粒度指岩石中单个矿物颗粒的平均大小，通常以平均值表示，如平均粒径或中值粒径。粒度范围从细粒（颗粒细小、排列致密）到粗粒（颗粒较大、间距较宽）不等。粒度可反映岩石的形成环境条件，对于砂级颗粒组成的沉积物，可通过放大镜确定优势粒度等级。

沉积物颗粒的粒径变化范围极大，从数米到小于1微米不等。因此，任何采用等距粒径划分的分级体系都会过度侧重粗粒范围，而对细粒部分的区分不足。

为解决这一问题，学界引入了几何分级体系——乌顿-温特沃思分级（图1），该体系对细粒部分的微小粒径差异和粗粒部分的较大粒径差异给予同等重视。目前常用的粒度分级体系为乌顿-温特沃思分级和Phi分级（图1），二者可对岩石中的粒度范围进行描述与分类，为粒度的定量化表征和数据呈现提供了标准化方法。

图1 乌顿-温特沃思分级

一、乌顿-温特沃思分级（毫米分级）

这是一套应用广泛的几何粒度分级体系，基于颗粒粒径对沉积物（特指碎屑沉积物）进行描述与分类。该体系为比率分级，各级别边界的粒径相差2倍：粗一级颗粒的粒径是细一级的2倍，细一级颗粒的粒径则为粗一级的1/2（图1）。

该分级体系将沉积物划分为三大粒级：砾石（2~4096 mm）、砂（1/16~2 mm）和泥（<1/16 mm）。其中，泥粒级进一步细分为粉砂和黏土，砾石粒级细分为颗粒、卵石、漂石和巨砾。粉砂与黏土的分界粒径存在差异：土壤学家将其定为 2 μm，而沉积学家则沿用乌顿-温特沃思原始体系的4 μm标准。该分级体系对砾石、砂、粉砂、黏土各粒级的粒径比率赋予同等权重，是目前应用最广泛的粒度分级标准。

二、Phi 分级（克伦宾 Phi 分级或对数分级）

为更精准地表征粒度分析结果，必须采用对数坐标图表，使分级间隔在视觉上呈现均等分布。在此背景下，克伦宾（Krumbein, 1934）提出了 Phi 转换方法，将粒度表示为Φ=log₂d（其中d为颗粒粒径，单位为毫米）。后续该分级体系被修正为Φ=-log₂(d/d₀)，其中d₀为1毫米颗粒的粒径——这一修正使无量纲的Phi值可用于统计分析，进而推导粒度分布的标准差、偏度、峰度等参数。Phi 值越大，颗粒粒径越小（越细）。该分级体系便于粒度数据的数学计算与对比分析，核心优势体现在三方面：（a）粒度分布可直接绘制于算术坐标纸，无需使用对数坐标纸；（b）统计参数的插值计算更为便捷；（c）不同粒级单位的边界均为整数（图1）。

粒度分析是沉积环境分类的核心手段。总体而言，硅质碎屑沉积物的粒度反映沉积环境的水动力能量：粗粒沉积物由流速更快的水流搬运并沉积，细粒泥岩则多堆积于静水环境。砂岩的分选性反映沉积过程的动力强度——扰动作用与改造程度越强，分选性越好。相比之下，碳酸盐沉积物的粒度通常取决于构成沉积物的生物骨骼及钙化硬体的大小，这些生物碎屑的分布同样受水流作用影响。

三、筛孔编号（筛号）

筛孔编号，又称筛目尺寸或筛号，用于颗粒的粒度分级与测量。筛孔编号通常根据筛网每线性英寸或每厘米的孔数（目数）对应特定筛孔尺寸：筛号数值越大，可通过筛网的颗粒粒径越小（见表1）。

美国材料与试验协会（ASTM）E11标准（以毫米mm或微米μm为单位）是定义筛孔编号的常用标准（见表1）。该标准提供了筛号与特定筛孔尺寸的对应表：例如，4 号筛对应每线性英寸 4 个孔，200 号筛对应每线性英寸 200 个孔。除筛号外，通常还会标注对应的筛孔尺寸或颗粒粒径范围——例如，4 号筛的筛孔尺寸约为 4.75 毫米（0.187 英寸），200 号筛的筛孔尺寸约为0.075毫米（0.0029英寸）。

