基于綠色勘查的淺鉆技術在淺覆蓋區填圖中的應用研究

岳永東， 譚春亮， 宋殿蘭， 林廣利， 蘇興濤

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

黨的“十九大”報告提出了必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。綠色勘查作為一種科學的發展理念和先進的發展方式，是在地質勘查領域貫徹落實中央生態文明戰略的重要舉措。綠色勘查，即以綠色發展為目的，通過科學理念、技術手段創新，以地質勘查全過程的“綠色化”、“生態化”為主要內容和途徑，最大限度地減少勘查工作對生態環境的擾動和影響，實現保護生態和保障資源供給的雙贏[1]。

內蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區填圖試點項目工作區行政隸屬于內蒙古赤峰市翁牛特旗、敖漢旗及錫林郭勒盟阿巴嘎旗，地處農業文明與牧業文明交匯、蒙漢民族結合帶。當地自然類型復雜多樣，生態環境脆弱，水資源匱乏，荒漠沙化嚴重，是北京主要的沙源地，作為北京乃至全國重要的生態安全屏障，生態環境保護治理工作任重道遠。因此在填圖工作中，應該積極實踐綠色勘查，最大限度地減少各項工作對生態環境的破壞，把生態文明建設放在突出的戰略位置。項目工作區范圍如圖1所示。

1 綠色勘查現狀

1.1 地質勘查對生態環境的影響

地質勘查對生態環境的影響形式主要有以下3個方面。

1.1.1 地表植被的破壞

圖1內蒙古中東部荒漠草原淺覆蓋區調查范圍示意圖

圖2 槽探工程對環境的破壞

地質勘查過程中，槽探(圖2)、鉆探、坑探及淺井工程的施工都需要在地表進行一定規模的開挖，對地表植被產生直接破壞，此外物資搬遷及交通道路的修建也會對地表植被產生影響。植被的破壞在生態環境脆弱的地區會進一步形成水土流失的隱患，同時也會對第四系中的微循環水系形成破壞。

1.1.2 污染物的排放

在勘查施工過程中，地表泥漿的排放、地下泥漿的漏失、生產生活垃圾的排放以及空氣鉆探的粉塵排放對環境的污染不可忽視，特別是鉆探施工過程中產生的廢水、廢漿，會對地表及地下水環境帶來污染隱患。

1.1.3 作業人員的不當行為

個別勘查施工作業人員環保意識薄弱，存在破壞植被、抓捕野生動物等不當行為，綠色勘查意識還需進一步加強。

1.2 綠色勘查發展現狀

2016年5月10日，在中國地質礦產經濟學會2016年地勘局長座談會上，綠色勘查行動宣言誕生。自2015年起，國土資源部地勘司連續3年召開全國性的綠色勘查專題會議，總結推廣綠色勘查經驗方法，在大力倡導和推動下，綠色勘查工作在全國逐步展開。

綠色勘查誕生于青海多彩，青海有色地勘局多彩地區的綠色勘查經驗目前已在全省地勘系統全面推廣實施；貴州西南能礦集團有限公司制定了一系列綠色勘查工作制度，進一步規范了綠色勘查的工作程序；中國地質調查局探礦工藝研究所將多項有助于環保的技術方法集成為綠色勘查技術體系在四川省若爾蓋鈾礦田開展了示范研究，取得了良好的效果；河南、四川、新疆等各地的地勘系統也積極探索綠色勘查，均開展了方法試驗[2-3]。

綠色勘查是一個系統工程，貫穿于整個勘查過程中，針對勘查施工中對生態環境造成影響的3個方面，當前綠色勘查的實施主要在如下3個方面開展工作：一是減少施工過程中對環境的擾動；二是減少施工過程中污染物對環境的影響；三是加強施工完成后對生態環境的恢復治理。綠色勘查的技術體系已初步形成[4]，如圖3所示。

圖3 綠色勘查技術體系初步框圖

2 工作區地質概況

本項目工作區位于華北板塊北緣和興蒙構造帶的南部，經歷古亞洲洋構造域和濱太平洋構造域的疊加，地質演化歷史復雜。翁牛特旗及敖漢旗工作區與阿巴嘎旗工作區，分屬于天山-內蒙古-興安嶺地層區錫林浩特分區的溫都爾廟與西烏珠穆沁兩個地層小區。下面以翁牛特旗及敖漢旗工作區為例，介紹基于綠色勘查的鉆探技術在淺覆蓋區填圖工作中的應用。

