Structural Style and Latest Activity Analysis of the Southern Segment of the Lanliao Fault
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摘要: 兰聊断裂南段构造样式复杂,分段活动特征明显。已有学者针对兰聊断裂的研究,主要集中在范县—东明县一带,而兰聊断裂南段的构造样式与最新活动性研究匮乏。为此采用地震反射剖面与钻孔联合剖面探测方法,对兰聊断裂南段进行较系统地分析,认为兰聊断裂南段构造样式为伸展走滑断裂尾端“马尾扇”结构,其最新活动时代为中更新世中晚期,晚更新世以来未活动,中更新世最大滑动速率为0.061 mm/a,据此判断兰聊断裂南段为中更新世断裂。Abstract: The southern segment of the Lanliao Fault has a complex structural style and obvious features of segmental activity. Previous researches on the Lanliao Fault mainly focused on the Fanxian-Dongming county area, while the structural style and latest activity of the southern segment of the Lanliao Fault were lacking. In this study, the artificial seismic reflection profile and the composite drilling geological sections are used to systematically analyze the southern segment of the Lanliao Fault. It is considered that the structural style of the southern segment of the Lanliao Fault is an extensional imbricate fans (horsetail splay). Its latest active era is the middle and late Middle Pleistocene, and it is inactive since the Late Pleistocene. The maximum slip rate of the Middle Pleistocene is 0.061 mm/a. Based on this, it can be concluded that the southern segment of the Lanliao Fault is a Middle Pleistocene fault.
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引言
对地震动特征规律的分析是地震工程学科研究的主要问题 (刘启方等,2006)。近几十年来国内外发生了多次破坏性地震,对所获得地震动记录进行分析,不难看出位于发震断层附近区域内的地震动具有许多独特性质,例如竖向效应。竖向效应是指近断层区域内竖向地震作用远远超过规范所规定的值的现象,国内外众多地震的强震记录显示竖向地震峰值是水平向的1/2—2/3(Ambraseys等,2003),我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) 规定竖向地震影响系数为水平向的65%(中华人民共和国国家标准,2010),但在许多地震灾害中的近断层区域内出现了竖向地震动高于水平向地震动的现象 (冉志杰等,2012;赵国辉等,2008;周锡元等,2006;Niazi等,1991)。
中国大陆强震台网于2008年3月投入运行,在2008年5月12日汶川特大地震中获得了丰富的近断层强震记录,为相关问题的研究提供了重要的基础数据。通过对强震记录的分析发现近断层地震动竖向与水平分量之比最高达到了1.4(谢俊举等,2010;于海英等,2008)。但是已有的对于竖向效应问题的研究主要集中于对地震动动力特性的分析,关于地震动对工程结构影响的分析较少,尤其缺少对影响效应的定量分析。
本文基于此研究背景,选取汶川地震近断层强震记录为基础数据,以单自由度体系P-Δ效应为研究目标,对近断层竖向地震动所产生的P-Δ效应进行分析研究,对于工程结构的抗震问题具有一定的意义。
1. P-Δ效应的计算方法
