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两种激光粒度仪测量结果的对比 肖尚斌 李安春 刘建国 徐兆凯 1 中国科学院海洋研究所 山东 青岛 2 6 6 0 7 1 2 中国科学院研究生院 北京 1 0 0 0 3 9 摘要 用两种型号 C i l a s 9 4 0 L和 M a l v e r n 2 0 0 0 的激光粒度仪对 1 4 9 个沉积物样品进行了测量 对测量结果作 了对比分析 包括各粒级间的对比 各种粒度参数的对比以及相关分析等 找 出了两种仪器在不同粒级之间的差异和相关性 分析结果表明 两种仪器的分析数据在 l 3 1 4 t t m 的粒度 区间最 为接 近 小于此 粒级 范 围时 C i l a s 9 4 0 L所测得 数据 大 于 同粒 级 内 M a l v e r n 2 0 0 0的观测值 大于此粒级范围的分析结果则相反 即C i l a s 9 4 0 L对细粒样品的敏感性 更强一 些 关键词 粒度分析 激光粒度仪 相关性 粒度参数 中图分类号 P 5 8 8 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 0 9 6 2 0 0 4 1 2 0 0 1 1 0 5 沉积物粒度分析是沉积学和古环境研究的基本 方法 它对阐明沉积物的来源 沉积物的输运过程和 沉积环境分析等具有重要的意义 沉积物粒度分布的 空间变化 至少反映两种沉积过程 一是不同物源在 不同搬运动力作用下的物理混合 二是相同物源在单 向输运过程中随搬运距离 和沉积介质动力条件的变 化而产生的选择性沉降 因此 选择合适的方法准确 地分析沉积物的粒度成分是非常重要的 传统的沉降移液管法测量的粒级较窄又耗时 筛 析法的优点是经济 适用于粗颗粒 但是对于粘滞性 强的细颗粒难以测量 最近 扫描电镜被应用于微米 以下级 的粒度定量分析中 但是这种方法成本高且效 率低 激光衍射法集 2 0 多年的发展优势 被用于快速 测量合成的 成分均匀材料 的粒径 且在粒径小到 0 0 2 t t m时精度可达 1 此法操作简单方便 快 速 但是 沉积物样品本身相当混杂的成分组成 使得 这种方法 的应用变得复杂而难解 目前 激光粒度仪 对细粒物质的测量分析多采用 M i e 理论 然而 由于 沉积物中不同的矿物光学性质和表面暗点各不相同 影响了激光衍射仪输出能量 这些最终导致 了根据光 能利用 M i e 理论来编译粒度分布结果的差异性 激光粒度仪与其他粒度测试方法问的结果对 比 已经有报道 国外曾有人对多种粒度仪进行过比 较 相同样品用不同厂家生产的激光粒度仪来测量 其结果存在一定的差异 这是 由于不同厂家对其产品 的测量范围设定不同 或者厂家虚报 了其产品的测 量能力 C i l a s 和 M a r v e r n型号的激光粒度仪是国内 目前应用相对频繁的仪器 特别是在沉积学研究领 域 但至今未见有关此二者测量结果的详细对比 作 者对东海内陆架 1 4 9 个样品分别在两种型号 的激光 粒度仪上进行了分析 将分析结果作相关对比 找出 二者的关系 以便于有关研究者参考 1 材料与方法 1 1 激光粒度仪 的原理 激光粒度仪利用的是光的衍射现象 即光在传 播过程中能绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现 象 一定粒径的球形颗粒以一定的角度向前散射光 线 这个角度接近于与颗粒直径相等的孔隙产生的衍 射角 衍射角与颗粒 的大小成反比 激光粒度分析是 在假定所测颗粒为球体的前提下进行的 沿颗粒横断 面的绕射被定为球形绕射 1 2 样品前期处理工作 样品为取 自东海内陆架泥质沉积区的 D D 2 孔 收稿 日期 2 0 0 3 0 9 2 2 修回 日 期 2 0 0 3 1 0 2 8 基金项 目 中 国科 学院海洋 研究所 创新基 金资助 项 目 f L 6 1 0 2 2 8 1 1 作者简介 肖尚斌 1 9 7 0 一 男 湖北钟祥人 讲师 博士 生 从事海洋地质学研究 电话 0 5 3 2 2 8 9 8 5 3 5 E m a i l a c l i m s q d i o a c c n Ma r i n e S c i e n c e s V o 1 2 8 N o 1 2 2 0 0 4 维普资讯 长度 2 9 8 m 按 2 c m间隔分样 样品先用 3 0 的双氧 水处理 再用浓度为 3 m o l L的盐酸处理 分别在法国 产 C i l a s 9 4 0 L激光粒度仪和英国产 M a l v e r n 2 0 0 0激光 4 0 粒度仪上分析 0 2 两种仪器测量结果的对比 8 0 对 1 4 9 个按照上述方法处理的同一份样品分别 用两种激光粒度仪分析 得到两组数据 并进行粒度 参数对比 分析这两种仪器的差异 2 1 总体特征 图 1 为两种仪器在测量样品的全粒度范 围内的 1 0 1 0 0 1 0 0 