殼源氦氣成藏問(wèn)題及成藏模式

李玉宏;張文;王利;趙峰華;韓偉;陳高潮【摘要】氦氣作為一種稀有戰(zhàn)略資源，在工業(yè)和高科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.目前富氦氣藏中被工業(yè)利用的氦氣資源基本為殼源氦，采自天然氣.氦氣特殊的氣源條件和物理化學(xué)性質(zhì)決定其成藏過(guò)程與常規(guī)油氣有著極大的差別.根據(jù)近年來(lái)在渭河盆地氦氣調(diào)查工作中的一些困惑和思考，總結(jié)了氦氣成藏中亟待探索的3個(gè)方面:①不同氦源巖的性質(zhì)及氦源巖的有效性評(píng)價(jià);②載體氣性質(zhì)及氦氣賦存狀態(tài)對(duì)弱源氦氣運(yùn)聚過(guò)程中的影響;③氦氣直徑最小，其保存的特殊性.在此基礎(chǔ)上初步提出了氦氣成藏概念模式，認(rèn)為有效氦源巖、高效運(yùn)移通道和合適的載體氣藏是氦氣成藏的關(guān)鍵.研究結(jié)果供業(yè)內(nèi)有興趣的同行批評(píng)指正，為尋找氦氣資源提供參考和指導(dǎo).％Heliumiswidelyappliedinindustryandhigh-techfieldasakindofrareresource.Nowadays,thevastmajorityofheliumusedinindustryiscollectedfromnaturalgas,withthefeaturesofcrust-derivedhelium.Thespecialsourceandphysiochemicalpropertyofheliummaketheaccumulationfardifferentfromconventionaloilandgas.AccordingtosomeconfusionandthinkingintheresearchofheliuminWeiheBasin,weconcludethreeaspectsawaitingtobestudiedinheliumaccumulation:①thepropertiesofdifferentheliumsourcerocksandvalidityevaluation;②theinfluenceofcarriergaspropertiesandheliumoccurrenceontheaccumulationofweaksourcehelium;and③therequirementofheliumpreservationduetothesmallestsize.Onthebasisofabovediscussion,wefurtherputforwardthepreliminaryheliumaccumulationmodel,suggestingthatthekeyofheliumaccumulationareeffectiveheliumsourcerocks,efficientmigrationpathwaysandasuitablecarriergasreservoir.Theresultsprovideguidanceforheliumresourceexploration,andpeerreviewandcriticismarewelcomed.【期刊名稱】《西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)》【年（卷），期】2017（037）004【總頁(yè)數(shù)】8頁(yè)（P565-572）【關(guān)鍵詞】氦氣;成藏;弱源;賦存狀態(tài)【作者】李玉宏;張文;王利;趙峰華;韓偉;陳高潮【作者單位】中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083;中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083;中