殷世林 富鴻 花晶

蘇州市地震局，江蘇省蘇州市錦帆路211號(hào) 215002

0 引言

眾所周知，地下流體在震前有較好的前兆異常信息顯示，并有多次預(yù)報(bào)成功的震例證實(shí)（汪成民等，1988；殷世林，1985、1992、1995、1997）。如果把地震觀測(cè)井做成下粗上細(xì)的結(jié)構(gòu)，必將提高井孔水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的放大倍數(shù)，提升并放大異常信息量，便于地震的分析預(yù)報(bào)。我國(guó)老一代地震工作者如車用太等（1992）、糜克仁（1991）、張昭棟等（1992、1997、2001）、朱梅武等（1994）在黑龍江、江蘇、山東、吉林等地都曾做過(guò)變徑測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明了下粗上細(xì)的作用。但是由于種種原因，至今未獲觀測(cè)實(shí)踐的證實(shí)。

特殊的原因、條件和機(jī)遇讓筆者把這一設(shè)想在蘇20井上變成了現(xiàn)實(shí)。蘇20井地處蘇州-無(wú)錫、蘇州-嘉定、湖州-蘇州3組斷裂交匯部位，是地震監(jiān)測(cè)的敏感部位，原井深369m，含水層埋深為250～260m，觀測(cè)的是斷裂破碎帶承壓水（圖1）。自1978年開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)，對(duì)周邊200km之內(nèi)僅有的4次5級(jí)以上地震，震前均有較明顯的前兆異常顯示。

2006年由于蘇20井所在的企業(yè)出讓廠房及土地，重建監(jiān)測(cè)中心時(shí)可能掉進(jìn)了磚頭，但由于當(dāng)時(shí)對(duì)水位觀測(cè)無(wú)影響，一直未被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)重新安放水溫儀時(shí)發(fā)現(xiàn)井孔內(nèi)有異物，水溫探頭只能放到95m。由于重建的監(jiān)測(cè)房為四層樓房，無(wú)法實(shí)施掃孔處理。

針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，2015年蘇州市地震局向市政府建議，在地質(zhì)構(gòu)造條件極好的蘇20井旁邊重打一口新井，與老井同步觀測(cè)。新井的特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)下粗上細(xì)，即井-含水層間下部水交替井段的直徑大于上部井水位觀測(cè)井段的直徑。

圖1 蘇20井構(gòu)造簡(jiǎn)圖（a）及井孔柱狀簡(jiǎn)圖（b）

1 蘇20新井位置及結(jié)構(gòu)

1.1 新井的位置及概況

蘇20新井位于老井NE40°13.6m處，井深312.58m。該井揭示第四系深207.5m，以下主要為晚侏羅紀(jì)火山凝灰?guī)r。開(kāi)孔口徑250mm至226.5m處，此時(shí)兩井水位并未溝通，下219mm表層套管。以下變徑為168mm鉆至井底，后又?jǐn)U孔至180mm。

新井揭示的地層巖性剖面特征，與原井類似，0～5.7m為第四系表層土，5.7～206.5m為第四系黑色粉質(zhì)黏土與砂層，206.5～208.0m為第三系砂巖風(fēng)化層，208.00～312.58m為侏羅系火山凝灰?guī)r。其中，271～281、268～289m揭穿二層斷層破碎帶。新井的主要觀測(cè)層為271～281m斷層破碎帶內(nèi)的裂隙承壓水層。

1.2 新井的結(jié)構(gòu)

新井的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多個(gè)方案比較分析，最終選定了0～226.15m井段鉆孔為250mm直徑，然后下219mm套管；226.15m以下為直徑180mm的裸孔，直至井底。完鉆后在226.15m處采用變徑接頭及相應(yīng)的止水技術(shù)，變成以下為146mm的濾水管，以上為146mm的套管的結(jié)構(gòu)。改造后新井變成了下粗（180mm，內(nèi)有146mm濾水管）上細(xì)（146mm套管）的新結(jié)構(gòu)（圖 2）。

2 蘇20井新井與老井潮汐響應(yīng)能力對(duì)比

2.1 結(jié)構(gòu)對(duì)比

老井結(jié)構(gòu)為下細(xì)上粗的常規(guī)結(jié)構(gòu)，即過(guò)水?dāng)嗝嬷睆叫∮谒蛔儎?dòng)處直徑。這種結(jié)構(gòu)有降低井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的放大倍數(shù)的影響。新井則反之，即下粗上細(xì)，有增大放大倍數(shù)的影響。詳見(jiàn)表1。

