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地表基质层是自然资源分层分类模型中的第一层，也是地球表层孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质层（孙禧勇等，2022），摸清地表基质层本底现状，查明一定区域范围内地表基质层的物质组成、空间分布、理化性质及动态变化等特征，是地表基质层调查的重要工作内容（葛良胜等，2020a），准确获取基质层信息，是做好地表基质调查的重要前提。钻探取样技术方法可精准钻取地表基质样品，真实表征基质层调查要素指标，是地表基质调查必不可少的技术手段。“十三五”以来，类似的浅地表层取样技术发展迅速，如行星钻探（蔡黄河等，2015；赵德明等，2017）、极地钻探（王汝建等，2017；张楠等，2020）、以钻代槽勘查（赵洪波等，2014；郑杰等，2021）、工程勘察（贺书恒等，2021）等，但地表基质层是自然资源调查监测体系中的新概念，需要从钻探技术角度系统的理解和实现地表基质层调查需求，开展地表基质取样技术应用研究，对于提升地表基质层调查工作质量，支撑服务自然资源统一管理、国土空间规划、生态保护修复和农牧业高质量发展具有重要意义（郝爱兵等，2020）。
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1 地表基质类型及取样要求
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地表基质层调查作为8类自然资源专项调查之一，调查区包括陆域和海域全部国土空间，调查内容主要包括基质的基本类型、数量质量、空间结构、理化性质、内部生态等，调查深度原则上不超过50 m，一般集中在0~30 m范围内（葛良胜等，2020b；殷志强等，2020；侯红星等，2021），调查数据及成果供不同部门和行业各取所需（陈国光等，2022）。自然资源部办公厅印发的《地表基质分类方案（试行）》（2020年）中，按照地表基质发育发展过程、粒级、质地、成因等，将地表基质分为岩石、砾质、土质、泥质4个一级分类和14个二级分类（张凤荣，2023）。不同陆域景观区地表基质类型各有特点：①干旱戈壁荒漠区、干旱半干旱草原区，以砂砾质层为主；②平原区、江河湖冲积流域，地表基质以砂土质、泥质为主；③森林沼泽农田覆盖区，以土质、泥质为主；④高山峡谷、丘陵地区，则呈现不同基质相间或交错分布等（喻劲松，2013；孔牧等，2015）。不同的地表基质层调查区域及支撑服务领域，对钻探取样提出了不同的要求（表1），需要根据实际情况开展相应的基质层取样技术方法研究。
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注：*为水深300 m以浅。
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2 地表基质钻探取样技术方法
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地表基质取样除地表人工采样以外，以浅层钻探技术为主。浅层钻探技术在城市地质调查、浅覆盖区地质填图（谭春亮等，2018）、地球化学勘查（徐仁廷等，2014）、泥炭调查（冉灵杰等，2023）、海岸带调查等领域均广泛应用，并形成了系列化的取样钻探设备。结合不同区域景观条件下不同基质类型，开展地表基质取样技术方法实验研究，提出了适用于地表基质取样的钻探技术装备（表2）及取样工艺方法（表3）。
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3 地表基质取样技术方法应用研究
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根据全国地表基质层调查项目实施情况及面临的钻探取样技术问题，优选北京地区、内蒙古巴彦淖尔地区、长三角宁波地区、青海祁连山高原区开展了相应的地表基质取样技术应用示范。
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3.1 北京地区岩石取样试验
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北京地区地表基质层调查岩石钻探采样工作主要有3个方面的问题，一是岩石采样工作量大，要求取样效率高；二是采样点大多位于京郊山区，要求钻机便携且绿色环保，低碳排低噪音；三是散装燃油的使用限制较多，影响外业采样工作的开展。为此，北京探矿工程研究所研发了TGQ-10DC型单人手持式电动钻机（图6），电池能量密度810 wh/L、容量2 kw，整机重量25 kg，匹配Ф25mm快插式高强不锈钢钻杆、Ф40mm不锈钢薄壁钻具、中颗粒孕镶金刚石钻头。
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图1 TGQ-10DC电动钻机
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Fig.1 TGQ-10DC electric rig
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图2 犀牛S1土壤取样钻机
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Fig.2 Rhino S1 soil sampling rig
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图3 XYC-200车载钻机
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Fig.3 XYC-200 truck-mounted rig
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2022年，北京市西部山区地表基质调查工作中采用了该钻进工艺（图6），共采集直径25 mm、长度20 cm岩石样品1500余件，可进行任意角度钻进取样，平均每个岩石样品钻取时间5 min、用水3.2 L，取芯率95%以上，单个电池组可连续工作5.5 h，平均耗电量363.64 W/h，钻机钻进平稳，少有断芯、岩芯断面磨损的情况。目前正在研发续航能力更强、钻进效率更高的机型及配套钻进工艺，并持续推广应用。
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图4 TEC-12DP 液压直推取土钻机
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Fig.4 TEC-12DP hydraulic direct-thrust soil rig
