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关键词:工程地质 学科价值 科学发展 分析
工程地质的研究内容主要包括确定岩土成分、组织结构、性质等,同时研究分析特殊地质队建筑工程稳定性的影响。对工程地质进行研究主要是为了对建筑工程所在地区的地质进行勘察,对可能存在的问题进行分析。这样就可以为选择合适的场地,解决建筑过程中可能面临的问题做好准备。
一、工程地质学科的发展及其科学性
每一门学科都有存在的价值和意义,工程地质学科也不例外。人类要生存和发展就要进行建设。近些年来,建筑工程的规模不断扩大,对工程地质的运用也越来越频繁。在前期,工程地质的主要任务是对工程进行选址,对地质进行评价,以保证工程的安全。这个时候对工程地质的要求主要在于发现地质的规律及其对工程的作用以及适应性。
从工程地质学科的发展来看,主要分为以下三个阶段:
传统工程地质学阶段。这一阶段存在于50年代到70年代,在这一阶段,工程地质的主要作用在于提供全面的资料和数据以便进行工程选址和设计。这一时期在理论、方法和实际操作中和世界地质工程学还是有较大差距的。人们也没有认识到工程地质在社会发展中的作用。
传统地质工程学到现代地质工程学的过渡阶段。这一阶段从70年代到80年代。在这一阶段工程地质已经慢慢走上正轨,发展很顺利。主要进行工程地质灾害的评价和监测。这个时候逐渐引进了西方发达国家的先进理论和技术。
现代工程地质学阶段。这一阶段是80年代中后期,世界科学技术飞速发展,各国形势也发生了很大变化。人口、资源以及环境等问题成为世界性的问题。随着人口的逐渐增多,对资源的需求量越来越大、环境污染越来越严重。而地质问题与这三者息息相关。这个时候需要对工程地质的理论和技术进行研究,逐步实现科学现代化。
因为工程地质学的特殊性,很多人觉得这是一个技术性问题,忽视了它的科学性和理论性。事实上,工程地质学包括工程学、力学、地质学等多个方面。不仅帮助人们认识自然还可以改造自然。
二、工程地质学科的理论及发展
工程地质学科的基本理论形态包括“成因演化论”、“ 结构控制论”和“ 相互作用论”。
成因演化论。这一理论体系是从欧美引入的。强调的是地质体的成因决定工程地质的性质,而演化能改变性质。工程地质条件的形成是内外动力作用综合的结果。主要任务是查清工程地质的条件以及形成的原因,以此为路径解决工程地质问题。
结构控制论。结构控制论是由中国工程地质学家建立的,强调地质结构控制地质体力学行为。所有的活动包括人类活动都会改变地质体的结构,从而改变地质力学行为。所以我们要查行处地质结构,然后进行分析,以解决工程建设过程中可能出现的地质问题。
相互作用论。就像力的作用是相互的一样,人类活动和地质之间也是相互作用的。一方面来说,地质环境的好坏与适合与否决定了人们对地质区域的选择。人们会经过研究分析后对地质进行评价然后对工程环境进行选择。而另一方面,人们的建设活动也在改造者地质环境。前后两者之间是相互影响的,工程地质的作用就在于协调这两者之间的关系,达到一定的平衡。
三、新时代工程地质存在问题的特点
近年来,我国经济获得高速发展,经济发展时期一个重要的部分就是建设。随着建设规模的不断扩大,埋藏越来越深,地下的设施也越来越多。工程地质面临着新的严峻的挑战。
在大型水利工程建设过程中,存在着库岸崩塌滑坡的现象、水库诱发地震和动力学问题以及深岩体精密探测和隧道的提前预报等问题。
