基于静水沉降法的沉积物颗粒分选流程
郭利成+吴佳斌+熊尚发+杨石岭
摘 要：沉积物颗粒分选流程在古环境、古气候研究中的应用非常广泛。虽然常用的颗粒分选方法均基于斯托克斯定律，但是在操作过程中试验装置和流程的细微差别会导致不同的分选效果，甚至影响后续理化分析和科学结论。因此，建立一套可靠的分选流程对于颗粒分选至关重要。目前，筛析法和沉降法的组合是被普遍接受的分选流程，前者针对粗颗粒组分，发展较为成熟，后者针对细颗粒组分，在试验器材、试验流程和结果检验等方面还存在较大的改善空间。对此，从静水沉降法原理入手，选择乙酸来去除碳酸盐组分，利用机械震荡法加速化学反应，采用U型头虹吸管减少底部粗颗粒上涌带来的分选误差，从而建立了一套可靠的基于静水沉降法的沉积物颗粒分选流程。结果检验显示，分选出的颗粒均服从对数正态分布，且至少70%的颗粒能够准确地被分选。建立的完整有效的分选流程较传统流程可以更高效地分选出土壤黏粒和粉砂级颗粒（粒径小于64 μm），为后续研究打下可靠的基础。
关键词：沉积物颗粒；静水沉降法；U型头虹吸管；黏粒；粉砂；对数正态分布；分选流程；古环境
中图分类号：X141 文献标志码：A
文章编号：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
粒度是指矿物或碎屑颗粒的大小，决定了岩石的类型和性质，可以有效指示沉积环境或沉积相。因此，粒度被广泛应用于不同时空尺度的古环境、古气候重建工作[1-3]。然而，粒度也在一定程度上影响岩石其他环境替代指标的解释，因此，如何剔除粒度的影响是通过岩石环境替代指标来揭示过去沉积环境变化的关键。其中，颗粒分选可以有效减小粒度的影响，且其在古环境、古气候研究中的应用也非常广泛[4-7]。目前，常用的颗粒分选方法均基于斯托克斯定律[8]，但是操作过程中试验装置和流程的细微差别会导致不同的分选效果，甚至影响后续理化分析和科学结论。因此，建立一套可靠的分选流程对于颗粒分选至关重要。
学术界常用的分选流程是筛析法和沉降法的组合[9-10]，前者针对粗颗粒组分，后者针对细颗粒组分，二者均同步获取和称量不同粒级颗粒。筛析法发展较为成熟，如机械振筛仪采用不同粒径的标准金属网筛逐序组合，筛选和称量不同粒级颗粒。根据作用力不同，沉降法分为离心沉降法和静水沉降法。离心沉降法[11-12]依据离心力修正的斯托克斯沉速公式[9]来计算不同粒级颗粒在水介质中离心所需时间，进而获得不同粒级颗粒和粒度分布特征。该方法的优点是试验时间短[13]，适合大批量试验，且离心时间通过仪器控制，结果可比性强。然而，该方法离不开特定的离心装置，实际的力学计算较为复杂，结果检测难度大。
静水沉降法（又称吸管法）[9，14-16]根据不同粒级颗粒在静水中受重力作用具有不同的沉降速率，可以分选不同粒级颗粒并测量其含量。20世纪，Liu等比较了比重计法和静水沉降法所测土壤黏粒和粉砂级颗粒的含量，发现两者十分接近[17]。Pennington等用静水沉降法检验了电极法所测土壤黏粒的含量，发现静水沉降法和电极法所测土壤黏粒的含量具有很好的相关性[18]。近年来，Hao等在中新世以来的地层沉积物中比较了沉降法和激光粒度仪的测量结果，认为沉降法更能有效测量土壤黏粒的含量，获取的不同粒级颗粒还为后续研究提供了材料[6]。因此，静水沉降法可以很好地分选并测量土壤黏粒和粉砂级颗粒的含量（粒径小于64 μm），并在不同领域均有应用：黏土矿物的提取[19-20]、巴西东南部Guapi-Macacu流域中晚全新世河流动力学研究[21]、粒度对黄土磁学参数的影响[22]、识别沉积物成壤作用[6]、过去化学风化历史[4]以及沉积物磁学特征[7]等。
