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地球物理学报 2018年第05期杂志 文档列表

地球物理学报杂志综述

汶川地震和九寨沟地震断层作用及动力学过程研究进展——纪念汶川地震十周年1653-1665

摘要：2008年5月12日汶川地震（M_S8.0）发生后,各部门组织开展了一系列汶川地震相关的地学研究,包括国家科技专项＂汶川地震断裂带科学钻探＂项目.经过十年的持续探究,在地震地质、震源物理、地震实验、地震动力学、深部地球物理和长期监测等方面研究取得了一系列重大突破与重要成果.在汶川地震十周年之际,《地球物理学报》集中在2018年第5期刊发39篇文章作为汶川地震十周年专辑,专辑涵盖了汶川地震和九寨沟地震断层作用与动力学过程以及相关领域的一批最新研究成果.这些工作涉及汶川地震断层作用、地震参数及地震动力学数值模拟、汶川地震前地震活动性与多参数异常、晚第四纪构造与地震活动及其地表作用、青藏高原东部壳幔结构与龙门山断裂带深部构造和九寨沟地震等六方面的研究.本文将从这六个研究方向简要介绍收入本专辑论文的研究工作,呈现地震断层作用及动力学过程等研究成果,为深入认识大地震孕育和发生过程提供重要的基础.

地球物理学报杂志汶川地震断裂作用

世界上最快回应大地震的汶川地震断裂带科学钻探1666-1679

摘要：2008年5月12日汶川大地震之后,在青藏高原东缘龙门山地区实施了汶川地震断裂带科学钻探,这是目前世界上最快回应大地震的科学钻探,为地学家探索地震成因机制提供了极好的机遇.汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）沿产生同震地表破裂的两条断裂带——龙门山的映秀—北川断裂和灌县—安县断裂共实施了6口科学群钻.其目标在于对钻孔的岩心、岩屑和流体样品进行多学科观察、测试和研究,揭示汶川地震断裂带的深部物质组成、结构、产出以及构造属性;探索地震过程中的岩石物理和化学行为、能量状态与破裂演化过程;认识汶川地震发生的应力环境、巨大的地震破裂产生及传播原因、地下流体在地震的孕育、发生、停止过程中的作用,从而检验和深入理解地震断裂发震机理.目前,汶川科钻项目已取得的部分重要成果如下：（1）查明了汶川地震断裂带结构、组成;（2）揭示了汶川地震过程中＂热增压＂为重要断裂弱化机制,提出断裂带内石墨可作为判断大地震发生的标志;（3）发现目前世界上最低的断层摩擦系数,并首次记录到大震后断裂带快速愈合信息;（4）重建龙门山的构造格架,提出汶川大地震发生的新的成因模式;（5）通过对汶川地震余震的精确定位、钻孔附近的地震台阵观测,确定了地震活动与龙门山断裂带不同区段的空间关系;揭示断裂带深部流体特征与地震活动的关系,为确定大震孕育过程提供深部流体活动行为的科学依据.

