趙占侖, 溫小浩, 李保生, 牛東風,孟 潔, 孫業(yè)鳳, 楊慶江

(1. 華南師范大學 地理科學學院, 廣東 廣州 510631; 2. 中國科學院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室, 陜西西安 710075; 3. 中山大學 地球科學與地質(zhì)工程學院, 廣東 珠海 519082)

0 引 言

末次冰消期(15000～11700 a BP)是從盛冰期到全新世的一個過渡時期。研究表明, 該時期氣候整體呈現(xiàn)回暖趨勢, 但仍呈現(xiàn)出一系列千年百年尺度的快速振蕩, 如 Oldest Dryas、B?lling、Older Dryas、Aller?d 以及 Younger Dryas等事件[1–5]。這種氣候突變事件在中國季風區(qū)西北緣也有不少報道[6–9]。例如,王建民等[6]通過甘肅曹峴黃土剖面, 以粒度和磁化率分別作為冬夏季風的替代指標, 檢測出該時期冬季風發(fā)生了 4次百年尺度的大幅度加強, 其時間與格陵蘭 GISP2冰芯記錄的 Oldest Dryas、Older Dryas、IACP和Younger Dryas較一致。李森等[7]對中衛(wèi)剖面及米浪溝灣剖面研究后, 發(fā)現(xiàn)末次冰消期東亞季風區(qū)西北緣可分辨出Oldest Dryas、B?lling、Older Dryas、Aller?d、IACP 和 Younger Dryas等事件, 與 GISP2冰芯檢測出的氣候事件有較好對照。管清玉等[8]通過對六盤山東、西部兩個高分辨率黃土剖面與 GRIP冰芯記錄的對比研究, 認為這兩個剖面都捕捉到了末次冰消期內(nèi)的 Younger Dryas事件、Heinrich-1事件及B?lling和Aller?d事件。龐有智等[9]據(jù)騰格里沙漠南緣紅水河剖面的元素地球化學性質(zhì)指標、孢粉及地層巖性重建該地區(qū)末次冰消期氣候, 指出本區(qū)氣候經(jīng)歷了3個氣候暖濕時期、2個相對冷干時期, 和1個氣候冷濕時期。

騰格里沙漠南緣地處沙漠與黃土交錯帶, 是東亞冬夏季風交替影響之地, 對全球氣候變化敏感, 也是古氣候與古生態(tài)研究的理想地點[10–12]。該地區(qū)古浪縣土門鎮(zhèn)一帶堆積了一套厚30多米的晚第四紀的“沙丘砂、黃土、湖相沉積和古土壤”的多旋回沉積序列, 對這套沉積序列即我們稱為“土門剖面”的地層進行了年齡、粒度與化學元素的測試與分析。結果發(fā)現(xiàn), 土門剖面末次冰消期主元素指示了高分辨率的百年尺度氣候環(huán)境變化, 這種變化似乎是在全球變化背景下由東亞冬夏季風互為消長而發(fā)生的一個結果。顯然, 這一發(fā)現(xiàn)對進一步認識全球氣候變化—東亞季風演化—騰格里沙漠的環(huán)境響應具有重要意義。

1 土門剖面末次冰消期層段概述和實驗材料與方法

1.1 土門剖面末次冰消期層段概述

土門剖面(37°38′N, 103°09′E)位于騰格里沙漠南緣的祁連山高寒半干旱區(qū)之古浪綠洲東北的土門鎮(zhèn)大土溝, 地貌上處于南部祁連山支脈的山前傾斜平原與騰格里沙漠南緣過渡的溝壑區(qū), 剖面頂部海拔1730 m (圖1)。據(jù)古浪縣氣象資料[13], 當?shù)啬昶骄鶜鉁?4.9 ℃, 最冷月 1月平均氣溫–9.8 ℃, 最熱月 7月平均氣溫17.5 ℃, 極端最低氣溫–26.4 ℃, 極端最高氣溫 33 ℃; 多年平均降水量為 307 mm, 年平均蒸發(fā)量近2800 mm, 90%的降水集中于4月至10月。該地受東亞季風環(huán)境影響明顯。冬季低空盛行偏北風, 風沙天氣頻繁, 高空盛行西風; 夏季多偏南風, 降水較多, 易出現(xiàn)中、大雨或局部暴雨。

