传统填图法在半覆盖区的改进——第四系岩性填图法
【类型】期刊
【作者】姚春亮，夏庆霖，张晓军，范先旺，覃莹，谭江东（中国地质大学(武汉)资源学院；中国冶金地质总局中南地质勘查院）
【作者单位】中国地质大学(武汉)资源学院；中国冶金地质总局中南地质勘查院
【刊名】地球学报
【关键词】 松散堆积物分类与命名；填图单位划分；横向-垂向联合剖面；第四系岩性填图法；半覆盖区
【资助项】中国地质调查局地质调查项目(编号: 2010020057)资助
【ISSN号】1006-3021
【页码】P549-559
【年份】2019
【期号】第4期
【期刊卷】1;|6;|7;|8;|4;|5;|2
【摘要】传统地质填图方法一般按成因划分第四系填图单位,但在半覆盖区,往往存在第四系不同成因物质混杂堆积的现象,若按成因划分填图单位,则会造成混乱。笔者在填图实践中,尝试按岩性划分第四系填图单位,这一做法能避免这种混乱,且有利于第四系中基岩信息的发掘,并能为勘查地球化学工作提供景观依据,这种新式填图方法可称为“第四系岩性填图法”。用岩性划分第四系填图单位需要使用统一的分类命名方案,本文使用了按碎屑特征进行分类的方案,主要考虑第四系松散堆积中碎屑的粒径、形态和含量变化。第四系岩性填图法中填图单位的划分需要参照这一分类命名方案,并可选用颜色、构造、次要碎屑类型等修饰性要素做为辅助划分依据。填图单位划分一般在踏勘和剖面实测中完成,第四系岩性填图法剖面测制较为复杂,除采用传统垂向测制方法外,还需运用横向测法和横向-垂向联合测法,通过剖面工作,可细化填图单位划分方案,并可评价不同填图单元基岩恢复的可靠性。第四系岩性填图法除需要编制传统地质图外,还需要编制基岩推断地质图或是在报告中制作插图以阐述此成果。
【全文】 文献传递
传统填图法在半覆盖区的改进
——第四系岩性填图法
摘要：传统地质填图方法一般按成因划分第四系填图单位, 但在半覆盖区, 往往存在第四系不同成因物质混杂堆积的现象, 若按成因划分填图单位, 则会造成混乱。笔者在填图实践中, 尝试按岩性划分第四系填图单位, 这一做法能避免这种混乱, 且有利于第四系中基岩信息的发掘, 并能为勘查地球化学工作提供景观依据, 这种新式填图方法可称为“第四系岩性填图法”。用岩性划分第四系填图单位需要使用统一的分类命名方案, 本文使用了按碎屑特征进行分类的方案, 主要考虑第四系松散堆积中碎屑的粒径、形态和含量变化。第四系岩性填图法中填图单位的划分需要参照这一分类命名方案, 并可选用颜色、构造、次要碎屑类型等修饰性要素做为辅助划分依据。填图单位划分一般在踏勘和剖面实测中完成, 第四系岩性填图法剖面测制较为复杂, 除采用传统垂向测制方法外, 还需运用横向测法和横向-垂向联合测法, 通过剖面工作,可细化填图单位划分方案, 并可评价不同填图单元基岩恢复的可靠性。第四系岩性填图法除需要编制传统地质图外, 还需要编制基岩推断地质图或是在报告中制作插图以阐述此成果。
关键词：松散堆积物分类与命名; 填图单位划分; 横向-垂向联合剖面; 第四系岩性填图法; 半覆盖区
覆盖区一般指基岩被第四系物质(如风积物、冲积物、沼泽等)长期大面积连续覆盖的地区; 基岩被第四系物质大面积不连续覆盖的地区, 可称为半覆盖区。随着基岩出露区矿产的逐渐发现和开采, 地质工作者已开始注重覆盖区与半覆盖区的勘查工作,各种适合于覆盖区与半覆盖区的勘查手段逐渐形成(Lowe et al., 1998; Andrews et al., 2011; 成秋明,2012; 王学求等, 2012)。
要想穿透覆盖层提取基岩信息, 往往需要采用较先进的勘查手段, 其中, 勘查地球物理方法效果较好, 成为近年来最为常用的方法(Lowe et al.,1998; 石战结等, 2003; 赖月荣等, 2014), 而地质方法则较少使用。但是, 半覆盖区覆盖层所包含的基岩信息是需要运用地质方法提取的, 其中部分信息属于矿化证据, 这些证据一般比物探信息和化探信息更为直接(吴新华等, 2005; 于德发等, 2013)。想要提取这些信息, 需要对传统的地质填图法加以改进, 如加强对砾级碎屑的观察就是适于覆盖区的一种做法(于德发等, 2013), 这一方法可以称为“转石填图法”。这一方法不但能提取基岩中的直接矿化信息, 也能为研究覆盖区的地质背景提供帮助, 如确定特定地质体的大致范围和岩性特征(蒋忠惕等,2006; 于德发等, 2013)。
“转石填图法”的做法是在含转石的第四系分布地段, 以转石岩性推断基岩岩性, 并在地质图上以基岩地质体形式表现。但是, 这种做法存在缺陷,一是会造成填图结果失真, 因为“转石”本身是第四系物质中的一种, 这种做法不能如实反映第四系分布特征; 二是在大范围覆盖地段这种方法的填图结果地质体过于单一, 在图上会出现全新统中某种单一地质体大面积连续分布区, 有人将这一状况形象的称为“一片黄”(王保良, 2002)。如内蒙二连盆地周缘这样的半覆盖区就存在这一现象, 在这一类全新统连续分布区, 大比例尺(如1:1万)地质测量结果的精度相对于中小比例尺(如1:20万)地质测量没有明显提高, 这造成了中大比例尺填图工作量的浪费。在半覆盖区、浅覆盖区, “转石填图法”和传统填图法除容易造成第四系失真、第四系地质体单一两种缺陷外, 还会出现不同单元区分不严格、基岩推断可靠程度不明等问题。
