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文檔簡介
電法在煤礦防治水中的應(yīng)用第1頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月一、電法勘探的分類
山東科技大學(xué)第2頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月電法勘探的分類
方法分類(2):天然場源法:自然電位法、大地電流法、大地電磁法等。人工場源法:電阻率法、激發(fā)極化法、電磁法等。第3頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月電法勘探的分類
方法分類(3):傳導(dǎo)類電法:電阻率法、充電法、自然電場法、激發(fā)極化法等。電阻率法:剖面法(二、三極剖面、聯(lián)合剖 面等)、測深法感應(yīng)類電法:電磁剖面法(偶極剖面、航空電磁法等)電磁測深法(大地電磁測深、頻率測深等)第4頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月
1、巖石的電阻率金屬導(dǎo)電、半導(dǎo)體導(dǎo)電、固體電解質(zhì)導(dǎo)電
2、影響電阻率的因素成分和結(jié)構(gòu)、含水性、溫度、壓力
山東科技大學(xué)二、電法勘探中的地球物理基礎(chǔ)第5頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月
巖石的導(dǎo)電方式大致可分為以下三種:金屬導(dǎo)電和半導(dǎo)體導(dǎo)電、溶液離子導(dǎo)電、固體電解質(zhì)導(dǎo)電巖石的電阻率由組成巖石的礦物成分決定
巖石和礦物的導(dǎo)電性或電阻率
:取決于物質(zhì)中電荷運(yùn)移的難易程度。礦物的電阻率:
金屬導(dǎo)體:電阻率很小,例如:金的電阻率為210-8
·m,銅的電阻率為1.2~3010-8
·m。
第6頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月影響電阻率的因素(1)巖石電阻率與礦物成分的關(guān)系巖石電阻率與組成巖石的礦物的電阻率、礦物的含量和礦物的分布有關(guān)。當(dāng)巖石中含有良導(dǎo)電礦物時(shí),礦物導(dǎo)電性能能否對巖石電阻率的大小產(chǎn)生影響取決于良導(dǎo)礦物的分布狀態(tài)和含量。如果巖石中的良導(dǎo)礦物顆粒彼此隔離地分布著,且良導(dǎo)礦物的體積含量不大,那么巖石的電阻率基本上與所含的良導(dǎo)礦物無關(guān),只有當(dāng)良導(dǎo)礦物的體積含量較大時(shí)(大于30%),巖石的電阻率才會(huì)隨良導(dǎo)礦物的體積含量的增大而逐漸降低。但是,如果良導(dǎo)礦物的電連通性較好,即使它們的體積含量并不大,巖石的電阻率也會(huì)隨良導(dǎo)礦物含量的增加而急劇減小。第7頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)巖石電阻率與其含水性的關(guān)系沉積巖主要依靠孔隙水溶液來傳導(dǎo)電流,因此巖層中水的導(dǎo)電性質(zhì)將直接影響沉積巖的電阻率。在其他條件相同的情況下,巖層電阻率與巖層中水的電阻率成正比。影響水的導(dǎo)電性的主要因素是水中離子的濃度和水的溫度。常見的巖層水一般含低或中等濃度的離子,巖層中水的含鹽濃度增大,離子數(shù)量隨之增多,溶液導(dǎo)電性將變好。同時(shí)巖層中水的導(dǎo)電性還與溫度有關(guān),它的電阻率將隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)?,一方面水中鹽類的溶解度隨溫度的升高而增大,致使溶液中離子數(shù)量增多;另一方面,溫度的升高還會(huì)降低溶液粘度,加快離子的遷移速度。第8頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月(3)巖石電阻率與層理的關(guān)系層理構(gòu)造是大多數(shù)沉積巖和變質(zhì)巖的典型特征,如砂巖、泥巖、片巖、板巖以及煤層等,它們均由很多薄層相互交替組成。這種巖石的電阻率具有明顯的方向性,即沿層理方向和垂直層理方向巖石的導(dǎo)電性不同,稱為巖石電阻率的各向異性。巖石電阻率的各向異性可用各向異性系數(shù)λ來表示,定義為
式中,ρn代表垂直層理方向上的平均電阻率,稱為橫向電阻率;ρt代表沿層理方向的平均電阻率,稱為縱向電阻率。層狀結(jié)構(gòu)巖石模型第9頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月(4)巖石電阻率與溫度的關(guān)系巖石電阻率隨溫度的變化遵循導(dǎo)電理論的有關(guān)定理。電介質(zhì)中離子的能動(dòng)性隨溫度升高而增大,其運(yùn)動(dòng)能量積累到一定值時(shí),很容易脫離晶格,因此導(dǎo)電性增強(qiáng)。半導(dǎo)體的溫度升高時(shí),導(dǎo)電區(qū)電子濃度增大,導(dǎo)電性也相應(yīng)增大。如前所述,在低溫條件下,含水巖石中水溶液的導(dǎo)電性隨溫度的升高而增大,這是由于溫度升高導(dǎo)致水溶液濃度增大和粘滯度降低,水溶液中離子數(shù)量增多、活動(dòng)性增強(qiáng)的緣故;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),因水分蒸發(fā),巖石電阻率略有增加,只有溫度繼續(xù)升高時(shí),電阻率才開始減小。