細粒黃土粒度測量的前處理方法

細粒黃土粒度測量的前處理方法

0針對不同種類沉積物的粒度測量前處理方法對沉積環(huán)境的影響沉積物的粒度變化受運動動力和沉積環(huán)境的控制。粒度分析是重建古代氣候和環(huán)境的重要方法之一。在海洋沉積物、湖泊沉積物、沉積物中，尤其是黃土[8、9、10、11、12、13、14、15]和紅粘土沉積物的研究中得到了廣泛應(yīng)用。由于前處理方法是粒度測量中誤差的主要來源之一,國內(nèi)外研究者從對樣品的去碳酸鹽、去有機質(zhì)和分散等過程進行過多次討論[19,20,21,22,23,24]。適用于黃土的粒度測量前處理方法在湖泊,海洋,紅粘土及南方紅色風化殼等樣品中都得到不同程度的應(yīng)用。但是,我們最新的實驗工作表明,通用的前處理方法可能對細顆粒的黃土樣品的粒度測量帶來較大的誤差。對陜西洛南、河南盧氏等受成壤作用改造較強烈的粘黃土樣品采用傳統(tǒng)前處理方法進行粒度測量時,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定,有時重復(fù)測量的粒度參數(shù)可以發(fā)生數(shù)倍的變化。因此,如何針對較細的沉積物樣品采取合適的前處理方法,使其測量結(jié)果既能保證實驗的可靠性和可重復(fù)性,又能準確反映沉積環(huán)境信息,是粒度測量中面臨的新問題。本文從前處理方法(尤其是超聲波振蕩)對細顆粒黃土粒度測量結(jié)果影響較大的問題入手,進行對比實驗研究,進而對黃土高原東南緣河南盧氏地區(qū)的一個黃土粒度序列進行測量和方法驗證。1樣品前處理及測量關(guān)于粒度測量前處理過程中去碳酸鹽、去有機質(zhì)和加分散劑等步驟對樣品測試結(jié)果的影響已經(jīng)有較多的討論。但是,超聲波清洗儀振蕩分散對粒度測試結(jié)果的影響程度以及應(yīng)該選取多長的振蕩時間還不清楚。有的研究者認為振蕩1min就可以達到分散的效果,有些則提出7min可以達到最佳效果,還有一些學者主張更長時間。我們分別選取黃土高原中部洛川(LC:黃土高原標準黃土)、黃土高原東南緣河南盧氏喬家窯,莊子村(QJY,ZZC:黃土高原粘黃土)、秦嶺地區(qū)陜西洛南上白川(SBC:風化成壤改造較強的粘黃土)三個地點黃土古土壤樣品各一個。樣品編號分別為:LC-L,LC-S,QJY-L,QJY-S,ZZC-L,ZZC-S,SBC-L,SBC-S,共8個樣品。全部樣品前處理及測量過程均在中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀重點實驗室完成。采用英國Malvern公司的MastersizerS型激光粒度儀進行了粒度測量,測量范圍為0.05~880μm,分辨率為0.15?,相對誤差<3%。實驗步驟如下:根據(jù)樣品顆粒粗細取0.25~0.4g,放入燒杯,加10mL濃度為10%的H2O2靜置一小時,之后加熱煮沸,使其充分反應(yīng)。冷卻后加入10mL濃度為10%的HCl并加熱煮沸,使其充分反應(yīng)。給燒杯注滿去離子水并靜置24h。抽去上清液,加入10mL濃度為0.05mol/L的(NaPO3)6分散劑。每個樣品以相同的方法制樣7份,并對7份子樣分別在非激光粒度儀的超聲波清洗機(KQ—600型超聲波清洗器,工作電源220V,50Hz,工作頻率40kHz,超聲波電功率600W)上預(yù)振蕩0min、1min、2min、3min、5min、7min和10min分別記為LC-L0,LC-L1,LC-L2,LC-L3,LC-L5,LC-L7,LC-L10,……SBC-S0,SBC-S1,SBC-S2,SBC-S3,SBC-S5,SBC-S7,SBC-S10,共得到樣品56份。