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資源評(píng)價(jià)部，北京100037;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京100083;中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054;中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安710054【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】P618氦氣是一種稀有戰(zhàn)略資源，因其化學(xué)惰性和液態(tài)低溫的性質(zhì)，在國(guó)防、航天、核工業(yè)、臨床醫(yī)學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)等高科技領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?？諝庵泻夂?jī)H5.39ppm［1］，目前工業(yè)氦氣提取自含氦天然氣，且主要為放射性成因的殼源氦。當(dāng)天然氣藏中氦的濃度達(dá)到0.05%~0.1%時(shí)，就可作為氦氣藏開采［2］。雖然美國(guó)估計(jì)世界氦氣資源量達(dá)519億方，但世界已知儲(chǔ)量?jī)H74.25億方，產(chǎn)地主要分布在美國(guó)、阿爾及利亞、俄羅斯、波蘭等國(guó)，其中美國(guó)的儲(chǔ)量和產(chǎn)量均占世界的50%以上［3-4］(表1)，其氦氣主要分布在Cliffside氣田、Hugoton氣田、Panhandle氣田、Keyes氣田和RileyRidge氣田等5個(gè)氣田［5］。當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)氦氣的需求量在以每年4%~6%的速率增加［6-8］，以目前的氦氣開采速度和2030年預(yù)計(jì)需求數(shù)量來(lái)看，氦氣每年短缺將達(dá)到1.6億方［9］。中國(guó)尚未開展系統(tǒng)的氦氣資源評(píng)價(jià)工作，資源量和儲(chǔ)量情況不明，勘查開發(fā)程度極低，可利用氦氣資源極其稀缺，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，對(duì)外依存度極高，保障程度低。目前只有四川威遠(yuǎn)氣田局部地層的天然氣中氦含量為0.218%~0.342%［10］,但該氣田開采已超過(guò)50年，接近枯竭。目前，中國(guó)需要的氦產(chǎn)品主要從美國(guó)、俄羅斯等國(guó)購(gòu)買，處于嚴(yán)重貧氦的被動(dòng)地位［11-12］，加快發(fā)現(xiàn)中國(guó)新的含氦天然氣田勢(shì)在必行。陜西渭河盆地新生界地?zé)峋邪樯鷼怙@示十分普遍。早在20世紀(jì)70年代，渭河盆地石油普查時(shí)渭深13井就曾發(fā)現(xiàn)良好的富氦天然氣顯示。近年來(lái)在渭河盆地多口地?zé)峋芯l(fā)現(xiàn)了富氦天然氣顯示，重新引起了人們對(duì)渭河盆地氦氣前景的關(guān)注［13-17］。世界上氦含量大于1%的氣藏極少，目前國(guó)內(nèi)渭河盆地之外報(bào)道氦含量大于1%的僅黃橋氣田黃淺2井、黃淺14井［2］，而渭河盆地內(nèi)63口井的氣體樣品中氦含量大于1%的31口，最高達(dá)9.23%，居世界前列，資源品位高。渭河盆地地?zé)峋樯鷼夂ね凰貫?2.06~76.0)x10-8，以殼源氦為主，富鈾釷花崗巖體為渭河盆地氦氣的主要?dú)庠磶r，氦氣含量較高井與靠近深大斷裂分布的磁性體有關(guān)［14-18］。