颗粒形状及其环境介绍

泥沙颗粒的几何特征可以从圆度、球度、整体形状、表面结构等方面来描述。

（1）圆度。圆度（roundness）是指颗粒棱和角的尖锐程度。Wentworth于1919年提出将圆度定义为r/R，其中r是颗粒最尖锐棱角的曲率半径，R是颗粒最大内切圆的半径。这一定义对于三维物体的平面投影应用起来较为困难，因此1932年Wadell再将圆度定义为颗粒的平面投影图像上各角曲率半径ri的平均值除以最大内切圆半径。即

圆度相等的颗粒，形状可能大不相同，如图1-2。

（2）球度。球度（sphericity）是Wadell于1932年首先提出的，他所给的定义是与颗粒同体积的球体直径（等容粒径）和颗粒外接球直径之比。形状不规则的泥沙颗粒，其球度可以通过量测出其互相垂直的长、中、短三轴来确定，即假定颗粒为椭球体，则其等容粒径为

图1-2　代表性实体的Zingg分类（圆度相等，但形状不同）

而外接球直径就是长轴直径a，所以Wadell所定义的球度Ψ为

进一步的研究表明，由于相对于流体而运动的颗粒，总是存在将其最小投影面转向为垂直于流动方向的趋势，而球度相等的颗粒（如体积相等、长轴相等的片状颗粒和棍状颗粒）其最小投影面积却可以有很大不同，所以Wadell定义的球度不能正确地反映颗粒在流体中的动力学特点。流体中颗粒所受到的阻力可近似为投影面积等于颗粒最小投影面积的球体阻力，而颗粒的重力则等于与颗粒体积相同球体的重量，据此Folk和Ward于1957年提出了最大投影球度的概念，其定义为投影面积等于颗粒最小投影面积的球体直径与颗粒等容直径之比，

它与形状系数（shape factor，SF）极为相似(www.xing528.com)

在研究颗粒的沉速时，使用最大投影球度或形状系数能够得到较好的规律。

（3）表面结构。在显微镜下所观察到的颗粒表面细微形状，反映了泥沙颗粒所经历的物理、化学、生物作用，因而对地质历史事件如旋回的研究有重要意义。如冰川中砾石上会出现擦痕，在水流中的输运又会使擦痕消失，某些生物的生长可以使颗粒产生磨光面或表面光泽，水气的凝结与蒸发以及相应的溶解、沉淀等作用又会使颗粒表面出现‘毛玻璃化’，等等。

石英颗粒表面结构与沉积环境有关，它受搬运营力、气候条件和后生成岩作用等因素影响，其组合特征和叠加关系反映了颗粒所经历的不同环境。同时，石英颗粒表面结构并不仅仅反映着单一的动力过程，同一种形态可以出现在不同环境的石英颗粒表面，但其出现几率和伴生组合关系等则有着明显的区别。石英颗粒表面结构分析是判断沉积环境、解释沉积相的一个重要手段。有不少研究运用此方法对海岸海洋环境中砂质沉积的成因进行过分析（如Wang et al，1982）。

（4）形状及其成因。泥沙颗粒的最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中因继续受到物理、化学及生物作用而不断改变其形状，改变的程度或最终形成的形状取决于搬运介质（水、空气、冰川运动）和搬运方式（滑动、滚动、跳动、悬浮或颗粒流等）。Daubrée（1879）首先定性观察到岩石碎屑的圆度在流水搬运初期迅速增加，然后其增加速度变缓（即，砾石的磨损速度随着圆度增加而减少），直至完全变圆为止，而其球度则以一个缓慢而稳定的速度增加。随后Wentworth于1919年给出了定量的观测结果，由Krumbein于1941年提出了数学表达式。

Kuenen在1955～1964年期间对砾石磨损作了大量的实测，结果表明水力输运下小砾石的机械磨损是微弱的，粒径小于2mm的石英沙机械磨蚀极为缓慢。而风力对沙粒的圆化在粒径低达0.1mm时都很显著。在搬运距离相同的实验条件下，风力搬运对石英颗粒的磨蚀是水力输运的100～1000倍。显然这种粒径的颗粒在空气中和水流中的运动形式是不同的，在风力输运中的滑动、滚动、跳动对石英的磨损比在水流中的悬浮运动要剧烈得多。所以圆化的石英细颗粒表明其运动历史中曾受风力作用。颗粒粒径小于0.01mm时石英沙在空气中也已悬浮运动，此时风力的作用为零。自然磨钝的石英砂形状系数的平均值为0.7。

