盧 猛，何遠(yuǎn)信，宋殿蘭，譚春亮，趙洪波

(1．北京探礦工程研究所，北京100083;2．中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

0 引言

內(nèi)蒙古中東部大部分地區(qū)被草原覆蓋，大興安嶺成礦帶從該區(qū)穿過，是我國重要的多金屬成礦集中區(qū)，找礦潛力巨大。由于淺覆蓋層的存在，區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地球化學(xué)勘查等勘查手段受到很大程度影響，在運(yùn)積物覆蓋超過2 m的地區(qū)常規(guī)化探手段難以取得良好的測(cè)量效果［1］。為了研究淺覆蓋區(qū)不同沉積單元元素地球化學(xué)分布規(guī)律、揭露被覆蓋區(qū)域下伏地層巖性變化特點(diǎn)，需要采集自地表直至基巖的不同覆蓋結(jié)構(gòu)單元層樣品［1］。本地區(qū)覆蓋層通常由腐殖質(zhì)、風(fēng)成沙、粘泥層、礫石層、含水層等地層中的兩種或多種組合構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。洛陽鏟等人力取樣工具無法穿透覆蓋層，且本區(qū)地表干旱缺水，不適宜泥漿循環(huán)鉆進(jìn)工藝?？焖俅┩父采w層，采取目的層樣品成為該區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作需要解決的關(guān)鍵問題。通過針對(duì)本地區(qū)第四系覆蓋層的不同結(jié)構(gòu)，采用不同的取樣工藝方法組合，解決了該區(qū)域淺層取樣問題。使得淺鉆化探方法技術(shù)突破了淺覆蓋區(qū)常規(guī)化探方法和其他勘查方法難以奏效、多解性或間接性等“瓶頸”，為開展淺覆蓋區(qū)1:25萬區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查奠定了基礎(chǔ)［1］。

1 淺鉆取樣技術(shù)

淺鉆取樣技術(shù)是以鉆穿淺覆蓋層采取淺部地質(zhì)樣品為目的的鉆探取樣技術(shù)，主要包括淺層鉆探裝備和淺層取樣工藝方法2個(gè)部分。我國淺覆蓋區(qū)地質(zhì)景觀類型多樣，覆蓋層構(gòu)成復(fù)雜多變，所需淺鉆取樣裝備及取樣工藝也各不相同。趙洪波等在其論文“以鉆代槽勘查技術(shù)方法與應(yīng)用研究”中，對(duì)淺鉆取樣技術(shù)所涉及的國內(nèi)外淺層取樣裝備和淺層取樣工藝做了簡單的歸納［2］。冉恒謙等在其論文“地質(zhì)鉆探技術(shù)與應(yīng)用研究”中對(duì)北京探礦工程研究所及中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)的淺層取樣裝備做了簡要介紹［3］。譚春亮等在其論文“全液壓車載鉆機(jī)在缺水地區(qū)化探取樣中的應(yīng)用研究”中，對(duì)全液壓車載鉆機(jī)及缺水地區(qū)的鉆探取樣工藝做了介紹，提出車載空氣潛孔錘鉆探工藝特別適合大面積的化探普查工作［4］。劉文武等在其論文“空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在新疆東天山成礦帶的應(yīng)用”中介紹了我所研制的機(jī)動(dòng)淺鉆及空氣潛孔鉆正循環(huán)取樣工藝在東天山示范區(qū)的應(yīng)用情況，解決了我國干旱地區(qū)低成本快速取樣的難題［5］。

1．1 內(nèi)蒙古草原淺覆蓋區(qū)淺層取樣裝備

內(nèi)蒙古草原淺覆蓋區(qū)地形平緩、地勢(shì)開闊(見圖1)，適于車輛行駛，選用車載機(jī)動(dòng)淺層取樣鉆機(jī)。該區(qū)屬干旱、半干旱地區(qū)，地表水資源稀少，選用空氣正循環(huán)鉆探取樣工藝。

圖1 內(nèi)蒙古草原覆蓋區(qū)地貌

1．1．1 花敖包特鉛鋅礦外圍工作區(qū)淺層取樣裝備

工作區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺西坡、半干旱草原丘陵景觀區(qū)內(nèi)的花敖包特鉛鋅多金屬礦區(qū)(見圖2)。區(qū)內(nèi)已知礦床的大部分為裸露和半裸露地區(qū)，在礦體外圍約一半面積為淺覆蓋層。淺覆蓋層以風(fēng)積為主，山坡部位覆蓋層厚度2～5 m，山腳或溝底＞10 m，部分區(qū)段＞15 m。覆蓋層構(gòu)成較復(fù)雜，見礫石層、粘土層、軟沙層和含水層等。

