牟劍英,向 巍,孫學(xué)軍,文 翔,李 莎
(廣西壯族自治區(qū)地震局, 南寧 530022)
臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力指臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)本地微小地震并能夠進(jìn)行定位的能力,衡量著該區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)控范圍和監(jiān)測(cè)精度。“十五”期間,廣西新建和改擴(kuò)建了22個(gè)省級(jí)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站,全面實(shí)現(xiàn)了臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)。隨著區(qū)域測(cè)震臺(tái)站的不斷新建改造,特別是廣西“十一五”、“十二五”防震減災(zāi)重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè),廣西測(cè)震臺(tái)站數(shù)量較2010年有了大幅度的增長(zhǎng),加之?dāng)U增與鄰省周邊臺(tái)站的共享,廣西地震監(jiān)測(cè)能力得到大幅提升。
地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的大小主要取決于臺(tái)基、觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度、儀器的動(dòng)態(tài)范圍、臺(tái)網(wǎng)密度及臺(tái)網(wǎng)的合理布局等因素[1]。本文按地方性震級(jí)公式,就臺(tái)網(wǎng)布局密度、臺(tái)基背景地脈動(dòng)噪聲及最小震級(jí)指定震中距方法估算出臺(tái)網(wǎng)可監(jiān)測(cè)到的最小震級(jí),并采用基于地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)最小完整性震級(jí)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證,為科學(xué)評(píng)估臺(tái)網(wǎng)效能、滿足監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需求提供技術(shù)性依據(jù)。
廣西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)依托“十五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程廣西分項(xiàng)項(xiàng)目,新建和改擴(kuò)建了廣西22個(gè)省級(jí)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站,全面實(shí)現(xiàn)臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)。自2010年起,廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了與南寧、柳州地方臺(tái)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng),并陸續(xù)通過中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目廣西分項(xiàng)、市縣防震減災(zāi)基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目和廣西防震減災(zāi)“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目,不斷加密地震監(jiān)測(cè)站點(diǎn),進(jìn)一步優(yōu)化臺(tái)網(wǎng)布局。目前,已在全區(qū)范圍內(nèi)建成運(yùn)行114個(gè)測(cè)震臺(tái)站(含基準(zhǔn)站),其中國(guó)家級(jí)臺(tái)站5個(gè)、省級(jí)直屬臺(tái)站23個(gè)、省級(jí)區(qū)域臺(tái)站47個(gè)、企業(yè)臺(tái)站39個(gè)。為提高與鄰省交界地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力,共享周邊鄰省43個(gè)測(cè)震臺(tái)站,其中共享廣東省9個(gè)、海南省7個(gè)、湖南省4個(gè)、云南省11個(gè)、貴州省12個(gè)。2019年11月25日廣西百色市靖西市發(fā)生5.2級(jí)地震后,共享了中國(guó)援建老撾的12個(gè)測(cè)震臺(tái)站。按照“均勻分布、重點(diǎn)監(jiān)視”的臺(tái)網(wǎng)布局原則,廣西測(cè)震臺(tái)站大體均勻分布在廣西區(qū)域范圍內(nèi),高密度集中在廣西紅水河流域龍灘、巖灘、大化、大藤峽水利樞紐等大中型水庫(kù)區(qū)域和河池南丹大廠、來賓合山等礦山區(qū)域。廣西及鄰區(qū)共享測(cè)震臺(tái)站分布情況見圖1。
