粒度分析在沉积岩的成因和沉积相中的应用.docx

粒度分析在沉积岩的成因和沉积相中的应用.docx

《粒度分析在沉积岩的成因和沉积相中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《粒度分析在沉积岩的成因和沉积相中的应用.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

粒度分析在沉积岩的成因和沉积相中的应用

碎屑岩石学

读书报告

——粒度分析在沉积岩的成因

和沉积相中的应用

一、粒度的概念及标准

1.粒度的概念

粒度有两种值，线性值和体积值。

体积值一般以标准直径（dn）表示，它代表与颗粒体积相等的球的直径。

线性值常因颗粒形状不规则使测定测值很因难。

通常测三个值，最长直径dL、中间直径dI及最短直径dJ。

可按下述步骤确定这三个值：

（1）．确定颗粒的最大投影面；

（2）．做垂直最大投影面方向的最长截线，即最短

直径dJ

（3）.对最大投影面做切线矩形（图l一1），矩形

酌短边即中间直径dI，长边则是最长直径dL。

可以看出，dL及dI的方向同时还表明颗粒在空间的方位，因此，它们既可用于粒度，也可作颗粒的组构分析用。

线性值粒度较常用，在砾岩研究中有时也用体积值。

2.粒度的标准

所谓粒度标准,就是人们所能通用的粒度标定方法。

在国内外、各个行业流行的粒度标准不下二十余种。

在地质部门,一般认为伍登——温德华标准比较合适。

这个标准以毫米为单位,2为底数,以2的n次方向两端扩展,形成一个以1为基数,2为公比数的等比级数数列。

伍登——温德华标准的优点是规律严谨,便于计算,其划分的精度也随着粒度的减小而提高。

此外,它也反映沉积颗粒的自然特性,这同尤尔斯特隆图解、谢尔兹图解、维希尔正态概率图解所揭示的砾、砂、粘土的水动力学特性是一致的。

但该标准的小数形式太过繁琐,应用不便。

为此,克鲁宾对此做了简单而巧妙的对数变换,即构成了所谓的“∮值”。

标准,它是一个简单的等差级数数列,数字简单,便于计算、绘图,其不足之处是不直观。

现在二者合用称为伍登——温德华——∮值标准（见表1）,1969年美国经济古生物学家和矿物学家协会推荐这一联合标准作为共同的粒度标准。

二、粒度分析的方法

砾石可用直接法测量，如用测杆、测规量砾石的直径，用量筒测砾石的体积。

可松解或疏松的细、中碎用岩多采用筛析法。

粉砂及帖土岩常用沉降法、流水法、液体比重计等方法测定。

虽少的小样或浓度太低的粉砂、粘土样，可采用光学法和电法。

固结的无法松解的岩石只能采用薄片杭算法。

近来已有自动、半自动粒度分析仪出现大大的提高了工效，并减轻了劳动强度。

1.直接测量法

大于2毫米的砾石可直接用尺子或测规量测。

每颗砾石分别测量其三轴:

长轴[A]、中轴[B]与短轴[C],而用三轴的几何平均值[A+B+C]/3或三轴乘积的立方根来代表该砾石的粒径。

若只做粗略的测量,则可以用砾石的中轴代表其粒径,但不宜采用其长轴或短轴。

每一粒级的含量是以每一粒级砾石的个数与所采砾石的总数（100—300个）的百分比或以重量百分比来计算。

选取测量点时,要考虑该点的砾石平均情况,不得偏重于大砾石或小砾石。

2.筛析法

筛析法是分析细砾和砂的主要方法。

较粗的套筛由带孔的金属片制成,筛孔为圆形,直径相等。

较细的套筛则由金属丝编成方格形的筛网。

通常取筛析样品50g以上,在震筛机上筛约10分钟,然后分级称重。

各级重量的总和应是100%,若不足或大于此数,应将误差按比例分配到各级重量中去。

筛析法设备简单,操作简便,分析迅速,并可将全部样品分离。

缺点是孔径过小的套筛误差比较大,故不适宜用于分析粉砂、黏土颗粒。

3.水析法（沉降法）

水析法也称为沉降分析法,其基本原理是利用颗粒沉降速来划分粒级分布。

因为测定沉降速度较之测定沉积物颗粒几何大小,似乎更能反映基本动力学的特性,因而比其他任何测定粒度的方法都更符合自然情况。

但这个方法只适宜用于分析较细的粉沙和粘土样品,常用的方法是移液管法。

由于颗粒很细,易于被胶结和发生凝聚,故要对样品去钙质胶结物和有机质,在悬浮液中要加适量的分散剂。

近几年来,利用颗粒沉降原理设计的粒度分析方法不断改进,先后已有沉积天平光学法和压差法,但由于技术等原因,目前沉降分析法在所测粒度特性的显著性和测量技术的精确性等方面还受到某些限制。

