中、西太平洋海山富钴结壳碲元素地球化学特征及其资源潜力

张辉; 刘季花; 高晶晶; 崔迎春; 张颖; 白亚之; 何连花

doi:10.12284/hyxb2023079

中、西太平洋海山富钴结壳碲元素地球化学特征及其资源潜力

doi: 10.12284/hyxb2023079

张辉^{1, 2,},
刘季花^{1, 2, ,},
高晶晶^{1, 2},
崔迎春^{1, 2},
张颖^{1, 2},
白亚之^{1, 2},
何连花^{1, 2}

1.
自然资源部第一海洋研究所海洋地质与成矿作用自然资源部重点实验室，山东青岛266061
2.
崂山实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛266061

基金项目: 国家自然科学基金（40976038）；自然资源部第一海洋研究所基本科研业务费专项资金（GY02-2013G06）；崂山实验室山东省专项（2021QNLM020003-2）；国际海域资源调查与开发“十二五”规划项目（DY125-13-R-07）。

详细信息

作者简介:
张辉（1982-），女，山东省德州市人，工程师，主要从事元素地球化学和同位素地球化学研究。E-mail：zhanghui@fio.org.cn

通讯作者:
刘季花，女，研究员，主要从事海洋沉积地球化学与海底成矿资源研究。E-mail：jihliu@fio.org.cn

中图分类号: P575.3
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出版历程
- 收稿日期: 2022-03-28
- 修回日期: 2022-10-04
- 网络出版日期: 2023-06-27
- 刊出日期: 2023-06-30

Geochemical characteristics and resource potentiality evaluation of tellurium in Co-rich crusts from the Mid-West Pacific Ocean

Zhang Hui^{1, 2
,},
Liu Jihua^{1, 2
, ,},
Gao Jingjing^{1, 2},
Cui Yingchun^{1, 2},
Zhang Ying^{1, 2},
Bai Yazhi^{1, 2},
He Lianhua^{1, 2}

1.
Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny, First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China
2.
Laboratory for Marine Geology, Laoshan Laboratory, Qingdao 266061, China

摘要

摘要: 根据太平洋海山群（中太平洋海山群、莱恩海山链）和西太平洋海山群（麦哲伦海山群、马尔库斯维克海山群、马绍尔海山群）5个海山群14座海山的185个富钴结壳样品的碲元素分析测试，研究了其组成特征、空间分布规律、赋存相态及资源潜力。结果表明，研究区富钴结壳中碲元素质量分数的变化范围为17.8～145.2 μg/g，平均值为47.4 μg/g；各海山群碲元素的含量范围及区域富集程度存在较大差异，富集程度由高到低依次为麦哲伦海山群、马绍尔海山群、马尔库斯维克海山群、中太平洋海山群和莱恩海山链，区域上呈现自西向东逐渐降低的趋势。碲元素含量与水深呈径向相同、纬向相反的趋势，说明碲元素的富集不仅与结壳在海水中的产出深度有关，还与经纬度、海山地形及区域成矿环境有关。淋滤结果显示碲元素主要富集在铁氧化物及残渣态中，富氧环境和生物作用磷酸盐化对碲的富集成矿起决定性作用。参照陆地伴生有用元素最低工业品位要求，中、西太平洋研究区域海山样品富钴结壳碲元素含量均达到了工业品位要求，具有潜在的开发价值。由富钴结壳储量估算，中、西太平洋富钴结壳中碲储量大于7.63万t，是海底碲资源的重要储备基地。
- 富钴结壳 /
- 碲元素 /
- 分布规律 /
- 富集机制 /
- 资源潜力 /
- 中、西太平洋
Abstract: In this paper, 185 iron manganeses crustal samples of 14 seamounts in 5 seamount groups of the Pacific seamount group (Central Pacific seamounts, Line seamount Chain) and the Western Pacific seamount group (Magellanic seamounts, Markus−Wake seamounts, marshall seamounts) have been analyzed for tellurium, and their spatial distribution, geochemical characteristics, chemical form and resource potential have been studied. The results show that the variation range of tellurium in cobalt-rich crusts is from 17.8 μg/g to 145.2 μg/g, and the average value is 47.4 μg/g. The content range and regional enrichment degree of tellurium in each seamount are quite different. The enrichment degree in descending order is the Magellanic seamounts, Marshall seamounts, Marcus−Wake seamounts , Central Pacific seamounts and Line seamount Chain, showing a trend of gradually decreasing from west to east, and different seamount groups also show obvious regional distribution characteristics. Tellurium content and water depth profile show the same radial and opposite latitudinal trends, indicating that the enrichment of Te is not only related to the depth of crust in seawater, but also related to the longitude and latitude, seamount topography, and regional metallogenic environment. The leaching results show that tellurium is mainly enriched in iron oxides and residues, and the oxygen-rich environment and biological action of phosphorylation play a decisive role in the enrichment of tellurium. Concerning the minimum industrial grade requirements for terrestrial associated useful elements, the tellurium content in cobalt-rich crusts of seamount samples in the Mid-West Pacific Ocean study areas meets the industrial grade requirements, which has potential development value. According to the estimation of cobalt-rich crust reserves, the tellurium reserves in cobalt-rich crusts in the Mid-West Pacific Ocean are more than 76300 tons, which is an important reserve base for seafloor tellurium resources.ic
- Cobalt-rich crusts /
- tellurium element /
- spatial distribution /
- enrichment mechanism /
- resource potential /
- Mid-West Pacific Ocean

