临清探区石炭二叠系沉积演化特征.pdf

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第3 7 卷第2 期 中国矿业大学学报 V 0 1 .3 7N o .2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y M a r .2 0 0 8 临清探区石炭二叠系沉积演化特征 张鹏飞,陈世悦,张关龙 中国石油大学 华东 地球资源与信息学院,山东东营2 5 7 0 6 1 摘要通过对岩心、地球物理、地球化学等相标志的分析研宄,识别出了碳酸盐台地相、泻湖相、 潮坪相、障壁岛相、三角洲相和河流相6 种沉积相类型.采用单因素分析综合作图法,编制出了临 清探区石炭二叠纪各期的岩相古地理图,对石炭二叠系的沉积相纵向演化和横向展布有了系统 的认识.研究结果表明临清探区石炭二叠系自下而上发育了台地一泻湖、障壁一泻湖一潮坪、浅水三 角洲和曲流河四大沉积体系.沉积演化经历了早期的陆表海海陆过渡沉积和晚期的陆相浅水三 角洲及曲流河沉积. 关键词临清探区;石炭二叠系;沉积演化 中图分类号P5 1 2 .2文献标识码A文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 2 7 0 0 6 C h a r a c t e r i s t i c so fS e d i m e n t a r yE v o l u t i o no ft h e P e r m o C a r b o n i f e r o u sS y s t e mi nL i n q i n gP r o s p e c tA r e a Z H A N GP e n g f e i ,C H E NS h i y u e ,Z H A N GG u a n l o n g C o l l e g eo fG e o - r e s o u r c e sa n dI n f o r m a t i o n ,C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ,D o n g y i n g ,S h a n d o n g2 5 7 0 6 1 ,C h i n a A b s t r a c t B ym e a n so fa n a l y s e so ft h ef a c i e sm a r ko fc o r e ,g e o p h y s i c sa n dg e o c h e m i s t r y m ,s e d i m e n t a r yf a c i e ss i xi n c l u d i n gc a r b o n a t ep l a t f o r mf a c i e s ,l a g o o n a lf a c i e s ,t i d a lf l a tf a c i e s ,b a r r i e r i s l a n df a c i e s ,d e l t af a c i e sa n df l u v i a lf a c i e sw e r ei d e n t i f i e d .A c c o r d i n gt ot h es i n g l ef a c t o ra n a l y s i sa n dc o m p r e h e n s i v em a p p i n gm e t h o d ,al i t h o f a c i e sp a l a e o g e o g r a p h ym a po fe a c ha g eo fP e r m o - C a r b o n i f e r o u sp e r i o di nL i n q i n gp r o s p e c ta r e aw a sc o m p i l e d ,a n dt h ev e r t i c a le v o l u t i o na n d h o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fs e d i m e n t a r yf a c i e si nP e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e mi sr e c o g n i z e ds y s t e m a t i c a l l y .