粒度分析样品采样方法

A. 粒度分析方法

粒度分析方法视碎屑岩颗粒大小和岩石致密程度而异。

1.砾岩的粒度分析方法

砾岩的粒度分析主要在野外进行，一般采用筛析和直接测量两种方法。对胶结不太坚固的砾石和疏松的砾石层，先用孔径为10 mm和1 mm的筛子过筛，小于1 mm的基质和胶结物，可带回室内进行再细分；10～1 mm的细砾部分若是含量多且差异大者，要用筛析方法进行细分；10 mm以上的砾石，一般在野外用尺子直接测量，然后将各粒级的砾石分别称重，记录于粒度分析表中。采样过程中应选择有代表性的取样地点，而且样品质量不少于25～30 kg，否则误差就会相当大。对于胶结坚固的砾岩，可在风化带上进行粒度测量；或采标本回室内，先进行胶结处理，将砾石分开，再进行粒度测量。

2.砂岩和粉砂岩的粒度分析方法

砂岩和粉砂岩的粒度分析常采用筛析法、沉速法和薄片法，常用的沉速法有阿兹尼法、沙巴宁法和罗宾逊法等。筛析法和沉速法适用于未固结的疏松岩石，如粗碎屑岩一般只用筛析法；而中—细粒碎屑岩由于常常含有较多的粉砂和黏土，常将沉速法与筛析法结合使用。薄片法主要用于固结坚硬的岩石。一般来说，筛析法适用于大于0.25 mm的颗粒，亦可用于大于0.1 mm的颗粒，而沉速法适用于小于0.25 mm的颗粒。

3.颗粒粒级的划分

一般采用伍登-温德华标准，它是以毫米为单位的一种分类方案，后来克鲁宾（1934）提出了一种对数换算（表3-1），称其为Φ值：

沉积学原理

其中，D为颗粒直径。

表3-1 粒级划分标准对比表

4.薄片粒度分析

筛析法只适用于现代沉积的沙和古代固结疏松的砂岩，对不能松解的砂岩不再适用。固结的岩石，特别是硅质胶结岩石的粒度分析，只能在薄片内进行。薄片粒度分析的精度较筛析法差，因薄片内计算的颗粒比筛析的量少得多，同时分析速度慢，分析结果不能与筛析法直接对比。下面简单介绍一下薄片粒度分析的方法，薄片的制备与普通岩石薄片的制备方法相同，疏松的砂岩用胶浸煮后磨片。用作粒度分析的薄片要稍大些（3.0 cm×2.0 cm），尤其是粗粒砂岩，以便在薄片内可测量到足够的颗粒数。用作磨制薄片的标本，必须在所采集的岩层内是有代表性的。

（1）在薄片上测定粒度的方法

在薄片上采用什么方法选择欲测量的颗粒称为抽样方法，一般常用的系统抽样方法为点计法和线计法，此外，还有一种方法为带记法。

点计法 常用有网格的目镜进行测量，每一方格的边长应大于薄片中颗粒的最大视直径，应用机械台使薄片通过显微镜视域，测量网格结点所触遇的颗粒粒径（图3-1）。

线计法 用机械台在垂直目镜微尺的方向移动薄片，凡为十字丝竖丝触遇的颗粒都要测量。量完一行，平行横丝将薄片移动一定距离，再按上述方法测量，一直测到足够的颗粒为止。测线间隔要大于薄片内颗粒的最大视直径（图3-2）。

不同抽样方法所得出的结果不同，线计法测量时，与测线相交的颗粒的概率与测线垂直方向上的颗粒直

图3-1 薄片粒度分析的点计法

径成比例；点计法测量时，与点相遇的颗粒的概率与颗粒的可见表面积成比例。

带计法 将薄片放在机械台上，固定横坐标，使薄片垂直目镜微尺慢慢移动，凡是颗粒中心在目镜微尺一定读数之间的颗粒，都要按大小分类计数（图3-3）。这个带的宽度应等于或大于样品内颗粒的最大视直径。有人通过实验证明，带计法测得的结果最近似于样品内真正的粒度分布。

图3-2 薄片粒度分析的线计法

图3-3 薄片粒度分析的带计法

由于不同抽样方法所得的结果不能直接对比，因而不同的样品要用统计方法比较的话，必须在每个细节上使用同样的抽样方法和测定方法。最后，将测得结果填入薄片粒度统计表（表3-2）。

表3-2 薄片粒度统计表

（2）各种测定直径的对比与换算

用粒度资料解释沉积环境的工作开始于对现代沉积物的研究。对于古代岩石的沉积环境分析，也可借助于岩石粒度分析同现代沉积物粒度分析加以比较。

现代沉积物的粒度分析一般采用常规筛析法，所得结果为不同粒度的颗粒质量百分比。而古代岩石目前大部分只能用薄片分析法，所得结果为不同粒度的颗粒数百分比。两者不能直接对比，如果需要对比则必须进行换算。即使在同一方法中，也只能进行统计对比，绝不能进行单颗粒对比。

筛析直径与沉速分析直径之间，平均值偏差＜0.1Φ，两种方法一般不经换算可以互相使用，但在精确研究工作中则必须换算。薄片分析视直径与筛析直径之间的偏差可达到0.25Φ或更大，在任何情况下均不可互用或直接对比。将视直径换算为筛析直径的方法很多，其中G.M.Friedman通过统计分析进行的线性回归换算较为简便、准确，任意粒度的回归换算方程为

沉积学原理

式中：D是换算后的筛析直径；d是薄片中测定的视长直径，均以Φ值计。经换算后，换算值同实际筛析值的平均直径最大偏差一般不超过0.25Φ，这个精度高于0.25Φ分组间隔，可满足一般沉积学研究。

对于切片视直径与真直径的对比，根据实验可知，等直径的球状集合体的切面上所测得的视直径平均值为真直径的0.765倍，即在颗粒集合体的切片中，颗粒视直径平均值小于真直径，这种现象称为切片效应。

（3）薄片粒度测量的要求

粒度测量是粒度分析的基础，故对其测量要求很高，而测量工作却非常烦琐、效率很低。薄片粒度分析是研究固结样品的唯一方法，可使用偏光显微镜和扫描电子显微镜。近年来出现的图像分析仪使薄片粒度分析基本实现自动化，效率大为提高。薄片统计数据为颗粒数。

在沉积环境研究中使用薄片粒度分析时，对岩石样品的基本要求是：砂岩中石英碎屑含量应大于70%，至少石英和长石含量要大于70%，溶蚀交代与次生加大现象越弱越好，切片方向可垂直层面或平行层面，随研究目的和要求的精度而定。在碳酸盐岩研究中，取样密度可达1 点/cm，可平行纹层切片。测定时一般采用线计法抽取颗粒，凡在线上的颗粒都要测量，不能有任何主观取舍，每个薄片计200～500颗粒即可，碳酸盐岩需测1000颗粒以上。

在薄片内，需要测定多少颗粒才能代表全薄片的粒度分布，这在开始分析之前必须确定。测定的颗粒太少，不能代表薄片内的粒度分布；测定的颗粒太多，又会浪费时间，而且对精确度无所增益。根据砂岩样品的实验，分别测量100、200、300、400、500颗粒，绘制粒度累积频率曲线，从计数400颗粒起，粒度累积曲线的形状基本保持不变，因而可确定薄片内计数400～500颗粒是达到精度要求的最小计数。

薄片分析视直径换算成筛析直径时，还要考虑“杂基”的存在。薄片分析若不做杂基校正，往往无悬浮总体尾端，而是跳跃总体直接穿过3～4Φ的截点呈直线延伸，不出现转折，在平均值小于2Φ的中细砂岩、粉砂岩中经常出现这种情况，这是因为4～7Φ的颗粒细小，被测机会增多，或者全被归并到4.5Φ或5Φ的颗粒而造成细粒数增加，实质上是一种统计截尾效应（截尾点不同，其分布也不同）（图3-4）。