4．激光粒度分析仪法

激光粒度分析仪法是20世纪70年代发展起来的一种有效、快速测定粒度的方法,相对于经典的沉降法和重力沉积作用法来说,具有精度高、快速、人为因素造成的误差小等优点。

在国外该方法已取得一致公认,并得到广泛地应用。

激光粒度分析仪法主要特点:

（1）测量的粒径范围广,将多种光散射原理结合起来,通过计算机的人工智能系统来自动灵敏地改变测量模式,从而扩大粒度测试的范围。

测定范围十分宽广,从纳米到微米量级即:

20～2000μm,某些情况下上限可达3500μm。

（2）适用范围广泛,不仅能测量固体颗粒,还能测量液体中的粒子。

DeSmet利用前向光散射的同时测量了二维粒子的平均粒径和形状。

并且利用粒度测试仪与红外、质谱和核磁共振等连用技术,使粒度测试内容多样化。

（3）重现性好,与传统方法相比,激光粒度分析仪能给出准确可靠的测量结果。

（4）测量时间快,整个测量过程1-2分钟即可,某些仪器已实现了实时检测和实时显示,可以让用户在整个测量过程中观察并监视样品。

三、粒度分析结果的整理

粒度分析的结果可取得大量的测值。

这种大量的数字资料要用统计的方法加以处理，以便用来推断可能的总体性质。

统计的第一步需要的是综合资科，综合的方法有二，1．根据资料做出一些图，从这些图上做定量的解释；2．直接从粒度资料手工或用计算机计算

统计参数，而不经中间的做图阶段。

两种方法各有其优缺点。

比如计算法，尽管现在有了计算机，计算起来相当快速方便，但若不同时作出各种统计图，就不能对资料有总体和直观的认识，不易察觉是否为双众数曲线，也看不山因称重或筛孔不合格引起的误差。

另外也无法得出成因的一般认识。

对一个混合的粒度组合，实际上任何方法都不如统计图示法好。

因为不可能有一个“复合参数”能完全揭示出复杂的分布性质。

最后还有，在用做图法求参数时，能简单快速地得出达到一般要求的近似值。

因此，目前一般是两种方法同时采用，既用图示，也求统计参数。

常用的粒度固有直方图（或称柱状图）、频率曲线图以及累积曲线固等。

直方图常以粒径区间（组距）为横座标，以频率（或频数）为纵座标作成的一种最简单的统计图（图3—1）。

它是以矩形面积代表频率（或频数）的分布。

优点是它比别种图更一目了然地表示出各种样品粒度的变化，众数的位置和移动、偏度的情况等。

如果将直方图上各矩形上边中点近成一圆滑曲线则成为频率曲线图（图2—2的曲线1）。

这种图的优点是能更准确地确定众数值，即出现最高频率时的粒度值。

图3-1一些样品的直方图

累积曲线图又称累积百分含量图是用米表现大于一定粒级的百分含量的统计图。

它是以粒径（¢值）为横座标，以累积频率或概率值为纵座标。

如果纵座标是累积频率称为累积频率图（图3—2曲线2），如果以概率值为纵座标作出的图则叫做概率值累积曲线图（图3—2曲线3）。

后若是使用正态概率纸、或对数正态概率纸作图。

由于粒度分布一般属正态分布或对数正态分布，故它在前一类图中多呈S形，而在后一类图上则为直线形。

累积曲线的优点是：

1．可以用分组或不分组的资料做图，同时曲线形状不太受分组间隔大小的影响；2．可以从曲线上直接读出分布的四分位值或任意分位值，如Q1、Md、Q3等；3．在正态概率纸上做图，便于用肉眼与正态分布做比较。

