第四系科学钻探及地层对比方法探讨
【类型】期刊
【作者】黄永波，侯建华，宋志勇，任天龙，刘银，张志刚（山东省地质调查院）
【作者单位】山东省地质调查院
【刊名】山东国土资源
【关键词】 第四系科学钻探；松散沉积物；钻孔编录；第四纪地层对比；莱州湾南岸
【资助项】中国地质调查局《山东1∶5万辛安庄、海沧、昌邑、新河、朱里幅区域地质调查》
【ISSN号】1672-6979
【页码】P71-75
【年份】2019
【期号】第10期
【摘要】随着社会经济发展的需要,地方经济可持续发展中部分环境、资源问题的基础——第四纪地质变得日益重要,第四系钻探作为第四系覆盖区填图的重要工作手段,钻探质量及编录资料的质量直接影响着第四系区域填图成果的表达。该文结合1∶5万辛安庄等五幅区调项目实践经验,对第四系科学钻探的工作流程进行了总结,并对第四纪钻孔多重地层划分与区域对比方法进行了初步的探讨。
【全文】 文献传递
第四系科学钻探及地层对比方法探讨
摘要：随着社会经济发展的需要，地方经济可持续发展中部分环境、资源问题的基础——第四纪地质变得日益重要，第四系钻探作为第四系覆盖区填图的重要工作手段，钻探质量及编录资料的质量直接影响着第四系区域填图成果的表达。该文结合1∶5万辛安庄等五幅区调项目实践经验，对第四系科学钻探的工作流程进行了总结，并对第四纪钻孔多重地层划分与区域对比方法进行了初步的探讨。
关键词：第四系科学钻探；松散沉积物；钻孔编录；第四纪地层对比；莱州湾南岸
引文格式：黄永波，侯建华，宋志勇，等.第四系科学钻探及地层对比方法探讨[J].山东国土资源，2015,31(10)：71-75.HUANG Yongbo, HOU Jianhua, SONG Zhiyong, etc. Discussion on Quaternary Scienrific Drilling and Stratigraphic Correlation Method[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(10):71-75.
0 引言
第四纪作为与人类关系最为密切的一个地质时期，其新构造运动，沉积物的形成、环境气候的变迁、动植物的演替与人类经济活动密切相关，对未来的可持续发展、长远发展规划、区域的类型定位都离不开对该地区地质背景条件的深入了解。近年来，第四系大面积覆盖区的填图工作正陆续展开，其重要目标任务之一就是查明调查区第四系地质结构、地层划分对比、空间展布及相互关系，探讨第四系地质环境演化，建立第四系三维地质结构模型，其成果对地方政府的发展规划制定可起到有力的支撑作用。
在此背景下，2012年由山东省地质调查院承担实施了国家大调查项目第四系覆盖区区调试点1∶5万辛安庄等五幅区域地质调查。调查区位于莱州湾南岸，整体地势南向北倾斜，南高北低，南部为山前洪积区，北部主体为冲积平原，沿海部分为冲积海积平原，海拔高度1～30m；横跨低山丘陵和滨海平原两大地貌单元，北部地处典型的海陆交互带，受气候波动、海平面升降的影响，第四系沉积物类型复杂，岩性岩相多变，地层结构复杂。在深入分析调查区前人已有成果资料的基础上，针对调查区第四纪地层变化规律，拟定了工作思路与技术方案，旨在建立第四纪地层综合划分区域标准地层柱。由于调查区第四纪地质体和地质现象多以平面状展布为主，露布性差，而常规的地质填图方法多以地面地质调查为主，对调查和研究第四系有较大的局限性。要建立第四系三维地质结构模型，离不开物探、钻探等多种手段的综合运用。该文仅对第四系科学钻探及第四纪地层对比方法进行初步的探讨。
1 第四系钻孔数据建设
第四系钻孔数据建设是开展覆盖区三维第四系结构调查与研究的基础。调查区以往的钻孔资料对第四纪地层的处理较为粗略，无法达到该次工作的精度要求。项目组通过多方征求第四系专家的意见与建议，并结合调查区已有的第四系钻孔的工作资料，通过具体工作实践，初步总结出一套适合覆盖区第四系钻孔数据建设的工作方法与技术流程。
