壩上地區(qū)自然資源地表基質(zhì)調(diào)查地質(zhì)測(cè)量方法探討
——以張北示范區(qū)為例

陳龍 孫勇剛 尚曉雨 薛良 張闖 劉澤 楊科

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050081）

0 引言

地表基質(zhì)調(diào)查是運(yùn)用現(xiàn)代地質(zhì)、地理、土壤、工程等科學(xué)理論和技術(shù)方法，在充分研究和運(yùn)用已有資料的基礎(chǔ)上，查清選定范圍內(nèi)孕育和支撐自然資源的巖石、礫石、沙、土壤等地表基質(zhì)類型、理化性質(zhì)及地質(zhì)景觀屬性等的自然資源專項(xiàng)調(diào)查工作。地表基質(zhì)調(diào)查是自然資源專項(xiàng)調(diào)查的基礎(chǔ)內(nèi)容。

目前，對(duì)地表基質(zhì)層的研究尚處于初期階段，前人對(duì)地表基質(zhì)調(diào)查的研究比較少。自然資源部印發(fā)的《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》（以下簡(jiǎn)稱《方案》）［1］中，首次提出“地表基質(zhì)層”和地表基質(zhì)的概念，對(duì)地表基質(zhì)調(diào)查工作的開(kāi)展進(jìn)行了明確，同時(shí)對(duì)地表基質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容進(jìn)行了說(shuō)明。葛勝良等［2］通過(guò)對(duì)比研究林草學(xué)、農(nóng)學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)以及地球系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中與“地表基質(zhì)層”聯(lián)系緊密的劃分內(nèi)容，提出了地表基質(zhì)層的定義并對(duì)《方案》中地表基質(zhì)調(diào)查的目的進(jìn)行了引申：“及時(shí)掌握地表基質(zhì)層時(shí)空分布、數(shù)量質(zhì)量、利用狀況和動(dòng)態(tài)變化，研究地表基質(zhì)層自身變化發(fā)展及其與其他自然資源和環(huán)境要素的相互關(guān)系和作用機(jī)理，為自然資源統(tǒng)一管理、國(guó)土空間整體規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)提供翔實(shí)資料支撐和信息服務(wù)”。2020年底，自然資源部辦公廳發(fā)布《地表基質(zhì)分類方案（試行）》［3］，對(duì)地表基質(zhì)定義進(jìn)行了明確。

為積極響應(yīng)和貫徹落實(shí)自然資源部印發(fā)的《方案》，服務(wù)于山水林田湖草建設(shè)和國(guó)土空間規(guī)劃管理，利用河北省自身特殊的地理區(qū)位、齊全的地貌類型、多樣化的地表基質(zhì)類型，河北省自然資源廳開(kāi)展了河北省自然資源地表基質(zhì)層示范性調(diào)查。根據(jù)示范性調(diào)查區(qū)選定的原則：涵蓋盡可能多的地貌類型、承載的自然資源類型多樣、地表基質(zhì)類型代表性強(qiáng)、問(wèn)題導(dǎo)向、成果應(yīng)用試點(diǎn)等，最終選定了八個(gè)示范性調(diào)查區(qū)。本研究以八個(gè)示范性調(diào)查區(qū)中的壩上地區(qū)張北示范性調(diào)查區(qū)為例，對(duì)壩上地區(qū)自然資源地表基質(zhì)調(diào)查采用的地質(zhì)測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)，以期為同類型項(xiàng)目提供借鑒，為建立地表基質(zhì)調(diào)查地質(zhì)測(cè)量技術(shù)方法提供依據(jù)和參考。

1 張北示范性調(diào)查區(qū)概況

張北示范性調(diào)查區(qū)（以下簡(jiǎn)稱本區(qū)）屬于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上高原區(qū)，范圍包括張北縣安固里淖及其補(bǔ)給源的三臺(tái)河下游、黑水河下游，屬于基巖淺埋區(qū)。主要地貌類型為玄武巖臺(tái)地小區(qū)、緩斜地小區(qū)、坡平地小區(qū)，以淖淀為主的洼地小區(qū)，為構(gòu)造持續(xù)穩(wěn)定上升區(qū)域，長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕作用。本區(qū)海拔高度為1 300～1 500 m，相對(duì)高差200 m，中部大部分區(qū)域地形平緩、起伏不大，局部為湖淖或洼地，湖淖多已干枯。

