基于靜水沉降法的沉積物顆粒分選流程

郭利成+吳佳斌+熊尚發(fā)+楊石嶺

摘 要：沉積物顆粒分選流程在古環(huán)境、古氣候研究中的應(yīng)用非常廣泛。雖然常用的顆粒分選方法均基于斯托克斯定律，但是在操作過程中試驗(yàn)裝置和流程的細(xì)微差別會(huì)導(dǎo)致不同的分選效果，甚至影響后續(xù)理化分析和科學(xué)結(jié)論。因此，建立一套可靠的分選流程對(duì)于顆粒分選至關(guān)重要。目前，篩析法和沉降法的組合是被普遍接受的分選流程，前者針對(duì)粗顆粒組分，發(fā)展較為成熟，后者針對(duì)細(xì)顆粒組分，在試驗(yàn)器材、試驗(yàn)流程和結(jié)果檢驗(yàn)等方面還存在較大的改善空間。對(duì)此，從靜水沉降法原理入手，選擇乙酸來去除碳酸鹽組分，利用機(jī)械震蕩法加速化學(xué)反應(yīng)，采用U型頭虹吸管減少底部粗顆粒上涌帶來的分選誤差，從而建立了一套可靠的基于靜水沉降法的沉積物顆粒分選流程。結(jié)果檢驗(yàn)顯示，分選出的顆粒均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，且至少70%的顆粒能夠準(zhǔn)確地被分選。建立的完整有效的分選流程較傳統(tǒng)流程可以更高效地分選出土壤黏粒和粉砂級(jí)顆粒（粒徑小于64 μm），為后續(xù)研究打下可靠的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：沉積物顆粒；靜水沉降法；U型頭虹吸管；黏粒；粉砂；對(duì)數(shù)正態(tài)分布；分選流程；古環(huán)境

中圖分類號(hào)：X141 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6561（2016）05-0694-06

Abstract： Sedimentary particle sorting process has been widely used to reconstruct the changes in paleoenvironment and paleoclimate. Common sorting methods of sedimentary particles are mainly based on Stokes Law； however， physicochemical analysis and scientific conclusions will be different if the sorting methods with varied experiment equipment and processes are applied. Therefore， setting up a trustworthy sorting process is vital for particle sorting. During last two decades， the combination of sieve and sedimentation methods has been increasingly used for sorting and measuring sedimentary particles. The former is applied for sieving for the coarse fractions sorting and well developed， while the latter is based on sedimentation rates for the fine fractions， and the experimental equipment， processes and result evaluating should be improved. For this purpose， based on the principle of hydrostatic sedimentation method， the acetic acid was chosen to remove the carbonate component， the mechanical oscillation was applied to accelerate the chemical reaction， and the siphon with U-shaped head was used to reduce the sorting errors which might derive from the upwelling of coarse particles， and a trustworthy sorting process of hydrostatic sedimentation method was set up. The results reveal that all sorted particles obey the lognormal distribution， and at least 70% sorted particles are posited in the expected particle-size ranges. It is concluded that the presented process is reasonable and can sort the clay and silt particles （the partical size is less than 64 μm） more successfully than the traditional process does. These particles sorted by this process can be further used in other research projects.

Key words： sedimentary particle； hydrostatic sedimentation method； siphon with U-shaped head； clay； silt； lognormal distribution； sorting process； paleoenvironment

0 引 言

粒度是指礦物或碎屑顆粒的大小，決定了巖石的類型和性質(zhì)，可以有效指示沉積環(huán)境或沉積相。因此，粒度被廣泛應(yīng)用于不同時(shí)空尺度的古環(huán)境、古氣候重建工作[1-3]。然而，粒度也在一定程度上影響巖石其他環(huán)境替代指標(biāo)的解釋，因此，如何剔除粒度的影響是通過巖石環(huán)境替代指標(biāo)來揭示過去沉積環(huán)境變化的關(guān)鍵。其中，顆粒分選可以有效減小粒度的影響，且其在古環(huán)境、古氣候研究中的應(yīng)用也非常廣泛[4-7]。目前，常用的顆粒分選方法均基于斯托克斯定律[8]，但是操作過程中試驗(yàn)裝置和流程的細(xì)微差別會(huì)導(dǎo)致不同的分選效果，甚至影響后續(xù)理化分析和科學(xué)結(jié)論。因此，建立一套可靠的分選流程對(duì)于顆粒分選至關(guān)重要。