對前處理后的樣品進行測試,使用激光粒度儀較高的攪拌速度(第7檔,共0~10檔)不斷攪拌。首先在激光粒度儀超聲波未開啟的狀態(tài)下進行3次重復(fù)測量,保留1次較穩(wěn)定的粒度數(shù)據(jù)。之后,開啟激光粒度儀的超聲波到7檔(共0~10檔)并進行計時,記錄1min、2min、3min、4min、5min時的粒度測量數(shù)據(jù),6次記錄的記錄號分別標為LC-L0000,LC-L0110,LC-L0220,LC-L0330,LC-L0440,LC-L0550,LC-L1001……SBC-S100010,SBC-S101110,SBC-S102210,SBC-S103310,SBC-S104410,SBC-S105510,得到數(shù)據(jù)記錄336個。2粒度分布的特征所得到的平均粒徑數(shù)據(jù)見表1和圖1。結(jié)果表明:1)同一樣品經(jīng)不同時間非粒度儀的超聲波清洗機預(yù)振蕩制成的7份子樣,在進入測試儀器的樣品槽并開啟儀器的超聲波振蕩0min、1min、2min、3min、4min、5min后所記錄的6次測量結(jié)果與預(yù)振蕩的時間無明顯關(guān)系。2)同一樣品的每份子樣在進入儀器樣槽后隨粒度儀的超聲波振蕩時間延長平均粒徑均減小,其中,洛川黃土、古土壤,喬家窯黃土,莊子村黃土減小幅度小,一般不超過2μm;喬家窯古土壤,莊子村古土壤,上白川古土壤平均粒徑減小幅度大,一般都在6μm以上。以上白川古土壤樣品經(jīng)過粒度儀自身的超聲波清洗機振蕩1min的子樣(SBC-S1)為例,樣品在進入樣品槽振蕩0min時所記錄平均粒徑值為33.98μm,在經(jīng)過儀器的超聲波振蕩2min后平均粒徑基本趨于穩(wěn)定,為14.00μm,同一樣品的兩次測量結(jié)果可相差兩倍多。3)同一樣品的各個子樣在粒度儀上隨儀器的超聲波振蕩時間增加,平均粒徑減小的速率基本相當,且在第1min內(nèi)減小最快,前2min內(nèi)減小幅度占總減小量的74.4%以上。2min之后平均粒徑基本趨于平穩(wěn)。4)對于不同地區(qū)的樣品,在經(jīng)歷相同時間儀器超聲波振蕩后,上白川古土壤樣品粒度減小速率最快,幅度最大。其它樣品的平均粒徑減小的速率由快到慢,變化幅度由大到小依次是:上白川黃土樣和古土壤樣>喬家窯和莊子村古土壤樣>喬家窯和莊子村黃土樣>洛川黃土樣和古土壤樣。從粒度分布曲線上也可以明顯看出,上白川黃土—古土壤樣品的分布曲線發(fā)生了明顯的細偏,而洛川黃土古土壤變化不大(圖2)。5)除洛川外,同一地區(qū)的古土壤樣品(或其子樣品)與相對應(yīng)的黃土樣品(或其子樣品)相比,古土壤樣品在激光粒度儀自身的超聲波振蕩下平均粒徑減小的速率以及減小幅度總是大于與其對應(yīng)的黃土樣品,而洛川黃土和古土壤平均粒徑變化幅度很小。3測試結(jié)果分析我們的實驗結(jié)果表明,對于細顆粒的黃土—古土壤樣品,樣品經(jīng)過去碳酸鹽、去有機質(zhì)和加分散劑的前處理之后,基本達到了分散的目的,非儀器自帶的超聲波預(yù)振蕩對粒度測量影響不大。在測量時,平均粒徑之所以隨粒度儀自身的超聲波振蕩時間增加而減小,極有可能是在前處理之后等待測量的短暫時間內(nèi)發(fā)生了再凝聚。其原因可能有二:1)盧氏和洛南黃土樣品在沉積后都經(jīng)歷了較強程度的風化成壤作用,其中含有較多細粒的土壤膠粒物質(zhì),這些細粒物質(zhì)的比表面能大,吸附能力強,極易發(fā)生凝聚;2)在前一步去碳酸鹽過程中加入過多量的鹽酸后,洗酸不夠完全的情況下,低的pH值使土壤膠粒的電動電位降低,土壤溶膠也容易發(fā)生凝聚。由結(jié)果2、5都可以看出,樣品發(fā)生再凝聚與成壤程度有關(guān),且成壤程度越強樣品再凝聚程度加劇。