鄧起東 朱艾斕 高 翔

1)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京 100029

2)上海市地震局，上海 200062

3)浙江省第七地質(zhì)大隊，杭州 310030

0 引言

大地震孕育和發(fā)生與活動構(gòu)造密切相關，不同類型活動構(gòu)造，包括擠壓、拉張和剪切型活動斷裂帶常是大地震的發(fā)震構(gòu)造，成為大地震發(fā)生帶。所以，它們一直是地球科學家們關注的重點，不斷對這些活動斷裂帶的幾何學、運動學參數(shù)、斷裂分段、古地震及其重復間隔和地震危險性等開展大量研究工作，并已有許多著作問世(Das et al.，1986;Geophysics Study Committee，1986;Yeats et al.，1997;McCalpin，2009)。由于全球發(fā)育許多大型活動走滑斷裂，其上發(fā)生過破壞力極大的大地震，且震源斷裂又直接出露地表，造成顯著的地表位錯，使得這種研究更加深入。如美國西部圣·安德列斯斷裂帶(San Andreas Fault zone)，土耳其北安納托利亞斷裂帶(North Anatolian Fault zone)等(Mackay，1890;Reid 1910;Allen，1965;Agnew et al.，1978;Hirano，1986;Barka，1992)。在國內(nèi)，對海原活動斷裂帶、阿爾金活動斷裂帶、鮮水河活動斷裂帶、小江活動斷裂帶和東昆侖活動斷裂帶等都進行過深入的研究(國家地震局地質(zhì)研究所等，1989，1990;國家地震局阿爾金斷裂帶課題組，1992;李天袑等，1997;宋方敏等，1998;青海省地震局等，1999)。然而，大地震是如何在這些走滑斷裂帶上孕育和發(fā)生的仍然是一個尚待研究的重要問題。正如2002年美國國家基金會地學部在《New departures in structural geology and tectonics》白皮書中所指出的那樣，變形如何在斷裂帶上局部化，地震如何成核仍然是一個有待研究的核心問題。我們以往在活動走滑斷裂和大地震研究中曾從不同的側(cè)面討論過這一問題(鄧起東，1984;鄧起東等，1985;國家地震局地質(zhì)研究所等，1990;吳章明，1993;韓竹君，1996)，本文并不討論有關走滑斷裂帶的各種問題，僅僅希望在以往工作基礎上進一步對走滑斷裂帶應變局部化和地震成核、孕育過程再作一些討論。

1 走滑斷裂的不連續(xù)性

一條走滑斷裂往往不是簡單延伸的斷裂，它常具有復雜的結(jié)構(gòu)，由多條不連續(xù)次級斷裂作羽列或雁列排列，并由不同的“行”、“階”形成組合，它們之間構(gòu)成不連續(xù)階區(qū)，或為“拉分區(qū)”(pull apart region)，或為“擠壓隆起區(qū)”(Local upwarps)(Burchfiel et al.，1966;鄧起東等，1966;Segall et al.，1980;Aydin et al.，1982;Mann et al.，1983;鄧起東，1984;陳社發(fā)等，1985;Deng Qi-dong et al.，1986)。圖1為走滑斷裂帶中典型的拉分區(qū)和擠壓隆起區(qū)實例。圖1a為美國加州南部Imperial谷地2條NW向右旋走滑斷裂Imperial斷裂和Brawley斷裂之間右階區(qū)形成的拉分構(gòu)造區(qū)，2條次級走滑斷裂的隔離量和重疊量均達6km，在拉分區(qū)形成低地，較周圍下降10m，且在拉分盆地核心區(qū)發(fā)育Mesouite湖，2條次級走滑斷層在其端部逐漸轉(zhuǎn)成近NS向，并形成向低地傾斜的斜滑正斷層。1940和1979年發(fā)生于Imperial斷裂上的7.1和6.4兩次地震的同震破裂帶即終止于這一拉分構(gòu)造。圖1b亦位于美國加州南部，右旋走滑的Coyote Creek斷裂帶在Ocotillo一帶形成不連續(xù)左階區(qū)，階區(qū)隔離量約2km，階區(qū)內(nèi)遭受平行于走滑斷裂的擠壓，在地形上形成高地，其上升幅度達200m，即Ocotillo Bedlands，并發(fā)育一系列軸向與走滑斷裂成大角度相交的褶皺，形成復背斜。1968年，Borrego山6.5級地震致使沿階區(qū)邊界走滑斷裂發(fā)生了30cm的右旋走滑位移(Clark，1972)，Bedlands發(fā)生明顯隆升，褶皺縮短量達800m(Brown et al.，1991)。Segall等(1980)曾用該斷裂帶上地震及其余震震源深度論證這樣尺度階區(qū)構(gòu)造已經(jīng)延伸到地下5～8km深度。

