粒度分析与粒度分析的应用

粒度分析_聚煤盆地沉积学

研究沉积物的粒度大小和各种粒级分布特征的方法称为粒度分析，它是进行沉积物结构定量研究的重要手段。粒度大小和分布特征可反映沉积介质的流体力学性质和能量，是判别沉积环境和水动力条件的重要物理标志。同时，由于油气储层物性与储层粒度关系密切，因此，粒度分析对于油气储层评价也具有重要意义。

一、分析方法

根据沉积物颗粒大小及致密程度不同，通常采用直接测量法、筛析法、沉降法和薄片法进行粒度分析。

1.直接测量法

一般用于砾岩或砾石，其方法是用度量工具直接测量砾石的直径或视直径大小或在具有确定比例尺的野外照片上进行砾石直径的测量，一般测量一定面积内的全部砾石（粒径大于2mm的颗粒），测量点数不少于300个，多用于河流、滨海、冰川、泥石流等砾岩的分析。

2.筛析法

用于未固结或胶结较差的含砾砂岩到粉砂岩，它是用一套筛孔直径不同的筛子将砂样过筛，以分成不同的粒级组分，一般筛孔直径按1 / 4φ间隔选择较好，称出每层筛内砂的重量，并求出其百分含量。筛析法比较简便，也较精确。

3.沉降法

与其他几何学方法比较，沉降分析更符合于自然情况，因为沉降速度能够反映沉积颗粒的基本力学性质。这种方法过去多用于分析粘土和粉砂等细粒沉积物，但当前也广泛地应用于分析砂粒级沉积物。常用的方法有移液管法和沉降管法。

（1）移液管法：这一方法是以斯托克沉降定律作为分析根据的。斯托克公式表明，当流体性质和颗粒密度已知时，沉降速度直接由颗粒大小决定，并与颗粒直径的平方成正比。具体方法为：制备浓度低而且均匀的悬浮液，将1L悬浮液装入带刻度的筒内静置。按标准的几个时间间隔从悬浮液顶部以下10cm或20cm处抽取悬浮液样品。应用斯托克定律可以计算出在某一特定时间，必有某一等效直径的全部颗粒已沉降到该高度以下。用几个标准时间依次取样，则可得到由粗到细的几个粒级的样品。根据所取的各已知体积中回收的沉积物的质量（干重），可以计算出样品的粒度分布。

（2）沉降管法：这种方法的具体步骤是在沉降管内放好纯水，然后将分析样品从管的上端导入，使之向下端沉降。这时可直接观察颗粒堆积速度，或借用差压计或压力计对沉积物中不同粒度的沉降速度和过程进行测量及记录，从而得到样品的粒度分布资料。

4.薄片法

一般用于较致密的岩石，其方法是在显微镜下，用测微尺直接测量岩石薄片中颗粒的最大视直径，并将测量值换算成φ值，按1/4φ间隔分组，计算各组内颗粒百分数，每片要求统计300～500个颗粒。值得注意的是，薄片中获得的粒度是表面现象所显示的粒度，不是真实的粒度。这是切片效应造成的结果（切片效应是指在颗粒集合体的切片中，颗粒的视直径均小于其真直径）。

5.不同方法的校正

运用上述不同的方法所得到的分析结果可能存在差异：沉降法和筛析法所得出的粒径差别不大，但薄片粒径与筛析粒径之间的偏差可达0.25φ或更大。由于粒度分析的基本概念是通过研究松散沉积物和风化的沉积岩发展而来的，所以将直接测量法和薄片法所获得的粒度数据转化为筛析数据就显得非常重要了。Neumann-Mahlkau（1967）和Friedman（1958， 1962）分别提出了各类粒度资料的转化方程：D＝-1.15＋0.9d（D为校正后筛析直径φ值；d为直接测量直径φ值）；D＝0.381 5＋0.902 7d（D为校正后筛析直径φ值；d为薄片中视直径φ值）。