0 粒径 m 图 1 两种激光粒度仪测量结果的相关系数图 F i g 1 Co r r e l a t i o n o f t h e r e s u l t s f r o m t wo t y p e s o f l a s e r p a r t i c l e a n My zers 质量分数相关系数图 可以看出 两种粒度仪在全部 粒径测量范围内的相关系数呈现出正弦 曲线的变化 趋势 相关系数的峰值在 粒径为 0 7 2 4 Z m和 8 1 3 Z m左右呈 良好的正相关性 相关系数为 0 6 0 8 粒径为 4 5 4 Z m左右时呈 良好的负相关性 相 关系数为 一 0 6 一 0 8 粒径为 2 5 3 2 Z m时呈较好 的负相关性 相关系数约为 一 0 4 粒径从 5 6 Z m至 2 8 0 Z m时 相关性逐渐降低 粒径大于6 3 0 z m以上 两种仪器测量结果的相关性趋于稳定 约为 0 4 从图 2 可以看出 尽管两种激光粒度仪在区间 1 8 2 z m和 4 6 5 Z m所测得的质量 分数有明显 的差别 但是二者具有 良好的相关性 前者呈现为同 步变化的趋势 为正相关 而后者则为负相关 程鹏等 对 C i l a s 9 4 0 L 激光粒度仪与筛析法和沉 降法的结果对比表明 前者对 4 m组分效率平均 为 6 0 对 2 Z m部分为 3 7 作者对此两个区间内 C i l a s 9 4 0 L 和 M a l v e r n 2 0 0 0的测量结果对比表明 两种 激光粒度仪 的测量结果具有较大的差异性 对 4 z m 4 0 0 l n 里8 0 1 2 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 质量 分数 质量分数 图 2 两种激光粒度仪在 1 8 2 k t m粒级 A 和 4 6 5 k t m粒级 B 的质量分数对 比图 F i g 2 C o m p a r i s o n i n 1 8 2 X m A a n d 4 6 5 P m B b e twe e n two t y p e s o f l a s e r p a r t i c l e a n a l y z e r s M a lv e m 2 0 0 0 一一一 C i l a s 9 4 0 L 图 3 同 部分 M a l v e r n 2 0 0 0平均效率为 C i l a s 9 4 0 L的 5 1 而 对 2 t t m部分 M a l v e m 2 0 0 0 平均效率则仅为C i l a s 9 4 0 L的 3 0 2 图 3 0 1 0 2 0 3 0 质量分数 0 2 0 4 0 6 0 质量分数 图 3 两种激光粒度仪在 2 m A 和 4 k t m B 的测量结果对比图 F i g 3 C o m p a ri s o n o f th e r e s u l t s i n l e s s 2 k t m A a n d l e s s 4 m B b y two t y p e s o f l a s e r g r a n u l a r a n a z e r s 2 2 各粒级相关性 鉴于两种激光粒度仪在所测量粒度范围内相关 性随粒径变化的复杂性 作者以相关系数 0 作为分界 区间来回归二者在不同粒级段的关系 所有相关系数 都是在显著水平为 0 0 1 时求得 3 Z m以下粒级二者的相关系数为 0 7 7 相关性 较好 图 4 A 其回归方程为 Y 0 2 6 6 7 x 3 3 3 5 2 Y为 M a l v e r n 2 0 0 0 所测得的质量分数 x为 C i l a s 9 40L 所测得的质量分数 下同 可以看出二组数值差别较 大 3 7 m二者的相关系数为 一0 6 1 呈较好的负 海洋科学 2 0 0 4 年 第 2 8 卷 第 l 2 期 8 6 4 2 0 2 4 6 8 o 0 0 加 叩唱站 维普资讯 O 1 O 2 O 3 O 4 0 C i la s 9 4 0 L 质量分数 O 1 O 2 O 3 O 4 0 C i la s 9 4 0 L 质量分数 0 1 2 3 4 5 6 C i l a s 940 L 质量分数 O 2 4 6 8 C i la s 9 4 0 L 质量分数 1 0 甄 4 O 3 5 3 O 蜓 2 5 8 2 O 1 5 1 O 5 墨 0 0 甄6 O 5 0 蜓4 O 窘3 0 2 O 1 o O O 1 O 2 O 3 O 4 0 C i l a s 9 40 L 质量分数 O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 O C i la s 940 L 质量分数 C i l a s 9 4 0 L 质量分数 图4 两种激光粒度仪在不同粒度区间测量结果的对比回归图 F i g 4 R e g r e s s i o n a n a l