砂级沉积物颗粒粒度参数量化方法的比较研究

《Sedimentary Geology》：A comparative study of methods for quantifying sand-sized sediment grain textural parameters

　　

• 预处理程序影响砂级颗粒结构的量化结果。
• 颗粒形状影响颗粒粒径量化的准确性。
• 提出了一种实用的砂级颗粒结构量化工作流程。
• 提出了一种将二维颗粒粒径转换为三维数据的方法。

引言
颗粒结构是表征碎屑沉积物和沉积岩的基本参数，因为它保留了关于搬运过程、沉积环境和沉积后改造的关键信息（Vandenberghe, 2013; Vandenberghe et al., 2018; Reynolds, 2024）。因此，沉积物颗粒结构的测定长期以来一直是地球科学研究的一个核心焦点（Varga et al., 2018）。沉积物的碎屑颗粒结构（如粒径和形状）通过水力分选对沉积物的沉降起主要控制作用（Rubey, 1933; Garzanti et al., 2009; Deal et al., 2023），因此被广泛用于解释沉积环境（Campa?a et al., 2016; újvári et al., 2016; Shang et al., 2018）。此外，颗粒结构为解释沉积物搬运和物源（Mazzullo and Ritter, 1991; Woronko et al., 2017; Chmielowska et al., 2021）、储层表征（Payton et al., 2022; Yan et al., 2023; Murtaza et al., 2025）以及岩土工程和工程地质应用（Altuhafi et al., 2016; Xie et al., 2020; Wu et al., 2021）提供了有价值的约束。

在许多沉积学案例研究中，砂级沉积物结构的描述仍然是定性的，并且通常基于目视对比图（如 Muhlbauer et al., 2017; Woronko et al., 2017）。然而，颗粒结构的定量表征已被证明是必不可少的（Shen et al., 2024），但目前仍然缺乏一种标准化且具成本效益的量化程序。存在各种基于不同原理的测量颗粒结构的技术。对于未固结沉积物，筛分和激光衍射是最广泛使用的方法（Folk, 1980; Konert and Vandenberghe, 1997）。筛分通常应用于砂级组分，主要反映中间颗粒维度，因为颗粒倾向于以最佳方式取向通过筛网（Ludwick and Henderson, 1968; Varga et al., 2018）。激光衍射通常由激光粒度仪执行，将颗粒粒径定义为等效球的直径（Konert and Vandenberghe, 1997），并且更适合细粒沉积物，如粉砂和黏土级颗粒。然而，这两种方法仅提供不同粒径分级内总样本的质量和体积分布，而非单个颗粒的准确粒径测量。此外，对于古代砂岩的粒径分析，这两种方法是不切实际的，因为难以完全崩解坚硬岩石。另外，砂岩的各种组分，如骨架颗粒、基质和胶结物，因其来源和形成机制不同，难以使用这些总体技术单独分析。

近年来，基于数字图像的粒径分析被越来越多地采用（如 Perlo et al., 2016; Vandel et al., 2020），因为它能够在单颗粒尺度上同时量化粒径和形状参数（如圆度、长宽比、圆形度、凸度）。在数字图像处理中，通常使用颗粒的二维（2D）投影，颗粒粒径由各种数学描述符定义（Sochan et al., 2015; Anusree and Latha, 2023），如等效球径和等效面积圆直径（Hamzeloo et al., 2014; Bagheri et al., 2015）。随着扫描技术的进步，也可以使用如三维激光扫描、X 射线微计算机断层扫描（μCT）和扫描电子显微镜（SEM）微 CT 等技术获取三维（3D）颗粒图像（Sun et al., 2014; Xie et al., 2020; Li et al., 2023）。最近的对比研究系统地评估了各种粒径表征技术的性能，包括二维图像分析和三维技术（Houghton et al., 2024）。使用球形硅颗粒作为分析材料，结果表明粒径影响分析方法的准确性。对于直径大于 150 μm 的颗粒，作为三维分析方法的 X 射线计算机断层扫描提供了最准确的测量，而激光衍射往往高估，二维自动图像分析和光学点计数往往低估（Houghton et al., 2024）。然而，与三维测量相比，二维数字图像分析更实用且具有成本效益。此外，如上所述，砂岩含有不同来源的组分，因此常规切割成薄片在偏光显微镜下进行岩石薄片分析，提供可用于结构和成分分析的二维图像（Weltje and von Eynatten, 2004）。

