粒度分析在沉积物研究中的应用

刘秀明，罗 祎，2

（1.中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083；2.中国大洋矿产资源研究开发协会，北京 100860）

粒度是指碎屑颗粒的大小尺寸，是碎屑颗粒最主要的结构特征。粒度大小一般以颗粒直径计量，由于测量方法不同，颗粒直径的含义也有所不同［1－2］。粒度分析是研究沉积物中各种颗粒的物理组成、沉积物的粒度大小及各粒级所占的百分含量。

碎屑颗粒的大小直接决定着岩石的类型和性质，其分析方法在岩石学研究中应用最早。一般来说，粒度大小主要受流水和风等作用应力强度影响，与沉积物的形成环境关系极为密切。人们发现沉积物粒度值的变化也是特征气候变化的有效替代指标之一，无论是深海沉积物中的粒度变化特征，还是黄土及湖泊沉积中的粒度指标都不失为追踪季风强弱变化的良好标记，但不同环境下粒度变化所指代的意义不同。中国黄土高原黄土－古土壤序列的粒度变化指示了搬运粉尘风动力的强度以及沉积环境的变化，是过去东亚冬季风变化的最敏感的替代性指标；湖泊沉积物中的颗粒主要由流水和风力搬运进入汇水盆地在平衡条件下堆积下来的。通过粒度值所反映出的水动力大小、季风活动强弱，可以进一步推测古气候的演变规律［3－6］。

1 粒度分析方法

1.1 样品的预处理

（1）样品的分散。按不同分析方法的要求，取适量样品放于小烧杯中，加入适量分散剂，用水浸泡。为使样品颗粒自然分散、保证粒度分析的准确性，尤其是当样品结成小团块或小集合体时，可用玻璃棒搅拌分散，或将小烧杯放入超声仪中超声，使样品充分分散成沉积时的原始状态。分散剂的选择可按沉积物的性质而定：中性土50g加0.5mol／L草酸钠20mL；酸性土50g加0.5mol／L氢氧化钠40mL；一般样品，加入 0.5mol／L 的 六 偏 磷 酸 钠 （（NaPO3）6）溶 液即可［7－12］。

（2）除去盐分。海洋、泻湖、盐湖等地的沉积物都含有盐分，分析之前需将盐分清洗干净，以免影响测试结果。

（3）除去有机质。沉积物中的有机质主要以有机碳的形式存在，故可用过氧化氢（H2O2）去除，反应式：2C＋4H2O2→2CO2↑＋4H2O［7－12］。

（4）除去钙质胶结物。若样品中含有碳酸盐，可用HCl进行分解，反应式：CaCO3＋2HCl→CaC12＋H2O＋CO2↑［7－12］。反应完全后，上机测试。

1.2 粒度测量方法

传统的粒度分析方法视颗粒大小及致密程度而定，对松散的砾石可采用直接测量法，砂级碎屑多采用筛析法，粉砂及黏土级细粒常用沉降法、流水法、液体比重计等方法，对固结的无法离解的岩石只能采用薄片粒度分析法［1－2，7－8］。

目前，粒度范围在0.02～2000μm的沉积物一般采用激光粒度仪测定。我实验室所用仪器是英国马尔文公司的Mastersizer 2000型激光粒度仪。

在样品上机测试时，部分细小颗粒会在前期处理静置后发生粘连，从而导致测试结果出现偏差，特别是对于泥质含量较高的样品更为明显。为去除该粘连作用给样品测试带来的偏差，保证样品颗粒更为彻底地分散和测试结果的准确性，在上机测试时，需在粒度仪样品分散传输附件中，先对烧杯中混杂水体和沉积物的样品进行超声处理，激光强度指示值一般设置在8～12，针对不同样品融解浓度可适当调整，超声至激光强度不变为止，再进行粒度数据的测试。

2 粒度分析结果的整理和解释

粒度分析所测得的大量数据，用数理统计的方法加以处理，以便推断可能的总体性质。综合的方法有2种：（1）图解法：根据数据作图，由图进行定量解释；（2）计算法：直接对粒度数据手工或计算机计算统计参数（又称粒度参数）进行解释［1－2］。

2.1 图解法

常用的图解有直方图（或称柱状图）、频率曲线图、频率累计曲线图、概率累计曲线图和C－M图（水动力图）等，如图1—图3所示。图1中：a为直方图，表示粒度φ在某区间内百分含量的累积；b为频率曲线，为粒度分布频率；c为累积曲线，表示粒度从小到大百分含量累积值，显示粒度变化特征。

图1 青岛海滩某砂样的粒度曲线

图2 3种粒度曲线

在研究一根岩芯、一个剖面自上而下或是某一时间段的粒度变化特征时，就需要绘制粒度特征随深度（或年代）的变化曲线。采样时自上而下依次等间距采集，粒度分析后，以一个坐标为深度（或年代）轴，另一坐标为粒度特征值（比如说粒级百分含量或是粒度值），投点后依次连接成折线图，即为粒度特征随深度（或年代）变化曲线（见图4）。图中曲线的峰谷表示了粒度值的变化，反映沉积作用应力的变化情况。将此图结合其他相关粒度分析结果，可以推测不同深度、不同地质时代沉积环境的变化以及古气候的变迁。

