摘要：2024年1月23日新疆烏什發(fā)生7.1級(jí)地震。為了研究震前GNSS變形特征，通過對(duì)比分析GNSS基線時(shí)間序列結(jié)果和區(qū)域應(yīng)變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂帶東西兩段的地殼運(yùn)動(dòng)有所差異，東段的運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，烏什地震即發(fā)生在斷裂帶東段;利用4期速度場(chǎng)結(jié)果，計(jì)算得到動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)變化，從NS向應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果可以看出該區(qū)域的應(yīng)變量值持續(xù)增加，應(yīng)變持續(xù)在積累狀態(tài)，從長(zhǎng)期背景場(chǎng)可以看出7.1級(jí)地震發(fā)生在應(yīng)變高值區(qū)的邊緣;發(fā)震斷層?xùn)|西兩側(cè)的擠壓滑動(dòng)速率存在明顯差異，西側(cè)為（1.0±0.35） mm/a，東側(cè)為（4.1±0.51） mm/a，且東側(cè)的閉鎖程度較高。研究認(rèn)為邁丹斷裂帶兩側(cè)運(yùn)動(dòng)差異明顯，烏什7.1級(jí)地震發(fā)生在滑動(dòng)速率較高的東段，且該區(qū)域處于應(yīng)變高值區(qū)的邊緣。

關(guān)鍵詞：烏什地震; GNSS; 時(shí)間序列; 應(yīng)變場(chǎng); 滑動(dòng)速率

中圖分類號(hào)： P319.56文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)： 1000-0844（2024）04-0973-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240220001

Deformation characteristics before the M7.1 earthquake

in Wushi， Xinjiang， from GNSS observation dataZHU Shuang， ZHAN Wei， LIU Xiao， LIANG Hongbao

（The First Monitoring and Application Center， CEA， Tianjin 300180， China）Abstract：

On January 23， 2024， an M7.1 earthquake occurred in Wushi， Xinjiang. The baseline and regional strain time series from global navigation satellite system observation data were compared in this paper to explore the characteristics of regional crustal deformation before the earthquake. Results show differences in the crustal movements of the east and west segments of the Maidan fault and the strong movement of the east section， where the Wushi earthquake occurred. Dynamic GNSS strain field variations were calculated based on the four periods of velocity field results. The results of the NS-trending strain field show the continuous increase in strain value in the region and the continuous accumulation of the strain. The long-term background strain field revealed that the M7.1 earthquake occurred at the edge of the region with high strain values. Differences in the slip rates were observed between the east and west segments of the Maidan fault， with the west side being （1.0±0.35） mm/a， the east side being （4.1±0.51） mm/a， and the east side demonstrating a high degree of locking. Therefore， the movement difference between the two sides of the Maidan fault is evident， and the M7.1 earthquake occurs in the eastern segment with high slip rates， which is at the edge of the high strain value region.

Keywords：Wushi earthquake; GNSS; time series; strain; slip rate

0引言

北京時(shí)間2024年1月23日，在新疆維吾爾自治區(qū)烏什縣發(fā)生了7.1級(jí)地震。此次地震為逆沖型地震，發(fā)生在西南天山山前的柯坪推覆體區(qū)域。由于歐亞板塊與印度板塊的相互碰撞，天山晚古生代褶皺復(fù)活，形成了5～6排推覆構(gòu)造體系。推覆體前緣存在明顯的逆沖斷層，根部為邁丹斷裂，塊體內(nèi)部發(fā)育一條近SN走向的皮羌斷裂，將柯坪推覆體分為東、西兩部分。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景十分復(fù)雜，從歷史地震資料可以看出其地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈［1-2］，近100年來先后發(fā)生了1902年喀什MW7.7地震、1996年伽師MW6.3地震和1998—2003年伽師地震群等破壞性地震，最近的一次5級(jí)以上地震為2023年12月19日阿圖什5.5級(jí)地震。此次烏什7.1級(jí)地震發(fā)生在邁丹斷裂帶東段，如圖1所示。圖中紅色加粗?jǐn)鄬訛榘l(fā)震斷層，6.0級(jí)以上地震的震源機(jī)制解來自www.globalcmt.org，灰色地震為1973年以來該地區(qū)3.7級(jí)以上地震（https：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/search）。邁丹斷裂作為柯坪推覆體的北邊界斷裂，斷層走向以NEE向?yàn)橹?。由于斷裂?gòu)造的不均勻發(fā)育，邁丹斷裂帶東段逐漸變成近NE向，內(nèi)部發(fā)育有多條次級(jí)斷裂，且多呈近平行分布，以左旋走滑逆沖運(yùn)動(dòng)為主，地震活動(dòng)性較強(qiáng)，是7級(jí)以上地震的重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)［3-4］。

