鄂爾多斯盆地蘇里格南部地區(qū)盒8段沉積相特征及其意義

2015-01-07 19:27武春英韓會平康銳尹弘

地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報 2014年4期

武春英+韓會平+康銳+尹弘

多斯盆地蘇里格南部地區(qū)上古生界中二疊統(tǒng)石盒子組盒8沉積期的沉積類型、沉積微相特征及沉積相對天然氣成藏富集的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鄂爾多斯盆地蘇里格南部地區(qū)盒8沉積期自北向南依次發(fā)育緩坡淺水辮狀河三角洲和濱淺湖沉積相，亞相主要為三角洲平原、三角洲前緣、濱湖和淺湖，微相包括分流河道、分流間洼地、水下分流河道、水下天然堤、分流間灣、濱湖砂壩、濱湖泥灣和淺湖泥灣；各微相在空間上相互疊置，復(fù)合加積；各微相水動力條件的差異造成微相在沉積物成分和組構(gòu)上各異，導(dǎo)致其成巖作用不同；分流河道和水下分流河道微相發(fā)育處密集形成相互疊置的大面積骨架砂體，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主砂帶，成為天然氣優(yōu)質(zhì)儲集層，是有利勘探相帶；沉積相明顯控制優(yōu)質(zhì)儲集層的分布，進(jìn)而影響著天然氣的富集成藏?？傊?，水下分流河道和分流河道微相是砂巖優(yōu)質(zhì)儲集層分布和發(fā)育的最有利相帶，也是今后勘探開發(fā)的方向。

關(guān)鍵詞：沉積相；辮狀河三角洲；濱淺湖；分流河道；石盒子組；上古生界；鄂爾多斯盆地

中圖分類號：P531；TE122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

沉積相研究是沉積巖石學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，是確定沉積巖古沉積環(huán)境，判定沉積巖沉積體系類型及其能源礦產(chǎn)賦存規(guī)律的重要依據(jù)，也是重塑巖石沉積與古地理環(huán)境演化過程中相互耦合關(guān)系的主要方法。傳統(tǒng)的沉積相研究主要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，有效利用沉積巖的組分、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、古生物以及地球化學(xué)特征等相標(biāo)志，推斷（或反演）沉積巖古沉積環(huán)境，進(jìn)而建立其沉積相模式。近年來，沉積相研究已向多技術(shù)、多方法的定量化與精細(xì)化研究領(lǐng)域發(fā)展，如相標(biāo)志量化法、相標(biāo)志內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)分析法、模糊綜合評判法、水槽試驗法、計算機(jī)模擬法等[18]。這些方法及其研究成果在沉積相研究方面取得了顯著成效，并已成功應(yīng)用于油氣成藏分析及古環(huán)境反演。

針對鄂爾多斯盆地蘇里格南部地區(qū)二疊系石盒子組盒8段沉積期的沉積環(huán)境，目前研究存在不同的觀點：楊西燕等認(rèn)為該層段屬于濱淺湖灘壩沉積[9]；付鎖堂等認(rèn)為該層段是湖泊三角洲沉積[10]；郭英海等認(rèn)為該層段屬于河流或三角洲沉積[1112]；楊俊杰等認(rèn)為該層段為大型緩坡型三角洲沉積體系[1314]；徐蒙等認(rèn)為該層段為淺水辮狀河三角洲沉積[15]。但近年來的勘探實踐證實以上觀點并不符合該區(qū)的實際情況。由于沉積相類型認(rèn)識不清，沉積相帶展布規(guī)律不明，因而在一定程度上也制約了該地區(qū)的油氣勘探進(jìn)展。筆者深入剖析了該區(qū)沉積相類型及其特征，分析沉積相時空展布規(guī)律，研究沉積相對天然氣富集成藏的影響，以期進(jìn)一步認(rèn)識該區(qū)天然氣地質(zhì)，并對下一步天然氣勘探進(jìn)行指導(dǎo)。