2 地表基質(zhì)調(diào)查深度

地表基質(zhì)調(diào)查深度不宜設(shè)置統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合本區(qū)生態(tài)功能定位可知，本區(qū)不屬于人類利用地下空間的重點(diǎn)區(qū)域，綜合考慮地表基質(zhì)支撐和孕育草原、林地、濕地等自然資源的基礎(chǔ)性作用，地表基質(zhì)調(diào)查深度達(dá)到非飽和的包氣帶30 m即滿足要求，而在玄武巖臺(tái)地小區(qū)等巖石基質(zhì)埋深較淺區(qū)域，調(diào)查深度揭穿地表松散層，達(dá)到巖石風(fēng)化殼中等風(fēng)化層即可。據(jù)調(diào)查，除河流、湖淖等地勢(shì)低洼區(qū)域，松散層厚度一般不超過(guò)20 m。此深度包含了表層附著物、土壤耕作層和土壤微生物活動(dòng)層、植物根系所能達(dá)到的深度［4］，可以滿足地表基質(zhì)調(diào)查深度要求。

地表松散層是地表基質(zhì)發(fā)揮對(duì)自然資源支撐、孕育功能的主要層位，是地表基質(zhì)調(diào)查的主要層位。地表松散層厚度與地貌類型關(guān)系密切，通過(guò)對(duì)本區(qū)調(diào)查，總結(jié)出本區(qū)的基質(zhì)垂向結(jié)構(gòu)。地勢(shì)較高的玄武巖臺(tái)地小區(qū)地表松散層厚度薄，甚至巖石裸露，垂向30 m內(nèi)的基質(zhì)一級(jí)類結(jié)構(gòu)以巖石單層結(jié)構(gòu)或土質(zhì)—巖石二層結(jié)構(gòu)為主；地勢(shì)低洼的湖沼積洼地小區(qū)內(nèi)地表松散層厚度大，垂向30 m內(nèi)的基質(zhì)一級(jí)類結(jié)構(gòu)為土質(zhì)單層結(jié)構(gòu)。

3 地質(zhì)測(cè)量工作內(nèi)容

3.1 地表基質(zhì)分類與命名

本次地表基質(zhì)調(diào)查對(duì)于地表基質(zhì)的分類和命名在《方案》要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合河北省實(shí)際進(jìn)行了細(xì)化和調(diào)整。一級(jí)類分為巖石、礫質(zhì)、土質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)，其中泥質(zhì)和砂質(zhì)長(zhǎng)期處于水下。通過(guò)對(duì)收集資料的分析，初步確定本區(qū)地表基質(zhì)分類一級(jí)類包括巖石、礫質(zhì)和土質(zhì)。針對(duì)不同的基質(zhì)類型，確定具體有針對(duì)性的調(diào)查內(nèi)容。地表基質(zhì)野外定名原則因基質(zhì)類型而異：巖石基質(zhì)命名按照《巖石分類與命名方案》確定，礫質(zhì)和土質(zhì)根據(jù)基質(zhì)的粒級(jí)確定。

3.2 資料收集與利用

在地質(zhì)測(cè)量工作開(kāi)展之前，充分收集調(diào)查區(qū)氣象、水文、土壤植被、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、地球化學(xué)、三調(diào)、年度變更調(diào)查等成果資料，并進(jìn)行綜合分析和二次開(kāi)發(fā)利用，尤其是對(duì)區(qū)調(diào)、地貌和三調(diào)等資料的分析，對(duì)巖石、礫質(zhì)、土質(zhì)等進(jìn)行識(shí)別、改化等，最終形成調(diào)查區(qū)地表基質(zhì)草圖和自然資源分布圖草圖，將其用于指導(dǎo)野外調(diào)查工作的開(kāi)展和實(shí)施，部分工作只需要進(jìn)行野外查證即可，可以起到減少工作量的作用。

