CN115308802A - 一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地质勘查技术领域,具体公开了一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,所述方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位,所述电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,所述电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机,本发明通过设有的方位铺设模块能够在小地形中实现地质检测,相较于传统的全程测量模式,本发明设有的方位铺设模块能够在一定程度上减少测量电极在测量区域中的排布,在测量的过程中,通过随机对单一供电电极位置进行确定,根据区域边界可对另一个供电电极位置进行确定,能够快速、灵活方便的进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘查技术领域,特别涉及一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统。
背景技术
高密度电法(electricalresistivityimaging,简称ERI)起源于20世纪70年代末期的阵列电法探测思想,英国学者Johansson博士设计的电测深系统实际上就是高密度电法的最初模式。在高密度电法研究初期阶段,电极排列方式主要是温纳、偶极、微分三种类型,随后日本为适应山地工程的需要,在设计和技术实施上采用了先进的自动控制理论和大规模集成电路。20世纪80年代中期,日本地质计测株式会社借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集,成功实现了电极自动“切换装置”,使高密度电法实现了全面自动化,但是由于整体设计的不完善,这套设备没有充分发挥高密度电法的优越性,所以并未引起人们的重视。直到20世纪90年代,随着电子计算机的普及和发展,其优点才被越来越多的人认识。经过20多年的发展,已由原先的三种电极排列方式发展到施伦贝格、联剖、环形二极等十几种,使高密度电法勘探能力得到明显的提高,效率大大增加。随着仪器制造工艺、电子技术和计算机软硬件技术的飞速发展,高密度电法在各方面均取得了长足进展。
高密度电阻率法是一种新型阵列勘探方法,是基于静电场理论,以探测目标体的电性差异为前提进行的。传统电法勘探中的电测深方法是反映某一点的纵向电性的分布情况,电阻率剖面方法只能反映电性在某一深度横向上的变化。高密度电阻率法综合了电剖面法和电测深法的优点,用电测深法来获取地质信息,再用电剖面法对地质信息进行统计处理,绘制电阻率断面图。这样可以更有效的利用地质信息,提高电阻率法的勘探能力,数据采集系统有较高的精度和较强的抗干扰能力,可获得丰富的地电信息。能提供地质体某一深度沿水平方向和铅垂方向的岩性变化,可完成纵、横二维的探测过程,观测精度高,采集的数据可靠。该方法采集数据信息量大,可进行层析成像计算,成图直观,可视性强高密度电阻率法的基本理论与传统的电阻率法完全相同,所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点,现场测量时,只需将全部电极布置在一定间隔的测点上,由主机自动控制供电电极和接收电极的变化,完成测量。在设计和技术实施上,高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路,使用的电极数量多,而且电极之间可自由组合,这样就可以提取更多的地电信息,使电法勘探能像地震勘探一样使用多次覆盖式的测量方式。与常规电法相比,高密度电法具有以下优点:1.电极布设一次性完成,减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;2.能有效地进行多种电极排列方式的测量,从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;3.数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快,而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误;4.可以实现资料的现场实时处理和脱机处理,大大提高了电阻率法的智能化程度;5.可以实现多参数测量,同时观测电阻率、极化率和自然电位,能获取地下丰富的地电参数,从不同电性角度对地下结构进行刻画。由此可见,高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的勘探方法。
