劉曉通,王向軍,安鵬瑞,孟令強(qiáng),唐重陽,楊鋒杰,陳雷,毛光周
(1.山東科技大學(xué),山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590;2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250013;3.兗州煤業(yè)有限公司興隆莊煤礦,山東 濟(jì)寧 272100)
沂沭斷裂帶是山東境內(nèi)主要的構(gòu)造體系,對(duì)整個(gè)山東地區(qū)的成礦演化起主要控制作用[1- 2]。隨著找礦工作的不斷深入,在斷裂帶內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)龍泉站、牛家小河、南小堯等金礦[3- 4],使得沂沭斷裂帶成為新的找礦有利區(qū)。而前人對(duì)沂沭斷裂帶的研究多集中在構(gòu)造特征、巖漿活動(dòng)等方面,對(duì)斷裂帶中段金礦的成礦物質(zhì)、成礦流體等研究較少,對(duì)研究區(qū)成礦作用認(rèn)識(shí)仍需要加深,因此,該文以牛家小河為研究對(duì)象,基于已有的調(diào)查資料與文獻(xiàn)資料,通過主微量元素特征分析,簡要探討牛家小河金礦成因。
研究區(qū)位于沂沭斷裂帶中部,沂水以南,靠近沂水- 湯頭主干斷裂。北部有龍泉站、南小堯2個(gè)金礦(圖1)。大地構(gòu)造屬華北板塊(Ⅰ)、魯西隆起區(qū)(Ⅱ)、沂沭斷裂帶(Ⅲ)內(nèi)[5- 7]。
礦區(qū)出露地層主要有新太古代沂水巖群、中生代白堊紀(jì)大盛群以及分布于山前凹地及平坦地區(qū)的第四系沉積物(圖2)。
新太古代沂水巖群、泰山巖群殘存于汞丹山凸起區(qū)的片麻巖、花崗巖中,呈零星包體分布。其中沂水巖群是一套中基性火山巖—火山碎屑巖建造,變質(zhì)程度達(dá)麻粒巖相—角閃巖相[10];巖石發(fā)生不同程度的糜棱巖化、碎裂巖化,呈土黃色、褐色;巖石蝕變類型包括鉀化、褐鐵礦化等,此外還有綠泥石化、硅化等蝕變現(xiàn)象(圖3a)。石英脈充填于沂水巖群內(nèi),呈灰色、煙灰色,石英脈寬度約數(shù)厘米至十幾厘米不等,有些石英脈與重晶石脈呈鋸齒狀接觸,總寬度10cm左右,其中石英脈較窄,約0.1~2cm(圖3c,圖3d)。石英脈、重晶石脈賦存于沂水巖群內(nèi)部,與圍巖界限清晰,研究區(qū)內(nèi)未見沂水巖群和泰山巖群的直接接觸。
圖1 山東省金礦分布略圖(據(jù)[6.8],有修改)
1—第四系;2—白堊紀(jì)馬朗溝組砂礫巖;3—前寒武變質(zhì)巖系;4—二長花崗巖;5—石英脈;6—磁鐵石英巖;7—重晶石脈;8—金礦脈;9—斷層及推測斷層;10—地質(zhì)界線;11—采樣位置圖2 牛家小河金礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[9],有修改)
a—沂沭斷裂帶內(nèi)碎裂巖;b—中太古代沂水巖群與中生代大盛群分界線;c—石英與重晶石脈;d—石英脈圖3 牛家小河金礦區(qū)野外地質(zhì)特征
大盛群紫紅色馬朗溝組砂巖覆于沂水巖群之上(圖3b),未見含礦脈體切入大盛群的砂巖中。研究區(qū)可見沂水巖群與大盛群呈角度不整合接觸,第四系沉積物在山前凹地以及平坦地區(qū)廣泛分布,多呈灰黃色、土黃色,巖性主要有含礫砂層、含礫粘土質(zhì)砂層以及粉砂質(zhì)粘土層和砂質(zhì)粘土層等[4]。
牛家小河金礦位于沂沭斷裂帶內(nèi)汞丹山凸起(Ⅴ)西緣,沂水- 湯頭和安丘- 莒縣2個(gè)主干斷裂之間(圖1);礦脈走向NE,長約1.5km,寬2~5m,傾角為15°~20°,礦脈具分支復(fù)合現(xiàn)象,支脈沿次級(jí)斷裂呈NW向展布(圖2)[9]。前人研究認(rèn)為,牛家小河內(nèi)含礦巖石中硅化、硫化物明顯的區(qū)段,金礦化強(qiáng)烈,且黃鐵礦為主要的載金礦物[4,9]。目前已探明牛家小河金礦區(qū)2個(gè)金礦體,分別為I、II號(hào)礦體。
