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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (2): 63-89  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.009
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引用本文  

孟令媛, 苑争一, 宋治平, 等. 2020年1月19日新疆伽师MS 6.4地震总结[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(2): 63-89. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.009.
MENG Lingyuan, YUAN Zhengyi, SONG Zhiping, et al. About Jiashi MS 6.4 earthquake in Xinjiang on Jan. 19, 2020[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(2): 63-89. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.02.009.

基金项目

国家重点研发计划课题(项目编号:2017YFC1500502);中国地震局地震科技星火计划(项目编号:XH20072)

作者简介

孟令媛(1983-), 女, 博士, 主要研究方向:震源物理和地震活动性

文章历史

本文收到日期:2020-03-02
2020年1月19日新疆伽师MS 6.4地震总结
孟令媛 , 苑争一 , 宋治平 , 杨文 , 姜祥华 , 王博 , 周志华 , 于晨 , 姚丽 , 解滔 , 黎明晓 , 姚琪 , 马未宇 , 马亚伟 , 解孟雨 , 臧阳     
中国北京 100045 中国地震台网中心
摘要:系统总结2020年1月19日新疆伽师MS 6.4地震发生前出现的地震活动和地球物理观测等异常,结果如下:①地震活动:震前存在地震平静、高频、带状分布等中期和短期异常;②地球物理观测:震中300 km范围内存在水位、水温、基岩温度、断层氢、地倾斜、重力、地磁等测项,其中7个异常测项均为趋势异常,短临变化特征不突出;③综合方法主要为年尺度趋势异常。梳理并总结此次地震序列的动态跟踪过程,发现:该地震序列主要分布在柯坪塔格推覆构造附近,主震震源机制为逆冲型破裂为主,余震丰富,序列b值、h值于震后15天左右逐渐趋于稳定。综合分析认为,在伽师MS 6.4地震发生前,地震活动异常具有中期逐渐向短期逼近的过程,以趋势类为主的地球物理观测,震前未出现或未发现具有短期意义的异常,而是主要提供了后续强震的发生地点和震级的判定依据。
关键词伽师MS 6.4地震    地震活动异常    地球物理观测异常    序列跟踪    
About Jiashi MS 6.4 earthquake in Xinjiang on Jan. 19, 2020
MENG Lingyuan , YUAN Zhengyi , SONG Zhiping , YANG Wen , JIANG Xianghua , WANG Bo , ZHOU Zhihua , YU Chen , YAO Li , XIE Tao , LI Mingxiao , YAO Qi , MA Weiyu , MA Yawei , XIE Mengyu , ZANG Yang     
China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
Abstract: Systematically summarized the observed seismicity and geophysical anomalies before Jiashi MS 6.4 earthquake in Xinjiang Uygur Autonomous Region on January 19, 2020. In terms of seismicity, some medium-term and short-term anomalies such as seismic quiescence, high seismic frequency, and belt-like seismic distribution emerged before the occurrence of Jiashi earthquake. In terms of geophysical observations, measurements such as water level, water temperature, bedrock temperature, fault hydrogen, earth tilt, gravity, geomagnetism, etc. are available within 300 km of the epicenter of the Jiashi earthquake and all of the 7 measurements which show abnormal before the mainshock are long-term anomalies, and short-term information is not obvious before the Jiashi earthquake. The anomalies identified by the comprehensive method are one-year-term. The dynamic tracking process of the Jiashi MS 6.4 earthquake sequence is analyzed and summarized. The Jiashi earthquake sequence is mainly distributed in the vicinity of Kalpintag tectonic, the mainshock source mechanism is thrust fracture and the aftershocks of the sequence are abundant. The b value and h value of the sequence gradually tend to be stable around 15 days after the occurrence of the mainshock. In summary, the process that seismic anomalies are changing gradually from long-term to short-term before Jiashi MS 6.4 earthquake can be observed, and short-term geophysical anomalies are not emerged or not found before the earthquake. The long-term anomalies found before the Jiashi earthquake mainly provided the location and magnitude information of the imminent event.
Key words: Jiashi MS 6.4 earthquake    seismicity anomaly    observed geophysical anomaly    earthquake sequence tracking    
0 引言

据中国地震台网测定,2020年1月19日21时27分在新疆喀什地区伽师县(39.83°N,77.21°E)发生MS 6.4地震,震源深度16 km。截至2020年2月29日,记录到3.0级以上余震23次,其中3.0—3.9级16次,4.0—4.9级5次,5.0—5.9级2次,最大为1月19日22时23分5.2级地震。此次地震序列发生于南天山西段地区,距柯坪断裂最近,约2 km。震源机制结果显示,伽师MS 6.4主震为一次逆冲为主兼有走滑分量的破裂事件,与NEE走向的柯坪断裂构造性质一致。

此次伽师MS 6.4地震震中位于2020年度新疆塔什库尔干至乌什6.5级左右地震危险区,同时位于2020年1—3月全国地震概率预测结果的地震发生高概率区。伽师MS 6.4地震震中附近自2019年以来存在4级以上调制地震持续集中现象,反映了该区域背景应力具有持续增强的过程。

针对此次伽师MS 6.4地震发生前新疆地区出现的各项异常进行分析,发现:地震活动在中期背景和短期阶段均出现具有一定预测意义的震前异常;震中附近地球物理观测以趋势背景异常为主,地球化学和流体定点观测未给出短临预测意见;综合计算方法震前则以年尺度异常为主。

本研究统计了2020年伽师MS 6.4地震前地震活动异常的时间、空间特征及地震强度的实际预测意义,分析了形变、电磁和地下流体等地球物理观测手段在震前出现的异常现象,同时讨论了如热红外、Wq值等综合计算方法在震前体现的异常特征。通过对2020年伽师MS 6.4地震的系统回顾和总结,为新疆地区6级以上地震积累震例资料,进一步为能够做出具有减灾实效的震前预报提供基础实践数据。

1 伽师MS 6.4地震活动特征 1.1 地震活动异常

2020年伽师MS 6.4地震发生前,新疆地区先后出现地震平静、地震高频、震群、带状分布、调制比等地震活动异常,这些异常在震前2年至震前1天先后出现,异常空间位置主要集中在新疆南天山西段,预测的震级水平多为5、6级。

