張淑亮 李 麗 劉瑞春 王 霞

1 山西省地震局，太原市晉祠路二段69號(hào)，030021

2 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原市晉祠鎮(zhèn)，030025

2009－08 以來，交城斷裂晉祠段巖溶井水位出現(xiàn)反年動(dòng)態(tài)快速上升變化，其中最具代表性的是太原地震臺(tái)流體觀測(cè)井（以下簡(jiǎn)稱太原井），至2012年底其水位累計(jì)上升17.1m。由于太原井水位在山西及周邊地區(qū)一些中強(qiáng)震前有較顯著的異常，能清晰地反映井區(qū)構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)引起的水井含水層應(yīng)力變化，因此研究太原井水位快速上升變化的成因，對(duì)準(zhǔn)確把握未來地震形勢(shì)尤為重要。為確定太原井水位異常的性質(zhì)，本文將在定量排除影響太原井水位動(dòng)態(tài)的非構(gòu)造因素基礎(chǔ)上，分析太原井水位快速上升與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系。

1 太原井概況

太原井地處112.43°E、37.72°N，海拔828.52 m。井區(qū)位于太原斷陷盆地西側(cè)交城斷裂晉祠段北端下盤。有記載以來，井區(qū)50km 范圍內(nèi)發(fā)生5～5.9級(jí)地震10次，6～6.9級(jí)地震1次。太原井位于晉祠泉域巖溶水區(qū)，主要補(bǔ)給源為大氣降水和西部、西北部大面積灰?guī)r區(qū)地下水。井區(qū)第四系覆蓋層較?。ú蛔?1 m），其下發(fā)育有中、下奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。

太原井井深765.78 m，井孔由地面以下至480m 深度均設(shè)有護(hù)井套管，480m 以下為裸孔。觀測(cè)段厚度為285.78 m，該含水層為富水、強(qiáng)透水層，井孔涌水量可達(dá)1 158m3／d，含水層滲透系數(shù)為0.4～26.0m／d，地下水動(dòng)態(tài)具備反映構(gòu)造活動(dòng)的優(yōu)良條件。

2 水動(dòng)態(tài)觀測(cè)

太原井水位動(dòng)態(tài)在正常年份表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，每年11月到次年3月水位較高且平穩(wěn)，4月開始下降至6月底7月初，7～8月后水位回升（圖1）。

圖1 太原井水位動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.1 Dynamic curve of Taiyuan well water level

1994－09太原井水位受西山巖溶水過量開采的影響出現(xiàn)加速下降，至2009－07累計(jì)下降幅度為27.79m。2009－08太原井水位在長(zhǎng)達(dá)15a趨勢(shì)下降后出現(xiàn)加速上升，至2012年底累計(jì)上升17.1m，目前仍在持續(xù)上升。在太原井水位快速上升過程中，位于交城斷裂附近和基巖山區(qū)，且與太原井具有相同觀測(cè)層的長(zhǎng)觀井水位也出現(xiàn)準(zhǔn)同步的快速上升變化。

研究表明，太原井水位表現(xiàn)出一定的映震能力，1989－10大同－陽高6.1級(jí)地震前1a出現(xiàn)反年動(dòng)態(tài)變化，震前10d有小波動(dòng)，震前1d有突跳現(xiàn)象；1991－01忻州5.1級(jí)和1991－03大同－陽高5.8級(jí)地震前2a左右水位出現(xiàn)年變改變、變化速率加快趨勢(shì)異常（圖1）。特別是忻州5.1級(jí)地震前，山西省地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中心綜合預(yù)報(bào)研究室在1991－01－11會(huì)商會(huì)議上，以太原井水位突跳為主要依據(jù)，對(duì)這次地震作出了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

3 非構(gòu)造影響因素的分析

3.1 主要影響因素

根據(jù)太原井水位多年動(dòng)態(tài)變化特征，以與太原井同一水系的晉祠泉斷流時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，分兩個(gè)時(shí)段討論非構(gòu)造因素的影響。

1）晉祠泉斷流前

大氣降水的影響：晉祠泉域巖溶水主要依靠大氣降水滲入補(bǔ)給，兩者相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.952，表明降雨是影響晉祠泉域巖溶水動(dòng)態(tài)的主要因素之一。降雨補(bǔ)給一般滯后3a（圖2）。

