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June 2012 Volume 2, Issue 2, PP.68-76

Scientific Journal of Earth Science

鄂尔多斯盆地中东部侏罗系直罗组铀成矿条件分析 高云 1,刘能 2 1. 陕西省核工业地质调查院,陕西 西安 710054 2. 陕西省地质调查中心,陕西 西安 710054 摘

要:本文在广泛收集区内已有铀矿地质资料和煤炭、石油系统的勘查资料的基础上,运用水成铀矿理论,通过对鄂尔多斯盆

地中东部区域地质背景、直罗组地层结构、岩相特征、铀矿化的区域分布等铀成矿条件的分析,认为研究区内白于山以北的沙漠 草原区,直罗组处于河道亚相与河漫亚相砂体的过渡部位,砂体厚度适中,胶结疏松,北部已发现东胜大型铀矿床,是层间氧化 带型砂岩铀矿发育最有利地区。另外,工作区中部的黄土塬区,层间氧化作用发育相对较差,铀矿化主要受有机质碎屑和灰绿色 蚀变带控矿。 关键词:鄂尔多斯盆地;直罗组;铀成矿条件;层间氧化带

Analysis on Uranium Metallization Condition of Jurassic Zhiluo Formation in Middle of Eastern Ordos Basin Yun Gao*1, Neng Liu2 1. Shanxi Nuclear Industry Geology Surveying Institute, Xi’an 710054, China 2. Shanxi Center of Geological Survey, Xi’an 710024, China *

343461085@qq.com

Abstract: This article has widely collected uranium geological data and deposits of coal, oil systems prospecting information in the region based on the use of uranium ore into the water theory, and through analysis on the geological background of eastern part of Ordos Basin, the ZhiLuo Formation stratum structure, characteristics of lithofacies, Uranium mineralization in the regional distribution of uranium mineralization conditions. It is found that in the north of the desert grassland area in the BaiYu Mountains, ZhiLuo Formation is located in the transitional parts between river course subfacies and valley flat subfacies sand, where sand thickness is moderate, cementation is fluffy; and we have found Dongsheng large uranium deposits in northern, with a layer of sandstone-type uranium deposits of the most favorable areas. In addition, in the Loess Plateau of the central part of work area, the layer of oxidation is relatively poor, and uranium mineralization is mainly controlled by organic sediment and ash green alteration zone. Key words: Ordos Basin; Zhiluo Formation; Uranium Metallization Condition; Interlayer Oxidation Zone

前言 砂岩型铀矿是当前世界铀资源勘查的重要类型之一,亦是世界铀资源量和产量较多的类型,约占世界铀资源 量的 24%和产量的 32%。此类矿床在世界上分布广泛,多分布于南北半球中纬度(30°~50°)的内陆干旱、荒 漠草原区。 目前国内外铀矿勘查的重点是那些具有高效益的铀矿资源。当前世界上,除在加拿大、澳大利亚等国家有少数 几个特大、特富的铀矿外,低品位、大矿量的地浸砂岩铀矿是目前前景最好,最具经济效益的铀矿资源。 研究区地势总的趋势是北西高而东南低,海拔高度多在 800~1300m。横亘于区内的白于山、子午岭将研究区 分割为南、北、中三个不同的地貌景观。白于山位于横山县南部,近东西向,最高峰海拔 1858 米,是陕北黄土高 原的分水岭;子午岭位于黄陵县西南侧,呈北西-南东向分布,在陕甘交界处海拔高度 1845 米。 研究区地表水系东侧黄河为Ⅰ级水系,Ⅱ级水系自北而南有窑野河、无定河、洛河、泾河等,均由西北流向东南, 最终汇入黄河。地表河流流量受季节性影响,变化大。区内的水系受南、北、中三个不同的地貌单元控制(图 1) 。

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图 1 陕西省北部地表水系分布略图

1958-1961 年间,在盆地南部、西南部、西北和东北角开展过 1:25~1:20 万地面伽玛普查和放射性水化学找矿, 发现异常 1700 多个,并初步落实了陇县国家湾小型铀矿床及泾川、华亭、黄陵、焦坪、火鸡兔、神山沟等一批铀矿 (化)点。到 2004 年发现了具有一定潜力的铀矿资源,进而激发了对鄂尔多斯盆地北部开发铀矿资源前景的思路。