例如,對油頁巖進(jìn)行加溫實(shí)驗(yàn)時(shí),溫度升高到50~100℃時(shí),試樣的電阻率減??;溫度繼續(xù)升高至200℃時(shí),試樣電阻率增大;溫度繼續(xù)升高超過200℃時(shí),試樣電阻率急劇下降;當(dāng)溫度超過600℃后,試樣電阻率又呈回升趨勢。第10頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月(5)巖石電阻率與壓力的關(guān)系巖石原生結(jié)構(gòu)破壞是壓力作用下巖石性質(zhì)變化的主要原因。根據(jù)壓力特征,這種破壞可能是巖石的壓實(shí),孔隙收縮,顆粒接觸面積的增大,形成裂隙組,或是個(gè)別區(qū)域之間粘結(jié)性減小等等。靜水壓力對巖石的壓實(shí)作用最大,在靜水壓力作用下,巖石內(nèi)出現(xiàn)殘余變形,從而使孔隙度降低。此時(shí)壓力對巖石電阻率的影響與巖石內(nèi)液體和氣體的含量有關(guān),往往隨壓力的增大,干燥或者稍許含水巖石的電阻率減小,這是由于孔隙度降低、顆粒間接觸良好的原因。除此之外,巖石中孤立的含水孔隙在壓力作用下閉合并形成連續(xù)的導(dǎo)電通路,也會(huì)使其電阻率減小。對于大多數(shù)巖石,當(dāng)單軸壓力由10Mpa增加到60Mpa時(shí),可觀測到巖石電阻率的劇烈變化。但是,某些粘土在壓力作用下,由于孔隙中的水分被擠出,含水孔隙通道的截面縮小,從而使其電阻率增大。相反,在應(yīng)力弱化作用下,巖石顆粒之間內(nèi)部粘結(jié)性降低,致使巖石強(qiáng)度變小,巖石可碎性增強(qiáng)。當(dāng)巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育但裂隙不充水時(shí),巖石電阻率會(huì)增大,若裂隙充水,巖石電阻率會(huì)顯著減小。第11頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月二、電法勘探中的地球物理基礎(chǔ)
3.計(jì)算公式
山東科技大學(xué)第12頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法
1、基本原理
高密度電阻率法是二十世紀(jì)八十年代才發(fā)展起來的一種新型陣列勘探方法,是基于靜電場理論,以探測目標(biāo)體的電性差異為前提進(jìn)行的。該方法采集數(shù)據(jù)信息量大,可進(jìn)行層析成象計(jì)算,成圖直觀,可視性強(qiáng),采集裝置種類多,儀器輕便。該方法在不同領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。山東科技大學(xué)第13頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法山東科技大學(xué)第14頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法
山東科技大學(xué)第15頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法
山東科技大學(xué)第16頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法第17頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法2、工作方法技術(shù)
具體測量方法為:首先以固定點(diǎn)距沿井下巷道測線布置一系列電極,電極通過多芯電纜經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接到儀器上,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變裝置類型,一次完成該測點(diǎn)上各種裝置形式的觀測,一個(gè)測點(diǎn)觀測完后,通過開關(guān)轉(zhuǎn)換到下一相鄰測點(diǎn)對應(yīng)的電極,以相同方法進(jìn)行該點(diǎn)觀測,直到某一電極間距的整條剖面觀測完為止。改變電極間距,重復(fù)以下觀測,直到有所不同電極間距的剖面觀測完為止。點(diǎn)距的選擇主要依據(jù)探測精度要求,精度要求越高應(yīng)越小。最大電極距大小,決定于預(yù)期探測深度,探測深度越深,要求越大,但一般隔離系數(shù)最大值不超過15為好,當(dāng)然,由于一條剖面測點(diǎn)總數(shù)是固定的,因此當(dāng)極距擴(kuò)大時(shí),反映不同勘探深度的測點(diǎn)數(shù)將依次減少。第18頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法
山東科技大學(xué)
資料處理和正演模擬高密度電阻率資料的反演(圖見下頁)
第19頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月三、高密度電阻率法
山東科技大學(xué)第20頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法1、瞬變電磁法的基本原理
