幾種主要粒度分析方法的優(yōu)缺點

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。不同的粒度分析測試方法依據(jù)不同的顆粒特征，因此不同的方法對同一樣品的測量結(jié)果不同。各種粒度分析測試方法均存在精度或檢測范圍問題。激光法的檢測范圍為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。不同的測試方法對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，圖像法無限制。因此，根據(jù)樣品的特征或測量要求選取合適的測量方法十分重要。

關(guān)鍵詞：粒度分析;激光法;篩析法;沉降法

中圖分類號：TH744.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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過程。傳統(tǒng)的粒度分析測試方法有沉降法、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，近年來激光法被廣泛應(yīng)用[2-4，7-8]。但由于各種測量方法原理不同、操作性不同、適用范圍的不同以及測量儀器的不同，各種方法可對同一樣品測量出不同的結(jié)果[2-4. 8-11]。為了合理地使用、比較不同方法測試的粒度數(shù)據(jù)，本文概述了各個方法的原理、優(yōu)缺點以及適用范圍。

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，顆粒產(chǎn)生的衍射光通過凸透鏡聚于探測器上，如圖1所示，記錄下不同衍射角的散射光強(qiáng)度。同時，不發(fā)生衍射的光線，經(jīng)凸透鏡聚焦于探測器中心，不影響發(fā)生衍射的光線，因此顆粒流經(jīng)過激光束時產(chǎn)生一個穩(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;Jl為第一型貝葉斯函數(shù)。

根據(jù)測得的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）、精度高、人為因素造成誤差小等優(yōu)點，但激光法對樣品膠結(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以下的粒徑檢測不到[8]。如果遇到超出檢測范圍的樣品，一般采用聯(lián)合測量方法，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同一樣品測量的結(jié)果也會有所不同，有時會出現(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、透鏡位置與大小[2]。在實際工作中，應(yīng)盡可能采用同一種儀器進(jìn)行測量。

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，將不同粒級的碎屑顆粒充分分開，稱量各粒級碎屑顆粒質(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，并且精度相對較低[1，13]。 篩析法與激光法對同一樣品進(jìn)行測量時可以得到不同的結(jié)果[2，3]。研究表明，激光粒度儀測試結(jié)果比篩析法測試結(jié)果整體偏粗，這是由于測試機(jī)理不同和對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)特征點的特征可以用二維界面內(nèi)特征點的特征來表征。圖像分析方法是將顯微鏡下的圖像攝取到計算機(jī)中，在計算機(jī)上對二維圖像進(jìn)行掃描，并對特征點的像素群進(jìn)行測量統(tǒng)計、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。圖像法與激光法對同一樣品測量結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)激光法測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;另一方面圖像法測得的是顆粒物的面積百分比，而激光法測得的是質(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定各級的含量，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試結(jié)果的可靠性[3，13]。 沉降法與激光法對同一樣品測量結(jié)果相比較，激光粒度儀測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量范圍和測試原理導(dǎo)致[3]。

5 粒度分析測試方法的適用范圍

以上各種方法的測量范圍、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量需求應(yīng)選取合適的測量方法。

6 結(jié)論

隨著計算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展，粒度分析測試方法正朝著多樣化、精確化、自動化方向發(fā)展。但還存在以下問題：①不同的粒度分析測試方法依據(jù)于不同的顆粒特征，如篩析法測定是顆粒能穿過的洞的孔徑;沉降法測定的是顆粒的沉降速度;圖像法測定的是顆粒的橫截面積;激光法測定的是顆粒的透光性。而這些特征之間缺乏確定的關(guān)系，因此對于同一顆粒，不同方法測定的粒徑不盡相同。目前，并沒有一個對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各種粒度分析測試方法均存在精度或檢測范圍問題。比如激光法中的濕法檢測范圍為0.05 - 900μm，對于泥石流樣品則不能滿足需求。對于這種粒度范圍廣的樣品可以采用聯(lián)合測定方法，但這種聯(lián)合測定方法本身就存在誤差。未來的粒度分析測試方法應(yīng)朝著擴(kuò)寬測定范圍方向發(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，會存在清理不足或清理過度的情況，在研磨樣品方面，會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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