第四系科學(xué)鉆探及地層對(duì)比方法探討

黃永波，侯建華，宋志勇，任天龍，劉銀，張志剛

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南　250013)

第四系科學(xué)鉆探及地層對(duì)比方法探討

黃永波，侯建華，宋志勇，任天龍，劉銀，張志剛

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南250013)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中部分環(huán)境、資源問題的基礎(chǔ)——第四紀(jì)地質(zhì)變得日益重要，第四系鉆探作為第四系覆蓋區(qū)填圖的重要工作手段，鉆探質(zhì)量及編錄資料的質(zhì)量直接影響著第四系區(qū)域填圖成果的表達(dá)。該文結(jié)合1∶5萬辛安莊等五幅區(qū)調(diào)項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)第四系科學(xué)鉆探的工作流程進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)第四紀(jì)鉆孔多重地層劃分與區(qū)域?qū)Ρ确椒ㄟM(jìn)行了初步的探討。

第四系科學(xué)鉆探；松散沉積物；鉆孔編錄；第四紀(jì)地層對(duì)比；萊州灣南岸

引文格式：黃永波，侯建華，宋志勇，等.第四系科學(xué)鉆探及地層對(duì)比方法探討[J].山東國(guó)土資源，2015,31(10)：71-75.HUANGYongbo,HOUJianhua,SONGZhiyong,etc.DiscussiononQuaternaryScienrificDrillingandStratigraphicCorrelationMethod[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):71-75.

0　引言

第四紀(jì)作為與人類關(guān)系最為密切的一個(gè)地質(zhì)時(shí)期，其新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，沉積物的形成、環(huán)境氣候的變遷、動(dòng)植物的演替與人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，對(duì)未來的可持續(xù)發(fā)展、長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃、區(qū)域的類型定位都離不開對(duì)該地區(qū)地質(zhì)背景條件的深入了解。近年來，第四系大面積覆蓋區(qū)的填圖工作正陸續(xù)展開，其重要目標(biāo)任務(wù)之一就是查明調(diào)查區(qū)第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層劃分對(duì)比、空間展布及相互關(guān)系，探討第四系地質(zhì)環(huán)境演化，建立第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，其成果對(duì)地方政府的發(fā)展規(guī)劃制定可起到有力的支撐作用。

在此背景下，2012年由山東省地質(zhì)調(diào)查院承擔(dān)實(shí)施了國(guó)家大調(diào)查項(xiàng)目第四系覆蓋區(qū)區(qū)調(diào)試點(diǎn)1∶5萬辛安莊等五幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查區(qū)位于萊州灣南岸，整體地勢(shì)南向北傾斜，南高北低，南部為山前洪積區(qū)，北部主體為沖積平原，沿海部分為沖積海積平原，海拔高度1～30m；橫跨低山丘陵和濱海平原兩大地貌單元，北部地處典型的海陸交互帶，受氣候波動(dòng)、海平面升降的影響，第四系沉積物類型復(fù)雜，巖性巖相多變，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在深入分析調(diào)查區(qū)前人已有成果資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)調(diào)查區(qū)第四紀(jì)地層變化規(guī)律，擬定了工作思路與技術(shù)方案，旨在建立第四紀(jì)地層綜合劃分區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)地層柱。由于調(diào)查區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象多以平面狀展布為主，露布性差，而常規(guī)的地質(zhì)填圖方法多以地面地質(zhì)調(diào)查為主，對(duì)調(diào)查和研究第四系有較大的局限性。要建立第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，離不開物探、鉆探等多種手段的綜合運(yùn)用。該文僅對(duì)第四系科學(xué)鉆探及第四紀(jì)地層對(duì)比方法進(jìn)行初步的探討。

1　第四系鉆孔數(shù)據(jù)建設(shè)

第四系鉆孔數(shù)據(jù)建設(shè)是開展覆蓋區(qū)三維第四系結(jié)構(gòu)調(diào)查與研究的基礎(chǔ)。調(diào)查區(qū)以往的鉆孔資料對(duì)第四紀(jì)地層的處理較為粗略，無法達(dá)到該次工作的精度要求。項(xiàng)目組通過多方征求第四系專家的意見與建議，并結(jié)合調(diào)查區(qū)已有的第四系鉆孔的工作資料，通過具體工作實(shí)踐，初步總結(jié)出一套適合覆蓋區(qū)第四系鉆孔數(shù)據(jù)建設(shè)的工作方法與技術(shù)流程。