翁牛特旗及敖漢旗工作區位于西拉木倫河斷裂以南，工作區內地形呈不規則的緩坡形，主要為低山丘陵及河谷平原，區內主要河流包括少郎河、老哈河等。工作區內覆蓋嚴重，覆蓋層面積廣、厚度大且不均勻、覆蓋物類型較復雜，基巖出露僅占總面積約15%～20%，其余均為第四系覆蓋，河谷部位覆蓋厚度可達200 m。區內保存的地層時代集中在古生代和晚中生代，且兩個不同時代的巖性組合均以酸性火山巖、火山碎屑巖為主，不同的是古生代地層一般經歷了變質作用。工作區覆蓋層地層單元如表1所示，工作區地貌如圖4、5所示。

表1 工作區覆蓋層地層單元

圖4 翁牛特旗工作區地貌

圖5 敖漢旗工作區地貌

3 淺覆蓋區填圖中鉆探施工的作用及特點

3.1 鉆探技術在淺覆蓋區填圖中的作用

淺覆蓋區通常指第四系堆積物連續分布、且覆蓋面積占圖幅面積50%以上、覆蓋層厚度<200 m的地區。傳統的覆蓋區填圖由于覆蓋多、露頭少，填圖精度及準確性較差，而且覆蓋區填圖常采用槽探等揭露手段，開挖面積大，對植被破壞嚴重，且只能解決3 m以淺覆蓋區的地質問題，自身存在局限性，已無法滿足淺覆蓋區填圖綠色勘查的發展需求。

隨著淺層鉆探機具研發系列化與配套工藝方法的成熟，以及淺鉆地球化學測量、以鉆代槽技術方法的應用研究取得了一系列顯著成果，使用淺層鉆探技術進行覆蓋區“揭蓋”填圖成為可能[5-6]。淺層鉆探技術作為最直觀的進行定量分析研究的技術手段，不僅可以有效控制基巖地質情況，拓展隱伏地質體勘查深度，查明礦體形態，解決覆蓋區地質勘查面臨的工程揭露困難，還能大量減少對植被的破壞，降低對環境的影響，是填圖工作中貫徹綠色勘查理念的直接體現[7]。

本項目最大的特色是勘查施工中不包含槽探等對生態環境破壞較大的手段，而以鉆探作為揭露地表覆蓋層的主要方式。淺鉆技術對填圖工作的支撐

主要體現在：

(1)利用鉆探技術實現“揭蓋”，確定淺覆蓋區基巖頂面埋深及隱伏基巖巖性，服務于填制基巖地質圖。

(2)驗證地質推斷、物探推斷及化探異常的隱伏地質體，追蹤和圈定出重要的地質邊界，服務于覆蓋區填圖與礦產異常查證。

(3)通過鉆探取心(樣)，建立新生代地層序列，再結合鉆孔取樣的年代學研究建立第四系充填序列的年代格架，服務于新生代地質調查。

3.2 淺覆蓋區填圖中鉆探施工的特點

區別于固體礦產鉆探，服務于淺覆蓋區填圖的鉆探施工具有以下特點：

(1)鉆探施工以松散覆蓋層鉆進取心為主。覆蓋層結構復雜，包括腐殖土、黃土、砂層、卵礫石層、風化基巖、第四系玄武巖與松散堆積物復合覆蓋等多種覆蓋類型，松散破碎、軟硬交錯、遇水易膨脹或分散剝落，鉆探施工的主要難點是解決松散覆蓋層的防塌堵漏、護壁取樣問題。

(2)淺覆蓋區填圖鉆探施工工區面積大，鉆孔數量多，孔位分散且孔深較淺，單孔作業時間短，搬遷轉場頻繁。

4 基于綠色勘查的淺鉆技術方法應用研究

淺層鉆探技術作為淺覆蓋區填圖中工程揭露的主要手段，通過科學合理的實施，可在滿足填圖需求的同時支撐綠色勘查的發展。項目組在填圖勘查施工中堅持貫徹綠色勘查理念，規范鉆探施工組織管理程序，以優質高效、安全環保為目標，積極探索技術、設備、工藝、材料的集成創新，通過實踐，取得了綠色勘查的一些有益經驗。

4.1 機動輕便鉆探機具的應用

鉆探施工過程中，設備搬遷、道路、機場及其相關輔助工程的修建是環境擾動的主要因素。為了減輕對環境的影響，同時滿足淺覆蓋填圖鉆探施工頻繁搬遷的需求，項目組確定采用機動、輕便的淺層取樣鉆機進行鉆探施工。

自2016年起，累計投入了車裝式鉆機、履帶式鉆機及輕便淺層取樣鉆機3類、共計6種型號的機動輕便鉆機，均具有搬遷輕便高效、機臺占地面積小的優點，根據地質需求、施工條件、鉆孔深度及鉆進工藝要求，具體選擇。鉆機詳情如表2所示，其形貌如圖6～8所示。

