沉積物干容重分析及其沉積學(xué)意義： 以東海內(nèi)陸架海區(qū)為例*

薛成鳳 盛 輝 魏東運(yùn) 楊 陽(yáng) 汪亞平 賈建軍

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200241)

干容重(dry bulk density)是單位體積的沉積物原樣(水與沉積物的混合物)中干燥固體的質(zhì)量(Bradyet al， 1960)， 常用單位為g/cm3， 或kg/m3。在研究沉積物的物質(zhì)通量、收支平衡以及地貌沖淤變化等問(wèn)題時(shí)都會(huì)不可避免地用到這個(gè)參量。同時(shí)， 干容重也是表征沉積物物理力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)指標(biāo)， 在工程地質(zhì)條件評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用(鄭繼民， 1992； 莊振業(yè)等， 2000； 徐元芹等， 2017， 2018)。干容重的獲取方法有兩種， 即通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段直接測(cè)量， 或者利用沉積物有關(guān)參數(shù)(例如含水率、孔隙度、平均粒徑、黏土礦物含量等)建立經(jīng)驗(yàn)公式間接獲取(Flemminget al， 2000； Jiaet al， 2003， 2018a； Shiet al， 2003)。與干容重相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)參量是濕容重(wet bulk density)， 指的是水環(huán)境中單位體積的沉積物原樣的質(zhì)量。濕容重的測(cè)試手段有多種， 應(yīng)用較廣、受限制較少的方法主要是機(jī)械重力取樣法、聲學(xué)探針?lè)?、核輻射探測(cè)法等(Van Rijn， 1993)。

從以往的研究來(lái)看， 通過(guò)不同手段獲取的干容重的數(shù)值范圍在0.7—2.0g/cm3之間， 甚至落在更大的區(qū)間，相差懸殊(Demasteret al， 1985； 鄭繼民， 1992； Zhuanget al， 2000； 石學(xué)法， 2012；Zhouet al，2015； Huet al，2016； Wanget al， 2016； Gaoet al， 2017； Qiaoet al， 2017； Jiaet al， 2018a)。

干容重看似只是計(jì)算沉積通量的一個(gè)參量， 但它對(duì)于沉積學(xué)的研究具有重要意義， 干容重?cái)?shù)值的選取將在很大程度上影響其他參量計(jì)算的精準(zhǔn)性。以從源到匯研究為例， 需要將河流輸運(yùn)入海的沉積物通量與三角洲及陸架的沉積通量建立聯(lián)系。一般來(lái)說(shuō)， 河流入海物質(zhì)通量的觀測(cè)都是質(zhì)量單位(Millimanet al， 1983； Ludwiget al， 1998； Millimanet al， 2011； 但是海域沉積物的質(zhì)量不易直接觀測(cè)， 多是通過(guò)底質(zhì)取樣或淺地層剖面等手段獲得其體積， 這就需要準(zhǔn)確地了解海域沉積物的干容重， 以便在河流入海物質(zhì)與海域沉積物之間建立定量的聯(lián)系。

與前一問(wèn)題密切聯(lián)系的是評(píng)估三角洲的地貌平衡。在河口三角洲海域定期進(jìn)行水下地形的重復(fù)測(cè)量， 是評(píng)價(jià)三角洲地貌穩(wěn)定性的重要手段。地形測(cè)量獲得的是體積量， 而三角洲發(fā)育的四大因素(海平面、海域沉積動(dòng)力條件、沉積物供應(yīng)、可容空間)當(dāng)中， 短期內(nèi)影響最直接的是沉積物供應(yīng)條件， 尤其是河流輸送入海的沉積物。三角洲區(qū)域的沉積物干容重是否精準(zhǔn)， 關(guān)系到根據(jù)河流入海通量和海域沖淤量進(jìn)行地貌均衡分析的結(jié)果正確與否。

在研究海洋沉積通量時(shí)， 由于干容重?cái)?shù)值選取的不同， 其計(jì)算的結(jié)果差異極大， 誤差甚至可以達(dá)到100%， 僅浙閩沿岸泥的年均沉積通量差異數(shù)量級(jí)就可以達(dá)到千萬(wàn)噸(Qiaoet al， 2017； Jiaet al， 2018a)， 這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)高于沿岸眾多中小河流的年輸沙量， 對(duì)于研究結(jié)果的準(zhǔn)確度造成干擾， 在不同研究的對(duì)比時(shí)會(huì)引發(fā)混亂。

