沉積物粒度參數(shù)和頻率曲線對(duì)粒級(jí)劃分的響應(yīng)*

付莉莉,馮秀麗,楊旭輝

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100)

沉積物粒度參數(shù)和頻率曲線對(duì)粒級(jí)劃分的響應(yīng)*

付莉莉,馮秀麗,楊旭輝

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東青島266100)

以Φ、Φ/2、Φ/4為粒級(jí)間距,分別采用Folk-Ward圖解法和Mc Manus矩法計(jì)算了粉砂質(zhì)砂、黏土質(zhì)粉砂、砂-粉砂-黏土等3類(lèi)沉積物共136個(gè)底質(zhì)樣品的粒度參數(shù),并引用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的單因素方差分析法對(duì)每一類(lèi)沉積物的每一個(gè)粒度參數(shù)進(jìn)行分間距計(jì)算結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明,各類(lèi)沉積物在各種計(jì)算方法中粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)表征粒度分布特征均不構(gòu)成影響。但粒度頻率曲線形態(tài)隨粒級(jí)間距的不同會(huì)有變化,同一粒徑所對(duì)應(yīng)的頻率值在不同粒級(jí)間距下有較大差異。因此,在進(jìn)行動(dòng)力條件和沉積環(huán)境等研究時(shí),必須對(duì)粒級(jí)間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。在進(jìn)行粒度分析時(shí),如果只求粒度參數(shù),采用Φ間距即可,這樣可以減小工作量;如果研究沉積環(huán)境,建議采用Φ/4間距。

粒級(jí)劃分;粒度參數(shù);圖解法;矩法;方差分析法;粒度頻率曲線

對(duì)沉積物樣品進(jìn)行粒度分析、獲取其粒度特征是地學(xué)研究的經(jīng)常步驟。沉積物的粒度特征使用粒度參數(shù)來(lái)表征。目前廣泛使用的粒度參數(shù)包括平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等。長(zhǎng)期以來(lái),粒度參數(shù)在研究沉積環(huán)境、沉積動(dòng)力學(xué)和工程地質(zhì)等方面都有廣泛應(yīng)用,也有學(xué)者將粒度分析用于探討河口地區(qū)的絮凝機(jī)理。蒲曉強(qiáng)[4]等對(duì)南黃海柱狀樣沉積物進(jìn)行了粒度參數(shù)求解,研究了南黃海不同典型海域沉積物的粒度特征及其對(duì)沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件的響應(yīng)特征;張富元[5]等對(duì)南海東部海域沉積物進(jìn)行了粒度分析,探討了沉積物的粒度分布特征、運(yùn)移方式和沉積環(huán)境;陳敬安[6]等對(duì)洱海和程海的現(xiàn)代沉積物粒度進(jìn)行了研究,揭示了沉積物粒度在不同時(shí)間尺度、不同時(shí)間分辨率的研究中具有不同的環(huán)境指示意義;孫千里[7]等通過(guò)對(duì)岱海沉積物粒度頻率曲線的分析,討論了湖泊的幾種可能沉積作用,區(qū)分了正常流水沉積與極端條件下風(fēng)力作用以及水流與風(fēng)力作用混合沉積,揭示了沉積時(shí)的古環(huán)境特征;蔣忠信[8]通過(guò)對(duì)幾種成因類(lèi)型砂的分選系數(shù)σ與中值粒徑M d的沿程變化及相互關(guān)系進(jìn)行分析,為推論沉積環(huán)境提供依據(jù);Juan JoséKasper-Zubillaga[9]等通過(guò)對(duì)墨西哥西北部索諾拉州粒度分布參數(shù)結(jié)構(gòu)的研究,對(duì)沙漠砂和海岸沙丘砂進(jìn)行了辨別;G.De Falco[10]對(duì)西地中海撒丁島泳灘及大陸架沉積物樣品進(jìn)行粒度分布、組成分析,并對(duì)生物碎屑進(jìn)行對(duì)比,以確定沙灘沉積物和泥沙的來(lái)源;Gao&Collins[11]認(rèn)為沉積物凈輸運(yùn)方向與粒度參數(shù)的空間變化(粒徑趨勢(shì))相聯(lián)系,提出粒徑趨勢(shì)分析模型,促進(jìn)了粒度特征研究乃至顆粒態(tài)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)的進(jìn)步;左書(shū)華[12]、劉永學(xué)[13]、程鵬[14]等分別對(duì)南匯嘴、江蘇省細(xì)顆粒潮灘區(qū)和北黃海西部海底的沉積物進(jìn)行了粒度分布特征分析,并利用Gao&Collins沉積物趨勢(shì)分析法探討了沉積物的輸運(yùn)趨勢(shì);李安春[15]等利用懸浮體絮凝現(xiàn)場(chǎng)粒徑資料,結(jié)合溫度、鹽度及懸浮體總量等對(duì)伊姆斯–道拉德河口的懸浮體絮凝過(guò)程及其控制因素進(jìn)行了研究;夏福興[16]等使用帶電子探針的掃描電子顯微鏡分析和測(cè)定了長(zhǎng)江口懸浮顆粒樣品,根據(jù)長(zhǎng)江口的物理化學(xué)環(huán)境和懸浮顆粒的性質(zhì),探討了有機(jī)絮凝體的形成機(jī)理,解釋了長(zhǎng)江口懸浮顆粒有機(jī)絮凝體的形成。

