第四系科學鉆探及地層對比方法探討

黃永波，侯建華，宋志勇，任天龍，劉銀，張志剛

(山東省地質調查院，山東 濟南　250013)

第四系科學鉆探及地層對比方法探討

黃永波，侯建華，宋志勇，任天龍，劉銀，張志剛

(山東省地質調查院，山東 濟南250013)

隨著社會經濟發展的需要，地方經濟可持續發展中部分環境、資源問題的基礎——第四紀地質變得日益重要，第四系鉆探作為第四系覆蓋區填圖的重要工作手段，鉆探質量及編錄資料的質量直接影響著第四系區域填圖成果的表達。該文結合1∶5萬辛安莊等五幅區調項目實踐經驗，對第四系科學鉆探的工作流程進行了總結，并對第四紀鉆孔多重地層劃分與區域對比方法進行了初步的探討。

第四系科學鉆探；松散沉積物；鉆孔編錄；第四紀地層對比；萊州灣南岸

引文格式：黃永波，侯建華，宋志勇，等.第四系科學鉆探及地層對比方法探討[J].山東國土資源，2015,31(10)：71-75.HUANGYongbo,HOUJianhua,SONGZhiyong,etc.DiscussiononQuaternaryScienrificDrillingandStratigraphicCorrelationMethod[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):71-75.

0　引言

第四紀作為與人類關系最為密切的一個地質時期，其新構造運動，沉積物的形成、環境氣候的變遷、動植物的演替與人類經濟活動密切相關，對未來的可持續發展、長遠發展規劃、區域的類型定位都離不開對該地區地質背景條件的深入了解。近年來，第四系大面積覆蓋區的填圖工作正陸續展開，其重要目標任務之一就是查明調查區第四系地質結構、地層劃分對比、空間展布及相互關系，探討第四系地質環境演化，建立第四系三維地質結構模型，其成果對地方政府的發展規劃制定可起到有力的支撐作用。

在此背景下，2012年由山東省地質調查院承擔實施了國家大調查項目第四系覆蓋區區調試點1∶5萬辛安莊等五幅區域地質調查。調查區位于萊州灣南岸，整體地勢南向北傾斜，南高北低，南部為山前洪積區，北部主體為沖積平原，沿海部分為沖積海積平原，海拔高度1～30m；橫跨低山丘陵和濱海平原兩大地貌單元，北部地處典型的海陸交互帶，受氣候波動、海平面升降的影響，第四系沉積物類型復雜，巖性巖相多變，地層結構復雜。在深入分析調查區前人已有成果資料的基礎上，針對調查區第四紀地層變化規律，擬定了工作思路與技術方案，旨在建立第四紀地層綜合劃分區域標準地層柱。由于調查區第四紀地質體和地質現象多以平面狀展布為主，露布性差，而常規的地質填圖方法多以地面地質調查為主，對調查和研究第四系有較大的局限性。要建立第四系三維地質結構模型，離不開物探、鉆探等多種手段的綜合運用。該文僅對第四系科學鉆探及第四紀地層對比方法進行初步的探討。

1　第四系鉆孔數據建設

第四系鉆孔數據建設是開展覆蓋區三維第四系結構調查與研究的基礎。調查區以往的鉆孔資料對第四紀地層的處理較為粗略，無法達到該次工作的精度要求。項目組通過多方征求第四系專家的意見與建議，并結合調查區已有的第四系鉆孔的工作資料，通過具體工作實踐，初步總結出一套適合覆蓋區第四系鉆孔數據建設的工作方法與技術流程。

1.1背景研究及技術準備

在收集、整理工作區已有的各類地物化遙及鉆孔資料的基礎上，同時結合前人對區域第四系調查研究成果資料進行綜合分析，對調查區地貌、第四紀地層結構及沉積物類型、古河道走向及古湖泊分布有一個總體的了解。在此基礎上依據以下原則合理的布置物探工作，以確定第四系鉆孔位置。

(1)根據調查區已有的鉆孔及物探資料，并根據新布設淺層地震剖面位置，在合理利用已有鉆孔資料的基礎上，合理控制第四系鉆孔的分布密度，以滿足網度控制要求。

(2)依據現代地貌類型與控制第四紀地層的構造單元分布，并優先選擇具有區域代表性及發育完整的第四紀地層區進行鉆孔的布置。

(3)盡量避開古河道，選擇松散沉積物顆粒較細、砂礫石層發育相對較少的地段，以保證鉆孔取心率及各類樣品的采取。

1.2第四系鉆探施工技術要求

第四系鉆探的前期技術準備工作、鉆孔設計書編寫要求及施工、編錄整理與一般的地質編錄工作要求相似，已有較為成熟的工作方法及技術規范[1-3]，在此不再一一贅述。鉆探施工時要注意泥漿鉆進，以保證孔壁的完整性，防止塌孔、縮徑等現象，并注意孔深、孔斜的校正。

