粒度分布特征及其環(huán)境意義
沉積物的顆粒大小稱(chēng)為粒度。研究碎屑沉積物和碎屑巖的粒度大小和各種粒級(jí)的分布特征的方法稱(chēng)為粒度分析。粒度分布特征可反映沉積介質(zhì)的流體力學(xué)性質(zhì)和能量，故是判別沉積環(huán)境及水動(dòng)力條件的一個(gè)重要物理標(biāo)志，而且對(duì)于油氣沉積儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)也有重要意義。
碎屑物質(zhì)以機(jī)械搬運(yùn)為主，其搬運(yùn)和沉積作用是受水動(dòng)力條件（如介質(zhì)、流量、流速）控制的，碎屑物質(zhì)埋藏后除部分石英有次生加大或溶解外，一般顆粒變化不大。因此，粒度大小及分布特征，可用來(lái)直接反映沉積時(shí)的水動(dòng)力條件。研究粒度分布，可提供如下資料：①明確搬運(yùn)介質(zhì)性質(zhì)，如風(fēng)、水、冰川、泥石流、濁流等；②判斷搬運(yùn)介質(zhì)的能量條件，如流速、強(qiáng)度、起動(dòng)能力等；③明確搬運(yùn)方式，如滾動(dòng)、跳躍、懸浮；④明確沉積作用的形式，如牽引流、濁流等。
（一）粒度分析的主要方法
根據(jù)顆粒大小及巖石致密程度不同，分別采用如下四種方法。
1.直接測(cè)量法
一般用于礫巖或礫石，其方法是用度量工具直接測(cè)量礫石的直徑或視直徑大小，一般測(cè)量一定面積內(nèi)的全部礫石（粒徑大于2mm的顆粒）不少于100個(gè)，用于河流、濱海、冰川、洪積等礫巖的分析。
2.篩析法
用于未固結(jié)或膠結(jié)較差的含礫砂巖到粉砂巖，它是用一套篩孔直徑不同的篩子將砂樣過(guò)篩，以分成不同的粒級(jí)組分，一般篩孔直徑按1/4?間隔選擇較好，稱(chēng)出每層篩內(nèi)砂的質(zhì)量，并求出其百分含量。篩析法比較簡(jiǎn)便，也較精確，注意取樣應(yīng)在一個(gè)完整層序內(nèi)，粗、中、細(xì)砂均應(yīng)取樣。
3.薄片粒度法
一般用于較致密的巖石，其方法是在顯微鏡下，用測(cè)微尺直接測(cè)量巖石薄片中顆粒的最大視直徑，并將測(cè)量值換算成?值，按1/4 間隔分組，計(jì)算各組內(nèi)顆粒百分?jǐn)?shù)，每片要求統(tǒng)計(jì)300～500顆粒。
4.激光衍射粒度分析法
激光衍射粒度分析是根據(jù)激光照射到顆粒后，顆粒能使激光產(chǎn)生衍射或散射的現(xiàn)象來(lái)測(cè)試粒度分布的。光在行進(jìn)中遇到微小顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。大顆粒的散射角較小，小顆粒的散射角較大。激光衍射粒度分析能對(duì)干濕松散顆粒樣品進(jìn)行快速、精確、便捷的粒度分析，可在納米至毫米粒度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。
由激光器的發(fā)生的激光，經(jīng)擴(kuò)束后成為一束直徑為10mm左右的平行光。在沒(méi)有顆粒的情況下該平行光通過(guò)富氏透鏡后匯聚到后焦平面上。大顆粒引發(fā)的散射光的角度小，顆粒越小，散光與軸之間的角度就越大。這些不同角度的散射光通過(guò)富姓氏透鏡后在焦平面上將形成一系列有不同半徑的光環(huán)，由這些光環(huán)組成的明暗交替的光斑稱(chēng)為Airy斑。Airy斑中包含著豐富粒度信息，簡(jiǎn)單地理解就是半徑大的光環(huán)對(duì)應(yīng)著較小的粒徑；半徑小的光環(huán)對(duì)應(yīng)著較大的粒徑；不同半徑的光環(huán)光的強(qiáng)弱，包含該粒徑顆粒的數(shù)量信息。這樣我們?cè)诮蛊矫嫔戏胖靡幌盗械墓怆娊邮掌?，將由不同粒徑顆粒散射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過(guò)米氏散射理論對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就可以得到粒度分布了。