計(jì)算粒度參數(shù)的方法有多種,當(dāng)前廣泛使用的主要有圖解法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)(以下稱(chēng)矩法)2類(lèi)。圖解法是通過(guò)在粒度累積曲線上選擇幾個(gè)具有一定意義或代表性的點(diǎn),利用簡(jiǎn)單的計(jì)算程序求得一系列參數(shù)[17]。因其計(jì)算簡(jiǎn)便而被廣泛采用。矩法則是將樣品的平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等分別定義為粒度分布的一階矩、二階矩、三階矩和四階矩函數(shù),其計(jì)算公式有多個(gè)[17]。已有不少學(xué)者對(duì)此2種粒度參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行過(guò)對(duì)比研究。賈建軍[17]、劉志杰[18]、毛龍江[19]、徐樹(shù)建[20-21]等采用圖解法公式和矩法公式,分別對(duì)山東半島月湖地區(qū)、南海表層沉積物、南京下蜀黃土、末次冰期旋回風(fēng)成沉積物和隴西盆地晚更新世風(fēng)成堆積物樣品的粒度參數(shù)進(jìn)行了定量計(jì)算,并對(duì)2種方法所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。認(rèn)為,圖解法反映樣品的1個(gè)子樣的粒度特征,而矩法則反映了樣品的總體特征。在進(jìn)行沉積環(huán)境分析時(shí),應(yīng)充分考慮2種方法的差異。

盡管關(guān)于粒度參數(shù)及其計(jì)算方法已有諸多探討,但目前沒(méi)有文獻(xiàn)討論關(guān)于粒級(jí)劃分在粒度參數(shù)處理中的作用問(wèn)題。常用的粒級(jí)間距主要有Φ、Φ/2、Φ/4,《海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中要求采用Φ/4。作者之所以關(guān)注這一問(wèn)題,是因?yàn)樵趯?shí)際工作中經(jīng)常有資料方要求提供多種粒級(jí)劃分條件下的粒度參數(shù)結(jié)果。直觀上,以Φ/4為粒級(jí)間距的參數(shù)計(jì)算結(jié)果較另兩者更為準(zhǔn)確,然而長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的驗(yàn)證告訴作者,在實(shí)際工作中是可以只采用1種粒級(jí)間距來(lái)處理粒度參數(shù)的,而這樣處理并不會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確度,同時(shí)可以減少數(shù)據(jù)處理的工作量。

1 材料及前處理方法

1.1 材料來(lái)源及組成

本文中的樣品來(lái)自908專(zhuān)項(xiàng)?？紤]到粒度分布可能給參數(shù)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)影響,作者選取了3種沉積物類(lèi)型共136個(gè)底質(zhì)樣品。其中偏粗顆粒的粉砂質(zhì)砂(TS)50個(gè)、偏細(xì)顆粒的黏土質(zhì)粉砂(YT)50個(gè)以及粒度分布相對(duì)寬泛均等的砂-粉砂-黏土(STY)36個(gè)。個(gè)別樣品中含有一定量有機(jī)質(zhì),全部樣品未見(jiàn)明顯碳酸鈣成分。

