2013, Vol. 29
2. 中国科学院大学，北京 100049;
3. 北京大学 造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871;
4. Center for Exploration Targeting, University of Western Australia, Perth 6009;
5. 陕西省略阳县铧厂沟金矿，略阳 724312
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Key Laboratory of Crustal and Orogenic Evolution, Peking University, Beijing 100871, China;
4. School of Earth and Environment, University of Western Australia, Perth, WA 6009, Australia;
5. Huachanggou Gold Mine of Lueyang County, Shaanxi Province, Lueyang 724312, China
勉略(勉县-略阳) 构造混杂带(以下简称勉略带) 是秦岭造山带内新厘定的除商丹缝合带外的另一条重要板块缝合带(图 1b)(Zhang et al., 1995; 陈衍景, 2010)。带内火山岩组成复杂，包含了洋壳蛇绿岩、岛弧火山岩、洋岛火山岩、双峰式火山岩等多种类型的岩块(夏林圻等, 1996; 李曙光等, 1996, 2003; 赖绍聪等, 1997, 1998, 2003; 许继峰, 2000; Xu et al., 2000, 2002; 张宗清等, 2005; 闫全人等, 2007)，其性质及形成时代一直是学界研究热点与争论焦点。前人多认为这些火山岩块形成于晚古生代(Zhang et al., 1995; 张国伟等, 1995, 1996, 2003；李曙光等, 1996, 2003; 赖绍聪等, 2003; 孙卫东等, 2000; 赖绍聪和秦江锋, 2010)；而近年来的同位素年代学研究支持其形成于新元古代(张宗清等, 2005; 闫全人等, 2007)，或至少存在着新元古代的火山岩块。这些争议表明勉略带岩浆及构造活动过程的复杂性。
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图 1 勉略缝合带铧厂沟金矿区火山岩地质图 (a)-秦岭造山带位置; (b)-区域地质图，指示新元古代侵入体分布及铧厂沟金矿床位置(据Dong et al., 2011修改); (c)-铧厂沟金矿床地质简图(据周振菊等，2011修改) Fig. 1 Geological map of the volcanic rocks at Huachanggou Au deposit, Mian-Lue suture (a)-tectonic map of China, showing the location of the Qinling Orogen; (b)-regional geological map, showing Neoproterozoic intrusion distribution and the location of the Huachanggou Au deposit (after Dong et al., 2011); (c)-simplified geologic map of the Huachanggou Au deposit (modified after Zhou et al., 2011) |
铧厂沟火山岩位于勉略带南缘，南秦岭微陆块与碧口地体接触断层的上盘(图 1c)，呈近东西向出露于三河口群踏坡岩片中。值得一提的是，陕西省铧厂沟金矿床(典型的造山型金矿床) 主矿体即赋存在其中的玄武岩透镜体中(周振菊等, 2011)。本文对铧厂沟火山岩进行了岩石地球化学与锆石U-Pb年龄研究，以探讨铧厂沟火山岩的地球化学特征、形成年代及构造背景。
2 火山岩地质特征铧厂沟火山岩厚度约300m，由中酸性火山岩裹挟着20多个玄武岩构造透镜体组成(图 1c)，玄武岩与中酸性岩的体积比例约为1:9。玄武岩透镜体NWW-EW向展布，长135~600m不等，长宽比约为15:1，延深(沿倾向) 大于延长(沿走向)。
