潟湖亞相沉積環境[18];而研究區馬五4亞段白云巖以泥晶結構為主,鑄體薄片下可觀察到部分膏模溶孔(圖7a),表明其可能是由含膏白云巖經過早成巖階段早期大氣淡水溶解而成,在掃描電鏡下也可看到粉晶白云巖中發育溶蝕孔隙(圖7b)。此外,由于白云巖次生交代現象并不明顯,因此其原巖應為含膏白云巖,反映一種蒸發臺地相內含膏白云巖坪沉積環境;研究區白云質石灰巖常顯示次生交代結構,亦見板條狀硬石膏,反映白云質石灰巖是白云巖經過去白云石化或含膏白云巖經過去石膏化形成,即白云巖或含膏白云巖應當為白云質石灰巖的原巖;泥質白云巖的形成多數是由于靠近剝蝕區,表生期風化巖溶作用導致白云巖發生溶蝕坍塌及角礫化,并攜帶大量泥質灌入,加之其基質部分仍顯示泥晶結構,因此其原巖應為泥晶白云巖。
3.3 原巖恢復結果的地球化學驗證
從地球化學角度分析,氧(δ18O)、碳(δ13C)穩定同位素也可以揭示成巖環境溫度和成巖流體鹽度信息[21?25]。已有研究表明,δ18O值通常與成巖環境的溫度變化或流體性質有關。一般情況下,白云巖的δ18O會隨著溫度升高(熱液流體的δ18O一般小于-10‰)或淡水影響而降低且發生負偏[26],δ13C隨著蒸發環境中海水鹽度的增加而升高,相反則降低[16]。例如,現今波斯灣鹽坪準同生白云石δ18O一般介于3‰~4‰,方解石δ18O介于2‰~3‰[27],而奧陶紀海水的δ18O介于-6.60‰~-4.00‰,δ13C介于-2.00‰~-0.50‰[28]。研究區馬五4亞段碳酸鹽巖δ18O、δ13C測試結果顯示,泥晶白云巖的δ18O介于-8‰~-2‰,平均為-5‰(未達到-10‰),明顯低于現代鹽坪準同生白云巖的δ18O,且略低于奧陶紀海水的δ18O值,表明泥晶白云巖受到淡水影響[26],這與巖石學觀察的結果一致。盡管如此,蒸發潮坪環境形成的準同生白云巖與淡水白云石膠結物相比,δ18O仍普遍較高。而泥晶白云石δ13C介于-1‰~5‰,平均3‰,無論是與淡水方解石膠結物(δ13C 在-9.79‰~-2.59‰)還是海水方解石(δ13C 在-2.34‰~-0.32‰)相比均明顯偏高,印證了強蒸發環境導致流體鹽度升高的事實[29]。
此外,沉積或成巖體系中87Sr/86Sr可以有效反映其是否受到殼源鍶或幔源鍶影響。通常,殼源鍶87Sr/86Sr相對較高,一般為0.712 000(±0.001 000),而幔源鍶87Sr/86Sr 相對較低,多為0.703 000(±0.001 000)。由此可知,大量殼源鍶注入會使得87Sr/86Sr 明顯升高,相反,幔源鍶加入則會降低巖石的87Sr/86Sr[30]。研究區馬五4亞段泥質白云巖87Sr/86Sr介于0.709 970~0.711 800,明顯較奧陶紀海水87Sr/86Sr(0.708 500~0.708 800)升高,表明有大量殼源鍶注入[17],從而反映含泥白云巖形成受到陸源碎屑物質混入的影響。與巖石學證據反映的泥質白云巖形成環境結果一致。
4 巖相古地理特征與天然氣分布關系
4.1 巖相古地理分布特征
綜合分析原巖恢復的結果,研究區馬五4亞段共發育蒸發臺地和局限臺地兩種沉積相環境。其中蒸發臺地相中發育白云巖坪和含膏白云巖坪兩種亞相環境,白云巖坪主要分布于研究區西北部,代表性巖石類型為白云巖。而含膏白云巖坪分布于研究區中部,并自北向南呈帶狀展布,主要發育含膏白云巖。局限臺地相中主要發育含膏潟湖沉積亞相,展布于研究區中東部及東南部,巖石類型以膏質白云巖為主(圖8,9)。