表2 項目應用的機動輕便鉆機

圖6 TGQ-500CZ型車裝式全液壓鉆機

圖7 TGQ系列輕便淺層取樣鉆機

鉆孔施工前，做好勘路工作，規劃最佳行車路線，優先選擇已有道路或小路，減少車輛行走造成的植被破壞及土壤壓實等影響，針對車輛難進入的景觀區，

圖8 GJ200-1S型履帶式鉆機

根據現場地貌景觀及鉆孔設計要求，選用通過性強的履帶式鉆機或可人力搬遷的輕便淺層取樣鉆機。

4.2 環保沖洗液體系的應用研究

淺覆蓋區填圖鉆探施工主要面對的是第四系松散層的鉆進取心問題，鉆進過程中不可避免地要使用泥漿以實現保護孔壁、清潔孔底及攜帶巖屑等目的。

作為鉆探施工過程中的主要污染源，項目組貫徹的沖洗液選用原則為：沖洗液盡可能采用清水，空氣循環鉆進或硬質合金單管干鉆浸潤法鉆進取心可以不使用或使用少量清水[8]；如需使用泥漿，必須采用無固相或者低固相優質環保泥漿；泥漿材料及處理劑必須具備無毒、無害、可自然降解性能，符合環保要求；嚴禁添加含有重金屬離子、油類、有機污染物(如烴類、醛類、酚類、有機硫化物等)及高相對分子質量的鹽類等處理劑。

松散層主要特征是膠結性差、水敏性強、易坍塌漏失、泥砂質成分易被沖蝕。通過野外探索實踐，項目組建立了適用于工作區鉆探施工的環保沖洗液體系，主要使用可自然降解的天然植物膠配制無固相、低固相沖洗液，針對強水敏性分散剝落地層，則選用成膜防塌無固相沖洗液[9-10]。沖洗液配方及性能如表3所示。環保沖洗液體系的護壁取心效果好，可以有效地提高鉆進效率和取心質量，滿足覆蓋區填圖鉆探技術要求。典型地層取心效果如圖9所示。

表3 環保沖洗液體系

圖9 松散層典型地層取心效果

4.3 鉆探+測井綜合研究及應用

支撐覆蓋區填圖的鉆孔按取心情況可以分為兩類，全孔取心孔與非全孔取心孔(覆蓋層不取心)，兩類鉆孔的對比如表4所示。

覆蓋層與基巖一樣，不同巖性地層在物探測井曲線上有其明顯的反映特征[11]。因此，可以通過部分全孔取心孔“取心+測井”建立起相應區域的測井綜合標準柱狀圖，部分非全孔取心孔根據地質需求，通過測井曲線與該區域的測井綜合標準柱狀圖對比，實現巖性識別與地層劃分，確定鉆孔中地層的巖性、深度、厚度等。

本項目2017年度實施了34個鉆孔共計4093 m的地球物理測井，通過測井曲線與鉆探巖心的詳細對比，研究巖性和物性的內在聯系，初步掌握了工區內覆蓋層不同巖性地層在測井曲線上的反映特征。具體表現為：視電阻率曲線上粘土層電阻率最低，砂層有明顯高異常，其幅值隨著粒度的增大而增加，礫石層最高，粉細砂層最低；自然伽馬曲線與視電阻率曲線相反，粘土層幅值最高，幅值隨著粒度的增大而降低；自然電位曲線上粘土層異常不明顯，一般為曲線的基值，砂層礫石層有明顯的異常，幅值一般隨粒度的增大而升高；視密度曲線上粘土層幅值較高，隨粒度的增大而降低；玄武巖層與松散堆積物相比，視電阻率與密度幅值明顯升高，自然電位異常不明顯，自然伽馬幅值較低。工作區典型覆蓋層巖性對應的測井曲線特征如表5所示。

表4 淺覆蓋區填圖鉆孔分類對比

表5 工作區典型覆蓋層巖性對應的測井曲線特征

結合測井曲線形態，工作區覆蓋層地層單元測井曲線特征為：全新統沖洪積物測井曲線呈震蕩特征，反映該沉積物粒度變化頻繁，粗細混合；赤峰黃土與大塔卜烏蘇組測井曲線呈漸變特征，反映該組黃土顆粒變化比較平穩；烏爾吉組測井曲線呈突變特征，反映該覆蓋物沉積環境發生急劇變化，與下部湖積跟上部風積有關；漢諾壩組測井曲線呈穩定塊狀特征，反映該組巖石特征穩定，與穩定的玄武巖有關。

非全孔取心孔采用全面鉆進或空氣循環鉆進等工藝，通過本項目鉆探施工實踐計算得出，其鉆進效率是全孔取心孔的2～3倍，成本為全孔取心孔的1/3～1/2，且不取心鉆進沖洗液用量較少甚至無需沖洗液，最大限度地減少了沖洗液對環境的影響。在滿足填圖需求的情況下，鉆探與物探測井技術的綜合應用，可以指導兩類鉆孔的布設方案，通過合理設計盡量減少全孔取心孔的數量，從而實現降低成本、提高效率、低碳環保的綠色勘查目的。

