譚春亮， 宋殿蘭， 岳永東， 林廣利

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 項(xiàng)目概況

內(nèi)蒙古1∶5萬(wàn)波羅和碩村(K50E009023)、孤山子村(K50E009024)、四道灣子鎮(zhèn)(K50E010023)、瑪尼罕鄉(xiāng)(K50E010024)4幅荒漠草原覆蓋區(qū)填圖是中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的二級(jí)項(xiàng)目“內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)1∶5萬(wàn)填圖試點(diǎn)”的重點(diǎn)工作區(qū)之一。工作區(qū)主要位于內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗轄區(qū)，填圖面積1481 km2，其中，覆蓋區(qū)面積占70%。前人工作集中在基巖出露區(qū)，大面積第四系地質(zhì)體分布區(qū)的地質(zhì)圖表達(dá)單一、內(nèi)容簡(jiǎn)單，已無(wú)法滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。隨著淺層鉆探機(jī)具研發(fā)系列化與配套工藝方法的成熟[1]，以及淺鉆地球化學(xué)測(cè)量[2]、以鉆代槽技術(shù)方法的應(yīng)用研究[3]取得了一系列顯著成果，使得采用淺鉆手段進(jìn)行覆蓋區(qū)“揭蓋”填圖成為可能。所謂淺覆蓋區(qū)填圖指在第四系堆積物連續(xù)覆蓋厚度<200 m、且覆蓋面積占圖幅面積50%以上的地區(qū)進(jìn)行的地質(zhì)填圖。項(xiàng)目重點(diǎn)探索應(yīng)用鉆探手段揭露覆蓋層，查明覆蓋層之下的基巖面基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)體空間展布，并通過(guò)示范總結(jié)鉆探在荒漠草原覆蓋區(qū)的應(yīng)用效果，制定淺覆蓋區(qū)1∶5萬(wàn)填圖鉆探技術(shù)方法和技術(shù)要求。按照1∶5萬(wàn)覆蓋區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作指南(試行)，淺覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)要求如下。

(1)采取率指標(biāo)：第四系松散堆積物或構(gòu)造破碎帶≮65%，機(jī)械巖心鉆探巖心采取率≮85%。

(2)鉆孔口徑要求：滿足地質(zhì)觀察和各種樣品的采集要求，鉆孔口徑≮75 mm。

(3)鉆孔深度：淺層取樣(3 m以淺)鉆揭露到基巖時(shí)，揭露基巖厚度≥0.3 m；機(jī)械巖心鉆探(3～200 m)揭露到基巖時(shí)，揭露到新鮮基巖，厚度≥2 m，鉆遇含礦層、蝕變礦化帶需穿透。

2 地質(zhì)條件

敖漢旗4圖幅工作區(qū)位于燕山向西遼河平原過(guò)渡地帶，地形呈不規(guī)則的緩坡形，主要為低山丘陵及河谷平原，地勢(shì)呈南高北低、東高西低形態(tài)。主要河流包括老哈河及其支流羊腸子河、飲馬河、蹦河，孟克河等。工作區(qū)新生界成因包括河流沉積、沖洪積、風(fēng)積、坡積等多種類型，加上沉積環(huán)境的改變，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響以及水流變化對(duì)原來(lái)沉積物的破壞使第四系沉積物的結(jié)構(gòu)變化非常復(fù)雜。圖1為老哈河河谷橫向地質(zhì)剖面。

圖1老哈河河谷橫向地質(zhì)剖面

以老哈河河谷為例，覆蓋層以上更新統(tǒng)早期沖湖積亞砂土、亞粘土、粉細(xì)砂和砂礫卵石層為主體構(gòu)成[4]，其下為中更新統(tǒng)冰磧及冰水堆積的亞粘土含礫和砂礫卵石層，厚4～20 m。全新統(tǒng)沖積亞砂土、亞粘土、粉細(xì)砂和砂礫石層上疊于沖湖積物之上，厚18～20 m。沉積厚度沿河縱向變化較大，一般50～120 m，中心可達(dá)150 m。沉積物粒徑由上游到下游由粗變細(xì)，覆蓋厚度由薄變厚。

3 工程難點(diǎn)

(1)第四系玄武巖與松散堆積物復(fù)合覆蓋，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括腐殖土、黃土、砂層、礫(卵)石層、風(fēng)化基巖、第四系玄武巖等多種覆蓋類型，地層軟硬交錯(cuò)、松散破碎、膠結(jié)性差，表現(xiàn)為孔壁不穩(wěn)定、縮徑、塌孔等問(wèn)題[5-7]。