激光衍射粒度分析法具有以下主要特點(diǎn)：①測(cè)量的粒徑范圍廣，將多種光散射原理結(jié)合起來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的人工智能系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)靈敏地改變測(cè)量模式，從而擴(kuò)大粒度測(cè)試的范圍，測(cè)定范圍十分寬廣，從納米到微米量級(jí)（0.02～2000μm）；②適用范圍廣泛，不僅能測(cè)量固體顆粒，還能測(cè)量液體中的粒子，DeSmet利用前向光散射的同時(shí)測(cè)量了二維粒子的平均粒徑和形狀，并且利用粒度測(cè)試儀與紅外、質(zhì)譜和核磁共振等連用技術(shù)，使粒度測(cè)試內(nèi)容多樣化；③重現(xiàn)性好，與傳統(tǒng)方法相比，激光粒度分析儀能給出準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果；④測(cè)量時(shí)間快，整個(gè)測(cè)量過(guò)程1～2分鐘即可，某些儀器已實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)顯示，可以讓用戶(hù)在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中觀(guān)察并監(jiān)視樣品。
運(yùn)用上述不同的方法所得到的分析結(jié)果可能有偏差，如薄片粒度與篩析粒徑之間的偏差可達(dá)0.25?或更大，這是切片效應(yīng)造成的結(jié)果（切片效應(yīng)是指在顆粒集合體的切片中，顆粒的視直徑均小于其真直徑），必須進(jìn)行校正，弗里德曼（1962）提出的粒度回歸校正方程是：D＝0.3815＋0.9027d（D—校正后篩析直徑?；d—薄片中視直徑?）。
在運(yùn)用薄片粒度法進(jìn)行粒度分析時(shí)還必須考慮砂巖中基質(zhì)的影響，即進(jìn)行雜基校正，方法是用顯微鏡測(cè)定或估出雜基含量，由于切片效應(yīng)和成巖后生作用，其值一般較高，取其2/3或1/2為校正值，假定為X，將各累計(jì)頻率乘以（100-X）作為該粒級(jí)的真正百分含量。
總之，在樣品類(lèi)型和實(shí)驗(yàn)條件具備的情況下，采用激光衍射粒度分析法是最為合理有效的方法，目前，在材料科學(xué)和沉積學(xué)研究中廣泛應(yīng)用。
（二）顆粒粒級(jí)的劃分
一般采用伍登-溫特沃思標(biāo)準(zhǔn)，它是以毫米（mm）為單位的一個(gè)分類(lèi)方案，后來(lái)克魯賓（1934）提出了一種對(duì)數(shù)換算，稱(chēng)其為?值（?＝-log2D，其中D為顆粒直徑）。粒徑（mm）和?值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表5-5。
（三）粒度曲線(xiàn)和粒度參數(shù)
根據(jù)粒度分析的結(jié)果，可編制各種直方圖、粒度曲線(xiàn)及計(jì)算各種粒度參數(shù)。
1.直方圖和粒度曲線(xiàn)
直方圖和粒度曲線(xiàn)都是沉積環(huán)境分析的參考標(biāo)志。常用的粒度曲線(xiàn)包括直方圖、頻率曲線(xiàn)、累積曲線(xiàn)、概率累積曲線(xiàn)。
表5-5 粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)比較表
圖5-35 由直方圖所做的頻率曲線(xiàn)
（據(jù)克魯莫艾尼塔爾，1938）