圖2 蘇20井新井揭示的地層、斷裂及井孔結(jié)構(gòu)示意圖

表1 蘇20井新井與老井結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.2 觀測(cè)效果對(duì)比

2.2.1 理論分析

新井與老井觀測(cè)的都是同一條斷層破碎帶承壓含水層，因此新老井的差異只是井孔結(jié)構(gòu)不同。理論上，含水層內(nèi)孔隙度應(yīng)大小一致，井-含水層系統(tǒng)中水的進(jìn)出量相等時(shí)，水位觀測(cè)段的井徑小，水位變幅大。因此潮汐力作用下產(chǎn)生的含水層變形及由此引起的孔隙壓力變化可視為兩井是一致的，而由此引起的井-含水層間水流量則與過(guò)水?dāng)嗝娲笮∮嘘P(guān)，過(guò)水?dāng)嗝娲笮∪Q于此處井徑。井徑越大，過(guò)水?dāng)嗝嬖酱螅瑒t同等大小的應(yīng)力作用下產(chǎn)生的井-含水層面水流量大。井水位的變化量不僅與井-含水層間水流量有關(guān)，而且還與靜水位變動(dòng)段（觀測(cè)段）的直徑有關(guān)，若水流量為Q時(shí)，水位變化量（Δh）與井徑（r）的關(guān)系如下

即井徑對(duì)水位變化量的影響很大，井徑縮小一點(diǎn)，井水位變化量則顯著增大。由此可見(jiàn)，從理論上講，下粗上細(xì)的觀測(cè)井結(jié)構(gòu)一方面可增大井-含水層間水流量，從而放大井水位變化量；另一方面，上細(xì)結(jié)構(gòu)顯著放大井水位的變化量。因此，下粗上細(xì)的井孔結(jié)構(gòu)是提高井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)能力的重要技術(shù)途徑。

圖3 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井潮差及峰谷時(shí)間對(duì)比

2.2.2 潮汐響應(yīng)能力對(duì)比

（1）日潮差對(duì)比

井水位潮汐響應(yīng)能力是評(píng)價(jià)井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)能力的主要指標(biāo)，本文從日潮差、峰谷出現(xiàn)時(shí)間、M2波潮汐因子等角度比較不同井孔結(jié)構(gòu)的響應(yīng)能力。

圖3給出了2017年11月3～5日的觀測(cè)結(jié)果，新井比老井潮差平均增大127.2%（其中上升時(shí)段平均增大134.6%，下降時(shí)段平均增大119.7%）。兩井的對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井潮差對(duì)比

表3 2017年11月3～5日蘇20井新井與老井井潮峰谷時(shí)間對(duì)比

表4 蘇州各井潮汐因子M2波計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

（2）峰、谷值出現(xiàn)時(shí)間對(duì)比

2017年11月3～5日兩井的觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，新井比老井潮差出現(xiàn)時(shí)間平均超前64m in，其中，峰值平均超前 55m in，谷值平均超前66m in，這一結(jié)果與井孔結(jié)構(gòu)的物理性能相符。詳見(jiàn)表3。

（3）新老兩井M2波潮汐因子的對(duì)比

選用2017年11月11日～12月10日共1個(gè)月的資料進(jìn)行調(diào)和分析，結(jié)果見(jiàn)表4：同時(shí)段新井的M2波為2.3347，老井的M2波為1.0509，增大幅度為122.2%，與表2中兩井潮差的增幅127.2%相當(dāng)。

從上述潮差對(duì)比及潮汐因子M2波計(jì)算數(shù)值對(duì)比可見(jiàn)，蘇20新井全新的成井工藝效果十分明顯。

3 認(rèn)識(shí)與啟示

新井與舊井構(gòu)造部位相同，觀測(cè)的含水層屬同層，井深相近，只是井徑結(jié)構(gòu)不同，發(fā)現(xiàn)下粗上細(xì)的結(jié)構(gòu)明顯增大了井水位對(duì)潮汐的響應(yīng)能力。由此推測(cè)這種結(jié)構(gòu)顯著提高了井水位對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)能力。

由此得到啟示：我國(guó)地震地下水觀測(cè)井井徑的變更（舊井改造與新井建設(shè)），是提升我國(guó)地震地下水觀測(cè)網(wǎng)映震能力的有效途徑之一。