土門剖面出露總厚度約32 m。本文涉及的末次冰消期層段——LDS (the Last Deglaciation Segment,以下簡稱“LDS”)位于剖面深度7.36～9.02 m處, 地層為41FD-52L(圖2): 3層風成沙丘砂, 以灰黃色粉砂質(zhì)極細砂為主, 松散, 無層理, 厚 8～30 cm 不等,分布于剖面 7.38～7.44 m (41FD)、7.52～7.71 m (43FD)、7.86～8.17 m (46FD); 2層湖相沉積, 以淺灰黃色-青灰色極細砂質(zhì)粉砂為主, 具微薄水平層理, 較緊實,厚 6～36 cm, 分布于剖面 8.33～8.39 m (48LS)、8.62～8.94 m (51LS); 2層古土壤, 母質(zhì)為湖相或黃土, 以淺棕色黏土質(zhì)粉砂為主, 質(zhì)地較黏重, 厚10～12 cm, 分布于剖面 7.77～7.87 m (45S)、8.50～8.60 m (50S); 5 層黃土, 淺灰黃色, 粉砂為主, 分選較均勻, 塊狀, 厚4～14 cm, 分布于剖面 7.46～7.50 m (42L)、7.73～7.75 m (44L)、8.19～8.31 m (47L)、8.41～8.48 m (49L)、8.98～9.02 m (52L)。

圖1 土門剖面位置示意圖Fig.1 Sketch map showing the location of the Tumen section

圖2 土門剖面LDS及相關地層層序、年齡及堆積速率Fig. 2 The sequence, age and accumulation rate of the last deglaciation and the related layers of the Tumen section

1.2 實驗方法

對7.36～9.02 m深度地層及以上相關層位(35L)采集6個14C測年樣品, 分別由蘭州大學資源與環(huán)境學院年代學實驗室、中國科學院西安地球環(huán)境研究所加速器質(zhì)譜中心和美國BETA實驗室完成測試。測試結果采用Calib.7.0[14]中IntCal13程序進行校正,誤差為±2σ。

對LDS以2 cm間距采集83個樣品, 測試Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg和 Ti 等 8種主元素, 結果以氧化物表示。測試儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的偏振能量色散 X射線熒光光譜儀(型號: Epsilon 5)。樣品及制備過程: 先將樣品低溫(40 )℃烘干, 過2 mm篩去除雜物, 使用ZHM-1A型振動磨樣機研磨90 s, 過 200目(＜74 μm), 然后取 6.0 g樣品以硼酸鑲邊墊底, 在3×105N的壓力下保壓時間30 s, 最后壓制為直徑3.2 cm圓餅進行測試。校正曲線使用27個國家土壤成分分析標準物質(zhì)(GSS2～GSS28)、6個水系沉積物成分分析標準物質(zhì)(GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12)和6個巖石成分分析標準物質(zhì)(GSR1～GSR6)。實驗過程中加入GSS17標準樣品進行控制, 實驗誤差優(yōu)于±5%。同時, 對這83個樣品也進行了粒度測試, 并計算其平均粒徑Mz (φ), 測試儀器為Mastercizer2000M型激光粒度分析儀, 該儀器測量范圍0.02～2000 μm, 重復性達0.5%, 具體實驗方法和結果見文獻[15]。

2 結果分析

2.1 年 齡

6個AMS14C樣品測試結果及相關參數(shù)列于表1并標示在圖2之上。剖面深度6.84 m (35L底部) 和7.48 m (42L底部)的年齡分別為(9960±200) cal a BP和(11900±170) cal a BP, 據(jù)此按沉積速率(0.032 m/a)可推算得41LD頂部即深度7.38 m處年齡為11600 cal a BP;深度9.02 m (52L底部)的年齡為(14930±240) cal a BP。顯然, 41FD-52L層段的年齡與格陵蘭冰芯的末次冰消期年齡15070～11650 a BP相近[1]。如圖 2所示, 除深度7.81 m的(6910±120) cal a BP屬明顯的年齡倒置外, 其余5個年齡符合地層層序律。據(jù)此, 可建立這5個AMS14C的校正日歷年(y)與剖面深度(x)的線性回歸方程“y= 0.0005x+ 2.1077,R2= 0.9724”, 進而通過沉積速率內(nèi)插方法建立LDS的時間標尺(圖2b)。

