淺鉆技術(shù)在若爾蓋地區(qū)泥炭調(diào)查中的應(yīng)用

冉靈杰，祝強(qiáng)，蘇興濤，宋殿蘭

北京探礦工程研究所，北京，100083

內(nèi)容提要: 泥炭是一種具有多種用途的寶貴自然資源，泥炭中的有機(jī)碳儲(chǔ)量是研究全球碳庫變化及碳循環(huán)過程的重要參數(shù)。由于泥炭多分布于沼澤中，且泥炭松軟含水量大的特性，對(duì)于泥炭深度的調(diào)查、獲取用于測(cè)試泥炭原狀樣品的質(zhì)量不高，導(dǎo)致泥炭碳儲(chǔ)量評(píng)價(jià)仍存在不確定性和偏差。筆者等在典型泥炭形成地若爾蓋沼澤濕地地區(qū)，開展了淺鉆泥炭調(diào)查取樣工作，通過在泥炭斑塊邊緣及中心兩種不同沼澤濕地地層開展的試驗(yàn)，驗(yàn)證了輕便鉆機(jī)在難進(jìn)入的沼澤濕地的適應(yīng)性，配套的振動(dòng)沖擊工藝可高質(zhì)量的獲得無擾動(dòng)的泥炭樣品，同時(shí)查明了泥炭層的厚度。通過試驗(yàn)初步探索了采用輕便鉆機(jī)配套振動(dòng)沖擊鉆進(jìn)工藝進(jìn)行泥炭調(diào)查取樣的有效性。淺層取樣鉆探作為泥炭調(diào)查取樣的一種直接有效的技術(shù)手段，可以有效地提高泥炭調(diào)查效率和精度，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泥炭?jī)?chǔ)量數(shù)據(jù)提供可靠的鉆探技術(shù)服務(wù)支撐。

泥炭形成于第四紀(jì)，由沼澤植物的殘?bào)w，在多水的嫌氣條件下，不能完全分解堆積而成，含有大量水分和未被徹底分解的植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)以及一部分礦物質(zhì)(王利偉等，2019)。泥炭富含有機(jī)質(zhì)，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面有著廣闊的用途和開發(fā)前景，是一種具有多種用途的寶貴自然資源(饒嬌萍，2020)。泥炭地碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是大氣 CO2的吸收匯，是研究全球碳庫變化及碳循環(huán)過程的重要參數(shù)，在全球碳循環(huán)中扮演者重要的作用(周文昌等，2016；蘇倩倩等, 2017)，對(duì)減緩全球氣候變化具有重要作用。四川省是我國(guó)泥炭?jī)?chǔ)量最大的省份(馬學(xué)慧，2012)，開展全國(guó)濕地泥炭調(diào)查工作以來，受調(diào)查手段方法影響，無法有效的查清泥炭層厚度及精準(zhǔn)的獲取無擾動(dòng)的泥炭樣品，四川省泥炭沼澤資源情況仍然不是十分清楚。

由于泥炭多分布于沼澤中，且泥炭松軟含水量大的特殊性，對(duì)于泥炭深度的調(diào)查、獲取用于測(cè)試泥炭原狀樣品的質(zhì)量不高，導(dǎo)致泥炭碳儲(chǔ)量評(píng)價(jià)仍存在不確定性和偏差。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泥炭?jī)?chǔ)量數(shù)據(jù)，精確的獲得無擾動(dòng)的泥炭樣品和泥炭的深度信息，在典型的泥炭形成地若爾蓋地區(qū)，開展了淺鉆泥炭取樣工作，高質(zhì)量的查明泥炭層的厚度及地層結(jié)構(gòu)，取得原狀泥炭樣品，探索了淺鉆技術(shù)應(yīng)用于泥炭調(diào)查取樣的技術(shù)方法，有效支撐了沼澤碳庫調(diào)查工作。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原泥炭濕地位于四川省境內(nèi)青藏高原東北部，是全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一，在全球具有典型性和代表性(李富等，2021)，若爾蓋高原濕地，西臨巴顏喀拉山，東抵岷山，南至邛崍山，為一塊完整的丘狀高原，行政上主要包括四川省紅原縣和若爾蓋縣，海拔為3400～3700 m，植被以沼澤草甸和亞高山草甸為主，冷濕氣候條件下有機(jī)殘?bào)w不易分解，沼澤泥炭發(fā)育良好，泥炭貯量豐富，是中國(guó)最大的泥炭資源分布區(qū)，也是青藏高原泥炭沼澤發(fā)育最典型的地區(qū)(柴岫等，1963；孫廣友等，1987；孫廣友，1992)，研究調(diào)查區(qū)花湖濕地為裸露型泥炭地，是自全新世連續(xù)堆積的現(xiàn)代泥炭沼澤，其地貌特征如圖1所示，地表有薄層積水，泥炭地層為棕色至棕褐色連續(xù)沉積的泥炭層，含大量未分解的植物殘?bào)w。

