城市地質調查中第四紀地質鉆探精細化編錄工作方法
——以濟南市新舊動能轉換先行區城市地質調查為例

王瑋，朱恒華，劉柏含，徐建國，劉治政，徐華，劉中業

(山東省地質調查院，山東 濟南 250014)

0 引言

地質鉆探是獲取地質資料最重要的手段之一。近年來，第四系覆蓋區的城市地質調查工作陸續展開，工作目的主要是圍繞影響城市發展的地質問題，查明城市三維地質結構、地下空間狀況、工程地質性質，為城市綠色、集約、智慧發展提供地質專業技術支撐。城市地質調查中地質鉆探均采用全取心鉆探方法，鉆探費用高，應盡可能做到一孔多用，巖性描述除滿足第四紀地質鉆探編錄要求外，還需滿足工程地質鉆探編錄要求，巖性描述應力求內容豐富和細致，此外還應獲取直觀、清晰、準確的巖心影像資料，為查明沉積物成因、恢復古地理環境、建立三維地質結構提供數據支撐。

為加強城市地質調查，推進新型城鎮化和生態文明建設，2018年山東省地質調查院承擔實施了“濟南市新舊動能轉換先行區城市地質調查”。調查區位于濟南市中北部第四系覆蓋區，黃河兩岸，地勢平坦。區內第四系巖性巖相多變，地層結構較復雜，黃河在歷史時期內多次泛濫、改道，形成了區內的河流沖積平原。本文結合第四系地質鉆探施工實踐，從地質編錄、巖心照片采集和后期處理等方面總結以下結論，希望能為日后城市地質調查工作提供參考。

1 鉆孔巖心的采取、擺放

巖心采取是取心鉆探的關鍵環節[1-7]，第四紀松散沉積土盡量采用泵推的方式取心，禁止將巖心管吊離地面敲打巖心。對于黏性土通過調整泵壓，將巖心勻速緩慢推出，盡量保持巖心原來的狀態；對于砂土層可將鉆具頂部單向閥旋開，放置活塞，再退取巖心，防止砂層被泥漿沖散。取出的巖心放入預先準備好的巖心管，巖心管可選用長度1m的Φ110mm硬質PVC管，將PVC管從中間剖開成為2個槽型巖心管。取出的巖心在巖心管中擺放時切不可顛倒巖心順序和方向，每一回次最后放置巖心牌。當因巖心膨脹造成巖心長度超過回次進尺時，應按照巖性特征切除伸長的巖心。

2 巖心的剖開

剖巖心應采用鋼絲弓架或厚背刀，制作鋼絲弓架應選擇強度大的細不銹鋼絲，鋼絲拉直繃緊后，固定在“U”型鋼筋架的兩端，制成類似線鋸的工具，將細不銹鋼絲作為刀鋒。當巖心硬度不大時可用鋼絲弓架將巖心剖開；巖心硬度較大時則用厚背刀切開，切割巖心時盡量一刀到底，保證切面平整。在剖巖心過程中盡量不要破壞巖心的內部結構、構造，不要劈成光面。對于巖心中發現的動植物化石、典型的卵礫石、鈣質結核等含有物，應用水清洗干凈后放回原位。

3 巖心的拍照

由于松散沉積土的顏色、濕度、狀態等會隨著巖心保留時間的延長而增大，巖心長時間保留的難度大，所以要重視對鉆孔巖心的拍照工作，高質量的巖心照片可以起到和保留巖心一樣的效果，對后期鉆孔資料的分析研究意義重大[8]。

3.1 拍攝器材及巖心處理

在進行巖心拍照前，應提前準備好拍攝所需的相機和器材，所需的主要器材有相機、三腳架、標尺、深度牌、抹布、色卡護照。巖心剖開后，應立即進行整飾，用干凈不掉毛的抹布，不僅要擦除巖心管外側殘余泥漿，還要擦凈巖心管邊緣，露出白邊，若巖心表面被泥漿污染，應用刮刀將被污染的土刮掉，露出新鮮面。若巖心取心率低或采取了原狀樣，應將取樣位置空出，用白紙寫好樣品編號深度等信息放置于空白處，一起記錄到照片內。將4根1m的巖心管嚴格按照巖心上下順序擺放，要求放置平整且巖心管間無縫隙，將標尺放置于4根巖心組的中間位置，將深度標牌放置于4根巖心組的右上角，標牌應保持干凈，深度文字內容對比明顯。