圖2 晉祠泉綜合要素圖Fig.2 Comprehensive factors of Jinci spring

地下水開采的影響：晉祠泉域南北兩側(cè)邊山斷裂帶巖溶水開采量逐年增加，使晉祠泉流量逐年減少，直至斷流，兩者相關(guān)系數(shù)為－0.96。因此，晉祠泉域南北兩側(cè)邊山斷裂巖溶水的開采是影響巖溶水動(dòng)態(tài)的另一個(gè)重要因素。

礦坑排水量的影響：泉水流量主要受大氣降水和地下水開采的影響，但煤礦礦坑的排水量影響也不容忽視，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2）。

2）晉祠泉斷流后

由圖3可以看出，無論是太原市巖溶水開采量還是晉祠泉域地下水開采量，均呈下降趨勢(shì)；降水量總體呈上升趨勢(shì)，且有7a大于多年平均降水值（437.7 mm），其中有3a 降水量大于600 mm。計(jì)算結(jié)果顯示，太原井水位與晉祠泉域地下水開采量的相關(guān)系數(shù)由斷流前的0.96 降至0.54，與降雨量的相關(guān)系數(shù)由0.95降至0.3，表明晉祠泉域地下水開采與大氣降水仍是影響太原井水位動(dòng)態(tài)的因素。但從相關(guān)系數(shù)變化情況來看，該時(shí)段影響太原井水位動(dòng)態(tài)變化除非構(gòu)造因素外，可能還存在其他因素。

圖3 太原井水位、巖溶水開采量、晉祠泉域開采量及降水量對(duì)比Fig.3 The comparison of water level of Taiyuan well，exploitation quantity of karst water，exploitation quantity of Jinci spring and rainfall

3.2 非構(gòu)造因素影響定量分析

根據(jù)多種因素對(duì)晉祠泉巖溶水的影響程度，以及降雨入滲的滯后性和疊加性，確定降雨量、地下水開采量和煤礦礦坑排水量等為主要非構(gòu)造影響因素。并利用支持向量機(jī)理論，建立太原井水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型：

式中，f（x）為巖溶水位，x為地下水位影響因素，xi為第i個(gè)樣本，為支持向量權(quán)系數(shù)。

本文利用LibSVM 完成模型的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。所選樣本的數(shù)據(jù)來源于晉祠泉域內(nèi)23個(gè)長(zhǎng)觀井、泉域內(nèi)多年降雨觀測(cè)資料和地下水開采量（包括煤礦排水），所有相關(guān)樣本均參與模型的訓(xùn)練、校正和預(yù)測(cè)。計(jì)算預(yù)測(cè)水位時(shí)，選用訓(xùn)練樣本為4a的月均值數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)訓(xùn)練樣本后1a的水位月均值，并采用窗長(zhǎng)為4a、步長(zhǎng)為1a對(duì)所有參與計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算。預(yù)測(cè)比較是用求解出的井水位預(yù)測(cè)值與太原井實(shí)際觀測(cè)值之間的相對(duì)誤差來進(jìn)行的。

利用上述模型對(duì)太原井水位2006年以來的地下水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比。結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差除2009－07～2012－02、2012－08～09大于多年平均值外，其他時(shí)段均在多年平均值以下。從預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的變化形態(tài)來看，除2009～2011年兩者出現(xiàn)明顯偏離外，其余時(shí)段兩者一致性較好（圖4）。這表明，所使用的預(yù)測(cè)模型是可靠的，降雨與地下水開采是影響太原井水位動(dòng)態(tài)變化的主要因素。

圖4 對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart

4 構(gòu)造活動(dòng)因素分析

如前所述，太原井水位快速上升期間，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差也隨之增大，曲線偏離程度比較明顯，表明水位快速上升除非構(gòu)造因素外，可能與構(gòu)造活動(dòng)也有關(guān)系。為此，本文根據(jù)太原井水位快速上升前后井區(qū)附近小震震源機(jī)制解、地震視應(yīng)力和GPS應(yīng)變率場(chǎng)等資料，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)變化特征進(jìn)行分析。