3.3 地質(zhì)測(cè)量調(diào)查內(nèi)容

利用地表基質(zhì)草圖，結(jié)合遙感解譯成果等資料，對(duì)示范性調(diào)查區(qū)地層巖性、土壤類型、地表覆蓋物、植被覆蓋率、地表基質(zhì)破壞情況等地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行核實(shí)查證，補(bǔ)充調(diào)查地表基質(zhì)的基質(zhì)類型、成因、分布形態(tài)、分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地組分及理化性質(zhì)等指標(biāo)。其中，巖石基質(zhì)重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容包括巖性、基質(zhì)定名、產(chǎn)狀、風(fēng)化程度、風(fēng)化殼垂直分帶等。礫質(zhì)基質(zhì)重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容包括礫徑、基質(zhì)定名、礫質(zhì)成分、分選性、礫間充填物等。土質(zhì)基質(zhì)重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容包括基質(zhì)定名、土地利用現(xiàn)狀、微地貌。

3.4 野外調(diào)查

3.4.1 地面調(diào)查。地面調(diào)查包括垂向調(diào)查和橫向調(diào)查兩個(gè)方面。垂向調(diào)查深度與基質(zhì)類型有關(guān)，礫質(zhì)和土質(zhì)的地面垂向調(diào)查深度為一般0.3 m，土質(zhì)地表0～0.3 m作為表土層，包含了耕作層和犁底層，是與植物生長(zhǎng)聯(lián)系最緊密的層位，決定了地表基質(zhì)承載自然資源的能力。地表基質(zhì)野外定名原則是以地表0～0.3 m范圍內(nèi)厚度最大的基質(zhì)類型命名，可通過(guò)地質(zhì)錘、鐵鏟等工具進(jìn)行揭露。在巖石裸露區(qū)，地表基質(zhì)類型為巖石，地面垂向調(diào)查深度主要利用天然或人工形成的巖石剖面露頭，通過(guò)對(duì)巖石顏色、堅(jiān)硬程度、裂隙寬度、裂隙密度、裂隙填充物等內(nèi)容描述巖石風(fēng)化殼垂直分帶，劃分殘積土、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化層等。橫向調(diào)查主要為調(diào)查線路和調(diào)查點(diǎn)。通過(guò)初步踏勘評(píng)估后，確定示范區(qū)屬地表基質(zhì)類型簡(jiǎn)單地區(qū)，調(diào)查線路間距介于1 500～2 000 m，調(diào)查點(diǎn)密度為40個(gè)/km2。根據(jù)地表基質(zhì)草圖，以穿越法為主與追索法相結(jié)合的方法布置調(diào)查路線，沿途做連續(xù)調(diào)查，詳細(xì)記錄。

3.4.2 基質(zhì)剖面測(cè)量。實(shí)測(cè)剖面應(yīng)在調(diào)查區(qū)域踏勘之后、調(diào)查之前布置，以確定調(diào)查區(qū)內(nèi)主要基質(zhì)類型、基質(zhì)類型分區(qū)、填圖單元、層位關(guān)系、巖石組合特征等，用于指導(dǎo)路線填圖。選取代表性的地段開(kāi)展地表基質(zhì)剖面測(cè)量，垂直溝谷布設(shè)典型剖面1～2條，對(duì)重要的基質(zhì)層類型應(yīng)有1～2條測(cè)量剖面予以控制，實(shí)測(cè)剖面比例尺應(yīng)以基質(zhì)信息易于表達(dá)、圖面美觀為準(zhǔn)。為了更好地進(jìn)行剖面測(cè)量和保證剖面測(cè)量的準(zhǔn)確，需要借助淺鉆、槽探、洛陽(yáng)鏟等進(jìn)行揭露。

本次工作通過(guò)對(duì)安固里淖東南部剖面實(shí)測(cè)得出，為了使基質(zhì)信息易于表達(dá)、圖面表現(xiàn)形式美觀，水平比例尺采用1∶5 000，垂向比例尺采用1∶500。實(shí)測(cè)剖面范圍內(nèi)地貌類型為湖沼積洼地，由于長(zhǎng)期的湖沼沉積和流水搬運(yùn)，地勢(shì)平緩，地表基質(zhì)一級(jí)類以土質(zhì)為主，偶見(jiàn)礫質(zhì)。