1.1背景研究及技術(shù)準(zhǔn)備

在收集、整理工作區(qū)已有的各類地物化遙及鉆孔資料的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合前人對(duì)區(qū)域第四系調(diào)查研究成果資料進(jìn)行綜合分析，對(duì)調(diào)查區(qū)地貌、第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)及沉積物類型、古河道走向及古湖泊分布有一個(gè)總體的了解。在此基礎(chǔ)上依據(jù)以下原則合理的布置物探工作，以確定第四系鉆孔位置。

(1)根據(jù)調(diào)查區(qū)已有的鉆孔及物探資料，并根據(jù)新布設(shè)淺層地震剖面位置，在合理利用已有鉆孔資料的基礎(chǔ)上，合理控制第四系鉆孔的分布密度，以滿足網(wǎng)度控制要求。

(2)依據(jù)現(xiàn)代地貌類型與控制第四紀(jì)地層的構(gòu)造單元分布，并優(yōu)先選擇具有區(qū)域代表性及發(fā)育完整的第四紀(jì)地層區(qū)進(jìn)行鉆孔的布置。

(3)盡量避開古河道，選擇松散沉積物顆粒較細(xì)、砂礫石層發(fā)育相對(duì)較少的地段，以保證鉆孔取心率及各類樣品的采取。

1.2第四系鉆探施工技術(shù)要求

第四系鉆探的前期技術(shù)準(zhǔn)備工作、鉆孔設(shè)計(jì)書編寫要求及施工、編錄整理與一般的地質(zhì)編錄工作要求相似，已有較為成熟的工作方法及技術(shù)規(guī)范[1-3]，在此不再一一贅述。鉆探施工時(shí)要注意泥漿鉆進(jìn)，以保證孔壁的完整性，防止塌孔、縮徑等現(xiàn)象，并注意孔深、孔斜的校正。

1.3巖心的處理及照相

(1)巖心保存：將110mm直徑的PVC管截成1m的長(zhǎng)度，并一剖為二，將整理好的巖心放入PVC管中保存，PVC管上要表明孔號(hào)、孔深及巖心上下位置。

(2)剖巖心：采用特制的鋼筋架將巖心居中剖開，正確掌握操作要領(lǐng)，使巖心切面盡量保持平直，剖開的一半巖心描述及取樣，剩余一半密封保存，以達(dá)到保濕、防震效果，利于長(zhǎng)期保存。

(3)切面修整：利用刮刀、刷子等工具將剖開的巖心刮平，除去剖巖心時(shí)沾染到表面的泥漿等雜物，使巖心顏色、內(nèi)部沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造更加清晰。

(4)放置巖心標(biāo)簽：以美術(shù)體書寫或打印，將裁好的標(biāo)簽放在巖心管底部下沿；標(biāo)簽寬度以巖心管直徑的1/3為宜，不要超過1/2，盡量少遮擋巖心。

(5)照相：對(duì)巖心進(jìn)行精細(xì)拍照，照相記錄應(yīng)包括孔號(hào)、拍照位置(準(zhǔn)確的深度)、拍照內(nèi)容、拍照比例尺等。分遠(yuǎn)照與近照，遠(yuǎn)照即對(duì)巖心整體進(jìn)行拍照，室內(nèi)利用制圖軟件進(jìn)行拼接處理，制作全孔巖心圖像；近照即將特殊的沉積現(xiàn)象進(jìn)行拍照，如保存完好的沉積構(gòu)造、特殊的地層接觸關(guān)系、動(dòng)植物化石、礦物結(jié)核等進(jìn)行單獨(dú)拍攝，要注意做好標(biāo)記(圖1)。