由于氦氣藏發(fā)現(xiàn)很少，又作為烴類等天然氣藏的伴生氣產(chǎn)出，專門針對(duì)氦氣生成、運(yùn)聚、保存的氦氣成藏系統(tǒng)研究極少，且按照常規(guī)油氣地質(zhì)理論進(jìn)行的研究對(duì)氦氣的特殊性認(rèn)識(shí)不足。而氦氣的特殊性導(dǎo)致常規(guī)油氣地質(zhì)理論不能很好的解釋氦氣成藏。文中根據(jù)筆者近年來(lái)在渭河盆地氦氣調(diào)查工作中的一些困惑和思考，初步提出氦氣成藏的3方面關(guān)鍵問(wèn)題和氦氣成藏概念模式，供業(yè)內(nèi)有興趣的同行批評(píng)指正，共同證實(shí)或證偽，促進(jìn)氦氣成藏理論的發(fā)展，為尋找氦氣資源提供參考和指導(dǎo)。氦有2種穩(wěn)定同位素3He和4He，幔源、大氣源和殼源的3He/4He分別為1.1x10-5,1.4x10-6,2x10-8，可見自然界的氦以4He為主，尤其是與氦氣藏有關(guān)的殼源氦。1.1殼源氦氣源巖4He主要由238U,235U和232Th通過(guò)a衰變產(chǎn)生，其中238U和235U分別占鈾總量的99.275%和0.72%,232Th占針總量的99.995%，衰變方程和半衰期如下；T1/2=4.468*109a;;T1/2=7.1*108a;;T1/2=1.401*1010a.因此，殼源氦氣的生成與氦氣源巖的鈾釷含量和形成年齡有關(guān)，鈾釷含量越高，形成年齡越老，產(chǎn)生的氦氣量越多。U,Th等放射性元素主要來(lái)源于古老的變質(zhì)巖、混合巖和花崗巖等［22-23］。巖漿巖中鈾含量隨酸性增加而增加，基性、超基性巖鈾含量低，酸性巖含量高，花崗巖含量較高（表2）。沉積巖中鈾的平均含量接近中性侵入巖的鈾含量，粘土類含量最高，砂巖次之，碳酸鹽巖最少。變質(zhì)巖中鈾釷含量取決于原巖中的含量、變質(zhì)程度和交代作用的帶進(jìn)和帶出量［24］。前人研究認(rèn)為燕山期和印支期為主的富含U,Th等放射性元素的黑云母花崗巖或二長(zhǎng)花崗巖一一二云母花崗巖系列是中國(guó)殼源氦的重要?dú)庠磶r［25-26］。眾多學(xué)者對(duì)渭河盆地氦氣的來(lái)源進(jìn)行了定性分析。劉建朝等研究認(rèn)為，渭河盆地氦氣氣源主要與盆地基底和盆地南緣藍(lán)田一臨潼一帶分布的含鈾花崗巖體有關(guān)［18］;張林將目光聚焦到盆地南部的秦嶺北側(cè)藍(lán)田花崗巖；張雪等進(jìn)一步將盆地南緣的華山、老牛山、牧護(hù)關(guān)、翠華山、太白、寶雞等巖體和隱伏花崗巖體考慮在內(nèi)［27］。李玉宏等認(rèn)為地表及淺部花崗巖等U,Th衰變的He隨水循環(huán)進(jìn)入地下，進(jìn)一步補(bǔ)充地下花崗巖等U,Th生成的He，形成富He流體循環(huán)至載體氣藏脫出He進(jìn)入氣藏，形成富氦天然氣藏［16］。1.2氦源巖生氦強(qiáng)度根據(jù)90件樣品統(tǒng)計(jì)，北秦嶺地區(qū)各類花崗巖U、Th含量相對(duì)較高，U含量最大38.5x10-6，平均5.13x10-6,Th含量最大53.5x10-6，平均18.75x10-6（表3）。據(jù)此，按照鈾、釷全部為238U,232Th粗略計(jì)算表明（表4）,渭河盆地及鄰區(qū)花崗巖生氦強(qiáng)度僅3.1L/km3?a,其中鈾生氦量為1.62L/km3?a,釷生氦量為1.47L/km3?a.如此微弱的氦生產(chǎn)量，面對(duì)巨大的地質(zhì)體及地下水體是何等的微不足道，只能賦存于巖石和溶入地下水中，在流體循環(huán)中消耗掉，如何能夠聚集成藏？即按油氣理論難以有氦源巖達(dá)到有效源巖標(biāo)準(zhǔn)。但地質(zhì)歷史的漫長(zhǎng)導(dǎo)致氦氣生成總量又是相對(duì)巨大的，燕山期花崗巖（約150Ma）形成以來(lái)每立方千米巖體產(chǎn)生氦氣共計(jì)46x104m3,主要儲(chǔ)集層灞河組沉積后（5.3Ma）每立方千米巖體產(chǎn)生氦氣共計(jì)1.64x104m3.