圖1 四川若爾蓋泥炭沼澤地貌

2 泥炭取樣要求

2.1 取樣深度要求

泥炭層的厚度是計(jì)算泥炭?jī)?chǔ)量的關(guān)鍵指標(biāo)，泥炭層的厚度調(diào)查要求穿透泥炭層，取樣深度為地表至泥炭層底部。若爾蓋地區(qū)泥炭沼澤面積大、儲(chǔ)量豐富，一般泥炭層厚度為2～3 m，最厚達(dá)10 m(馬學(xué)慧，2012)。需要依據(jù)泥炭土層剖面顏色及有機(jī)碳含量的變化情況，判斷泥炭層的厚度界限。

2.2 采樣要求

采取的泥炭樣品主要用于化驗(yàn)測(cè)試其容重、有機(jī)碳含量、黏土含量、pH值等參數(shù)，為滿足泥炭化驗(yàn)測(cè)試要求，采取的泥炭樣品直徑要達(dá)到50 mm，取樣率要達(dá)到90%以上，鉆探取樣過程中不能使用循環(huán)沖洗液對(duì)泥炭樣品造成污染。

2.3 對(duì)取樣設(shè)備的要求

根據(jù)泥炭調(diào)查規(guī)范，采樣點(diǎn)布設(shè)應(yīng)具有代表性、自然性和可操作性，一般布設(shè)在泥炭斑塊長(zhǎng)軸中心及長(zhǎng)軸半徑的1/3處，點(diǎn)位多位于泥炭沼澤深處，大型設(shè)備難以進(jìn)入，同時(shí)要求鉆探施工過程中盡可能減小對(duì)環(huán)境的影響，因此需要取樣設(shè)備輕便、可搬運(yùn)、占地面積小。

3 泥炭取樣技術(shù)研究

3.1 取樣工藝

由于泥炭地土質(zhì)松軟，夾雜植物殘?bào)w且含水量大，因此在鉆探取樣過程中，泥炭樣品進(jìn)入鉆具時(shí)易被壓縮，導(dǎo)致取樣率不足。常規(guī)的鉆探取樣一般是采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，多使用沖洗液，會(huì)對(duì)土壤樣品造成污染。鉆具會(huì)對(duì)泥炭樣品造成擾動(dòng)，泥炭土的結(jié)構(gòu)和原有的地層序列會(huì)被破壞，并且泥炭樣品的采取率不足，會(huì)影響樣品成分測(cè)試的準(zhǔn)確性，影響泥炭?jī)?chǔ)量的評(píng)價(jià)。根據(jù)泥炭取樣要求，若爾蓋地區(qū)采用振動(dòng)沖擊工藝方法進(jìn)行鉆探取樣。

振動(dòng)沖擊鉆進(jìn)是采用一定頻率的沖擊器對(duì)鉆具進(jìn)行沖擊，鉆具在沖擊力和自身重力的作用下，克服土壤的阻力，使取樣鉆具進(jìn)入到指定的深度(張志民，2007)。鉆具受到?jīng)_擊作用時(shí)，鉆具接觸面的應(yīng)力和應(yīng)變升高，鉆具內(nèi)部介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于質(zhì)點(diǎn)具有慣性，相鄰質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變滯后，鉆具上的載荷以縱波的形式由上到下傳播。當(dāng)鉆具頂端受到?jīng)_擊后，能量波以壓應(yīng)力波的形式向鉆頭的方向傳播，當(dāng)壓應(yīng)力波到達(dá)鉆頭與地層的接觸面時(shí)，根據(jù)接觸面地層的特性，將出現(xiàn)反射波。當(dāng)壓應(yīng)力波向下傳遞的過程中，鉆頭與地層已經(jīng)發(fā)生接觸，壓應(yīng)力波到達(dá)鉆頭與地層接觸面時(shí)，僅有部分能量以拉應(yīng)力波的形式向上反射回去，另一部分能量以壓應(yīng)力波的形式傳遞到鉆頭，鉆頭附近的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)急速升高，帶動(dòng)鉆具進(jìn)入地層。根據(jù)波動(dòng)力學(xué)理論和地層的力學(xué)性質(zhì)，地層越松軟，沖擊鉆進(jìn)的效率越高，鉆具進(jìn)入地層更快；地層越密實(shí)，沖擊鉆進(jìn)效率越低，鉆具進(jìn)入地層更慢(冉靈杰，2019)。根據(jù)泥炭地層松軟的特性，在沖擊作用下，沖擊鉆進(jìn)具有效率高，同時(shí)對(duì)鉆具周圍地層的擾動(dòng)小，可以減小鉆具對(duì)泥炭層的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)泥炭樣品的原狀取樣。