目前，应用静水沉降法所开发的仪器仅有SEDIMAT 4-12土壤粒度分析系统，其通过程序控制来测量特定几个粒级颗粒的含量，但无法同步获取相应粒级颗粒；应用静水沉降法的相关论文均只给出了主要步骤，但缺少步骤讨论和结果检验，给数据对比带来了困难；虽然少数论文直接利用扫描电镜方法进行粒度测量并获得投影后的颗粒直径，一定程度上完成了结果检验，但与颗粒真实粒径的可比性需要进一步商榷；已有的细颗粒分选流程存在诸多不足。基于此，本文完善了相关分选流程再结合具体试验建立了一套可靠的静水沉降法分选流程，以期为今后相关研究提供参考。
1 原 理
不同粒级颗粒在静水中受到重力作用具有不同的沉降速率。利用这一特征可以分选出不同粒级颗粒并测量其含量。本文依据传统的斯托克斯沉速公式[9]来计算不同粒级颗粒在静水中沉降相同深度所需时间，进而分选出不同粒级颗粒。本试验假设每个颗粒为球粒，表面光滑，密度相同；颗粒不受水分子布朗运动影响，相互间无干扰，亦不存在紊流运动。基于此，在一定水温下，沉降速率（v）的理论公式为
式中：ρs为颗粒密度；ρf为水密度；η为水的黏滞系数；d为颗粒粒径；g为重力加速度。
砂粒沉降不服从斯托克斯定律，因此，式（1）适用的粒径上限是64 μm[9]。
假定颗粒沉降速率几乎在沉降开始就立即达到，匀速沉降一定深度（h）所需沉降时间（t）为
对于水的不同温度和黏滞系数[23]，根据式（2）可求得不同粒级颗粒在静水中沉降10 cm[13，16]所需时间（表1）。其中，颗粒常用密度值[24]取2.65 g·cm-3，也可以根据实际沉积物颗粒密度来计算其沉降时间。
2 试验流程
本文所使用62个样品采自柴达木盆地新生代河湖相地层，提取的粒级分别为粒径小于5 μm、粒径在5～20 μm和粒径大于20 μm。粒径大于20 μm颗粒沉降10 cm所需时间短（表1），在操作上很容易引起较大误差，因此，沉降法很难准确地测量粒径大于20 μm颗粒含量，故这部分颗粒不做结果检验。图1为本文所设计的基于静水沉降法的沉积物颗粒分选流程。
2.1 原液制备
将样品破碎（不可磨碎），称取样品约10 g，倒入250 mL的三角烧杯。先加入30%的H2O2溶液20 mL以去除有机质组分[25]，置于HY-4H-JB型恒速三角瓶振荡器中振荡30 min以加速反应（振荡速率为120 次·min-1），之后静置30 min。如果部分样品有机质含量较高，继续加入30%的H2O2溶液10 mL以去除过量有机质。接着加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液40 mL[16]以去除碳酸盐组分，同样置于振荡器中以120 次·min-1的速率振荡30 min以加速反应，之后静置30 min。重复上述加乙酸步骤，之后静置约24 h。用pH试纸检验碳酸盐是否完全去除，若试纸未变红，可继续加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液10 mL重复振荡过程，之后静置12 h。至碳酸盐完全反应，即可结束加乙酸反应流程。最后，将反应后的溶液转移至350 mL的离心杯，利用离心机进行洗酸（转速为3 500 转·min-1，时间为10 min）至溶液近中性。
2.2 悬液制备
将制备的中性溶液转移至特制直筒烧杯（约2 L）中搅拌均匀，加入分散剂（0.05 mol·L-1的（NaPO3）6溶液）20 mL[26]，置于超声波发生器中将颗粒充分散开[27-28]，之后加蒸馏水稀释至标记好的刻度线（图2）。
2.3 颗粒分选
首先分选出粒径小于20 μm的颗粒（图1）。充分搅拌直筒烧杯中的颗粒，将玻璃杯放置烧杯中，待溶液尽可能达到（准）静止状态，取出玻璃棒开始记录时间，即为颗粒沉降的起始时间。经过表1所计算的时间后，用U型头虹吸管吸出上层10 cm的悬液[图2（a）]并收集，重复上述过程，共抽提8～12次，直至Mastersize 3000粒度仪测得直筒烧杯上层10 cm的液体中颗粒的最大粒径为1 μm为止。其中，U型头虹吸管需要贴壁缓慢下移[图2（b）]，尽可能避免紊流影响。此时，样品中粒径小于20 μm颗粒基本上提取完毕，粒径大于20 μm颗粒亦收集。接着，对分选出粒径小于20 μm颗粒按表1所计算的时间，利用同样的分选方法分选出粒径小于5 μm和粒径为5～20 μm颗粒。