在能源开发工程中, 峡谷区岸坡(应力场)演化与山体卸荷变形成因, 大规模开挖中高储能岩体变形破坏机理与过程, 地表水入渗非线性模型与各向异性岩体水力学规律, 大型土石混杂堆积体的结构、力学与水力学特性, 万年尺度核废料地质处置中水岩热化耦合作用, 深层地热开发利用等。
在铁路、公路等交通网络工程中, 含杂质碳酸盐岩溶规律与隧洞岩溶塌陷和涌水, 峡谷区深厚松散层桥基及边坡动力变形破坏机理, 高速铁路软基零沉降控制计算理论, 地下采空区地球物理特性与判别标准, 跨海通道高压突水等工程地质问题。
也就是说,随着工程规模的扩大,埋藏深度的增加,地震等作用的风险越来越高。人类工程活动频繁的参与使得地质体成因等理论已经不能够完全适应现在的状况。岩体结构对工程地质过程的控制作用在常温下和在高温等特殊环境下也是不相同的。原来的经典理论在现在复杂的地质状况下,面临着挑战。
四、工程地质科学发展分析
在现在复杂的情况下,对工程地质学的研究显得尤为重要。在未来,我们主要对一下几个方面进行研究:
首先是地质环境。主要是指动力学地质环境和灾害地质环境。灾害地质环境主要包括水文地质环境、风化、崩滑流破坏等物理地质作用环境。
其次是地质体工程性质研究。这个主要包括结构性质和力学性质。所谓结构性质研究就是对地质的非连续性、随机性等进行研究。而物理学性质则是指对高温、高压等物理特性下的地质环境进行研究。大体上从80年代中期开始,中国工程地质学进入了现代工程地质学阶段。这个阶段的背景是:世界科学技术飞速发展,地球科学向着国际化和统一化方向迅速发展;全世界面临人口、资源、环境三大课题;由于人类工程经济活动的广度和深度不断扩大,环境的污染和破坏日益严重,使合理开发利用和保护、治理环境成为迫切需要解决的世界性重大课题,从而促进了环境科学学科体系的迅速形成和发展。工程地质学与人口、资源、环境这三大课题的研究都有着密切的关系。这就为工程地质学开辟了广阔的发展前景。在这个阶段,中国工程地质学的基本任务是通过引进和创新,加强基础理论、方法和技术的研究,用先进的理论、方法和技术武装自己,逐步实现学科现代化。这个阶段最主要的标志是中国环境工程地质学的形成和发展。因此,可以把这个阶段说成是“环境工程地质学”阶段。
工程地质学是复杂的,交叉性强的一门学科。涉及到地质、工程、物理学等各个方面。所以在未来的研究中我们要积极的将这些技术相结合,利用各自的优势作为分析和参考的依据。同时,研究学家们要将自己纳入世界范围之内,地质研究要与时俱进,与国外的先进团队和机构进行交流探讨,引进先进的理论和技术以为己用。
总而言之,随着经济的发展和建设现代化城市的需要,城市建设成为国家关注的重点。工程地质经过多年的发展,无论从技术上还是理论上,较之原来都有很大的提升。但是,随着城市建设规模的扩大以及地下建设的深入,我们面临的地质环境问题也越来越多。在新的时期,国家的建设依赖于工程地质科学的迅速发展。我们应该更多的关注工程地质科学,从而为国家的建设和发展做出应有的贡献。
参考文献:
[1] 王思敬;傅冰俊;杨志法等;中国岩石力学与工程的世纪成就[M];南京: 河海大学出版社;2004
[2] 王思敬;地圈动力学--地质环境、灾害与工程研究基础[J];工程地质学报;2004(02)
“我必须要搞清楚这一点。”对方在情书里写道,语气甚为坚决。热恋的情人之间,并未出什么问题。只是在男子看来,“南美洲东海岸线和非洲西海岸线的形状,如此严密地凹凸咬合,难道不能认为它们曾连为一体?”
