Structural and hydrogeologic characterization of the peridotitic massifs of New Caledonia

Le fonctionnement et la structure hydrogéologiques des aquifères de socle des granites et des gneiss sont aujourd'hui relativement bien compris. En revanche, dans cet ensemble, les aquifères dans les péridotites sont très peu étudiés et mal compris. Dans ce contexte, les massifs obductés de Nouvelle-Calédonie présentent un laboratoire naturel exceptionnel pour améliorer la connaissance de cet hydrosystème original en contexte tropical. Ainsi l'objectif du présent travail de thèse est d'approfondir la connaissance de la structure et du fonctionnement hydrogéologiques de ces massifs. L'analyse porte d’abord sur le manteau d'altération constitué de la cuirasse, des latérites, des saprolites grossières et du saprock. Plus de 60 essais hydrauliques sont menés sur les massifs de péridotites et les résultats sont compilés aux données existantes. La conductivité hydraulique moyenne des latérites est évaluée à 1.10-7 m/s et celle des saprolites grossières et du saprock à 8.10-7 m/s. L'hétérogénéité de cet horizon altéré est marquée par une gamme de variation de la conductivité hydraulique sur six ordres de grandeur et l'analyse piézométrique met en évidence des connexions hydrauliques avec le substratum fracturé profond. Le substratum est ensuite considéré. L'étude de la fracturation est réalisée à partir de mesures structurales sur affleurement et de la description de près de 1000 m de carottes de forages. L'analyse de la fracturation met en évidence l'importance du réseau serpentineux par sa densité d’une part, et par son lien avec l'altération supergène d'autre part. De plus, il est vérifié que la conductivité hydraulique du substratum diminue avec la profondeur. Cette variation est liée à la diminution de la densité de fractures altérées. Ainsi, à l'issue de ces analyses, la structure des massifs de péridotites est définie. Un réseau primaire de fractures d’espacement décimétrique lié au réseau serpentineux préstructure les péridotites. Sur ce réseau se surimpose un réseau de fractures dont l'espacement est décamétrique et caractérisé par une altération supergène. Les fractures altérées présentent localement de fortes conductivités hydrauliques, de l'ordre de 10-5 m/s. En profondeur l'espacement des fractures est hectométrique et les fractures sont majoritairement fermées, scellées par les minéraux néoformés ou par l'effet de la pression lithostatique. Les réseaux de fractures déca et hectométriques, visibles également sur l'effet d’échelle de la conductivité hydraulique, sont majoritairement verticaux, développés par instabilité de dissolution lors des processus d’altération. Cependant, des structures à faible pendage existent également et permettent la percolation du réseau. Enfin, à partir de ces nouveaux résultats et de l’intégration de l'ensemble des données acquises sur les différents massifs, un modèle de structure et de fonctionnement hydrogéologiques est proposé à l'échelle du massif. Ce modèle comprend l'horizon des latérites qui constitue un aquitard homogène sous lequel se développe l'aquifère dont l'épaisseur est de l'ordre de cinquante mètres. Le substratum est discrétisé en trois couches dont la conductivité hydraulique décroît de 2.10-7 à 2.10-8 m/s entre 50 m et 250 m environ sous le mur de l'aquifère. Les modèles numériques construits permettent de valider le modèle conceptuel unitaire et montrent que l'état de saturation des massifs est contraint par leur géomorphologie. Au terme de ce travail, plusieurs aspects doivent encore être approfondis. Le rôle hydrogéologique de la cuirasse doit être précisé et considéré dans le modèle hydrogéologique. Enfin, compte tenu du développement possible de structures très perméables, voire pseudo-karstiques, la connaissance de la distribution des structures drainantes doit être améliorée. Les résultats appliqués de ce travail de recherche sont exposés dans un rapport final et un guide méthodologique livrés dans le cadre du projet CNRT « HYPERK ».Water resources of hard-rock (gneisses or granites) aquifers have significantly been studied in the past two decades. The hydrogeological behavior and structure of these aquifers are thus relatively well understood. On the other hand, aquifers in mantle-type basements, such as peridotites, are poorly studied and understood, mainly because they are not common and of limited extent. In this context, New Caledonia is a great laboratory offering unique opportunity to improve the knowledge of these original types of hydrosystems in tropical climate. Thus, the objective of this thesis is to improve the knowledge of these aquifer systems within weathered peridotites. Firstly, the study focuses on the characterization of the weathered layers of the peridotites composed of, from top to bottom, iron oxides/ferricrete, laterite, coarse saprolite and saprock (ie. top of the bedrock, with up to 20 % of weathered material). More than 60 hydraulic tests are performed and results were compiled with existing data. Mean hydraulic conductivity (K) of laterites is estimated around 1.10-7 m/s while mean value in coarse saprolites and saprock is around 8.10-7 m/s. Heterogeneity of this altered layer is high; K varies between six orders of magnitude and hydraulic head data analysis reveals a hydraulic connection with the deep fractured bedrock. Secondly, the fresh rock part of peridotites is studied. Fracture network analysis is derived from outcrop structural measurements and from the description of about 1000 m of cumulated borehole cores. This work highlights the importance of serpentine network, because of its high density and its critical impact on weathering. Moreover, the observations reveal that hydraulic conductivity decreases with depth within the substratum, due to the vertical decrease of weathered fractures density. These new results allow defining a structural framework of the massifs. It is characterized by a primary decimetrical fracture network closely related to the serpentine network. This network is overprinted by a secondary weathering network which reveals decametric spacing (ca. 30 m) and in places K values of 10-5 m/s. At depth, spacing is hectometrical and fractures are sealed by lithostatic pressure and/or subsequent mineral precipitations. These deca- and hectometric fracture networks, which are also visible on the scale effect of hydraulic conductivity, are primarily vertical and are the result of dissolution instabilities occurring during weathering processes. However, low- angle fractures do occur and allow the percolation of the network. Finally, on the basis of these new results and the integration of all existing data from different massifs a new hydrogeological conceptual model is proposed at the scale of a massif. The model includes a homogeneous lateritic aquitard and a coarse saprolite and saprock aquifer which is about 50 m thick. The bedrock is subdivided into three layers whose hydraulic conductivity decreases from 2.10-7 m/s to 2.10-8 m/s, respectively 50 and 250 m below the aquifer base. Numerical modelling validates this unitary conceptual model and reveals that the saturation of the massifs depends on their morphology. At last, several aspects require further research. The role of the ferricrete layer must be specified and considered in the hydrological model. Moreover, distribution of the fracture network remains to be fully addressed and should be studied with care given the potential development of highly permeable structures that could conform to pseudo-karstic drains. The applied results of this work are available in a “Technical guide” and a “Technical report” of the “HYPERK” CNRT Project

STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT HYDROGÉOLOGIQUES DES MASSIFS DE PÉRIDOTITES DE NOUVELLE-CALÉDONIE

Water resources of hard-rock (gneisses or granites) aquifers have significantly been studied in the past two decades. The hydrogeological behavior and structure of these aquifers are thus relatively well understood. On the other hand, aquifers in mantle-type basements, such as peridotites, are poorly studied and understood, mainly because they are not common and of limited extent. In this context, New Caledonia is a great laboratory offering unique opportunity to improve the knowledge of these original types of hydrosystems in tropical climate. Thus, the objective of this thesis is to improve the knowledge of these aquifer systems within weathered peridotites.Firstly, the study focuses on the characterization of the weathered layers of the peridotites composed of, from top to bottom, iron oxides/ferricrete, laterite, coarse saprolite and saprock (ie. top of the bedrock, with up to 20 % of weathered material). More than 60 hydraulic tests are performed and results were compiled with existing data. Mean hydraulic conductivity (K) of laterites is estimated around 1.10-7 m/s while mean value in coarse saprolites and saprock is around 8.10-7 m/s. Heterogeneity of this altered layer is high; K varies between six orders of magnitude and hydraulic head data analysis reveals a hydraulic connection with the deep fractured bedrock. Secondly, the fresh rock part of peridotites is studied. Fracture network analysis is derived from outcrop structural measurements and from the description of about 1000 m of cumulated borehole cores. This work highlights the importance of serpentine network, because of its high density and its critical impact on weathering. Moreover, the observations reveal that hydraulic conductivity decreases with depth within the substratum, due to the vertical decrease of weathered fractures density.These new results allow defining a structural framework of the massifs. It is characterized by a primary decimetrical fracture network (20 – 30 cm spacing) closely related to the serpentine network. This network is overprinted by a secondary weathering network which reveals decametric spacing (ca. 30 m) and in places K values of 10-5 m/s. At depth, spacing is hectometrical and fractures are sealed by lithostatic pressure and/or subsequent mineral precipitations. These deca- and hectometric fracture networks, which are also visible on the scale effect of hydraulic conductivity, are primarily vertical and are the result of dissolution instabilities occurring during weathering processes. However, low- angle fractures do occur and allow the percolation of the network. Finally, on the basis of these new results and the integration of all existing data from different massifs a new hydrogeological conceptual model is proposed at the scale of a massif. The model includes a homogeneous lateritic aquitard and a coarse saprolite and saprock aquifer which is about 50 m thick. The bedrock is subdivided into three layers whose hydraulic conductivity decreases from 2.10-7 m/s to 2.10-8 m/s, respectively 50 and 250 m below the aquifer base. Numerical modelling validates this unitary conceptual model and reveals that the saturation of the massifs depends on their morphology. At last, several aspects require further research. The role of the ferricrete layer must be specified and considered in the hydrological model. Moreover, distribution of the fracture network remains to be fully addressed and should be studied with care given the potential development of highly permeable structures that could conform to pseudo-karstic drains. From an applied perspective, and in the context where nickel mining from these ultramafic massifs is intense, the results of this research could help to achieve better understanding and management of groundwater, for both mining companies and institutions who are facing core questions, notably regarding groundwater management and its potential impact on water resources. The applied results of this work are available in a “Technical guide” and a “Technical report” of the “HYPERK” CNRT Project.La connaissance des aquifères de socle des granites et des gneiss a fortement progressé depuis les vingt dernières années. Le fonctionnement et la structure