魯?shù)镸S 6.5地震區(qū)域水平形變應(yīng)變場(chǎng)演化特征*

陳阜超，陳聚忠，郭良遷，張風(fēng)霜

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)并且開(kāi)展大規(guī)模GPS空間大地測(cè)量，隨著資料增多，GPS結(jié)果在地學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中也得到重視，研究不斷深入，既用于研究地殼淺部運(yùn)動(dòng)的連續(xù)場(chǎng)變化，也探討與地殼塊體運(yùn)動(dòng)相當(dāng)深部的變化，并從不同的角度提取地震孕育發(fā)生的信息 (王琪等，2001;李延興等，2003，2004;江在森等，2003，2006;郭良遷等，2009，2010，2011;張培震等，2004)。使用GPS資料總結(jié)研究已發(fā)生地震的地殼變化過(guò)程和應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于了解地震形成機(jī)理和進(jìn)行地震預(yù)測(cè)有重要意義。

2014年8月3日云南魯?shù)榘l(fā)生了MS6.5地震(27.1°N，103.3°E)，震源深度 11 km。震源應(yīng)力顯示地震形成于水平作用力。魯?shù)镸S6.5地震發(fā)生在北東向昭通—魯?shù)閿嗔褞У拇渭?jí)斷裂——包谷垴—小河北西向斷裂上。昭通—魯?shù)閿嗔褞Э刂屏说卣鸬脑杏托纬?。該次地震緊鄰南北地震帶的南段安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶，位于其東側(cè)。這里GPS站點(diǎn)相對(duì)較多，它們的觀測(cè)資料為研究地震孕育發(fā)生過(guò)程中的地殼活動(dòng)和應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

本文以2011～2014年魯?shù)榈卣饏^(qū)GPS連續(xù)觀測(cè)站點(diǎn)資料計(jì)算得到的站速度和應(yīng)變場(chǎng)為基礎(chǔ)，對(duì)魯?shù)镸S6.5地震前和震時(shí)的地殼變化進(jìn)行研究，探討地震形成及發(fā)生的應(yīng)變應(yīng)力演化特征。

1 計(jì)算模型

為研究與本次地震相關(guān)的水平位移場(chǎng)和應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)，選用 (24°～30°N，100°～106.5°E)范圍內(nèi)的GPS連續(xù)觀測(cè)站點(diǎn)速率，使用剛性-線彈性運(yùn)動(dòng)方程 (王琪等，2001)進(jìn)行擬合求解區(qū)域運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算水平位移場(chǎng)、應(yīng)變率和斷裂帶的活動(dòng)參量。

式 (1) 中的 ωx、ωy、ωz、A0、B0、C0、ξ1、ξ2、ξ3、ζ1、ζ2、ζ3是未知變量，其中前 3 個(gè)是地塊旋轉(zhuǎn)參數(shù)，后9個(gè)是應(yīng)變參數(shù)。方程右邊第1項(xiàng)為地塊整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第2～4項(xiàng)為地塊內(nèi)部連續(xù)變形。

筆者計(jì)算魯?shù)榈貐^(qū) (25.03°～30.07°N，100.03°～106.67°E)的GPS連續(xù)觀測(cè)站觀測(cè)資料不同時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)變率 (圖1)。

圖1 魯?shù)榈貐^(qū)的主要斷裂和GPS站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the main faults and GPSsites in the Ludian area

2 區(qū)域運(yùn)動(dòng)場(chǎng)

根據(jù)GPS連續(xù)觀測(cè)站的年速率使用剛性-線彈性運(yùn)動(dòng)方程分別擬合計(jì)算得到2011年、2012年、2013年和2013-08～2014-08年震前魯?shù)榈卣饏^(qū)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)圖像特征，可將4個(gè)時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)分為2011～2013年和2014年兩個(gè)演化時(shí)段 (圖2)。