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3.2 内蒙古乌拉特前旗大佘太地区砾质层取样试验
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内蒙古乌拉特前旗大佘太地区，地貌类型属山前冲洪积倾斜平原，北起阴山，南至乌梁素海。该区域地表基质主要由砂土、砾质组成，钻遇砾质层时，采用钻井液循环钻进易污染样品且取芯率低，冲击钻进则因钻具与地层摩擦阻力大及孔内压力差导致起拔困难。针对这种问题，采用TGQ-30C型钻机+Ф60mm半合管冲击取样钻具（取芯直径42 mm）+偏心筒式液压起拔器（起拔力16 t，夹持范围20~80 mm），TGQ-10C型钻机+Ф40mm半合管冲击取样钻具（取芯直径28 mm）+手压式起拔器（起拔力1 t）两种钻进工艺，并对Ф60mm半合管冲击钻具进行了改进，增加了孔内排气装置，以确保提钻时钻孔内外气压平衡（图7）。在巴彦淖尔地区地表基质层调查工作中使用该类工艺进行了示范应用，共钻进230 m，砂土质层取芯率100%、平均孔深5 m，砾质层取芯率85%以上（图8）、平均孔深12 m。起拔器轻便可靠，很好的解决了起拔困难的问题；半合管冲击钻进适用于砂砾石层钻探取样。
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图5 Uwitec 沉积物取样平台
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Fig.5 Uwitec sediment sampling platform
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图6 TGQ-10DC电动钻机岩石取样试验现场
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Fig.6 Rock sampling test site of TGQ-10DC electric rig
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钻具主要由地质钢管加工而成，其主要成分为Fe、Si、Mn、Cr、Ni、Cu等，考虑到砾质层钻进时，松散砾石与钻具内壁挤压摩擦，存在钻具铁屑污染样品的可能，因此，将同一采样点内钻取样品和人工采集样品就TFe2O3、SiO2、Mn、Cr、Ni、Cu等成分进行对比测试，分析测试工作由四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心完成，采用X射线荧光光谱法（XRF）分析TFe2O3、SiO2、Cr，采用等离子光谱法（ICP-AES）分析Mn，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析Ni、Cu。采用国家一级标准物质进行控制分析准确度和精密度，所取得数据均通过中国地质调查局质量验收，真实可靠（袁帅等，2022）。结果表明，除Cr外，其余样品相对双差均小于1%，两类样品测试结果基本一致（表4），钻探取样方法对样品无污染。
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图7 Ф60mm半合管冲击钻具
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Fig.7 Ф60mm half pipe impact drill
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图8 Ф60mm半合管钻具取得的砾质样品
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Fig.8 Sample of gravel obtained from Ф60mm semi-closed pipe drilling tool
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图9 加装减震接头的Ф50mm双管冲击钻具（1—钻头；2— 钻杆；3—岩芯管；4—内管接头；5减震接头；6—冲击头）
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Fig.9 Ф50mm double-pipe impact drill tool with shock-absorbing joint（1—bit; 2—drill pipe; 3—core tube; 4—inner tube joint; 5— shock absorber joint; 6—impact head）
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3.3 浙江省宁波地区砂泥质层取样试验
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浙江省宁波地区的地表基质层一般由河流冲积形成的砂泥质组成，地层含水量高、压缩性大，地表植被茂盛，人类活动痕迹显著，钻遇砂泥质层存在钻孔缩径的问题。
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在宁波市余姚地区地表基质调查工作中，采用TGQ-30C型钻机+Ф50mm双管冲击钻进取样工艺进行了示范应用，其钻杆由高强合金钢经特殊热处理加工而成，硬度46 HRC、屈服强度1266 N/mm2、壁厚5 mm，采用双头波形螺纹连接，内置新型橡胶减震接头（图9）。共完成80 m垂直钻孔钻探取样试验，岩芯直径29 mm，平均孔深12 m、取芯率100%（图10），钻杆能承受1380 BPM频率冲击，单次冲击功95 J，减震接头可有效保护岩芯管及岩芯，解决了该地区0~20 m深度砂泥质层取样难题。
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3.4 青藏高原区冻土取样试验
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西藏那曲嘎尔扎仁地区属高原丘陵地貌，丘体呈浑圆状，坡面较缓，海拔5200 m，区域内地表基质主要为土质，以夏季融化冬季冻结的活动层或多年冻土形式存在，地表草甸发育，钻机在高海拔地区动力衰减严重，钻遇含冰冻土时，存在钻头易打滑、泥包，以及柱状冻土芯滞留孔内难以随钻取出等问题。