已有研究表明,P-Δ效应产生的放大作用是竖向地震导致结构破坏的主要原因之一 (贺秋梅等,2014;刘启方等,2006)。根据结构抗震思想,大多数工程结构在进行抗震设计时都需要转化为等效的单自由度体系的叠加进行分析 (胡聿贤,2006;李宏男,2013;梁炯丰等,2013),所以本文对单自由度体系竖向地震作用下的P-Δ效应进行分析。
1.1 P-Δ效应概念描述
P-Δ效应是指体系在动力荷载作用下,由于其竖向作用使体系结构产生动力附加弯矩的过程,相当于在体系上附加了一个水平地震作用,其原理如图 1所示 (胡聿贤,2006;袁一凡等,2012)。图中m表示质量,P(t) 表示体系在某一时刻承受的水平动力荷载,F(t) 表示体系在某一时刻承受的竖向荷载,包括重力以及竖向动力荷载等。
根据其基本原理,对于地震作用下的单自由度体系,在考虑了竖向地震作用后就变成了具有2个方向自由度的双自由度体系。由于地震所产生的运动以水平运动为主,故本文分析时不考虑竖向地震作用造成的竖向相对运动,因此该体系在某一时刻承受的竖向荷载作用为重力与竖向地震作用引起的惯性力。
强震仪所获得的地震加速度以av(t) 表示,同时竖直方向以加速度向上为正、向下为负,根据其基本原理P-Δ效应等效出的水平地震作用如下式 (1) 所示:
$$ {P_0}(t) = m\left[ {g + {a_v}(t)} \right] \cdot \frac{{u(t)}}{H} $$ (1) 式中,u(t) 为体系在某时刻的位移大小,H为体系高度,P0(t) 为与竖向地震作用等效的水平地震作用。
1.2 P-Δ效应的计算方法
将P-Δ效应所产生的附加水平动力作用带入动平衡方程,则得到考虑P-Δ效应的动力平衡方程,表达如下:
$$ m\ddot u{\rm{(}}t{\rm{)}} + c\dot u{\rm{(}}t{\rm{)}} + ku{\rm{(}}t{\rm{)}} = m\; \cdot \;\left[ {g + {a_v}{\rm{(}}t{\rm{)}}} \right]\; \cdot \;\frac{{u{\rm{(}}t{\rm{)}}}}{H} + m{a_h}{\rm{(}}t{\rm{)}} $$ (2) 式中,c是单自由度体系阻尼系数,k是回复力系数,ah(t) 是水平地震加速度。
式 (2) 可以根据杜哈密积分进行简化求解,进而求得考虑P-Δ效应的单自由度体系的地震反应,从而进一步求得P-Δ效应的放大作用,具体方法为:
(1) 按照地震动力时间步利用杜哈密积分求得每一时间步时刻的水平地震作用动力反应,即得到u(ti) 与ü(ti);
(2) 根据每一时间步的水平位移按照公式 (3) 计算竖向荷载所产生的等效水平地震作用,利用杜哈密积分求解等效水平地震作用所产生的附加地震反应:ü0(ti)
$$ {\ddot u_0}({t_i}) = \left[ {g + {a_v}(t)} \right]\; \cdot \;\frac{{u(t)}}{H} $$ (3) (3) 据所计算出的水平地震反应ü(t) 与附加地震反应ü0(t),按照公式 (4) 计算P-Δ效应所产生的放大作用,式中β为效应放大系数,越大表征所产生放大作用越强。
$$ \beta = \frac{{\ddot u(t) + {{\ddot u}_0}(t)}}{{\ddot u(t)}} $$ (4) 2. 竖向地震动P-Δ效应放大作用的分析
为分析近断层竖向地震动P-Δ效应放大作用的特点,本文分别选取汶川地震中近断层与中远场强震记录,按上述方法分析计算实际地震动所产生P-Δ效应的放大系数,并与中远程强震记录对比分析。
2.1 强震数据的选取
按近断层定义,本文先选取汶川地震中发震断层附近20个强震台站的强震记录,台站的断层距小于60km,具体信息见表 1。再选取位于中远场的20个强震台站的强震记录,台站的断层距大于100km,具体信息见表 2。强震记录来源于中国地震局工程力学研究所下属的中国强震台网中心数据库。
表 1 所选取强震记录的近场台站信息Table 1. The information of near-site stations selected in the study编号 51MZQ 51JYH 51PXZ 51AXT 51JYD 51SFB 51MXN 51WCW 51MXT 51JYC 断层距/km 7.17 13.6 21.05 25.89 26.43 26.73 27.09 27.72 27.77 30.54 编号 51DXY 51DYB 51LXT 51QLY 51LXM 51PWM 51LXS 51GYZ 51BXZ 51XJD 断层距/km 31.19 34.33 46.4 49.17 49.18 