不同樣品處理方法對流動沙丘沙粒度測量的影響

不同樣品處理方法對流動沙丘沙粒度測量的影響【摘 要】粒度實驗是進(jìn)行沉積物研究的重要實驗。為了使實驗更加快捷，且不影響測量結(jié)果的情況，我們選取騰格里沙漠80個流動沙丘沙樣，采取兩種不同的前處理方法，運(yùn)用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的 MS2000型激光粒度分析儀對樣品進(jìn)行實驗測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種前處理方法測得的結(jié)果非常接近。這一發(fā)現(xiàn)說明，對于有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量非常低的流動沙丘沙樣來說，可以對樣品不作任何前處理即可滿足上機(jī)進(jìn)行測試要求。本文的這一結(jié)論將為今后更快捷地測量沙漠流動沙丘沙粒度實驗提供一定的借鑒。【關(guān)鍵詞】粒度測量 前處理方法 流動沙丘沙基金項目：陜西廣播電視大學(xué)科研項目（ 11-07-B34；13G-04-A6）。沙漠沉積物粒度特征是研究沙漠地貌的主要指標(biāo)之一。對沉積物進(jìn)行粒度分析的方法很多，常常根據(jù)不同的沉積物采用不同的方法 [1]。傳統(tǒng)的粒度分析方法是沉降法（如移液管法）和篩析法。其測量過程主要依靠人工操作，由于這種技術(shù)簡單易行，實驗環(huán)境要求條件較低，而得到十分普遍的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的方法不斷產(chǎn)生。上世紀(jì)70年代以來，一些學(xué)者提出使用光學(xué)衍射原理測試顆粒的粒徑，[2-8]由此誕生了激光粒度儀。 因其測量迅速、自動化程度高、誤差小、樣品用量少等特點(diǎn)而得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外的學(xué)者運(yùn)用激光粒度儀對粒度的實驗研究做了大量的工作[9-18]。許多學(xué)者提出由于前處理過程的不同，測試結(jié)果會存在很大的差異。但是這一結(jié)論主要是從土壤沉積物粒度實驗研究中得出?？紤]到沙漠流動沙丘上植被覆蓋極低，碳酸鹽含量非常少，這一結(jié)論是否同樣應(yīng)用于沙漠流動沙丘沉積物還需要做進(jìn)一步的研究。因此，本文選取騰格里沙漠80個流動沙丘沙樣，采取兩種不同的實驗樣品處理方法， 運(yùn)用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的 MS2000型激光粒度分析儀對樣品進(jìn)行實驗測定，以期找到科學(xué)合理的答案。研究方法實驗樣品采自騰格里沙漠由西北雅布賴鹽場附近N40°03′12.1″，E103°54′07.3″）至東南（N38°45′04.7″，E105°20′33.4″）的流動沙丘沙樣，每 6km左右設(shè)一采樣點(diǎn)，每個點(diǎn)位采集樣品 1-3個，共采集砂樣 80個。粒度樣品的測量采用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Mastersizer2000激光粒度儀， 該儀器由 3部分組成：主機(jī)（光學(xué)元件），標(biāo)志為 Mastersizer2000，主機(jī)用來收集測量樣品內(nèi)粒度大小的原始數(shù)據(jù)；附件（進(jìn)樣器）標(biāo)識為 Hydro2000G，附件唯一的目的就是將樣品分散混勻充分并傳送到主機(jī)以便于測量；計算機(jī)和 Malvern測量軟件，Malvern軟件可定義、控制整個測量過程，并同時處理測量的粒度分布數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果并打印報告。測量使用兩種樣品：一種是直接從野外采集的樣品，另一種是對所采樣品經(jīng)過前處理后再上機(jī)測量。測量過程是： 啟動粒度儀，選擇自動清潔儀器三次，待儀器清潔后，調(diào)攪拌器 1000轉(zhuǎn)/分鐘，泵 2000轉(zhuǎn)/分鐘，超聲 100%，遮光度10%-20%，并打開超聲波，進(jìn)行校光，待校光穩(wěn)定后，測背景值，測定好背景值后，向樣品池內(nèi)加入樣品，等遮光度達(dá)到合適范圍，停止加樣，點(diǎn)擊自動測樣，重復(fù)測定樣品 3次，對每個樣品取平均值作為其最后的測量結(jié)果，測量結(jié)果直接輸出到計算機(jī)。該儀器運(yùn)用全量程米氏（Mie）計算理論，是目前國內(nèi)外廣泛使用的激光粒度儀，該儀器分析軟件功能強(qiáng)大， 測量過程能實現(xiàn)自動化，單量程檢測范圍 0.02-2000μm的顆粒直徑，無需更換鏡頭，任何粒度分布在此范圍之內(nèi)的固體、液體樣品均可進(jìn)行測量，平均測樣時間 5-7min，粒級分辨率為 0.01φ。兩種前處理方法分別為：第一種方法：未經(jīng)前處理。實驗樣品是直接從野外采回，沒有經(jīng)過任何的前處理，將干沙樣直接在激光粒度儀上進(jìn)行測量。第二種方法：經(jīng)過前處理。