粒度分析在沉积岩中的应用

董续舒

摘要：沉积岩的物理性能受到粒度影响，导致物理性能变差，为了提高沉积岩的物理性能，提出了粒度分析在沉积岩中的应用。本文通过精密度指标，从样品用量、稀释过程和样品分取方式三方面，分析了影响粒度结果的因素。通过粒度分析区分沉积环境及判定物质运动方式的应用、判别水动力条件的应用以及在其他方面的应用。研究了粒度分析在沉积岩中的应用，进一步提高了对沉积岩的物理性能的认识。

关键词：粒度分析；沉积岩；粒度特征

1.引言

在沉积学领域的研究中，粒度分析法在沉积岩中的应用非常广泛[1]。岩石颗粒大小可以作为研究沉积岩和沉积岩分类的一个定量指标，并且能够反映出沉积流体的力学性质。沉积岩粒度大小信息可以划分沉积环境、确定碎屑物质的运移方式以及确定沉积岩形成时的水动力条件等，提供非常重要的理论依据；在沉积岩存储层的地质学研究中，存储层岩石粒度是影响存储层物质性质的一个重要因素[2]。粒度大小信息在研究中，是研究古气候和沉积岩来源的重要依据；近几年以来，海洋地质研究得到了非常广泛的发展。

对沉积岩粒度组成的研究已经有近百年的历史，历史资料丰富、研究成果丰硕，为现代粒度分析奠定了理论基础[3]。但是现在对沉积岩粒度概念的理解还比较简单，寻找精确的测量方法和统一的标准仍然比较困难。对于沉积岩中颗粒分析的作用，不同领域的学者有着不同的理解。从粒度分析的历史研究和现状来看，它已成为沉积岩研究以及一些传统行业和新兴行业广泛应用的比较常规的一种分析方法，或者是解决沉积岩中关键科学问题的特殊方法[4]。

2.粒度分析方法

粒度分析在沉积岩中的应用实验采用麦克奇公司生产的粒度分析仪器，对实验样品的前处理通常是按照沉积学理论标准提供的方法进行。

2.1粒度分析的精密度

精密度指标是用来衡量粒度分析仪器性能的指标，本文采用玻璃微珠标准样品来检验粒度分析仪的精密度，结果如表1所示。

分析表1的实验测试结果可得，粒度分析仪器在精密度测试方面具有非常好的结果，经过5次实验测试之后，中值粒径的标准偏差仅有0.19，而相对标准偏差为0.33%，对玻璃微珠标准样品进行重复测量，计算了玻璃微珠标准样品平均粒径的相对标准偏差在3%～5%之间。

从玻璃微珠标准样品粒度的分布范围上看，实验测试所用的玻璃微珠标准样品粒径在37μm～148μm之间，粒径的比值为4∶1，沙漠样品为1.5μm～600μm，沙漠样品的粒径比值为400∶1，沙漠样品的粒径比值较大。结果表明，采用粒度分析仪测试小尺寸的样品时，比用细尺寸样品得到的精密度要好。

2.2影响粒度分析结果的因素

对沉积岩粒度分析结果的影响往往存在多种因素，但是需要排除影响粒度分析仪器本身性能的因素，实验样品的选择也是影响沉积岩粒度分析结果最显著的一个因素[5]。下面从沉积岩样品的用量、稀释工艺及分选方式等方面，分析影响沉积岩样品分离的因素。

2.2.1样品用量对分析结果的影响

由于沉积岩的粒度分布范围通常比较广泛，因此，在样品的选取和分析时，应该充分考虑到实验样品所具有的代表性，尽可能取量大的样品。另外，粒度分析的样品用量也比较少。实验所要求的沉积岩试样最小体积应该与粒度分布范围呈正相关。对于沉积岩样品的粒度范围在20μm～ 200μm之间的，沉积岩试样的用量至少为0.3L，而所需的分散剂为500L。对特定的粒度分析仪，则需要有一定的样品杯容量。粒度测试仪的样品杯容量为200 L。由此可估计出大约0.2g的样本量。

用粒度分布范围为30μm～150μm之间的沉积岩样品进行加样量试验，最终的实验结果表明，在粒度分布范围在0.2g～0.5g之间，沉积岩样品基本上可以满足粒度分析仪器的要求。

2.2.2稀释过程对分析结果的影响

粒度分析仪通过附加状态条来提示操作者对沉积岩样品用量的适宜性，从而决定是否选择进行稀释过程。比较同一份沉积岩样品的直接测定和稀释处理后测定结果发现，稀释处理后沉积岩样品的粗粒度变化较大。在稀释过程中，粒径大于200μm的颗粒比例减小，大于100μm～ 200μm的颗粒比例增大，小于100μm的颗粒比例变化不大。结果如图1所示。