1.3巖心的處理及照相

(1)巖心保存：將110mm直徑的PVC管截成1m的長度，并一剖為二，將整理好的巖心放入PVC管中保存，PVC管上要表明孔號、孔深及巖心上下位置。

(2)剖巖心：采用特制的鋼筋架將巖心居中剖開，正確掌握操作要領，使巖心切面盡量保持平直，剖開的一半巖心描述及取樣，剩余一半密封保存，以達到保濕、防震效果，利于長期保存。

(3)切面修整：利用刮刀、刷子等工具將剖開的巖心刮平，除去剖巖心時沾染到表面的泥漿等雜物，使巖心顏色、內部沉積結構、構造更加清晰。

(4)放置巖心標簽：以美術體書寫或打印，將裁好的標簽放在巖心管底部下沿；標簽寬度以巖心管直徑的1/3為宜，不要超過1/2，盡量少遮擋巖心。

(5)照相：對巖心進行精細拍照，照相記錄應包括孔號、拍照位置(準確的深度)、拍照內容、拍照比例尺等。分遠照與近照，遠照即對巖心整體進行拍照，室內利用制圖軟件進行拼接處理，制作全孔巖心圖像；近照即將特殊的沉積現象進行拍照，如保存完好的沉積構造、特殊的地層接觸關系、動植物化石、礦物結核等進行單獨拍攝，要注意做好標記(圖1)。

圖1　巖心照相及全控巖心圖像拼接

1.4巖心詳細編錄及取樣

仔細觀察巖心巖性，根據顏色、礦物成分、顆粒大小和含量、層理類型等進行綜合性判別后，進行分層描述，包括沉積物的巖性、顏色、結構構造、包含物(礦物結核、動植物化石等)、次生變化、成因類型、接觸面形態及分層層序、厚度、深度等。第四系鉆孔的成圖比例尺(垂向)一般為1∶100～1∶500，編錄時應視鉆孔的精度要求掌握最小分層厚度。對特殊的標志層(如硬土層、泥炭層、貝殼層等)不論厚度大小均應單獨分層描述。

要特別注意對沉積物顏色(注意區分原生色、后生色)的描述，顏色描述時以標準土壤色卡——蒙塞爾色標(MunsellScale)定名，使顏色的描述不因編錄人員的主觀因素而變化，并保持顏色描述的可還原性。對特殊巖性層、構造現象及沉積旋回及其所代表的環境意義應加以描述。如以硬土層為代表的古土壤層或古風化殼一般會出現于寒冷期頂部，或冷暖交替期間，可作為氣候旋回的重要識別標志[4]。沉積物在垂向上的粒度、顏色、組分變化形成的韻律性或旋回特征在一定程度上受氣候變化及海(湖)平面變化影響[5-7]，在同一構造單元下，其韻律性往往具有區域對比意義(圖2)。

圖2　蒙賽爾標準土壤色卡

1.5樣品采取

對鉆孔巖心所采取的所有樣品都要求新鮮無雜質，尤其要剔除表面及巖心裂隙面灌入的泥漿等污染物。遵循薄層多取，厚層少取的原則[8]。系統采集古地磁、磁化率、微體古生物、粒度分析、孢粉樣品及相關的地球化學樣品。對炭含量較高的層位可適當采集14C測年樣品，粉細砂、粉砂層位等可考慮采集熱釋光或光釋光年齡樣。

1.6鉆孔資料綜合整理

將野外編錄資料及巖心照片進行整理，統一入庫，編制第四系鉆孔綜合地層柱狀圖，進行巖石地層、生物地層、磁性地層、年代地層等多重劃分對比。綜合柱狀圖的垂向比例尺一般在1∶100～1∶500，標志性地層厚度較薄時可適當放大表示。綜合柱狀圖中加入拼接好的全孔巖心圖像，對鉆孔地層結構與沉積相組合特征進行直觀表達。

2　第四系鉆孔綜合研究與孔間地層對比

在第四系鉆孔綜合研究的基礎上，對代表性第四系鉆孔進行詳細劃分與對比，編制綜合柱狀圖，并對代表性鉆孔進行第四紀地層對比，建立工作區第四紀地層層序及填圖單元劃分方案。