30岁的德国男子名叫阿尔弗雷德・魏格纳。不久前,躺在床上盯着世界地图时,他有了这种想法,于是想弄个明白,以至于写情书时也心不在焉,未能忘怀想搞清楚的“这一点”。
不过,孤儿院院长的这个小儿子,此前似乎总处于一种心不在焉的状态。
在柏林大学,魏格纳正攻读行星天文学,1905年拿到博士学位后,他却将关注点转移到气象学上,并接受了普鲁士皇家天文台提供的职位。在这里,放风筝、放热气球等前人不曾使用的研究方法,都被他悉数派上用场。
尽管为了研究大气想尽办法,这个年轻人并没有太多建树。倒是另一件事让他一举成名。1906年,他与哥哥驾驶热气球在德国与丹麦上空盘旋52小时,这打破了当时的世界纪录。
很快,在接受丹麦一支探险队的邀请后,他把兴趣转向极地气团和冰河的研究,并成为该领域领军人物。德国马尔堡大学物理学院随即伸来橄榄枝,1911年,他在那里的演讲内容被整理成《气象热力学》一书。该书一出版便成为该学科的经典读物,也被后人誉为“奠定了现代气象学的坚实基础”。
就在俄国一著名气候学家惊呼“气象学的新星已经升起”时,一年前就开始琢磨世界地图的魏格纳已经“见异思迁”。在大学图书馆查阅大量化石和生物资料后,他已不再相信所谓的“大陆桥理论”。
1912年1月6日,魏格纳在法兰克福地质学会的会议上,公开提出“大陆曾经是一个整体”的观点。4天后的晚上,他向马尔堡自然科学促进会发表演讲时,重申这一观点。但证据不足的魏格纳,立即遭到听众的质疑。
地质学家们显然也不欢迎这个“闯入者”,因为气象学家魏格纳的理论,动摇的正是地质学的理论根基,更何况,“闯入者”还拿不出确凿的科学证据。
他到处寻找证据。“他嘴里蹦出一连串有关地质构造的想法,问我是否可以帮他提供一些地质学的事实和概念。”德国著名地质学家汉斯・克鲁斯后来回忆说,那天贸然来访的那个人,“外貌俊朗,灰蓝色的眼睛里散发出敏锐的光芒”,令他难以忘记。尽管不能接受魏格纳的想法,但这还是令克鲁斯非常感兴趣。
其他人,却没有这样的宽容之心。对魏格纳的疯狂嘲笑和攻讦,在国际范围内此起彼伏。他的大陆漂移学说,被讥讽为“智力拼图游戏”。
在第一次世界大战中负伤归来的魏格纳,则一边分析在格陵兰岛探险时搜集的证据,一边开始研究月球弹坑的起源。由于强烈坚持大陆漂移理论,他失去了德国大学的教职。
无奈之下,他在1924年前往奥地利格拉茨大学,并继续搜集支持大陆漂移学说的证据。美国石油协会在两年后邀请魏格纳到纽约,专门讨论他的大陆漂移学说。与会的14名权威地质学家中,7人坚决反对,两人持保留意见。会上,魏格纳叼着烟斗静静地听着,几乎什么也没说。在《海陆的起源》出最后一版时,他只是慨叹“漂移理论的牛顿还没出现”。
想在北纬71°建立观察所的魏格纳,在1930年带着由22位科学家和技术人员组成的团队,第4次前往格陵兰岛探险。在生日那天,魏格纳前往冰河地区。留守的队员们庆祝完他50岁生日,却再也没能见到寿星归来。
翌年5月12日,搜寻魏格纳的友人发现了他的遗体。尽管最终未能找到更多支持自己理论的证据,魏格纳躺在帐篷中,双眼睁着,面部表情平静,甚至带着一丝笑意。他们认为,他很可能因心脏病突发而离世。
友人为他在格陵兰岛用冰雪做了一个陵墓,并在事发地点立起了20英尺高的铁十字架。
而在冰雪之外,大多数地质学家依旧嘲笑他的理论纯属诗人的浪漫想象。直到30年后,科学家们才用最新的科学手段,证实了魏格纳的正确,并把他树为地质学上的里程碑。
奇妙的“雪球地球
大约距今约10~5.4亿年前的新元古代,地质学家研究发现地球曾发生过几次严重的冰冻,那时地球表面的大部分区域均被冰雪所覆盖,并且大部分海洋也都被冻结,为此地质学家将其形象的称之为“雪球地球”。
“雪球”来临,地球上的平均温度低至-50℃,赤道附近的温度也仅有-20℃。从两极到赤道,地球几乎都是白茫茫的一片。在“雪球地球”的恶劣条件下,几乎所有的生命都在极厚冰层中灭绝,此时地球俨然变成了一颗毫无生命气息的白色“雪球”。
“地球曾是一个雪球”,这听起来有些不可思议,但却有诸多事实可以证明冰封时代的存在。地质学家通过研究沉积岩来推测地质历史的演化规律,冰川运动过程中的搬运能力极强,对周围岩石具有很强的剥蚀作用,冰碛岩便是由冰川融化后的冰碛物固结后形成的。地质学研究发现,全球范围内的赤道附近海平面都存在新元古代的冰碛岩,这意味着新元古代的冰川曾到达过热带地区的海平面,而在现如今的气候条件下,冰雪覆盖主要出现在极地附近的高纬度地区,赤道等众多低纬度地区并不大可能出现大范围的冰封现象。此外,不少不寻常的地质现象也在“雪球地球”的假说中得到了合理的解释。“雪球”时期曾大量出现的氧化亚铁矿很可能正是由于大量冰川覆盖导致海洋深部水体缺氧,亚铁离子在海水底部富集形成的。
“雪球”如何形成和解冻
奇妙的“雪球地球”带给了我们诸多的幻想,我们不禁要问地球究竟是如何变成“雪球”的,与此同时它又是如何解冻的呢?