51.28 51.58 55.15 57.75 59.09 表 2 所选取强震记录的中远场台站信息Table 2. The information of remote stations selected in the study编号 51HSD 51CXQ 51YAS 51JZB 62SHW 51JZZ 51TQL 51HYQ 51HYJ 51LDD 断层距/km 104.5 104.7 111.1 114.2 121.1 125.4 137.2 155.4 163 177.1 编号 51SMW 51LDL 62TSH 51SMM 51MBD 51YXX 51YXZ 51SMC 51LDS 51MNL 断层距/km 188.7 190.9 191.4 211.5 222.2 249.2 262.2 272.9 278.5 300.4 为充分表达研究目的,给出了汶川地震发震断层与所选取近断层强震台站的空间分布,如图 2所示。
2.2 P-Δ效应放大系数计算结果
对于任意台站,所获得强震记录分为水平向 (EW、NS) 与竖直向 (UD),所以任意台站可以获得2个P-Δ效应放大系数。分别计算所选取近断层与中远场强震台站记录的放大系数,并将计算结果绘制成频率直方图,如图 3所示。计算中,结合大多数工程结构的动力特点,其单自由度体系阻尼比选择为0.05,自振周期分别取1s、2s与3s。
对比近断层与中远场强震台站记录所计算出的放大系数,从整体上可以看出:对于近断层所获得的强震记录其P-Δ效应放大系数值较大,而中远场的P-Δ效应放大系数值较小;对于中远场地震动,其地震作用的水平分量本身就较弱,故其竖向地震动所产生的P-Δ效应可以忽略。因此竖向地震动所产生P-Δ效应的放大作用是近断层地震动所产生动力作用的主要特点,对于近断层地震动应分析其所产生的P-Δ效应。
2.3 放大系数的统计分析
地震动具有很强的不确定性 (Niazi等,1991),为对建筑抗震设计提供具体参考,在完成对所选取强震记录初步分析后,应对多条强震记录的初步分析结果进行统计规律分析。
基于所得到的20个近断层台站获得的强震记录,计算得到不同自振周期条件下P-Δ效应的放大系数。利用概率图工具分析放大系数服从的概率分布,如图 4所示 (自振周期为1s)。根据分析,放大系数服从正态分布。进一步计算不同自振周期单自由度体系放大系数的统计参数,计算结果如表 3所示。
表 3 放大系数的统计参数Table 3. Statistical parameter of amplification factor自振周期/s 1 2 3 均值 1.012 1.229 1.701 方差 0.002 0.014 0.063 从表 3可以看出,对于同一自振周期的单自由度体系,其放大系数的离散性较小,放大系数主要分布于均值附近,且主要受单自由度体系自振周期的影响,自振周期越大,其P-Δ效应放大系数越高。为此,可以认为,在近断层区域内,竖向地震动所产生P-Δ效应的放大作用具有普遍性,其放大作用主要受自振周期大小的影响。
3. P-Δ效应放大系数谱的建立
3.1 放大系数谱的建立思路
在近断层范围内竖向地震引起的P-Δ效应会产生普遍放大作用,其放大系数主要受自振周期的影响,因此可以参考地震动反应谱的基本思想建立P-Δ效应放大系数谱,以获得竖向地震动P-Δ效应的放大作用与体系自振周期的关系。以上分析可知,当体系自振周期一定时P-Δ效应放大系数的离散性较小,所以可以用自振周期为一定时不同台站强震记录放大系数的均值作为P-Δ效应放大系数的代表值,从而建立放大系数谱,建立步骤如下:
(1) 设定不同的自振周期,分别为Tk=0.02×k(k=1,2,…,200)。
(2) 对于所设定的不同的自振周期,分别计算每个台站地震记录的P-Δ效应放大系数,即得到βi(Tk),其表示第i个台站的强震记录在自振周期为Tk时的P-Δ效应放大系数。
(3) 当体系自振周期为Tk时,求得不同台站强震记录放大系数的均值,即u[β(Tk)],进而求得不同自振周期条件下,其放大系数的均值u[β(Tk)]。
(4) 绘制放大系数曲线,横坐标为Tk,纵坐标为u[β(Tk)],基于所得曲线利用最小二乘法拟合,得到规准化后的放大系数谱。
3.2 放大系数谱的建立
建立近断层竖向地震P-Δ效应的放大系数谱,需先求得Tk-u[β(Tk)]曲线,然后进行最小二乘拟合。为了方便工程应用,拟合函数选用线性函数进行。从Tk-u[β(Tk)]曲线中可以看出,在自振周期Tk < 2s时放大系数几乎都小于1.1,曲线趋近于一条斜率为零的直线,在自振周期Tk > 2s时放大系数β > 1.1,P-Δ效应具有明显的放大作用,β随Tk的变化趋近于单调上升的线性函数曲线,所以对放大系数规准谱曲线以Tk=2s为分界点进行分段拟合。利用最小二乘法进行分段拟合并经过简化处理得到规准化后的放大系数谱,如图 5所示。