1 区域地质背景 1.1 区域构造特征 鄂尔多斯盆地是华北古陆的组成部分,位于我国西部。地处我国北部天山 - 兴安与南部秦祁昆造山带之间。 由于受东部滨太平洋与西部古特提斯 - 喜马拉雅两大构造域的影响,呈南北向的鄂尔多斯盆地处于东西两个不同 地球动力背景的调整带上,在该盆地的西部,中新生代盆地呈东西向展布。东部则呈北东向展布(图 2)。

图 2 鄂尔多斯盆地中新生代盆地构造分区图(源于陕西核工业地质调查院) 1.伊盟北部隆起带;2.伊陕斜坡;3.天环向斜;4.晋西饶褶带;5.渭北隆起带;6.西缘逆冲带;7.河套断陷系;8.六盘山断陷系; 9.汾渭断陷系;10.山西断陷系;11.山西地块

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鄂尔多斯盆地基底相对稳定,断裂较少,中生界三叠系与上覆侏罗系地层呈微角度不整合,侏罗系与白垩系之 间为平行不整合,而新近系红层超覆其上。自盆地东缘向中心,地层倾角变缓(10°~ 1°) ,西翼较陡,倾角(10°~ 3°) 。自盆地东缘向中心,地层倾角变缓(10°~ 1°),西翼较陡,倾角(10°~ 3°) 。喜山运动使得盆地整体 抬升,其边缘在张扭动力作用下,形成汾渭、银川、河套诸多断陷,堆积了数千米的古近系、新近系。

1.2 盆地基底 鄂尔多斯盆地中部构造形迹总体呈南北向,由于地壳运动的多旋迴性,盆地前中生代基底可划分为上下两套构 造层(图 3) 。

图 3 早元古代末基底结构略图(据陕西核工业地质调查院) 1.Ar1-集宁群分布区;2.Ar2-乌拉山群(千里山群涑水群)分布区;3.Ar-界河口群(太山群)分布区; 4.Pt11-吕梁群(绛县群) ;5.Pt12-中条群(岚河群)

1.2.1

下构造层(前寒武系)

(1)太古代结晶基底构造层具二分性,早太古代基底构造由集宁群构成,晚太古代结晶基底由乌拉山群构成。 (2)元古代褶皱基底构造层。由石英岩、片岩、大理岩、变火山岩组成。中条群含炭板岩中盛产沉积变质铜 矿化,见有铀矿点、矿化点的产出。 (3)中晚元古代,中条运动使华北古陆基底固结,并发生褶皱隆起为陆,于中元古代长城纪中期东西两侧断 裂重新活动,使鄂尔多斯陆块重新分异。 1.2.2 上构造层古生界 早古生代兴凯运动使华北古陆解体,鄂尔多斯盆地中央隆起庆阳——乌审旗隆起亦被支解,并与东部连为一体, 形成盆地凹陷,其中沉积了早寒武世——早奥陶世以碳酸盐岩——碎屑岩为主,中奥陶世全区隆起,缺失沉积。晚 古生代中石碳世沉积以暗色为主的泥岩、砂岩夹煤层、油页岩层的海陆交互相沉积,在盆地东部的 O1-C2 间广泛 分布风化残积壳,沉积中心大体位于西部桌子山——乌达——中卫一带,是区内重要的煤、煤成气的重要生成层位。 晚二叠晚期,气候则由温暖潮湿转为干旱炎热,沉积了一套含钙、石膏碎屑岩,这一沉积环境一直延续到中三叠世 末期,构成鄂尔多斯盆地的中新生界直接基底。 在找铀矿实践中已经证实,古生界铀的分布更广泛,表现在: (1)下寒武统底部含磷层位,显然是浅海环境的生物作用、化学作用,促进了铀的富集,从而发现有铀的矿 化异常产出。

