沉积学粒度分析方法综述

2023-11-28 20:51| 来源: 网络整理| 查看: 265

0 引言

在沉积学研究中，粒度是衡量沉积物和沉积岩颗粒大小的一个重要指标。粒度分析在沉积学中有着广泛的应用。粒度可以作为研究沉积物及沉积岩分类的定量指标，可以反映沉积作用的流体力学性质[1-4]。沉积岩的粒度信息能够为岩石沉积环境的划分、碎屑物质运输方式的判定以及沉积岩形成时水动力条件的确定提供重要的依据[5-6]；在沉积岩储层地质学研究中，储层岩石的粒度大小是影响储层物性的重要因素。此外，断裂带内断层核各组成部分的粒度研究是确定断层错动强度的重要依据[7]。再者，火成岩中的矿物结晶颗粒的大小(尽管为结晶岩，某种程度上也可理解为粒度)可以作为其形成时温度、压力和深度的判别依据[8]。在风成沉积物的研究中，粒度信息为古气候和沉积物源的研究提供重要依据[9-10]；火山碎屑(火山尘、火山灰等)沉积物的粒度信息也可为确定古火山位置、研究火山喷发机制提供重要的定量依据[11-14]。近年来，海洋地质研究发展迅速，依托海洋沉积物粒度大小信息而开展的粒径趋势分析结果是确定沉积物物源和输运路径的重要依据[15-16]。

粒度分析为沉积学的发展奠定了重要基础。近两个世纪以来，学者们从未停止对粒度分析方法的研究和探索；粒度分析方法日益受到人们的重视，已逐渐发展成为测量学中的一个重要分支[2]。到目前为止，前人已研究出了多种粒度分析方法，但鲜有研究者对其进行系统的论述。本文首先回顾了粒度分析研究的历史、粒径定义以及粒度标准，然后着重叙述粒度分析的方法，最后总结并展望粒度分析方法的发展方向。

1 粒度分析发展历史

沉积学中引入粒度分析的方法已超过一个世纪的时间。纵观粒度分析的发展历程，不难看出粒度分析的发展主要经历了以下几个发展阶段(表 1)。

表 1 粒度分析发展历史 Table 1 History of grain size analysis 阶段年份作者研究内容早期阶段 1851 Stokes 提出了经典的斯托克定律，成为以后沉降分析和水力学研究的基本规律[17] 1875 Sternberg 测量河流砾石，并指出砾石大小同河流往下游的距离之间显示有规律的变化, 这是粒度研究思想的萌芽[18] 1898 Udden 用筛子分析沙子的粒度，并提出了一套较完整的粒度划分原则[19] 1898 Rosiwal 用微尺在显微镜下测量岩石切面上矿物截线的长度，奠定了固结岩石粒度测量的基础[20] 1914 Udden 指出粒度分布同环境之间存在某种关系，并采用以2为底的指数做粒度分析[21] 中期阶段 1934 Krumbein 对Udden-Wentworth-Φ标准进行小值换算，使人们摆脱了繁琐的数据处理和技术处理[22] 1936 Hjulstrom 从水力学理论和水力学实验方面研究了沉积颗粒粒度的水力学性质，开拓了粒度分析和沉积作用的水力学研究领域[23] 1938 Emery 进行了大量水力沉降分析[24] 1938 Krumbein 创造了Φ值粒度单位，并做出最早的粒度概率图[25] 1939 Trask 提出了一套系统的统计学处理方法[26] 1946 Doeglas 提出沉积物粒度是由2个以上母体的混合分布[27] 1957 Folk等提出粒度参数的计算公式[28] 1957 Passega 提出C-M图，沿用至今[29] 1959 Harris 角点检测与算法[30] 1961 Friedman 应用粒度参数制作现代沉积环境判别散点图[31] 1964 Sahu 进行判别分析，作出一系列沉积环境判别公式[32] 1966 Klovan 进行因子分析，判别沉积环境[33] 1969 Visher 做出粒度概率图，沿用至今，使用概率值累积曲线区分沉积环境[4] 当前阶段 1985 Rumelhart等提出BP神经网络[34] 1988 Mclachlan等进行粒度数据挖掘与知识发展趋势研究[35] 1989 Nielson 应用人工神经网格模式识别技术[36] 1998 曲政粒度子体分离技术、粒度母体分布模式，基于粒度母体的沉积环境识别[37] 2002 陈秀法等激光粒度分析与传统粒度分析方法相关对比[38] 2010 Tarquini S等使用图像分割法粒度分析[39] 2012 季长军等图像分割法粒度分析应用到碎屑岩粒度分析中[40] 注：据文献[41]，有改动。表选项