圖2 花敖包特鉛鋅礦外圍工作區(qū)

工作區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度大都＜15 m，選用TGQ－75型車載取樣鉆機(jī)(見圖3)，鉆機(jī)載車為江淮廂式貨車。鉆機(jī)使用時(shí)，由一液壓油缸推動(dòng)其向外翻轉(zhuǎn)90°，鉆機(jī)即由車廂內(nèi)伸出，鉆桿即與地面垂直，可以鉆進(jìn);當(dāng)鉆機(jī)處于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，支撐油缸收回，鉆機(jī)向內(nèi)翻轉(zhuǎn)90°，便隱藏于車廂內(nèi)，此時(shí)，鉆車即可上路行駛。車上同時(shí)配備一臺(tái)空氣壓縮機(jī)。鉆機(jī)的主要參數(shù)為:鉆進(jìn)深度75 m;轉(zhuǎn)速范圍50～150 r/min;最大提升力18 kN;最大加壓力12 kN;鉆桿直徑42 mm;主軸通孔直徑45 mm;汽油機(jī)最大功率15 kW;終孔直徑75 mm;汽油機(jī)轉(zhuǎn)速2000～3600 r/min;給進(jìn)行程1800 mm;油箱92 L;額定壓力18 MPa;給進(jìn)速度0～0.5 m/s;鉆機(jī)整機(jī)重量750 kg?？諌簷C(jī)參數(shù)為:排氣量5.0 m3;排氣壓力0.7 MPa。

圖3 TGQ－75型車載取樣鉆機(jī)

1．1．2 賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)淺層取樣裝備

賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)(見圖4)屬內(nèi)蒙古高原一部分，為殘山丘陵半覆蓋草原景觀區(qū)，地形起伏不大。海拔高度1000～1100 m，相對(duì)高差100～200 m，地勢(shì)自南東向北西逐漸降低。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育。流量隨季節(jié)變化很大。河流蛇曲發(fā)育，加之地勢(shì)低平，又無出口，在本測(cè)區(qū)多形成沼澤。

圖4 賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)

工作區(qū)屬北溫帶大陸性氣候，處于高海拔和中、高緯度帶的內(nèi)陸地區(qū)，自然條件較為惡劣。氣候特征為:冬季受蒙古高壓控制寒冷風(fēng)大，夏季溫暖潮濕。一月平均氣溫－18.9℃，七月平均氣溫21℃，極端最高氣溫39.7℃，最低氣溫－40.7℃，年日平均氣溫0.7℃。年降水量300 mm左右，主要集中在6—8月份，占年降水量的70%;年蒸發(fā)量在3000 mm以上，是降水量的10倍;日照時(shí)間年均2975 h，太陽輻射強(qiáng)烈，濕潤度0.1～0.4;大風(fēng)日數(shù)多，平均風(fēng)速3.6 m/s，極端最大風(fēng)速34.0 m/s，年均7～8級(jí)大風(fēng)日數(shù)73天。冷凍期自10月份至次年4月份，野外最佳工作時(shí)間為5—9月份。

工作區(qū)新生界分布廣泛，為第四系松散堆積，包括更新統(tǒng)和全新統(tǒng)，為第四系更新統(tǒng)沖洪積及全新統(tǒng)坡洪積、沖洪積、湖沼堆積、風(fēng)成砂松散堆積。工作區(qū)地層單位劃分見表1(引自“內(nèi)蒙古1∶5萬勃洛渾迪幅、賀斯格烏拉牧場(chǎng)幅等區(qū)域地質(zhì)綜合調(diào)查總體設(shè)計(jì)”，2014)。