(2)淺覆蓋區(qū)填圖工區(qū)面積大(單個(gè)圖幅的面積為300～400 km2)，鉆孔淺(<200 m)、孔位多(單個(gè)圖幅擬布設(shè)20個(gè))，表現(xiàn)為單孔作業(yè)時(shí)間短、搬遷頻繁。

(3)老哈河流域地處八里罕斷裂帶是項(xiàng)目的重點(diǎn)研究區(qū)，河谷地下水豐富，砂層、砂礫石層較厚(20～60 m)，極易出現(xiàn)泥漿被稀釋鉆孔坍塌、卡鉆、埋鉆等事故。

區(qū)別于固體礦產(chǎn)鉆探，淺覆蓋區(qū)填圖的鉆探工作以基巖為目標(biāo)層、以松散堆積層鉆進(jìn)為主，根據(jù)填圖需求布孔，深度不確定。因此，更需要地質(zhì)與鉆探的緊密結(jié)合，一方面：需要充分利用已有地質(zhì)資料，科學(xué)布孔，并隨工作的深入不斷優(yōu)化布孔方案，合理利用鉆探工作量；另一方面：需要制定更加靈活的施工方案，帶著地質(zhì)問(wèn)題搞鉆探，重點(diǎn)加強(qiáng)松散層取樣技術(shù)的研究，包括鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)工藝、鉆機(jī)具、沖洗液等，同時(shí)，注重鉆探與地質(zhì)、鉆探與物探、鉆探與化探等技術(shù)手段的綜合研究，提高單孔的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)一孔多用。

4 淺覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)方法研究

4.1 設(shè)備選型

根據(jù)地質(zhì)條件、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆孔深度及鉆進(jìn)方法、工藝要求，結(jié)合淺覆蓋區(qū)填圖鉆探工作的特點(diǎn)(需要頻繁搬遷)。確定在交通便利的區(qū)域，選用車裝式的全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)；車輛難進(jìn)入的區(qū)域，選用TGQ系列輕便型鉆機(jī)。選用的鉆機(jī)數(shù)量及適用范圍見(jiàn)表1，兩種機(jī)型分別見(jiàn)圖2、圖3。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)已有地質(zhì)、水文等資料的分析，首先掌握工作區(qū)的地層沉積結(jié)構(gòu)情況。依據(jù)地質(zhì)目的、沉積類型、覆蓋厚度、施工條件和取樣要求等因素，確定鉆進(jìn)方法與鉆孔結(jié)構(gòu)，選擇鉆機(jī)、鉆具。為了快速穿過(guò)砂層或卵礫石層，減少提鉆次數(shù)，降低對(duì)孔壁的抽吸，對(duì)于河道復(fù)雜地層，采用Q系列?122、96、75mm三級(jí)金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，兩級(jí)套管三級(jí)成孔，利用上一級(jí)繩索鉆桿作為下一級(jí)繩索鉆進(jìn)的套管，主要以?96 mm繩索鉆具鉆進(jìn)為主，?75 mm作為備用口徑。部分鉆孔采用了?110 mm口徑，下?108 mm套管代替?122 mm，再采用小一級(jí)的鉆具鉆進(jìn)至目的層。

表1 鉆機(jī)選型

圖2 車裝式全液壓鉆機(jī)

圖3 輕便型取樣鉆機(jī)

4.3 鉆進(jìn)參數(shù)與鉆具級(jí)配

淺覆蓋區(qū)填圖鉆探主要是解決松散沉積層的取心問(wèn)題，鉆探工藝有兩方面的難題：第一是鉆進(jìn)時(shí)，保證巖心(樣)能夠順利進(jìn)入巖心管，防止樣品被沖蝕、損耗；第二是提鉆時(shí)，保證巖心不脫落，防止丟心，保持原始層位關(guān)系。圍繞著這兩個(gè)問(wèn)題，確定鉆進(jìn)參數(shù)與鉆具級(jí)配。

4.3.1 鉆進(jìn)參數(shù)

采用“低壓力、中轉(zhuǎn)速、小泵量”的原則，平穩(wěn)鉆進(jìn)。特別松散、漏失地層,采用小泵量；膠結(jié)地層、粘性較大的地層,采用較大泵量,以確保排除巖粉的需要。采用的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)

4.3.2 鉆頭的選擇

河谷覆蓋層較厚且含礫石，以PDC鉆頭鉆進(jìn)為主，硬巖破碎層選用梯齒型或尖齒型金剛石鉆頭。采用底噴、側(cè)噴式鉆頭代替常規(guī)取心鉆頭隔斷沖洗液對(duì)巖心的沖蝕，提高取心率。

