海洋表層沉積物類型分布圖繪制方法研究

曹兵，馬越，王長(zhǎng)海

（上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 200137）

海洋表層沉積物類型分布圖繪制方法研究

曹兵，馬越，王長(zhǎng)海

（上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 200137）

介紹一種繪制海洋沉積物類型分布圖的新方法。假定構(gòu)成海洋沉積物粒度（砂、粉砂和粘土）的比例數(shù)值在海床分布呈線性或非線性漸變過(guò)程。在繪圖海域內(nèi)，“無(wú)縫”加密設(shè)置有限個(gè)插值點(diǎn)，避開不易操作的類型插值問(wèn)題。利用已知采樣點(diǎn)沉積物中砂、粉砂和粘土比例數(shù)值，直接采用數(shù)值方法單因子插值，根據(jù)每個(gè)插值點(diǎn)沉積物中砂、粉砂和粘土比例數(shù)值，按謝帕德沉積物分類方法，確定每個(gè)點(diǎn)的沉積物類型，并用相應(yīng)色彩代表，形成海洋表層沉積物類型分布圖。實(shí)際繪圖結(jié)果表明，本方法優(yōu)于傳統(tǒng)海洋沉積物類型分布圖繪制方法。

沉積物；分類；繪圖；數(shù)值

海洋沉積物類型分布圖反映和包含了大量的海洋信息資料，它不僅能直接顯示海床表層沉積物的組成、含量和粒度的粗細(xì)，而且能反映沉積物的來(lái)源，輸移路線和方向，水流的緩急，波浪的強(qiáng)弱，以及底棲生物種群和分布等許多重要的信息，是海洋各學(xué)科研究中最基礎(chǔ)的原始資料之一。

1 問(wèn)題的提出

目前，傳統(tǒng)的繪制海洋沉積物類型分布圖方法是根據(jù)采樣點(diǎn)沉積物中砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，采用謝帕德沉積物分類方法[1-4]確定每個(gè)采樣點(diǎn)沉積物類型。而后，按海域內(nèi)散布點(diǎn)沉積物類型的分布情況，采用類型等分法插值，手繪方法（或用計(jì)算機(jī)描繪）制圖。

案例說(shuō)明：

圖1給出的是某海灣2009年沉積物采樣站位圖，在海灣內(nèi)設(shè)置近千個(gè)沉積物采樣樣本點(diǎn)，平均樣本點(diǎn)間距3.3 km。

圖2是傳統(tǒng)繪圖方法繪制的沉積物類型分布圖，其中A區(qū)塊明顯有問(wèn)題，圖中缺失粉砂質(zhì)砂區(qū)和砂質(zhì)粉砂區(qū)。圖3是圖2A區(qū)塊局部放大，并將傳統(tǒng)沉積物類型繪圖全過(guò)程套繪在一起的示意圖：第一步打網(wǎng)格，標(biāo)明點(diǎn)位（圖3中四位數(shù)點(diǎn)號(hào)）；第二步按謝帕德沉積物分類方法，標(biāo)明沉積物類型（圖3中字母表示）；第三步繪制沉積物類型分界線；第四步整理成圖。從中可以清楚地看出，由于采樣點(diǎn)較稀疏，僅采集到砂、粉砂和粘土質(zhì)粉砂的沉積物樣品，未采集到粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂沉積物樣品，因此，傳統(tǒng)沉積物類型繪圖方法無(wú)法繪出這兩類沉積物的區(qū)域（見圖2中A區(qū)）。

圖 1 表層沉積物采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Location of surface sediment samples

圖 2 表層沉積物類型分布圖Fig.2 Distribution of surface sediment types in the bay

圖 3 傳統(tǒng)沉積物類型分布圖繪制全過(guò)程示意圖（圖中：S為砂；T為粉砂；YT為粘土質(zhì)粉砂）Fig.3 Schematic diagram of the whole process of drawing conventional surface sediment type distribution map(S means sand ,T means silt ,YT means clayey silt)

圖4是按緯度分布點(diǎn)1 085、1 110、1 143、1 175和1 205（圖4中依次為1、2、3、4、5）繪制的局部縱向沉積物類型分布圖。由圖可以清楚地看出，該區(qū)域沉積物類型，不僅僅存在砂區(qū)、粉砂區(qū)和粘土質(zhì)粉砂區(qū)，明顯還存在著粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂的過(guò)渡帶（或過(guò)渡區(qū)），而且其面積比砂區(qū)大得多。以上案例說(shuō)明，由于傳統(tǒng)沉積物類型繪圖受方法和繪圖條件的制約，繪制的沉積物類型分布圖未能將該區(qū)域海洋沉積物類型分布情況給予客觀地、全面地顯示。主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）局部區(qū)域重要的沉積物類型分布區(qū)域被概化、缺失和遺漏；（2）兩類沉積物分界線通過(guò)已知兩個(gè)臨近不同沉積物類型點(diǎn)的中心點(diǎn)。從數(shù)學(xué)角度看，這處理是個(gè)嚴(yán)重錯(cuò)誤，因?yàn)閺臄?shù)量變成標(biāo)量，再轉(zhuǎn)換數(shù)量，在這一處理過(guò)程中，由于截?cái)嗾`差和舍入誤差將末位（或是末幾位）有效數(shù)損失，使得計(jì)算分析結(jié)果產(chǎn)生失真和偏差。