4.4 以鉆代槽技術方法研究應用

以鉆代槽技術就是采用淺鉆代替槽探揭露覆蓋區基巖及上部覆蓋層，獲取相應地質信息的勘查技術方法。以鉆代槽技術方法的研究應用，重點是通過合理布孔，利用盡可能少的工作量來完成對地質體的揭露，分析隱伏基巖巖性、構造及地質體相互關系，準確地控制地質體的層面及產狀[12]，推進解決覆蓋區覆蓋層下基巖填圖的問題。

采用試探孔-探索孔-追索孔循序漸進的布孔方法，能在勘查過程中主動、靈活、準確地對層狀、面狀地質構造進行控制，從而達到掌握層狀、面狀地質構造產狀的目的；對于形態不規則、復雜多變的地質體，采用十字形布孔(梅花孔)可以有效地控制其產出形態、空間形態。

在填圖勘查施工中，項目組開展了以鉆探設備及工藝+鉆孔布設+三維地質建模為主要特征的以鉆代槽勘查技術方法試驗。例如，翁牛特旗工作區內八當山組褶皺構造較發育，但基巖露頭僅出露于測區南緣，根據目前隱伏基巖調查成果，其分布面積較大，因此覆蓋層之下隱伏基巖的產狀及褶皺特征，是覆蓋區填圖隱伏基巖調查的難點之一。為解決這一問題，項目組在靠近八當山組基巖出露區的邊緣布置了3個追索試驗孔。三者平面呈等邊三角形，間距20 m。施工現場如圖10所示。

圖10 以鉆代槽技術方法試驗施工現場

通過鉆進，根據所選標志層——片理化流紋巖的海拔高程，利用三點法計算確定了其片理產狀，再通過與基巖露頭對比，進一步了解了八當山組的褶皺特征。

4.5 規范鉆探施工組織管理程序

4.5.1 施工前，合理部署

設計階段科學布孔，避讓自然保護區、生態保護區、重要水源地等環境敏感區域；堅持鉆孔最少化原則，合理匹配全孔取心孔與非全孔取心孔數量；依據地質目的，結合景觀地層情況，優化鉆探施工方案，推廣機動輕便鉆探機具、以鉆代槽技術、定向鉆進技術等環保的技術方法及工藝。

4.5.2 施工中，科學管理

施工過程中，盡量減少鉆機搬遷及場地建設對環境的擾動，施工現場布置緊湊合理；設備齊全完好，無油料、化學處理劑等跑、冒、滴、漏等污染現象；盡量減少沖洗液用量，選用環保型沖洗液，沖洗液循環系統必須做防滲處理；施工現場廢漿、廢料、廢油及生產生活垃圾分類集中處理，嚴禁亂排亂放；空氣循環鉆進控制粉塵，增設孔口除塵裝置，避免揚塵；加強施工人員綠色勘查意識，嚴格管理施工人員行為，強化責任。

4.5.3 施工后，恢復治理

施工結束后，及時徹底地清除現場各類雜物、垃圾及污染物，按相關規定分類收集處理；及時平整恢復場地，并按相關標準及要求完成場地覆土、草地復綠、林地復綠、耕地復耕等生態恢復治理工作；綠色勘查資料及時記錄、整理，環境恢復治理工作及時驗收。

5 存在的不足及建議

現有的技術可以解決綠色勘查施工中的部分問題，但在全面性及成熟性方面仍有欠缺，還需進一步開展綜合研究應用，集成創新。

(1)鉆探施工采用的鉆探機具及配套工藝還需進一步完善，特別是適用于車輛難進入景觀區、鉆深50～200 m、同時兼顧人力搬運輕便性的淺層取樣鉆機，目前還缺乏合適的機型，有待進一步提高。

(2)環保沖洗液性能及適應性還處于試驗階段，不具備大范圍大量推廣使用的條件，迫切需要在沖洗液的功能性和環保性方面開展綜合研究應用，實現覆蓋區填圖鉆探施工護壁取心與綠色環保的雙贏。

(3)泥漿不落地循環及廢棄泥漿回收處理技術在本項目鉆探施工中還未開展相關研究應用，有待開展進一步研究。

(4)以鉆代槽技術應用范圍還比較有限，在確定層面及產狀方面還需開展進一步的研究。

6 結語

在淺覆蓋區填圖勘查施工過程中，堅持綠色勘查理念，從地質需求出發，立足于淺層鉆探技術，通過3年來的探索實踐，初步形成了基于綠色勘查的淺覆蓋區填圖鉆探技術方法體系，在滿足填圖工作需求的同時，在經濟高效、綠色環保方面也取得了良好的效果，為綠色勘查技術的發展提供了支撐。