粒度分析在沉積物研究中的應(yīng)用

劉秀明，羅 祎，2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083；2.中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會，北京 100860）

粒度是指碎屑顆粒的大小尺寸，是碎屑顆粒最主要的結(jié)構(gòu)特征。粒度大小一般以顆粒直徑計(jì)量，由于測量方法不同，顆粒直徑的含義也有所不同［1－2］。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所占的百分含量。

碎屑顆粒的大小直接決定著巖石的類型和性質(zhì)，其分析方法在巖石學(xué)研究中應(yīng)用最早。一般來說，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的。通過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)一步推測古氣候的演變規(guī)律［3－6］。

1 粒度分析方法

1.1 樣品的預(yù)處理

（1）樣品的分散。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［7－12］。

（2）除去鹽分。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，以免影響測試結(jié)果。

（3）除去有機(jī)質(zhì)。沉積物中的有機(jī)質(zhì)主要以有機(jī)碳的形式存在，故可用過氧化氫（H2O2）去除，反應(yīng)式：2C＋4H2O2→2CO2↑＋4H2O［7－12］。

（4）除去鈣質(zhì)膠結(jié)物。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↑［7－12］。反應(yīng)完全后，上機(jī)測試。

1.2 粒度測量方法

傳統(tǒng)的粒度分析方法視顆粒大小及致密程度而定，對松散的礫石可采用直接測量法，砂級碎屑多采用篩析法，粉砂及黏土級細(xì)粒常用沉降法、流水法、液體比重計(jì)等方法，對固結(jié)的無法離解的巖石只能采用薄片粒度分析法［1－2，7－8］。

目前，粒度范圍在0.02～2000μm的沉積物一般采用激光粒度儀測定。我實(shí)驗(yàn)室所用儀器是英國馬爾文公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀。

在樣品上機(jī)測試時(shí)，部分細(xì)小顆粒會在前期處理靜置后發(fā)生粘連，從而導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)偏差，特別是對于泥質(zhì)含量較高的樣品更為明顯。為去除該粘連作用給樣品測試帶來的偏差，保證樣品顆粒更為徹底地分散和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在上機(jī)測試時(shí)，需在粒度儀樣品分散傳輸附件中，先對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)的測試。

2 粒度分析結(jié)果的整理和解釋

粒度分析所測得的大量數(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)（又稱粒度參數(shù)）進(jìn)行解釋［1－2］。

2.1 圖解法

常用的圖解有直方圖（或稱柱狀圖）、頻率曲線圖、頻率累計(jì)曲線圖、概率累計(jì)曲線圖和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φ在某區(qū)間內(nèi)百分含量的累積；b為頻率曲線，為粒度分布頻率；c為累積曲線，表示粒度從小到大百分含量累積值，顯示粒度變化特征。

圖1 青島海灘某砂樣的粒度曲線

圖2 3種粒度曲線

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。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（比如說粒級百分含量或是粒度值），投點(diǎn)后依次連接成折線圖，即為粒度特征隨深度（或年代）變化曲線（見圖4）。圖中曲線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。

圖3 3種基本水動(dòng)力圖

圖4 中甸納帕海某鉆孔平均粒徑變化曲線

2.2 粒度參數(shù)計(jì)算法

計(jì)算粒度參數(shù)常與圖解相結(jié)合。首先由累積曲線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?？撕臀值碌挠?jì)算公式［13］。

（1）平均粒徑和中值。表示顆粒分布的集中趨勢。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），二是來源物質(zhì)的原始大小。福克和沃德的平均粒徑和中值公式為：

式中，φ50表示在測試樣品粒度分布范圍內(nèi)，體積為50%的粒徑，φ16等的定義類似。

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)常被用來作沉積韻律剖面圖或平面等值線圖，用以表示沉積物在縱向上或橫向上的粒度變化規(guī)律。

（2）標(biāo)準(zhǔn)偏差。表示分選程度的參數(shù)，它表示顆粒大小的均勻程度，或者說是表現(xiàn)圍繞集中趨勢的離差。?？撕臀值碌臉?biāo)準(zhǔn)偏差公式為

根據(jù)對大量的在不同環(huán)境采集的樣品粒度值的計(jì)算，可將分選程度分為7級：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）偏度。偏度被用來判別粒度分布的不對稱程度。?？撕臀值碌钠裙綖?/p>

偏度一般用來表示頻率曲線的對稱性，按其對稱形態(tài)本身可分為3類：（1）單峰對稱曲線：形成以峰為對稱軸的對稱曲線，曲線為正態(tài)分布，反映Mz＝Mo，Mo為眾數(shù)；（2）不對稱正偏態(tài)曲線：曲線不對稱，主峰偏粗一側(cè)，即沉積物以粗粒為主；（3）不對稱負(fù)偏態(tài)曲線：曲線不對稱，主峰偏細(xì)一側(cè)，即沉積物以細(xì)粒為主。

（4）峰度（尖度）。峰度是用來衡量粒度頻率曲線的尖銳程度的。?？撕臀值碌姆宥裙綖?/p>

根據(jù)100多個(gè)樣品的分析，?？说扔肒G值確定了峰值的等級界限：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，通過與圖解法的綜合運(yùn)用，在分析沉積環(huán)境和推測古氣候演化中具有重要的意義。

3 結(jié)論

（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段。

（3）樣品預(yù)處理和測量過程中，需特別注意預(yù)處理中膠結(jié)物的處理方法和樣品測試前在粒度儀樣品分散傳輸附件中要對樣品進(jìn)行超聲處理，最大限度降低粒度測量的影響因素。

（4）在進(jìn)行粒度結(jié)果整理時(shí)，可根據(jù)需要，選擇不同的粒度圖解及粒度參數(shù)，結(jié)合粒度參數(shù)與圖解法的綜合運(yùn)用，粒度分析在沉積環(huán)境和推測古氣候演化研究中具有重要的意義。

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