对于冰雪地球的成因一直都是众说纷纭,各种假设都极具想象力。有人提出“雪地地球”的形成是缘于厚重云层对太阳辐射的遮挡作用,大气层中大量的尘埃粒子会阻挡地球对太阳热量的吸收,于是地球温度急速下降,并最终形成“雪球地球”;也有人认为“雪球地球”是由于小行星或者彗星对地球撞击激起的大量尘土引起的,漫天的尘土遮天蔽日,使得地球无法吸收太阳热量,陷入一片冰封状态。
尽管各方各执一词,但现如今最为地质学家认可的成因则与“大陆漂移学说”有关。新元古代,地球上各块古老陆块拼合在一起,以超大陆的形式聚集在赤道周围。由于大陆内部距离海洋较远,水汽循环受阻,风化作用比较弱,因此对温室气体二氧化碳的消耗能力有限。伴随着超大陆的解体,内陆地区与海洋之间的距离被拉近,导致降雨增加,风化作用也加剧,消耗了大量的CO2。与此同时,超大陆的裂解使得大量易于风化的玄武岩暴露于地表,这进一步加剧了温室气体的消耗。缺少二氧化碳保护的地球,气温逐渐降低,造成地球部分被冰雪覆盖,而被冰雪覆盖的地球像“镜子”一样将太阳光反射出去,热量吸收能力的减弱使得冰雪覆盖面积随之增加,冰川逐步从两极蔓延,直至赤道,最终导致地球成为一个冰封的“雪球”。
“雪球灾变”的起因源于超大陆解体,那么地球又是怎样突破冰封重围的?
CO2的逐步积累是使地球重新“活”过来的关键因素。在地壳板块的运动的驱动下,火山活动释放的CO2使大气中的温室气体含量不断增加;与此同时,寒冷干旱的冰封环境不利于岩石的风化或生物的生长繁殖,从而使CO2的消耗速率大大减慢。此外,火山喷发使冰雪表面覆盖有大量的火山灰,这有效降低了冰雪的反射率,而融化的暗色雪水,与火山灰的作用相同。起到抑制反射作用,最终地表的冰雪开始剧烈消融,使得地球重返生机。
冰封中延续的生命
“雪球地球”可以说是地球所经历的“大劫难”,但事实上在“雪球地球”恶劣条件下,生命却没有发生彻底的灭绝。那么如果“雪球地球”真的存在,生命是怎么在冰封中延续下来呢?