图3-4 截尾效应

杂基校正的方法是将显微镜调至6Φ后测定或估计出杂基含量。薄片杂基量由于切片效应和成岩后生作用，值一般偏高，取其2/3～1/2为校正值，假定为Δ，将各累积频率乘以（100—Δ），重新绘一曲线。对于弱固结岩石，可用同一标本既做筛析，又做薄片分析，通过实验求出校正系数（100—Δ）的数值。

B. 粒度分析资料的应用

1.主要几种沉积环境的粒度参数特点

根据福克等人对现代沉积物的研究，海滩砂、沙丘和风成坪地与河流砂这四种沉积物，在偏度和尖度上各有特点，在离散图上也有明显的区分。

（1）海滩砂

由于波浪能力强，海滩沉积物被浪潮反复多次搬运，得到充分的分选，泥质等物质多被冲洗掉，因而较纯净，频率曲线大多数呈对称的正态曲线，只有靠水边的少数样品中含有极少量的粗颗粒，因而具有微弱的正偏度。峰度中等至稍窄，分选好，多为中细砂。

（2）沙丘

沙丘是由海滩砂经风吹而形成的，由于风力较弱，海滩砂中粗粒部分不能被吹动除去，故沙丘砂的频率曲线呈微弱的正偏态，尖度中等，分选比海滩砂更好，多为细砂。

（3）风成坪地

风成坪地地势低而潮湿，其沉积物除了来自海滩砂之外，还有少量空中降落的粉砂。因此，风成坪地的频率曲线增添一个细粒尾部，而呈负偏态，并使尖度大为加宽，分选性稍稍变差，居于上述两者之间。

（4）河流砂

河流沉积物常由多物源供应，各物源供应物质的粒度不同，甚至不连续。河流对粒度的改造能量低，沉积物大都分选差—中等，其频率曲线大多为双峰或多峰曲线，峰的粒径变化大，细砾—砂较为常见。偏度或尖度不正常，无典型值，由于河流沉积物中经常掺有黏土、粉砂等悬浮沉积物质，故河流砂沉积物常呈正偏态。

2.粒度参数离散图

弗里德曼通过对现代海洋、河流和湖泊沉积所做的粒度分析，用粒度统计参数离散图来区分河流和海（湖）滩沉积。

离散图之所以能够把不同成因的砂区别开来，主要是基于不同成因的砂具有不同的结构参数。如海（湖）滩砂分选比河流砂好得多，故标准偏差值高，偏度多为正值。因此，离散图实际上是综合表现结构（粒度）参数特征的一种图解。

如图3-10所示，此图为图解偏度对图解标准偏差的离散图，图中的两个参数不是用矩法计算的，而是用图解法计算。同时，由于弗里德曼的离散图是用筛析资料绘制的，而图像法的粒度资料则是薄片粒度分析资料得到的，因此必须将薄片百分位值换算成筛析百分位值，再按福克及沃德的公式计算。

3.环境判别公式

萨胡在1964年根据大量粒度分析资料，统计求出不同沉积环境下沉积物的平均粒径、标准偏差、偏度和尖度这四个粒度参数的变化，以及一个沉积物内四个参数之间的关系，得出四个综合公式和关系图，以区别风成、海滩、浅海、河流和浊流这五种常见的沉积物，判别公式见表3-4。

表3-4 鉴别沉积环境的粒度参数综合公式

应用判别公式的优点在于，只要少量的样品甚至一个样品的粒度参数资料就可以提供解释环境的参考价值。如青岛某砂样筛析后计算得出的四个粒度参数：0.576；S_KΦ=-0.478；K_Φ=1.967。进而可计算得出。

将以上参数代入式（3 2），得到Y_{海滩∶浅海}=85.2348，因Y＞65.3650，则沉积物为浅海沙丘；将参数代入式（3 3），得到Y_{海滩∶浅海}=0.1772，因Y＞-7.4190，也表明沉积物为浅海沙丘。

图3-10 某区侏罗系沉积物的结构参数散点图

4.C-M图

C-M图是帕塞加于1957年提出的，是用C值和M值两个粒度参数分别作为双对数坐标纸上的纵、横坐标而成的图。其中C值为累积曲线上1%处的粒径，相当于样品中最粗颗粒的粒径；M值为累积曲线上50%处的粒径，相当于中值M_d。所以C-M图是表示沉积物的最粗粒径与中值的关系图，用以说明沉积物的粗粒部分的粒度结构特点与搬运方式的关系，从而进一步判断沉积环境。

（1）C-M图的做法

1）首先，采集20～30个欲研究的某层沉积岩（物）样品，这些样品必须是同一沉积环境的沉积物，每个样品的岩性要均匀一致，砂岩与页岩要分开采集，不能采集不同岩性的混合样品。采集的样品要包括该层的全部粒度结构类型，自层底至层顶从粗到细逐次采样，若层厚为几米，则采样间距约为几厘米，以采得20～30个样品为准。

2）用筛析或其他方法作粒度分析，绘制累积曲线图。分别读出各样品的C值、M值，粒径单位用微米（μm）或Φ值表示，如使用Φ值表示，可直接使用算术坐标纸作图。

3）用双对数坐标纸作图，横坐标代表M值，左细右粗；纵坐标代表C值，下细上粗。绘出C=M这条斜线（图3-11，图3-12）。

图3-11 牵引流沉积的C-M图像及粒度类型

4）各样品按其C值与M值投点于上述图上，观察这一层的20～30个样品点在图上的分布范围和构成图形。不同搬运方式的沉积物，点分布的范围也不一样。注意C值与M值的分布范围和两者的关系，特别注意与C=M线的关系是否平行?距离远近?同时也要注意与C轴和M轴纵、横坐标的关系，然后与已知沉积环境的典型C-M图对比，作为判断该层沉积岩沉积环境的参考。

图3-12 浊流沉积的C-M图像

（2）两种C-M图

C-M图之所以能够用来判断沉积环境，主要是因为沉积物的粒度特征与搬运介质能量等水动力条件有关，尤其是沉积物的粗、细粒部分更能反映介质的特点。如最粗颗粒的粒径C值，可以反映介质能量的上限。所以，采用C值和M值作图，观察沉积物的两个参数分布范围和变化关系，就能反映其介质特点，进而判断沉积环境。帕塞加用已知沉积环境的样品数据绘制了完整的牵引流沉积和浊流沉积的C-M图（图3-11，图3-12）。

A.牵引流沉积的C-M图

牵引流是以床沙载荷形式搬运其沉积物的流动，自然界河流、海流及海或湖的波浪流都是牵引流，牵引流中也包括部分悬移物质。牵引流沉积的一个典型而完整的C-M图像可分为五段（图3-11）。

NO段：沉积物呈滚动搬运，C值一般大于1 mm，为砂砾质沉积物，分选较好。

OP段：仍以滚动搬运为主，有极少量的悬浮搬运，C值变动不大，通常大于800 μm，M值可逐渐变小。

PQ段：悬浮搬运为主，有少量滚动搬运的颗粒。在累积曲线上可看到一个粗的尾部，故这段C值变动大，而M值基本无变化，图形近乎垂直于M轴。

QR段：为递变悬浮搬运，沉积物按粒度大小和密度梯度成层分布，不是均匀的，在流动中由下而上粒度逐渐变细，密度逐渐变低，C值和M值是成比例的。递变悬浮一般位于水体的下部，由于涡流发育而形成。当涡流流速降低时迅速沉积，粗的颗粒由于细的物质迅速埋藏而不发生滚动，使沉积物中基本没有滚动颗粒，因此表现出C值和M值之间有较密切的比例关系，图形近于平行C=M线。

RS段：为均匀悬浮搬运，沉积物的颗粒更细，为粉砂与泥质的混合物，是粒径和密度不随深度而改变的完全悬浮搬运。由于均匀悬浮搬运不受底流的分选，C值大致不变，M值则向S端逐渐减小，故C-M图形为大致平行于M轴的直线。C=200～500 μm为其上限，M＜100 μm。

以上五段N-O-P-Q-R-S呈展开的“S”状图形，是河流作用的一个完整图像。除了河流沉积以外，还有其他的牵引流沉积，如远洋沉积、近岸沉积等。

T段：为远洋悬浮搬运，沉积物的粒径非常细小，均为＜34 μm的泥质颗粒，飘浮于水中，可以搬运很远，直到远洋，沉积下来，如深海软泥。除深海外，深湖、海湾、礁湖等静水盆地也属于这种类型。