1區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是華北板塊西端的次級構(gòu)造單元，其形成演化既與太平洋板塊和古亞洲洋盆俯沖隆升有關(guān)，也與特提斯洋殼和古亞洲洋盆碰撞有關(guān)，同時還受到秦祁海槽及其派生的賀蘭坳拉槽的擴(kuò)張與消減影響。鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了太古代基底巖形成、中晚元古代大陸裂谷發(fā)育、早古生代槽臺對立發(fā)展、晚古生代至三疊紀(jì)的克拉通坳陷形成、早侏羅世至早白堊世內(nèi)陸盆地發(fā)展、新生代周邊斷陷盆地發(fā)育等6個構(gòu)造沉積演化階段[16]，具有6個一級構(gòu)造單元。蘇里格南部地區(qū)位于天環(huán)坳陷和伊陜斜坡兩個一級構(gòu)造單元之上（圖1）；加里東運(yùn)動晚期，盆地隨華北地臺整體抬升，遭受長達(dá)1.3～1.5 Ma風(fēng)化剝蝕；直至海西旋回中期，秦祁海槽再度拉張，包括研究區(qū)在內(nèi)的整個盆地在區(qū)域沉降背景下接受沉積，形成海陸過渡沉積相；海西旋回晚期，秦祁海槽再次挾擠，海水被迫從東、西兩側(cè)退出，晚石炭世太原期海相沉積結(jié)束[17]。從早二疊紀(jì)山西期至石千峰期，蘇里格南部地區(qū)進(jìn)入河流三角洲湖泊為主的陸相沉積階段[18]。

2沉積體系

前人針對蘇里格南部地區(qū)二疊系石盒子組盒8段沉積相進(jìn)行的大量研究成果對本次層段沉積相研究具有重要的指導(dǎo)意義[1935]。依據(jù)本區(qū)鉆井的巖石學(xué)特征、巖芯觀察、沉積構(gòu)造、測井曲線及其古生物等資料，按Walker等的沉積體系分類，在本區(qū)石盒子組盒8段識別出2種沉積相[3637]、4種沉積亞相、5種沉積微相。2種沉積相分別為緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相和濱淺湖沉積相。緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相發(fā)育三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相；三角洲平原亞相發(fā)育分流河道和分流間洼地微相；三角洲前緣亞相發(fā)育水下分流河道、水下天然堤和分流間灣微相。濱淺湖沉積相發(fā)育濱湖和淺湖亞相，濱湖亞相進(jìn)而發(fā)育濱湖砂壩和濱湖泥灣微相，淺湖亞相發(fā)育淺湖泥灣微相，微相總體不太發(fā)育（表1）。

2.1緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相

2.1.1三角洲平原

研究區(qū)三角洲平原是辮狀河進(jìn)積到陸表海濱海平原淺水中的水上部分，即沉積層序中的頂積層。在鉆井垂向序列中可識別出分流河道、分流間洼地圖1鄂爾多斯盆地蘇里格南部地區(qū)研究區(qū)位置及沉積相分布

前緣濱湖淺湖分流河道以淺灰色中粗粒巖屑石英砂巖為主，底部多見含粒粗砂巖，磨圓度較好，分選好板狀交錯層理、平行層理、槽狀交錯層理砂巖底面具有明顯的底沖刷構(gòu)造，沖刷面上礫石順層分布，偶見植物碎片化石具有向上變細(xì)的正粒序；跳躍與懸浮組成兩段式，且以跳躍總體為主鐘形或帶齒狀鐘形或箱形，高幅值分流間洼地黑灰色、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖沙紋層理或水平層理植物莖干化石以懸浮總體為主微齒狀，低幅值水下分流