直方圖 是最常用的粒度分析圖件，其橫坐標(biāo)為顆粒粒徑區(qū)間，縱坐標(biāo)表示粒級(jí)的百分含量，做出一系列相互連接、高低不平的矩形圖（圖5-35左），直方圖優(yōu)點(diǎn)是能直觀(guān)、簡(jiǎn)明地反映出粒度分布特征。
頻率曲線(xiàn) 是將直方圖每個(gè)柱子的縱、橫邊的中點(diǎn)依次連成多邊形頻率曲線(xiàn)（圖535右），其圍限的多邊形的面積仍基本等于直方圖的面積和。頻率曲線(xiàn)可清楚地表明粒度分布特點(diǎn)、分選好壞、粒度分布的對(duì)稱(chēng)度（偏度）及尖度（峰度）等。
累積曲線(xiàn) 是一種常用的簡(jiǎn)單的圖形，它是以累積百分含量為縱坐標(biāo)，以粒徑為橫坐標(biāo)，從粗粒一端開(kāi)始，在圖上標(biāo)出每一粒級(jí)的累計(jì)百分含量。將各點(diǎn)以圓滑的曲線(xiàn)連接起來(lái)，即成累積曲線(xiàn)（圖5-36）。累積曲線(xiàn)一般呈S型，從圖上可看出其粒級(jí)分選的好壞，在計(jì)算粒度參數(shù)時(shí)也可由圖上讀出某些累計(jì)百分比對(duì)應(yīng)的粒徑值。累積曲線(xiàn)的形態(tài)，可用來(lái)區(qū)分不同的沉積環(huán)境。
概率累積曲線(xiàn) 也是一種粒度累積曲線(xiàn)，它是在正態(tài)概率紙上繪制的，橫坐標(biāo)代表粒徑；縱坐標(biāo)為累積百分?jǐn)?shù)，并以概率標(biāo)度，概率坐標(biāo)不是等間距的，而是以50%處為對(duì)稱(chēng)中心，上下兩端相應(yīng)地逐漸加大，這樣可以將粗、細(xì)尾部放大，并清楚地表現(xiàn)出來(lái)。概率曲線(xiàn)中碎屑沉積物的粒度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而是由幾個(gè)呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布的次總體組成，一般包含有三個(gè)次總體，在概率圖上表現(xiàn)為三個(gè)直線(xiàn)段，代表了三種不同的基本搬運(yùn)方式，即懸浮搬運(yùn)、跳躍搬運(yùn)和滾動(dòng)搬運(yùn)（圖5-37）。三個(gè)次總體在累積概率曲線(xiàn)上分別稱(chēng)為懸浮總體、跳躍總體和滾動(dòng)總體（牽引總體），概率圖上除三個(gè)次總體之外的其他參數(shù)有：截點(diǎn)、混合度、次總體百分含量、分選性。
截點(diǎn) 指兩個(gè)次總體直線(xiàn)的交點(diǎn)，以橫坐標(biāo)表示，細(xì)截點(diǎn)（S截點(diǎn)）是懸浮總體和跳躍總體的交點(diǎn)，表示能懸浮的最粗顆粒；粗截點(diǎn)（T截點(diǎn)）是跳動(dòng)總體和滾動(dòng)總體的交點(diǎn)，表示能跳躍的最粗顆粒。
混合度 指兩個(gè)次總體直線(xiàn)段相交時(shí)，在截點(diǎn)處有些點(diǎn)不在直線(xiàn)上，而是零散過(guò)渡的，也稱(chēng)為過(guò)渡帶，反映沉積分異情況。
圖5-36 三種常見(jiàn)的粒度曲線(xiàn)
（據(jù)賴(lài)內(nèi)克等，1973）
1—頻率曲線(xiàn)；2—累積曲線(xiàn)；3—概率累積曲線(xiàn)
圖5-37 概率累積曲線(xiàn)及粒度分布中的總體
（據(jù)維謝爾，1969）
次總體百分含量 即各次總體分別占樣品總量的百分?jǐn)?shù)。
分選性 以各次總體直線(xiàn)段的斜率，即直線(xiàn)段傾斜角度表示。上述各次總體發(fā)育的數(shù)量、粒度范圍、分選性等參數(shù)是有規(guī)律地受沉積條件和水動(dòng)力條件控制的。各種沉積環(huán)境的概率粒度分布不同（表5-6）。