早期阶段(20世纪30年代以前)是粒度分析发展的奠基阶段。这一阶段国外学者(Sternberg，Rosiwal)[18, 20]最早开展沉积物及沉积岩的粒度测量工作，并认识到粒度大小分布与沉积物的搬运距离是相关联的。Udden[19]于1898年提出了一套较完整的粒度划分原则，后在Wentworth[42]和Krumbein等[22, 43]的完善下，形成了目前广泛使用的Udden-Wentworth-Φ值标准，这可称得上这一阶段研究的一大突破。总体而言，这一阶段研究内容广泛，但多为定性，缺乏定量研究。

中期阶段(20世纪30年代—20世纪60年代)是粒度分析的蓬勃发展时期。这一阶段粒度分析的理论和方法获得了极大的发展[2]。理论研究方面，Krumbein等[22, 25, 44]、Rosin等[45]和Trask[26]等对粒度数据进行了大量的统计学研究，提出了一套系统的统计学处理方法，并发现了自然界的粒度分布规律基本上符合高斯分布和罗森分布，从而奠定了粒度分析的数学基础和沉积学基础。此外，Hjulstrom[23]和Shields[46]从水力学理论和水力学实验方面研究了沉积颗粒粒度的水力学性质，开拓了粒度分析和沉积作用的水力学研究领域。Folk等[28]提出的粒度参数计算公式，得到了广泛的认可和使用，Sahu[32]、Klovan[33]、Visher[4]和Friedman[31]等通过对粒度数据的分析，提出不同的沉积环境判别公式。这一阶段在技术方法上形成了筛析、沉降分析和显微镜测量的粒度测量系列，引进了不少自动化、半自动化测量装置和微米级测量系统；在数据处理上引进了更复杂、精细的数学方法，借助于电子计算机处理数据，基本上形成了较统一的数据处理体系。这一阶段的研究极大地扩展了粒度分析研究的深度和广度。

当前阶段(20世纪60年代至今)粒度分析进入了全面、综合(成分、形态、表面特征、成因)研究的新阶段[2]。虽然这一阶段对粒度数据的表征和应用方法仍停留在上一阶段的水平，但一些学者[38, 47-55]开始着手解决数据处理和理论研究等方面的混乱，力图寻求统一的标准。粒度分析的对象也扩展到风成沉积、海洋沉积物、月岩、火山沉积等领域[9-14]。此外，依托物理学和计算机技术的发展，粒度分析方法取得了极大的发展，在传统粒度分析方法的基础上，追求更精确的粒度测量分析成为各国学者的共同目标。除了对传统方法的改进和革新外，也出现了一些新仪器新装备，如20世纪70年代出现的激光粒度仪，已得到了广泛的使用和发展[56-57]；20世纪80年代后期出现的在线分析技术也取得了长足的发展，得到了广泛的应用。图像分割法粒度分析因其有诸多优点，也成了各国学者研究的热点，目前正在不断的完善和发展中。

综观粒度分析的发展历史，可以看出它始终伴随着沉积学的发展而发展，为沉积学的发展提供了坚实的基础支撑。可以预见，未来粒度分析将会发挥更大的作用。

2 粒度定义

粒度是沉积学研究中使用最广泛的术语之一。由于沉积物和沉积岩的碎屑颗粒大多为不规则状，因此给粒度一个明确的定义十分困难。粒度一般理解为颗粒的直径，但由于学者们不同的研究目的和方法，以及不同学科研究内容的不同，因此出现了很多种关于粒度的定义。但总体来说，沉积学中关于粒度(颗粒直径)的定义主要包含在以下三类之中，即线性值直径、面积值直径和体积值直径[42-43](表 2)，其中线性值直径包含4种类型。

表 2 沉积物碎屑粒径类型 Table 2 Sediment particle size type 直径类型含义线性值直径筛析直径颗粒所能通过的最小正方形孔径等效直径(斯托克直径) 在密度、黏度均相同的流体中，与沉积颗粒的密度、体积、自由降落速度均相同的球体的直径，也就是水沉降分析中所给出的直径视直径在颗粒任意切面上与所规定的方向上所测定的直径，一般测定最长或最短视直径真直径在原始颗粒的规定方向上直接测定的直径体积值直径与颗粒体积相同的球体的直径面积值直径与颗粒面积相同的圆的直径表选项 3 粒度标准