在对地质状态分布进行探测的过程时,需要频繁的对测量电极进行检测,在对其进行检测的过程中,要对电极进行均延续类似“S”形匀分布排列,当面对小面积地址检测的过程中,受到地面条件影响,地面环境处于非平整状态,不能完整的对常规分布进行电极放置,电极的放置高度改变会对检测结果产生影响,为此,我们提出一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,
所述方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位;
所述电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,所述电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机;
所述电极排布的基准方位的获取步骤如下:
步骤一,对确定网格区域随机取P点,所述P点为非网格边界线上的点,且所述P点位与网格中横纵向交线点;
步骤二,将供电电极一置于P点所在位置,以P点为中心向外侧发散性选取8个取样方位,所述的取样方位分别为以P点为中心的正东方向、正南方向、正西方向、正北方向、东南方向、东北方向、西南方向和西北方向;
步骤三,随机选择步骤二中任意一个取样方位作为基准方位,选取的基准方位与待检测区域边界位置的交点处放置供电电极二,然后对两个测量电极进行电极排布;
所述区域集成模块对待检测区域的图像进行捕捉并对捕捉到的待检测区域图像分割为16×16网格,并对分割后的网格点进行序列标号,随机选取任意序列标号通过方位铺设模块获取电极排布的取样方位,然后通过电极定点模块获取各取样方位上每个测量点的电阻率,之后将电阻率数据发送至数据反演模块进行数据反演,并根据数据反演结果生成待检测区域的三维地貌图模型,三维高密度电法反演模块使用圆滑约束最小二乘反演方法,主要靠调节模型条块的电阻率来减小正演值与实测视电阻率值的差异,首先根据实测的视电阻率值初步给定模型各个子块的电阻率,使用有限元法或有限差分法作正演计算,得出初步模型的地面视电阻率异常值。将正演计算值与实测值进行比较,根据比较的结果调整模型各个子块的电阻率,使用调整后的模型重新作正演计算;如此多次循环迭代,使模型正演计算结果与实测值的差异逐渐减小。
本发明的进一步改进在于,所述对网格边界定点插装的步骤如下:
步骤一,对确定好的供电电极一和供电电极二的位置以及测量电极一和测量电极二的可插装位置进行放线;
步骤二,将供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二分别插入地面,使各电极露出地面层的高度为电极总长度的四分之一,插入地底部分的电极与地表介质之间接触耦合;
步骤三,在以供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二中心线1.5m为半径的圆形区域土壤中导入足量的饱和盐水溶液;
步骤四,对测量电极一和测量电极二进行滚动测量,获取对应测量点的通过供电电极向大地所发射的电流Ip和两个测量电极之间所获得的一次场电位差Vp,将Ip和Vp数据发送至测量主机,由测量主机根据已知的测量电极一和测量电极二的所获得数据求出电阻率,电阻率的计算公式为:,K为装置常数,Vp为电位差,Ip为电流。
本发明的进一步改进在于,所述供电电极和测量电极的放置点位于网格横纵线的交点上,两个测量电极位于供电电极一和供电电极二的连线上。
本发明的进一步改进在于,所述待检测区域图像通过实时卫星或者遥感拍摄获取。
在本式中,设两个供电电极的中点为点O,供电电极一距离O点的长度为a,两个测量电极的中点为P,测量电极一距离P点的长度为b,π为圆周率,设M1为供电电极一距离测量电极一的距离,M2为供电电极二距离测量电极一的距离,N1为供电电极一距离测量电极二的距离,N2为供电电极二距离测量电极二的距离,π为圆周率,在此式中,x为OP之间的距离,y为测量电极距离地面的高度,
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、与现有技术相比,通过设有的方位铺设模块能够在小地形中实现地质检测,相较于传统的全程测量模式,本发明设有的方位铺设模块能够在一定程度上减少测量电极在测量区域中的排布次数,在测量的过程中,通过随机对单一供电电极位置进行确定,根据区域边界可对另一个供电电极位置进行确定,能够快速、灵活方便的进行测量。
2、与现有技术相比,通过设有的电极定点模块能够结合区域的划分以及电极预规划方向进行电极安装测量,获得其对应的电位差以及电流情况获得数据反演中所需的必要数据。