考虑到“转石填图法”的以上不足, 笔者和同事在半覆盖区矿产勘查过程中, 开始尝试改进传统填图方法, 将改进的做法称为“第四系岩性填图法”,本文是对这一填图方法的初步总结。关于第四系的填图方法, 前人也曾讨论, 主要是介绍了第四系填图的工作流程、观察描述要点、采样方法、剖面测制方法(雅科甫列夫, 1963), 也介绍了第四系地质图件的一般要求(景才瑞等, 1990)。本文所言第四系岩性填图法中的样品采集和揭露工程等工作与前人介绍的方法相似, 此处不介绍这两个环节。
1 第四系岩性填图法的特点
1.1 第四系岩性填图法与传统填图方法的差别
传统填图方法和“转石填图法”一般按成因划分全新统松散沉积物的填图单位(李长安, 1992;Andrews et al., 2011), 如将其划分为坡积物(Qhdl)、冲洪积物(Qhpal)等, 两种方法均属于第四系成因填图法。已有的这两种填图方法在地貌单元差别明显的地区是适合的, 但在半覆盖区, 第四系不同成因碎屑混杂现象往往比较严重, 成因填图单位的厘定不够严格。比如在内蒙中部的草原地区, 风积物质和洪积物质分布范围较广, 这两种物质几乎可以出现在所有地貌单元中。因而, 在这类地区, 不同成因沉积物混杂现象较为突出, 这造成第四系成因填图法在半覆盖区应用效果不佳。
与第四系成因填图法不同, 第四系岩性填图法使用岩性填图单位系统, 该方法所使用的岩性填图单元可能刚好对应单独一个成因填图单元, 也可能对应多个成因单元。例如, 我们在内蒙苏尼特左旗达来地区填图过程中, 曾使用含砂块石(Qhsdr)、粉砂质黏土(Qhstc)、含砾石砂(Qhpbs)、含砾石黏土(Qhpbc)等岩性填图单元, 前二者分别对应残积物和湖积物两个成因填图单元, 而后二者则为坡积物质、洪积物质和风成物质三种成因单元物质的混合堆积。
因而, 第四系岩性填图法中所采用的填图单位除了能指示第四系的成因类型之外, 还能反映第四系不同成因物质混合的现象及不同成因物质的大致相对含量, 这是第四系岩性填图法相对于传统填图方法和“转石填图法”的主要优势。
1.2 第四系岩性填图法的运用目的
前文已经提到, 之所以要运用不同于传统填图方法的第四系岩性填图法, 主要是想在第四系覆盖层中提取基岩层信息, 这是运用第四系岩性填图法的一个目的, 可称为基岩恢复目的。这一目的主要可以通过对第四系含棱角状碎屑单元的调查实现,过去所用的转石填图法也可以实现这一目的。
在第四系岩性填图法所得到的地质图上, 可以看出不同地段第四系堆积中近原地碎屑(如角砾)的有无和相对含量。通过这些信息, 可以判断不同地段基岩恢复的可靠程度。这是运用第四系岩性填图法的第二重目的, 可称为基岩恢复可靠性评价目的,这一目的难以用转石填图法和传统地质填图法实现。上述两重目的均涉及到基岩恢复, 可作为一个目的对待。
除上述目的之外, 运用此填图法还有另一重目的, 就是要通过区分不同地段第四系堆积物的物源构成为化探工作提供景观依据。半覆盖区与覆盖区勘查难度之所以较大, 与覆盖层对基岩中矿化信息的屏蔽有关, 基岩中地球化学异常信息和地质信息的提取均会受到覆盖层的极大影响。
成秋明(2012)指出异地运移的覆盖层对化探工作最大的影响是造成异常弱化, 而难以获取、难以辨别, 甚至造成化探找矿信息的缺失。需要我们注意的是, 在半覆盖区, 覆盖层不完全由异地运移物质构成, 还或多或少的存在近原地风化物质。因而,不同地段找矿信息的弱化是不同的, 覆盖层性质不同, 化探方法亦应不同(刘汉粮等, 2013), 这就需要我们对不同地段覆盖层的构成加以识别。
运用第四系岩性填图法可以区分不同地段第四系堆积的碎屑构成和物源构成, 具备了这一基础,就能更合理地确定化探取样介质, 至少可以对化探结果的解释提供景观依据。第四系岩性填图法的这一目的可称为地球化学景观剖析目的, 传统填图方法和“转石填图法”的使用只能在不同成因混杂较弱的地区实现这一目的, 在不同成因物质混杂显著的地区, 传统填图方法和“转石填图法”难以实现这一目的。
1.3 第四系岩性填图法的适用条件
第四系岩性填图法实际上是在半覆盖区“不得已而为之”的办法, 若是基岩出露好, 就不需要采取这一方法。因而, 要保证其使用效果, 不得不考虑它的适用条件。
首先是地形条件, 它主要适用于丘陵与准平原地带。在地形较陡的地段, 第四系面积小且构成简单, 基岩恢复的意义较小, 第四系内部也不需要做地球化学景观剖析, 因而使用该填图方法的效果不明显; 相反, 该方法的使用会造成工作量的显著增加, 因而地形较陡的地段不适于推广此填图法。在地形过于平缓的地带, 如平原地区, 由于第四系的变化难以用肉眼观察, 也无法用简单的岩性填图法传统“岩性填图法”中, 仅有基岩地质体才按岩性(组合)划分填图单位, 若需显示这一差别, 将其称为“包括第四系的岩性填图法”也是可以的。
1.5 半覆盖区、覆盖区填图的其它专门方法