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图 1 研究区域和取样站位分布

Fig. 1 Location of study area and distribution of sample in this study

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图 2 碲元素平均值${\bar C_{\rm{Te}}}$对比分析图

Fig. 2 Comparison of average values ${\bar C_{\rm{Te}}} $ of tellurium

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图 3 碲元素含量平面分布

a, b. 麦哲伦海山群；c. 马绍尔海山群；d. 马尔库斯维克海山群；e. 中太平洋海山群；f. 莱恩海山链

Fig. 3 Horizontal distribution of tellurium content

a, b. Magellanic seamounts; c. Marshall seamounts; d. Markus-Wake seamounts; e. Central Pacific seamounts; f. Lane seamount Chain

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图 4 径向剖面A−A′和纬向剖面B−B′站位分布

Fig. 4 Station distribution of radial profile A−A′ and latitudinal profile B−B′

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图 5 A−A′剖面（a）及B−B′剖面（b）碲元素含量随水深的分布

Fig. 5 Distribution of tellurium content in A−A′ (a) and B−B′ (b) profiles with water depth

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图 6 碲元素在富钴结壳中的赋存状态分布

Fig. 6 Occurrence state and distribution of tellurium in Co−rich crusts

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图 7 元素聚类分析树形图

Fig. 7 Tree diagram of element cluster analysis

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表 1 研究区富钴结壳碲元素含量统计表

Tab. 1 Statistics of tellurium content in crust in the study area

名称	样品数	最大值/ （μg·g⁻¹）	最小值/ （μg·g⁻¹）	平均值/ （μg·g⁻¹）	标准偏差	离散系数
结壳调查区	185	145.2	17.8	47.4	19.6	0.41
麦哲伦海山群	99	108.9	18.5	53.4	17.4	0.33
MG4	39	95.0	37.4	64.0	14.3	0.22
MG5	29	73.9	42.8	53.5	7.2	0.13
MG3	13	108.9	27.5	43.9	21.5	0.49
MG2	8	70.0	27.7	41.6	13.0	0.31
MG1	10	44.2	18.5	27.8	6.8	0.25
马尔库斯维克海山群	17	96.9	27.2	47.1	21.4	0.45
MW3	1	27.2	27.2	27.2	−	−
MW1	10	87.1	27.6	47.9	19.5	0.41
MW2	6	96.9	30.3	49.1	26.4	0.54
马绍尔海山群	13	145.2	31.2	48.9	30.2	0.62
MS1	13	145.2	31.2	48.9	30.2	0.62
中太平洋海山群	19	93.9	24.2	46.0	18.3	0.40
M1	4	45.5	24.2	32.6	9.4	0.29
M2	15	93.9	24.4	49.6	18.6	0.37
莱恩海山链	37	65.6	17.8	31.8	11.0	0.35
L1	8	46.5	19.4	29.8	9.7	0.32
L2	14	65.6	18.4	36.2	10.4	0.29
L3	15	51.4	17.8	28.5	11.5	0.40
注：“−” 代表只包含一个站位数据，未计算标准偏差和离散系数。

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表 2 研究区富钴结壳主要常量、微量元素含量统计表

Tab. 2 Statistics of major and trace elements in Co−rich at crusts of the study area