2011～2013年的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)顯示出在26°N以北地區(qū)以北北西向分布的石棉—越西斷裂、德吉—?jiǎng)t覺(jué)斷裂、布拖斷裂和哈力洛—巧家斷裂為界分為東區(qū)和西區(qū)兩部分。西區(qū)總體上向南東方向位移，東區(qū)向北位移，顯示出位移場(chǎng)分區(qū)的邊界斷裂帶呈左旋走滑活動(dòng)。26°N以南的南區(qū)總體上向西位移。南區(qū)中的近南北向小江斷裂帶沒(méi)有成為位移場(chǎng)分區(qū)界線，斷層兩側(cè)位移速率無(wú)明顯差異，連續(xù)性好。

在26°N以北地區(qū)的西區(qū)，2011年運(yùn)動(dòng)速率為5.94 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹E136.8°;2012年運(yùn)動(dòng)速率為3.12 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?NE167.9°;2013年運(yùn)動(dòng)速率為3.50 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹E165.7°。前期運(yùn)動(dòng)速率相對(duì)較大，后兩期運(yùn)動(dòng)速率小于前期。后兩期運(yùn)動(dòng)方向向南偏轉(zhuǎn)。

在26°N以北地區(qū)的東區(qū)2011年運(yùn)動(dòng)速率為5.07 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹W350.1°;2012年運(yùn)動(dòng)速率為5.02 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹W338.1°;2013年運(yùn)動(dòng)速率為3.82 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹W328.7°。前兩期運(yùn)動(dòng)速率相對(duì)較大，后期減小。2011～2013年運(yùn)動(dòng)方向依次向西偏轉(zhuǎn)。

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)在26°N以北地區(qū)的東區(qū)和西區(qū)分界帶寬約100 km。

在26°N以南地區(qū)的南區(qū)2011年運(yùn)動(dòng)速率為6.06 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W258.3°;2012年運(yùn)動(dòng)速率為5.27 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W253.9°;2013年運(yùn)動(dòng)速率為5.33 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W264.1°。前期運(yùn)動(dòng)速率較大，后兩期速率有所減小。后期的運(yùn)動(dòng)方向有向西偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

2013-08～2014-08的位移場(chǎng)和前期相比，南區(qū)不復(fù)存在，運(yùn)動(dòng)區(qū)分為東西兩區(qū)。東西兩個(gè)位移區(qū)分界帶的北段大致和安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶位置吻合，南段在小江斷裂帶以東。西區(qū)位移矢量圍繞研究區(qū)西邊緣中段呈半圓形順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，東區(qū)總體上向北運(yùn)動(dòng)，分界帶仍然為左旋走滑，其中北段為擠壓—走滑，南段為拉張—走滑 (圖2 d)。分界帶寬約近100 km。西區(qū)運(yùn)動(dòng)速率為1.50 mm/a，東區(qū)運(yùn)動(dòng)速率為3.92 mm/a，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镹W351.2°。東區(qū)速率大于西區(qū)。

3 區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)

在平面二維應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)分析中，最小主應(yīng)變軸與最小應(yīng)力 (一般為壓應(yīng)力)主軸對(duì)應(yīng)一致，最大主應(yīng)變軸與最大應(yīng)力 (一般為張應(yīng)力)主軸對(duì)應(yīng)一致，應(yīng)變大小與應(yīng)力對(duì)應(yīng)成比例。所以主應(yīng)變大小反映了應(yīng)力作用強(qiáng)弱。研究區(qū)域主應(yīng)變可以了解區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)及其變化。2011年、2012年、2013年和2013-08～2014-08各時(shí)段魯?shù)榈貐^(qū)的主應(yīng)變場(chǎng)張壓性質(zhì)和應(yīng)變率大小呈現(xiàn)出一定的差別。在圖3中可看出，兩個(gè)水平主應(yīng)變軸是互相垂直的，一個(gè)應(yīng)變軸的兩個(gè)箭頭向內(nèi) (→←)表示擠壓，箭頭向外 (←→)表示拉張，箭桿的長(zhǎng)短表示應(yīng)變率大小。箭的展布方向表示應(yīng)力作用方向 (圖3)。

