Hiukkaskoko (raekoko): määritelmä, luokitus ja mittaus sedimentissä

Hiukkaskoko (raekoko) selkokielellä: määritelmä, luokitus ja käytännön mittausmenetelmät sedimentissä. Käytännön esimerkit ja taulukot — lue lisää.

Hiukkaskoolla, jota kutsutaan myös raekooksi, tarkoitetaan sedimentin yksittäisten rakeiden tai klastisten kivien litistyneiden hiukkasten halkaisijaa. Termiä voidaan käyttää myös muista rakeisista materiaaleista. Hiukkaskoko ilmoitetaan tavallisesti millimetreinä (mm) tai logaritmisella phi (φ) -asteikolla, jossa φ = −log2(d) (d = halkaisija millimetreinä). Esimerkiksi 1 mm vastaa φ = 0, 0,5 mm vastaa φ = 1 ja 2 mm vastaa φ = −1.

Määritelmä ja yksiköt

Hiukkaskoko kuvaa rakeen läpimitan suuruutta. Koska kokoerot voivat olla suuria (useista mikrometreistä useisiin satoihin millimetreihin), käytetään usein logaritmista phi-asteikkoa, jonka etuna on helpompi tilastollinen käsittely ja luokittelu. Phi-muunnos: φ = −log2(d [mm]). Suurempi φ tarkoittaa hienompia partikkeleja; negatiiviset φ-arvot tarkoittavat karkeita rakeita.

Luokitus (esimerkkejä yleisistä luokituksista)

Useita luokitusjärjestelmiä on käytössä (esim. Udden–Wentworth, Krumbein). Tässä yleisimmät Udden–Wentworth -luokat suuntaa-antavine kokoalueineen:

• Savi: < 0,004 mm (φ > ca. 8)
• Siltti: 0,004–0,0625 mm (φ ≈ 4–8)
• Hiekka: 0,0625–2,0 mm (φ ≈ −1–4)
• Pienirakeinen sora / granulaatti: 2–4 mm (φ ≈ −2 – −1)
• Pikkukivi (pebble): 4–64 mm (φ ≈ −6 – −2)
• Mukulakivi (cobble): 64–256 mm
• Lohkare / kivi (boulder): > 256 mm

Huom. luokittelujen rajat vaihtelevat sovelluksen mukaan. Esimerkiksi maatalous- ja geoteknisissä luokituksissa saven ja silttin rajat voivat poiketa (USDA käyttää usein 0,002 mm rajaa). Termi sora yleiskielessä tarkoittaa usein kaikkea hiekkaa karkeampaa materiaalia (> 2,0 mm) ja voi sisältää granulaatin, pikkukivet, mukulakivet ja lohkareet. Tässä järjestelmässä "pikkukivi" kattaa alueen 4–64 mm (φ ≈ −6…−2).

Mittausmenetelmät sedimentissä

• Siivilöinti (dry/wet sieving): Hyvä menetelmä karkeammille fraktioille (> ~0,063 mm). Näyte kuivataan tai pestään, ja käytetään siiviläsarjaa eri aukokoineen. Edullinen ja yksinkertainen, mutta ei sovellu hienoille silttija savifraktioille.
• Laserdiffraktio (laser diffraction): Mittaa valon hajontaa ja arvioi hiukkaskokojakaumaa laajalla alueella (mikrometreistä millimetreihin). Nopea ja toistettava, mutta tulokset riippuvat oletetusta partikkelin muodosta ja optisista ominaisuuksista.
• Sedimentaatio- tai pipettimenetelmät (Stokesin laki): Käytetään hienoille partikkeleille (siltti/savi). Mittaa partikkelien putoamisnopeutta nesteessä ja laskee vastaavat kokoluokat. Oletuksena pyöreät partikkelit ja tunnettu tiheys, joten epäsäännölliset ja koheesiiviset partikkelit voivat aiheuttaa virhettä.
• Hydrometri: Mittaa suspensioon jäävän kiintoaineen pitoisuutta ajan funktiona ja soveltaa sedimentaatioperiaatteita hienoainekoolle.
• Kuvantaminen ja kuvantulkinta: Mikroskopia tai digitaalikuvat ja ohjelmistot (image analysis) antavat tietoa sekä koosta että muodosta. Hyvä erityisesti rakeisuuden ja muodon analyysiin, mutta vaatii kuvan esikäsittelyä ja kalibrointia.

Jokaisella menetelmällä on rajoituksensa — usein käytetään useamman menetelmän yhdistelmää katamaan koko kokovalikoima ja varmistamaan tulosten luotettavuus.

Tilastolliset kuvaukset

Hiukkaskokojakaumaa kuvataan usein seuraavilla tunnusluvuilla:

• Keskimääräinen hiukkaskoko (voitaisiin laskea phi-arvoina, jolloin jakauman geometrinen luonne otetaan huomioon).
• Hajonta / lajittuneisuus (sorting) — kuinka leveä jakauma on; hyvin lajittunut tarkoittaa kapeaa kokojakaumaa.
• Vinous (skewness) — jakauman epäsymmetria (enemmistö hienoja tai karkeita partikkeleja).
• Huipukkuus (kurtosis) — kuinka terävä jakauman huippu on verrattuna normaalijakaumaan.

Yksi yleisesti käytetty menetelmä sedimentologisessa kirjallisuudessa on Folk ja Wardin graafinen analyysi, joka laskee näitä tunnuslukuja kvantiileihin perustuen (esim. 16 %, 50 %, 84 % -percentiilit phi-asteikolla).

Näytteenantaminen ja valmistelu

• Ota edustava näyte kerroksesta tai massasta; merkkaa sijainti ja syvyys huolellisesti.
• Kuivata näyte ja hävitä ylimääräiset orgaaniset aineet ja hiukkasklustereita tarvittaessa (kemiallinen dispergointi tai suodatus), mutta dokumentoi kaikki toimenpiteet.
• Käytä sopivaa siiviläsarjaa karkeille fraktioille ja valitse mittausmenetelmä hienoaineksen mukaan.

Merkitys ja sovellukset

Hiukkaskoolla on suuri merkitys fysikaalisissa ja geoteknisissä ominaisuuksissa: se vaikuttaa permeabiliteettiin, huokoisuuteen, tiiviyteen, kantavuuteen, eroosioherkkyyteen ja sedimentin kulkeutumiseen ja kerrostumiseen. Sedimentologit ja insinöörit käyttävät hiukkaskokoanalyysiä tulkitakseen deposiittien muodostumista, virtausten energiaa ja ympäristöolosuhteita sekä suunnitellessaan maanrakennushankkeita ja suodatinmateriaaleja.

Standardeja ja menetelmäkuvauksia tarjoavat mm. ISO- ja ASTM-standardit (esim. ASTM D422 hienoainesten määritys) sekä geologian ja maaperätutkimuksen ohjeistukset. Valitse menetelmä ja luokitus järjestelmä, joka parhaiten vastaa tutkimuksen tai sovelluksen tarpeita.

Hae kirjaimella