3.4.3 淺鉆、背包鉆、槽探、洛陽(yáng)鏟等。本區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诨鶐r淺埋區(qū)，與基巖裸露區(qū)不同，地勢(shì)相對(duì)平坦，松散覆蓋層厚，缺少天然地質(zhì)露頭，無(wú)法通過(guò)地面調(diào)查來(lái)確定地表0.3 m以下的基質(zhì)類型及其特征。淺鉆、背包鉆、槽探、洛陽(yáng)鏟等揭露工程可以對(duì)地表0.3 m以下基質(zhì)類型和特征調(diào)查發(fā)揮重要作用。

淺鉆工程目的主要是揭露30 m以淺基質(zhì)類型、巖性、結(jié)構(gòu)、特征等，其中基巖鉆孔可查明基巖巖性、成分、風(fēng)化程度、風(fēng)化殼厚度、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）等，鉆孔深度應(yīng)達(dá)到30 m，若30 m內(nèi)遇基巖則須入基巖中風(fēng)化或弱風(fēng)化1～2 m終孔。鉆探過(guò)程中采取土樣、巖樣，地表基質(zhì)樣品應(yīng)能正確反映基質(zhì)組成特征，取樣深度一般為0.2 m、2 m、5 m、10 m、20 m、30 m（或終孔）。淺鉆布設(shè)位置涵蓋示范區(qū)內(nèi)各類型地貌單元，對(duì)于調(diào)查不同地貌單元的垂向基質(zhì)結(jié)構(gòu)和分層特征具有重要意義。槽探工程布設(shè)原則與淺鉆類似，須涵蓋示范區(qū)各地貌類型單元，可更直觀地觀察、反映地表基質(zhì)分層情況和接觸關(guān)系。雖然槽探深度不超過(guò)3 m，但是對(duì)于調(diào)查湖淖周?chē)乇?～3 m范圍內(nèi)河湖沉積作用形成的地表基質(zhì)具有良好的效果。本區(qū)大部分區(qū)域土質(zhì)厚度可達(dá)10 m左右，可使用洛陽(yáng)鏟作為輔助調(diào)查手段，洛陽(yáng)鏟一般深度2～5 m。背包鉆具有鉆進(jìn)快、取樣深、操作簡(jiǎn)單、攜帶輕便等特點(diǎn)，可以作為淺鉆、槽探的補(bǔ)充和替代手段。

鉆探工作應(yīng)參照DZ/T 0148—2014等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，工程編錄中定名及地質(zhì)描述應(yīng)按照地表基質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，改化為基質(zhì)名稱和基質(zhì)描述。

3.4.4 巖礦試驗(yàn)。為查明本區(qū)地表基質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)，按照地表基質(zhì)類型的不同在工程地質(zhì)鉆探孔、洛陽(yáng)鏟孔、槽探和地表調(diào)查點(diǎn)采集巖石、土質(zhì)樣品。

針對(duì)巖石基質(zhì)的調(diào)查研究，以利用本區(qū)現(xiàn)有區(qū)調(diào)資料為主，主要驗(yàn)證和補(bǔ)充調(diào)查巖石物理性質(zhì)特征，包括巖石的硅酸鹽分析、巖礦鑒定、密度、孔隙率、含水率、吸水性、軟化系數(shù)等。補(bǔ)充調(diào)查本區(qū)巖石物理性質(zhì)特征，分析巖石風(fēng)化程度、抗風(fēng)化能力等，探索巖石?成土母巖?土質(zhì)的演化過(guò)程與成土速度等，分析本區(qū)基質(zhì)成因及演化方向等。