許多學(xué)者分析了邁丹斷裂帶的運(yùn)動(dòng)特征及地震危險(xiǎn)性［5-8］。關(guān)于該斷裂的運(yùn)動(dòng)特征，不同學(xué)者研究的結(jié)論有所不同。陳杰等［9］通過地質(zhì)考察，未發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂有明顯的左旋錯(cuò)動(dòng)，認(rèn)為其垂直運(yùn)動(dòng)較為明顯，主要以逆沖為主。郭建明［10］結(jié)合地質(zhì)考察與遙感圖像特征研究，認(rèn)為邁丹斷裂中阿合奇段為左旋走滑斷裂，但是斷層的左旋走滑運(yùn)動(dòng)較弱。賈啟超［11］通過階地測(cè)量、探槽開挖、遙感解譯等多種手段，發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂以逆沖走滑運(yùn)動(dòng)為主。李瑞［12］基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）數(shù)據(jù)，利用Defnode程序反演了柯坪推覆體內(nèi)多條斷裂帶的閉鎖程度，發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂帶東、西段的閉鎖程度與滑動(dòng)虧損分布不一致，斷層?xùn)|北端的完全閉鎖深度為10 km左右，而西南端的完全閉鎖深度在35 km左右。朱爽等［13］利用三維塊體模型方法計(jì)算了天山地區(qū)主要斷裂帶的滑動(dòng)速率，發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂帶存在較大的地震矩虧損，具有孕育7級(jí)以上地震的潛能。

因此，為了探究新疆烏什7.1級(jí)地震前邁丹斷裂帶的變形特征，本文利用該斷裂帶附近4個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分別是XJWU（新疆烏?。?、XJBC（新疆巴楚）、WUSH（新疆烏什）和XJZS（新疆昭蘇），如圖1中紅色三角形所示。首先，基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中該區(qū)域的GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK軟件計(jì)算得到1999—2023年4條測(cè)站基線的時(shí)間序列結(jié)果和區(qū)域應(yīng)變時(shí)間序列結(jié)果，分析邁丹斷裂帶的擠壓運(yùn)動(dòng)特征及其兩側(cè)的擠壓速率差異;然后，基于最小二乘配置原理計(jì)算應(yīng)變場(chǎng)，從NS向應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化識(shí)別該區(qū)域震前的應(yīng)變積累變化及長(zhǎng)期的應(yīng)變場(chǎng)分布特征;最后，利用三維球面塊體模型方法，計(jì)算西南天山地區(qū)多條斷層的滑動(dòng)速率，分析地震前斷層的運(yùn)動(dòng)特征，并結(jié)合時(shí)間序列與應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，以期為地震的孕震背景及未來的地震危險(xiǎn)性分析提供支持。

