粒度分析方法的選擇與測(cè)量

粒度分析方法的選擇與測(cè)量

粒度是指碎屑的大小，是碎屑的主要結(jié)構(gòu)特征。粒度大小一般以顆粒直徑計(jì)量,由于測(cè)量方法不同,顆粒直徑的含義也有所不同。粒度分析是研究沉積物中各種顆粒的物理組成、沉積物的粒度大小及各粒級(jí)所占的百分含量。碎屑顆粒的大小直接決定著巖石的類(lèi)型和性質(zhì),其分析方法在巖石學(xué)研究中應(yīng)用最早。一般來(lái)說(shuō),粒度大小主要受流水和風(fēng)等作用應(yīng)力強(qiáng)度影響,與沉積物的形成環(huán)境關(guān)系極為密切。人們發(fā)現(xiàn)沉積物粒度值的變化也是特征氣候變化的有效替代指標(biāo)之一,無(wú)論是深海沉積物中的粒度變化特征,還是黃土及湖泊沉積中的粒度指標(biāo)都不失為追蹤季風(fēng)強(qiáng)弱變化的良好標(biāo)記,但不同環(huán)境下粒度變化所指代的意義不同。中國(guó)黃土高原黃土-古土壤序列的粒度變化指示了搬運(yùn)粉塵風(fēng)動(dòng)力的強(qiáng)度以及沉積環(huán)境的變化,是過(guò)去東亞冬季風(fēng)變化的最敏感的替代性指標(biāo);湖泊沉積物中的顆粒主要由流水和風(fēng)力搬運(yùn)進(jìn)入?yún)R水盆地在平衡條件下堆積下來(lái)的。通過(guò)粒度值所反映出的水動(dòng)力大小、季風(fēng)活動(dòng)強(qiáng)弱,可以進(jìn)一步推測(cè)古氣候的演變規(guī)律。1粒度分析1.1樣品預(yù)處理(1)分散劑的選擇按不同分析方法的要求,取適量樣品放于小燒杯中,加入適量分散劑,用水浸泡。為使樣品顆粒自然分散、保證粒度分析的準(zhǔn)確性,尤其是當(dāng)樣品結(jié)成小團(tuán)塊或小集合體時(shí),可用玻璃棒攪拌分散,或?qū)⑿湃氤晝x中超聲,使樣品充分分散成沉積時(shí)的原始狀態(tài)。分散劑的選擇可按沉積物的性質(zhì)而定:中性土50g加0.5mol/L草酸鈉20mL;酸性土50g加0.5mol/L氫氧化鈉40mL;一般樣品,加入0.5mol/L的六偏磷酸鈉((NaPO3)6)溶液即可。(2)去除鹽分海洋、瀉湖、鹽湖等地的沉積物都含有鹽分,分析之前需將鹽分清洗干凈,以免影響測(cè)試結(jié)果。(3)從有機(jī)物質(zhì)中去除有機(jī)物沉積物中的有機(jī)質(zhì)主要以有機(jī)碳的形式存在,故可用過(guò)氧化氫(H2O2)去除,反應(yīng)式:2C+4H2O2→2CO2↑+4H2O。(4)從鈣中去除污垢若樣品中含有碳酸鹽,可用HCl進(jìn)行分解,反應(yīng)式:CaCO3+2HCl→CaC12+H2O+CO2↑。反應(yīng)完全后,上機(jī)測(cè)試。1.2激光粒度測(cè)定傳統(tǒng)的粒度分析方法視顆粒大小及致密程度而定,對(duì)松散的礫石可采用直接測(cè)量法,砂級(jí)碎屑多采用篩析法,粉砂及黏土級(jí)細(xì)粒常用沉降法、流水法、液體比重計(jì)等方法,對(duì)固結(jié)的無(wú)法離解的巖石只能采用薄片粒度分析法。目前,粒度范圍在0.02~2000μm的沉積物一般采用激光粒度儀測(cè)定。我實(shí)驗(yàn)室所用儀器是英國(guó)馬爾文公司的Mastersizer2000型激光粒度儀。在樣品上機(jī)測(cè)試時(shí),部分細(xì)小顆粒會(huì)在前期處理靜置后發(fā)生粘連,從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差,特別是對(duì)于泥質(zhì)含量較高的樣品更為明顯。為去除該粘連作用給樣品測(cè)試帶來(lái)的偏差,保證樣品顆粒更為徹底地分散和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,在上機(jī)測(cè)試時(shí),需在粒度儀樣品分散傳輸附件中,先對(duì)燒杯中混雜水體和沉積物的樣品進(jìn)行超聲處理,激光強(qiáng)度指示值一般設(shè)置在8~12,針對(duì)不同樣品融解濃度可適當(dāng)調(diào)整,超聲至激光強(qiáng)度不變?yōu)橹?再進(jìn)行粒度數(shù)據(jù)的測(cè)試。2斷裂法的計(jì)算粒度分析所測(cè)得的大量數(shù)據(jù),用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法加以處理,以便推斷可能的總體性質(zhì)。綜合的方法有2種:(1)圖解法:根據(jù)數(shù)據(jù)作圖,由圖進(jìn)行定量解釋;(2)計(jì)算法:直接對(duì)粒度數(shù)據(jù)手工或計(jì)算機(jī)計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)(又稱(chēng)粒度參數(shù))進(jìn)行解釋。2.1粒度特征隨深度或年代的變化特征常用的圖解有直方圖(或稱(chēng)柱狀圖)、頻率曲線(xiàn)圖、頻率累計(jì)曲線(xiàn)圖、概率累計(jì)曲線(xiàn)圖和C-M圖(水動(dòng)力圖)等,如圖1—圖3所示。圖1中:a為直方圖,表示粒度?在某區(qū)間內(nèi)百分含量的累積;b為頻率曲線(xiàn),為粒度分布頻率;c為累積曲線(xiàn),表示粒度從小到大百分含量累積值,顯示粒度變化特征。在研究一根巖芯、一個(gè)剖面自上而下或是某一時(shí)間段的粒度變化特征時(shí),就需要繪制粒度特征隨深度(或年代)的變化曲線(xiàn)。