另外， 在研究百年或更短時(shí)間尺度的沉積記錄時(shí)， 為了獲得可對(duì)比的結(jié)果， 許多研究者采用質(zhì)量沉積速率這個(gè)單位(張瑞等， 2007； Wanget al， 2016； Huet al，2016； Jiaet al，2018b)， 計(jì)算質(zhì)量沉積速率也要用到干容重這一參數(shù)。

可見(jiàn)， 干容重是海洋沉積研究中的重要參數(shù)。如果其分析流程和計(jì)算方法能夠達(dá)成統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)于定量研究中精準(zhǔn)度的提高會(huì)有很大幫助， 對(duì)沉積學(xué)的研究也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文以長(zhǎng)江口及其鄰近海域獲取的柱狀樣和表層樣為例， 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和間接公式計(jì)算兩種方法獲得了沉積物的干容重， 對(duì)比分析了兩種方法的精準(zhǔn)度， 探討了影響沉積物干容重的因素， 討論了不同的取值可能對(duì)沉積物平衡分析、地貌沖淤評(píng)價(jià)等方面的影響， 研究結(jié)果對(duì)于以后干容重?cái)?shù)值的選擇有借鑒價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 采樣

2019 年1 月， 租用蘇如漁運(yùn)08327 號(hào)在長(zhǎng)江口北槽外側(cè)水深5.5m 處同一位置利用重力活塞取樣器獲取2 根柱狀樣(編號(hào)為CJ-1 和CJ-2， 長(zhǎng)度分別為228、151cm)。柱狀樣CJ-1 在運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后就進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 柱狀樣CJ-2 在4℃的冷藏室水平放置40 天后進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)， 以研究柱狀樣在密封狀態(tài)下放置一段時(shí)間后沉積物的干容重是否會(huì)發(fā)生明顯變化。2019 年3 月， 搭載國(guó)家基金委長(zhǎng)江口公共航次， 在長(zhǎng)江口內(nèi)外水域用蚌式采泥器抓取了91 個(gè)表層樣。表層樣與柱狀樣的采樣站位見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)站位分布(圖5、6、11 同) Fig.1 Sketch map of sampling stations

1.2 實(shí)驗(yàn)室分析

使用英國(guó)GeoTek 公司生產(chǎn)的巖心切割機(jī)將巖心垂向?qū)Π肫书_(kāi)， 一半巖心用于粒度測(cè)試， 另一半巖心用環(huán)刀取樣測(cè)試干容重。

1.2.1 粒度測(cè)試 柱狀樣以1cm 間隔進(jìn)行子樣分割。使用激光粒度儀測(cè)量柱狀樣子樣與表層樣的粒度分布， 具體操作步驟如下： 稱(chēng)取2.5g 左右(視樣品顆粒大小而定)的沉積物樣品置于100mL 的燒杯中， 加入20mL 濃度為0.5mol/L 六偏磷酸鈉進(jìn)行攪拌， 攪拌均勻后繼續(xù)加入六偏磷酸鈉， 將燒杯加滿(mǎn)， 靜置24h等待上機(jī)。實(shí)驗(yàn)儀器為英國(guó) Malvern 公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀， 測(cè)量范圍為0.02—2000μm， 粒級(jí)分辨率為0.01Φ， 重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差＜3%。實(shí)驗(yàn)在南京大學(xué)海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.2.2 干容重測(cè)試 沿剖開(kāi)的柱狀樣長(zhǎng)軸方向每2cm 用環(huán)刀取一個(gè)相同體積的樣品。環(huán)刀的內(nèi)徑和高度分別為16mm 和15mm， 經(jīng)計(jì)算， 環(huán)刀的內(nèi)部容積為3.02cm3。取樣的過(guò)程中保證環(huán)刀垂直泥面下壓， 樣品塞滿(mǎn)環(huán)刀即停止， 禁止二次壓實(shí)。