y s i s i n s o me p a r t i c l e r a n g e s f o r t w o t y p e s o f g r a n u l a r ana l y z e r s A 6 O O b t m 相关性 图 4 B 其 回归方程为 Y 一 0 5 8 9 8 x 3 7 7 l 7 1 6 m二者的相关系数为 0 6 9 相关性较 好 图 4 C 其回归方程为 Y 0 7 3 7 1 x 1 5 5 1 9 l 6 4 0 m二者的相关系数为 一 0 1 9 呈负相关 但是 相关性较差 图 4 D 其回归方程为 y 一0 1 9 x 2 3 1 5 4 0 6 3 m二者的相关系数为 0 5 2 相关性中 等 图 4 E 其 回归方程为 y 0 7 6 4 8 x 3 4 8 5 6 6 3 4 0 0 m二者的相关系数为 0 3 7 相关性中等到 差 图 4 F 其 回归方程为 y 0 9 5 3 4 x 9 2 5 8 4 4 0 0 6 0 0 m二者的相关 系数为 0 0 6 相关性很差 图 4 G 其 回归方程为 y 0 0 0 6 6 0 0 4 2 9 6 0 0 m以上粒级二者的相关系数为 0 3 9 相关性变 好 图 4 H 其回归方程为 y 0 0 0 4 1 x 0 0 0 0 1 2 3 两种仪器的粒度参数对比 粒度参数常被用来判断沉积物的水动力条件与 沉积环境 作者根据矩值法进行粒度参数的计算 包 括平均粒径 分选系数 偏态 峰态 对粒度参数作了 相关系数及回归方程的对 比 表 1 就 平 均 粒 径 而 言 C i l a s 9 4 0 L观 测 值 平 均 比 M a l v e r n 2 0 0 0观测值大 l 中左右 即前者观测值 的平均 Ma r i n e S e i e n c e s V o 1 2 8 N o 1 2 2 0 0 4 加 加 5 O 氟 删 8o J a I 5 们 o 8 6 4 o 氟 删 8o J a I 氟 删 8o J a l 氟 删 8o J a I 维普资讯 维普资讯 定的多峰分布结果最好不要用来进行子组分的分解 另一方面 S y v i s t k i 对各粒度仪测量多峰分布样 品的结果进行对比 发现 M a l v e r n 激光粒度仪测量结 果与其他仪器的可对比性良好 2 两种仪器的测 量结果在 l 3 1 4 t t m的粒度区间最为接近 小于此粒 级范围C i l a s 9 4 0 L 所测得样品的质量分数大都大于同 粒级内M a l v e r n 2 0 0 0的观测值 大于此粒级范围观测 结果则相反 即 C i l a s 9 4 0 L对细粒样品的敏感性更强 一 些 由不同的粒级组成的沉积物 两种仪器测量结 果在不同区间的相关性有较大的差异 呈现出正弦曲 线变化的趋势 因此 对于细粒级沉积物选用 C i l a s 9 4 0 L能够更真实地反映实际情况 3 根据两种仪器 观测值计算的粒度参数对比 按中值粒径 峰态 分选 系数 偏态的顺序其相关性递减 参考文献 1 M c C a v e I N B r y a n t R J C o o k H F e t a 1 E v a l u a t i o n o f a l a s e r d i ff r a c t i o n s i z e a n al y z e r f o r u s e w i t h n a t u r al s e d i m e n t s J S e d i me n t a r y P e t r o l o g y 1 9 8 6 5 6 5 6 1 5 6 4 2 1 S i n g e r J A n d e r s o n J B L e d b e t t e r M T e t a 1 T h e a s zes s me n t o f a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s for t h e a n a l y s i s o f fin e g r a i n e d s e d i m e n t s J J o u r n a l o f S e d i me n tary p e t r o l o g y 3 4 5 6 7 8 1 9 8 8 5 8 5 3 4 5 4 3 S y v i s t s k i J P M F a c t o r a n al y s i s o f s i z e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s S i g n i fic a n c e o f f a c t o r s o l u t i o n s b a s e d o n s i mu l a t i o n e x p e ri m e n t s A S y v i t s k i J P P r