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a t f o r m - l a g o o n ,b a r r i e r l a g o o n - t i d a lf l a t ,s h a l l o w w a t e rd e l t aa n dm e a n d e r i n gr i v e rd e p o s i t i o n a ls y s t e mw e r ed e v e l o p e di na s c e n d i n go r d e ri nP e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e mi nL i n q i n gp r o s p e c ta r e ar e s p e c t i v e l y .S e d i m e n t a r ye v o l u t i o nu n d e r w e n t t W Os t a g e sw h i c haret h ec o n t i n e n t a lseao ft h ee a r l i e rs t a g e ,t h en o n m a r i n es h a l l o w w a t e rd e l t a a n dm e a n d e r i n gr i v e ro ft h el a t e rs t a g e . K e yw o r d s L i n q i n gp r o s p e c ta r e a ;P e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e m ;s e d i m e n t a r ye v o l u t i o n 多年的勘探揭示,渤海湾盆地深层石炭二叠系 含煤地层的油气显示非常活跃,分布范围广6 ‘,苏 桥、文留石炭二叠系煤成气田的发现更增加了人们 对渤海湾地区石炭二霍系煤系成烃演化的兴趣.临 清探区自1 9 5 8 年钻探华4 井以来‘7 。,到目前为止 已经有了将近5 0a 的油气勘探历史,但却一直没 有取得重大突破,只在部分井测试见到油气显示. 如华4 井于石炭二叠系发现油气显示;堂古1 井于 奥陶系测试见气,井口火焰高达1 .5m ;堂古4 井 在奥陶系地层测试见少量气,甲烷碳同位素 收稹日瓤2 0 0 6 1 2 1 3 基金项目国十资源部国家油气专项 X Q - 2 0 0 4 - 0 3 作者简介张鹏龟 1 9 8 1 一 ,男,山西省文水县人,博士研究生,从事沉积学及储层沉积学方面的研究. E - m a i l z p f 0 7 2 5 1 2 6 .t o n i T e l 0 5 4 68 3 9 1 3 2 1 万方数据 第2 期张鹏飞等临清探区石炭二叠系沉积演化特征Z 7 1 3 2 .4 6 %o ,乙烷碳同位素一2 7 .1 3 ‰,属煤成气,经 油气源对比,发现源岩主要为石炭二叠系煤系地 层.这些资料都表明临清探区具有较好的煤成气勘 探前景.本次研究主要以钻测井和地震资料为依 据,对临清探区石炭二叠系地层的沉积相纵向演化 以及横向展布进行了系统研究,希望能够为临清探 区下一步石炭二叠系煤成气的勘探起到一定的积 极作用. 1 区域地质背景 临清探区位于山东、河北、河南三省交界处,总 面积约1 80 0 0k m 2 .它在构造区划上属于渤海湾盆 地二级负向构造单元,位于渤海湾盆地的西南收敛 端,呈北北东向展布,北接黄骅坳陷,沧县隆起,南 至内黄隆起,西邻太行山,东至鲁西隆起 见图1 . 