在运用薄片法进行粒度分析时还必须考虑砂岩中基质的影响，即进行杂基校正，方法是用显微镜测定或估出杂基含量，由于切片效应和成岩后生作用，其值一般偏高，取其2 / 3或1 / 2为校正值，假定为X，将各累计频率乘以（100－X）作为该粒级的真正百分含量。

二、粒度分布曲线

根据粒度分析的结果，可编制各种粒度曲线。粒度曲线是沉积环境分析的参考标志，常用的粒度曲线包括直方图、频率曲线、累积曲线、概率累积曲线。

1.直方图

直方图是最常用的粒度分析图件，以横坐标表示粒级大小，纵坐标表示粒级的百分含量，每个粒级都按其百分含量画出不同高度的柱子，来表示粒度分布的特征。直方图优点是能直观、简明地反映出粒度分布特征。

在一个直方图上，柱子的高低，以及柱子的集中和分散的分布表示沉积物的分选程度。有一个百分含量较高的柱子，或较高含量的柱子比较集中，则表示分选好；相反，柱子高度低，而且分散则分选差。如冰川、冲积扇各粒级含量变化不大，分选最差；河流分选中等；湖滩、海滩分选都好；沙丘沉积粒度非常集中，几乎没有粗细尾部，是风力长期反复改造的结果。

2.频率曲线

频率曲线是为了改进直方图阶梯状、粒级不连续的缺点，它是直方图的极限。将直方图每个柱子顶部横边的中点依次连成折线称为频率多边形。如果把粒级划分得很细，甚至趋近于零，则直方图中的柱子就变得很多，趋近于无限多，此时其多边形曲线为一条光滑曲线，即为频率曲线（图5-2a）。频率曲线可清楚地表明粒度分布特点、分选好坏、粒度分布的对称度（偏度）及尖度（峰度）等。

3.累积曲线

累积曲线是一种常用的简单图形，它是以累计百分含量为纵坐标，以粒径为横坐标，从粗粒一端开始，在图上标出每一粒级的累计百分含量。将各点以圆滑的曲线连接起来，即成累积曲线（图5-2b）。累积曲线一般呈“S”形，从图上可看出其粒级分选的好坏，在计算粒度参数时也可由图上读出某些累计百分比对应的粒径值。累积曲线的形态，可用来区分不同的沉积环境。

图5-2 三种常见的粒度曲线（据Visher，1969）

a.频率曲线；b.累积曲线；c.概率累积曲线及粒度分布中的总体

图5-3为美国布尔德金河现代三角洲用累积曲线分出的10种成因相，即河道、天然堤、河口坝、浅滩、沿岸沙丘、海湾、低潮滩、沼泽、潮汐水道和高潮环境。

4.概率累积曲线

概率累积曲线也是一种粒度累积曲线，它是在正态概率纸上绘制的，横坐标代表粒径，纵坐标为累积百分数，并以概率标度表示，概率坐标不是等间距的，而是以50%处为对称中心，上下两端相应地逐渐加大，这样可以将粗、细尾部放大，并清楚地表现出来。概率曲线中碎屑沉积物的粒度不是一个简单的对数正态分布，而是由几个呈对数正态分布的次总体组成，一般包含有三个次总体，在概率图上表现为三个直线段，代表了三种不同的基本搬运方式，即悬浮搬运、跳跃搬运和滚动搬运（图5-2c）。三个次总体在累积概率曲线上分别称为悬浮总体、跳跃总体和滚动总体（牵引总体），概率图上除三个次总体之外的其他参数有：截点、混合度、次总体百分含量、分选性。

截点是指两个次总体直线的交点，以横坐标表示，细截点（S截点）是悬浮总体和跳跃总体的交点，表示能悬浮的最粗颗粒；粗截点（T截点）是跳动总体和滚动总体的交点，表示能跳跃的最粗颗粒。

