粒度测试技术与方法评述

粒度测试技术与方法评述

1沉积学中的直径虽然粒度是记录研究中最常见的术语，但实际的“大小”没有统一的定义。一般理解粒度为颗粒直径。但就“直径”而言,研究的目的或方法不同,其定义或物理意义不同。据统计,大约有十几种关于“直径”的定义。在沉积学中常用的主要有以下4种:①筛洗直径——颗粒所能通过的最小正方形孔径(Allen,1974)❶;②自由降落直径——在密度、粘度均相同的流体中,与沉积颗粒的密度、体积、自由降落速度均相同的球体的直径,也就是水沉降分析中所给出的直径;③视直径——在颗粒任意切面上于所规定的方向上所测定的直径,一般测定最长或最短视直径;④真直径——在原始颗粒上的规定方向上所直接测定的直径。以上4种直径可统称为线性值直径。此外,还有所谓体积值直径,它表示与颗粒体积相同的球体的直径。2粒级分析方法粒度测量是粒度分析的基础,其任务就是大量测定沉积物颗粒直径,并统计出各种粒度出现的频数和相对频率。迄今为止,人们已经发明了多种测定沉积物粒径的方法。1)直接测量法大于2mm的砾石可直接用尺子或测规量测。每颗砾石分别测量其三轴:长轴[A]、中轴[B]与短轴[C],而用三轴的几何平均值[A+B+C]/3或三轴乘积的立方根ABC−−−−√3ABC3来代表该砾石的粒径。若只做粗略的测量,则可以用砾石的中轴代表其粒径,但不宜采用其长轴或短轴。2)筛析法筛析法是分析细砾和砂的主要方法。通常取筛析样品50g以上,在震筛机上筛约10min,然后分级称重。各级重量的总和应是100%,若不足或大于此数,应将误差按比例分配到各级重量中去。筛析法设备简单,操作简便,分析迅速,并可将全部样品分离。缺点是孔径过小的套筛误差比较大,故不适宜用于分析粉砂、粘土颗粒。3)水析法(沉降法)水析法也称为沉降分析法,其基本原理是利用颗粒沉降速度来划分粒级分布。因为测定沉降速度较之测定沉积物颗粒几何大小,似乎更能反映基本动力学的特性,因而比其他任何测定粒度的方法都更符合自然情况。但这个方法只适用于分析较细的粉沙和粘土样品,常用的方法是移液管法。由于颗粒很细,易于被胶结和发生凝聚,故要对样品去钙质胶结物和有机质,在悬浮液中要加适量的分散剂。近几年来,利用颗粒沉降原理设计的粒度分析方法不断改进,先后已有沉积天平光学法和压差法,但由于技术等原因,目前沉降分析法在所测粒度特性的显著性和测量技术的精确性等方面还受到某些限制。4)激光粒度分析仪法激光粒度分析仪法是在20世纪70年代发展起来的一种有效、快速测定粒度的方法,相对于经典的沉降法和重力沉积作用法来说,具有精度高、快速、人为因素造成的误差小等优点。在国外该方法已取得一致公认,并得到广泛地应用。5)薄片图像分析法薄片图像分析法的原理是将显微镜下的图像摄取到计算机中(选择有代表性的视域,采集图像),在计算机上对颗粒的二维图像进行测量统计、编辑处理,并以此结果表征碎屑岩的粒度分布特征。薄片图像分析法作粗粒,中粒及细粒砂岩的粒度分析是比较可靠的,而对于含少量砾石的砂岩还存在着问题,因少数的粗碎屑物在薄片图像中可能作不到。3粒度参数的定义和参数的选择3.1粒度分布的集中趋势样品粒度参数与沉积物的形成环境有很好的相关性。目前,分析粒度资料常采用福克和沃德提出的4项粒度参数,分别是:粒度平均值Mz,代表沉积物粒度分布的集中趋势;粒度标准偏差σI,表示沉积物的分选性;偏度SKI,表示沉积物粒度频率曲线的不对称性;峰态KG,表示沉积物频率曲线的峰凸程度(即尖锐平坦程度)。其表达式如下:式中,ϕ5、ϕ16、ϕ25、ϕ50、ϕ75、ϕ84、ϕ95分别为概率累计曲线上5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%处所对应的ϕ值。3.2粒度参数的确定1平均粒度mz可以反映沉积物的平均粒度。在剖面或区域上系统地研究平均值的变化情况,可以了解物质来源及沉积环境的变化。2风成沙丘和海底沙常被用作环境指标。通常,最坏的粒度标准偏差是代表冲积扇和冰碛物等粗粒沉积物;海滩卵石较河流卵石分选要好。