粒度測試技術(shù)與方法評述

粒度測試技術(shù)與方法評述

1沉積學(xué)中的直徑雖然粒度是記錄研究中最常見的術(shù)語，但實際的“大小”沒有統(tǒng)一的定義。一般理解粒度為顆粒直徑。但就“直徑”而言,研究的目的或方法不同,其定義或物理意義不同。據(jù)統(tǒng)計,大約有十幾種關(guān)于“直徑”的定義。在沉積學(xué)中常用的主要有以下4種:①篩洗直徑——顆粒所能通過的最小正方形孔徑(Allen,1974)?;②自由降落直徑——在密度、粘度均相同的流體中,與沉積顆粒的密度、體積、自由降落速度均相同的球體的直徑,也就是水沉降分析中所給出的直徑;③視直徑——在顆粒任意切面上于所規(guī)定的方向上所測定的直徑,一般測定最長或最短視直徑;④真直徑——在原始顆粒上的規(guī)定方向上所直接測定的直徑。以上4種直徑可統(tǒng)稱為線性值直徑。此外,還有所謂體積值直徑,它表示與顆粒體積相同的球體的直徑。2粒級分析方法粒度測量是粒度分析的基礎(chǔ),其任務(wù)就是大量測定沉積物顆粒直徑,并統(tǒng)計出各種粒度出現(xiàn)的頻數(shù)和相對頻率。迄今為止,人們已經(jīng)發(fā)明了多種測定沉積物粒徑的方法。1)直接測量法大于2mm的礫石可直接用尺子或測規(guī)量測。每顆礫石分別測量其三軸:長軸[A]、中軸[B]與短軸[C],而用三軸的幾何平均值[A+B+C]/3或三軸乘積的立方根ABC????√3ABC3來代表該礫石的粒徑。若只做粗略的測量,則可以用礫石的中軸代表其粒徑,但不宜采用其長軸或短軸。2)篩析法篩析法是分析細礫和砂的主要方法。通常取篩析樣品50g以上,在震篩機上篩約10min,然后分級稱重。各級重量的總和應(yīng)是100%,若不足或大于此數(shù),應(yīng)將誤差按比例分配到各級重量中去。篩析法設(shè)備簡單,操作簡便,分析迅速,并可將全部樣品分離。缺點是孔徑過小的套篩誤差比較大,故不適宜用于分析粉砂、粘土顆粒。3)水析法(沉降法)水析法也稱為沉降分析法,其基本原理是利用顆粒沉降速度來劃分粒級分布。因為測定沉降速度較之測定沉積物顆粒幾何大小,似乎更能反映基本動力學(xué)的特性,因而比其他任何測定粒度的方法都更符合自然情況。但這個方法只適用于分析較細的粉沙和粘土樣品,常用的方法是移液管法。由于顆粒很細,易于被膠結(jié)和發(fā)生凝聚,故要對樣品去鈣質(zhì)膠結(jié)物和有機質(zhì),在懸浮液中要加適量的分散劑。近幾年來,利用顆粒沉降原理設(shè)計的粒度分析方法不斷改進,先后已有沉積天平光學(xué)法和壓差法,但由于技術(shù)等原因,目前沉降分析法在所測粒度特性的顯著性和測量技術(shù)的精確性等方面還受到某些限制。4)激光粒度分析儀法激光粒度分析儀法是在20世紀70年代發(fā)展起來的一種有效、快速測定粒度的方法,相對于經(jīng)典的沉降法和重力沉積作用法來說,具有精度高、快速、人為因素造成的誤差小等優(yōu)點。在國外該方法已取得一致公認,并得到廣泛地應(yīng)用。5)薄片圖像分析法薄片圖像分析法的原理是將顯微鏡下的圖像攝取到計算機中(選擇有代表性的視域,采集圖像),在計算機上對顆粒的二維圖像進行測量統(tǒng)計、編輯處理,并以此結(jié)果表征碎屑巖的粒度分布特征。薄片圖像分析法作粗粒,中粒及細粒砂巖的粒度分析是比較可靠的,而對于含少量礫石的砂巖還存在著問題,因少數(shù)的粗碎屑物在薄片圖像中可能作不到。3粒度參數(shù)的定義和參數(shù)的選擇3.1粒度分布的集中趨勢樣品粒度參數(shù)與沉積物的形成環(huán)境有很好的相關(guān)性。目前,分析粒度資料常采用?？撕臀值绿岢龅?項粒度參數(shù),分別是:粒度平均值Mz,代表沉積物粒度分布的集中趨勢;粒度標準偏差σI,表示沉積物的分選性;偏度SKI,表示沉積物粒度頻率曲線的不對稱性;峰態(tài)KG,表示沉積物頻率曲線的峰凸程度(即尖銳平坦程度)。其表達式如下:式中,?5、?16、?25、?50、?75、?84、?95分別為概率累計曲線上5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%處所對應(yīng)的?值。3.2粒度參數(shù)的確定1平均粒度mz可以反映沉積物的平均粒度。在剖面或區(qū)域上系統(tǒng)地研究平均值的變化情況,可以了解物質(zhì)來源及沉積環(huán)境的變化。2風(fēng)成沙丘和海底沙常被用作環(huán)境指標。通常,最壞的粒度標準偏差是代表沖積扇和冰磧物等粗粒沉積物;海灘卵石較河流卵石分選要好。對當代環(huán)境而言,濱岸沙比水下沙、潮間坪和河流沙分選更好,風(fēng)成沙丘分選最好。?？撕臀值陆o粒度標準偏差σI分級為:很好<0.35;好0.35～0.5;中等0.5～1;差1～2;很差2～4。極差>4。