4.1 太原盆地應(yīng)力場(chǎng)變化特征

對(duì)2002～2008和2009～2012太原盆地2.0級(jí)以上中小地震震源機(jī)制解分別進(jìn)行計(jì)算，并用斷層滑動(dòng)方向與最大剪應(yīng)力方向間的殘差最小獲得最優(yōu)應(yīng)力模型，得到主應(yīng)力方向［1－2］。利用單個(gè)震源機(jī)制的滑動(dòng)矢量與在應(yīng)力張量作用下產(chǎn)生的滑動(dòng)矢量間的夾角β來表征震源機(jī)制的一致性［3］，計(jì)算結(jié)果見圖5～7?？梢钥闯觯?）2009年前太原盆地小震震源球以走滑地震類型為主，單個(gè)震源機(jī)制解結(jié)果比較凌亂，多個(gè)震源機(jī)制解結(jié)果反演的應(yīng)力場(chǎng)震源類型未知。該時(shí)段盆地內(nèi)部受力情況不突出，主要以太原盆地局部應(yīng)力場(chǎng)作用為主。2）2009年后太原盆地小震震源球以正斷地震類型為主，最大壓應(yīng)力主軸為NEE－SWW向，最大張應(yīng)力主軸為NNW－SSE 向，與華北地區(qū)接近，參考震源類型為正斷類型。3）震源機(jī)制一致性參數(shù)β，2009年以前3個(gè)主應(yīng)力方向較為凌亂，2009年以后趨于穩(wěn)定，且接近背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)［4］。說明太原盆地的現(xiàn)代地殼應(yīng)力場(chǎng)仍受華北區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的嚴(yán)格控制，其地震活動(dòng)也是在華北區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用之下發(fā)生的。

圖5 太原盆地≥2.0級(jí)地震震源球分布與Gephart方法求得應(yīng)力場(chǎng)方向（2002～2008年）Fig.5 The distribution of focal mechanisms of≥2.0 earthquakes and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2002－2008）

圖6 太原盆地≥2.0級(jí)地震震源球分布與Gephart方法求得的應(yīng)力場(chǎng)方向（2009～2012年）Fig.6 The distribution of focal mechanisms of≥2.0 earthquakes and the direction of stress field derived by Gephart approach in the Taiyuan basin（2009－2012）

圖7 應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The curve of stress field

4.2 局部視應(yīng)力變化特征

利用2001～2012年太原盆地及附近ML≥2.0地震波形數(shù)據(jù)，計(jì)算得到單個(gè)地震的視應(yīng)力值（圖8、圖9）?？梢钥闯觯?）ML2.0～2.9 地震視應(yīng)力多年平均值為1.167bar，2009年以后視應(yīng)力值明顯增大，最大值為6.56bar，是多年平均值的5.6倍，高值區(qū)集中在交城斷裂的南段和北段；2）ML3.0～3.9地震視應(yīng)力多年平均值為4.73bar，2009年后視應(yīng)力值明顯增大，最大值達(dá)到12.5bar，為多年平均值的2.9倍，高值區(qū)集中在交城斷裂的北部。

4.3 太原盆地形變速度場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)特征

利用2009年前后GPS觀測(cè)資料對(duì)太原盆地水平形變速率場(chǎng)和應(yīng)變率場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明：1）太原盆地水平形變速度場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向在2009年以前以近EW 向和SW 向?yàn)橹鳎?009年后EW 向運(yùn)動(dòng)消失，以SW 向運(yùn)動(dòng)為主（圖10）。2）2009年以前張性區(qū)在交城斷裂下盤，方向與斷裂平行，即NE方向，與華北的NW－NNW 向拉張應(yīng)力場(chǎng)特征明顯不同，2009年后張性區(qū)在太原井的正西方向，張應(yīng)力方向垂直交城斷裂，為NW 向，與華北應(yīng)力場(chǎng)接近（圖11）。

圖8 太原盆地ML2.0～2.9地震視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線以及相應(yīng)的等值線Fig.8 The curve of ML2.0－2.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

圖9 太原盆地ML3.0～3.9地震視應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線以及相應(yīng)的等值線Fig.9 The curve of ML3.0－3.9earthquake apparent stress and corresponding isograms in the Taiyuan basin

圖10 太原盆地GPS水平形變速度場(chǎng)Fig.10 The GPS horizontal deformation velocity field of Taiyuan basin

4.4 太原井含水層的應(yīng)力變化特征

賈化周［5］以地球固體潮理論、彈性理論和地下流體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出給定的井孔含水層系統(tǒng)水井水頭的變化與引起其變化的固體潮體應(yīng)力變化之間的關(guān)系：

圖11 太原盆地GPS應(yīng)變率場(chǎng)Fig.11 The GPS strain rate field of Taiyuan basin

式中，Δh為水井水頭的變化，kw為比例系數(shù)，Δσ為含水層應(yīng)力變化，ρ為含水層內(nèi)水的密度，g為重力加速度，n為含水層孔隙度，α為含水層固體骨架的體積壓縮系數(shù)，β為含水層內(nèi)水的體積壓縮系數(shù)，λ和μ為拉梅常數(shù)。