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(2)华北古陆中奥陶世隆升,长期受风化剥蚀而形成的残积风化壳,粘土质特别是高岭土类富集以及含铁成 分增高,加之局部的生物作用,造成出现有机质的局部富集,从而引起铀量增高。 (3)上二叠统的孙家沟组,由局部的炭化植物碎屑富集引起的铀矿化。古生界铀矿化异常的产出的共同特点 是:产于富集含有机质的浅色层的中-细粒砂岩中,受古冲刷面、冲刷槽控制,在鄂尔多斯盆地东部埋深大(> 500m)。

1.3 盖层 中生代以来,鄂尔多斯盆地进入了一个新的发展阶段,即北东向的构造带活动加剧,并叠加交接在内蒙弧构造 带之上,从而形成鄂尔多斯中生代拗陷盆地,接受了各种类型碎屑岩沉积(表 1) 。 表 1 鄂而多斯中生界诸沉积旋回与沉积环境地层表(源于陕西核工业地质调查院)

1.3.1

三叠纪

受秦祁褶皱带控制,构造线呈北西向,鄂尔多斯在晚古代拗陷基础上,逐渐由近海陆相盆地向内陆盆地发展。 1.3.2

侏罗纪

盆地再次发生拗陷,其拗陷中心东移,主体拗陷轴近南北向,盆地呈西沉东隆,西陡东缓,沉积自东向西迁移。 早侏罗世富县期,是以“填平补齐”作用为主的碎屑沉积,沉积厚度变化大(0-100m 左右) ,中侏罗世延安期,在 半干热——温湿的气候条件下,碎屑沉积粒度变细,有机质含量增高,以河流、河沼相为主的碎屑岩沉积,其沉积 厚度在 300m 左右,具有砂——粉砂——泥炭夹煤、油页岩序列,其沉积中心在延安地区。至直罗期,盆地又一次 发生下陷,在半干热——半温热的气候条件下,形成了厚度 300 左右的河流、河漫、河沼相沉积。晚侏罗世仅发育

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于盆地西部,分布局限,以洪积相的砂岩、砾岩沉积为主。 在陕西境内的切蚀裸露区,直罗组主要发育于研究区的中部和北部,而南部沉积较薄甚至缺失,由东向西从河 道亚相渐变为河漫亚相,厚度 120-200m。安定期,主要发育于北部,在干旱、炎热的气候条件下,接受了河流相 红色、杂色砂岩沉积[1]。 1.3.3