所谓粒度标准，就是人们所能通用的粒度标定方法。由于各个学者以及不同行业对粒度标准理解和使用的差别，因此目前存在多种粒度标准[2, 42]。经过长时间的实践和研究，在地质部门，一般认为Udden-Wentworth-Φ标准比较合适。这个标准以mm为单位，2为底数，以2n向两端扩展，形成一个以1为基数、2为公比数的等比级数数列。Udden-Wentworth-Φ标准规律严谨，便于计算，其划分的精度也随着粒度的减小而提高；此外，它也反映了沉积颗粒的自然特性[42]。但该标准的小数形式太过繁琐，这造成了在实际应用中粒级数值不呈几何等分性，给制图和科学研究带来了诸多不便。为了解决这个问题，Krvmbein提出了粒度数值的Φ值变换[22]：

(1)

式中，D为粒度真值(即颗粒的直径)，mm。

这一变换使等比粒级标准变换成了等差粒级标准，基本上符合理想的粒度标准，但这一标准的不足之处是不能直观地获得粒度真值(毫米值)；因此目前普遍的做法是将Φ值和毫米值结合使用[2, 43]。Udden-Wentworth-Φ值标准目前已得到国内外各部门的广泛承认和使用。

4 粒度分析方法

粒度测量是粒度分析的基础，其任务就是大量测定样品直径，并将其用于下一步的统计分析[1, 38-39, 58]。目前为止，人们已经研究出多种粒度分析的方法。下面对沉积学研究中常用的方法进行归纳和介绍。

4.1 直接测量法

在实际粒径测量中，大于2 mm的松散沉积物或砾质岩石可直接用直尺、测规量测；松散砾石可用量筒量其体积[9, 59]。测量时分别测量样品颗粒的三轴：长轴、中轴与短轴，用三轴的几何平均值或三轴乘积的立方根来代表该颗粒的粒径。若只做粗略测量，则可以用颗粒中轴代表其粒径，但不宜采用其长轴或短轴。每一粒级的含量是以每一粒级的颗粒数与所采样品的总数量(100~300)的百分比或以质量百分比来计算。选取测量点时，要考虑样品点颗粒平均情况，不能以偏概全。该法简单易行，但精度不高。

4.2 筛析法

筛析是使用最容易、最普遍的一种分析方法，但只限于松散或弱胶结物质的分析。筛析所用的套筛分为两类，即由直径相等且为圆形的带孔金属片制成的粗筛和由金属丝编成方格形筛网的细筛[1-3, 59]。筛析试验中通常取样品15~20 g，在震筛机上筛约10~15 min，然后分级称质量，称质量应精确到0.01 g；如分级量不足1.00 g时，则称质量应精确到0.001 g。各级质量分数的总和应是100%，若不足或大于此数，应将误差按比例分配到各级质量中去[2]。筛析法设备简单、操作简便、分析迅速，并可将全部样品分离；对砂和细砾来说，筛析是较精确的办法。筛析的缺点是由于细筛的孔径过小，不适宜用于分析粉砂、黏土颗粒，其粒度太小易堵塞筛孔；同时软的或脆的颗粒如化石或变质岩碎屑等在筛析过程中易破碎变细，而次生加大的石英颗粒又将使粒度变粗；再者，不规则形状的颗粒也不能得到真实的反映。

