忆王仁教授地震科研二、三事

2021-10-14

欧阳祖熙

  我认识王仁教授是在上世纪七十年代初期,他带领几位北大地质系的老师来到李四光先生亲手组建的地质部地震地质大队(后更名为中国地震局地壳应力研究所)开办“地质力学基础培训班”的时候。那时,地震地质大队位于河北省三河县城郊,条件十分艰苦。王仁教授大约是50开外的年纪,中等身材,头发略显灰白,经常可以看到他身着灰色的中山装,面带微笑走在队里碎石铺就的路上。

  地震地质大队是新组建起来的,从全国有关单位、各大学调配来的人员专业类别很多。比如我自己就是1966年毕业于四川大学无线电物理专业的,由于当年发生邢台地震,周总理亲临地震灾区指挥抗震救灾工作,并要求地质部李四光部长组建了我国第一支从事地震预报研究的专业队伍地质部地震地质大队,我因为对探索地震预报的热情和兴趣,于1968年分配到了地震地质大队。

  因为相当一部分学员缺乏地质与力学基础知识,这给教学自然会带来一些困难。但是,听王仁教授讲课,我感觉既深入浅出,又生动形象。记得有次讲授关于岩石变形的课程,在介绍了地壳岩石的分类与特点之后,王仁教授从兜里拿出一块类似橡皮泥的东西,在两手摆弄下,长条状的橡皮泥可以发生伸长,弯曲和扭转变形,表示在长期的地质年代里,岩石在一定的构造应力作用下可能发生明显的塑性变形,帮助我们理解地壳各种构造与地貌形态。接下来,王仁教授把橡皮泥团成一个小球,迅速掷向讲台,只见橡皮泥球突然变得像乒乓球一样从桌面蹦起来,竟然撞到天花板又弹回到地面。这个实验生动地说明了岩石在外力短时间作用下显示出的弹性性能,如同地震时产生的地震波、地壳岩石变形及断裂等现象那样。

  王仁教授十分重视李四光先生创建的地质力学学说,为了将力学与地质学结合的研究向前推进,他深入野外地质考察、开办培训班和编写《固体力学基础》讲义,培养了一批能够将地质学与力学结合起来开展研究的人员,极大地推动了地质力学的发展。

  1977年,我主持的“高精度分量式钻孔应变仪”项目列入国家重点仪器研制计划,在对国内外传感器与地球物理观测研究进行了半年多全面调研之后,确定了电容位移传感器作为攻关目标。经过八年的艰苦研究,从钻孔观测理论、井下高精度电容位移传感器的设计与实验,以及基于变压器电桥的精密测量仪器的研制,到1985年全面完成研制计划,达到各项技术指标。同年12月,国家地震局组织了隆重的验收鉴定会,评价为“研制的RZB型分量式钻孔应变仪具有四分量,应变灵敏度达1x10-10,可以测得地壳平面应力场,达到国际先进水平”。

  记得1982年中我在剑桥大学地球科学系将我们在北京温泉台站观测得到的应变固体潮、地震波、震时应变阶的资料介绍给布拉德实验室的同行们时,这个源于中国的首创曾引起不小震动。其后在澳大利亚、日本也跟进了该项目的研究。美国于20世纪初启动的PBO板块边缘研究计划,在综合地震试验台站的建设中,钻孔应变仪成为了主要的观测手段。

  特别值得回忆的是1985年仪器鉴定时,我们考虑到即将面临如何组成钻孔应变仪观测台网,以便更好地用于构造应力场的观测研究,更好地开展地震预报前兆监测,很自然地就想到了王仁教授,便特邀他加入鉴定委员会,王仁教授在百忙之中到会。在听取了我们关于项目研制过程,和高精度分量式钻孔应变仪的性能指标,以及在新疆、四川、北京等地实验站取得的观测数据后,他谈了自己的希望和意见。

  首先,可集中力量,选择在地震危险区布网,再逐步扩大试验。

  其次,观测台站应选择建在有代表性的构造应力场活动位置,这些部位往往也是应力场活动较为灵敏的地方,有利于观察到地震前兆异常。

  最后,关于钻孔测量模型,他称赞我们建立的将钻孔岩体和测量探头用水泥固结实现焊接连接的力学模型,在四分量测量的基础上,我们实现了地壳平面应力场的反演,但他提醒我们鉴于地质情况的复杂,有时反演的结果并不唯一。