圖2 魯?shù)榈貐^(qū)地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(a)2011年;(b)2012年;(c)2013年;(d)2013-08～2014-08Fig.2 Crustal motion velocity field of Ludian area

2011年的魯?shù)榈貐^(qū)主應(yīng)變場(chǎng)大致以小江斷裂帶為界分為東西兩部分 (圖3a)。西區(qū)的最小主應(yīng)變軸呈北西向展布，平均為NW309°，西區(qū)的最小主應(yīng)變率西側(cè)較大，向東逐漸減小，平均為-51.86×10-9/a。西區(qū)的最大主應(yīng)變軸為北東向，平均為NE39°，最大主應(yīng)變率相對(duì)較小，平均為15.01×10-9/a。西區(qū)的最小主應(yīng)變率 (即絕對(duì)值)大于最大主應(yīng)變率，反映出壓應(yīng)力作用較強(qiáng)。分界斷裂帶以東區(qū)域的最大主應(yīng)變率相對(duì)較顯著，平均為24.32×10-9/a，最大主應(yīng)變軸在東區(qū)的北部呈北北東向展布，南部呈北東—北東東向展布，平均方向?yàn)镹E34°。東區(qū)的最小主應(yīng)變軸呈北西—北北西向展布，平均為NW304°，最小主應(yīng)變率較小，平均為-4.55×10-9/a。東區(qū)的最大主應(yīng)變率大于最小主應(yīng)變率，表明東區(qū)的北東—北東東向張應(yīng)力作用較強(qiáng)。

2012年的主應(yīng)變與前期的分區(qū)相似 (圖3b)，亦可分為東西兩個(gè)應(yīng)變區(qū)，分界帶亦在安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶附近。西區(qū)最小主應(yīng)變軸仍然呈北西向展布，平均為NW317°，最小主應(yīng)變率平均為-23.45×10-9/a，最大主應(yīng)變軸呈北東向展布，平均為NE46°，最大主應(yīng)變率平均為27.65×10-9/a，二者量值相差較小，最大主應(yīng)變率比前期有所增加。東區(qū)的北部最小主應(yīng)變軸呈近東西向展布，南部呈北西—北西西向展布。東區(qū)最小主應(yīng)變率平均為-19.97×10-9/a，最大主應(yīng)變率為13.50×10-9/a，最小主應(yīng)變率大于最大主應(yīng)變率。它們反映出東區(qū)的壓應(yīng)力作用相對(duì)較強(qiáng)。與2011年的主應(yīng)變率相比，東區(qū)的壓應(yīng)力作用亦明顯增強(qiáng)。

2013年應(yīng)變場(chǎng)與前期相似，分為東西兩個(gè)區(qū)域 (圖3c)。西區(qū)的最小主應(yīng)變軸繼續(xù)保持著北西向，最大主應(yīng)變軸為北東向。西區(qū)的最小主應(yīng)變率平均為-21.96×10-9/a，最大主應(yīng)變率南部相對(duì)較大，北部相對(duì)較小，平均為27.45×10-9/a。東區(qū)北部的最小主應(yīng)變軸為近東西向，最小主應(yīng)變率平均為-20.81×10-9/a，最大主應(yīng)變軸呈南北向，最大主應(yīng)變率平均為8.52×10-9/a，最小主應(yīng)變率大于最大主應(yīng)變率。東區(qū)南部的最小主應(yīng)變軸變?yōu)楸蔽飨?，最大主?yīng)變軸為北東向，最大主應(yīng)變率平均為17.39×10-9/a，最小主應(yīng)變率平均為-13.31×10-9/a，最大主應(yīng)變率大于最小主應(yīng)變率。