4.3 沉降法

沉降法包含多种粒度分析方法。根据介质运动情况和测定原理，沉降法划分见图 1，具体方法介绍见表 3。

a.离心分析法；b.水析法；c.浊度法；d.比重法；e.移液管法；f.淘析法；g.沉积筒法；h.沉降天平法。H.悬浮液高度，cm；h.液面高度，m。h+5中，5的单位为mm。图 1 沉降法类型 Fig. 1 Sedimentation analysis types 图选项表 3 各类沉降法详细说明 Table 3 Introduction of the sedimentation analysis types 类型分析范围原理优点缺点仪器装置离心(旋流)分析法 0.2~80.0 μm 分为气体和液体离心分析法，但其原理都是离心沉降。以气体或液体为介质的样品在压力下进入旋流器后，在强大的离心力的作用下，在旋流器内分离，进入不同的旋流器室，通过称量样品的固体质量，从而达到对物料进行粒度分布测定[60-61] 分级准确、稳定，重复性高，结构简单，操作简便分配器到旋流器之间的连接管较长，易堵塞和磨损 10MZR型离心分级器、超微粒旋流分级机等水析法小于74.0 μm 原理是利用相同的上升水量，在不同直径的分级管中，产生不同的上升水速，粒度不同的矿粒按其不同沉降速度，进入到不同的分级管中，分成若干粒级。烘干并称量样品固体质量，从而达到对物料进行粒度分布测定[62] 效率较高，结果稳定，可获得多级产品，操作简便结果重现性差，分级太多易出现粗粒堵塞和细粒粘壁现象连续水析器浊度法小于75.0 μm 用光源(可见光、激光或X射线)照射沉降管(透射)，用接收器或检测器检测出光源透过样品悬浮液后强度的变化，从而测定出一定高度处悬浮液浓度的变化，间接地计算出样品的粒度分布[63] 操作简单、快速、实时，测量连续精度低，分析结束时不能为显微镜研究提供足够的样品 WASP沉降仪，X射线沉降仪等比重法(密度计法) 小于75.0 μm 根据斯托克定律制作均匀的悬液，在静止过程中，不同粒径的颗粒下沉速度不同，颗粒发生分异现象，从而导致悬液密度的改变；若悬液静止一定时间后，将密度计放入盛有悬液的量筒中，可根据密度计刻度杆与液面指示的读数测得有效深度处的密度，并可求出此深度处的最大粒径；同时，通过计算求出此深度处单位体积悬液中直径小于最大粒径的颗粒体积分数，以及这种颗粒在全部样品中所占的百分比。多次测量就可求出不同粒径的相对体积分数[52-53] 取样量少，准确度高，重复性好，快速简便，操作和设备简单受温度的影响大，操作麻烦、耗时长；易造成读数误差 82型比重计、DMA4500数字密度计等移液管法小于75.0 μm 依据斯托克定律，沉降筒内的泥沙颗粒悬浮液形成不同的梯度，在固定沉降高度的条件下，逐步加长沉降时间，按算准的时间间隔于一定的量筒标度，用移液管吸取定量液体，每粒级只吸取一次，烘干并称量样品固体质量，颗粒由粗到细逐级分开，经过多次取样测量，即可计算出粒度分布[53-54] 操作简单、易行计算稍繁，精度低，受温度的影响大，细粒级分析过程长，难以准确控制悬液吸取的时间移液管、沉积筒淘析法小于75.0 μm 分为气体和液体淘析法，基本原理是：颗粒在分散介质中从静止状态沉降，在重力作用下沉降速度越来越大；但其反向阻力也随速度的增大而变大，于是随着阻力增加沉降速度减小，最后阻力与有效重力相等时，颗粒运动趋于平衡，这时逐步缩短沉降时间，由细至粗地，逐步将较细的颗粒淘析出来。烘干并称量样品固体质量，对于每一粒级(每一吸取时间)均需重复多次以达到全部吸取(水变清)为止，从而达到对物料进行粒度分布测定[54, 62] 装置简单，宜于普及，准确度高效率低，操作繁琐，费工、费时淘析分级装置沉积筒法 63.0~2 000.0 μm 原理是从沉积筒的一端引入样品而在另一端沉积；通过对筒底的沉积物的体积、重力或质量等某一属性的测定，进而确定各种沉积物组分沉积所需用的时间[62] 测速快，用样少，得出连续的粒度频谱，分析过程与自然界的沉积作用类似粒度分布尾部(细粒部分)记录不精确伍尔霍兹沉降分析仪、埃默里沉积筒沉降天平法 1.0~2 000.0 μm 原理是根据力的平衡，通过称量开口玻璃杯内置天平单位时间沉降的颗粒质量(干式在空气中进行、湿式在液相中进行)，形成沉降曲线图，通过对曲线的解释得到样品的粒度信息[62] 用样少，曲线解析法准确、迅速。符合颗粒在自然界的搬运和沉积情况分析结束时不能为显微镜研究提供足够量的样品，分样工作麻烦、费时 TZC型自动粒度测定仪、多格拉斯沉积天平表选项

