几种主要粒度分析方法的优缺点

彭飚　常甜甜

摘要：粒度是沉积物重要的结构特征，也是其分类命名的基础。目前主要的粒度分析测试方法有激光法、筛析法、图像法和沉降法。不同的粒度分析测试方法依据不同的颗粒特征，因此不同的方法对同一样品的测量结果不同。各种粒度分析测试方法均存在精度或检测范围问题。激光法的检测范围为0.000 05 - 3.5 mm，筛析法为0.1 -1 000 mm.图像法为0.1 - 20 mm，沉降法为0.000 05 - 0.1 mm。不同的测试方法对样品也有不同的适用范围，激光法、筛析法、沉降法适用于胶结程度中等及以下的样品，图像法无限制。因此，根据样品的特征或测量要求选取合适的测量方法十分重要。

关键词：粒度分析;激光法;筛析法;沉降法

中图分类号：TH744.5

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.014

粒度是沉积物重要的结构特征，是其分类命名的基础。粒度资料也被广泛应用于判断沉积环境和分析沉积物搬运过程。传统的粒度分析测试方法有沉降法、筛析法和薄片粒度图像分析法等[1-4]。20世纪70年代后，一些学者提出了使用光学衍射原理测试颗粒的粒径.由此诞生了激光法[5-6]。由于激光法具有分析速度快、重现性好、精度高等优点，近年来激光法被广泛应用[2-4，7-8]。但由于各种测量方法原理不同、操作性不同、适用范围的不同以及测量仪器的不同，各种方法可对同一样品测量出不同的结果[2-4. 8-11]。为了合理地使用、比较不同方法测试的粒度数据，本文概述了各个方法的原理、优缺点以及适用范围。

1 激光法

激光粒度仪的工作原理基于光与颗粒之间的作用。在光束中，一定粒径的球形颗粒以一定的角度向前散射光线，这个角度接近于与颗粒直径相等的孔隙所产生的衍射角。当单色光束穿过悬浮的颗粒流时，颗粒产生的衍射光通过凸透镜聚于探测器上，如图1所示，记录下不同衍射角的散射光强度。同时，不发生衍射的光线，经凸透镜聚焦于探测器中心，不影响发生衍射的光线，因此颗粒流经过激光束时产生一个稳定的衍射谱。

衍射光的强度I（θ与颗粒的粒径有如下关系[3]：式（l）中：I（θ）为以θ角散射的光强度;θ为散射角度;R为颗粒半径;n（R）为颗粒的粒径分布函数;K=2π/λ，λ为激光的波长;Jl为第一型贝叶斯函数。

根据测得的I（θ），可由方程（l）反演求得粒径分布n（R）。激光法具有分析速度快（1-2分钟/个）、精度高、人为因素造成误差小等优点，但激光法对样品胶结程度及粒度范围均有限制。激光法主要适用于胶结程度中等及以下的样品，将样品去胶结物處理，用橡胶锤反复研磨，直至样品完全散开，方可测旦[1， 7]。激光法的粒度适用范围分为湿法和干法。湿法的检测范围为0.05 - 900 μm，适用于泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩及部分粗砂岩样品;干法的检测范围为4-3 500μm，可适用于粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩及部分细砾岩样品，但4 μm以下的粒径检测不到[8]。如果遇到超出检测范围的样品，一般采用联合测量方法，比如干湿联合方法、激光筛选联合方法等，用标准筛将样品分开，称重后，筛上样品做干法或筛选法，最后综合数据[1]。

不同的激光粒度分析仪对同一样品测量的结果也会有所不同，有时会出现较大的差距[2]。这主要是仪器硬件和软件的差异导致的，比如激光光源的波长、透镜位置与大小[2]。在实际工作中，应尽可能采用同一种仪器进行测量。

2 筛析法

将解散后的碎屑颗粒倒人一套孔径不同的标准筛中，通过充分振筛，将不同粒级的碎屑颗粒充分分开，称量各粒级碎屑颗粒质量，求得碎屑颗粒的粒度分布范围[1，13]。 筛析法主要应用于胶结程度中等及以下的砂岩和砾岩;筛析法的缺点是孔径过小的套筛误差较大，所以，不适宜分析粉砂、黏土颗粒，并且精度相对较低[1，13]。 筛析法与激光法对同一样品进行测量时可以得到不同的结果[2，3]。研究表明，激光粒度仪测试结果比筛析法测试结果整体偏粗，这是由于测试机理不同和对颗粒直径的定义不同所导致的[3]。

3 图像法

根据体视学原理，三维空间内特征点的特征可以用二维界面内特征点的特征来表征。图像分析方法是将显微镜下的图像摄取到计算机中，在计算机上对二维图像进行扫描，并对特征点的像素群进行测量统计、编辑处理，得到二维图像的特征值，从而得出碎屑岩粒度分布结果[1，2，13]。

图像法主要应用于胶结程度中等及以上的砂岩和粗粉砂岩。图像法与激光法对同一样品测量结果相比较，发现激光法测得的平均粒径较图像法偏细，标准偏差、偏度和峰度等值都偏大[2]。一方面是由于图像法忽略了粉砂和黏土的统计;另一方面图像法测得的是颗粒物的面积百分比，而激光法测得的是质量百分比[2]。

4 沉降法

沉降法是利用不同粒径的颗粒在液体中的自由沉降速度不同来测定各级的含量，从而得出细颗粒的粒度分布[1]。沉降法主要应用于胶结程度中等及以下的粉砂岩和泥岩的测量[3，13]。沉降法的精度不高，除了操作方法本身的缺陷之外，人为因素带来的误差也可影响测试结果的可靠性[3，13]。 沉降法与激光法对同一样品测量结果相比较，激光粒度仪测定黏土组分的含量较沉降法偏低[3]，这主要由激光粒度仪的测量范围和测试原理导致[3]。

5 粒度分析测试方法的适用范围

以上各种方法的测量范围、样品胶结程度限制及重现性均不相同，具体如表1所示。根据不同的样品以及不同的测量需求应选取合适的测量方法。

6 结论

随着计算机等技术的快速发展，粒度分析测试方法正朝着多样化、精确化、自动化方向发展。但还存在以下问题：①不同的粒度分析测试方法依据于不同的颗粒特征，如筛析法测定是颗粒能穿过的洞的孔径;沉降法测定的是颗粒的沉降速度;图像法测定的是颗粒的横截面积;激光法测定的是颗粒的透光性。而这些特征之间缺乏确定的关系，因此对于同一颗粒，不同方法测定的粒径不尽相同。目前，并没有一个对非球体颗粒粒径的统一定义，因此不同方法的准确性难以比较。各种方法的准确性只能根据测试同一样品的重现性来体现，重现性高则此方法准确性高，重现性低则此方法准确性低。②各种粒度分析测试方法均存在精度或检测范围问题。比如激光法中的湿法检测范围为0.05 - 900μm，对于泥石流样品则不能满足需求。对于这种粒度范围广的样品可以采用联合测定方法，但这种联合测定方法本身就存在误差。未来的粒度分析测试方法应朝着扩宽测定范围方向发展。③古代样品制备存在缺陷。所有经历了成岩作用的样品，需要去掉胶结物后进行研磨。在去掉样品胶结物方面，会存在清理不足或清理过度的情况，在研磨样品方面，会存在颗粒破碎过渡或颗粒黏结的情况，均破坏了颗粒原始形状。

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