图1 中包括莘县、冠县、丘县、巨鹿等9 个凹陷 及堂邑、明化镇、馆陶等五个凸起共1 4 个次级构造 单元.与整个渤海湾盆地一样,临清探区是一个在 前古近系基底上发育起来的新生代断陷一坳陷湖 盆.钻井资料显示临清探区石炭二叠系地层保存较 好,残余厚度较大,如巨鹿凹陷巨2 井钻遇石炭二 叠系残留地层厚度可达9 8 8m .地震资料显示石炭 二叠系地层在研究区分布比较稳定 图2 ,除在局 部地区由于断裂活动导致的地层缺失外,石炭二叠 系地层基本上遍布整个坳馅[ 8 ] .自上而下各地层组 岩性特征为,本溪组下部为浅灰色铝土质泥岩,上 部为灰色泥质灰岩和深灰色泥岩;太原组为深灰色 泥岩、黑色炭质泥岩夹灰色泥质灰岩和粉砂岩;山 西组为深灰色泥岩、黑色炭质泥岩夹浅灰色中砂 岩;上下石盒子组主要为灰紫色、深灰色泥岩夹浅 灰色中细砂岩.研究区石炭二叠系地层自下向上依 次发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石 盒子组和石千峰组.由于研究区石千峰组地层剥蚀 现象比较严重,所以本次研究不将其作为重点. 图2 临清探区1 0 3 7 .2 测线和 8 8 - 4 0 1 测线地震剖面 测线位置见图1 F i g .2 S e i s m i cs e c t i o no fl i n e1 0 3 7 .2a n d8 8 4 0 1i n L i n q i n g ,l o c a t i o no fl i n ei si nF i g .1 2 沉积相类型 通过对临清探区若干口取心井岩芯的观察描 述,并辅以地球物理、地球化学资料和大量的室内 分析化验资料,在参考前人对整个华北地区石炭二 叠系沉积相研究成果的基础上[ 9 - 1 3 ] ,认为本区石炭 一二叠系主要发育了海陆交互相的碳酸盐台地、泻 湖、潮坪、障壁岛4 种沉积相类型以及陆相的浅水 三角洲和河流2 种沉积相类型 图3 . 1 碳酸盐台地相碳酸盐台地相主要发育于 石炭系本溪组和太原组,可进一步细分为开阔台地 相、局限台地相2 种类型.其岩性特征主要表现为 以生物碎屑泥晶灰岩、生物碎屑灰岩为主,多表现 为块状构造.生物化石种类繁多,以腕足类和筵类 生物化石居多.测井响应表现为自然伽马曲线齿状 负偏移,电阻率曲线为高值,幅度较大,呈指状. 2 泻湖相泻湖相同样主要发育于石炭系本 溪组,在太原组地层中也有小范围分布.岩石类型 为灰色、灰黑色泥岩,砂质泥岩,含有植物化石碎 屑,具少量动物化石,且种属较为单一,个体较小. 发育水平层理和块状层理,含菱铁矿和黄铁矿结 核,反映了静水弱还原环境的特点,常与障壁岛相 和潮坪相共生.测井响应表现为自然电位、自然伽 玛以及电阻率值都为低值,顶底多为突变. 3 潮坪相潮坪相主要发育于石炭系太原 组,广泛分布于障壁岛后地带以及泻湖周围地带. 根据潮坪沉积物的特征可以分为泥坪相、混合坪相 和砂坪相.潮坪相主要发育泥岩、砂质泥岩和粉细 砂岩为主,砂岩分选性较好,波状层理、双向交错层 理、羽状交错层理等较为发育.在粒度概率血线上 表现为多段式,以跳跃总体为主,常具有2 个次总 万方数据 2 7 2中国矿业大学学报第3 7 卷 体,悬移总体含量少.测井响应为视电阻率和自然 伽玛值较小,曲线呈光滑的直线形,当煤层或砂岩 发育时,曲线幅度增加,此时曲线呈锯齿状,反映出 水动力条件周期性变化的特性. 4 障壁岛相 障壁岛相主要发育于石炭系太 原组,其岩性以中、粗粒石英砂岩为主,少量细粒石 英砂岩,砂岩成分成熟度较高,结构成熟度高,分选 好,磨圆度高,杂基含量一般小于1 0 %.粒度概率 曲线呈3 ~4 段式,以跳跃总体为主,悬移总体和牵 引总体含量少;跳跃总体由2 ~3 段不同斜率的次 总体组成,是波浪作用和回流双重作用的结果,反 映了沉积物受潮汐和波浪联合作用的结果.沉积构 造以楔形交错层理、板状交错层理、双向交错层理 和波状交错层理为特征,障壁岛常与泻湖相、潮坪 相和碳酸盐台地相相邻共生.与华北其他地区相比 较,临清探区太原组障壁岛相发育程度较差,纵向 上为非优势相.其测井响应为自然电位和电阻率曲 线多呈钟形、漏斗形或齿状,箱形较少,齿化程度不 同,电阻率曲线幅度较高,反映出由下而上粒度变 粗的逆粒序特征. 