1GNSS數(shù)據(jù)處理

收集整理陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站1999—2023年觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于GAMIT軟件進(jìn)行原始觀測(cè)數(shù)據(jù)解算，解算過程中考慮衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層模型、電離層模型、固體潮改正，及光壓模型，得到測(cè)站坐標(biāo)單日松弛解;然后，選擇47個(gè)IGS站點(diǎn)作為框架點(diǎn)，共同利用GLOBK進(jìn)行平差，獲得測(cè)站時(shí)間序列?；跁r(shí)間序列結(jié)果，計(jì)算得到了1999—2007、2009—2013、2013—2017、2017—2023共4期相對(duì)于歐亞大陸的速度場(chǎng)，結(jié)果如圖2所示。同時(shí)，為了分析長(zhǎng)期應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果，本文收集了目前測(cè)站較全、較穩(wěn)定的1991—2016期相對(duì)于歐亞大陸的速度場(chǎng)結(jié)果［14］。該速度場(chǎng)結(jié)果融合了多種觀測(cè)數(shù)據(jù)，并去除了周邊大震的同震及震后影響，能代表該區(qū)域長(zhǎng)期穩(wěn)定的地殼運(yùn)動(dòng)背景，可用于長(zhǎng)期應(yīng)變場(chǎng)的分析研究。

2基線及區(qū)域應(yīng)變時(shí)序分析

兩個(gè)GNSS測(cè)站之間的基線長(zhǎng)度變化能夠直接反映測(cè)站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化，可用來分析地殼的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［15］?；谌サ糁芷陧?xiàng)的測(cè)站時(shí)間序列結(jié)果，計(jì)算得到邁丹斷裂帶附近4條基線的原始時(shí)間序列結(jié)果及去掉線性的時(shí)間序列結(jié)果（圖3），以此來分析邁丹斷裂帶的地殼運(yùn)動(dòng)變化。基線分布如圖1所示，分別為XJZS—XJWU，XJZS—XJBC，XJZS—WUSH，WUSH—XJBC。從圖3可以看出，跨越邁丹斷裂的基線都在持續(xù)地縮短，說明受到歐亞板塊和印度板塊碰撞的影響，天山地區(qū)以持續(xù)的擠壓運(yùn)動(dòng)為主?？缭竭~丹斷裂帶西段的XJZS—XJWU基線的縮短速率為（2.70±0.2） mm/a，每100 km的縮短速率為（0.50±0.2） mm/a;跨越邁丹斷裂帶東段的長(zhǎng)基線XJZS—XJBC的縮短速率為（7.69±0.3） mm/a，每100 km的縮短速率為（2.26±0.3） mm/a;同樣跨越東段的較短基線XJZS—WUSH的縮短速率為（5.97±0.2） mm/a，每100 km的縮短速率為（3.28±0.2） mm/a;斷裂帶以南的基線WUSH—XJBC的縮短速率為（1.68±0.4） mm/a，每100 km的縮短速率為（1.04±0.4） mm/a。這說明邁丹斷裂帶東西兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度不一致，西段的擠壓速率比東段小，此次7.1級(jí)地震發(fā)生在東段。對(duì)比以往地震發(fā)生情況，認(rèn)為邁丹斷裂帶東段的擠壓運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，存在發(fā)生強(qiáng)震的可能。從圖3中去掉線性的結(jié)果可以看出，在持續(xù)的擠壓運(yùn)動(dòng)背景下，跨越邁丹斷裂帶西段的XJZS—XJWU基線運(yùn)動(dòng)在2017年出現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)變緩的趨勢(shì)，導(dǎo)致基線縮短運(yùn)動(dòng)緩慢增加;跨越邁丹斷裂帶東段的基線始終維持NS向的擠壓縮短運(yùn)動(dòng)，周期性運(yùn)動(dòng)變化不大。