hydrogéologiques de ces aquifères sont ainsi relativement bien compris. En revanche, dans cet ensemble, les aquifères dans les péridotites sont très peu étudiés et mal compris, principalement car peu communs et de faible étendue en général. Dans ce contexte, les massifs obductés de Nouvelle-Calédonie présentent un laboratoire naturel exceptionnel et unique pour améliorer la connaissance de ce type d’hydrosystème original en contexte tropical. Ainsi l’objectif du présent travail de thèse est d’approfondir la connaissance de la structure et du fonctionnement hydrogéologiques de ces massifs.L’analyse porte d’abord sur le manteau d’altération constitué de la cuirasse, des latérites, des saprolites grossières et du saprock (défini comme le toit de la roche mère, constitué de 20 % maximum de matériau altéré). Plus de 60 essais hydrauliques sont menés sur les massifs de péridotites et les résultats sont compilés aux données existantes. La conductivité hydraulique moyenne des latérites est évaluée à 1.10-7 m/s et celle des saprolites grossières et du saprock à 8.10-7 m/s. L’hétérogénéité de cet horizon altéré est marquée par une gamme de variation de la conductivité hydraulique sur six ordres de grandeur et l’analyse piézométrique met en évidence des connexions hydrauliques avec le substratum fracturé profond. Le substratum est ensuite considéré. L’étude de la fracturation est réalisée à partir de mesures structurales sur affleurement et de la description de près de 1000 m de carottes de forages. L’analyse de la fracturation met en évidence l’importance du réseau serpentineux par sa densité d’une part, et par son lien avec l’altération supergène d’autre part. De plus, il est vérifié que la conductivité hydraulique du substratum diminue avec la profondeur. Cette variation est liée à la diminution de la densité de fractures altérées. Ainsi, à l’issue de ces analyses, la structure des massifs de péridotites est définie. Un réseau primaire de fractures d’espacement décimétrique (20 – 30 cm) lié au réseau serpentineux préstructure les péridotites. Sur ce réseau se surimpose un réseau de fractures dont l’espacement est décamétrique (30 m environ) et caractérisé par une altération supergène. Les fractures altérées présentent localement de fortes conductivités hydrauliques, de l’ordre de 10-5 m/s. En profondeur l’espacement des fractures est hectométrique et les fractures sont majoritairement fermées, scellées par les minéraux néoformés ou par l’effet de la pression lithostatique. Les réseaux de fractures déca et hectométriques, visibles également sur l’effet d’échelle de la conductivité hydraulique, sont majoritairement verticaux, développés par instabilité de dissolution lors des processus d’altération. Cependant, des structures à faible pendage existent également et permettent la percolation du réseau. Enfin, à partir de ces nouveaux résultats et de l’intégration de l’ensemble des données acquises sur les différents massifs, un modèle de structure et de fonctionnement hydrogéologiques est proposé à l’échelle du massif. Ce modèle comprend l’horizon des latérites qui constitue un aquitard homogène sous lequel se développe l’aquifère dont l’épaisseur est de l’ordre de cinquante mètres. Le substratum est divisé en trois couches dont la conductivité hydraulique décroît de 2.10-7 à 2.10-8 m/s entre 50 m et 250 m environ sous le mur de l’aquifère. Les modèles numériques construits permettent de valider le modèle conceptuel unitaire et montrent que l’état de saturation des massifs est contraint par leur géomorphologie. Au terme de ce travail, plusieurs aspects doivent encore être approfondis. Le rôle hydrogéologique de la cuirasse doit être précisé et considéré dans le modèle hydrogéologique. Enfin, compte tenu du développement possible de structures très perméables, voire pseudo-karstiques, au sein des péridotites, la connaissance de la distribution des structures drainantes doit être améliorée.D’un point de vue appliqué, ce travail de thèse apporte de nouveaux résultats intéressant les exploitants miniers mais également les institutions, quant à la gestion des eaux souterraines sur mine et l’impact de l’exploitation sur la ressource en eau. Les résultats appliqués de ce travail de recherche sont exposés dans un rapport final et un guide méthodologique livrés dans le cadre du projet CNRT « HYPERK »