將裝滿(mǎn)濕樣的環(huán)刀稱(chēng)重， 在鼓風(fēng)干燥機(jī)中40°C條件下低溫烘干48h， 烘至恒重后稱(chēng)重， 記錄樣品的濕重與干重。該實(shí)驗(yàn)使用測(cè)量精度0.0001g 的電子天平， 在華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 粒度參數(shù) 對(duì)粒度分析結(jié)果以1/4Φ間隔分組， 采用矩法公式(McManus， 1988)計(jì)算粒度參數(shù)， 公式為：

平均粒徑：

其中，n是以1/4Φ 間隔進(jìn)行分組的粒級(jí)數(shù)目，Xi是第i組粒級(jí)的中值粒徑，fi是第i組粒級(jí)的百分含量。

粒度測(cè)試結(jié)果中， 每個(gè)樣品的不同的粒度區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的相對(duì)含量值， 相對(duì)含量總和是100%， 柱狀樣沉積物中多個(gè)樣品的粒度相對(duì)含量可表示為沉積物的粒度矩陣， 可以用函數(shù)r=corr2(A，B)來(lái)表征兩個(gè)柱狀樣的相似性， 如果r越接近于1 則表示A與B的相似度越大， 如果r越接近于0， 則表示A與B的相似度越小。

公式中，dry-cρ為通過(guò)公式計(jì)算所得的干容重(g/cm3)，а為孔隙度，sρ為沉積物中的顆粒態(tài)物質(zhì)的密度， 取值2.650g/cm3，wρ為海水密度， 取值1.025g/cm3。

2 結(jié)果

2.1 柱狀樣沉積物的粒度特征

CJ-1 的沉積物粒度特征如圖2a 所示。粒度組分以粉砂為主， 黏土次之， 砂含量最少。根據(jù)沉積物的粒度組成在垂向上的變化， 柱狀樣自下而上大致可劃分為3 段：

段 (228Ⅰ —130cm)， 沉積物類(lèi)型主要是黏土質(zhì)粉砂， 夾有幾層砂質(zhì)粉砂。平均粒徑在3.92Φ—7.57Φ之間， 平均值為6.73Φ。

段 (130Ⅱ —66cm)， 該段粒度組分含量變化較小， 沉積物類(lèi)型以黏土質(zhì)粉砂為主。平均粒徑基本穩(wěn)定在7.4Φ左右。

段 (66Ⅲ —0cm)， 沉積物類(lèi)型以砂質(zhì)粉砂為主， 粒度組分以粉砂為主， 砂的含量高于黏土含量。平均粒徑在3.49Φ—6.40Φ之間， 平均值為5.10Φ。

CJ-2 的沉積物粒度特征如圖2b 所示。粒度組分以粉砂為主， 黏土次之， 砂含量最少。根據(jù)沉積物的粒度組成在垂向上的變化， 柱狀樣自下而上大致可劃分為3 段：

圖2 柱狀樣CJ-1(a)和CJ-2(b)的粒度分布特征 Fig.2 Grain size distribution of CJ-1 (a) and CJ-2 (b) core sediments

段 (151Ⅰ —64cm)， 沉積物類(lèi)型以黏土質(zhì)粉砂為主。平均粒徑較小， 在4.56Φ—7.55Φ范圍內(nèi)， 基本穩(wěn)定在7.0Φ左右。

段 (64Ⅱ —34cm)， 沉積物類(lèi)型多為粉砂質(zhì)砂， 夾少量砂質(zhì)粉砂。平均粒徑明顯變大， 在3Φ—6.05Φ范圍內(nèi)，均值為4.42Φ。

段 (34Ⅲ —0cm)， 沉積物類(lèi)型主要是黏土質(zhì)粉砂， 有少量層位是砂。平均粒徑在3.41Φ—7.19Φ范圍內(nèi)， 均值為6.08Φ。

2.2 柱狀樣的干容重與濕容重及含水率之間的關(guān)系

柱狀樣CJ-1 的含水率在20%—65%之間， 在66cm 處出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折， 0—66cm 處含水率較低， 在20%—45%之間； 66—206cm 之間的含水率較高， 在 50%—65%之間。含水率的高低直接導(dǎo)致了沉積物樣品的干、濕容重的差異， 兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3a)。