(1)新疆地区6级地震显著平静异常。伽师MS 6.4地震前新疆地区6级地震平静显著。自1900年以来,新疆地区6级地震平静时间平均间隔404天,6级平静平均值加1倍均方差为837天,而本次地震前新疆地区6级地震已持续893天,超过1900年以来新疆地区6级地震平静平均值加1倍均方差。

(2)新疆地区5级地震平静打破。伽师MS 6.4地震前新疆境内5级地震平静显著。2019年2月2日塔城5.2级地震发生后,新疆境内5级以上地震出现长达267天的平静,并于同年10月27日被新疆乌什5.0级地震打破。统计资料显示,1950年以来,新疆地区5级地震出现超过242天(即平均值加2倍均方差)的平静异常后,平静打破后续1年内新疆地区发生6级以上地震的可能性较大,震例统计数值占比为13/17,优势发震时间为6个月以内,优势发震区域为南天山西段。本次伽师MS 6.4地震于新疆地区5级地震平静打破后84天发生,震中位于南天山西段地区。

(3)新疆地区5级地震高频。2018年9月4日至2019年1月12日新疆地区发生6次5级以上地震,5级地震半年内出现高频现象,并于2019年2月2日结束。根据以往震例统计,新疆地区6个月发生5次以上5级地震,对后续1年发生6级以上地震具有预测意义。2020年1月16日—18日新疆地区先后发生库车5.6级、伽师5.4级地震,其中1月18日伽师5.4级地震发生在本次伽师MS 6.4地震前1天,距离约3 km,推测为该地震的前震。根据1950年以来5级以上地震统计结果,天山地震带3天内发生2次5级地震对后续5.5级地震具有较好的短临指示意义,时间间隔最短为1天,最长为12天,见表 1

表 1 新疆地区MS ≥ 5.0地震3天2次高频后发生MS ≥ 5.5地震统计 Table 1 Earthquakes with MS ≥ 5.5 occurred after the phenomenon of twice MS ≥5.0 earthquakes occurrence within three days in Xinjiang region

(4)新疆地区小震群活跃。2019年7月以来,新疆地区ML 3.0—5.9小震群在3个月内发生频次超过4次,为高频异常现象。统计发现,自2008年以来新疆地区10次6级地震中有4次在震前出现了小震群活跃现象,优势对应地点为南天山西段—西昆仑地区(表 2),如2016年11月25日阿克陶6.7级地震等。

表 2 新疆地区ML 3.0—5.9震群频次高值后发生MS ≥ 6.0地震统计 Table 2 Earthquakes with MS ≥ 6.0 occurred after the phenomenon that earthquake swarms with ML from 3.0 to 5.9 appearance more than four times within three months in the Xinjiang region

(5)新疆和西北地区3级地震平静。2020年1月8日—14日,新疆及西北地区出现大范围持续7天的3级地震平静,1月15日阿克陶3.3级地震打破3级地震平静。2020年1月17日,中国地震台网中心预报部每月震情滚动会商中指出,该异常为2009年以来较为显著的大范围3级地震平静现象,预测后续短期内平静区发生6级以上地震的条件概率高于自然概率,具有短期预测意义。

(6)新疆地区ML 4.0地震高频。2019年11月29日至12月15日,新疆地区发生12次ML 4.0以上地震,周频次达7次,出现高频异常。统计发现,新疆地区1970年以来ML 4.0以上地震共出现3次周频次达7次的高频异常,其后南天山西段及附近地区在60天内均发生6级以上地震(图 1)。因此,新疆地区2019年12月出现的小震高频现象,应为本次伽师MS 6.4地震前的短期地震活动异常。

图 1 新疆地区ML 4.0以上地震周频次达到7次后2个月内发生6级以上地震分布 (a) 1976年7月28日塔吉克斯坦6.1级地震;(b) 1991年2月25日柯坪6.5级地震;(c) 2003年2月24日巴楚6.8级地震;(d) 2020年1月19日伽师MS 6.4地震 Fig.1 Distribution of earthquakes with MS ≥ 6.0 occurred within two months after the phenomenon that 7 ML ≥ 4.0 earthquakes occurrence within one week in Xinjiang region

(7)天山地震带ML 4.0地震快速带状分布及迁移特点。2019年12月4日—11日,沿天山地震带快速形成ML 4.0地震带状分布[图 2(a)],对短期内6级地震的发生具有指示意义(对应率8/11),判断优势发震地点为天山地震带。统计发现,2017年精河6.6级地震[图 2(b)]和2015年兴都库什7.8级地震前[图 2(c)]曾出现类似现象。

图 2 天山地震带ML ≥ 4.0地震快速沿带状分布后发生6级以上地震分布 (a) 2020年1月19日伽师MS 6.4地震;(b) 2017年8月9日精河6.6级地震;(c) 2015年10月26日兴都库什7.8级地震 Fig.2 Distribution of earthquakes with MS ≥ 6.0 occurred after that the distribution of ML ≥ 4.0 earthquakes along Tianshan earthquake belt orderly and quickly

(8)天山中段及盆地内部5.5级以上地震显著。2020年1月16日新疆库车发生5.6级地震,震中位于天山中段,同时位于塔里木盆地内部。据以往震例统计,天山中段地区5.5级以上地震与南天山西段6级地震具有较好的短期对应关系(图 3)。2020年库车5.6级地震与伽师MS 6.4地震符合这一统计规律,库车5.6级地震后3天即发生伽师MS 6.4地震。

图 3 天山中部地区5.5≤MS ≤5.9地震后南天山地震带西段发生6级以上地震分布 (a) 1953年7月10日巴楚6.0级地震;(b) 1987年1月24日乌什6.4级地震;(c) 1998年8月2日伽师6.0级地震 Fig.3 Distribution of earthquakes with MS ≥ 6.0 occurred in the western segment of the South Tianshan earthquake belt after 5.5≤MS≤5.9 earthquake occurrence in the central Tianshan region

(9)南天山西段4级调制地震集中活动。伽师MS 6.4地震发生在我国大陆4级以上调制地震的集中活跃区。自2019年7月以来,新疆南天山西段4级以上调制地震持续集中活跃。2019年以来,至本次伽师MS 6.4地震发生前,该集中区域共发生5次4级以上地震,其中4次为调制地震。

