粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用

董續(xù)舒

摘要：沉積巖的物理性能受到粒度影響，導(dǎo)致物理性能變差，為了提高沉積巖的物理性能，提出了粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用。本文通過(guò)精密度指標(biāo)，從樣品用量、稀釋過(guò)程和樣品分取方式三方面，分析了影響粒度結(jié)果的因素。通過(guò)粒度分析區(qū)分沉積環(huán)境及判定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式的應(yīng)用、判別水動(dòng)力條件的應(yīng)用以及在其他方面的應(yīng)用。研究了粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了對(duì)沉積巖的物理性能的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：粒度分析；沉積巖；粒度特征

1.引言

在沉積學(xué)領(lǐng)域的研究中，粒度分析法在沉積巖中的應(yīng)用非常廣泛[1]。巖石顆粒大小可以作為研究沉積巖和沉積巖分類(lèi)的一個(gè)定量指標(biāo)，并且能夠反映出沉積流體的力學(xué)性質(zhì)。沉積巖粒度大小信息可以劃分沉積環(huán)境、確定碎屑物質(zhì)的運(yùn)移方式以及確定沉積巖形成時(shí)的水動(dòng)力條件等，提供非常重要的理論依據(jù)；在沉積巖存儲(chǔ)層的地質(zhì)學(xué)研究中，存儲(chǔ)層巖石粒度是影響存儲(chǔ)層物質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要因素[2]。粒度大小信息在研究中，是研究古氣候和沉積巖來(lái)源的重要依據(jù)；近幾年以來(lái)，海洋地質(zhì)研究得到了非常廣泛的發(fā)展。

對(duì)沉積巖粒度組成的研究已經(jīng)有近百年的歷史，歷史資料豐富、研究成果豐碩，為現(xiàn)代粒度分析奠定了理論基礎(chǔ)[3]。但是現(xiàn)在對(duì)沉積巖粒度概念的理解還比較簡(jiǎn)單，尋找精確的測(cè)量方法和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍然比較困難。對(duì)于沉積巖中顆粒分析的作用，不同領(lǐng)域的學(xué)者有著不同的理解。從粒度分析的歷史研究和現(xiàn)狀來(lái)看，它已成為沉積巖研究以及一些傳統(tǒng)行業(yè)和新興行業(yè)廣泛應(yīng)用的比較常規(guī)的一種分析方法，或者是解決沉積巖中關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的特殊方法[4]。

2.粒度分析方法

粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)采用麥克奇公司生產(chǎn)的粒度分析儀器，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的前處理通常是按照沉積學(xué)理論標(biāo)準(zhǔn)提供的方法進(jìn)行。

2.1粒度分析的精密度

精密度指標(biāo)是用來(lái)衡量粒度分析儀器性能的指標(biāo)，本文采用玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)檢驗(yàn)粒度分析儀的精密度，結(jié)果如表1所示。

分析表1的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得，粒度分析儀器在精密度測(cè)試方面具有非常好的結(jié)果，經(jīng)過(guò)5次實(shí)驗(yàn)測(cè)試之后，中值粒徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅有0.19，而相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.33%，對(duì)玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，計(jì)算了玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)樣品平均粒徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3%～5%之間。

從玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)樣品粒度的分布范圍上看，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)樣品粒徑在37μm～148μm之間，粒徑的比值為4∶1，沙漠樣品為1.5μm～600μm，沙漠樣品的粒徑比值為400∶1，沙漠樣品的粒徑比值較大。結(jié)果表明，采用粒度分析儀測(cè)試小尺寸的樣品時(shí)，比用細(xì)尺寸樣品得到的精密度要好。

2.2影響粒度分析結(jié)果的因素

對(duì)沉積巖粒度分析結(jié)果的影響往往存在多種因素，但是需要排除影響粒度分析儀器本身性能的因素，實(shí)驗(yàn)樣品的選擇也是影響沉積巖粒度分析結(jié)果最顯著的一個(gè)因素[5]。下面從沉積巖樣品的用量、稀釋工藝及分選方式等方面，分析影響沉積巖樣品分離的因素。

2.2.1樣品用量對(duì)分析結(jié)果的影響

由于沉積巖的粒度分布范圍通常比較廣泛，因此，在樣品的選取和分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮到實(shí)驗(yàn)樣品所具有的代表性，盡可能取量大的樣品。另外，粒度分析的樣品用量也比較少。實(shí)驗(yàn)所要求的沉積巖試樣最小體積應(yīng)該與粒度分布范圍呈正相關(guān)。對(duì)于沉積巖樣品的粒度范圍在20μm～ 200μm之間的，沉積巖試樣的用量至少為0.3L，而所需的分散劑為500L。對(duì)特定的粒度分析儀，則需要有一定的樣品杯容量。粒度測(cè)試儀的樣品杯容量為200 L。由此可估計(jì)出大約0.2g的樣本量。

