地震預警

壹-台灣地震現況及動機

地球上百分之九十的地震,及百分之八十一的強烈地震都發生在環太平洋火山地震帶上。環太平洋火山地震帶為經常性發生地震及火山活動的地區(圖1-1),該火山地震帶呈馬蹄狀圍繞著太平洋的三面,全長約為四萬公里。環太平洋火山帶肇因於板塊的移動及碰撞,故火山地震帶上具有連續的海溝、島鏈及火山。

環太平洋火山地震帶為經常性發生地震及火山活動的地區

而台灣的地震發生可分為三個主要的分佈(圖1-2),分別為西部地震帶、東部地震帶及東北部地震帶,在東北部菲律賓海板塊隱沒到歐亞板塊下方,而在西南部,歐亞板塊隱沒到菲律賓海板塊下方,形成雙地震帶(double seismic zone)。西部地震帶為整個台灣西部地區,其地震成因來自板塊碰撞前緣的斷層作用,由於斷層構造多在地殼,故震源深度相對較淺,深約為十餘公里,當地震發生時,震動強烈,加之西部人口密集,易造成重大災害。台灣位於亞洲東部、太平洋西北部,係由歐亞板塊及菲律賓海板塊相互擠壓所形成,而台灣亦座落在環太平洋火山地震帶上。台灣相當年輕,其造山作用仍相當活躍,故台灣每年發生的地震次數也相當地多。根據中央氣象局自民國八十年至民國九十五年的觀測資料顯示,台灣平均每年發生一萬八千五百次地震,其中約有一千次的有感地震。另外,在古地震的研究上發現,全球大地震發生的週期約為一千年,但台灣地震構造年輕,造山作用劇烈且頻繁,台灣發生大地震的再現週期約為一百年到兩百年,地震之於台灣可說是不容輕視。

而台灣的地震發生可分為三個主要的分佈,分別為西部地震帶、東部地震帶及東北部地震帶

東部地震帶肇因於菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞,地震活動頻率最高,因板塊隱沒作用所致,震源深度可達三百公里左右;東北部地震帶自蘭陽溪上游經宜蘭向東北延伸到琉球群島,受沖繩海槽擴張作用影響,屬於淺層震源,伴隨地熱與火山活動現象。由於台灣東部正處菲律賓海板塊撞擊歐亞板塊所在,故台灣東部地震最多,但大部分地震發生在海底,所以一般造成災害較小。

台灣最大的地震損失發生在民國八十八年九月二十一日一時四十七分,為南投集集大地震,震央位在北緯23.9度,東經120.8度,距日月潭西方九公里,由車籠埔斷層所引發,造成長約一百公里的破裂帶,水平變位最大達七公尺,垂直變位最大達四公尺,造成兩千四百五十六人死亡,一萬零七百一十八人受傷,房屋全毀五萬三千六百六十一棟,毀損則有五萬三千零二十四棟。

地震所帶來的災害實在讓人害怕,況且在地震頻仍的台灣地區,更是不得不教人提心弔膽。故在地震災害的預防及地震預測、預警上,有必要進行大量研究及投入大量資源,以現今技術而言,地震預警是最為可行的方法,故本報告將以地震預警作為研究專題。

貳-預警系統發展歷史

早在1868年,美國人Cooper就提出了地震預警的概念,他的目的是為了使舊金山地區的地震災害可以減少,其提議在距離San Francisco市離約100km的地區設置預警系統,但礙於當時的科技技術不夠完備,無法達到他的理想。

而後到1988年,日本發展出一套地震預警系統UrEDAS (Urgent Earthquake Detection and Alarm System),採用單站法設計,可於地震發生時使電車能夠緊急停止,以降低災害傷亡,這是第一個利用現代科技理論所架設的地震預警系統,但並沒有正式公開使用。一

直到了1991年,墨西哥地區正式使用地震預警系統SAS( Seismic Alarm System),這個預警系統是針對墨西哥市而設,是世界上第一個向大眾發佈地震警報的警報系統。在1995年9月14日,墨西哥市320km外發生7.3級地震,SAS在72秒前對墨西哥市發出警報,減少許多傷亡。