2.2 主元素氧化物含量及分布特征

2.2.1 含量分布

土門剖面 LDS的 8種主元素氧化物(表 2)中,SiO2含量最高, 分布范圍為 41.43%～67.72%, 均值54.73%; 其次為 Al2O3, 10.17%～14.46%, 均值 11.96%;第三為CaO, 3.75%～9.17%, 均值6.20%; 第四為TFe(Fe2O3+FeO), 3.30%～6.50%, 均值4.85%; 其余元素氧化物K2O、MgO、Na2O和Ti2O含量依次降低, 分布范圍分別為2.18%～3.16%、1.50%～3.83%、1.46%～2.43%和0.36%～0.68%, 均值分別為2.63%、2.53%、1.92%和0.51%。

表1 LDS相關層段AMS 14C年齡Table 1 AMS 14C-dated ages of the Tumen section during the last deglaciation

表2 LDS不同沉積相的主元素氧化物含量(%)Table 2 The concentrations of major element oxides in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation (%)

2.2.2 不同沉積相中的變化

由表2可以看出, LDS中不同沉積相氧化物含量存明顯差異, 闡述如下:

SiO2含量在沙丘砂中最高, 在黃土、古土壤和湖相沉積中相對于沙丘砂顯著降低(達 11.00%～17.57%), 在后三者中黃土含量最高, 古土壤和湖相沉積含量接近。Al2O3、CaO、TFe、K2O、MgO、Na2O、Ti2O含量在沙丘砂中相對較低, 而在黃土、古土壤和湖相沉積中相對較高。其中, 古土壤和湖相中Al2O3等7種氧化物含量接近(如其平均值顯示的那樣)但又高于黃土(見表2)。

為進一步說明不同沉積相的元素含量特征, 繪制了粒度 Mz(φ)與各元素含量的散點圖(3a～3h)。由圖3可以看出: (a) 沙丘砂的樣點Mz (φ)值主要分布于 3.14～4.29 φ, 屬細砂-極細砂粒級; 黃土樣點 Mz(φ)值主要集于 4.46～5.37 φ, 屬粗粉砂粒級; 湖相沉積與古土壤分布樣點接近重合, Mz (φ)值主要分布于 5.58～6.95 φ, 屬粗粉砂—細粉砂粒級。(b) 沙丘砂、黃土、湖相沉積及古土壤的SiO2含量與Mz (φ)值呈負相關關系, SiO2含量越高, Mz (φ)值越小, 顆粒越粗(圖3a); Al2O3等7種元素氧化物含量與Mz (φ)值呈正相關關系, Al2O3、CaO、TFe、K2O、MgO、Na2O和Ti2O含量越高, Mz (φ)值越大, 顆粒越細(圖3b～3h)。

圖3 LDS不同沉積相氧化物含量(%)-平均粒徑Mz (φ)散點圖Fig.3 Plots of the mean grain size (Mz) versus major element oxide concentrations in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation

2.2.3 LDS垂向方向上的旋回變化

氧化物在不同沉積相的差異, 在LDS垂直方向上表現(xiàn)為: SiO2含量在沙丘砂層呈現(xiàn)峰態(tài), 而在黃土、湖相及古土壤呈現(xiàn)谷態(tài); Al2O3、TFe、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2則在沙丘砂層呈現(xiàn)為谷, 在黃土、湖相沉積及古土壤中呈現(xiàn)為峰。SiO2與其他7種元素垂直方向上分別呈現(xiàn)鏡像對稱, 構成8條峰-谷交錯的鋸齒狀曲線(圖4)。

