郭增建 郭安寧 張煒超 張 津
(中國地震局蘭州地震研究所,蘭州730000)
(作者電子信箱,郭安寧:598331858@qq.com)
大震后的救援是極為重要的,但此時要做好最強余震的預測。對此,我們1992年提出的科里奧利力余震效應法(以下簡稱科氏力余震效應)是回答這個預測問題的方法之一[1]。該方法的主要內(nèi)容是:如果主震發(fā)生時,震源斷層兩盤所產(chǎn)生的科氏力使震源斷層的兩盤互相擠壓,并使主震釋放能量不易徹底,故最大余震震級大,它與主震的震級之差ΔM 小于或等于1 級(即ΔM≤1);如果主震發(fā)生時,震源斷層兩盤所產(chǎn)生的科氏力使斷層兩盤互相拉離,并使主震釋放能量較徹底,故最大余震震級小,它與主震震級之差大于或等于1級(即ΔM≥1)?;ハ鄶D壓和互相拉離是指在斷層面法線上的作用。用上述這個科氏力效應檢驗中國境內(nèi)和鄰近地區(qū)的7級和7級以上地震的震源機制類型和其相應的最強余震,發(fā)現(xiàn)符合率達80%以上[2],后來呂堅等[3]指出,若把主震震級提高,則符合率達90%以上。以上是1992年—2006年的研究結(jié)果。2008 年汶川大震的最強余震,我們和呂堅皆分別預測為6.5級,結(jié)果實際為6.4級。2009年9月盛書中等[4]對全世界1976—2008年92個7.5級以上地震的科氏力余震效應做了檢驗和討論,其統(tǒng)計結(jié)果不支持我們提出的科氏力余震效應。
2010年,蔣海昆[5]在回顧2008年汶川8級地震余震判定過程的文章中指出:“盡管一些方法對汶川強余震的判定與實際較為吻合,但其理論及方法存在較大爭議,例如在序列類型判定及最大強余震震級估計中均有涉及的科里奧利力方法,近期盛書中等[4]的研究結(jié)果卻認為地震斷層錯動過程中雖然產(chǎn)生了使斷層兩盤拉離(或擠壓)的科氏力法向應力,它降低(或增加)了斷層錯動時斷層面上的阻力,但其應力值非常小,不足以對斷層錯動及主震能量釋放產(chǎn)生影響,從而影響余震最大震級和總體水平,它們的結(jié)果不支持此前郭增建的觀點。但無論如何,對這一類存在爭議的理論及方法,不妨在實際應用中進一步檢驗及完善?!笔Y海昆的這個評論是客觀的。本文將對我們和盛書中等[4]所得結(jié)果不相符的原因進行討論,并用2011年我國鄰區(qū)發(fā)生的7級以上大地震做些檢驗性討論。
2009年12月我們對盛書中等[4]的文章做了簡略評論[6],指出其在統(tǒng)計樣本中有缺陷,現(xiàn)作較詳細地討論。他們的缺陷在于把赤道兩側(cè)15°緯度范圍內(nèi)的7.5級以上地震以及阿留申島弧中的7.5級以上大震也都一起統(tǒng)計在全球大震的科氏力余震效應檢驗中。這兩個地帶,前者科氏力在斷層面上的法向分量對某些類型大震甚小或為零,這與緯度減小有關①此類型是指赤道和其兩側(cè)15°緯度范圍內(nèi)全部走滑型震源。至于傾滑型震源其走向近東西的科氏力法向分量亦甚小或為零。,它起不到我們所說的科氏力余震效應;后者科氏力在斷層面上的法向分量(擠壓或拉離)也甚小或為零,這是該島弧帶震源斷層面走向近東西與經(jīng)線垂直或近于垂直的逆斷層錯動特征所決定的,也起不到我們所說的科氏力余震效應。上述兩個地帶中7.5級以上大震數(shù)目幾乎接近全球同類震級地震數(shù)目的一半(圖1,這是盛書中等[4]文章取樣的原圖)。圖中赤道兩側(cè)各15°緯度范圍內(nèi)和阿留申群島兩側(cè)的平行線是我們加的。這個近乎一半的大地震,其最強余震與科氏力效應本來關系就不大或無關,它們的余震大小是什么原因決定的現(xiàn)在還不知道。