Karte der letzten Gebirgsbildungen, die die geologischen Provinzen der Erde beeinflusst haben

Orogenese ( / ɒˈrɒdʒəni / ) ist ein Gebirgsbildungsprozess , der an konvergenten Plattengrenzen stattfindet, wenn die Plattenbewegung die Plattengrenze komprimiert. Ein Gebirgsgürtel oder Orogen entsteht , indem die komprimierte Platte sich verformt und angehoben wird, wodurch ein oder mehrere Gebirgszüge entstehen . Dies umfasst eine Reihe geologischer Prozesse, die zusammenfassend als Orogenese bezeichnet werden . Dazu gehören sowohl die strukturelle Deformation der bestehenden kontinentalen Kruste als auch die Bildung neuer kontinentaler Kruste durch Vulkanismus . Aufsteigendes Magma im Orogen transportiert weniger dichtes Material nach oben, während dichteres Material zurückbleibt, was zu einer Zusammensetzungsdifferenzierung der Lithosphäre ( Erdkruste und oberster Erdmantel ) führt. [ 1 ] [ 2 ] Ein synorogener (oder synkinematischer ) Prozess oder ein Ereignis ist ein solcher, der während einer Orogenese auftritt. [ 3 ]

Das Wort Orogenese stammt aus dem Altgriechischen ὄρος ( óros ) „ Berg “ und γένεσις ( génesis ) „ Schöpfung, Ursprung “ . [ 4 ] Obwohl der Begriff bereits vor ihm verwendet wurde, prägte der amerikanische Geologe G. K. Gilbert 1890 die Bedeutung des Gebirgsbildungsprozesses, im Gegensatz zur Epirogenese . [ 5 ]

Tektonik

Subduktion einer ozeanischen Platte unter eine kontinentale Platte zur Bildung eines Akkretionsorogens (Beispiel: die Anden )
Kontinentale Kollision zweier Kontinentalplatten führt zur Bildung eines Kollisionsgebirges. Typischerweise wird kontinentale Kruste bis in lithosphärische Tiefen subduziert, wo sie eine Metamorphose in Blauschiefer- bis Eklogitfazies durchläuft, und anschließend entlang desselben Subduktionskanals wieder exhumiert. (Beispiel: Himalaya )

Orogenese findet an den konvergierenden Rändern von Kontinenten statt. Die Konvergenz kann in Form von Subduktion (bei der ein Kontinent mit Kraft über eine ozeanische Platte gleitet und eine nichtkollisionale Orogenese bildet) oder Kontinentalkollision (Konvergenz von zwei oder mehr Kontinenten zur Bildung einer kollisionalen Orogenese) erfolgen. [ 6 ] [ 7 ]

Orogenese führt typischerweise zur Bildung von Orogenen , langgestreckten Deformationszonen, die an kontinentale Kratone (das stabile Innere der Kontinente) angrenzen . Junge Orogene, in denen noch Subduktion stattfindet, zeichnen sich durch häufige vulkanische Aktivität und Erdbeben aus . Ältere Orogene sind typischerweise stark erodiert , wodurch verschobene und deformierte Gesteinsschichten freigelegt werden . Diese sind oft hochgradig metamorphosiert und enthalten ausgedehnte Körper intrusiver magmatischer Gesteine , sogenannte Batholithe . [ 8 ]

Subduktionszonen verbrauchen ozeanische Kruste , verdicken die Lithosphäre und verursachen Erdbeben und Vulkanismus. Nicht alle Subduktionszonen führen zur Bildung von Gebirgszügen; Gebirgsbildung findet nur dann statt, wenn die Subduktion Kompression in der überfahrenden Platte bewirkt. Ob Subduktion Kompression erzeugt, hängt von Faktoren wie der Geschwindigkeit der Plattenkonvergenz und dem Kopplungsgrad der beiden Platten ab [ 9 ] , wobei der Kopplungsgrad wiederum von Faktoren wie dem Subduktionswinkel und der Sedimentationsrate im mit der Subduktionszone verbundenen Tiefseegraben beeinflusst werden kann. Die Anden sind ein Beispiel für einen nichtkollisionalen Gebirgszug; solche Gebirgszüge werden auch als Anden-Orogene bezeichnet [ 10 ] .