3 討 論

3.1 氧化物指示的古氣候-沉積環(huán)境

已有研究表明, 沉積物中地球化學元素含量的變化既受元素自身表生地球化學作用影響, 同時也與古氣候波動、特殊的地貌位置密切相關[16]。如前所述, LDS中沙丘砂SiO2含量明顯高于同層段的湖相沉積、黃土和古土壤, 前者的Al2O3、TFe較后三者含量低; 而后三者的SiO2、Al2O3、TFe則頗為相近。這種 LDS中不同沉積相主元素分布在Al2O3-SiO2、TFe-Al2O3散點圖(圖 5)上呈現(xiàn)如下特征:前者像位獨立成團, 后三者的像位集聚成團且部分重疊。這表明前者與后三者之前在其氣候沉積環(huán)境與物源等方面都有顯著差別。由于土門剖面位于騰格里沙漠南緣和黃土高原的西北緣, 顯然該剖面沉積物的物源主要來自這兩個區(qū)域。為了更好地闡明LDS中主元素分布特征, 本文選取鄰近本研究區(qū)的古浪黃土(海拔約2000 m)、騰格里沙漠南緣地表沙丘砂[17]分別作為南部物源和北部物源的代表, 并將其同樣繪制于圖5中。

由圖5可知, LDS中沙丘砂的像位與來自北部的騰格里沙漠地表沙丘砂最為接近。這些古、今風成沙化學元素的相似性表明, 它們具有相同的物質(zhì)來源與類似的氣候-沉積環(huán)境。對現(xiàn)代風成沙丘砂活動的觀測表明, 蒙古-西伯利亞高壓控制下的偏北東亞冬季風是主導中國西北地區(qū)沙漠進退和現(xiàn)代風成沙的主要營力[18–19]。據(jù)此可以推測, 土門剖面 LDS中沙丘砂主要是末次冰消期偏北強勁的冬季風搬運其北部騰格里沙漠的沉積物形成的風沙流堆積而成。根據(jù)騰格里沙漠的礦物分析結果來看, 占該地沙丘 90%以上的輕礦物基本上是石英和長石, 重礦物三分子二以上屬硅酸鹽礦物[17]?？梢? LDS沙丘砂高含量的SiO2現(xiàn)象與沙丘本身的高石英及硅酸鹽礦物含量有關。因此, LDS沙丘砂中高含量SiO2既是騰格里沙漠向南擴張的體現(xiàn), 也是冬季風加強時沉積物顆粒變粗、石英和硅酸鹽礦物含量相對增加的表現(xiàn); 反之亦然。除此之外, LDS中沙丘砂與南緣古浪黃土在Al2O3-SiO2、TFe-Al2O3散點圖的像位也較為接近, 這表明該沙丘砂的主元素氧化物含量也受到了周邊高海拔處早期沉積的黃土物源的影響。這些周邊的先成黃土同樣在冬季風作用下以沙塵暴方式攜帶至該剖面所在地。

LDS中湖相沉積、古土壤和黃土的像位明顯遠離騰格里沙漠地表沙丘砂, 這三者的像位與研究區(qū)偏南位置且較高海拔的古浪黃土像位更為接近。這表明這三者的主要物質(zhì)來源不可能來自于北部的騰格里沙漠, 而與偏南的海拔較高的祁連山黃土區(qū)密切相關。結合圖1所示, 土門剖面所在研究區(qū)的地勢由其南部海拔較高的祁連山黃土堆積區(qū)(＞ 2000 m)向北部海拔較低的騰格里沙漠(1700～1000 m)逐漸降低。根據(jù)研究區(qū)的氣象氣候觀測, 其全年 90%的降水集中于4月至10月的偏南亞洲夏季風[13]。由這些證據(jù)可推測, LDS中湖相沉積主要是由偏南夏季風的降水作用形成的地表徑流將該剖面周邊海拔較高的祁連山黃土攜帶至海拔較低之處堆積而成。這也可以從湖相沉積往往具有明顯的流水作用的水平層理構造中得到佐證。如此不難理解, 地表化學元素活動性高-中等的主元素氧化物CaO、MgO、K2O、Na2O和活動性差的Al2O3、TFe在湖相沉積中都相對聚集而呈現(xiàn)相對高值。此時的騰格里沙漠處于退縮狀態(tài), 雖偏北的冬季風仍能給其帶來一些短距離搬運的砂粒, 但該部分較粗的物源顯然已不占據(jù)主導地位, 硅酸鹽礦物的侵入明顯減少, 這也就可以很好解釋為何湖相中SiO2含量呈現(xiàn)低值。從這個意義上來看, 雖然這些主元素含量高低并不能代表其沉積時的化學風化強度的真實體現(xiàn), 但Al2O3、TFe、CaO、MgO、K2O和Na2O等增高, SiO2含量降低, 這種信號則是騰格里沙漠退縮的一個證據(jù)。

