《地貌学》本科实验课设计—沉积物粒度测定

张峰  再米热·阿不都沙拉木 马丽 

（新疆大学 资源与环境科学学院  乌鲁木齐  830046）

摘要：当前高校《地貌学》本科实验多为认知性课程，而有助于学生动手能力的实践性课程开设不足。粒度是在地貌学研究的一项基础数据。本文设计了地貌学的沉积物粒度测定实验。该实验介绍了粒度测定与粒度参数等基本内容，着重培养本科生实验操作与思考能力。实验强调引导学生注重影响产生实验误差的因素与确保实验数据的正确。同时通过实验数据的整理接触粒度参数，初步认识到不同地貌沉积环境下粒度特征。

关键词：筛分；粒度参数；误差；控制

Design of Undergraduate Experimental Course in Geomorphology -- Determination of Sediment Particle Size

Zhang Feng Margarita Abdusalamu mali

(Xinjiang University Faculty of Resources and Environmental Sciences Urumqi 8,30046)

Abstract: at present, the undergraduate experiment of "geomorphology" in colleges and universities is mostly cognitive courses, but the practical courses which are helpful to students'practical ability are insufficient. Particle size is a fundamental data in geomorphological research. The sediment particle size measurement experiment of geomorphology is designed in this paper. This experiment introduces the basic contents such as particle size measurement and particle size parameters, with emphasis on cultivating undergraduate students'experimental operation and thinking ability. The experiment emphasizes guiding students to focus on the factors that influence the error of the experiment and ensure the correctness of the experimental data. At the same time, the characteristics of particle size in different geomorphic sedimentary environments were preliminarily recognized by the experimental data.

Keywords: sieving; particle size parameter; error; control

0  引言

《地貌学》是地理学一门基础专业课^[1]，可以广泛应用于高等专业学校地理，遥感，地质，旅游等学科。《地貌学》同时是一门实践性很强的学科，实践教学是地貌学教学环节中的重要组成部分，通过实践教学可使学生将抽象的理论知识形象化理解。现代地貌学更是融会了沉积学等多学科的内容。目前我国高校《地貌学》实验课开设实验项目较少，尚不能满足培养相关人才的需求，需要进一步加强。沉积物的机械组成是研究地貌的重要指标之一，与多类地貌类型存有紧密的联系，如物源问题，地球化学中的粒度效应等^[2]。而沉积物机械组成的实验被广泛开设在《沉积岩》类等地质类课程中^[3,4]，在地理专业较少。通过开设该类实验课可以培养地理学本科生对基础数据的获取能力，为将来的工作打下基础。有助于切实理解各地貌间的联系，对如黄土地貌和风沙地貌的联系等相关知识点的认识也很有帮助。关于粒度目前有多种测定方法，如筛析法，显微镜观察法，激光粒度法及沉降法等^[3]。其中筛分法是最简单的也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法，由于筛分法的实验设备与材料价格适中，原理直观可视，流程相对简单，适于组织教学实验。筛分法又分干筛和湿筛，本文以干筛方法结合显微镜镜下观察为例，通过设计《地貌学》本科生实验教学，探索提高本科生实践教学效果，培养学生实验技能的途径。

1  实验设计步骤

本实验的目的是使学生了解实验原理，掌握粒度测定的方法以及实验过程中如何控制测定结果的可靠性；掌握影响数据结果的关键因素。本实验课时按2课时设计。内容包括：实验材料和样品的准备；筛孔校验的观察；振筛仪震动时长的选择；实验数据的整理与初步分析。

1.1 实验材料和样品的准备

1.1.1 设备与材料的准备

符合国标^[5]的配备底盘顶盖的试验筛1套/组，粒径自1000μm~64μm，之所以选择这一粒级范围是由于它包含了我国多行业标准所定义的粗沙至粉砂级的颗粒^[2]。细于64μm范围的样品则因筛孔容易被堵，不易彻底筛分，因此不被采用。带数码目镜与配套软件的体视显微镜及具有操作系统的电脑1台套1台/组。国产TRX-6型土壤振筛仪（220 ~V）1台/组。1% g以上精度的天平1台/组。超声波清洗设备各组共1台，清理毛刷1只/组。沙漠流动沙丘顶部风成沙，河床沙，冰碛物沙，湖（海）滨沙各50g/4组。

1.1.2认识筛孔和样品的粒径

认识筛孔孔径的两个主要单位及颗粒直径的表示方法：目数和实际尺寸。我国目数规格以每厘米长度内的目孔数表示，国际上用每英寸内目孔数表示。筛孔大小的实际尺寸用单位mm或μm表示。颗粒的直径往往使用筛孔的实际尺寸表示，另一表示方式为φ值：φ=，其中d为颗粒的直径。

认识筛析实验的方法和原理：将筛子由粗到细自上至下摞起来，通过振筛仪的震动让样品颗粒自上而下通过筛组，筛网（如64μm）上会留下通不过的样品颗粒，以该筛网与其上相邻筛子的孔径（即75μm），来描述滞留在该上颗粒的粒度。

通过介绍颗粒直径与筛子孔径的关系，筛子的编制，颗粒形状对结果的影响等认识到筛分结果的相对性：筛子经纬网多是以金属丝叠加交叉编制，通过的颗粒往往与其真实粒径也不完全一致，加之颗粒形态各异，也不都是完全圆状，往往有较长的颗粒通过较细的孔径。由于筛孔是正方形，边长为粒径，而对角线长度为边长的，所以通过的颗粒真实粒径与是筛子的孔径数值是有一定出入。以上内容可使用显微镜观察配合完成。