(10)南天山西段地震发生率异常。在伽师MS 6.4地震前16个月,震源区及附近开始出现地震发生率高值异常,并持续到震前11个月,震前10个月开始逐渐减弱,并于震前7至6个月消失,震前2个月在震中东北侧再次出现高值异常,震前1个月有所增强,在1月18日伽师5.4级地震发生后,进一步增强并向震中扩展,随后于1月19日在异常区边缘发生伽师MS 6.4地震(图 4)。异常演化符合“高值→减弱、消失或平静→高值→发震”的模式。

图 4 伽师MS 6.4地震前地震发生率异常演化 (a)震前16个月震源区出现高值异常;(b)震前6个月异常消失;(c)震前1个月震源区附近重新出现高值异常 Fig.4 Anomaly evolution of earthquake rate before the Jiashi MS 6.4 earthquake

(11)南天山西段Benioff应变比高值异常。Benioff应变比定义为,在某区域某日后3个月内所有指定震级以上地震的能量的开方及与此日之前3个月所有指定震级地震的能量的开方和之比,具体计算过程参照杨文等(2014)的研究。新疆南天山西段Benioff应变比异常出现于2019年10月,11月高值范围继续扩大,12月高值区域向东迁移至柯坪地块,此次伽师MS 6.4地震即发生在该高值区内部(图 5)。

图 5 伽师MS 6.4地震前Benioff应变比异常(2019-05-01—2019-10-31) Fig.5 Benioff strain ratio before the Jiashi MS 6.4 earthquake, from 2019-05-01 to 2019-10-31

(12)兴都库什6.4级中源地震影响。2019年12月20日兴都库什发生6.4级中源地震,震源深度200 km。据统计,1970年以来,兴都库什地区发生42组6级以上中源地震,其中18组地震后6个月内于新疆地区对应发生5.5级以上地震(18/42),12组地震在3个月内对应发生5.5级以上地震(12/42)(图 6)。此次兴都库什6.4级地震后,新疆地区先后发生2020年1月16日库车5.6级和1月19日伽师MS 6.4地震。

图 6 兴都库什6.0级以上中源地震后新疆发生5.5级以上地震分布 Fig.6 Distribution of earthquakes with MS ≥ 5.5 occurred in Xinjiang region after a middle-depth earthquake with MS ≥6.0 occurrence in the Hindu Kush region
1.2 地球物理观测异常

此次伽师MS 6.4地震震中300 km范围内共分布地球物理观测台站18个(图 7),绝大多数台站观测资料连续、可靠,囊括水位、水温、基岩温度、断层氢、地倾斜、重力、地磁等69个观测项,其中7个测项出现地球物理异常,结果见表 3。由表 3可见,震中100 km范围内无异常测项;震中100—200 km范围内分布观测台站10个,涉及观测项29个,其中出现异常测项4个,异常测项比为4/29(14%);震中200—300 km范围内分布观测台站5个,涉及观测项32个,其中异常测项3个,异常测项比为3/32(9%)。震中300 km范围内7项异常均为趋势异常,短临变化特征不突出。

图 7 伽师MS 6.4地震震中附近地球物理观测台站及异常分布 Fig.7 The distribution of precursor observation stations and anomalies before the Jiashi MS 6.4 earthquake
表 3 伽师MS 6.4地震震中附近地球物理观测异常信息 Table 3 Observed geophysical anomaly information of the Jiashi MS 6.4 earthquake
1.2.1 形变学科异常分析

震中300 km范围内共有3个形变异常测项,分别为乌恰钻孔倾斜EW分量、乌什伸缩仪EW分量和乌什重力噪声水平,3项异常均为趋势异常。伽师MS 6.4地震前,中国地震台网中心预报部形变学科在每周、每月震情滚动会商中未给出6级以上地震的断裂预测意见,仅提出该区域存在显著的重力变化高梯度带及GNSS剪应变率高值异常。此外,此次地震处于形变学科2020年度地震会商中基于GNSS、流动重力以及综合定点形变异常资料划定的危险区域内(图 8)。

图 8 伽师MS 6.4地震前震中附近形变观测异常分布 Fig.8 The spatial distribution of deformation observation anomalies and annual seismic risk area before the Jiashi MS 6.4 earthquake

(1)乌恰钻孔倾斜EW分量。乌恰钻孔倾斜EW分量距伽师MS 6.4地震震中约152 km,位于震中西北方向。自2019年5月12日开始,该测项出现反向东倾的异常变化,至2019年11月24日,异常变化基本结束,幅度达4.54″,56天后即发生伽师MS 6.4地震(图 9)。

图 9 乌恰钻孔倾斜异常变化形态 Fig.9 The anomaly character of borehole inclinometer at Wuqia Seismic Station

结合乌恰台周边300 km范围内发生的5级以上地震,形变学科组对以往几次类似异常变化进行震例对应梳理(图 10)。结果发现,乌恰钻孔倾斜EW分量以往出现4组“反向”或“加速”异常变化,其中3组异常结束后3个月内均有5级以上地震对应,对应率达75%。形变学科组随后在每周震情滚动会商中提出,乌恰钻孔倾斜测项周边300 km范围内有发生5级以上地震的可能。此次伽师MS 6.4地震可看作对应此次形变异常。

图 10 乌恰钻孔倾斜异常震例分析 (a)震例空间分布;(b) NS向分量随时间演化;(c) EW向分量随时间演化过程 Fig.10 Earthquake case analysis of borehole inclination anomaly at Wuqia Seismic Station

(2)乌什洞体应变EW分量。乌什洞体应变EW分量距伽师MS 6.4地震震中约226 km,位于震中东北方向。自2012年8月21日起,该测项由趋势压缩转为拉张,至2020年伽师MS 6.4地震发生前,该异常持续2 700多天,为长趋势异常(图 11),而以往震例以快速大幅拉张变化为主,此次地震前无类似突出变化,故该趋势异常不能作为震前异常。

图 11 乌恰洞体应变EW分量异常变化 Fig.11 The anomaly character of the EW component of Wuqia cave strain

(3)乌什重力噪声水平异常。乌什重力高噪声异常是基于定点连续重力观测的数据处理获取的,是2019年11月提出的年度异常。震例研究表明,出现高地震背景噪声后,台站周边发生6级以上地震的可能性较高,此次伽师MS 6.4地震前乌什台处于持续高背景噪声水平,综合分析认为该异常对应此次地震。但鉴于以往经验,高噪声异常出现后一年内有发生多次5级以上地震的现象,此异常暂不定性,仍需继续跟踪。