图5-3 美国布尔德金河三角洲各亚环境的累积频率曲线（据Krumbein，1934）

混合度是指两个次总体直线段相交时，在截点处有些点不在直线上，而是零散过渡的，也称为过渡带，反映沉积分异情况。

次总体百分含量，即各次总体分别占样品总量的百分数。

分选性以各次总体直线段的斜率（即直线段倾斜角度）表示。

三、粒度参数

常用的粒度参数有平均粒度（Mz）、标准偏差（σ）、偏度（SK）、峰态（KG）。计算粒度参数有两种方法：①数理统计法，以概率和统计学为其数学基础，直接用粒度分析得到的各粒级的百分比计算，常用的计算方法是矩法，计算较复杂，较少用；②图解法，从概率累积曲线上读出某些累积百分比处的颗粒直径，再以简单算术公式计算各种粒度参数，这种方法比较常用。

平均粒度（Mz）表示一个样品的平均粒度大小，反映搬运介质平均动能，计算公式为：Mz＝(φ16＋φ50＋φ84) / 84。

标准偏差（σ）表示分选程度，即反映颗粒的分散和集中状态，计算公式为：σ＝(φ84－φ16) / 4＋(φ95－φ5) / 6.6。Folk和Ward（1957）以及Friedman（1979）根据不同环境的数百个样品分析结果，提出分选系数的分级标准，列于表5-1。

表5-1 分选系数分级标准

偏度（SK）用来表示频率曲线对称性的参数，按其对称形态可以分为三类：①单峰对称曲线，以峰为对称轴的曲线，曲线为正态分布，反映出Mz（平均粒径）＝Md（中值）＝Mo（众数）；②不对称正偏态曲线，曲线不对称，主峰偏粗一侧，即沉积物以粗组分为主；③不对称负偏态曲线，曲线不对称，主峰偏细一侧，即沉积物以细组分为主。偏度（SK）计算公式为：SK＝(φ84＋φ16－2φ50) / [2(φ84－φ16)]＋(φ95＋φ5－2φ50) / [2(φ95－φ5)]。偏度SK在自然界一般介于-1～1之间，按偏度值可进一步把偏度分为五级：①SK＝－1～－0.3很负偏；②SK＝－0.3～－0.1负偏；③SK＝－0.1～0.1近于对称；④SK＝0.1～0.3正偏；⑤SK＝0.3～1很正偏。

峰态（KG）是频率曲线尾部展开度与中部展开度之比，用以说明与正态分布曲线相比时分布曲线的宽窄和尖锐程度（图5-4）。峰态（KG）计算公式为：KG＝(φ95－φ5) / [2.44(φ75－φ 25)]。根据峰度值可以把频率曲线峰度分为6类：①KG＜0.67很平坦；②KG＝0.67～0.9平坦；③KG＝0.9～1.11中等（近正态）；④KG＝1.11～1.56尖锐；⑤KG＝1.56～3很尖锐；⑥KG＞3非常尖锐。

图5-4 与正态曲线相比较平坦和尖锐两种峰度的曲线（虚线为正态曲线）

峰度、偏度、分选系数、平均粒径几个参数之间有着密切联系。当沉积物由纯砾、纯砂、纯粉砂组成，频率曲线为对称单峰曲线，其分选很好，偏度近于0，峰度为中等；当增加少量新组分，则出现次峰，使原频率曲线尾部分选变差，而主峰仍保持良好但峰值变大，偏度由于次峰粒度与主峰粒度的相对粗细可呈正或负偏度；当新组分含量增至新旧两组分相近时，频率曲线则呈平坦的马鞍状双峰曲线，分选最差，峰度最低，而偏度却又接近零；当新组分继续增加以至成为主峰时，峰度变大，分选变好，偏度按新组分形成主峰与原组分形成次峰的位置不同，呈正偏或负偏。由于两种组分以不同比例混合而引起的粒度大小，分选好坏，偏度和峰度的变化及其相互关系，可简化为表5-2。

表5-2 两种组分混合物的平均粒径、分选、偏度、峰度的变化及相互关系

四、粒度分析的环境意义

沉积岩的粒度受搬运介质、搬运方式及沉积环境等因素控制。反过来，这些成因特点必然会在沉积岩的粒度特征中得到反映。这就是应用粒度分析确定沉积环境的依据。下面是常用的沉积环境解释的粒度分析方法。