同時(shí)，本文利用距離較近的4個(gè)測(cè)站的GNSS時(shí)間序列去周期結(jié)果，計(jì)算了XJWU—XJBC—WUSH—XJZS區(qū)域應(yīng)變時(shí)序結(jié)果，如圖4所示。可以看到，邁丹斷裂主要以NS向的擠壓運(yùn)動(dòng)為主，且擠壓應(yīng)變速率較高，拉張應(yīng)變較小，拉張運(yùn)動(dòng)非常微弱;從去線性時(shí)序結(jié)果可以看出，拉張應(yīng)變?cè)?017年變得微弱，其周期運(yùn)動(dòng)也逐漸平緩，但擠壓應(yīng)變?cè)诔掷m(xù)增強(qiáng)，這說明該地區(qū)存在應(yīng)變的不斷積累，從而導(dǎo)致地震的發(fā)生。

3GNSS應(yīng)變場(chǎng)分析

作為最活躍的陸內(nèi)造山帶之一，天山地區(qū)南北地塊的交匯導(dǎo)致了山體隆起和盆地下沉，同時(shí)孕育了大地震發(fā)生的構(gòu)造環(huán)境。目前，天山地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最明顯的特征之一就是地殼在南北方向上的快速縮短［16-18］。但是，跨越天山之后，GNSS速度場(chǎng)在方向與速度上都出現(xiàn)了顯著變化：一是體現(xiàn)在數(shù)值上，塔里木盆地北部的NS向擠壓運(yùn)動(dòng)速率約為20 mm/a，而哈薩克地塊的NS向擠壓運(yùn)動(dòng)速率僅為2～3 mm/a，這是由于南天山地區(qū)的多層褶皺斷裂帶吸收了很大一部分速率，導(dǎo)致北天山的NS向擠壓運(yùn)動(dòng)速率相對(duì)南天山要小［19-21］，如圖2中1991—

2016期相對(duì)于歐亞大陸的速度場(chǎng)結(jié)果所示;二是體現(xiàn)在速率的方向上，塔里木盆地北部的GNSS速率方向?yàn)镹NE向，西南天山地區(qū)的運(yùn)動(dòng)速率比較分散，但是在準(zhǔn)噶爾西南緣，GNSS速率方向又轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE向，對(duì)應(yīng)了北天山西段中的大量右旋走滑構(gòu)造［22-24］。對(duì)比圖2中4期動(dòng)態(tài)速度場(chǎng)結(jié)果，可以看出南天山速度場(chǎng)在量值上明顯大于北天山，運(yùn)動(dòng)方向也有一些明顯的變化，柯坪推覆體南北兩側(cè)的速率有一定的差異。從動(dòng)態(tài)結(jié)果來看，2009—2013期速度場(chǎng)相對(duì)于1999—2007期結(jié)果，有明顯的西向運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)趨勢(shì)，數(shù)值上有所增加;2013—2017期速度場(chǎng)結(jié)果的運(yùn)動(dòng)方向有所回歸，數(shù)值也明顯下降，說明該時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)速率有所降低;2017—2023期速度場(chǎng)相對(duì)于2013—2017期結(jié)果，數(shù)值有所增大，方向變化不大。多期速度場(chǎng)動(dòng)態(tài)結(jié)果顯示天山地區(qū)的運(yùn)動(dòng)一直在微弱地調(diào)整，西南天山地區(qū)的速率有向西緩慢增加的趨勢(shì)。柯坪推覆體作為西南天山的俯沖帶，受到歐亞板塊和印度板塊碰撞的影響，其應(yīng)變場(chǎng)變化值得進(jìn)一步分析。

基于4期相對(duì)于歐亞大陸的速度場(chǎng)結(jié)果，利用最小二乘配置方法，計(jì)算得到4期NS向應(yīng)變率場(chǎng)結(jié)果［25］，如圖5所示。從圖中可以看出，在1999—2007期應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果中，柯坪塊體處在NS向應(yīng)變高值區(qū)的邊緣，隨著時(shí)間的推移，NS向應(yīng)變率一直在增加，且高值區(qū)的范圍也在不斷擴(kuò)大，說明該地區(qū)的NS向應(yīng)變一直處在不斷積累的狀態(tài)，這與應(yīng)變時(shí)間序列的結(jié)果一致。從主應(yīng)變的方向上看，由1999—2007期的NNS方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻麼S向，對(duì)應(yīng)了NS向的擠壓應(yīng)變逐漸增大。