有一種假設(shè)認為,樣品在經(jīng)過一定時間超聲波分散后,可能因部分粗顆粒被振碎而使樣品的平均粒徑減小,這樣會使不同樣品的粒度在經(jīng)歷超聲波振蕩時不斷減小,尤其是粗顆粒含量相對較高的洛川樣品,平均粒徑減小的幅度和速度應(yīng)該更大。而結(jié)果4表明,洛川地區(qū)黃土—古土壤樣品無論有沒有經(jīng)過預(yù)超聲波分散,平均粒徑變化都不大;相反地,平均粒徑相對較小的洛南黃土—古土壤樣品平均粒徑變化不論是幅度還是速度都比洛川的大很多。并且,所有樣品的平均粒徑并沒有隨振蕩時間延長而不斷減小,而是在2min后基本趨于穩(wěn)定。這充分證明,在所控制的時間和強度下,超聲波振蕩并不會對樣品原始顆粒造成明顯的破壞。表1也可以從另一方面說明樣品發(fā)生再凝聚與成壤化有關(guān),且成壤化越強樣品再凝聚加劇,而與樣品整體的平均粒徑大小關(guān)系不大。表1說明,要保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性,對于成壤作用較強地區(qū)的細顆粒黃土和古土壤樣品,在粒度測量過程中,儀器樣品槽中超聲波振蕩的時間非常重要,一般應(yīng)該控制在2min以上。因此,在對成壤作用較強地區(qū)黃土樣品進行粒度測量時,推薦將前處理步驟修改為:采用常規(guī)前處理步驟去有機質(zhì)和碳酸鹽,在超聲波清洗機上振蕩1min;上儀器測試時,在粒度儀的樣品槽中再振蕩2min,重復(fù)測量三次以上,保存一個穩(wěn)定記錄。為驗證修改后的前處理方法的可靠性和可重復(fù)性,對所選取的8個樣品分別用前述方法制樣多份,同時在非儀器的超聲波清洗機上振蕩1min,再經(jīng)粒度儀自身的超聲波振蕩2min后測試。結(jié)果顯示,大多數(shù)樣品重復(fù)測量結(jié)果相對于穩(wěn)定后的平均粒徑最大偏差都在±4%以下,82%以上的測量最大偏差小于±8%,只有極個別子樣品偏差較大達到12.6%,原因暫時還不明確,有待進一步研究。為了驗證新推薦方法的可行性,選取河南盧氏喬家窯黃土—古土壤剖面連續(xù)采樣120個,利用新舊前處理方法對其測量,所獲得的粒度數(shù)據(jù)分別用M1和M2代表,所得結(jié)果見圖3。研究表明,在古土壤發(fā)育時,冬季風強度相對減弱,氣候溫暖濕潤,因而沉積物遭受風化成壤作用較強,對應(yīng)磁化率高值。同時,由于季風動力的減弱和源區(qū)性質(zhì)的變化,風塵物質(zhì)中所攜帶的粗顆粒組分減少;并且較強的風化成壤作用也使原有不穩(wěn)定礦物變細,粘粒組分增加。因此,古土壤形成時期,對應(yīng)粒度低值。相反,在黃土發(fā)育時期,粗顆粒含量高,受風化作用改造弱,對應(yīng)磁化率低值和粒度高值。采用修改后前處理所得粒度數(shù)據(jù)M2的變化與磁化率值所反映的地層變化以及野外地層劃分基本一致。即M2低值,磁化率高值和古土壤地層相對應(yīng),M2高值,磁化率低值與黃土地層相對應(yīng)。其中有些層位M2值與磁化率及野外地層劃分對應(yīng)不是很好,可能是野外沒有精確代用指標情況下地層劃分比較粗略引起的,例如,在2m左右磁化率表現(xiàn)為低谷,M2表現(xiàn)為峰,而野外地層劃分為古土壤,極有可能說明在第一層古土壤中隱含著一層不明顯的黃土層。M1與地層劃分及磁化率值對應(yīng)不好,甚至在古土壤層位大部分樣品都表現(xiàn)為相反的值,說明了舊方法對于成壤強度較高的細粒黃土樣品不能夠充分分散,而修改后的前處理方法對細顆粒黃土樣品更加適用。另外,研究地區(qū)的黃土堆積個別層位可能受到土壤潛育化的影響,磁化率值與黃土—古土壤的變化不能一一對應(yīng),也影響到粒度與地層和磁化率變化的對比。但是,對比M1和M2的測量結(jié)果