研究发现，稀释过程对样品中沉积岩颗粒的影响较大，并且大于100μm。另外，通过对比50组沉积岩样品稀释前后的粒度分布情况，说明稀释过程可以使沉积岩样品的平均粒径变细；按照粒度分级标准，沉积岩中砂粒含量逐渐减少，粉砂和粘土含量开始增加。由于沉积岩试样的粒径分布非常广泛，在稀释处理过程中，可能会使沉积岩试样中的粗颗粒产生沉淀现象。因此，稀释处理过程会影响沉积岩样品的粒度分布，在实际工作中应该尽量按照粒度分析仪器的负载要求，采集和分析沉积岩样品，减少稀释处理过程对测试结果的影响。

2.2.3样品分取方式对分析结果的影响

粒度分析的试验质量要求是：两个平行沉积岩试样平均粒度值的绝对误差必须控制在0.4Φ以内，标准差的绝对误差应该控制在0.5Φ以内。规范中规定的沉积岩样品分离方法是：沉积岩样品经过相应的预处理之后，按照所用粒度分析仪器的负载情况进行均分，制成懸浮物上机检测。沉积岩样品的分取方法在实际工作中经常采用，将所有预处理过的沉积岩样品制成悬浮体，边搅拌边提取适量的上机试样。采用两种沉积岩样品分选方法对30组样品进行了测试，结果表明，采用均匀抽样方法，平均粒度超差为10%，标准偏差为3.33%；采用抽样方法，标准偏差20%，标准超差6.67%。

按照粒度的分级标准，在均分取样方法分析的结果中，大部分砂的比例低于吸水取样法，平均偏低2.02%；两种方法中粉砂的比例有的高有的低，大部分砂都控制在5%以内；采用均分法后，粘土的比例较大，比吸水取样法高1.79%。

由以上分析可以看出，两种沉积岩样品分取样式的抽取方法比较容易产生试验的随机误差。两者所得到的粒度分布也存在一定差异。

3.粒度分析在沉积岩中的应用策略

沉积岩的粒径分布主要由沉积岩的输送介质、输送方式和沉积环境决定。通过对沉积岩粒度分布进行相关研究，可以了解到沉积岩所处的沉积环境[6]。研究基于相同粒径的沉积岩分布表明沉积环境是等效的假設。

3.1在区分沉积环境及判定物质运动方式上的应用

依据概率累积曲线图来区分沉积岩所处的沉积环境，沉积岩的粒度组成是按照颗粒移动方式可以划分为悬移、跃移和推移三种粗细不同的成分。每一种组分都具有不同的粒度分布特征，因而在概率累积曲线图上反映的是彼此之间不同的三组线段[7]。其中，粗粒部分反映的是流行性组分，中粒部分反映的是跳跃性组分，细粒部分反映的是悬移性组分。每一条线段的斜率反映了相应组分的分选情况，且分选程度越高越好。

利用粒度参数研究沉积岩的沉积环境时，常用的粒度参数包括平均粒度大小、标准偏差、偏态和峰度等。

平均粒径表示的是沉积岩颗粒的粗细，以粒度参数作为沉积岩剖面的粒度韵律曲线，是研究沉积岩韵律的基础；平面均粒度等高线图是划分相带、寻找物源的依据之一。标离差表示沉积岩的分离程度，通常用来分析沉积岩沉积环境的动态性和沉积岩的物质来源，当标准差为0时，说明沉积岩样品是绝对均匀的，事实上，自然界中不存在绝对均匀一致的沉积岩，所以标准差均大于0。偏态指沉积岩的粗细分布的对称性[8]。利用粒度参数研究沉积岩的类型，往往需要对各种粒度参数进行综合分析，才能达到较好的效果。

3.2在判别水动力条件上的应用

沉积岩的粒度分布综合反映了物质来源、沉积区水动力环境、输送能力及输送路线。从沉积岩的碎屑源区进入海岸带的碎屑往往是粗细不一的，在波浪流联合作用下，细颗粒与粗颗粒相比运动快，在输送过程中沉积岩碎屑被磨成粉碎状，使得沉积岩物质离来源越远，粒径就越小；在水力强的地方，沉积岩颗粒就越粗；相反，在水力弱的地方，沉积岩的颗粒就越细。通过粒度分析资料对沉积岩进行分类和命名，所得到的沉积岩类型分布规律，对于区分沉积岩沉积环境的水动力条件具有重要意义。

3.3粒度分析在其他方面的应用

沉积岩粒度数据除了可以用来确定沉积岩的类型、确定沉积岩的运动方式以及确定水动力条件外，还可以用来研究海洋环境中沉积岩的净运移方向，把沉积岩净运移方向与粒度参数的空间变化联系起来，也就是粒度趋势分析[9]。结果表明，同一沉积环境下，底质的粒径分布曲线随取样位置的不同而变化。颗粒大小特征的空间变化是由多种动力输送作用引起的，例如颗粒的磨损、选择性输送以及不同原料的混合等。据此可根据颗粒大小特征的空间差异，反演颗粒堆积前的搬运过程。

4.结语

本文提出了粒度分析在沉积岩中的应用，利用精密度指标，研究了影响粒度分析结果的因素，通过粒度分析在区分沉积环境及判定物质运动方式上的应用、在判别水动力条件上的应用以及在其他方面的应用，研究了粒度分析在沉积岩中的应用，进一步提高了对沉积岩的物理性能的认识。

参考文献：

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