但盛書中等[4]也把它們與全球其他大震一塊進行科氏力余震效應檢驗統(tǒng)計。這樣的統(tǒng)計不能針對爭議的問題。我們認為應把上述兩個地帶中起不到科氏力余震效應的樣本去掉來做檢驗。因為我們和有關學者已往所處理的大震都是中國和鄰近地區(qū)的大震。它們都在20°~50°緯度范圍內(nèi)。以上是我們在文獻[6]中指出文獻[4]在統(tǒng)計樣本上的缺陷。對此缺陷也可爭辯說在全球統(tǒng)計結(jié)果中去掉其中一半地震數(shù)目不會對結(jié)果產(chǎn)生影響。我們認為這未必如此,只有去掉后才能知道。
我們之所以這樣認為,是因為大震時震源斷層傳播最后必須停止,而且斷層錯動的幅度要在停止區(qū)有所容納。這個止裂和容納的條件(過去我們稱讓位條件)在大震前就已形成或部分形成,它是發(fā)震時震源斷層面擴展的邊界條件。科氏力是在大震發(fā)生時才產(chǎn)生的。
震前形成的容納條件越充分,主震釋放能量就越徹底,因而余震小。如果容納條件不充分,則主震釋放能量不易徹底,因而余震較大。主震發(fā)生時科氏力對斷層錯動的順利程度(或受阻程度)有影響,因而對斷層錯動幅度進入容納區(qū)的程度就會有影響,容納程度越多,主震釋放能量就越多,因而余震??;反之則大。這就是主震時科氏力對震前條件所決定的余震大小的修正作用。但地球赤道兩側(cè)15°緯度范圍內(nèi)很多地震其科氏力在斷層面法線上的分量甚小或為零。這樣余震大小不受科氏力影響或影響甚微,而是由震前的止裂和容納條件決定的。如用不同震源機制參數(shù)的主震所相應的不同科氏力效應(拉離或擠壓)去檢驗它們的余震大小,就會有的符合有的不符合。例如,同樣震級的右旋走滑型震源和左旋走滑型震源,其止裂和容納條件相同,則余震大小就相同。但右旋時(在北半球)科氏力使震源斷層兩盤相互擠壓,左旋時科氏力使兩盤相互拉離,用這種擠壓和拉離效應去檢驗上述無科氏力作用的震源余震大小就會得出有的符合有的不符合的結(jié)果。對科氏力在震源斷層面上法向分量甚小或為零的阿留申島弧上的大震,其情況與上面討論的相似。
以上就是我們建議把赤道兩側(cè)15°緯度范圍內(nèi)和阿留申島弧上的大震去掉做科氏力余震效應統(tǒng)計的原因。
科氏力對震源斷層,特別是對斷層邊界處的修正作用有以下4種情況。
(1)讓位不充分的主震震源,本來最大余震震級就大,在“擠壓型”科氏力的作用下,余震震級還要增加,最后最大余震震級比“平均最大余震震級”大(比主震小一級)。
圖1 主震分布圖(黑色線段表示所選地震的斷層面及其走向)
(2)讓位充分的主震震源,本來最大余震震級就小,在“擠壓型”科氏力的作用下,余震震級要增加,最后最大余震震級向“平均最大余震震級”趨近。
(3)讓位不充分的主震震源,本來最大余震震級就大,在“拉離型”科氏力的作用下,余震震級要減小,最后最大余震震級向“平均最大余震震級”趨近。
(4)讓位充分的主震震源,本來最大余震震級就小,在“拉離型”科氏力的作用下,最大余震震級還要減小,最后最大余震震級比“平均最大余震震級”小。
歸納以上情況得到:在擠壓型科氏力作用下,最大余震震級小于或等于主震震級1級,即△M≤1;在拉離型科氏力作用下,最大余震震級大于或等于主震震級1 級,即△M≥1。有科氏力作用地區(qū)的震源和無科氏力作用地區(qū)的震源,其震源機制參數(shù)可以相同,但不能將前者的科氏力余震效應標準用于后者。