进一步拟合放大系数谱的数学关系,其关系表达式为式 (5):
$$ \beta = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{1}}.{\rm{05}},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; {\rm{0s}}< {T_k} \le {\rm{1}}.7{\rm{s}}\\ {\rm{0}}.{\rm{6}} \times {T_k} + {\rm{0}}.{\rm{03}},\;\;\;\;{\rm{1}}.{\rm{7s}}\; < {T_k} \le {\rm{4s}} \end{array} \right. $$ (5) 此公式可为近断层区域内抗震设计问题中考虑竖向地震作用P-Δ效应的参考公式,在结构抗震设计中可以与反应谱结合使用。
4. 结语
本文以汶川大地震近断层的强震数据为基础,对近断层竖向地震动所产生的P-Δ效应进行分析,结果如下:
(1) 汶川地震中相比于中远场区域,近断层区域内竖向地震作用所产生的P-Δ效应具有明显的放大作用,并且具有普遍性。P-Δ效应放大系数主要受体系自振周期的影响,当自振周期一定时,不同地震动的放大系数服从正态分布并且离散性较小,主要分布于均值附近。
(2) 建立了放大系数随体系自振周期变化的放大系数谱,从而为结构抗震设计提供了参考依据;认为在可能发生强烈地震的活断层附近区域内,结构抗震设计过程中应该考虑竖向地震动所产生P-Δ效应引起的放大作用,放大系数按照规准后的放大系数谱曲线确定,在结构抗震设计中,放大系数谱可以与反应谱结合使用。
(3) 由于中国大陆地区强震记录数量的限制,本文仅仅选择了汶川地震的近断层强震记录;随着近断层强震数据的增多,应根据发震断层与地质构造特点,建立适用于不同区域、不同地质场地条件的放大系数谱,从而使其在工程应用中日益完善。
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图 12 伸展叠瓦扇(马尾扇)结构示意(Cabrera等,1988)
Figure 12. Schematic diagram of extensional imbricate fans (Cabrera et al., 1988)
表 1 官庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果
Table 1. Test results of age samples of the Guanzhuang composite drilling geological section
钻孔编号 样品埋深/m 地层/标志层 所处构造位置 测试类型 距今年龄/ka ZKG0314C01 20.13 层⑪(暗棕红色黏土) 上覆地层 14C 0.95±0.03 ZKG07OSL02 40.47 层⑨(棕黄色泥质粉细砂) 上覆地层 OSL 110.80±6.57 ZKG07OSL03 57.38 层⑥(棕黄色泥质粉砂) 上覆地层 OSL 136.48±7.76 ZKG06ESR01 65.79 层⑥/B5(棕黄色泥质粉砂) 上覆地层 ESR 277±30 ZKG03OSL04 69.98 层⑤/B4(棕黄色泥质粉细砂) 上覆地层 OSL 155.80±9.43 ZKG06ESR02 71.00 层④(棕黄色泥质粉细砂) 断层下盘 ESR 309±44 ZKG05ESR01 79.03 层③ (棕黄色泥质粉砂) 断层下盘 ESR 308±62 ZKG05ESR03 88.10 层②(棕色粉细砂) 断层下盘 ESR 331±56 ZKG05ESR05 98.70 层①/B2(棕黄色泥质粉砂) 断层下盘 ESR 717±71 ZKG05ESR10 119.14 层①/B1 (蓝灰色泥质粉砂) 断层下盘 ESR 776±101 表 2 官庄钻孔联合剖面主要标志层断距与沉积年龄
Table 2. Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Guanzhuang composite drilling geological section