0—66cm 的 濕 容 重 數(shù) 值 在 1.88—2.44g/cm3， 66—206cm 的濕容重在1.49—1.98g/cm3， 基本穩(wěn)定在1.6—1.9g/cm3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的干容重(后面統(tǒng)稱(chēng)為“實(shí)測(cè)干容重”， 與“計(jì)算干容重”區(qū)別開(kāi))與通過(guò)公式計(jì)算所得的干容重差異較大， 前者的數(shù)值要略高于后者。0—66cm 的實(shí)測(cè)干容重在1.20—1.73g/cm3， 計(jì)算干容重在1.24—1.58g/cm3之間； 66—206cm 的實(shí)測(cè)干容重在 0.94—1.55g/cm3之間， 計(jì)算干容重在 1.00— 1.54g/cm3。相對(duì)而言， 計(jì)算干容重的數(shù)值差異會(huì)偏小， 波動(dòng)范圍較小。

圖3 柱狀樣CJ-1(a)和CJ-2(b)沉積物的含水率、濕容重、干容重的垂向分布 Fig.3 Vertical distribution of water content， wet bulk density， and dry bulk density of core sediments

柱狀樣CJ-2 的波動(dòng)性較大， 大致可以分為5 段(圖 3b)。含水率在 20%—65%之間， 濕容重在1.6—2.2g/cm3， 實(shí)測(cè)干容重分布范圍為1.0—1.7g/cm3， 計(jì)算干容重?cái)?shù)值依然略小于實(shí)測(cè)干容重， 在0.99—1.62g/cm3。

通過(guò)沉積物干容重的計(jì)算公式(公式9)計(jì)算的結(jié)果略小于實(shí)測(cè)值(圖4)， 斜率在0.95 以上； 兩者呈顯著線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系， 相關(guān)性很好， 大于0.99。

2.3 表層沉積物的粒度特征

表層沉積物的類(lèi)型主要是黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂， 平均粒徑在2.09Φ—7.32Φ之間(圖5)， 細(xì)顆粒沉積物在研究區(qū)的122°—123°E 之間， 南北伸展呈條狀分布， 在長(zhǎng)江口的口門(mén)之內(nèi)以及123°E 向東的海域及研究區(qū)的北部都是粗顆粒沉積物為主。

2.4 表層沉積物的干容重與濕容重及含水率之間的關(guān)系

表層沉積物的含水率在 20.35%—71.19%之間， 略高于柱狀樣中的含水率， 含水率最高的沉積物分布在杭州灣外及其浙江省近陸側(cè)海域， 含水率基本在45%以上， 其余區(qū)域含水率基本在30%以?xún)?nèi)(圖6)。

沉積物的濕容重在1.52—2.12g/cm3范圍內(nèi)， 研究區(qū)的向海一側(cè)和長(zhǎng)江口外近陸一側(cè)的北部濕容重 值相對(duì)較高， 基本在1.85g/cm3以上。

圖4 柱狀樣CJ-1(a)和CJ-2(b)沉積物實(shí)測(cè)干容重與計(jì)算干容重相關(guān)性 Fig.4 Relationship between measured dry bulk density and calculated dry bulk density of core sediments

圖5 表層沉積物的粒度分布特征 Fig.5 Grain size distribution in surface sediment characteristics

沉積物的干容重在1.00—1.60g/cm3范圍內(nèi)， 研究區(qū)的北部、東部和長(zhǎng)江口門(mén)之內(nèi)的干容重值較大， 大于 1.30g/cm3， 其余區(qū)域的干容重值較小， 小于1.30g/cm3。干容重的分布狀態(tài)與表層樣的平均粒徑(圖5)的分布狀態(tài)極為相似， 粗顆粒沉積物為主的區(qū)域干容重值相對(duì)較大， 細(xì)顆粒沉積物為主的區(qū)域干容重值相對(duì)較小。