在應用科氏力效應預測最強余震時,首先要知道主震的震源斷層走向、傾向、傾角和上盤錯動方向(地軸方向與震源所在處的緯度有關)。在國外,用滑動角來表示上盤錯動方向。我們過去統(tǒng)計科氏力效應時用的是我國境內(nèi)和鄰近地區(qū)陸地上的大震,這些大主震的震源斷層是由地震地質(zhì)、宏觀考察、余震分布和地震波斷層面解配合得出的。而對全球大震求震源斷層面參數(shù)和錯動方向時,許多大震在海洋中,因而盛書中等[4]就用全球臺網(wǎng)按地震波所求兩個震源斷層面和錯動角中作選擇,即初始破裂點與最大錯動幅度(矩心)處在那個解中就選擇該解為真正的震源斷層。這樣做是有道理的,我們并不反對。但相對來說,上述陸地上的大震其震源斷層參數(shù)更可靠一些。
2009年我們在對盛書中等[4]關于科氏力效應文章的評論中[6]認為,科氏力余震效應可能有地區(qū)性。我們研究了美國、日本、土耳其這些地域陸地上大震的科氏力余震效應,發(fā)現(xiàn)該效應是優(yōu)勢存在的,與在中國境內(nèi)所得結(jié)果相近。這些支持我們對中國境內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果,并可在較大程度上用于最強余震的預測。盛書中等[4]在文章中曾用了中國4個大震(圖1),即1976年唐山大震,1999年臺灣集集大震,2001 年昆侖山口西大震和2008年汶川大震。這4 個大震震源斷層參數(shù)是很可靠的,我們研究的結(jié)果是,它們的最強余震皆符合科氏力余震效應的預期。而盛書中等[4]在文中未指明這4次大震不符合科氏力余震效應的具體結(jié)果。
盛書中等[4]用的是全球1976—2008 年間的7.5 級以上大震作科氏力余震效應檢驗。我們用的是中國及鄰近地區(qū)7級以上大震研究科氏力余震效應。是否可用全球的統(tǒng)計結(jié)果來否定中國的統(tǒng)計結(jié)果這一點不能肯定,何況在全球統(tǒng)計中還有赤道兩側(cè)和阿留申群島許多大震在影響著這個全球統(tǒng)計。
盛書中等[4]對全球1976—2008年92個M≥7.5地震做了科氏力余震效應檢驗。他們做了兩種統(tǒng)計。一種是把斷層面上法向應力為“拉離”的主震與其最大余震震級之差ΔM 與斷層面上法向應力為“擠壓”的主震與最大余震震級之差ΔM 作比較,看是否“拉離”的主震的ΔM 比“擠壓”的主震的ΔM 大。如果大,則證明存在科氏力余震效應,如果大的不明顯或相反,則認為無科氏力余震效應。另一種統(tǒng)計是把斷層面上法向應力為“拉離”的主震的矩震級,與余震總合折合矩震級求得其差為ΔMW,再把斷層面上法向應力為“擠壓”的主震情況也作類似計算求得ΔMW,進而把上述“拉離”情況和“擠壓”情況的ΔMW做比較,看是否“拉離”的主震的ΔMW比“擠壓”的主震的ΔMW大,如果大,則認為科氏力余震效應是存在的,如果大的不明顯或相反,則認為科氏力余震效應不存在。他們按此所作的兩種統(tǒng)計所得到的結(jié)果是類似的。下面僅列舉前一種統(tǒng)計結(jié)果來討論,如圖2,3,4所示。這些都是他們文章中的原圖。其中的縱橫點線是我們加的。橫點線是由縱坐標的1.0引出的。在它之上代表ΔM≥1,在它之下代表ΔM≤1??v點線是由橫坐標的0處引出的。它的左側(cè)代表科氏力使斷層兩盤互相擠壓的地震,右側(cè)代表科氏力使斷層兩盤互相拉離的地震。原圖中的實線是一元線性回歸法所作的擬合曲線,虛線是一倍標準偏差范圍。在圖2中豎點線左側(cè)為科氏力法向分量為擠壓情況的地震(規(guī)定擠壓應力為負),右側(cè)為科氏力法向分量為拉離情況的地震。圖2的縱坐標為主震與最大余震的震級差ΔM。ΔM=1.0 的點是擠壓和拉離的共用點。