Differential weathering in ultramafic rocks of New Caledonia: The role of infiltration instability

International audienceUltramafic rocks of New Caledonia present extensive pseudokarstic features: undulations of the base of the weathering profile, fractures enlarged by dissolution, dolines. Possible influence of the infiltrative instability on differential weathering of ultramafic rocks in tropical climate is investigated here, starting from the Tiébaghi case for which a groundwater model is available. Infiltration instability is governed bynon-dimensional numbers, i.e. the Damköhler and Peclet numbers, and by the permeability contrasts between the bedrock and the different layers of the weathering profile. These numbers are firstly estimated for the Tiébaghi case, and secondly a sensitivity study of the weathering style is achieved through numerical modeling. Computations are firstly carried out without the impervious laterite cover, and then the effect of this cover is considered. The characteristic time constant for weathering of peridotites is directly estimated at around 7 yrs from the thickness of the weathering front and the fluid velocity. The results show that a permeability contrast of at least 100 between the most pervious layer in the weathering front and bedrock and a diffusivity of chemical species lower than 2.5 10x8 m2/s are required to allow instability. The Tiébaghi case lies at the limit of instability and dissolution fingers develop in a time lapse of 1 Ma. However, this requires the infiltration of nearly 800 mm of rainfall yearly, which is not the case presently. The development of dissolution fingers is promoted by any initial pervious zone such as fracture concentration around a faulted zone and the characteristic time for instability development drops to 0.1–0.3 Ma. Extension of these results to other peridotite massifs in the tropical zone submitted to different temperatures and rainfalls is finally discussed

Inferring the heterogeneity, transmissivity and hydraulic conductivity of crystalline aquifers from a detailed water-table map