瞬變電磁法是一種利用電磁感應(yīng)原理預(yù)測地下礦產(chǎn)的地球物理方法。瞬變電磁法是一種時(shí)間域的電磁測深法,它利用接地電極或不接地回線建立起地下的一次脈沖磁場,在一次磁場間歇期間接收感應(yīng)的二次電場和磁場。在過程的早期,瞬變場頻譜中高頻成份占優(yōu)勢,因此渦旋電流主要分布在地表附近,且阻礙電磁場的深入傳播,電磁場主要反映淺層地質(zhì)信息,具有很強(qiáng)的分層能力。隨著時(shí)間的推移,介質(zhì)中部的高頻部分衰減(熱損耗),而低頻部分的作用相對明顯起來,電磁場反映了較深部的地質(zhì)信息,所以可達(dá)到測深的目的。在階躍脈沖作用下,良導(dǎo)地層中產(chǎn)生的瞬變渦流電磁場持續(xù)時(shí)間較長,有利于尋找良導(dǎo)體地層并確定其賦存形態(tài)。山東科技大學(xué)第21頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法瞬變電磁法測量裝置由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成。瞬變電磁法工作過程可以劃分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。當(dāng)發(fā)射回線中的穩(wěn)定電流突然切斷后,根據(jù)電磁感應(yīng)理論,發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)磁場,該磁場稱為一次磁場。一次磁場在周圍傳播過程中,如遇到地下良導(dǎo)電的地質(zhì)體,將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流,又稱渦流或二次電流。由于二次電流隨時(shí)間變化,因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場,稱二次磁場。由于良導(dǎo)電礦體內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗,二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減,形成如圖2-1所示的瞬變磁場。二次磁場主要來源于良導(dǎo)電礦體內(nèi)的感應(yīng)電流,因此它包含著與礦體有關(guān)的地質(zhì)信息。二次磁場通過接收回線觀測;并對所觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,據(jù)此,解釋地下礦體及相關(guān)物理參數(shù)。山東科技大學(xué)第22頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法山東科技大學(xué)第23頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法第24頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法第25頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月
瞬變場的激發(fā):與諧變場情況一樣,其激發(fā)方向也有接地式和感應(yīng)式兩種。在階躍電流(通電或斷電)的強(qiáng)大變化磁場作用下,良導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生渦旋的交變電磁場,其結(jié)構(gòu)和頻譜在時(shí)間與空間上均連續(xù)地變化。第26頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月諧變場和瞬變場渦旋電流結(jié)構(gòu)
第27頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月
瞬變場的參數(shù):瞬變電磁場狀態(tài)的基本參數(shù)是時(shí)間。這一時(shí)間依賴于巖石的導(dǎo)電性和收-發(fā)距。研究瞬變電磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律,可探測具有不同導(dǎo)電性的地層分布縱向電導(dǎo)。也可以發(fā)現(xiàn)地下賦存的較大的良導(dǎo)礦體。
在頻率域中電場強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。第28頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法2.野外工作方法(1)幾種裝置及其特點(diǎn)(2)工作裝置和回線大小選擇第29頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法第30頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法
(1)由于TEM是在無一次場背景情況下觀測二次場,即觀測的是純異常,自動(dòng)消除了FEM中的主要噪聲源——裝置耦合噪聲,從而提高了探測精度。(2)裝置形式靈活多樣,可隨不同工程任務(wù)的要求和施工場地的條件來選擇合適的裝置。具有施工方便、測地工作簡單、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)。使用同點(diǎn)裝置工作,與欲探測的地質(zhì)對象能達(dá)到最佳的耦合,取得的異常幅度強(qiáng)、形態(tài)簡單、分層能力強(qiáng),從而具有較高的探測能力,并且受到旁測地質(zhì)體的影響也是最小的。(3)對于受到導(dǎo)電圍巖及導(dǎo)電覆蓋層等地質(zhì)噪聲干擾的“礦異常”的區(qū)分能力優(yōu)于FEM。在高阻圍巖條件下,不存在地形起伏引起的假異常;低阻圍巖起伏地形引起的異常也比較容易識(shí)別。