玄武岩经历中浅变质(绿片岩相) 作用，呈墨绿(绿帘石化)-紫红色(含赤铁矿所致)(图 2a-c, e)，并有强烈剪切变形(图 2a, b, e)。大部分基性岩块由于后期不同程度的热液蚀变而呈黄绿色或黄色(绿泥石化、碳酸盐化及绢云母化)(图 2c)。岩石主要为变余间隐结构、变余交织结构，块状、杏仁状、斑杂状及定向构造(图 2b, d, e)。岩石中变斑晶少而小，含量在1%左右，以钠-更长石为主，伴有绢云母化。基质以板条状及糖粒状重结晶钠长石(50%)、绿帘石(20%)、绿泥石(5%) 和赤铁矿(15%)(图 2e) 等变质矿物为主，副矿物有磷灰石、金红石等。杏仁体主要由石英、绿帘石、绿泥石及方解石组成，多经强烈剪切作用而定向排列(图 2b)。玄武岩多发生绿泥石化、碳酸盐化、钠长石化、钾化、硅化、绢云母化，并伴随有金矿化而形成矿体(周振菊等，2011)。本文用于地球化学测试的样品均采用墨绿色或紫红色弱变质的岩石并剔除杏仁体后进行各项分析测试。
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图 2 铧厂沟火山岩岩相学照片 (a)-片理化玄武岩，呈紫红色及墨绿色；(b)-紫红色玄武岩呈杏仁构造，杏仁体被剪切成眼球状；(c)-中酸性火山岩与玄武岩断层接触(虚线)，二者线理方向(实线所示) 不同；(d)-玄武岩显微照片(正交偏光)，间隐结构；(e)-玄武岩显微照片(正交偏光)，岩石发生韧性变形，矿物发生细粒化，其中细粒钠长石集合体呈透镜体状分布，细粒赤铁矿与绿帘石呈条带状分布；(f)-中酸性火山岩显微照片(正交偏光)，岩石发生韧性变形，斑晶为长石和石英，基质为石英和白云母. Ab-钠长石；Cc-方解石；Ep-绿帘石；Hm-赤铁矿；Ms-白云母；Mt-磁铁矿；Pl-斜长石；Q-石英 Fig. 2 Photographs showing petrography of the Huachanggou volcanic rocks (a)-foliated basalt presents fuchsia and dark green; (b)-fuchsia basalt shows amygdaloidal structure, amygdaloid bodies were sheared to eyeball shaped; (c)-fault contact between intermediate-felsic and basalt (dashed line), the lineations of the two (showed by solid line) were different; (d)-micrograph of basalt (CPL), intersertal texture; (e)-micrograph of basalt (CPL), showing ductile deformation, grains refinement, fine-grained Ab aggregates in the lens-shaped distribution, while fine-grained Hm and Ep banded distribution; (f)-intermediate-felsic volcanic rocks experienced ductile deformation, phenocrysts are composed of Pl and Q while matrix consists Q and Ms (CPL). Ab-albite; Cc-calcite; Ep-epidote; Hm-hematite; Ms-muscovite; Mt-magnetite; Pl-plagioclase; Q-quartz |
中酸性火山岩(图 2c, f) 由中酸性凝灰质火山岩夹酸性熔岩构成。凝灰质火山岩中火山碎屑以晶屑为主，包括斜长石、钾长石、石英，棱角分明(图 2f)，基质主要由白云母及长英质矿物组成(图 2f)。岩石构造变形强烈，呈千枚状构造，可见云母定向排列与石英拉丝结构，后期静态重结晶。酸性熔岩的主要矿物有斜长石(20%~25%)、钾长石(30%)、石英(30%~35%)，斑状结构，经强烈构造变形后形成长英质糜棱岩。
玄武岩构造透镜体“右行斜列”裹挟于中酸性火山岩中(图 1c)，断层滑脱接触(图 2c)，两者均强烈面理化，且面理呈大角度相交，可能是大型剪切作用造成的。