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在该地区开展的高寒草甸生态系统碳循环关键过程研究项目中，采用了Ф208mm中空螺旋钻进工艺进行冻土取样，同时对钻进工艺进行了优化：一是对钻机发动机的供油系统进行改进，包括供油压力、调整供油提前角、增加喷油嘴喷孔数等，从而提高发动机高原适应性，减少动力衰减；二是采用尖齿钻头，钻头水口高度增加到3 cm，以避免钻头打滑泥包；三是研制了冻土打捞器，以便捞取原状冻土芯。实践表明，保持0~100 r/min转速垂直钻进、回次进尺20~30 cm、钻压1.5~2 kN，并向孔内加入少量清水以稀释孔底泥浆，可有效钻取原状含冰冻土，取芯（样）率95%以上。共完成40余个点位的取样，孔深0~3 m不等，取得直径180 mm原状冻土样品200余件（图11），该技术方法在山南、祁连等地区的高原科考活动中获得了推广应用。
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图10 Ф50mm双管冲击钻具取得砂泥质样品
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Fig.10 Sample of sand and mud obtained from Ф50mm double-pipe percussion drilling tool
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4 结论
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（1） 应用地表基质钻探取样技术方法之于地表基质层调查具有显著的技术支撑作用，可以高效、精准获取不同深度和类型的地表基质样品，并真实反应地层信息。
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图11 中空螺旋钻具钻取的含冰冻土
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Fig.11 Sample of frozen soil obtained by hollow spiral drill
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（2） 通过在上述调查区开展的试验研究，提出了适用于不同地表景观条件下的地表基质钻探取样技术方法组合，但尚需在更广泛的区域内针对不同基质类型开展大量应用实践中不断优化，集成创新应用新材料、新技术、新方法，使钻机具及取样技术更加成熟。
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（3） 地表基质钻探取样技术方法在冰雪和水体覆盖区、柴达木盆地盐渍化区及其他具有特殊需求中的应用还需在实践中进一步研究和完善。
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摘要
地表基质取样是开展地表基质层调查必不可少的工作环节，笔者等在浅地表层钻探技术的基础上，结合浅覆盖区矿产勘查、地球化学勘查、区域地质填图、环境调查、工程勘查、考古调查等领域钻探技术应用现状，根据不同地表景观及基质类型条件下的钻探取样需求，梳理了岩石、砾质、土质、泥质等地表基质钻探取样技术要点，研发了电动背包式钻机、Ф60/40mm单管冲击钻进、Ф50mm双管冲击钻进、Ф208mm中空螺旋钻进等取样器具及配套钻进工艺，在北京、内蒙古巴彦淖尔、浙江宁波、西藏那曲等地区开展了野外试验应用，通过获取满足要求的样品，很好的揭示了地层信息及物质组成，进一步在实践中提出了不同种类地表基质钻探取样技术方法，为建立自然资源调查监测体系及地表基质层调查工作提供钻探技术支撑。
Abstract
Surface substrate sampling is an essential link in surface substrate survey. On the basis of shallow surface drilling technology, in the light of the current situation of the application of drilling technology in the fields of mineral exploration, geochemistry exploration, regional geological mapping, environmental investigation, engineering exploration, archaeological investigation, etc. in shallow overburden areas, according to the requirements of drilling and sampling under the conditions of different surface landscapes and substrate types. The key points of surface matrix drilling sampling techniques such as rocks, gravels, soils and argillaceous materials are summarized, the sampling technology and apparatus of electric knapsack drill, Ф60/40mm single-pipe percussion drilling, Ф50mm double-pipe percussion drilling and Ф208mm hollow spiral drilling were developed. Field experiments were carried out in Beijing, Bayannur in Inner Mongolia, Ningbo in Zhejiang province and Naqu in Tibet Province. By obtaining samples that meet the requirements, the formation information and material composition are well revealed. Further, different types of surface substrate drilling sampling techniques have been proposed in practice. It provides drilling technical support for the establishment of Natural Resources Investigation and monitoring system and the investigation of surface substrate.