由1.0處引出的橫點線可以看出,擠壓情況的兩個樣本在此橫點線之上,即ΔM>1不符合科氏力余震效應,它們本該在橫點線之下(ΔM<1)才符合科氏力余震效應。而拉離情況的5個樣本全在ΔM≥1范圍內(nèi),全符合科氏力余震效應。這樣綜合考慮,符合率達70%。但盛書中等[4]用線性回歸方法在圖2作了一條實線,它是由擠壓區(qū)向拉離區(qū)下斜的,于是他們認為與我們的科氏力余震效應相反。他們也曾指出,走滑型震源的地震雖略有符合科氏力余震效應的趨勢(圖3),但沒有實際意義。我們認為,前述在統(tǒng)計樣本中的缺陷與此可能有關。
圖2 正斷層型地震科氏力法向應力大小與余震震級的關系
圖3 走滑型地震主震與最大余震震級之差ΔM 與科氏力法向應力大小的關系
圖4 主震和最大余震震級之差ΔM 與科氏力法向應力大小的關系
有意義的是,圖4中的逆沖型地震明顯符合科氏力余震效應的趨勢。即回歸直線是由擠壓區(qū)向拉離區(qū)仰斜的。但盛書中等[4]認為:地下的應力狀態(tài)是擠壓性的,科氏力的作用改變不了地下的壓性狀態(tài)(斷層面科氏力為正或負僅是減小或增大了壓應力),所以對于逆沖型地震,當科氏力大于0或小于0時,其與余震間似乎存在較強的規(guī)律,但并沒有將此分開進行研究。對于這段論述,我們有以下的看法。他們在92 個M ≥7.5地震的樣本中,逆沖型地震所占的數(shù)目比正斷層型和走滑型地震數(shù)目的總和還多,而正是這個逆沖型所得出的符合科氏力效應的趨勢卻被似乎用“改變不了地下的壓性狀態(tài)”否定了。其實根據(jù)摩擦定律,斷層面上的摩擦力與法向壓力有關,當法向壓力值有變化時,摩擦力值相應有變化,并不改變壓性狀態(tài)。科氏力效應適合這種情況,可不改變壓性狀態(tài)。因而不能否定科氏力。而且在圖4的右半部拉離樣本中,正好科氏力法向分量屬于拉離的地震符合科氏力效應的樣本比較多,符合率約達85%,在圖4 左半部擠壓區(qū),由縱軸1.0處引橫向點線,線下方的樣本歸為符合科氏力余震效應的樣本,線上方的屬不符合的樣本。這樣擠壓和拉離區(qū)總體符合科氏力余震效應的也在65%以上。這正說明了盛書中等[4]提出的“改變不了地下壓性狀態(tài)”不足以否定科氏力余震效應。在92個樣本中,正斷層樣本只有7個,符合科氏力余震效應的有5個,兩個不符合,但因不符合的這兩個ΔM 值較大,作線性回歸直線時這兩個地震像翹翹板一樣把直線翹高了。于是成了不符合科氏力余震效應的相反證據(jù)。這種證據(jù)說服力不夠。因為爭議的問題是,按ΔM≥1和ΔM≤1的標準去計算符合科氏力余震效應的主震的個數(shù),即統(tǒng)計其占主震總數(shù)的比例,而不是爭議ΔM 的絕對值。至于說走滑斷層符合科氏力余震效應的趨勢因為比較弱,此點我們暫不做討論。我們認為,把赤道兩側(cè)和阿留申群島樣本去掉后討論可能更具有爭論的針對性。
總之,即使按盛書中等[4]的原圖(在未取掉赤道兩側(cè)和阿留申群島地震樣本的情況下),正斷層型地震符合科氏力效應的樣本占70%(包括ΔM=1)。逆斷層型地震符合科氏力余震效應的樣本占到65%以上。只有走滑斷層型地震科氏力效應不明顯。這怎么能得出未觀測到科氏力余震效應存在的結(jié)論呢?只能說符合的比例不如郭安寧和陳家超[2]及呂堅等[3]所統(tǒng)計的比例高而已。
在理論上,盛書中等[4]與我們沒有分歧,都是科氏力原理。在方法上,他們用的是公式計算法,我們用的是幾何求解法。這都是可以的,但有些不同點需要說明。
