陈莹璐, 张玉柱, 谭子辉, 邹明博

(1. 陕西师范大学地理科学与旅游学院, 陕西 西安710062;2. 西北大学城市与环境学院, 陕西 西安 710127;3. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062 )

粒度分析是土壤沉积物研究的最基本的手段，其结果能够很好的指示沉积物的物质来源、搬运介质和动力、沉积环境及其变化等[1-3]。另外还可作为地层的鉴别辅助手段[4]。

可用于土壤沉积物粒度分析的方法主要有筛析法、沉降法、图像分析法和激光法等[5-8]。在这些粒度分析方法中，激光法具有分析速度快重现性好、测量范围宽等优点，近年来在第四纪环境研究与地层划分、环境学、古海洋学研究等方面得到了广泛的应用[9-18]。这些研究主要采用了英国Malvem公司和法国Cilas公司生产的仪器，目前美国Backman Coulter生产的仪器也得到了广泛的使用。所有激光粒度仪的制造都是以激光衍射原理为基础，即当光束照射到颗粒样品后发生散射，而颗粒的大小与散射角密切相关，将检测器上得到的散射角信息进行分析处理，从而得到颗粒大小的分布信息。但是，由于采用的粒度分析方法或仪器的差异，相应的测试结果也不尽相同[19]。目前国内外学者对于不同类型仪器测量结果之间的差异已有部分研究[19-23]。其中，MS2000和LS13320型号的激光粒度仪是国内目前相对广泛的仪器，但是对比分析应用这两种激光粒度仪测定土壤沉积物粒度结果的研究很少。

本文选择泾河下游杨官寨(YGZ)晚更新世以来风成黄土土壤剖面中关键沉积层样品作为研究对象，从粒度分布特征角度对MS2000和LS13320激光粒度仪的分析结果进行对比分析，为利用土壤沉积物粒度分析结果进行古环境重建研究提供依据。

1 实验仪器与研究方法

实验所用仪器一个为英国Malvem公司生产的MS2000激光粒度仪，进样器为 Hydro2000MU型；另一个为美国 Beckman Coulter公司生产的LS13320激光粒度仪，带有ALM(Aqueous Liquid Module)进样器。两个仪器的测量范围分别为0.02～2 000 μm和0.375～2 000 μm，土壤沉积物粒径分布范围一般介于l～1 000 μm[1]，因此上述两仪器的测量范围都能满足实验需要。

选择采自泾河下游杨官寨(109°1′43″E，34°27′52.9″N)全新世风成黄土土壤剖面，共选取了剖面中的4个样品(风成黄土样品2个，古土壤样品1个，古洪水滞流沉积物样品1个)。杨官寨(YGZ)剖面是夹有典型古洪水滞流沉积层的风成黄土土壤剖面[24]，样品采自2009年10月。

前处理方法对沉积物粒度的测量结果尤为重要[25-28]，对于土壤沉积物样品采用去除有机质和碳酸盐、加入分散剂、利用振荡器或者超声波分散等传统的前处理方法[26]。本实验按照以上胶结物方法对所有样品进行严格的前处理，方法如下：在样品袋中取自然风干样约 0.8 g 加入烧杯，先后加入7mLφ=10%的H2O2和7 mLφ=10% 的HCl除去有机质和钙质胶结物，在电热板上加热直到反应完成；然后加水静置72 h；最后抽去上层清水后加入适量(NaPO3)6使颗粒充分分散，摇匀后上机测量。

2 结果与讨论

2.1 测量结果的重复性

重复性是指同一样品经过多次测量, 所得测量结果之间的重合程度, 是反映仪器精度的一个重要指标。本文采取2种方法：其一，分别取同一个样品放入MS2000和LS13320激光粒度仪中重复测量5次; 其二, 分别取同一个样品中的5个子样放入MS2000和LS13320激光粒度仪中测量5次(如表1，2)。实验中所用样品是选取了杨官寨(YGZ)剖面中典型的晚更新世马兰黄土(L1)，它是典型的沙尘暴沉积物，以粉沙为主，质地均一，疏松多孔。其中放入MS2000激光粒度仪中测量的子样名称记为L1-1～ L1-5，放入LS13320激光粒度仪中测量的子样名称记为L1-6～ L1-10。