3?？撕臀值陆o偏度可判別分布的對稱性,如為負偏,則此沉積物是粗偏;正偏則是細偏。1957年?？撕臀值陆o偏度SKI分級為:極負偏-1.0～-0.30;負偏-0.30～-0.10;近對稱-0.10～+0.10;正偏+0.10～+0.30;極正偏+0.30～+1.00。4?？撕臀值陆o峰態(tài)的性質(zhì),該沉積物表示沉積物頻率曲線的峰凸程度(即尖銳平坦程度)與“正態(tài)曲線”相比較。如果KG很低或非常低,說明該沉積物是未經(jīng)改造進入新環(huán)境,而新環(huán)境對它的改造又不明顯。1957年福克和沃德給峰態(tài)KG(尖度)分級:很平坦<0.67;平坦0.67～0.9;中等尖銳0.9～1.11(與“正態(tài)曲線”相近);尖銳1.11～1.56;很尖銳1.56～3;非常尖銳>0.67。4粒度分析的應(yīng)用沉積物的粒度分布主要受搬運介質(zhì)、搬運方式、沉積環(huán)境等因素的控制。因此,通過對沉積物粒度分布研究可了解沉積物所處的沉積環(huán)境。4.1概率累積曲線圖分析根據(jù)概率值累積曲線圖區(qū)分沉積環(huán)境:沉積物的粒度成分按搬運方式不同可分為懸浮、跳躍和牽引3種粗細不同的組分。每一種組分的粒度分布特征都不相同,因此反映在概率累積曲線圖上則是互不相同的3組線段。其中,粗粒段反映牽引組分;中粒段反映跳躍組分;細粒段反映懸浮組分。各個線段的斜率反映了相應(yīng)組分的分選性,而且斜率愈大分選性愈好。懸浮質(zhì)的顆粒一般很細,約在0.1mm左右。跳躍質(zhì)是指靠近河床的底部層,粒度是0.15mm至1.0mm或更細些。牽引質(zhì)是與前2種物質(zhì)不同的粗粒組分,因顆粒粗故貼在底面上滑動或滾動。4.2充填料的細粒度沉積物粒度分布是物質(zhì)來源、沉積區(qū)水動力環(huán)境、輸移能力和輸移路線的綜合反映。由碎屑源區(qū)進入海岸帶的碎屑物往往粗細不一,在波浪潮流聯(lián)合作用下,細粒較粗粒移動速度更快,加上碎屑物在輸移過程中破碎磨蝕,使物質(zhì)離源越遠,粒徑越小;在水動力較強的地方沉積物較粗;反之,在水動力條件較弱的地方沉積物較細。根據(jù)粒度分析資料對沉積物類型進行分類及命名,得出的沉積物類型分布規(guī)律,對于判別沉積環(huán)境的水動力條件有很好的作用。4.3粒度趨勢與運方向沉積物粒度數(shù)據(jù)除可用來識別沉積環(huán)境的類型、判定物質(zhì)運動方式和判定水動力條件外.還可用于海洋環(huán)境中沉積物輸運方向的研究,將沉積物凈輸運方向與粒度參數(shù)的空間變化相聯(lián)系,即粒徑趨勢分析。人們發(fā)現(xiàn),在同一個沉積環(huán)境中,底質(zhì)的粒度分布曲線往往隨采樣地點的不同而變化。這種粒度特征的空間變化是由多種動力搬運作用所造成的,如顆粒的磨損、選擇性搬運和不同來源物質(zhì)的混合等。由此可以根據(jù)粒度特征的空間差異反演顆粒堆積前的搬運過程。4.4粒度校正和土壤污染沉積物粒度分析資料在地球化學(xué)研究中的應(yīng)用也受到有關(guān)專家的重視,沉積物對元素的吸附作用除了可以從熱力學(xué)和動力學(xué)方面來研究以外,還應(yīng)考慮底質(zhì)類型的影響,即海洋沉積物的粒度效應(yīng)。在測定底質(zhì)重金屬的背景值,區(qū)分自然過程與人類行為,以及氣候變化對重金屬含量變化的影響,特別是在分析重金屬污染程度時,應(yīng)該考慮粒度效應(yīng)的影響,進行粒度校正。過去幾年中,沉積物粒徑趨勢分析主要是應(yīng)用于粗顆粒物質(zhì)的沉積環(huán)境,但許多海洋環(huán)境中細顆粒沉積物是優(yōu)辨組分,而細顆粒物質(zhì)具有不同的動力學(xué)特征,如細粒沉積物和砂質(zhì)物質(zhì)對于選擇性搬運可有不同的反應(yīng)。細粒沉積物還受到絮凝作用的影響。因此,應(yīng)用于細顆粒測試的激光光散射法應(yīng)運而生。同時,海洋沉積物的粒度分析是海洋地質(zhì)實驗的一項基本內(nèi)容,它對闡明海底沉積物的來源、解釋沉積分異作用和確定沉積環(huán)境等具有重要的意義。5新的語言學(xué)研究領(lǐng)域在粒度測試方法中出現(xiàn)的一些問題,但同時還存在著許多新粒度分析方法具有嚴格的統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ),是一種比較精確的分析方法,有堅實的數(shù)學(xué)、流體學(xué)的理論基礎(chǔ)支撐。從發(fā)展歷史來看,粒度分析方法始終伴隨著地質(zhì)學(xué)發(fā)展而發(fā)展,為地質(zhì)學(xué)不斷提供新的認識。特別是在巖石分類、流體力學(xué)、沉積環(huán)境、巖石物理性質(zhì)等