譚春亮， 宋殿蘭， 岳永東， 王 森， 林廣利

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和城市化的快速發(fā)展，向覆蓋區(qū)要資源、向地下要空間已經(jīng)被提上發(fā)展日程。地質(zhì)填圖是地質(zhì)工作中具有戰(zhàn)略意義的綜合性基礎(chǔ)工作，是一切地質(zhì)工作的先行，已完成的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查主要部署在基巖出露區(qū)，對(duì)于廣袤草原荒漠區(qū)、森林沼澤區(qū)等第四系覆蓋區(qū)的地質(zhì)填圖，因?qū)嵤┦侄位虮磉_(dá)方式難度較大還較少涉及。按照中國地質(zhì)調(diào)查局編制的《1:5萬覆蓋區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作指南》，覆蓋區(qū)是指第四紀(jì)堆積物連續(xù)分布且覆蓋面積占圖幅面積50%以上的地區(qū)，其中覆蓋層厚度<200 m的稱為淺覆蓋區(qū)[1]。淺覆蓋區(qū)主要分布于第四紀(jì)盆地邊緣、山澗盆地、河網(wǎng)匯聚地等特殊地質(zhì)地貌區(qū)[2]，多為礦產(chǎn)資源富集、自然環(huán)境脆弱、科學(xué)問題匯交的地區(qū)。同時(shí)，這些區(qū)域多位于中、小城市地區(qū)及大城市邊緣，因此，開展淺覆蓋區(qū)填圖既是能源資源調(diào)查的發(fā)展需求，也是生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展需求。鉆探作為獲取深部地質(zhì)信息的最直接手段，可為覆蓋區(qū)填制地質(zhì)圖與基巖地質(zhì)圖提供準(zhǔn)確的地質(zhì)與礦產(chǎn)信息。區(qū)別于礦產(chǎn)鉆探，覆蓋區(qū)填圖鉆探有其自身特點(diǎn)：第一，以第四系、松散層鉆進(jìn)為主，以基巖為目的層；第二，工區(qū)面積大，孔位多。如我所承擔(dān)的中國地質(zhì)調(diào)查局二級(jí)項(xiàng)目“內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)1∶5萬填圖試點(diǎn)”填圖面積為4531 km2，布設(shè)鉆孔近300個(gè)；第三，鉆孔多位于農(nóng)牧區(qū)，綠色勘探尤為重要。如何滿足覆蓋區(qū)填圖需要，形成一套既有效又經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方法組合是一個(gè)新的研究課題。

1 技術(shù)方法研究

1.1 鉆探在覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中能解決的問題

鉆探作為覆蓋區(qū)填圖工作中的一種重要技術(shù)手段，在填圖中能解決的問題可歸納如下。

(1)調(diào)查第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過獲取第四系或覆蓋層巖心，建立起覆蓋層基本序列，進(jìn)行地層劃分對(duì)比。

(2)確定基巖頂面埋深、驗(yàn)證地質(zhì)與物探推斷的異常地質(zhì)體、追蹤和圈定重要的地質(zhì)邊界等。

(3)服務(wù)于能源資源調(diào)查，化探異常驗(yàn)證、成礦帶隱伏區(qū)段的直接找礦等[3-4]。按照鉆進(jìn)方式，鉆探可分為取心鉆進(jìn)與非取心鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)主要包括提鉆取心(回轉(zhuǎn)、沖擊、振動(dòng)等)、繩索取心等工藝，非取心鉆進(jìn)主要包括全面鉆進(jìn)(牙輪、刮刀、螺旋等)、空氣循環(huán)鉆進(jìn)(正循環(huán)、反循環(huán)、跟管)等工藝[5-6]。非取心鉆進(jìn)工藝沒有取心工序，鉆進(jìn)效率一般是取心鉆進(jìn)工藝的3倍以上，空氣鉆進(jìn)效率更加顯著。內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)填圖試點(diǎn)已完成的203個(gè)鉆孔中，非全孔取心孔101個(gè)，全孔取心孔102個(gè)，不同鉆進(jìn)工藝的平均鉆進(jìn)效率(含輔助時(shí)間)對(duì)比如圖1所示。取心鉆進(jìn)取得的巖心和非取心鉆機(jī)取得的巖屑分別見圖2和圖3。