利用式（3）求得太原井的比例系數(shù)kw為3.59。由于太原井水位預(yù)測(cè)值含有降雨、地下水開采（含煤礦礦坑涌水量）等因素，而實(shí)測(cè)水位除這些因素外還可能疊加有構(gòu)造活動(dòng)因素，因而預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值的絕對(duì)誤差值是扣除非構(gòu)造影響后的水位變化值Δh。利用式（2）可求出含水層應(yīng)力變化值Δσ。由計(jì)算結(jié)果可以看出，2009年以來太原井含水層應(yīng)力變化值呈增強(qiáng)趨勢(shì)，特別是在水位加速上升時(shí)段應(yīng)力值明顯高于趨勢(shì)預(yù)測(cè)值（圖12）。

圖12 太原水位觀測(cè)井含水層應(yīng)力變化值Fig.12 The aquifer stress values of Taiyuan well

5 太原井水位快速上升成因分析

5.1 非構(gòu)造因素

1）2003年以來太原井附近降雨量總體趨勢(shì)以上升為主，到2012年底有7a降水量大于多年平均值。降水是影響晉祠泉域巖溶水動(dòng)態(tài)的主要因素之一，降水量的增多會(huì)導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給量增多。

2）太原市2003年開始實(shí)施“關(guān)井壓采”工程，到目前已關(guān)閉自備水源井480口，實(shí)現(xiàn)壓縮地下水開采量35.3×104t／d，特別是與太原井屬同一水系的5口自備井的關(guān)閉，壓采量達(dá)1.5×104t／d。晉祠泉域地下水開采量逐年減少，到2010年為止，地下水開采量為1.942×107m3／a，小于2.081×107m3／a，扭轉(zhuǎn)了以往的超采局面。

3）太原市2009年開始的煤炭資源整合，扭轉(zhuǎn)了“煤炭越挖越多，水井越打越深”的局面。粗放式的小煤礦開采中每采1t煤約破壞2.5t水資源，通過煤炭資源整合關(guān)閉了大量小煤礦，推進(jìn)大型工礦企業(yè)以循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式回收利用工業(yè)廢水，減少地下水的開采。到目前為止，全省工業(yè)用水重復(fù)利用率超過87%。煤炭資源的重新整合，大大降低了礦坑排水量。

5.2 構(gòu)造活動(dòng)因素

1）小震震源機(jī)制解顯示，太原盆地應(yīng)力場(chǎng)在2009年前以NNE－SSW 向拉張應(yīng)力為主，與華北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)所表現(xiàn)的特征不同，顯示以局部應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)為主的特點(diǎn)；2009年后應(yīng)力場(chǎng)以NEESWW 向擠壓應(yīng)力為主，與華北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)基本相同；由單個(gè)震源機(jī)制一致性參數(shù)β所反映的3個(gè)主應(yīng)力方向在2009年后也由較為凌亂的局部應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)為接近背景應(yīng)力場(chǎng)。在山西地震帶一些中強(qiáng)地震前，太原盆地小震綜合斷面解由以局部應(yīng)力場(chǎng)作用為主的特點(diǎn)轉(zhuǎn)為接近現(xiàn)代地殼應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)［6］。因此，2009年以后太原盆地應(yīng)力場(chǎng)所表現(xiàn)的特征與盆地構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。

2）由于地震視應(yīng)力常被用來研究震源區(qū)的應(yīng)力水平［7－8］，可作為地震危險(xiǎn)性判定的依據(jù)。太原盆地2.0～2.9、3.0～3.9級(jí)地震視應(yīng)力在2009年后分別出現(xiàn)高于背景值5.6、2.9倍的視應(yīng)力異常，且高視應(yīng)力異常出現(xiàn)的時(shí)間與太原井水位快速上升以及太原盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)折時(shí)間具有準(zhǔn)同步性，反映了該地區(qū)應(yīng)力水平由低向高增強(qiáng)的過程。