表1 基于美国材料与试验协会（ASTM）E11 标准的筛孔编号（筛目尺寸或筛号）

四、粒度数据的表征方法

表征粒度数据时，有多种常用方法可实现信息的有效传递，例如直方图、频率曲线、累计分布曲线及分类图表等。下文将简要介绍几种基于这些数据的分析方法（表2）

表2 筛析常用筛具

直方图是展示不同粒径范围内颗粒数量或占比的最简便方法（图2A）。横轴代表粒径范围（以 Phi 分级表示），纵轴代表频率或百分比。直方图可直观呈现样品中颗粒的粒度分布特征与粒径跨度，实用性较强。

频率图（图2B）是通过表格形式呈现粒度数据的方式。表格包含粒径范围、各粒径区间内颗粒的频率或百分比，以及平均值、中值、标准差等补充统计参数。该形式能清晰简洁地展示粒度分布特征。

累计分布曲线，又称经验累计分布函数（ECDF），用于呈现小于某一给定粒径的颗粒累计百分比或累计频率（图2C）。其横轴为粒径，纵轴为累计百分比或累计频率（图2C）。该曲线可全面反映颗粒粒度的累计分布规律。

图2 粒度分析方法，直方图、频数曲线和累积分布曲线等

分类图表可将粒度划分为不同类别或等级。其核心是通过粒度分类图表，为特定粒径范围赋予描述性术语（如细粒、中粒、粗粒）。该方法简化了粒度数据的解读过程，同时便于不同样品间的对比分析。

除数值表征和图表表征外，还可通过显微照片或扫描电子显微镜（SEM）图像等可视化手段呈现颗粒的形态与结构特征。这些方法能更细致地展示颗粒细节，助力深入理解其属性及相互关系。

五、分选性

分选性指沉积体中沉积物在颗粒大小、形态及成分上的均匀程度，是衡量颗粒粒径均一性或异质性的指标（图3）。沉积物的分选性可反映其形成过程及搬运 - 沉积阶段的能量条件：分选良好的沉积物颗粒大小、形态相近，表明其形成于相对稳定一致的水动力环境；分选较差的沉积物颗粒粒径跨度大、形态各异，暗示物源存在混合，或搬运 - 沉积过程中能量条件波动显著。

图3 分选性

分选良好的沉积物或岩石多形成于高能环境（如河流、海滩、风成沙丘——颗粒经长距离搬运后，按粒径实现有效分选；分选较差的沉积物则常见于低能环境（如湖泊、沼泽、冰川沉积）——颗粒搬运距离短，未经历充分分选即堆积。

分选性的评价方法包括目视评估和定量分析：目视评估通过直接观察沉积物，赋予其描述性分选等级；定量分析则通过测定样品颗粒粒径并计算标准差（SD）实现分选程度定量化，具体分级标准为：极分选良好（SD＜0.35）、分选良好（0.35~0.50）、中等分选良好（0.50~0.71）、中等分选（0.71~1.00）、分选较差（1.00~2.00）、极分选较差（2.00~4.00）、极度分选较差（＞4.00）。

六、偏度与峰度

偏度与峰度是用于描述粒度数据分布形态的统计参数（图4）。二者可提供平均粒径之外的深层信息，助力粒度分布的精细化表征。但需先理解平均值（MZ）、中值（Md）和众数（MO）的概念，才能更好地解读偏度与峰度。