1.2.2 电磁学科异常分析

震中300 km范围内共有电磁测项4项,分别为柯坪地电阻率、喀什和乌什地磁以及乌什地电场(图 12)。伽师MS 6.4地震震前电磁异常3项,分别为柯坪地电阻率、喀什地磁两项单台异常及一项地磁低点位移异常(表 4)。

图 12 伽师MS 6.4地震前震中附近电磁观测异常分布 Fig.12 Distribution of observed electromagnetic anomaly of the Jiashi MS 6.4 earthquake
表 4 伽师MS 6.4地震震中附近电磁观测异常信息 Table 4 Observed electromagnetic anomaly information of the Jiashi MS 6.4 earthquake

(1)柯坪地电阻率。自2018年开始,新疆柯坪地电阻率EW和NS测道同步出现下降变化,下降幅度分别为-1.7%和-1.4%,且NS测道存在年变幅度减小(图 13),异常期间发生2018年伽师5.5级、阿图什5.1级、阿克陶5.2级地震和2019年疏附5.1级、乌什5.0级地震,这些地震发生后,NS测道下降异常依然持续,EW测道出现趋势转折迹象,直至发生2020年伽师MS 6.4地震。

图 13 新疆柯坪地电阻率异常变化 (a) EW方向地电阻率、去年变和相对变化幅值随时间变化;(b) NS方向地电阻率、去年变和相对变化幅值随时间变化 Fig.13 Apparent resistivity anomaly observed at Keping station

依据柯坪台地电阻率异常,电磁学科2019年度和2020年度地震会商认为,柯坪地区存在发生6级左右地震的危险性,并将该地区列为电磁学科年度危险区域。自2018年4月开始,电磁学科地震周月会商中将该地区列为短临跟踪区域,跟踪期间,该区域及附近发生5次5级以上地震,但均未达预期震级,此次发生伽师MS 6.4地震,符合该项异常的预期震级水平。

(2)地磁低点位移。2019年12月11日,新疆和西北地区出现地磁低点位移异常,电磁学科于2019年12月第3周提出该项异常(图 14)。依据低点位移预测规则,异常出现后27天及41天前后在异常线附近有发生5级以上地震的可能。此次伽师MS 6.4地震发生在异常后第39天,距异常线126 km,基本符合异常预测指标。可见,此项异常为伽师MS 6.4地震的震前异常。

图 14 2019年12月11日地磁低点位移异常线空间分布 Fig.14 Spatial distribution of geomagnetic low-point displacement anomaly line on December 11, 2019

(3)喀什地磁。2017年12月18日开始,喀什地磁垂直分量Z日均值与其拟合值(K—L法)之差的时序曲线加速上升(图 15),2018年7月4日超2倍均方差,分析认为,异常持续期间台站周边300 km范围内有发生6级左右地震的危险性。2020年伽师MS 6.4地震发生,震中距喀什地磁台125 km,震后异常仍持续,故不能作为此次地震的震前异常,后续仍需关注地磁Z分量异常曲线发展趋势。

图 15 新疆喀什地磁垂直分量Z日均值时序曲线. Fig.15 Time series curve of the Z component of geomagnetism in Kashi, Xinjiang
1.2.3 流体学科异常分析

伽师MS 6.4地震震中300 km范围内共有流体观测11项(图 16),其中,距离最近的流体观测台是伽师55井,有水位和水温2个测项,震中距约45 km;震中100—200 km范围内均为基岩温度观测项,共5项;震中200—300 km范围内有乌什水位和水温、阿克苏断层氢和塔什库尔干60泉水温4个测项。

图 16 伽师MS 6.4地震前震中附近流体观测异常分布 Fig.16 Distribution of observed underground fluid anomaly of the Jiashi MS 6.4 earthquake

伽师MS 6.4地震前流体学科提出1项异常,为塔什库尔干60泉水温异常,震中距276 km(图 17)。塔什库尔干60泉位于地热异常带,2019年4月15日,水温快速上升0.8℃,之后在高位波动,2020年1月3日,水温再次上升0.2℃,后于1月19日发生伽师MS 6.4地震。塔什库尔干60泉水温在2015年皮山6.5级地震和2016年阿克陶6.7级地震前均出现过类似上升变化异常,此次伽师MS 6.4地震震前变化与皮山6.5级地震类似,且在地震发生前16天曾再次出现短期变化。因此,塔什库尔干60泉水温变化为伽师MS 6.4地震震前异常。

图 17 新疆塔什库尔干60泉水温随时间变化曲线 Fig.17 Water temperature observation curve of Tashkurgan spring

流体学科在2020年度地震会商中,对南天山西段整体预测意见是:南天山西段存在发生5.5级左右的地震风险。构造地球化学流动测量结果(Rn、CO2、H2)在沙井子段有异常高值,显示未来一段时间有发生中强地震的可能,此测段距本次地震较近,约100 km。在此次伽师MS 6.4地震发生前,于2020年1月17日每月震情滚动会商中提出了该测项的最新变化,但未给出周、月尺度的判定意见。

1.3 综合计算方法

2020年伽师MS 6.4地震发生前出现异常的综合计算方法主要有热红外、Wq值和“专家系统”方法。综合计算方法异常主要以年尺度异常为主,热红外方法基于遥感技术在震前1个月提出伽师MS 6.4地震震中附近存在发生5级地震的可能。

(1)热红外方法。红外遥感技术利用不同处理方法,综合分析地面长波辐射年距平、特征月距平以及多时次(UTC 00:00,06:00,12:00,18:00)垂直多层大气温度等多种数据演化特征后,提出2020年南天山西段存在发生(6.0±0.2)级地震的可能(图 18),2020年伽师MS 6.4地震即发生在预测区域。

图 18 基于热红外方法预测2020年度地区危险区域及本次伽师MS 6.4地震震中 Fig.18 Prediction of the dangerous area in 2020 based on the thermal infrared method and the epicenter of Jiashi MS 6.4 earthquake

针对图 18中所示危险区,通过遥感技术开展短临跟踪,结合全国近30日气温距平、近30日降水距平以及2019年12月平均月尺度的红外地面长波辐射分布状况(图 19),提出新疆地区存在发生预测震级为(5.2±0.3)级地震的可能,此次伽师MS 6.4地震即发生在预测区域。