2013-08～2014-08主應(yīng)變場(chǎng)是臨近魯?shù)榈卣鹎暗淖兓?，分為兩部分，分界帶呈北東東向延伸 (圖3d)。西北部應(yīng)變區(qū)最小主應(yīng)變軸呈北西向展布，最小主應(yīng)變率為-24.39×10-9/a，最大主應(yīng)變軸呈北東向展布，最大主應(yīng)變率為19.98×10-9/a。東南部應(yīng)變區(qū)的最小主應(yīng)變率較小，為-0.87×10-9/a，最小主應(yīng)變軸方向距應(yīng)變區(qū)分界帶較近地帶呈北西—東西向，最小主應(yīng)變率為負(fù)值，在遠(yuǎn)處的東南部最小主應(yīng)變軸呈北東向展布，而且最小主應(yīng)變率變?yōu)檎?。東南部應(yīng)變區(qū)的最大主應(yīng)變率相對(duì)較大，為19.73×10-9/a，總體上最大主應(yīng)變軸也從分界帶向外由北東—南北向變?yōu)楸蔽飨颉?013-08～2014-08主應(yīng)變場(chǎng)的西北區(qū)最小主應(yīng)變率較大，且為壓性，東南區(qū)的最大主應(yīng)變率較大，并且為張性。它們反映出西北區(qū)壓應(yīng)力作用相對(duì)較明顯，應(yīng)力主軸展布方向穩(wěn)定，東南區(qū)張應(yīng)力作用相對(duì)明顯，應(yīng)力主軸展布方向變化較大。

上述研究表明，魯?shù)榈貐^(qū)的主應(yīng)變率變化可以分為2011～2013年和2014年兩個(gè)大的階段，前期呈現(xiàn)東西分區(qū)，后期呈現(xiàn)西北東南分區(qū)。西區(qū)最小主應(yīng)變軸呈北西向，不同時(shí)段變化較小，相對(duì)穩(wěn)定，東區(qū)變化相對(duì)較大。主應(yīng)變率在不同時(shí)段不同區(qū)域差別明顯。

圖3 魯?shù)榈貐^(qū)主應(yīng)變率場(chǎng)(a)2011年;(b)2012年;(c)2013年;(d)2013-08～2014-08Fig.3 Principal strain rate field of Ludian area

4 區(qū)域整體應(yīng)變率

魯?shù)榈貐^(qū)整體主應(yīng)變率 (表1)各時(shí)段變化表明，最小主應(yīng)變率 (E1)均為負(fù)值，屬壓性，最大主應(yīng)變率 (E2)均為正值，屬?gòu)埿?。研究區(qū)最小主應(yīng)變軸 (A1)為北西—南東向，最大主應(yīng)變軸 (A2)為北東—南西向，最小主應(yīng)變率和最大主應(yīng)變率接近，最大剪應(yīng)變率 (R)相對(duì)較大。它們反映出本區(qū)域總體同時(shí)受北西—南東向壓應(yīng)力作用和北東—南西向張應(yīng)力作用，區(qū)域剪切活動(dòng)較強(qiáng)。

表1 魯?shù)榈貐^(qū)主應(yīng)變率Tab.1 Principal strain rate in Ludian area

5 斷裂帶應(yīng)變率

圖4和表2是不同時(shí)間段安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶、昭通—魯?shù)閿嗔褞У闹鲬?yīng)變率。

2011年以來(lái)安寧河斷裂帶的壓應(yīng)變主軸均為北西西向，張應(yīng)變主軸均為北北東向，反映出安寧河斷裂帶主要受北西向壓應(yīng)力和北東向張應(yīng)力作用。安寧河斷裂帶近南北走向，壓應(yīng)力主軸與斷裂帶走向交角較大，張應(yīng)力主軸與斷裂帶交角較小，而且多數(shù)時(shí)間段壓應(yīng)變率大于張應(yīng)變率，斷裂帶主要為左旋壓扭性活動(dòng)。