5 浅水三角洲相浅水三角洲相主要发育于 二叠系山西组,具有平原极其发育,前缘不甚发育 之特点.岩性组合主要为砂泥岩夹多层薄煤层及炭 质泥岩.三角洲平原的大面积发育造就r 广泛的成 煤环境.本区主要发育三角洲平原分流河道和支流 间湾.分流河道主要发育中粗粒砂岩、含砾粗砂岩 等,砂岩成分及结构成熟度较高,粒度概率曲线多 表现为两段式,岩石中多见有植物茎干碎片,具沙 纹交错层理、楔状交错层理等,垂向上呈正粒序.支 流间湾相中主要发育灰色、灰黑色泥岩以及暗色泥 岩、炭质泥岩,偶夹有薄煤层 线 并见有黄铁矿.三 角洲平原分流河道测井响应表现为自然电位和电 阻率曲线都呈钟形或箱形,多呈锯齿状,电阻率曲 线高值,顶渐变底突变;支流间湾相自然伽马曲线 表现为负偏移,电阻率曲线为低值,幅度较大. 6 河流相河流相主要发育于二叠系上下石 盒子组,本区河流相具有典型的曲流河沉积特征. 主要发育含砾石英砂岩和中粗粒石英砂岩与红色、 紫红色泥岩互层,反映了典型的二元结构之特点. 砂砾岩中沉积构造主要见大型楔状、板状和槽状交 错层理.垂向上发育典型的正粒序.主要发育河床 滞流沉积、边滩和河漫滩沉积微相,局部地区发育 沼泽相,发育薄层煤线.测井响应表现为底部滞留 沉积自然伽马和电阻率曲线都呈钟形或箱形,自然 伽马曲线多呈锯齿状,形态为钟形时顶渐变底突 变;边滩微相在自然电位和电阻率曲线多表现为钟 形,少量为漏斗形,与自然电位相比电阻率曲线幅 度更大,底部突变. a 局限台地相生物碎屑泥晶灰岩 b 泻湖相黑色炭质泥岩、块状构造 ㈦潮笔磊嚣j ;篓芦,发q ’障壁嚣袋;; ;尝警2 砂岩, 忙勰_ 獭谳辫c o 裂兹囊恕肇酱中㈦曲流罐譬揣篙榭砂岩’咖曲流洲嶝沼泽相灰黑色泥岩 图3临清探区石炭二叠系岩心特征 F i g .3 R o c kc o r ec h a r a c t e ro fP e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e mi nL i n q i n g 3 沉积体系与沉积相序 与整个华北地区一样,晚古生代临清探区受加 里东运动之影响,抬升成陆并经长期风化剥蚀而准 平原化,直到晚石炭世开始下沉接受沉积,形成了 晚石炭世以碳酸盐岩和陆源碎屑岩及煤层交替出 现的典型陆表海清水与浑水沉积组合.在此之后, 由于华北地区北部阴山古陆的不断抬升而形成了 二叠系陆源碎屑沉积为主体的沉积组合.本次研究 将临清探区石炭二叠系沉积建造划分为4 类沉积 体系 图4 . 万方数据 第2 期张鹏飞等临清探区石炭二叠系沉积演化特征2 7 3 地层系统 自然电位 深颜岩性 电阻举曲线沉积构造 沉积环境沉积 界 系统组 度色 削面 微相亚相相 体系 河浸滩河浸 曲 河 s 多J ~ 边滩 河道 漉 ■_ 河漫滩河漫 移‘ ■_ 流 积 讲摊押l1 茸 t 二 1 3 善, 圈一 河漫滩河漫 ,2 5 0 0R 3 1 4 古 8 3 _ 4 3 二 石 1 3 由 1 4 2 6 0 0 3 1 4 3 ●- 盒 毒 1 4 ’ 2 7 0 03 O 3 1 4 子 1 3 0体 1 1河床滞留 河道 叠 O 1 3 河漫滩 河浸 2 8 0 01 4 边滩河道系 W唁多犬 且 河 组 1 4 ●■葺 河漫滩河漫 生 统F 霄 s 毒争 边滩 河道 河 疆 曲 3 ●■■一河漫滩河漫 流 石 i _ r 4 吨莎边滩 河道 盒 2 9 0 0 沉 3 河漫滩河漫 流 1 4 √■k Z 匕 边滩 河道 积 子 3 河漫滩河漫 河 体 艺哼童S 边滩河道 系 ●■■一 - 一 支流 角 间湾 角 洲 洲 角 沉 √~●I‘} 7 j i i _ 扣1 1 百 支流平 积 ■■■● 问湾 洲 体 √~●1分流河道 原 系 ●E 泻湖 泥岌坷障 泥炭土1 蓥 ●一声穗彝 混合坪 扼厮 i i i i 墨I 靼泻潮 组 1 4 专 气 强棚 台地 山 1 3 下 3 0 0 0 f 4 系l 西 1 3 绩 { 1 .7 t , 鲴t 1 3 1 4 石 3 l O O1 2 1 2 1 4 1 3 1 2 上 ≥ 3 2 0 0* \耀 