三维数字岩芯技术在珠江三角洲第四纪软沉积物变形研究中的应用

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.048

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (8): 866 -878. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.048

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三维数字岩芯技术在珠江三角洲第四纪软沉积物变形研究中的应用

加依娜·叶尔扎提 ¹ ^, ²(

), 陈震 ¹ ^, ³, 张献河 ⁴, 林小明 ⁴, 吴维盛 ⁴, 黄孝波 ⁴, 闫亚鹏 ⁵, 汤永杰 ¹, 刘洁 ¹ ^, ⁶ ^, ⁷(

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^1.中山大学地球科学与工程学院，广东珠海 519082
^2.新疆宝地矿业股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000
^3.广东中大深地科学研究院有限公司，广东广州 510275
^4.广东省地质调查院，广东广州 510080
^5.广东省佛山地质局，广东佛山 528000
^6.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东珠海 519082
^7.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519082

收稿日期:2023-06-09 修回日期:2023-07-06 出版日期:2023-08-10
通讯作者: 刘洁 E-mail:jiayina@mail2.sysu.edu.cn;liujie86@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
广东省国土资源保护与治理专项资金项目“珠江三角洲基底断裂探查与研究”(2017201);“佛山市南海区城市地质调查”(JF2021（NH）WZ0246)

Application of 3D Digital Core Technique to the Deformation of Quaternary Soft Sediment in the Pearl River Delta

Yeerzhati JIAYINA ¹ ^, ²( ), Zhen CHEN ¹ ^, ³, Xianhe ZHANG ⁴, Xiaoming LIN ⁴, Weisheng WU ⁴, Xiaobo HUANG ⁴, Yapeng YAN ⁵, Yongjie TANG ¹, Jie LIU ¹ ^, ⁶ ^, ⁷( )

^1.School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangdong Zhuhai 519082, China
^2.Xinjiang Baodi Mining Co. , Ltd. , Urumqi 830000, China
^3.GDZD Institute on Deep-Earth Sciences Co. , Ltd. , Guangzhou 510275, China
^4.Geological Survey of Guangdong Province, Guangzhou 510080, China
^5.Guangdong Foshan Geological Survey, Guangdong Foshan 528000, China
^6.Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources & Geological Processes, Guangdong Zhuhai 519082, China
^7.Southern Marine Science and Engineering Guangdong;Laboratory (Zhuhai), Guangdong Zhuhai 519082, China

Received:2023-06-09 Revised:2023-07-06 Online:2023-08-10 Published:2023-08-28
Contact: Jie LIU E-mail:jiayina@mail2.sysu.edu.cn;liujie86@mail.sysu.edu.cn
About author:JIAYINA Yeerzhati (1996-), female, Altay Prefecture, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Master student. Research area inclueds rock micro CT technology. E-mail: jiayina@mail2.sysu.edu.cn
Supported by:
the Specially Funded Project for Land and Resources Protection and Governance in Guangdong Province “Exploration and research on basement faults in the Pearl River Delta”(2017201);“Urban Geological Survey of Nanhai District, Foshan City” (Grant No. JF2021(NH)WZ0246)

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珠江三角洲地区是否存在晚第四纪的断裂活动是大湾区战略规划的一个重要参考因素。活动断裂带内第四纪松散沉积物是断层活动的主要标志及信息载体，细致、立体地观测松散沉积物并非易事。通过采用X射线全岩芯扫描技术，对珠江三角洲地区主要断裂带上的钻孔岩芯进行了扫描和处理，使用体渲染技术对岩芯的三维结构进行可视化，重点观测第四系未固结沉积物的变形现象。研究表明，岩芯CT扫描图像不仅克服了未固结岩芯难以自由转动、无法开展多角度观测的困难，而且可以揭示大量在岩芯照片上无法观察到的现象，如岩芯的内部非均匀结构、物质分布情况、裂缝的展布形态，以及裂缝处的物质成分变化等。结合沉积物测年结果，可以给出断裂活动时间。因此，对于未固结沉积物钻孔岩芯，全岩芯CT扫描可以作为优选的观测、分析新手段，在未来的工程探查和活动断裂研究中加以推广。