圖1 廣西及鄰區(qū)共享測(cè)震臺(tái)站分布圖
目前,廣西區(qū)域用于地震速報(bào)和地震編目的臺(tái)站數(shù)共90個(gè),其中區(qū)內(nèi)臺(tái)站66個(gè),較當(dāng)前區(qū)內(nèi)實(shí)際在運(yùn)行數(shù)114個(gè)少了48個(gè)。這48個(gè)臺(tái)站主要為地方企業(yè)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站和新建成基準(zhǔn)站,基于管理和試運(yùn)行問題,這些臺(tái)站目前還未納入到地震編目臺(tái)站中。當(dāng)前用于地震速報(bào)和地震編目臺(tái)站自2015年至今變化不大。
臺(tái)站觀測(cè)儀器選型配置中,桂林、憑祥、德保國(guó)家級(jí)臺(tái)站配置了CTS-1E甚寬頻地震計(jì),河池、靈山國(guó)家級(jí)臺(tái)站則配置了GL-CS120甚寬頻地震計(jì);
省級(jí)直屬臺(tái)站主要采用CMG-3EPSC寬頻帶地震計(jì),昭平、斜陽(yáng)島、全州、龍勝臺(tái)采用BBVS-60地震計(jì),平果和融安臺(tái)則采用GL-S60地震計(jì);
鳳山、博白、陸川、西林、那坡、靈山、興安、天等、靖西、鐘山、樂業(yè)等“十一五”期間新建省級(jí)區(qū)域臺(tái)站選用BBVS-60型寬頻帶地震計(jì),“十二五”期間新建或改造的省級(jí)區(qū)域臺(tái)站則選用CMG-3EPSC-120甚寬頻地震計(jì);
地方企業(yè)臺(tái)站則根據(jù)微震監(jiān)測(cè)選用FSS-3M或GL-CS短周期地震計(jì)。數(shù)據(jù)采集器均采用北京港震公司生產(chǎn)的EDAS-24IP或24GN數(shù)采。
2.1 計(jì)算原理
地震監(jiān)測(cè)能力表征著臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)地震事件的能力,由地震事件的震級(jí)大小決定。而測(cè)震臺(tái)站能監(jiān)測(cè)微小地震的能力與臺(tái)站的臺(tái)基噪聲水平有關(guān),同時(shí)受一定震中距的影響。測(cè)震臺(tái)站最小監(jiān)控震級(jí)與監(jiān)控范圍,主要通過振幅比,用量規(guī)函數(shù)反推單臺(tái)控制距離,并以4個(gè)及以上臺(tái)站共同控制的區(qū)域來估算臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)范圍。根據(jù)地方性震級(jí)公式:
式中:A為地動(dòng)位移,為兩水平方向最大地動(dòng)位移的算數(shù)平均值,單位采用μm;
R(Δ)為量規(guī)函數(shù),即震級(jí)起算函數(shù),S(Δ)為臺(tái)基校正值,S一般取0。
由于測(cè)震臺(tái)站設(shè)備為速度型地震計(jì),故需將近震級(jí)公式加以變形。
式中:V為最大速度振幅值;
T為對(duì)應(yīng)最大速度振幅的周期值,在1~20 Hz頻帶范圍內(nèi),S波速度振幅換算為位移振幅時(shí),取S波的優(yōu)勢(shì)頻率為3~5 Hz,由于區(qū)域臺(tái)網(wǎng)主要涉及近震,所以最大速度對(duì)應(yīng)周期為0.2 s,即T取0.2 s[2]。
由于現(xiàn)今測(cè)震臺(tái)網(wǎng)主要依賴地震波初動(dòng)震相到時(shí)進(jìn)行地震定位,故地震波的初動(dòng)震相信噪比相比于地震波最大振幅信噪比更為重要,高信噪比的背景地動(dòng)噪聲對(duì)地震監(jiān)測(cè)能力的提升起著重要的作用。用短、長(zhǎng)均值比(STA/LTA)方法對(duì)臺(tái)基背景噪聲值進(jìn)行變化跟蹤,一般情況下,STA值大于LTA值的2.5~3倍。如P波初動(dòng)幅度較背景地動(dòng)噪聲大2.5~3倍時(shí),可視P波初動(dòng)清晰,而S波振幅大約為P波振幅的3倍時(shí),可視S波震相清晰[3]。因此,本文將取S波速度振幅較地脈動(dòng)噪聲值6倍進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基背景地動(dòng)噪聲值,確定可觀測(cè)最小地震事件的振幅值。
因廣西數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化地震觀測(cè)后,一直沒有對(duì)廣西地區(qū)震級(jí)量規(guī)函數(shù)做進(jìn)一步的計(jì)算和驗(yàn)證,在本文計(jì)算中參照采用劉瑞豐在近震震級(jí)測(cè)定短周期的量規(guī)函數(shù)R1(Δ)[4]。
2.2 臺(tái)基噪聲計(jì)算和獲取