學(xué)術(shù)界常用的分選流程是篩析法和沉降法的組合[9-10]，前者針對(duì)粗顆粒組分，后者針對(duì)細(xì)顆粒組分，二者均同步獲取和稱量不同粒級(jí)顆粒。篩析法發(fā)展較為成熟，如機(jī)械振篩儀采用不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)篩逐序組合，篩選和稱量不同粒級(jí)顆粒。根據(jù)作用力不同，沉降法分為離心沉降法和靜水沉降法。離心沉降法[11-12]依據(jù)離心力修正的斯托克斯沉速公式[9]來計(jì)算不同粒級(jí)顆粒在水介質(zhì)中離心所需時(shí)間，進(jìn)而獲得不同粒級(jí)顆粒和粒度分布特征。該方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)間短[13]，適合大批量試驗(yàn)，且離心時(shí)間通過儀器控制，結(jié)果可比性強(qiáng)。然而，該方法離不開特定的離心裝置，實(shí)際的力學(xué)計(jì)算較為復(fù)雜，結(jié)果檢測(cè)難度大。

靜水沉降法（又稱吸管法）[9，14-16]根據(jù)不同粒級(jí)顆粒在靜水中受重力作用具有不同的沉降速率，可以分選不同粒級(jí)顆粒并測(cè)量其含量。20世紀(jì)，Liu等比較了比重計(jì)法和靜水沉降法所測(cè)土壤黏粒和粉砂級(jí)顆粒的含量，發(fā)現(xiàn)兩者十分接近[17]。Pennington等用靜水沉降法檢驗(yàn)了電極法所測(cè)土壤黏粒的含量，發(fā)現(xiàn)靜水沉降法和電極法所測(cè)土壤黏粒的含量具有很好的相關(guān)性[18]。近年來，Hao等在中新世以來的地層沉積物中比較了沉降法和激光粒度儀的測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為沉降法更能有效測(cè)量土壤黏粒的含量，獲取的不同粒級(jí)顆粒還為后續(xù)研究提供了材料[6]。因此，靜水沉降法可以很好地分選并測(cè)量土壤黏粒和粉砂級(jí)顆粒的含量（粒徑小于64 μm），并在不同領(lǐng)域均有應(yīng)用：黏土礦物的提取[19-20]、巴西東南部Guapi-Macacu流域中晚全新世河流動(dòng)力學(xué)研究[21]、粒度對(duì)黃土磁學(xué)參數(shù)的影響[22]、識(shí)別沉積物成壤作用[6]、過去化學(xué)風(fēng)化歷史[4]以及沉積物磁學(xué)特征[7]等。

目前，應(yīng)用靜水沉降法所開發(fā)的儀器僅有SEDIMAT 4-12土壤粒度分析系統(tǒng)，其通過程序控制來測(cè)量特定幾個(gè)粒級(jí)顆粒的含量，但無法同步獲取相應(yīng)粒級(jí)顆粒；應(yīng)用靜水沉降法的相關(guān)論文均只給出了主要步驟，但缺少步驟討論和結(jié)果檢驗(yàn)，給數(shù)據(jù)對(duì)比帶來了困難；雖然少數(shù)論文直接利用掃描電鏡方法進(jìn)行粒度測(cè)量并獲得投影后的顆粒直徑，一定程度上完成了結(jié)果檢驗(yàn)，但與顆粒真實(shí)粒徑的可比性需要進(jìn)一步商榷；已有的細(xì)顆粒分選流程存在諸多不足?；诖?，本文完善了相關(guān)分選流程再結(jié)合具體試驗(yàn)建立了一套可靠的靜水沉降法分選流程，以期為今后相關(guān)研究提供參考。

1 原 理

不同粒級(jí)顆粒在靜水中受到重力作用具有不同的沉降速率。利用這一特征可以分選出不同粒級(jí)顆粒并測(cè)量其含量。本文依據(jù)傳統(tǒng)的斯托克斯沉速公式[9]來計(jì)算不同粒級(jí)顆粒在靜水中沉降相同深度所需時(shí)間，進(jìn)而分選出不同粒級(jí)顆粒。本試驗(yàn)假設(shè)每個(gè)顆粒為球粒，表面光滑，密度相同；顆粒不受水分子布朗運(yùn)動(dòng)影響，相互間無干擾，亦不存在紊流運(yùn)動(dòng)。基于此，在一定水溫下，沉降速率（v）的理論公式為