关键词: 三维数字岩芯, 第四纪, 软沉积物, 变形, 珠江三角洲

The presence of Late Quaternary faults in the Pearl River Delta region is an important factor that may affect the development of the Greater Bay Area. Loose Quaternary sediments within active fault zones are the main markers and information carriers of fault activity, comprehensive observations of loose sediments from the point view of three-dimension are difficult. In this study, borehole cores from the main fault zones in Xilingang, Guangzhou were X-ray CT scanned using whole-core scanning devices, images were processed and visualized by using the volume rendering technique to investigate the 3D structures of the cores focusing on the deformation of Quaternary unconsolidated sediments. The study demonstrates that the CT scan of borehole cores enables us to virtually observe cores with reality from different perspectives by free rotations, which is impossible to reach physically for unconsolidated cores, and further reveals a large number of phenomena that cannot be observed from conventional core photographs, including the internal heterogeneous structures, the distribution of materials, and the extending pattern and compositions of fractures. Combined with the dating results of sediments, the time of fault activity can be estimated. Therefore, whole-core CT scanning can be a preferred new method for studying unconsolidated borehole cores and is recommended for geological exploration and active fault investigations in areas covered by soft sediments.

Key words: 3D digital core, Quaternary, Soft sediments, Deformation, Pearl River Delta.

中图分类号:

P585

图1 珠江三角洲及研究区地理位置
（a）珠江三角洲盆地及区域断裂展布图；（b）西淋岗地区钻孔分布及勘探剖面位置图

Fig. 1 Geographical locations of the Pearl River Delta Basin and our study area
（a） Location of regional faults and some boreholes in the Pearl River Delta Basin；（b） Locations of boreholes and exploring profiles in Xilingang area

表1 ZK0053岩性特征描述

Table 1 Lithologic characterization of ZK0053

深度范围/m	地层	岩性及沉积相	其他
0~3.20	人工填土	人工填土	—
3.20~10.00	全新统灯笼沙（Qh ^dl ）	灰黑色、灰褐色黏土质粉砂，见螺、腐木、贝壳等发育，滨海相、潮坪相沉积	见“泥包砂”现象发育，8.80 m处见“微褶皱”发育
10.00~13.50	全新统万顷沙（Qh ^w ）	深灰色、灰白色含泥质细砂，河流相沉积为主	10.55~11.05 m处见薄层状黏土发育“微褶皱层”
13.50~15.30	更新统三角组（Q_p^sj ）	褐红色花斑土，局部见黄褐色黏土，风成沉积	发育微褶皱纹层、层内扭曲、卷曲变形等同生变形，局部发育“泥包砂”
15.30~16.50	更新统三角组（Q_p^sj ）	灰黑色黏土夹灰白色黏土质粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育层状扭曲、卷曲变形
16.50~17.10	更新统三角组（Q_p^sj ）	褐红色黏土夹灰白色粉细砂，河漫滩或沼泽相沉积	17.00 m处见一宽2 mm“沙脉”
17.10~24.10	更新统三角组（Q_p^sj ）	灰黑色黏土夹薄层状灰白色粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育明显同层扭曲、褶皱
24.10~24.30	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色、灰白色粉细砂夹少量石英质砾，河漫滩或沼泽相沉积	—
24.30~26.90	更新统西南组（Q_p^x ）	深灰色、灰黑色黏土质粉细砂，滨海相或潮坪相沉积	见“挤压片理”、层内扭曲，局部见碳质夹层、绿泥石化
26.90~27.80	更新统西南组（Q_p^x ）	灰黑色粉细砂，夹少量黏土，滨海相、潮坪相沉积	—
27.80~28.80	更新统西南组（Q_p^x ）	黄褐色强风化碎裂化花岗岩，风成沉积	局部见硅化，未胶结，角砾大小为0.1~5.0 cm
28.80~29.40	更新统西南组（Q_p^x ）	深灰色含泥质粉细砂，河流相沉积	发育类“片理化构造”，见绿泥石、绢云母填充
29.40~29.87	更新统西南组（Q_p^x ）	浅绿色粉细砂，河流相沉积	见4条近垂直“砂脉”，呈波浪状起伏，宽1~5 mm，出露长度约50 cm
29.87~95.00	白垩系（K）	硅化、碎裂化花岗岩，褐铁矿化、硅化、绢云母化碎裂岩，绿泥石化中粒二长花岗岩，构造角砾岩、碎斑岩等	基岩破碎带