計(jì)算干容重在0.64—1.75g/cm3范圍內(nèi)， 它的高低值分布空間與實(shí)測(cè)干容重的高低值分布空間幾乎一致， 長(zhǎng)江口口門(mén)之內(nèi)的實(shí)測(cè)干容重、計(jì)算干容重?cái)?shù)值差異較大， 計(jì)算干容重顯然要高于實(shí)測(cè)干容重的值， 就整體來(lái)看也是如此。

表層沉積物的計(jì)算干容重與實(shí)測(cè)干容重值呈線(xiàn)性關(guān)系， 斜率為 1.02， 相關(guān)性很好， 相關(guān)性系數(shù)為0.985(圖7)。此處與柱狀樣有差別， 柱狀樣中是計(jì)算干容重小于實(shí)測(cè)干容重， 表層沉積物中則剛好相反。實(shí)驗(yàn)處理方法相同， 計(jì)算干容重時(shí)都使用了含水率， 正是由于柱狀樣中的含水率小于表層樣中的含水率才導(dǎo)致上述差異出現(xiàn)。

圖6 表層沉積物的的含水率、濕容重、干容重的分布 Fig.6 Distribution of water content， wet bulk density， and dry bulk density of surface sediments

圖7 表層沉積物實(shí)測(cè)干容重與計(jì)算干容重相關(guān)性 Fig.7 Correlation between measured dry bulk density and calculated dry bulk density of surface sediments

含水率、濕容重、干容重三者之間的關(guān)系表現(xiàn)為： 含水率較高的區(qū)域沉積物干容重與濕容重值都較低； 含水率較低的區(qū)域沉積物干容重與濕容重值都較高。此外， 含水率、濕容重、干容重三者與水深之間并無(wú)明顯關(guān)系， 三者與沉積物的粒度特性似乎存在一定的關(guān)系。

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的精度分析

柱狀樣沉積物中， 粗、細(xì)沉積物的含水率相差較大， 粗粒沉積物的含水率在30%左右， 細(xì)粒沉積物的含水率在60%左右， 后者的含水率是前者的兩倍。雖然細(xì)粒沉積物的蓄水能力較強(qiáng)(Wanget al， 2016)， 含水率原本就高于粗粒沉積物， 但是， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差如此之大， 與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中柱狀樣剖開(kāi)時(shí)粗顆粒物流失部分水分有關(guān)——估計(jì)粗顆粒部分的含水率減少了10%左右， 直接影響了粗顆粒沉積物的濕容重。以含水率減少10%為假設(shè)條件， 將流失的水分補(bǔ)回， 通過(guò)計(jì)算， 濕容重的值可由原先的 2.00g/cm3提升為2.16g/cm3。由于水分流失直接影響的是濕樣沉積物的體積， 其中的干物質(zhì)變化極小， 所以對(duì)干容重的影響可以忽略不計(jì)。

表層樣與柱狀樣之間最大的差異在于前者直接與海水接觸， 沒(méi)有上覆沉積物， 不用考慮壓實(shí)作用。其次， 表層樣會(huì)受到浮泥的影響。浮泥是表層沉積物不穩(wěn)定存在的一種狀態(tài)， 塑性強(qiáng)， 易變化， 浮泥與懸沙、浮泥與底床泥沙會(huì)發(fā)生頻繁的物質(zhì)交換(李九發(fā)等， 2001)， 但最終都會(huì)被新的沉積物所覆蓋， 趨向于相對(duì)“穩(wěn)定”存在一種狀態(tài)， 這種穩(wěn)定存在的狀態(tài)是我們計(jì)算海洋沉積物通量的基礎(chǔ)， 所以排除浮泥影響后的研究應(yīng)用性更為廣泛。但是如何排除浮泥的影響沒(méi)有統(tǒng)一的操作規(guī)范， 我們只能獲取無(wú)壓實(shí)作用但又呈塑性狀態(tài)的表層沉積物的干容重。抓斗采樣后裝于樣品瓶中靜置， 待完全沉降穩(wěn)定后， 抽掉上層水， 取下層泥樣測(cè)試。此條件下的樣品與最終期望達(dá)到的狀態(tài)相比， 可能含水率相對(duì)較高， 干容重相對(duì)較低， 估計(jì)含水率最高可增加10%左右。排除浮泥干擾之后的測(cè)試所得的表層沉積物的含水率在20.35%— 71.19%之間， 濕容重在1.52—2.12g/cm3范圍內(nèi)， 干容重在1.00—1.60g/cm3范圍內(nèi)。李九發(fā)等(2001)用高濃度γ射線(xiàn)和HSDM 聲學(xué)高密度測(cè)沙儀測(cè)出長(zhǎng)江河口近河床的干容重(容重)為1.25g/cm3， 與我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)法測(cè)得的長(zhǎng)江河口的干容重為1.30g/cm3的結(jié)果極其接近。