雖然SAS技術層面不高,但墨西哥市距離震央較遠,有足夠的時間警示,故SAS也是第一個成功對都會區發出地震警報的系統。

1995年,台灣中央氣象局設立Rapid Earthquake Information Release System (RTD)。依據中央氣象局對地震速報系統之規劃,以現有的即時地震監測網為基本架構,並透過數據傳輸,將地震速報資料傳回地震測報中心。結合軟體之研究開發,將強地動觀測網地震資料經由快速評估,以達到地震速報的功能。

美國、日本、墨西哥、台灣為最早應用地震速報與預警的國家。近年來,許多國家正積極投入地震預警系統並且運用,如:德國、土耳其、羅馬尼亞、立陶宛、中國大陸等,各自建立警報系統及運用於不同領域。

参-地震預警系統介紹

為何發展地震預警系統

在地殼中不同結構受到長期的推擠,應力不斷累積,當構造無法再負荷時,便會發生地震來消除應力。然而雖知道地震成因,但是地殼中的斷層構造複雜,且對於地層構造的資訊並不充足,以現今技術仍無法在地震發生之前,精確地推算出地震發生的時間、地點、規模、震度、及可能的災害等,故地震預測仍未有可行性。

既然無法預測地震發生,那麼是否能將地震震度變小?有些科學家想在地殼應力累積的地方,用某種方法像是爆炸等人為製造小地震,將地殼中的應力引發為小地震釋放。此一構想於理論上或許可行,然而回到現實層面,人們對於地殼構造了解得太少,且應力累積受複雜的構造影響,引發地震所需的經費也非常龐大。基於資訊的完整性、成本、技術的可行性上皆有不足的條件下,控制地震規模或震度仍相當的難度。

面對地震災害,最直接的想法便是「能否控制地震」、「能否控制地震大小」,由以上所述,此二種想法仍未可行。然而以現有的技術而言,難道對地震全然束手無策嗎?其實不然,在地震發生的必然下,我們將目光放在降低地震災害或避免地震災害上,藉由現今的光電傳輸系統,可在地震波到達前數秒至數十秒發出預警,對地震位置、規模、震度分佈圖及重要設施搖晃情形先發出預警,如此可提供大眾有採取防護措施的黃金時間,並能災害及快速投入救災,大幅減低了地震的間接災害損失。

原理
地震預警系統的應用原理主要是利用(1)地震波可分為體波及表面波,而其中體波又可分為P波和S波,而造成地震災害的地震波為S波和表面波。(2)地震波傳遞波速以P波(在地殼中約6km/s)最快,S波(在地殼中約3.5km/s)次之,表面波最末。(圖3-1)故藉由以上兩點,可分析先達測站的P波,並加以推測S波及表面波到達時間、所造成的震動大小及災害程度。(3)利用電磁波傳遞波速(在真空中約300000km/s)遠快於P波波速,可將分析後的資訊透過通訊網絡迅速地傳到各地,以達預警效果。

地震波可分為體波及表面波

分類

一般預警系統可以分為兩大類,分別是on site與regional(圖3-2)。這是相較於要保護的設施而言。觀測站設立在保護區當地,是為on site的類型;而觀測站設立距保護區有段距離的,則是屬於regional的類型。要設何種端看保護區與可能的震源位置來決定。當震源位置距保護區稍遠,一般會使用regional的類型,利用地表上許多具震源較近的測站,當這些近的測站收到P波訊號,經多站運算後,可以大範圍的將訊息傳佈出去,但這樣需要一些運算時間,所以對於距震源較近的區域會沒有足夠的反應時間,此時就是需要用on site的類型。On site就是在接收到P波波前時就直接對該區域發出地震要來的警報,這種警報類型可以在短時間內爭取到時間。

一般預警系統可以分為兩大類,分別是on site與regional

圖3-3比較了兩個預警系統,其中FREQL Alarm是屬於on site的警報系統,JMA Alarm是屬於Regional的警報系統。橫軸表示距離震央的位置,縱軸表示地震發生後經過的時間,黃的區域表示P波波前到達,綠色及粉紅色則分別代表S波與表面波到達,亦即代表主要破壞力的到達。之前提到on site的警報系統是偵測到P波波前立即發出警報,所以可以見到FREQL Alarm發出警報的時間與P波到達的時間是大約一致的;而Regional的警報系統是經過運算大範圍發布,所以可以見到JMA Alarm對各地方發布警報的時間是一樣的,大約都是在地震發生10秒左右。

