定量表征河流砂颗粒的形状——在西藏帕隆藏布的尝试

河流搬运体系中,颗粒的形状属性可以反映其来源、搬运、沉积的过程。长期以来沉积学界缺乏相对统一的定量的、多维的颗粒形状参数。本研究以西藏雅鲁藏布江支流帕隆藏布为例,运用图像分析、软件分析等计算机辅助技术,对8个天然河流砂样品中的2276个颗粒开展碎屑成分鉴定和形状参数量化等工作。重点评估了11个颗粒形状参数,通过因子分析等统计方法提取并定义了3个形状信号,包括圆形度因子、规则度因子和平滑度因子。这些参数可用于表征颗粒宏观形状上接近圆形的程度、中观尺度上轮廓规则的程度及轮廓平滑的程度。挖掘天然河流砂的重要形状特征后,进一步探索了这些形状参数与颗粒成分、粒度的关系。本研究成果为解释河流系统中颗粒的形状信号、理解颗粒自身微观属性和外部物理过程等提供重要借鉴。     

钙质砂颗粒的形状分析

钙质砂是一种含碳酸钙达50 %以上的海洋生物成因的粒状材料。颗粒棱角度高、形状不规则,影响钙质砂的压缩、填充等力学性能。通过光学显微镜获取钙质砂颗粒的几何投影图像,借助Matlab图像处理软件,分别运用常规统计方法和分形理论对钙质砂颗粒的几何形态进行了描述,并结合钙质砂特殊的生物成因对其表现出的特性进行了分析。结果表明：钙质砂颗粒的形状具有分形特性,且随着颗粒粒径的减小,分形特性越明显。     

珊瑚砂颗粒形状特征分析

珊瑚砂粒形状及粗糙度等微细观特性影响着砂土的宏观力学性质,采用图像处理技术对珊瑚砂粒的长宽比、面积、圆度、分形维数进行了分析。使用3D测量显微镜对砂粒的表面粗糙度,界面扩展面积比、峰顶点的算数平均曲率进行了测量计算。试验结果表明:大部分珊瑚砂颗粒的长宽比介于1.2~1.5之间,且长宽比呈现出负偏态分布。砂颗粒的圆度则主要集中于0.75~0.9区间,其表现为负偏态分布。砂颗粒的面积主要在0.015~0.035 cm2之间,颗粒面积为正偏态分布。砂粒的分形维数D基本介于1.04~1.10之间,表明砂颗粒具有很强的自相似性。粗糙度的分析结果表明,珊瑚砂颗粒表面平整度差,分布有较多的侵蚀坑,局部存在尖锐的凸起,砂粒表面粗糙度S_a为20.078 μm。界面扩展比S_dr为0.167,砂颗粒表面分布有若干倾斜面。峰顶点的算数平均曲率S_pc为216.641 mm-1,显示出砂颗粒之间的接触较为尖锐。上述研究结果可为珊瑚砂宏微观力学特性研究提供参考。     

河流砾—砂过渡（GST）研究进展

河流从上游山区流经下游宽阔地带时,所搬运物质在磨损和分选作用下逐步变细,当沉积物减小到中粗卵砾级别时（10~20 mm）,会在相对短距离内（几倍河道宽度）快速转变为极粗砂（1~2 mm）,这种粒度突变现象被称为砾—砂过渡（gravel-sand transition,GST）。对河流砾—砂过渡进行了系统调研,介绍了其在河流中的基本特征;分析了砾—砂过渡的发生机理,包括粒度突变的外因假说、2~10 mm粒径空缺的内因解释,以及GST中加剧砾砂流动性差异的过程;也介绍了GST的空间普适性、其前后的河流转变和位置稳定性。GST的深入研究对于理解河流演化、泥沙运移、洪水风险管理、沉积物源分析具有重要意义。     