綜上， 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的誤差主要出現(xiàn)在含水率上， 估計(jì)其誤差值在±10%左右， 根據(jù)公式(9)得到的計(jì)算干容重誤差值在±0.16g/cm3。

3.2 影響沉積物干容重的主要因素

影響沉積物干容重的主要因素是沉積物中的主要礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度。東海陸架沉積物中輕礦物的含量在90%以上， 輕礦物主要包括石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、白云母、綠泥石等(秦蘊(yùn)珊等， 1987)， 這些輕礦物的干容重在2.65—2.75g/cm3之間， 沉積物中很少會(huì)出現(xiàn)對(duì)干容重影響較大的礦物組分。有機(jī)質(zhì)的干容重大約是1.25g/cm3， 在有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí)， 可能形成含有機(jī)水合物質(zhì)， 使沉積物呈絮狀物狀態(tài)， 體積膨脹翻倍， 從而降低它的容重(Avnimelechet al，2001)。東海陸架表層沉積物中有機(jī)碳的含量在0.5%左右(晁海娟等， 2017)， 對(duì)于有機(jī)質(zhì)未完全降解、含量較高的表層沉積物而言， 干容重的測(cè)量結(jié)果會(huì)偏低一些。

相較之下， 沉積物的孔隙對(duì)干容重的影響更大?？紫抖仁艹练e物的顆粒物大小、形狀、堆積方式控制， 孔隙中會(huì)充填水分與氣體， 一般情況下假設(shè)所有孔隙都被水分填充滿(mǎn)， 所以， 含水率的多少?gòu)膫?cè)面可以反映出孔隙度的大小， 即含水率是孔隙率的另一種表現(xiàn)形式， 所以可以通過(guò)公式(10)將含水率轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫抖龋?繼而推算出干容重(Jiaet al， 2018a)。

有研究表明， 沉積物的粒徑與孔隙度之間存在較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系， 粒徑越大， 孔隙度越低； 粒徑越小， 孔隙度越高(Flemminget al， 2000； Wanget al， 2016)。也有研究者研究過(guò)沉積物中泥的百分含量與干容重的關(guān)系： 一般情況下， 泥的含量越高， 干容重的值越低， 泥含量越低， 干容重的值越高； 干容重的差異極大， 在0.7—1.5g/cm3(Flemminget al， 2000； Jiaet al， 2003； Liuet al， 2014)。

可見(jiàn)干容重主要受沉積物粒度特性的影響。

相對(duì)于表層沉積物， 柱狀沉積物除了受到粒度特性的影響外， 還會(huì)受到垂向上的壓實(shí)作用。粒度特征基本一致的情況下， 壓實(shí)效應(yīng)導(dǎo)致下層沉積物的干容重比上層沉積物的干容重略大(圖3)， 也使柱狀樣和表層沉積物中計(jì)算干容重與實(shí)測(cè)干容重產(chǎn)生大小差異(圖4 和圖7)。壓縮狀況與顆粒物的大小、形狀有關(guān)， 有研究表明， 分選較好的沉積物的孔隙度比分選較差的沉積物的孔隙率大(王愛(ài)軍等， 2006)。

分別研究?jī)筛鶢顦拥暮逝c干、濕容重的關(guān)系， 結(jié)果顯示干容重、濕容重與含水率有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系， 尤其是干容重， 相關(guān)性系數(shù)可達(dá)0.91； 濕容重略差， 相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.59—0.69(圖8)。