比較兩個預警系統

從圖3-3中可以知道,大約在距震央45公里內,使用on site的系統較能爭取到時間,而在45公里外則是適合使用Regional的警報系統。這僅是一個模式,實際的數字會依各案件的條件差異而有差別。另外,要注意一點,就是圖中距離震央約25公里附近,就算是使用on site的警報系統,依然無法爭取到足夠的預警時間,這可能是未來可以在研究的區域。

圖3-4是一個以發生在台灣花蓮外海的地震實例,從圖中時間軸表示地震發生後的時間,虛線表示P波波前、實線表示S波波前,星號為震央。從左圖中可以見到,當海上地震發生後12秒時,這個地震訊號被陸上的測站給偵測到了,經三秒運算後,可以發生即時的預警,但此時的警報僅告訴大眾有地震要來,沒有其他資訊。真要能預估幾秒後到,該地強度大約多強,則是要到地震發生後19秒才能提供給大眾。搭配上波前來看,若是我們希望保護的區域在宜蘭或花蓮,第一種警報或許能給些緩衝時間,但等到第二種發佈時,地震已經在該地區發生了,完全沒有預警的效果。但如果現在要保護的地方換成是台北地區,使用第一種或第二種都能有一定的緩衝時間,算是比較有效的。

一個發生在台灣花蓮外海的地震實例

肆-台灣地震預警現況及架構

a.地震預警系統的建立

地震預警系統的建立

地震預警系統的建立是以地震速報系統Rapid Earthquake Information Release System (RTD)為基礎,由強地動觀測計畫慢慢建立而來。強地動觀測計畫從民國81年開始建推動,6年為一個階段,逐步朝有效降低地震災害損失之目標邁進。第一階段為81到86年,建置強地動觀測網(real-time strong-motion accelerograph network),擺放強地震儀。第二階段為87到92年以強地動觀測網為基礎,建立地震速報系統。第三階段為93年到98年,在地震速報系統的基礎上發展地震預報系統。

即時強地動觀測系統

即時強地動觀測系統分為的四個部分(圖4-2):強震儀、資料傳輸線路、資料處理、資料訊息發布。

強震儀:負責地動訊號蒐集,具有16位元的解析度,即有96dB的動態記錄範圍,最大地動加速度範圍為 ±2G。中央氣象局目前在台灣本島及離島地區共建置了100多個測站。

資料傳輸線路:資料傳輸線路使用中華電信的數據專線,所有強震儀三軸向、取樣率每秒50點的地動訊號經過數據機後,24小時連續傳回至資料處理中心。除了數據專線以外,中央氣象局目前也藉由Frame-Relay網路,利用TCP/IP的協定將訊號傳回中心站,此訊號傳輸環境並同時配備有衛星通訊線路的備援。

地震消息發布:地震消息內容包括地震發生時間、震央位置、震源深度、地震規模、各地震度等基本參數,以及藉由這些參數的推估,在防救災上一些重要的參考資訊。地震情報的傳遞主要以網路為主要的傳播媒介,隨著通訊科技的發展,也開發不同新的傳播媒介。資料處理:資料處理為完全自動作業,處理中心位於中央氣象局台北本部,當地動訊號達觸發標準,系統會自動進行定位工作,並將地震位置、規模大小等定位結果及各地震度藉由許多管道快速發布,有效減少地震反應的時間。

b.Sub-network

子網域

台灣現在所使用的Regional warning系統有區域子網(Sub-network approach)與虛擬子網(Virtual sub-network approach, VSN)兩種。

以人為的方式在全台監測站劃分若干各個區域子網:北部子網(19個測站)、花蓮子網(20個測站)、中部子網(27個測站)、嘉南子網(20個測站)、南部子網(24個測站) 。當子網內的加速偵測儀測到地動後,立即將地震訊息傳回台北本局進行資料處理分析,再藉由地震預警提供給局內相關人士。

自民國87年8月至民國94年6月曾於花蓮測試區域子網之效用,其間花蓮子網偵測到43次ML大於4.5的地震(ML與地震規模Mw有正相關),並在19秒內成功回報,其位置不準度在10公里內的範圍,規模不準度在0.3以內,並在S波到達台北之前,提供了台北15秒的預警時間。

