地貌學(xué)沉積物粒度測定本科實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)

張峰 再米熱·阿不都沙拉木 馬麗

[摘 要] 當(dāng)前高校地貌學(xué)本科實(shí)驗(yàn)多為認(rèn)知性課程，而有助于提高學(xué)生動手能力的實(shí)踐性課程開設(shè)不足。粒度是在地貌學(xué)研究的一項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文章設(shè)計(jì)了地貌學(xué)的沉積物粒度測定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介紹了粒度測定與粒度參數(shù)等基本內(nèi)容，著重培養(yǎng)本科生實(shí)驗(yàn)操作與思考能力。實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生注重影響產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的因素與確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理接觸粒度參數(shù)，初步認(rèn)識到不同地貌沉積環(huán)境下粒度特征。

[關(guān)鍵詞] 篩分;粒度參數(shù);誤差;控制

[作者簡介] 張 峰（1973—），男，烏魯木齊人，新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事中國沙漠及古綠洲演化研究;再米熱·阿不都沙拉木（1988—），女（維吾爾族），烏魯木齊人，新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事土壤學(xué)研究;馬 麗（1994—），女（回族），新疆和碩人，新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院研究生，研究方向?yàn)樯衬练e物及沙丘形態(tài)演變。

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）42-0381-03? ? [收稿日期] 2020-02-07

引言

地貌學(xué)是地理學(xué)一門基礎(chǔ)專業(yè)課[1]，可以廣泛應(yīng)用于高等專業(yè)學(xué)校地理、遙感、地質(zhì)、旅游等學(xué)科。地貌學(xué)同時是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)是地貌學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要組成部分，通過實(shí)踐教學(xué)可使學(xué)生將抽象的理論知識形象化理解?，F(xiàn)代地貌學(xué)更是融會了沉積學(xué)等多學(xué)科的內(nèi)容。目前我國高校地貌學(xué)實(shí)驗(yàn)課開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，尚不能滿足培養(yǎng)相關(guān)人才的需求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。沉積物的機(jī)械組成是研究地貌的重要指標(biāo)之一，與多類地貌類型存有緊密的聯(lián)系，如物源問題、地球化學(xué)中的粒度效應(yīng)等[2]。而沉積物機(jī)械組成的實(shí)驗(yàn)被廣泛開設(shè)在沉積巖類等地質(zhì)類課程中[3，4]，在地理專業(yè)較少。通過開設(shè)該類實(shí)驗(yàn)課可以培養(yǎng)地理學(xué)本科生對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取能力，為將來的工作打下基礎(chǔ)。有助于切實(shí)理解各地貌間的聯(lián)系，如對黃土地貌和風(fēng)沙地貌的聯(lián)系等相關(guān)知識點(diǎn)的認(rèn)識也很有幫助。關(guān)于粒度目前有多種測定方法，如篩分法、顯微鏡觀察法、激光粒度法、沉降法等[3]。其中篩分法是最簡單、用得最早、應(yīng)用最廣泛的粒度測定方法，由于篩分法的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料價格適中，原理直觀可視，流程相對簡單，適于組織教學(xué)實(shí)驗(yàn)。篩分法又分干篩和濕篩，本文以干篩方法結(jié)合顯微鏡鏡下觀察為例，通過設(shè)計(jì)地貌學(xué)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索提高本科生實(shí)踐教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的途徑。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟

本實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理，掌握粒度測定的方法以及實(shí)驗(yàn)過程中如何控制測定結(jié)果的可靠性;掌握影響數(shù)據(jù)結(jié)果的關(guān)鍵因素。本實(shí)驗(yàn)課時按2課時設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)材料和樣品的準(zhǔn)備;篩孔校驗(yàn)的觀察;振篩儀震動時長的選擇;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與初步分析。

（一）實(shí)驗(yàn)材料和樣品的準(zhǔn)備

1.設(shè)備與材料的準(zhǔn)備。符合國標(biāo)[5]的配備底盤頂蓋的試驗(yàn)篩1套/組，粒徑自1000μm—64μm，之所以選擇這一粒級范圍是由于它包含了我國多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所定義的粗沙至粉砂級的顆粒[2]。細(xì)于64μm范圍的樣品則因篩孔容易被堵，不易徹底篩分，因此不被采用。帶數(shù)碼目鏡與配套軟件的體視顯微鏡及具有操作系統(tǒng)的電腦1臺套1臺/組。國產(chǎn)TRX-6型土壤振篩儀（220～V）1臺/組。1%g以上精度的天平1臺/組。超聲波清洗設(shè)備各組共1臺，清理毛刷1只/組。沙漠流動沙丘頂部風(fēng)成沙、河床沙、冰磧物沙、湖（海）濱沙各50g/4組。

