环境科学钻探取样技术研究

为了给环境科学研究提供地下的真实原状样品,研究了具有国际先进水平的射流式取样技术、液压快速压入取样技术以及环保型钻井液。在新疆罗布泊、吐鲁番和北京周口店等地进行钻探实验,实验结果表明：射流式取心技术在采心过程中能有效地减少钻具的振动,防止岩心自磨,提高卡取岩心的可靠性,从而显著地提高岩心的采取率;液压快速压入取样技术适用于松散地层,能快速压入地层,土心采取率高,并且土心样品的原始结构完整、代表性强;环保型钻井液具有优良的综合性能,低滤失性、强抑制性和优良的润滑性,能有效保护孔壁的稳定性和松散岩心的完整性,起到既护壁又护心的作用,同时对环境无污染。     

区域化探数据在华南强烈风化区地质填图中的应用

自区域化探全国扫面计划开始以来,区域化探数据在矿产勘查、环境、生态及农业等方面均发挥了很大作用,但对其在地质填图中的应用研究比较少。在中国南方花岗岩广泛分布的地区,化学风化强烈,风化层覆盖厚,植被发育,基岩裸露少,岩性识别和界线划分困难,严重影响了填图的速度和精度。通过对区域化探数据的处理分析,筛选特征指示元素编制地球化学图,发现对侵入岩体具明显指示的元素地球化学分区。通过野外实地验证,元素地球化学分区可以揭示不同期次侵入体的分布范围,利用元素地球化学分区可以有效提高强风化区地质填图的效率和精度。      

铀矿岩心β-γ自动编录系统设计与研制

为实现岩心放射性数据的快速准确扫描测量,设计了一种岩心β-γ自动编录系统。该系统主要由机械传动部分和数字化探测器组成。机械传动部分由直线滑台作为支撑平台,以外部脉冲信号调整伺服电机转子转动角度,实现对目标单元的运动控制;数字化探测器利用大面积闪烁体及高精度信号甄别技术研制。系统采用双探头模式分别对β、γ射线进行测量,依赖于伺服电机的精确定位功能,实现搭载到机械传动系统上双探测器位置的精确覆盖,从而准确获得岩心被测点β、γ信息。系统性能测试试验结果表明机械传动系统启停迅速平稳且具有较高的运动控制精度,探测器性能指标满足JJG(军工)41-2014辐射编录仪检定规程的要求,测量结果稳定可靠。     

基于大罗兰圆(R=140mm)大分光晶体的SPI独居石标样化学成分精准测定

独居石是常见的稀土矿物之一,常出现在各类岩石中,是重要的成因指示矿物和定年矿物,因此准确测定独居石化学成分不仅具有重要的地质成因意义,同时也为后续的电子探针定年、原位同位素等分析工作提供可靠的参数。电子探针分析方法具有原位无损和高空间分辨率（~ 1 μm）的优势,该研究以SPI公司独居石标样为分析对象,在精细全元素波谱扫描工作基础上,对其化学成分的电子探针测试条件：加速电压、束流和测量时间的设定、分光晶体、分析线系、检测限、干扰系数,标样的选择等多个参数进行了系统研究和讨论,确定最佳测试条件参数,并获得和各元素含量推荐值基本一致的成分数据。文章建立了日本电子JEOL JXA-8530F Plus电子探针下独居石化学成分的最佳分析条件,实现了大罗兰圆大分光晶体（R=140 mm）对微量元素的精准测定,同时各元素含量相对标准偏差均低于20%（范围为0.05%～17.75%）,满足了后续实际样品的化学成分和CHIME定年的整合分析测试精度的要求。     

便携式X射线荧光光谱技术在泥河铁矿岩心矿化蚀变信息识别中的应用

便携式X射线荧光光谱(PXRF)是针对野外原位快速分析而发展起来的一项新技术,常被用于岩石露头地球化学研究和土壤重金属污染评价等方面.本研究以安徽省泥河铁矿钻孔为例,在野外对5个钻孔的岩心系统划分岩性段,利用便携式X射线荧光光谱仪原位测量每个岩性段的Fe、Mn、Cr、Co、Ni、Ti、V、Cu、Zn、Pb、Ag、Mo、K、Ca、As、Sb、Bi、Cs、Zr、Nb等元素含量,绘制钻孔各元素含量分布图.研究发现,(1)利用PXRF技术获得的岩心Fe元素高含量部位与根据化学分析得到的铁矿石品位数据而圈定的磁铁矿体范围吻合较好;(2)Fe元素和Fe-V-Mn-Cr-Ni-Ti-Bi组合异常、Zn元素和Zn-Cu-Cd组合异常分别对铁矿化和铜、锌矿化具有较好的指示作用;(3)K、Ca异常分别对钾长石化、硬石膏化等蚀变具有较好的指示作用.由此可见,PXRF技术在野外岩心矿化和蚀变信息识别中具有方便、快捷、实用、可靠、无损、成本低廉等优点.      