3、与现有技术相比,通过设有的数据反演模块,根据不同的测量电极所安装地质层深度,可以计算出多组与安装地质层深度所对应的K值,并将多组K值分别用于设备反演,使反演结果更加精确,获取更加精确的三维地貌。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制,为了更好地说明本发明的具体实施方式,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸,对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的,基于本发明中的具体实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位;电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机。
电极排布的基准方位的获取步骤如下:
步骤一,对确定网格区域随机取P点,P点为非网格边界线上的点,且P点位与网格中横纵向交线点;
步骤二,将供电电极一置于P点所在位置,以P点为中心向外侧发散性选
取8个取样方位,的取样方位分别为以P点为中心的正东方向、正南方向、正西方向、正北方向、东南方向、东北方向、西南方向和西北方向;
步骤三,随机选择步骤二中任意一个取样方位作为基准方位,选取的基准
方位与待检测区域边界位置的交点处放置供电电极二,然后对两个测量电极进行电极排布;
区域集成模块对待检测区域的图像进行捕捉并对捕捉到的待检测区域图像分割为16×16网格,并对分割后的网格点进行序列标号,随机选取任意序列标号通过方位铺设模块获取电极排布的取样方位,然后通过电极定点模块获取各取样方位上每个测量点的电阻率,然后将电阻率数据发送至数据反演模块进行数据反演,并根据数据反演结果生成待检测区域的三维地貌图。
在本实施例中,供电电极和测量电极的放置点位于网格横纵线的交点上,两个测量电极位于供电电极一和供电电极二的连线上,能够更好的在后续过程中对测量距离进行计算。
在本实施例中,待检测区域图像通过实时卫星或者遥感拍摄获取,能够快速实时的获得待测区域的图像,方便进行网格分割。
通过本实施例可实现:通过设有的方位铺设模块能够在小地形中实现地质检测,相较于传统的全程测量模式,本发明设有的方位铺设模块能够在一定程度上减少测量电极在测量区域中的排布次数,在测量的过程中,通过随机对单一供电电极位置进行确定,根据区域边界可对另一个供电电极位置进行确定,能够快速、灵活方便的进行测量。
实施例2
如图1所示,一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位;电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机。
电极排布的基准方位的获取步骤如下:
步骤一,对确定网格区域随机取P点,P点为非网格边界线上的点,且P点位与网格中横纵向交线点;
步骤二,将供电电极一置于P点所在位置,以P点为中心向外侧发散性选取8个取样方位,的取样方位分别为以P点为中心的正东方向、正南方向、正西方向、正北方向、东南方向、东北方向、西南方向和西北方向;
步骤三,随机选择步骤二中任意一个取样方位作为基准方位,选取的基准方位与待检测区域边界位置的交点处放置供电电极二,然后对两个测量电极进行电极排布;区域集成模块对待检测区域的图像进行捕捉并对捕捉到的待检测区域图像分割为16×16网格,并对分割后的网格点进行序列标号,随机选取任意序列标号通过方位铺设模块获取电极排布的取样方位,然后通过电极定点模块获取各取样方位上每个测量点的电阻率,然后将电阻率数据发送至数据反演模块进行数据反演,并根据数据反演结果生成待检测区域的三维地貌图。
在本实施例中,对网格边界定点插装的步骤如下:
步骤一,对确定好的供电电极一和供电电极二的位置以及测量电极一和测量电极二的可插装位置进行放线;
步骤二,将供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二分别插入地面,使各电极露出地面层的高度为电极总长度的四分之一,插入地底部分的电极与地表介质之间接触耦合;
步骤三,在以供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二中心线1.5m为半径的圆形区域土壤中导入足量的饱和盐水溶液;
步骤四,对测量电极一和测量电极二进行滚动测量,获取对应测量点的通过供电电极向大地所发射的电流Ip和两个测量电极之间所获得的一次场电位差Vp,将Ip和Vp数据发送至测量主机,由测量主机根据已知的测量电极一和测量电极二的所获得数据求出电阻率,电阻率的计算公式为:,其中,K为装置常数,Vp为电位差,Ip为电流。
三维高密度电法反演系统使用圆滑约束最小二乘反演方法,主要靠调节模型条块的电阻率来减小正演值与实测视电阻率值的差异。首先根据实测的视电阻率值初步给定模型各个子块的电阻率,使用有限元法或有限差分法作正演计算,得出初步模型的地面视电阻率异常值。程序将正演计算值与实测值进行比较,根据比较的结果调整模型各个子块的电阻率,使用调整后的模型重新作正演计算。如此多次循环迭代,使模型正演计算结果与实测值的差异逐渐减小。
