Die Charakterisierung von Lagerstätten – Grundlage des Einsatzes und der Entwicklung von Technologien und Maschinen (Teil 1)

Komplexe Betrachtung

Zusammenfassung: Bergbauprojekte beeinflussen wie nur wenige industrielle Vorhaben gesellschaftliche Entwicklungen und greifen nachhaltig in die Natur ein. Deshalb verlangen die Menschen und weltweit auch die meisten Staaten vorbereitende, begleitende und nachsorgende Maßnahmen zur Minimierung schädlicher Auswirkungen. Darüber hinaus erfordern der Bau, der Betrieb und die Schließung von Bergbauanlagen nicht nur einen hohen Kapitaleinsatz, sondern sie sind auch noch mit schwer einzuschätzenden Risiken aufgrund der Einmaligkeit jedes Bergbauprojektes verbunden. Weltweit gibt es keine Lagerstätten, die hinsichtlich ihrer geometrischen und stofflichen Eigenschaften identisch sind. Deshalb lassen sich der Kapitaleinsatz und das Risiko einer Fehlinvestition nur reduzieren, wenn Entwicklungs- und Planungsprozesse strukturiert und systematisch auf der Basis von messtechnisch erfassten und mathematisch formulierten Charakteristika einer Lagerstätte erfolgen. Daraus abgeleitet können dann begründet die adäquaten Technologien und Maschinen für den Bergbau, die Gewinnung und die Aufbereitung im Hinblick auf die geforderten Produktqualitäten und die einzuhaltenden Umweltanforderungen entwickelt und ausgewählt werden. In jedem Fall bleibt dennoch der Prototypencharakter solcher Anlagen bestehen.

1 Einleitung

Die Entwicklung der menschlichen Zivilisation ging mit der zunehmenden Nutzung von chemischen Elementen und  Verbindungen und somit von Mineralien und Gesteinen einher. Standen zunächst wenige Elemente, wie Gold und Kupfer, sowie Verbindungen, wie Quarz und Steinsalz, im Mittelpunkt des Interesses, wird heute aufgrund der technischen Entwicklung die Mehrzahl der derzeit 118 bekannten Elemente mit ihren verschiedenen Verbindungen für unterschiedliche Zwecke genutzt [1, 2] (Bild 1). Die steigende Weltbevölkerung und der wachsende Wohlstand erfordern darüber hinaus ständig höhere Produktionsmengen, wie beispielsweise die des Kupfers [3] (Bild 2). Aus diesen Gründen erhöhte sich nicht nur die Bergbauproduktion, sondern auch die Vielfalt der abzubauenden Rohstoffe und erzeugten Bergbauprodukte.

Die Elemente liegen in dem den Menschen zugänglichen Teil der Erde, der Erdkruste, in unterschiedlicher Konzentration vor. Der durchschnittliche Anteil wird dabei als Clarke-Wert bezeichnet, jedoch streuen die Werte in der Literatur [2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Deshalb erfolgen die Angaben als gerundete, gemittelte Werte (Tabelle 1). So ist Eisen oder Aluminium weit verbreitet, hingegen kommen Gold oder Blei selten vor. Durch geologische Prozesse wurden die Mineralien lokal an- oder abgereichert. Bei erfolgter Anreicherung entstanden Vorkommen, die bei entsprechender Qualität, Größe und Zugänglichkeit sowie geeigneten Gewinnungs- und Aufbereitungstechnologien wirtschaftlich genutzt werden können. Wirtschaftlich und technisch ausbeutbare Vorkommen werden Lagerstätten genannt. Sofern nicht andere Gesichtspunkte, wie z.B. die Versorgungssicherheit, Autarkiebestrebungen oder die politischen Rahmenbedingungen eine Rolle spielen, kann jedoch eine Lagerstätte nur wirtschaftlich ausgebeutet werden, wenn die Anreicherung eines Elementes einen bestimmten Faktor und somit die Bauwürdigkeitsgrenze einen gewissen Wert überschreitet [2, 4, 6, 8, 9] (Tabelle 1). Die Bauwürdigkeitsgrenze kann aber deutlich niedriger liegen, wenn zusätzlich Nebenprodukte zu den Haupterzeugnissen gewonnen werden können, so häufig Molybdän und/oder Gold bei porphyrischen Kupferlagerstätten.