海山群	海山	参数	常量元素含量/%												微量元素含量/（μg·g⁻¹）
海山群	海山	参数	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅	Co	Ni	Cu	Zn	Ba	Pb	Sr	Mo	Ce	∑REE	W	Mo	Te	Pt
马尔库斯维克海山群	MW1	最大值	18.32	1.90	3.17	26.82	33.48	2.42	4.49	4.17	0.79	1.67	0.80	0.70	0.30	908	2 746	2 131	1 722	909	1 683	3 212	103	477	87.07	1 183.00
		最小值	6.31	1.23	1.17	19.91	24.92	1.66	2.98	2.27	0.56	0.92	0.53	0.33	0.06	498	1 000	1 455	1 289	360	695	1 538	66	252	27.58	118.00
		平均值	11.62	1.54	2.06	24.55	29.63	1.95	3.54	2.63	0.69	1.15	0.65	0.47	0.13	624	1 448	1 753	1 424	556	1 108	2 113	77	312	47.88	344.86
		样品数	10	11	11	11	11	11	11	11	11	11	11	11	26	26	26	26	26	26	26	26	10	10	10	14
	MW2	最大值	18.29	2.58	3.08	27.96	38.76	2.32	7.74	3.21	0.83	2.83	0.99	0.72	0.15	756	1 600	1 993	1 550	715	1 113	1 943	155	589	96.87	617.74
		最小值	2.08	1.29	0.50	16.36	24.09	1.59	2.97	2.08	0.58	0.51	0.41	0.29	0.05	390	1 075	1 492	1 283	464	739	1 610	63	258	30.33	141.00
		平均值	11.21	1.72	2.02	23.60	29.87	1.92	3.84	2.48	0.69	1.08	0.65	0.48	0.08	499	1 255	1 840	1 436	579	861	1 771	92	366	49.07	267.50
		样品数	25	26	26	26	26	26	26	26	26	26	26	26	11	11	11	11	11	11	11	11	6	6	6	8
	MW3	最大值	19.52	1.51	2.86	26.68	24.65	1.65	2.90	2.51	0.72	0.99	0.52	0.31	0.07	514	1 200	1 587	1 441	491	815	1 689	62	238	27.16	164.00
		最小值	15.75	1.37	2.32	25.32	23.19	1.63	2.82	2.28	0.68	0.93	0.48	0.29	0.07	479	1 000	1 543	1 317	453	712	1 437	62	238	27.16	150.00
		平均值	17.64	1.44	2.59	26.00	23.92	1.64	2.86	2.40	0.70	0.96	0.50	0.30	0.07	497	1 100	1 565	1 379	472	764	1 563	62	238	27.16	157.00
		样品数	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	1	1	1	2

中太平洋海山群	M1	最大值	14.22	2.10	2.70	26.52	35.57	2.34	9.14	2.95	1.02	4.09	0.84	0.81	0.28	913	2 423	1 719	1 755	633	1 461	2 486	76	315	45.47	408.76
		最小值	5.86	1.54	1.42	18.96	26.76	1.39	3.07	2.24	0.53	0.49	0.46	0.33	0.08	495	1 270	1 379	1 159	371	920	1 704	54	249	24.18	131.00
		平均值	9.64	1.81	1.88	22.95	29.59	1.82	4.04	2.53	0.70	1.12	0.69	0.46	0.13	617	1 650	1 592	1 402	464	1 161	2 180	64	279	32.58	238.48
		样品数	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	9	4	4	4	3
	M2	最大值	14.19	5.62	2.86	29.57	36.24	2.43	19.39	2.78	0.84	9.58	1.13	0.81	0.22	774	1 950	2 145	1 600	764	1 342	2 665	505	616	93.94	784.00
		最小值	2.18	1.08	0.50	11.95	26.82	1.70	2.96	2.09	0.53	0.64	0.51	0.28	0.06	500	1 300	0	1 200	348	693	1 596	48	201	24.43	131.85
中太平洋海山群	M2	平均值	8.78	2.08	1.70	22.49	31.81	1.95	5.08	2.38	0.68	1.86	0.74	0.55	0.13	619	1 599	1 708	1 426	548	1 052	2 043	129	320	49.56	411.93
		样品数	25	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	27	16	16	15	13
麦哲伦海山群	MG3	最大值	19.08	2.95	4.86	38.99	39.35	2.64	12.33	3.21	1.42	6.36	0.95	0.73	0.26	915	2 800	2 428	1 988	628	1 630	2 989	1294	355	108.88	502.00
		最小值	5.22	1.64	1.11	19.27	23.54	1.49	2.81	1.88	0.55	0.79	0.34	0.26	0.08	515	628	1 284	628	361	762	1 523	40	179	27.46	94.60
		平均值	11.41	1.99	2.68	24.94	27.95	1.82	4.57	2.27	0.78	1.64	0.56	0.41	0.15	670	1 676	1 613	1 384	467	1 135	2 226	160	268	43.88	296.06
		样品数	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	19	13	13	13	14
	MG4	最大值	22.38	2.11	4.52	31.13	38.92	2.29	30.05	3.20	1.67	19.22	0.62	0.75	0.22	860	7 970	1 905	2 402	768	1 744	2 739	144	768	95.00	1 115.49
		最小值	0.63	0.39	0.74	9.97	18.14	0.87	2.99	0.86	0.34	0.94	0.20	0.30	0.06	506	934	0	1 173	235	591	1 415	35	235	37.44	276.75
		平均值	8.61	1.55	2.10	20.47	30.29	1.76	10.21	2.35	0.70	5.19	0.46	0.45	0.12	668	1 953	1 469	1 549	505	1 028	2 039	73	505	64.00	601.59
		样品数	39	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	40	39	40	40	39	15
	MG5	最大值	12.28	2.22	3.12	26.88	36.03	2.26	22.32	2.83	0.84	13.53	0.83	0.58	0.24	803	4 206	1 948	1 903	662	1 423	2 670	109	662	73.90	985.20
		最小值	2.22	1.11	0.93	14.75	24.69	1.13	3.74	1.50	0.46	0.93	0.28	0.28	0.07	563	1 453	1 266	1 285	332	707	1 496	24	332	42.79	330.34
		平均值	8.23	2.50	2.76	21.25	28.58	2.57	10.93	3.12	1.57	6.13	1.42	1.38	1.10	637	1 963	1 395	1 509	487	947	1 856	70	487	53.50	542.17
		样品数	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29	29