表1 ZK0053岩性特征描述

Table 1 Lithologic characterization of ZK0053

深度范围/m	地层	岩性及沉积相	其他
0~3.20	人工填土	人工填土	—
3.20~10.00	全新统灯笼沙（Qh ^dl ）	灰黑色、灰褐色黏土质粉砂，见螺、腐木、贝壳等发育，滨海相、潮坪相沉积	见“泥包砂”现象发育，8.80 m处见“微褶皱”发育
10.00~13.50	全新统万顷沙（Qh ^w ）	深灰色、灰白色含泥质细砂，河流相沉积为主	10.55~11.05 m处见薄层状黏土发育“微褶皱层”
13.50~15.30	更新统三角组（Q_p^sj ）	褐红色花斑土，局部见黄褐色黏土，风成沉积	发育微褶皱纹层、层内扭曲、卷曲变形等同生变形，局部发育“泥包砂”
15.30~16.50	更新统三角组（Q_p^sj ）	灰黑色黏土夹灰白色黏土质粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育层状扭曲、卷曲变形
16.50~17.10	更新统三角组（Q_p^sj ）	褐红色黏土夹灰白色粉细砂，河漫滩或沼泽相沉积	17.00 m处见一宽2 mm“沙脉”
17.10~24.10	更新统三角组（Q_p^sj ）	灰黑色黏土夹薄层状灰白色粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育明显同层扭曲、褶皱
24.10~24.30	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色、灰白色粉细砂夹少量石英质砾，河漫滩或沼泽相沉积	—
24.30~26.90	更新统西南组（Q_p^x ）	深灰色、灰黑色黏土质粉细砂，滨海相或潮坪相沉积	见“挤压片理”、层内扭曲，局部见碳质夹层、绿泥石化
26.90~27.80	更新统西南组（Q_p^x ）	灰黑色粉细砂，夹少量黏土，滨海相、潮坪相沉积	—
27.80~28.80	更新统西南组（Q_p^x ）	黄褐色强风化碎裂化花岗岩，风成沉积	局部见硅化，未胶结，角砾大小为0.1~5.0 cm
28.80~29.40	更新统西南组（Q_p^x ）	深灰色含泥质粉细砂，河流相沉积	发育类“片理化构造”，见绿泥石、绢云母填充
29.40~29.87	更新统西南组（Q_p^x ）	浅绿色粉细砂，河流相沉积	见4条近垂直“砂脉”，呈波浪状起伏，宽1~5 mm，出露长度约50 cm
29.87~95.00	白垩系（K）	硅化、碎裂化花岗岩，褐铁矿化、硅化、绢云母化碎裂岩，绿泥石化中粒二长花岗岩，构造角砾岩、碎斑岩等	基岩破碎带

表2 ZK0065岩性特征描述

Table 2 Lithologic characterization of ZK0065

深度范围/m	地层	岩性及沉积相	其他
0~3.70	人工填土	人工填土	—
3.70~7.80	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	深灰色细中砂含少量贝壳类，滨海相、潮坪相沉积	—
7.80~9.00	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	灰黑色含粉砂质淤泥，滨海相、潮坪相沉积	—
9.00~11.00	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	深灰黑色、灰黑色粗中砂、中细砂夹薄纹层状黏土，滨海相、潮坪相沉积	—
11.00~14.00	全新统万顷沙组（Qh ^w ）	灰白色中粗砂夹薄纹层状黏土质中砂，河漫滩或沼泽相沉积	—
14.00~16.00	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色、棕红色、土黄色花斑黏土夹灰白色粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育球状、枕状、火焰状构造，该层上下部见波浪状微褶皱发育
16.00~20.50	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色含砾中粗砂，砾石含量3%~5%，砾石多为石英，棱角状至次棱角状，河漫滩或沼泽相沉积	—
20.50~21.00	更新统西南组（Q_p^x ）	岩性为灰白色、灰黑色黏土，滨海相、潮坪相沉积	发育软沉积变形，见微褶皱、枕状构造
21.00~48.60	白垩系（K）	主要为碎裂岩、碎粒岩、碎裂化中粒黑云母二长花岗岩、碎裂化中细粒黑云母钾长（钾化）花岗岩等	基岩破碎带，其中21.00~25.70 m和26.50~28.80 m为构造角砾岩带