Mit fortschreitender Subduktion können sich Inselbögen , Kontinentalfragmente und ozeanisches Material allmählich an den Kontinentalrand anlagern. Dies ist einer der Hauptmechanismen des Kontinentwachstums. Ein Gebirge, das aus Krustenfragmenten ( Terranen ) besteht, die sich über einen langen Zeitraum ohne Anzeichen einer größeren Kontinent-Kontinent-Kollision angelagert haben, wird als Akkretionsgebirge bezeichnet. Die nordamerikanische Kordillere und das Lachlan-Gebirge im Südosten Australiens sind Beispiele für Akkretionsgebirge. [ 11 ]

Die Gebirgsbildung kann damit gipfeln, dass kontinentale Kruste von der gegenüberliegenden Seite der subduzierenden ozeanischen Platte die Subduktionszone erreicht. Dies beendet die Subduktion und wandelt das Akkretionsgebirge in ein Kollisionsgebirge vom Himalaya- Typ um. [ 12 ] Die Kollisionsgebirgsbildung kann extrem hohe Gebirge hervorbringen, wie es im Himalaya in den letzten 65 Millionen Jahren der Fall war. [ 13 ]

Die Prozesse der Gebirgsbildung können sich über mehrere zehn Millionen Jahre erstrecken und aus einstigen Sedimentbecken Gebirge entstehen lassen . [ 8 ] Die Aktivität entlang eines Gebirgsgürtels kann extrem lang anhalten. So gehört beispielsweise ein Großteil des Grundgebirges unter den Vereinigten Staaten zu den transkontinentalen proterozoischen Provinzen, die sich im Paläoproterozoikum über einen Zeitraum von 200 Millionen Jahren an Laurentia (das Urgebiet Nordamerikas) anlagerten . [ 14 ] Die Yavapai- und Mazatzal-Gebirgsbildungen markierten Höhepunkte der Gebirgsbildung in dieser Zeit. Sie waren Teil einer längeren Periode gebirgsbildender Aktivität, die die Picuris-Gebirgsbildung umfasste und in der Grenville-Gebirgsbildung gipfelte . Diese Periode dauerte mindestens 600 Millionen Jahre. [ 15 ] Eine ähnliche Abfolge von Gebirgsbildungen ereignete sich an der Westküste Nordamerikas. Sie begann im späten Devon (vor etwa 380 Millionen Jahren) mit der Antler-Orogenese , setzte sich mit der Sonoma-Orogenese und der Sevier-Orogenese fort und gipfelte in der Laramide-Orogenese . Allein die Laramide-Orogenese dauerte 40 Millionen Jahre, von vor 75 Millionen bis vor 35 Millionen Jahren. [ 16 ]

Intraplattenorogenese

Von Plattengrenzen übertragene Spannungen können auch zu Phasen intrakontinentaler transpressiver Orogenese führen. Beispiele hierfür in Australien sind die neoproterozoische Petermann-Orogenese (630–520 Ma) [ 17 ] [ 18 ] und die Sprigg-Orogenese ( Miozän bis heute) [ 19 ] [ 20 ] .

Orogene

Das Vorlandbeckensystem

Orogene weisen eine große Bandbreite an Merkmalen auf [ 21 ] [ 22 ] , lassen sich aber grob in Kollisionsorogene und nichtkollisionale Orogene (Orogene vom Andentyp) unterteilen. Kollisionsorogene können weiter danach differenziert werden, ob die Kollision mit einem zweiten Kontinent, einem Kontinentalfragment oder einem Inselbogen erfolgt. Wiederholte Kollisionen des letztgenannten Typs, ohne Anzeichen einer Kollision mit einem größeren Kontinent oder der Schließung eines Ozeanbeckens, führen zu einem Akkretionsorogen. Beispiele für Orogene, die durch die Kollision eines Inselbogens mit einem Kontinent entstanden sind, sind Taiwan und die Kollision Australiens mit dem Banda- Bogen [ 23 ] . Orogene, die durch Kontinent-Kontinent-Kollisionen entstehen, lassen sich in solche mit Ozeanschließung (Orogene vom Himalaya-Typ) und solche mit streifenden Kollisionen ohne Ozeanbeckenschließung (wie sie heute in den Südalpen Neuseelands stattfinden) unterteilen [ 7 ] .