針對(duì)土質(zhì)基質(zhì)的調(diào)查研究首先要收集本區(qū)多目標(biāo)地球化學(xué)或土地質(zhì)量地球化學(xué)等數(shù)據(jù)資料，調(diào)查工作應(yīng)以取樣對(duì)比驗(yàn)證、重點(diǎn)區(qū)域補(bǔ)充調(diào)查為主，包括土質(zhì)化學(xué)分析、土質(zhì)礦物鑒定，以及原狀土的物理性質(zhì)分析，包括顆粒分析、含水率、容重、界限含水率、孔隙率等。鑒于本區(qū)內(nèi)土地形式主要為農(nóng)用地和未利用地，結(jié)合“兩區(qū)”建設(shè)的要求和發(fā)展方向，土質(zhì)化學(xué)分析應(yīng)有目的性，主要分析與農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)聯(lián)系密切的土壤養(yǎng)分指標(biāo)（如有機(jī)質(zhì)、N、P、K、B、Mn、Se、Mu、堿解氮、速效磷、速效鉀等）［5］和土壤環(huán)境指標(biāo)（如重金屬元素：Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn等）［6］，分析土質(zhì)基質(zhì)對(duì)農(nóng)業(yè)資源和自然資源的承載能力，并提出改善建議。同時(shí)利用本次取樣數(shù)據(jù)與前期多目標(biāo)地球化學(xué)取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究某些指標(biāo)的發(fā)展變化趨勢(shì)。

土壤顆粒組成或機(jī)械組成是土壤質(zhì)地分類的基礎(chǔ)［7］，也是本次工作地表基質(zhì)分類中礫質(zhì)、土質(zhì)分類和命名的基礎(chǔ)。顆粒分析是地表基質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容，針對(duì)不同的基質(zhì)類型選取有效的顆粒分析檢測(cè)方法。

4 結(jié)語(yǔ)

地表基質(zhì)調(diào)查地質(zhì)測(cè)量方法應(yīng)有針對(duì)性，不同地區(qū)的地質(zhì)測(cè)量方法應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的地貌、植被、土地利用類型等自然資源條件以及區(qū)調(diào)、地球化學(xué)等各方面基礎(chǔ)調(diào)查資料完善程度來(lái)進(jìn)行選擇。通過(guò)本次地表基質(zhì)調(diào)查地質(zhì)測(cè)量工作，對(duì)地表基質(zhì)調(diào)查提出如下建議。

①充分收集調(diào)查區(qū)的基礎(chǔ)資料，包括區(qū)域地質(zhì)、地形地貌、三調(diào)、地球化學(xué)等。對(duì)已有資料按照地表基質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)要求進(jìn)行處理、分析、轉(zhuǎn)化，使其形成地表基質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)性圖件和第一手資料，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展地質(zhì)測(cè)量，避免重復(fù)性工作。

②地面調(diào)查工作應(yīng)利用改化后的地表基質(zhì)草圖，做好垂向0～0.3 m基質(zhì)調(diào)查和橫向基質(zhì)平面分布調(diào)查，調(diào)查線路和調(diào)查點(diǎn)密度應(yīng)滿足調(diào)查精度要求。地表基質(zhì)調(diào)查深度不宜設(shè)置統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查深度30 m即可滿足一般地區(qū)地表基質(zhì)對(duì)自然資源支撐、孕育的要求。

③淺鉆、背包鉆、槽探、洛陽(yáng)鏟等地表揭露工程編錄中定名及地質(zhì)描述應(yīng)按照地表基質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，改化為基質(zhì)命名和基質(zhì)描述。工作中宜選用技術(shù)先進(jìn)、提高工作效率的工程技術(shù)手段。

④巖礦試驗(yàn)用于分析地表基質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)。巖石基質(zhì)主要進(jìn)行硅酸鹽分析、巖礦鑒定、密度、孔隙率、含水率、吸水性、軟化系數(shù)等分析；土質(zhì)基質(zhì)應(yīng)進(jìn)行顆粒分析、含水率、容重、孔隙率等物理性質(zhì)分析，在收集多目標(biāo)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)的分析。根據(jù)調(diào)查區(qū)自然資源、生態(tài)環(huán)境背景的不同，應(yīng)對(duì)主要分析指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

⑤地質(zhì)測(cè)量工作應(yīng)嚴(yán)格按照需求導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向、問(wèn)題導(dǎo)向的原則實(shí)施，與調(diào)查區(qū)內(nèi)地表基質(zhì)支撐、孕育的自然資源相吻合，進(jìn)而為科學(xué)編制國(guó)土空間規(guī)劃、自然資源整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理提供服務(wù)。