汶川地震断裂带滑移行为、物理性质及其大地震活动性——来自汶川地震断裂带科学钻探的证据1680-1697

摘要：断裂带物质组成、结构及其物理性质是理解断裂变形机制和地震破裂过程的基础和关键,断裂带地震（黏滑）和非地震（蠕滑）滑移行为不仅对了解地震活动性和山脉隆升过程具有重要意义,而且直接为防震减灾提供科学依据.我们以穿过龙门山映秀—北川和灌县—安县断裂带的汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）岩心和地表出露的断裂带为研究对象,通过对断裂岩组成、结构、显微构造和钻孔物性测井数据进行分析研究,确定了龙门山逆冲断裂带滑移行为和物性特征,初步探讨了大地震活动性和有关断裂带的隆升作用：（1）映秀—北川断裂带倾向NW,浅部倾角~65°,发育的断裂岩厚约180~280m,由碎裂岩、假玄武玻璃（地震化石）、断层泥和断层角砾岩组成.断裂带具有高自然伽马、高磁化率值、低电阻率、低波速等物理性质以及对称型破碎结构.断层泥普遍具有摩擦热效应的高磁化率值和石墨化作用特征,是古地震滑动的岩石记录.表明映秀—北川断裂带为经常发生大地震的断裂带,晚新生代以来类似汶川地震的大地震复发周期小于6000—10000年,具有千年复发周期特征.（2）灌县—安县断裂带倾向NW,浅部倾角~38°,发育的断裂岩厚约40~50 m,仅由断层泥和断层角砾岩组成,具有典型的＂压溶＂结构,表现出蠕滑性质.除压溶作用外,定向富集的层状黏土矿物和微孔隙的发育使断层强度变弱.断裂带具上盘破碎的非对称型破碎结构,除具低磁化率值特征外,其他物性与映秀—北川断裂带一致.（3）根据断裂岩厚度与断层滑移量相关经验公式关系,以及断层产状,粗略估算映秀—北川断裂带自中生代以来累积垂直位移量大于9km,灌县—安县断裂带累积垂直位移量小于3km.映秀—北川断裂带长期大地震产生的累积垂直位移量是龙门山隆升的主要贡献.

龙门山断裂带假玄武玻璃特征及断层弱化机制的探讨1698-1714

摘要：与断层相关的假玄武玻璃被认为是地震化石,记录了地震发生过程和断裂机制的重要信息,对认识断层地震活动性具有重要意义.本文综合地表露头及汶川科钻（WFSD-1、WFSD-2）岩心研究,对映秀—北川断裂带南段彭灌杂岩中发育的假玄武玻璃进行详细的结构、构造及矿物成分分析.这些假玄武玻璃以断层脉和单个/网状贯入脉的形式产出,厚度由几毫米到数十厘米不等,与碎裂岩和超碎裂岩相伴生.显微结构观察发现假玄武玻璃中发育大量熔融特征构造,如港湾状熔蚀边、蜂窝状气孔构造、黏滞性流动构造以及针状、球粒状、羽状、纤维状、粒状等多种形态的微晶及微晶集合体,表明其为断层滑动摩擦熔融的产物,指示摩擦熔融润滑是断层滑动过程中最主要的弱化机制.同时热增压和机械润滑机制可能存在于断层滑动的不同阶段.此外,从野外和显微镜下都观察到假玄武玻璃脉具有浅灰、深灰、浅褐、棕褐色及黑色等不同的颜色,可能代表着不同程度的脱玻化作用,并且不同颜色有相互穿插交切关系,可能指示存在多期假玄武玻璃,也就是说,产生假玄武玻璃的大地震事件沿映秀—北川断裂带重复发生.最近的研究认为这些假玄武玻璃形成于晚三叠世时期地下~10—15km深度.结合须家河组地层中发育的厚层断层泥和角砾岩,~180—280m宽的映秀—北川断裂岩带是断裂长期活动演化的产物.作为龙门山地区最陡峭的地形边界,映秀—北川断裂带长期地震活动造成的地壳缩短加厚可能是龙门山快速隆升的主要原因.

龙门山断裂带大地震孕震环境的岩石磁学证据1715-1727

摘要：地震断裂带的孕震环境对于研究地震的发生至关重要.本文以汶川地震断裂带科学钻探2号（WFSD-2）钻孔岩心中的假玄武玻璃、碎裂岩及其围岩为研究对象,通过岩石磁学测试,并结合显微结构观察探讨龙门山断裂带大地震的孕震环境.WFSD-2岩心碎裂岩中的假玄武玻璃是龙门山断裂带曾经发生过大地震活动的岩石学证据,假玄武玻璃具有高磁化率特征,而碎裂岩的磁化率值与围岩相似,假玄武玻璃中的新生磁铁矿是其高磁化率值异常的重要原因之一.假玄武玻璃中较少量的新生磁铁矿暗示了假玄武玻璃的生成环境为含氧量较低的高温还原环境.大地震断裂的摩擦热是改变龙门山断裂带中假玄武玻璃岩石磁学特征的主导因素,流体作用较弱.无高磁化率异常的碎裂岩经历的温度小于300℃,推测假玄武玻璃的生成深度较深.WFSD-2岩心中20余层假玄武玻璃脉体证明映秀—北川断裂带是一条长期活跃的断裂带,龙门山断裂带上曾经发生了多次大地震断裂活动,这些大地震可能发生在深度较大、流体作用较弱的还原性孕震环境中.