圖 4 沉積物類型Y向局部分布圖（圖中：S為砂；TS為粉砂質(zhì)砂；ST為砂質(zhì)粉砂；T為粉砂；YT為粘土質(zhì)粉砂）Fig.4 Local distribution chart of sediment types in Y direction(S means sand, TS means silty sand, ST means sandy silt, T means silt ,YT means clayey silt)

2 海洋沉積物分布的假定

自然界中海洋沉積物來(lái)源主要由以下幾部分組成：（1）河流輸沙。這部分入海泥沙是經(jīng)過(guò)地表的自然長(zhǎng)期風(fēng)化、雨水沖刷、河流長(zhǎng)途搬運(yùn)，最終入海；（2）海岸崩塌，波浪沖刷、潮流攜帶進(jìn)入海洋；（3）大氣環(huán)流，將地表塵土揚(yáng)起，吹入海洋；（4）海水對(duì)海床的浸蝕，波浪和海流對(duì)海床的沖刷也會(huì)產(chǎn)生大量的泥沙；（5）海洋生物死亡后的殘?bào)w碎屑（貝殼和珊瑚等）。還有其它一些物質(zhì)，這里就不一一敘述。由于海洋沉積物來(lái)源不同，物質(zhì)構(gòu)成不同，大小不一，加之長(zhǎng)期受波浪沖刷，水流搬運(yùn)，經(jīng)過(guò)這些外力的分選，使得沉積物有規(guī)律地沉積和分布在海底不同區(qū)域，形成目前海洋沉積物類型的分布狀態(tài)。

為了能科學(xué)地研究海洋沉積物的狀況，在20世紀(jì)50年代，謝帕德按沉積物粒度大小和組成狀況制定了沉積物分類方法，即謝帕德沉積物分類法。目前國(guó)內(nèi)海洋界仍采用謝帕德沉積物分類法，該方法將海洋沉積物主要物質(zhì)粒徑大小分為三大類：砂、粉砂和粘土，按其各占沉積物的比例（%），分成十種類型，具體分類說(shuō)明見圖5和有關(guān)規(guī)范。

謝帕德沉積物分類法對(duì)單個(gè)樣品判別分類，按規(guī)范操作是不存在問(wèn)題，但是在繪制沉積物類型分布圖會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。因?yàn)樵诶L制沉積物類型分布圖時(shí)，要繪制沉積物類型分界線，而這些分界線往往不通過(guò)采樣點(diǎn)，通常采用兩個(gè)已知不同類型的臨近點(diǎn)，按等分插值獲取。這樣會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：一是2種不同沉積物類型不存在簡(jiǎn)單的關(guān)系式，無(wú)法直接采用類型插值公式對(duì)兩個(gè)不同類型的臨近點(diǎn)進(jìn)行插值；二是既然2種不同沉積物類型不存在簡(jiǎn)單的關(guān)系式，那么對(duì)2個(gè)不同類型的臨近點(diǎn)按等間距劃分界線是不合理的，換言之是不準(zhǔn)確的。

圖 5 謝帕德沉積物粒度三角分類圖Fig.5 Shepard triangle classified scheme of surface sediment granularity

眾所周知，海洋沉積物在長(zhǎng)期波浪和海流的分選作用下，按粒度大小和組成比例有規(guī)律分布在海底不同區(qū)域。通常，海洋沉積物中砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值不是常數(shù)，此比例數(shù)值有大、有小，在一小范圍內(nèi)，該數(shù)值呈微幅波動(dòng)狀態(tài)，甚至在個(gè)別點(diǎn)或小區(qū)間產(chǎn)生大的跳動(dòng)。若將這些雜亂無(wú)章的小波動(dòng)和個(gè)別大跳動(dòng)現(xiàn)象忽略不計(jì)，從大的趨勢(shì)看，在局部小范圍內(nèi)，沉積物中砂、粉砂和粘土比例數(shù)值的變化為漸變過(guò)程。

假定海域內(nèi)沉積物中砂、粉砂和泥土的比例數(shù)值按線性（或非線性）變化，那么可以通過(guò)已知采樣點(diǎn)砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，采用線性（或非線性）數(shù)值插值方法，分別繪制砂、粉砂和粘土的比例分布圖。換言之通過(guò)繪圖區(qū)內(nèi)的已知點(diǎn)，可以得到域內(nèi)任何一點(diǎn)砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，即可以按謝帕德沉積物分類法確定各點(diǎn)的沉積物類型。