按照《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求第1部分:測(cè)震》(GB/T 19531.1—2004)規(guī)定要求,將1~20 Hz頻帶確定為臺(tái)基噪聲有效值頻帶范圍,同時(shí)將1/3倍頻帶濾波器在1~20 Hz觀測(cè)頻帶范圍內(nèi)由功率譜密度來計(jì)算地動(dòng)噪聲水平RMS值,并根據(jù)測(cè)震臺(tái)站環(huán)境地動(dòng)噪聲水平Enl來衡量一個(gè)臺(tái)站的等級(jí)水平。
對(duì)廣西區(qū)域已建成入網(wǎng)的114個(gè)測(cè)震臺(tái)(含基準(zhǔn)站)進(jìn)行地脈動(dòng)背景噪聲計(jì)算,數(shù)據(jù)選用臺(tái)站晚上安靜且連續(xù)6個(gè)小時(shí)沒有地震事件干擾波形段,采用童汪練研究員研制開發(fā)的噪聲計(jì)算軟件Cal-20210525C進(jìn)行計(jì)算。對(duì)未納入地震速報(bào) 的22個(gè)臺(tái)站則通過臺(tái)站勘選報(bào)告的臺(tái)基測(cè)試噪聲值獲取;
對(duì)鄰省共享的43個(gè)臺(tái)站則通過鄰省2020年測(cè)震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行年報(bào)獲取。12個(gè)老撾援建境外臺(tái)采用Ⅱ類臺(tái)基5.0×10?8均值代替。
經(jīng)計(jì)算,廣西136個(gè)測(cè)震臺(tái)站(含基準(zhǔn)站)臺(tái)基背景地動(dòng)噪聲水平等級(jí)主要為Ⅰ類、Ⅱ類臺(tái)基;
Ⅲ類臺(tái)站主要有南寧臺(tái)、欽州臺(tái)、潿洲島臺(tái)、斜陽(yáng)島臺(tái)、玉林臺(tái)、巖灘臺(tái)、龍勝臺(tái)、陸川臺(tái)、環(huán)江洛陽(yáng)基準(zhǔn)站、大樹腳臺(tái)、拉么臺(tái)和田角村臺(tái);
Ⅵ類臺(tái)基的有貴港臺(tái)、天等臺(tái)、百合臺(tái)、田東平馬基準(zhǔn)站。超出建臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)基背景噪聲值的陸川溫泉基準(zhǔn)站以深井建設(shè)觀測(cè),地表噪聲值不影響其具備Ⅱ類及以上臺(tái)基噪聲的有效監(jiān)測(cè)。臺(tái)基噪聲也并非一成不變的,不同時(shí)段的選取對(duì)結(jié)果略有影響,臺(tái)基類型的變化在一定程度上反映著臺(tái)站環(huán)境受干擾程度。
2.3 監(jiān)測(cè)能力計(jì)算
采用空間逐點(diǎn)掃描方法,對(duì)空間點(diǎn)有4個(gè)以上臺(tái)站進(jìn)行共同控制,則臺(tái)網(wǎng)對(duì)該點(diǎn)具有監(jiān)測(cè)能力,對(duì)該點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的最小震級(jí)即為該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)能力值。按0.2°間隔計(jì)算,得到當(dāng)前廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力如圖2所示,未納入地震速報(bào)的22個(gè)基準(zhǔn)站加入后的臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力見圖3。
圖2 廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力圖(169個(gè)臺(tái)站)
通過近10年來的臺(tái)站建設(shè),現(xiàn)階段全區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力基本達(dá)到ML1.4。較2010年臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力ML2.4[4]有了大幅度的提升,且局部臺(tái)站密集地區(qū)的監(jiān)測(cè)能力如大廠礦區(qū)可達(dá)到0級(jí)以上,龍灘、巖灘庫(kù)區(qū)達(dá)到ML0.5,合山礦區(qū)達(dá)到ML0.4,大化庫(kù)區(qū)達(dá)到ML0.8,大藤峽庫(kù)區(qū)達(dá)到ML0.6等(圖2)。將“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施完成臺(tái)站納入地震速報(bào)工作后廣西地震監(jiān)測(cè)能力將達(dá)到ML1.2,紅水河流域帶的監(jiān)測(cè)能力甚至可達(dá)到ML0.8(圖3)。
圖3 廣西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力圖(191個(gè)臺(tái)站)