將相機固定于三腳架上，將2支三腳架的腿縮短，另一只三腳架的腿拉長，使相機可垂直于4根巖心管中心，這樣可保持巖心管比例不失真，每次拍照應保持固定的拍攝角度和距離。每組巖心應至少進行兩次拍照，避免失焦。如果有特殊含有物或明顯的地質界線，應放置標尺后進行局部細節拍照。對典型地質現象，如保存好的沉積構造、地層接觸關系、動植物化石等單獨近照。

3.2 巖心照片拍攝方法

3.2.1 光源

在野外不同的光線條件下，拍攝會出現色偏的現象，拍照時應在晴天自然光條件下，禁止在遮陽棚或樹蔭下進行拍攝，避開早晨和傍晚等光線時段，保持環境光色溫一致，以獲得正確的巖心顏色。通常日出、日落時的陽光色溫偏低約2000K，日出后色溫增高，正午陽光色溫約5500～5800K，晴天時在陰影處色溫約6000K，陰天時色溫則6500K以上。色溫的高低意味著光譜成分的比例不同，當光源色溫為5500K時，光譜中紅、綠、藍3種色光的比例大致相同，這時所發出的光在人的視覺感受上為白光，顯色指數最高為100[9]。如果在野外無法保證光源色溫和亮度穩定，可采用補光燈和柔光燈箱，補光燈色溫約5500K，保證光線色溫一致。

3.2.2 拍照設備

應選擇畫質好、解析力強、色彩還原度高的單反相機和鏡頭進行巖心照片拍攝。本文以佳能5D MarkⅣ為例，在拍攝前，將相機文件儲存格式設置為RAW+JPEG。RAW格式是未被加工的原始數據，它是CMOS圖像處理器捕捉的光源信號轉換為數字信號的原始數據，RAW格式所記錄的信息是未經任何壓縮處理的原始數據，在后期處理時可以根據色彩校正的需要進行任意圖像調整，并且不會損失圖像質量。相機在拍攝時，會同時生成2個相同文件名的文件，擴展名分別為*.CR2(相機品牌不同，擴展名不同)和*.JPG，JPG文件可用來快速預覽照片內容，CR2文件可通過軟件進行后期色彩校正和處理。

拍攝時，相機可使用P檔進行拍攝，確保照片不會曝光不足或過曝。在野外進行巖心拍攝時，可使用愛色麗公司的24色ColorChecker Passport進行色彩和白平衡校正。愛色麗設備執行的是孟賽爾實驗室所制定的色彩標準，愛色麗色卡是色彩行業廣泛使用的通用標準，通過愛色麗校色設備所校準出來的照片，可準確的反應被攝物體的色彩。首先檢查曝光，精確地曝光是色調范圍和色彩的關鍵，然后使用相機拍攝一張白平衡卡，建立環境光自定義白平衡，確定拍攝環境的色溫，白平衡用來匹配光源光譜成分，確保色彩準確還原。相機白平衡與環境光色溫一致時，可還原被攝物體正常的色彩。最后對24色卡進行一次拍攝，拍攝時注意色卡中的色塊應沒有反光，將色卡和巖心同時包含在取景框中，這張照片可用于對相機進行校準，從而創建自定義配置文件，對同一拍攝環境下的所有照片進行顏色校準。校正完以后，對同樣光線環境下的幾組巖心進行拍攝。若光線環境發生變化，應重新進行校準流程。

3.3 巖心照片色彩校正

在野外獲取了高質量的巖心照片原始數據，應進行軟件校正才能實現準確的色彩還原，達到“所見即所拍”。

本文以Adobe Lightroom Classic和愛色麗色卡自帶的ColorChecker Camera Calibration軟件為例，對CR2文件進行色彩校正。首先將拍攝的包含色卡圖像的CR2文件導入Lr中，輸出為DNG格式文件。再將DNG文件導入ColorChecker軟件，系統會自動識別色卡中不同色塊的位置，仔細調整取色框的位置，保證取色框在色塊中央，然后生成相機配置文件，擴展名為*.DCP，重啟Lr，導入同樣光線條件下拍攝的幾張照片，選擇生成的相機配置文件，軟件會自動進行色彩校正。通常由于拍攝距離較近，鏡頭會產生魚眼效應，導致直線物體發生彎曲，可使用Lr中鏡頭校正功能，進行魚眼校正，確保巖心照片形狀不失真。