I號(hào)礦體:該礦體走向15°~20°,地表出露長度約1.5km,寬2~15m,傾向NW,傾角較大,為85°~87°;礦體延伸大于100m,厚度為0.33~9.82m,平均厚度為2.15m,厚度變化系數(shù)達(dá)122%,屬于厚度極不穩(wěn)定型。礦體呈薄板狀,走向上呈舒緩波狀變化。礦石最高品位可達(dá)7.82×10- 6,礦石平均品位2.71×10- 6,品位變化不大,變化系數(shù)約57%,礦化比較均勻[9]。
II號(hào)礦體:該礦體呈透鏡狀,形態(tài)不規(guī)則,長約240m,其延伸大于100m;礦體的厚度為0.66~20.84m,平均厚度約5.62m,厚度變化系數(shù)可達(dá)125%,屬厚度極不穩(wěn)定型;礦石最高品位達(dá)5.78×10- 6,平均品位約2.27×10- 6,品位變化系數(shù)60%,礦化比較均勻[9]。
牛家小河金礦的含礦巖體產(chǎn)于沂水巖群之中,上覆地層為大盛群馬郎溝組,礦體具有明顯的分帶性[4,9],區(qū)內(nèi)由西向東分布2種類型的礦石,分別為綠泥石化黃鐵礦化糜棱巖和硅化黃鐵礦化碎裂巖,礦石具體特征如下:
(1)黃鐵礦化綠泥石化糜棱巖:原巖為中基性火山巖- 火山碎屑巖建造[10],礦石的構(gòu)造主要有細(xì)脈狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造(圖4a),礦石礦物為黃鐵礦,自形或半自形晶體,具有粒狀結(jié)構(gòu)、局部具有碎裂結(jié)構(gòu)、溶蝕結(jié)構(gòu)等(圖5a),晶形為立方體為主,偶見五角十二面體,顆粒較大,粒徑為80~500μm(圖5a);脈石礦物為綠泥石、石英、絹云母等,具有一定的方向性,可見壓力影響構(gòu)造(圖5b);綠泥石交代黑云母、角閃石呈不規(guī)則狀、脈狀、片狀(圖5b);局部可見后期方解石脈充填(圖4a、圖5b)。
a—牛家小河黃鐵礦化、綠泥石化糜棱巖礦石(NJXH- 1);b—硅化、黃鐵礦化碎裂巖礦石(NJXH- 2);Py—黃鐵礦;Qtz—石英;Cal—碳酸巖圖4 牛家小河金礦礦石
(2)黃鐵礦化碎裂巖:礦石礦物為黃鐵礦,呈星點(diǎn)狀、細(xì)脈狀分布于石英中(圖4b),顆粒較小,立方體晶形,粒徑為40~200μm,自形程度差別較大,自形—他形粒狀結(jié)構(gòu),溶蝕結(jié)構(gòu)發(fā)育(圖4b、圖5c);脈石礦物以石英為主,含有一定量顆粒較大的斜長石和微斜長石(圖5b)。
a—礦石NJXH- 1光片10×5(- );b—礦石NJXH- 1薄片10×5(- );c—礦石NJXH- 2光片10×10(- );d—礦石NJXH- 2薄片10×10(+);Py—黃鐵礦;Chl—綠泥石;Qtz—石英;Pl—斜長石;Mc—微斜長石圖5 牛家小河金礦礦石顯微照片
牛家小河金礦位于沂沭斷裂帶中段,目前研究程度相對(duì)薄弱。在研究區(qū)采集樣品14件,其中大盛群馬朗溝組砂巖樣品5件,沂水巖群表殼巖樣品7件,礦石樣品2件,樣品主、微量元素測試分析均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,樣品主量元素含量在日本理學(xué)RIX2100XRF儀上測定,元素分析誤差<5%,微量元素測試儀器為ELAN6100DRC電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP- MS),測試精度優(yōu)于5%。
礦石以及圍巖的主量元素?cái)?shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。樣品可分為4組:礦石NJXH- 1、礦石NJXH- 2、大盛群砂巖、沂水巖群表殼巖,分別用NJXH- 1、NJXH- 2、DSA、YSA表示。其平均值如表2所示。
表1 樣品主量元素含量表(%)
注:由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試。