图 19 2019年12月热红外地面长波月尺度变化示及本次伽师MS 6.4地震震中 Fig.19 The monthly scale change of the OLR in December 2019 and the epicenter of Jiashi MS 6.4 earthquake

(2)Wq值异常。2019年10月底,Wq计算结果显示南天山西段出现显著异常,而此前在2018年底和2019年中的Wq值计算结果均显示该地无异常,因此在中国地震台网中心2020年度地震会商中提出南天山西段危险性增强显著的意见,此次伽师MS 6.4地震即发生在该异常区东侧(图 20)。

图 20 基于Wq值方法预测2020年度危险区域及本次伽师MS 6.4地震震中 Fig.20 The prediction of the dangerous area in 2020 based on the Wq method and the epicenter of the Jiashi MS 6.4 earthquake

(3)“专家系统”方法。2019年11月,根据中国地震台网中心各学科提供的地震活动和地球物理观测异常,选取336项异常,其中地震活动异常67项,形变学科异常188项,电磁学科异常25项,流体学科异常56项。在此基础上,对全国进行专家系统推理计算,结果显示南天山西段存在异常,并于中国地震台网中心2020年度地震会商中提出南天山西段有发生中强地震的可能(图 21)。

图 21 基于专家系统方法预测2020年度危险区域及本次伽师MS 6.4地震震中 Fig.21 The prediction of the dangerous area in 2020 based on the Expert System method and the epicenter of the Jiashi MS 6.4 earthquake

图 21可见,与川滇地区相比,南天山西段异常显著程度不够,考虑到该区现有地球物理观测测项相对偏少,因此认为该异常与本地异常背景水平相比仍较突出。2020年伽师MS 6.4地震即发生在南天山西段预测区内。

2 伽师MS 6.4地震序列特征

2020年伽师MS 6.4地震发生在柯坪塔格推覆体最前(南)缘的褶皱—逆断裂构造带上(图 22)。柯坪塔格推覆体位于塔里木盆地西北缘,东起印干断裂,向东经温宿凸起逐渐过渡到库车逆冲构造带,西止于八盘水磨北,北以喀拉铁克断裂与南天山晚古生代造山带为界,南以柯坪塔格南缘逆断裂与塔里木盆地分界(杨晓平等,2006)。新生代以来,印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应导致南天山造山带发生复活,特别是20 Ma以来,南天山开始向盆地内强烈逆冲推覆,在南天山前陆地区形成柯坪塔格推覆体等一系列褶皱冲断带(杨勇等,2016)。柯坪塔格推覆体东西长300 km,南北宽65—75 km,横向上由多排近平行的NEE向褶皱带构成,包含多组倒转复式背斜、复式箱状背斜等复杂构造(图 23)。

图 22 伽师MS 6.4地震附近区域地震构造图(据国家活断层研究中心) Fig.22 Regional geological structure map of the vicinity of the Jiashi MS 6.4 earthquake (according to the national active fault research center)
图 23 柯坪塔格推覆体构造简图(据杨晓平等,2006 Fig.23 The geological sketch map for Kalpintag thrust tectonic (according to Yang et al, 2006)

地震勘探资料显示,柯坪塔格推覆体各褶皱带前缘活动逆断裂自北而南向塔里木盆地逆冲,并在深部归并于统一的、由厚达200 m的寒武系石膏层组成的滑脱面(肖安成等,2002)。滑脱面深度具有南浅北深、东浅西深的特点,皮羌断裂西侧滑脱面深度约为9 km,东侧滑脱面深度约为5 km(图 24)(杨晓平等,2008)。

图 24 横跨柯坪塔格推覆体的平衡剖面(据杨晓平等,2008 Fig.24 The balanced cross-section across Kalpingtag thrust tectonic (according to Yang et al, 2008)

历史地震震源机制解显示,在柯坪推覆体所在地区现代构造应力场,中等主应力σ2近垂直,最大主应力σ1σ3近水平,与水平面夹角为5°—16°。σ1优势方位为NNW向(N18°W),σ3优势方位为NEE向(N71°E),基本与天山地区现代构造应力场的主要特征一致(徐锡伟等,2006),1997年伽师6.6级强震群和2003年巴楚6.8级地震除外。

2.1 震源物理参数

2020年伽师MS 6.4地震发生后,国内外一些科研机构先后多次给出了此次地震的震源机制解(表 5)和矩张量解(表 6)。由表 5可见,国内不同研究机构测定的震源机制解经多次调整,逐渐由走滑型转变为逆冲型破裂为主,文中采用中国地震台网中心(CENC)第Ⅳ版结果对震源性质进行分析。

表 5 伽师MS 6.4地震震源机制解 Table 5 Focal mechanism solutions of the Jiashi MS 6.4 earthquake
表 6 伽师MS 6.4地震矩张量解 Table 6 Moment tensor solutions of the MS 6.4 Jiashi earthquake

此次地震震源机制解反映:地震破裂方式为逆冲型(图 25);最佳双力偶解节面Ⅰ走向为40°,倾角为78°,滑动角为83°;节面Ⅱ走向为250°,倾角为14°,滑动角为119°。根据南天山西段的断裂走向、余震分布特征和震源机制类型,分析认为此次地震的破裂面为节面Ⅱ。

图 25 伽师MS 6.4地震震源机制解 (a)中国地震局地球物理所结果;(b)中国地震台网中心结果;(c)美国地质调查局结果 Fig.25 The focal mechanism solution graph of the Jiashi MS 6.4 earthquake
2.2 余震序列跟踪

2020年1月19日新疆伽师MS 6.4地震前1天发生5.4级前震,且6.4级地震后余震活动频繁,截至2月29日,此次伽师MS 6.4地震序列共记录到地震2 498次,其中,ML 0—0.9地震852次,ML 1.0—1.9地震1 317次,ML 2.0—2.9地震271次,ML 3.0—3.9地震42次,ML4.0—4.9地震12次,ML5.0—5.9地震3次,最大前震为1月18日0时05分5.4级地震。伽师MS 6.4主震后记录到余震2 423次,其中3.0—3.9级地震16次,4.0—4.9级地震5次,5.0—5.9级地震2次,最大余震为1月19日22时23分5.2级地震。此次地震序列的Mt及每日地震频次统计见图 26