圖1 美國加利福尼亞南部Brawley Fault-Imperial Fault(a)和Cayote Creek Fault(b)的拉分階區(qū)和擠壓隆起區(qū)(Segall et al.，1980)Fig.1 The pull-apart stopovers and compressive uplifts along the Brawley Fault-Imperial Fault(a)and Cayote Creek Fault(b)in southern California，US(after Segall et al.，1980).

圖2是中國最早研究的拉分盆地——海原活動斷裂帶上的干鹽池拉分盆地(陳社發(fā)等，1985)。該盆地發(fā)育于左旋走滑的海原斷裂帶南西華山次級剪切斷層和黃家洼山次級剪切斷層之間，二者作左階排列，其重疊量約為8km，隔離量4～5km，這一拉分盆地第四紀沉積厚度176.15m，在盆地中部發(fā)育干鹽池湖，在盆地西端，即南西華山斷裂西端發(fā)育多條平行的NE向正斷裂，成階梯狀控制盆地，盆地內(nèi)部地形面向北傾斜，在2條次級剪切斷層之間發(fā)育了與次級剪切斷層呈小角度相交的一條正走滑斷層。該斷裂斜貫干鹽池拉分盆地，傾向NE，形成低斷層崖，在1920年海原地震中形成的最新錯動面沿該斷層發(fā)育，并向東西兩端與2條次級剪切斷層相連通，吳章明(1993)曾論證過在階區(qū)內(nèi)發(fā)育的這一正走滑斷層為階區(qū)變形過程中產(chǎn)生的里氏(R)破裂。此外，干鹽池盆地地面向北傾斜，在1920年地震中干鹽池湖向NE位移了500m。1920年12月16日海原8.5級地震和同年12月25日海原西強余震(7.0)的最大水平位移分別位于干鹽池盆地東西兩側(cè)的南西華山斷層(石卡關溝—哨馬飲)和黃家洼山斷層(高灣子東—王家圈子)上，左旋水平位移量分別達10～11m和7～8m。

圖2 海原活動斷裂帶干鹽池拉分盆地(a)及其航空影像(b)Fig.2 The Ganyanchi pull-apart basin(a)and its aerial image(b)along the Haiyuan active fault zone.

總結(jié)上述階區(qū)的變形特征，控制拉分區(qū)和擠壓隆起區(qū)的次級剪切斷層在變形過程中起主要作用，它們不僅控制了階區(qū)的寬度和長度(隔離量和重疊量)，而且，其走滑性質(zhì)和階區(qū)排列型式共同控制階區(qū)的變形類型(拉分或擠壓)，在拉分區(qū)會發(fā)育與次級剪切斷層相垂直的正斷層和相斜交的內(nèi)部張剪切斷層，在擠壓區(qū)，會有與次級剪切斷層成大角度相交的逆斷層和擠壓褶皺形成。走滑斷裂帶的拉分或擠壓階區(qū)可成為斷裂帶內(nèi)破裂中止的地段，成為斷裂分段的界限區(qū)，但它是否具有持久性，即是否會被突破則與其規(guī)模大小，即階區(qū)尺度有關。統(tǒng)計說明，只有尺度較大的階區(qū)，例如5km甚至更大的階區(qū)才能中止破裂的發(fā)展。因此，一條規(guī)模巨大的走滑斷裂帶若發(fā)生全帶的大破裂，如1920年海原8.5級地震使長達230km的海原大斷裂帶全帶破裂，包括干鹽池盆地在內(nèi)的所有階區(qū)均發(fā)生破裂，但是，該斷裂古地震研究已經(jīng)證明，當海原斷裂帶僅其中一段或兩段次級斷層發(fā)生破裂時，包括干鹽池盆地在內(nèi)的階區(qū)就可以作為障礙體存在，起著中止破裂的作用(鄧起東等，1992;閔偉等，2001;張培震等，2003)。