用粒度分布范圍為30μm～150μm之間的沉積巖樣品進(jìn)行加樣量試驗(yàn)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在粒度分布范圍在0.2g～0.5g之間，沉積巖樣品基本上可以滿足粒度分析儀器的要求。

2.2.2稀釋過(guò)程對(duì)分析結(jié)果的影響

粒度分析儀通過(guò)附加狀態(tài)條來(lái)提示操作者對(duì)沉積巖樣品用量的適宜性，從而決定是否選擇進(jìn)行稀釋過(guò)程。比較同一份沉積巖樣品的直接測(cè)定和稀釋處理后測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，稀釋處理后沉積巖樣品的粗粒度變化較大。在稀釋過(guò)程中，粒徑大于200μm的顆粒比例減小，大于100μm～ 200μm的顆粒比例增大，小于100μm的顆粒比例變化不大。結(jié)果如圖1所示。

研究發(fā)現(xiàn)，稀釋過(guò)程對(duì)樣品中沉積巖顆粒的影響較大，并且大于100μm。另外，通過(guò)對(duì)比50組沉積巖樣品稀釋前后的粒度分布情況，說(shuō)明稀釋過(guò)程可以使沉積巖樣品的平均粒徑變細(xì)；按照粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沉積巖中砂粒含量逐漸減少，粉砂和粘土含量開(kāi)始增加。由于沉積巖試樣的粒徑分布非常廣泛，在稀釋處理過(guò)程中，可能會(huì)使沉積巖試樣中的粗顆粒產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。因此，稀釋處理過(guò)程會(huì)影響沉積巖樣品的粒度分布，在實(shí)際工作中應(yīng)該盡量按照粒度分析儀器的負(fù)載要求，采集和分析沉積巖樣品，減少稀釋處理過(guò)程對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2.2.3樣品分取方式對(duì)分析結(jié)果的影響

粒度分析的試驗(yàn)質(zhì)量要求是：兩個(gè)平行沉積巖試樣平均粒度值的絕對(duì)誤差必須控制在0.4Φ以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差的絕對(duì)誤差應(yīng)該控制在0.5Φ以內(nèi)。規(guī)范中規(guī)定的沉積巖樣品分離方法是：沉積巖樣品經(jīng)過(guò)相應(yīng)的預(yù)處理之后，按照所用粒度分析儀器的負(fù)載情況進(jìn)行均分，制成懸浮物上機(jī)檢測(cè)。沉積巖樣品的分取方法在實(shí)際工作中經(jīng)常采用，將所有預(yù)處理過(guò)的沉積巖樣品制成懸浮體，邊攪拌邊提取適量的上機(jī)試樣。采用兩種沉積巖樣品分選方法對(duì)30組樣品進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，采用均勻抽樣方法，平均粒度超差為10%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.33%；采用抽樣方法，標(biāo)準(zhǔn)偏差20%，標(biāo)準(zhǔn)超差6.67%。

按照粒度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在均分取樣方法分析的結(jié)果中，大部分砂的比例低于吸水取樣法，平均偏低2.02%；兩種方法中粉砂的比例有的高有的低，大部分砂都控制在5%以內(nèi)；采用均分法后，粘土的比例較大，比吸水取樣法高1.79%。

由以上分析可以看出，兩種沉積巖樣品分取樣式的抽取方法比較容易產(chǎn)生試驗(yàn)的隨機(jī)誤差。兩者所得到的粒度分布也存在一定差異。

3.粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用策略

沉積巖的粒徑分布主要由沉積巖的輸送介質(zhì)、輸送方式和沉積環(huán)境決定。通過(guò)對(duì)沉積巖粒度分布進(jìn)行相關(guān)研究，可以了解到沉積巖所處的沉積環(huán)境[6]。研究基于相同粒徑的沉積巖分布表明沉積環(huán)境是等效的假設(shè)。

3.1在區(qū)分沉積環(huán)境及判定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式上的應(yīng)用

依據(jù)概率累積曲線圖來(lái)區(qū)分沉積巖所處的沉積環(huán)境，沉積巖的粒度組成是按照顆粒移動(dòng)方式可以劃分為懸移、躍移和推移三種粗細(xì)不同的成分。每一種組分都具有不同的粒度分布特征，因而在概率累積曲線圖上反映的是彼此之間不同的三組線段[7]。其中，粗粒部分反映的是流行性組分，中粒部分反映的是跳躍性組分，細(xì)粒部分反映的是懸移性組分。每一條線段的斜率反映了相應(yīng)組分的分選情況，且分選程度越高越好。

利用粒度參數(shù)研究沉積巖的沉積環(huán)境時(shí)，常用的粒度參數(shù)包括平均粒度大小、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏態(tài)和峰度等。