式中：ρs為顆粒密度；ρf為水密度；η為水的黏滯系數(shù)；d為顆粒粒徑；g為重力加速度。

砂粒沉降不服從斯托克斯定律，因此，式（1）適用的粒徑上限是64 μm[9]。

假定顆粒沉降速率幾乎在沉降開始就立即達(dá)到，勻速沉降一定深度（h）所需沉降時(shí)間（t）為

對(duì)于水的不同溫度和黏滯系數(shù)[23]，根據(jù)式（2）可求得不同粒級(jí)顆粒在靜水中沉降10 cm[13，16]所需時(shí)間（表1）。其中，顆粒常用密度值[24]取2.65 g·cm-3，也可以根據(jù)實(shí)際沉積物顆粒密度來計(jì)算其沉降時(shí)間。

2 試驗(yàn)流程

本文所使用62個(gè)樣品采自柴達(dá)木盆地新生代河湖相地層，提取的粒級(jí)分別為粒徑小于5 μm、粒徑在5～20 μm和粒徑大于20 μm。粒徑大于20 μm顆粒沉降10 cm所需時(shí)間短（表1），在操作上很容易引起較大誤差，因此，沉降法很難準(zhǔn)確地測(cè)量粒徑大于20 μm顆粒含量，故這部分顆粒不做結(jié)果檢驗(yàn)。圖1為本文所設(shè)計(jì)的基于靜水沉降法的沉積物顆粒分選流程。

2.1 原液制備

將樣品破碎（不可磨碎），稱取樣品約10 g，倒入250 mL的三角燒杯。先加入30%的H2O2溶液20 mL以去除有機(jī)質(zhì)組分[25]，置于HY-4H-JB型恒速三角瓶振蕩器中振蕩30 min以加速反應(yīng)（振蕩速率為120 次·min-1），之后靜置30 min。如果部分樣品有機(jī)質(zhì)含量較高，繼續(xù)加入30%的H2O2溶液10 mL以去除過量有機(jī)質(zhì)。接著加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液40 mL[16]以去除碳酸鹽組分，同樣置于振蕩器中以120 次·min-1的速率振蕩30 min以加速反應(yīng)，之后靜置30 min。重復(fù)上述加乙酸步驟，之后靜置約24 h。用pH試紙檢驗(yàn)碳酸鹽是否完全去除，若試紙未變紅，可繼續(xù)加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液10 mL重復(fù)振蕩過程，之后靜置12 h。至碳酸鹽完全反應(yīng)，即可結(jié)束加乙酸反應(yīng)流程。最后，將反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)移至350 mL的離心杯，利用離心機(jī)進(jìn)行洗酸（轉(zhuǎn)速為3 500 轉(zhuǎn)·min-1，時(shí)間為10 min）至溶液近中性。

2.2 懸液制備

將制備的中性溶液轉(zhuǎn)移至特制直筒燒杯（約2 L）中攪拌均勻，加入分散劑（0.05 mol·L-1的（NaPO3）6溶液）20 mL[26]，置于超聲波發(fā)生器中將顆粒充分散開[27-28]，之后加蒸餾水稀釋至標(biāo)記好的刻度線（圖2）。

2.3 顆粒分選

首先分選出粒徑小于20 μm的顆粒（圖1）。充分?jǐn)嚢柚蓖矡械念w粒，將玻璃杯放置燒杯中，待溶液盡可能達(dá)到（準(zhǔn)）靜止?fàn)顟B(tài)，取出玻璃棒開始記錄時(shí)間，即為顆粒沉降的起始時(shí)間。經(jīng)過表1所計(jì)算的時(shí)間后，用U型頭虹吸管吸出上層10 cm的懸液[圖2（a）]并收集，重復(fù)上述過程，共抽提8～12次，直至Mastersize 3000粒度儀測(cè)得直筒燒杯上層10 cm的液體中顆粒的最大粒徑為1 μm為止。其中，U型頭虹吸管需要貼壁緩慢下移[圖2（b）]，盡可能避免紊流影響。此時(shí)，樣品中粒徑小于20 μm顆?；旧咸崛⊥戤?，粒徑大于20 μm顆粒亦收集。接著，對(duì)分選出粒徑小于20 μm顆粒按表1所計(jì)算的時(shí)間，利用同樣的分選方法分選出粒徑小于5 μm和粒徑為5～20 μm顆粒。