Zunächst werden die Lagerstätten oder -teile abgebaut, die den wirtschaftlichen Erfolg ermöglichen. Mit zunehmender Erschöpfung oder Abbau der reichen Vorkommen sowie durch technische Entwicklungen ändern sich jedoch die Grenzen der wirtschaftlich nutzbaren Lagerstätten. Deshalb werden zunehmend ärmere Lagerstätten interessant und ausgebeutet, d.h. die Bauwürdigkeitsgrenze fällt [11] (Bild 3). Die Erschließung und der Abbau großer, aber armer sulfidischer porphyrischer Kupferlagerstätten sowie die Entwicklung und Einführung der Flotation und von Sturzmühlen ließen diese Grenze bei Kupfer beispielsweise von etwa 3 bis 4 % vor 100 Jahren auf heute rund 0,5 % Cu fallen. Bei weiterer Entwicklung und Einführung der Laugungstechnik und der Gutbettzerkleinerung werden zukünftig noch ärmere Lagerstätten interessant.

Angesichts dieser Trends und der Notwendigkeit, immer schwerer aufzuschließende Lagerstätten zu nutzen, haben die eingesetzten Technologien sowie Maschinen einen entscheidenden Einfluss auf den wirtschaftlichen Betrieb einer Bergbauanlage. Sie müssen aber auf die jeweils vorliegende Lagerstätte abgestimmt sein. Grundlage einer nachvollziehbaren Auswahl und Entwicklung dieser Technologien und Maschinen ist eine ausreichende Charakterisierung der Lagerstätte.

2 Charakterisierung von Lagerstätten

Lagerstätten können nach verschiedenen Gesichtspunkten beschrieben und systematisiert werden. Je nach Zielstellung der Untersuchung und Nutzung werden unterschiedliche Aspekte der Charakterisierung zu Grunde gelegt, wie beispielsweise die Genese (z.B. metasomatisch, sedimentär-exhalativ) oder der Hauptwertstoff (z.B. Gold, Kupfer, Steinkohle). Die wirtschaftliche Ausbeute einer Lagerstätte hängt jedoch auch von einer Kette miteinander verbundener Prozesse ab, so von den gewählten Bergbau-, Gewinnungs-,  Aufbereitungs- und  Verar-beitungstechnologien und den dazu notwendigen Maschinen und Apparaten. Diese nutzen zur Erzeugung der Wertstoffe physikalische, chemische und biologische Effekte. Deshalb muss die Auswahl oder Entwicklung einer geeigneten Technologie- und Maschinenabfolge auf objektiven Kriterien basieren, die messbar, also eindeutig bestimmbar und mathematisch beschreibbar sein müssen und somit möglichst wenig Spielraum für Interpretationen geben, ea sunt örtliche, geometrische und stoffliche Charakteristika (Bild 4).

Ziel solch einer Charakterisierung ist also die Angabe von örtlichen Merkmalen, sogenannte Lageparameter, die die geographische Lage, Teufe und Orientierung, von geometrischen Merkmalen, die die Größe und Form, sowie von stofflichen Merkmalen, die die chemischen, geologisch/mineralogischen, physikalischen und technologischen Kenngrößen der Bestandteile einer Lagerstätte angeben. Dazu ist es nötig, Bereiche zu definieren, die sich durch Grenzflächen von ihrem Umfeld unterscheiden. Innerhalb der Grenzflächen müssen diese Bereiche möglichst homogen sein, d.h. gleiche stoffliche Merkmale aufweisen. Sie werden geologische Körper genannt.

2.1 Maßstab

Die Homogenität eines Körpers hängt jedoch von dem Betrachtungsmaßstab ab (Bild 5). Die Elemente einer Lagerstätte sind dabei die einzelnen Gesteinskörper, deren Abmessungen typischerweise von einigen Zentimetern bis zu vielen hundert Metern reichen.