圖1　巖心照相及全控巖心圖像拼接

1.4巖心詳細(xì)編錄及取樣

仔細(xì)觀察巖心巖性，根據(jù)顏色、礦物成分、顆粒大小和含量、層理類型等進(jìn)行綜合性判別后，進(jìn)行分層描述，包括沉積物的巖性、顏色、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、包含物(礦物結(jié)核、動(dòng)植物化石等)、次生變化、成因類型、接觸面形態(tài)及分層層序、厚度、深度等。第四系鉆孔的成圖比例尺(垂向)一般為1∶100～1∶500，編錄時(shí)應(yīng)視鉆孔的精度要求掌握最小分層厚度。對(duì)特殊的標(biāo)志層(如硬土層、泥炭層、貝殼層等)不論厚度大小均應(yīng)單獨(dú)分層描述。

要特別注意對(duì)沉積物顏色(注意區(qū)分原生色、后生色)的描述，顏色描述時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡——蒙塞爾色標(biāo)(MunsellScale)定名，使顏色的描述不因編錄人員的主觀因素而變化，并保持顏色描述的可還原性。對(duì)特殊巖性層、構(gòu)造現(xiàn)象及沉積旋回及其所代表的環(huán)境意義應(yīng)加以描述。如以硬土層為代表的古土壤層或古風(fēng)化殼一般會(huì)出現(xiàn)于寒冷期頂部，或冷暖交替期間，可作為氣候旋回的重要識(shí)別標(biāo)志[4]。沉積物在垂向上的粒度、顏色、組分變化形成的韻律性或旋回特征在一定程度上受氣候變化及海(湖)平面變化影響[5-7]，在同一構(gòu)造單元下，其韻律性往往具有區(qū)域?qū)Ρ纫饬x(圖2)。

圖2　蒙賽爾標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡

1.5樣品采取

對(duì)鉆孔巖心所采取的所有樣品都要求新鮮無雜質(zhì)，尤其要剔除表面及巖心裂隙面灌入的泥漿等污染物。遵循薄層多取，厚層少取的原則[8]。系統(tǒng)采集古地磁、磁化率、微體古生物、粒度分析、孢粉樣品及相關(guān)的地球化學(xué)樣品。對(duì)炭含量較高的層位可適當(dāng)采集14C測(cè)年樣品，粉細(xì)砂、粉砂層位等可考慮采集熱釋光或光釋光年齡樣。

1.6鉆孔資料綜合整理

將野外編錄資料及巖心照片進(jìn)行整理，統(tǒng)一入庫(kù)，編制第四系鉆孔綜合地層柱狀圖，進(jìn)行巖石地層、生物地層、磁性地層、年代地層等多重劃分對(duì)比。綜合柱狀圖的垂向比例尺一般在1∶100～1∶500，標(biāo)志性地層厚度較薄時(shí)可適當(dāng)放大表示。綜合柱狀圖中加入拼接好的全孔巖心圖像，對(duì)鉆孔地層結(jié)構(gòu)與沉積相組合特征進(jìn)行直觀表達(dá)。

2　第四系鉆孔綜合研究與孔間地層對(duì)比

在第四系鉆孔綜合研究的基礎(chǔ)上，對(duì)代表性第四系鉆孔進(jìn)行詳細(xì)劃分與對(duì)比，編制綜合柱狀圖，并對(duì)代表性鉆孔進(jìn)行第四紀(jì)地層對(duì)比，建立工作區(qū)第四紀(jì)地層層序及填圖單元?jiǎng)澐址桨浮?/p>

2.1第四系標(biāo)準(zhǔn)孔綜合研究及地層劃分

鑒于調(diào)查區(qū)地處萊州灣南緣，北部又處于濰河、膠萊河兩大河流入?？?，區(qū)內(nèi)遍布第四紀(jì)以來形成的古河道、古湖泊[9-10]，南部還存在風(fēng)積作用形成的沙丘、砂壟[11-12]；第四紀(jì)沉積作用類型與沉積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉積物的同期異相和異期同相極為普遍，對(duì)地層的劃分與區(qū)域?qū)Ρ入y以用某種單一方法來進(jìn)行。因此，須遵循巖石地層學(xué)、年代地層學(xué)、生物地層學(xué)與氣候地層學(xué)多重地層劃分原則和方法，同時(shí)結(jié)合淺層地震、綜合測(cè)井等資料進(jìn)行綜合分析。在學(xué)習(xí)、吸收前人已有的第四系區(qū)域地層對(duì)比方案的基礎(chǔ)上[8，13-15]，結(jié)合調(diào)查區(qū)第四系沉積特點(diǎn)，確定了第四紀(jì)地層劃分的主要依據(jù)。