近海沉积的岸流和海流也是牵引流，现代开阔的海洋中近岸和浅海地区的砂、粉砂、泥质沉积物大都是均匀悬浮搬运，往往缺乏递变悬浮搬运，粗的砂砾仍以滚动方式搬运。

C-M图中的N-O-P-Q-R-S各段的位置和大小是可变的，而一个成因单位的C-M图，常常只包括少数几个段，甚至只有一段，代表着特定的沉积环境。

在河流沉积的C-M图中三条平行M轴的直线表示C值的大小，它们各自代表的意义如下：C_u为RS段R点附近的C值，代表均匀悬浮中最粗颗粒的粒径；C_s为QR段Q点附近的C值，代表递变悬浮中最粗颗粒的粒径，若颗粒再比C_s大，则降于河底呈滚动搬运，通常C_s值小于1000 μm，大于30 μm；C_r为PQ段P点附近的C值，代表最易做滚动搬运的颗粒粒径。

B.浊流沉积的C-M图

浊流是一种密度流，是含有不同粒级成分、密度很大、流速很快的一种浑浊的水流，主要是以悬浮方式搬运沉积物。浊流沉积的C-M图，其形态和分布与河流中的递变悬浮相似，也是呈与C=M线平行的长形带（图3-12）。由于浊流为高密度流，沉积作用快，粗颗粒沉积后即被埋藏，因此缺乏滚动的颗粒。浊流一般流速快，当流速降低时，悬浮物移向底部，使底部密度不断增大，最后发生整体的沉积作用，形成未分选的沉积物。没有滚动颗粒、沉积作用快、C值随着M值变化，这些是浊流沉积的重要特点。而且，C值和M值的变动幅度都较大，使之区别于牵引流的递变悬浮沉积图形。浊流或河流递变悬浮的C-M图与C=M线的距离，反映了沉积物的分选程度，距离越近者分选越好，越远者分选越差。具体表示分选程度时，可以画一条平行于C=M线的直线，平分浊流段或递变悬浮段的散点，这条直线与C=M线的距离，用平行于M的线段长短来表示，称为最大分选指标I_m，以Φ值计。牵引流和浊流的I_m都小于1Φ，泥石流的I_m可达6Φ。

（3）C-M图的应用

C-M图主要用于判断沉积物的搬运方式，进而鉴别沉积环境。当然，C-M图也和其他粒度参数一样，只是判断沉积环境的方法之一，具体应用时还要结合其他岩性、构造和生物化石等资料进行综合考虑。

C-M图还可应用于测量古水盆地的深度。因为C_s值是递变悬浮中最大颗粒的粒径，是递变悬浮开始沉降的最大紊流速度的指标。在盆地的浅水地区，波浪作用强烈，紊流速度大，因此C_s值亦大。随水体深度增加，波浪减弱，紊流也减弱，C_s值变小，故C_s值与盆地深度成反比关系。因此当古水盆地中有递变悬浮沉积时，在C-M图中求出C_s值，并勾绘出该地区的C_s等值线图，便可了解各处的相对深度。由于各盆地的波浪强弱不一样，因此不能得出全世界统一的C_s与深度的固定比值，只能是一个盆地内的相对深度。此外，在地层垂直剖面上，求得各层的C_s值，上下连成C_s曲线，可以了解不同地质时期盆地深度的变化和变动的快慢，从而了解本区在地史发展过程中地壳运动的状况，地壳是上升还是下降?是稳定还是不稳定?

沉积盆地的等深图是重要的地质基础资料之一，与沉积环境类型图相配合，可以了解沉积盆地在不同地质时期不同地区的沉积岩发育状况，如岩石类型、厚度、砂体形态和分布等。

C-M图所用的粒度参数只是中值和最粗颗粒的直径，容易从累积曲线图上直接读出，不需计算，作图也很简单。其优点是能够反映沉积物的搬运方式，从而作为判断沉积环境的工具。但是，它也有不足之处，那就是目前各种沉积环境的C-M图的典型图形和区别还不是十分具体、完善。

5.概率成因图解

1969年，维希尔根据现代与古代不同沉积环境的1500个样品，使用筛析分析法，对概率坐标纸上具有不同特征的累积曲线进行成因分类，列举出不同沉积环境的典型曲线类型，并从水动力学角度做出初步的定性解释。

沉积物的粒度分布特征一般并不符合一个简单的参数正态分布，而是由几个对数正态次总体组成，每个次总体具有不同的平均值和标准偏差。

碎屑沉积物的粒度成分，由于搬运形式不同，可分为牵引、跳跃、悬浮三个粗细不同的次总体，每一种搬运方式的碎屑粒度分布都是对数正态分布，以各自的平均粒度和分选性区别于其他搬运方式，各个正态分布代表了不同的搬运和沉积作用。因此，在概率坐标纸上，每个次总体将单独形成一条直线，每条直线至少有四个控制点。各直线斜率不同，表示分选性不同，直线段的交点称为截点。有的直线在截点附近的一些点并不位于直线上，而是与相邻的点构成一条弧线，由截点至该弧线的距离称为混合度，用来度量两对数正态分布之间的混合程度（图3-13）。

悬浮搬运的粒度一般小于0.125 mm，分选差，但悬浮搬运的粒度大小取决于水流的扰动强度，扰动强度大，搬运粒度也可以大于0.1 mm，悬浮搬运的组分属于沉积物的细粒尾部，故其所代表的直线段居于图的末端，位于右上角。跳跃搬运的颗粒大小一般在0.1～1.0 mm之间，分选好，沉积的组分称为跳跃组分，在粒度概率图上居于中央，往往是许多砂质沉积物的主要组分，所占质量分数最大，因而直线较长，一般为一条直线，有时分为两段直线，坡度微有差别，较其他两种组分的直线要陡。牵引搬运的颗粒最粗，分选差，牵引搬运的组分属于沉积物中的粗粒尾部，所代表的直线段居于图的始端，位于左下角。一个沉积物样品可以由一种、两种或三种搬运方式沉积下来的混合物构成，因而它的概率累积曲线可以表现为由单一的直线段或两个、三个直线段构成，而每一次总体的分选性，可用直线段的斜率（直线与横坐标的夹角）度量，斜率越大，则分选性越好。

图3-13 搬运方式与粒度分布总体和截点位置的关系

6.不同沉积环境沉积物的概率成因图解

碎屑沉积物的粒度特征能够反映沉积时的搬运和沉积方式，沉积环境不同、搬运介质的水动力条件不同、自然地理条件不同，则碎屑沉积物被搬运和沉积的方式不一样，因而在粒度概率图上的图形亦有所区别。仔细分析各种概率图的形状，有助于判断沉积环境。

（1）海滩砂的粒度概率图

海滩砂的粒度概率图特点是有三段或四段直线，其中跳跃组分是主要的，其线段位于概率图中央，分为两条直线，坡度微有差别，但均较陡，说明分选好。悬浮组分和牵引组分的含量均很少，故图中右上角和左下角的线段均较短，有时甚至缺失牵引组分（图3-14）。跳跃组分分为两线段，在粒度和分选上微有变化，表明即使是流速的微小变化，都可以改变单一的碎屑总体。

（2）沙丘砂的粒度概率图

沙丘砂粒度概率图的特点是跳跃组分为其最主要成分，与海滩砂比较，其含量更高，常占98%左右。而且两线段合并成一线段，坡度更陡，分选极好，只含少量悬浮和牵引组分，有时甚至缺失牵引组分（图3-15）。这是由于在同一时期内风力速度变化小，只能搬运一定范围粒度的砂粒，粗砂粒因风吹不动而丢失，太细的物质又被风吹跑了。