Orogene weisen eine charakteristische Struktur auf, die jedoch erheblichen Variationen unterliegt. [ 7 ] Vor dem Orogen bildet sich ein Vorlandbecken, hauptsächlich aufgrund der Belastung und der daraus resultierenden Biegung der Lithosphäre durch den sich entwickelnden Gebirgszug. Ein typisches Vorlandbecken ist unterteilt in ein Keilbecken oberhalb des aktiven orogenen Keils, die unmittelbar hinter der aktiven Front liegende Vortiefe, einen durch Biegung entstandenen Vorwölbungsbereich und einen dahinter liegenden Rückwölbungsbereich, wobei nicht alle diese Bereiche in allen Vorlandbeckensystemen vorhanden sind. [ 24 ] Das Becken wandert mit der orogenen Front, und früh abgelagerte Vorlandbeckensedimente werden zunehmend in Faltung und Überschiebung einbezogen. Die im Vorlandbecken abgelagerten Sedimente stammen hauptsächlich aus der Erosion der aktiv gehobenen Gesteine ​​des Gebirges, obwohl einige Sedimente auch aus dem Vorland selbst stammen. Die Füllung vieler solcher Becken zeigt einen zeitlichen Wandel von Tiefwassersedimenten ( Flysch -Typ) über Flachwassersedimente zu kontinentalen Sedimenten ( Molasse -Typ). [ 25 ]

Während aktive Orogene an den Rändern heutiger Kontinente zu finden sind, werden ältere inaktive Orogene, wie die Algoman-Orogenese [ 26 ] , die Penokean-Orogenese [ 27 ] und die Antler-Orogenese , durch deformierte und metamorphe Gesteine ​​mit weiter landeinwärts gelegenen Sedimentbecken repräsentiert. [ 28 ]

Orogener Zyklus

Lange vor der Anerkennung der Plattentektonik hatten Geologen in vielen Gebirgen Hinweise auf wiederholte Zyklen von Ablagerung, Deformation, Krustenverdickung und Gebirgsbildung sowie Krustenverdünnung zur Bildung neuer Ablagerungsbecken gefunden. Diese Zyklen wurden als orogene Zyklen bezeichnet , und es wurden verschiedene Theorien zu ihrer Erklärung aufgestellt. Der kanadische Geologe Tuzo Wilson legte als Erster eine plattentektonische Interpretation der orogenen Zyklen vor, die heute als Wilson-Zyklen bekannt ist. Wilson postulierte, dass orogene Zyklen die periodische Öffnung und Schließung eines Ozeanbeckens darstellen, wobei jede Phase des Prozesses ihre charakteristische Spur in den Gesteinen des Gebirges hinterlässt. [ 29 ]

Kontinentales Grabenbruch

Der Wilson-Zyklus beginnt, wenn zuvor stabile kontinentale Kruste durch eine Veränderung der Mantelkonvektion unter Spannung gerät . Es kommt zu kontinentalem Rifting , wodurch die Kruste verdünnt wird und Becken entstehen, in denen sich Sedimente ablagern. Mit zunehmender Vertiefung der Becken dringt der Ozean in die Riftzone ein, und wenn die kontinentale Kruste vollständig auseinanderbricht, weicht die flachmarine Sedimentation der tiefmarinen Sedimentation auf der verdünnten Randkruste der beiden Kontinente. [ 30 ] [ 29 ]

Meeresbodenausbreitung

Mit dem Auseinanderdriften der beiden Kontinente beginnt die Meeresbodenausbreitung entlang der Achse eines neuen Ozeanbeckens. Tiefseesedimente lagern sich weiterhin entlang der ausgedünnten Kontinentalränder ab, die nun passive Kontinentalränder sind . [ 30 ] [ 29 ]

Subduktion

Irgendwann setzt die Subduktion an einem oder beiden Kontinentalrändern des Ozeanbeckens ein, wodurch ein vulkanischer Bogen und möglicherweise ein andiner Orogen entlang dieses Kontinentalrandes entsteht. Dies führt zu einer Deformation der Kontinentalränder und möglicherweise zu einer Verdickung der Erdkruste und Gebirgsbildung. [ 30 ] [ 29 ]

