馮 丹，蘇桂芬，馬麗紅

(1.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601;2.國土資源實物地質(zhì)資料中心，河北三河 065201)

0 引言

粒度分析是煤炭、石油等行業(yè)工作中一項重要的實驗環(huán)節(jié)，不僅是巖石結(jié)構(gòu)分類、定名的依據(jù)，而且對沉積環(huán)境、油層物理性質(zhì)等具有重要的意義。

粒度是沉積物的重要結(jié)構(gòu)特征，是其分類命名的基礎(chǔ)。粒度分析成果(包括各種粒度參數(shù)和粒度分析圖件)是沉積環(huán)境解釋、沉積動力學研究等的基礎(chǔ)［1－3］。粒度分析在石油、地質(zhì)行業(yè)有著較為廣泛的應用，其結(jié)果是沉積環(huán)境研究、物質(zhì)運動方式判定、水動力條件研究和粒徑趨勢分析等研究工作的重要基礎(chǔ)資料，另外還可作為地層對比的輔助手段［4、5］。

本文著重于粒度分析的基礎(chǔ)測試方法探討，目的在于減輕地質(zhì)研究人員鏡下工作疲勞、提高效率，提高粒度分析實驗環(huán)節(jié)的科學技術(shù)應用，最大程度地提取出粒度分布信息，充分發(fā)揮實驗效果，使之達到最好的地質(zhì)作用效果。

1 粒度分析發(fā)展及研究現(xiàn)狀

地質(zhì)學中引入粒度分析的方法始于二十世紀初，對沉積物和沉積巖粒度組成的研究已有近一個世紀的歷史，資料很多，成果豐富，為現(xiàn)代粒度分析奠定了基礎(chǔ)。粒度分析這一方法應用的高峰時期是在五、六十年代，目前地質(zhì)學對粒度數(shù)據(jù)的表征和應用方法仍停留在六十年代的水平，目前的情況是了解粒度概念很容易，尋求精確的測量方法和統(tǒng)一的標準仍有一定的困難。從表1中可以看到百年粒度測試的發(fā)展歷程。

對于粒度分析的作用，各學者的認識不盡相同。多數(shù)學者如?？恕⒕S希爾、弗里德曼、宋天銳、劉寶軍等均給予粒度分析作用以積極肯定的評價，佩蒂莊的評價與實踐則似乎自相矛盾，他批評粒度分析給沉積學造成的混亂，但卻引用粒度數(shù)據(jù)進行巖石分類和成因解釋。也有個別學者對粒度分析的作用持否定態(tài)度［6－8］?？v觀歷史與現(xiàn)狀，粒度分析已經(jīng)成為沉積學研究及一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)中廣為應用的常規(guī)分析手段，或是解決關(guān)鍵科學問題的特殊手段。

表1 百年粒度測試發(fā)展歷程表

目前較先進的測量方法是激光衍射粒度分析法，從現(xiàn)今科技發(fā)展迅猛趨勢來看，今后一段長時間內(nèi)有逐漸成為粒度分析儀器設(shè)備為主流的態(tài)勢，但沒有形成統(tǒng)一的定量認識及較為完整、準確地關(guān)系式描述，這點正好為我們基礎(chǔ)技術(shù)研究，完善分析方法、提高粒度分析數(shù)據(jù)水平及評價，提供了機遇和挑戰(zhàn)。利用電腦進行砂巖粒度分析技術(shù)，是在采集巖石顯微圖像工作中提出的想法，為直觀的薄片粒算方法的改進，把光學顯微鏡、照相機和計算機相結(jié)合，在電腦屏幕上，根據(jù)砂巖粒級不同，應用顯微鏡物鏡的倍數(shù)不同，解決直讀粒級劃分和顆粒大小數(shù)量的計算，降低測算過程誤差，減輕鏡下小視域讀取工作的疲勞，還可以提高效率，結(jié)果更加精確，粒度資料更好應用。

2 實驗方法研究

對于固結(jié)又難于解離開的砂巖和粉砂巖只有采用薄片粒度分析法，薄片顯微鏡下粒度分析法是成熟的實驗室分析方法之一，本次課題是把鏡下粒度分析，轉(zhuǎn)移到電腦上，研究電腦屏幕上砂巖的粒度分析方法，通過操作方法研究及大量實驗數(shù)據(jù)的獲得，分析對比結(jié)果，得出項目方法的可行性［9－11］。以下為計算機粒度方法的簡要流程敘述，并任選一個薄片的測試數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)進行了對比。