Die Gesteine wiederum bestehen aus Mineralien oder im Falle von Kohle auch aus Maceralen, deren Größen in der Regel kleiner als einen Zentimeter sind, aber in Ausnahmefällen auch größer als einen Meter sein können.

Lagerstätten sind jedoch häufig nicht homogen innerhalb ihrer Grenzen, d.h. die stofflichen Merkmale variieren örtlich. In solchen Fällen besteht eine Lagerstätte aus mehreren unterschiedlichen geologischen Körpern, wie z.B. die polymetallische Lagerstätte Tsumeb in Namibia mit oxydischen und sulfidischen Erzen [12, 13].

Die Eigenschaften der verschiedenen Körper sind nun Grundlage der Auswahl und Auslegung der Technologien und Maschinen. Die typischen Technologieeinsätze reichen von einigen Dezimetern bis zu mehr als einem Kilometer im Bergbau, von wenigen Zentimetern bis einigen hundert Metern bei der Gewinnung und überdecken in der Aufbereitung einen Bereich von Mikrometern bis Metern. Zu beachten ist in vielen Fällen, dass die Größenbereiche der geologischen Körper die Einsatzfälle der Technologien überlappen, wie beispielsweise die Gefügeabmessungen der Lagerstätte kleiner sein können als die Ausgangsproduktgrößen der Gewinnung und die Eingangsproduktabmessungen der Aufbereitung (z.B. bei schmalen Ganglagerstätten). Dies hat Auswirkungen auf die Auswahl und Auslegung der Technologie und der Maschinen. So muss etwa die Auslegung von Brechern neben den Merkmalen des wertmineralhaltigen Gesteins häufig auch die des Nebengesteins berücksichtigen.

2.2 Geologische Körper

Die Betrachtung eines geologischen Körpers hängt also vom Maßstab ab. Eine Lagerstätte besteht aus unterschiedlichen Gesteinen und diese aus verschiedenen Mineralien. Im Rahmen dieser Abhandlung sollen Überlegungen zur Charakterisierung einer Lagerstätte dargelegt werden, während auf Merkmale der Gesteine und Mineralien und deren technische Relevanz auf die entsprechende Literatur verwiesen wird [14, 15, 16]. Auf diesem Gebiet sind in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden, obgleich noch erheblicher Forschungsbedarf besteht.

Die Grenzfläche einer Anreicherung von nutzbaren Wertstoffen zum umgebenden tauben Gestein formt einen Körper, dessen Lage und Orientierung sowie Morphologie und Größe zusammen mit den stofflichen Kenngrößen die Grundlage zur Charakterisierung einer Lagerstätte bildet. Bei vielen Vorkommen ist diese Grenzfläche aber nicht scharf ausgebildet, sondern der Gehalt an Wertstoffen bildet einen Gradienten zum umgebenen Gestein. Hilfsweise kann in solchen Fällen die jeweilig gültige Bauwürdigkeitsgrenze (cut-off grade) des anstehenden Wertstoffes genutzt werden, obgleich in der Praxis die Bestimmung oftmals schwierig ist, insbesondere bezüglich der bauwürdigen Grade in der Zukunft.

Die Lagerstättenkörper können prinzipiell zunächst in drei morphologische Hauptgruppen  eingeteilt werden, nämlich bevorzugt 3-, 2- und 1-dimensionale Körper [17, 18] (Bild 6). Die Einteilung erfolgt beispielsweise durch die Verhältnisse der orthogonal zueinander stehenden Hauptabmessungen oder Achsen A, B und C.

2.2.1 Dreidimensionale Lagerstättenkörper

Die isometrischen, vornehmlich dreidimensionalen Lagerstättenkörper weisen in allen drei Dimensionen Abmessungen in gleicher Größenordnung auf. Zu den isometrischen Körpern gehören Stöcke, Stockwerke oder Nester.

Stöcke zeigen gegenüber den umliegenden Gesteinen in der Regel scharfe Grenzflächen. Beispiele sind viele Salzstöcke der norddeutschen Tiefebene.