图 26 伽师MS 6.4地震序列ML≥0地震MtML≥1.0地震频次关系 (a) ML≥0地震Mt;(b) ML≥1.0地震每日累积频次 Fig.26 The M-t diagram of ML≥0 earthquakes and the daily cumulative rate of ML≥1.0 earthquakes of the MS 6.4 Jiashi sequence

图 26分析可知,此次地震序列活动呈逐渐衰减态势,偶有起伏变化。2020年1月31日4.3级余震之后,本次伽师地震序列出现21天的ML 4.0地震显著平静,后于2月21日发生5.1级余震。在该余震前2天,ML 1.0以上地震日频次有所上升。根据G—R关系,以ML 1.2为起算震级,1天为步长,计算此次伽师MS 6.4地震后余震序列的b值,结果见图 27。由图 27可见,序列b值于震后逐渐恢复至0.7上下,在2月21日5.1级强余震前10天,b值小幅升高并降低。

图 27 伽师MS 6.4地震序列b值随时间的变化及Mt关系 Fig.27 The b-value and M-t diagram of the Jiashi MS 6.4 sequence

为了更好理解此次伽师MS 6.4地震序列的衰减特性,分别计算1997年伽师强震群和2020年伽师MS 6.4地震序列不同时间段的h值,结果见图 28

图 28 2020年伽师MS 6.4地震序列和1997年伽师6.6级强震群序列h值对比 (a) 2020年伽师MS 6.4地震序列h值,震后7天;(b) 2020年伽师MS 6.4地震序列h值,震后15天;(c) 2020年伽师MS 6.4地震序列h值,震后30天;(d) 1997年伽师6.6级强震群序列h值,震后7天;(e) 1997年伽师6.6级强震群序列h值,震后15天;(f) 1997年伽师6.6级强震群序列h值,震后30天 Fig.28 The h-value diagram of the 2020 Jiashi MS 6.4 sequence and 1997 Jiashi MS 6.6 swarm, respectively

整体上,2020年伽师MS 6.4地震序列的h值明显高于1997年伽师6.6级强震群(图 29)。由h值随时间的演化可知,2次地震序列h值均有逐渐减小趋势,其中:2020年伽师MS 6.4地震序列h值变化相对较小,在2月21日5.1级地震(震后33天)前7天,h值出现小幅下降,降至约1.3,后继续下降;1997年伽师震群的h值在主震后29天出现大幅下降,降至1.0以下,并持续近10天(主震后39天)发生后续6.0级地震。

图 29 2020年伽师MS 6.4地震序列和1997年伽师6.6级强震群序列h值随时间变化曲线 Fig.29 Comparison of the h-value curve with time of the 2020 MS 6.4 Jiashi sequence and 1997 MS 6.6 Jiashi swarm, respectively

此外,2020年1月19日伽师MS 6.4地震发生在阴历二十五,为4个调制时段的下弦时段,4级以上余震多发生在调制时间点,序列的中等地震受调制特征显著(韩颜颜等,2017)。截至2月29日,在伽师MS 6.4地震余震区共发生4级以上地震9次(包含1月18日伽师5.4级地震),其中8次为调制地震(表 7),2月21日5.1级余震发生在阴历二十八,为非调制时间点,表明随着余震序列的持续衰减,序列中的强余震受调制的影响逐渐减弱。

表 7 伽师MS 6.4地震序列中4级以上调制地震目录 Table 7 Catalog of the modulated earthquakes with MS ≥ 4.0 in the MS 6.4 Jiashi sequence
3 讨论与结论

2020年1月18日,即伽师MS 6.4地震前1天发生伽师5.4级地震,震中同样位于柯坪塔格褶皱带西部,距切割柯坪塔格推覆体的皮羌断裂约37 km,距伽师MS 6.4地震约23 km。震源机制显示,该地震发震构造走向NW,可能是切穿柯坪塔格推覆体NW走向的基底断裂。这些基底断裂走向NW或NE,沿走向延伸不长,属于塔里木块体内部破碎次级块体的边界断裂,具有与皮羌断裂类似的“类转换断层”性质(徐锡伟等,2006),调节褶皱变形带的横向不均匀性,其活动与柯坪塔格推覆体紧密相关。

此次伽师MS 6.4地震及其余震主要发生在柯坪塔格背斜的南部西段,主震震源机制以逆冲为主兼具走滑分量,与柯坪塔格推覆体近EW向的褶皱走向一致,表明柯坪推覆体即为此次伽师MS 6.4地震的发震构造。在此次伽师MS 6.4地震震中100 km范围内历史上发生6级以上地震26次,其中:震级最大的是1902年8月22日阿图什8.3级地震;有仪器记录以来,在柯坪塔格推覆体发生的最大地震为1996年3月19日阿图什北6.9级地震,且位于皮羌断裂西侧褶皱带上,距本次伽师MS 6.4地震约12 km;1997年伽师6.6级强震群和2003年巴楚6.8级地震发生在柯坪塔格推覆构造系南侧,与本次伽师MS 6.4地震的发震构造在空间上关联不紧密。

1997年伽师强震群序列的强余震演化环境为:右旋右阶的一系列走滑型破裂在走滑断裂阶跃区域形成拉分盆地,易发生张性破裂地震[图 30(a)]。2020年伽师MS 6.4地震孕震环境更类似于右旋左阶,1月18日发生的5.4级前震和MS 6.4地震后的5.2级余震均以右旋走滑型破裂为主,1月19日伽师MS 6.4地震位于走滑断裂阶跃区域,震源机制以逆冲型破裂为主[图 30(b)]。

图 30 1997年伽师6.6级强震群与2020年伽师MS 6.4地震序列震源机制演化及孕震环境示意 (a) 1997年伽师6.6级强震群;(b) 2020年伽师MS 6.4地震 Fig.30 Schematic diagram of source mechanism evolution and seismogenic environment of Jiashi MS 6.6 swarm in 1997 and Jiashi MS 6.4 earthquake sequence in 2020
3.1 地震活动性

1997年1—4月,新疆伽师地区先后发生7次6级以上地震,1998年再次发生2次6级以上地震,构成伽师6.6级强震群,该震群共计发生9次6.1—6.8级地震。从震中分布来看,1997年发生的7次6级以上地震位于伽师地区南侧,大致呈NNW向条带分布,1998年在该区东北部发生的2次6级地震,又形成一个NNE向地震条带。