通常地質編錄會持續幾日，野外光線條件難免會發生變化，不同工作組的拍攝器材也有可能不統一，通過這種拍攝和色彩校正方法，基本實現了不同環境、不同相機、不同鏡頭巖心照片色彩一致且最接近野外直接觀察顏色的目的。除了紙介質媒體外，電子介質已成為地質資料歸檔、傳閱主要媒體，為了巖心照片從拍攝、顯示、印刷過程中顏色還原一致準確的跨媒體顏色復現，需要另外對顯示器、打印機進行色彩校正，實現全流程的色彩管理。

4 巖性描述

地質編錄應盡可能詳細的記錄巖心的各類狀態。編錄前應提前準備好所需各類表格、儀器、工具、色卡等，可將剖開后的4～5m巖心按照順序排好，先綜合觀察分析整體的沉積韻律，再通過手掰巖心觀察對比顏色、結構、構造、層理、含有物、粒度、礦物成分等變化，綜合沉積韻律、巖性變化進行客觀準確的編錄和分層。

4.1 土的分類

第四紀松散沉積物巖性定名較復雜，雖然不同部門、專業有各自的定名方案，但大都是根據土的顆粒級配或塑性指數進行分類。本次城市地質調查項目，根據不同規范土的分類復雜程度，以準確、易于表述為原則，兼顧第四紀地質、工程地質、水文地質專業，詳細地描述野外地質現象。

本次城市地質調查巖土分類、定名方法綜合《土的工程分類標準GB/T 50145—2007》《巖土工程勘察規范GB 50021—2001(2009年版)》《水運工程巖土勘察規范JTS 133—2013》《鐵路橋涵地基和基礎設計規范TB 10093—2017》《電力工程巖土描述技術規程DL/T 5160—2015》等規范和技術標準，主要根據《巖土工程勘察規范》和《電力工程巖土描述技術規程》進行分類定名，土的分類分別為碎石土、砂土、粉土、黏性土。

對于碎石土，顆粒粒徑分別大于200mm、20mm、2mm的顆粒超過總質量50%的，且顆粒形狀以圓形及亞圓形為主的應分別定名為漂石、卵石、圓礫，顆粒形狀以棱角形及次棱角形為主的應分別定名為塊石、碎石、角礫。砂土按顆粒級可分為礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂。粉土為粒徑>0.075mm的顆粒含量不超過總質量的50%，且塑性指數Ip≤10的土。粉土可根據工程需要進一步分類，若粉土塑性指數Ip<7，粒徑小于0.005mm的顆粒含量小于總質量的10%，可定為砂質粉土；若粉土塑性指數Ip≥7，粒徑小于0.005mm的顆粒含量大于或等于總質量的10%，小于或等于總質量的15%，可定為黏質粉土。黏性土分為粉質黏土和黏土，塑性指數>10且≤17的土為粉質黏土；塑性指數Ip>17的土應為黏土。對于特殊性土，應結合顆粒級或塑性指數定名，可分為軟土、紅黏土、黃土、膨脹巖土、填土、污染土、凍土、鹽漬巖土等。

4.2 土的野外鑒定方法

對于碎石土根據粒徑大小來進行初步判斷，而估測砂土、粉土或黏性土可通過刻度尺測量、徒手搓條、觀察切面光澤等方法判定。野外鑒別時，中砂接近砂糖或雞冠花籽大小，細砂粒徑與粗玉米粉相當，粉砂粒徑比精制食鹽的粒徑稍細。粉土和粉砂的野外鑒別方法采用搓條法鑒定，能搓成長度約手掌寬、直徑約0.7cm的卡條，且能提起來不斷應定為粉土，否則定為粉砂。粉土和黏性土的野外鑒別可通過光澤反應、搖振反應等方法進行鑒別，粉土搖振反應迅速、中等，無光澤反應，干強度和韌性低；黏性土無搖振反應，有光澤或稍有光澤，干強度高或中等，韌性高或中等。黏性土的野外鑒別方法主要采用刀刮、搓條等方法進行鑒定。