伴随半覆盖区、覆盖区各类地质工作的开展,逐渐出现了针对半覆盖区、覆盖区的一些填图方法和地质调查技巧。这些方法按思路可分为三类: 第四系自身填图法、探矿工程揭露基岩填图法、物化探推断基岩填图法。这三类方法与第四系岩性填图法应用特点存在巨大差别。第一类是以第四系本身的地质问题作为研究目标, 不考虑其下基岩; 而第四系岩性填图法的研究目标中既涉及第四系, 又涉及其下基岩, 且基岩地质问题是更重要的研究目标。后两类以基岩地质问题为研究目标, 但与第四系岩性填图法研究手段不同, 第四系岩性填图法是用第四系地质研究推断基岩, 而探矿工程揭露基岩填图法是用探矿工程直接揭露基岩, 由于成本极高,无法象第四系岩性填图法一样在勘查早期广泛使用;物化探推断基岩填图法则通过覆盖区的物化探研究来推断基岩, 与第四系岩性填图法的成本虽然不同,但差别并不悬殊, 这类方法提供的基岩信息不如第四系岩性填图法直接, 但这类方法有更深的探测深度与较广的应用范围。本文提出的第四系岩性填图法在工作方式上属于第一类做法, 但此方法的目的却与第三类方法相同, 可以将其定位为第四类填图方法, 称为地质推断基岩填图法类。
总的来说, 在半覆盖区, 第四系地质填图方法比传统填图法收集的信息更全面、更准确, 可以与物化探推断基岩填图法起到相互配合、相互验证的作用。
第四系自身填图法的主要目的是调查第四系本身的地质特征, 往往用于深覆盖区, 不考虑提取覆盖层之下的基岩信息(Bergman et al., 2002; 邱鸿坤等, 2004)。由于针对的地质问题存在差别, 填图过程中的具体做法并不一致, 如王保良(2002)提出的针对第四系基础地质调查的做法, 是将第四系垂向岩性组合或垂向成因类型组合以代号形式表达到平面图上; 邱鸿坤等(2004)提出的恢复海平面变化的填图方法, 是依据沉积物的岩性和分布形态划分填图单位; 还有王云生等(2002)提出的第四系沉积序列填图法。
王保良(2002)将他所提出的填图方法命名为“岩性组合(岩相组合)填图法”, 该方法与本文提出的“第四系岩性填图法”名称相近, 但内涵不同。王保良(2002)的方法是用钻孔揭示各点的第四系垂向岩性组合和成因类型组合, 将这些组合以代号方式标示在地质图上。所得到的地质图既反映平面变化, 又反映垂向变化, 既反映成因特征, 又反映岩性特征, 但不考虑也不能确定这些变化与基岩之间的关系。本文的方法是将地表出现的堆积物岩性变化反映在地质图上, 仅反映平面变化和岩性特征,且岩性填图单位划分方案一定要反映第四系堆积物与基岩之间的关系。
邱鸿坤等(2004)的方法将堆积物岩性作为填图单位划分的标志之一, 与本文所言“第四系岩性填图法”有相通之处, 只是邱鸿坤等(2004)提出的填图方法也不反映堆积物与基岩关系。王云生等(2002)提出的第四系沉积序列填图法与王保良(2002)的“岩性组合(岩相组合)填图法”思路接近, 只是图面表达方式不同, 前者在点位上直接画出沉积序列柱状图, 后者则使用岩性组合和岩相组合代号。总之,王保良(2002)、邱鸿坤等(2004)、王云生等(2002)的填图方法均适用于深覆盖区, 本文的第四系岩性填图法适用于半覆盖区和部分浅覆盖区。
探矿工程揭露基岩填图法是借助钻探等探矿工程获取第四系下基岩地质信息的填图方法, 曾在我国黑龙江等省份(石战结等, 2003)和发达国家(Andrews et al., 2011)的填图工作中使用。这类方法成本高、效率低, 近年来人们开始寻找相对快捷且经济更可行的方法(石战结等, 2003; 卢猛等,2015)。
物化探推断基岩填图法是运用物化探数据推断第四系下基岩地质情况的填图方法, 是浅覆盖区、半覆盖区填图地质矿产问题的另一类解决思路,许多地质工作者纷纷尝试运用这一思路, 该思路代表着浅覆盖区地质调查工作的一个重要发展方向(Lowe et al., 1998; 石战结等, 2003; 赖月荣等,2014)。在这一过程中, 可以单独运用一种物探手段(Lowe et al., 1998; 丁志强等, 2013), 也可以联合不同的物探手段(刘菁华和王祝文, 2005), 还可以物化探手段综合运用(崔占华, 2013), 也有学者在较薄的沙漠覆盖区运用遥感手段(Dabbagh et al., 1997)。
2 第四系岩性填图法中的碎屑堆积物分类与命名
第四系岩性填图法的核心问题是依据岩性合理厘定第四系填图单位系统的问题, 第四系物质的分类与命名是这一方法的前提。第四纪沉积作用既形成固结和半固结岩石, 也形成了大量松散堆积。固结岩石应按固结沉积岩或火山岩的分类命名方案确定岩石类型, 如我国东部的第四纪玄武岩。半固结岩石的分类与命名既可按固结沉积岩进行, 也可按松散堆积进行。固结沉积岩的分类和命名方案为广大地质工作者熟知, 本文简单讨论第四系松散堆积物的分类与命名方案, 讨论对象是在陆表覆盖层中常见的碎屑堆积, 不包括特殊环境中形成的堆积物(如钙华、盐湖沉积、珊瑚礁)。
2.1 第四系松散碎屑堆积物名称“类词缀”使用情况回顾
在中文名词构词法中, 能指示对象类别的类词缀广泛使用, 如“车前草”、“夏枯草”均以“草”为类词缀, “角闪石”、“孔雀石”均以“石”为类词缀, “云母”一词则未使用类词缀。第四系松散堆积物的岩性名称中, 也存在类词缀的问题, 但其使用情况较为复杂, 并不统一。已有地质资料中的堆积名称有不带类词缀的, 如安徽等省的区域地质志; 有以“土”为类词缀的, 如河北等省区域地质志和国标 GB958—99(区域地质图图例)中的“砂土”、“亚砂土”; 也有以“层”为类词缀的, 如河北和浙江等省区域地质志; 甚至还有用“土层”二字的, 但不排除笔误的可能。总体上讲, 不带类词缀的名称最多, “层”和“土”是使用相对频繁的类词缀。