2.認(rèn)識篩孔和樣品的粒徑。認(rèn)識篩孔孔徑的兩個主要單位及顆粒直徑的表示方法：目數(shù)和實(shí)際尺寸。我國目數(shù)規(guī)格以每厘米長度內(nèi)的目孔數(shù)表示，國際上用每英寸內(nèi)目孔數(shù)表示。篩孔大小的實(shí)際尺寸用單位mm或μm表示。顆粒的直徑往往使用篩孔的實(shí)際尺寸表示，另一表示方式為φ值：φ=-log■d，其中d為顆粒的直徑。

認(rèn)識篩析實(shí)驗(yàn)的方法和原理：將篩子由粗到細(xì)自上至下摞起來，通過振篩儀的震動讓樣品顆粒自上而下通過篩組，篩網(wǎng)（如64μm）上會留下通不過的樣品顆粒，以該篩網(wǎng)與其上相鄰篩子的孔徑（即75μm），來描述滯留在該上顆粒的粒度。

通過介紹顆粒直徑與篩子孔徑的關(guān)系，篩子的編制，顆粒形狀對結(jié)果的影響等認(rèn)識到篩分結(jié)果的相對性：篩子經(jīng)緯網(wǎng)多是以金屬絲疊加交叉編制，通過的顆粒往往與其真實(shí)粒徑也不完全一致，加之顆粒形態(tài)各異，也不都是完全圓狀，往往有較長的顆粒通過較細(xì)的孔徑。由于篩孔是正方形，邊長為粒徑，而對角線長度為邊長的√2，所以通過的顆粒真實(shí)粒徑與其篩子的孔徑數(shù)值是有一定出入。以上內(nèi)容可使用顯微鏡觀察配合完成。

（二）校驗(yàn)篩孔

對篩孔的校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)主要使學(xué)生認(rèn)識篩析中，套篩的制造誤差會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行篩析實(shí)驗(yàn)之前對套篩篩孔大小的可靠度進(jìn)行校驗(yàn)。具體流程：在篩網(wǎng)上選取六個互不重疊的視域，前三個與后三個垂直（圖3），利用體視顯微鏡觀察，在每個視域內(nèi)選取方孔的對角線上5—6個孔徑進(jìn)行測定篩孔橫縱方向上的最長、最短處共四個值，并取平均值[2]。具體測量是通過顯微鏡照相裝置保存圖像，再利用配套軟件測量的。該篩孔徑的可靠性根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[5]判斷。

（三）確定篩震時長

振篩儀的作用是震動篩組，使得粒徑處于上下篩子的顆粒滯留在各級篩床內(nèi)。某些型號振篩的振幅和頻率是可調(diào)的，也有不可調(diào)的，因此有必要使同學(xué)們認(rèn)識到不同振篩參數(shù)如振幅、頻率和時長等參數(shù)對樣品篩分效果的影響。以確定最佳的振篩時長為例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測定不同振動時長對結(jié)果的影響，選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果與效率最優(yōu)時長方案。具體安排隨機(jī)選取1個樣品分別作對比試驗(yàn)（表1），由樣品袋中均勻取出50 g樣品，采用電子天平稱重。以國產(chǎn)TRX-6型土壤振篩儀為例設(shè)置了參數(shù)，轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/min。按振動時長10、15、20min分組測定。每次結(jié)果分級稱重并記錄，篩析前后總重量誤差應(yīng)小于5%。比較各組粒度分布選擇篩分徹底的時間可最終確定實(shí)驗(yàn)振篩時長。

二、結(jié)果的整理與初步分析

（一）頻率分布與累計(jì)曲線

沉積物粒度結(jié)果最直接的表示方法是頻率分布，即樣品在各粒級分布的情況，可以用Excel軟件制作為直方圖或者頻率曲線圖。同時制作累計(jì)曲線，以方便的說明顆粒搬運(yùn)情況。

（二）粒度參數(shù)