圖1 覆蓋區(qū)填圖中不同鉆進(jìn)工藝平均鉆進(jìn)效率對(duì)比

圖2 取心鉆進(jìn)獲取的巖心

1.2 物探測井在覆蓋區(qū)填圖中能解決的問題

物探測井是在鉆孔完成后，借助專門的儀器設(shè)備，沿井身測量井眼周圍地層或井中介質(zhì)的各種物理參數(shù)，得到各種地球物理測井曲線，不同的地層或地層組合對(duì)應(yīng)著特定的測井參數(shù)組合，即對(duì)應(yīng)著不同特征的測井曲線[7-8]。以此為基礎(chǔ)，一方面，利用鉆孔測井曲線的變化特征，可確定地層巖性、劃分鉆孔的地質(zhì)剖面，彌補(bǔ)鉆探取心率的不足等；另一方面，利用在相同地質(zhì)背景下，各鉆孔剖面的同一層系在各孔測井曲線上有相同或者相似的反應(yīng)的特點(diǎn)，將各孔的測井曲線進(jìn)行綜合對(duì)比，確定不同位置的鉆孔剖面中的同一層系在深度、厚度、巖性等方面的變化，物探測井技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到煤田、石油、水文勘探等領(lǐng)域。

圖3 非取心鉆進(jìn)獲取的巖屑

物探測井能解決的問題可歸納如下：(1)利用測井曲線實(shí)現(xiàn)巖性識(shí)別、劃分地層，確定地層的深度和厚度；(2)利用測井曲線進(jìn)行地層對(duì)比：在分析巖心、巖屑等資料的基礎(chǔ)上，掌握不同性質(zhì)的地層或地層組合在測井曲線上的顯示特征，綜合利用多口井的資料可進(jìn)行地層對(duì)比；(3)利用測井曲線形態(tài)特征解釋沉積環(huán)境：例如：自然伽瑪(GR)、自然電位(SP)、電阻率(Ra)與巖層的粒度、分選性、泥質(zhì)含量密切相關(guān)，而這幾個(gè)量與沉積環(huán)境密切相關(guān)，所以可以利用GR、SP、Ra進(jìn)行沉積環(huán)境分析。

1.3 鉆探-物探測井技術(shù)方法的研究

如何在淺覆蓋區(qū)填圖中，實(shí)現(xiàn)鉆探的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性與有效性的有機(jī)統(tǒng)一，是地質(zhì)行業(yè)專家關(guān)注的焦點(diǎn)，也是衡量能否把鉆探作為覆蓋區(qū)填圖重要手段推廣的主要依據(jù)之一。實(shí)施過程中，一方面，通過鉆探技術(shù)本身來實(shí)現(xiàn)，如：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，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，及時(shí)調(diào)整沖洗液體系等來有效控制巖心采取率[9]，滿足地質(zhì)填圖需求；另一方面，開展多種技術(shù)手段的綜合研究，加強(qiáng)鉆探與地質(zhì)、鉆探與物探等技術(shù)方法的綜合利用，如：利用不同的巖性地層在物探測井曲線上的特征有明顯不同的特點(diǎn)，部分鉆孔通過“取心+物探測井”方式建立起標(biāo)準(zhǔn)地層單元，部分鉆孔進(jìn)行“不取心+物探測井”，通過測井曲線與標(biāo)準(zhǔn)地層單元對(duì)比確定地層沉積序列，實(shí)現(xiàn)地層劃分與對(duì)比等，以提高鉆進(jìn)效率，降低成本。因此，可將淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔劃分為兩類：取心孔與非取心孔。不同類型鉆孔的鉆進(jìn)方法、工作手段、研究目的不同(詳見表1)。

通過合理匹配取心孔(周期較長、效率較低、成本較高)與非取心孔(周期短、效率高、成本低)的數(shù)量，結(jié)合物探測井技術(shù)，可在滿足地質(zhì)工作需求的前提下，減小取心鉆探工作量，同時(shí)，通過合理的選用物探測井方法，結(jié)合鉆孔軌跡參數(shù)，亦可確定巖石結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等技術(shù)難題[10]。