由于“土”这一类词缀含义不统一, 我们对其应用情况进行分析。“土”一字在工程地质领域中使用最为广泛, 如《中华人民共和国地质矿产部土工试验规程》和《地质大辞典——岩土结构分册》。该字与英文“soil”对应, 在不同领域, 含义不完全一致。在工程地质领域指的是基岩层之上的未固结风化物, 包括了崩塌作用形成的块石堆积(称为块石土); 在农业领域, 该词指的是地表自然形成的能生长陆地植物的疏松介质, 主体为黏土和细砂, 不包括纯的块石堆积。可见, “土”一字在工程地质领域含义较宽泛, 与农业领域的定义存在差别, 因而,“土”一字是否可作为地矿领域第四系碎屑堆积的统一类词缀还值得商榷。
在地矿领域已有资料中, 使用“土”字类词缀的名称是比较常见的, 但带“土”字的词概念存在歧义。首先是“黏土”和“亚黏土”两词中“土”字所起作用不完全相同。“黏土”既可理解为第四系碎屑堆积中一类细碎屑的名称, 与英文 clay grain对应, 指黏土级碎屑; 也可指第四系碎屑堆积的岩性名称, 此时“黏土”指基本全为黏土级碎屑的第四系碎屑堆积, 对英文 clay对应; “亚黏土”一词则不指碎屑, 仅作为碎屑堆积的岩性名称, 与英文loam对应, 指黏土级碎屑为主含砂或砾级碎屑的第四系碎屑堆积。
其次, 不同领域对“亚砂土”的理解也不同。“亚砂土”是地矿领域使用相对广泛的第四系松散堆积物名称, 与英文sandy loam对应, 但在工程地质领域已改译作“轻亚黏土”, 指砂较多但仍少于黏土的一类碎屑堆积。在地矿领域, “亚砂土”则指砂多于黏土的碎屑堆积。
可见, 虽然“土”字是使用相对广泛的类词缀,但其应用有明显缺陷。首先, 它并没有成为统一的类词缀, 比如, 砾石堆积一般称为全新统“砾石”,而不称为“砾石土”。其次, 已有的带“土”字岩性名称在使用中存在混乱, 如前文提到的“黏土”与“亚黏土”中“土”字的差别。相比之下, 不带类词缀的第四系碎屑堆积名称反而是地矿领域已有资料中使用最广泛的岩性名称。
2.2 第四系松散碎屑堆积物命名建议
无论是工程地质领域, 还是基础地质和矿产勘查领域, 不带类词缀的命名均最为常见, 如褐灰色含砾石粗砂。因而不加类词缀的命名最简单, 也最易统一。所以, 笔者较倾向于这种命名方式。
在地矿领域, 若一定要为第四系碎屑堆积名称加上类词缀, 可统一使用“层”一字, 或使用“堆积”这一词缀, 前者简单易用, 后者则通用性更好。更为复杂的情况是对二者区别使用, 其中显示成层性的碎屑可用“层”一字, 如含砂砾石层, 成层性较差的可用“堆积”二字, 如含角砾砂质黏土堆积。
上面讨论的是基本岩性名称中的类词缀问题,有了基本岩性名称后, 第四系碎屑堆积物的详细名称还需要加上颜色、构造、结构、次要成分四个修饰要素, 如“棕灰色巨厚含砾石粗砂”一名包括了所有要素。
2.3 第四系松散碎屑堆积物分类方案
第四系松散堆积物的分类与陆源碎屑岩的分类有相似之处, 本文参考国标 GB958—99(区域地质图图例)中的名称和白顺果等(2009)给出的分类思想初步拟定了一个分类方案, 并给出了简单图解(图 1), 供专家和同行参考和讨论, 本文第四系岩性填图法对填图单位的厘定建立在该方案的基础上。
图 1给出了各类碎屑堆积的基本名称, 其中砾级碎屑堆积(投点区 1–3)的名称变化较多, 2～20 mm级别碎屑为主的堆积可称为砾石(圆状、次圆状;pebble)或角砾(棱角状、次棱角状; breccia); 20～200 mm级别的称为卵石(圆状、次圆状; cobble)或碎石(棱角状、次棱角状; gravel); 超过200 mm的称为漂石(圆状、次圆状; boulder)或块石(棱角状、次棱角状; rubble)。本方案采用了白顺果等(2009)对碎石土分类中所使用的粗碎屑粒径分类标准, 使用20 mm和200 mm作为粒径界限。沉积学中使用更广泛的是64 mm和256 mm的粒径界限, 或者取整数以60 mm和200 mm为粒径界限, 在实际工作中均可作参考。界限标准被我们采用。这一标准可供半荒漠区或半干旱草原区的填图工作参考, 要确定真正科学的粒径界限标准还需要结合其它地区的第四系填图实践。
图1 第四系碎屑堆积物分类方案
Fig. 1 The classification of Quaternary clastic deposits
框外数值为砾、砂、黏土三者的相对含量; 1-砾级碎屑堆积类, 粒径变化较大, 2～20 mm级别碎屑为主的堆积称为砾石(圆状、次圆状)或角砾(棱角状、次棱角状), 20～200 mm (或 20～60 mm)级别称为卵石(圆状、次圆状)或碎石(棱角状、次棱角状), 超过200 mm (或超过60 mm)的称为漂石(圆状、次圆状)或块石(棱角状、次棱角状); 2-黏土质砾级碎屑堆积类; 3-(粉)砂质砾级碎屑堆积类; 二者准确名称依据砾级碎屑粒径参照1类名称确定,如黏土质角砾、砂质漂石; 4-黏土; 5-含(粉)砂黏土;