4.2 巖相古地理與天然氣分布關系
測井解釋的氣層厚度顯示,研究區馬五4亞段氣層厚度主要介于2~6 m,最高可達8 m。氣層整體分布于研究區東部S147井區、東南部S36井區以及西部T6井區。天然氣產能數據與巖相古地理疊合圖顯示,高產量氣井主要分布于蒸發臺地相中的含膏白云巖坪亞相帶和局限臺地相的含膏潟湖亞相帶(圖9)。其中,位于含膏白云巖坪亞相帶中的S180井單井日產氣量可以達到357 586 m3/d(此產量數據僅來自于馬五4亞段,下同),靠近含膏潟湖亞相帶的S48井日產氣量為33 555 m3/d,而位于含膏潟湖亞相帶中的S25井日產氣量約9 800 m3/d。由于巖相古地理環境中含膏云坪亞相對應現今巖相圖中的白云巖坪亞相,即現今巖石類型主要為膏模孔隙相對發育的白云巖(包括泥晶白云巖和粉晶白云巖);而巖相古地理環境中含膏潟湖亞相對應現今巖相分布圖中膏質白云巖坪亞相,即在該環境下現今巖石類型主要為膏質白云巖。
一般認為,由于膏質白云巖巖性相對致密,很難成為有效儲集層,反而可以作為較好的蓋層為天然氣聚集提供有利條件。為了進一步明確研究區馬五4亞段天然氣分布與巖相古地理環境的具體關系,參考鄰近研究區靖邊地區馬家溝組五段儲集層與蓋層在縱向上的組合特征,發現在馬五3—馬五5亞段主要為儲集層發育段,而蓋層主要發育在馬五6亞段的白云質膏巖層和泥巖層、馬五8亞段和馬五10亞段的白云質膏巖層或膏巖層。由此說明,研究區不論是含膏白云巖坪亞相還是含膏潟湖亞相,可能都是作為儲層而并非蓋層才導致天然氣聚集。但是,由于這兩個亞相環境中對應現今的巖石類型物性具有差異,即白云巖物性相對膏質白云巖物性好,這可能也是兩者中天然氣單井產量具有較大差異的原因(盡管相比一般的井的天然氣單井產量都高,但這幾口的單井產量仍表現為數量級差別)。究其原因,認為可能是研究區馬五4亞段白云巖自身具有一定的儲集性能,并且巖石中也發育一定微裂縫,促進了淡水在此類巖石中的流動性,從而對巖石中硬石膏進行有效溶解形成膏模溶孔,進一步增強了巖石的儲集性能[1]。而研究區膏質白云巖相比泥晶或粉晶白云巖更加致密,毫無疑問,淡水對其溶蝕程度相對較弱,但是仍然可以對其中部分硬石膏進行溶解形成一定量的溶蝕孔隙,而這部分溶蝕孔隙可能就是促使研究區膏質白云巖仍具有一定儲集性能的原因。因此,結合天然氣層厚度分布與天然氣產能數據特征,認為含膏白云巖坪亞相是研究區馬五4亞段天然氣儲集最有利相帶。
5 結論
(1) 鄂爾多斯盆地靖邊西北部馬五4亞段巖相古地理環境包括蒸發臺地和局限臺地兩種,其中蒸發臺地相包括白云巖坪和含膏白云巖坪亞相,白云巖坪亞相現今發育的巖石類型包括泥質白云巖和白云質石灰巖,而含膏白云巖坪亞相現今發育的巖石類型主要為白云巖,局限臺地相主要發育含膏潟湖亞相,現今巖石類型主要為膏質白云巖。
(2) 蒸發臺地中白云巖坪亞相主要分布于研究區西北部,含膏白云巖坪亞相在中部比較發育,而局限臺地中含膏潟湖亞相主要展布于中東部及東南部。蒸發臺地中的含膏白云巖坪亞相帶是鄂爾多斯盆地靖邊西北部馬五4亞段天然氣儲集的最有利相帶。
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