河道灰白色、淺灰色含礫粗粒砂巖，綠灰色中粒砂巖，次棱—次圓狀，分選中等—好槽狀交錯層理、塊狀層理、斜層理沖刷構(gòu)造、槽狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造和平行構(gòu)造，偶見植物碎片化石跳躍與懸浮組成兩段式，且以跳躍總體為主齒狀箱型或鐘形，高幅值水下天然堤細(xì)、粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖沙紋層理植物莖干化石以懸浮總體為主低平鋸齒形，低幅值分流間灣灰綠色—黑灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖波狀層理或水平層理可見浪成波痕，植物碎屑豐富單一懸浮組分低平鋸齒形，低幅值濱湖砂壩黃綠色細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖低角度板狀斜層理和爬升波紋層理植物碎片和樹干化石跳躍組分和懸浮組分低平鋸齒形，低幅值濱湖泥灣褐紅色泥巖沙紋層理或水平層理蟲孔發(fā)育以懸浮總體為主低平鋸齒形，低幅值淺湖泥灣灰綠色泥巖或泥質(zhì)粉砂巖沙紋層理或水平層理少見生物潛穴和擾動構(gòu)造以懸浮總體為主低平鋸齒形，低幅值等微相[圖2（a）]，其中廣泛發(fā)育的分流河道是其沉積主體，其他微相不甚發(fā)育，或因后期河道沖刷而保存不全，甚至缺失。

粒巖屑石英砂巖組成，其次為綠灰色粗—中細(xì)砂巖；分流河道底部多見含礫粗砂巖。砂巖碎屑組分中，石英體積分?jǐn)?shù)為77.25%，巖屑為21%；以變質(zhì)巖屑和火成巖巖屑為主，長石極少，僅在陜226井和桃6井盒8段發(fā)現(xiàn)占0.1%～0.45%的長石。礫石成分主要為石英巖及燧石，少量為泥巖礫石；礫石礫徑主要為2～5 mm，最大可達(dá)40 mm，礫石的磨圓度較好。砂巖膠結(jié)物以高嶺石、綠泥石和伊利石為主，硅質(zhì)（次生加大和自生石英）次之，少量為鐵方解石膠結(jié)；砂巖分選好，顆粒呈次圓狀，成分和結(jié)構(gòu)成熟度皆較低；板狀交錯層理、平行層理及槽狀交錯層理發(fā)育；底面具有明顯的底沖刷構(gòu)造，其上見礫石順層分布，偶見植物碎片化石。

分流河道顯示向上變細(xì)的正粒序沉積序列。粒度概率累積曲線呈兩段式，以跳躍總體為主，體積分?jǐn)?shù)75%～89%，跳躍總體的斜度多在55°～60°之間，細(xì)截點為1.76～2.4 Φ；懸浮組的斜度在3°～9°之間[圖3（a）]，滾動總體一般不發(fā)育。以上粒度特征顯示了牽引沉積特征，反映了河流相或水動力較強(qiáng)的三角洲相分流河道沉積環(huán)境。在自然伽馬曲線上，響應(yīng)為鐘形或帶齒狀鐘形（或箱形），自然伽馬曲線具有中高幅值（曲線頂、底變化截然不同），反映了水流強(qiáng)度由高流態(tài)向低流態(tài)轉(zhuǎn)變條件下的沉積，同時說明了水流能量和物源供給減少，河流侵蝕作用不斷減弱的環(huán)境水動力條件。

分流間洼地是分流河道之間發(fā)育的安靜或停滯環(huán)境，是由分流河道水流入低洼處形成的局限環(huán)境沉積。分流間洼地主要受到分流河道頻繁改道和分流河道對下伏沉積物強(qiáng)烈沖刷的共同影響，因此，研究區(qū)分流間洼地微相整體不發(fā)育或保存不完整，規(guī)模也相對較小。此微相沉積物由深灰色、黑灰色泥巖與粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖互層組成，厚度小，沙紋層理或水平層理發(fā)育，偶見植物莖干碎片化石。自然伽馬曲線呈現(xiàn)低幅值、微齒狀[圖2（a）]。

2.1.2三角洲前緣

三角洲前緣沉積是研究區(qū)盒8段最主要的沉積類型，以河道徑流廣泛發(fā)育為特征，受平緩沉積基底、強(qiáng)水動力條件和弱湖水改造作用的控制。三角洲前緣水下分流河道砂體分布發(fā)育，向前延伸較遠(yuǎn)，構(gòu)成三角洲前緣的骨架砂體。