针对1997年伽师6.6级强震群,李松林等(2002)采用了Thurber(1983)提出的震源位置和介质三维速度结构联合反演方法,得到伽师强震区地壳三维速度结构,结果显示,在5 km深度处,速度分布杂乱无章;自12 km深度开始,出现NNE向低速带,速度比周围介质低0.2—0.4 km/s,与余震分布条带在位置和范围上一致;在14 km深度截面内,该低速带依然清晰,仅稍微变窄,且在这一深度开始,出现了一个几乎与上述NNE向低速带交汇的NNW向低速带;在16 km深度截面内,此NNW向低速带更加清晰,而NNE向低速带进一步变窄、变短。此外,在12—16 km深度范围内,NNE向低速带位置随深度增加逐渐向北西移动,表明该带有向北西倾斜的趋势(图 31)。

图 31 伽师地区三维速度结构成像结果(据李松林等,2002 Fig.31 Results from 3-D velocity imaging in Jiashi earthquake region (according to Li et al, 2002)

张竹琪等(2008)根据前人给出的震源机制解和精定位结果,计算了1997年伽师6.6级强震群7次6级以上地震之间的库仑应力作用,同时分析了震中附近于1996年3月19日发生的阿图什6.9级地震对该震群的影响。计算结果显示,1997年伽师6.6级强震群中第4次地震震源附近的库仑应力被前震增加了0.05 MPa左右,而在第2、3、5和6次地震震源附近,库仑应力增加约0.08 MPa[图 32(a)(e)],第7次走滑地震发生在连续2次正断层地震之后,并处于应力增加区[图 32(f)]。综合以上结果,表明南北2条破裂带上的地震活动能够相互影响,更重要的是,1997年伽师6.6级强震群活动区域的正断层活动促进了雁形走滑断层间地震的循环触发。之后,该地区地震活动性持续活跃,2003年巴楚6.8级地震、2020年伽师MS 6.4地震均发生在该地震活动活跃区附近,这些地震事件的时空关系显示,新断层活动具有向塔里木盆地内部潜在延伸的特征。

图 32 1997年伽师震群中主要地震事件之间库仑应力触发关系示意(据张竹琪等,2008 (a)—(f)与2—7号地震震源破裂机制相同的断层上受到的应力变化作用 Fig.32 Distribution of coulomb fracture stress during coseismic events calculated based on the source parameters of Jiashi strong earthquakes (according to Zhang et al, 2008)
3.2 地球物理观测

新疆地区南天山西段的地球物理观测手段涉及形变学科、地下流体学科及电磁学科,在地震预报实践中,对于6级左右地震有时间和空间指示意义的异常主要有GPS、流动重力、定点形变、地电阻率、地磁低点位移及地下流体深层水温异常等。

基于1999—2018年GPS连续站及流动站观测资料,结合天山地震带基线及区域应变结果,分析天山地震带近期地壳形变,结果显示,南天山断裂带西段的挤压速率处于稳定的高值状态,跨越南天山断裂西段的基线和应变均以挤压为主,发生地震的危险性较高(朱爽等,2018)。2017年精河6.6级地震前,该地震震中附近区域速度场速率逐渐增大,发震断裂两盘构造运动速率不均,震中附近区域GPS测点的速率和运动方向存在差异,反映了地壳应变能量的积累,震中区域主压应变率的变化反映了应力调整过程,沿断层走向的张压转换的形变高梯度带、最大剪应变梯度带可为地震预测提供参考(朱治国等,2018)。

艾力夏提·玉山(2018)利用2014—2016年南天山—帕米尔地区5期流动重力观测资料,分析该区半年和一年尺度的重力变化特征,探讨了地震孕育发生与重力场变化特征的关系,结果表明,南天山—帕米尔地区重力场变化有明显的分区特征。重力场变化能较好地反映该区地震孕育和发生的过程,地震发生前,震中附近地区的重力变化值出现上升趋势,在孕震区及附近地区出现重力变化高梯度带,并伴随重力变化零线,且地震多发生在重力变化正值集中区的零线附近。

地电阻率是地下探测范围内介质电阻率的综合反映,与孕震过程有关的异常变化主要反映构造应力作用下测区介质变形诱发的微裂隙活动引起的电阻率变化(Mjachkin et al,1975)。地震异常变化多表现为年尺度的下降或上升,并伴有年变畸变,近震中区异常形态以负异常为主(杜学彬,2010)。异常时空表现出与孕震过程应变扩散相一致的变化,距未来地震破裂区越近的台站越早出现异常,异常幅度也越大,随着孕震应变向外扩散,远离未来破裂区的台站相继出现异常(赵玉林等,2001)。在短期阶段,近邻破裂区介质应变加速积累,地电阻率在原有异常背景基础上通常出现加速变化,而近震中区由于断层预滑产生的应变部分释放,地电阻率通常表现为转折变化(汪志亮等,2002杜学彬,2010)。

地磁低点位移法为目前用于新疆地区地震地磁预测的一种重要方法。我国位于中低纬度,地磁垂直分量在磁静日的日变化形态类似“Ⅴ”字形,其日变化曲线极小值时间一般出现在地方时12时前后,在空间上整体呈现为缓变过程,但在某些日期,一个大区域的低点时间明显与另一个大区域的不同,而每个大区域内部的低点时间基本一致,2个区域之间的低点时间有明显的突变分界线,低点时间相差一般在2小时以上,这条突变分界线称为“地磁低点位移线”,这种现象称为“地磁低点位移异常”(丁鉴海,1994)。引起低点位移异常的是低点位移线两侧台站出现的反相位变化,推测外空变化磁场感应电流因某种原因聚集在低点位移线下方,进而产生反相位畸变变化(冯志生等,2009)。

在此次2020年伽师MS 6.4地震附近区域,以往预测效能较好的伽师55井震前未出现变化。通常认为,伽师55井深层水温异常对周边300 km范围内5级以上地震映震效果较好,据统计,2012—2018年,伽师55井300 km范围内发生8次5级以上地震,震前异常明显的地震有5次,见表 8沙木哈尔·叶尔肯等,2018),如:2013年阿图什5.2级和柯坪5.5级地震前,伽师55井均出现水温负异常变化(张涛等,2016);2015年皮山6.5级地震前,伽师55井水温出现类似负异常变化(沙木哈尔·叶尔肯等,2018)。