1.2 前處理方法

為保證結(jié)果的可對(duì)比性及減小誤差,全部樣品采用Mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行粒度分析測(cè)試。該儀器可測(cè)量0.02～2 000μm直徑范圍的沉積物顆粒。由于本項(xiàng)研究主要是針對(duì)沉積物粒級(jí)劃分對(duì)計(jì)算參數(shù)的影響,故需去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣成分,只保留沉積物顆粒。因此對(duì)樣品進(jìn)行了如下前處理,根據(jù)海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)進(jìn)規(guī)程[1]的要求,加入體積分?jǐn)?shù)>30%的過(guò)氧化氫數(shù)滴至樣品剛好被全部淹沒(méi),待不再冒泡后加入0.25 mol/L的鹽酸至不再冒氣泡。而后加入蒸餾水,用玻璃棒攪拌后靜置24 h,然后將杯中上層清液吸去,再加入蒸餾水,用玻璃棒攪拌,再靜置24 h,并用Ph試紙測(cè)試燒杯內(nèi)液體的酸度,直至中性。最后加入數(shù)滴0.5 mol/L的六偏磷酸鈉,用玻璃棒攪拌或超聲波振蕩使樣品充分分散后上機(jī)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,運(yùn)用內(nèi)插值法分別以Φ、Φ/2、Φ/4為粒級(jí)間距輸出3組粒級(jí)頻率及D5、D16、D25、D50、D75、D84、D95等數(shù)據(jù)。而后,將這些數(shù)據(jù)根據(jù)圖解法和矩法公式需要進(jìn)行整理后代入公式進(jìn)行計(jì)算,分別求得每一類(lèi)沉積物的圖解法粒度參數(shù)和矩法粒度參數(shù)的分間距結(jié)果。最后,引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的單因素方差分析法,判定粒度參數(shù)對(duì)粒級(jí)劃分的響應(yīng)關(guān)系。

2 常用粒度參數(shù)及計(jì)算、統(tǒng)計(jì)方法

2.1 常用粒度參數(shù)

目前廣泛使用的粒度參數(shù)包括平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等。平均粒徑(M z)代表著粒度分布的集中趨勢(shì),它在一定程度上取決于物源區(qū)的粒度分布。分選系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)偏差)(δ1)表示粒徑頻率曲線的擴(kuò)散程度,反映沉積分選的好壞。偏態(tài)(SK1)可量度顆粒頻率分布的對(duì)稱(chēng)程度,并表明平均值(平均粒徑)與中位數(shù)(中值粒徑)的相對(duì)位置。峰態(tài)(KG)用來(lái)量度粒度分布曲線的尖銳或鈍圓的程度。

2.2 粒度參數(shù)的計(jì)算方法

作者分別采用Folk-Ward(1957)圖解法公式和M c Manus(1988)矩法公式對(duì)粒度參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。Folk-Ward(1957)圖解法公式物理意義明確,精確度很高,應(yīng)用最為廣泛,也是國(guó)家海洋局海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(國(guó)家海洋局,1975)規(guī)定的計(jì)算公式;M c M anus(1988)矩法公式采用分組計(jì)算的方法,并對(duì)高階矩進(jìn)行了削階處理,減少了計(jì)算量。

表1 Folk-Ward圖解法公式Table 1 Formulasof Folk-Ward graphic methods

表2 M c Manus矩法公式Table 2 Formulasof M c Manusmomentmethods

2.3 單因素方差分析法——量化粒度參數(shù)對(duì)粒級(jí)劃分的響應(yīng)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)學(xué)[2-3]方法

方差分析研究的是分類(lèi)型自變量對(duì)數(shù)值型因變量的影響,所采用的方法是檢驗(yàn)各總體的均值是否相等。本文意在檢驗(yàn)各粒度參數(shù)計(jì)算方法中,粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)值的影響,是一個(gè)分類(lèi)型自變量對(duì)一個(gè)數(shù)值型因變量的影響問(wèn)題,屬于單因素方差分析。分析步驟包括:(1)搭建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型;(2)建立假設(shè);(3)構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;(4)列出方差分析表;(5)統(tǒng)計(jì)決策。

3 結(jié)果與判定

3.1 粒度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

從表3中對(duì)比可以定性地看出,無(wú)論是在圖解法結(jié)果中還是在矩法結(jié)果中,各類(lèi)沉積物各粒度參數(shù)的分間距結(jié)果基本一致,粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)結(jié)果沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響。然而,要確認(rèn)這一現(xiàn)象為事實(shí)結(jié)論還需要進(jìn)行量化分析證明,于是引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中的單因素方差分析法進(jìn)行判定。

3.2 粒度參數(shù)對(duì)粒級(jí)劃分的響應(yīng)狀況判定

3.2.1 搭建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型 設(shè)因素“粒級(jí)劃分”有3個(gè)不同水平“Φ間距、Φ/2間距、Φ/4間距”,在每一個(gè)水平下分別應(yīng)用矩法和圖解法分3類(lèi)沉積物對(duì)類(lèi)“粒度參數(shù)”進(jìn)行136次獨(dú)立試驗(yàn),得到表3的結(jié)果。