由表1可知，工作區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度有可能大大超過30 m，且覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。選用TGQ－100C型車裝取樣鉆機(jī)(見圖5)。該鉆機(jī)采用6×6底盤，越野能力強(qiáng)，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)及空壓機(jī)系統(tǒng)均依靠底盤發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，集成度高。該鉆機(jī)的主要參數(shù)為:額定功率220 kW，燃油率201 g/(kW·h)，整備質(zhì)量22000 kg，最大爬坡度50%，最高車速70 km/h，頂驅(qū)結(jié)構(gòu)，給進(jìn)行程6000 mm，輸出扭矩3400 N·m，輸出轉(zhuǎn)速0～160 r/min，最大提升力32 kN，最大提升速度1.7 m/s，空壓機(jī)流量12.5 m3/min，空壓機(jī)壓力1.2 MPa。

1．2 內(nèi)蒙古草原淺覆蓋區(qū)淺層取樣工藝

傳統(tǒng)的找礦勘查方法為:在地表可見蝕變礦化露頭或轉(zhuǎn)石的地方，采取揀塊采樣，礦化帶上被覆蓋的區(qū)域，采用槽探或井探揭露［6］。1970年，遼寧省冶金地質(zhì)勘探公司107隊(duì)研發(fā)了革新采樣器采樣法，該采樣器采樣深度為1 m。何遠(yuǎn)信等研發(fā)了射流式取樣技術(shù)、液壓快速壓入取樣技術(shù)、環(huán)保型鉆井液護(hù)壁護(hù)心技術(shù)等3種環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)［7］。天津地質(zhì)調(diào)查中心2014年在賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)試驗(yàn)了洛陽鏟和背包淺鉆取樣方法，試驗(yàn)結(jié)果表明這2種方法在該區(qū)域無法采到覆蓋層下部的基巖。

表1 賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)地層單位一覽表

圖5 TGQ－100C車裝取樣鉆機(jī)

1．2．1 花敖包特鉛鋅礦外圍工作區(qū)取樣工藝方法組合

花敖包特鉛鋅礦外圍工作區(qū)屬半干旱草原區(qū)，降水稀少，地層含水量低，適合采用空氣正循環(huán)鉆進(jìn)取樣。其覆蓋層結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的取樣工藝方法組合見表2。

表2 花敖包特鉛鋅礦外圍覆蓋層結(jié)構(gòu)及取樣工藝方法組合

鉆探現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3，采取的風(fēng)成沙樣品見圖6，采取的含水地層基巖樣品見圖7。

圖6 風(fēng)成沙樣品

1．2．2 賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)取樣工藝方法組合

圖7 含水地層基巖樣品

賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)適宜工作的時(shí)間為5—9月，7月、8月氣候濕潤多雨。雨季地下水位較高，給鉆探取樣工作帶來較大的困難。該區(qū)覆蓋層結(jié)構(gòu)及取樣工藝方法組合見表3。

表3 賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)覆蓋層結(jié)構(gòu)及取樣工藝方法組合

賀斯格烏拉牧場(chǎng)鉆探現(xiàn)場(chǎng)見圖8，復(fù)合片刮刀鉆頭見圖9，螺旋鉆桿鉆進(jìn)見圖10，復(fù)合片取心鉆頭見圖11，基巖巖屑樣品見圖12。

2 取得的成果

花敖包特鉛鋅礦外圍工作區(qū)共鉆孔171個(gè)，累計(jì)完成進(jìn)尺992.5 m，平均孔深5.8 m，采取化探樣品1985個(gè)。該區(qū)覆蓋層較薄(通常＜10 m)，地層結(jié)構(gòu)較簡單，給鉆進(jìn)和采樣工作造成困難的地層類型主要為風(fēng)成沙和粘泥層，風(fēng)成沙層主要依靠PVC套管跟管鉆進(jìn)的方法避免沙層塌陷，粘泥層較薄，主要依靠刮刀鉆頭穿過?？諝鈮嚎s機(jī)是完成鉆探采樣 工作的關(guān)鍵設(shè)備，其排氣量應(yīng)≥5 m3，排氣壓力應(yīng)≥0.7 MPa。

賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)累計(jì)完成進(jìn)尺1150 m。該區(qū)覆蓋層較厚(通常＞30 m，地勢(shì)較低的地方＞50 m)，覆蓋層構(gòu)成復(fù)雜，通常由風(fēng)成沙、粘泥層、含水礫石層交替構(gòu)成。粘泥層通常較厚(＞10m)，必須使用螺旋鉆桿才能穿過;礫石層會(huì)對(duì)鉆頭造成嚴(yán)重破壞，普通合金鉆頭會(huì)在5 min內(nèi)失效，必須使用復(fù)合片鉆頭;礫石層通常含水，易坍塌，且無法使用PVC套管，需采用單管取心鉆具鉆進(jìn)，同時(shí)采用高壓空氣洗井，利用高壓氣體將松散的礫石吹出地面，同時(shí)打開鉆具向下鉆進(jìn)的通道，直至鉆頭接觸到基巖面，然后可以開始取心。為了減少高壓空氣對(duì)孔壁的破壞，需采用向上吹氣復(fù)合片鉆頭?？諝鈮嚎s機(jī)是完成鉆探采樣工作的關(guān)鍵設(shè)備，其排氣量應(yīng)≥12 m3，排氣壓力應(yīng)≥1.2 MPa。鉆具組合中必須有螺旋鉆桿、復(fù)合片刮刀鉆頭、單管取心鉆具、復(fù)合片取心鉆頭以及向上吹氣復(fù)合片刮刀鉆頭。

針對(duì)內(nèi)蒙古草原淺覆蓋區(qū)覆蓋層的不同結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多套淺層取樣工藝方法組合，成功解決了困擾淺覆蓋區(qū)化探工作多年的取樣技術(shù)和疏松層多套鉆進(jìn)工藝兩大難題［8］。該方法初次使用便取得了顯著的效果，在內(nèi)蒙古東部大興安嶺成礦帶中南段淺覆蓋區(qū)(平均覆蓋厚度6～15 m)發(fā)現(xiàn)多個(gè)具找礦遠(yuǎn)景的異常區(qū)段，并進(jìn)一步圈定了面積約6 km2的規(guī)模大、強(qiáng)度高、水平分帶清晰的礦化異常，其中Ag單點(diǎn)最高含量為118 g/t(達(dá)到銀礦最低工業(yè)品位)，估算銀鉛鋅礦石資源量約106萬t［9］。該成果的出現(xiàn)，直接推動(dòng)了淺鉆地球化學(xué)測(cè)量技術(shù)規(guī)程的制定。賀斯格烏拉牧場(chǎng)工作區(qū)的研究，進(jìn)一步解決了內(nèi)蒙古東部(覆蓋層厚度30～50 m，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜)草原淺覆蓋區(qū)的淺鉆快速取樣問題。

3 結(jié)論

針對(duì)不同覆蓋層結(jié)構(gòu)制定的淺層取樣工藝方法組合成功地解決了淺覆蓋區(qū)化探取樣的難題，推動(dòng)了淺鉆化探技術(shù)逐步走向成熟。針對(duì)更為復(fù)雜的覆蓋層結(jié)構(gòu)以及50～100 m深度范圍的快速取樣方法還需進(jìn)一步研究。

［1］ 孔牧，喻勁松，楊帆．淺覆蓋區(qū)機(jī)動(dòng)淺鉆在化探工作中的應(yīng)用［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2015，45(S1):645．

［2］ 趙洪波，何遠(yuǎn)信，宋殿蘭，等．以鉆代槽勘查技術(shù)方法與應(yīng)用研究［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2014，33(5):204 －207．

［3］ 冉恒謙，張金昌，謝文衛(wèi)，等．地質(zhì)鉆探技術(shù)與應(yīng)用研究［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，85(11):1806 －1822．

［4］ 譚春亮，宋殿蘭，賈軍．全液壓車載鉆機(jī)在缺水地區(qū)化探取樣中的應(yīng)用研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(9):7－10．

［5］ 劉文武，林廣利，宋殿蘭，等．空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在新疆東天山成礦帶的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2014，(7):39 －40．

［6］ 李進(jìn)文，朱廣仁，張德全，等．內(nèi)蒙古東珺鉛鋅銀礦床的發(fā)現(xiàn)——地物化綜合找礦勘查方法的運(yùn)用［J］．礦床地質(zhì)，2009，(6):830－837．

［7］ 何遠(yuǎn)信，夏柏如，趙爾信．環(huán)境科學(xué)鉆探取樣技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代地質(zhì)，2005，19(3):471 －474．

［8］ 馬愛平．淺鉆化探技術(shù)方法［J］．科技縱覽，2014，(3):76．

［9］ 喻勁松．淺鉆地球化學(xué)勘查技術(shù)方法及應(yīng)用研究［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87(S1):236 －237．