珊瑚砂高压力下一维蠕变分形破碎及颗粒形状分析

珊瑚砂是一种含钙极高的海洋生物成因材料,具有高棱角性、形状不规则、易破碎等特点。通过珊瑚砂的高压一维蠕变试验,研究颗粒破碎引起颗粒分布曲线和形状因子的演化规律。借助于高速动态图像的激光粒度粒形仪器,从统计学的角度分析试验前后颗粒形状随压力演化的关系,发现颗粒的形状因子,如长宽比、球形度和凹凸度等,随压力增加而逐渐增加。不同粒径的颗粒形状因子均向一个窄幅范围趋近,说明颗粒破碎具有无尺度性和自相似性的分形特性,分形维数随压力增加而逐渐增大,且趋近分形破碎极限。采用Hardin和Einav的方法计算相对破碎量,发现在两种计算方法下相对破碎量与压力呈幂函数关系,且幂指数相同。相对破碎量随时间增加的现象并不明显,说明在高压力下颗粒破碎主要为压缩破碎,且颗粒细化滑移填充孔隙引起的变形是造成蠕变的主要原因。     

河流砂碎屑统计方法的对比实验研究

碎屑统计是定量研究陆源碎屑沉积物常用的方法,其中最具代表性的有四种:全颗粒法、Glagolev-Chayes法、Gazzi-Dickinson法和全面积法。目前对以上方法的差异性缺乏定量研究,其统计的颗粒数各不相同（从300颗到500颗不等）,也缺乏样品分选程度和颗粒含量对统计结果影响的探讨。选取雅鲁藏布江干流的两个河流砂样品,分别用四种方法进行定量颗粒统计,并结合Matlab模拟统计开展实验。将全面积法统计结果作为最能够代表样品真实成分的标准,结果表明,Glagolev-Chayes法与全面积法的统计结果相近,全颗粒法与全面积法的偏差较大;对于分选越差的样品,全颗粒法与全面积法统计结果的差异性越大;统计颗粒数达到384颗时满足95%的置信度;在统计过程中应重点关注含量小于10%的颗粒类型,若岩屑总量小于10%时建议不再进行Lv/Lm/Ls投图。在计算河流通量时建议采用全面积法或Glagolev-Chayes法进行碎屑统计。     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

断陷盆地缓坡带河流沉积砂体定量表征及控制因素分析:以霸县凹陷文安斜坡东营组三段为例

断陷湖盆缓坡河流成因砂体是重要的油气储集单元.根据岩心观察、钻井岩/电特征并结合地震沉积学方法,分析断陷湖盆缓坡河流沉积体系和砂体时空分布特征,能为油气精细勘探提供可靠的依据.研究表明,霸县凹陷文安斜坡中部东营组三段周期性地发育4条呈NE-SW辫-曲复合型河流沉积,由河道沉积、砂坝沉积和泛滥平原沉积3种亚相以及辫状河道...     

碎石颗粒形状测量与评定的初步研究

颗粒形状是影响碎石料密实特性及力学、渗流特性的因素之一。选取粒径为2～5 mm和5～10 mm的两组灰岩碎石颗粒样本作为研究对象,采用影像测量仪和特制夹具,获取不同旋转角度下的颗粒轮廓影像;使用图形处理软件获得颗粒几何尺寸测值;计算获得各旋转角度下常用颗粒形状评定参数值,运用其平均值进行统计分析,避免了依据单一角度测值评定伴随的人为因素影响。结果表明,灰岩碎石颗粒与标准圆有较大差异, 且粒径大者差异性更明显;两组样本颗粒形状参数均服从偏态分布;长宽比、扁平度和球形度能够更敏感地反映颗粒偏离球形颗粒的程度,而长宽比和球形度便于获取,因而更具优势。     

砂土颗粒形状量化及其对力学指标的影响分析

砂作为一种特殊的散体材料,其宏观物理力学性质,如密实度、剪切特性（临界状态角,剪胀角）、压缩性及颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响,目前为止,对于砂粒土颗粒形状的量化工作,未到达成熟阶段。试验采用普通光学显微镜获取3种不同砂颗粒及一种相似材料（玻璃球）数字图像,利用ImageJ图形软件对其进行黑白二值化处理,获取颗粒形状轮廓边界;从3个层次定义颗粒形状参数,并利用java语言编制形状量化插件程序,计算砂粒各形状参数值,最后通过相对密度试验、直剪试验测试不同砂样的极限孔隙比、剪切强度指标。试验结果表明：整体轮廓系数、球形度、棱角度3项形状参数可作为不同砂粒形状鉴别和量化的关键参数,且与剪胀角、临界状态摩擦角均具有良好的相关性,试验提供了一种量化砂颗粒形状的有效方法,并可将得到的关键量化参数应用到宏观力学性质分析与数值模拟工作中     