实物地质资料重要岩心数字化技术探讨

实物地质资料是地质资料的重要组成部分,具有原始性、唯一性和不可再生性等特征,潜在使用价值很大。实物岩心获取成本高,且在保管和服务过程中随着时间的推移会慢慢地被破坏或风化,通过开展实物地质资料重要岩心数字化工作,不仅可以提高岩心数字化与信息共享水平,还能够创新岩心数字化资料汇交、保管与服务机制。本文介绍了安徽省实物岩心地质资料管理现状,总结了当前岩心数字化技术方法及应用领域。通过安徽省区域中心重要岩心数字化项目实施,探讨了安徽省岩心图像扫描技术和工作流程,并阐述了岩心数字化的重要应用意义。     

表分区在优化海量地质数据检索中的应用

本文提出使用表分区技术来提高海量地质数据查询速度,在介绍表分区工作原理的基础上,给出了常用的两种表分区技术-范围分区和列表分区,并以新疆塔里木盆地的测井数据作为原始数据,分别进行常规表和分区表的查询测试,范围分区表和列表分区表比常规表查询效率分别提高了30%和26%.结果表明,在访问海量地质数据时使用表分区技术能缩短搜索时间、有效组织数据并合理利用磁盘空间,从而达到优化性能的目的.     

能量色散X射线荧光光谱法现场测定地质样品中20种元素

为提高矿产勘查效率,缩短异常查证周期,野外现场快速测定地质样品具有现实意义.本文采用能量色散X射线荧光光谱技术,开展地质样品中Cu、Pb、Zn等20种元素的现场测定方法研究,并对方法的不确定度进行了评估.通过方法性能验证,地质样品中各元素的质控指标均符合《地质矿产实验室测试质量管理规范》（DZ/T 0130—2006）的要求.方法的不确定度评估对比结果进一步验证了方法的可靠性.实际样品的现场测试结果与实验室内的测试结果相符,证明了该方法对于异常查证、提高地球化学勘查效率的适用性,能够满足野外现场快速批量测定地质样品中Cu、Pb、Zn等20种元素的要求.     

微钻取样-TIMS/MC-ICPMS和LA-MC-ICPMS分析矿物岩石87Sr/86Sr比值的技术比较

微区Sr同位素体系相对于传统全岩Sr同位素研究,可以揭示样品自身存在的不均一性,更好地反映样品经历的地质过程,已被广泛应用于各种地质研究领域,如研究壳幔相互作用、岩浆起源和演化,岩浆体系开放性研究,沉积盆地物源示踪及气候环境研究。准确测定Rb-Sr同位素比值是应用该同位素体系的前提。微钻取样-热电离质谱/多接收电感耦合等离子体质谱(TIMS/MC-ICPMS)和激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICPMS)作为分析地质样品微区Sr同位素组成的有效手段,已经得到了较为广泛的应用。两种技术在样品制备、干扰校正和质谱测试等方面各具优势和不足。微钻取样-TIMS/MC-ICPMS的最大优势是可获得高精度的Sr同位素数据(外精度优于100×10-6,2SD);但由于需要进行化学处理,流程繁琐耗时(约10天),实验周期较长,同时需要严格控制化学流程空白,且取样直径(200~2000μm)和取样深度(100~2000μm)较大,空间分辨率较低,但是该方法可以对高Rb样品(如钾长石)进行有效分析。LA-MC-ICPMS的最大优势是样品制备简单,数小时即可完成,且分析效率高,根据样品Sr含量的大小激光束斑直径多在60~300μm之间变化,其空间分辨率较前一种方法高,可在短时间内对大量样品进行分析。但由于不能进行化学分离,分析过程中存在多种干扰(如Rb、Ca、Kr和REEs等),影响了测试的精度(约200×10-6,2SD)和准确度(约150×10-6)。该方法目前只能对高Sr低Rb的样品(如斜长石、磷灰石等)进行有效分析,而对于干扰元素含量较高的样品目前无法应用。本文认为,对于微钻取样法,应将改进化学流程作为重点研究方向,提高化学处理效率,同时改善微钻取样法的取样技术,减小取样直径和深度以提高空间分辨率;对于激光剥蚀法,重点突破Kr、Rb和二价REEs等干扰校正问题,提高干扰元素含量较高的样品的分析精度和准确度,同时需要提高仪器灵敏度以满足低Sr含量样品的分析要求。     