更重要的是还可进一步说明颗粒搬运状态（详后）。

累积曲线的缺点是不如直方图那样一目了然，特别是不易确定曲线的众数值和众数组。

图3-2三种粒度图的比较

1——频率曲线；2——累积频率曲线；3——概率值累积曲线

累积概率曲线一般为三段式：

滚动组分、跳跃组分和悬浮组分。

每个直线段需要有4个以上的点构成。

概率累积曲线的主要结构参数：

粗切点：

表示能跳跃的最粗颗粒（水动力强则粗切点左移）；细切点：

表示能悬浮的最粗颗粒。

分选性：

以每个直线段的陡缓反映分选好坏。

线段陡（＞500～600）分选好，线段平缓（200～300）分选差。

四、粒度参数及其与沉积环境的关系

粒度参数是以一定的数值定量地表示碎屑物质的粒度特征。

单个粒度参数及其组合特征可作为判别沉积水动力条件及沉积环境的参考依据。

常用的粒度参数包括：

平均粒度、分选系数、偏度、峰度。

1、平均粒径（Mz）和中值（Md）：

（1）中值（Md）：

是指累积曲线上颗粒含量为50%处对应的粒径，用毫米（或φ值）表示。

中值的含意是指它在粒度上居于沉积物的中央，有一半重量的颗粒大于它，另有一半小于它。

（2）平均粒径（Mz）：

φ16、φ50和φ84分别代表累积曲线上百分含量为16%、50%、84%三处的粒径（φ值）。

平均粒径和中值的意义：

代表粒度分布的集中趋势，即碎屑物质的粒度一般是趋向于围绕着一个平均的数值分布，这个数值就是平均粒径或中值或众数。

在实际意义上，它反映了搬运介质的平均动能。

2、标准偏差和分选系数：

标准偏差和分选系数是用来表示颗粒大小均匀程度的参数。

（1）分选系数（SO）：

式中P25和P75分别代表累积曲线上颗粒含量25%和75%处所对应的颗粒直径。

当颗粒分选很好时，P25和P75两值很靠近，所以SO值就接近于1；相反，SO值越大则说明分选性越差。

根据SO值可以划分分选等级：

SO=1～2.5，分选好；SO=2.5～4.0，分选中等；SO＞4.0，分选差。

（2）标准偏差（σ1）：

这个σ1值能更好地反映曲线尾部的分选性，因此经常被采用。

用标准偏差（σi）确定的六个分选级别：

σ1＜0.35，分选极好；σ1=0.35～0.50，分选好；

σ1=0.50～0.71，分选较好；σ1=0.71～1.00，分选中等；

σ1=1.00～2.00，分选较差；σ1=2.00～4.00，分选差；

σ1＞4.00，分选极差；

分选性的实际意义：

分选性的好坏也可以作为环境标志。

沉积物的分选程度与沉积环境的水动力条件有密切关系。

总的来说，从风成砂丘—海（湖）滩砂—河道砂—冰川和冲积扇沉积，其分选程度依次变差。

3、偏度（SK1）：

偏度是用来表示频率曲线对称性的参数，实质上反映粒度分布的不对称程度的。

频率曲线按其对称形态特征可分为三类：

图4-1不同偏度的频率曲线形态

（1）正态：

峰两侧粗细粒径的百分比含量互相对应地减少，形成以峰为对称轴的对称曲线。

此时中值、平均粒径和众数三者为同一数值，说明沉积物分选好。

SK1=0

（2）正偏态：

曲线形态不对称，峰偏向粗粒度一侧，细粒一侧有一低的尾部，说明沉积物以粗组分为主，分选性变差。

SK1＞0

（3）负偏态：

曲线形态不对称，峰偏向细粒度一侧，粗粒一侧有一低的尾部，说明沉积物以细组分为主，分选性变差。

SK1＜0。

偏度的分级：

SK1=－1～－0.3，很负偏；

SK1=－0.3～－0.1，负偏；

SK1=－0.1～＋0.1，近对称；

SK1=＋0.1～＋0.3，正偏；

SK1=＋0.3～＋1，很正偏；

偏度的实际意义：

不同沉积环境形成的沉积物的频率曲线形态不同，所以，频率曲线的偏度对于了解沉积物的成因有一定的意义：

河成沉积物因悬浮物被大量带向下游，所以，一般沉积物以粗粒为主，故多属正偏态。

海滩沉积物由于潮汐、波浪高能量作用的结果多数为近对称，偏度值近于零。

但有些呈微弱的负偏态。

风成砂丘由于细粒物质被吹走，则多形成正偏态。

4、峰度（KG）：

峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的参数。

峰度值一般是用频率曲线尾部展开度与中部展开度之比来表示的，其公式为：

在对称正态曲线中，φ95与φ5之间粒度间距（尾部展开度）是φ75φ25之间粒度间距（中部展开度）的2.44倍，因此正态粒度分布的KG=1。

图4-2不同峰度的频率曲线形态

峰值的等级界限：

值越大峰越尖，越小越平

KG＜0.67，很平坦；

KG=0.67～0.90，平坦；

KG=0.90～1.11，中等（正态）；

KG=1.11～1.56，尖锐；

KG=1.56～3.00，很尖锐；

KG＞3.00，非常尖锐。

表4-1常用的粒度参数

表4-2几种常见沉积类型的粒度特点

五、C-M图及其与沉积环境的关系

帕塞加在1957年讨论了C—M因之后，于1964年又分析了代表很多地区、各地质时代的上万个样品，发现C—M图与沉积搬运作用密切相关，可以提供关于沉积物的水动力状况资料。

