【摘 要】粒度实验是进行沉积物研究的重要实验。为了使实验更加快捷，且不影响测量结果的情况，我们选取腾格里沙漠80个流动沙丘沙样，采取两种不同的前处理方法，运用英国马尔文仪器公司生产的MS2000型激光粒度分析仪对样品进行实验测定，结果发现两种前处理方法测得的结果非常接近。这一发现说明，对于有机质和碳酸盐含量非常低的流动沙丘沙样来说，可以对样品不作任何前处理即可满足上机进行测试要求。本文的这一结论将为今后更快捷地测量沙漠流动沙丘沙粒度实验提供一定的借鉴。

【关键词】粒度测量 前处理方法 流动沙丘沙

基金项目：山东广播电视大学科研项目（11-07-B34；13G-04-A6）。

沙漠沉积物粒度特征是研究沙漠地貌的主要指标之一。对沉积物进行粒度分析的方法很多,常常根据不同的沉积物采用不同的方法[1]。传统的粒度分析方法是沉降法(如移液管法)和筛析法。其测量过程主要依靠人工操作，由于这种技术简单易行，实验环境要求条件较低，而得到十分普遍的应用。随着技术的发展，新的方法不断产生。上世纪70年代以来，一些学者提出使用光学衍射原理测试颗粒的粒径，[2-8]由此诞生了激光粒度仪。因其测量迅速、自动化程度高、误差小、样品用量少等特点而得到快速发展和广泛应用。国内外的学者运用激光粒度仪对粒度的实验研究做了大量的工作[9-18]。许多学者提出由于前处理过程的不同,测试结果会存在很大的差异。但是这一结论主要是从土壤沉积物粒度实验研究中得出。考虑到沙漠流动沙丘上植被覆盖极低，碳酸盐含量非常少，这一结论是否同样应用于沙漠流动沙丘沉积物还需要做进一步的研究。因此，本文选取腾格里沙漠80个流动沙丘沙样，采取两种不同的实验样品处理方法，运用英国马尔文仪器公司生产的MS2000型激光粒度分析仪对样品进行实验测定，以期找到科学合理的答案。

研究方法

实验样品采自腾格里沙漠由西北雅布赖盐场附近（N40°03′12.1″，E103°54′07.3″）至东南（N38°45′04.7″，E105°20′33.4″）的流动沙丘沙样，每6km左右设一采样点，每个点位采集样品1-3个，共采集砂样80个。

粒度样品的测量采用英国马尔文仪器公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪, 该仪器由3部分组成：主机（光学元件），标志为Mastersizer 2000，主机用来收集测量样品内粒度大小的原始数据；附件（进样器）标识为Hydro 2000G，附件唯一的目的就是将样品分散混匀充分并传送到主机以便于测量；计算机和Malvern测量软件，Malvern软件可定义、控制整个测量过程，并同时处理测量的粒度分布数据、显示结果并打印报告。测量使用两种样品：一种是直接从野外采集的样品,另一种是对所采样品经过前处理后再上机测量。测量过程是： 启动粒度仪，选择自动清洁仪器三次,待仪器清洁后，调搅拌器1000转/分钟，泵2000转/分钟，超声100%，遮光度10%-20%,并打开超声波，进行校光，待校光稳定后，测背景值，测定好背景值后，向样品池内加入样品，等遮光度达到合适范围，停止加样，点击自动测样，重复测定样品3次，对每个样品取平均值作为其最后的测量结果，测量结果直接输出到计算机。该仪器运用全量程米氏(Mie)计算理论，是目前国内外广泛使用的激光粒度仪，该仪器分析软件功能强大，测量过程能实现自动化，单量程检测范围0.02-2000μm的颗粒直径，无需更换镜头，任何粒度分布在此范围之内的固体、液体样品均可进行测量，平均测样时间5-7 min，粒级分辨率为0.01φ。

两种前处理方法分别为：

第一种方法：未经前处理。实验样品是直接从野外采回，没有经过任何的前处理，将干沙样直接在激光粒度仪上进行测量。

第二种方法：经过前处理。样品经过前处理去除碳酸盐和有机质。方法是：每个样品称取2.6-3.0g的风干沙样置于500ml的烧杯中，加入约15ml浓度为10%的H2O2，置于电热板上加热，使其充分反应（煮沸至无气泡溢出）。待烧杯冷却后，加入约15ml 浓度为10%的HCl，再置于电热板上加热，使其充分反应（煮沸至无气泡溢出，且颜色变为黄绿色）。放在通风橱冷却后，加水至500ml，静置24小时以上。抽取上清液，再在烧杯中注满蒸馏水，静置24小时以上，抽取上清液（目的去除多余的H+）后测量。测量结果见图1和图2。

结果与讨论

由图1可以看出，两种方法测量得到的粒度参数的回归方程是：平均粒径（未经前处理）=0.9806平均粒径（经过前处理）+0.0457；标准离差（未经前处理）=0.965标准离差（经过前处理）+0.0235；偏度（未经前处理）=0.9558偏度（经过前处理）-0.0004；峰态（未经前处理）=0.9649峰态（经过前处理）+0.0259。