高温高压条件下彭灌杂岩的强度对汶川地震发震机制的启示1728-1740

摘要：采用汶川地震震源区彭灌杂岩中代表性细粒花岗岩样品,在固体围压介质三轴实验系统上开展了高温高压流变实验研究.实验的温度和压力条件按照龙门山断层带5~30km深度对应的温度和压力（静岩压）设定.利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察.实验结果表明,实验样品在10~20km深度都具有很高的强度,彭灌杂岩在该深度处于脆性破裂-脆塑性转化域,而在20~30km实验样品强度显著降低,彭灌杂岩进入塑性流变域,这与流变结构中的极限强度很接近.以花岗岩为代表的彭灌杂岩的破裂强度决定了中上地壳的强度,在15~20km深度不仅强度达到最大值,而且控制了断层不稳定滑动,具备地震成核条件.因此,把彭灌杂岩强度随深度变化规律与流变结构和滑动稳定性参数（a-b）结合起来得出,彭灌杂岩在15~20km的高强度是汶川地震的孕育和发生的必要条件.

龙门山断裂带金河磷矿剖面断层泥的低速至高速摩擦性质研究1741-1757

摘要：本文对龙门山断裂带金河磷矿浅钻岩芯中的三种断层泥开展了低速到高速摩擦滑动的实验研究,并对实验变形样品开展了BET比表面积研究.摩擦实验在干燥和孔隙水压条件下开展,速率范围涵盖20μm·s~（-1）~1.4m·s~（-1）.实验结果显示,三种断层泥在干燥条件下的摩擦性质差别不大,但在孔隙水压条件下,三者的中低速摩擦强度与层状硅酸盐矿物的种类而非总含量紧密相关,蒙脱石和伊利石相比绿泥石更能有效地弱化断层.三种断层泥在孔隙水压条件下存在中低速率域的速度强化,暗示着对断层的加速滑动存在一定的阻碍作用.孔隙水压下,黄绿色和灰绿色断层泥的初始动态弱化非常迅速并伴随断层泥层的瞬时扩容,凹凸体急剧加热导致的局部热压作用可能是造成这种力学行为的物理机制.在经历高速滑动之后,三种断层泥在干、湿条件下的BET比表面积都显著降低,暗示着可能发生了颗粒烧结.中低速域内,孔隙水的存在使得断层泥呈现分散式的剪切变形,BET比表面积的增加因此比干燥条件下更加明显.对表面能的估算表明,颗粒磨碎所消耗的能量至多不超过摩擦力做功的8%,暗示着断层作用中颗粒磨碎所占的能量比例较低.

汶川地震断裂带水岩相互作用及其对断裂带演化影响1758-1770

摘要：汶川地震断层岩的矿物学和地球化学特征揭示出地震断层经历了漫长时间演化和复杂的水岩相互作用.间震期水岩相互作用导致断层岩中的破碎矿物蚀变,尤其是长石等矿物含量渐渐减少甚至消失,而黏土矿物（蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层、绿泥石等）含量逐渐增高,以及如黄铁矿、石膏、重晶石、坡缕石等热液系统中常见的矿物大量出现;Mg、P、Ti、Mn、Fe等元素倾向富集在断层带中,而Si、K和Na等出现明显的亏损;元素的大量迁移导致断层带的体积巨量亏损.实验结果表明,黏土矿物的亲水性引起水渗透率比干燥气体渗透率明显偏低,并且二者偏差无法通过Klinkenberg校正消除.蒙脱石吸水膨胀和黏土矿物颗粒表面吸附孔隙流体造成孔隙度降低是导致水渗透率偏低的重要原因.断层岩碎屑结构使得其中的孔隙可能在600MPa围压下得以保存,从而有助于流体沿断层带下渗,并在断层带深部形成高流体孔隙压.地震断层的主要矿物学及粒度分布特征并非在地震破裂过程中形成,因此利用断层岩粒度分布资料估算地震破裂能并不合适.