原 演 统 组 拜 系孬 察 1 t I l ’ 匹召灰岩 曰铝质泥岩 口泥岩 [ ] 细砂岩 日粮 [ ] 中砂岩 目炭质泥岩 [ ] 粉砂岩 [ ] 砂砾岩 口泥质粉砂岩 日水平层理 曰 羽状交错层理 曰 楔状交错层理 ‘ 日 板状交错层理 圈 槽状交错层理 曰 沙纹交错层理 [ ] 灰白色 [ ] 紫她 [ ] 棕龅 [ ] 黑色 [ 习深灰色 [ 习浅施 图4临清探区堂古5 井石炭二叠系沉积环境综合分析柱状图 纵向比例尺1 1 0 0 0 F i g .4T y p i c a lf a c i e ss e q u e n c eo fv a r i o u ss e d i m e n t a r ys y s t e mo fP e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e mi nL i n q i n g 按照地层发育时代的早晚,本区发育的沉积体 系主要为 1 台地一泻湖沉积体系 主要发育于石炭系本溪组,局部地区在太原组 也有分布.岩性组合上以台地相的薄层灰岩和泻湖 相的暗色泥岩交替出现为主,有时夹碎屑潮坪相的 薄层粉砂岩和泥岩. 2 障壁一泻湖一潮坪复合沉积体系 主要发育于石炭系太原组,局部地区还出现于 本溪组.该沉积体系在垂向序列上主要包括潮坪相 的砂泥互层、泥炭坪相的煤层和炭质泥岩与泻湖相 的较厚层泥岩,此外还夹有数量不多的障壁岛相的 砂岩.障壁岛相的发育程度较差是临清探区障壁一 泻湖 潮坪复合沉积体系的独特之处.泥炭坪、泻湖 泥炭相为该区太原组的主要成煤岩相. 3 三角洲沉积体系 主要发育于二叠系山西组,由于受古地形和物 源的控制和影响,该区三角洲具有平原亚相极其发 万方数据 2 7 4中国矿业大学学报 第3 7 卷 育,而前缘哑相不甚发育之特点,三角洲平原支流 问湾构成了该区主要的成煤环境.纵向上表现为厚 层的支流间湾的泥岩和煤层夹数层三角洲平原分 流河道的中细砂岩. 4 河流沉积体系 主要发育于二叠系的上下石盒子组.纵向上河 流的二元结构以及正旋回特征明显,多表现为下部 含砾的河床滞留沉积向上过渡为边滩相具交错层 理的砂砾岩沉积最终过渡为河漫亚相的泥岩沉积. 4 沉积演化特征 在综合分析临清探区石炭二叠系沉积相类型 及沉积体系发育特征的基础之上,结合华北地区聚 煤盆地沉积演化之特点[ 争1 1 ] ,对研究区晚古生代岩 相古地理的演化进行了如下归纳.临清探区石炭二 叠纪沉积经历了早期陆表海海陆过渡沉积到晚期 陆相浅水三角洲及曲流河沉积的沉积演化过程. 晚石炭世早期 本溪期 晚石炭世早期海水从 临清探区东部即莘县凹陷北部灌入,海水沿北西西 方向向前推进,一直到达临清探区西北部巨鹿凹 陷.该时期海侵的主要通道临清探区中部莘县一巨 鹿一线发育了灰色、深灰色薄层灰岩及生物碎屑灰 竺。掣隆垆皇陲鑫 磊霾汰。。’ 芝麟梁古 零褥 . 。/西I 泻湖 乏 .自,∥l 霪 岩为主的台地相沉积;而通道两侧的区域则发育了 以钙质泥岩、铝土质泥岩和暗色泥岩为主的泻湖相 沉积 图5 a . . 晚石炭世晚期 太原期 该时期华j 匕二f { 部阴山 古陆的抬升导致临清探区发生了海退作用,海水沿 通道逐渐向东南方向退去.临清探区海侵程度明显 降低,台地相灰岩多以薄层为主,并且连续性较差, 而泻湖和潮坪相沉积较为普遍.海退作用导致了仅 仅在临清探区东部莘县一冠县一带发育了以厚层 暗色泥岩为主的泻湖相沉积;而此外的区域则都发 育以砂泥岩薄互层以及煤层和炭质泥岩为主的潮 坪相沉积 图5 b . 早二叠世 山西期 阴山古陆的迸一步抬升导 致海水在这一时期从东南部退出了本区,海陆交互 相基本消失,而主要发育了陆相浅水三角洲沉积体 系,三角洲平原亚相十分发育.陆源碎屑物主要从 临清北部输入分两支向南部和东南部延伸,分别在 巨鹿凹陷一丘县凹陷一线和南宫凹陷~高唐凸起 东侧一线发育了砂岩含量较高的三角洲平原分流 河道沉积,而在以外的区域则发育了粉砂岩、泥岩 和煤层为主的支流间湾沉积 图5 c . 黪01._.020k m 起/龟,县一隆一起一 少.厘l 孺臻≤ 丘4 一\气.鲈5 ’詹l 嗣 奄三L .