表1 淺覆蓋區(qū)填圖鉆孔分類

2 鉆探-物探測井技術(shù)應(yīng)用效果

以“內(nèi)蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區(qū)1∶5萬填圖試點(diǎn)”填圖工作區(qū)敖漢旗布設(shè)的取心孔ZKD9孔與非取心孔ZKD9-1孔為例，介紹鉆探-物探測井技術(shù)方法在淺覆蓋區(qū)填圖中的應(yīng)用效果。ZKD9、ZKD9-1孔處在同一個(gè)地區(qū)、相鄰的鉆孔位置，測井參數(shù)選擇視電阻率(Ra)、自然電位(SP)、自然伽瑪(Ra)、密度(Pb)(如圖4)四類，從不同的測井參數(shù)及對(duì)比中可提取多種地質(zhì)信息，如：巖性特征、分層、地層厚度、泥質(zhì)含量等，為覆蓋區(qū)填圖提供準(zhǔn)確的地層信息，再結(jié)合面上物探、鉆探取心等資料實(shí)現(xiàn)更客觀的地質(zhì)認(rèn)識(shí)、分層對(duì)比等。

圖4取心鉆孔ZKD9孔與非取心鉆孔ZKD9-1孔的地球物理測井曲線對(duì)比

Ⅰ層：鉆孔0～30 m為烏爾吉組風(fēng)成砂土、砂質(zhì)黃土，較松散，自然伽瑪表現(xiàn)出明顯的負(fù)值，表明蓋層滲透性較強(qiáng)，同時(shí)表現(xiàn)出較高的視電阻率值，密度值相對(duì)較低；Ⅱ?qū)樱?0～59 m,為淺棕紅色赤峰黃土，成分上以粘土為主，該層在測井曲線中顯示自然伽瑪明顯升高，視電阻降低，整體波動(dòng)平穩(wěn)，明顯不同于層Ⅰ；Ⅲ層：59～82 m，為赤峰黃土與下覆大塔卜烏蘇組黃土之間夾雜的砂礫石層，表現(xiàn)出顯著的視電阻率跳躍起伏特征，自然電位不穩(wěn)定，說明該層成分不穩(wěn)定；Ⅳ層：82～101 m，大塔卜烏蘇組棕紅色黃土，成分以紅色粘土為主，含砂，礫石等碎屑物，自然電位值總體平穩(wěn)以高值為主，視電阻率整體穩(wěn)定，局部跳躍，推測由含砂、礫石引起；Ⅴ層：101～106 m,為基巖層，巖性為花崗巖，自然電位和視電阻率明顯升高，界面顯著。

通過上述試驗(yàn)，表明同一層位在各孔測井曲線上有相同或者相似的反映，物探測井可以有效識(shí)別不同的覆蓋層及覆蓋層與基巖界面，通過測井曲線的對(duì)比，能發(fā)現(xiàn)各孔剖面中的相同層位，并可研究他們在深度、厚度等方面的變化，連接不同鉆孔剖面可對(duì)覆蓋層及基巖進(jìn)行對(duì)比，說明地質(zhì)問題。

3 結(jié)論

鉆探作為獲取深部地質(zhì)信息的最直接手段，可為覆蓋區(qū)填圖提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息與實(shí)物資料；測井是一種成熟的物探技術(shù)方法，在油氣、煤炭等行業(yè)中已廣泛應(yīng)用。在覆蓋區(qū)填圖中將鉆探與物探測井技術(shù)有機(jī)結(jié)合，按照物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的規(guī)律，結(jié)合取心、化驗(yàn)測試資料等，可減少鉆探取心工作量，提高勘探效率，降低勘探成本。

(1)在相同地質(zhì)背景下，利用鉆探+綜合測井可構(gòu)建第四紀(jì)地層空間的結(jié)構(gòu)模型：通過鉆探取心+測井建立標(biāo)準(zhǔn)孔地層剖面與地層測井曲線，不取心鉆孔通過測井與標(biāo)準(zhǔn)孔測井曲線對(duì)比，以確定地層的巖性、深度、厚度等。

(2)利用鉆探+測井進(jìn)行地層對(duì)比：首先，詳細(xì)分析鉆探巖心、巖屑等實(shí)物資料，掌握不同地層或地層組在物探測井曲線上的顯示特征，然后利用多個(gè)孔的測井資料進(jìn)行地層對(duì)比，確定同一層位在不同鉆孔中的深度變化、厚度變化等，建立連井剖面，說明地質(zhì)演化過程。

(3)鉆探+測井技術(shù)方法的綜合研究及應(yīng)用，發(fā)揮了不同手段的技術(shù)優(yōu)勢。測井減少了鉆探取心工作量，彌補(bǔ)了部分鉆孔取心率不足，降低了人為判斷的誤差等。另外，不取心鉆孔可采用空氣鉆進(jìn)工藝，效率更高且無需泥漿，更加符合綠色勘探的發(fā)展要求。