6-(粉)砂质黏土; 7-黏土质(粉)砂; 8-含黏土(粉)砂; 9-(粉)砂Numbers around the triangle are relative contents of gravel, sand,and clay grain; 1-gravel-size clast, including pebble (2～20 mm,rounded or subrounded), breccia (2～20 mm, angular or subangular),cobble (20～60 mm, rounded or subrounded), gravel (20～60 mm,angular or subangular), boulder (over 60 mm, rounded or subrounded), rubble (over 60 mm, angular or subangular);2-clayey gravel-size clast; 3-sandy (or silty) gravel-size clast; as that of cluster 1, the two clusters need to be subclassified as clayey breccia, sandy boulder, etc.; 4-clay; 5-sand-or silt-bearing clay;6-sandy or silty clay; 7-clayey sand or silt; 8-clay-bearing sand or silt; 9-sand or silt
图1中投点区5–9为含砂级碎屑的堆积物, 若砂的主体粒径小于 0.1 mm(即肉眼不能识别颗粒,但感觉粗糙), 砂改为粉砂, 如粉砂质黏土、含黏土粉砂。砂级碎屑堆积可进一步细分为粗、中、细, 如浅灰色含砾石粗砂。
要准确确定堆积物中砾、砂、黏土的含量可以用筛分法, 需要10目、100目、350目三种网度的筛子, 留在10目筛上面的为砾, 10目到100目的为砂, 100目到350目的为粉砂, 350目以下的为黏土。用筛子将四者分开后, 可用目估、称重或量体积的方法计算其绝对数量, 再通过加和与除法计算得到相对含量, 砂和粉砂应该作为一类碎屑求百分含量,因而可不使用 100目的筛子, 仅在筛分后大致估计其主体粒径定为粉砂或砂。筛分法较适合细砾及更细粒径堆积物的含量测量。整体较粗的砾石类堆积物, 只要估计主体粒径和形态就能确定堆积物的具体名称, 如角砾、漂石等。要估计碎屑物的粒径和相对含量, 往往不同的地区都有它的技巧, 如肉眼估主体粒径、粗碎屑距离估计法等, 并不一定要用筛分法这么复杂的方法, 也可仅在经验建立之前使用筛分法。
在野外, 除了可使用筛分法分析细粒物质外,可用简单的塑性测验进行估计确定砂和黏土的相对含量。一般, 加水后能搓成直径小于0.5 mm的细长条, 长条可弯曲的碎屑堆积可定名为黏土; 仅能搓成粗一些的长条, 长条弯曲时会断裂的碎屑堆积可定名为含砂黏土; 不能成条但能捏成团且表面光滑的定名为砂质黏土; 潮湿的情况下能捏成团但表面有裂纹的可定名为黏土质砂; 潮湿的情况下能成块但形状随机不可控的可定名为含黏土砂。
3 第四系岩性填图法中的剖面测量工作介绍
第四系岩性填图法与传统区域地质调查的工作程序类似, 主要包括工作区资料收集、设计前踏勘、设计编写及审查、踏勘与填图单位初建、剖面测制与填图单位建立、路线地质调查、样品加工与测试、图件编制与报告编写等环节。这些环节中, 以剖面测制及后期整理工作较为复杂, 此处做详细介绍。
3.1 第四系剖面测制方式
对于第四系剖面的测制, 传统填图主要运用一种测量方法——第四系剖面垂向测量法, 即选定几处第四系发育典型、出露良好的部位, 从下到上的分层测量。这一做法能够较好地解决第四系本身的一些地质问题, 但对于矿产勘查所起的作用相对较小, 主要是因为此剖面测制方法所取得的成果对基岩恢复和化探工作提供的依据较少。若想较好地解决这两个问题, 需要测制基岩-第四系联合剖面, 测制方向以横向-垂向联合法最理想; 若找不到适合横向-纵向联合测制的地段, 就要运用横向测量法,但仍要求有基岩出露。可见, 第四系岩性填图法中的剖面测法涉及垂向测法、横向测法、横向-垂向联合测法三种测制方式, 因而剖面测制是该填图法较复杂的环节。
这三种测制方式的作用是不同的, 其中, 垂向剖面主要解决第四系岩性特征、地层学特征、指示第四系成因、提供年代学地质依据这四个基础地质问题; 横向剖面主要解决第四系岩性特征和分布情况、第四系物源构成和迁移尺度等问题, 也就是为基岩与第四系碎屑之间建立内在联系, 在基岩恢复和地球化学景观研究方面起的作用较大; 而横向-垂向联合剖面兼有前两种剖面的作用, 效果又远在前两种剖面之上。横向-垂向联合剖面还能解决化探异常迁移尺度问题, 但一般要采集并测试大量地球化学样品, 需结合化探任务完成, 此处不予介绍。下面我们对横向-垂向联合测法、剖面工作中的基岩恢复可靠性判断、剖面工作中的填图单位厘定等要点分别进行介绍。
3.2 横向-垂向联合剖面测制方法
横向-垂向联合剖面作用重大, 但只有选出好的揭露地段才能发挥其作用。这种剖面有两个必备条件, 一是要发育典型覆盖类型, 如内蒙达来地区的风积层; 二是要求剖面下部有基岩, 至少是部分部位有基岩并且其它部位能见到半风化层。针对不同的问题, 这类剖面还要求具备其它条件。若要研究第四系碎屑的迁移尺度, 需要基岩岩性简单而不单一, 两种岩性各在一侧, 并占半段剖面是最为理想的状态; 若要研究第四系物源构成, 需要多种基岩在剖面上均有一定范围的出露; 若要恢复第四纪构造事件和地层学特征, 则单一基岩构成的剖面是较为理想的。