一般搬运沉积物的水流有两种，牵引流和浊流。

河流、海流及触底的波浪属牵引流存在于悔底大陆斜坡或海下扇的混浊密流属浊流。

牵引流和浊流所做的C—M图的形状不同（图5—1）。

牵引流的综合C—M图是根据密西西比河按深度间距取样并结合其他地区的C—M图做出的。

此C—M图被N、O、P、Q、R及S各点截成几个区段。

1．NO段代表分选好的粗粒滚动沉积物，C值一般＞1毫米，构成河流的沙坝

2．OP段代表滚动物质增加情况下，滚动和悬浮物质的混合，C值改变将严重影响M值的变化。

3．PQ段代表悬浮沉积和小比例不影响中位数的滚动颗粒。

这段中常缺乏500一1000微米的粒级。

图5-1C-M图

4．QR段为递变悬浮区。

在河底的上面，沉积物一般成悬浮状，特点是粒度和浓度向上方规则地下降。

根据密西西比河某地的资料，此段一般厚2米，浓度为1—8．5克／升，大致相当第一节中所谈的跃移质。

帕塞加并且还认为用递变悬浮比常用的跃移质名词更好，因为颗粒在底上2米高度的水中能跳跃分选是难于理解的。

因目前对这两个名词的意义的看法还不统一，故我们暂时保留这两个名词，未做统一。

帕塞加认为通变悬浮是受底部摩擦所引起的紊流控制的，紊流愈强时，悬浮的颗粒忿粗；当紊流减弱时，开始了沉积作用。

递变悬浮沉积物的一个最大特点是C和M成比例的增加。

因此可以假定那些C是M具有严格比值特征的沉积物是由递变悬浮形成的。

5．RS段为均匀悬浮。

一般位于递变悬浮之上，厚度也较其大，但浓度则较小，而且在垂直方向上浓度和粒度均匀一致。

密西西比河某地的均匀悬浮最大浓度为3．5克／升，有10米厚。

但密西西比河有时可以不存在递交悬浮段，均匀悬浮直接与河底接触。

因均匀悬浮在C—M图上的RS段的C值是常数，而只1f值变化，故累积曲线的形状成一系列的凸形，一般均匀悬浮的粒度组分分选好，随着M值变小而分选性变差。

6．T区远洋悬浮区是最细粒的物质或聚合体，可以由表流搬运至一定的距离。

暂认它们的粒度C值＜3l微米；M值＜3微米。

与均匀悬浮物之间无明显的界限，在海洋陆棚外斜坡的均匀悬浮沉积中，最细最深（50米）的沉积物亦暂归此类；河流的后沼泽沉积可属此类。

牵引流的C—M图上有几个临界值，Cr代表最易滚动的粒度；Cs代表远变悬浮搬运的最大粒度，为底部最大紊流的指标，Cu代表均匀悬浮的最大粒度，是底部紊煽上面水流最大扰度的指标。

不是所有的牵引流C—M图都发育全部区段，有些海湾和潮坪的牵引流C—M图只存在2—3个段。

帕塞加（1957）根据已知环境的当代沉积样品，制定了基本的C—M图形（图5-1）G详细情况见图内的说明。

他对于河流的综合C—M图的理解是，PQ段〔图5-2的v区）样品点一般代表河道沉积；QR段（Ⅳ区）样品点代表水下堤或沙坝沉积，贴段（Ⅰ区）样品点代表河道向的隐蔽安静部分沉积。

图5-2当代沉积物的C-M图基本图形

六、结论

总之，运用粒度资料作为研究沉积环境的一个手段是必不可少的，它能判断沉积时的动力大小，某种情况下还能确定沉积物的动力性质以及物源情况.但作为对沉积物的研究来说，只分析动力条件是不能满足研究要求的。

因为，沉积物在形成过程中除了动力因素的作用以外，还有其它物理、化学、生物等因素的作用.因此，要把单一的粒度资料作为判别沉积环境的指标是困难的，只有结合其他物质组成如轻、重矿物、粘土矿物、生物组合、结构构造等资料，才能使粒度资料发挥更大的作用，也只有这样的综合资料才有成因上的意义.