表2 ZK0065岩性特征描述

Table 2 Lithologic characterization of ZK0065

深度范围/m	地层	岩性及沉积相	其他
0~3.70	人工填土	人工填土	—
3.70~7.80	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	深灰色细中砂含少量贝壳类，滨海相、潮坪相沉积	—
7.80~9.00	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	灰黑色含粉砂质淤泥，滨海相、潮坪相沉积	—
9.00~11.00	全新统灯笼沙组（Qh ^dl ）	深灰黑色、灰黑色粗中砂、中细砂夹薄纹层状黏土，滨海相、潮坪相沉积	—
11.00~14.00	全新统万顷沙组（Qh ^w ）	灰白色中粗砂夹薄纹层状黏土质中砂，河漫滩或沼泽相沉积	—
14.00~16.00	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色、棕红色、土黄色花斑黏土夹灰白色粉砂，河漫滩或沼泽相沉积	发育球状、枕状、火焰状构造，该层上下部见波浪状微褶皱发育
16.00~20.50	更新统三角组（Q_p^sj ）	深灰色含砾中粗砂，砾石含量3%~5%，砾石多为石英，棱角状至次棱角状，河漫滩或沼泽相沉积	—
20.50~21.00	更新统西南组（Q_p^x ）	岩性为灰白色、灰黑色黏土，滨海相、潮坪相沉积	发育软沉积变形，见微褶皱、枕状构造
21.00~48.60	白垩系（K）	主要为碎裂岩、碎粒岩、碎裂化中粒黑云母二长花岗岩、碎裂化中细粒黑云母钾长（钾化）花岗岩等	基岩破碎带，其中21.00~25.70 m和26.50~28.80 m为构造角砾岩带

表3 ZK0053和 ZK0065第四纪沉积物 ¹⁴C测年结果表

Table 3 ¹⁴C dating results of quaternary sediments of ZK0053 and ZK0065

样品编号	采样深度/m	岩性	测试材料	年龄/a BP	实验编号
ZK0053-5-71	-4.71	灰色淤泥质砂	贝壳	850 ± 30	Beta-521369
ZK0053-6-69	-5.69	深灰色淤泥	贝壳	2 060 ± 30	Beta-521366
ZK0053-10-31	-9.31	深灰色淤泥质粉砂	贝壳	5 710 ± 30	Beta-523942
ZK0053-18-65	-17.65	灰黑色黏土	泥炭	22 160 ± 80	Beta-521370
ZK0065-5-40	-4.40	深灰色淤泥质粉砂	贝壳	2 400 ± 30	Beta-528735

表3 ZK0053和 ZK0065第四纪沉积物 ¹⁴C测年结果表

Table 3 ¹⁴C dating results of quaternary sediments of ZK0053 and ZK0065

样品编号	采样深度/m	岩性	测试材料	年龄/a BP	实验编号
ZK0053-5-71	-4.71	灰色淤泥质砂	贝壳	850 ± 30	Beta-521369
ZK0053-6-69	-5.69	深灰色淤泥	贝壳	2 060 ± 30	Beta-521366
ZK0053-10-31	-9.31	深灰色淤泥质粉砂	贝壳	5 710 ± 30	Beta-523942
ZK0053-18-65	-17.65	灰黑色黏土	泥炭	22 160 ± 80	Beta-521370
ZK0065-5-40	-4.40	深灰色淤泥质粉砂	贝壳	2 400 ± 30	Beta-528735

图2 钻孔ZK0053和ZK0065岩芯照片
（a）ZK0053；（b）ZK0065

Fig. 2 Photographs of cores of ZK0053 and ZK0065

表4 岩芯样品 CT扫描信息

Table 4 CT scan information of core sample

样品编号

钻孔号

钻孔坐标

岩性

取样深度/m

扫描量/m

分辨率/μm

ZK0053

X：416375.34

Y：2544551.67

第四系未固结沉积

6.0~30.0

176

ZK0053

X：416375.34

Y：2544551.67

基岩破碎带

65.0~67.0

170

ZK0065

X：724087.14

Y：2545906.32

第四系未固结沉积

7.0~16.0

176

表4 岩芯样品 CT扫描信息

Table 4 CT scan information of core sample

X：416375.34

Y：2544551.67

X：416375.34

Y：2544551.67

X：724087.14

Y：2545906.32

第四系未固结沉积

7.0~16.0

176

图3 体渲染使用的色彩表
（a）灰度色阶和近于线性变化透明度设置；（b）蓝—黄伪彩色和局部突出透明度设置

Fig. 3 Colormaps used for volume rendering
（a） Grayscale colormap and near-linear transparency setting；（b） Blue-yellow colormap and locally highlighted transparency setting