2.1 砂巖粒度分析粒度前期準備

做粒度分析的薄片大小一般與巖石薄片等大即可，切片方向一般采用垂直層理方向，也可平行層理切片。為了得到資料比較客觀、正確，并具有代表性，最好在同一細層內(nèi)切片，即在薄片中見不到層理，如在薄片中可見層理，則應在不同層內(nèi)分別抽樣，并分別處理成果。

選擇抽樣方法是粒度分析的重要一環(huán)。抽樣方法即是選擇欲測顆粒顆粒的方法，有點計法、線計法和帶計法，見圖1，其中有斜線的為主測顆粒。

圖1 抽樣方法示意圖

點計法:使用網(wǎng)格目鏡，凡是網(wǎng)格交點遇到的顆粒均為要測定的顆粒。暗粒徑分別計數(shù)。可聯(lián)合使用點積目鏡和電動計數(shù)器或點計機械臺和自動點計器。網(wǎng)格間距要大于薄片內(nèi)最大顆粒的粒徑。

線計法:使用機械臺等距離移動薄片，測定縱絲或橫絲通過的全部顆粒的粒徑，并分別計數(shù)。線間距要大于最大顆粒的粒徑。

帶計法:測定一個帶內(nèi)的全部顆粒的粒徑。帶的寬度應大于薄片內(nèi)最大顆粒的粒徑。選擇包括顆粒較多的薄片中間部分，使之有代表性。然后在垂直目鏡微尺的方向上慢慢移動薄片，按粒徑分別計數(shù)。

對上述三種抽樣方法得出的結(jié)果略有不同，線計法能否被選上的概率是與該直線垂直的顆粒切面視直徑大小成正比，直徑大時，遇到的概率就大。點計法則是點觸到的概率，是與視平面的面積成正比。帶計法是測定一定面積內(nèi)的全部顆粒，接近“全面測定”的抽樣方法。

測定顆粒數(shù)問題各家采用標準也不同，利用各種抽樣方法選擇的欲測顆粒很多。但究竟測多少合適，既有代表性又能節(jié)省時間，經(jīng)試驗認為一般測300－500顆粒即可達到穩(wěn)定頻率。測量時注意測線布置均勻，不能集中，特別是對分選差、分布不均勻的巖石。砂巖薄片粒度分析法，它是測定一定粒度的粒數(shù)的百分比，而不是重量百分比，是屬于粒算法。應確定好統(tǒng)計粒級間距是1/2φ或1/4φ，編制粒度分析統(tǒng)計表。

2.2 砂巖粒度分析顯微鏡下步驟

常規(guī)顯微鏡下砂巖粒度分析常利用帶計法，步驟如下:

步驟一為將機械臺裝在顯微鏡的物臺上，夾好薄片。機械臺的南北軸固定在零點或薄片的最左邊。

步驟二為轉(zhuǎn)動機械臺的南北軸，使薄片成南北向移動，用目鏡微尺測量壓線顆粒的長度方法測定欲測顆粒，直至測完預測顆粒數(shù)量為止。

測顆粒時，對輪廓不清的顆粒和重礦物、片狀礦物不予計數(shù)，對再生長大的石英和長石測其原粒徑。如有雜基則需測其百分含量，填入5φ的粒級中，予以計算。

步驟三是統(tǒng)計各粒級顆粒數(shù)及總數(shù)。并計算各粒級頻率及累積含量，最后達1OO%。

2.3 砂巖粒度分析計算機方法步驟

計算機下砂巖的粒度分析所利用方法是在點計法的基礎(chǔ)上，用帶計法作為輔助，具體步驟如下:

步驟一為顯微鏡目鏡換上帶有目鏡微尺的目鏡。微尺每小格代表的長度不固定，不同放大倍數(shù)格值大小不同。

步驟二為將機械臺裝在顯微鏡的物臺上，夾好選作薄片。將機械臺的南北軸固定在薄片的最右邊。

步驟三是打開照相設(shè)備，轉(zhuǎn)動機械臺的南北軸，使薄片成南北方向移動，同時在電腦屏幕上可以看到不同的測試視域區(qū)間。采集軟件中有橫帶、縱帶及網(wǎng)格，可以滿足點計法、線計法和帶計法的測量，帶計測量計算與目鏡微尺數(shù)值計算相同。目鏡微尺測量壓線顆粒的長度(視長軸或視短軸)，或網(wǎng)格目鏡中格交點的顆粒長度，本次采用橫向帶計法，即帶計法帶內(nèi)顆粒的長度，分別記數(shù)，具體操作界面見圖2。

測試時采用使用軟件工具測量和肉眼正確目估顆粒直徑大小方法計數(shù)。

圖2 砂巖粒度分析測算方法

步驟四為在電腦屏幕上測定完一個視域的顆粒后，按已選擇好的方向及間距，轉(zhuǎn)動東西軸至需要位置。按上述方法測定完欲測顆粒為止。

步驟五是統(tǒng)計各粒級顆粒數(shù)及總數(shù)，填入統(tǒng)計表并計算。

2.4 計算機砂巖粒度分析方法結(jié)果對比

經(jīng)過上述具體操作，實例D2460LD3薄片測量結(jié)果統(tǒng)計(粒度數(shù)量400)分析，與已知顯微鏡下粒度統(tǒng)計(粒度數(shù)量300)結(jié)果對比，參數(shù)數(shù)據(jù)基本一致。見表2。

表2 薄片測量結(jié)果分析與對比

續(xù)表

已知薄片粒度統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源為:1/25萬阿牙克庫木湖幅區(qū)調(diào)項目數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)對比和質(zhì)量評價

通過實驗測算數(shù)據(jù)與樣品已知結(jié)果對比研究，可以對計算機粒度分析基礎(chǔ)方法改進的創(chuàng)新實驗效果進行評估。

粒度在沉積學中是使用最廣泛的術(shù)語，粒度參數(shù)的種類很多，一般理解粒度為顆粒直徑。碎屑物的粒徑大小在沉積環(huán)境中具有重要意義，因此采用平均粒徑值計算后對比的方法。目前廣泛采用的是粒度參數(shù)計算方法，包括表示粒度大小的平均粒徑法、表示分選程度的標準偏差法、表示頻率曲線對稱性的偏度法及表示頻率曲線尖度的尖度法。本次數(shù)據(jù)處理用到的平均粒徑法公式如下［12］:

實測樣品數(shù)據(jù)對比見表3:

表3 樣品雜基校正后平均值對比表

從表3中可以看到，M為通過公式計算出的已知的薄片粒度分析數(shù)據(jù)雜基校正平均值，而M’則為本項目計算機數(shù)據(jù)雜基校正平均值，M—M’為兩種粒度分析方法數(shù)據(jù)之間的誤差值，可見正負小于3%，說明電腦屏幕上進行粒度分析測試結(jié)果可靠，滿足研究要求，具有實用性和可操作性。

4 小結(jié)與認識

通過砂巖薄片粒度范圍的選定及計算機方法的初步設(shè)想，放逐于實踐操作中，以傳統(tǒng)顯微鏡下粒度分析為基礎(chǔ)，解決計算機方法的相關(guān)問題，即確定了電腦屏幕上不同粒級砂巖選用不同物鏡的相關(guān)性;經(jīng)過多次測量選定帶記法為最佳效果;最終的數(shù)據(jù)分析，已知數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)雜基校正平均值相對比，具有很高的一致性，說明計算機粒度分析技術(shù)方法有較高的可行性，使得研究成果不僅具有一定的理論意義，而且具有較大的實用價值，可以用于生產(chǎn)實踐中。

科技發(fā)展高速發(fā)展的今天，在計算機粒度分析方法基礎(chǔ)上，還應進一步工作，如改進采集軟件為粒度分析軟件，實現(xiàn)軟件自動顆粒組分的粒度分布測試及自動統(tǒng)計功能;實現(xiàn)粒度統(tǒng)計參數(shù)計算的標準化和自動化;實現(xiàn)粒度分析報告計算機輸出和電子文檔生成，使粒度分析實驗環(huán)節(jié)向成果化邁進一大步。

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