摘 要：沉积物颗粒分选流程在古环境、古气候研究中的应用非常广泛。虽然常用的颗粒分选方法均基于斯托克斯定律，但是在操作过程中试验装置和流程的细微差别会导致不同的分选效果，甚至影响后续理化分析和科学结论。因此，建立一套可靠的分选流程对于颗粒分选至关重要。目前，筛析法和沉降法的组合是被普遍接受的分选流程，前者针对粗颗粒组分，发展较为成熟，后者针对细颗粒组分，在试验器材、试验流程和结果检验等方面还存在较大的改善空间。对此，从静水沉降法原理入手，选择乙酸来去除碳酸盐组分，利用机械震荡法加速化学反应，采用U型头虹吸管减少底部粗颗粒上涌带来的分选误差，从而建立了一套可靠的基于静水沉降法的沉积物颗粒分选流程。结果检验显示，分选出的颗粒均服从对数正态分布，且至少70%的颗粒能够准确地被分选。建立的完整有效的分选流程较传统流程可以更高效地分选出土壤黏粒和粉砂级颗粒（粒径小于64 μm），为后续研究打下可靠的基础。
关键词：沉积物颗粒；静水沉降法；U型头虹吸管；黏粒；粉砂；对数正态分布；分选流程；古环境
中图分类号：X141 文献标志码：A
文章编号：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
粒度是指矿物或碎屑颗粒的大小，决定了岩石的类型和性质，可以有效指示沉积环境或沉积相。因此，粒度被广泛应用于不同时空尺度的古环境、古气候重建工作[1-3]。然而，粒度也在一定程度上影响岩石其他环境替代指标的解释，因此，如何剔除粒度的影响是通过岩石环境替代指标来揭示过去沉积环境变化的关键。其中，颗粒分选可以有效减小粒度的影响，且其在古环境、古气候研究中的应用也非常广泛[4-7]。目前，常用的颗粒分选方法均基于斯托克斯定律[8]，但是操作过程中试验装置和流程的细微差别会导致不同的分选效果，甚至影响后续理化分析和科学结论。因此，建立一套可靠的分选流程对于颗粒分选至关重要。
学术界常用的分选流程是筛析法和沉降法的组合[9-10]，前者针对粗颗粒组分，后者针对细颗粒组分，二者均同步获取和称量不同粒级颗粒。筛析法发展较为成熟，如机械振筛仪采用不同粒径的标准金属网筛逐序组合，筛选和称量不同粒级颗粒。根据作用力不同，沉降法分为离心沉降法和静水沉降法。离心沉降法[11-12]依据离心力修正的斯托克斯沉速公式[9]来计算不同粒级颗粒在水介质中离心所需时间，进而获得不同粒级颗粒和粒度分布特征。该方法的优点是试验时间短[13]，适合大批量试验，且离心时间通过仪器控制，结果可比性强。然而，该方法离不开特定的离心装置，实际的力学计算较为复杂，结果检测难度大。
静水沉降法（又称吸管法）[9，14-16]根据不同粒级颗粒在静水中受重力作用具有不同的沉降速率，可以分选不同粒级颗粒并测量其含量。20世纪，Liu等比较了比重计法和静水沉降法所测土壤黏粒和粉砂级颗粒的含量，发现两者十分接近[17]。Pennington等用静水沉降法检验了电极法所测土壤黏粒的含量，发现静水沉降法和电极法所测土壤黏粒的含量具有很好的相关性[18]。近年来，Hao等在中新世以来的地层沉积物中比较了沉降法和激光粒度仪的测量结果，认为沉降法更能有效测量土壤黏粒的含量，获取的不同粒级颗粒还为后续研究提供了材料[6]。因此，静水沉降法可以很好地分选并测量土壤黏粒和粉砂级颗粒的含量（粒径小于64 μm），并在不同领域均有应用：黏土矿物的提取[19-20]、巴西东南部Guapi-Macacu流域中晚全新世河流动力学研究[21]、粒度对黄土磁学参数的影响[22]、识别沉积物成壤作用[6]、过去化学风化历史[4]以及沉积物磁学特征[7]等。