4.3 分層

野外地質編錄時，第四紀松散沉積物垂直變化大，一般會有較明顯的沉積韻律，如果分層界線明顯，可直接分層編錄，如果分層界線不明顯，可將4～5組(16～20m)巖心按順序排列，觀察沉積物的巖性、顏色、結構構造、含有物、次生變化、成因類型、接觸面形態等變化，根據沉積韻律特點進行分層。

對于層厚大于0.5m的，必須單獨劃為一層；層厚小于0.5m但對巖土工程評價具有特殊意義的土層宜單獨分層描述，并按主要組成物質定名，如淤泥夾層。薄層比厚層的比例大于1∶3時，為“互層”；比例為1∶10～1∶3時，為“夾層”；比例小于1∶10時，為“夾薄層”。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。

4.4 顏色

土的顏色能直接反映當時氧化還原的沉積環境，推斷當時的氣候特征，是非常直觀和重要的編錄內容。應在天然狀態下對巖心進行描述，注意分辨原生與次生、干與濕、水平與垂直方向的顏色變化及特殊色、色帶、色斑的過渡和混染情況，特別是一個地區主要沉積物的垂向變化的主要色序。

氧化環境下土的顏色表現為亮色調，以黃為主，通常可見鐵猛質斑點、結核；還原環境下沉積的地層一般呈暗色調，以灰色為主基調，其間可以見到有機質成分。介于二者之間為弱氧化或弱還原環境，沉積的土一般為黃灰、灰綠、灰白、灰黑等。潴育化為鐵染現象，代表氧化的沉積環境；潛育化為灰綠染現象，代表還原的沉積環境。黏性土的顏色可反映陸上、水下環境：氧化色(紫紅色、紅褐色、黃褐色等)通常代表陸上沉積。還原色(黑色、灰色、灰綠色等)則須具體情況具體分析，當黏性土中無植物化石時，還原色通常代表水下沉積，但黏性土含植物化石豐富時，則為濕地沉積[10-12]。野外編錄時土的顏色定名采用南京土壤所編制的《中國標準土壤色卡》。這套色卡是根據中國土壤顏色情況而研制的標準色卡，色調頁和色片數量都超過了國外同類土壤色卡，相對于日本《新版標準土色貼》《中國標準土壤色卡》增加了專供描述紫色土的2.5RP、5RP、7.5RP、10RP、5P等色調，也增加了2.5R和5R色調的色片，可為有“紫色砂、頁巖巖性特征”和“紅色砂、頁巖、砂礫巖和北方紅土”分布的地區提供顏色參考，可滿足我國土壤顏色描述的需要[13-15]。

4.5 成分

對于碎石土、砂土需對顆粒成分進行鑒別，如灰巖、長石、石英等。碎石土的成分應描述碎塊的巖石名稱，當不易鑒別時，可描述碎塊巖石的成因類型。對于碎石土，野外編錄時可將碎石敲開，觀察新鮮面，編錄巖石類型；砂土應主要判別顆粒的巖性為石英或長石等，判斷砂土中巖石礦物的來源和沉積成因。

4.6 結構

土的結構是組成巖石的碎屑顆粒大小、形態及其外表特征，野外地質編錄時應主要描述其分選性和磨圓度。分選性可分為好、中等和差，是描述砂土與卵礫石等沉積均勻程度的指標。磨圓度和球度則可用于推斷松散沉積物風化原巖的搬運距離和成因類型。

4.7 構造

第四紀沉積物的構造包括原生構造和次生構造，次生構造是指后期構造變形形成的構造，而原生構造則具有典型的水力學意義，可反映當時沉積環境。

4.8 含有物

野外地質編錄時應對剖開巖心中的鈣質結核、鐵錳質結核、生物碎屑、植物根系、有機質夾層、泥礫等，對鐵錳質銹染、鈣質淀積等現象要重點描述。對較完整的、典型的腹足類和雙殼類化石要記錄產出位置、用小塑料袋留樣并編號，回室內后在固定的背景下拍照，以便進行種屬鑒別，照片應分別照口視和背視照片(腹足類)或頂視、底視、側視照片(雙殼類)。