那坡、田林、西林臺(tái),八步信都、富川麥嶺、鐘山、岑溪、昭平、陸川、博白臺(tái),龍勝臺(tái)、全州、興安臺(tái)分別加密了廣西與云南、湖南、廣東等鄰省交界區(qū)域的監(jiān)控,使得與鄰省交界50 km范圍內(nèi),云南達(dá)ML1.4,湖南達(dá)ML1.6,廣東高州、陽(yáng)江、信宜交界處達(dá)ML1.4。靖西、龍州、德保臺(tái)加密了與越南交界的監(jiān)控,使得與越南交界100 km范圍的監(jiān)測(cè)能力可達(dá)ML2.0。廣西近海區(qū)域地震監(jiān)測(cè)能力可達(dá)ML1.6,而北部灣區(qū)域達(dá)ML2.0。與貴州交界的監(jiān)測(cè)能力達(dá)ML1.2,主要為龍灘水庫(kù)高密度地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)和貴州共享臺(tái)站大部分為I類臺(tái)基所致。
所謂最小完整性震級(jí)MC是指監(jiān)測(cè)能力覆蓋時(shí)空范圍內(nèi)100%的地震事件可被檢測(cè)到的最低震級(jí),是基于現(xiàn)實(shí)地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法。最小完整性震級(jí)方法較通過臺(tái)站臺(tái)基噪聲值反推震中距最小震級(jí)方法更能真實(shí)反映臺(tái)網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)能力。最小完整性震級(jí)最初主要根據(jù)震級(jí)-頻度分布滿足古登堡—里克特G-R關(guān)系,擬合線性關(guān)系中最好一段的最小震級(jí)作為最小完整性震級(jí)。近年來,最小完整性震級(jí)發(fā)展了一些新方法,如震級(jí)-序號(hào)法、最大曲率法(MAXC)、擬合度為90%和95%的擬合優(yōu)度法(GFT)和完整性震級(jí)范圍法(EMR)等多方法綜合應(yīng)用于甘肅、遼寧、陜西、**等區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)能力時(shí)空變化分析中[5-7]。
本文采用完整性震級(jí)范圍法(EMR)對(duì)廣西最小完整性震級(jí)MC進(jìn)行計(jì)算,地震目錄選用廣西地震編目庫(kù)2008—2020年廣西及鄰區(qū)地震目錄。ML0.0以上地震11 637次,其中:0.0~0.9級(jí)5 237次、1.0~1.9級(jí)4 574次、2.0~2.9級(jí)1 639次、3.0~3.9級(jí)165次、4.0~4.9級(jí)19次、5.0~5.9級(jí)3次,地震目錄沒有剔除余震序列。采用EMR方法估算MC值,對(duì)震級(jí)高于MC的采用冪律分布,使用最大似然法估計(jì)a值和b值;
對(duì)于震級(jí)小于MC的,采用正態(tài)累積分布函數(shù)q(M|μ,σ)來描述震級(jí)M函數(shù)的檢測(cè)能力,q(M|μ,σ)表示對(duì)某一震級(jí)下檢測(cè)一次地震的概率[8]。計(jì)算公式為:
式中:μ是表示50%的地震被記錄到時(shí)對(duì)應(yīng)的震級(jí);
σ為響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)M≥MC時(shí),檢測(cè)概率為1。對(duì)MC的不確定度ΔMC采用bootstrap方法的蒙特卡洛隨機(jī)模擬估算,通過計(jì)算得到最小完整性震級(jí)MC為ML1.7(圖4)。
圖4 廣西及鄰區(qū)地震目錄最小完整性震級(jí)MC
采用0.2°×0.2°的空間網(wǎng)格,并以每個(gè)格點(diǎn)為圓心采用EMR方法進(jìn)行空間掃描。掃描最小半徑為30 km,最大半徑為100 km;
地震事件數(shù)目下限為50次;
ΔMC的bootstrap重采樣次數(shù)設(shè)定為200次。根據(jù)EMR方法計(jì)算獲得結(jié)果數(shù)據(jù)值,設(shè)置MC誤差閾值為0.6級(jí),經(jīng)繪制得到區(qū)域監(jiān)測(cè)能力圖,發(fā)現(xiàn)最小完整性震級(jí)的空間掃描結(jié)果明顯受區(qū)域地震序列影響。如龍灘庫(kù)區(qū)和平果、上林、忻城一帶震級(jí)變化梯度密值小,在ML0.6~1.6間,主要為龍灘庫(kù)區(qū)、平果果化、忻城紅渡區(qū)域小地震活動(dòng)頻繁造成;
而桂東、桂東北區(qū)域監(jiān)控震級(jí)在ML1.6~2.0間,震級(jí)變化梯度不大,主要為該區(qū)域地震少原因造成(圖5a)。
圖5 EMR方法與地噪聲推算監(jiān)測(cè)能力對(duì)比圖(90個(gè)臺(tái)站)
選用區(qū)域用于地震速報(bào)和地震編目的90個(gè)地震臺(tái)站,通過臺(tái)站臺(tái)基噪聲值反推震中距最小震級(jí)獲得區(qū)域最小監(jiān)測(cè)能力為ML1.6,空間分布上在龍灘庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)能力高,柳州至賀州一帶監(jiān)測(cè)能力較弱,明顯與臺(tái)站分布密度有關(guān)(圖5b)。90個(gè)臺(tái)站臺(tái)基噪聲值反推震中距獲得的區(qū)域監(jiān)測(cè)能力值,相比區(qū)域最小完整性震級(jí)MC值計(jì)算得到的ML1.7相差了0.1級(jí),很好地相互驗(yàn)證了結(jié)果的可信度;