水下分流河道是三角洲平原分流河道向湖內(nèi)水下的繼承延伸部分，其兩者沉積具有一定的相似性。水下分流河道主要發(fā)育灰白色、淺灰色含礫粗粒砂巖和綠灰色中粗粒砂巖。砂巖碎屑顆粒主要為石英（體積分?jǐn)?shù)為81%），次為巖屑（18.5%），長石極少；長石主要分布在研究區(qū)東部邊緣，在中部和西部未見，可能與物源有關(guān)。巖石類型多為石英砂巖、巖屑石英砂巖及部分巖屑砂巖。砂巖分選中等—好，呈次棱—次圓狀，主要為接觸式膠結(jié)，膠結(jié)物主要為高嶺石、伊利石，灰綠色巖石多為綠泥石膠結(jié)，鐵方解石和菱鐵礦膠結(jié)可見。砂巖縱向上具有向上變細(xì)的正旋回特點（含礫砂巖→粗砂巖→中細(xì)砂巖→細(xì)砂巖→泥質(zhì)粉砂巖→泥巖），其底部沉積構(gòu)造較三角洲平原分流河道砂巖的沉積構(gòu)造更發(fā)育，主要有沖刷構(gòu)造、槽狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造和平行構(gòu)造，層理面較清楚，主要由泥質(zhì)條帶顯現(xiàn)，部分由粒度變化顯現(xiàn)。

水下分流河道頻繁改道，空間上顯示河床擺動，河道多次疊加加積，造成縱向上泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)向上增高，砂質(zhì)顆粒變細(xì)的單旋回砂層，出現(xiàn)多次疊加的復(fù)合正韻律砂體，也反映了水動力環(huán)境條件由強(qiáng)變?nèi)醯闹芷谛宰兓８怕世鄯e曲線呈兩段式，以跳躍總體為主，體積分?jǐn)?shù)為64%～78%，跳躍總體的斜度多在65°～70°之間，細(xì)截點的變化區(qū)間為0.5～125 Φ之間，反映了牽引沉積特征。懸浮組的斜度在0°～15°之間[圖3（b）]，滾動總體一般不發(fā)育。電測曲線（自然伽馬曲線）在砂巖段表現(xiàn)為中、高幅值，呈鐘形或齒狀箱型[圖2（b）]，在疊合砂體上響應(yīng)為多次箱形曲線的疊加，且曲線由下至上幅度逐漸降低，反映正韻律的特點。

水下天然堤的沉積厚度為0.50～1.50 m，其巖性多由細(xì)、粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成；測井解釋中多與水下分流河道組合在一起，不易于識別，在巖芯序列中比較易于觀察。以懸浮質(zhì)為主的碎屑在沉積過程中受到湖水的影響，沉積粒度變細(xì)，分選性明顯變好，垂向?qū)有蚧境收Ｐ虺练e，一般在其頂部沉積層必然有大面積的薄—厚層泥巖分布。自然伽馬曲線的形態(tài)物性特征表現(xiàn)為沉積相旋回頂部“低平鋸齒形”，曲線反映比較平緩。

分流間灣發(fā)育于水下分流河道側(cè)翼低洼處的沉積，多以灰綠色—黑灰色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖為主，含少量泥質(zhì)粉砂巖，發(fā)育波狀層理或水平層理，可見浪成波痕，植物碎屑豐富。粒度概率曲線顯示其為單一的懸浮組分。自然伽馬曲線表現(xiàn)為低平微齒狀，呈低幅值。