青海同仁德合龙洼铜金矿床成矿预测

通过分析德合龙洼铜金矿床区域地质、矿床地质特征,利用钻孔岩心样品分析微量元素分布规律,运用1∶5 000原生晕确定多元素组合异常规律,对矿区进行成矿预测。研究表明,钻孔ZK01-1的前晕元素、中晕元素和尾晕元素均指示出该孔-210m处的强矿化区段,说明其微量元素的分布对成矿作用具有较好的指示意义;从原生晕地球化学特征可知,在矿体的东北部、西北部极有可能存在隐伏矿体,在矿区的东北角和西南部也有可能存在隐伏矿体;因子分析中成矿元素在主因子F3和F1均有较高的因子载荷,说明本区的成矿作用是多阶段多成因的。通过综合研究确定3个找矿预测靶区,为矿山进一步开展找矿工作提供了重要依据。     

海底沉积地层保真取样钻具的设计及应用

钻探取样技术作为海洋地质调查和资源勘探的主要方法,在海洋探索领域占据着十分重要的地位。海底地层以松软沉积物为主,常规钻探回转取样的方法极易破坏样品原状性,且样品采取率低,难以满足科学研究的要求。研制了一种以泥浆泵压驱动的沉积物保真取样钻具,并结合绳索取心技术,实现海底沉积地层保真取样。试验证明,该海底沉积地层保真取样钻具取样成功率高、作业效率高,所采取样品原位性、原状性好,完全满足海洋地质和土工实验等对样品的严格要求。     

海洋沉积地层多功能取样钻具研制

目前,海洋钻探取心主要采用提钻或绳索打捞的方式获取岩心。随着对取心质量和采取率要求越来越高,再加上海底沉积层变化多样,单一的取样器具已经不能满足当前的取样需要。为此,本文研制了一种海洋沉积地层多功能取样钻具,能够根据海底地层性质,开展低扰动、高品质的取样操作。通过海洋钻进取样试验表明,针对海底的淤泥、粘土及砂质地层,超前取样钻具、液压剪切取样钻具和半合管取样钻具能够有效获取海底的沉积层岩样,平均采取率为73.34%。研制的多功能取样钻具采用超前取样和液压压入取样技术,降低了对沉积物岩心的扰动,提升了岩心品质和采取率,为下一步的工程化应用奠定了基础。     

煤层底板孔多分支点取样钻进技术及应用研究

针对碎软煤层长距离瓦斯参数测定、瓦斯抽采钻孔工程设计指导和抽采效果评价的技术需求,在分析现有碎软煤层取样钻进技术存在问题的基础上,提出了煤层底板孔多分支点取样钻进方法,制定了取样钻进工艺流程,开发了随钻轨迹精准调控、“机械+水力”高效排渣等关键钻进技术,选型配套了定点取样钻孔钻进装备和密闭取样装备。在安徽省宿州市某矿开展了现场试验,施工了1个主孔深度301 m的取样定向钻孔,在取样分支孔中实施了2次定点密闭取样,取样深度分别为178、238 m,顺利在碎软煤层中采取了煤样,获取煤样的瓦斯含量分别为9.05 m3/t和10.08 m3/t,与常规方法相比测得瓦斯含量分别提高了12.4%和25.2%,确保了煤层瓦斯参数测试的准确性,可为碎软煤层瓦斯参数测定提供一种新的技术途径。      

电感耦合等离子体质谱法测定地质样品中的碲

本文采用电感耦合等离子体质谱法,对地质样品中的碲的测定进行了研究,建立了一种快速、准确、简便的测定土壤样品中碲的方法。该方法克服了常规方法的局限性。此方法对6个国家标准物质进行了方法验证,12次测定精密度、准确度均符合标准要求。     

瑞利波探测技术用于矿井地质超前探测

鹤岗矿区煤系曾遭受多次构造运动的改造,地质情况复杂。为满足采区和生产布置的需要,采用瑞利波探测技术对地质情况进行精细探查和预报。在井下用瑞利波方法探测下部煤层、超前探测煤巷、岩巷前方的构造,取得了满意的效果。该技术方法提高了地质预报的准确性,在煤矿有良好的应用前景。      

Dating recent floodplain sediments in the Hawkesbury‐Nepean River system,eastern Australia using single‐grain quartz OSL

Two fluvial sediment cores taken from a floodplain of the Hawkesbury‐Nepean River system in the Sydney region, eastern Australia are dated using Optically Stimulated Luminescence (OSL) to provide a reliable chronology essential for the management and planning of water resources. Nine charcoal ¹⁴C (AMS) dates constrain these OSL ages. Quartz extracted from seven OSL samples from each of the cores was measured using both single‐grain and multi‐grain OSL techniques. Three of the single‐grain natural dose distributions appear to be well bleached, but the others appear to be incompletely bleached to various degrees. Three minimum‐age models (MAM, MAM_UL and IEU) are applied to the single‐grain dose distributions. We conclude that these models give consistent age estimates. For one of the cores it appears to be necessary to use a minimum‐age model to obtain accurate ages, but in the other core incomplete bleaching is probably less important than postdepositional mixing and mixing during sampling. As a result, the burial age is probably best estimated using the weighted average of the individual single‐grain dose estimates. The application of multi‐grain OSL techniques to these samples results in an average apparent age overestimation of ～200 years, which is significant for these samples, but negligible for sediments older than a few thousand years. The intention is that the chronology obtained in this study will be used in conjunction with a proxy flood record, derived from floodplain sediments, to gain an understanding of the long‐term variability in periods of high and low rainfall in eastern Australia.     