根据测量结果统计，MS2000激光粒度仪对单个样品的5次测量结果见表1，粒度参数的相对标准偏差(RSD)都介于0.19%～1.78%之间，其变化都小于2%；分别取同一个样品中的5个子样测量，各子样粒度参数平均值的RSD都介于0.41%～2.80%之间。LS3320激光粒度仪对单个样品的5次测量结果见表2，粒度参数的RSD都介于0.12%～0.57%之间，其变化都小于1%；分别取5个子样测量，各子样粒度参数平均值的RSD都介于0.59%～3.83%之间。从重复性测量结果来看，MS2000激光粒度仪和LS3320激光粒度仪的测试精度都很高。然而，相比于MS2000激光粒度仪，LS13320激光粒度仪对单个样品多次测量的重复性更好，精度更高。这可能是由于样品前处理效果的差异以及测量时间的不同造成的，MS2000激光粒度仪对样品测量一次需要8 s，而LS13320激光粒度仪对样品测量一次则需要l min。同时，将两种激光粒度仪对同一样品中的5个子样测量结果与单个样品的5次测量结果相比较，5个子样品的粒度参数平均值的RSD呈现较高值，变化幅度较大。鉴于两种激光粒度仪测量自身的精度都很高，结果的差异主要是因取样带来的误差影响造成的。激光粒度仪在测量时需将颗粒在充分分散到溶液中，所需的样品量很少，而过少的样品量很难具有充分的代表性。所以，为了使样品充分接近样品的真实分布状况，以下对比中所使用的数据都是5个子样测量结果数据的平均值。

表1 马兰黄土样品在MS2000激光粒度仪上的重复测量结果Table 1 Repeated measurement results of Malan Loess measured by the MS2000 laser diffraction particle-size analyzer

表2 马兰黄土样品在LS13320激光粒度仪上的重复测量结果Table 2 Repeated measurement results of Malan Loess measured by the LS13320 laser diffraction particle-size analyzer

2.2 测量结果的趋势性差异

粒度自然分布频率曲线可以反映沉积物的来源及沉积物的某些重要粒度特征，如众数、偏度和峰态[1-2]。如图1所示，杨官寨(YGZ)剖面中风成黄土(L0、L1)、古土壤(S0)、古洪水SWD样品的粒度分布差异，在MS2000和LS3320激光粒度仪得到的自然分布频率曲线上都有很好的体现。总体上看，风成黄土古土壤和古洪水SWD的自然分布频率曲线都为正偏态，最大峰值都集中在粗粉沙段。但古土壤(S0)的自然分布频率曲线最大峰值偏左，峰态中等，分选差，且粘粒和细粉沙含量较高，这说明古土壤S0形成时期气候温暖湿润，降水量多，淋溶与富集作用强烈，风化成壤作用强。风成黄土(L0、L1)的自然分布频率曲线主峰较古土壤S0偏右，峰态尖窄，这说明黄土是沙尘暴的沉积物，其本身分选良好，以粉沙为主，且在其沉积过程中，气候冷干，沙尘暴堆积旺盛，成壤作用微弱。古洪水SWD是河流悬移质在高水位滞流环境中沉积形成的。其自然分布频率曲线最大峰值较黄土古土壤偏右，峰态尖窄，分选很好，粒级很集中，这也说明了该剖面全新世古洪水SWD的来源主要是泾河上游黄土广泛分布的半干旱区域，黄土是沙尘暴的沉积物，其本身分选良好，在暴雨洪水期，它们又受到河流洪水的进一步搬运分选最终在高水位滞流环境下沉积下来的，从而呈现出较马兰黄土分选更好的沉积特征。这反映了两种仪器所得的结果都可以很好的反映沉积物的物质来源及沉积物的偏态、峰态、分选性等重要的粒度特征。