横向-垂向联合剖面的测制方法是据探槽工程编录方法改进形成, 基线布置在地表, 并以基线上的多个点为起点向下布置垂向剖面(图2)。垂向剖面的密度依据地质复杂程度和剖面测制目的确定, 若要解决元素水平迁移尺度问题, 垂向剖面应布置为5 m一条或更大密度; 若要解决第四系物源构成和碎屑迁移尺度问题, 垂向剖面间距可设置为5～30 m;解决其它问题时垂向剖面可仅在关键部位布置, 而不设定严格的间距。
图2 第四系岩性填图法横向-垂向联合剖面测线布置
Fig. 2 The traverse layout scheme for vertical-transverse Quaternary profiling
对于间距较小(如 5 m)的横向-垂向联合剖面,分层、观测可仅在垂向测线上进行。在图2所表示的情形中, 分层与观测可仅沿S23、S24、S25等各垂向测线自上而下进行。对于垂向剖面间距较大的横向-垂向联合剖面, 分层和观测需在垂向测线和基线上同时进行, 两种分层系统各自独立。
3.3 利用剖面评价基岩恢复可靠性
前文已提到运用第四系岩性填图法的一个重要目的是恢复基岩岩性, 并能知晓其可靠程度。基岩恢复工作主要是依据路线地质调查所得到的成果;可靠程度评价则只能结合剖面完成, 可以结合基岩-第四系的横向-垂向联合剖面, 也可以结合基岩-第四系的横向剖面。
基岩恢复的可靠性与基岩风化碎屑的分布范围有关, 性质不同的岩石、同种岩石风化出的不同粒级的碎屑、及相似碎屑在不同的地形和气候条件下分布范围均不同, 即相对于基岩的迁移不同。因而, 即使是运用剖面, 也只能解决一般地形条件下,主要基岩类型所风化出的较粗碎屑相对于基岩的迁移距离。
若要确定一种岩石(如岩石 A)的风化碎屑迁移距离, 首先要选择一个风化碎屑较多但又存在基岩露头的剖面, 若岩石A位于剖面的一端则为理想剖面, 通过测量另一段剖面上基岩A碎屑的粒径与含量变化就能大致确定不同岩性堆积物恢复岩石A的可靠程度。
内蒙达来地区楚鲁图一带除见少量基岩外, 多数地段被第四系覆盖(图 3A), 通过上述方法, 在内蒙达来地区楚鲁图一带确定成分为板岩的块石(Qhrbb)和含角砾砂(Qhbrs)与板岩基岩的最大距离分别为2 m和50 m; 成分为花岗岩的碎石(Qhgrv)与花岗岩基岩的最大距离为22 m; 成分为花岗岩的含角砾砂(Qhbrs)多不出现(图 3B)。由此可以确定, 即使地表未见基岩, 可以认为出现 Qhrbb、Qhgrv和 Qhbrs的地段其下存在相应基岩, 能够进行基岩恢复。其中, 用 Qhrbb和 Qhgrv恢复基岩可靠性较高, 误差一般为数米到二十余米; 用 Qhbrs恢复基岩的误差略大, 在这一地区一般小于50 m。能达到这一可靠程度, 说明在该区1:1万和更小比例尺的填图工作中,基岩恢复工作是有效的。严格地讲, 基岩推断结果多高于 1:5万填图的精度要求, 即图上误差不大于1 mm; 局部可以达到1:1万的精度要求。
图3 内蒙苏尼特左旗楚鲁图不同基岩风化碎屑迁移情况
Fig. 3 The retaining extent of gravel-size clast from different bedrocks in Qulut, Sonid Left Banner, Inner Mongolia
A-楚鲁图地区第四系覆盖情况; B-楚鲁图地区不同基岩风化碎屑迁移距离
A-the covering feature of Qulut area; B-the retaining extent of gravel-size clast in Qulut area
3.4 利用剖面划分填图单位
填图单位的厘定不仅要借助剖面实测工作完成, 还需要借助剖面实测之前的踏勘和之后的路线地质调查方能完成, 但剖面实测起的作用却是最大的。通过剖面工作可确立各单元的岩性组成和层序结构, 也可确定不同填图单元之间分界的准确位置。要借助剖面建立填图单位系统, 大致可按以下步骤进行。
(1)剖面实测, 依据岩性变化对第四系碎屑堆积进行实地分层, 要参照上文“第四系碎屑堆积物分类与命名方案”来识别岩性, 修饰性名称需参与分层。
(2)在野外制作实测剖面草图。
(3)结合剖面图和记录表总结各层的变化要素,如颜色、碎屑形态、碎屑粒径、构造等。由于第四系碎屑的成分主要由基岩决定, 在半覆盖区往往较复杂, 所以碎屑的成分是极少用到的单元划分依据。
(4)总结出普遍性的变化要素作为单元划分依据。对第四系堆积物, 碎屑形态和碎屑粒径一般可作为主要的划分依据, 颜色、构造、甚至粗碎屑的成分可作为辅助依据。
(5)按照建好的单元划分依据在剖面上建立室内分层, 如含砂角砾、含黏土角砾等。
(6)根据各室内分层在工作区的分布情况、识别难度、不同分层的成因依存关系和空间依存关系,决定室内分层的合并, 得到填图单位系统, 如在花岗岩区, 含砂角砾和含黏土角砾多相伴而生可合并为含砂/含黏土角砾。不同单元可仅由堆积物基本名称限定, 也可包含修饰性名称, 但必须能在野外识别, 不至于引起混乱, 如全新统含角砾砂(Qhbrs)和全新统含砾石砂(Qhpbs)两个单元是由修饰性名称区分的。
(7)明确不同填图单元之间的分界位置, 完善各填图单元的岩性组成、层序特征和鉴别标志。