圖3 青藏高原川滇斷塊和巴顏喀喇斷塊之間的鮮水河－玉樹斷裂帶的走滑型地震破裂與甘孜拉分區(qū)的正斷層型地震及其震源機制Fig.3 Focal mechanisms of the strike-slip earthquakes on the Xianshuihe-Yushu fault zone between the Sichuan-Yunnan faulted-block and the Bayankala fault-block and the normal faulting earthquakes in the Ganzi pull-apart zone.

在一條大型走滑斷裂帶中，走滑段和階區(qū)段都可能發(fā)生地震，但不同構(gòu)造部位，如發(fā)生于次級剪切斷層上與拉分階區(qū)內(nèi)的地震類型和規(guī)模則有明顯不同。圖3為青藏高原鮮水河－玉樹走滑斷裂帶和其間的甘孜拉分區(qū)。該斷裂發(fā)育于高原中部巴顏喀喇斷塊和羌塘－川滇斷塊之間，是一條NW走向的斷塊邊界左旋走滑斷裂帶，長達800km，其東南段鮮水河斷裂和西北段甘孜－玉樹斷裂在甘孜一帶作左階排列，形成甘孜拉分區(qū)。該拉分區(qū)NW方向長約60km，且西寬東窄，分別約為35km和20km，在拉分區(qū)內(nèi)發(fā)育NNE向垂直邊界走滑斷裂的正斷層，如羅鍋梁子斷層(聞學澤等，1985)。發(fā)生在鮮水河斷裂和甘孜－玉樹斷裂與甘孜拉分區(qū)的地震的類型和震級大小有明顯區(qū)別。發(fā)生在鮮水河斷裂和甘孜－玉樹走滑斷裂上的地震均為走滑型地震，震級在7級以上的地震連發(fā)，圖3列出了其中幾條7.0級以上地震的地表破裂帶，自西而東，分別是2010年玉樹7.1級地震、1896年洛須7.0級地震、1854年馬尼干戈7.7級地震、1866年甘孜7.3級地震、1976年爐霍7.6級地震、1923年道孚7.3級地震、1893年乾寧7.3級地震和1955年折多塘7.5級地震。這些走滑型地震地表破裂帶雖具有不同的長度，水平位移大小也有所區(qū)別，但它們均為左旋剪切破裂。此外，還有1816年爐霍7.5級地震和1904年道孚7.0級地震也發(fā)育左旋地表破裂遺跡。我們沿帶收集了30余個4.8級以上地震震源機制資料(Harvard CMT;鄢家全等，1980;Zhou et al.，1983;周蕙蘭，1985;許忠淮等，1994;程萬正，1999)，發(fā)現(xiàn)在鮮水河斷裂和甘孜－玉樹左旋走滑斷裂帶上地震的震源機制大都為走滑型，其NW向節(jié)面平行于該斷裂帶，尤其是其中4個6.9級和7.0級以上地震，即1981年道孚6.9級地震(26)、2010年玉樹7.1級地震(12)、1955年折多塘7.5級地震(31)和1973年爐霍7.6級地震(23)均為走滑型地震。與此相反，發(fā)生于甘孜拉分區(qū)的1967和1973年的6.8、6.0和5.1級3次地震(19、22和20)則均為拉張正斷型，震源斷裂平行于甘孜拉分區(qū)內(nèi)的NNE向正斷層，地震震級也在7級以下。

2 走滑斷裂的樞紐運動

以上討論了走滑斷裂的基本幾何特征及其與地震的關系，以下將對走滑斷裂最重要的運動學特征之一——走滑斷裂的樞紐運動進行討論，因為它可能就是走滑斷裂帶上變形局部化和大地震孕育的重要條件之一。

1981年我們在研究新疆阿爾泰山可可托海－二臺斷裂及1931年富蘊地震破裂帶時認識到，活動走滑斷裂樞紐運動的存在及其引起的變形和地質(zhì)地貌特點，并進而研究了其應力場和應變場(張培震，1982;鄧起東，1984;鄧起東等，1985)。以下對其略加敘述。