目前，应用静水沉降法所开发的仪器仅有SEDIMAT 4-12土壤粒度分析系统，其通过程序控制来测量特定几个粒级颗粒的含量，但无法同步获取相应粒级颗粒；应用静水沉降法的相关论文均只给出了主要步骤，但缺少步骤讨论和结果检验，给数据对比带来了困难；虽然少数论文直接利用扫描电镜方法进行粒度测量并获得投影后的颗粒直径，一定程度上完成了结果检验，但与颗粒真实粒径的可比性需要进一步商榷；已有的细颗粒分选流程存在诸多不足。基于此，本文完善了相关分选流程再结合具体试验建立了一套可靠的静水沉降法分选流程，以期为今后相关研究提供参考。
1 原 理
不同粒级颗粒在静水中受到重力作用具有不同的沉降速率。利用这一特征可以分选出不同粒级颗粒并测量其含量。本文依据传统的斯托克斯沉速公式[9]来计算不同粒级颗粒在静水中沉降相同深度所需时间，进而分选出不同粒级颗粒。本试验假设每个颗粒为球粒，表面光滑，密度相同；颗粒不受水分子布朗运动影响，相互间无干扰，亦不存在紊流运动。基于此，在一定水温下，沉降速率（v）的理论公式为
式中：ρs为颗粒密度；ρf为水密度；η为水的黏滞系数；d为颗粒粒径；g为重力加速度。
砂粒沉降不服从斯托克斯定律，因此，式（1）适用的粒径上限是64 μm[9]。
假定颗粒沉降速率几乎在沉降开始就立即达到，匀速沉降一定深度（h）所需沉降时间（t）为
对于水的不同温度和黏滞系数[23]，根据式（2）可求得不同粒级颗粒在静水中沉降10 cm[13，16]所需时间（表1）。其中，颗粒常用密度值[24]取2.65 g·cm-3，也可以根据实际沉积物颗粒密度来计算其沉降时间。
2 试验流程
本文所使用62个样品采自柴达木盆地新生代河湖相地层，提取的粒级分别为粒径小于5 μm、粒径在5～20 μm和粒径大于20 μm。粒径大于20 μm颗粒沉降10 cm所需时间短（表1），在操作上很容易引起较大误差，因此，沉降法很难准确地测量粒径大于20 μm颗粒含量，故这部分颗粒不做结果检验。图1为本文所设计的基于静水沉降法的沉积物颗粒分选流程。
2.1 原液制备
将样品破碎（不可磨碎），称取样品约10 g，倒入250 mL的三角烧杯。先加入30%的H2O2溶液20 mL以去除有机质组分[25]，置于HY-4H-JB型恒速三角瓶振荡器中振荡30 min以加速反应（振荡速率为120 次·min-1），之后静置30 min。如果部分样品有机质含量较高，继续加入30%的H2O2溶液10 mL以去除过量有机质。接着加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液40 mL[16]以去除碳酸盐组分，同样置于振荡器中以120 次·min-1的速率振荡30 min以加速反应，之后静置30 min。重复上述加乙酸步骤，之后静置约24 h。用pH试纸检验碳酸盐是否完全去除，若试纸未变红，可继续加入1.5 mol·L-1的乙酸溶液10 mL重复振荡过程，之后静置12 h。至碳酸盐完全反应，即可结束加乙酸反应流程。最后，将反应后的溶液转移至350 mL的离心杯，利用离心机进行洗酸（转速为3 500 转·min-1，时间为10 min）至溶液近中性。
2.2 悬液制备
将制备的中性溶液转移至特制直筒烧杯（约2 L）中搅拌均匀，加入分散剂（0.05 mol·L-1的（NaPO3）6溶液）20 mL[26]，置于超声波发生器中将颗粒充分散开[27-28]，之后加蒸馏水稀释至标记好的刻度线（图2）。
2.3 颗粒分选
首先分选出粒径小于20 μm的颗粒（图1）。充分搅拌直筒烧杯中的颗粒，将玻璃杯放置烧杯中，待溶液尽可能达到（准）静止状态，取出玻璃棒开始记录时间，即为颗粒沉降的起始时间。经过表1所计算的时间后，用U型头虹吸管吸出上层10 cm的悬液[图2（a）]并收集，重复上述过程，共抽提8～12次，直至Mastersize 3000粒度仪测得直筒烧杯上层10 cm的液体中颗粒的最大粒径为1 μm为止。其中，U型头虹吸管需要贴壁缓慢下移[图2（b）]，尽可能避免紊流影响。此时，样品中粒径小于20 μm颗粒基本上提取完毕，粒径大于20 μm颗粒亦收集。接着，对分选出粒径小于20 μm颗粒按表1所计算的时间，利用同样的分选方法分选出粒径小于5 μm和粒径为5～20 μm颗粒。