2.2濱淺湖沉積相

楊昌貴等對鄂爾多斯盆地二疊世湖相沉積進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為邊緣湖（濱淺湖）廣泛發(fā)育盆地湖緣地區(qū)，是古陸表海處于海岸平緩區(qū)的淺水部分，與緩坡淺水毯式辮狀河三角洲常共生而難以區(qū)分[3839]。研究表明，研究區(qū)濱淺湖是由三角洲前緣演變而來。在盒8沉積期，蘇里格南部地區(qū)當(dāng)時為干旱、半干旱氣候，發(fā)育平坦的淺水湖泊古地形，受到三角洲前緣水下分流河道中的陣發(fā)性洪水注入影響[40]；在開闊平坦的湖岸環(huán)境中，在洪水期高水位面附近的低能帶沉積了泥和粉砂等細(xì)粒碎屑物質(zhì)，在低水位（枯水位）面附近的高能帶附近形成濱淺湖砂壩等砂質(zhì)碎屑沉積。由洪水注入方向向遠(yuǎn)處，沉積物質(zhì)逐漸變細(xì)，常見砂巖泥巖互層，粉砂巖中見細(xì)紋層理，泥巖中見水平層理，偶見潛穴生物遺跡化石。

2.2.1濱湖

濱湖亞相是處于洪水線與正常波基面之間的環(huán)境沉積，受湖進(jìn)和湖退的影響較大[41]，包括濱湖砂壩和濱湖泥灣兩個微相。

濱湖砂壩微相是濱湖環(huán)境中以砂巖為主的沉積，是砂巖受湖浪作用而形成的，主要為黃綠色細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，砂巖分選較好，發(fā)育低角度板狀斜層理和爬升波紋層理。砂巖粒度概率曲線表現(xiàn)為兩段式的跳躍組分和懸浮組分特征，發(fā)育植物碎片和樹干化石。自然伽馬曲線為低平鋸齒形，呈低幅值。

濱湖泥灣微相主要為褐紅色泥巖，泥巖發(fā)育沙文層理和平行層理，常見蟲孔構(gòu)造。

2.2.2淺湖

淺湖亞相主要是在風(fēng)暴潮等影響下形成的一種處于正常波基面與最大波基面之間的環(huán)境沉積，發(fā)育淺湖泥灣微相。

淺湖泥灣微相主要發(fā)育紫紅、灰綠色泥巖，少見生物潛穴生物遺跡化石和擾動構(gòu)造。

蘇里格南部地區(qū)發(fā)育大面積緩坡淺水辮狀河三角洲沉積體系和局部濱淺湖沉積體系。從研究區(qū)30多口探井的巖電特征（圖4）和沉積相平面展布圖（圖1）可以看出，緩坡淺水辮狀河三角洲在平面上表現(xiàn)為由分流間洼地（分流間灣）和分流河道（水下分流河道）等微相相互組成的多個網(wǎng)毯狀大面積沉積體（厚12～45 m，寬12～32 km），延伸距離達(dá)160 km以上。濱淺湖呈不規(guī)則狀分布在研究區(qū)南緣：側(cè)向上，多個分流河道（水下分流河道）在寬緩的斜坡區(qū)頻繁地遷移，河道反復(fù)被廢棄與復(fù)活，致使后來的分流河道相互疊置，側(cè)向加積，砂壩與河道之間相互切割交替，橫向連片，從而使得緩坡淺水辮狀河三角洲反旋回結(jié)構(gòu)較不明顯；垂向上，緩坡淺水辮狀河三角洲各沉積微相沉積共生，且各微相對相互底接觸面有沖刷現(xiàn)象，表現(xiàn)出緩坡淺水辮狀河三角洲分流河道（水下分流河道）的沉積特征。在盒8沉積期，蘇里格南部地區(qū)具有“穩(wěn)定的構(gòu)造、較淺的水體、平緩的古地貌、豐富的物源”等沉積條件，因此，三角洲整體向前推進(jìn)距離長，三角洲前緣相帶寬廣而平原相帶相對較窄，顯示出“大前緣、小平原”的特點。緩坡淺水辮狀河三角洲分流河道（水下分流河道）微相十分發(fā)育，頻繁分叉，橫向遷移，各支流之間距離較短。

從沉積相平面圖（圖4）可以看出，研究區(qū)盒8沉積期的沉積相分布范圍南、北不同。三角洲平原亞相展布面積較少，而三角洲前緣相對較大。以定邊—靖邊以北到衡山以南一線為三角洲相帶的分界線，界線以北為三角洲平原亞相，以南為三角洲前緣亞相，再往南為濱淺湖沉積相，其發(fā)育于研究區(qū)南部邊緣，即環(huán)縣—華池地區(qū)。