出租宫殿
英国女王决定在2012年伦敦奥运会开幕期间以3000英镑(约合30571.69元人民币)/天的价格出租圣詹姆士宫中部分奢华套间,其中包括圣詹姆士宫正殿、织锦室和安妮王后的卧室,租到圣詹姆士宫的贵宾还能享受到一个特别的宫殿参观之旅。
此外,贵宾们还能近距离参加几个奥运盛事,其中包括将在皇家骑兵卫队阅兵场举办的沙滩排球赛以及起点和终点都设在白金汉宫附近林荫道的马拉松比赛。而在宫殿附近的海德公园,则是明年奥运会游泳比赛的场地之一。
英国媒体称:女王此举是要妥善利用王室历史遗产和地理位置优势,向全世界推广英国王室形象。
素材微评:“出租皇宫”,英国女王这个决定令人震惊之余,不得不叹服她的魄力和创新精神!这也许正是英国王室仍然是全球最有影响力的王室的原因之一吧。
“矿石控”杨溢:
高中生地质学家
散发着紫色光泽的锂云母矿石、翠绿色的磷氯铅矿石、仿佛朵朵玫瑰花的沙漠玫瑰、极为珍贵的宝石祖母绿……谁也不会想到,这些摆放在山东省科技馆一处展柜中的200多种矿石,竟都是来自山东省实验中学高二学生杨溢的藏品。
12年前,5岁的杨溢收集到了第一块矿石――蛋白石,从此,他对矿石的热爱有增无减,到现在,共收藏了3000多件矿石,摆满了家里两个房间。
“黄金本无种,出自勤俭家”,杨溢自小学起便学习地质学家李四光,周末写完作业就骑上自行车,带着T形锤、工具箱和自制的防虫药水,到济南周边和泰山山脉找矿石,有空就去济南文化市场“淘”矿石。
杨溢喜欢矿石,家人也给了他极大的支持。他的压岁钱和平时攒下来的零花钱几乎都花在了订阅杂志、购买书籍和“淘”矿石上了。
杨溢也不负众望,被评选为“山东省少年科学院院士”, 还列席了国家科学技术奖励大会,受到了地质专家的赞美,被誉为“小地质学家”。
素材微评:自古英雄出少年。兴趣是最好的老师之一。
中国成立
首家太空邮局
2011年11月3日凌晨1时36分,随着神舟八号飞船与天宫一号飞行器成功实现我国首次空间交会对接,今后“致太空的一封信”也不再是幻想,地面与太空之间的邮件传递即将成为可能。
3日上午10点,中国邮政太空邮局开通仪式在北京航天城举行。太空邮局是中国邮政的一个直属局,目前主要经营的业务是国际国内函件寄递和集邮业务,将采取一种“虚实结合”的经营模式,实体邮局设在北京航天城邮局,虚拟邮局设置在载人航天飞行器内,实现地面与太空之间的邮件传递,邮政编码为901001。太空邮局名誉局长是杨利伟。
关键词:工程地质;思维方式;土木工程
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2012)04-0117-02
人类要求发展,必须与地球和谐相处,这是科学发展观的主要内容。任何建筑工程都离不开地质环境。近代工业化进程中出现大规模的土木工程,工程师表现出了对地球科学的需求,从而使工程地质学在30年代从前苏联开始形成了一门独立的学科。工程地质学研究的根本目的是使工程建设和运营最大限度地适应地质条件并尽可能地保护环境。为了达到这一目的,工程地质学既要研究天然工程地质条件对工程的影响,又要研究工程对地质环境的反作用,特别是人为地质灾害的可能性。在这些研究过程中,都必须充分发挥地质思维的特点,在空间上从区域到场地再到区域、从深部到浅表再到深部,在时间上从历史到现状再到未来。地质学研究对象涉及的时空跨度大,地质思维方式注重系统性、强调演化,思维过程重视观察和想象,以定性分析为主,思维成果具有相对性。土木工程师注重工程结构形式,考虑材料特征和荷载,追求问题的确定答案。这两种思维方式有明显的区别,以下简要地质思维的几个主要特征,并分析这些思维方式对工程技术人员的意义。
一、地质学思维特点