藉由測站分佈密度高的區域子網,可將一地區的地震資料形成群組,加速處理以縮短回報時間,增加了地震預警的可行性。

c.virtual sub-network

虛擬子網(Virtual sub-network, VSN)

另一種相較於Sub-network的區域子網為虛擬子網(Virtual sub-network, VSN),VSN與Sub-network概念並未有太大差異,皆是由密集的子網路加快訊息處理,增加預警的時間。但VSN與Sub-network不同的是VSN並非固定的子網路,當地震發生後,Sub-network須匯整該區域內的測站訊息;而VSN卻是由處理中心自動將各地測站數據劃分不同的群組。

由於地震事件發生後,由處理中心劃分出區域,故而VSN的子網路組態隨著地震事件而改變。其優點在於地震發生後,鄰近測站受到震波,即可馬上形成一個群組,相較固定子網可更快匯整數據,增加更多的預警時間。

台灣的地震預警系統利用ML10法配合Virtual sub-network,可約有20秒的時間將地震預警傳至距震央70km外的地區,當花蓮發生地震時,台北已有足夠的時間去做應對。

d.偵測震度-WL10

地震破壞主要來自S波與表面波,傳遞波速又以S波較快於表面波,針對此結果,最直接的想法是「能否分析S波」、「大地震的S波波相是否有所類似」,但在有限的預警時間之內,測站往往無法得到偵到完整的S波再將數據回傳,故在分析S波的應用上對預警 系統並無太大效用。

地震發生後,隨著時間所偵測到的地震波波相

圖4-5為一地區的測站在地震發生後,隨著時間所偵測到的地震波波相,由圖可發現,在10秒之內,測站多難以記錄完整的S波波相,更有甚者,測站並未收到S波的波動。

若要記錄完整的S波,就必須花費更多時間在測站偵測上,但也因此失去了預警的時效性,所以分析S波的方式並不適合用以發展預警。

Wu et al. 1998由經驗法發展出ML10法,是目前現行地震預警系統所使用推估地震規模的方法。此方法是利用達測站十秒內的P波最大振幅去推估地震規模(ML10),並藉由統計分析發現推估的地震規模(ML10)與近震規模 (ML)有極高的正相關性(圖4-6),

地震規模(ML10)與近震規模 (ML)有極高的正相關性

其回歸公式如下:

ML = 1.28 * ML10 -0.85 ± 0.13

地震波傳遞波速以P波最快,雖然P波並非主要地震破壞的來源,但經研究發現,在10秒之內的P波最大振幅與地震大小有所相關。其關係很直覺地,當地震較大時,P波的能量也較強,故而振幅也隨之增大,所以藉由P波的研究,指示出一個可行的預警方向。

雖然ML10並非精確的地震規模,但由高度的相關性,可用以推導出極為精準的近震規模ML。藉由10秒內的P波最大振幅去做分析,兼顧了預警的效用及速度,ML10法的精巧由此而顯。

伍-地震位置及規模判定

地震預警系統的工作首步在於測站的偵測,快速的偵測,有助於提到預警時間,提高預警系統的可行性;準確的偵測,有助於隨後的資料分析,以做出準確的判斷,將預警系統的效益發揮到最高。

「偵測」地震可分為「地震位置」及「偵測地震規模」兩個項目,然而地震預警系統目的在於搶先地震波傳達前,對於某地區先發出警報,故地震預警系統的偵測要點在於可用的偏差內,儘可能提高回報速度。以下介紹的偵測方式雖未全然精確描述地震,但在提高效率的「結果導向」原則上,卻可讓人發現有著極為精巧的設計及結果。

偵測地震位置

1. 標準地震定位

標準的地震定位主要是利用至少三個測站及四個震波到時,逆推地震的震源座標(x, y, z)及發震時間(t)四項參數。由於震波在非均勻介質中傳遞時,走時與距離之間是個複雜的非線性問題,可利用Geiger, 1912的計算方式將其簡化成線性關係。因此地震定位使用的運算方程式如下:

其中,V:震波傳遞速度;0t、0x、0y、0z:地震發生的時間與位置;nt、nx、ny、nz:震波到達測站的時間與測站位置。

2. 利用單一測站決定震央位置

如果在一地震測站所量測到的地震波,其初動的方向及震幅都能計算的話,則可利用以下利用向量和成法來推估震央(圖5-1):