4沉積相對天然氣富集成藏的影響

沉積相對天然氣富集成藏、大面積分布起著至關(guān)重要的作用。有利的沉積相是天然氣運(yùn)移聚集的最有利載體。蘇里格南部地區(qū)盒8段沉積相展布特征表明，三角洲前緣的水下分流河道沉積是在三角洲平原的分流河道沉積基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者形成大面積展布的骨架砂體，且?guī)r性主體為中—粗粒砂巖，使其成為區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)儲集層，為蘇里格南部地區(qū)形成大型巖性氣藏提供了可能[41]。

研究表明：三角洲前緣的水下分流河道主河道部位水動力作用強(qiáng)，沉積物顆粒粗，分選好，石英體積分?jǐn)?shù)高，雜基體積分?jǐn)?shù)低，溶蝕孔、晶間孔、粒間孔發(fā)育，易形成高滲儲集層；而河道邊部及間灣部位水動力減弱，沉積物顆粒變細(xì)，填隙物、軟巖屑體積分?jǐn)?shù)增加，壓實作用強(qiáng)，相對致密，儲集層物性相對較差。因此，優(yōu)質(zhì)儲集層沿主河道方向分布，進(jìn)一步控制了天然氣藏的空間分布?？碧綄嵺`表明，蘇里格南部地區(qū)氣藏主要沿著主河道的位置分布。

不同沉積微相水動力條件差異影響著成巖作用的不同，兩者的有效配置又控制著有效儲集層的分布。大量的巖芯分析表明，沉積作用是成巖作用的基礎(chǔ)。對于蘇里格南部地區(qū)盒8段以河控為主的緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相和濱淺湖相的沉積來說，由于水動力條件的差異，沉積相形成的巖石在成分和組構(gòu)上存在差異，導(dǎo)致其成巖作用不同；在淺水三角洲巖相中，水動力作用較強(qiáng)而沉積物粒度粗、雜基體積分?jǐn)?shù)低，為后期的成巖改造創(chuàng)造了條件，有利于孔隙水的流動、成巖礦物的運(yùn)移和原生孔隙的保存（圖5）；在濱淺湖巖相中，隨著水動力強(qiáng)度減弱，沉積物粒度變細(xì)，填隙物增多，在孔隙水流動不暢的情況下，成巖作用以壓實作用和蝕變作用為主，溶蝕作用不發(fā)育。從圖（b）到圖（c），再到圖（d），石英體積分?jǐn)?shù)呈降低的趨勢；從圖（e）到圖（f），再到圖（g），孔隙結(jié)構(gòu)呈變差的趨勢

（1）鄂爾多斯盆地蘇里格南部地區(qū)盒8段屬于緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相和濱淺湖沉積相，主要為三角洲平原、三角洲前緣、濱湖和淺湖4類亞相，包括分流河道、分流間洼地、水下分流河道、水下天然堤、分流間灣、濱湖砂壩、濱湖泥灣和淺湖泥灣8種微相。

（2）研究區(qū)盒8段沉積相自北向南依次展布，各微相在平面上共同組成緩坡淺水辮狀河三角洲沉積相，側(cè)向上相互疊置，復(fù)合加積，垂向上各微相共生，并沖刷相互底接觸面；濱淺湖各微相總體在研究區(qū)不太發(fā)育。

（3）研究區(qū)沉積相明顯控制優(yōu)質(zhì)儲集層的分布，進(jìn)而影響著天然氣的富集成藏。各微相水動力條件的差異造成微相在沉積物成分和組構(gòu)上各異，導(dǎo)致其成巖作用不同?？傮w上，分流河道和水下分流河道微相發(fā)育處密集形成相互疊置的大面積骨架砂體，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主砂帶，成為天然氣優(yōu)質(zhì)儲集層，是今后有利的勘探相帶。

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