2.1.1第四紀(jì)地層劃分的主要依據(jù)

(1)第四系沉積物的巖性(如顏色、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等)、巖相變化特征，沉積物韻律、沉積間斷及其他標(biāo)志。

(2)第四系沉積物分布特征、埋藏深度與沉積相結(jié)合。

(3)古氣候的周期性冷暖變化及海侵海退、古地理環(huán)境的變化及沉積環(huán)境對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)。

(4)古地磁磁極性變化與穩(wěn)定同位素測(cè)年相結(jié)合。

(5)能進(jìn)行區(qū)域地層與時(shí)代對(duì)比的特殊層位，如貝殼層、古風(fēng)化殼、硬土層(局部表現(xiàn)為古土壤層)等，便于更好地進(jìn)行野外直接分層和掌握。

2.1.2區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志

以標(biāo)準(zhǔn)孔多重地層劃分為基礎(chǔ)，通過各孔古土壤、古暴露面或剝蝕面、沉積界面的識(shí)別標(biāo)志研究，解決了標(biāo)準(zhǔn)孔與一般鉆孔的等時(shí)對(duì)比問題，建立了區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志：

(1)巖性標(biāo)志：由于古氣候的旋回性特征，導(dǎo)致沉積環(huán)境發(fā)生周期性變化，往往使沉積物形成粒度、顏色及成分上沉積韻律，其所代表的沉積旋回、亞旋回在區(qū)域上往往具有可對(duì)比性。

(2)沉積標(biāo)志層與沉積間斷：調(diào)查區(qū)各鉆孔顯示第四紀(jì)地層在垂向上均發(fā)育幾層硬土層(局部表現(xiàn)為古土壤層)。硬土層上覆巖性層一般呈突變接觸關(guān)系，而與下伏巖層具漸變關(guān)系；含水量較少，固結(jié)程度較好，一般呈堅(jiān)硬塊狀，硬度上明顯區(qū)別于上下層；硬土層的色調(diào)常呈黃褐色、灰綠色或雜色，由于暴露氧化所致普遍有鐵、錳質(zhì)浸染或含鐵錳質(zhì)斑塊、結(jié)核；硬土層具有明顯的識(shí)別標(biāo)志，且在區(qū)域上具有普遍性，可作為是劃分地層的重要標(biāo)志層[13，16]。

(3)古氣候標(biāo)志：第四系松散沉積物中的孢粉種類及其組合特征是確定古氣候冷暖變化，進(jìn)行古氣候分期的重要標(biāo)志。寒冷期孢粉含量較少，以喜冷的針葉樹或草本花粉為主。溫暖期孢粉種類比較豐富，孢粉組合以闊葉樹花粉為主。但在具體應(yīng)用時(shí)不能以偏概全，應(yīng)結(jié)合沉積環(huán)境進(jìn)行綜合分析[16]。

(4)海侵標(biāo)志：微體古生物分析已經(jīng)證明是沿海平原和陸架海侵研究的最重要手段之一[15，17]。根據(jù)有孔蟲、介形蟲的分布及其組合特征進(jìn)行劃分對(duì)比，并結(jié)合巖性巖相綜合分析，以確定海侵時(shí)代及標(biāo)志層，劃分出調(diào)查區(qū)的海侵時(shí)序及進(jìn)退變化范圍。

2.2孔間地層對(duì)比與第四系剖面研究

以調(diào)查區(qū)填圖單元綜合劃分方案和區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志為參照依據(jù)，以第四系標(biāo)準(zhǔn)孔為基準(zhǔn)，編制調(diào)查區(qū)第四系鉆孔地層柱狀圖，進(jìn)行孔間地層對(duì)比及單孔地層劃分及歸屬。結(jié)合區(qū)域淺層地震勘探資料，編制控制全區(qū)的縱橫向第四系地質(zhì)剖面圖，綜合分析第四系沉積結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建平原區(qū)第四系宏觀地層格架(圖3、圖4)。