表3 不同水平下的樣本觀測(cè)值Table 3 Experimental data under different treatments

3.2.2 建立假設(shè) 欲檢驗(yàn)圖解法或矩法計(jì)算結(jié)果中,類(lèi)“粒度參數(shù)”在因素“粒級(jí)劃分”的3個(gè)水平“Φ間距、Φ/2間距、Φ/4間距”下的均值是否相等,需要提出如下形式的假設(shè),即對(duì)每一個(gè)參數(shù)都有:

(1)H0:μ1=μ2=μ3,粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)值沒(méi)有影響,

(2)H1:μ1,μ2,μ3不全相等,粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)值有影響

式中,μi為第i個(gè)水平的均值。

3.2.3 構(gòu)造并計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 為檢驗(yàn)H0是否成立,需要將有關(guān)數(shù)據(jù)代入以下公式,計(jì)算相應(yīng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

(1)各樣本均值:

(2)全部觀測(cè)值的總均值:

(3)誤差平方和:

①總誤差平方和SST:

②水平項(xiàng)誤差平方和SSA:

③誤差項(xiàng)平方和SSE:

(4)方差

①組間方差M SA:

②組內(nèi)方差M SE:

(5)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F:

3.2.4 列出方差分析表 全部計(jì)算可通過(guò)Excel工作表按照步驟【工具】——【數(shù)據(jù)分析】——【方差分析:單因素方差分析】完成,計(jì)算結(jié)果匯入表4和5。

表4 方差分析表Ⅰ(矩法)Table 4 Analysis of variance tableⅠ(Moments M ethod)

表5 方差分析表Ⅱ(圖解法)Table 5 Analysisof variance tableⅡ(Graphic method)

3.2.5 統(tǒng)計(jì)決策 根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的描述,對(duì)于給定的顯著性水平α和求得的自由度k-1、n-k,可以在F分布表中查找到相應(yīng)的臨界值Fα(k-1,n-k)。若F>Fα,則拒絕原假設(shè)H0,即所檢驗(yàn)的因素對(duì)觀測(cè)值有影響;若F≤Fα,則接受原假設(shè)H0,即所檢驗(yàn)的因素對(duì)觀測(cè)值沒(méi)有影響。

由上述列表中的F值與顯著性水平為0.05的臨界值F0.05的對(duì)比結(jié)果可知,全部的F值均小于相應(yīng)的F0.05,統(tǒng)計(jì)結(jié)果接受原假設(shè)H0,即粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響,不因沉積物類(lèi)型和粒度參數(shù)計(jì)算方法的不同而有不同。

4 沉積物在不同粒級(jí)間距下的粒度頻率曲線

如前所述,3種粒級(jí)間距通過(guò)內(nèi)插值方法取得,則粒級(jí)間距的大小必然影響粒度頻率曲線上特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)及每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率,進(jìn)而影響曲線的形態(tài)。

如圖1所示,一方面,各類(lèi)型沉積物的粒度頻率曲線的形態(tài)隨粒級(jí)間距的不同會(huì)有變化:比較Φ/4間距和Φ間距時(shí)的曲線能夠看出,前者曲線不甚平滑,曲線上的微小波動(dòng)比較明顯,而后者的曲線呈平滑狀,基本沒(méi)有細(xì)小變化出現(xiàn)。例如,砂-粉砂-黏土圖中顯示,3種間距下,在粒徑為0.1和0.01 mm附近均有一較大峰值。但在Φ/4間距時(shí),曲線在0.1～0.01 mm之間有細(xì)小的較為復(fù)雜的波動(dòng),而在Φ間距時(shí),曲線較為平滑。由此可知,粒級(jí)劃分越細(xì),頻率曲線上的細(xì)微變化被體現(xiàn)得越充分,越有助于更好地辨識(shí)沉積過(guò)程中的沉積環(huán)境、動(dòng)力狀況和物質(zhì)來(lái)源,察覺(jué)環(huán)境中的細(xì)微變化。