盛書中等[4]認為,郭增建和吳瑾冰[7]對國內(nèi)一些地震的科氏力未投影到斷層面法線方向上,進而認為這是他們?nèi)蚪y(tǒng)計結(jié)果與我們對中國和鄰近地區(qū)的研究結(jié)果不符的原因。我們不同意這個論斷。我們的觀點正如文獻[7]所指出的:“由于走滑斷層在中國比較多見,它是沿水平方向錯動的,于是問題變得很簡單,即科氏力方向為斷層盤前進方向向右伸出的水平垂直方向(適于北半球)?!睂Υ艘咽前芽剖狭ν队暗綌鄬用娴姆ň€方向上了。按此,右旋走滑科氏力使斷層兩盤互相擠壓,左旋走滑科氏力使斷層兩盤互相拉離。至于說實際的地震可能其斷層面不完全直立,有不大的傾斜,例如,傾角80°,70°,60°等。把斷層面直立走滑的科氏力投影到這些傾斜的斷層面法線上,仍依次分別有0.98倍,0.94倍和0.5倍的科氏力分量。因而只要是走滑錯動,我們就不管斷層面的傾角,而把其按斷層面直立走滑處理。這種處理,所得斷層兩盤是“互相擠壓”還是“互相拉離”這一點是不會錯的。
對于走滑占優(yōu)勢傾滑分量不大的情況,求科氏力在斷層面法線上的分量比較復雜一些。但有兩點是肯定的,一點是其法向分量雖比純走滑的法向分量小一些,但不會小很多。另一點是斷層兩盤是互相擠壓還是互相拉離與純走滑情況相同,即右旋走滑斷層促使科氏力使斷層兩盤互相擠壓,左旋走滑促使科氏力使斷層兩盤互相拉離。以上兩點對走滑占優(yōu)勢傾向分量不大的大地震,我們按純走滑來速判其最大余震震級屬ΔM≥1或ΔM≤1這種精度是可以的。
對于傾滑斷層,我們在文獻[7]中給出了一個直觀判斷的準則,就是“從原則上講,逆斷層或逆掩斷層上盤錯動方向在通過震源的子午面左側(cè)者(向北看),則科氏力效應使斷層兩盤互相擠壓,余震強度就大(ΔM≤1.0)。逆斷層或逆掩斷層上盤錯動方向在通過震源的子午面右側(cè)者,則科氏力效應使斷層兩盤互相拉離,余震強度就?。é ≥1.0)?!边@個準則在大震后最強余震速判上是可快速決定的。以上準則實際上已按科氏力原理把科氏力投影到斷層面法線方向上了,“互相擠壓”和“互相拉離”就是投影到斷層面法線上的體現(xiàn)。這個速判準則在決定“擠壓”和“拉離”的性質(zhì)上是不會錯的。震源斷層走向愈接近南北方向,則科氏力投影到斷層面法線方向上的分量越大,在斷層面走向與南北方向垂直時,科氏力在法線方向上的分量為零。
對于斷層錯動以傾滑占優(yōu)勢以走滑次之的地震,我們就用上述判斷準則來速判其斷層兩盤是互相擠壓還是互相拉離,從而判斷其最大余震震級屬于ΔM ≤1(互相擠壓),還是ΔM≥1(互相拉離)。
如果斷層錯動的走滑分量和傾滑分量相差不多,我們就分別用上述走滑準則和傾滑準則各自去判斷其ΔM,最后綜合判斷整個斷層錯動的ΔM。
根據(jù)以上所述,盛書中等[4]認為他們所得到的結(jié)果之所以不符合我們的結(jié)果,是因為我們把震源地方的科氏力未投影到震源斷層面法線方向上,這個論斷是不符合實際情況的。我們認為,盛書中等[4]用公式計算法可求出“擠壓”或“拉離”的應力量值,這是其可取的地方。但它與我們按幾何分析法所得出的“擠壓”和“拉離”這種應力狀態(tài)應是一致的,因而不會在科氏力余震效應上有本質(zhì)差別。之所以兩者不相符,我們認為不是盛書中等[4]所提出的原因。我們認為不符合的原因,可能是科氏力余震效應有地區(qū)性。另一個原因可能是盛書中等[4]把赤道兩側(cè)和阿留申群島地震都統(tǒng)計在全球地震中造成的。
我們過去建議的求科氏力方向以及“擠壓”和“拉離”應力量值的方法是吳氏網(wǎng)法,但在工作中我們不常用。因為我們用直觀的幾何分析法已經(jīng)可以滿足對科氏力余震效應的迅速判斷。如果盛書中等[4]在他們的論文中把中國的4次大震的科氏力效應檢驗結(jié)果具體寫出來,那就可找出“不符合”的原因。但盛書中等[4]未在文章中寫出這4次大震的檢驗結(jié)果,而是把其混合在全球大震的檢驗結(jié)果中,因而不好和我們所得到的這4次大震的科氏力余震效應結(jié)果作對比。從而使兩者“不符合”成為懸案。