表2 牛家小河樣品主量元素平均值(%)
從表2可以看出,礦石、沂水巖群表殼巖、大盛群砂巖均具有較高的SiO2值,礦石和沂水群巖石樣品高SiO2值可能是由于成礦成巖過程中伴隨不同程度的硅化,而大盛群的高SiO2值可能是由富含Si的礦物耐風(fēng)化能力強(qiáng),而易溶礦物被淋濾所致[11]。樣品NJXH- 1和NJXH- 2在主量元素組成上差異較大,主要表現(xiàn)在SiO2,TFe2O3,MgO,CaO,K2O含量差異上。礦石(NJXH- 1)和礦石(NJXH- 2)的里特曼指數(shù)分別為5.13、4.59,均為偏堿性巖。在堿性條件(pH8~13),金以AuH3SiO4形式存在,硅化和堿交代(鉀化、鈉化)常伴生金礦化出現(xiàn)[12]。而且在飽和SiO2的堿質(zhì)氯化物熱液中,隨著溫度、壓力的自然降低,金的溶解度降低而沉淀[12]。研究區(qū)礦石多賦存于堿性巖體之中,為勘探工作提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。
為了研究該區(qū)的礦化元素特征,對(duì)其中與金礦化密切相關(guān)的6種金屬元素(Cr,Co,Ni,Cu,Zn,Pb)進(jìn)行定量分析,相關(guān)分析測試結(jié)果見表3。
表3 部分成礦元素含量及特征值(ωB/10- 6)
注:由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試(中國上陸殼*值據(jù)[13])。
由表3,圖5可知,2個(gè)礦石樣品的成礦元素組成特征極不相似,NJXH- 1中高溫成礦元素富集程度較高,元素Cr,Co,Ni,Zn的富集系數(shù)均大于2,低溫成礦元素Cu,Pb的富集系數(shù)低于0.8,為相對(duì)貧化元素,而NJXH- 2中Cr,Co,Ni,Zn,Cu富集程度均低于0.3,貧化程度較高,Pb富集系數(shù)為1.17,由元素富集程度可以看出,2種礦石的成礦溫度不同,可能存在兩期礦化作用。大盛群5個(gè)砂巖樣品的成礦元素特征大體相同,其中Cr,Ni,Zn的富集系數(shù)均大于1.2,為相對(duì)富集元素;Co,Cu,Pb的富集系數(shù)均小于0.8,為相對(duì)貧化元素。各元素含量及分布與2個(gè)礦石樣品差別較大,推測在成礦后期,大氣水下滲過程中從大盛群中淋濾的成礦元素有限,不足以改變成礦早期礦石中成礦元素的組成特征;沂水巖群7個(gè)樣品的成礦元素的含量分布較為復(fù)雜,可能是由于巖石的變質(zhì)程度不同所致,且沂水巖群樣品各成礦元素的變異系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差均高于大盛群和礦石,可能是牛家小河金礦的礦源層。
為了考察更多的微量元素在不同巖石系列中的分布趨勢,該文選用原始地幔[14]對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理作蛛網(wǎng)圖[15]。微量元素?cái)?shù)據(jù)及蛛網(wǎng)圖見表4、圖6。
表4 牛家小河金礦床部分微量元素含量(ωB/10- 6)及特征值
注:由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試(中國上陸殼*值據(jù)[13])。
表4、圖6顯示,礦石NJXH- 1與NJXH- 2的微量元素曲線存在一定差異,整體上富集Ta,Tm,Th,Hf等高場強(qiáng)元素,強(qiáng)烈虧損Nb,Sr,Zr等元素,而大盛群砂巖與沂水巖群表殼巖樣品的微量元素也表現(xiàn)出相似的富集特征,其中,沂水巖群表殼巖樣品的微量元素特征基本一致,其與礦石NJXH- 2的元素分布較為一致,可能與礦石NJXH- 2的形成關(guān)系密切。
選用球粒隕石(Boynton,1984)對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,圍巖、礦石稀土元素分析結(jié)果見表5。