通过粒度参数的回归方程可以看出，平均粒径的相关系数是0.99，标准离差的相关系数是0.97，偏度的相关系数是0.94，峰态的相关系数是0.93。可见，两种前处理方法测量得到的粒度参数的相关性都很好，其中平均粒径的相关性最好，未经前处理和经过前处理两种方法得到的平均粒径的关系最接近1：1，其次是标准离差，两种实验方法测得的偏度和峰态的关系也接近1：1。从样品的粒级级配（图2）可以看出，两种实验方法测量所得的样品粒级统计结果中均没有大于4.5φ、2.5-3φ、1.5-2φ和小于0.5φ的粒级，样品粒级范围处在4-4.5φ、1-1.5φ和-0.5-0φ的，未经前处理比经过前处理的百分含量分别减少0.5%、0.07%和0.14%，粒级范围处在3.5-4φ、3-3.5φ、2-2.5φ和0-0.5φ的，未经前处理比经过前处理的百分含量多0.07%、0.57%、0.09%和0.01%。通过以上的分析结果可以看出，对样品采取上述的两种实验前处理方法对实验结果产生的影响不大，但是也存在微小的差别。究其原因有以下可能。

首先，考虑可能是沙漠流动沙丘沙上极少有植被覆盖，流动沙丘沙中有机质含量非常有限。再者通过利用X射线衍射方法对样品进行矿物分析发现样品中碳酸盐矿物成分含量极低，一般不超过1%，这些情况都可以说明，经过上述两种不同强度的预处理后，样品的粒度参数随着处理强度的不同没有明显变化。

其次，两者测量结果的微小差别，考虑原因可能有三：一种可能是由于流动沙丘沙样中含有极少量的有机质和碳酸盐，加入的双氧水氧化分解了沙样中的有机质，随后加入的盐酸分解了沙样中的粗颗粒碳酸盐；第二种可能是系统测量误差引起的。用激光法测量沙漠沙粒度实验，样品用量是3.0g左右，对于沙漠沙来说，这样少的量代表性不够充分；第三种可能是由于仪器自身性能的关系，系统测量误差是不可避免的。

图1 两种不同前处理方法测得的沙样粒度参数的比较

Fig.1 Grain size and sorting parameters varied with two pre-preparation process

图2 两种不同前处理方法测得的沙样粒级级配

Fig.2 Grain size frequency varied with two pre-preparation process

结论

在对沙漠地貌的研究中,常用激光粒度仪对表层样品的粒度进行测量分析，并把分析结果编制成各种图件。若在沙漠流动沙丘分布地区,沉积物以细粒沉积物为主,且有机质和碳酸盐均很少,运用Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度实验测定时，可以对样品不作任何前处理即可满足上机进行测试要求。

参考文献：

[1]成都地质学院陕北队.沉积岩(物)粒度分析及其应用[M].北京:地质出版社,1978.

[2]Cornillault J.Particle size analyzer[J].Applied Optics, 1972,11:265-268.

[3]Weiss E L,Frock H N. Rapid analysis of particle-size distributions by laser light scattering[J].Powder Technology, 1976,14:287-293.

[4]Weiner B B. Particle and spray sizing using laser diffraction[J]. Society Photo-Optical Instrumentation Engineers, 1979, 170:53-56.

[5]McCave I N, Bryant R S, Cook H F,et al. Evaluation of a laser-diffraction-size analyzer for use with natural sediments[J].Journal of Sedimentary Petrology,1986,56:561-564.

[6]Loizeau J L, Arbouille D, Santiago S,et al. Evaluation of a wide range laser diffraction grain size analyzer for use with sediments [J].Sedimentology,1994,41:353-361.

[7]Konert M,Vandenderghe J.Comparison of laser grain size analysis with pipette and sieve analysis:a solution for the underestimation of the clay fraction[J].Sedimentology,1997,44:523-535.

[8]Singer J K,Anderson J B,Ledbetter M T,et al.An assessment of analytical techniques for the size analysis of fineg-rained sediments[J].Journal of Sedimentary Petrology,1988,58: 534-543.

[9]成都地质学院陕北队.沉积岩(物)粒度分析及其应用[M].北京:地质出版社,1976：1-147.

[10]Prins M A,Postma G,Weltje G.Controls on the terrigenous sediment supply to the Arabian Sea during the late Quaternary:The Markran continental slope[J].Marine Geology,2000,169:351-371.

[11]Prins,A,Vandenberghe,J.Weltje,G J.Palaeoclimate signals in loess size distributions[M]. Int. Workshop HWK Delmenhorst From Particle Size to Sediment Dynamics,2004：123-125.

[12]鹿化煜,安芷生.前处理方法对黄土沉积物粒度测量影响的实验研究[J].科学通报，1997,42(23):2535-2538.

[13]Singer,J K,Anderson,J B,Ledbetter,M T, et al. An assessment of analytical techniques for the size analysis o f fine-grained sediments[J].Journal of Sedimentary Petrology,1988,58:534-543.

[14]程鹏,高抒,李徐生.激光粒度仪测试结果及其与沉降法、筛析法的比较[J].沉积学报,2001,19(3):449-455.

[15]Loizeau J L,Arbouille D,Santiago S,Vernet J P. Evaluation of a wide range laser diffraction grain size analyzer for use with sediments[J]. Sedimentology,1994,41:561-564.

[16]鹿化煜,苗晓东,孙有斌.前处理步骤与方法对风成红黏土粒度测量的影响[J].海洋地质与第四纪地质,2002,22(3):129-135.

[17]庞奖励,黄春长,贾耀峰.不同方法测定黄土和古土壤样品粒度的比较[J].山东师范大学学报(自然科学版),2003,31(4):87-92.

[18]王君波,朱立平.不同前处理对湖泊沉积物粒度测量结果的影响[J].湖泊科学,2005,17(1):17-23.

作者单位：李恩菊 山东广播电视大学 山东青岛

山东师范大学旅游与环境学院 山东青岛

谢春林 青岛地质调查中心 山东青岛