3.2 取樣設(shè)備

泥炭調(diào)查的取樣孔位分散，分布在沼澤濕地中，交通不便，調(diào)查點(diǎn)位之間距離較遠(yuǎn)，鉆探取樣設(shè)備需方便孔位之間的搬運(yùn)遷移，人工可搬運(yùn)，同時(shí)要求取樣效率高，因此要求鉆機(jī)具備輕便性和取樣效率高的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)采用TGQ-30C輕便沖擊取樣鉆機(jī)(圖2)進(jìn)行泥炭取樣工作，其主要性能參數(shù)見表1。鉆機(jī)為模塊化、分體式鉆機(jī)，分體后最大模塊質(zhì)量為80 kg，兩人可搬運(yùn)至調(diào)查點(diǎn)位，設(shè)備占地尺寸僅需要1 m×1 m。鉆機(jī)為液壓傳動(dòng)，由汽油機(jī)泵站帶動(dòng)振動(dòng)沖擊部件進(jìn)行高頻沖擊作業(yè)；鉆機(jī)配備液壓絞車提升系統(tǒng)，可由液壓絞車提升鉆具，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，方便在高原沼澤濕地區(qū)開展工作。

表1 TGQ-30C鉆機(jī)的主要參數(shù)

圖2 TGQ-30C輕便沖擊鉆機(jī)

3.3 取樣鉆具

3.3.1單管鉆具

鉆機(jī)的沖擊部件通過高頻的振動(dòng)沖擊將鉆具壓入泥炭地層中，單次進(jìn)尺1 m，完成一個(gè)回次后，鉆機(jī)上的提升絞車將鉆具提出孔外，擰卸鉆具接頭及鉆頭后進(jìn)行取芯工作。單管鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鉆進(jìn)效率高，采取的泥炭樣品直徑比同口徑的雙管鉆具大，適用于不易坍塌，含水量小的泥炭地層。

單管鉆具的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，鉆具單次取樣長(zhǎng)度為500 mm，鉆頭外徑65 mm，取樣直徑為55 mm，鉆頭刃口角度為18°，鉆具的面積比為39.7%。剔除鉆具對(duì)樣品外層的擾動(dòng)，保證原狀泥炭樣品的直徑為50 mm左右。鉆具的上接頭中心打有通氣孔，使鉆具內(nèi)氣壓與外部大氣壓一致，有利于泥炭樣品進(jìn)入鉆具中。鉆具的取芯管體被切割成為兩個(gè)半圓管，由鉆頭和接頭通過絲扣連接，將半合管拼合成為一個(gè)完整的圓形管，在完成一個(gè)取樣回次后，擰卸半合管兩端的鉆頭及沖擊接頭，可將半合管分成兩個(gè)半圓形管，泥炭樣品結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯擾動(dòng)，并且便于對(duì)樣品的采集和觀測(cè)。

圖3 單管鉆具(1—鉆頭；2—半合管；3—沖擊接頭)

3.3.2雙管鉆具

雙管鉆具在鉆進(jìn)過程中，僅外管承受沖擊力，土壤樣品進(jìn)入到內(nèi)管中，保持土樣的原狀。內(nèi)管采用透明的PVC管，一方面可減小土樣與內(nèi)管壁的摩擦力，減小對(duì)泥炭樣品的擾動(dòng)，另一方面便于對(duì)樣品的觀測(cè)和保存。取樣時(shí)僅需提出內(nèi)管，外管可在孔內(nèi)保護(hù)孔壁。雙管鉆具適用于不穩(wěn)定、易塌孔及含水量大的泥炭地層。