采樣時(shí)自上而下依次等間距采集,粒度分析后,以一個(gè)坐標(biāo)為深度(或年代)軸,另一坐標(biāo)為粒度特征值(比如說(shuō)粒級(jí)百分含量或是粒度值),投點(diǎn)后依次連接成折線(xiàn)圖,即為粒度特征隨深度(或年代)變化曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)。圖中曲線(xiàn)的峰谷表示了粒度值的變化,反映沉積作用應(yīng)力的變化情況。將此圖結(jié)合其他相關(guān)粒度分析結(jié)果,可以推測(cè)不同深度、不同地質(zhì)時(shí)代沉積環(huán)境的變化以及古氣候的變遷。2.2粒度參數(shù)的確定計(jì)算粒度參數(shù)常與圖解相結(jié)合。首先由累積曲線(xiàn)上讀得累積百分比處的顆粒直徑,然后用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。常用的粒度參數(shù)有平均粒度Mz、中值Md、標(biāo)準(zhǔn)偏差σi、偏度SK和峰度KG。目前應(yīng)用最廣的是福克和沃德的計(jì)算公式。(1)福克和沃德的平均粒徑表示顆粒分布的集中趨勢(shì)。這些數(shù)值受2個(gè)因素的影響制,一是沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能(速度),二是來(lái)源物質(zhì)的原始大小。?？撕臀值碌钠骄胶椭兄倒綖?Mz=(φ16+φ50+φ84)/2Md=φ50Μz=(φ16+φ50+φ84)/2Μd=φ50式中,φ50表示在測(cè)試樣品粒度分布范圍內(nèi),體積為50%的粒徑,φ16等的定義類(lèi)似。平均粒徑是沉積物最主要的粒度特征之一。這一參數(shù)指標(biāo)常被用來(lái)作沉積韻律剖面圖或平面等值線(xiàn)圖,用以表示沉積物在縱向上或橫向上的粒度變化規(guī)律。(2)添加不同種類(lèi)樣品的粒度值的分析表示分選程度的參數(shù),它表示顆粒大小的均勻程度,或者說(shuō)是表現(xiàn)圍繞集中趨勢(shì)的離差。福克和沃德的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式為σi=(φ84?φ16)/4+(φ95?φ5)/6.6σi=(φ84-φ16)/4+(φ95-φ5)/6.6根據(jù)對(duì)大量的在不同環(huán)境采集的樣品粒度值的計(jì)算,可將分選程度分為7級(jí):σi<0.35時(shí)分選極好;σi=0.35~0.50時(shí)分選好;σi=0.50~0.70時(shí)分選較好;σi=0.70~1.00時(shí)分選中等;σi=1.00~2.00時(shí)分選較差;σi=2.00~4.00時(shí)分選很差;σi>4.00時(shí)分選極差。(3)頻率曲線(xiàn)s偏度被用來(lái)判別粒度分布的不對(duì)稱(chēng)程度。?？撕臀值碌钠裙綖镾K=(φ16+φ84?2φ50)/2(φ84?φ16)+(φ5+φ95+2φ50)/2(φ95?φ5)SΚ=(φ16+φ84-2φ50)/2(φ84-φ16)+(φ5+φ95+2φ50)/2(φ95-φ5)偏度一般用來(lái)表示頻率曲線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性,按其對(duì)稱(chēng)形態(tài)本身可分為3類(lèi):(1)單峰對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn):形成以峰為對(duì)稱(chēng)軸的對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn),曲線(xiàn)為正態(tài)分布,反映Mz=Mo,Mo為眾數(shù);(2)不對(duì)稱(chēng)正偏態(tài)曲線(xiàn):曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng),主峰偏粗一側(cè),即沉積物以粗粒為主;(3)不對(duì)稱(chēng)負(fù)偏態(tài)曲線(xiàn):曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng),主峰偏細(xì)一側(cè),即沉積物以細(xì)粒為主。(4)?？说扔昧康挠?jì)算峰度是用來(lái)衡量粒度頻率曲線(xiàn)的尖銳程度的。?？撕臀值碌姆宥裙綖镵G=(φ95?φ5)/2.44(φ75?φ25)ΚG=(φ95-φ5)/2.44(φ75-φ25)根據(jù)100多個(gè)樣品的分析,福克等用KG值確定了峰值的等級(jí)界限:很平坦時(shí)KG<0.67;平坦時(shí)KG=0.67~0.9;中等(正態(tài))時(shí)KG=0.90~1.11;尖銳時(shí)KG=1.11~1.56;很尖銳時(shí)KG=1.56~3.00;非常尖銳時(shí)KG>3.00。以上4種粒度參數(shù)之間有著密切的聯(lián)系,通過(guò)與圖解法的綜合運(yùn)用,在分析沉積環(huán)境和推測(cè)古氣候演化中具有重要的意義。3特征粒度測(cè)量的處理(1)粒度分析方法具有嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ),是一種比較精確的分析方法,有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)、流體學(xué)的理論基礎(chǔ)支撐。(2)激光粒度分析法具有操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性高、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn),是沉積物粒度諸多分析方法中的有效手