Gebirgsbildung

Ein Beispiel für die oberflächennahe Deformation ( Überschiebung ) der Sevier-Orogenese in Montana . Der weiße Madison-Kalkstein wiederholt sich, mit einem Beispiel im Vordergrund (das sich mit zunehmender Entfernung verjüngt) und einem weiteren in der oberen rechten Ecke und am oberen Bildrand.
Sierra Nevada (eine Folge von Delamination ), gesehen von der Internationalen Raumstation

Die Gebirgsbildung in Orogenen ist größtenteils eine Folge der Krustenverdickung. Die durch die Plattenkonvergenz erzeugten Kompressionskräfte führen zu einer umfassenden Deformation der Kruste am Kontinentalrand ( Überschiebungstektonik ). [ 31 ] Dies äußert sich in der Faltung der duktilen tieferen Kruste und in Überschiebungen der darüber liegenden spröden Kruste. [ 32 ]

Die Verdickung der Erdkruste führt durch das Prinzip der Isostasie zur Gebirgsbildung . [ 33 ] Isostasie ist das Gleichgewicht zwischen der nach unten wirkenden Gravitationskraft auf ein aufgeschobenes Gebirge (bestehend aus leichtem, kontinentalem Krustenmaterial ) und den nach oben wirkenden Auftriebskräften des darunter liegenden dichten Mantels . [ 34 ]

Teile von Orogenen können auch durch die Delamination der orogenen Lithosphäre angehoben werden . Dabei sinkt ein instabiler Teil der kalten lithosphärischen Wurzel in den asthenosphärischen Mantel ab, wodurch die Dichte der Lithosphäre abnimmt und es zu einer Auftriebshebung kommt. [ 35 ] Ein Beispiel hierfür ist die Sierra Nevada in Kalifornien. Diese Gebirgskette aus Bruchschollen [ 36 ] erfuhr nach der Delamination der darunter liegenden orogenen Wurzel eine erneute Hebung und einen starken Magmatismus. [ 35 ] [ 37 ]

Mount Rundle , Banff, Alberta

Der Mount Rundle am Trans-Canada Highway zwischen Banff und Canmore ist ein klassisches Beispiel für einen Berg, der aus geneigten Gesteinsschichten entstanden ist. Vor Millionen von Jahren verursachte eine Kollision eine Gebirgsbildung, wodurch horizontale Schichten einer alten ozeanischen Kruste in einem Winkel von 50–60° nach oben gedrückt wurden. Dadurch besitzt der Rundle eine sanft geschwungene, baumbestandene, glatte Seite und eine scharfe, steile Seite, an der die Kante der angehobenen Schichten freiliegt. [ 38 ]

Obwohl Gebirgsbildung hauptsächlich in Orogenen stattfindet, können auch verschiedene sekundäre Mechanismen beträchtliche Gebirgszüge hervorbringen. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] In Gebieten, die sich auseinanderbewegen, wie etwa mittelozeanische Rücken und der Ostafrikanische Graben , entstehen Gebirge aufgrund des thermischen Auftriebs des darunter liegenden heißen Mantels; dieser thermische Auftrieb wird als dynamische Topographie bezeichnet . In Blattverschiebungs- Orogenen, wie der San-Andreas-Verwerfung , führen tektonische Krümmungen zu Regionen lokaler Krustenverkürzung und Gebirgsbildung ohne eine flächendeckende Orogenese entlang der Plattengrenze. Hotspot -Vulkanismus führt zur Bildung isolierter Berge und Gebirgsketten, die zwar nicht unbedingt auf den heutigen tektonischen Plattengrenzen zu liegen scheinen, aber im Wesentlichen ein Produkt der Plattentektonik sind. Ebenso können Hebungen und Erosionen im Zusammenhang mit der Epeirogenese (großräumige vertikale Bewegungen von Teilen der Kontinente ohne damit verbundene Faltung, Metamorphose oder Deformation) [ 42 ] lokale topographische Erhebungen erzeugen.

Schließung des Ozeanbeckens

Schließlich kommt die Ausbreitung des Meeresbodens im Ozeanbecken zum Erliegen, und die fortgesetzte Subduktion beginnt, das Ozeanbecken zu schließen. [ 30 ] [ 29 ]

Kontinentalkollision und Orogenese

Die Schließung des Ozeanbeckens endet mit einer Kontinentalkollision und der damit verbundenen Entstehung eines Gebirges vom Himalaya-Typ.