对当代环境而言,滨岸沙比水下沙、潮间坪和河流沙分选更好,风成沙丘分选最好。福克和沃德给粒度标准偏差σI分级为:很好<0.35;好0.35～0.5;中等0.5～1;差1～2;很差2～4。极差>4。3福克和沃德给偏度可判别分布的对称性,如为负偏,则此沉积物是粗偏;正偏则是细偏。1957年福克和沃德给偏度SKI分级为:极负偏-1.0～-0.30;负偏-0.30～-0.10;近对称-0.10～+0.10;正偏+0.10～+0.30;极正偏+0.30～+1.00。4福克和沃德给峰态的性质,该沉积物表示沉积物频率曲线的峰凸程度(即尖锐平坦程度)与“正态曲线”相比较。如果KG很低或非常低,说明该沉积物是未经改造进入新环境,而新环境对它的改造又不明显。1957年福克和沃德给峰态KG(尖度)分级:很平坦<0.67;平坦0.67～0.9;中等尖锐0.9～1.11(与“正态曲线”相近);尖锐1.11～1.56;很尖锐1.56～3;非常尖锐>0.67。4粒度分析的应用沉积物的粒度分布主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制。因此,通过对沉积物粒度分布研究可了解沉积物所处的沉积环境。4.1概率累积曲线图分析根据概率值累积曲线图区分沉积环境:沉积物的粒度成分按搬运方式不同可分为悬浮、跳跃和牵引3种粗细不同的组分。每一种组分的粒度分布特征都不相同,因此反映在概率累积曲线图上则是互不相同的3组线段。其中,粗粒段反映牵引组分;中粒段反映跳跃组分;细粒段反映悬浮组分。各个线段的斜率反映了相应组分的分选性,而且斜率愈大分选性愈好。悬浮质的颗粒一般很细,约在0.1mm左右。跳跃质是指靠近河床的底部层,粒度是0.15mm至1.0mm或更细些。牵引质是与前2种物质不同的粗粒组分,因颗粒粗故贴在底面上滑动或滚动。4.2充填料的细粒度沉积物粒度分布是物质来源、沉积区水动力环境、输移能力和输移路线的综合反映。由碎屑源区进入海岸带的碎屑物往往粗细不一,在波浪潮流联合作用下,细粒较粗粒移动速度更快,加上碎屑物在输移过程中破碎磨蚀,使物质离源越远,粒径越小;在水动力较强的地方沉积物较粗;反之,在水动力条件较弱的地方沉积物较细。根据粒度分析资料对沉积物类型进行分类及命名,得出的沉积物类型分布规律,对于判别沉积环境的水动力条件有很好的作用。4.3粒度趋势与运方向沉积物粒度数据除可用来识别沉积环境的类型、判定物质运动方式和判定水动力条件外.还可用于海洋环境中沉积物输运方向的研究,将沉积物净输运方向与粒度参数的空间变化相联系,即粒径趋势分析。人们发现,在同一个沉积环境中,底质的粒度分布曲线往往随采样地点的不同而变化。这种粒度特征的空间变化是由多种动力搬运作用所造成的,如颗粒的磨损、选择性搬运和不同来源物质的混合等。由此可以根据粒度特征的空间差异反演颗粒堆积前的搬运过程。4.4粒度校正和土壤污染沉积物粒度分析资料在地球化学研究中的应用也受到有关专家的重视,沉积物对元素的吸附作用除了可以从热力学和动力学方面来研究以外,还应考虑底质类型的影响,即海洋沉积物的粒度效应。在测定底质重金属的背景值,区分自然过程与人类行为,以及气候变化对重金属含量变化的影响,特别是在分析重金属污染程度时,应该考虑粒度效应的影响,进行粒度校正。过去几年中,沉积物粒径趋势分析主要是应用于粗颗粒物质的沉积环境,但许多海洋环境中细颗粒沉积物是优辨组分,而细颗粒物质具有不同的动力学特征,如细粒沉积物和砂质物质对于选择性搬运可有不同的反应。细粒沉积物还受到絮凝作用的影响。因此,应用于细颗粒测试的激光光散射法应运而生。同时,海洋沉积物的粒度分析是海洋地质实验的一项基本内容,它对阐明海底沉积物的来源、解释沉积分异作用和确定沉积环境等具有重要的意义。5新的语言学研究领域在粒度测试方法中出现的一些问题,但同时还存在着许多新粒度分析方法具有严格的统计学基础,是一种比较精确的分析方法,有坚实的数学、流体学的理论基础支撑。从发展历史来看,粒度分析方法始终伴随着地质学发展而发展,为地质学不断提供新的认识。特别是在岩石分类、流体力学、沉积环境、岩石物理性质等