（5）卵石磨损。卵石在运动中经常与河床发生摩擦，以及含沙水流对卵石的磨蚀，使卵石的容积、重量和粒径沿程递减，称为卵石磨损。水流中的卵石磨损与粒径有关，当颗粒粒径较大时，磨损较显著。研究表明，影响磨损的因素有岩矿成分、磨损力、碰撞力和单宽推移质输移强度等，并可给出单项影响因素的定量计算式及卵石推移颗粒直径与磨损时间的关系式（见向冶安，1994），公式计算、室内试验以及野外用同位素标记卵石测试，三者所得结果相当接近。长江三峡卵石来源区大多分布在宜昌以上1000km之外，如依据国外山区河流经验性的粒径减小系数计算，经1000km的输移后，直径为100mm的最难磨损的石英岩，将减小为9mm，重量仅为原重的1‰。至于其他岩性的卵石，粒径大多减小到1.0mm以下，不再属于卵石推移质。

卵石的大量磨损，还可以从大渡河支流青衣江的床沙粒径变化得到有力证明。青衣江在雅安下游附近设有梯子岩水文站，该站上游正处于川西地质断裂带，属长江上游重点产沙区，其年卵石推移量可达400万t，中值粒径为96mm，但在该站下游70km处的夹江站，中径仅为40mm。青衣江坡陡流急，属典型山区河流，河床不存在累积性堆积抬升情况。推移质中径由96mm减为40mm，说明推移质的磨损是很显著的（向冶安，1994）。

在自然地理学中常用的卵石容积V、重量W与粒径D的Sternberg磨损公式形式为：

式中：V0、W0、D0分别为卵石搬运起始点的容积，m3、重量（t）与粒径，mm；VL、WL、DL分别为卵石搬运距离为L（km）时的容积、重量与粒径；c为卵石的磨损系数（km—1）。林承坤（1995）选择了一个没有卵石补给的河段区间（岷江中游碑林子与李时坝的江心洲上）对c值进行测验，洲头分别设置采样点。各测3000颗卵石的粒径，统计出碑林子平均粒径D0为65.3mm，李时坝平均粒径DL为64.2mm，两处相距21km，把上述有关数据代入式（1-11），测出c值为2.422×10—3km—1。林承坤认为该数值代表岷江中游的卵石磨损系数。

（6）某种粒径颗粒的“短缺”现象。Einstein、Anderson和Johnson于1940年引用了Nesper的研究结果，指出在瑞士莱茵河河床质中，有5～100mm的砾卵石，也有1mm以下的细沙，但不存在1～5mm的颗粒。他们作出的结论是由于某种地质的或水力学方面的原因，导致1～5mm的颗粒极少产生。长江宜昌河段河床质实测资料显示，1～10mm颗粒的重量百分比只占10%以下。Udden早在1914年也指出，对于风成沉积物来说短缺的粒径是1/8～1/16mm这一范围。对这一现象可以用风化、输运、磨蚀等作用加以解释。例如，一种解释是，对于结晶母岩来说，可以认为岩石的崩解作用产生的某一粒径范围内的颗粒比较少，而其他粒径范围内的颗粒比较多，因而出现了某一粒径“短缺”的现象。如石英岩崩解时产生块砾，而粗粒酸性火成岩和片麻岩经粒状崩解就产生沙粒。石英颗粒的粒径分布必然完全由显晶结晶岩中的石英粒径分布所限制，大于1mm的颗粒是很少的。母岩崩解时产生的块砾在输运中变成了卵砾，其磨蚀作用所产生的是细粉沙或粘土级物质而不是沙粒。另一种解释是“短缺”的粒径级在风化时是能够形成的，但其机械强度小，在流水输运过程中进一步细化而消失了。如2～4mm的颗粒，是深成崩解作用形成的，颗粒中的矿物晶体尺寸相对于颗粒粒径来说较大，因而这种颗粒的构造脆弱，在强力的水流作用下不易保留下来。

石英的物理崩解只能产生细沙以上的颗粒（粒径＞0.02mm），而化学分解又只能产生粘土级以下的颗粒（粒径＜0.005mm），因此理论上说应当缺少粉沙颗粒（粒径在0.05～0.005mm之间），但实际上自然界中粉沙级颗粒是常见的。Kuenen于1969年发表的研究结果否定了粉沙是由风力输运中的研磨作用产生的这一假设，他认为粉沙的成因是细粒石英质岩石的风化。现已知道沙漠作用（温差的强烈变化）可使粗粒石英破碎成粉砂状。Vita-Finzi和Smalley（1970）则认为，地质历史上冰川的研磨（grinding）作用产生了大量的粉砂，黄土与大陆冰川的密切伴生是这一论点的有力佐证。