粒度分析在沉積物研究中的應用

劉秀明，羅 祎，2

（1.中國地質大學（北京）海洋學院，北京 100083；2.中國大洋礦產資源研究開發協會，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構特征。粒度大小一般以顆粒直徑計量，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，其分析方法在巖石學研究中應用最早。一般來說，粒度大小主要受流水和風等作用應力強度影響，與沉積物的形成環境關系極為密切。人們發現沉積物粒度值的變化也是特征氣候變化的有效替代指標之一，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都不失為追蹤季風強弱變化的良好標記，但不同環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粉塵風動力的強度以及沉積環境的變化，是過去東亞冬季風變化的最敏感的替代性指標；湖泊沉積物中的顆粒主要由流水和風力搬運進入匯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力大小、季風活動強弱，可以進一步推測古氣候的演變規律［3－6］。

1 粒度分析方法

1.1 樣品的預處理

（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、保證粒度分析的準確性，尤其是當樣品結成小團塊或小集合體時，可用玻璃棒攪拌分散，或將小燒杯放入超聲儀中超聲，使樣品充分分散成沉積時的原始狀態。分散劑的選擇可按沉積物的性質而定：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，以免影響測試結果。

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

（4）除去鈣質膠結物。若樣品中含有碳酸鹽，可用HCl進行分解，反應式：CaCO3＋2HCl→CaC12＋H2O＋CO2↑［7－12］。反應完全后，上機測試。

1.2 粒度測量方法

傳統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，粉砂及黏土級細粒常用沉降法、流水法、液體比重計等方法，對固結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。我實驗室所用儀器是英國馬爾文公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀。

在樣品上機測試時，部分細小顆粒會在前期處理靜置后發生粘連，從而導致測試結果出現偏差，特別是對于泥質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果的準確性，在上機測試時，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行超聲處理，激光強度指示值一般設置在8～12，針對不同樣品融解濃度可適當調整，超聲至激光強度不變為止，再進行粒度數據的測試。

2 粒度分析結果的整理和解釋

粒度分析所測得的大量數據，用數理統計的方法加以處理，以便推斷可能的總體性質。綜合的方法有2種：（1）圖解法：根據數據作圖，由圖進行定量解釋；（2）計算法：直接對粒度數據手工或計算機計算統計參數（又稱粒度參數）進行解釋［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、頻率累計曲線圖、概率累計曲線圖和C－M圖（水動力圖）等，如圖1—圖3所示。圖1中：a為直方圖，表示粒度φ在某區間內百分含量的累積；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、一個剖面自上而下或是某一時間段的粒度變化特征時，就需要繪制粒度特征隨深度（或年代）的變化曲線。采樣時自上而下依次等間距采集，粒度分析后，以一個坐標為深度（或年代）軸，另一坐標為粒度特征值（比如說粒級百分含量或是粒度值），投點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，反映沉積作用應力的變化情況。將此圖結合其他相關粒度分析結果，可以推測不同深度、不同地質時代沉積環境的變化以及古氣候的變遷。

圖3 3種基本水動力圖

圖4 中甸納帕海某鉆孔平均粒徑變化曲線

2.2 粒度參數計算法

計算粒度參數常與圖解相結合。首先由累積曲線上讀得累積百分比處的顆粒直徑，然后用數學公式進行計算。常用的粒度參數有平均粒度Mz、中值Md、標準偏差σi、偏度SK和峰度KG。目前應用最廣的是?？撕臀值碌挠嬎愎剑?3］。

（1）平均粒徑和中值。表示顆粒分布的集中趨勢。這些數值受2個因素的影響制，一是沉積介質的平均動能（速度），二是來源物質的原始大小。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，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。這一參數指標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律。

（2）標準偏差。表示分選程度的參數，它表示顆粒大小的均勻程度，或者說是表現圍繞集中趨勢的離差。福克和沃德的標準偏差公式為

根據對大量的在不同環境采集的樣品粒度值的計算，可將分選程度分為7級：σi＜0.35時分選極好；σi＝0.35～0.50時分選好；σi＝0.50～0.70時分選較好；σi＝0.70～1.00時分選中等；σi＝1.00～2.00時分選較差；σi＝2.00～4.00時分選很差；σi＞4.00時分選極差。