  此后在国家地震局的部署支持下,我们在西部多震区建设的新疆、甘肃、四川台网取得了预报研究和实践的积极成果,尤其是在新疆以1987年1月24日乌什6.4级地震预报的成功为序幕,在深入研究重复出现的地震前兆异常特征的基础上,使该区地震预报成功率有了显著提高。

  大庆油田经过十多年注水采油后,已达到年产5500万吨原油,在国家经济建设中做出了很大的贡献。记得当时大庆曾提出过一个响亮的口号“要敢于早期注水采油!”,“要敢于加大压力注水采油!”由于多年来向油田地层大量注水,八十年代初期大庆油田便出现多处局部地层失稳的现象,导致每年500多口油井损坏,原油减产近5%,引起国务院的高度重视。

  “大庆油田成片套损机理及防治研究”遂立项作为石油部同国家地震局的部际合作研究项目,我是该项目地震局团队的负责人。

  大庆当时有约十个采油厂,采油二厂是年产原油上千万吨的世界级大油田,每年因区域地层变形失稳导致100多口油井损坏。经过对大庆地层仔细分析发现,大庆地下近壹千米处普遍存在一个称之为“标准层”的地层,富含蒙脱石。蒙脱石一般情况下具有一定强度,一旦浸水就会软化,极易发生流动。据初步了解,大庆发生过四次成片油井套管损坏的事件,每次都使得几十口井在近标准层处发生严重变形,甚至完全错断。

  鉴于时间紧,问题复杂,我们自然想到去请教王仁教授。

  大约是1988年春季,在约定的一天下午,我们来到王教授的家里。记得他的书房就在进门的左手边,他安排我们坐下后,先是听我们介绍大庆油田成片套损总的情况,然后一份一份翻看我们从油田收集到的各种资料,包括油田区块地质图、地层剖面图、采油二厂油、水井分布图、损坏油水井分布图以及大庆关于成片套损的有关技术总结。针对我们提出的研究思路、地应力和地形变测量、与地下注水可能引发的各种问题以及油田地层变形破坏的数值模拟等问题,王仁教授提出了以下四点意见:

  (1)我们一起根据上述油水井地质与损坏资料,确定从深井水压致裂原地应力测量,油井套管变形测量(反映地层应力连续变化),地表形变观测,微震观测,浸水域统计与分析以及综合数值模拟六个课题开展研究。

  (2)赞成我们进行深部水压致裂原地应力测量与油田套管变形(反映相对地应力连续变化)相结合;将深部微震观测与地表变形及断层位移测量相结合的研究方案,以便获取较为完整的实验数据。

  (3)应重视油田高压注水的问题,因为这是油水井破坏的动力来源,可结合生产数据分析,浸水域研究及地层破坏实验加以研究。

  (4)王教授指出大庆成片套损的问题实际上可看作是一次中尺度地球动力学问题,在进行综合数值模拟时要注意借鉴现有的一些研究方法和成果,

  讨论持续了近两个小时,最后,王仁教授还说,他下一步还会组织力学系几位年轻教师同我们做进一步研讨。王仁教授和我们一起走出宿舍楼,与我们再见后,说他还要去系里办点事,便熟练地跃上楼门边的一辆自行车远去了。对于一位60多岁的归国院士,资深教授,这一生动的画面深深地感动了我们并永远记忆。

  我们在大庆油田开展的研究取得了丰硕成果,据大庆日报1990年9月的报道,作为研究区域的采油二厂每年损坏的油井数已减少至 20多口,相当于每年增产原油20多万吨。

  1990年8月份的一天,大庆油田的总工王德民(现为工程院院士)告诉我,已邀请王仁教授下个月亲临大庆,指导油田成片套损防治研究工作,要我将前期关于采油二厂区域地层失稳机理的研究做个介绍。后来,我因为回京参加地震局的会议耽误了一段时间。等再次回到大庆,已错失又一次与王教授见面学习的机会,留下遗憾。

  今年,我们纪念王仁教授诞辰100周年,缅怀我们事业的先驱,可敬的导师和前辈,他感动我们的不仅是他渊博的学识,对于学术研究开拓进取的精神,更有他的爱国情怀和对国家的贡献。而他作为教育家对晚辈的挚爱和引领,任何一个得到过王仁先生指导和帮助的人都会被他的真诚感动。在我的地震研究科研生涯中,遇见这位可敬的恩师是我的幸运,如今20多年过去了,回想起来,所有的情景依然清晰,所有的教诲将铭记终生。