图3 3种基本水动力图

图4 中甸纳帕海某钻孔平均粒径变化曲线

2.2 粒度参数计算法

计算粒度参数常与图解相结合。首先由累积曲线上读得累积百分比处的颗粒直径，然后用数学公式进行计算。常用的粒度参数有平均粒度Mz、中值Md、标准偏差σi、偏度SK和峰度KG。目前应用最广的是福克和沃德的计算公式［13］。

（1）平均粒径和中值。表示颗粒分布的集中趋势。这些数值受2个因素的影响制，一是沉积介质的平均动能（速度），二是来源物质的原始大小。福克和沃德的平均粒径和中值公式为：

式中，φ50表示在测试样品粒度分布范围内，体积为50%的粒径，φ16等的定义类似。

平均粒径是沉积物最主要的粒度特征之一。这一参数指标常被用来作沉积韵律剖面图或平面等值线图，用以表示沉积物在纵向上或横向上的粒度变化规律。

（2）标准偏差。表示分选程度的参数，它表示颗粒大小的均匀程度，或者说是表现围绕集中趋势的离差。福克和沃德的标准偏差公式为

根据对大量的在不同环境采集的样品粒度值的计算，可将分选程度分为7级：σi＜0.35时分选极好；σi＝0.35～0.50时分选好；σi＝0.50～0.70时分选较好；σi＝0.70～1.00时分选中等；σi＝1.00～2.00时分选较差；σi＝2.00～4.00时分选很差；σi＞4.00时分选极差。

（3）偏度。偏度被用来判别粒度分布的不对称程度。福克和沃德的偏度公式为

偏度一般用来表示频率曲线的对称性，按其对称形态本身可分为3类：（1）单峰对称曲线：形成以峰为对称轴的对称曲线，曲线为正态分布，反映Mz＝Mo，Mo为众数；（2）不对称正偏态曲线：曲线不对称，主峰偏粗一侧，即沉积物以粗粒为主；（3）不对称负偏态曲线：曲线不对称，主峰偏细一侧，即沉积物以细粒为主。

（4）峰度（尖度）。峰度是用来衡量粒度频率曲线的尖锐程度的。福克和沃德的峰度公式为

根据100多个样品的分析，福克等用KG值确定了峰值的等级界限：很平坦时KG＜0.67；平坦时KG＝0.67～0.9；中等（正态）时KG＝0.90～1.11；尖锐时KG＝1.11～1.56；很尖锐时KG＝1.56～3.00；非常尖锐时KG＞3.00。

以上4种粒度参数之间有着密切的联系，通过与图解法的综合运用，在分析沉积环境和推测古气候演化中具有重要的意义。

3 结论

（1）粒度分析方法具有严格的统计学基础，是一种比较精确的分析方法，有坚实的数学、流体学的理论基础支撑。

（2）激光粒度分析法具有操作简便、准确性高、数据处理方便等优点，是沉积物粒度诸多分析方法中的有效手段。

（3）样品预处理和测量过程中，需特别注意预处理中胶结物的处理方法和样品测试前在粒度仪样品分散传输附件中要对样品进行超声处理，最大限度降低粒度测量的影响因素。

（4）在进行粒度结果整理时，可根据需要，选择不同的粒度图解及粒度参数，结合粒度参数与图解法的综合运用，粒度分析在沉积环境和推测古气候演化研究中具有重要的意义。

（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］罗传秀，潘安定，施汝权.珠江三角洲江村ZK2钻孔沉积物粒度的环境意义［J］.地层学杂志，2005，29（增刊）：631－634.

［4］张振芳，方念乔，吴琳，等.孟加拉湾东经90°海岭中上新世以来沉积记录及亚洲季风［J］.地球科学：中国地质大学学报，2004，29（2）：157－161.

［5］张璞，陈建强，田明中，等.沉积物粒度分析在厦门市第四纪环境研究和地层划分对比中的应用［J］地球科学与环境学报，2005，27（1）88－94.

［6］张璞，陈建强，田明中，等.福建省泉州市第四纪沉积物粒度特征及沉积环境分析［J］.盐湖研究，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］刘幼萍，童娟，李小妮.应用马尔文MS2000激光粒度分析仪分析河流泥沙颗粒 ［J］.水利科技与经济，2005，11（6）：329－331.

［9］孙有斌，高抒，鹿化煜.前处理方法对北黄海沉积物粒度的影响［J］.海洋与湖沼，2001，32（6）：665－670.

［10］王德杰，范代读，李从先.不同预处理对沉积物粒度分析结果的影响［J］.同济大学学报，2003，31（3）：314－318.

［11］曹惠美，蔡锋，苏贤泽.华南沿海若干砂质海滩沉积物粒度特征的分析［J］，海洋通报，2005，24（4）：36－45.

［12］施汝权，潘安定.沉积物粒度的实验室处理与环境信息的提取［J］.太原城市职业技术学院学报，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.