编号 地层岩性 上盘(下降盘) 下盘(上升盘) 断距/m 距今年龄/ka 埋深/m 厚度/m 埋深/m 厚度/m B5 灰黄-棕黄色具锈黄染泥质粉砂与棕灰色淤泥韵律互层 顶界 65.49 1.74 顶界 65.16 2.35 未错断 266.50 底界 67.23 底界 67.51 未错断 281.00 B4 血红色黏土,中部夹1层棕黄色含中量锈黄染泥质粉砂 顶界 67.23 3.94 顶界 67.51 2.81 未错断 281.00 底界 71.17 底界 70.32 0.85 287.53 B3 下部为蓝灰色黏土、上部为棕红-棕色黏土 顶界 80.69 7.19 顶界 79.04 6.29 1.65 308.03 底界 87.88 底界 85.33 2.55 324.15 B2 下部为蓝灰色黏土,中、上部为棕红色黏土夹棕黄色蓝灰染泥质粉砂 顶界 100.18 3.52 顶界 97.39 3.32 2.79 640.67 底界 103.7 底界 100.71 2.99 722.74 B1 蓝灰色黏土、棕色具蓝灰染黏土夹蓝灰色泥质粉砂 顶界 121.61 4.38 顶界 117.47 3.78 4.14 770.63 底界 125.99 底界 121.25 4.74 782.03 表 3 官庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移与平均滑动速率
Table 3. Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Guanzhuang section
层段 沉积年龄/ka BP 时段长/ka 各时段垂直位移/m 平均滑动速率/
mm·a−1地质年代 B4顶界之上 281.00 281.00 0 0 中更新世末期以来 B4顶界至B3顶界 281.00~308.03 27.03 1.65 0.061 中更新世晚期 B3顶界至B2顶界 308.03~640.67 332.64 1.14 0.003 中更新世中期 B2顶界至B1底界 640.67~782.03 141.36 1.95 0.014 中更新世早期 表 4 孔庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果
Table 4. Test results of age samples of the Kongzhuang composite drilling geological section
钻孔编号 样品埋深/m 地层/标志层 所处构造位置 测试类型 距今年龄/ka ZKK03OSL06 58.47 层⑥ 上覆地层 OSL 248.09±14.01 ZKK03ESR01 79.59 层⑤ 断层上盘 ESR 372±48 ZKK0414C01 22.11 层⑨ 上覆地层 14C 10.67±0.03 ZKK05ESR02 117.45 层① 断层下盘 ESR 721±72 ZKK06OSL03 57.78 层⑥ 上覆地层 OSL 221.57±12.88 ZKK06OSL05 66.53 层⑥ 上覆地层 OSL 294.71±16.50 ZKK06 ESR-1 70.53 层⑤ 断层下盘 ESR 311±62 ZKK06ESR03 86.95 层③ 断层下盘 ESR 382±48 表 5 孔庄钻孔联合剖面主要标志层断距及沉积年龄
Table 5. Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Kongzhuang composite drilling geological section
编号 地层岩性 上盘(下降盘) 下盘(上升盘) 断距/m 距今年龄/ka 埋深/m 厚度/m 埋深/m 厚度/m B6 棕红色黏土-浅绿黄色粉质黏土 顶界 62.08 1.67 顶界 62.08 1.67 0 257.4 底界 63.75 底界 63.75 0 271.3 B5 棕红色含钙核黏土-棕黄色泥质粉细砂-棕红色黏土 顶界 69.71 4.25 顶界 69.41 4.06 0.30 312.7 底界 73.96 底界 73.47 0.49 338.1 B4 棕红色含钙核粉质黏土-黄棕色泥质粉细砂 顶界 79.75 2.90 顶界 78.86 3.04 0.89 373.5 底界 82.65 底界 81.90 0.75 401.1 B3 棕黄、灰黄色细砂、泥质粉细砂-棕红、棕黄色含蓝灰染(粉质)黏土 顶界 93.49 6.49 顶界 91.69 5.58 1.80 490.1 底界 99.98 底界 97.27 2.71 540.8 B2 棕红色含蓝灰染含铁锰核黏土与棕黄色含锈黄蓝灰染泥质粉细砂互层 顶界 109.14 2.51 顶界 106.13 2.54 3.01 621.4 底界 111.65 底界 108.67 2.98 644.5 B1 棕色含蓝灰染黏土与黄棕色含蓝灰锈黄染含泥质粉细砂互层 顶界 122.47 2.06 顶界 118.45 1.60 4.02 727.3 底界 124.53 底界 120.05 4.48 737.3 表 6 孔庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移及平均滑动速率