（3）偏度。偏度被用來判別粒度分布的不對稱程度。福克和沃德的偏度公式為

偏度一般用來表示頻率曲線的對稱性，按其對稱形態本身可分為3類：（1）單峰對稱曲線：形成以峰為對稱軸的對稱曲線，曲線為正態分布，反映Mz＝Mo，Mo為眾數；（2）不對稱正偏態曲線：曲線不對稱，主峰偏粗一側，即沉積物以粗粒為主；（3）不對稱負偏態曲線：曲線不對稱，主峰偏細一側，即沉積物以細粒為主。

（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100多個樣品的分析，福克等用KG值確定了峰值的等級界限：很平坦時KG＜0.67；平坦時KG＝0.67～0.9；中等（正態）時KG＝0.90～1.11；尖銳時KG＝1.11～1.56；很尖銳時KG＝1.56～3.00；非常尖銳時KG＞3.00。

以上4種粒度參數之間有著密切的聯系，通過與圖解法的綜合運用，在分析沉積環境和推測古氣候演化中具有重要的意義。

3 結論

（1）粒度分析方法具有嚴格的統計學基礎，是一種比較精確的分析方法，有堅實的數學、流體學的理論基礎支撐。

（2）激光粒度分析法具有操作簡便、準確性高、數據處理方便等優點，是沉積物粒度諸多分析方法中的有效手段。

（3）樣品預處理和測量過程中，需特別注意預處理中膠結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行超聲處理，最大限度降低粒度測量的影響因素。

（4）在進行粒度結果整理時，可根據需要，選擇不同的粒度圖解及粒度參數，結合粒度參數與圖解法的綜合運用，粒度分析在沉積環境和推測古氣候演化研究中具有重要的意義。

（References）

［1］Cornillault J.Particle size analyzer［J］.Applied Optics，1972，11：265－268.

［2］Syvistski J P M.Factor analysis of size frequency distributions：significance of factor solutions based on simulation experiments［C］／／Syvistski J Principles，methods，and application of particle size analysis.Cambridge：Cambridge University Press，1991：249－263.

［3］羅傳秀，潘安定，施汝權.珠江三角洲江村ZK2鉆孔沉積物粒度的環境意義［J］.地層學雜志，2005，29（增刊）：631－634.

［4］張振芳，方念喬，吳琳，等.孟加拉灣東經90°海嶺中上新世以來沉積記錄及亞洲季風［J］.地球科學：中國地質大學學報，2004，29（2）：157－161.

［5］張璞，陳建強，田明中，等.沉積物粒度分析在廈門市第四紀環境研究和地層劃分對比中的應用［J］地球科學與環境學報，2005，27（1）88－94.

［6］張璞，陳建強，田明中，等.福建省泉州市第四紀沉積物粒度特征及沉積環境分析［J］.鹽湖研究，2005，13（2）：25－33.

［7］Weiss E L，Frock H N.Rapid analysis of particle size distributions by laser light scattering［J］.Powder Technology，1976，14：287－293.

［8］劉幼萍，童娟，李小妮.應用馬爾文MS2000激光粒度分析儀分析河流泥沙顆粒 ［J］.水利科技與經濟，2005，11（6）：329－331.

［9］孫有斌，高抒，鹿化煜.前處理方法對北黃海沉積物粒度的影響［J］.海洋與湖沼，2001，32（6）：665－670.

［10］王德杰，范代讀，李從先.不同預處理對沉積物粒度分析結果的影響［J］.同濟大學學報，2003，31（3）：314－318.

［11］曹惠美，蔡鋒，蘇賢澤.華南沿海若干砂質海灘沉積物粒度特征的分析［J］，海洋通報，2005，24（4）：36－45.

［12］施汝權，潘安定.沉積物粒度的實驗室處理與環境信息的提?。跩］.太原城市職業技術學院學報，2004，57（4）：165－166.

［13］Folk R L，Ward W C.Brazos River bar：a study in the significance of grain size parameters［J］.Journal of Sedimentary Research，1957，27（1）：3－26.