1.概率累积曲线的环境意义

概率累积曲线的特征是水动力条件的直接反映，但是到目前为止，两者之间仍难得到定量关系。因此，在运用概率累积曲线进行环境解释时，一方面要强调根据其原理对曲线的沉积水动力特征进行探讨，同时也要重视已知环境典型曲线的特征。

泥石流沉积的概率累积曲线为一反复无常的断折线，斜率很小，分选极差，各线段不具有各个总体的意义（图5-5a，曲线1）。这些特点表明没有任何使粒度分异的机械搬运作用，重力是其唯一能源。

浊流沉积的概率累积曲线的主要特征为：悬浮总体占整个粒度分布的大部分，甚至是全部（图5-5a，曲线2），即曲线基本由悬浮总体所组成，粒度区间大，可延至粗砂和细砾级；常成一波折的、向上凸的曲线，以较低的斜率延伸，分选不好；在较粗段（鲍马层序A段），跳跃和牵引负载很少或不存在，但在较细段（鲍马层序B、C段），其重要性逐渐增加。

辫状河沉积概率累积曲线特征表现为：曲线均由三个总体组成，其中牵引总体占10%～30%，跳跃总体占50%～60%，悬浮总体占20%～30%，有时牵引总体可达50%以上，为主要的次总体；粒度较粗，牵引总体常由粗砂和砾石组成，各总体分异不明显，分选均差，悬浮总体倾角10°～20°，跳跃总体倾角20°～30°，牵引总体倾角20°～40°；粗细截点都比较粗，T＝-1φ～1φ，S＝2φ～2.5φ（图5-5b）。

曲流河沉积的概率累积曲线特征表现为：曲线由跳跃和悬浮两个次总体组成，一般缺乏牵引总体；以跳跃总体为主，约占70%～96%，而且分选好，倾角为50°左右，悬浮次总体分选差，倾角10°～30°；S截点为突变，一般在2.2φ～3φ之间（图5-5c）。

三角洲沉积体系的成因相主要包括分流河道、天然堤、河口坝等，分流河道沉积的概率累积曲线特征表现为：曲线由悬浮和跳跃两个次总体组成，在主河道为网状河时，可有少量牵引总体（图5-5d，曲线1）；悬浮总体斜角小，但受潮汐影响的分流河道的悬浮总体分选较好，斜率略大，悬浮总体含量较大，但在河道主流线上却相对较小；跳跃总体一般分选中等，受潮汐影响的分流河道分选较好并有时出现双跳跃总体；S和T截点两者都可以突变，也可以是过渡的。天然堤沉积的概率累积曲线特点为：基本上由单一悬浮次总体所组成，悬浮次总体占90%～100%。跳跃次总体较少，一般小于10%，无滚动次总体。悬浮次总体倾斜角多为45°～50°（图5-5d，曲线2）。河口坝沉积的概率累积曲线主要特点为：悬浮总体斜率较小，分选较差；跳跃总体斜率较大，分选好到很好；S截点不是突变的，而是过渡的，这是河口坝粒度分布的典型特征，外延S截点弯曲部分跨度为1φ～2φ；牵引总体一般不存在（图5-5d，曲线3）。

图5-5 不同沉积环境的概率累积曲线特征

a.重力流沉积概率累积曲线（1.加拿大波弗特地区第三系泥石流沉积；2.加拿大波弗特地区中泥盆统伊皮利尔层浊流沉积）；b.辫状河沉积概率累积曲线特征（滦河上游）（据郑浚茂，1982）；c.曲流河沉积概率累积曲线特征（俄克拉荷马州阿肯色河）；d.三角洲沉积累积概率曲线特征（1.阿尔伯塔Mitsue油田分流河道沉积；2.密西西比河天然堤沉积；3.加拿大波弗特第三系河口坝沉积）

Visher（1969）对海滩沉积物粒度分析表明不同地区海滩因海岸性质及地貌特征不同，概率累积曲线呈现一些差异。同时，在同一海滩不同部位沉积物概率累积曲线分布也存在差异，表现为各总体含量、分选性及截点位置不同（图5-6）。