4 第四系岩性填图法的其它操作环节
4.1 野外踏勘
设计完成后野外踏勘的主要目的是查明工作区的地形交通和基岩出露情况, 初步了解工作区内可能的填图单元, 进一步确定或优化剖面位置, 并明确路线布置方案。半覆盖区的踏勘工作与基岩出露区不同, 第四系踏勘路线要尽量通过不同的地貌单元, 可以垂直山脊布置, 由较陡的基岩出露区边部开始, 深入到地势最低平的地段, 如湖边、河边、湿地或草地内部等。
踏勘路线一般在工作区内甚至边部尽量稀疏地布置 2～5条, 可以与基岩区踏勘合用路线, 路线踏勘尽量不分组, 所有技术骨干全体参与每条踏勘路线。踏勘中应该注意碎屑的大小、形状、大致含量, 对于棱角和次棱角状的碎屑还要粗略统计其原岩岩性类型。在踏勘工作基础上, 参照“第四系碎屑堆积物分类与命名方案”初步确定区内可能出现的第四系岩性填图单元, 为通过剖面正式确立填图单位系统提供依据。
4.2 地质路线安排
在基岩出露相对较好的工作区, 路线安排主要考虑有效控制基岩之间的界线, 而不应把揭露第四系内部界线作为重点。在基岩露头零星的工作区,路线方向应尽量垂直山脊, 并尽量通过所有陡坎,以控制稀缺的基岩露头。路线的密度可遵照基岩出露区的填图标准, 但在地形较缓、第四系岩性相对单一的地段可放稀路线, 以免浪费工作量。
4.3 第四系地质现象的野外观察与记录要点
第四系地质现象的野外记录要点包括堆积物颜色、碎屑粒级构成、碎屑分选、砾级碎屑磨圆、砾级碎屑原岩岩性(碎屑的成分)、砾级碎屑扁平度、砾级碎屑表面特征、砾级碎屑排列方向、砾级碎屑排列图案、风化程度、胶结程度、层理构造、层面构造、有无多元(二元)结构。
颜色包括干色、湿色、次生色等。碎屑成分对地质矿产工作较为重要, 对每种次棱角状、棱角状砾级碎屑都应该描述。粒度、分选、磨圆、扁平度、砾级碎屑表面特征均为结构信息, 可以指示堆积物形成环境与搬运距离。砾级碎屑排列方向、砾级碎屑排列图案、层理构造、层面构造、有无多元(二元)结构主要反映搬运介质属性和动力特征, 胶结程度反映沉积后的地质作用。
4.4 结果图件与第四系界线勾绘
景才瑞等(1990)详细介绍了第四系地质图件的种类、图面内容和结构。此处仅介绍前人未讨论的内容, 主要是第四系岩性填图法的结果图件和第四系界线的勾绘要领。
要合理表达第四系岩性填图法的工作成果需要两套地质图, 一套是实际测量得到的普通地质图,另一套是基岩推断地质图, 如推断内容较少, 可以用角图或报告插图的形式表达。此方法的普通地质图与传统方法得到普通地质图的图名和表达方式相同, 只是图上出现的第四系地质体类型较多, 属于岩性填图单元, 而不属于成因填图单元。如果对所有的第四系单元均作基岩推断, 所得到的图件常称为基岩地质图, 第四系岩性填图法的基岩推断只针对部分第四系单元。此推断图需要在第四系岩性地质图的基础上完成, 首先依据填图精度要求和不同第四系岩性单元的基岩恢复精度确定哪些单元可以做基岩推断(后文称“可推断单元”), 哪些因误差太大不宜推断; 然后形成单独的实际材料图, 其上主要标注可推断单元中棱角状碎屑的两种主要岩性;在此基础上制作基岩推断图件, 确定图上出现的地质体种类和范围, 对于一定范围内始终以次要碎屑成分出现的地质体要缩小范围, 虚线表示。
第四系界线的勾绘与基岩地质体界线勾绘存在差别, 总的来说, 在半覆盖区, 其界线应以野外现场勾绘为主, 仅少量可在室内进行。不利于界线室内勾绘的因素有两个, 一是由于第四系堆积物与基岩之间实质上属于角度不整合关系, 它的边界与基岩内部界线之间不是协调的, 弯曲而多变, 因而,一般不能依据相邻地质界线推断第四系边界的大致形态。二是虽然第四系界线与地形有关、第四系内部界线部分协调, 地形线是第四系边界勾绘的参考依据, 但在达来这样的草原覆盖区, 即便是高精度的地形图, 地形单元差别仍不明显, 地形线起的作用较小。
第四系是形成最晚的地质体, 会切断所有基岩地质体之间的界线, 因而在有基岩地质体存在的情况下, 应最先完成第四系边界的勾绘, 任何基岩间的界线不能直穿此边界, 而应被此边界截断。在第四系内部, 应首先完成地势最低处的地质体边界圈定。其它单元中, 较粗碎屑单元之间的界线, 按从粗到细的顺序沿第四系外边界进行圈定; 较细碎屑单元之间的界线, 按从细到粗的顺序沿地势最低处单元边界进行圈定。以上方法既适用于野外现场勾绘, 又适用于室内连图。
5 总结
前文已介绍了“第四系岩性填图法”的基本情况, 在此, 我们对该方法的主要特点与操作要点做出总结。此方法属于半覆盖区矿产勘查中的特有地质填图方法, 其出发点是用传统地质手段发掘第四系中的基岩信息, 运用该方法得到的填图结果可作为基岩恢复和化探工作设计与结果解释的依据。
第四系岩性填图法主要依据第四系松散堆积中碎屑的形态、粒径、含量变化等岩性特征划分填图单位, 不同岩性填图单元的分布范围与源基岩范围的吻合程度不同, 不同单元恢复基岩可靠性也不同, 在棱角状砾级碎屑较多的地区, 基岩恢复能够达到中(大)比例尺填图的精度要求。在第四系填图工作中, 剖面工作复杂而重要, 尤其是同时揭露基岩与第四系覆盖的横向-垂向联合剖面; 通过第四系剖面测制, 可细化填图单位划分方案, 并能评价不同填图单位基岩恢复的可靠性。运用第四系岩性填图法填图, 除需要编制传统地质图并加入第四系岩性信息外, 还要对部分第四系单元做基岩恢复,编制基岩推断地质图。