介紹并使用測定結(jié)果計(jì)算經(jīng)常用到的粒度參數(shù)有粒度平均值，中值粒徑（Mz），分選系數(shù)（σ1），偏度（SK1）和峰態(tài)（KG）等。分選系數(shù)表明樣品的分選情況;偏度表示樣品偏離中位數(shù)的情況，負(fù)偏表示平均值偏向粗端，正偏則表示偏向細(xì)端;峰態(tài)表示樣品峰的寬窄情況偏離，一般正值為窄峰，負(fù)值為寬峰。關(guān)于粒度參數(shù)的定義有很多，本實(shí)驗(yàn)采用較廣泛使用的Folk-Ward（1957）圖解法計(jì)算公式[5]：

（三）沉積環(huán)境

不同沉積環(huán)境沉積物粒度參數(shù)是不同的[4，6]。按照實(shí)驗(yàn)所求出的樣品平均粒徑（Mz）、分選系數(shù)（σ1）、偏度（SK1）和峰態(tài)（KG），根據(jù)Sahu（1964）對大量碎屑沉積物的粒度分析資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建立的經(jīng)驗(yàn)判別公式[7]諸如沙丘砂、海灘砂、淺海砂、河流砂及濁流砂[8]等對樣品的沉積環(huán)境進(jìn)行初步定量化分析，以認(rèn)識不同沉積環(huán)境下樣品的粒度參數(shù)特征。

三、誤差控制

由于實(shí)驗(yàn)誤差和操作人員的因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在誤差的可能并影響到最終數(shù)據(jù)結(jié)果，因此需要在實(shí)驗(yàn)過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。具體的方法有：①標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定，將特定比例不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)圓珠混合后隨樣品進(jìn)行平行測定;②重復(fù)測定，重復(fù)測定的樣品測定結(jié)果與原測定結(jié)果進(jìn)行比較。以上方法中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的平行測定控制效果好，但價格比較高昂，只可作為介紹。重復(fù)測定易于操作可行，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重復(fù)次數(shù)為3次，如結(jié)果相差不大，可將多次測定的平均值為最終結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)完成之后，還可以使用顯微鏡抽檢樣品：將該樣品混合均勻，取少量樣品置于體視顯微鏡下，用數(shù)碼照片隨機(jī)畫取樣方，對樣方內(nèi)顆粒使用顯微鏡所配軟件進(jìn)行測量抽檢，并將抽檢累計(jì)曲線結(jié)果與篩析結(jié)果進(jìn)行對比。需要注意的是，篩分法的結(jié)果必不同于鏡下測量，但是對同一個樣品，在各粒級的分配及累積曲線的趨勢上是一致的。

四、結(jié)語

篩分法具有簡單易操作、價格低廉等特點(diǎn)，教師在指導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)過程中，易于強(qiáng)調(diào)關(guān)乎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果正確性及實(shí)驗(yàn)誤差控制的相關(guān)內(nèi)容，加之具有不同沉積環(huán)境樣品條件的教學(xué)單位還可以通過測得的數(shù)據(jù)，使學(xué)生初步認(rèn)識到不同沉積環(huán)境的粒度特征，并認(rèn)識到相關(guān)地貌背景，因而適于本科生實(shí)踐教學(xué)。本文雖然對實(shí)驗(yàn)做了初步設(shè)計(jì)，但各環(huán)節(jié)仍需要進(jìn)一步完善。

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Experimental Design in the Undergraduate Course on Geomorphology：Determination of Sediment Particle Size

ZHANG Feng，Zaimire Abu Du Saramu， Abdusalamu，MA Li

（College of Resource and Environmental Sciences，Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang 830046，China）

Abstract：At present，experiment of undergraduate Geomorphology in colleges and universities is one of the mostly cognitive courses，but the practical courses which are helpful to students' practical ability are insufficient.Particle size is a fundamental data in geomorphological research.The sediment particle size measurement experiment of geomorphology is designed in this paper.This experiment introduces the basic contents such as particle size measurement and particle size parameters，with emphasis on cultivating undergraduate students' experimental operation and thinking ability.The experiment emphasizes guiding students to focus on the factors that influence the error of the experiment and ensure the correctness of the experimental data.At the same time，the characteristics of particle size in different geomorphic sedimentary environments were preliminarily recognized by the experimental data.

Key words：sieving;particle size parameter;error;control