中国南海珊瑚砂的多尺度颗粒形貌特征分析

颗粒形貌是影响珊瑚砂力学性质的重要参数,研究珊瑚砂多尺度形貌特征有助于从细观角度阐释其力学特性。基于颗粒动态图像分析技术对不同粒径范围内超过20万个珊瑚砂和陆源石英砂（包括人工破碎石英砂和天然石英砂）颗粒开展颗粒形貌扫描和对比分析,提出了适用于珊瑚砂的颗粒形状分类标准,并从颗粒形状、磨圆度和凸度3个尺度上揭示了海相珊瑚砂与陆源石英砂颗粒形貌的差异性。结果表明：（1）珊瑚砂主要由块状、片状及棒状3种类型的颗粒组成,以伸长率和扁平率为0.5作为珊瑚砂颗粒形状的划分阈值进行颗粒形状分类,该分类方法的准确率可达90%。（2）珊瑚砂中块状颗粒占比最大,且含量大于50%。随着粒径增加,块状颗粒占比增加,片状颗粒占比下降,而棒状颗粒基本维持不变;随着粒径的增加,石英砂中的块状颗粒占比高于珊瑚砂,这是由颗粒的矿物性质决定的,而与颗粒的风化破碎方式无关。（3）人工破碎石英砂的磨圆度与珊瑚砂的较为接近,且略小于天然石英砂。块状颗粒的磨圆度大于片状颗粒,更大于棒状颗粒,因此块状颗粒占比越高,集合体的磨圆度越大。（4）珊瑚砂的颗粒凸度介于0.85～1.00间,石英砂的凸度大于珊瑚砂。随着粒径的增加,珊瑚砂的凸...     

珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土的压缩性能影响

珊瑚颗粒形状不规则是其显著区别于陆源土的一大特征。为揭示珊瑚颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响,人工挑选出不同形状(块状、枝状、棒状、片状)的珊瑚颗粒,以块状颗粒为基础,与其他3种不同形状的粗颗粒任意一种混合,控制不同颗粒形状配比制成钙质粗粒土试样,完成室内压缩试验,对比分析试验前后珊瑚颗粒的圆度、长宽比、扁平度和凹凸度等形状参数,评价颗粒形状对压缩性能的影响。结果表明:(1)粒径为10~20 mm钙质粗粒土的压缩模量是4~5. 5 MPa,回弹系数为42~53;(2)随枝状、棒状或片状颗粒掺量的增加(0、10%、20%、30%),试样压缩模量呈小幅波状变化,回弹系数呈持续减小趋势;(3)各加载区间应力-应变曲线包括应力快速增长阶段、应力-应变同步增长阶段、应变增长阶段共3个阶段和1个稳定点;(4)随枝状颗粒掺量的增加,试样的长宽比和凹凸度逐渐增加,圆度和扁平度基本无变化;因颗粒破碎的影响,试验后试样的长宽比及扁平度有所增加,圆度及凹凸度则有所减小。选择钙质粗粒土地基时,应考虑其压缩性能,避免施工初期的快速加载。     

考虑钙质砂细观颗粒形状影响的液体拖曳力系数试验

钙质砂作为南海岛礁填筑常用的岩土材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达流体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要参数,目前国内外对钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。首先引入一个修正的三维参数 对钙质砂这种天然非规则颗粒材料的形状进行定量描述,然后开展一系列单个钙质砂颗粒在液体中沉降试验,利用高速相机记录颗粒沉降过程,结合图像处理技术获得颗粒沉降平衡速度Ut,进而计算出拖曳力系数CD和雷诺数Re,最后拟合出包含CD、Re及 三个参数的钙质砂拖曳力系数半经验模型。结果发现,在相同雷诺数条件下钙质砂的形状系数 越大,拖曳力系数越小。通过与其他研究结果对比发现,其表面微孔隙越发育,拖曳力系数越小的规律。该模型能够考虑不规则颗粒形状对拖曳力系数的影响,从而提高对土体渗透性预测的精度,对南海岛礁填筑工程中钙质砂固结和沉降的计算也具有重要意义。     