可可托海－二臺斷裂是發(fā)育于阿爾泰山西麓的一條NNW向活動右旋走滑斷裂帶(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，1985)，全長超過180km，該斷裂帶傾向NEE，切割了所有的地質(zhì)體和地貌體，表現(xiàn)了突出的右旋走滑特征，它不但使NWW向額爾齊斯斷裂及其東段瑪因鄂博斷裂發(fā)生右旋變位，還切割不同年齡的河流和沖溝，形成不同水平變位量的水系。在該斷裂上發(fā)生過1931年富蘊8級地震，最大右旋水平位移10m以上。該斷裂做明顯的樞紐運動，沿斷裂形成構(gòu)造和地貌的四象限分布(張培震，1982;鄧起東，1984;鄧起東等，1985)。斷裂北段表現(xiàn)出顯著的正斷層活動，斷裂兩盤西升東降，西盤夷平面傾向西，東盤沿斷層面下滑，形成斷塞型盆地，從北向南有喀依爾特、可可托海和吐爾洪盆地，盆地面向主斷裂傾斜，西側(cè)受主斷裂控制，斷塞成盆，沿主斷裂發(fā)育明顯的斷層崖，盆地其他邊界均無斷層發(fā)育(圖4A，B，C－a，b)。斷裂中段逐漸轉(zhuǎn)變成為一條正走滑斷裂，水平錯動量逐漸增加，右旋錯動多級沖溝(圖4 A，B)。斷裂帶在新山口以南為南段，斷層面仍然傾向東，但斷裂性質(zhì)已轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚孀呋瑪嗔眩財嗔寻l(fā)育逆斷層控制的斷層崖，斷裂帶東盤為隆起山地，夷平面傾向東，西盤則為山前戈壁沙漠，兩盤高差顯著(圖4B，C－e)。在上述斷裂帶北段和南段之間卡拉先格爾至新山口以北為斷裂帶中段，斷裂帶表現(xiàn)出另一番景象。一方面，在卡拉先格爾以南的玉勒肯哈拉蘇一帶，主斷裂斷層面改變?yōu)橄驏|傾斜的低角度逆掩斷層，并直接出露地表，測得逆掩斷層面傾角僅17°，形成低矮的斷層崖(圖4B，C－d，D，E);另一方面在斷裂帶中段北起卡拉先格爾，南至玉勒肯哈拉蘇一帶發(fā)育多個沿斷裂帶走向分布的擠壓透鏡體，其中以卡拉先格爾擠壓透鏡體為最大，透鏡體內(nèi)發(fā)育了一系列傾向東、向西突出的弧形逆斷層或逆掩斷層，顯示出明顯的擠壓特征(圖4B，C－c)。上述沿可可托海－二臺斷裂帶不同斷層段力學性質(zhì)的變化及斷層兩側(cè)構(gòu)造和地貌的四象限分布在圖4的影像圖、地質(zhì)剖面圖及照片中均有清晰的表現(xiàn)。

圖4 新疆可可托海－二臺右旋走滑斷裂的樞紐運動變形圖像Fig.4 Images showing deformation of the Keketuohai-Ertai right-lateral strike-slip fault，Xinjiang，under hinge movement.

類似的走滑斷裂樞紐作用現(xiàn)象已在多處發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)上，已在云南曲江斷裂、1970年通海7.7級地震地表破裂帶、海原斷裂帶南西華山斷層、1920年海原地震破裂帶、則木河斷裂帶大箐斷層及1850年西昌7級地震破裂帶多次發(fā)現(xiàn)。韓竹君等(1996)報道，在1995年日本阪神地震震區(qū)和控制該地震的野島－六甲山斷裂上也看到了走滑斷裂的樞紐作用表現(xiàn)，甚至唐山7.8級地震前后的形變測量結(jié)果也反映了NE向唐山斷裂兩側(cè)形變的四象限分布(國家地震局“一九七六年唐山地震”編輯組，1982)。