Erosion

Erosion stellt die letzte Phase des orogenen Zyklus dar. Die Erosion der darüberliegenden Gesteinsschichten in Gebirgszügen und der isostatische Ausgleich dieser Abtragung können tiefliegende Schichten an die Oberfläche befördern. Dieser Erosionsprozess wird als Freilegung bezeichnet . [ 43 ] Erosion trägt unweigerlich große Teile der Gebirge ab und legt den Kern oder die Gebirgswurzeln frei ( metamorphe Gesteine, die aus mehreren Kilometern Tiefe an die Oberfläche gelangen). Isostatische Bewegungen können diese Freilegung unterstützen, indem sie den Auftrieb des sich entwickelnden Gebirges ausgleichen. Wissenschaftler diskutieren darüber, inwieweit Erosion die Muster tektonischer Deformation verändert (siehe Erosion und Tektonik ). Die endgültige Form der meisten alten Gebirgszüge ist daher ein langer, bogenförmiger Streifen aus kristallinen metamorphen Gesteinen, der sequenziell unter jüngeren Sedimenten liegt, die darüber geschoben wurden und vom Gebirgskern wegfallen.

Ein Gebirge kann fast vollständig erodiert sein und ist nur noch durch die Untersuchung (alter) Gesteine ​​erkennbar, die Spuren der Gebirgsbildung aufweisen. Gebirge sind in der Regel lange, schmale, bogenförmige Gesteinszüge mit einer ausgeprägten linearen Struktur, die zu Terranen oder Blöcken deformierter Gesteine ​​führt, welche im Allgemeinen durch Suturzonen oder einfallende Überschiebungen voneinander getrennt sind . Diese Überschiebungen transportieren relativ dünne Gesteinsschichten (sogenannte Decken oder Überschiebungsschuppen, die sich von tektonischen Platten unterscheiden) vom Kern des sich verkürzenden Gebirges zu den Rändern hin und sind eng mit Faltungen und der Entwicklung von Metamorphose verbunden . [ 44 ]

Geschichte des Konzepts

Vor der Entwicklung geologischer Konzepte im 19. Jahrhundert wurde das Vorkommen von Meeresfossilien in Gebirgen im christlichen Kontext mit der biblischen Sintflut erklärt . Dies war eine Weiterführung neuplatonischen Gedankenguts, das frühe christliche Schriftsteller beeinflusste . [ 45 ]

Der Dominikaner und Gelehrte Albertus Magnus aus dem 13. Jahrhundert postulierte, dass, da Erosion bekannt sei, ein Prozess stattfinden müsse, durch den neue Berge und andere Landformen aufgefaltet würden, da es sonst irgendwann kein Land mehr gäbe. Er vermutete, dass marine Fossilien in Berghängen einst auf dem Meeresboden gelegen haben müssten. [ 46 ] Amanz Gressly (1840) und Jules Thurmann (1854) verwendeten den Begriff Orogenese im Sinne der Entstehung von Gebirgszügen, da der Begriff Gebirgsbildung damals noch gebräuchlich war. [ 47 ] Elie de Beaumont (1852) nutzte die anschauliche „Schraubstock-Theorie“ zur Erklärung der Orogenese, konzentrierte sich aber mehr auf die Höhe als auf die impliziten Strukturen, die durch und in orogenen Gürteln entstehen. Seine Theorie besagte im Wesentlichen, dass Berge durch das Zusammenpressen bestimmter Gesteine ​​entstehen. [ 48 ] Eduard Suess (1875) erkannte die Bedeutung horizontaler Gesteinsbewegungen. [ 49 ] Das Konzept einer vorgelagerten Geosynklinale oder einer anfänglichen Abwärtskrümmung der festen Erde (Hall, 1859) [ 50 ] veranlasste James Dwight Dana (1873), das Konzept der Kompression in die Theorien zur Gebirgsbildung aufzunehmen . [ 51 ] Rückblickend können wir Danas Vermutung, diese Kontraktion sei auf die Abkühlung der Erde zurückzuführen (auch bekannt als Theorie der abkühlenden Erde ), verwerfen. Die Theorie der abkühlenden Erde war bis in die 1960er Jahre das Hauptparadigma der meisten Geologen. Im Kontext der Orogenese wurde sie von Befürwortern vertikaler Bewegungen in der Erdkruste oder Konvektion innerhalb der Asthenosphäre oder des Erdmantels heftig bestritten . [ 52 ]

Gustav Steinmann (1906) unterschied verschiedene Klassen von Gebirgsgürteln, darunter den alpinen Gebirgsgürtel , der durch eine Flysch- und Molassegeometrie der Sedimente, Ophiolithsequenzen , tholeiitische Basalte und eine deckenartige Faltenstruktur gekennzeichnet ist.