汶川地震科学钻探2号孔（WFSD-2）随钻泥浆氢和汞浓度与断裂构造关系1771-1781

摘要：以WFSD-2钻孔为研究对象,分析了随钻泥浆氢（H_2）和汞（Hg）浓度特征,在垂向上存在显著不均匀性,出现多段浓度异常高值.研究表明：（1）H_2和Hg浓度异常与次级断裂和岩石构造性质有较大关系,以断裂带或破碎带为通道运移而产生高值异常;（2）随钻泥浆H_2和Hg浓度特征暗示了汶川地震WFSD-2孔中主滑移带位置,表明随钻流体特征是识别地下裂隙带、破碎带或断裂带的途径之一;（3）H_2和Hg浓度异常还可能与构造块体边界强震活动和断裂带近场中等地震活动有关.本文研究结果为分析大震过程中深部流体活动行为提供了H_2和Hg地球化学特征依据,对地震前兆机理研究也具有重要的参考价值.

龙门山灌县—安县断裂带断层泥低磁化率的矿物、化学响应和蠕滑作用环境1782-1796

摘要：断层带内的流体不仅可以通过水岩反应改变断裂岩的矿物组成和化学成分,从而导致化学性质和物理性质的变化,而且可以影响或控制断裂带的变形行为.断裂带中岩石磁学特征是由特定化学环境下磁性矿物的种类和含量所决定的,因此,从矿物学和地球化学角度探讨断裂岩的磁性变化,对揭示断层的变形行为和环境具有一定的指示作用.本文以汶川科钻WFSD-3P钻孔中龙门山灌县—安县断裂带断裂岩为研究对象,运用高分辨率磁化率测试、XRD矿物成分半定量分析、XRF元素扫描以及不同价态Fe元素含量分析等多种方法开展断层磁学变化和变形环境的研究.磁化率测试结果表明灌县—安县断裂带断层泥的磁化率值普遍低于对应的围岩磁化率平均值.结合前人研究成果表明造成该断层泥低磁化率异常的原因是在间震期的长期流体作用下,铁磁性矿物（例如磁铁矿）转变成顺磁性矿物（铁硫化物、菱铁矿或含铁的黏土矿物）.新生铁硫化物和含铁黏土矿物是在间震期缓慢形成的,而黏土矿物含量的增加弱化了断层强度,促进断层蠕滑,这说明断层泥低磁化率异常可能指示了该断裂在间震期长期缓慢活动,即为蠕滑变形.断层泥中黄铁矿的发育和高Fe~（2＋）和S元素、低Fe~（3＋）的特征显示灌县—安县断裂作用环境通常是在低温、还原环境中进行的.这些结果与低磁化率值的相关性暗示断层泥低磁化率异常可能对活动断层的低温还原环境具有指示意义.

地球物理学报杂志地震参数及地震动力学数值模拟

基于台网目录分析研究汶川8.0级地震余震时空分布特征1797-1805

摘要：2008年5月12日汶川MS8.0地震主震发生后至2012年5月12日,我国地震台网在龙门山断裂区域内（102°E—105°E,30°N—34°N）共记录93837个地震事件,其中80995次事件含有深度信息.本文以台网地震目录为主要研究对象,分析了汶川地震余震序列的时空分布与演化特征.与构造活动密切相关的余震频次-震级关系变化显示,与主震断裂活动直接相关的余震活动在主震后4个月内基本结束.余震释放能量的空间分布及演化分析显示,在主震后6～24h即有可能捕获未来余震区的大致展布乃至余震发展趋势.