矾歹铲“J 飘 a 晚石炭世早期 b 晚石炭世晚期 c 早二叠世 等隆扩菩奄 t 芝隆移,⋯,傀舌2 季,亨强二≮2 ’% 整二篓釜狴I 鲎 罗’p 了’ 紧罐≤≥ 甏≤璺.堑l 学 图5 临清探区石炭二叠系岩相古地理图 F i g .5 L i t h o f a e i e sp a l e o g r a p h i cm a po fP e r m o - C a r b o n i f e r o u ss y s t e mi nL i n q i n g 中二叠世 上下石盒子期 该时期临清探区总 体上发育曲流河沉积体系,以红色泥岩沉积建造为 主的河漫亚相占据了研究区的大部分区域.陆源碎 屑物主要来自临清探区的北部,以厚度较大,同时 具有正旋回结构和大型交错层理的砂砾岩层为主 的河道亚相从临清探区北部的巨鹿凹陷一南宫凹 陷一带向南一直延伸到南部的南堂邑构造一莘县 凹陷一带.研究区上下石盒子期所发育的曲流河沉 万方数据 第2 期张鹏飞等临清探区石炭二叠系沉积演化特征 2 7 5 积,两期河道的局部流向和弯曲度稍有差别,总体 走向基本一致 图5 e . 5 结论 通过对各种沉积相标志的分析研究,在临清探 区石炭二叠系地层中识别出了碳酸盐台地相、泻湖 相、潮坪相、障壁岛相、三角洲相和河流相6 种沉积 相类型.研究区石炭二叠系自下而上发育了台地一 泻湖沉积体系、障壁一泻湖一潮坪复合沉积体系、浅 水三角洲沉积体系和曲流河沉积体系.在对沉积相 类型识别和沉积体系发育特征归纳总结的基础上, 指出临清探区石炭二叠系沉积演化经历了早期的 陆表海海陆过渡沉积和晚期的陆相浅水三角洲及 曲流河沉积. 参考文献 [ 1 ] 朱炎铭,秦勇,王猛,等.黄骅坳陷石炭一二叠纪 煤成烃演化的构造控制[ J ] .中国矿业大学学报, 2 0 0 6 ,3 5 3 2 8 3 - 2 8 7 . Z H UY a n - m i n g ,Q I NY o n g ,W A N GM e n g ,e ta 1 . T e c t o n i cc o n t r o lo nt h eh y d r o c a r b o n - g e n e r a t i o ne v o l u t i o no fP e r m o - C a r b o n i f e r o u sc o a li nH u a n g h u ad e p r e s s i o n [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y ,2 0 0 6 ,3 5 3 2 8 3 2 8 7 . [ 2 ] 赵厚银,王延斌,邵龙义.渤海湾盆地C P 不同体系 域有机显微组分与生烃性以孔古4 ,大参i 钻井剖 面为例[ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 4 ,3 3 1 6 6 6 9 . Z H A 0H o u - y i n 。W A N GY a n - b i n ,S H A OL o n g y i . O r g a n i cm a c e r a l sa n dh y d r o c a r b o np o t e n t i a li nd i f f e r e n ts y s t e mt r a c t so fC - Ps o u r c er o c k si nB o h a i w a n B a s i n - C a s es t u d yo fK o n g g u - 4a n dD a c a n - 1 w e l l [ J ] . J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o - g Y ,2 0 0 4 ,3 3 1 6 6 6 9 . [ 3 ] 何海清,王兆云,程玉群.渤海湾盆地深层石油地质 条件分析[ J ] .沉积学报,1 9 9 9 ,1 7 2 2 7 3 - 2 7 9 . 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