Was die Anerkennung der Orogenese als Ereignis betrifft , erkannte Leopold von Buch (1855), dass Orogenesen zeitlich eingeordnet werden können, indem man zwischen dem jüngsten deformierten Gestein und dem ältesten undeformierten Gestein eine Klammer bildet – ein Prinzip, das auch heute noch Anwendung findet, wenngleich es üblicherweise mittels Geochronologie unter Verwendung radiometrischer Datierung untersucht wird. [ 53 ]

Auf Grundlage der verfügbaren Beobachtungen zu den metamorphen Unterschieden in den Orogenen Europas und Nordamerikas schlug H. J. Zwart (1967) [ 54 ] drei Orogentypen in Bezug auf tektonische Umgebung und Entstehungsstil vor: Kordillerentyp, Alpinotyp und Hercynotyp. Sein Vorschlag wurde 1979 von W. S. Pitcher [ 55 ] hinsichtlich des Zusammenhangs mit Granitvorkommen überarbeitet. Cawood et al. (2009) [ 56 ] kategorisierten Orogene in drei Typen: Akkretions-, Kollisions- und intrakratonische Orogene. Akkretions- und Kollisionsorogene entstanden an konvergierenden Plattengrenzen. Hercynotyp-Orogene weisen hingegen im Allgemeinen ähnliche Merkmale wie intrakratonische, intrakontinentale, extensionale und ultraheiße Orogene auf, die sich alle in kontinentalen Ablösungszonen an konvergierenden Plattengrenzen entwickelten.

  1. Akkretionsorogene entstanden durch die Subduktion einer ozeanischen Platte unter eine kontinentale Platte und führten zu Inselbogenvulkanismus. Sie werden von kalkalkalischen magmatischen Gesteinen und Hochtemperatur-/Niedrigdruck-Metamorphose-Faziesserien mit hohen Temperaturgradienten von >30 °C/km dominiert. Ophiolithe, Migmatite und Tiefseesedimente sind im Allgemeinen selten. Typische Beispiele sind alle zirkumpazifischen Orogene mit kontinentalen Inselbögen.
  2. Kollisionsorogene entstanden durch die Subduktion eines Kontinentalblocks unter einen anderen ohne Vulkanismus in einem Inselbogen. Sie sind typisch für metamorphe Zonen der Blauschiefer- bis Eklogitfazies, was auf eine Hochdruck-/Niedrigtemperatur-Metamorphose bei geringen Temperaturgradienten von <10 °C/km hindeutet. Orogene Peridotite sind vorhanden, jedoch von geringer volumetrischer Bedeutung, und synkollisionale Granite und Migmatite sind ebenfalls selten oder nur von geringer Ausdehnung. Typische Beispiele sind die Alpen-Himalaya-Orogene am Südrand des eurasischen Kontinents und die Dabie-Sulu-Orogene in Ostzentralchina.

Siehe auch

  • Biogeographie  – Studium der Verbreitung von Arten
  • Epirogene Bewegung  – Hebungen oder Senkungen des Landes mit langen Wellenlängen und geringer Faltung
  • Störungsmechanik  – Forschungsgebiet, das das Verhalten geologischer Störungen untersucht
  • Faltengebirge  – Gebirge, die durch das Zusammendrücken und Falten von Gesteinsschichten entstanden sind.
  • Guyot  – Flachgipfel-Unterwasserberg
  • Liste der Orogenesen  – Bekannte Gebirgsbildungsereignisse der Erdgeschichte
  • Mantelkonvektion  – Allmähliche Bewegung des Erdmantels
  • Tektonische Hebung  – Geologische Hebung der Erdoberfläche, die auf Plattentektonik zurückzuführen ist

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Weiterführende Literatur

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