利用向量和成法來推估震央
θ = 震央與觀測站之方位角;則θ = tan-1(AEW/ANS)。將兩個振幅取tan-1後,可得θ。再利用所量測到的震幅(Ap)及規模(M),利用以下的式子:設AEW = P波初動E-W分量之振幅;ANS = P波初動N-S分量之振幅;

log(R) = a.M + b.log(Ap) +c

可推得距離(R),其中,a、b、c皆由所在的區域決定。

3. Voronoi cells

Voronoi cells

Voronoi cells 的概念是,在地震網中的測站,有到兩個測站時間一樣的等時線把其隔開。把這些等時線連起來,就成為 Voronoi cells(圖5-2)。當一個地震發生時,某一個測站先接收到了,就可以定其發震位置大致在該測站所屬的網格裏面,不必作精確的地震定位運算,這樣能夠爭取地震發生後發出警報的反應時間。因為知道了發震大致位置,所以對該地以外的地方可以沿距離遞減發出地震預警。

4.單一測站估計震央距


Acc(t) = Bt.exp(-At)當我們將收到的地震波資料做加速度與時間作圖,我們可以發現在P波到後,加速度明顯上升。我們可以用

來符合加速度曲線的包絡線。其中Acc為加速度震幅,B為P波初始震幅的斜率,A則與震幅隨時間的變化值相關。其中logB與震央距得對數值成反比。(圖5-3)

其中logB與震央距得對數值成反比。

也就是說,P波初始包絡線斜率越小,則震央距離越遠。例如圖中的前三個的地震波,為同一個地震,第一個震央距為17km、第二個為57km、第三個為156km。可以發現震央距越長的,包絡線越扁,初始斜率越小(圖5-4)。利用B值,我們可以回推震央距。

可以發現震央距越長的,包絡線越扁,初始斜率越小

5.雙測站估計震央


在圖5-5中,利用兩個測站(1, 2)的到時差,若假設地震波在地層中傳播的速度不變,則可以得到以下的式子:

d2 – d1 = V.(t2 – t1)

對d1、d2作圖可知為雙曲線。即地震應該發生在此雙曲線上。又在這觀測網中其他的測站還沒有紀錄到地震,故可地震的發震位置可以縮小範圍至粗黑線的區域。

估算地震規模大小

1.τc

一般來說,地震初始運動的週期反應出地震的大小。而我們定義τc為P波初始震動3秒內的平均周期。其解法為,先求出速度平方積分與位移平方積分的比率r,積分區間為0秒至τ0秒,通常設定τ0為3秒。

經由傅立葉轉換,利用Parseval定理,就是時間域上的總能量要等於頻率域上的總能量:

其中, (f) 是地表位移(u(t))的函數, 為平均頻率的平方。所以平均週期τc可得:

從圖5-6可以觀察得知,在P波到後3秒,地震規模越大,其初始運動的平均周期(τc)有越大的趨勢。

而將τc與MW作回歸分析(圖5-7),

可得兩者的回歸曲線為  τc = 1.68Mw – 9.08 ±0.52

2. Pd方法

Wu and Kanamori(2005a, 2006b)在文章中定義Pd P 波在到達測站後三秒內的最大地表位移。其中,利用地震波的震幅隨著距離衰減的式子,我們可以推估地震的規模:

Log(R)=a·M + b·log(Pd) + c

其中,Pd可由地震波的波形而得,R可由上述的許多偵測的地震位置而得。圖5-8為南加州Pd 之觀測值及規模4, 5, 6 及7 之回歸曲線。其線性迴歸為:

log(Pd) = -3.463 + 0.729·M – 1.374·log(R)
MPd = 4.748 + 1.371·log (Pd) + 1.883·log(R)

圖5-9為Pd所推得的規模與經過較精確完整運算所得規模的相關程度。

圖5-10為台灣的Pd與規模的回歸曲線(顏),而圖5-11為台灣τc與規模的回歸曲線:

M = 3.805 ·log(τ c) + 5.595
log(Pd) = -3.688 + 0.605·M – 1.101·log(R)