白垩纪

鄂尔多斯盆地受南北构造影响,其主体拗陷轴呈南北向,略呈向西的弧形,是干旱——炎热气候条件下形成的 一套河、湖相碎屑沉积。

1.4 中生代地层含铀性分析 鄂尔多斯盆地中部地区中、新生界地层 K、U、Th 含量见(表 2) 。 表2

鄂尔多斯盆地中部地区中、新生界地层 K、U、Th 含量表(源于陕西核工业地质调查院) 地 层 时 代

K

U×10-6

Th×10-6

Th/U

下第三系

1.75

2.09

4.08

1.95

泾川组

1.20

3.45

3.80

1.10

3.49

1.18

8.78

7.44

2.83

2.18

10.85

4.98

安定组

3.56

2.21

10.02

4.53

直罗组

3.29

3.50

13.39

3.83

延安组

4.00

4.41

16.67

3.78

下统

富县组

1.30

2.64

6.60

2.50

上统

延长组

3.70

4.07

16.52

4.06

中统

纸坊组

4.0

2.80

12.40

4.43

%

组 上第三系

第三系

罗汉洞组 下白垩系

志丹群

环河-华池组 洛河组 宜君组

中统 侏罗系

三迭系

下统

1.4.1

和尚沟-刘家沟组

3.20

三叠系

三叠系为一套泥岩、砂岩夹页岩。岩石固结程度高,透水性差,不利于地浸砂岩铀矿的发育。 1.4.2

侏罗系

以填平补齐的坡、洪积相沉积为特征,中统延安组为湿润气候条件下形成的以河流相、河沼相碎屑岩夹煤层、 煤屑及油页岩,是一套湖沼黑色含泥岩系沉积(陕北黑腰带),含煤岩系底部为巨厚的“宝塔砂岩”,是区内重要的 储油层,不利于地浸砂岩铀矿发育。延安组上覆的中侏罗统直罗组,是在延安期的温暖湿润气候环境下进而转变为 干旱、炎热的气候环境,沉积了一套河流、河漫相的砂岩,岩石色调为浅紫与灰色交互,其沉积中心主要位于甘肃 盐池,属河沼相沉积,局部夹煤线、煤屑,其沉积厚度可达 480m 左右,研究区主要为河流相碎屑沉积,其厚度一 般 100-200m,是鄂尔多斯盆地中东部地浸砂岩铀矿最有利的层位。研究区的中部店头 203 铀矿床,北部的东胜的 6006 矿床,及其两矿床外围的一批铀矿(化)点,均产于此地层中。

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1.4.3

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白垩系

白垩统沉积是在侏罗纪沉积盆地的东南向西和向西北退缩的基础上,开始接受沉积。诸多研究认为该层是地浸 砂岩型铀矿有利的层位之一,本课题对此不做研究。

2 地浸砂岩铀成矿条件分析 2.1 地浸砂岩铀成矿基本条件 2.1.1

赋矿砂体

已知国内外地浸砂岩型铀矿最显著的特点就是多旋回性,研究区直罗组沉积同样也表现了多旋回性,它是由上 下两个次级旋回构成。由多期次河道亚相中粗粒沉积开始,到河漫亚相的细碎屑沉积结束。它是在相对较弱的构造 动力条件下,形成的岩相变化,砂体在平面上的不稳定分布,则有利于其后的地下水上下贯通,甚至在构造不发育 的地段,形成有利于渗入水通行的水文地质窗。多旋回构造的叠加、交切等都是层间氧化带发育的有利场所[2]。 2.1.2

还原介质

水成铀矿的成矿作用,除了有可渗透的含氧含铀的水体迁移条件外,岩石中的还原介质的存在与否,是决定水 中游离的活性铀(含铀化合物)能否聚集的关键。有机质、煤屑、炭化植物碎屑,使岩石颜色发暗或以深灰色色调 展现,或以深灰绿色的变质岩碎屑(富集硫化氢)展现,构成水成铀有利的还原剂。除此之外,在石油、煤炭及褐 煤区,形成的石油天然气和煤成气在受深部压力后,沿构造裂隙溢出,赋存于上部砂体中,构成无硫还原障,亦可 构成层间氧化带型铀矿的亚类——“潜育型铀矿”[3]。 陕北中侏罗统自下而上划分了三套岩组:下部延安组在温暖湿润的气候环境下,形成一套河流相,河流沼泽相 碎屑岩沉积,夹有煤屑、煤线、煤层、油页岩等,富含丰富的还原介质,中部直罗组及上部安定组,由浅紫交互的 河流相砂岩、泥岩组成夹有煤屑、煤线,局部富集硫化氢及由深部而来的滞留天然气及沥青质细脉、团块、团粒; 而煤屑、煤线则来源于蚀源区,因之在相对沉积的凹陷中心及边部,都会有石油、天然气、煤成气的逸出,并滞留 于上部岩层中,构成良好的“潜育”还原剂。石油系统对鄂尔多斯盆地煤成天然气的生成埋藏条件运移等方式作了 大量工作(图 4)。汇集中心在靖边,并向四周运移认为天然气的形成主要在燕山期,结束于燕山晚期(早白垩世 晚期) 。

图 4 鄂尔多斯盆地燕山旋回中晚期煤成气运移方向示意图(据中国石油志)