相比區(qū)域114個(gè)臺(tái)站所計(jì)算獲得的ML1.4相差了0.2級(jí)。實(shí)際地震監(jiān)測(cè)中,0.1級(jí)和0.2級(jí)震級(jí)檔的差異對(duì)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)拾取影響非常大,因此數(shù)據(jù)的同平臺(tái)接入和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格管理,對(duì)臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)效能發(fā)揮著強(qiáng)有力的保障作用。同時(shí)也基于這2個(gè)差異值,為科學(xué)有效評(píng)估臺(tái)網(wǎng)可以達(dá)到和實(shí)際實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)能力提供了很好的評(píng)價(jià)依據(jù)。
“十五”項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施,廣西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的觀測(cè)。2011年起,經(jīng)“十一五”、“十二五”防震減災(zāi)基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè),廣西測(cè)震站網(wǎng)布局不斷完善優(yōu)化。測(cè)震臺(tái)站數(shù)量發(fā)展到當(dāng)前的114個(gè),并通過共享周邊鄰省臺(tái)站43個(gè)、老撾12個(gè),進(jìn)一步提升了廣西區(qū)域及鄰省交界處的地震監(jiān)測(cè)能力。全區(qū)可監(jiān)測(cè)震級(jí)下限由2010年的ML2.4[9]提升到當(dāng)前的ML1.4,鄰省交界區(qū)域監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML1.6,廣西近海50 km范圍內(nèi)達(dá)ML1.5,小區(qū)域密集臺(tái)站處的監(jiān)測(cè)能力可達(dá)到ML0.5。待“十二五”項(xiàng)目建設(shè)的測(cè)震臺(tái)站納入地震速報(bào)工作后,廣西地震監(jiān)測(cè)能力將達(dá)到ML1.2,桂西北、桂中地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML1.0,紅水河流域帶甚至可達(dá)到ML0.8。
基于現(xiàn)實(shí)地震目錄和統(tǒng)計(jì)地震學(xué)方法,采用最小完整性震級(jí)(EMR)方法計(jì)算得到廣西最小完整性震級(jí)MC為ML1.7。在同等臺(tái)站條件下,用于地震速報(bào)和地震編目的90個(gè)地震臺(tái)站計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)能力值ML1.6較MC值相差了0.1級(jí),較114個(gè)臺(tái)站所計(jì)算監(jiān)測(cè)能力值ML1.4相差了0.2級(jí),這兩個(gè)差異數(shù)值為科學(xué)有效評(píng)估臺(tái)網(wǎng)可以達(dá)到和實(shí)際實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)能力提供了很好的評(píng)價(jià)依據(jù)。
隨著城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,大中城市的人口密度越來越大,進(jìn)一步降低震級(jí)監(jiān)測(cè)能力下限,可實(shí)現(xiàn)地震速報(bào)的“有感必有報(bào)”和“又快又準(zhǔn)”,提高捕獲地震信息能力和重點(diǎn)區(qū)域微小地震識(shí)別能力,為快速準(zhǔn)確判定滑坡、 塌陷、泥石流及爆炸等非天然事件的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、大致體量提供基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)條件。不同臺(tái)站數(shù)據(jù)差異對(duì)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)拾取影響非常大,因此數(shù)據(jù)的同平臺(tái)接入和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格管理,對(duì)臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)效能發(fā)揮著強(qiáng)有力的保障作用。
致謝在此感謝論文評(píng)審專家給出的寶貴建議,同時(shí)也感謝馮健剛老師給予最小完整性震級(jí)計(jì)算軟件的支持,謝謝!
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