圖3　鉆孔綜合柱狀圖(后續(xù)樣品測(cè)試結(jié)果待加入)

圖4　勘探1線孔間地層對(duì)比(圖中①-④為海侵層)

3　結(jié)語(yǔ)

(1)第四系標(biāo)準(zhǔn)孔有一套完整的工作流程，從鉆孔的合理布置、全孔取心鉆探、巖心的保存與系統(tǒng)照相、精細(xì)編錄與系統(tǒng)取樣到鉆孔資料的綜合整理，每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)都有特定的技術(shù)要求，與一般的礦產(chǎn)編錄過程多有不同。而將全部巖心用PVC塑料管進(jìn)行密封保存與系統(tǒng)編號(hào)，達(dá)到了保濕、防震的預(yù)期效果，使保存的巖心在幾年之后仍能基本保持原樣，為室內(nèi)精細(xì)研究及后續(xù)補(bǔ)充研究創(chuàng)造了有利條件。對(duì)全孔巖心進(jìn)行系統(tǒng)照相并拼接實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井垂向地層結(jié)構(gòu)的最直觀表達(dá)。初步的實(shí)踐證明，該方法技術(shù)是行之有效的，在河口—海灣、沿海地區(qū)具有一定的推廣意義。

(2)調(diào)查區(qū)地處萊州灣南緣，北部又處于濰河、膠萊河兩大河流入?？?，區(qū)內(nèi)遍布第四紀(jì)以來形成的古河道、古湖泊，南部還存在風(fēng)積作用形成的沙丘、砂壟；第四紀(jì)沉積作用類型與沉積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉積物的同期異相和異期同相極為普遍，鉆孔之間的地層對(duì)比不能采用深度加巖性的簡(jiǎn)單對(duì)比法，須遵循巖石地層學(xué)、年代地層學(xué)、生物地層學(xué)與氣候地層學(xué)多重地層劃分原則和方法，同時(shí)結(jié)合淺層地震、綜合測(cè)井等資料進(jìn)行綜合分析。合理劃分第四紀(jì)地層層序、確定區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志是關(guān)鍵，在第四紀(jì)區(qū)域地層對(duì)比的基礎(chǔ)上，建立調(diào)查區(qū)第四系鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建三維第四紀(jì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

(3)該文只是1∶5萬辛安莊等五幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目覆蓋區(qū)第四系調(diào)查與研究方法的階段性總結(jié)，項(xiàng)目的后續(xù)工作還在開展，樣品測(cè)試結(jié)果的分析與整理還在進(jìn)行中，對(duì)區(qū)域地層對(duì)比及項(xiàng)目最終成果的表達(dá)還處于進(jìn)一步探索、改進(jìn)與完善之中。

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DiscussiononQuaternaryScienrificDrillingandStratigraphicCorrelationMethod

HUANGYongbo,HOUJianhua,SONGZhiyong,RENTianlong,LIUYin,ZHANGZhigang

(ShandongGeologicalSurveyingInstitute,ShandongJinan250013,China)

Accompanyingwiththedemandofsocialandeconomicdevelopment,Quaternarygeologyisbecomingincreasinglyimportant,forwhichisabasisforsustainabledevelopmentoflocaleconomy.QuaternaryscientificdrillingisanimportantmeansongeologicalmappingwhichcoveredbyQuaternarysediments.ThequalityofgeologicaldrillingandgeologicalloggingdeterminestheexpressionofgeologicalsurveyofQuaternarycoveringregion.Inthispaper,Quaternaryscientificdrillingworkflowhasbeenmade,andmultiplestratigraphicdivisionandregionalstratigraphiccorrelationofQuaternarysedimentshavebeenstudied.

Quaternaryscientificdrilling;unconsolidatedsediments;geologicallogging;Quaternarystratigraphiccorrelation;southcoastofLaizhouBay

2015-02-05；

2015-03-11；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

受中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《山東1∶5萬辛安莊、海滄、昌邑、新河、朱里幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查》(項(xiàng)目編號(hào)1212011220485)資助

黃永波(1984—)，男，山東諸城人，工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作；E-mail：wingboo@sohu.com

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