3 样品及分析方法全岩测试样品采自矿区坑道1150中段(1150-28-2、H-1150-13、1150-28-9、1150-28-4、1150-16-7)、1110中段(1110-11) 以及矿区地表 144号勘探线附近(H-P2-7、H-P2-11、H-P2-13)。通过镜下观察，基性岩选取墨绿色或紫红色弱蚀变的样品并剔除杏仁体后进行各项分析测试，中酸性火山岩选取弱蚀变样品进行各项分析测试。主量元素采用硼酸锂/偏硼酸锂熔融，X射线荧光光谱法(XRF) 分析，精度优于0.5%。微量元素和稀土元素采用多酸(四酸) 消解，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS) 分析，相对标准偏差小于5%。岩石地球化学成分分析在澳实分析检测(广州) 有限公司完成。
为准确厘定铧厂沟矿区火山岩时代，本文分别对基性及中酸性火山岩进行了锆石U-Pb定年。用于SHRIMP锆石U-Pb定年的玄武岩样品(W-2) 采于矿区1150中段7号勘探线，岩石呈紫红色，轻微蚀变。用于LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的酸性火山岩样品(H-P4-3) 已变质为石英绢云千枚岩，采样点坐标为E：114°46′3.088″，N：33°18′29.826″。岩石经碎样、磁选及重液选等选出锆石，经人工提纯后，制成环氧树脂样品靶并抛光。利用光学显微镜及电子探针阴极发光(CL) 观察选出晶形较好的、无裂纹及包裹体不发育的锆石晶体进行测试。
锆石SHRIMP U-Pb测试在西澳大利亚大学SHRIMP II仪器上进行，其操作流程及数据处理详见Stern et al. (2009)。锆石标样采用BR266与TEMORA，数据处理采用Ludwig的SQUID 1.0与ISOPLOT 3.0 (Ludwig, 2003) 程序，文中均值为加权平均年龄(置信度为95 %)。
锆石微量元素含量和LA-ICP-MS U-Pb同位素定年在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR) 利用LA-ICP-MS分析完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005，ICP-MS为Agilent 7500a。详细的仪器操作条件和数据处理方法同Liu et al.(2010)。锆石标样采用91500。数据处理采用软件ICPMSDataCal 7.2(Liu et al., 2010) 与Isoplot 3.0(Ludwig, 2003) 完成。为减少继承铅、铅丢失等对年龄的影响，在207Pb/235Pb-206Pb/238U图中谐和度低于95%的年龄数据将不用于加权平均年龄的计算。
4 主量和微量元素地球化学 4.1 主量元素组成测试获得铧厂沟玄武岩样品的SiO2含量变化范围在43.63%~54.76%，Fe2O3T含量为8.0%~10.7%(表 1)。总体上，样品具有贫K2O (0.11%~0.28%)、TiO2(0.70%~0.92%)，富Na2O (3.61%~4.72%)、MgO (3.76%~5.71%) 的特征，Na2O>K2O。个别样品的K2O含量较高(1.03%)，其对应的Rb、Ba含量及烧失量均较高，说明个别样品高K2O含量是后期钾化的结果，而不代表原岩特征。这与野外及镜下观察到的部分样品发生绢云母化的现象(图 2d) 吻合。然而，除开这些活泼元素，其他非活泼元素如Ti、Zr、Y、Nb等高场强元素含量变化很小(即使是K2O含量较高的样品)，这些元素在热液、海底蚀变作用以及中高级变质作用条件下是稳定的(Rollinson, 1993)。因此，这些元素可以代表原岩特征。鉴于部分火山岩样品受到后期热液作用而引起的硅化、钾化等蚀变可能导致K、Rb、Sr、U等活泼元素发生变化，本文主要选用蚀变过程中的不活泼元素(Ti、Zr、Y、Nb) 进行岩石分类(Winchester and Floyd, 1977)。Zr/TiO2-Nb/Y判别图(图 3) 表明，铧厂沟玄武岩落入亚碱性玄武岩范围内。
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图 3 火山岩Zr/TiO2-Nb/Y判别图(据Winchester and Floyd, 1977) Fig. 3 Zr/TiO2-Nb/Y discrimination diagrams of the volcanic rocks (after Winchester and Floyd, 1977) |
