第二講 粒度分析

第二講粒度分析第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日一、粒度分析的概念粒度有兩種值，線性值和體積值。體積值一般以標(biāo)準(zhǔn)直徑（dn）表示．它代表與顆粒體積相等的球的直徑。線性值常因顆粒形狀不規(guī)則使測定測值很困難。通常測三個(gè)值：最長直徑dL、中間直徑dI最短直徑dS。第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日可按下述步驟確定這三個(gè)值：確定顆粒的最大投影面；做垂直最大投影面方向的最長截線，即最短直徑dS；對最大投影面做切線矩形，矩形的短邊即中間直徑dI，長邊則是最長直徑dL。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日粒度指顆粒大小，有mm值和φ值兩種表示法，（線性值粒度較常用，在礫巖研究中有時(shí)也用體積值。）。在工程上，有關(guān)泥沙計(jì)算公式一般用mm值，在做粒度分析研究時(shí)，一般用φ值。第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日目前國際上應(yīng)用最廣的粒度分級(jí)是烏登一溫特沃思粒級(jí)（Udden一Wentworthscale）。它是以1毫米作為基數(shù)乘以或除以2來分級(jí)的（表1一1）。后來，經(jīng)克倫賓（Krumbein，1934）將其轉(zhuǎn)化成Ф值。轉(zhuǎn)換公式為：Ф=-log2d或d=2–Ф，式中d為毫米直徑值。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日（二）沉積物分類第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日表1粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及換算10進(jìn)制2的幾何級(jí)數(shù)名稱粒級(jí)劃分顆粒直徑(mm)粒級(jí)劃分φ值顆粒直徑(mm)礫巨礫>1000巨礫>-8>256粗礫1000-100中礫-8~-6256-64中礫100-10中礫-6~-264-4細(xì)礫10-1細(xì)礫-2~-14-2砂粗砂1-0.5極粗砂-1~02-1中砂0.5-0.25粗砂0-11-0.5細(xì)砂0.25-0.1中砂1-20.5-0.25細(xì)砂2-30.25-0.125極細(xì)砂3-40.125-0.0625粉砂粗粉砂0.1-0.05粗粉砂4-50.0625-0.0312細(xì)粉砂0.05-0.01中粉砂5-60.0312-0.0156細(xì)粉砂6-70.0156-0.0078極細(xì)粉砂7-80.0078-0.0039粘土<0.01粘土<8<0.0039第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日表2粒組分界比較表礫-砂砂-粉砂粉砂-粘土φ標(biāo)準(zhǔn)-1φ（2mm）4φ（0.0625mm）8φ(0.0039mm)中國20.050.005美國20.0630.004英國20.0630.002前蘇聯(lián)20.050.005日本20.0630.004第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日（三）沉積物分類謝波德的分類方案（Shepard，1954）。超過50%或最多的組分為主名。這個(gè)分類已不夠仔細(xì)，特別是圖解的中間部分。第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日林克（Link，1966）提出一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)分類。在他的分類上盡量使用已經(jīng)通用的名稱，只是細(xì)分了中間部分。舉例來說，如一樣品含23％的砂、48％的粉砂和29％的粘土，如按此分類則可稱為粘土、砂質(zhì)粉砂?？煽闯鲞@個(gè)名稱是將含量最多的組分做為主名。并在與主名之間加一“質(zhì)”字；兩副名之間加“、”點(diǎn)，前面一個(gè)代表含量多的。也有兩組分接近，含量多的為主名，次者為副名，如中粗沙和粗中沙?；蜻^25%的副名為“質(zhì)”，如沙質(zhì)淤泥。過15%的或有生物等成分的為“含”，如含沙粘土，含貝殼中粗沙。我們主要按海洋調(diào)查和參考地質(zhì)命名。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日（四）粒度分析方法1篩析法用于粗顆粒樣品的分析，下限為0.063mm,即細(xì)砂以上。選用不同孔徑的套篩，將樣品自粗至細(xì)逐級(jí)篩分。篩孔間隔最好是1/2或1/4φ。篩析樣品通常取15-20克或更多一些，一般在振篩機(jī)上篩15-20分鐘，然后分級(jí)稱重。稱重應(yīng)精確到0．01克；如分級(jí)量不足1克時(shí)，則稱重應(yīng)精確到0．001克；然后，每個(gè)分級(jí)均需用雙目鏡檢查，發(fā)現(xiàn)有未分離開的顆粒集合體，則應(yīng)按估計(jì)百分?jǐn)?shù)加以扣除，然后才計(jì)算重量及累積百分?jǐn)?shù)。還要注意最后的總和應(yīng)為100％，如不足或多于100％時(shí)，要按比例分配到各級(jí)重量中去，使總量為100％。