高频GPS和强震仪数据在汶川地震参数快速确定中的初步应用1806-1816

摘要：高频GPS可以实时获取地表位移数据,在地震学中有十分重要的现实应用,比如快速获取震中、震级、地震烈度甚至震源破裂过程.本文以汶川地震为例,首先利用近场7个GPS台站数据反演震中位置,由于高频GPS和测震学确认的震相不一致,两种震中结果相距约15.7km.然后对高频GPS和强震动数据进行了比较分析,我们的统计结果表明,尽管由于工作原理不同,高频GPS数据中的地震动峰值与强震记录相比存在明显差异,但是高频GPS记录的PGA、PGV和PGD同样可以作为计算地震烈度的指标.进而,使用SMBLOC程序对强震记录进行事后的基线偏移校正,得到与实时高频GPS精度相当的地表位移序列.最后,采用移动平均窗口对这些位移数据作平滑,基于最速下降法和OKADA模型,对汶川地震断层破裂的过程进行了回溯性准实时反演.结果表明,汶川地震主断层由西南向东北方向破裂,以14∶28∶04为基准,在震后20s提供初始震级MW7.0,震后70s震级稳定在MW7.8,但断层仍在破裂,在震后159s根据位移波形判断事件基本结束.研究表明,实时地表位移数据可以快速准确获取强震震级和破裂方向,从而使得高频GPS将对现有地震预警系统提供很好的补充.

龙门山断裂带形成过程及其地应力状态模拟1817-1823

摘要：以龙门山附近区域运动特征以及深部岩体力学特性为基本条件,采用FLAC模拟软件计算模拟分析了龙门山断裂形成过程和塑性区分布的几何特征.研究结果认为：汶川—茂县断裂F1、映秀—北川断裂F2和灌县—安县断裂F3是从中部开始发育,塑性区上侧逐渐发展至地表;F1断层首先出现,以后才依次形成F2和F3断层.这些塑性区的发育方向与水平面的夹角大致呈40°左右,并出现了各自的共轭断层,与实际的龙门山断裂大致吻合,说明区域构造运动是龙门山断层产生的主因.论文还揭示了区域构造运动过程中区块内主应力的变化规律,主要分为2个阶段,一是在区块挤压初期,主应力随着区块位移量的增大而增大;二是主应力相对稳定阶段,区块岩体内的主应力保持相对稳定的状态,达到临界破坏岩体的最大最小主应力比值一般介于3.31~4.39.

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究1824-1839

摘要：在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识：（1）铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.（2）龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.（3）在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.（4）地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.（5）应变能密度增量的演化图像分为：震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.（6）地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.

青藏高原东缘地震活动与居里点深度之间的相关性1840-1852

摘要：本文选取不同的地壳速度分区模型,应用双差定位法对2008—2017年发生在青藏高原东缘的地震进行了重新定位,共得到4921个精确定位结果.重定位后的地震更加集中分布于龙门山断裂带、鲜水河断裂以及四川盆地南缘,震源深度多为5~20km.根据NGDC-720地磁场模型计算了青藏高原东缘的三分量磁异常及其梯度张量,重定位后的大多数地震位于负磁异常区域以及四川盆地西南缘的强-弱磁异常边界.基于三维分形磁化模型获得了青藏高原东缘的居里点深度,并计算了磁性层的平均地温梯度,进而利用一维稳态热传导方程获得了其地壳温度结构.结果显示青藏高原东缘大多数地震均发生在居里点深度较大、地温梯度较低的区域.大多数M≥2.0地震震源区温度为100~500℃,M≥4.0地震震源区温度多为200~400℃.2008年汶川M_S8.0、2013岷县M_S6.6、2014年鲁甸M_S6.5以及2017九寨沟M_S7.0地震震源区温度均为300℃左右,而2013年芦山M_S7.0地震震源区温度接近约400℃,更多地受控于龙门山断裂带与鲜水河断裂交汇处的局部构造应力场异常.

