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沉积物粒度分析数据被广泛应用于区分沉积环境、判定物质运输方式、判别水动力条件、分析粒径趋势等方面。随着人们对全球气候变化的关注,需要通过恢复和重建地质历史时期气候环境演变,为预测未来环境变化规律提供科学依据,其中湖泊沉积物粒度分析数据被广泛采用。湖泊沉积物粒度分析数据经常被用作古气候重建的载体是因为它对区域气候变化敏感,可以完整的记录了湖泊及其流域气候环境信息,忠实的反应以十年甚至年为尺度的古气候事件,经常结合137Cs和210Pb测年、磁化率、孢粉、粘土矿物粉晶衍射(XRD)、元素地球化学等数据对比分析使用。
目前广泛采用激光粒度仪对湖泊沉积物进行粒度分析,相对于沉降法、筛析法、移液管法、电阻法等传统测量方法,激光粒度仪法不但操作简便、时效性高、智能化,测量范围更为宽泛,而且精度大幅提高。在对湖泊沉积物样品粒度分析时,为保证数据的可靠性、准确性、权威性,需要对样品进行必要的前处理,这使得针对湖泊沉积物粒度分析的前处理方法也逐步成为研究热点。在有效去除其中有机质、碳酸盐等干扰因素,不破坏颗粒的原始组成和结构的前提下,由于湖泊沉积物物源的复杂性,且一般呈细粒状态,因此尤其需要注意因特定矿物与粒度特征引起样品发生絮凝现象对结果的影响。国内外学者对细粒泥沙的絮凝现象和机理进行了深入的研究,取得了较好进展,普遍认为影响絮凝的因素为细颗粒泥沙的矿物成分、粒度分布状况、有机质种类及含量、泥沙颗粒表面电荷、水体温度、pH值、盐度、微生物作用等。在对湖泊沉积物粒度分析前处理过程中,以上因素都客观存在,而其中的主要控制因素为湖泊沉积物的矿物成分、粒度分布状况,因此有必要在对湖泊沉积物粒度分析前处理过程中,针对上述两因素探索消除絮凝的方法。
本文以武汉三角湖底质沉积物为例,分别采用X射线粉晶衍射(XRD)和全自动激光粒度分析仪对样品的矿物组成与粒度分布特征进行测定。X射线粉晶衍射(XRD)分析结果表明,武汉三角湖底层沉积物主要由石英、长石、伊利石、高岭石及绿泥石等组成。非粘土矿物主要为石英和长石,其中长石主要为斜长石、正长石,粘土矿物主要以伊利石、高岭石、绿泥石为主,样品中不含蒙皂石或伊蒙混层;通过K值法,确定了矿物的相对含量,其中非粘土矿物(石英与长石)约占35%,粘土矿物含量约占65%。粘土矿物中伊利石含量最高,占74%(约占样品总量的49%),高岭石13%(约占样品总量的8%),绿泥石13%(约占样品总量的8%)。激光粒度仪分析结果表明,样品中粒径分布普遍小于30μm,而30μm是静水条件下形成絮凝的极限粒径。同时,本文采用传统的筛析法三次重复实验结果测得该样品小于30μm的组分约为94.8%,大于30μm的组分约为5.2%,筛析法与全自动激光里粒度仪得出的结果相比略有不同,这主要是由于长条状颗粒可以通过筛孔而造成误差,并通过镜下观察确定了粒径大于30μm的组分主要为石英颗粒。
在确定了样品粘土矿物与粒度分布特征之后,结合絮凝发生机理,本文采用单变量寻优法开展针对此类样品粒度分析前处理方法消除絮凝的实验,重点探讨了不同超声震荡时间、不同分散剂浓度、洗酸与否对絮凝现象消除的影响,并得到以下认识:
(1)超声震荡可以有效分散颗粒。超声时间过短不能有效分散颗粒,使得测试时重现性较差,时间过长会将原生颗粒击碎,细小颗粒增多,加重絮凝,本文通过重复实验测得针对该类样品最佳超声振荡时间为6-8 min。
(2)六偏磷酸钠(Na3PO4)6可以有效分散沉积物颗粒,防止絮凝现象产生,但同时由于其本身的特性,如果浓度过低会导致分散效果不佳,而使用过量,将会增强溶液粘性,从而使得以分散颗粒因粘性增强而重新凝聚,因此需要对用量进行限定。三角湖沉积物样品在加入10ml浓度为20 g/L左右分散剂六偏磷酸钠(Na3PO4)6时分散效果最佳。
(3)对样品采用盐酸前处理后需要用去离子水洗酸。如果不洗酸,残存的HCl不仅会对仪器造成腐蚀,减短仪器使用寿命,而且使得样品pH呈现酸性,加重絮凝;对样品进行洗酸处理,可以使样品pH趋向中性,这样既可以避免残余盐酸对仪器造成的腐蚀,又可以有效消除絮凝对实验结果造成的影响。
综合以上得出,对于粘土粒级样品絮凝现象消除的最佳条件为:超声震荡6-8 min,加入10 ml浓度为20 g/L左右分散剂六偏磷酸钠(Na3PO4)6。同时对样品进行洗酸。最后本文采用优化后的前处理条件得出样品中小于30μm组分约占94.5%,大于30μm的组分约占5.5%。
本文方法对于粘土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主,不含蒙皂石或伊蒙混层的样品,并且粒径普遍小于30μm易于发生絮凝现象的细粒沉积物样品粒度分析前处理过程絮凝现象的消除提供了一定参考与借鉴。