（3）波浪带浅海砂的粒度概率图

自低潮线至水深5.19 m的波浪作用带的砂质沉积物，其粒度概率图的特点是悬浮、跳跃和牵引三种组分都有。图上有三个直线段，跳跃组分仍是主要的成分，线段最长，坡度最陡，分选很好，这是由于波浪的多次往返搬运沉积；少量牵引组分，分选差，是由于没有强烈的水流搬运或使之呈跳跃状态搬运的缘故；此外，还有粉砂和泥的悬浮组分，其含量的多少视附近河流带入细粒悬浮物质的多少和该地区波浪作用的强弱而定（图3-16）。

图3-14 海滩砂的粒度概率图

（4）河流砂的粒度概率图

由于地貌、河水流速、搬运物质的粒度和数量等因素的变化较大，所以很难概括出一种典型的河流粒度概率图。一般来说，以河床沉积物为例（图3-17），跳跃组分是主要成分，代表的直线段与横坐标的夹角约为60°～65°，分选中等，粒度范围1.75～2.50Φ；一般会有发育好的悬浮组分，含量5%～20%，它与跳跃组分直线的交切点位置在2.75～3.50Φ附近；有或无牵引组分，若有牵引组分，粒度粗于1Φ，并且常常发育在河道最深部位。若为天然堤沉积，则以悬浮组分为主，有时甚至只有一段代表悬浮组分的直线（图3-18）。

图3-15 海滩沙丘砂的粒度概率图

研究发现，河道砂岩的曲线并不那么简单，形态也不是两段式，可有三段式、多段式和直线型等，粒度参数也不相同。如两段式曲线（图3-19），截点区间宽，截点Φ值高，悬浮总体含量高，流速较急，说明当时水介质扰动强烈。

下三段式曲线（图3-20B）是在跳跃总体的粗端增加了一个分选差的牵引总体，截点在1%附近，这种牵引总体一般出现在河流的最深水区（主流线附近）的砂岩中，上三段式曲线（图3-20A）有两个悬浮总体，最上边的为均匀悬浮，中间为递变悬浮，这种砂岩被定为急流沉积。

（5）浊流砂的粒度概率图

浊流砂粒度概率图的特点是有大量的或唯一的悬浮组分，可以包括黏土、粉砂、砂直到1 mm或更粗的颗粒。因为浊流密度大，流速快，故绝大部分物质都呈悬浮搬运，偶尔也有少量跳跃组分，故图上是一条明显的代表悬浮总体的线段（图3-21）。在一层浊流沉积中，从底向顶，有粒度变细、悬浮组分含量增加、悬浮和跳跃两线段交切点变细的粒序现象。由于浊流的密度、流速、携带物质不同，其粒度分布特点变化亦有所不同。

图3-16 波浪带浅海砂的粒度概率图

（6）三角洲砂的粒度概率图

三角洲砂质沉积物是很发育的，但是由于三角洲类型不同、砂质沉积物所处的地理位置不同，因而沉积物成因也不一样，粒度分布特点变化很大，难以概括成一种图形。其变化居于河流沉积与浅海沉积之间，这是因为三角洲的地理位置处于河流入口处，海陆交接带，是海陆二者交替沉积的沉积复合体，无论在平面上或垂直剖面上，沉积环境和岩性都是多变的。

图3-17 现代河床砂的粒度概率图

图3-18 天然堤、分流河道、河口沙坝、滨海线等处砂质沉积的粒度概率图

图3-19 延安南泥湾侏罗系河道砂岩

图3-20 延安西杏子河侏罗系河道砂岩

总的来看，利用碎屑岩的粒度结构特征来研究沉积环境是大有裨益的，特别是在反映不同沉积环境的水动力条件方面。但也有人对此持否定态度。实际上，粒度结构特点只是一个方面，实际应用时还要结合岩性、构造、古生物和地球化学特点进行综合解释，因为沉积物的形成是受多种地质因素综合控制的。此外，还有一点须加以说明，许多粒度参数是根据已知沉积环境的现代沉积物取得的，对于机械作用形成的碎屑沉积，“将今论古”的原则虽然可用，但是古今沉积毕竟不同，因此应用上述粒度参数时应注意其局限性。同时，粒度分析方法不同，亦会得出不同的粒度分布结果，因此要注意校正，并尽可能采用一种分析方法。另外，采样的正确与否，同样是决定分析结果是否有效的基础，所以采样是最关键的基础工作。

图3-21 浊流砂岩的粒度概率图

C. 粒度分析

粒度与搬运流体的性质及其力学特征密切相关，它是判别环境的标志之一。目前国际上应用最广的粒度分级标准是伍登-温德华粒级。它是以1mm作为基数乘以或除以2来分级的。后经克伦宾将其转化为φ值。转换公式为：

φ＝-log₂d

式中：d为毫米直径值。形成一个以1为基数，2为公比数的等比级数列。如表4-3所示。

表4-3 伍登-温德华φ值粒度标准

^*有些分界点记为0.05mm；^**有些分界点记为0.005mm

沉积物粒度测量方法，主要包括放大镜、照片分析、筛析、沉降分析、显微镜下粒度分析等方法。针对不同的颗粒选择适用的方法进行测量，其中，砾石等颗粒级别较大的多用皮尺或测量规直接测量，用量筒测砾石的体积。可松解或疏松的细、中碎屑岩多采用筛析法。粉砂及黏土岩常用沉降法、流水法等方法测量。固结的无法松解的岩石多采用显微镜下粒度分析。不同的方法测出的结果，略有差别，需校正后才能互用，其中沉降粒径和筛析粒径之间的偏差小于或等于0.1φ，可以直接互用。但薄片显微镜下分析粒径，因存在切片效应，需经过弗里德曼（1962）所提出的粒度的回归校正方程：

D＝0.3815+0.9027d

式中：D为校正后的筛析粒径，d是薄片中测定的视长径，均为φ单位。进行校正后才能与筛析法的结果相互用，一般校正后的平均粒径最大偏差一般不超过1/4φ单位。

此外，在粒度测量中杂基校正是一项重要的工作，其方法是：显微镜测至7φ，测定或估出杂基含量。取其2/3～1/2为校正值，假定为Δ，将各累计频率乘以（100-Δ），重新绘曲线。对于弱固结岩石，可用同一标本既做筛析也作薄片分析，通过实验求出校正系数（100-Δ）的数值。

粒度分析的结果可获取到大量的测值，这种大量的数字资料要用统计的方法加以处理，才能推断其与流体力学性质和沉积环境之间的关系。主要的方法是：根据资料做出一些图件，从这些图件上做定量的解释分析。或者直接通过计算，统计参数。两种方法各有优劣，往往需综合分析利用。

粒度分析图主要包括直方图、频率曲线图和累积曲线图（累积百分含量图）。其中最常用的是累积百分含量图，是由维希尔（1969）根据采自现代和古代不同环境内的1500个样品测得的粒度数据，以粒径（φ值）为横坐标，以累积概率值为纵坐标，用来表现大于一定粒级的百分含量统计图。他通过分析得出了沉积物搬运方式与粒度分布之间的关系，以及一些环境的概率图模式（图4-1）。

图4-1 搬运方式与粒度分布的关系

（据Visher，1969）

沉积物的粒度一般不是表现为单一的对数正态分布，因此，在概率分布图上总是表现为几个相交的直线段。每个直线段是不同搬运方式产生的响应。主要包括牵引负载、跳跃负载和悬浮负载三种。其中，悬浮负载的颗粒一般很细，粒径在0.1mm左右，其负载颗粒的粗细变化取决于介质的扰动强度，在概率图上的右上角形成悬浮次总体；跳跃负载是指靠近河床底部层，通过在动荡的水中或流水中对颗粒进行分选，粒径一般在0.15～1.0mm之间，往往是沉积样品中分选最好的组分，在概率图的中部形成跳跃次总体，其不是一个粒度总体，而是由两部分组成，如海滩砂；底部牵引负载是粗粒组分，因颗粒粗而在地面上滚动，形成的滚动次总体位于图的左下方。沉积物因粒径大小和分选性的不同，经历了不同的搬运方式，在累积概率图上形成了不同的次总体直线。直线的不同斜率代表不同的分选性，斜率越大代表分选越好，一定的粒度分布区间和斜率，表明不同的次总体具有一定的平均粒径和标准偏差。各直线段的交点称为交截点，有的样品在两个粒度次总体间有混合带，在图上表现为两线段圆滑接触。