圖5 LDS各沉積相與騰格里沙漠南緣現(xiàn)代沙丘砂、古浪黃土的Al2O3-SiO2、TFe-Al2O3散點圖Fig.5 Plots of Al2O3versus SiO2 concentrations and TFe versus Al2O3 concentrations in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation, as well as in the Gulang loess and modern dune sands in the Tengger desert

LDS黃土的像位則與古浪黃土近乎重疊(圖 5),介于古、今風成砂與湖相沉積之間。根據(jù)對現(xiàn)代古浪綠洲氣候-沉積環(huán)境的觀察, 其毗鄰騰格里沙漠南緣, 但沙漠尚未侵入; 在夏秋季節(jié)受東亞夏季風作用, 能夠帶來一定的降水量, 使得地表植被能夠生長, 呈現(xiàn)郁郁蔥蔥的景觀, 沙丘得以固定; 冬春季節(jié)盛行偏北的冬季風, 既可搬運一些來自北部近源的騰格里沙漠的沉積物, 也可攜帶相當豐富的周邊較高海拔的黃土, 使得包括古浪綠洲在內(nèi)的河西走廊地區(qū)成為中國沙塵暴頻發(fā)地區(qū)之一[20]。而對新疆策勒綠洲的觀測和實驗也證實, 綠洲是大氣沙塵的一個主要沉積區(qū), 是高度混合的沙塵暴物質(zhì)堆積的理想場所; 在同一時間、同一高度和同一風向上的降塵量, 綠洲內(nèi)的降塵量是沙漠、戈壁地區(qū)降塵量的 3倍[21]。至此不難推測, 土門剖面LDS中黃土堆積時氣候-沉積環(huán)境應類似于現(xiàn)代古浪綠洲, 其處于亞洲夏季風的西北緣和冬季風的東南緣共同控制下的過渡性氣候-沉積環(huán)境。

古土壤的像位與湖相沉積和黃土都頗為相似,這既反映出其成壤母質(zhì)包括已沉積的湖相沉積和黃土, 也指示其氣候-沉積環(huán)境應與后兩者頗為相似。而前者似乎顯示較后兩者具有更高含量的 Al2O3和TFe和更低含量的 SiO2, 這或許跟其堆積之后的風化強度或多或少有一定關系, 但這需要未來提供更多的證據(jù)來支持。

綜上所述, 土門剖面LDS中由沙丘砂、黃土、湖相沉積以及古土壤相互疊覆構成的多旋回沉積序列實際上是騰格里沙漠多次向南擴張與向北退縮的一個縮影, 也是亞洲冬、夏季風多次盛衰更替的一個區(qū)域沉積響應。鑒于SiO2和Al2O3在LDS層段垂直方向上呈現(xiàn)相反的變化趨勢, 且兩者之和已占地球化學元素含量的 70%以上, 根據(jù)以上闡述, 在下文中將采用硅鋁比值作為指示騰格里沙漠伸縮與東亞冬、夏季風強盛的替代性指標。

3.2 LDS記錄的季風氣候變化

圖6是基于建立的LDS時間標尺(見圖2b)繪制的硅鋁比變化。結合上述, 將硅鋁率的高值作為指示東亞冬季風增強事件, 標記為“C”, 將硅鋁率的低值作為東亞冬季風減弱, 夏季風增強事件, 標記為“W”。按時間先后依次為: C5(14930～14847 a BP)、W4 (14847～13810 a BP)、C4 (13810～13620 a BP)、W3 (13620～13340 a BP)、C3 (13340～13010 a BP)、W2 (13010～12650 a BP)、C2 (12650～12050 a BP)、W1 (12050～11860 a BP)和 C1 (11860～11600 a BP)。經(jīng)統(tǒng)計, “C”事件持續(xù)時間累計1460 a, “W”事件持續(xù)時間累計1870 a, 除W4持續(xù)時間長達1120 a外, 其余長者為600 a, 短者僅為80 a。硅鋁率指示騰格里沙漠南緣在末次冰消期至少經(jīng)歷4.5次千年-百年尺度的東亞冬、夏季風交替增強過程。