則木河斷裂帶北西走向，各個(gè)時(shí)段的壓應(yīng)變主軸亦呈北西西向，張應(yīng)變主軸為北北東向，說(shuō)明則木河斷裂帶也主要受北西向壓應(yīng)力和北東向張應(yīng)力作用。壓應(yīng)變主軸與斷裂帶交角較小，張應(yīng)力主軸與斷裂帶交角較大，壓應(yīng)變率在多數(shù)時(shí)間段小于張應(yīng)變率，表明斷裂帶以左旋張扭性活動(dòng)為主。

小江斷裂帶南北走向，各個(gè)時(shí)段的壓應(yīng)變主軸跟安寧河斷裂帶與則木河斷裂帶的大致相同，為北西向，張應(yīng)變主軸為北東向，它們均與斷裂走向斜交，而且兩個(gè)主應(yīng)變軸與斷裂走向的夾角大致相等。因此在兩個(gè)主應(yīng)變軸對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作用下，斷裂帶表現(xiàn)為走滑活動(dòng)。2011～2013年壓應(yīng)變率逐漸減小，張應(yīng)變率在2012～2013年相對(duì)較大，在2011年和2013-08～2014-08時(shí)間段略小，但是在2011年和2013-08～2014-08的差別不大。同時(shí)段的壓應(yīng)變率和張應(yīng)變率比較，則2012的量值差別較小，2013-08～2014-08的量值差別明顯，張應(yīng)變率相對(duì)較大。總體說(shuō)明該斷裂帶以張扭活動(dòng)為主。

昭通—魯?shù)閿嗔褞П睎|走向，它對(duì)魯?shù)镸S6.5地震起了控制作用。其上2011～2014-08的壓應(yīng)變主軸均為北西向，與斷裂走向近于垂直，反映出斷裂主要受壓應(yīng)力作用。斷裂的壓應(yīng)變率與張應(yīng)變率相比，2011～2013年壓應(yīng)變率相對(duì)較大，2013-08～2014-08壓應(yīng)變率較小，張應(yīng)變率相對(duì)較大。對(duì)于魯?shù)榈卣饋?lái)說(shuō)，2011～2013年壓應(yīng)變率對(duì)地震孕育起了主要作用，2013-08～2014-08壓應(yīng)變率較小，張應(yīng)變率增加，對(duì)于地震起觸發(fā)作用。

表2 斷裂帶的主應(yīng)變率Tab.2 Principal strain rate of fault zone

圖4 2011年 (a)、2012年 (b)、2013年 (c)、2013-08-2014-08(d)研究區(qū)斷層主應(yīng)變率Fig.4 Principal strain rate field of Ludian area in 2011(a)，2012(b)，2013(c)，2013-08～2014-08(d)

6 震中區(qū)應(yīng)變

2014年魯?shù)镸S6.5地震的震源應(yīng)力P軸為299°/∠2°，T 軸 為 30°/∠6°， 節(jié) 面 Ⅰ 產(chǎn) 狀:NE74°/∠84°/∠177°(走向/傾角/滑動(dòng)角)，節(jié)面Ⅱ產(chǎn)狀:NE165°/∠87°/∠6°，地震為走滑型。震中區(qū)2011年主壓應(yīng)變率為 -27.39×10-9/a，2012年和 2013年分別為 -17.63×10-9/a、-17.03×10-9/a。2011～2013年的主壓應(yīng)變軸為NW306.8°～310.9°。震中區(qū)2011～2013年的張應(yīng)變主軸為 NE36.8°～40.9°，主張應(yīng)變率17.02～18.05×10-9/a。2013-08～2014-08主壓應(yīng)變率為-5.93×10-9/a，主壓應(yīng)變軸為NW301.3°，主張應(yīng)變率為 16.19×10-9/a，張應(yīng)變主軸為NE31.3°。它們說(shuō)明震中區(qū)前期的壓應(yīng)力相對(duì)較大，臨近地震時(shí)張應(yīng)力相對(duì)明顯。震源應(yīng)力P軸與主壓應(yīng)變軸方向接近，地震斷層節(jié)面與主壓應(yīng)變軸和主張應(yīng)變軸對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力作用下產(chǎn)生的最大剪切方向相近。