大量的粒度数据通过计算获得各种分析参数后，往往也通过作图来进行定量分析，最常用的是弗里德曼（1961，1967）通过对现代海洋与河流、湖滩沉积所做的粒度分析，用粒度参数离散图（采用10种粒度参数，作出19种图）来区分河流与海（湖）滩沉积。离散图能够把不同成因的砂区别开来，是由于不同成因的砂具有不相同的结构参数。

此外，C-M图也是另外一种常用的图版（图4-2），它是应用每个样品的C值和M值绘成的图形，由Passega（1957，1964）所提出。其中，C值是累积曲线上颗粒含量1%处对应的粒径，M值是累积曲线上50%处对应的粒径。C值与样品中最粗颗粒的粒径相当，代表了水动力搅动开始搬运的最大能量；M值是中值，代表了水动力的平均能量。该图版对于每一个样品都可以用其C值和M值，在以C值为纵坐标，以M值为横坐标的双对数坐标纸上投得一个点，研究沉积地层包含的由粗至细的全部粒度结构类型样品在图纸上会投得一个点群。根据点群的分布绘出的图形形态、分布范围，以及图形与C-M基线的关系等特点，与已知沉积环境的典型C-M图进行对比，再结合其岩性特征，从而对该层沉积岩的沉积环境做出判断。

图4-2 牵引流的C-M图像及粒度类型

（据Passega，1964）

在C-M图中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅸ 段表示C＞1000μm，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ段表示C＜1000μm。1表示牵引流沉积，2表示浊流沉积，“T”代表静水悬浮沉积。“S”形图是以河流沉积为例的完整C-M图，可划分为N—O—P—Q—R—S段。其中从左至右：

N—O段基本上由滚动颗粒组成，C值一般大于1mm（1000μm），常构成河流的砂坝砾石堆积物。

O—P段是滚动物质与间歇悬浮物质（跳跃）混合，物质组分中滚动组分与悬浮组分相混合。C值一般大于800μm，但由于滚动组分中有悬浮物质的参加，从而使M值有明显的变化。C值稍微变化即会使M 值发生重大改变，即粒度分布极不对称，粗细首尾不均。

P—Q段是以间歇悬浮质为主，粗粒滚动质减少。由上游至下游C值变化而M值不变，说明随着流体搬运能力的减弱，越向下游滚动组分的颗粒越小。但由于滚动颗粒的数量并不多，因此M值基本不变。P点附近的C值以C_r表示，它代表着最易作滚动搬运的颗粒直径。

Q—R段为递变悬浮段，沉积物的特点是C值与M值相应变化，显示出与C＝M线平行的结果，主要搬运方式为递变悬浮搬运，悬浮物质组分在流体中由下向上粒度逐渐变细，密度逐渐变低。它一般位于水流底部，常是由于涡流发育造成的。该段C的最大值以C_s表示。

R—S段为均匀悬浮段，是粒径和密度不随深度变化的完全悬浮，随着M值向S端逐渐变小，C值基本不变，最大C值即C_u，它代表均匀悬浮搬运的最大粒级。搬运方式常是递变悬浮之上的上层水流搬运，不受底流搬运分选，物质组成主要为粉砂和泥质混合物，最粗的粒度为细砂。表示在河流中从上游至下游沉积物的粒度成分变化不大，只是粗粒级含量相对减少。

C-M图也可用来研究水深、分选性、古流速和碎屑岩分类等，它是一种多功能综合图。

D. 各种粒度测试方法的优缺点有哪些

1）筛分 原理：以来筛孔大小的机械分离作用。
优点：简单直观。动态范围较小，常用于大于40mm的颗粒测定。
缺点：速度慢，一次只能测量一个筛余值，不足以反映粒度分布；微小筛孔制作困 难；误差大，通常达到10%~20%；小颗粒由于团聚作用通过筛孔困难；有人为误 差，导致可信度下降。
2）沉降 原理：斯托克斯定律。
优势：可测试。
缺点：动态范围窄；小粒子沉降速度很慢，对非球型粒子误差大；由于密度一致性 差，不适用于混合物料；重力沉降仪适用于10微米以上的粉体，如果颗粒很细则 需要离心沉降。
3）库尔特电阻法 原理：颗粒通过小孔时产生的电阻脉冲计数。
优点：可以测定颗粒总数，等效概念明确；操作简便。
缺点：动态范围小，1：20左右；对介质的电性能有严格要求；容易出现 堵塞小孔现象。
4）显微镜法 原理：光学成像。
优点：简单直观；可作部分形貌分析。
缺点：动态范围窄，1：20；测量时间长，约20分钟；样品制备操作较复杂； 采样的代表性差；对超微细粒分散有一定的难度，受衍射极限的限制，无法检测超 细颗粒。
5）电镜 原理：电子成像。
优点：直观；分辨率高。
缺点：取样量少，没有代表性，样品杂；仪器价格昂贵。
6）激光粒度仪 原理：激光衍射/散射。
优点：测量速度快，约1分钟；动态范围大，约1：1000以上；重复型号； 准确度高，分辨率高；操作简便；客队动态颗粒群进行跟踪测试分析，是目 前最先进的粒度仪，也是粒度仪发展方向。

以上是微纳总结

E. 测试土壤粒径的样品如何制备，使用的是LS13-329激光粒度分析仪

样品制备

样品的采集

物料中采样一般遵循以下3个原则：

1）最好在物料移动中采样（或生产过程中）。

2）多点采样。在不同部位和深度采样，每次取样，将各点采集的试样混合后作为粗样。

3）采样方法要固定。

样品的缩分

由于仪器分析试样实际需用量很少，因此就要对采集来的粗样进行缩分，其过程为：粗样--试验室样品--分析样品。

干法测试

一些样品易和湿分散剂起反应，比如可能溶解或和液体接触时膨胀，所以只能在干燥状态下测量。

样品结块只需要在烘箱中干燥一下即可。但精细的物质在烘箱中干燥时，样品会受到破坏，为了去潮，应将烘箱调到最高温度，但不要高于样品熔点。如果烘箱对样品有明显影响，可用干燥器。

湿法测试

采用湿法分散技术，机械搅拌使样品均匀散开，超声高频震荡使团聚的颗粒充分分散，电磁循环泵使大小颗粒在整个循环系统中均匀分布，从而在根本上保证了宽分布样品测试的准确重复。

分散介质的选择和准备

分散介质选择遵循的一个重要原则就是，样品在分散介质中不能发生溶解。如果样品溶解，对样品进行分析并观察遮光度，可以发现遮光度降低。另外，如果分散介质中气泡，计算结果也会产生误差，因此使用前要考虑排气。一般采用超声或者煮沸的方法（对于可挥发性分散介质不能通过加热分散剂来去除气体）。

表面活化剂

添加表面活化剂有助于样品准备，表面活化剂可以转移掉作用于样品使样品浮于表面或结团的电荷效应。用少量添加法来添加活化剂，标准是每升一滴。如果过量，会产生气泡，对测量结果造成影响。