2.1第四系標準孔綜合研究及地層劃分

鑒于調查區地處萊州灣南緣，北部又處于濰河、膠萊河兩大河流入海口，區內遍布第四紀以來形成的古河道、古湖泊[9-10]，南部還存在風積作用形成的沙丘、砂壟[11-12]；第四紀沉積作用類型與沉積結構復雜，沉積物的同期異相和異期同相極為普遍，對地層的劃分與區域對比難以用某種單一方法來進行。因此，須遵循巖石地層學、年代地層學、生物地層學與氣候地層學多重地層劃分原則和方法，同時結合淺層地震、綜合測井等資料進行綜合分析。在學習、吸收前人已有的第四系區域地層對比方案的基礎上[8，13-15]，結合調查區第四系沉積特點，確定了第四紀地層劃分的主要依據。

2.1.1第四紀地層劃分的主要依據

(1)第四系沉積物的巖性(如顏色、結構、沉積構造等)、巖相變化特征，沉積物韻律、沉積間斷及其他標志。

(2)第四系沉積物分布特征、埋藏深度與沉積相結合。

(3)古氣候的周期性冷暖變化及海侵海退、古地理環境的變化及沉積環境對全球氣候變化的響應。

(4)古地磁磁極性變化與穩定同位素測年相結合。

(5)能進行區域地層與時代對比的特殊層位，如貝殼層、古風化殼、硬土層(局部表現為古土壤層)等，便于更好地進行野外直接分層和掌握。

2.1.2區域對比標志

以標準孔多重地層劃分為基礎，通過各孔古土壤、古暴露面或剝蝕面、沉積界面的識別標志研究，解決了標準孔與一般鉆孔的等時對比問題，建立了區域對比標志：

(1)巖性標志：由于古氣候的旋回性特征，導致沉積環境發生周期性變化，往往使沉積物形成粒度、顏色及成分上沉積韻律，其所代表的沉積旋回、亞旋回在區域上往往具有可對比性。

(2)沉積標志層與沉積間斷：調查區各鉆孔顯示第四紀地層在垂向上均發育幾層硬土層(局部表現為古土壤層)。硬土層上覆巖性層一般呈突變接觸關系，而與下伏巖層具漸變關系；含水量較少，固結程度較好，一般呈堅硬塊狀，硬度上明顯區別于上下層；硬土層的色調常呈黃褐色、灰綠色或雜色，由于暴露氧化所致普遍有鐵、錳質浸染或含鐵錳質斑塊、結核；硬土層具有明顯的識別標志，且在區域上具有普遍性，可作為是劃分地層的重要標志層[13，16]。

(3)古氣候標志：第四系松散沉積物中的孢粉種類及其組合特征是確定古氣候冷暖變化，進行古氣候分期的重要標志。寒冷期孢粉含量較少，以喜冷的針葉樹或草本花粉為主。溫暖期孢粉種類比較豐富，孢粉組合以闊葉樹花粉為主。但在具體應用時不能以偏概全，應結合沉積環境進行綜合分析[16]。

(4)海侵標志：微體古生物分析已經證明是沿海平原和陸架海侵研究的最重要手段之一[15，17]。根據有孔蟲、介形蟲的分布及其組合特征進行劃分對比，并結合巖性巖相綜合分析，以確定海侵時代及標志層，劃分出調查區的海侵時序及進退變化范圍。

2.2孔間地層對比與第四系剖面研究

以調查區填圖單元綜合劃分方案和區域對比標志為參照依據，以第四系標準孔為基準，編制調查區第四系鉆孔地層柱狀圖，進行孔間地層對比及單孔地層劃分及歸屬。結合區域淺層地震勘探資料，編制控制全區的縱橫向第四系地質剖面圖，綜合分析第四系沉積結構特征，構建平原區第四系宏觀地層格架(圖3、圖4)。

圖3　鉆孔綜合柱狀圖(后續樣品測試結果待加入)

圖4　勘探1線孔間地層對比(圖中①-④為海侵層)

3　結語

(1)第四系標準孔有一套完整的工作流程，從鉆孔的合理布置、全孔取心鉆探、巖心的保存與系統照相、精細編錄與系統取樣到鉆孔資料的綜合整理，每一個技術環節都有特定的技術要求，與一般的礦產編錄過程多有不同。而將全部巖心用PVC塑料管進行密封保存與系統編號，達到了保濕、防震的預期效果，使保存的巖心在幾年之后仍能基本保持原樣，為室內精細研究及后續補充研究創造了有利條件。對全孔巖心進行系統照相并拼接實現了對鉆井垂向地層結構的最直觀表達。初步的實踐證明，該方法技術是行之有效的，在河口—海灣、沿海地區具有一定的推廣意義。