4.3.3 鉆具的選擇

為降低松散破碎地層鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)孔壁的擾動(dòng)，以繩索取心鉆進(jìn)為主，部分粉質(zhì)粘土地層采用單管或單動(dòng)雙管、砂層采用單動(dòng)雙管或繩索取心三層管鉆具[8]、卵石層采用金剛石單管取心鉆具與半合管鉆具。

4.4 沖洗液

沖洗液的使用效果和管理水平直接關(guān)系到鉆進(jìn)效果，特別是在復(fù)雜地層中，沖洗液的作用顯得尤為突出。松散堆積地層的特征是怕沖蝕、易塌、遇水易蝕變等，因此，要求沖洗液既要有較高的護(hù)壁和攜帶巖屑的能力，又要有較大靜切力和較小的動(dòng)切力，盡可能小的失水量。經(jīng)過(guò)野外試驗(yàn)與探索，工作區(qū)地處農(nóng)牧區(qū)，因此，選用了環(huán)保的天然植物膠配置無(wú)固相、低固相沖洗液[9-10]，滿足不同的地層鉆進(jìn)需求。不同地層采用的泥漿配方見(jiàn)表3。通過(guò)應(yīng)用前后的對(duì)比，明顯提高了鉆進(jìn)效率和取心質(zhì)量，減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生。

5 施工效果

通過(guò)合理的匹配鉆具、沖洗液體系。確保了第四系地層的取心質(zhì)量和鉆孔安全，特別是老哈河道中的鉆孔，對(duì)砂層、礫石層實(shí)現(xiàn)了很好的護(hù)壁，為后續(xù)取心，綜合測(cè)井創(chuàng)造了條件。

先期2個(gè)月，完成鉆孔48個(gè)，鉆探進(jìn)尺3200 m，其中最深鉆孔344 m。各層采取率為：黃土層、粘土層采取率93%，含砂層采取率70%,砂(卵)礫石層采取率65%，基巖采取率90%，松散層平均采取率76%，滿足了覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)要求。圖4～6為采取上的巖心樣品。

表3 各種地層采用的泥漿配方

圖4 砂土層

圖5 砂(卵)礫石層

圖6 風(fēng)化基巖層

6 淺覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)方法研究

6.1 利用鉆探手段進(jìn)行淺覆蓋區(qū)填圖的基本思路

首先依據(jù)已有地質(zhì)信息，物探、化探異常信息，結(jié)合地質(zhì)單元邊界控制、面積控制需求等關(guān)鍵要素確定出鉆孔位置，并推斷出鉆孔深度；其次，依據(jù)覆蓋層的特點(diǎn)、厚度和施工條件選擇鉆進(jìn)方法，根據(jù)地質(zhì)目的、取樣要求，施工場(chǎng)地景觀和地質(zhì)條件、鉆進(jìn)方法、鉆孔結(jié)構(gòu)等因素選擇鉆機(jī)和鉆具；利用鉆探可驗(yàn)證、揭露、連續(xù)取樣的優(yōu)勢(shì)，探明覆蓋層之下基巖面，包括基巖面起伏狀況、基巖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆山關(guān)系；揭示出被覆蓋層掩蓋的重要礦產(chǎn)信息、重要地質(zhì)體分布及重要地質(zhì)邊界的延伸等。

6.2 利用淺層鉆探技術(shù)填圖技術(shù)要點(diǎn)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)不同地質(zhì)景觀區(qū)已開展的覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)方法試驗(yàn)，參照“1∶5萬(wàn)覆蓋區(qū)填圖工作指南(試行)”的要求，歸納總結(jié)并提出利用淺層鉆探技術(shù)覆蓋區(qū)填圖的操作要點(diǎn)，旨在規(guī)范野外施工。

(1)布孔依據(jù)。地質(zhì)推測(cè)邊界控制需求、物探異常、地質(zhì)面積控制需求、現(xiàn)場(chǎng)地形地貌特征、施工條件。

(2)取樣要求。3 m以淺揭露到基巖取心≥0.3 m，3 m以深揭露到基巖取心≥2 m；基巖取心率≥85%，第四系取心率≥65%。

(3)布孔密度。依據(jù)地質(zhì)-地球物理場(chǎng)復(fù)雜程度和目的任務(wù)；依據(jù)覆蓋層厚度調(diào)整施工網(wǎng)度；每圖幅鉆探工作量1000～2000 m。

(4)取樣層位。分層連續(xù)采樣：重點(diǎn)采集風(fēng)化殘積層(找礦)、基巖頂面樣品(基巖地質(zhì)圖)。

(5)工作流程。連續(xù)取心(樣)直至基巖、地質(zhì)編錄、綜合測(cè)井、巖心拍照、封孔、資料入庫(kù)、數(shù)字化處理等。

(6)目的層判別。充分利用鉆進(jìn)過(guò)程中上返沖洗液顏色變化、鉆進(jìn)參數(shù)變化和連續(xù)樣品物質(zhì)含量變化等要素辨別。

(7)野外記錄。鉆進(jìn)深度、分層厚度、采取率、數(shù)字化鉆孔編錄(性質(zhì)、顏色)、柱狀圖及工程描述(機(jī)具、工藝、參數(shù)變化)。