超声波使用

超声不仅能除去分散介质中的气泡，而且也可以帮助样品在分散介质中分散。如果烧杯底部有大量颗粒结块，将浆料和他的烧杯放入超声波槽里分散两分钟，效果会非常明显。

注意

对易碎颗粒使用超声波时要小心，因为超声波可能会使颗粒分离。如果对使用超声波前后的效果有疑义，则可用显微镜进行观测。

一个样品一般重复测量3次，取平均值作为测量结果，如重现性差则要剔除不正常的结果或重新取样测量。

如果样品在分散时遇到问题，可参阅下表分析

F. 粒度测试的基本方法

粒度测试的方法很多，据统计有上百种。目前常用的有沉降法、激光法、筛分法、图像法和电阻法五种，另外还有几种在特定行业和领域中常用的测试方法。 沉降法是根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方法。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液，悬浮液中的颗粒在重力或离心力作用下将发生沉降。不同粒径颗粒的沉降速度是不同的，大颗粒的沉降速度较快，小颗粒的沉降速度较慢。那么颗粒的沉降速度与粒径有怎样的数量关系，通过什么方式反映颗粒的沉降速度呢？
① Stokes定律：在重力场中，悬浮在液体中的颗粒受重力、浮力和粘滞阻力的作用将发生运动，其运动方程为：
这就是Stokes定律。
从Stokes 定律中我们看到，沉降速度与颗粒直径的平方成正比。比如两个粒径比为1:10的颗粒，其沉降速度之比为1:100，就是说细颗粒的沉降速度要慢很多。为了加快细颗粒的沉降速度，缩短测量时间，现代沉降仪大都引入离心沉降方式。在离心沉降状态下，颗粒的沉降事度与粒度的关系如下：
这就是Stokes定律在离心状态下的表达式。由于离心转速都在数百转以上，离心加速度ω2r远远大于重力加速度g，Vc>>V，所以在粒径相同的条件下，离心沉降的测试时间将大大缩短。
② 比尔定律：
如前所述，沉降法是根据颗粒的沉降速度来测试粒度分布的。但直接测量颗粒的沉降速度是很困难的。所以在实际应用过程中是通过测量不同时刻透过悬浮液光强的变化率来间接地反映颗粒的沉降速度的。那么光强的变化率与粒径之间的关系又是怎样的呢？比尔是律告诉我们：
设在T1、T2、T3、……Ti时刻测得一系列的光强值I1<I2<I3……<Ii，这些光强值对应的颗粒粒径为D1>D2>D3>……>Di，将这些光强值和粒径值代入式（5），再通过计算机处理就可以得到粒度分布了。 激光法是根据激光照射到颗粒后，颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布的。由激光器的发生的激光，经扩束后成为一束直径为10mm左右的平行光。在没有颗粒的情况下该平行光通过富氏透镜后汇聚到后焦平面上。如下图所示：
当通过适当的方式将一定量的颗粒均匀地放置到平行光束中时，平行光将发生散现象。一部分光将与光轴成一定角度向外传播。如下图：
那么，散射现象与粒径之间有什么关系呢？理论和实验都证明：大颗粒引发的散射光的角度小，颗粒越小，散光与轴之间的角度就越大。这些不同角度的散射光通过富姓氏透镜后在焦平面上将形成一系列有不同半径的光环，由这些光环组成的明暗交替的光斑称为Airy斑。Airy斑中包含着丰富粒度信息，简单地理解就是半径大的光环对应着较小的粒径；半径小的光环对应着较大的粒径；不同半径的光环光的强弱，包含该粒径颗粒的数量信息。这样我们在焦平面上放置一系列的光电接收器，将由不同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号，并传输到计算机中，通过米氏散理论对这些信号进行数学处理，就可以得到粒度分布了。 电阻法又叫库尔特法，是由美国一个叫库尔特的人发明的一种粒度测试方法。这种方法是根据颗粒在通过一个小微孔的瞬间，占据了小微孔中的部分空间而排开了小微孔中的导电液体，使小微孔两端的电阻发生变化的原理测试粒度分布的。小孔两端的电阻的大小与颗粒的体积成正比。当不同大小的粒径颗粒连续通过小微孔时，小微孔的两端将连续产生不同大小的电阻信号，通过计算机对这些电阻信号进行处理就可以得到粒度分布了。如图所示：
用库尔特法进行粒度测试所用的介质通常是导电性能较好的生理盐水。 光阻法（Light Blockage），又称为光障碍法或光遮挡法，是利用微粒对光的遮挡所发生的光强度变化进行微粒粒径检测的方法，检测范围从1μm到2.5mm。
工作原理：当液体中的微粒通过一窄小的检测区时，与液体流向垂直的入射光，由于被不溶性微粒所阻挡，从而使传感器输出信号变化，这种信号变化与微粒的截面积成正比，光阻法检查注射液中不溶性微粒即依据此原理。 显微图像法包括显微镜、CCD摄像头（或数码像机）、图形采集卡、计算机等部分组成。它的基本工作原理是将显微镜放大后的颗粒图像通过CCD摄像头和图形采集卡传输到计算机中，由计算机对这些图像进行边缘识别等处理，计算出每个颗粒的投影面积，根据等效投影面积原理得出每个颗粒的粒径，再统计出所设定的粒径区间的颗粒的数量，就可以得到粒度分布了。
由于这种方法单次所测到的颗粒个数较少，对同一个样品可以通过更换视场的方法进行多次测量来提高测试结果的真实性。除了进行粒度测试之外，显微图像法还常用来观察和测试颗粒的形貌。 除了上述几种粒度测试方法以外，目前在生产和研究领域还常用刮板法、沉降瓶法、透气法、超声波法和动态光散射法等。
(1) 刮板法：把样品刮到一个平板的表面上，观察粗糙度，以此来评价样品的粒度是否合格。此法是涂料行业采用的一种方法。是一个定性的粒度测试方法。
(2) 沉降瓶法：它的原理与前后讲的沉降法原理大致相同。测试过程是首先将一定量的样品与液体在500ml或1000l的量筒里配制成悬浮液，充分搅拌均匀后取出一定量（如20ml）作为样品的总重量，然后根据Stokes定律计算好每种颗粒沉降时间，在固定的时刻分别放出相同量的悬浮液，来代表该时刻对应的粒径。将每个时刻得到的悬浮液烘干、称重后就可以计算出粒度分布了。此法目前在磨料和河流泥沙等行业还有应用。
(3) 透气法：透气法也叫弗氏法。先将样品装到一个金属管里并压实，将这个金属管安装到一个气路里形成一个闭环气路。当气路中的气体流动时，气体将从颗粒的缝隙中穿过。如果样品较粗，颗粒之间的缝隙就大，气体流边所受的阻碍就小；样品较细，颗粒之间的缝隙就小，气体流动所受的阻碍就大。透气法就是根据这样一个原理来测试粒度的。这种方法只能得到一个平均粒度值，不能测量粒度分布。这种方法主要用在磁性材料行业。
(4) 超声波法：通过不同粒径颗粒对超声波产生不同的影响的原理来测量粒度分布的一种方法。它可以直接测试固液比达到70%的高浓度浆料。这种方法是一种新的技术，目前国内外都有人进行研究，据说国外已经有了仪器，国内目前还没有。
(5) 动态光散射法：前面所讲的激光散射法可以理解为静态光散射法。当颗粒小到一定的程度时，颗粒在液体中受布朗运动的影响，呈一种随机的运动状态，其运动距离与运动速度与颗粒的大小有关。通过相关技术来识别这些颗粒的运动状态，就可以得到粒度分布了。动态光散射法，主要用来测量纳米材料的粒度分布。国外已有现成的仪器，国内目前还没有。

G. 化学分析样品的采样、加工和测试

5.6.1 样品采样

5.6.1.1 基本分析样品

在各项探矿工程中要分别按矿体（分矿石类型）、矿化带及夹石连续取样，样品要延入围岩，采样长度原则上不大于矿体的可采厚度。

槽、井、坑探工程中通常采用刻槽法取样。穿脉坑道一般在一壁腰线连续取样，矿化不均匀的可在两壁取样，合并计算平均厚度、品位。沿脉坑道中样品的走向间距，应视矿化变化的情况而定，一般为2 m～4 m，变化不大时可放稀至6 m～8 m。要严格保证采样质量，采样前要平整和冲洗采样点的岩矿石表面，挂好围布，选择光滑易清扫的垫布，避免样品溅飞或槽外物质混入，样品实际质量（重量）与理论质量相差不得超过10%。

岩矿心取样应用金刚石刀具沿其岩矿心长轴方向切取一半作为基本分析样。对不同回次矿心、孔径发生变化，采取率相差太大的要分别采样。进行矿山坑内钻探时，若矿心直径小应全心采样。

5.6.1.2 光谱全分析

可采自同一矿体的不同空间部位和不同矿石类型，也可利用有代表性地段的基本分析副样组合而成。

5.6.1.3 化学全分析

可利用组合分析的副样或单独采集。

5.6.1.4 组合分析

目的是用来确定矿床（体）有益或有害组分含量，分析结果可用于伴生有益组分的储量估算。分析项目根据光谱全分析和化学全分析确定。样品应来自基本分析副样，一般按矿体的探矿工程，由二至十件样品合并组成一个组合样，质量约500 g。