基于1991—2016期相對(duì)于歐亞大陸速度場(chǎng)結(jié)果［14］，利用最小二乘配置方法計(jì)算得到了天山地區(qū)的長(zhǎng)期背景場(chǎng)結(jié)果，如圖6所示。從圖6（a）可以看出，天山地區(qū)主要以NS向的擠壓運(yùn)動(dòng)為主導(dǎo)，擠壓運(yùn)動(dòng)存在由西向東遞減的態(tài)勢(shì)，而烏什地震發(fā)生在擠壓高值區(qū)的邊緣;從圖6（b）可以看出，柯坪塊體北部存在一個(gè)擠壓應(yīng)變的高值區(qū)，這與巴顏喀拉地塊周邊的汶川、蘆山地震一樣，發(fā)生在擠壓應(yīng)變高值區(qū)的邊緣［26］。

4斷層滑動(dòng)速率分析

作為一條由多條次級(jí)斷裂組成的復(fù)雜斷裂帶，自晚第四紀(jì)以來，邁丹斷裂仍有較強(qiáng)的地殼活動(dòng)，地質(zhì)調(diào)查結(jié)果認(rèn)為其左旋走滑速率為（2.3±0.61） mm/a，逆沖滑動(dòng)速率為（1.24±0.20） mm/a［24］。為了進(jìn)一步分析邁丹斷裂帶的地殼運(yùn)動(dòng)特征，基于1991—2016期相對(duì)于歐亞大陸的速度場(chǎng)結(jié)果［14］，采用Meade等［27］提出的彈性塊體模型方法，計(jì)算了柯坪推覆體周圍主要活動(dòng)斷層的滑動(dòng)速率，結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，西南天山地區(qū)擠壓特征顯著，與區(qū)域的構(gòu)造背景具有一致性，柯坪斷裂、邁丹斷裂、北輪臺(tái)斷裂以及那拉提斷裂都以明顯的擠壓運(yùn)動(dòng)為主。其中，邁丹斷裂帶西段的擠壓運(yùn)動(dòng)較弱，為（1.0±0.35） mm/a，而烏什地震發(fā)生在擠壓運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的東段，其擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a，這與基線時(shí)間序列呈現(xiàn)的東西段擠壓程度不同的現(xiàn)象一致。從走滑速率方面［圖7（b）］來看，西南天山大多數(shù)斷裂帶以左旋運(yùn)動(dòng)為主，其中，邁丹斷裂西段的左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a，東段的左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a。

同時(shí)，在邁丹斷裂帶上布設(shè)兩條垂直于斷層的GNSS剖面，進(jìn)一步分析其地殼運(yùn)動(dòng)特征。剖面位置如圖1所示，結(jié)果如圖8所示。基于反正切模型原理，反演得到斷層兩側(cè)的滑動(dòng)速率與斷層的閉鎖深度。從圖8看出，邁丹斷裂帶呈現(xiàn)左旋擠壓狀態(tài)，西段的滑動(dòng)速率相對(duì)較低，東段滑動(dòng)速率較高且閉鎖程度也較高，閉鎖深度達(dá)（19.68±0.5） km。隨著應(yīng)力的不斷積累，斷層閉鎖程度不斷增加，導(dǎo)致地震的發(fā)生。