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表 1 铧厂沟火山岩主量元素(wt%) 及微量元素(×10-6) 组成 Table 1 Major elements (wt%) and trace elements (×10-6) composition of the Huachanggou volcanic rocks |
中酸性火山岩样品的SiO2含量为59.51%~72.35%，K2O含量为2.73%~5.81%，Na2O含量低，为0.68%~2.77%，TiO2含量为0.33%~0.70%，显示高钾低钠特征。如前所述，中酸性火山岩包括了中酸性凝灰质火山岩及酸性熔岩，这种岩性岩相上的区别可能会导致主量上造成较大的差别，如SiO2成分间隔较大。在Zr/TiO2-Nb/Y判别图中，多数样品落入英安岩范围内，另有一个样品落入与安山岩交界部位(图 3)，因此，将中酸性火山岩统称为英安岩。
总体而言，铧厂沟火山岩两类岩石在岩相上迥异，地球化学成分存在着明显的成分间断(Daly间断)(Daly, 1925)，其SiO2成分间隔为54.7%~59.5%，是一套亚碱性玄武质-英安质火山岩组合。
4.2 稀土元素和微量元素地球化学玄武岩样品的稀土总量低，基本在24×10-6~29×10-6之间，稀土元素(REE) 球粒陨石标准化配分型式为中轻稀土轻微富集型(图 4a)，轻稀土元素(LREE) 与重稀土元素(HREE) 分异程度较低，(La/Yb)N值为1.81~2.87。Eu轻微正异常，δEu值为0.95~1.15，可能是由于玄武岩富钠-更长石，Eu与Ca发生类质同象进入斜长石所致。
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图 4 铧厂沟火山岩稀土及微量元素分配型式(球粒陨石和原始地幔值据Sun and McDonough, 1989) (a、b)-玄武岩；(c、d)-英安岩 Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle normalized trace element patterns of the Huachanggou volcanic rocks (data of chondrite and primitive mantle after Sun and McDonough, 1989) (a, b)-basalt; (c, d)-dacite |
铧厂沟玄武岩的Nb (1.0×10-6~1.7×10-6)、Ta (0.06×10-6~0.11×10-6)、Cr ( < 141×10-6)、Ni ( < 71.5×10-6) 含量较低，Nb/La值为0.26~0.71，La/Ta值为21.8~60，Th/Yb值为0.19~0.23，Th/Nb值为0.11~0.2，Hf/Th值为0.5~0.67。在原始地幔标准化的微量元素配分图解中，铧厂沟玄武岩显示Rb、Ba的正异常及Nb、Ta、Zr的负异常，Ti负异常不明显(图 4b)。上述特征符合大陆边缘弧玄武岩地球化学特征(Winter, 2001)，但明显有别于N-MORB。
铧厂沟英安岩稀土总量较低，一般在116×10-6~187×10-6之间。在球粒陨石标准化的稀土配分图解(图 4c) 中，样品显示出轻稀土富集，为典型的右倾型稀土配分模式。(La/Yb)N值为3.49~6.67，Eu负异常中等，δEu值为0.57~0.75。个别样品出现Ce正异常(图 4c)。
英安岩中富集Rb、Ba、K、Th等大离子亲石元素，亏损高场强元素，具有明显的Nb、Sr、P及Ti谷值(图 4d)，显示弧火山岩地球化学特征。Sr、Eu的负异常表明其源区残留了较多的斜长石，或是岩浆分离结晶作用中有大量斜长石晶出；P、Ti谷值说明岩浆可能经历了明显的含磷、钛矿物的分离结晶作用。Ta丰度为0.9×10-6~1.4×10-6，Nb丰度为9.6×10-6~12.7×10-6，Nb/La值为0.27~0.51，La/Ta值为22~39.2，Th/Yb为2.24~3.6，Th/Nb值为0.78~1.03，Hf/Th值为0.39~0.56。