沉降分析多在液相中进行，分析介质多为水、乙醇、苯等，质量分数一般为1%或更小，以保证颗粒呈单粒分散状态。由于颗粒很细并且含有杂质，因而易被胶结和凝聚，故要对样品进行预处理以除去钙质胶结物和有机质，并需要在悬浮液中加入适量的分散剂(如焦磷酸钠、氨水)[1-2]。此类方法获得的粒度直径，实为与样品颗粒具有相同沉降速度的标准球体直径，即等效直径或斯托克直径，部分方法获得的是样品每一粒级的质量分数。沉降法适于松散样、弱胶结样和液体样(如河水样、海水样)的分析，需要注意的是在实际分析过程中，大多数待分析样品所包含的粒级范围超过拟使用方法的分析范围，因此通常的解决方法是先使用筛析将样品筛至所使用方法分析范围的上限，再对余下的样品进行沉降法分析。

4.4 场干扰分析法

其基本原理是将样品悬浮液置于一种稳定的物理场(如光、电、磁等)内，样品的介入将改变原物理场，即对原物理场造成一种“干扰”。用探测器探测这种干扰，再对探测信号做适当处理后即可得到按颗粒数计算的粒度分布[62]。这类方法常用的有光学法和电学法。该法样品的处理方法与沉降分析类似，需要测前筛析处理并将样品制成悬浮样。

4.4.1 光学法

光学法粒度分析常用的仪器是激光粒度分析仪，原理如图 2所示。由分析仪产生的经光路变换为平面波的单色平行光，在通过样品时发生衍射、散射，相同粒径所产生的衍射、散射光落在相同的位置上，并由布置在不同方向的光电探测器接收；然后探测器将衍射、散射信息传给计算机；通过计算在不同方向所获取的光位置和强度信息可得出样品中不同粒级的体积分数和颗粒体积，根据等效圆球理论(米氏理论)换算出样品颗粒的粒度分布[55, 57]。通常，此类仪器的测量范围为0.2~2 000.0 μm，部分仪器的测量范围更大。该法测定范围广、精度高、快速、适用范围广泛，不仅能测量固体样，还能测量液体样品。该法已取得一致公认，并得到广泛应用。

图 2 激光粒度分析仪原理 Fig. 2 Principle of laser particle size analyzer 图选项 4.4.2 电学法

库尔特粒度分析仪是电学法测定粒度经常使用的仪器，其工作是基于电导的原理，该原理最早由库尔特提出，即在恒定的电流下测量悬浮在电解质中的颗粒物质与电解质之间电导度的差异。当悬浮在电解质中的粒子通过加有电场的小孔时，就产生正比于颗粒体积(或直径)的电压脉冲，将此电压脉冲放大计数，并用颗粒频率分布或体积分布来表示，就可测出颗粒的粒度分布和粒子数[1-2, 62]。该法最新一代的仪器测量范围可达0.4~1 600.0 μm，测量精度高、测速快、可以在整个粒度区间取得统一的粒度参数(体积参数)，所需样品量极少，但其样品制备比较复杂，成为该法的不足之处[62]。另外，需要注意的是不同粒径级别的样品要选用与之孔径配套的库尔特计数器，否则易发生栓塞。该法已得到广泛的认可和应用。

4.5 图像法

图像法是指一类通过相机或显微镜将待测样品的粒度图像采集之后，对所取图像进行分析，以获取其粒度信息的方法，获得的是样品的视直径或面积值直径[40, 41, 64-65]。这一类方法包括载片法、照片法、揭片法、图像分析仪法和图像分割法，前4种方法见表 4，此外着重介绍图像分割法。