考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟1853-1862

摘要：2008年5月12日四川汶川地区发生MW7.9地震,震中位置103.4°E,31.06°N.这次地震造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域建筑物的严重破坏和人员的重大伤亡,且因为高山等地形复杂区域抢险救灾的艰巨性,为及时救援造成很大干扰.为更好理解地形因素对于强地面数值模拟结果的影响,建立了包含地形起伏影响及去除地形影响的两类模型.同时,依据震源破裂过程运动学反演结果,建立了包含障碍体破裂过程的震源滑动模型,实现断层分段、空间倾角以及滑移角的动态设定.基于动力学的地震动模拟方法,通过对地震波传播过程的数值计算和后处理分析,模拟由地震激发的区域强地面运动过程.结果显示：（1）强震动台站的断层距对地形效应具有放大或抑制作用,距离断层破裂带越近,地形效应越明显,反之,距离越远,则地形效应越微弱;（2）因为地形高差与障碍体的影响,地震造成的峰值可能出现在震中区域之外;（3）考虑地形影响模型的地表峰值速度（PGV）区域位于汶川与北川附近;而未考虑地形影响模型的PGV区域位于灌县—江油断层的后半段,处清平、安县附近;对汶川地震近实时强地面运动波场的模拟、峰值图谱的圈定及未来大地震强地面运动特征的预测都有重要指示意义.

2008年汶川大地震中北川地区极重震害的物理机制研究1863-1873

摘要：2008年汶川特大地震中北川地区受灾特别严重,而该地区远离汶川主震震中超过100多千米.尽管汶川地震发生已近10年,但这种不正常现象一直困扰着地学工作者,至今没有给出合理的解答.为此,本文利用有限单元方法模拟汶川地震的主要发震断裂带（即：映秀—北川断层）的自发破裂动力学过程.模型中,几乎平直的映秀—北川断裂带在高川地区发生拐折,形成高川右弯.模拟结果显示,破裂沿着映秀—北川断裂带向东北方向前行,当破裂前端到达高川右弯时,破裂形态发生剧烈变化,破裂传播速度由亚剪切破裂突然转化为超剪切破裂.与断层阶区促进超剪切破裂明显不同的是,这种超剪切破裂形态的转化不需要时间停顿.由于超剪切地震破裂的产生,破裂辐射的地震波发生相长干涉,形成马赫波,地震动被大大放大.计算给出的强地面运动峰值加速度在北川地区不仅数值高,而且高值区分布范围广,造成了北川地区的震害特别严重.模拟结果还表明,若高川右弯不存在（即映秀—北川断层面为平直）,则北川地区的断层不会形成超剪切破裂;如果高川右弯附近断层的不连续程度较大,则破裂会被终止;这些情况下,北川地区的震害都没有那么严重.所以,高川右弯的几何形状对于超剪切破裂的形成起着决定性作用,也是造成远离震中的北川地区震害特别严重的主要原因.因此,分析发震断层几何对于研究震源动力学过程及震害评估等有着非常重要的科学意义和实际应用价值.

地球物理学报杂志汶川地震前地震活动性和多参数异常分析

汶川地震前的b值变化1874-1882

摘要：Gutenberg-Richter定理给出了地震频度随震级的分布特征.大量研究表明频度-震级关系的斜率（b值）在大地震孕育的过程中会出现减小.为了考察b值在汶川地震孕育过程中的时间演化特征,本文尝试基于破裂断层选取研究区域,考察了2000年1月至2008年4月间,汶川地震（MS8.0）破裂区的地震活动性,并对该区域b值的变化进行了探讨.结果表明,在2005年中至2006年底,地震月频度及季度频度有一个较明显的下降.b值从2002年始至地震前呈现出一个长期趋势性减小;在地震前约半年,出现快速、显著的下降.b值的这一时间变化特征与其他研究者报道的日本东北MW9.0级地震前的b值变化特征具有很高相似性,可能反映了大地震准备过程中的应力变化.以上结果有益于认识和理解大地震孕育演化过程,同时也表明b值在中长期地震灾害评估中具有潜在价值.