圖5是鄧起東在20世紀80年代赴美考察時，由南加州飛往美國中部途中拍攝的1張照片，由于是在民航客機上拍攝，圖面并不美觀，但圖像尚可分析。在這一圖件的中部似可觀測到一條平直的斷裂線性影像，自左向右延伸，由照片可見，在斷裂兩側(cè)各發(fā)育1個三角形小盆地(灰白色)，盆地內(nèi)近斷裂處還各發(fā)育了藍色水池，在2個小盆地的斷裂對側(cè)地形高于小盆地，照片左側(cè)一條深色小河在經(jīng)過斷裂時發(fā)生左旋變位。上述平直斷裂及其兩側(cè)地貌的四象限分布和小河的左旋變位，似乎共同反映出這是一條左旋走滑斷裂，而且還反映出這一現(xiàn)在正在活動的斷裂是一條具有樞紐運動的走滑斷層。

圖5 美國南加州至內(nèi)華達州航班上所拍攝的作樞紐運動的最新活動左旋走滑斷裂Fig.5 Photo and interpretation map(below)of hinge movement of a recently active left-lateral strike-slip fault shot from flight from Southern California to Nevada，US.

3 關于走滑斷裂變形局部化與地震成核和孕育的地質(zhì)學理解

綜合以上資料，可以從地質(zhì)構(gòu)造角度對走滑斷裂帶變形局部化和地震成核問題作進一步討論。

走滑斷裂帶是一個復雜的構(gòu)造系統(tǒng)，反映了在剪切作用下產(chǎn)生的變形組合。從幾何學來說，單一的走滑斷裂和不連續(xù)的多段斷層組合都是存在的。在不連續(xù)分段組合斷裂帶內(nèi)多段剪切斷層按一定的行、階排列構(gòu)成不連續(xù)的斷裂帶。不連續(xù)次級剪切斷層、拉張或擠壓階區(qū)變形、斷層帶尾端張性擴展和擠壓變形、斷層兩側(cè)四象限構(gòu)造和地貌特征是一條走滑斷裂帶系統(tǒng)總體變形圖像。它既是一條走滑斷裂帶在剪切作用下變形過程的反映，也是長期和多次重復變形的結(jié)果。本文并未討論到這一剪切走滑系統(tǒng)的全部內(nèi)容，讀者可以在有關參考文獻中得到解說(Sagall et al.，1980;Aydin et al.，1982;鄧起東，1984;鄧起東等，1985;陳社發(fā)等，1985;國家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。

在一條走滑斷裂帶系統(tǒng)中，階區(qū)是一個重要的節(jié)點。它常是一條不連續(xù)走滑斷裂的分段點，是不連續(xù)走滑斷裂帶各段獨立破裂的障礙點和位移虧損、衰減點，它本身又可以是一個獨立變形體而服從其局部應力場和破裂機制，其變形當然與走滑斷裂帶內(nèi)次級剪切斷層有關，是該斷層破裂擴展的產(chǎn)物，但它也服從于階區(qū)應力場的控制，在拉分階區(qū)產(chǎn)生張性破裂和張剪性破裂及與之相應的張性正斷型和張剪性正走滑型地震，在擠壓階區(qū)產(chǎn)生擠壓破裂和擠壓變形及與之相應的擠壓型地震，其變形體的尺度受到階區(qū)尺度大小的控制，而且，它大概也必然小于控制它的次級剪切斷層，與之相關的地震震級也相應較低(Segall et al.，1980;鄧起東，1984;吳章明，1993;馬勝利等，1995a，b;劉力強等，1998)。

從運動學來看，沿走滑斷裂帶的樞紐作用是最具特點的斷層作用和發(fā)展過程。它既可以沿整條走滑斷裂帶產(chǎn)生，如可可托海－二臺斷裂，也可以沿一條不連續(xù)走滑斷裂帶帶內(nèi)的次級剪切斷層發(fā)生，如則木河斷裂帶中的大箐斷層段，該段斷層兩側(cè)構(gòu)造和地貌的四象限分布正是大箐斷裂樞紐作用的結(jié)果(高翔，2012)。所以，正是由于沿走滑斷裂樞紐作用的結(jié)果，在走滑斷裂兩盤產(chǎn)生構(gòu)造和地貌的四象限分布，在斷層樞紐軸部發(fā)生強烈擠壓，形成閉鎖，隨著應力在樞紐軸部不斷集中，應變在樞紐軸部不斷積累，最終達到和超過樞紐軸部斷層的強度，沿斷層發(fā)生失穩(wěn)錯動，產(chǎn)生大位移，伴隨大地震的發(fā)生。所以，樞紐軸部正是走滑斷裂在樞紐作用過程中應力集中部位、應變局部化和不斷積累部位，也是走滑斷裂帶上大地震成核的部位。自然，這一過程既可以在一條連續(xù)的走滑斷裂帶上發(fā)生，也可在復雜不連續(xù)斷裂帶中某一次級剪切斷層上發(fā)生。張培震(1982)曾用矩形截面梁扭轉(zhuǎn)應力分析來定性比擬樞紐作用的應力狀態(tài)，高翔(2012)通過野外觀測和數(shù)值模擬對走滑斷裂帶的運動學過程作過進一步研究，分析了在斷裂樞紐階段和大滑移階段的運動學特征，論證了正是樞紐運動使應變在樞紐軸部不斷積累，地震得以在這里成核，最終在第2階段大位移過程中伴隨著大地震的發(fā)生。