基于动态图像法的河流砂和湖滩砂粒形-粒度特征对比

对沉积颗粒大小、形态特征的量化和解释,是沉积动力条件分析和古地理重建的重要内容之一.图像法作为粒度分析的标准,长期受制于样本量小、效率低等困难.基于动态图像法的新型粒度粒形分析系统可在几分钟内获取多达n×107个颗粒的形状和大小信息,为沉积环境重建和动力条件分析提供了新的机会.本文基于两组样品(青藏高原的湖滩砂和黄河中游的河流砂)的动态图像粒度粒形数据,定量分析和对比了湖滩与河流两种环境沉积颗粒的粒度、粒形特征及其异同.结果表明,样品组成颗粒的球度与均值粒度之间整体上存在明显的反相关,球度-粒度曲线可大致划分为斜率不等的三段: 占据颗粒绝大多数的中段(C.S.)球度适中,斜率最小; 细端(F.T.)球度大,斜率也大; 粗端(C.T)球度小,斜率小且不稳定.结合天然沉积颗粒的形状和密度特征,本文认为这些不同斜率的段落可能源于沉积颗粒密度效应和形状效应导致的粒度分异.对比研究表明,湖滩砂与河流砂在粒形-粒度曲线形态与分段特征方面均存在明显差异,两组样品在不同粒形参数(球度—长宽比—凹凸度)三角图和不同球度分段所对应颗粒体积百分比(C.T.-C.S.-F.T.)三角图中均能完全分离.这些事实表明基于动态图像分析的粒度粒形分析可望成为一种潜在的第四纪环境重建工具,在环境研究中有助于对天然沉积物物源特征以及风化、侵蚀、搬运和堆积过程的认识和理解.     

砂土颗粒三维形态的定量表征方法

颗粒形态是影响砂土力学特性的重要因素,特别是影响砂土在低应力状态下的抗剪强度、剪胀效应和临界状态行为,以及高应力状态下的颗粒破碎行为。因此,准确地重构砂粒的三维形态,并量化计算其形态表征参数是研究砂粒形态效应的前提工作。借助于高精度的CT扫描技术和图像处理技术,获得近海石英砂和风化花岗岩残积砂这两类砂土颗粒的三维形态信息。采用球谐函数序列实现两种砂颗粒三维形态的准确重构,并通过球谐函数分析计算砂土颗粒的体积来验证该方法的有效性。基于球谐重构的三维砂粒表面,提出了实用性的方法来计算砂粒的表面积、表面曲率和三维尺寸等,进而计算砂粒的三维球度、圆度和伸长率等形态表征参数。结果表明,当球谐函数阶达到15时,其重构的砂粒基本形状和表面纹理均与真实砂粒非常接近;近海石英砂在水流搬运和磨蚀的作用下颗粒形态较为规则和圆滑,球度和圆度较大,而风化花岗岩残积砂则在物理风化和剥蚀作用下颗粒形态较为复杂和粗糙,球度和圆度较小;而这两种地质作用对砂土颗粒的伸长率则没有明显的影响。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

河流相砂体识别预测及古气候响应: 以渤中坳陷石南地区明下段为例

河流相砂体的识别预测及其发育演化对古气候变化的响应是当前河流相沉积研究的热点。基于地震沉积学方法,采用三步走的河流相砂体识别预测方法(井震结合建格架→90°相位调整标岩性→切片属性辨砂体),在渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起南部(石南)新近系明化镇组下段(简称“明下段”)识别出了顺直和蜿蜒河道砂、河道—堤坝复合体、点砂坝、河口坝、牛轭湖和决口扇6种河流相砂体。依据明下段泥岩颜色,结合藻类种属记录和孢粉记录分析,认为石南地区明下段沉积早期到中期经历了干湿交替→湿润主导的湿润化气候演变; 而明下段沉积中期到晚期经历了湿润主导→干旱主导的干旱化气候演变。润湿化气候演变使得明下段沉积中期河流相砂体宽度和单层厚度减小、弯曲度增大,且带状孤立河道砂体更发育; 而干旱化气候演变使得明下段沉积晚期流相砂体宽度和单层厚度增大、弯曲度减小,且带状河道—溢岸复合带和河口坝砂更发育。研究成果可为其他断陷盆地河流相砂体识别、预测提供参考,对指导构造活动相对较弱的湖盆萎缩期油气勘探实践具有一定的实践价值。     