前文中可以看出柱狀樣沉積物粒度特性的分層與干、濕容重的分段結(jié)果相似， 尤其是CJ-1 柱狀樣， 無(wú)論是平均粒徑還是干、濕容重都以66cm 深度為界， 上下截然不同。所以， 本文專(zhuān)門(mén)對(duì)比分析平均粒徑與含水率， 干、濕容重， 計(jì)算干容重之間的關(guān)系(圖9)。

平均粒徑與含水率之間的相關(guān)性較好， 當(dāng)平均粒徑在2Φ—8Φ范圍內(nèi)， 含水率隨粒徑的增大逐漸降低。平均粒徑與干容重、濕容重之間的相關(guān)性略差， 從圖9 可以看出， 平均粒徑在4.5Φ時(shí)， 濕容重達(dá)到最大， 約為2.0g/cm3； 平均粒徑在4Φ時(shí)， 干容重值達(dá)到最大， 約為1.5 g/cm3。平均粒徑與計(jì)算干容重之間的相關(guān)性較好， 當(dāng)平均粒徑在2Φ—8Φ范圍內(nèi)， 計(jì)算干容重隨粒徑的增大逐漸增大， 從1.0g/cm3增大到1.7g/cm3。

總之， 平均粒徑Φ值越大， 意味著沉積物的粒徑越小， 孔隙度越大， 含水量越高， 相應(yīng)地單位體積內(nèi)的質(zhì)量會(huì)越小， 即干容重越??； 反之亦成立。

圖8 柱狀樣沉積物含水率與干容重、濕容重之間的關(guān)系 Fig.8 Relationship of water content to dry bulk density and wet bulk density of core sediments

圖9 平均粒徑與含水率(a)、濕容重(b)、實(shí)測(cè)干容重(c)及計(jì)算干容重(d)之間的關(guān)系 Fig.9 Relationship of the mean grain size to water content (a)， wet bulk density (b)， experimental dry bulk density (c)， and calculated dry bulk density (b)

另外， 干容重與含水率之間的相關(guān)性(圖8)明顯高于干容重與平均粒徑之間的相關(guān)性(圖9)， 說(shuō)明孔 隙度大小是顆粒物、堆積方式和垂向擠壓作用共同作用的結(jié)果。計(jì)算干容重時(shí)， 利用孔隙度比利用平均粒徑更精準(zhǔn)。

平均粒徑與干容重的相關(guān)性較差， 但基本也呈現(xiàn)負(fù)線(xiàn)性相關(guān)。而平均粒徑與計(jì)算干容重的線(xiàn)性相關(guān)性更好， 從側(cè)面也表現(xiàn)出計(jì)算干容重波動(dòng)性不會(huì)太大。

3.3 含水率、干容重、濕容重隨時(shí)間的變化

前文已經(jīng)述及， 沉積物的粒度特征尤其是沉積物的粒徑大小對(duì)干容重的影響較大。所以， 如果想研究柱狀樣保存時(shí)間的長(zhǎng)短是否影響沉積物干容重的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和公式計(jì)算的結(jié)果， 最好選擇粒度特性相近的層位進(jìn)行對(duì)比分析。為了細(xì)化研究， 分別選取粗、細(xì)顆粒物為主的層位進(jìn)行比對(duì)分析。

根據(jù)圖2 的結(jié)果， CJ-1 中10—63cm 層位的較粗沉積物與CJ-2 的10—63cm 層位的沉積物粒度特性極為相似； CJ-1 中100—150cm 層位的較細(xì)沉積物與CJ-2 的100—150cm 層位的沉積物粒度特性很是相似， 對(duì)比相應(yīng)層位的粒度參數(shù)及各個(gè)組分含量的均值(表 1)， 發(fā)現(xiàn)除了偏態(tài)相差較大之外， 其余參數(shù)都相差不大。另外， 用公式(5)計(jì)算兩根柱狀樣相應(yīng)層位的相似性， 相似性系數(shù)分別為0.59 與0.87， 所以， 選取上述層位進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 兩根柱狀樣對(duì)應(yīng)層位沉積物的粒度特性對(duì)比 Tab.1 Comparison of grain size characteristics of two core sediments