4.9 生物痕跡

生物痕跡包括地層沉積過程中生物生存期間的居住、運動、捕食、代謝等行為所遺留下來的痕跡，在一定程度上，能夠反映當時生物的生活環境。在地質歷史時期，許多遺跡化石分布范圍和時間段比較狹窄，因此通過巖相分析和古地理研究，可以進行橫向地層劃分對比。

4.10 土的狀態

對于黏性土，應根據液性指數IL劃分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑。

在野外地質編錄時可通過手指按壓的觸感來判斷土的狀態，堅硬的黏性土干而堅硬，很難徒手掰成塊狀，硬塑的黏性土手捏不易變形，手指用力按壓無指印，可塑的黏性土手捏似橡皮觸感，手按有指印，軟塑的黏性土手握感覺很軟，可捏成任意形狀，流塑的黏性土土柱不能自立，自行形變[16-19]。

4.11 光澤反應和搖振反應

對于粉土和黏性土應描述光澤反應、搖振反應。土的光澤反應、搖振反應是野外區劃粉土和黏性土的有效方法，粉土切面不光滑，無光澤反應，粉質黏土切面稍光滑，有光澤反應。搖振反應是指用手將軟塑或半流動的土揉成球形，于手心內反復搖晃，并振擊手掌后用手捏土，觀察土中的水滲出速度，如果立即滲水和吸水應為反應快，速度中等應為反應中等，速度慢或者不吸不滲應為反應慢或無反應。

搖振反應的速度反映了土中粉粒含量，反應迅速的表示粉粒含量較多，反之表示黏粒含量較多。

4.12 密實度

(1)碎石土。碎石土密實度分為密實、中密、稍密和松散，可以通過野外鑒別確定，也可根據重型動力觸探擊數確定。

(2)砂土。砂土的密實度根據標準貫入試驗錘擊數實測值N鑒別(表1)。

表1 根據標貫錘擊數確定砂土密實度

(3)粉土。粉土的密實度可以根據標準貫入試驗錘擊數實測值N或孔隙比鑒別(表2、表3)。

表2 根據標貫錘擊數確定粉土密實度

表3 根據孔隙比確定粉土密實度(巖土規范)

4.13 初見水位及穩定水位

野外鉆探過程中要記錄初見水位及穩定水位，穩定水位應在終孔2小時后測量。

5 微型貫入試驗

在鉆探編錄時可以使用微型貫入儀對巖心進行現場貫入試驗，及時準確地判斷土的物理力學性質。巖心剖開后，選取有代表性的巖心段，直徑一般不小于10cm，長度一般不小于20cm，用削刀整平表面，不得反復涂抹。在所選巖心段中部位置選擇貫入點，將測頭勻速貫入土內，至測頭上刻度線與土面接觸為止，壓入時測桿與土樣表面必須垂直。每個貫入試驗樣所測試貫入點個數不少于3個，各貫入點之間的距離不小于3倍測頭直徑，將各貫入點所測數值中偏差較大者剔除，取其余讀數的平均值作為試驗結果(表4)[20-21]。

表4 袖珍貫入阻力與黏性土狀態關系對照[21]

6 巖心保存

巖心編錄結束后，需保存的巖心使用塑料袋連同巖心管一同密封，減少搬運、避免震動，長期保持巖心原有的狀態，以備后期取樣分析等其他用途。如遇水上鉆探等施工場地不適合現場編錄的情況，應用巖心管扣合固定好巖心后立即套上塑料袋密封，轉移至合適的場地再進行剖心編錄保存等工作。

7 結語

第四紀地質編錄應盡可能的細化，以獲取豐富的第四紀地質學、工程地質學等多專業的地層信息。目前國內還沒有統一的編錄標準，本文旨在通過日常工作中積累的一些經驗，嘗試形成一套標準化的工作流程，對第四紀地質編錄、野外巖心照片采集等標準制定進行探索。目前，詳細、標準、客觀的編錄成果是滿足多要素城市地質調查、工程地質調查的需要，長遠來看，標準化的地層數據是使用大數據、人工智能等現代化信息技術手段進行定量化分析的數據基礎，所以，在開展鉆探施工、地質編錄的全過程，要嚴格按照規范、標準要求，形成客觀、準確、還原度高的野外資料，拓展在地質領域的應用場景。