通过本实施例可实现:通过设有的电极定点模块能够结合区域的划分以及电极预规划方向进行电极安装测量,获得其对应的电位差以及电流情况获得数据反演中所需的必要数据。
实施例3
如图1所示,一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位;电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机;在本实施例中,供电电极和测量电极的放置点位于网格横纵线的交点上,两个测量电极位于供电电极一和供电电极二的连线上。
在本实施例中,对网格边界定点插装的步骤如下:
步骤一,对确定好的供电电极一和供电电极二的位置以及测量电极一和测量电极二的可插装位置进行放线;
步骤二,将供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二分别插入地面,使各电极露出地面层的高度为电极总长度的四分之一,插入地底部分的电极与地表介质之间接触耦合;
步骤三,在以供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二中心线1.5m为半径的圆形区域土壤中导入足量的饱和盐水溶液;
步骤四,对测量电极一和测量电极二进行滚动测量,获取对应测量点的通过供电电极向大地所发射的电流Ip和两个测量电极之间所获得的一次场电位差Vp,将Ip和Vp数据发送至测量主机,由测量主机根据已知的测量电极一和测量电极二的所获得数据求出电阻率,电阻率的计算公式为:,其中,K为装置常数,Vp为电位差,Ip为电流。
在本式中,设两个供电电极的中点为点O,供电电极一距离O点的长度为a,两个测量电极的中点为P,测量电极一距离P点的长度为b,π为圆周率,设M1为供电电极一距离测量电极一的距离,M2为供电电极二距离测量电极一的距离,N1为供电电极一距离测量电极二的距离,N2为供电电极二距离测量电极二的距离,π为圆周率,在此式中,x为OP之间的距离,y为测量电极距离地面的高度,
当对电极距离进行测量后,能够获得电阻率,在此式中,Vp为两个测量电极之间所获得的一次场电位差,Ip为通过供电电极向大地所发射的电流。在两个供电电极之间的距离进行确定时,一个供电电极的位点位随机获得,另一个供电电极为待测区域边缘,两个供电电极之间的位置固定不动,在测量过程中,两个测量电极在两个供电电极之间的地段进行逐一测量,当测量电极随着地表深度发生变化时,实际系数都会产生改变,为了在数据测量次数较少的情况下使数据获得更加精准,随时对K值进行更新,将新的K值送入测量主机中,更加有利于对数据的反演,获得三维地质模型。
通过本实施例可实现:通过设有的数据反演模块,根据不同的测量电极所安装地质层深度,可以计算出多组与安装地质层深度所对应的K值,并将多组K值分别用于设备反演,使反演结果更加精确,获取更加精确的三维地貌。
需要说明的是,本发明为一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘
查系统,在使用时,区域集成模块对待检测区域的图像进行捕捉并对捕捉到的待检测区域图像分割为16×16网格,并对分割后的网格点进行序列标号,随机选取任意序列标号通过方位铺设模块获取电极排布的取样方位,对确定网格区域随机取P点,P点为非网格边界线上的点,且P点位与网格中横纵向交线点,将供电电极一置于P点所在位置,以P点为中心向外侧发散性选取8个取样方位,的取样方位分别为以P点为中心的正东方向、正南方向、正西方向、正北方向、东南方向、东北方向、西南方向和西北方向,随机选择任意一个取样方位作为基准方位,选取的基准方位与待检测区域边界位置的交点处放置供电电极二,然后对两个测量电极进行电极排布,然后通过电极定点模块获取各取样方位上每个测量点的电阻率,对确定好的供电电极一和供电电极二的位置以及测量电极一和测量电极二的可插装位置进行放线,将供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二分别插入地面,使各电极露出地面层的高度为电极总长度的四分之一,插入地底部分的电极与地表介质之间接触耦合,在以供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二中心线1.5m为半径的圆形区域土壤中导入足量的饱和盐水溶液,对测量电极一和测量电极二进行滚动测量,获取对应测量点的通过供电电极向大地所发射的电流Ip和两个测量电极之间所获得的一次场电位差Vp,将Ip和Vp数据发送至测量主机,由测量主机根据已知的测量电极一和测量电极二的所获得数据求出电阻率,电阻率的计算公式为:,其中,K为装置常数,Vp为电位差,Ip为电流。