表 4 部分图像法简介 Table 4 Brief introduction of partial image method 方法类型方法原理优点缺点仪器装置载片法将松散或呈弱胶结状态的干或湿润样在载玻片上平铺成一薄层，这样样品颗粒的最大投影面(即颗粒最长轴)即会平行载片安放；之后在显微镜下对样品进行观察，同时用校准好的目镜微尺去度量粒径，用粒径所占据的目镜格数乘以格值，即得粒径长度值[1]。测量粒数300~500，该法测量的是样品的颗粒分数或颗粒数[62] 方便、节约经费，适于松散或弱胶结的含砾粗砂粒级到细砂粒级样品的测定效率低、精度不高玻璃载片、普通光学显微镜照片法照片法是将拍摄的待测样品照片使用透明网格刻度纸直接盖在照片上进行测量和计数[9, 62]，或将拍摄的数字照片使用抽样计数软件统计样品粒度的方法[41]。这两种方法所使用的计数方法为图 3所示的任意一种计数方式，在计数过程中可使用各类计数器辅助记录各粒级数。该法所使用的照片可为岩石薄片照片[39-41, 65]和松散或固结状态的粗碎屑沉积物照片[66-67]，照片在拍摄过程中，要选择最佳观察视域，并调整拍摄倍数，以保证照片区域内有足够的颗粒数供统计分析，如粒数不够可拍摄多张不同区域具有代表性的照片进行统计。照片法测定颗粒数经验认为测300~500颗即可达到稳定频率。该法测定的是一定粒度的颗粒数分数，而不是质量分数，属于粒算法[62] 效率较高、精度较高，可标记测试颗粒和保留测试图像。岩石薄片的粒度测量范围在0.05~2.00 mm之间，松散沉积物和粗粒固结岩石测量可达砾石级以上粒度较大样品需拍摄多张照片进行测量透明网格刻度纸或带有计数软件的计算机揭片法将磨制好的光片用质量分数为40%的氢氟酸浸蚀5~10 s，冲洗、晾干后，再用丙酮将光片浸湿，之后轻轻地压在醋酸纤维膜或有机玻璃板的载片上；待干后将光片很快地剥开，这时岩石光片上的矿物颗粒和碎屑颗粒轮廓以及构造特征的印迹即完全留在载片上了[1, 68-70]。制备好的岩石揭片颗粒计数方法见图 3 可制作较大面积的岩石揭片，能提供足够的颗粒测值；适于粗粒的砂质岩、细砾岩和碳酸盐岩的研究制备好的揭片难以长久保存，影响再次测量氢氟酸、丙酮、醋酸纤维膜或有机玻璃板图像分析仪法图像分析仪是利用灰度自动检测器或光笔来检测显微镜电视图像信息，经计算机处理而得出图像几何特征的定量数据，包括颗粒的周长、直径、面积等数据[57, 71-73] 精度高、速度较快、测定范围广，范围可达0.5~3 000.0 μm 需要有经验的地质工作者进行测量 TAS Plus, JGT, JX-2000等图像分析仪表选项图中的暗色颗粒为该计数法应统计的颗粒。图 3 颗粒计数方法 Fig. 3 Grain counting methods 图选项

自上世纪中叶以来，随着计算机技术和图像分割理论与技术的发展，人们在照片法的基础上研究出一种新的粒度分析方法，即“图像分割法”。该法的原理是将所拍摄的数字化样品图像经过一系列的编辑处理后，最后得到样品的粒度信息数据[39-40, 65, 74-77]。该法主要经过图像采集、图像预处理、阈值分割和粒度信息统计等几个步骤。下面就各部分作简要介绍。

1) 图像采集

图像采集主要是为了获取需要进行分析样品的照片，这类照片包括砂岩、碳酸盐岩和部分火山岩样品的薄片照片，使用具有拍照功能的显微镜拍摄即可，注意要调整好最佳倍数和选好最佳视域，以便能准确反映所测样品的粒度特征。

2) 图像预处理

在实际的操作中，直接经图像采集设备获取的图像难以满足该法粒度分析的要求，因而需要对样品图像进行预处理，其主要的实现方式是图像增强(图 4a)和图像滤波(图 4b)。前者是根据需要对图像进行对比增强处理，从而得到对具体应用来说视觉效果更好、更有用的图像；后者在增强图像的同时，对图像进行平滑和锐化处理。通过这两项处理，可以更好地进行图像分割边界检测和特征提取[39]。图像预处理可以改善图像数据、校正图像、消除噪声、突出目标图像[40, 65]。

a.图像增强；b.图像滤波；c.阈值分割；d.图像二值化；e.图像修正；f.图像颗粒信息统计。据文献[40]修编。图 4 图像分割法处理步骤 Fig. 4 Processing steps of image segmentation 图选项

3) 阈值分割

通常在图像预处理完成之后，需要对图像进行阈值分割(图 4c)或图像的二值化[40] (图 4d)处理。图像分割是为了将图像上的每个颗粒单独分割开来，以便于统计每个颗粒的粒度信息。具体操作是通过设置适当的阈值，使图像成为只有黑和白两种颜色的图像，此时图像灰度值只有0和1，也即所谓的二值图。阈值的选择要以分割后的图像颗粒边界清楚作为标准，因此需要多次尝试，选择最佳分割阈值。分割后的图像由于岩石薄片的原因，通常会造成部分颗粒界限不清楚，因而需要手动的方式，分割部分粘连的颗粒(图 4e)。