图4 ZK0053钻孔6~7 m和17~18 m深度岩芯图像
（a）6~7 m深度岩芯照片；（b）6~7 m深度岩芯线性灰度体渲染结果图；（c）6~7 m深度岩芯伪彩色体渲染结果图；（d）17~18 m深度岩芯照片；（e）17~18 m深度岩芯线性灰度体渲染结果图

Fig. 4 Images of cores in 6~7 m and 17~18 m depth of ZK0053
（a） Photograph of the core in 6~7 m；（b） Grayscale volume rendering of the core in 6~7 m；（c） Pseudo-color volume rendering of the core in 6~7 m；（d） Photograph of the core in 17~18 m；（e） Grayscale volume rendering of the core in 17~18 m

图5 ZK0053钻孔14~15 m深度岩芯图像
（a）岩芯照片；（b）岩芯伪彩色体渲染结果；（c）图（b）中红框部分岩芯经顺时针旋转90°后的伪彩色体渲染结果；（d）图（c）中黄线处的XY方向截面；（e）图（b）中黄线处的YZ方向截面；（f）图（b）中黄线处的XZ方向截面

Fig. 5 Images of the core in the depth of 14~15 m of ZK0053
（a） Photograph of the core segment；（b） Pseudo-color volume rendering of the core segment；（c） Pseudo-color volume rendering of the zoom-in image of the framed segment in （b）；（d） Slice view of volume rendering， position indicated by the line in （c）；（e） Cross-section view of YZ direction of the core in （b）；（f） Cross-section view of XZ direction in （b）

图6 ZK0053钻孔18~19 m深度岩芯图像
（a）岩芯照片；（b）岩芯伪彩色体渲染结果；（c）~（e）分别为图（b）黄线处的XY方向截面

Fig. 6 Images of the core in the depth of 18~19 m of ZK0053
（a） Photograph of the core segment；（b） Pseudo-color volume rendering of the core segment；（c）~（e） Slice views of the volume rendering in the positions indicated by lines in （b）

图7 ZK0053钻孔15~16 m和29~30 m深度岩芯图像
（a）15~16 mm深度岩芯照片；（b）15~16 m深度岩芯线性灰度体渲染结果图；（c）15~16 m深度岩芯伪彩色体渲染结果图；（d）15~16 m深度裂缝处的灰度变化曲线图［对应图（b）中橙色线的位置］；（e）29~30 m深度裂缝处的灰度变化曲线图［对应图（f）中橙色线的位置］；（f）29~30 m深度岩芯照片；（g）29~30 m深度岩芯线性灰度体渲染结果图；（h）29~30 m深度岩芯伪彩色体渲染结果图

Fig. 7 Images of the core in the depth of 15~16 m and 29~30 m of ZK0053
（a） Photograph of the core segment in the depth of 15~16 m；（b） Greyscale volume rendering of the core segment in the depth of 15~16 m；（c） Pseudo-color volume rendering of the core segment in the depth of 15~16 m；（d） Greyscale slice view in the position indicated by the line in panel （b） with greyscale values along the bold line across the crack in the depth of 15~16 m；（e） Greyscale slice view in the position indicated by the line in panel （f） with greyscale values along the bold line in the depth of 29~30 m；（f） Photograph of the core segment in the depth of 29~30 m；（g） Greyscale volume rendering of the core segment in the depth of 29~30 m；（h） Pseudo-color volume rendering of the core segment in the depth of 29~30 m

图8 ZK0065钻孔15~16 m深度岩芯图像
（a）岩芯照片；（b）岩芯线性灰度体渲染结果图；（c）岩芯伪彩色体渲染结果图

Fig. 8 Images of the core in the depth of 15~16 m of ZK0065
（a） Photograph of the core segment；（b） Greyscale volume rendering of the core segment；（c） Pseudo-color volume rendering of the core segment

图9 位于广州番禺的DH07钻孔9.35~10.35 m深度岩芯图像
（a）岩芯照片；（b）岩芯线性灰度体渲染结果图；（c）岩芯伪彩色体渲染结果图

Fig. 9 Images of the core in the depth of 9.35~10.35 m of DH07 located in Panyu， Guangzhou
（a） Photograph of the core segment；（b） Greyscale volume rendering of the core segment；（c） Pseudo-color volume rendering of the core segment

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