鉆具單次取樣長(zhǎng)度1000 mm，取樣直徑50 mm，鉆頭外徑75 mm，鉆頭刃口角度為15°，PVC管內(nèi)徑為50.5 mm，內(nèi)間距比為1%。雙管鉆具的結(jié)構(gòu)見圖4，在取樣過程中，鉆機(jī)的沖擊力傳遞到5沖擊接頭上，沖擊雙管鉆具鉆進(jìn)，泥炭樣品通過外管鉆頭內(nèi)進(jìn)入到PVC內(nèi)管2中，完成一個(gè)回次取樣后，卸下沖擊接頭5，將內(nèi)鉆桿與4內(nèi)管接頭連接，將內(nèi)管提出孔外，完成一個(gè)回次的取樣。

圖4 沖擊雙管鉆具(1—外管鉆頭；2—內(nèi)管；3—外管；4—內(nèi)管接頭；5—沖擊接頭)

4 應(yīng)用情況

在若爾蓋花湖典型泥炭沼澤區(qū)對(duì)泥炭斑塊邊緣、中心兩種不同地層的泥炭沼澤區(qū)，采用振動(dòng)沖擊鉆進(jìn)工藝，開展了單管、雙管的鉆探取樣試驗(yàn)，按照泥炭沼澤碳庫調(diào)查工作指南要求，在選定土壤采樣點(diǎn)位置后，在采樣點(diǎn)處布設(shè)6個(gè)鉆孔進(jìn)行取樣。

4.1 單管鉆具取樣情況

在泥炭斑塊邊緣，地層含水量小，成孔條件好，孔壁穩(wěn)定不易坍塌，采用單管鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)取樣，單管鉆進(jìn)取樣每個(gè)回次鉆進(jìn)500 mm，完成一回次鉆進(jìn)后，將鉆具提出孔外，擰卸鉆頭及沖擊接頭后，進(jìn)行取樣。在泥炭斑塊邊緣總計(jì)完成鉆孔6個(gè)，其中最深孔為6 m，其取芯情況見表2，共完成12個(gè)回次的鉆進(jìn)，每回次鉆進(jìn)深度500 mm，鉆孔的平均取芯率為95.92%，滿足泥炭取樣要求，取樣效果見圖5。

圖5 單管鉆具取得泥炭樣品

表2 單管鉆具取樣記錄

4.2 雙管鉆具取樣情況

泥炭斑塊的中心位置為沼澤濕地，含水量大，易發(fā)生縮孔，因此采用雙管鉆具取樣(圖6)。

圖6 雙管取樣試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

雙管鉆進(jìn)最深取樣孔為8 m，穿透泥炭層，見到不含泥炭的灰褐色的黏土層后終孔。由于地表含大量的植被，首回次含大量的草根及植物殘?bào)w，樣品的壓縮量較大，但鉆孔的平均取芯率為92.5%，各回次的取芯率均滿足取樣要求(表3)。取出的泥炭樣品完整，樣品在透明PVC管中保存(圖7)。

圖7 雙管鉆具取得泥炭樣品

表3 雙管鉆具取樣記錄

5 結(jié)論

(1)通過此次泥炭調(diào)查取樣試驗(yàn)，針對(duì)泥炭地層的特性以及泥炭沼澤區(qū)的特殊施工環(huán)境，充分發(fā)揮了輕便鉆機(jī)搬運(yùn)方便、占地面積小、對(duì)施工環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)兩種不同的泥炭地層特點(diǎn)，采用單管、雙管鉆具進(jìn)行試驗(yàn)，采取的樣品基本無擾動(dòng)，滿足泥炭調(diào)查規(guī)范要求，驗(yàn)證了沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行泥炭取樣的適應(yīng)性和有效性。

(2)淺層鉆探取樣技術(shù)作為沼澤碳庫調(diào)查取樣的一種直接有效的手段，不僅能提高取樣效率，還能減少對(duì)植被的破壞，解決了常規(guī)泥炭厚度調(diào)查過程中施工難度大、對(duì)濕地破壞大、取樣質(zhì)量低、調(diào)查精度低等問題，采用此項(xiàng)技術(shù)可以直接穿透泥炭層查明泥炭層厚度，獲取原狀的泥炭樣品，為沼澤碳庫儲(chǔ)量評(píng)價(jià)提供精準(zhǔn)的泥炭樣品，從而提高泥炭調(diào)查的精度，提高泥炭地有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

致謝:感謝審稿專家提出的寶貴意見。