风成沙丘的概率累积曲线表现为：跳跃总体几乎占粒度分布的全部，坡度陡，分选很好；牵引总体和悬浮总体很少或没有，这取决于原始沉积物性质或离物源的距离。以内陆沙漠沙丘砂为例，其结构随着物源性质及距物源的距离不同而复杂化。距物源越近，越保留有物源的特点。但其概率累积曲线是以跳跃为主，分选很好，斜角70°～80°，含量在90%以上（图5-7）。

综合上述，洪水密度流-浊流沉积和风成沙丘沉积的概率累积曲线是两种极端情况，前者为单一的悬浮总体沉积，分选很差，而后者几乎只有一个单一的跳跃总体沉积，分选极好，而其他各种环境介于二者之间。它们的变化规律为：从洪水密度流（浊流）、辫状河、曲流河、三角洲、浅滩到沿岸风成沙丘，其悬浮总体含量逐渐减少（从占样品的几乎全部，变到几乎为零）；跳跃总体逐渐变多（从占样品几乎是零，到占样品的几乎全部）；细截点从粗变细；牵引总体变化比较复杂，在辫状河都为粗粒牵引总体（小于1φ），而在三角洲、浅滩，一般为细粒牵引总体（小于2φ），而在下游河流中牵引总体不存在（图5-8，表5-3）。总之，自然界概率累积曲线类型多种多样，但其中有几类是基本的：密度流型（即悬浮体整体沉积，为单一悬浮曲线）；河流型（以跳跃和悬浮两段组成，以跳跃为主，是河流中下游快速沉积产物）；浅滩型（以分选良好的跳跃总体为主，少量牵引和悬浮总体是经波浪改造的沉积物）；风成沙丘型（即单一高度分选的跳跃总体组成，是风力加工的沉积）（图5-8）。

图5-6 海岸带概率累积曲线分布特征（据Visher，1969）

图5-7 全新世沙漠沙丘概率累积曲线（据Friedman和Visher，1975）

图5-8 几种不同环境的概率累积曲线的变化

a.洪水密度流；b.洪水辫状河；c.曲流河；d.浅滩；e.风成沙丘

表5-3 不同类型沉积环境砂质沉积物粒度概率累积曲线分布特征（据Visher，1969）

2.粒度参数的环境意义

根据对现代沉积的大量研究，沉积物的粒度参数变化是很复杂的，它取决于物源特点、搬运距离及搬运介质能量稳定性以及沉积区分选改造的能力。但在物源变化不太复杂的情况下，不同环境的粒度参数仍有一定规律和特点：近物源，水流湍急，其粒级粗，分选差；搬运距离长，水流稳定，粒级变细，分选变好，沉积环境对沉积物的改造，也会使粒径及分选有所改变，更主要的是使某些原有组分丢失，或使某些新组分增加，这就造成粒度频率曲线粗细尾部的变化，而造成一定偏度和峰度的特点。现将常见的几种主要环境的粒度参数概括如下。

冲积扇沉积：近源、坡度大、水流急，水系变化不定，快速堆积，无后期改造，沉积物粗，以砾石为主，分选极差，具粉砂泥细尾部，常为正偏，多峰曲线，平坦峰度。

河流沉积：河流沉积常为多物源，各物源粒度不同，同时堆积埋藏速度快，而受河水冲刷改造小，因此粒度变化大，大多数成双峰曲线，分选差，由于河流砂砾中常掺有粘土、粉砂等悬浮物，故河流一般为正偏，峰度变化也比较大，一般平坦。