已提出许多基于二维数字图像的数学描述符用于测量颗粒结构（Anusree and Latha, 2023）。由于这些描述符的定义不同，对于相同的颗粒，特别是形状不规则的颗粒，它们可能会产生显著不同的结果，且不同的描述符最适合不同的颗粒类型。例如，假设颗粒近似球形的等效球径（ESD）广泛用于砂级颗粒（Garzanti et al., 2008; Lawrence et al., 2011），因为在许多沉积学研究中，沉积颗粒常被理想化为球体。尽管这些描述符被广泛采用，但几个挑战阻碍了数字图像处理的应用。首先，单个颗粒可以产生无限个可能的二维投影（Xie et al., 2020），因此测量的粒径强烈依赖于所选的投影和使用的方法。未固结沉积物和砂岩预处理程序之间的差异加剧了这一问题。其次，没有单一指标被普遍接受用于表示不同形状颗粒的粒径，因为颗粒形态会显著影响结构量化（Varga et al., 2018）。砂级碎屑颗粒呈现多样的形状，如粒状（如石英、石榴石）、柱状或片状（如锆石、云母和变质岩屑），引发关于单一指标是否适用于所有颗粒类型的质疑。第三，尽管许多研究试图建立二维和三维测量之间的关系（如 Xie et al., 2020），但二维颗粒图像代表真实三维颗粒几何形状的程度仍然不确定。因此，这些问题凸显了进一步深入研究二维数字图像处理在砂级沉积物结构量化中应用的必要性。

在本研究中，通过二维数字图像处理使用多种量化方法测量了来自不同沉积环境（包括河流、风成、海滩和陆架砂；表 1）的砂级沉积物的颗粒结构参数（粒径、分选度和圆度）。这些方法包括等效球径、等效面积圆直径、等效周长圆直径、最大 Feret、最小 Feret、最大内切圆直径、最佳拟合椭圆的长轴和短轴、最佳拟合矩形的长和宽用于粒径测量，以及 Wadell 和 Pentland 圆度（表 2）。还比较了切割（薄片）和未切割（原始）颗粒的图像。本研究的目的是 1) 确定薄片切割对颗粒结构特征量化的影响；2) 比较量化方法的准确性；以及 3) 识别适合不同沉积环境未固结砂和砂岩的更优量化方法。

章节片段
地质背景与样品
共收集了 16 个参考砂样，来自中国东南部的四个沉积环境，包括八个河砂、台湾海峡四个陆架砂、两个老红砂和两个海滩砂（图 1B）。台湾海峡东西两侧的基岩岩性和河流排水系统差异显著（图 1）（Shen et al., 2021）。海峡西侧的中国东南部大陆主要由...组成。

样品预处理
为了进行岩石薄片分析，每个样本经过 230 目筛网湿筛以获取>63 μm 组分，然后干燥。该组分经过 35 目筛网干筛以分离 63–500 μm 组分，随后用 Araldite 浸渍并切割成标准薄片（厚 0.03 mm）。模态组成（石英、长石和岩屑）使用 Gazzi-Dickinson 点计数法测定（Dickinson and Suczek, 1979; Dickinson, 1985）。
为了量化

切割与未切割碎屑颗粒的比较
同一样本来自切割、未切割和 SEM 分析的图像显示出相当大的差异（图 5）。对于样本 A2（富石英老红砂），未切割图像显示颗粒主要由磨圆度好、次磨圆到次棱角状颗粒组成，平均 ESD 为 204.39 μm，分选度为 0.2920（图 5A）。切割图像显示出比未切割图像较小的平均 ESD 179.83 μm（分选度 0.2988）（图 5B）。SEM 图像显示大多数颗粒为粒状，相对粗糙...

预处理程序对颗粒结构量化的影响
未固结沉积物可以直接使用双目或偏光显微镜成像，无需切割，而砂岩通常被切割成薄片进行显微镜分析。然而，切割影响颗粒结构量化的程度仍不清楚。在此，我们比较切割和未切割样本的结果，以评估样品制备对颗粒结构测量的影响，旨在提供见解以改进深时...的结构分析。

结论与展望
二维数字图像处理已被广泛用于量化未固结砂和砂岩的颗粒结构参数。在本研究中，通过对通过十个粒径描述符和两种圆度量化方法获得的测量数据进行对比分析，使我们能够评估样品预处理和颗粒形状对结构量化的影响。从切割样品（薄片）中获得的颗粒粒径通常小于未切割样品。

CRediT 作者贡献声明
Xiaotian Shen：撰写 – 原稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Xing Jian：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、方法论、调查、资金获取、数据整理、概念化。Wei Zhang：撰写 – 审阅与编辑、资源、调查、资金获取、概念化。Ruolan Liao：撰写 – 审阅与编辑、可视化、方法论、正式分析、数据整理。Dongming...

未引用参考文献
Garzanti, 2017
Hong, 2021

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本研究由中国国家自然科学基金（编号：42476051, 41806052）和中国厦门市自然科学基金（编号：3502Z20227006）资助。感谢 Hanghai Liang、Shuo Zhang、Haowei Mei 在采样方面提供的帮助。我们衷心感谢主编 Catherine Chagué 博士、审稿人 Koushik Saha 博士以及另一位匿名审稿人提出的建设性意见和建议，这些意见和建议极大地改进了我们的手稿。

Xiaotian Shen|Xing Jian|Wei Zhang|Ruolan Liao|Dongming Hong|Chao Li|Shaohua Zhao|James T. Liu|Yuan-Pin Chang