樣品經(jīng)過前處理去除碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)。方法是：每個樣品稱取2.6-3.0g的風(fēng)干沙樣置于500ml的燒杯中，加入約15ml濃度為10%的H2O2，置于電熱板上加熱，使其充分反應(yīng)（煮沸至無氣泡溢出） 。待燒杯冷卻后，加入約 15ml濃度為10%的HCl，再置于電熱板上加熱，使其充分反應(yīng)（煮沸至無氣泡溢出，且顏色變?yōu)辄S綠色）。放在通風(fēng)櫥冷卻后， 加水至500ml，靜置24小時以上。抽取上清液，再在燒杯中注滿蒸餾水，靜置 24小時以上，抽取上清液（目的去除多余的 H+）后測量。測量結(jié)果見圖 1和圖2。結(jié)果與討論由圖1可以看出，兩種方法測量得到的粒度參數(shù)的回歸方程是：平均粒徑（未經(jīng)前處理） =0.9806平均粒徑（經(jīng)過前處理）+0.0457；標(biāo)準(zhǔn)離差（未經(jīng)前處理） =0.965標(biāo)準(zhǔn)離差（經(jīng)過前處理） +0.0235；偏度（未經(jīng)前處理） =0.9558偏度（經(jīng)過前處理） -0.0004；峰態(tài)（未經(jīng)前處理） =0.9649峰態(tài)（經(jīng)過前處理） +0.0259。通過粒度參數(shù)的回歸方程可以看出，平均粒徑的相關(guān)系數(shù)是0.99，標(biāo)準(zhǔn)離差的相關(guān)系數(shù)是 0.97，偏度的相關(guān)系數(shù)是0.94，峰態(tài)的相關(guān)系數(shù)是 0.93。可見，兩種前處理方法測量得到的粒度參數(shù)的相關(guān)性都很好，其中平均粒徑的相關(guān)性最好，未經(jīng)前處理和經(jīng)過前處理兩種方法得到的平均粒徑的關(guān)系最接近1：1，其次是標(biāo)準(zhǔn)離差，兩種實驗方法測得的偏度和峰態(tài)的關(guān)系也接近 1：1。從樣品的粒級級配（圖 2）可以看出，兩種實驗方法測量所得的樣品粒級統(tǒng)計結(jié)果中均沒有大于4.5φ、2.5-3φ、1.5-2φ和小于0.5φ的粒級，樣品粒級范圍處在4-4.5φ、1-1.5φ和-0.5-0φ的，未經(jīng)前處理比經(jīng)過前處理的百分含量分別減少 0.5%、0.07%和0.14%，粒級范圍處在3.5-4φ、3-3.5φ、2-2.5φ和0-0.5φ的，未經(jīng)前處理比經(jīng)過前處理的百分含量多0.07%、0.57%、0.09%和0.01%。通過以上的分析結(jié)果可以看出，對樣品采取上述的兩種實驗前處理方法對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響不大，但是也存在微小的差別。究其原因有以下可能。首先，考慮可能是沙漠流動沙丘沙上極少有植被覆蓋，流動沙丘沙中有機(jī)質(zhì)含量非常有限。再者通過利用X射線衍射方法對樣品進(jìn)行礦物分析發(fā)現(xiàn)樣品中碳酸鹽礦物成分含量極低，一般不超過1%，這些情況都可以說明，經(jīng)過上述兩種不同強(qiáng)度的預(yù)處理后，樣品的粒度參數(shù)隨著處理強(qiáng)度的不同沒有明顯變化。其次，兩者測量結(jié)果的微小差別，考慮原因可能有三：一種可能是由于流動沙丘沙樣中含有極少量的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，加入的雙氧水氧化分解了沙樣中的有機(jī)質(zhì)，隨后加入的鹽酸分解了沙樣中的粗顆粒碳酸鹽；第二種可能是系統(tǒng)測量誤差引起的。用激光法測量沙漠沙粒度實驗，樣品用量是3.0g左右，對于沙漠沙來說，這樣少的量代表性不夠充分；第三種可能是由于儀器自身性能的關(guān)系，系統(tǒng)測量誤差是不可避免的。圖1兩種不同前處理方法測得的沙樣粒度參數(shù)的比較Fig.1Grainsizeandsortingparametersvariedwithtwopre-preparationprocess圖2兩種不同前處理方法測得的沙樣粒級級配Fig.2Grainsizefrequencyvariedwithtwopre-preparationprocess結(jié)論在對沙漠地貌的研究中，常用激光粒度儀對表層樣品的粒度進(jìn)行測量分析，并把分析結(jié)果編制成各種圖件。若在沙漠流動沙丘分布地區(qū)，沉積物以細(xì)粒沉積物為主，且有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽均很少，運(yùn)用Mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行粒度實驗測定時，可以對樣品不作任何前處理即可滿足上機(jī)進(jìn)行測試要求。參考文獻(xiàn)：成都地質(zhì)學(xué)院陜北隊.沉積巖（物）粒度分析及其應(yīng)用北京：地質(zhì)出版社，1978.[2]CornillaultJ.Particlesizeanalyzer[J].AppliedOptics 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