根據(jù)各類巖石的鈾釷含量可知，花崗巖生氦能力雖強(qiáng)于砂巖和碳酸鹽巖，但弱于頁(yè)巖，特別是富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖或烴源巖［28］。烴源巖中鈾含量遠(yuǎn)高于花崗巖，其生氦能力更高，且烴源巖中生成的氦氣具有與烴類氣一起運(yùn)移成藏的潛力。但事實(shí)是被工業(yè)利用的氦氣藏大部分與花崗巖和古老地層有關(guān)［10,29-31］,以泥頁(yè)巖為烴源巖的天然氣中并未形成廣泛的氦氣富集。如，鄂爾多斯盆地中生界油氣的主要烴源巖，三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油頁(yè)巖的鈾含量平均為35.46x10-6，釷含量平均為13.56x10-6（表3）,生氦強(qiáng)度為9.8L/km3?a,是渭河花崗巖的3倍多，但在其形成的天然氣中，氦未檢出或含量低于0.1%［32］（表5）。按照常規(guī)油氣地質(zhì)理論，氦氣有效排出、運(yùn)聚及保存條件難以達(dá)到，自然界似乎不應(yīng)該存在氦氣聚集，事實(shí)是確有富氦天然氣藏存在，并被工業(yè)利用，即常規(guī)油氣理論難以解釋氦氣成藏機(jī)制［33］。與其他流體礦床一樣，氦氣的成藏也包括物質(zhì)來(lái)源（氣源）、運(yùn)移、富集和保存等關(guān)鍵控礦因素。氦氣富集成藏是生成、運(yùn)聚、保存與散失的動(dòng)態(tài)平衡，成藏需增加供給，減緩散失，氣源強(qiáng)度是根本，運(yùn)聚與保存是關(guān)鍵。筆者認(rèn)為目前氦氣成藏中存在以下幾個(gè)問(wèn)題。2.1有效氦源巖類型油氣地質(zhì)理論認(rèn)為油氣生成過(guò)程表現(xiàn)為烴源巖演化到一定程度（溫度）后，進(jìn)入生油氣高峰，集中大量生成油氣，烴源巖內(nèi)壓力增高，突破烴源巖〃壓力封存箱”后發(fā)生大規(guī)模集中排氣［34］。但前述可知，殼源氦來(lái)自鈾釷等放射性元素衰變，地質(zhì)體中鈾釷等氦源元素豐度極低（ppm級(jí)），半衰期長(zhǎng)（數(shù)十億年以上），按油氣理論難以達(dá)到有效源巖標(biāo)準(zhǔn)，不存在集中的生氣高峰，生氣速度極低（每立方千米地質(zhì)體年生氦量以升計(jì)），難以發(fā)生突破〃壓力封存箱”的大規(guī)模集中排氣。另一方面，鈾釷元素雖然含量低，但分布廣泛，加之地質(zhì)體的巨大和地質(zhì)歷史的漫長(zhǎng)，對(duì)盆地而言的生氦總量又是巨大的，因此氦源巖具有強(qiáng)度弱、總量大的特點(diǎn)。因此，不同類型氦源巖的性質(zhì)如何？氦源巖鈾釷豐度、時(shí)代、結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素如何影響和決定其有效性，即氦源巖的有效性如何評(píng)價(jià)？建立有效氦源巖的概念和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是氦氣資源調(diào)查中急需解決的應(yīng)用基礎(chǔ)理論問(wèn)題。2.2弱源氦氣的運(yùn)聚殼源氦生氣強(qiáng)度極低，相對(duì)常規(guī)油氣為典型的弱源氣。常規(guī)油氣地質(zhì)理論認(rèn)為天然氣從烴源巖排出后，以游離態(tài)形式在浮力驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入圈閉成藏是最重要和高效的二次運(yùn)移方式。地殼中放射性衰變緩慢生成的弱源氦氣相對(duì)于巨大的地下水循環(huán)體系，難以像常規(guī)天然氣那樣形成游離態(tài)氣柱在浮力驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入圈閉形成氦氣藏，只能以地下水為載體（水溶相）進(jìn)行二次運(yùn)移、聚集成藏。