河流相砂体识别预测及古气候响应: 以渤中坳陷石南地区明下段为例

河流相砂体的识别预测及其发育演化对古气候变化的响应是当前河流相沉积研究的热点。基于地震沉积学方法,采用三步走的河流相砂体识别预测方法(井震结合建格架→90°相位调整标岩性→切片属性辨砂体),在渤海湾盆地渤中坳陷石臼坨凸起南部(石南)新近系明化镇组下段(简称“明下段”)识别出了顺直和蜿蜒河道砂、河道—堤坝复合体、点砂坝、河口坝、牛轭湖和决口扇6种河流相砂体。依据明下段泥岩颜色,结合藻类种属记录和孢粉记录分析,认为石南地区明下段沉积早期到中期经历了干湿交替→湿润主导的湿润化气候演变; 而明下段沉积中期到晚期经历了湿润主导→干旱主导的干旱化气候演变。润湿化气候演变使得明下段沉积中期河流相砂体宽度和单层厚度减小、弯曲度增大,且带状孤立河道砂体更发育; 而干旱化气候演变使得明下段沉积晚期流相砂体宽度和单层厚度增大、弯曲度减小,且带状河道—溢岸复合带和河口坝砂更发育。研究成果可为其他断陷盆地河流相砂体识别、预测提供参考,对指导构造活动相对较弱的湖盆萎缩期油气勘探实践具有一定的实践价值。     

物源分析的一个误区:砂粒在河流搬运过程中的变化*

长期以来,中国沉积学界存在一个认识误区,认为“碎屑物质在流水搬运过程中,其不稳定成分逐渐变少,粒度逐渐变小,圆度逐渐变好”,并把这一认识错误地运用到对砂岩的物源分析中。作者基于文献调研和现代河流砂研究成果,评述了关于砂粒的不稳定矿物含量、磨圆度、粒度这3个重要参数的研究进展,认为河流搬运过程中砂粒并没有向下游出现明显的不稳定矿物丢失,粒度和磨圆度也没有明显变化,这3个参数与搬运距离并无必然关系。因此,根据长石、岩屑、不稳定重矿物的多寡以及粒度大小、磨圆度好坏来推测砂岩物源区的距离远近是缺乏科学依据的。     

悬浮颗粒形状对其在多孔介质中迁移和沉积特性的影响

悬浮颗粒在多孔介质中迁移的研究在地下水回灌、地下污染物扩散、核废料处置、石油开采等领域有重要的理论意义和应用价值。为了研究形状对颗粒迁移的影响,对1组球状颗粒（10 ?m中位粒径）和2组杆状颗粒（长径比为3:1和6:1）进行了三阶段室内土柱试验,得到了不同形状颗粒在多种溶液离子强度条件下的穿透曲线。结合DLVO理论分析了悬浮颗粒沉积和释放机制,阐释了形状对颗粒迁移行为的影响。试验结果表明,颗粒形状对迁移特性有重要影响,当离子强度较低时（6 mmol/L）,DLVO势能曲线展现较高能量壁垒,各种形状颗粒沉积主要为次级势阱沉积;当离子强度较高时（150 mmol/L）,球状颗粒因能量壁垒较高,其滞留机制仍以次级势阱沉积为主,但长径比为6:1的杆状颗粒在次级势阱和初级势阱都有沉积,这和杆状颗粒的静电性能和优先方向有关。对于杆状颗粒,边位沉积比端位沉积具有更深的次级势阱和更大的影响距离,边位沉积是更加稳定的沉积方式和沉积的优先方向。基于Derjaguin近似方法的DLVO理论计算显示,DLVO理论预测结果和土柱试验结果吻合较好。