	MG1	最大值	18.74	1.97	4.05	29.10	30.08	2.29	8.20	3.30	0.85	4.21	0.72	0.63	0.17	767	1 800	1 798	1 515	572	1 176	2 364	84	314	44.15	360.00
		最小值	7.94	1.36	1.20	20.87	20.20	1.73	2.87	2.06	0.52	0.77	0.35	0.23	0.07	486	1 000	1 258	1 250	225	653	1 397	43	187	18.47	91.75
		平均值	13.85	1.67	3.20	25.29	25.05	1.94	3.74	2.43	0.72	1.30	0.47	0.39	0.11	617	1 415	1 581	1 377	429	864	1 784	64	256	27.81	206.93
		样品数	17	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	10	10	10	8
	MG2	最大值	20.76	2.26	6.23	30.51	32.39	2.06	13.12	3.14	1.81	6.28	0.64	0.53	0.24	778	2 000	1 855	1 712	654	1 344	2 580	132	496	69.97	525.00
麦哲伦海山群	MG2	最小值	5.01	1.49	1.04	20.10	16.92	1.68	2.82	2.17	0.59	0.55	0.34	0.17	0.05	449	1 100	1 136	1 000	288	547	1 187	42	135	27.74	94.10
		平均值	13.27	1.88	3.38	25.41	25.25	1.84	4.36	2.41	0.84	1.40	0.48	0.37	0.14	623	1 537	1 541	1 388	445	947	1 842	75	280	41.59	268.12
		样品数	21	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	8	8	8	11

马绍尔海山群	MS1	最大值	15.61	2.44	3.54	26.23	37.56	2.21	11.97	2.60	0.97	6.65	1.13	0.80	0.34	899	2 500	4 375	1 800	747	1 657	3 104	111	454	145.15	615.00
		最小值	3.76	1.49	0.66	18.33	25.91	1.53	3.16	1.91	0.49	0.68	0.47	0.35	0.06	543	1 200	1 159	1 311	406	744	1 263	65	228	31.16	42.70
		平均值	10.43	1.96	2.07	23.82	29.42	1.85	4.00	2.32	0.71	1.21	0.69	0.47	0.16	670	1 606	1 665	1 455	515	1 035	1 947	85	315	48.89	298.11
		样品数	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	23	13	13	13	13