Stockwerke bestehen hingegen aus Gesteinen, die mit einem dichten Netz von feinen Trümern durchsetzt und mit fein verteilten Mineralien imprägniert sind. Im Gegensatz zu den Stöcken weisen Stockwerke keinen scharfen Übergang zwischen den Lagerstättenkörpern und dem Nebengestein auf, sondern der Übergang ist i.d.R. als Gradient der Nutzmineralgehalte ausgebildet. Der Abbau erfolgt deshalb nach ökonomischen Gesichtspunkten hinsichtlich des Mindestgehaltes an Wertstoffen. Typische Beispiele sind die Greisenstockwerke von Geyer/Erzgebirge sowie manche disseminated Porphyry-Kupfererzvorkommen in Chile oder den USA.

Die dritten Lagerstättentypen der isometrischen Körper sind Nester, die relativ kleine und lokale Ansammlungen von Wertstoffen darstellen. Beispielhaft seien die Zinnerzlagerstätten von Ehrenfriedersdorf/Erzgebirge genannt [19].

2.2.2 Zweidimensionale Lagerstättenkörper

Die plattenförmigen, hauptsächlich zweidimensionalen Lagerstättenkörper zeigen in zwei Dimensionen erheblich größere Abmessungen als in der dritten Richtung. Zu diesem Körpertyp gehören Flöze, Lager und Gänge.

Flöze lagern häufig konkordant im Gesteinskörper oder liegen diskordant dem Liegenden auf. Sie kommen als Einzelflöze (z.B. Mansfelder Kupferschieferlagerstätte) oder als Mehrschichtflöze (z.B. Steinkohlenlagerstätte von Zwickau), in denen Zwischenlagen anderer Zusammensetzung (Berge) eingeschaltet sind, vor.

Lager sind linsenförmig ausgebildet, wenn deren flächige Ausdehnung geringer ist als die bei Flözen und deren Mächtigkeit zu den Randzonen hin ausläuft. Als exemplarische Vertreter dieses Lagerstättentyps seien die Erzlagerstätten in Meggen/Sauerland und des Rammelsberges in Goslar/Harz genannt [20].

Als Gänge werden Mineralbildungen bezeichnet, die in Klüften und Spalten des Gesteinskörpers ausgeschieden sind. Sie liegen deshalb meistens diskordant vor. Neben Einzelgängen kommen häufig Gangzonen vor, die aus mehreren parallel verlaufenden Gängen oder aus vom Hauptgang in das Nebengestein abgehenden Trümern bestehen. Die Erzvorkommen des Oberharzes oder des Freiberger Reviers sind typische Vertreter von Gang­lagerstätten.

2.2.3 Eindimensionale Lagerstättenkörper

Bei schlotförmigen, vornehmlich eindimensionalen Lagerstätten dominiert eine Abmessung gegenüber den anderen. Sie durchbrechen üblicherweise diskordant den umliegenden Gesteinskörper. Viele Diamantenvorkommen, wie die Lagerstätte in Kimberley in Südafrika, gehören zu diesem Typ.

In der Natur kommen diese idealtypischen Lagerstättenkörper in mehr oder weniger abgewandelter Form vor. Durch geologische Prozesse wird die Idealform lokal oder gänzlich unterschiedlich stark ausgeprägt oder gewandelt. Zu solchen Prozessen gehören mechanische (z.B. Hebung, Senkung, Biegung, Verwerfung, Zerklüftung), thermische (z.B. Erwärmung, Aufschmelzung) oder physikochemische (z.B. Auslaugung, Lösung, Redox-Reaktionen) Vorgänge.

2.3 Merkmale

Das Ziel der Zusammenstellung von Merkmalen ist eine möglichst eindeutige, mathematisch formulierte, ausreichend umfassende Beschreibung einer Lagerstätte auf der Basis von Messungen, um gesicherte Grundlagen für nachvollziehbare Entscheidungen zu einzusetzenden Technologien, Prozessen und Maschinen zu entwickeln. Als Beispiel soll eine zweidimensionale Lagerstätte dienen, da zu deren Charakterisierung die meisten Merkmale benötigt werden.