表5-6 不同類(lèi)型沉積環(huán)境砂質(zhì)沉積物粒度概率分布特征
（據(jù)維謝爾，1969，簡(jiǎn)化）
2.粒度參數(shù)
常用的粒度參數(shù)有平均粒度（Mz）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）、偏度（Sk）、峰態(tài)（KG），計(jì)算粒度參數(shù)有兩種方法：①數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，以概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)為其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，直接用粒度分析得到的各粒級(jí)的百分比計(jì)算，常用的計(jì)算方法是矩法，計(jì)算較復(fù)雜，較少用；②圖解法，從累積曲線(xiàn)上讀出某些累積百分比處的顆粒直徑，再以簡(jiǎn)單算術(shù)公式計(jì)算各種粒度參數(shù)，包括平均粒度（Mz）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）。
平均粒度（Mz）：表示一個(gè)樣品的平均粒度大小，反映搬運(yùn)介質(zhì)平均動(dòng)能，計(jì)算公式為：
沉積學(xué)及古地理學(xué)教程（第二版）
標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）表示分選程度，即反映顆粒的分散和集中狀態(tài)，計(jì)算公式為：
沉積學(xué)及古地理學(xué)教程（第二版）
根據(jù)對(duì)大量的不同環(huán)境采集的樣品的值計(jì)算，可將分選程度分為七級(jí)：①σi＜0.35 分選極好；②σi＝0.35～0.50 分選好；③σi＝0.50～0.70 分選較好；④σi＝0.70～1 分選中等；⑤σi＝1～2分選較差；⑥σi＝2～4分選很差；⑦σi＞4分選極差。
偏度（Sk）用來(lái)表示頻率曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性的參數(shù)，按其對(duì)稱(chēng)形態(tài)可分為三類(lèi)（圖5-38）：①單峰對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，以峰為對(duì)稱(chēng)軸的對(duì)稱(chēng)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)為正態(tài)分布，反映出Mz（平均粒）＝Md（中值）＝Mo（眾數(shù)）；②不對(duì)稱(chēng)正偏態(tài)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，主峰偏粗一側(cè)，即沉積物以粗組分為主；③不對(duì)稱(chēng)負(fù)偏態(tài)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，主峰偏細(xì)一側(cè)，即沉積物以細(xì)組分為主。偏度（Sk）計(jì)算公式為：
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峰態(tài)或尖度（KG）用來(lái)在與正態(tài)頻率曲線(xiàn)相對(duì)比時(shí)，說(shuō)明曲線(xiàn)的尖銳或鈍圓程度（圖5-39）。峰態(tài)或尖度（KG）計(jì)算公式為：
沉積學(xué)及古地理學(xué)教程（第二版）
圖5-38 正態(tài)頻率曲線(xiàn)及正偏態(tài)和負(fù)偏態(tài)曲線(xiàn)示意圖
（據(jù)塞利，1982）