5討論

新生代時(shí)期，天山造山帶受到強(qiáng)烈擠壓與隆升的變形影響［28］，南北雙向逆沖造成了明顯的地殼縮短，發(fā)育了許多褶皺推覆體。這些斷裂帶在新生代天山造山帶構(gòu)造變形中發(fā)揮了重要作用。目前，天山地區(qū)的NS向擠壓變形主要由這些推覆構(gòu)造控制，它們引起的變形占天山總變形的一半以上［29-30］。其中，柯坪塔格推覆構(gòu)造體是一個(gè)重要的構(gòu)造單元，其北邊界根部斷層——邁丹斷裂自第四紀(jì)晚期以來一直處于強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)中［31］。邁丹斷裂的總體走向?yàn)镹EE向，內(nèi)部分布著3條近乎平行的次級(jí)斷層，傾角為60°～80°，形成了向深部延伸的堆積構(gòu)造，共同構(gòu)成了柯坪逆沖擠壓構(gòu)造體系［32］。邁丹斷裂擁有長(zhǎng)期漸進(jìn)的變形過程，發(fā)育歷史悠久，地表斷層平行排布，因此地震破裂的斷層分支具有很大的不確定性，此次烏什地震發(fā)生在邁丹斷裂帶3條次級(jí)斷裂帶的中間一條。

最新的研究證實(shí)邁丹斷裂以左旋逆沖為主。地質(zhì)調(diào)查研究認(rèn)為其左旋走滑速率為（2.3±0.61） mm/a，逆沖滑動(dòng)速率為（1.24±0.20） mm/a［24］;GNSS數(shù)據(jù)給出的最新結(jié)果表明其左旋走滑速率為（4.1±1.7） mm/a，擠壓速率為（6.3±1.9） mm/a［13］。本文給出的結(jié)果與前人結(jié)果有一定的差異：邁丹斷裂西段的左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a，東段的左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a;斷裂帶西段的擠壓速率為（1.0±0.35） mm/a，東段擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a。其中，斷裂帶滑動(dòng)性質(zhì)與地質(zhì)調(diào)查給出的結(jié)果一致，但速率分量相對(duì)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果偏大，可能與本文給出的GNSS速率為地表速率有關(guān)。此外，利用彈性塊體模型進(jìn)行滑動(dòng)速率的計(jì)算時(shí)，邊界帶的選擇及塊體的劃分對(duì)結(jié)果有顯著影響［13］。本文充分考慮了柯坪推覆體中的皮羌斷裂，該斷裂為近NS走向，將柯坪推覆體從中分開。為了突出邁丹斷裂帶東西兩側(cè)斷層運(yùn)動(dòng)的差異，以皮羌斷裂為邊界將推覆體分為兩個(gè)塊體，這也是導(dǎo)致本文結(jié)果與前人速率結(jié)果有所差異的主要原因。

6結(jié)論

在邁丹斷裂帶左旋擠壓的構(gòu)造背景下，本文通過分析GNSS基線時(shí)間序列結(jié)果和區(qū)域應(yīng)變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)邁丹斷裂帶東西兩段的地殼運(yùn)動(dòng)有所差異，東段的地殼運(yùn)動(dòng)較為活躍。應(yīng)變時(shí)間序列顯示NS向應(yīng)變持續(xù)加強(qiáng)，速率較高，說明邁丹斷裂主要是以持續(xù)的NS向擠壓運(yùn)動(dòng)為主;結(jié)合4期速度場(chǎng)結(jié)果，利用最小二乘配置方法計(jì)算得到震前的多期應(yīng)變場(chǎng)變化，認(rèn)為邁丹斷裂帶的NS向應(yīng)變量值持續(xù)增加，應(yīng)變持續(xù)在積累狀態(tài)，烏什地震發(fā)生在剪應(yīng)變高值區(qū)的邊緣。通過滑動(dòng)速率的分析可以看出，邁丹斷裂西段的擠壓速率為（1.0±0.35） mm/a，左旋走滑速率為（1.5±0.50） mm/a;東段的擠壓速率為（4.1±0.51） mm/a，左旋走滑速率為（3.7±0.45） mm/a，東段的運(yùn)動(dòng)速率較高，閉鎖程度也較高，導(dǎo)致了地震的發(fā)生。參考文獻(xiàn)（References）

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（本文編輯：趙乘程）