陸-預警系統應用及未來發展

地震預警是在地震發生後的數秒至數十秒內,對大眾發布地震資訊,如地震位置、規模、震度及重要設施搖晃情形等,作出示警。有效的示警可大幅降低地震的間接災害(如:火災、水壩破壞、建築物傾毀……),並可加速救災反應及災後恢復。其擴及的層面很廣,如一般住家、救災單位、交通運輸系統、公共場所、醫療院所、發電廠、高科技廠等:

首先,在一般住家裡,聽到警報時可以趕緊將火源電源關閉,並且將門窗打開,並視情況做好防震的動作。一些密閉環境如電梯等,可自動開啟,停靠至適當樓層,避免人員受困等等。

救災單位等像是消防人員可以自我防護,準備救災應變作業等。

交通運輸系統方面,在路上行駛中的車輛可以將車輛停止,離開可能砸落、崩塌及注意路面受地震變化。鐵道等也可減速停止,避免因地震而脫軌造成傷亡。

在大型公眾場所如學校等,可以盡速做好保護或者疏散的措施,如果是在工地等危險場所也可盡速離開。在戶外的民眾可盡速遠離可能會受到牆壁倒塌或招牌掉落的環境。

醫院中的手術也可預先停止或做好應變。

高科技廠裡,也可依預警狀況做調整,避免儀器因震造成的損失。圖中為一工廠實例,在有預警系統前,受到一個小規模5的地震,要再復工需要17天,且真正回到最到產能是要到90天後,但有了預警系統,一個大規模5的地震,僅需要3.5天便可以回到最大產能,這復工天數的減少,將使工廠因震的經濟損失大幅減少。顯示預警系統有效降低地震帶來的經濟損害。

另外,據墨西哥的研究指出,地震預警的發佈,有助孩童迅速找到保護場所及採取保護措施之外,亦有助於孩童降低對地震災害的恐懼及災害心理重建。地震預警的設立,築了在防災、經濟、救災、政策施行等皆有實質幫助,在民眾的心理上,也能更適應地震所帶來的壓力與災後心理重建。地震預警除了效益層面之外,在社會角色上,也可說有著莫大的影響力與重要性。

柒-結論

台灣位處環太平洋地震帶,且台灣地質年紀年輕,正值於造山運動初期,所以無可避免地台灣勢必面臨頻繁的地震。然而地震本身並不可怕,可怕的是地震所帶來的災害,台灣造山運動劇烈,地震規模亦大,隨之而來的地震災害也較為嚴重。但地震災害不是地震必然的產物,如何降低地震災害或避免地震災害即成了重要的研究課題。

以現今的技術並不能有效預測地震,亦無法控制地震。目前在技術可達性上,地震預警是個可行的方向,而經過研究,地震預警也是目前最為有效的防災、減災方式。在許多地震頻繁的國家之中,地震預警技術的發展行之有年,各國也因應各自地質、技術條件發展出適用的系統,而部分國家如日本更是將預警系統普及化,使得一般民眾能在地震來臨前,適時地採取適當防護。台灣本身有著近乎全球密度最高的地震監測網,配合電信傳輸系統,及資料分析技術與相關軟體的研究,台灣也正發展著自身的地震預警。

台灣現行採用的預警在Regional warning上,是以ML10法配合Sub-network及Virtual sub-network,可將反應時間縮至20秒內,對於距離震央70公里之外的區域能有效預警。然後多站法並不適用距離震央70公里內的範圍,故在距離震央70公里內,適用單站法,單站法的預警雖然在精準度不如多站法,但單站法的設計可縮短更多反應時間,加快預警的發佈,對於距震央30公里外的範圍,單站法可提供寶貴的應變時間。

地震預警系統在未來的發展上朝向縮短反應時間的目的,單站法或許是一個大趨勢。在重要的機關配備偵測器與處理單元,使得配有偵測器與處理單元的建築與設施成為一個現地測站與警報站。再結合防震系統,當偵測器感受到P波,經處理判斷為災害性地震時,可立即催使防震系統作用,如:電梯緊急停止、停電時立即轉為備用電源、交通系統緊急應變……等。

除了地震預警系統的發展外,在降低地震災害的根本上,民眾應多加強應變防震的教育與演練,也有助於民眾對於地震有正確的了解,而非一味恐慌。地震防災的方式有許多,但各個防災方法都不是絕對而充足的,在各種地震防災方法應互相結合,才能真正有效到達減災、防災的目的。

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