LDS與GRIP冰芯和石筍所指示的氣候變化節(jié)奏非常相似(圖 6)。GRIP冰芯記錄的新仙女木(Younger Dryas)、中阿勒羅德(IACP)和古仙女木(Oldest Dryas)冷事件在LDS中分別反應為C1-C2、C3和C5; 而晚阿勒羅德(late Aller?d)、早阿勒羅德(Aller?d)和波令(B?lling)暖事件在 LDS 中分別反應為W2、W3和W4。W1暖事件表明, 本區(qū)在冷干的新仙女木階段出現(xiàn)了一次持續(xù)百年的東亞夏季風異常增強時期。該暖事件在 GRIP冰芯[22]記錄中不明顯, 但在我國石筍[24]、古里雅冰芯[25]以及黃土-沙漠過渡帶的泥炭[26]都有記錄。這或許是新仙女木時期東亞夏季風短期異常增強的氣候信號, 但確定這一短暫回暖是區(qū)域性的氣候事件還是北半球普遍存的氣候事件還需要更多材料加以證實。

圖6 LDS硅鋁比與格陵蘭GRIP冰芯氧同位素[22]和南京葫蘆洞H82石筍氧同位素[23]在末次冰消期的比較Fig.6 Comparison of the silica-sesquioxide ratios in the Tumen section with the δ18O (‰) records of Greenland ice core GRIP and Hulu Cave stalagmite H82 during the last deglaciation

基于上述對比, 認為末次冰消期騰格里沙漠南緣氣候的驅(qū)動機制與格陵蘭冰芯代表的北半球高緯度驅(qū)動機制有關。末次冰消期全球回暖過程中冰蓋消融入海產(chǎn)生大量冰山和淡水, 覆蓋大洋表層, 稀釋大洋表層海水致使 NADW(北大西洋深層水)形成減弱, 導致北大西洋溫鹽環(huán)流減弱, 致使向高緯輸送的熱量減少, 以致北大西洋周邊地區(qū)降溫, 最終誘發(fā)了北半球中高緯地區(qū)千年尺度的氣候突變事件[27–28]。同時, 本區(qū)在末次冰消期的氣候記錄也與以往東亞季風區(qū)西北緣的氣候記錄[6–10]相似, 這似乎也佐證了東亞季風區(qū)西北緣受控于同一氣候驅(qū)動機制。

4 結 論

(1) 經(jīng)對土門剖面LDS層段主要元素氧化物含量分析, 用硅鋁率高低作為冬夏季風變化指標, 劃分出本區(qū)末次冰消期經(jīng)歷了9個冬夏季風交替增強的氣候事件, 依次為: C5(14930～14847 a BP)、W4(14847～13810 a BP)、C4 (13810～13620 a BP)、W3(13620～13340 a BP)、C3 (13340～13010 a BP)、W2(13010～12650 a BP)、C2 (12650～12050 a BP)、W1(12050～11860 a BP)和 C1 (11860～11600 a BP)。

(2) 氧化物在不同沉積相的差異是冬夏季風交替主導的結果。丘砂層是冬季風增強時期的產(chǎn)物,而黃土、湖相沉積及古土壤則為夏季風增強時期的產(chǎn)物, 反應在氧化物上為SiO2與其他7種氧化物垂直方向上分別呈現(xiàn)鏡像對稱。各氧化物的鋸齒狀曲線反映出本區(qū)冬夏季風在末次冰消期時較高頻率的變化。

(3) LDS與GRIP冰芯和石筍所指示的氣候變化趨勢非常相似, 隨時間的推進均經(jīng)歷了一個溫度由升高到降低的過程。GRIP冰芯記錄的新仙女木(Younger Dryas)、中阿勒羅德(IACP)和古仙女木(Oldest Dryas)冷事件在LDS中分別反應為C1-C2、C3和C5; 而晚阿勒羅德(late Aller?d)、早阿勒羅德(Aller?d)和波令(B?lling)暖事件在 LDS中分別反應為W2、W3和W4。本區(qū)末次冰消期氣候的驅(qū)動機制可能與冰芯代表的北半球高緯度驅(qū)動機制密切相關。

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