(2)調查區地處萊州灣南緣，北部又處于濰河、膠萊河兩大河流入海口，區內遍布第四紀以來形成的古河道、古湖泊，南部還存在風積作用形成的沙丘、砂壟；第四紀沉積作用類型與沉積結構復雜，沉積物的同期異相和異期同相極為普遍，鉆孔之間的地層對比不能采用深度加巖性的簡單對比法，須遵循巖石地層學、年代地層學、生物地層學與氣候地層學多重地層劃分原則和方法，同時結合淺層地震、綜合測井等資料進行綜合分析。合理劃分第四紀地層層序、確定區域對比標志是關鍵，在第四紀區域地層對比的基礎上，建立調查區第四系鉆孔數據庫，構建三維第四紀地質結構模型。

(3)該文只是1∶5萬辛安莊等五幅區域地質調查項目覆蓋區第四系調查與研究方法的階段性總結，項目的后續工作還在開展，樣品測試結果的分析與整理還在進行中，對區域地層對比及項目最終成果的表達還處于進一步探索、改進與完善之中。

[1]王紅蓮,趙鐵峰.淺談鉆孔原始地質編錄[J].中國科技信息,

2007,(21):99.

[2]阿種明,李細根.淺談野外巖心地質編錄工作[J].鈾礦地質,2001,(5):314-320.

[3]DD2006-01.固體礦產勘查原始地質編錄規程[S].

[4]林春明,李從先.杭州灣沿岸平原晚第四紀沉積特征和沉積過程[J].地質學報,1999,73(2):120-130.

[5]陶明華,韓春元,陶亮.旋回性沉積序列的形成機理分析[J].沉積學報,2007,25(4):505-510.

[6]高永進.砂礫巖體沉積旋回劃分及對比方法——以濟陽坳陷鹽家地區沙四段上亞段為例[J].油氣地質與采收率,2010，(6):6-11.

[7]梅冥相.從旋回的有序疊加形式到層序的識別和劃分:層序地層學進展之三[J].古地理學報,2011,13(1):37-54.

[8]顧明光,汪慶華,盧成忠,等.杭州城市平原區三維第四系結構調查研究方法探討[J].中國地質,2008,35(2):232-237.

[9]趙松齡,楊光復,蒼樹溪,等.關于渤海灣西岸海相地層與海岸線問題[J].海洋與湖沼,1978,(1):15-24.

[10]韓美,張維英,李艷紅，等.萊州灣南岸平原古湖泊的形成與演變[J].地理科學，2002，(4):430-435.

[11]張祖陸.渤海萊州灣南岸濱海平原的黃土[J].海洋學報,1995,(3):127-134.

[12]張祖陸.渤海萊州灣南岸平原黃土阜地貌及其古地理意義[J].地理學報,1995,(5):464-470.

[13]陳忠大,覃兆松,梁河,等.杭嘉湖平原第四紀地層高精度對比方法研究[J].中國地質,2002,30(3):275-280.

[14]楊建梅,羅以達,顧明光,等.杭州城市第四系三維地質結構模型建立中的孔間地層對比方法分析[J].中國地質,2006,33(1):104-108.

[15]王強,張玉發,袁桂邦,等.MIS3階段以來河北黃驊北部地區海侵與氣候期對比[J].第四紀研究,2008,28(1):79-95.

[16]林春明.杭州灣地區15000a以來層序地層學初步研究[J].地質論評,1997,(3):273-280.

[17]汪品先.微體化石在海侵研究中的應用與錯用[J].第四紀研究,1992,13(4):321-331.

DiscussiononQuaternaryScienrificDrillingandStratigraphicCorrelationMethod

HUANGYongbo,HOUJianhua,SONGZhiyong,RENTianlong,LIUYin,ZHANGZhigang

(ShandongGeologicalSurveyingInstitute,ShandongJinan250013,China)

Accompanyingwiththedemandofsocialandeconomicdevelopment,Quaternarygeologyisbecomingincreasinglyimportant,forwhichisabasisforsustainabledevelopmentoflocaleconomy.QuaternaryscientificdrillingisanimportantmeansongeologicalmappingwhichcoveredbyQuaternarysediments.ThequalityofgeologicaldrillingandgeologicalloggingdeterminestheexpressionofgeologicalsurveyofQuaternarycoveringregion.Inthispaper,Quaternaryscientificdrillingworkflowhasbeenmade,andmultiplestratigraphicdivisionandregionalstratigraphiccorrelationofQuaternarysedimentshavebeenstudied.

Quaternaryscientificdrilling;unconsolidatedsediments;geologicallogging;Quaternarystratigraphiccorrelation;southcoastofLaizhouBay

2015-02-05；

2015-03-11；編輯：陶衛衛

受中國地質調查局《山東1∶5萬辛安莊、海滄、昌邑、新河、朱里幅區域地質調查》(項目編號1212011220485)資助

黃永波(1984—)，男，山東諸城人，工程師，主要從事區域地質調查工作；E-mail：wingboo@sohu.com

P634.5

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