2.3.1 Lage

Zur Bestimmung der Lage eines geologischen Körpers müssen zunächst Punkte, Achsen und/oder Ebenen gefunden werden, die für die Lagerstätte charakteristisch sind. Als Bezugspunkt kann der Schwerpunkt S des Körpers dienen. Jedoch ist häufig das Ausmaß einer Lagerstätte mit Beginn des Bergbaus unbekannt, so dass als Referenzpunkt ein charakteristischer Ort, beispielsweise der höchste Punkt oder der bergbauliche Ansatzpunkt der Lagerstätte zweckdienlich sein können. Die Lage dieser Punkte kann dann durch den Längen- und Breitengrad (nördlich °N, südlich °S des Äquators; westlich °W, östlich °E von Greenwich) angegeben werden. Die Höhenlage h ist zwar auch einfach durch die Lage über Normal-Null bestimmbar, allerdings ist aus technologischen Gründen zusätzlich die Angabe der Teufe t sinnvoll.

Nicht isometrische Körper erfordern ergänzende Angaben zur Orientierung der Lagerstätte. Während bei vornehmlich 1-dimensionalen Körpern die Charakterisierung durch den Fallwinkel a ausreichend ist, werden bei hauptsächlich 2-dimensionalen Vorkommen der Fall- und Streichwinkel g benötigt (Bild 7). 

Bei geometrisch komplex aufgebauten und großräumigen Lagerstätten reicht i.d.R. nicht ein Satz von Lageparametern. Je nach Komplexität müssen abweichende und zusätzliche Parameter ergänzend bestimmt werden (siehe Teil 2, Beispiel).

2.3.2 Geometrie

Die Grenzfläche zum umgebenden tauben Gestein bestimmt die Größe und die Form des Lagerstättenkörpers. Während die Größe der Lagerstätte relativ einfach durch ihre Hauptabmessungen a, b und c angegeben werden kann, wird bezüglich der Form zwischen der Körper- und Oberflächenform unterschieden (Bild 8).

Die Körperform ergibt sich aus der Approximation durch geometrische „Grundformen“, wie z.B. einhüllende oder volumengleiche Quader oder Ellipsoide. Die Verhältnisse der Hauptabmessungen oder -achsenlängen lassen eine zahlenmäßige Charakterisierung der Formen zu.

Die Oberflächenform beschreibt die „Rauhigkeit“ der Lagerstättenoberfläche. Sie hat insofern Bedeutung für den Gewinnungsprozess, da bei glatten Oberflächen i.d.R. ein sauberes Herauslösen des Wertstoffes ohne großes Beibrechen von Bergen möglich ist.

2.3.3 Stoff

Lagerstätten liefern die verschiedensten Rohstoffe, wie Energie-, Metall- oder Industriemineralrohstoffe, aber auch Schmuck- und Edelsteine oder Wasser und Geowärme. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Analyse- und Auswertemethoden, um die erforderlichen Informationen für den Abbau, die Gewinnung, Aufbereitung und Verarbeitung, jedoch ebenso für den zu erzeugenden Wertstoff zu erlangen. Demzufolge muss eine Lagerstätte geologisch, mineralogisch, chemisch, physikalisch, aber auch technologisch, manchmal auch biologisch untersucht und charakterisiert werden. Dabei sind Branchenspezifika häufig nicht zu vernachlässigen bzw. zwingend zu berücksichtigen aufgrund gesetzlicher oder behördlicher Vorschriften. Allgemeine Standards gibt es deshalb weltweit nicht und können auch nur eingeschränkt entwickelt werden. Der einzig mögliche Ausweg liegt in einer ergänzenden mathematisch fundierten Analyse und Auswertung, um auf dieser „neutralen“ Datenbasis interpretatorisch die entsprechenden technologischen und branchenspezifischen Schlussfolgerungen zu ziehen.