1.1 背景研究及技术准备
在收集、整理工作区已有的各类地物化遥及钻孔资料的基础上，同时结合前人对区域第四系调查研究成果资料进行综合分析，对调查区地貌、第四纪地层结构及沉积物类型、古河道走向及古湖泊分布有一个总体的了解。在此基础上依据以下原则合理的布置物探工作，以确定第四系钻孔位置。
(1)根据调查区已有的钻孔及物探资料，并根据新布设浅层地震剖面位置，在合理利用已有钻孔资料的基础上，合理控制第四系钻孔的分布密度，以满足网度控制要求。
(2)依据现代地貌类型与控制第四纪地层的构造单元分布，并优先选择具有区域代表性及发育完整的第四纪地层区进行钻孔的布置。
(3)尽量避开古河道，选择松散沉积物颗粒较细、砂砾石层发育相对较少的地段，以保证钻孔取心率及各类样品的采取。
1.2 第四系钻探施工技术要求
第四系钻探的前期技术准备工作、钻孔设计书编写要求及施工、编录整理与一般的地质编录工作要求相似，已有较为成熟的工作方法及技术规范[1-3]，在此不再一一赘述。钻探施工时要注意泥浆钻进，以保证孔壁的完整性，防止塌孔、缩径等现象，并注意孔深、孔斜的校正。
1.3 岩心的处理及照相
(1)岩心保存：将110mm直径的PVC管截成1m的长度，并一剖为二，将整理好的岩心放入PVC管中保存，PVC管上要表明孔号、孔深及岩心上下位置。
(2)剖岩心：采用特制的钢筋架将岩心居中剖开，正确掌握操作要领，使岩心切面尽量保持平直，剖开的一半岩心描述及取样，剩余一半密封保存，以达到保湿、防震效果，利于长期保存。
(3)切面修整：利用刮刀、刷子等工具将剖开的岩心刮平，除去剖岩心时沾染到表面的泥浆等杂物，使岩心颜色、内部沉积结构、构造更加清晰。
(4)放置岩心标签：以美术体书写或打印，将裁好的标签放在岩心管底部下沿；标签宽度以岩心管直径的1/3为宜，不要超过1/2，尽量少遮挡岩心。
(5)照相：对岩心进行精细拍照，照相记录应包括孔号、拍照位置(准确的深度)、拍照内容、拍照比例尺等。分远照与近照，远照即对岩心整体进行拍照，室内利用制图软件进行拼接处理，制作全孔岩心图像；近照即将特殊的沉积现象进行拍照，如保存完好的沉积构造、特殊的地层接触关系、动植物化石、矿物结核等进行单独拍摄，要注意做好标记(图1)。
图1 岩心照相及全控岩心图像拼接
1.4 岩心详细编录及取样
仔细观察岩心岩性，根据颜色、矿物成分、颗粒大小和含量、层理类型等进行综合性判别后，进行分层描述，包括沉积物的岩性、颜色、结构构造、包含物(矿物结核、动植物化石等)、次生变化、成因类型、接触面形态及分层层序、厚度、深度等。第四系钻孔的成图比例尺(垂向)一般为1∶100～1∶500，编录时应视钻孔的精度要求掌握最小分层厚度。对特殊的标志层(如硬土层、泥炭层、贝壳层等)不论厚度大小均应单独分层描述。
要特别注意对沉积物颜色(注意区分原生色、后生色)的描述，颜色描述时以标准土壤色卡——蒙塞尔色标(Munsell Scale)定名，使颜色的描述不因编录人员的主观因素而变化，并保持颜色描述的可还原性。对特殊岩性层、构造现象及沉积旋回及其所代表的环境意义应加以描述。如以硬土层为代表的古土壤层或古风化壳一般会出现于寒冷期顶部，或冷暖交替期间，可作为气候旋回的重要识别标志[4]。沉积物在垂向上的粒度、颜色、组分变化形成的韵律性或旋回特征在一定程度上受气候变化及海(湖)平面变化影响[5-7]，在同一构造单元下，其韵律性往往具有区域对比意义(图2)。
图2 蒙赛尔标准土壤色卡
1.5 样品采取
对钻孔岩心所采取的所有样品都要求新鲜无杂质，尤其要剔除表面及岩心裂隙面灌入的泥浆等污染物。遵循薄层多取，厚层少取的原则[8]。系统采集古地磁、磁化率、微体古生物、粒度分析、孢粉样品及相关的地球化学样品。对炭含量较高的层位可适当采集14C测年样品，粉细砂、粉砂层位等可考虑采集热释光或光释光年龄样。