International audienceEstimating the transmissivity or hydraulic conductivity field to characterize the heterogeneity 10 of a crystalline aquifer is particularly difficult because of the wide variations of the 11 parameters. We developed a new approach based on the analysis of a dense network of water-12 table data. It is based on the concept that large-scale variations in hydraulic head may give 13 information on large-scale aquifer parameters. The method assumes that flux into the aquifer 14 is mainly sub-horizontal and that the water table is mostly controlled by topography, rather 15 than recharge. It is based on an empirical statistical relationship between field data on 16 transmissivity and the inverse slope values of a topography-reduced water-table map. This 17 relationship is used to compute a transmissivity map that must be validated with field 18 measurements. The proposed approach can provide a general pattern of transmissivity, or 19 hydraulic conductivity, but cannot correctly reproduce strong variations at very local scale 20 (less than10 metres), and will face of some uncertainties where vertical flows cannot be 21 neglected. 22 The method was tested on a peridotite (ultramafic rock) aquifer of 3.5 km 2 in area located in 23 New Caledonia. The resulting map shows transmissivity variations over about 5 orders of 24 magnitude (average LogT:-5.2±0.7). Comparison with a map based on measured water-level 25 data (n=475) shows that the comparison between LogT-computed values and LogT data 26 deduced from 28 hydraulic tests is estimated with an error less than 20% in 71% of cases 27 (LogT±0.4), and with an error less than 10% (LogT±0.2 on average) in 39% of cases. From 28 this map a hydraulic-conductivity map has been computed showing values ranging over 8 29 orders of magnitude. The repeatability of the approach was tested on a second data set of 30 hydraulic-head measurements (n=543); the mean deviation between both LogT maps is about 31 11%. These encouraging results show that the method can give valuable parameter estimates, 32 and can characterize aquifer heterogeneity. The computed LogT and LogK maps highlight the 33 spatial distribution of parameters that show a pattern clearly controlled by the fault network of 34 this ultramafic massif. However, the faults are mainly characterized by low-permeability 35 zones; this differs from results on other crystalline aquifers and may be due to the fact that 36 weathering products of peridotite are clay-like materials. 37 The resulting transmissivity map can be used as a starting point for modelling or to direct 38 additional fieldwork

Evaluation du potentiel géothermique de la Grande Terre (Nouvelle-Calédonie). Phase 2 : interprétation des résultats et recommandations