1.2 校验筛孔

对筛孔的校验实验主要使学生认识筛析中，套筛的制造误差会对实验结果的影响。设计实验在进行筛析实验之前对套筛筛孔大小的可靠度进行校验。具体流程：在筛网上选取六个互不重叠的视域，前三个与后三个垂直(图3)，利用体视显微镜观察，在每个视域内选取方孔的对角线上5~6个孔径进行测定筛孔横纵方向上的最长、最短处共四个值，并取平均值[2]。具体测量是通过显微镜照相装置保存图像，再利用配套软件测量的。该筛孔径的可靠性根据国家标准[5]判断。

1.3 确定筛震时长

振筛仪的作用是震动筛组，使得粒径处于上下筛子的颗粒滞留在各级筛床内。某些型号振筛的振幅和频率是可调的，也有不可调的，因此有必要使同学们认识到不同振筛参数如振幅、频率和时长等参数对样品筛分效果的影响。以确定最佳的振筛时长为例设计实验，测定不同振动时长对结果的影响，选择实验结果与效率最优时长方案。具体安排随机选取1个样品分别作对比试验(表1)，由样品袋中均匀取出50 g样品，采用电子天平称重。以国产TRX-6型土壤振筛仪为例设置了参数，转速为1400转/min。按振动时长10、15、20 min分组测定。每次结果分级称重并记录，筛析前后总重量误差应小于5%。比较各组粒度分布选择筛分彻底的时间可最终确定实验振筛时长。

2 结果的整理与初步分析

2.1 频率分布与累计曲线

沉积物粒度结果最直接的表示方法是频率分布，即样品在各粒级分布的情况，可以用Excel软件制作为直方图或者频率曲线图。同时制作累计曲线，以方便的说明颗粒搬运情况。

2.2 粒度参数

介绍并使用测定结果计算经常用到的粒度参数有粒度平均值，中值粒径（Mz），分选系数（），偏度（SK₁）和峰态（KG）等。分选系数表明样品的分选情况；偏度表示样品偏离中位数的情况，负偏表示平均值偏向粗端，正偏则表示偏向细端；峰态表示样品峰的宽窄情况偏离，一般正值为窄峰，负值为宽峰。关于粒度参数的定义有很多，本实验采用较广使用的Folk-Ward（1957）图解法计算公式^[5]:

                      （1）

                 （2）

         （3）

                       （4）

2.3  沉积环境

不同沉积环境沉积物粒度参数是不同的^[4,6]。按照实验所所求出的样品平均粒径(Mz)、分选系数(σ1 )、偏度(SK1)和峰态( KG)，根据Sahu (1964)对大量碎屑沉积物的粒度分析资料进行统计建立的经验判别公式^[7]诸如沙丘砂、海滩砂、浅海砂、河流砂及浊流砂[14]等对样品的沉积环境进行初步定量化分析，以认识不同沉积环境下样品的粒度参数特征。

3 误差控制

由于实验误差和操作人员的因素，实验结果存在误差的可能并影响到最终数据结果，因此需要在实验过程中对数据进行控制。具体的方法有1)标准物质的测定，将特定比例不同粒径的标准圆珠混合后随样品进行平行测定；2)重复测定，重复测定的样品测定结果与原测定结果进行比较。以上方法中标准物质的平行测定控制效果好，但价格比较高昂，只可作为介绍。重复测定易于操作可行，本实验设计重复次数为3次，如结果相差不大，可将多次测定的平均值为最终结果。在实验完成之后，还可以使用显微镜抽检查样品：将该样品混合均匀，取少量样品至于体视显微镜下，用数码照片随机画取样方，对样方内颗粒使用显微镜所配软件进行测量抽检，并将抽检累计曲线结果与筛析结果进行对比。需要注意的是筛分法的结果必不同于镜下测量，但是对同一个样品，在各粒级的分配及累积曲线的趋势是一致的。

4. 结语

筛分法具有简单易操作价格低廉等特点，教师在指导该实验过程中亦易于强调关乎实验数据结果正确性及实验误差控制的相关内容，加之具有不同沉积环境样品条件的教学单位还可以通过测得的数据使同学们初步认识到不同沉积环境的粒度特征，并认识到相关地貌背景，因而适于本科生实践教学。本文虽然对实验做了初步设计，但各环节仍需要进一步完善。

参考文献：

[1] 严钦尚, 曾昭璇. 地貌学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1985: 1-191.

[2] 成都地质学院陕北队. 沉积岩(物)粒度分析及其应用[M]. 北京: 地质出版社, 1976: 11-45.

[3] 刘岫峰. 沉积岩实验室研究方法[M]. 北京: 地质出版社, 1991: 1-299.

[4] 赵澄林. 沉积岩石学[M] . 北京:石油工业出版社, 2001: 48-260.

[5] GB/T 6003.1-1997, 金属丝编织网试验筛[S].

[6] Folk P L, Ward W D. Brazos Reviver bar: A study in the significance of grain size parameters [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1957, (27): 3-26.

[7] Friedmen G M, Sanders J E. Principles of sediment logy [M]. New York: Whiley, 1982: 78-80.

[8] Sahu B K. Depositional Mechanisms from the Size Analysis of Clastic Sediments[J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1964, (34): 73-83.

第一作者：张峰：生于1973年，男，乌鲁木齐人，新疆大学资源与环境科学学院副教授，主要研究中国沙漠及古绿洲演化。

第二作者：再米热·阿不都沙拉木:女，维吾尔族，乌鲁木齐人，新疆大学资源与环境科学学院实验师，主要研究土壤学。

第三作者：马丽，女，回族，新疆和硕人，新疆大学资源与环境科学学院研究生，主要研究沙漠沉积物及沙丘形态演变。