1.6 钻孔资料综合整理
将野外编录资料及岩心照片进行整理，统一入库，编制第四系钻孔综合地层柱状图，进行岩石地层、生物地层、磁性地层、年代地层等多重划分对比。综合柱状图的垂向比例尺一般在1∶100～1∶500，标志性地层厚度较薄时可适当放大表示。综合柱状图中加入拼接好的全孔岩心图像，对钻孔地层结构与沉积相组合特征进行直观表达。
2 第四系钻孔综合研究与孔间地层对比
在第四系钻孔综合研究的基础上，对代表性第四系钻孔进行详细划分与对比，编制综合柱状图，并对代表性钻孔进行第四纪地层对比，建立工作区第四纪地层层序及填图单元划分方案。
2.1 第四系标准孔综合研究及地层划分
鉴于调查区地处莱州湾南缘，北部又处于潍河、胶莱河两大河流入海口，区内遍布第四纪以来形成的古河道、古湖泊[9-10]，南部还存在风积作用形成的沙丘、砂垄[11-12]；第四纪沉积作用类型与沉积结构复杂，沉积物的同期异相和异期同相极为普遍，对地层的划分与区域对比难以用某种单一方法来进行。因此，须遵循岩石地层学、年代地层学、生物地层学与气候地层学多重地层划分原则和方法，同时结合浅层地震、综合测井等资料进行综合分析。在学习、吸收前人已有的第四系区域地层对比方案的基础上[8，13-15]，结合调查区第四系沉积特点，确定了第四纪地层划分的主要依据。
2.1.1 第四纪地层划分的主要依据
(1)第四系沉积物的岩性(如颜色、结构、沉积构造等)、岩相变化特征，沉积物韵律、沉积间断及其他标志。
(2)第四系沉积物分布特征、埋藏深度与沉积相结合。
(3)古气候的周期性冷暖变化及海侵海退、古地理环境的变化及沉积环境对全球气候变化的响应。
(4)古地磁磁极性变化与稳定同位素测年相结合。
(5)能进行区域地层与时代对比的特殊层位，如贝壳层、古风化壳、硬土层(局部表现为古土壤层)等，便于更好地进行野外直接分层和掌握。
2.1.2 区域对比标志
以标准孔多重地层划分为基础，通过各孔古土壤、古暴露面或剥蚀面、沉积界面的识别标志研究，解决了标准孔与一般钻孔的等时对比问题，建立了区域对比标志：
(1)岩性标志：由于古气候的旋回性特征，导致沉积环境发生周期性变化，往往使沉积物形成粒度、颜色及成分上沉积韵律，其所代表的沉积旋回、亚旋回在区域上往往具有可对比性。
(2)沉积标志层与沉积间断：调查区各钻孔显示第四纪地层在垂向上均发育几层硬土层(局部表现为古土壤层)。硬土层上覆岩性层一般呈突变接触关系，而与下伏岩层具渐变关系；含水量较少，固结程度较好，一般呈坚硬块状，硬度上明显区別于上下层；硬土层的色调常呈黄褐色、灰绿色或杂色，由于暴露氧化所致普遍有铁、锰质浸染或含铁锰质斑块、结核；硬土层具有明显的识别标志，且在区域上具有普遍性，可作为是划分地层的重要标志层[13，16]。
(3)古气候标志：第四系松散沉积物中的孢粉种类及其组合特征是确定古气候冷暖变化，进行古气候分期的重要标志。寒冷期孢粉含量较少，以喜冷的针叶树或草本花粉为主。温暖期孢粉种类比较丰富，孢粉组合以阔叶树花粉为主。但在具体应用时不能以偏概全，应结合沉积环境进行综合分析[16]。
(4)海侵标志：微体古生物分析已经证明是沿海平原和陆架海侵研究的最重要手段之一[15，17]。根据有孔虫、介形虫的分布及其组合特征进行划分对比，并结合岩性岩相综合分析，以确定海侵时代及标志层，划分出调查区的海侵时序及进退变化范围。
2.2 孔间地层对比与第四系剖面研究
以调查区填图单元综合划分方案和区域对比标志为参照依据，以第四系标准孔为基准，编制调查区第四系钻孔地层柱状图，进行孔间地层对比及单孔地层划分及归属。结合区域浅层地震勘探资料，编制控制全区的纵横向第四系地质剖面图，综合分析第四系沉积结构特征，构建平原区第四系宏观地层格架(图3、图4)。
图3 钻孔综合柱状图(后续样品测试结果待加入)
图4 勘探1线孔间地层对比
(图中①-④为海侵层)
3 结语