樞紐作用是走滑斷裂帶運動過程的第1階段，這種運動過程中在樞紐軸部產(chǎn)生的閉鎖，被稱為運動閉鎖。當它最終被突破時就會沿斷層產(chǎn)生突發(fā)失穩(wěn)，發(fā)生大位移，所以，走滑斷裂帶的初始破裂點和最大位移都位于斷裂帶樞紐作用的軸部。正是在這種破裂擴展過程中，單向或雙向破裂不斷擴展，最后完成整條斷裂帶或走滑斷裂帶中一段或幾段的全部破裂。在多個地震破裂帶的調(diào)查過程中，常?？吹綌嗔褞蠘屑~軸部初始破裂段的位移量最大，然后向一側(cè)或雙側(cè)逐漸降低。這一破裂過程也表現(xiàn)出是一種起伏性衰減，往往形成多個斷層段、多個位移高值，形成所謂多點破裂。實際上，在每一個次級破裂段仍然有各自位移高值，各段破裂也是自位移高值沿破裂方向起伏性逐漸衰減的。

4 結(jié)束語

走滑斷裂帶是一個復雜的構(gòu)造系統(tǒng)，反映了在剪切作用下的變形組合。在一條走滑斷裂帶或者一條不連續(xù)走滑斷裂帶中的次級剪切斷層作為走滑作用的主體常常通過樞紐作用階段和破裂位移階段完成其整個運動過程。在樞紐作用階段，沿走滑斷裂兩側(cè)形成四象限構(gòu)造和地貌分布，樞紐軸部表現(xiàn)出強烈擠壓，斷裂兩盤巖體緊密地嵌合在一起，大大增大了該斷層段的摩擦力，形成閉鎖，應變在此積累，大地震在此成核和孕育，當應變積累到一定程度，閉鎖的樞紐軸被突破時，沿斷裂發(fā)生失穩(wěn)錯動，產(chǎn)生突發(fā)位移，伴隨大地震發(fā)生，這就進入了大位移的第2階段，從而完成一次走滑斷裂的運動循環(huán)。多次這樣的應變積累和突發(fā)位移過程就是走滑斷裂發(fā)展、大地震孕育和發(fā)生的完整過程。相反，在不連續(xù)走滑斷裂的階區(qū)將依據(jù)階區(qū)的構(gòu)造屬性和特有的應力場及破裂擴展過程形成自己的變形和破裂，孕育自己范圍內(nèi)特有的地震。由于階區(qū)尺度的影響，其地震震級一般都會小于控制它的走滑斷層上的地震。

馬瑾院士長期從事構(gòu)造地質(zhì)學和構(gòu)造物理學研究，建立了中國最先進的構(gòu)造物理實驗室，對各類構(gòu)造的變形過程和機制均有深入研究。近年來又提出亞失穩(wěn)變形階段及其在地震預測中的意義的新思想(馬瑾等，2012)。50多年前，我進入中國科學院地質(zhì)研究所，即在馬瑾先生領導下工作，得到她的指教和幫助，正是在她的指導下得以完成《川東南褶曲及其伴生斷裂發(fā)育規(guī)律的初步實驗研究》。值此馬瑾院士80壽誕和從事地質(zhì)工作60周年之際，謹向馬瑾院士致以衷心祝賀和深深謝意。

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