在实际的操作中，图像分割这一操作步骤各个学者所依托的工具不尽相同。国内一些学者[39, 65]使用由美国卫生研究院开发的开源软件Image J进行图像分割测量，部分国外学者依托显微信息系统(MIS)[39]和图像信息系统(GIS)[8]进行图像分割测量。此外，也有学者[78-79]自行设计程序，对图像进行处理，获取图像的粒度信息。

4) 粒度信息统计

根据研究的需要，经分割后的图像可获得的粒度信息包括颗粒的面积、周长、最大和最小直径等(图 4f)。该法获得的直径是颗粒的面积值直径(D0)，也即与该颗粒面积相等圆的直径[39-40, 65]，单位为mm，D0可依据下式求得：

(2)

式中，S为样品颗粒的实际图像面积，单位为mm2。

图像分割法速度快、精度高、操作简便、对人员要求低、也不需要昂贵的大型样品分析仪；最重要的是该法适用范围广，松散的细砂粒级以上的沉积物和固结的粗砂粒级以下的岩石(包括沉积岩和部分火成岩)都可用这一方法来分析。但对于次生改造严重的岩石，由于相邻的颗粒边界颜色暗淡或颗粒相互叠覆，其颗粒边界难于分割，故不能使用此法进行粒度分析。

事实上，因“切面效应”的原因，使用图像法获得的样品粒径值普遍小于真实的粒径[1]。此外，由于颗粒形状常为不规则状，特别是板片状矿物，测定颗粒的不同轴，结果的差别很大。因而用此法获得的粒度数据是不能直接进行比较和使用的。关于这个问题，一些学者虽认为需要与筛析或其他方法获得的粒径值进行换算，但实际上并不存在普遍适用的换算公式，只能在一定的信度界限内得到经验的换算公式，而且每个公式有特定适用区域[58]。也有学者[1-2]做过不少实验，以寻找真实粒径与以上方法获得粒径大小之间的关系；其中Friedma[31]在对钙质胶结的石英砂岩分别进行了筛析和照片法分析后得到了两者粒径之间的关系方程(式(3))，该式目前得到了不少学者的认可和使用。

(3)

式中：Φs为筛析粒径值；Φz为薄片粒径值，Φz=-log2D0。

目前，也有部分学者直接将这个公式作为使用图像分割粒度分析法获得粒度数据与筛析的换算公式，需要注意的是Friedman公式是根据同一样品使用照片法和筛析法直径建立换算关系的，但我们使用图像分割法获得的是颗粒的面积值直径，而照片法获得的是视直径，因此该公式能否直接用以将图像分割法获得直径和筛析直径进行换算，尚值得商榷。

5 总结与展望

粒度分析在沉积学研究中占有举足轻重的地位。其分析方法具有严格的统计学基础，有坚实的数学、物理学、流体学的理论支撑，是一种比较精确的分析方法。

当前阶段粒度分析方法众多，在对松散、弱胶结以及悬浮样等细粒沉积物的粒度分析方法中，激光粒度分析法代表了当前粒度分析方法的最高水平；照片法仍然将是固结岩石粒度分析的主流方法。在传统分析方法理论的基础上，革新出了效率和精度更高的仪器。此外，粒度分析在应用中，由于当前存在多种粒度参数计算方法和不同粒度分析方法得到粒径类型的差异，因而在实际应用中出现作图、模式解释等不一致现象的发生；针对这个问题，不少学者通过研究得到不同粒度分析方法所获得粒度数据的换算方程，但这些方程是否具有普适性还值得商榷。也有学者在实际应用中过分夸大或贬低粒度分析的作用，这也是不可取的，在应用中应结合其他方面的资料综合分析判断。

在未来，粒度分析方法仍将是新旧技术并存的局面，这种状况的出现，主要是由于新技术并不能完全解决地质学中全序列粒级分析的问题，某些特殊样品(如次生改造严重的砂岩样品)还只能用传统的分析方法进行分析。粒度分析测试技术的自动化是发展的大趋势，图像分割法作为在照片法基础上发展而来的一种快速、精确的方法，随着软件和设备的不断完善，将会有更广泛的应用。此外，粒度分析的研究范围将逐步扩展到风积物、海洋及火山沉积物等方面。

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