(1)第四系标准孔有一套完整的工作流程，从钻孔的合理布置、全孔取心钻探、岩心的保存与系统照相、精细编录与系统取样到钻孔资料的综合整理，每一个技术环节都有特定的技术要求，与一般的矿产编录过程多有不同。而将全部岩心用PVC塑料管进行密封保存与系统编号，达到了保湿、防震的预期效果，使保存的岩心在几年之后仍能基本保持原样，为室内精细研究及后续补充研究创造了有利条件。对全孔岩心进行系统照相并拼接实现了对钻井垂向地层结构的最直观表达。初步的实践证明，该方法技术是行之有效的，在河口—海湾、沿海地区具有一定的推广意义。
(2)调查区地处莱州湾南缘，北部又处于潍河、胶莱河两大河流入海口，区内遍布第四纪以来形成的古河道、古湖泊，南部还存在风积作用形成的沙丘、砂垄；第四纪沉积作用类型与沉积结构复杂，沉积物的同期异相和异期同相极为普遍，钻孔之间的地层对比不能采用深度加岩性的简单对比法，须遵循岩石地层学、年代地层学、生物地层学与气候地层学多重地层划分原则和方法，同时结合浅层地震、综合测井等资料进行综合分析。合理划分第四纪地层层序、确定区域对比标志是关键，在第四纪区域地层对比的基础上，建立调查区第四系钻孔数据库，构建三维第四纪地质结构模型。
(3)该文只是1∶5万辛安庄等五幅区域地质调查项目覆盖区第四系调查与研究方法的阶段性总结，项目的后续工作还在开展，样品测试结果的分析与整理还在进行中，对区域地层对比及项目最终成果的表达还处于进一步探索、改进与完善之中。
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Discussion on Quaternary Scienrific Drillingand Stratigraphic Correlation Method
Abstract:Accompanying with the demand of social and economic development, Quaternary geology is becoming increasingly important, for which is a basis for sustainable development of local economy. Quaternary scientific drilling is an important means on geological mapping which covered by Quaternary sediments. The quality of geological drilling and geological logging determines the expression of geological survey of Quaternary covering region. In this paper, Quaternary scientific drilling workflow has been made, and multiple stratigraphic division and regional stratigraphic correlation of Quaternary sediments have been studied.
Key words:Quaternary scientific drilling; unconsolidated sediments; geological logging; Quaternary stratigraphic correlation; south coast of Laizhou Bay
收稿日期：2015-02-05；
修订日期：2015-03-11；编辑：陶卫卫
基金项目：受中国地质调查局《山东1∶5万辛安庄、海沧、昌邑、新河、朱里幅区域地质调查》(项目编号1212011220485)资助
中图分类号：P634.5
文献标识码：B