1.系统性思维。从20世纪60年代末开始,地质思维进入了新的发展阶段,即全方位系统思维阶段,它是以在时间上和空间上都达到或开始达到整体综合和系统思维为特征的。系统性思维方式指导地质工作者从问题各要素所固有的联系来考察整体性事物,分析工程地质问题的成因联系、构成工程地质问题的组合关系、不同层次的工程地质问题整体与其背景的关系等等。例如,2008年发生的汶川地震和2010年发生的舟曲泥石流灾害,看似是两个孤立的事件,实际上是有成因联系的。地壳运动造成地震活动的发生,地震使斜坡上的岩土体失稳发生滑坡,松散的滑坡体岩土堆积在沟谷中,在集中降雨中遭到浸泡,在重力作用下与水一起流动,形成泥石流。目前,大部分地质研究人员把地球视为一个由许多相互联系、相互作用的地质体所构成的统一整体,在此基础上研究系统内各个组成部分的特征及其相互之间的关系,最终从整体上把握地球的规律。在这个统一整体中,不仅仅包括纯自然界,还包括人的作用和影响。已故中科院院士、著名地质学家刘东生先生撰文指出:随着人类环境意识的增强和科学技术的发展,人类对环境的认识不断深入和提高,地质学家逐渐认识到人类活动作为一种地质营力,其能量已超过了自然界本身的变动,这是一个必须面对的事实。因此必须把人为因素作为驱动地球环境变化的动力,使其参与到可持续发展的研究中来,这种人与自然的全球观正在受到越来越多的重视。
2.逆向思维。由于地质学的研究对象是各种地质作用的最终产物,作用本身的实际过程不能直接观察到,往往也无法重演。因此,地质学中的许多概念只能依据对地质作用产物的观察研究,反演地质作用的过程和作用前的物质基础,然后经过实践和实验(包括模拟实验)的检验而建立和发展起来。这种思维走向称为逆向思维。例如,在地质史料中人类对岩石的认识过程,充分说明了逆向思维的重要性。最初由德国的魏尔纳发现了地层的空间分布规律,认为岩石只有形成在水中才具有连续性和分带性,从而提出水成说;然后,英国的郝屯经过野外实践检验,发现花岗岩、斑岩、暗色岩以岩墙、岩枝的形式插入围岩,推测这些岩石是岩浆冷凝形成的,提出了火成说,突破了岩石的单一成岩理论,实现了人类认识岩石的一次飞跃;最后,经过英国霍尔的玄武岩溶化―冷凝的模拟实验和白垩含生物质灰岩在封闭系统中加热生成大理岩的模拟实验,证实了岩石的岩浆来源和变质来源,确立了地壳上三大岩石类型的成岩理论。
3.灾变论和渐变论的辩证统一。19世纪,苏格兰地质学家伊莱尔出版了《地质学原理》,通过描述旧岩层不断破坏、新岩层不断形成的过程,阐述了渐变地球史观,认为地球是古今一致、不断重复的均一过程。灾变论的代表人物是法国古生物学家居维叶,他在19世纪初出版了《地球表面灾变论》,认为不同时代地层中的古生物差别很大,说明地球历史上必定发生过灾难性的变革,从而造成物种的灭绝和更新。灾变论和渐变论的争论一直在持续,目前多数地质学家倾向于把这两个对立的观点统一起来,承认地球演变过程中既存在渐近变化也有急剧突变,渐变论强调量变过程,灾变论强调质变过程。这种观点体现在各种地质学研究中,例如在滑坡灾害研究中,截止目前,大量的研究成果表明,滑坡的发生实质上是均变和灾变的相互转化过程。斜坡上的岩土体在重力作用下发生蠕变,是一个缓慢渐变过程;而这种渐变过程积累到一定程度,一旦受到地震、暴雨等突发外界因素的干扰,斜坡体上的岩土体就有可能突然快速下滑,形成滑坡灾害,渐变就转化为灾变。
二、地质学思维工程中的应用
工程地质学需要解决的问题涉及到地质、环境和工程等很多方面,很多因素在时间和空间上相互交织,同时必须考虑人为地质作用力与自然地质作用力混合作用。因此,在研究与工程相关的地质问题时,必须充分发挥系统性思维的优势,从对各要素自身特征及其相互联系的充分研究的基础上来考察和分析整体性问题。分析过程中要贯彻时空统一的原则,详细分析各级各类工程地质问题的成因联系、组合关系等等,力争全面、综合、均衡地反映客观问题的整体性。同时要注意从灾变和渐变辩证统一的运动变化角度去考虑工程地质问题的演化。任何工程地质问题所涉及到的都是一个动态、开放的系统,通过与周围环境的物质与能量交换及其内部各部分之间的相互作用与影响,系统始终处在一个运动变化过程中。因此,在研究工程地质问题时,思维绝不可仅仅停留在某一个阶段上,而应要把研究对象看成是不断演化的动态整体。工程建筑物的修建,地质工作不仅仅局限在施工前的勘察,还要充分预测工程修建后的影响,这一点对大型工程特别重要。例如三峡大坝建成后,2007年中科院长江水利委的《长江保护与发展报告》显示,2003年三峡水库蓄水以来,三峡地区微震活动频率明显增加,塌岸和局部滑移危及到部分居民点的安全。
参考文献:
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[2]黄润秋,面向21世纪中国工程地质学的发展[J].
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