Table 6. Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Kongzhuang section
层段 沉积年龄/ka BP 时段长/ka 各时段垂直位移/m 平均滑动速率/
mm·a−1地质年代 B6底界之上 271.3 271.3 0 0 中更新世晚期以来 B6底界至B5顶界 271.3~312.7 41.4 0.30 0.007 中更新世晚期 B5顶界至B1底界 312.7~737.3 424.6 4.18 0.010 中更新世早、中期 表 7 北宋庄钻孔联合剖面年龄样品测试结果
Table 7. Test results of age samples of the Beisongzhuang composite drilling geological section
钻孔编号 样品埋深/m 地层/标志层 所处构造位置 测试类型 距今年龄/ka ZKS05-OSL01 21.03 层⑯(泥质细砂) 上覆地层 OSL 23.24±1.67 ZKS06-OSL01 50.48 层⑪(黄棕色细砂) 上覆地层 OSL 122.08±9.96 ZKS06-ESR01 60.14 层⑩(黄棕色泥质粉砂) 上覆地层 ESR 328±32 ZKS02-ESR03 91.24 层⑥/B5(棕黄色泥质粉细砂) 上覆地层 ESR 451±46 ZKS07-ESR04 93.73 层⑥/B5 (黄棕色泥质粉砂) 上覆地层 ESR 588±58 ZKS07-ESR05 103.89 层④(棕黄色泥质粉砂) 断层上盘 ESR 642±64 ZKS07-ESR07 118.31 层③/B3(黄棕色泥质粉砂) 断层下盘 ESR 799±160 ZKS02-ESR05 131.81 层①(黄棕色泥质粉砂) 断层下盘 ESR 848±170 表 8 北宋庄钻孔联合剖面主要标志层断距与沉积年龄
Table 8. Fault throw and sedimentary age table of marker layers in the Beisongzhuang composite drilling geological section
编号 地层岩性 上盘(下降盘) 下盘(上升盘) 断距/m 距今年龄/ka 埋深/m 厚度/m 埋深/m 厚度/m B5 棕色细中粒砂-黄棕色泥质粉砂与棕红色黏土互层 顶界 92.55 10.03 顶界 91.88 未错断 577.31 底界 102.58 底界 102.63 未错断 634.58 B4 棕黄色泥质粉砂(或棕色中细砂)-较厚的浅棕红色黏土 顶界 104.34 2.76 顶界 103.27 2.45 1.07 646.09 底界 107.1 底界 105.72 1.38 671.18 B3 棕红色具蓝灰染黏土与黄棕色泥质粉砂互层,顶部为蓝灰色黏土 顶界 118.23 4.47 顶界 116.27 3.85 1.96 772.36 底界 122.7 底界 120.12 2.58 805.46 B2 黄棕色泥质粉砂-蓝灰色黏土 顶界 124.05 1.92 顶界 121.90 2.49 2.15 811.82 底界 125.97 底界 124.39 1.58 820.71 B1 蓝灰色泥质粉砂-棕红色黏土 顶界 130.33 1.30 顶界 127.43 1.89 2.90 832.36 底界 131.63 底界 129.32 2.31 839.11 表 9 北宋庄钻孔联合剖面第四纪不同时期断层垂直位移与平均滑动速率
Table 9. Vertical displacement and average slip rate of faults in different periods in Beisongzhuang section
层段 沉积年龄/ka BP 时段长/ka 各时段垂直位移/m 平均滑动速率/
mm·a−1地质年代 B5底界之上 634.58 634.58 0 0 中更新世中期以来 B5底界至B4底界 634.58~671.18 36.60 1.38 0.038 中更新世早中期 B4底界至B3顶界 671.18~772.36 101.18 0.58 0.006 中更新世早期 B3顶界至B1底界 772.36~839.11 66.75 0.35 0.005 早更新世晚期 -
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