3 海洋沉積物類型分布圖繪制

海洋沉積物類型分布圖繪制分幾個(gè)步驟，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成。

方法一：當(dāng)沉積物采樣點(diǎn)足夠密時(shí)，采用此法。

（1）在繪圖海域，按制圖的最小分辨率設(shè)置有限點(diǎn)，使得點(diǎn)與點(diǎn)離得非常近，產(chǎn)生“無(wú)縫”連接的效果，避開類型插值問(wèn)題。點(diǎn)的密度可按常規(guī)計(jì)算機(jī)屏幕的規(guī)格1 024×768個(gè)像素或800×600個(gè)像素設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)繪圖海域內(nèi)沉積物采樣點(diǎn)的砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，直接采用數(shù)值插值方法，分別得出每點(diǎn)砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，按謝帕德沉積物分類法確定各點(diǎn)的沉積物類型，并用不同顏色點(diǎn)代表，從而形成海洋表層沉積物類型分布圖（參見圖6）。

方法二：由于采樣點(diǎn)稀疏，數(shù)值插值精度不夠，使得方法一繪圖效果不佳，主要表現(xiàn)特征是，沉積物類型分界線“不光滑”（見圖7），此時(shí)采用方法二。

（1）將繪圖海域用矩形框架覆蓋（類似矩形網(wǎng)格圖），按制圖的最小分辨率在框架上設(shè)置有限點(diǎn)，使得相鄰點(diǎn)離得非常近，產(chǎn)生“無(wú)縫”連線的效果，避開類型插值問(wèn)題。

（2）根據(jù)繪圖海域內(nèi)沉積物采樣點(diǎn)的砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，直接采用數(shù)值插值方法，分別得出矩形框架上，每點(diǎn)砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值，按謝帕德沉積物分類法確定各點(diǎn)沉積物類型。

圖 6 表層沉積物類型分布圖結(jié)果Fig.6 Result of distribution graph of surface sediment types in the bay

圖 7 稀疏采樣點(diǎn)繪圖效果圖Fig.7 Result drawing of sparse sampling

（3）按類似繪制等值線的方法，在矩形框架上，尋找該類沉積物的邊點(diǎn)，將這些離散點(diǎn)構(gòu)成連線，用光滑曲線繪制圖形，并在該封閉域內(nèi)，用設(shè)定的顏色涂色，結(jié)果見圖8。

上述表明，方法二僅僅是方法一的補(bǔ)充和完善。

圖6與圖2是采用同一組資料，用方法一繪制海域表層沉積物類型分布圖，圖6與圖2比較，本質(zhì)上看，差異不大。但本方法在局部繪制的更細(xì)致，更合理（參見圖6和圖2中的A區(qū)和B區(qū)），可將表層沉積物類型分布狀況，全面客觀地反映在圖上。

圖 8 方法二繪圖結(jié)果局部Fig.8 Result drawing of second method at a local place

4 結(jié)論與建議

（1）思路科學(xué)合理，直接用已知點(diǎn)沉積物中砂、粉砂和粘土的比例數(shù)值進(jìn)行數(shù)值插值，確定插值點(diǎn)沉積物類型，判定結(jié)果精確可靠。

（2）處理方式巧妙，采用“無(wú)縫”加密設(shè)點(diǎn)的方法，避開不易處置的類型插值問(wèn)題。

（3）可操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)便實(shí)用，全過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成。

（4）建議本繪制海洋沉積物類型分布圖的方法可作為推薦方法，在海洋界推廣使用。

[1]Shepard F P.Nomenclature based on sand2silt2clay ratios [J].Journal of Sedimentary Geology , 1954 , 24 (3) : 151-158.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T12763.8-2007 海洋調(diào)查規(guī)范[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[3]何起祥, 李紹全, 劉健.海洋碎屑沉積物的分類 [J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2002, 22 (1) : 115-121.

[4]王中波, 何起祥, 楊守業(yè), 等.謝帕德和?？怂樾汲练e物分類方法在南黃海表層沉積物編圖中的應(yīng)用與比較 [J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2008, 28(1):1-8.

Drawing method study on the distribution graph of surface sediment types at seabed

CAO Bing, MA Yue, WANG Chang-hai

( Shanghai East Sea Marine Engineering Survey and Design Institute, Shanghai 200137, China)

One new method is introduced in the study of drawing distribution graph of surface sediment types at seabed.Assumed that the proportional numerical value which composed the distribution of surface sediment types at seabed satisfied the gradual change process with linearity or nonlinearity.Finite interpolation points are densely arranged with a joint less method in the drawing sea area to avoid the interpolation problem with types which has difficulty in operation.The proportional numerical value which includes sand, silt and clay at the sediment sample point is directly used to interpolate the interpolation points respectively.Shepard classified scheme of surface sediment is used to determine the sediment type of every point.Then the distribution graph of surface sediment types is formed by specified color of different sediment types.The results show that the new method is superior to the conventional one when drawing surface sediment types distribution graph at seabed.The new method is advised to be used widely in the oceanography.

sediment at seabed; classify; drawing graph; numerical value

P67

A

1001-6932(2011)06-0615-04

2010-06-25；

2011-03-28

曹兵(1981－)，男，碩士，主要從事海洋水文及勘查研究。電子郵箱：semeicaobing@163.com。