The use of tracers to assess drill-mud penetration depth into sandstone cores during deep drilling: method development and application

For the utilization of deep saline aquifers in the frame of geotechnical use, such as geological sequestration of CO₂, H₂ or energy storage, a baseline characterization of pristine reservoir rock cores is required to monitor changes in the indigenous microbial communities and pore fluids, and to study alterations in rock characteristics resulting from interaction with geological storage technologies. However, drilling procedures and technical fluids, particularly drill mud, are sources of core contamination. To measure the penetration of drill mud into the cores, three tracers (fluorescein, microspheres, and 4′,6-diamidino-2-phenylindole stained bacteria) were tested under laboratory conditions. The flow of drill mud into core samples was induced by applying uniaxial pressure differentials to the core, and the penetration depth was microscopically determined for each tracer. Fluorescein was extracted from the rock samples and quantified fluorometrically. The results indicate that all tested tracers are suitable for tracking drill-mud penetration. The actual penetration depth seems to be related to differences in mineral composition and texture as well as microfractures. Among all tested tracers, fluorescein labelling is the simplest, cheapest and most accurate method for analyzing the contamination of rock cores by technical fluids. The application of this tracer was successfully applied during two deep drilling campaigns at the CO₂ storage pilot site in Ketzin, Germany. The results highlight that the use of tracers is indispensable to ensure the quality of core samples for microbiological and biogeochemical analysis.     

利用长江口现代潮滩沉积硅藻建立海平面转换函数的尝试

在高精度海平面定量重建研究中,有孔虫、硅藻等海洋微体古生物转换函数技术是近10余年随着计算机技术发展而快速兴起的一项新技术,已成为欧美地区研究海平面变化的不可或缺的定量手段之一,而其在中国沿海地区全新世海平面定量重建中的应用却屈指可数。以硅藻为例,详细介绍了建立其与海平面之间的转换函数的过程,包括现代表层样采集、统计学分析、误差的可能来源和减小误差的方法。通过在对崇明岛四滧港SY剖面潮滩表层样品的环境因子分析和对硅藻属种的CCA排序分析发现,高程对潮滩硅藻属种排序有着很高的解释贡献。随后通过WA和WA-PLS建立模型,四滧港SY剖面全样WA-PLS模型的相关系数(R²_Jack)达到0.9004,预期误差(RMSEP)为12.622,若不考虑潮上带样品SY1后的转换模型其精度更能达到±10cm。本研究以期带动此项技术在国内的发展,促进高精度海平面定量重建,从而能为沿海地区海岸带管理提供更详实、更具现实指导意义的地质记录。     

多目标约束遗传算法在地质样品相态分析中的应用

多目标约束遗传算法 (MGA)用于地质样品相态分析 ,建立了相态浓度、浸取率常数及各相态浸取总量的数学定量关系。选择出铁的 5种相态的浸取剂和最佳浸取条件并确定出浸取率常数。讨论了多目标约束遗传算法的参数对计算速度及相态分析结果的影响 ,验证了方法的准确度 (|RE|<1 3 .75 % )和精密度 (各相平均RSD =4% ) ,建立了一种简便、快速、准确的地质样品相态分析的方法。     

漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验

基于煤矿井下陷落柱、小断层等地质异常体精确探查对漏失地层近水平孔取心钻进的迫切需要,采用双壁水力反循环连续取心技术进行井下地质异常体探查,分析其技术原理及特点,研制配套的ø89/42 mm双壁取心钻杆和反循环取心钻头,并在某地面矿山进行功能性试验,共施工完成3个近水平取心钻孔,单孔最高取心率为83.6%,最大回次进尺69 m,平均钻进效率为3.61~6.26 m/h。针对漏失地层冲洗液漏失严重的问题,提出双壁取心钻具的结构改进优化方案,采用改进后的取心钻具岩心上返通道返水流量和流速大幅提升,最后指出该套反循环取心施工中出现的钻孔环空排渣及岩心卡堵问题并提出了针对性的解决方案,包括采用正反循环排渣法解决钻孔环空排渣问题和采用中心通道打水解卡方法解决岩心卡堵问题。试验表明:该套双壁取心钻具满足煤矿井下地质异常体探查的施工需要,为煤矿井下地质异常体探查提供新的技术途径。