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2.1.3

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地下水的活动方式

引起岩石后生蚀变的含铀含氧水溶液,主要有四种类型: (1)地表氧化作用。即由地下水位以上充气带内的大 气降水和雪融水的作用。 (2)孔隙潜水氧化作用。即由无压或局部承压的自由水交替带中的含氧水的氧化作用。 (3) 孔隙氧化作用。即难以由交替带的含氧承压水活动,并发育于自流盆地的含水层中的层间氧化带。这里强调了“自 流盆地” ,即必须有承压水的排泄窗,否则构成层间滞流水。(4)裂隙氧化作用。即由含水地质结晶体,包含沉积 岩、变质岩、火成岩中的含氧裂隙水的循环而引起的氧化作用。其中后三种氧化后生作用控矿。同时认为由渗入的 含氧水的后氧化作用具有铀成矿的实际意义,因而以此划分了铀成矿三种成因类型:Ⅰ、潜水渗入型铀矿;Ⅱ、层 间渗入型铀矿;Ⅲ、裂隙渗���型铀矿。 三种类型共同点是含铀含氧水的渗入,并在地下运移的过程中地球化学环境改变,氧化能力下降,而在氧化带 - 还原带的过渡部位,形成易溶含铀化合物的沉淀。能产生还原地球化学障者有“潜育”的无硫化物和硫化物障, 二者对铀成矿均有利。而对后氧化作用成矿的成因类型,莫过于Ⅱ类层间渗入型铀矿,虽然品位低,但分布面广, 成矿时间延续长,矿量大。次之为Ⅰ类潜水渗入型铀矿,一般规模小,而Ⅲ类裂隙渗入型,因透水裂隙分散,矿化 一般较贫。 在对区内地质背景研究的基础上,在富含相同的有机质碎屑的直罗组地层中,在近白于山、子午岭两侧,则以 裂隙渗入水占主导地位、远离白于山和子午岭,孔隙渗入水占主导,而北区,由于直罗组砂岩一方面一直处于整体 上升,隆起,遭受长期风化剥蚀,另一方面上覆岩层厚度较小,砂岩渗透性较中部、南部强。加之第四系以来的沙 漠化,对大气降水的垂直下渗率高,地表形成一系列潜水铀氡异常(图 5),在上覆层中滞流,而进入地层深部, 为地浸砂岩铀成矿提供了有利环境[4]。

图 5 陕西省北部地表水铀、氡异常分布示意图(据陕西核工业地质调查院) 1.水井测量点;2.下降泉测量点;3.异常晕;5.氡测量值 Bg/l÷铀测量值 Ug/l;6.砂岩型铀矿床;7.砂岩型铀矿点; 8.铀异常钻孔;9.省界

2.2 铀成矿特点 近年来,与陕西相邻的东胜 6006 铀矿床的发现,具有良好的铀成矿前景,铀矿赋存于直罗组砂岩中[5]。

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该矿床处于东胜隆起次级凹陷中,铀矿化赋存于直罗组下部砂岩中,砂层(岩)自上而下可分为上部紫色蚀变 岩带,中部绿色蚀变岩带,下部灰色蚀变岩带,铀矿化受集中分布于绿色蚀变岩带与灰色蚀变岩带的单一界面控制, 铀矿体呈板状、透镜状,受其控制的铀矿体呈面状分布。铀矿石以灰绿色、灰色的中——粗长石岩屑砂岩为主,泥 岩次之。矿石中碎屑物含量约为 91-93%,其中石英占 30-40%,长石约 35-40%,岩屑 26-30%,岩屑多为变质岩 及中酸性火山岩,较强蚀变者多粘土化(伊利石、蒙脱石混层)。砂岩粒间充填物主要为水云母,高岭石等。碎屑 分选性好——中等,多为棱角状、次棱角状,磨圆度差。电子探针分析:铀赋存形式主要为铀矿物及吸附状铀(被 粘土矿物,粉沫状黄铁矿吸附),铀矿物主要为沥青铀矿,铀石(铀石与黄铁矿紧密共生,常环绕黄铁矿分布,充 填于绿泥石层面的黄铁矿边缘附近,或充填于黑云母层面间) 。区内铀矿石几乎全部以四价铀形式存在。初步认为: 与店头 203 铀矿床成矿年龄相近,具有相同的成矿机制;但该区在层间氧化带发育过程中,石油、天然气的富集量 远远小于 203 矿区,另外含矿岩系中的中酸性火山岩屑加入,使岩石色调与 203 矿床有差异,但都显示了层间氧化 带发育不完全这一特征,同属残留古层间氧化带型铀矿。