大盛群馬朗溝組砂巖ΣLREE為149.28×10- 6~244.30×10- 6,平均值為212.75×10- 6;ΣHREE為27.56×10- 6~33.55×10- 6,平均值為31.18×10- 6;ΣLREE/ΣHREE約為4.45~7.92,平均值為6.88,(La/Yb)N為12.72~30.95,平均值為24.89,表明大盛群輕重稀土元素分餾明顯。(La/Sm)N為4.26~6.72,均值為5.31;(Gd/Yb)N為1.84~3.46,均值為2.77,表明大盛群的輕稀土分餾明顯較重稀土分餾更為明顯,分餾曲線為較平緩右傾型(圖7b)。大盛群砂巖的δCe為0.92,δEu為0.91,鈰、銪異常不明顯,表明大盛群砂巖可能形成于相對(duì)氧化的環(huán)境。
沂水巖群表殼巖ΣREE為92.74×10- 6~146.5×10- 6,均值為126.25×10- 6;ΣLREE為81.41×10- 6~130.17×10- 6,均值為110.04;ΣHREE為8.09×10- 6~23.17×10- 6,均值為16.22×10- 6;ΣLREE/ΣHREE約為4.69~13.52,平均值為7.55;(La/Yb)N為15.26~55.22,均值為25.60,說明其輕重稀土元素分餾較為明顯。(La/Sm)N為4.46~8.47,均值為5.56,(Gd/Yb)N為2.33~3.70,均值為2.70,表明輕稀土元素分餾明顯,分餾曲線較陡,重稀土元素分餾不明顯,分餾曲線較緩(圖7a)。δCe為0.94~0.98,均值為0.95,鈰異常不明顯;δEu為0.65~0.97,均值為0.84,顯示弱的銪異常特征,造成弱的負(fù)銪異常的原因可能是Ca2+替換Eu2+的結(jié)果[18]。
a—大盛群及礦石中各成礦元素富集特征;b—沂水巖群及礦石中各成礦元素富集特征圖6 牛家小河金礦相對(duì)上地殼成礦元素富集特征(上地殼元素豐度來源于文獻(xiàn)[14])
元素DS-1DS-2DS-3DS-4DS-5YS-1YS-2YS-3YS-4YS-5YS-6YS-7NJXH-1NJXH-2中國上陸殼La58.5954.7756.3636.7560.0330.8620.9727.4628.3232.5726.8928.5718.3424.0352.00Ce100.24107.41107.4366.37114.4453.5038.8253.3854.8162.4950.6652.4639.5444.10100.00Pr10.2712.9512.788.2113.765.124.095.645.806.715.705.694.764.2912.00Nd35.9045.0544.1031.1246.9816.9914.6621.2621.7123.8821.4520.8619.6113.9160.00Sm5.486.896.695.427.152.292.293.873.913.793.613.214.331.789.40Eu1.601.881.801.411.940.570.571.201.200.740.810.861.100.362.00Gd4.335.325.344.445.601.731.863.623.542.942.922.554.631.3610.00Tb0.540.630.640.610.660.180.230.480.470.360.360.310.770.151.30Dy2.913.293.383.483.280.871.232.642.561.841.881.584.850.817.10Ho0.540.590.620.670.570.150.230.490.470.330.340.281.010.151.30Er1.561.611.711.961.560.410.671.371.300.920.930.802.870.463.60Tm0.220.220.230.300.210.060.100.190.190.130.140.120.410.070.58Yb1.421.381