(4)在TEM測量中,對于線框鋪設(shè)的點(diǎn)位、方位及形狀等的要求相對于FEM可以放寬,測地工作簡單,工效高。(5)由于采用不接地回線,不存在接地電阻問題,在基巖出露區(qū)、凍土帶、沙漠、水泥路面、河湖海水面上均可進(jìn)行測量。具有施工方便、工作效率高及地質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)。(6)在剖面測量中,由于采集不同時(shí)間段的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理可以得到同一點(diǎn)的測深資料,從而在剖面測量中完成了相應(yīng)區(qū)域的測深測量,提供的地電信息豐富,便于資料的解釋;(7)可通過選擇不同的時(shí)間窗口進(jìn)行觀測,有效地壓制地質(zhì)噪聲,可獲得不同勘探深度??捎眉哟蟀l(fā)射功率的方法增強(qiáng)二次場,從而增加勘探深度。有穿透低阻覆蓋能力,探測深度大。在目前的技術(shù)條件下,勘探范圍淺可至幾米、深可達(dá)幾千米;隨著采集儀器、資料處理解釋方法的進(jìn)步,勘探深度范圍還能進(jìn)一步的擴(kuò)大。(8)TEM的應(yīng)用領(lǐng)域相對更加廣泛。瞬變電磁法可以解決的地質(zhì)問題有:能源、礦產(chǎn)勘查、水文、工程、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、考古探測等。第31頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法3、資料解釋第32頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法第33頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月四、瞬變電磁法第34頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月五、大地電磁測深法1、大地電磁測深的原理第35頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月五、大地電磁測深法
2、野外施工
3、資料處理和解釋
山東科技大學(xué)第36頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、電磁場變頻測深法(或稱人工場源頻率測深法)
1、電磁場變頻測深法原理
山東科技大學(xué)第37頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月五、電磁場變頻測深法(或稱人工場源頻率測深法)
山東科技大學(xué)第38頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月五、電磁場變頻測深法(或稱人工場源頻率測深法)2、野外施工
山東科技大學(xué)第39頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法1、可控源音頻大地電磁測深法原理
CSAMT法是可控源音頻大地電磁法的簡稱。該方法是九十年代才興起的一種地球物理新技術(shù),它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出了水平電偶極源在地面上的電場及磁場公式視電阻率(
s)公式
山東科技大學(xué)
第40頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法
山東科技大學(xué)根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論,導(dǎo)出了趨膚深度公式
第41頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法從上式可見,當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r(shí),電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比,高頻時(shí),探測深度淺,低頻時(shí),探測深度深。人們可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度,達(dá)到頻率測深的目的。九十年代,加拿大鳳凰公司和美國的宗吉公司根據(jù)這一理論首先研究制造了CSAMT的測量儀器系統(tǒng),編制了軟件,建立了野外工作方法(見下圖)。