集中大量生成，幕式運(yùn)移成藏的油氣運(yùn)聚系數(shù)一般僅1%~10%（天然氣更低）。緩慢生成的弱源氦氣面對(duì)巨大的地質(zhì)體及地下水循環(huán)體系，如何能克服溶解與消耗，提高運(yùn)聚系數(shù)形成氦氣藏？運(yùn)聚過(guò)程中有2點(diǎn)值得思考：①全球工業(yè)利用的氦氣均為天然氣（主要為甲烷）中的伴生氦氣，天然氣為有機(jī)氣，氦氣為無(wú)機(jī)氣，二者來(lái)源不同，但賦存于同一儲(chǔ)集空間，形成機(jī)理及相互作用關(guān)系不明。②現(xiàn)認(rèn)為氦氣有游離態(tài)和水溶態(tài)2種［17,20],其賦存狀態(tài)及其空間關(guān)系對(duì)運(yùn)聚的影響還需進(jìn)一步研究。2.3氦氣的保存氦氣是分子最小的物質(zhì)（氫氣為雙原子），直徑僅0.26納米。作為蓋層的泥頁(yè)巖的納米級(jí)，孔喉直徑遠(yuǎn)大于氦氣分子直徑，在地層壓力下泥頁(yè)巖蓋層難以封堵氦氣，也就是說(shuō)氦氣不可能在地層中保存，自然界似乎不應(yīng)該存在氦氣聚集。然而，事實(shí)是自然界雖然沒有純的氦氣藏，確實(shí)存在伴生于載體氣（甲烷等）中的富氦天然氣藏，說(shuō)明還沒有認(rèn)識(shí)到氦氣成藏和保存的特殊性。目前全球工業(yè)利用的氦氣均為天然氣（主要為甲烷）中的伴生氦氣，甲烷在鈾的富集（強(qiáng)源）、He的脫溶與保存過(guò)程中都發(fā)揮著重要作用。從初步總結(jié)的氦氣富集模式圖（圖1）來(lái)看，少量氦氣可以從地表花崗巖體中析出，溶入表層水，隨表層水下行參與水循環(huán)到地下。同時(shí)，地下水下循環(huán)更可以將地表花崗巖體氧化形成的U6+帶到地下，當(dāng)U6+在地下遇到CH4等有機(jī)質(zhì)富集的還原環(huán)境后，還原為U4+在地層中富集，形成鈾富集層（礦化），并成為氦氣的重要源巖。鈾富集層、隱伏花崗巖體、沉積地層中的鈾釷元素放射性衰變形成的殼源氦及少量幔源氦溶入含氦地下水，進(jìn)一步增加了地下水氦濃度，形成富氦地下水，進(jìn)入地下水循環(huán)系統(tǒng)，以水溶態(tài)參與地下水循環(huán)。地下水循環(huán)通道可以是斷裂，也可以是疏導(dǎo)層（孔隙），無(wú)論地下水下行還是上行，斷裂是最高效的通道，因此靠近斷裂附近也容易形成富鈾地層，富氦流體通過(guò)斷裂進(jìn)入圈閉富集的效率高，能有效減少擴(kuò)散中的消耗，提高數(shù)量有限的氦的運(yùn)聚系數(shù)。富氦地下水向上運(yùn)移過(guò)程中，隨著壓力降低，氦氣溶解度降低，同時(shí)富氦地下水遇到CH4,CO2等含氣層時(shí)，由于多組分氣體競(jìng)爭(zhēng)性溶解，氦氣被易溶的載體氣從水中置換出，大量脫溶進(jìn)入載體氣藏形成富氦天然氣藏。氦氣是自然界最小的分子，氦氣分子直徑極小（僅0.26nm），地層很難形成有效蓋層（自然界未發(fā)現(xiàn)純氦氣藏）。通過(guò)范德華力形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)等弱物理作用體是其減緩散失、有效保存的可能途徑，或水分子及水中較多的易溶載體氣大分子堵塞吼道，可阻止或減緩了氦氣散失（目前發(fā)現(xiàn)的氦氣藏均為CH4，CO2伴生氣藏）。分析認(rèn)為，由于蓋層中都充滿水，氣藏中氦的低溶解度，保障了氦的難溶于水，大大減緩了通過(guò)水循環(huán)的散失。更進(jìn)一步，如果儲(chǔ)蓋層中水的鹽度較高，可降低氦的溶解度，減緩散失。單一的氦氣藏不存在，只與甲烷等載體氣一起賦存，這不得不使我們想到，氦-甲烷（載體氣）團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是否存在？這需進(jìn)一步論證。