3）GPS應(yīng)變率場(chǎng)所反映的應(yīng)力場(chǎng)與小震震源機(jī)制解有類似的特征，即2009年前應(yīng)變率場(chǎng)張性應(yīng)變區(qū)域位于交城斷裂的下盤（太原井的西南方向），且應(yīng)變率大小隨距井點(diǎn)距離的減小而減?。?009年后張性應(yīng)變的區(qū)域分布在井點(diǎn)的西北方向，應(yīng)變率大小隨距井點(diǎn)距離的減小而增大（圖12）。從應(yīng)變率場(chǎng)的方向來看，2009年以前張應(yīng)變方向基本與交城斷裂平行，為近NE 向，與華北地區(qū)NW－NNW 向的水平拉張應(yīng)力場(chǎng)特征明顯不同。2009年以后，張應(yīng)變幾乎逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°，由平行交城斷裂方向轉(zhuǎn)為垂直交城斷裂方向，即NW 向，接近華北地區(qū)NW－NNW 向的水平拉張區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的特征（圖11）。太原井水位快速上升正是在應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變的背景下出現(xiàn)的，可能是構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)的外在表現(xiàn)。

4）近年來，交城斷裂南端出現(xiàn)大面積地裂縫，2008年地裂縫發(fā)展尤其迅速。李自紅等［9］對(duì)裂縫的成因機(jī)制進(jìn)行研究，認(rèn)為清徐地裂縫是下伏斷層最新活動(dòng)的破裂現(xiàn)象，屬構(gòu)造成因，與交城斷裂活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。由于太原井位于交城大斷裂上，因此水井含水層應(yīng)力值的大小有可能反映斷裂活動(dòng)的強(qiáng)弱。由圖12可以看出，2009年以來太原井含水層應(yīng)力變化值呈逐年增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)，特別是在水位加速上升時(shí)段更為顯著。這種變化特征可能與交城斷裂活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。

綜上所述，小震震源機(jī)制解、地震視應(yīng)力和GPS等變化特征均表明，2009年以來太原盆地應(yīng)力場(chǎng)大小與方向發(fā)生了顯著改變，由水位差值求得的含水層應(yīng)力值也在逐年增大。太原井水位快速上升變化正是在太原盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用發(fā)生顯著改變條件下出現(xiàn)的，它們?cè)跁r(shí)間上具有準(zhǔn)同步性。

6 結(jié) 語

1）2009年以來太原井水位快速上升與晉祠泉域降水增大、太原市地下水開采量減少以及煤炭資源整合后礦坑排水量減少關(guān)系密切，它們是影響太原井水位快速上升的主導(dǎo)因素。

2）區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)可能是太原井水位快速上升的另一重要影響因素。2008年汶川5·12地震后，山西地震帶在2009～2011發(fā)生了8次4級(jí)以上地震，4級(jí)以上地震活動(dòng)頻次顯著增強(qiáng)，表明青藏高原向東遠(yuǎn)程推擠力沿著汶川地震破裂的方向傳遞到鄂爾多斯塊體，進(jìn)而影響到具有發(fā)生強(qiáng)震背景的鄂爾多斯塊體東緣山西地震帶；2009年以后太原盆地應(yīng)力場(chǎng)由局部應(yīng)力場(chǎng)作用轉(zhuǎn)為受華北區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)控制且接近華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，地震視應(yīng)力出現(xiàn)大于背景值的高值異常，應(yīng)變率場(chǎng)大小和方向均發(fā)生改變；太原井含水層應(yīng)力變化值呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，在水位加速上升時(shí)段尤為顯著。因此，2009年以來太原井水位上升與太原盆地區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用增強(qiáng)和應(yīng)力水平的增高也有一定的關(guān)系。

3）與太原井水位具有準(zhǔn)同步性的其他異常，是山西地震帶中強(qiáng)地震活動(dòng)增強(qiáng)的一個(gè)信號(hào)。1989年大同5.9 級(jí)、1991年忻 州5.1級(jí)和大同5.8級(jí)地震前，太原盆地及周邊地區(qū)先后出現(xiàn)了太原井水位、介休井水位、靜樂井水位、定襄水氡、代縣地電和太原水管等一批準(zhǔn)同步性異常。雖然此時(shí)段晉祠泉域地下水開采對(duì)太原井水位動(dòng)態(tài)有一定影響，表現(xiàn)在開采量增大、井水位下降，但地下水開采僅能改變井水位的年變幅度，而不會(huì)影響井水位的周期性變化，而這幾次地震前太原井水位所顯示的異常是年變周期的改變。2009年以來太原井水位快速上升期間，太原盆地及周邊地區(qū)也先后出現(xiàn)太原體應(yīng)變、代縣地電、靜樂水位和定襄水氡等準(zhǔn)同步性異常，以及一系列4級(jí)以上中等地震，因此，太原井水位快速上升與山西地震帶地震活動(dòng)的增強(qiáng)有關(guān)。

4）太原井水位快速上升，是非構(gòu)造因素和構(gòu)造因素共同作用的結(jié)果。

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