幾種主要粒度分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)

彭飚　常甜甜

摘要：粒度是沉積物重要的結(jié)構(gòu)特征，也是其分類命名的基礎(chǔ)。目前主要的粒度分析測(cè)試方法有激光法、篩析法、圖像法和沉降法。不同的粒度分析測(cè)試方法依據(jù)不同的顆粒特征，因此不同的方法對(duì)同一樣品的測(cè)量結(jié)果不同。各種粒度分析測(cè)試方法均存在精度或檢測(cè)范圍問題。激光法的檢測(cè)范圍為0.000 05 - 3.5 mm，篩析法為0.1 -1 000 mm.圖像法為0.1 - 20 mm，沉降法為0.000 05 - 0.1 mm。不同的測(cè)試方法對(duì)樣品也有不同的適用范圍，激光法、篩析法、沉降法適用于膠結(jié)程度中等及以下的樣品，圖像法無(wú)限制。因此，根據(jù)樣品的特征或測(cè)量要求選取合適的測(cè)量方法十分重要。

關(guān)鍵詞：粒度分析;激光法;篩析法;沉降法

中圖分類號(hào)：TH744.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.014

粒度是沉積物重要的結(jié)構(gòu)特征，是其分類命名的基礎(chǔ)。粒度資料也被廣泛應(yīng)用于判斷沉積環(huán)境和分析沉積物搬運(yùn)過程。傳統(tǒng)的粒度分析測(cè)試方法有沉降法、篩析法和薄片粒度圖像分析法等[1-4]。20世紀(jì)70年代后，一些學(xué)者提出了使用光學(xué)衍射原理測(cè)試顆粒的粒徑.由此誕生了激光法[5-6]。由于激光法具有分析速度快、重現(xiàn)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來激光法被廣泛應(yīng)用[2-4，7-8]。但由于各種測(cè)量方法原理不同、操作性不同、適用范圍的不同以及測(cè)量?jī)x器的不同，各種方法可對(duì)同一樣品測(cè)量出不同的結(jié)果[2-4. 8-11]。為了合理地使用、比較不同方法測(cè)試的粒度數(shù)據(jù)，本文概述了各個(gè)方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。

1 激光法

激光粒度儀的工作原理基于光與顆粒之間的作用。在光束中，一定粒徑的球形顆粒以一定的角度向前散射光線，這個(gè)角度接近于與顆粒直徑相等的孔隙所產(chǎn)生的衍射角。當(dāng)單色光束穿過懸浮的顆粒流時(shí)，顆粒產(chǎn)生的衍射光通過凸透鏡聚于探測(cè)器上，如圖1所示，記錄下不同衍射角的散射光強(qiáng)度。同時(shí)，不發(fā)生衍射的光線，經(jīng)凸透鏡聚焦于探測(cè)器中心，不影響發(fā)生衍射的光線，因此顆粒流經(jīng)過激光束時(shí)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的衍射譜。

衍射光的強(qiáng)度I（θ與顆粒的粒徑有如下關(guān)系[3]：式（l）中：I（θ）為以θ角散射的光強(qiáng)度;θ為散射角度;R為顆粒半徑;n（R）為顆粒的粒徑分布函數(shù);K=2π/λ，λ為激光的波長(zhǎng);Jl為第一型貝葉斯函數(shù)。

根據(jù)測(cè)得的I（θ），可由方程（l）反演求得粒徑分布n（R）。激光法具有分析速度快（1-2分鐘/個(gè)）、精度高、人為因素造成誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但激光法對(duì)樣品膠結(jié)程度及粒度范圍均有限制。激光法主要適用于膠結(jié)程度中等及以下的樣品，將樣品去膠結(jié)物處理，用橡膠錘反復(fù)研磨，直至樣品完全散開，方可測(cè)旦[1， 7]。激光法的粒度適用范圍分為濕法和干法。濕法的檢測(cè)范圍為0.05 - 900 μm，適用于泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖及部分粗砂巖樣品;干法的檢測(cè)范圍為4-3 500μm，可適用于粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖及部分細(xì)礫巖樣品，但4 μm以下的粒徑檢測(cè)不到[8]。如果遇到超出檢測(cè)范圍的樣品，一般采用聯(lián)合測(cè)量方法，比如干濕聯(lián)合方法、激光篩選聯(lián)合方法等，用標(biāo)準(zhǔn)篩將樣品分開，稱重后，篩上樣品做干法或篩選法，最后綜合數(shù)據(jù)[1]。

不同的激光粒度分析儀對(duì)同一樣品測(cè)量的結(jié)果也會(huì)有所不同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的差距[2]。這主要是儀器硬件和軟件的差異導(dǎo)致的，比如激光光源的波長(zhǎng)、透鏡位置與大小[2]。在實(shí)際工作中，應(yīng)盡可能采用同一種儀器進(jìn)行測(cè)量。