应用MS2000和LS3320激光粒度仪就不同成因沉积物单个样品所得的自然分布频率曲线来看(图2)，按照沉积学粒级分级标准，在粘粒(<2 μm)、细粉沙(2～16 μm)、粗粉沙(16～63 μm)、极细沙(63～125 μm)、中沙(>125 μm)段，两种激光粒度仪对于样品的测量的结果有差异。尤其在细粉沙和粗粉沙段，两种激光粒度仪的测量的结果差异较大。相比于LS3320激光粒度仪，MS2000激光粒度仪测量所得的粗粉沙含量较高。

2.3 测量结果的绝对数值

MS2000和LS13320激光粒度仪都能够很好的反映风成黄土(L0、L1)、古土壤(S0)和古洪水SWD不同的物质来源及粒度特征(图1)。但是就单个样品的自然分布频率曲线来看，两种激光粒度仪对于样品的测量的结果有显著差异(图2)。沉积物的粒度特征值的分析结果(表3)，也更好的呈现了两种激光粒度仪所得结果间的差异。

MS2000和LS13320激光粒度仪对单个样品的测量结果，在粒度分布和粒度参数上存在显著差异(表3)。杨官寨(YGZ)剖面中风成黄土(L0、L1)，古土壤(S0)和古洪水SWD的粘粒、细粉沙和中沙含量结果表明，MS2000比LS13320激光粒度仪结果要小，而粗粉沙和极细沙的结果则相反。从粒度参数上看，MS2000相比于LS13320激光粒度仪所得的中值粒径(Md)和平均粒径(Mz)结果更大一些。这说明，对于单个样品在不考虑样品本身差异(如取样的代表性等)的前提下，LS13320激光粒度仪对于含量相对较少的细颗粒组分(粘粒、细粉沙)和粗颗粒组分(中沙)比MS2000激光粒度仪更为敏感，检测的效果更好一些[19]。

图1 不同成因沉积物样品在两种激光粒度仪上的自然分布频率曲线Fig.1 Particle-size distribution frequency curves of samples measured by the MS2000 and LS13320 laser diffraction particle-size analyzers

图2 不同成因沉积物单个样品在 MS2000和LS13320激光粒度仪上的自然分布频率曲线Fig. 2 Particle-size distribution frequency curves of one sample measured by the MS2000 and LS13320 laser diffraction particle-size analyzers

表3 不同成因沉积物样品在MS2000和LS13320激光粒度仪上的粒度特征值Table 3 Particle-size parameters of samples measured by the MS2000 and LS13320 laser diffraction particle-size analyzers

3 结 论

激光粒度分析方法具有精密度高、重现性好、分析速度快等优点，在测试粒度分布范围窄的样品方面优势突出，并在第四纪环境研究方面得到了广泛的应用。但是由于不同仪器参数和制造工艺的不同，其性能也会有显著的差异，如仪器的测量范围、检测器数目、结果计算模型等，因而在对同一样品的测量过程中会得出不同的结果。但从实验过程来看，也不排除由于人为操作所对测量结果带来的影响。

本文应用MS2000和LS13320激光粒度仪，对泾河下游杨官寨(YGZ)全新世黄土土壤剖面中典型的沉积学样品做了粒度成分对比分析。结果表明：

1) 应用MS2000和LS13320激光粒度仪对沉积样品测量结果的重复性都很好，两种仪器得到的粒度分析结果，完全可以作为恢复古环境信息和鉴别地层的一种非常有效的手段。

2) 对于同一个样品中含量相对较少的细颗粒成分(粘粒、细粉沙)和粗颗粒成分(中沙)，LS13320激光粒度仪的检测效果要优于MS2000激光粒度仪，因此在实际工作中，要注意使用的数据要建立在同一测量系统内，以便进行资料对比。