另一方面,同一粒徑所對(duì)應(yīng)的頻率值在不同粒級(jí)間距下有較大差別,Φ間距時(shí)的頻率值約為Φ/2間距時(shí)的2倍、Φ/4間距時(shí)的4倍。曲線位置高低對(duì)比明顯,峰值頻率處尤為突出。這是因?yàn)?同一樣品在某一粒徑范圍內(nèi),粒級(jí)劃分越粗,代表點(diǎn)越少,每一點(diǎn)分擔(dān)的相對(duì)百分含量(頻率值)越大,頻率曲線的總體位置會(huì)越高;相反,粒級(jí)劃分越細(xì),代表點(diǎn)越多,每一點(diǎn)分擔(dān)的相對(duì)百分含量(頻率值)越小,頻率曲線的總體位置會(huì)越低。這一差別在優(yōu)勢(shì)粒級(jí)或敏感粒組所對(duì)應(yīng)的峰值頻率處尤為突出。由此可以看出,不同粒級(jí)間距下,同一沉積物的優(yōu)勢(shì)粒級(jí)或敏感粒組的代表粒徑基本相同,但其相對(duì)百分含量差異較大。在利用頻率曲線進(jìn)行環(huán)境狀況分析時(shí),這種差異會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。所以,在進(jìn)行動(dòng)力條件和沉積環(huán)境等研究時(shí),必須對(duì)粒級(jí)間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。

圖1 不同粒級(jí)間距下沉積物粒度頻率曲線Fig.1 Grain-size frequency curves of sediments under different grade interval

5 結(jié)論

(1)采用單因素方差分析法統(tǒng)計(jì)各類(lèi)沉積物在各種計(jì)算方法中粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)的影響情況,得出粒級(jí)劃分對(duì)粒度參數(shù)表征粒度分布特征不構(gòu)成影響。因此在進(jìn)行粒度數(shù)據(jù)處理時(shí),采用Φ間距即可,同時(shí)能夠減小工作量。

(2)粒度頻率曲線形態(tài)隨粒級(jí)間距的不同會(huì)有變化。粒級(jí)劃分越細(xì),這種變化被體現(xiàn)得越充分,即細(xì)致的粒級(jí)劃分有助于更好地辨識(shí)沉積過(guò)程中的沉積環(huán)境、動(dòng)力狀況和物質(zhì)來(lái)源,察覺(jué)環(huán)境中的細(xì)微變化。

(3)同一粒徑所對(duì)應(yīng)的頻率值在不同粒級(jí)間距下有較大差異,Φ間距時(shí)的頻率值約為Φ/2間距時(shí)的2倍、Φ/4間距時(shí)的4倍。曲線位置高低對(duì)比明顯,峰值頻率處尤為突出。不同粒級(jí)間距下,同一沉積物的優(yōu)勢(shì)粒級(jí)或敏感粒組的代表粒徑基本相同,但其相對(duì)百分含量差異較大。在利用頻率曲線進(jìn)行環(huán)境狀況分析時(shí),這種差異會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。所以,在進(jìn)行動(dòng)力條件和沉積環(huán)境等研究時(shí),必須對(duì)粒級(jí)間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。

(4)在進(jìn)行粒度分析時(shí),如果只求粒度參數(shù),采用Φ間距即可,這樣可以減小工作量;如果研究沉積環(huán)境,建議采用Φ/4間距。

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The Responses of Grain-Size Parameters to Grade Interval

FU Li-Li,FENG Xiu-Li,YANG Xu-Hui
(College of Marine Geo-Science,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

In o rder to find the responses of grain-size parameters to grade interval,this article calculated the grain size parameters of 136 sediment samp les of three types:silty sand,clayey silt,and sand-siltclay,respectively by the Folk-Ward Graphic method and the M c M anus moment method,under three grade intervals:Φ,Φ/2,andΦ/4.The ANOVA statistical analysis was introduced to carry out the comparison of the results.It show ed that the grade interval didnπt affect grain size parameters,no matter calculated by which method and which type the sediment is.The narrower the grade interval is,the better the change of the shape of frequency curve is em bodied,and frequencies of the same grain diameter w ere quite different under different grade interval.Therefore,when the dynamic condition and sedimentary environment w ere studied,the effect of grade interval on grain size analysismust be valued sufficiently.Φ can be used to calculate grain size parameters,w hich can reduce the workload,while to detect subtle changes in the environment,Φ/4 is recommended.

grade interval;grain-size parameters;graphicmethod;momentmethod;ANOVA statistical analysis;frequency curve

P736.21

A

1672-5174(2011)09-083-07

2010-11-15;

2011-06-14

付莉莉(1980-),女,碩士生。E-mail:fulily2008@gmail.com

責(zé)任編輯 徐 環(huán)