5.6.1.5 物相分析

为研究岩金矿床的自然分带及确定矿石的自然类型，从地表至原生矿的上部沿着各个勘探线，按一定的间距分别采样，或从相近位置上的基本分析副样中抽取，采样与分析必须迅速及时，以免样品氧化影响质量。分析项目除各类矿床矿化主元素Au的含量之外，着重分析各类载金矿物如硫化物矿物和氧化物矿物的含量。

5.6.2 样品加工

样品破碎前必须扫净加工器械，处理筛上残留物质，避免因操作不当造成误差。样品加工损失率不大于5%，缩分误差不大于3%。金矿制样不能用逐级缩分法缩分，必须将金矿全样中碎至一定粒度方可缩分。中碎粒度应试验确定，尤其是对于含巨粒级和粗粒级金的矿区，此试验是必不可少的。棒磨粒度一般应达到-200目。

机械联动线的加工方法是，经过一次破碎、缩分，直接达到要求的粒度和质量（重量）。此种加工必须严格按照确定的方法和操作规程进行，对样品的缩分均匀性要进行试验。

5.6.3 样品分析测试

5.6.3.1 样品分析测试应由获得国家或省级资质和计量认证的测试科研单位或生产单位承担。

5.6.3.2 基本分析、组合分析、物相分析的结果应分批、分期做内部检查分析，查其偶然误差。内检样由基本分析副样中按原分析样品总数的7%～10%抽取，编出密码后送原分析实验室进行复测。

5.6.3.3 外检样品由原实验室从基本分析正样中按分析样品总数的3%～5%抽取，最低不得少于30件，送获国家或省级资质和计量认证的测试单位测试。

5.6.3.4 化学分析质量及误差处理办法按DZ／T 0130.3—94《地质矿产实验室测试质量管理规范》执行。

H. （二）粒度分析

1.薄片粒度测定

（1）基本原理：可见光（380～760nm）照射薄片中矿物颗粒，由于矿物颗粒对各色光选择性吸收的程度不同，因此，薄片中不同矿物颗粒就呈现出各种未吸收色光的混合色，导致岩石中的矿物颗粒明暗程度出现差异，再利用粒度分析软件，以矿物颗粒的亮暗程度为选择标准，对矿物颗粒的粒径、含量进行分析。

（2）样品要求：薄片厚度不超过0.03mm，否则影响矿物颗粒的光性特征，导致结果分析产生误差。

（3）地质应用：用于细粒沉积物的沉积相研究，通过粒度分析可为沉积相的划分、沉积环境的水动力条件、沉积物搬运方式，以及沉积物物源的研究提供依据。

2.激光粒度分析方法

（1）基本原理：当激光照射样品颗粒时，会产生颗粒截面的衍射、表面反射、介质与颗粒的折射和颗粒对光的吸收4种光学现象，这些现象相互作用导致了光学干涉效应，产生了激光散射图谱。激光粒度分析仪利用“散射光角度与样品颗粒的直径成反比，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减”的原理，采用夫朗和费（Frauhofer）或米氏（Mie）理论数学模型进行颗粒粒度分析。

（2）样品要求：①岩石胶结程度中等；②岩石粒径小于3mm。

（3）地质应用：①用于沉积相研究，通过粒度分析可为沉积相的划分、沉积环境的水动力条件、沉积物搬运方式，以及沉积物物源的研究提供依据；②用于地层划分等研究，第四纪环境研究与地层划分、海洋矿产研究、古海洋学研究、环境学研究。

I. 目前常采的粒度分析方法有哪些

测粒度分布的有：筛分法、沉降法、激光法、电感法(库尔特)。
测比表面积的有：空气透过法（没淘汰）、气体吸附法。
直观的有：(电子)显微镜法、全息照相法。

显微镜法(Micros)
SEM、TEM；1nm～5μm范围。
适合纳米材料的粒度大小和形貌分析。

沉降法(Sedimentation Size Analysis) 沉降法的原理是基于颗粒在悬浮体系时，颗粒本身重力(或所受离心力)、所受浮力和黏滞阻力三者平衡，并且黏滞力服从斯托克斯定律来实施测定的，此时颗粒在悬浮体系中以恒定速度沉降，且沉降速度与粒度大小的平方成正比。10nm～20μm的颗粒。

光散射法(Light Scattering)
激光衍射式粒度仪仅对粒度在5μm以上的样品分析较准确，而动态光散射粒度仪则对粒度在5μm以下的纳米样品分析准确。

激光光散射法可以测量20nm－3500μm的粒度分布，获得的是等效球体积分布，测量准确，速度快，代表性强，重复性好，适合混合物料的测量。
利用光子相干光谱方法可以测量1nm－3000nm范围的粒度分布，特别适合超细纳米材料的粒度分析研究。测量体积分布，准确性高，测量速度快，动态范围宽，可以研究分散体系的稳定性。其缺点是不适用于粒度分布宽的样品测定。
光散射粒度测试方法的特点
测量范围广,现在最先进的激光光散射粒度测试仪可以测量1nm～3000μm,基本满足了超细粉体技术的要
光散射力度测试远离示意图
求。
测定速度快,自动化程度高,操作简单。一般只需1~1.5min。
测量准确,重现性好。
可以获得粒度分布。

激光相干光谱粒度分析法
通过光子相关光谱（PCS）法，可以测量粒子的迁移速率。而液体中的纳米颗粒以布朗运动为主，其运动速度取决于粒径，温度和粘度等因素。在恒定的温度和粘度条件下，通过光子相关光谱（PCS）法测定颗粒的迁移速率就可以获得相应的颗粒粒度分布。
光子相关光谱(pcs)技术能够测量粒度度为纳米量级的悬浮物粒子,它在纳米材料，生物工程、药物学以及微生物领域有广泛的应用前景。

优点是可以提供颗粒大小，分布以及形状的数据。此外，一般测量颗粒的大小可以从1纳米到几个微米数量级。
并且给的是颗粒图像的直观数据，容易理解。但其缺点是样品制备过程会对结果产生严重影响，如样品制备的分散性，直接会影响电镜观察质量和分析结果。电镜取样量少，会产生取样过程的非代表性。
适合电镜法粒度分析的仪器主要有扫描电镜和透射电镜。普通扫描电镜的颗粒分辨率一般在6nm左右，场发射扫描电镜的分辨率可以达到0.5nm。
扫描电镜对纳米粉体样品可以进行溶液分散法制样，也可以直接进行干粉制样。对样品制备的要求比较低，但由于电镜对样品有求有一定的导电性能，因此，对于非导电性样品需要进行表面蒸镀导电层如表面蒸金，蒸碳等。一般颗粒在10纳米以下的样品比较不能蒸金，因为金颗粒的大小在8纳米左右，会产生干扰的，应采取蒸碳方式。
扫描电镜有很大的扫描范围，原则上从1nm到mm量级均可以用扫描电镜进行粒度分析。而对于透射电镜，由于需要电子束透过样品，因此，适用的粒度分析范围在1-300nm之间。
对于电镜法粒度分析还可以和电镜的其他技术连用，可以实现对颗粒成份和晶体结构的测定，这是其他粒度分析法不能实现的。

J. 实习二 粒度分析资料整理与分析

沉积物的颗粒大小称为粒度。研究碎屑沉积物和碎屑岩的粒度分布特征的方法称为粒度分析。粒度分布特征可反映沉积介质的流体力学性质，故是判别水动力条件及沉积环境的一个重要标志，而且对于油气沉积储层的评价具有重要意义。

碎屑物质的搬运和沉积作用受水动力条件（如介质、流量、流速）的控制。因此，粒度大小及分布特征，可用来直接反映沉积时的水动力条件。

研究粒度分布特征，可提供以下信息：①明确搬运介质性质，如风、水、冰川、泥石流、浊流等；②判断搬运介质的能量条件，如流速、强度、起动能力等；③明确搬运方式，如滚动、跳跃、悬浮等；④明确沉积作用流体的性质，如牵引流、浊流等。