莱恩海山链	L1	最大值	19.52	2.32	2.86	27.06	33.22	2.08	10.63	2.60	0.96	6.04	1.01	0.70	0.23	869	4 918	1 953	1 992	705	1 615	2 649	96	377	46.48	452.00
		最小值	4.44	1.37	0.66	20.67	23.19	1.63	2.82	2.04	0.49	0.76	0.48	0.29	0.07	479	1 000	1 066	1 317	427	654	1 201	59	229	19.41	125.00
		平均值	9.41	1.84	1.73	24.43	29.19	1.81	3.98	2.32	0.68	1.33	0.64	0.49	0.12	698	2 009	1 374	1 522	558	868	1 625	79	313	29.82	244.31
		样品数	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	16	9	9	8	12
	L2	最大值	15.56	2.08	3.85	29.99	36.77	2.62	12.18	2.64	1.06	5.40	1.07	0.95	0.23	906	3 400	2 022	1 800	799	1 671	2 751	3 071	551	65.60	520.00
		最小值	2.86	1.23	0.91	13.61	24.78	1.57	2.91	1.88	0.50	0.62	0.29	0.33	0.06	516	1300	831	1300	348	729	1388	62	252	18.35	79.80
		平均值	8.70	1.87	1.72	24.73	29.92	1.87	4.14	2.28	0.67	1.32	0.71	0.49	0.13	688	1 921	1 417	1 514	588	1016	1 975	321	374	36.21	269.33
		样品数	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	21	14	14	14	15
	L3	最大值	13.34	2.22	2.98	30.45	33.68	2.08	19.16	2.99	0.99	7.64	0.91	0.68	0.26	886	9 100	2 224	2 209	715	1 430	2 343	87	391	51.43	612.00
		最小值	5.64	1.54	0.66	20.76	23.48	1.30	2.68	1.66	0.48	0.61	0.23	0.31	0.07	516	1 300	698	1 208	425	583	1 106	35	240	17.82	105.00
		平均值	9.18	1.85	1.70	25.97	29.14	1.77	4.37	2.22	0.67	1.33	0.58	0.45	0.14	671	2 333	1 184	1 523	538	840	1 675	69	303	28.54	268.87
		样品数	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	25	15	15	15	15
注：∑REE为稀土总量。

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表 3 碲元素与主要常量、微量元素载荷矩阵

Tab. 3 Tellurium element and main element load matrix

	成分
	F1	F2	F3	F4	F5
初始特征值	5.963	3.951	1.734	1.653	1.153
方差/%	33.128	21.949	9.632	9.183	6.405
累积方差/%	33.128	55.077	64.710	73.893	80.297
Ca	0.921	−0.257	−0.098	0.131	−0.071
P	0.915	−0.276	−0.124	0.147	−0.060
Fe	−0.835	−0.176	0.084	−0.282	0.159
Si	−0.753	−0.497	0.130	0.251	0.023
Sr	0.671	0.058	−0.012	−0.485	−0.059
Pt	0.637	0.088	0.166	0.527	0.218
Ba	0.580	−0.180	0.389	−0.386	−0.141
Ti	−0.579	0.245	0.369	−0.207	0.481
Te	0.523	0.294	−0.005	0.481	0.416
Mn	0.143	0.900	−0.101	−0.073	0.111
Ni	0.042	0.893	0.133	0.116	−0.303
Co	−0.421	0.736	−0.230	−0.200	0.095
Mg	−0.448	0.670	0.159	0.341	−0.213
Na	−0.149	0.535	−0.202	0.276	0.018
Al	−0.500	−0.525	0.316	0.517	−0.090
Cu	0.015	0.081	0.902	−0.032	−0.038
Zn	0.501	0.417	0.523	−0.041	−0.259
∑REE	0.539	0.031	0.188	−0.119	0.638

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表 4 不同矿物类型碲元素含量比较

Tab. 4 Content comparison of Te elements in different mineral types

物质	碲元素含量/ （ng∙g⁻¹）	来源
中、西太平洋富钴结壳	17 820～145 150	本文
太平洋富钴结壳	13 410～115 800	文献[19]
铁锰结壳	6 000～52 000	文献[6]
海底热液硫化物	1～10 000	文献[20]
铁锰结核	5 000	文献[22]
C1球粒陨石	2 320	文献[21]
深海沉积物	1 000	文献[22]
硅酸盐	12	文献[23]
火山弧	2.3～6.2	文献[24]
洋中脊玄武岩	0.8～7.5	文献[24]
地壳	0.36～10.00	文献[25]
海水	2×10⁻¹⁴～5×10⁻¹⁴	文献[1]

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表 5 海山富钴结壳碲元素资源量估算

Tab. 5 Statistical table of Te element resources in seamount Co−rich crusts

海山	碲元素含量/(μg∙g⁻¹)	富集系数	平均值/工业品位	大于最低工业品位频率	干结壳量/10⁴t	碲金属量/t
富钴结壳调查区	47.40	47 395	23.70	100%	156 630	76 330
麦哲伦海山群	53.35	53 354	26.68	100%	79 835	42 595
马尔库斯维克海山群	47.08	47 083	23.54	100%	36 780	17 318
中太平洋海山群	45.99	45 985	22.99	100%	18 606	8 556
马绍尔海山群	48.89	48 887	24.44	100%	6 171	3 017
莱恩海山链	31.79	31 794	15.90	100%	15 236	4 844
注：*碲的工业品位为0.000 2%～0.03%^[26]，碲的地壳丰度为0.001 μg/g^[1]。

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