5 锆石U-Pb年代学研究样品W-2锆石采自玄武岩，锆石晶体呈浅黄色-无色透明，自形短柱状，颗粒较小，粒径在10~90μm之间。根据透射光及CL图像观察，表面有少量溶蚀、碎裂现象，CL图像韵律环带清晰(图 5a)。选取了18颗锆石进行SHRIMP分析(表 2)，获得样品点的U/Th比值为0.3~1.4，结合结构特征表明其为岩浆成因。排除5颗异常高U的、谐和度小于95%的测试点后，获得其他样品点的加权平均年龄为801.7±4.7Ma (MSWD=1.18，n=12)(图 6a)。另获得一粒不含环带结构的锆石继承核年龄为2547.7±36.3Ma。
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图 5 铧厂沟火山岩锆石CL图像和测点位置 (a)-玄武岩锆石CL图；(b)-英安岩锆石CL图 Fig. 5 CL images of zircons in Huachanggou volcanic rocks and spot sit (a)-CL images of zircon grains from the basalt; (b)-CL images of zircon grains from the dacite |
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图 6 铧厂沟火山岩锆石206Pb/208Pb-207Pb/235Pb年龄谐和图及加权平均206Pb/238U年龄图 Fig. 6 Zircon U-Pb concordia plots and recalculated weighted mean 206Pb/238U ages for the Huachanggou volcanic rocks |
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表 2 玄武岩锆石SHRIMP U-Pb分析结果 Table 2 Zircon SHRIMP data of the basalt |
样品H-P4-3锆石来自英安岩，锆石晶体呈浅黄色，自形短柱状，颗粒粒径在50~120μm之间，棱角分明，部分破碎。CL图像显示韵律环带清晰(图 5b)，LA-ICP-MS分析获得其U/Th比值为0.7~1.7，为岩浆成因。选取了30颗锆石进行LA-ICP-MS U-Pb年龄测试(表 3)，其中5个分析点表现出轻稀土或Ti超量的特征，可能是由于被分析锆石包含了富LREE的磷酸盐矿物(如独居石和磷灰石) 或富Ti矿物(赖绍聪和秦江锋, 2010)。排除9个富含LREE、Ti高U以及谐和度低于95%的测试点后，获得其他测试点的加权平均年龄为802.1±5.3Ma (MSWD=1.02，n=19) (图 6b)。
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表 3 英安岩锆石LA-ICP-MS分析结果 Table 3 Zircon LA-ICP-MS data of the dacite |
总之，W-2和H-P4-3锆石年龄在误差范围内一致，暗示其可能是同时期火山活动的产物。
6 讨论 6.1 铧厂沟火山岩组合及构造背景铧厂沟玄武岩以透镜体状“右行斜列”裹挟于英安岩中，在空间上紧密联系；加之锆石年代学的研究表明二者结晶时间在误差范围内一致，这就表明了玄武岩与英安岩可能为同时期喷发产物；二者存在着明显的成分间隔。因此，二者共同构成一套玄武岩-英安岩火山岩组合。
一般而言，地幔橄榄岩派生的岩石具有高Ni (250×10-6~300×10-6)、高Cr (500×10-6~600×10-6) 的特征；随橄榄石和尖晶石、单斜辉石的分离结晶作用Ni和Cr丰度降低(Wilson, 1989)；而弧火山岩具有低的Ni、Cr元素含量，表明其不是原始岩浆。铧厂沟玄武岩与英安岩具有较低的Ni、Cr含量，类似于弧火山岩。从地球化学特征上讲，铧厂沟地区玄武岩微量元素原始地幔标准化配分图解中显示Nb、Ta、Zr负异常，同时含有较低的TiO2含量，多介于0.70%~0.92%，均暗示铧厂沟玄武岩可能形成于大陆边缘弧环境。同时，显著的地壳混染或地壳重熔是大陆边缘弧火山岩区别于岛弧火山岩的重要标志(陈衍景和富士谷, 1992；Chen, 1996; Winter, 2001)。在玄武岩锆石SHRIMP U-Pb测试结果中发现个别锆石存在太古宙的古老继承核，表明岩浆在上升过程中受到了较强的古老地壳物质混染，或者来源于古老地壳重熔，进一步暗示铧厂沟火山岩可能形成于大陆边缘弧环境。同时，英安岩原始地幔标准化分配图解亦具有强烈的Nb、Ti负异常，与大陆边缘弧岩浆的分配型式(Pearce et al., 1984) 一致。上述元素地球化学分析表明，铧厂沟火山岩形成于大陆边缘弧构造环境，与板块俯冲作用有关。