盛書中等[4]在結(jié)論中指出:“我們未觀測到斷層錯動產(chǎn)生的科氏力對余震活動強度產(chǎn)生的影響?!彼麄冋J為科氏力的量值太小,至多相當于一個大氣壓,我們估計也是如此或稍小一些,并且他認為這個量值大小,不足以對斷層面的錯動產(chǎn)生影響,從而沒有科氏力余震效應。而我們認為[8]:“因為斷層錯動時,阻止它們的摩擦力始終存在,這是基本的,而科氏力是在動摩擦力的基礎上起作用的。單純的科氏力不足以和錯動力相較量。”另外,在文獻[6]中我們也指出,“摩擦力隨時都在企圖阻止斷層錯動。此時如斷層兩盤運動產(chǎn)生的科氏力使斷層兩盤互相擠壓或互相拉離,這樣的話可以影響主震釋放能量的大小,因而科氏力的余震效應是存在的,在我國大陸就是如此?!边@就是我們的觀點。還有學者在評價科氏力余震效應時,認為科氏力怎能與板塊錯動的力相比呢,因而用此觀點否定科氏力余震效應的研究。我們認為,他們忽視了摩擦力也是板塊的一種力。
應當指出,我們提出的科氏力擠壓效應和科氏力拉離效應都共同包括ΔM =1,即余震比主震震級小1級這種情況。但這在緊急救援中對防震減災仍是有意義的,即對擠壓效應的情況要提防的最大余震震級比主震震級小不到1級,至少要防ΔM=1;對拉離效應的情況要提防的最大余震震級比主震震級要小1級以上,余震震級最高為ΔM=1。例如,2010年青海玉樹大震,按陳培善修定的主震震級為7.4級,最大余震震級為6.4級[9],ΔM=1,這正好對應于玉樹大震為左旋走滑,科氏力為拉離效應的最高余震。郭安寧等[10]討論過玉樹大震在震前的中期預測。
附帶指出,左旋走滑的地震,因科氏力使斷層兩盤互相拉離,所以有可能使斷層長度過分長,例如2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震在地表形成的斷層特別長就是這樣的。這里僅指板內(nèi)地震。當然這只是斷層特別長的一個因素。
現(xiàn)在讓我們回到蔣海昆的評論上來,他指出[5]:“但無論如何,對這一類存在爭議的理論及方法,不妨在實際應用中進一步檢驗及完善?!边@個評論是客觀的。那我們就從2011年開始檢驗吧。2011年國內(nèi)無7級和7級以上地震。在鄰區(qū)3 月24 日我國云南邊境外側(cè)緬甸發(fā)生了7.2級地震(云南強烈有感),震中位置為20.8°N,99.8°E。它發(fā)生在由云南勐倫到緬甸孟東的東北西南向左旋走滑斷層上[11]。這是檢驗我國大陸和鄰區(qū)7級以上大震的一個震例。該震震源機制為典型的左旋走滑,其科氏力效應是使斷層兩盤有拉離效應,故最強余震屬ΔM≥1,即不會超過6.2級。截止目前,最強余震還未超過6級。2011年3月11日日本9.0級地震,它在深海溝,震源斷層是太平洋板塊向日本島弧一側(cè)板塊下面斜向俯沖,即上盤是仰沖,斷層走向為北北東。像這種震源機制,可按郭增建和吳謹冰[7]所提出的判斷傾滑斷層科氏力余震效應的原則去速判,即它的上盤錯動方向是在過源子午面的右側(cè),即在向北方向的右側(cè),故其科氏力效應使斷層兩盤有拉離效應(屬ΔM≥1),故該大震后我們即向有關方面預測最強余震不會大于8級。截至目前已過半年,最大余震為7.7級[12]。
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