i n c i p l e s m e th o d s a n d a p p l i c a t i o n o f p a r t i c l e s i z e a n a l y s i s C C a m b ri d g e C a m b ri d g e Un i v e r s i P r e s s 1 9 9 1 2 4 9 2 6 3 L o i s e a u J L A r bou i l l e D S a n t i a g o S e t a 1 E v alu a t i o n o f a w i d e r a n g e l a s e r d i ff r a c t i o n g r a i n s i z e a n al y zer for u s e w i t h s e d i m e n t s J S e d i me n t o l o g y 1 9 9 4 4 1 3 5 3 3 6 1 K o n e rt M V a n d e n b e r g h e J C o mp a ri son o f l a s e r gra i n s i z e a n a l y s i s wi t h p i pet t e a n d s i e v e a n a l y s i s a s o l u t i o n for t h e u n d e r e s t i m a t i 0 n 0 f t h e c l a y f r a c t i o n J S e d i me n t o l og y 1 9 9 7 4 4 5 2 3 5 3 5 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 2 0 0 1 1 9 3 44 9 4 5 5 Mc C a v e I N S e d i m e n t a r y p r o c e s s e s a n d the c r e a t i o n o f t h e s t r a t igra p h i e r e c o r d i n t h e L a t e Q u a t e r n a ry N o r th A t l a n t i c O c e a n J P h i l T r a n s mR S o c L o n d B 1 9 9 5 3 4 8 2 2 9 2 41 A gra w a l Y C Me C a v eI N R i l e y J B L a s e r d i ff r a c t i o n s i z e a n al y s i s A S y v i t s k i J P P r i n c i p l e s m e t h eds m a n d a p p l i c a t i o n o f p a r t i c l e s i z e a n al y s i s C C a m b ri d g e C a mb ri d g e U n i v e rsi t y P r e s s 1 9 9 1 1 1 9 1 2 8 Co mp a r i s o n b e t we e n me a s u r e me n t r e s u l t s f r o m t wo t y p e s o f l a s e r p a r t i c l e s i z e a n a l y z e r s X I A O S h a n g b i n 一 L I A n c h u n L I U J i a n g u o 一 X U Z h a o k a i 1 I n s t i t u t e o f O c e a n o l o g y t h e C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 C h i n a 2 G r a d u a t e S c h o o l t h e C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s B e i j i n g 1 0 0 0 3 9 C h i n a Re c e i v e d S e p 2 2 2 0 03 Ke y w o r d s p a rt i c l e s i z e a n a l y s i s l a s e r g r a n u l a r a n aly z e r c o r r e l a t i o n s i z e p a r a m e t e r Ab s t r a c t G ra in s iz e a n a ly s is f 0 r 1 4 9 s a m p 1e s w a s c e d u t w ith tw ty p e s f 1a se r s iz