致谢:中国地质大学(武汉)资源学院徐启东教授、刘锐副教授、杨振博士、内蒙古自治区地质调查院尚恒胜教授级高工等曾在内蒙半覆盖区与笔者一起开展野外工作, 给了笔者较多帮助、建议或督促,在此一并致谢。匿名审稿人对本文进行了极为细致的审阅, 提出了较多有益的建议, 提高了本文的可读性; 尤其是一名审稿人帮作者逐字逐句修改了英文摘要, 审查了插图的每个花纹和代号, 认真程度远超笔者本人, 令人钦佩。收笔之际, 向审稿人表示衷心的谢意。
Acknowledgements:
This study was supported by China Geological Survey (No. 2010020057).
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Quaternary Petrography-based Mapping Method:A Modified Mapping Technique for Mineral Exploration in the Partially Covered Area
Abstract：Mapping units (MU) of Quaternary sediments generally used now in regional geological survey are genesis-MUs in nature for they are classified according to depositing process. Though the genesis-MU method has been broadly used in the past decades, muddle would occur in the partially covered area because of mixture of the Quaternary sediments of different origins. In this study, the authors developed a new mapping method, named petrography-based Quaternary mapping method (PBQMM), for mineral exploration in the partially covered area with the purpose of avoiding such confusion. In this method, MUs are classified according to petrographic features; as for Quaternary sediments, such factors as shape, size, and content of gravel-size fragments are the key elements referred. Based on these elements, base type and integrated name can be determined to distinguish Quaternary sediments of different locations. Like the traditional mapping method, the PBQMM can extract information on distribution and petrography of Quaternary sediments; nevertheless, it can deduce bedrock information, and help enhancing and explaining geochemical anomalies. To get the additional information efficiently, researchers should seek and survey geological profiling revealing Quaternary sediments as well asbedrock. Traditional geological map and deducted bedrock geological map are both needed in the PBQMM so as to express the information correctly.
Key words：classification and nomenclature of Quaternary loose deposits; mapping units division;horizontal-vertical geological profiling; Quaternary petrography-based mapping method; partially covered area
中图分类号：P534.63; P623.1
文献标志码：: A
doi：10.3975/cagsb.2017.04.12
收稿日期：2016-09-10; 改回日期: 2016-10-26。责任编辑: 闫立娟。