表 8 新疆伽师55井深层水温异常与地震对应关系(据沙木哈尔·叶尔肯等,2018 Table 8 Deep water temperature anomaly of No. 55 well in Jiashi region and Earthquake with MS ≥ 5.0 occurred within 300 km (according to Samhar et al, 2018)
3.3 孕震过程讨论

宋治平等(2009)据不同震级地震发生前的异常与张北地震发生前的形变异常的研究,发现,α、β、γ三阶段表现明显,特别是γ阶段(相当于地震短临阶段),异常从外围向震中的收缩性(γ1)和从震中向外围的扩散性(γ2)特征均存在。2020年伽师MS 6.4地震前的小震活动同样具有这一特征,可见,地震孕育过程中震前异常(或小震活动)的三阶段特征可能受孕震体控制,是孕震过程的表现,可作为震前异常的普遍性规律。

对震前异常研究发现,在强震孕育过程中,震前异常时空演化存在3个阶段的不同变化过程(图 33),其中:①α阶段,异常表现为外扩特征;②β阶段,异常出现范围较广;③γ阶段分为γ1、γ2阶段,其中:γ1阶段,异常从震中外围向震中区收缩,而γ2阶段,异常从震中区向外围地区扩展。

图 33 强震前地球物理异常时空演化三阶段变化图像 (a) 2008年汶川8.0级地震;(b) 2013年岷县—漳县6.6级地震 Fig.33 Precursor anomaly spatiotemporal evolution before moderate and large earthquakes

研究新疆地区1970年以来11次6级以上地震前ML 4.0地震时空演化特征,结果表明,ML 4.0地震存在不同程度的时空迁移特点。2020年伽师MS 6.4地震前ML 4.0地震在2019年11—12月出现的时空迁移特点同样符合该特点,即强震孕育过程中,小震活动存在“向震中收缩”和“向外围扩散”的特点。

南天山地震带2019年11—12月ML 4.0地震活跃[图 34(a)],特别是2019年12月4日—11日,沿南天山地震带快速形成ML 4.0地震条带,期间4级地震周频次形成高频次异常。快速出现的地震条带和高频次异常均对该地区6级以上地震的发生具有短期预测意义。

图 34 新疆地区ML 4.0以上地震以设定震中(41.5°N,80°E)的收缩—扩散图像 (a)新疆地区2019年11月至12月ML 4.0以上地震震中分布区;(b) ML 4.0以上地震时空演化过程 Fig.34 Distribution and spatiotemporal evolution of earthquakes with ML ≥ 4.0 assuming the location (41.5°N, 80°E) as a potential epicenter in Xinjiang region

2019年11月25日—12月20日,南天山地震带ML 4.0地震表现出时空迁移特点,见图 34(b)。设定地震发生在(41.5°N,80°E),据4级地震迁移特点,2019年11月25日—12月5日,新疆地区ML 4.0地震向震中迁移,12月5日—20日,从震中向外围扩散。事实上,2020年伽师MS 6.4地震距该预测地点230 km。

3.4 结论

2020年1月19日伽师MS 6.4地震发生在2020年度新疆塔什库尔干至乌什6.5级左右地震危险区。对应此次MS 6.4地震的年度异常有:流动重力、GNSS以及构造地球化学异常;新疆地区5级地震平静打破、4级调制地震集中、震群活跃、加卸载响应比、Wq值、热红外等异常;乌什重力、乌恰钻孔倾斜EW、柯坪地电阻率NS/EW、塔什库尔干60泉浅水温等中短期异常。其中,中短期显著异常有新疆地区ML 4.0地震高频、天山地震带ML 4.0地震快速带状分布及迁移性、兴都库什6.4级中源地震影响、柯坪块体视应力;短临显著异常有地磁低点位移。

此外,将2020年伽师MS 6.4与2015年皮山6.5级、2016年阿克陶6.7级地震前不同类别预测指标进行对比,结果见表 9

表 9 伽师MS 6.4地震周边区域不同类型预测指标对比 Table 9 Comparison of different types of prediction indicators around the Jiashi area of Xinjiang

表 9可知,此次伽师MS 6.4地震共性异常体现在GNSS、重力、背景活动性、平静、显著地震影响、震群、地球物理观测以及地磁低点位移等,3次地震前异常特征基本一致;特殊性异常体现在:①2020年伽师MS 6.4地震前,该地区2019年流动地磁观测无异常,但2018年存在流动地磁异常,该现象值得关注;②2020年伽师MS 6.4地震前无4、5级地震显著空区,但该地区ML 4.0、ML 5.0地震带状分布显著。

4 结束语

全面梳理、系统总结每一次显著地震的地震地质环境以及震源参数、地震序列演化,尤其是震前出现并捕捉到的地震活动和地球物理观测异常变化,对于地震预测的科学研究具有重要价值。2020年伽师MS 6.4地震发生前发现并提出的年尺度异常涉及地震活动性、地球物理观测和综合方法异常,短期异常则主要为地震活动高频异常和带状分布等。

2020年度在新疆地区确定3个年度地震危险区。2020年1月,新疆地区先后发生4次5.0级以上地震,其中1月16日库车5.6级地震发生在新疆库车至乌苏6级左右地震危险区附近,距危险区边界约58 km;1月18日伽师5.4级、1月19日伽师MS 6.4及1月19日阿图什5.2级地震则均发生在新疆塔什库尔干至乌什6.5级左右地震危险区内部。

回顾2020年1月19日伽师MS 6.4地震的动态跟踪过程,2020年1月16日库车5.6级地震发生后,1月17日的震情跟踪意见中明确提出需要关注南天山西段—西昆仑发生6级左右地震的可能。1月18日伽师5.4级地震发生后的震后趋势判定意见中亦明确指出南天山西段—西昆仑地区存在发生6级左右地震的可能。1月19日伽师MS 6.4地震的发生显示出震前对年度趋势的把握及异常动态跟踪取得了一定减灾实效。

本文撰写得到王海涛研究员的指导和鼓励,蒋海昆研究员、晏锐研究员和闫伟高级工程师亦予以有益帮助。在此对他们以及中国地震台网中心预报部和新疆维吾尔自治区地震局分析预报中心同事们的辛苦工作,一并表示衷心感谢。

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