海滩沉积：由于被浪潮反复多次搬运，泥质物冲洗干净，因此较纯，多为中细砂，分选好，频率曲线多呈正态曲线，一般偏度为0或稍负偏，峰度中等到微尖。

风成沙丘沉积：海岸沙丘是由海滩砂经风力搬运而形成，由于风力较弱，海滩砂中粗粒部分不动而留原地，故沙丘频率曲线呈微正偏，峰度中等，分选极好，多为细砂。

风成沙坪沉积：由于在海（湖）滩砂基础上，接受空中细粒物而呈正偏，并使峰度尖锐，分选较好。

3.CM图解的环境意义

CM图是Passega（1957）提出的综合性成因图解，这也是一种粒度参数散布图。他认为C值和M值这两个粒度参数最能反映介质搬运和沉积作用的能力，故运用这两个参数分别作为双对数坐标系统上的纵、横坐标，构成CM图。C值为概率累积曲线上含量为1%处对应的粒径值；M值为概率累积曲线上含量为50%处对应的粒径值。Passega（1957）研究了各种已知环境的现代和古代沉积物的CM图及其与沉积作用的相互关系，总结出两种最基本的CM图型，即重力流型CM图和牵引流型CM图。这两个图型有着明显的区别，因此CM图可以成功地区分出沉积物是重力流还是牵引流形成的。作CM图的采样要求：通常从一套同成因层序中系统采样，从最粗到最细粒的各种具有代表性的岩性中分别取样，每一个CM图取样数大于20个。

图5-9 加利福尼亚弗雷兹诺郡西部冲积扇内部泥石流沉积的CM图（据Bull，1962）

（1）重力流（密度流）型CM图解：由于流体之间密度差的作用，而使高密度流体流动，这种流体称为密度流。密度差的形成可以由于盐度、温度的不同，而最主要的是由悬浮的沉积物所造成。由高密度悬浮颗粒所构成的密度流是水与悬浮物的混合体，它沿斜坡向下运动是由作用于高密度固态物质上的重力所引起，而不是流体流动所引起，所以这种密度流又称重力流。根据重力流沉积颗粒支撑机理可分为：泥石流[是水与泥砂混合物，（基质）支撑其中砂和砾，几乎没有分选]、浊流（水与沉积物的混合物，由湍流支撑颗粒向前运动）、颗粒流（以颗粒之间的碰撞作用支撑颗粒）和液化流（靠孔隙间的液体向上运动支撑颗粒）。不管哪种支撑机理，重力流中颗粒运动主要以悬浮状态搬运，当控制重力流的各种力量降低时，密度流会逐渐呈递变悬浮的状态而沉积。在一个成因单元内，岩性总体上从粗到细变化，但每个样品相对粗细组成是按一定比例变化的。那么其最大粒径与平均粒径之间比值大致一定，因此，密度流沉积的不同部位C与M比值大致相等。各样点分布几乎平行于C＝M基线，故密度流形成大致平行于CM基线的长条形图形（图5-9、图5-10）。这是判别密度流的一个很重要的标志。

图5-10 深水典型浊流沉积CM图（据Klovan，1966）

a.现代大西洋深水浊流；b.实验浊流；c.温图拉盆地上新世浊流

（2）牵引流型CM图解：牵引流以水流为动力，水流牵引碎屑颗粒搬运，也就是由于流体流动引起碎屑颗粒的运动。河流、沿岸及水下底流都是牵引流。牵引流对碎屑颗粒有三种搬运方式：滚动、跳跃和悬浮。当水流以一定速度向前流动时，水流直接作用于颗粒的向上游面，因颗粒与底界面间有摩擦阻力，所以作用于颗粒顶部的水流比其下部的水流流速快，当其推力大于摩擦力，颗粒就沿界面产生滚动。与此同时，较细颗粒就由顺流推力、湍流作用的上举力以及颗粒与底部及障碍物碰撞而产生弹跳力等的作用而产生跳跃。牵引流的CM图形可划分为NO、OP、PQ、QR、RS各段（图5- 11）。不同区段代表不同沉积作用的产物：①NO段代表滚动搬运的粗粒物质，C值大于1mm；②OP段以滚动搬运为主，滚动组分和悬浮组分相混合，C值一般大于800μm，而M值有明显变化；③PQ段以悬浮搬运为主，含有少量滚动组分，C值变化而M值不变；④QR段代表递变悬浮段，递变悬浮搬运是指在流体中悬浮物质由下到上粒度逐渐变细，密度逐渐变低，C值与M值成比例变化，从而使这段图形与C＝M基线平行；⑤RS段为均匀悬浮段，C值变化不大，而M值变化大，主要是细粉砂沉积物。

图5-11 牵引流沉积的CM图（据Passega，1964）