(8)后續(xù)工作。巖礦鑒定、殘積層與基巖光譜分析、磁化率測(cè)量、密度測(cè)量等，構(gòu)建鉆孔聯(lián)合剖面，三維結(jié)構(gòu)建模等。

6.3 淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔分類

鉆探只是淺覆蓋區(qū)填圖的技術(shù)手段之一，需要加強(qiáng)與地質(zhì)、遙感、物探、化探等技術(shù)方法的綜合利用，才能形成一套真正適用于淺覆蓋區(qū)的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、有效的填圖技術(shù)方法組合。例如：利用不同沉積地層在測(cè)井曲線上有其明顯的反映特征,有一定的規(guī)律特點(diǎn)，通過(guò)部分鉆孔“取心+測(cè)井”建立起標(biāo)準(zhǔn)地層單元，部分鉆孔“不取心+測(cè)井”，通過(guò)測(cè)井曲線與標(biāo)準(zhǔn)地層單元對(duì)比確定地層沉積序列，實(shí)現(xiàn)地層劃分，提高填圖鉆探效率，降低施工成本。因此，將淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔劃分為兩類：全孔取心孔與非全孔取心孔。不同類型鉆孔的鉆進(jìn)方法、工作手段、研究目的不同(表4所示)。

表4 淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔分類

6.4 淺覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)方法下一步的研究方向

首先，加強(qiáng)松散層取心工藝研究，提高采取率，盡可能多的提取地層信息，提高鉆進(jìn)效率，降低成本；其次，在不缺少必要的質(zhì)量功能前提下，創(chuàng)新成果表達(dá)方式，盡量簡(jiǎn)化程序、方便實(shí)施；最后，加強(qiáng)鉆探與地質(zhì)及其它技術(shù)方法的綜合研究，如：與物探測(cè)量技術(shù)的結(jié)合、與化探快速分析技術(shù)的結(jié)合、與槽探技術(shù)的結(jié)合等，充分利用鉆孔與巖心，既可提高覆蓋區(qū)填圖質(zhì)量與精度，又可指導(dǎo)找礦。

7 結(jié)論

對(duì)于敖漢旗4圖幅，特別是老哈河流域遇到的復(fù)雜地層，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)、選擇鉆機(jī)具與沖洗液體系，解決了0～200 m的松散層取心難題，滿足淺覆蓋區(qū)填圖取心的技術(shù)要求，同時(shí)，通過(guò)實(shí)踐與研究，歸納并總結(jié)出鉆探技術(shù)在淺覆蓋區(qū)填圖應(yīng)用過(guò)程中的操作要點(diǎn)。為后續(xù)覆蓋區(qū)填圖技術(shù)方法的綜合研究奠定了基礎(chǔ)。

(1)淺覆蓋區(qū)填圖鉆探以鉆進(jìn)松散堆積層為主，優(yōu)先選用硬質(zhì)合金鉆頭或PDC鉆頭，鉆進(jìn)參數(shù)采用“低鉆壓、中轉(zhuǎn)速、小泵量”的原則，合理控制單回次進(jìn)尺，同時(shí)，利用優(yōu)質(zhì)沖洗液技術(shù)結(jié)合套管綜合護(hù)壁措施，可提高巖層采取率，滿足技術(shù)要求。

(2)鉆探在淺覆蓋區(qū)填圖中的應(yīng)用，拓寬了機(jī)動(dòng)淺鉆的應(yīng)用范疇，提高了覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖精度，可有效剔除傳統(tǒng)水系沉積物測(cè)量、土壤測(cè)量過(guò)程中外來(lái)物影響，準(zhǔn)確地定位礦化位置，實(shí)現(xiàn)快速異常查證，驗(yàn)證地質(zhì)推斷、物化探推斷，剔除假信息，提高成圖質(zhì)量。

(3)初步總結(jié)了利用淺層鉆探手段覆蓋區(qū)填圖的技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)出布孔依據(jù)、取樣要求、取樣層位、層位判定方法以及工作流程等基本要素，闡明了利用鉆探開展淺覆蓋區(qū)填圖內(nèi)容包涵：地質(zhì)條件、覆蓋類型、鉆機(jī)的選型、鉆進(jìn)工藝和覆蓋區(qū)填圖鉆探技術(shù)方法的研究等要素，推廣中還需補(bǔ)充完善。

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