山東科技大學(xué)第42頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法山東科技大學(xué)第43頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法山東科技大學(xué)第44頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月六、可控源音頻大地電磁測深法CSAMT法具有如下的一些特點(diǎn):(1)使用可控制的人工場源,信號(hào)強(qiáng)度比天然場要大得多,因此可在較強(qiáng)干擾區(qū)的城市及城郊開展工作。(2)測量參數(shù)為電場與磁場之比,得出的是卡尼亞電阻率。由于是比值測量,因此可減少外來的隨機(jī)干擾,并減少地形的影響。(3)基于電磁波的趨膚深度原理,利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測深,大大提高了工作效率,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,一次發(fā)射,可同時(shí)完成七個(gè)點(diǎn)的電磁測深。(4)勘探深度范圍大,一般可達(dá)1~2Km;(5)橫向分辨率高,可靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層;(6)由于接收機(jī)在接收電場的同時(shí)還要接收磁場,因此高阻屏蔽作用小,可穿透高阻層。
山東科技大學(xué)第45頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月七、地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)雷達(dá)(GroundPenetratingRadar,簡稱GPR)是利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探儀器,屬于電磁波法的范疇,它是利用電磁波在不同媒體中的傳播與反射特性來進(jìn)行探測的。由于其具有分辨率高、圖像直觀、對場地條件要求低等優(yōu)點(diǎn),在工程勘察與工程檢測領(lǐng)域己得到越來越多的應(yīng)用。山東科技大學(xué)第46頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月七、地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)雷達(dá)由地面上的發(fā)射天線T將高頻電磁波(主頻為106-109Hz)以寬頻帶短脈沖形式送入地下,經(jīng)地下目標(biāo)體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面,為另一接收天線R所接收,而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播,在更深的界面上繼續(xù)反射和折射,直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收,如圖所示。
山東科技大學(xué)第47頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月七、地質(zhì)雷達(dá)根據(jù)上圖,回波走時(shí)(電磁波行程所需時(shí)間)t為:
t=式中,x為兩天線的間距;z為反射點(diǎn)A的法線深度;v為電磁波在地下介質(zhì)波速。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v為已知時(shí),則可根據(jù)天線間距(已知值)x和雷達(dá)記錄的回波走時(shí)t,由上式可求出反射體的埋深。反射體或目標(biāo)體的埋深及其變化,是描述其空間分布最重要的參數(shù)之一,因此也是地質(zhì)雷達(dá)方法必須獲得的基本數(shù)據(jù)。
山東科技大學(xué)第48頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月1、埋深200m以淺,采用高密度電法較為有益,也可采用瞬變電磁法,地質(zhì)雷達(dá)法
山東科技大學(xué)八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用第49頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用
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第60頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用
地質(zhì)雷達(dá)第61頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月
2、埋深中等200~800m,以大地電磁測深和人工頻率測深和瞬變電磁法的某些方法較為適宜。(這主要是看儀器靈敏度和頻帶寬度)
山東科技大學(xué)八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用第62頁,課件共86頁,創(chuàng)作于2023年2月八、電法勘探在防治水中的應(yīng)用
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3、埋藏較深,大于1000m,一般以大地電磁測深和可控源音頻大地電磁法(V-5、V-2000、V-6系列儀器)和瞬變電磁法(加拿大ProTEM系統(tǒng)、UTEM系統(tǒng)及V-6、V-2000和美國GDP-32等也有瞬變電場的功能)較為理想。澳洲產(chǎn)的SIROTEM系統(tǒng)對埋藏中等較為合適。
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(良莊)
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(良莊)
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