.461.951.310.380.641.211.160.850.930.772.560.453.80Lu0.210.200.220.300.190.060.100.190.180.130.140.120.390.070.57Y15.8217.4919.6319.8417.474.266.2813.8413.308.828.647.7527.434.4637.00ΣREE239.63259.68262.39182.84275.15117.4292.74136.86138.91146.50125.41125.92132.6096.47300.65ΣH27.5630.7333.2333.5530.868.0911.3324.0423.1716.3416.2814.2744.928.0065.25ΣL212.07228.96229.16149.28244.30109.3381.41112.82115.74130.17109.13111.6587.6888.47235.40ΣL/ΣH7.707.456.904.457.9213.527.184.695.007.976.707.831.9511.063.61(La/Yb)N?27.8526.8326.1012.7230.9555.2221.9915.2616.4125.7819.5724.964.8335.729.23(La/Sm)N?6.725.005.304.265.288.475.774.464.565.414.685.602.668.473.48(Gd/Yb)N?2.473.122.961.843.463.702.332.412.452.792.542.661.462.432.12Y/Ho29.4329.9331.6529.5830.4528.8527.1828.0828.1026.5525.1627.1127.1929.3828.46δCe?0.910.940.930.880.920.940.950.980.980.970.940.941.000.970.93δEu?0.970.920.890.860.900.840.820.970.970.650.740.890.750.690.63
注:由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試(中國上陸殼值據(jù)[13]),*單位為1。
a—沂水巖群及礦石中微量元素特征;b—大盛群及礦石中微量元素特征圖7 牛家小河金礦微量元素比值蛛網(wǎng)圖(原始地幔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)引自[14])
2個(gè)礦石的ΣLREE/ΣHREE、(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N差別較大。NJXH- 1的ΣHREE為44.92,明顯高于NJXH- 2的8.00;NJXH- 1輕重稀土分餾曲線較為平坦,ΣLREE/ΣHREE=1.95,輕稀土元素相對(duì)富集,而NJXH- 2具有明顯右傾的輕稀土富集型分餾曲線,ΣLREE/ΣHREE=11.06。2個(gè)礦石鈰異常不明顯,顯示弱的負(fù)銪異常,δEu分別為0.69、0.75,成礦流體均具有弱還原性[2]。整體而言,2個(gè)礦石樣品的稀土含量特征與分配模式有較大差異(圖8),據(jù)此推斷牛家小河金礦有2期不同的成礦作用,NJXH- 2與沂水巖群的稀土元素分布特征相似,說明礦石NJXH- 2的物質(zhì)來源可能與沂水巖群有關(guān)。礦石NJXH- 1和NJXH- 2的Y/Ho分別為27、30,與上地殼值(28.46)差別不大,與變質(zhì)熱液的Y/Ho值(25- 37)相近[18- 20],推測成礦流體可能來自變質(zhì)熱液[17]。
a—大盛群與礦石的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖;b—沂水群與礦石的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖圖8 牛家小河金礦稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖(球粒隕石數(shù)據(jù)引自[15])