圖5-39 和正態(tài)曲線(xiàn)相比較的尖銳和扁平的兩種峰態(tài)示意圖
（據(jù)塞利，1982）
不同沉積環(huán)境的沉積控制條件不同，因而其粒度分布特征也不同（表5-7）。
表5-7 各種環(huán)境砂質(zhì)沉積物粒度參數(shù)特征表
（據(jù)Reineck，1973和劉寶珺，1980編制）
（四）粒度參數(shù)散點(diǎn)圖
是綜合表現(xiàn)粒度參數(shù)的一種圖解，弗里德曼（1967）通過(guò)對(duì)現(xiàn)代海洋、湖灘和河流的355個(gè)樣品的粒度分析，計(jì)算出粒度參數(shù)，然后分別編制出各種參數(shù)之間的關(guān)系圖，即粒度散點(diǎn)圖共19種。圖5-40就是其中之一。離散圖是綜合表現(xiàn)粒度參數(shù)特征的一種圖解，它比單一的參數(shù)更有意義。編制不同參數(shù)的離散圖，可將不同成因的砂質(zhì)沉積物區(qū)別開(kāi)來(lái)。從圖5-40可看出，雖然不同環(huán)境的砂并沒(méi)有明顯的界限，但可看出其總的趨勢(shì)。
圖5-40 標(biāo)準(zhǔn)偏差（σi）與偏度（Sk）離散圖
（據(jù)弗里德曼，1979）
（五）C-M圖解
C-M圖是帕塞加（Passega，1957）提出的綜合性成因圖解（圖5-41），這也是一種粒度參數(shù)散布圖。他認(rèn)為C值和M值這兩個(gè)粒度參數(shù)最能反映介質(zhì)搬運(yùn)和沉積作用的能力，故運(yùn)用這兩個(gè)參數(shù)分別作為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上的縱、橫坐標(biāo)，構(gòu)成C-M圖。C值為累積曲線(xiàn)上含量為1%的粒徑值；M值為累積曲線(xiàn)上含量為50%的粒徑值。典型的C-M圖形可劃分為NO、OP、PQ、QR、RS各段和T區(qū)。不同區(qū)段代表不同沉積作用的產(chǎn)物：①NO段代表滾動(dòng)搬運(yùn)的粗粒物質(zhì)，C值大于1mm；②OP段以滾動(dòng)搬運(yùn)為主，滾動(dòng)組分和懸浮組分相混合，C值一般大于800μm，而M值有明顯變化；③PQ段以懸浮搬運(yùn)為主，含有少量滾動(dòng)組分，C值變化而M值不變；④QR段代表遞變懸浮段，遞變懸浮搬運(yùn)是指在流體中懸浮物質(zhì)由下到上粒度逐漸變細(xì)，密度逐漸變低，C值與M值成比例變化，從而使這段圖形與C＝M基線(xiàn)平行；⑤RS段為均勻懸浮段，C值變化不大，而M值變化大，主要是細(xì)粉砂沉積物；⑥T區(qū)為遠(yuǎn)洋懸浮物，M＜10μm。
圖5-41 濁流和牽引流沉積的C-M 圖形
（據(jù)Passega，1964）
C-M圖通常從一套同成因?qū)有蛑邢到y(tǒng)采樣，從最粗到最細(xì)粒的各種代表性巖性中均應(yīng)分別取樣，每一個(gè)C-M圖取樣數(shù)大于20個(gè)。因此，每一個(gè)C-M圖可反映幾米至幾十米厚的同成因地層剖面巖石的粒度特征。
（六）粒度參數(shù)的環(huán)境判別公式
1964年薩胡（Sahu，B.K.）根據(jù)?？说牧６葏?shù)，利用現(xiàn)代風(fēng)成沙丘、淺海、海灘、三角洲、河道和濁積等環(huán)境的沉積物的粒度分析結(jié)果，應(yīng)用線(xiàn)性多元判別公式，得出四個(gè)綜合公式（經(jīng)驗(yàn)公式），用以區(qū)別沙丘、海灘、淺海、河流和濁積這五種常見(jiàn)的沉積物。判別公式如下：
（1）
（Y＜-2.7411為風(fēng)成，Y＞-2.7411為海灘）。
（2）
（Y＜65.3650為海灘，Y＞65.3650為淺海）。
（3）
（Y＞-7.4190淺海，Y＜-7.4190為河流（三角洲））。
（4）
（Y＞9.8433為河流三角洲，Y＜9.8433為濁流）。