然后将电阻率数据发送至数据反演模块进行数据反演,并根据数据反演结果生成待检测区域的三维地貌图。在测量时对测量电极进行滚动测量,将供电电极和测量电极依次连接到主机的接线柱。在两个供电电极之间的距离进行确定时,一个供电电极的位点位随机获得,另一个供电电极为待测区域边缘,两个供电电极之间的位置固定不动,在测量过程中,两个测量电极在两个供电电极之间的地段进行逐一测量,当对测量电极的位置进行变化时,为了保证测量数据的准确性,通过数据反演中的装置常数 ,进行数据更新计算,设两个供电电极的中点为点O,供电电极一距离O点的长度为a,两个测量电极的中点为P,测量电极一距离P点的长度为b,π为圆周率,设M1为供电电极一距离测量电极一的距离,M2为供电电极二距离测量电极一的距离,N1为供电电极一距离测量电极二的距离,N2为供电电极二距离测量电极二的距离,在此式中,x为OP之间的距离,y为测量电极距离地面的高度,π为圆周率,在本式子中,,,,;因此可得,当对电极距离进行测量后,能够获得电阻率,在此式中,Vp为两个测量电极之间所获得的一次场电位差,Ip为通过供电电极向大地所发射的电流。当测量电极随着地表深度发生变化时,实际系数都会产生改变,将获得的数据进行数据反演,获得当对方位铺设模块中的单一方位进行检测完成后,反向对该初始方向进行检测至待检测区域地质边缘,即可确定一条横向面上的电阻率情况,同时多次对随机对P点进行取点以及方向检测,避免数据以及测量方向的单一性,进行供电电极以及测量电极间距改变,重复观测,对不同电极间距的剖面进行观测。
测量信号由转换开关送入测量主机,并将测量结果依次存人随机存储器或收录在磁带上。将数据回放并送入微机,便可根据需要按给定程序对原始资料进行处理并给出相应的图示结果。这样就可利用高密度电阻率法在现场准确并快速的采集大量数据,同时对采集的数据进行各种处理及结果图示,在进行数据采集过程中,可以采用WJDJ-3型高密度电阻率系统,在采集过程中为了保证采集的数据质量,应当停止工作面的所有电源,在对数据处理的过程中,应当对电极接地条件较差以及电极接地不好、采集现场中出现干扰
所导致的数据突变点进行剔除,同时为了消除随机噪声,采用光滑平均方法对数据进行处理。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,包括区域集成模块、方位铺设模块、电极定点模块和数据反演模块,其特征在于:
所述方位铺设模块用于获取电极排布的基准方位;
所述电极定点模块对确定好的网格边界进行定点插装,所述电极定点模块包括供电电极、测量电极和测量主机;
所述电极排布的基准方位的获取步骤如下:
步骤一,对确定网格区域随机取P点,所述P点为非网格边界线上的点,且所述P点位与网格中横纵向交线点;
步骤二,将供电电极一置于P点所在位置,以P点为中心向外侧发散性选
取8个取样方位,所述的取样方位分别为以P点为中心的正东方向、正南方向、正西方向、正北方向、东南方向、东北方向、西南方向和西北方向;
步骤三,随机选择步骤二中任意一个取样方位作为基准方位,选取的基准
方位与待检测区域边界位置的交点处放置供电电极二,然后对两个测量电极进行电极排布;
所述区域集成模块对待检测区域的图像进行捕捉并对捕捉到的待检测区域图像分割为16×16网格,并对分割后的网格点进行序列标号,随机选取任意序列标号通过方位铺设模块获取电极排布的取样方位,然后通过电极定点模块获取各取样方位上每个测量点的电阻率,之后将电阻率数据发送至数据反演模块进行数据反演,并根据数据反演结果生成待检测区域的三维地貌图。
2.根据权利要求1所述的一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,其特征在于:对网格边界定点插装的步骤如下:
步骤一,对确定好的供电电极一和供电电极二的位置以及测量电极一和测量电极二的可插装位置进行放线;
步骤二,将供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二分别插入地面,使各电极露出地面层的高度为电极总长度的四分之一,插入地底部分的电极与地表介质之间接触耦合;
步骤三,在以供电电极一、供电电极二、测量电极一和测量电极二中心线1.5m为半径的圆形区域土壤中导入足量的饱和盐水溶液;
3.根据权利要求1所述的一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,其特征在于:所述供电电极和测量电极的放置点位于网格横纵线的交点上,两个测量电极位于供电电极一和供电电极二的连线上。
4.根据权利要求1所述的一种基于高密度三维电法勘探技术的地球物理勘查系统,其特征在于:所述待检测区域图像通过实时卫星或者遥感拍摄获取。
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