7 結(jié)論與討論

(1)2011～2013年魯?shù)榈卣饏^(qū)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的位移矢量基本相同，均可分為西區(qū)、東區(qū)和南區(qū)。南區(qū)向西運(yùn)動(dòng)，西區(qū)向南東運(yùn)動(dòng)，東區(qū)向北運(yùn)動(dòng)。東西兩區(qū)分界帶與石棉—德吉—布拖斷裂—巧家斷裂帶的位置大體一致，顯示左旋走滑。東區(qū)和西區(qū)與南區(qū)的分界帶不與構(gòu)造復(fù)合。2014年的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)分為東西兩個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)，西區(qū)仍然向南運(yùn)動(dòng)，東區(qū)向北運(yùn)動(dòng)，分界帶北段與前期的重合，南段是北段的延伸，它亦呈左旋走滑。位移場(chǎng)分界帶是形變異常帶，與地應(yīng)力變化和地震孕育有關(guān)。

2011～2013年南區(qū)對(duì)北部東西兩區(qū)分界帶斷裂運(yùn)動(dòng)起了阻礙作用，這對(duì)魯?shù)榈卣鸬哪芰糠e累起了一定的作用。2014年?yáng)|西兩區(qū)分區(qū)帶貫穿南北，突破前期南部的阻礙，對(duì)魯?shù)榈卣鸢l(fā)生可能有觸發(fā)作用。

(2)2011～2013年魯?shù)榈卣饏^(qū)的主應(yīng)變軸反映出西區(qū)的壓應(yīng)力主方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，張應(yīng)力主方向?yàn)楸睎|—南西向，主壓應(yīng)力和主張應(yīng)力都相對(duì)較大;同時(shí)期東區(qū)的北部壓應(yīng)力主方向?yàn)闁|西向，中南部為北西—南東向，張應(yīng)力主方向北部為南北向，中南部為北東—南西向。2014年西北區(qū)的壓應(yīng)力主方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，東南區(qū)為東西向至北西—南東向，而且有向震中收斂的趨勢(shì)。2014年西北區(qū)的主壓應(yīng)力和主張應(yīng)力相差較小，東南區(qū)以主張應(yīng)力為主導(dǎo)。魯?shù)檎鹬衅跂|區(qū)，東區(qū)前期的主壓應(yīng)力相對(duì)較大，對(duì)地震孕育有利，后期主張應(yīng)力增加，對(duì)地震發(fā)生有利。

(3)斷裂帶的主應(yīng)變軸和主應(yīng)變率揭示出，安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶主要受北西—南東向主壓應(yīng)力和北東—南西向主張應(yīng)力作用，其活動(dòng)性為左旋走滑。昭通—魯?shù)閿嗔褞艽怪庇跀嗔训闹鲏簯?yīng)力作用和平行于斷裂的主張應(yīng)力作用，斷裂主要表現(xiàn)為擠壓活動(dòng)。

(4)魯?shù)镸S6.5地震震中的主應(yīng)變揭示出，2011～2014年壓應(yīng)力主軸為301°～310.9°，張應(yīng)力主軸為31°～40.9°。地震斷層節(jié)面與最大剪應(yīng)力作用方向基本一致?？刂频卣鹪杏谋睎|向昭通—魯?shù)閿嗔褞?011～2013年壓性活動(dòng)明顯，有利于地震形成，2014年壓性減弱，張性增加，有利于地震發(fā)生 (李延興等，2007;張培震等，2008)。

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