至于不能繼續(xù)篩析的粘土物質(zhì)，如不繼續(xù)做分析。則可用外推法在一張算術(shù)圖紙上，從最后的資料點(diǎn)10φ上外推到100％的14φ上，以得到近似的情況。第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日在篩析工作有各種誤差影響成果的精確性，其中以套篩制造誤差最為顯著。據(jù)研究，孔徑誤差對粗沙為7.0%,對細(xì)沙甚至達(dá)17.0%.如果只求粒度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差．可以不進(jìn)行孔徑校正。如果要了解環(huán)境的細(xì)微區(qū)別，就必須仔細(xì)校正孔徑,因?yàn)榭讖降拇笮≌`差對偏度及峰態(tài)等參數(shù)產(chǎn)生的影響十分顯著。第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日2沉降法基本原理：利用顆粒的沉降速度來劃分粒級(jí)分布，并且把較細(xì)顆粒的沉積物分離為粒級(jí)。>2mm：慣性沉降<0.2mm：粘性沉降，Ｓtocks沉降公式：移液管法：先準(zhǔn)備濃度低而均勻的懸浮液，將1升懸浮液裝入刻度筒中，按標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔從頂面向下10cm或20cm標(biāo)度處取出懸浮樣品。根據(jù)Ｓtocks定律計(jì)算出吸取樣時(shí)間。根據(jù)從已知樣品體積中所回收的沉降物重量（干重），可以計(jì)算出粒度分布。沉積筒法：砂粒級(jí)顆粒的沉積筒法比篩析法更為快速。比篩析法得到的粒度更有動(dòng)力意義。第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日3光電分析法對于更細(xì)顆粒的懸浮物質(zhì)來說，其粒度的分析可以采用光電法，這種懸浮物的主要成分為石英碎屑、粘土顆粒及有機(jī)物等，出現(xiàn)的形式有顆粒、團(tuán)狀或集合體等，由于粘土的絮凝作用，有機(jī)物對沉積顆粒的作用等，使細(xì)顆粒懸浮物形成多種多樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的形狀、密度、凝聚程度和電阻率都產(chǎn)生變化。A．光透法根據(jù)光通過混濁的水，強(qiáng)度減弱、吸收和散射性質(zhì)來測定粒度。原理是入射光和透射光強(qiáng)度的關(guān)系。B．電法測定粒度庫爾特計(jì)數(shù)器。原理是在電解質(zhì)中維持一個(gè)電場，若顆粒所帶的電性與電解質(zhì)不同，當(dāng)其進(jìn)入電場時(shí)，顆粒就占據(jù)了電解質(zhì)與其體積相等的空間，從而引起電場的變化。變化程度與顆粒的體積成正比。第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光粒度儀法國Cilas公司生產(chǎn)的Cilas940L型（930）激光粒度儀。它的主要部件是一個(gè)注水罐（包含機(jī)械攪拌器），超聲波振蕩儀和抽、排水泵。測試時(shí)將經(jīng)過預(yù)處理，即樣品采用0.5N的六偏磷酸鈉溶液浸泡24小時(shí)，用超聲波振蕩儀振蕩20-30分鐘，之后將樣品放入注水罐，經(jīng)超聲波和機(jī)械分散后形成懸浮溶液，并由泵帶動(dòng)形成連續(xù)的懸浮顆粒流，顆粒流由樣品室，穿過激光束，發(fā)生衍射的光線，由探測板上的環(huán)形探測器記錄，記錄的信號(hào)輸入微機(jī)，最終測試結(jié)果由微機(jī)計(jì)算并輸出。整個(gè)操作過程由微機(jī)控制，平均每個(gè)樣品的測試時(shí)間約5-7分鐘。激光粒度儀的工作原理基于光與顆粒之間的作用，在光束中，一定粒徑的球形顆粒以一定的角度向前散射光線，這個(gè)角度接近于與顆粒直徑相等的孔隙所產(chǎn)生的衍射角，當(dāng)一束單色光束穿過懸浮的顆粒流時(shí)顆粒產(chǎn)生的衍射光通過再現(xiàn)凸透鏡會(huì)聚于探測器上。探測器記錄了不同衍射角的散射光強(qiáng)度。同時(shí)，沒有發(fā)生衍射的光線，會(huì)經(jīng)凸透鏡聚焦于探測器中心，不影響發(fā)生衍射的光線。因此顆粒流經(jīng)過激光束時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的衍射譜。其他：LISST-100(B)現(xiàn)場激光粒度分析儀。第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日（五）粒度資料整理分析1．粒度分布特征河口和海灘沉積物粒度分布一般屬正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，其密度函數(shù)為：式中a為平均值，為標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)a=0，=1時(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。在坐標(biāo)圖上，a為曲線最高點(diǎn)的橫坐標(biāo)，的大小代表顆粒的分選度。