平均粒徑表示的是沉積巖顆粒的粗細(xì)，以粒度參數(shù)作為沉積巖剖面的粒度韻律曲線，是研究沉積巖韻律的基礎(chǔ)；平面均粒度等高線圖是劃分相帶、尋找物源的依據(jù)之一。標(biāo)離差表示沉積巖的分離程度，通常用來(lái)分析沉積巖沉積環(huán)境的動(dòng)態(tài)性和沉積巖的物質(zhì)來(lái)源，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差為0時(shí)，說(shuō)明沉積巖樣品是絕對(duì)均勻的，事實(shí)上，自然界中不存在絕對(duì)均勻一致的沉積巖，所以標(biāo)準(zhǔn)差均大于0。偏態(tài)指沉積巖的粗細(xì)分布的對(duì)稱(chēng)性[8]。利用粒度參數(shù)研究沉積巖的類(lèi)型，往往需要對(duì)各種粒度參數(shù)進(jìn)行綜合分析，才能達(dá)到較好的效果。

3.2在判別水動(dòng)力條件上的應(yīng)用

沉積巖的粒度分布綜合反映了物質(zhì)來(lái)源、沉積區(qū)水動(dòng)力環(huán)境、輸送能力及輸送路線。從沉積巖的碎屑源區(qū)進(jìn)入海岸帶的碎屑往往是粗細(xì)不一的，在波浪流聯(lián)合作用下，細(xì)顆粒與粗顆粒相比運(yùn)動(dòng)快，在輸送過(guò)程中沉積巖碎屑被磨成粉碎狀，使得沉積巖物質(zhì)離來(lái)源越遠(yuǎn)，粒徑就越??；在水力強(qiáng)的地方，沉積巖顆粒就越粗；相反，在水力弱的地方，沉積巖的顆粒就越細(xì)。通過(guò)粒度分析資料對(duì)沉積巖進(jìn)行分類(lèi)和命名，所得到的沉積巖類(lèi)型分布規(guī)律，對(duì)于區(qū)分沉積巖沉積環(huán)境的水動(dòng)力條件具有重要意義。

3.3粒度分析在其他方面的應(yīng)用

沉積巖粒度數(shù)據(jù)除了可以用來(lái)確定沉積巖的類(lèi)型、確定沉積巖的運(yùn)動(dòng)方式以及確定水動(dòng)力條件外，還可以用來(lái)研究海洋環(huán)境中沉積巖的凈運(yùn)移方向，把沉積巖凈運(yùn)移方向與粒度參數(shù)的空間變化聯(lián)系起來(lái)，也就是粒度趨勢(shì)分析[9]。結(jié)果表明，同一沉積環(huán)境下，底質(zhì)的粒徑分布曲線隨取樣位置的不同而變化。顆粒大小特征的空間變化是由多種動(dòng)力輸送作用引起的，例如顆粒的磨損、選擇性輸送以及不同原料的混合等。據(jù)此可根據(jù)顆粒大小特征的空間差異，反演顆粒堆積前的搬運(yùn)過(guò)程。

4.結(jié)語(yǔ)

本文提出了粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用，利用精密度指標(biāo)，研究了影響粒度分析結(jié)果的因素，通過(guò)粒度分析在區(qū)分沉積環(huán)境及判定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式上的應(yīng)用、在判別水動(dòng)力條件上的應(yīng)用以及在其他方面的應(yīng)用，研究了粒度分析在沉積巖中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了對(duì)沉積巖的物理性能的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]季長(zhǎng)軍，伊海生，夏國(guó)清.圖像分析技術(shù)在碎屑巖粒度分析中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào)， 2012， 31（003）： 122-127.

[2]吳瓊，宋星原，張立軍，等；激光粒度分析儀在泥沙粒徑分析中的比測(cè)應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江， 2012（S1）： 174-176.

[3]譚成勛，劉偉，王雅靜，等； CONTIN算法及其在測(cè)量微凝膠顆粒粒度分布中的應(yīng)用[J].光散射學(xué)報(bào)， 2015（01）：29-34.

[4]劉祥奇，宋磊，吳奇龍，等；基于粒度分布曲線的鄰近傳播聚類(lèi)算法在沉積環(huán)境識(shí)別中的應(yīng)用——以白洋淀地區(qū)為例[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)， 2020， v.40； No. 183（01）： 201-212.

[5]葛東升，劉玉明，柳雪青，等；粒度分析在致密砂巖儲(chǔ)層及沉積環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].特種油氣藏， 2018， 025（001）： 41-45，72.

[6]劉培炎.激光粒度儀干法和濕法測(cè)試在涂料粒徑分析中的應(yīng)用[J].涂料工業(yè)， 2016， 46（12）： 58-58.

[7]王英杰，韓春蘭，齊向宇，等；超聲波技術(shù)在火山碎屑物發(fā)育土壤粒度分析中的應(yīng)用[J].土壤通報(bào)， 2016（2）：314-319.

[8]陳敏，賀益君，王靖岱，等；基于小波包分析和K-OPLS的集成方法在顆粒粒徑分布檢測(cè)中的應(yīng)用[J].化工學(xué)報(bào)， 2010， 61（006）： 1349-1356.

[9]明菊蘭，孫曉卿，章月芳.激光衍射法在離子交換樹(shù)脂粒度分析中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電， 2013， 042（002）：71-73.