根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征、礦石特征以及部分樣品的地球化學(xué)特征的測試分析,并結(jié)合前人的研究成果,簡要探討牛家小河金礦成礦作用。
牛家小河金礦基底巖系以沂水巖群為主[21- 22],而沂水巖群金豐度值為(0.94~6.78)×10- 9,集中值為5×10- 9,高于研究區(qū)內(nèi)泰山巖群金豐度值(0.42~5.14)×10- 9和膠東巖群的豐度值(1.69~1.99)×10- 9,且沂水巖群成礦元素變異系數(shù)大,與NJXH- 2的微量元素及稀土元素特征相似,可能為金礦化提供了成礦物質(zhì);沂水巖群的微量元素與稀土元素特征和礦石NJXH- 1相差較大,表明沂水巖群與礦石NJXH- 1的形成關(guān)系不大。而區(qū)內(nèi)燕山期花崗巖金豐度值較其他巖石偏高,為5.29×10- 9,且金含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及變異系數(shù)均較高,是區(qū)內(nèi)金礦的成礦母巖[9,23],推測牛家小河礦石的成礦物質(zhì)也可能來自燕山期的巖漿活動(dòng)。綜上所述,牛家小河金礦的成礦物質(zhì)可能來源于沂水巖群和燕山期花崗巖,但需進(jìn)一步的工作驗(yàn)證。利用載金礦物的S,Pb同位素示蹤成礦物質(zhì)來源可能會(huì)取得更為科學(xué)的結(jié)果。
前人研究表明,沂沭斷裂帶內(nèi)早期成礦流體以巖漿水為主,后期成礦流體向上運(yùn)移過程中,大氣降水混入,使成礦流體的物理化學(xué)條件快速變化,導(dǎo)致流體中金等成礦物質(zhì)大量沉淀而形成金礦床,此時(shí)成礦流體以大氣降水為主[21- 22]。而礦石的Y/Ho特征顯示,成礦流體也有可能來自變質(zhì)熱液。目前,對(duì)牛家小河的成礦流體研究依然薄弱,建議采用流體包裹體的方法對(duì)其成礦流體性質(zhì)及來源進(jìn)行判別。
資料顯示,上部碎裂巖的形成時(shí)代大致與沂水- 湯頭斷裂時(shí)代相近,即晚侏羅—早白堊世[9]。區(qū)內(nèi)鉆孔中閃長巖中的黃鐵礦化蝕變現(xiàn)象和金礦化關(guān)系密切,因此認(rèn)為金礦的形成要稍晚于巖體的形成,而閃長巖體的同位素年齡為164~189Ma[9],所以金礦的形成要晚于這個(gè)年齡。而在野外露頭中石英脈、重晶石脈賦存于沂水巖群內(nèi)部,與圍巖界限清晰,未見脈體切穿其上覆巖層大盛群,因此其形成年齡的下限是要早于大盛群馬朗溝組地層的沉積年齡。綜上所述,牛家小河金礦的主成礦年齡應(yīng)早于晚白堊世早期,但其準(zhǔn)確的成礦時(shí)代仍需要進(jìn)一步的研究。
通過對(duì)研究區(qū)礦石、圍巖的巖石學(xué)特征及其主、微量元素和稀土元素特征的研究,得出以下認(rèn)識(shí):
(1)礦石NJXH- 1相對(duì)富集Co,Ni等高溫成礦元素,礦石NJXH- 2相對(duì)富集Pb等低溫成礦元素,貧化高溫元素,表明牛家小河金礦可能經(jīng)歷了2期成礦作用,且成礦溫度存在差異。
(2)沂水巖群和燕山期花崗巖可能是牛家小河金礦的成礦母巖,其中礦石NJXH- 2與沂水巖群的稀土元素分布特征相似,表明礦石NJXH- 2的形成與沂水巖群具有較高的相關(guān)性。成礦流體可能來源于深部,具有弱還原性,礦石的Y/Ho特征顯示部分成礦流體可能來自變質(zhì)熱液。
(3)賦存于沂水巖群內(nèi)部的石英脈、重晶石脈未切穿上覆大盛群馬朗溝組巖層,其成礦年齡應(yīng)早于馬朗溝組沉積年齡,即晚白堊世早期。
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