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布a=1.5,=0.5,1,2第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日正態(tài)分布特點(diǎn)：圍繞著a對稱，平均值，中位數(shù)和眾數(shù)是一致的；面積集中在X=a上面的部分中；樣本的平均值仍服從正態(tài)分布。第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2．粒度分布曲線常見的有三種：直方圖及其頻率曲線；累積頻率曲線；概率累積曲線。第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日直方圖以粒級(jí)間隔為橫坐標(biāo)，每一粒級(jí)的重量百分比為縱坐標(biāo)。如果將直方圖上各矩形上邊中點(diǎn)連成一圓滑曲線則成為頻率曲線圖，頻率曲線是直方圖的極限。優(yōu)點(diǎn)是能比較清晰地確定眾數(shù)值，即出現(xiàn)最高頻率時(shí)的粒度值。第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日累積頻率曲線用來表現(xiàn)大于一定粒級(jí)的百分含量的統(tǒng)計(jì)圖。以粒徑為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為各粒級(jí)的累積百分含量。優(yōu)點(diǎn)是曲線形狀不受分組間隔大小的影響，能反映顆粒連續(xù)分布的性質(zhì)。從圖上很方便得到統(tǒng)計(jì)特征值，如中值粒徑等。第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日概率累積曲線縱坐標(biāo)選用概率尺度。常由三條或四條斜度不等并互相截接的直線段組成。直線的斜率即為分選度，直線越傾斜，分選性越好。最大優(yōu)點(diǎn)是揭示了沉積物與搬運(yùn)營力之間的關(guān)系，甚至搬運(yùn)條件的微弱變化，也能反映在曲線上。第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日沉積物的搬運(yùn)方式有三種：懸移、跳躍和滾動(dòng)。每一搬運(yùn)方式下碎屑物粒度分布，各成一對數(shù)正態(tài)分布，它們以自己的平均粒度和分選性區(qū)別于其它搬運(yùn)方式，一個(gè)沉積物樣品可以從一種、兩種或三種搬運(yùn)方式中沉積下來形成混合沉積物。該曲線可以將這種沉積物按照它們原來的搬運(yùn)方式有效地區(qū)分開來。海灘和破浪帶樣品由四個(gè)直線段組成，除最細(xì)的懸浮組分和最粗的滾動(dòng)組分外，曲線有兩個(gè)分選很好的跳躍組分，兩者的平均粒徑和分選性中有不同，這是由于在潮間帶環(huán)境中存在著方向相反，速度不等的往復(fù)水流的搬運(yùn)作用。第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日3粒度參數(shù)一般采用?？伺c沃德標(biāo)準(zhǔn)。（1）眾數(shù)：就是頻率曲線中最大頻率的顆粒直徑。眾數(shù)比較明顯地表達(dá)了海灘物質(zhì)的沉積環(huán)境。沙丘沙為單峰，海灘沙具不明顯的雙峰，破浪帶沙則為雙峰。（2）中值粒徑和平均粒徑環(huán)境意義：代表粒度分布的集中趨勢，反映了沉積介質(zhì)的平均動(dòng)能。第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日（3）分選系數(shù)環(huán)境意義：表示沉積物粒度的分選程度，即顆粒大小的均勻性。分選程度與沉積環(huán)境密切相關(guān)。海灘砂在波浪反復(fù)的擾動(dòng)下，只留下與該動(dòng)力相適應(yīng)的那部分粒徑，因此，海灘砂的分選性比河流要好得多。第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日分選標(biāo)準(zhǔn)分選程度分選系數(shù)分選極好<0.35分選好0.35-0.50分選較好0.50-0.71分選中等0.71-1.00分選較差1.00-2.00分選差2.00-4.00分選極差>4.00第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日（4）偏態(tài)（Skewness）偏態(tài)是測量顆粒頻率分布的不對稱程度。頻率曲線有對稱和不對稱的區(qū)別。不對稱的曲線主峰（主要粒級(jí)）偏向粗粒一側(cè)，細(xì)粒一側(cè)有一低的尾部，即沉積物以粗粒成分為主，細(xì)粒少量，稱正偏態(tài)。不對稱曲線的主峰偏于細(xì)粒一側(cè)，粗粒一側(cè)有一低的尾部，即沉積物以細(xì)粒為主，而只含少量粗粒時(shí)，稱負(fù)偏態(tài)。對稱曲線，偏態(tài)值等于0，平均值和中位數(shù)重合。一般河口、海灘沉積物多為負(fù)偏，沙丘沙及風(fēng)坪沙則多為正偏。第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日偏態(tài)等級(jí)偏度偏態(tài)極負(fù)偏-1.00~-0.30負(fù)偏-0.30~-0.10近對稱-0.10~0.10正偏0.10-0.30極正偏0.30-1.00第三十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日(5)峰態(tài)用來測量頻率曲線兩尾端的分