Panhandle-Hugoton氣藏中氦濃度的不均一，可能是〃臃腫”的氦-甲烷團(tuán)簇在地層條件下運(yùn)移緩慢的例證（圖2）。該氣體儲(chǔ)層為石炭系——二疊系，古近紀(jì)時(shí)大量形成裂解氣態(tài)烴并持續(xù)運(yùn)移到潘漢得氣田，潘漢得氣田充滿后，過(guò)剩的天然氣通過(guò)潘漢得和胡果頓之間鞍部的溢出點(diǎn)開始向北運(yùn)移注入胡果頓氣田；新近紀(jì)末，由于地層抬升、區(qū)域地層壓力降低，氣藏中烴類氣體膨脹，繼續(xù)向北充注胡果頓氣田［28］。該氣田天然氣成藏期為古近紀(jì)一新近紀(jì)（南老北新），即數(shù)十到數(shù)個(gè)百萬(wàn)年以來(lái)，氦氣不斷從水中脫溶從水流上游（西側(cè)）進(jìn)入氣藏，導(dǎo)致氣藏上游氦含量偏高，但供給緩慢、易于擴(kuò)散的氦氣因長(zhǎng)期濃度擴(kuò)散應(yīng)該使差異趨于平衡，但氦氣豐度的巨大差異，表明氦在甲烷氣藏中的擴(kuò)散能力有限。富氦天然氣藏中氦氣基本為地殼中鈾、釷元素放射性產(chǎn)生的殼源氦，而地殼中鈾、釷元素的豐度低、半衰期長(zhǎng)，因此，殼源氦生氣強(qiáng)度極低，為典型的弱源氣。按照常規(guī)天然氣的成藏模式，自然界似乎不應(yīng)該存在氦氣聚集，而事實(shí)是確實(shí)存在能被工業(yè)利用的富氦天然氣藏。氦氣在其排出、運(yùn)聚和保存方面有其獨(dú)特性，存在許多亟需解決的問(wèn)題：①不同氦源巖的性質(zhì)及氦源巖的有效性評(píng)價(jià)；②載體氣性質(zhì)及氦氣賦存狀態(tài)對(duì)弱源氦氣運(yùn)聚過(guò)程中的影響；③氦氣直徑最小，其保存具特殊性。文中探索性地提出了氦氣成藏概念模式，即富鈾釷的氦源巖放射性衰變產(chǎn)生氦氣，然后溶解到地下水隨之流動(dòng)。在通過(guò)斷裂和疏導(dǎo)層運(yùn)移的過(guò)程中，隨著溫度壓力的降低，氦氣溶解度下降而脫溶。同時(shí)，富氦地下水遇到CH4,CO2等含氣層時(shí)，由于多組分氣體競(jìng)爭(zhēng)性溶解，氦氣被易溶的載體氣從水中置換出，大量脫溶進(jìn)入載體氣藏形成富氦天然氣藏。雖然氦氣分子直徑小，但當(dāng)蓋層中都充滿水，尤其是鹽水時(shí)，對(duì)氦氣具很強(qiáng)的封閉作用，同時(shí)氦-甲烷(載體氣)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)也可能是一種存在形式，〃臃腫”的團(tuán)簇有利于氦氣的保存。綜合研究后初步認(rèn)為，盆地內(nèi)形成工業(yè)氦氣藏的條件除常規(guī)天然氣氣藏的儲(chǔ)、蓋與圈閉條件外，氦氣富集成藏的3個(gè)主控因素為：有效氦源巖(花崗巖及其相關(guān)的鈾富集)、高效運(yùn)移通道(斷裂)、合適的載體氣藏(工業(yè)利用的氦氣都是天然氣伴生氣)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】MamyrinBA，TolstikhinIN.Heliumisotopesinnature[M].Amsterdam:Elsevier,1984.徐永昌，沈平，陶明信，等.東部油氣區(qū)天然氣中幔源揮發(fā)份的地球化學(xué)一一I.氦資源的新類型：沉積殼層幔源氦的工業(yè)儲(chǔ)集[J].中國(guó)科學(xué)(D輯)，1996,26(1):1-8.XUYong-chang,SHENPing,TAOMing-xin,etal.Thegeochemistryofmantle-derivedvolatilesinnaturalgasofeastoilandgasregion:I.Thenewtypeofheliumresource:them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