图4 统计学指标。A：均值、中位数及众数。B–D：偏度。E：峰度。F：沉积物分布的偏度与峰度分析

平均值（MZ）是表征颗粒整体大小的图解统计量，计算公式为 MZ=(Φ₁₆+Φ₅₀+Φ₈₄)/3（注：Φ为粒度累计曲线 16%、50%、84% 分位数对应的 Phi 值）。中值（Md）指样品中半数颗粒（按重量计）粗于该值、半数细于该值的粒径，对应累计分布曲线 50% 分位数的粒径，可用 Phi 值或毫米表示（MdΦ 或 Md mm）（图4A）。众数（MO）是出现频率最高的粒径，对应累计曲线的拐点（斜率最陡处），同时也是频率曲线的峰值点。

偏度用于衡量分布的不对称程度，反映分布呈左偏（负偏度）、右偏（正偏度）或近似对称（零偏度）（图4B~D）。零偏度表示分布对称，粗细颗粒数量大致均等（图4B）；正偏度指分布曲线右尾拖长，表明粗颗粒含量过剩（图4C），常见于优先保留粗颗粒的沉积堆积过程；负偏度指分布曲线左尾拖长，表明细颗粒含量过剩（图4D），常见于优先移除粗颗粒的侵蚀或搬运过程。

河流沉积物通常分选较差且呈正偏度，即粒度向细粒端（高 Phi 值）展布较宽，而粗粒端界限尖锐（图4F）——洪水期河流流速的剧烈变化是导致其分选差的主要原因。风成沉积物同样呈正偏度（风力搬运的粗粒粒径存在上限），但风成沙丘沉积物中，细颗粒可在粗砂颗粒的 “装甲保护” 下避免侵蚀搬运，因此常出现细粒尾端；且风成沉积物分选良好至极良好（图4）。相比之下，海滩沉积物呈负偏度，即粒度分布的细粒端存在明确下限，粗粒端（颗粒、卵石）形成尾端——波浪的反复破碎会携带悬浮态沉积物，细砂、粉砂、黏土等细颗粒被带走，中粗砂等粗颗粒快速沉降再沉积，因此海滩沉积物分选良好。

峰度用于衡量分布曲线相对于正态分布的尖锐或平坦程度（图4E），可反映数据中是否存在异常值或极端值。正态分布的峰度值为 0，曲线呈钟形，无异常值；负峰度表示分布比正态分布更平坦、尾端更轻（图4E），说明粒度数据中缺乏极端值；正峰度表示分布比正态分布更尖锐、尾端更重（图4E），说明粒度数据中存在较多极端值。

悬浮沉积形成的沉积物（如浊流沉积物）通常分选较差且呈正偏度（图4F）——浊流的流体湍流使沉积物长期保持悬浮状态，最终沉降堆积，因此具有分选差、正偏度的特征。尽管该特征与河流沉积物相近，但可通过平均粒径区分。

七、粒径分布的矩值参数

粒径分布的矩值参数是描述样品中粒度分布特征的统计量，可提供平均粒径、粒度离散程度及极端值 / 异常值存在情况等信息。常用的矩值参数包括：

1. 均值（一阶矩）

算术均值即平均粒径，通过将所有颗粒粒径求和后除以颗粒总数计算得出，用于表征粒度分布的中心趋势（图4A）。

2. 中值（二阶矩）

中值是排序后粒度数据的中间值，对应分布的 50% 分位数，同样用于表征中心趋势，但受极端值影响更小（图4A）。

3. 众数（三阶矩）

众数是分布中出现频率最高的粒径，对应分布曲线的峰值点，可反映优势粒级类别（图4A）。

4. 标准差（二阶中心矩）

标准差用于衡量粒度相对于均值的离散程度，反映分布的分散范围。

5. 偏度（三阶中心矩）

偏度衡量分布的不对称性：正偏度表示分布右尾拖长，提示存在较多粗颗粒；负偏度表示分布左尾拖长，提示存在较多细颗粒（图4B~D）。

6. 峰度（四阶中心矩）

峰度用于衡量分布曲线相对于正态分布的尖锐或平坦程度：正峰度表示曲线更尖锐、尾端更重，提示存在较多极端值/异常值；负峰度表示曲线更平坦、尾端更轻（图4E）。

这些矩值参数可全面描述粒度分布特征，常用于沉积体表征、沉积物搬运过程评估及沉积环境解读。