L'Agence Calédonienne de l’Energie (ACE) d’une part, la Nouvelle-Calédonie, assistée du Directeur de l’Industrie des Mines et de l’Energie de la Nouvelle-Calédonie (DIMENC), notamment son Service Géologique de Nouvelle-Calédonie (SGNC), ainsi que le BRGM d’autre part, ont établi une convention de recherche et de développement partagés sur « l’Évaluation du potentiel en géothermie de la Grande Terre », qui a démarré le 29 octobre 2018 et a une durée de 18 mois.L’inventaire des sources thermales de la Nouvelle-Calédonie a été établi lors de la première phase de ce projet par le SGNC, en collaboration avec le BRGM (Jeanpert et al., 2019). La campagne d’échantillonnage des principales eaux thermales de la Grande Terre a été menée par ces deux entités, en septembre 2019, au cours de la seconde phase du projet. Les résultats des analyses physico-chimiques faites sur site, ainsi que ceux des analyses chimiques et isotopiques réalisées ensuite dans les laboratoires du BRGM et de l’Université de Montpellier sur chacun des échantillons prélevés, ont été reportés dans le rapport de mission, premier livrable de la phase 2 (Jeanpert et al., 2020). Cette campagne a confirmé que les températures maximales à l’émergence des sources thermales sont de 42,5°C, pour La Crouen, dans la région de Canala, et de 40°C, pour Bain des Japonais, dans la région de la Baie de Prony. Elle a également permis d’échantillonner, pour la première fois, par le SGNC et le BRGM, des sources thermales telles que Nemwegi, Fanama et Kopélia, dans la région de Canala, et Pourina, Poco Mié, Lembi sur la côte est Oubliée. Des analyses de certains éléments traces (Rb, Cs, W, Ge, etc.) et de certains isotopes (18O et 34S des sulfates dissous, 34S des sulfures dissous, rapports isotopiques 87Sr/86Sr) ont été réalisées pour la première fois sur ces eaux. Ce rapport final présente l’interprétation des données obtenues au cours de cette étude et leur mise en regard avec les potentialités géothermiques et les besoins économiques de la Nouvelle-Calédonie. Les résultats des analyses chimiques et isotopiques réalisées ont permis de mieux caractériser les deux types d’eaux thermales très différents :-les eaux bicarbonatées sodiques de la région de Thio-Canala, les plus riches en silice, en Li, en B et en autres éléments traces (F, Cs, Ge, W, As), avec des valeurs de pH comprises entre 7,8 et 9,4, qui dégagent du sulfure d’hydrogène, de l’azote et un peu d’hélium d’origine crustale. A l’émergence des sources, on observe souvent des dépôts de gel et de filaments associés, de couleur blanchâtre et/ou verdâtre, très probablement constitués de soufre, de gypse et d’argiles (interstratifiés smectites/illite) ;-les eaux Ca (Na) - OH (Cl) hyperalcalines du Massif du Sud, dépourvues de bicarbonates, carbonates, sulfates, magnésium et silice, qui émergent des péridotites, en dégageant de l’hydrogène (altération de fayalite et de forstérite, au cours de la serpentinisation des péridotites) et du méthane. Les rapports isotopiques de Sr confirment que le deuxième type d’eaux thermales interagit bien avec des péridotites dans leurs réservoirs profonds, tandis que le premier type est plutôt en contact avec des roches volcano-clastiques métamorphisées (schistes, grès, siltites, etc.) associées au socle mésozoïque. Les valeurs des isotopes stables de l’eau montrent que toutes les eaux thermales sont d’origine météorique, avec des aires de recharge différentes pour la plupart d’entre elles. Les géothermomètres chimiques classiques et certains auxiliaires, ainsi que le géothermomètre isotopique 18OH2O-SO4, permettent d’estimer la température des réservoirs géothermiques profonds d’où sont issues ces eaux. On constate que la température profonde la plus élevée (85 ± 20°C) a été estimée pour les sources de La Crouen, Nemwegi et Gelima. Pour l’eau de Fanama et de Mokoué, ces températures sont inférieures (70 ± 15°C et 55 ± 15°C, respectivement). On conclut, par ailleurs, que les températures profondes des eaux thermales du Massif du Sud sont autour de 50°C, même si leur température est plus difficile à estimer, en raison des faibles salinités de leurs eaux ainsi que de leur composition chimique, et que l’on exclut des processus importants de mélange avec des eaux plus superficielles, qui viendraient modifier de façon significative leur composition chimique. Une estimation de température de 65 ± 15°C a été faite pour l’eau profonde de la source thermale Pévou, localisée sur la côte ouest et prélevée en mars 2019 par le SGNC, qui serait la seule source de cette zone à indiquer une température aussi élevée. L’étude confirme la plupart des résultats antérieurs et l’absence d’indices de ressources géothermales de haute température. Etant donné la gamme restreinte de températures (de 24 à 42,5°C sans trop de travaux onéreux, et de 50 à 85°C avec des forages profonds de 1-3 km, très coûteux), les applications de la géothermie deviennent moins nombreuses, même si la balnéotherapie/le thermalisme qui avaient, d’ailleurs, déjà existé à La Crouen, semblent être de bons candidats. Une piste qui pourrait être explorée pour rendre les projets plus attractifs et rentables est l’utilisation multiple de la géothermie et la combinaison de production d’électricité moyennant un module ORC (Organic Ranking Cycle) avec l’exploitation d’une station thermale. Dans la région de Canala, cela pourrait constituer une première expérience, après, bien sûr, la réalisation d’études de surface complémentaires et d’une étude de préfaisabilité. Un programme scientifique, constitué principalement d’exploration géologique et géophysique pour poursuivre le développement de projets de géothermie en Nouvelle-Calédonie, si l’intérêt demeure, a été élaboré en fin de rapport pour la zone de Canala. En ce qui concerne le Massif du Sud, étant donné l'intérêt de la communauté scientifique et des industriels pour les processus de serpentinisation et la production d'hydrogène, en parallèle du volet géothermique, la réalisation d'un forage profond (≥ 2 km) pourrait être envisagée, avec de multiples objectifs dont la géothermie. Le co-financement serait envisageable via le programme ICDP et le projet NCDP Land2Sea, et les applications géothermiques pourraient s'ajouter aux questions scientifiques sur les processus de serpentinisation

Measurements and characterization of hydraulic conductivity of the peridotites of New Caledonia: the case of Massif du Sud

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Une méthodologie pour régionaliser la perméabilité d’un aquifère fracturé à partir de cartes piézométriques détaillées : exemple d’un aquifère péridotitique en Nouvelle-Calédonie

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Heliborne EM and magnetism for hydrogeological characterization in an obduction context, a New-Caledonian example

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Hydrogéologie des Péridotites karstifiées de Nouvelle-Calédonie

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