一、颗粒的测量与分组

粒度分析的方法很多，从原始的手工测量到由计算机控制的自动化仪器测量均有。最常用的方法有：直接测量法、筛析法、薄片法、激光衍射粒度分析等。选用的方法取决于测定对象的粒度大小及岩石的致密程度。对于致密的砂岩和粉砂岩一般采用薄片粒度分析法，即在显微镜下，用测微尺直接测量岩石薄片中颗粒的最大视直径，或将摄像装置与显微镜连接，使用由计算机控制的图像分析仪测量岩石薄片中颗粒的最大视直径。统计测量时的抽样方法可采用线测法或视域带法：线测法可用划线或机械台控制测线，凡测线上的颗粒均测，适合于人工测量；视域带法就是在一个视域内的颗粒全部测完后再移至相邻的下一个视域，两个视域应在某一十字丝方向上相切，适合于图像分析测量。每个岩石样品的薄片要求统计300～500个颗粒，并将测量直径d（mm）换算成ϕ值（d值和ϕ值的对应关系见表2-1），按

ϕ或

ϕ间隔分组，计算各组内颗粒百分数。

表2-1 粒径d值和ϕ值的对应表

二、粒径校正与杂基校正

（一）粒径校正

运用薄片粒度分析的方法所得到的分析结果与筛析法得到的结果有一定的偏差，薄片粒度与筛析粒径之间的偏差可达0.25ϕ或更大，这是切片效应造成的结果（切片效应是指在颗粒集合体的切片中，颗粒的视直径均小于其真直径），因此必须进行校正。常用弗里德曼（1962）提出的粒度校正公式：

D＝0.3815+0.9027d

式中：D为校正后筛析直径，ϕ；d为薄片中视直径，mm。

（二）杂基校正

在运用薄片粒度法进行粒度分析时还必须考虑砂岩中基质的影响，即进行杂基校正，方法是用显微镜测定或估出杂基含量，由于切片效应和成岩后生作用，估计的杂基含量值一般较高，常取其2/3或1/2为校正值，假定为x，将各累计频率乘以（100-x）作为该粒级的真正百分含量。

三、资料整理和编图的步骤和方法

（一）直方图

直方图是最常用的粒度分析图件（图2-1a），其横坐标为颗粒粒径（d值或ϕ值）区间，纵坐标表示各粒级区间的百分含量，作出一系列相互连接、高低不平的矩形图。直方图优点是能直观、简明地反映出粒度分布特征（绘制直方图时为使图件美观，要注意纵、横坐标的比例关系）。

图2-1 直方图（a）及由直方图所作频率曲线（b）

（二）频率曲线

频率曲线是用平滑曲线将直方图每个柱子顶端横边的中点依次连接而成的曲线（图2-1b），其围限的面积基本等于直方图的面积和。频率曲线可清楚地表明粒度分布特点、分选好坏、粒度分布的对称度（偏度）及尖度（峰度）等。

（三）累积曲线

累积曲线是以累积百分含量为纵坐标（算术标度），以粒径（d值或ϕ值）为横坐标，从粗粒一端开始，在图上标出每一粒级的累计百分含量。将各点以圆滑的曲线连接起来，即成累积曲线（图2-2之2）。累积曲线一般呈S形，从图上可看出其粒级分选的好坏，在计算粒度参数时也可由图上读出某些累计百分比对应的粒径值。

（四）概率累积曲线

概率累积曲线也是一种粒度累积曲线（图2-3），它是在正态概率纸上绘制的，横坐标代表粒径（d值或ϕ值）；纵坐标为以概率标度的累积百分数，概率坐标不是等间距的，而是以50%处为对称中心，上下两端相应地逐渐加大，这样可以将粗、细尾部放大，并清楚地表现出来。概率曲线一般包含有3个次总体（也有部分图件只有1个或2个次总体），在概率图上表现为3个直线段，代表了3种不同的搬运方式，即悬浮搬运、跳跃搬运和滚动搬运。3个次总体在累积概率曲线上分别称为悬浮总体、跳跃总体和滚动总体（牵引总体），概率图上除3个次总体之外的其他参数有：截点、混合度、次总体百分含量、分选性。

图2-2 三种常见的粒度曲线

（据赖内克等，1973；转引自陈建强等，2015）

1—频率曲线；2—累积曲线；3—概率累积曲线

图2-3 概率累积曲线及粒度分布中的总体

（据维谢尔，1969；转引自陈建强等，2015）

（五）粒度参数计算

常用的粒度参数有平均粒度（Mz）、标准偏差（σ_i）、偏度（Sk）、峰态（K_G），常用图解法计算粒度参数，即从累积曲线上读出某些累积百分比处的颗粒直径（ϕ值），再以简单算术公式计算各种粒度参数。

（1）平均粒度（Mz）：表示一个样品的平均粒度大小，反映搬运介质平均动能，计算公式为：

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（2）标准偏差（σ_i）：表示分选程度，即反映颗粒的分散和集中状态，计算公式为：

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（3）偏度（Sk）：用来表示频率曲线对称性的参数，偏度计算公式为：

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（4）峰态或尖度（K_G）：用来在与正态频率曲线相对比时，说明曲线的尖锐或钝圆程度。峰态计算公式为：

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（六）C-M图

C-M图是帕塞加（Passega）提出的综合性成因图解（图2-4），是一种粒度参数散布图。一般认为C值和M值这两个粒度参数最能反映介质搬运和沉积作用的能力，故运用这两个参数分别作为双对数坐标纸上的纵、横坐标（以微米为单位），构成C-M图。C值为累积曲线上含量为1%的粒径值（以微米为单位）；M值为累积曲线上含量为50%的粒径值（以微米为单位）。

图2-4 浊流和牵引流沉积的C-M图型

（据Passega，1964）

典型的C-M图形可划分为NO、OP、PQ、QR、RS各段和T区。不同区段代表不同沉积作用的产物：①NO段代表滚动搬运的粗粒物质，C值大于1mm；②OP段以滚动搬运为主，滚动组分和悬浮组分相混合，C值一般大于800μm，而M值有明显变化；③PQ段以悬浮搬运为主，含有少量滚动组分，C值变化而M值不变；④QR段代表递变悬浮段，递变悬浮搬运是指在流体中悬浮物质由下到上粒度逐渐变细，密度逐渐变低，C值与M值成比例变化，从而使这段图形与C＝M基线平行；⑤RS段为均匀悬浮段，C值变化不大，而M值变化大，主要是细粉砂沉积物；⑥T区为远洋悬浮物，M＜10μm。

编制C-M图的样品通常从一套同成因的地层单元中系统采集，从最粗到最细粒的各种代表性岩性中均应分别取样，每一个C-M图取样数一般为20～30个，在C-M图上构成一个点群，描绘出点群的外形即为C-M图。因此，每一个C-M图可反映几米至几十米厚的同成因地层剖面岩石的粒度特征。

四、实习内容

根据所给数据资料绘制粒度分析的直方图、频率曲线、累积曲线、概率累积曲线和C-M图。用图解法计算粒度参数，并解释其环境意义。

五、实习目的与要求

掌握粒度分析资料的整理、图件的编制、粒度参数的计算及解释。

六、实习资料和作业

（一）实习资料

（1）样品A薄片粒度测量数据统计表（表2-2）。

表2-2 样品A薄片粒度测量数据统计表

（2）地层B薄片粒度分析的C-M值（表2-3）。

表2-3 地层B薄片粒度分析的C-M值

（二）作业

（1）根据表2-2所给数据分别绘制样品A的直方图、频率曲线、累积曲线、概率累积曲线。

（2）用图解法计算粒度参数：平均粒度（Mz）、标准偏差（σ_i）、偏度（Sk）、峰态（K_G），并解释其环境意义。

（3）根据所给的地层B薄片粒度分析的C-M数据（表2-3）编制C-M图，并进行流体性质和沉积环境解释。

实习报告二 粒度分析资料整理与分析

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