3 Auswertung 

Die Auswahl und Dimensionierung, aber auch die Entwicklung von Anlagen, Technologien und Maschinen des Bergbaus, der Gewinnung und der Aufbereitung müssen die Eigenschaften der Lagerstätte und ihrer beinhaltenden Rohstoffe sowie die zu erzielenden Qualitäten und Preise der zu erzeugenden Produkte und einzuhaltenden Randbedingungen bezüglich Gesellschaft und Umwelt berücksichtigen. Die einzelnen Stufen der technologischen Abfolge greifen dabei unterschiedlich auf die Charakteristika der geologischen Körper zurück (Bild 9). So bestimmen nicht nur die Merkmale der Lagerstätte, sondern auch die des zu gewinnenden Gesteins und des Nebengesteins die Auswahl der geeigneten bergbaulichen Ausrichtung, Vorrichtung und Abbautechnologie im Falle z.B. des Tiefbaus. Die Gewinnung wiederum richtet sich nicht nur an den Eigenschaften der Lagerstätte und der eingesetzten Abbautechnologie aus, sondern muss ebenso die Gesteins- und Mineralmerkmale bei der Dimensionierung der Maschine und der Auswahl der geeigneten Verschleißwerkstoffe berücksichtigen. Die Qualität der zu erzeugenden Produkte oder Zwischenprodukte bestimmen, zusammen mit den Eigenschaften des abzubauenden Gesteins und des beibrechenden Nebengesteins sowie ihrer Mineralien, die zu wählenden Aufbereitungstechnologien und -maschinen.

Die wirtschaftliche Nutzung eines Vorkommens muss also die Merkmale aller geologischen Körper, d.h. der Lagerstätte, ihrer Gesteine und Nebengesteine und deren Mineralien einbeziehen.

Literatur • Literature

[1] Gray, T.: Die Elemente. KOMET Verlag GmbH, Köln, 2010

[2] Smirnov, V.: Geologie der Lagerstätten mineralischer Rohstoffe. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1970

[3] U.S. Geological Survey: Copper statistics. 2015. In http://minerals.usgs.gov/minerals/ pubs/historical-statistics/#copper (1.12.2015)

[4] Baumann, L.; Nikolskiy, I. und Wolf, M.: Einführung in die Geologie und Erkundung von Lagerstätten. VEB Deutscher Verlag für Grundstoff­industrie, Leipzig, 1982

[5] Mason, B. und Moore, C.: Grundzüge der Geochemie. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1985

[6] Neukirchen, F. und Ries, G.: Die Welt der Rohstoffe. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2014

[7] Ramdohr, P. und Strunz, H.: Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1978

[8] Rösler, H.: Lehrbuch der Mineralogie. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1979

[9] Rothe, P.: Schätze der Erde. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 2010

[10] Slaby, D. und Wilke, F.: Bergwirtschaftslehre Teil 1. Verlag der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg, 2005

[11] Atkinson, R.: Copper and copper mining. Shire Publications Ltd, Bucks, 1987

[12] von Bezing, L.; Bode, R. und Jahn, S.: Namibia. Bode Verlag GmbH, Haltern, 2007

[13] Geological Survey: The Mineral Resources of Namibia. Republic of Namibia, Ministry of Mines and Energy, 1992

[14] Popov, O.: Beitrag zur mathematisch-petrographischen Gefügecharakterisierung für die Beurteilung der Festgesteine hinsichtlich ihrer Aufbereitung und ihrer Produkteigenschaften. Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2007

[15] Popov, O.; Lieberwirth, H. und Folgner, T.: Quantitative Charakterisierung der Festgesteine zur Prognostizierung des Gesteinseinflusses auf relevante Produkteigenschafen und Systemkenngrößen. AT Mineral Processing 55, 2014, Nr. 7/8 und 10, S. 76-88 und 54-63

[16] Unland, G. und Raaz, V.: Die formale Charakterisierung der Gesteine – ein Beitrag aus der Sicht des Maschinenbaus. Zeitschrift der geologischen Wissenschaft 26, 1998, Nr. 3/4, S. 315-328

[17] Roschlau, H.; Haberkorn, H.-J. et al.: Geologisches Grundwissen. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1973

[18] Walther, H. et al.: Die wichtigsten Formen der Lagerstätten und ihre Untersuchung. In Bender, F. (Hrsg.): Angewandte Geowissenschaften, Band IV, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1986, S. 27-95

[19] Baumann, L.; Kuschka, E. und Seifert, T.: Lagerstätten des Erzgebirges. ENKE im Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2000

[20] Bischoff, W. et al.: Das kleine Bergbaulexikon. Verlag Glückauf GmbH, Essen, 1985

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