6.2 勉略带形成时代及期次勉略带内火山岩块的形成时代具有较大的争议，主要有3种观点：一种观点认为是晚古生代(487~242Ma)(Zhang et al., 1995; 张国伟等, 1995, 1996, 2003; 李曙光等, 1996, 2003; 赖绍聪等, 2003, 2010; 孙卫东等, 2000)；二是形成于新元古代(913~808Ma)(张宗清等, 2005; 闫全人等, 2007)，或至少存在着新元古代的火山活动；三是由多期构造事件叠加的构造活动带，既有印支期构造事件证据，也存在大量晋宁期强烈板块构造活动证据(张宗清等, 2005)。
铧厂沟矿区玄武岩(旧称细碧岩) 及英安岩一直以来被认为形成于古生代，并同所赋存的踏坡岩片沉积岩一起被认为是一套层序火山-沉积岩序(白忠, 1995)。笔者通过对铧厂沟玄武岩及英安岩进行锆石年代学研究表明，玄武岩形成年龄为801.7±4.7Ma，英安岩形成年龄为802.1±5.3Ma，二者均属于新元古代。最新的踏坡岩片沉积岩碎屑锆石U-Pb年龄指示其最老沉积年龄应 < 450Ma (作者未发表数据)。因此，上述火山岩与沉积岩间不协调的成岩年龄及构造接触的地质事实(图 1c) 表明，踏坡岩片是由不同时代、不同性质的岩片经构造作用堆叠形成的构造混杂岩。
6.3 大地构造意义近年来研究表明，勉略带分布着以蛇绿岩块-镁铁质岩块组成的新元古代残余洋壳、岛弧-弧前盆地火山岩组合(夏林圻等, 1996; 张宗清等, 2005; 王宗起等, 2009; 闫全人等, 2007)，表明古秦岭洋在新元古代发生了一系列的裂解、增生及俯冲事件。铧厂沟火山岩岩石地球化学特征及年代学研究进一步证明，勉略带内存在新元古代的亚碱性大陆边缘弧型玄武质-英安质火山岩组合，即存在着新元古代的大洋及其俯冲作用引起的火山弧活动。此外，在勉略带以南的扬子克拉通北缘及东北缘也发现了大量的新元古代洋岛、岛弧及大陆岩浆弧火山岩组合(图 1b)，如：碧口岛弧与横丹弧前盆地组合(Yan et al., 2003, 2004; Druschke et al., 2006; Xiao et al., 2007; 叶霖等, 2009)、西乡洋岛-弧火山岩(Ling et al., 2002; Zhou et al., 2002; Dong et al., 2011)、镇安岛弧(凌文黎等, 2002b)、耀岭河岛弧(张宏飞等, 1997; 凌文黎等, 2002a) 等。这些新元古代火山岩的形成时代略有差异，但其主体时代与本文获得的铧厂沟玄武岩及英安岩年代一致。这可以说明在新元古代曾有大洋板块自北朝南俯冲到扬子古板块北缘之下。前人研究也证明了在扬子克拉通北缘及西北缘存在着840~750Ma之间的大洋板块俯冲(Zhou et al., 2002; Dong et al., 2011)。
7 结论(1) 铧厂沟火山岩由玄武岩及英安岩组成，二者在时空上具有紧密联系。岩石地球化学特征表明二者属于低钾亚碱性弧火山岩组合。
(2) 铧厂沟玄武岩及英安岩均形成新元古代：801.7±4.7Ma及802.1±5.3Ma。结合铧厂沟地区地质及沉积岩碎屑锆石年龄，发现踏坡岩片是由不同的时期、不同性质的岩块经构造作用堆叠而成的一套构造混杂岩。勉略带应是由多期构造事件叠加的构造活动带。
(3) 地球化学和年龄结果表明，在新元古代曾有大洋板块自北朝南俯冲到扬子古板块北缘之下。
致谢 研究工作得到陈衍景教授的指导，野外工作得到西北大学张复新教授的指导和铧厂沟金矿余康伟工程师及其他同行们的大力支持，实验工作得到了中国地质大学(武汉) 胡兆初教授的指导，论文写作得到毛世东博士的帮助，李诺博士对论文做了详细修改并提出宝贵意见，两位评审人给出了很多建设性的意见，特致谢意！| [] | Bai Z. 1995. Ore-forming geological character of Huachanggou gold deposit in Shaanxi. Journal of Southwest China Institute of Technology, 10(2): 30–39. |
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