2 篩析法

將解散后的碎屑顆粒倒人一套孔徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩中，通過充分振篩，將不同粒級(jí)的碎屑顆粒充分分開，稱量各粒級(jí)碎屑顆粒質(zhì)量，求得碎屑顆粒的粒度分布范圍[1，13]。 篩析法主要應(yīng)用于膠結(jié)程度中等及以下的砂巖和礫巖;篩析法的缺點(diǎn)是孔徑過小的套篩誤差較大，所以，不適宜分析粉砂、黏土顆粒，并且精度相對(duì)較低[1，13]。 篩析法與激光法對(duì)同一樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以得到不同的結(jié)果[2，3]。研究表明，激光粒度儀測(cè)試結(jié)果比篩析法測(cè)試結(jié)果整體偏粗，這是由于測(cè)試機(jī)理不同和對(duì)顆粒直徑的定義不同所導(dǎo)致的[3]。

3 圖像法

根據(jù)體視學(xué)原理，三維空間內(nèi)特征點(diǎn)的特征可以用二維界面內(nèi)特征點(diǎn)的特征來表征。圖像分析方法是將顯微鏡下的圖像攝取到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)上對(duì)二維圖像進(jìn)行掃描，并對(duì)特征點(diǎn)的像素群進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)、編輯處理，得到二維圖像的特征值，從而得出碎屑巖粒度分布結(jié)果[1，2，13]。

圖像法主要應(yīng)用于膠結(jié)程度中等及以上的砂巖和粗粉砂巖。圖像法與激光法對(duì)同一樣品測(cè)量結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)激光法測(cè)得的平均粒徑較圖像法偏細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度等值都偏大[2]。一方面是由于圖像法忽略了粉砂和黏土的統(tǒng)計(jì);另一方面圖像法測(cè)得的是顆粒物的面積百分比，而激光法測(cè)得的是質(zhì)量百分比[2]。

4 沉降法

沉降法是利用不同粒徑的顆粒在液體中的自由沉降速度不同來測(cè)定各級(jí)的含量，從而得出細(xì)顆粒的粒度分布[1]。沉降法主要應(yīng)用于膠結(jié)程度中等及以下的粉砂巖和泥巖的測(cè)量[3，13]。沉降法的精度不高，除了操作方法本身的缺陷之外，人為因素帶來的誤差也可影響測(cè)試結(jié)果的可靠性[3，13]。 沉降法與激光法對(duì)同一樣品測(cè)量結(jié)果相比較，激光粒度儀測(cè)定黏土組分的含量較沉降法偏低[3]，這主要由激光粒度儀的測(cè)量范圍和測(cè)試原理導(dǎo)致[3]。

5 粒度分析測(cè)試方法的適用范圍

以上各種方法的測(cè)量范圍、樣品膠結(jié)程度限制及重現(xiàn)性均不相同，具體如表1所示。根據(jù)不同的樣品以及不同的測(cè)量需求應(yīng)選取合適的測(cè)量方法。

6 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，粒度分析測(cè)試方法正朝著多樣化、精確化、自動(dòng)化方向發(fā)展。但還存在以下問題：①不同的粒度分析測(cè)試方法依據(jù)于不同的顆粒特征，如篩析法測(cè)定是顆粒能穿過的洞的孔徑;沉降法測(cè)定的是顆粒的沉降速度;圖像法測(cè)定的是顆粒的橫截面積;激光法測(cè)定的是顆粒的透光性。而這些特征之間缺乏確定的關(guān)系，因此對(duì)于同一顆粒，不同方法測(cè)定的粒徑不盡相同。目前，并沒有一個(gè)對(duì)非球體顆粒粒徑的統(tǒng)一定義，因此不同方法的準(zhǔn)確性難以比較。各種方法的準(zhǔn)確性只能根據(jù)測(cè)試同一樣品的重現(xiàn)性來體現(xiàn)，重現(xiàn)性高則此方法準(zhǔn)確性高，重現(xiàn)性低則此方法準(zhǔn)確性低。②各種粒度分析測(cè)試方法均存在精度或檢測(cè)范圍問題。比如激光法中的濕法檢測(cè)范圍為0.05 - 900μm，對(duì)于泥石流樣品則不能滿足需求。對(duì)于這種粒度范圍廣的樣品可以采用聯(lián)合測(cè)定方法，但這種聯(lián)合測(cè)定方法本身就存在誤差。未來的粒度分析測(cè)試方法應(yīng)朝著擴(kuò)寬測(cè)定范圍方向發(fā)展。③古代樣品制備存在缺陷。所有經(jīng)歷了成巖作用的樣品，需要去掉膠結(jié)物后進(jìn)行研磨。在去掉樣品膠結(jié)物方面，會(huì)存在清理不足或清理過度的情況，在研磨樣品方面，會(huì)存在顆粒破碎過渡或顆粒黏結(jié)的情況，均破壞了顆粒原始形狀。

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