3 结论 (1)鄂尔多斯盆地是华北古陆的一部分,经历了早古生代的解体,海水逐渐退缩,在二叠世末,鄂尔多斯整 体抬升,开始向陆相沉积转化。三叠纪拗陷主体在铜川——庆阳一带,走向为北西的箕状构造,并以早期炎热干旱 向晚期的温暖湿润气候环境沉积为特征。早侏罗世以暂短的填平补充为特征,中侏罗世则以河流相碎屑岩沉积为特 征,其中延安期在温暖湿润的气候形成的泥质碎屑岩类中富含大量的有机质碎屑、煤屑、煤层及油页岩,直罗期则 为干旱气候条件下形成的红层为主,构成了地浸砂岩铀成矿前提。 (2)鄂尔多斯盆地铀的富集初期,发生于早古生代,在盆地西缘下寒武统的底部沉积的一套浅海相碎屑岩, 由于生物化学作用而形成的含铀磷块岩,其后,在早奥陶世末期,华北古陆长期隆起形成的范围广阔的风化壳, 局部有机质碎屑堆积和高岭土化吸附作用,形成的含铀粘土岩类铀矿化富集。晚古生代的早石炭——早二叠世由 温暖湿润气候转向晚二叠世的干旱炎热的气候环境下,形成了区内第二次铀的富集,中生代以来特别是中侏罗世 由延安期的温湿气候环境向直罗期、安定期的干燥炎热的环境转变期,形成的富含有机质的泥质碎屑岩构成铀的 第三次富集。 (3)鄂尔多斯盆地中东部的侏罗系直罗组砂岩,是该区有利于地浸砂岩铀成矿的目的层之一,铀矿化赋存于 该岩组。 (4)地浸砂岩铀矿与地下水的活动及含矿砂岩的物性特征有关,即砂岩相疏松或松散易透水,孔隙大或易 富水,有利于地下水的补、径、排,上下有良好的隔水层等。研究区直罗组砂岩为开启的孔隙渗入水,在盆地的 中东部受白于山、子午岭控制,从而形成各具特征的南、北、中三个地下水分区或称子系统,并控制着区内地浸 砂岩铀矿化。 (5)界于白于山、子午岭夹持的中部地区,属黄土高原区。黄土沟谷纵横交错,切割较深,黄土覆盖厚, 层间氧化带发育较差。目前发现的店头 203 矿床及一批矿(化)点,一方面与有机质碎屑、煤屑形成的含硫还原 障关系密切,另一方面与石油天然气、煤成气构成的无硫“潜育”还原障有关,层间氧化带铀矿与两类还原障共 存,高浓度的炭、烃阻碍了层间氧化带持续发育,从而表现铀矿化分散而厚度薄,对该区今后工作应强化古层间 氧化带的研究。 (6)子午岭以西泾河流域的南区,为黄土塬区,近于渭北隆起北缘,下白垩统分布广泛,直罗组零星出露或 缺失,目前未见良好的砂岩铀矿化信息。 参考文献 [1] 焦养泉, 陈平安, 王敏芳, 等. 鄂尔多斯盆地东北部直罗组底部砂体成因分析——砂岩型铀矿床预测的空间定位基础[J]. 沉积学报,

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2005, 03 [2] 焦养泉, 吴立群, 杨生科, 等. 铀储层沉积学——砂岩型铀矿勘查与开发基础[M]. 北京: 地质出版社, 2006 [3] 余达淦, 吴仁贵, 陈培荣. 铀资源地质学[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2005 [4] 陈法正. 鄂尔多斯盆地北部古水文地质条件与铀成矿前景分析[J]. 铀矿地质, 2002, 05 [5] 吴仁贵, 陈平安, 余达淦, 等. 沉积体系分析与河道砂岩型铀矿成矿条件讨论——以鄂尔多斯中新生代盆地东胜地区为例[J]. 铀矿 地质, 2003, 02

【作者简介】 高云(1984-) ,女,汉族,学士学位,工程师,研究方向为地球科学与矿产地质勘查。 Email: 343461085@qq.com

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