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)， 即使密封保存情況下， 巖心柱狀樣采集之后立即實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的含水率、干、濕容重， 與放置一段時(shí)間之后再測(cè)試獲得結(jié)果有所不同， 而且在粗粒沉積物與細(xì)粒沉積物中的表現(xiàn)是相反的。放置一段時(shí)間之后， 粗粒沉積物的含水率明顯上升， 干、濕容重值會(huì)相應(yīng)地減少； 細(xì)粒沉積物的含水率明顯降低， 干、濕容重值會(huì)相應(yīng)地上升。通過(guò)表2 可以看出， 一段時(shí)間之后， 細(xì)粒沉積物的含水率減少了3%， 粗顆粒沉積物的含水率增加了7%。密封的柱狀樣總體水分可能不會(huì)有太大的變化， 但是放置一段時(shí)間之后水分的分配會(huì)發(fā)生變化， 細(xì)顆粒物的孔隙水會(huì)流往粗顆粒物的孔隙中。

表2 粗粒、細(xì)粒沉積物的含水率、濕容重、干容重隨時(shí)間的變化 Tab.2 Temporal variation of water content， wet bulk density， and dry bulk density in coarse- and fine-grained sediments

所以為了獲取更能代表沉積物原位狀態(tài)的含水率與干容重值， 建議在獲取柱狀樣巖心后盡快進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于粒度較細(xì)的三角洲遠(yuǎn)端泥樣品， 更要盡快測(cè)試以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 壓實(shí)效應(yīng)對(duì)孔隙度的影響

無(wú)論是陸地上的沉積物還是海洋中的沉積物， 我們通常會(huì)認(rèn)為下層的沉積物受到上層沉積物的重力作用而產(chǎn)生壓實(shí)作用， 導(dǎo)致下層沉積物的孔隙度會(huì)低于上層沉積物的孔隙度。為此， 如果用210Pb 測(cè)年法研究近百年的沉積記錄時(shí)， 為了獲得滿(mǎn)意的結(jié)果， 通常會(huì)先進(jìn)行壓實(shí)校正。對(duì)壓縮問(wèn)題認(rèn)識(shí)的正確與否直接關(guān)系到對(duì)柱狀樣沉積記錄的正確解譯(王愛(ài)軍等， 2006)。壓實(shí)校正的程序如下： ①測(cè)定含水量， ②通過(guò)公式(10)轉(zhuǎn)換成孔隙度， ③根據(jù)孔隙度與深度之間的指數(shù)關(guān)系(范德江等， 2000)將柱狀樣還原為“真實(shí)”長(zhǎng)度。

前文3.2 節(jié)中展示的含水率隨深度的變化顯示， 上層沉積物含水率低于下層含水率， 換言之， 即上層沉積物的孔隙度要低于下層的孔隙度， 與我們常識(shí)認(rèn)知完全相反。但是如果根據(jù)沉積物的粒度大小進(jìn)行分段觀察的話(huà)， 會(huì)發(fā)現(xiàn)， 上層粗顆粒沉積物和下層細(xì)顆粒沉積物的含水率從上到下有逐漸減少的現(xiàn)象， 說(shuō)明孔隙度確實(shí)隨深度逐漸較少， 沉積物在垂向上的確有壓實(shí)的現(xiàn)象。這也提醒我們， 在校正沉積物的壓實(shí)作用時(shí)， 要先考慮沉積物的顆粒度大小或者沉積物特性是否一致， 是否具有可比性。唯有在沉積物特性基本一致的情況下， 才可以比較孔隙度、含水率、濕容重和干容重。

范德江等(2000)發(fā)現(xiàn)， 東海陸架區(qū)沉積物的孔隙度與深度之間存在如下指數(shù)關(guān)系：

H為孔隙度，a為表層沉積物的孔隙度，α為常數(shù)， 在東海陸架區(qū)一般取0.005，x為剖面深度(cm)， 此處可以看作目標(biāo)層位距離選定表層的距離。

將柱狀樣按顆粒物大小分為兩層討論研究， 0—69cm 段和69—204cm。分別選定0cm 處、69cm處為研究層位的表層， 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的含水率經(jīng)過(guò)公式(10)換算為孔隙度， 0cm 與69cm 處的孔隙度分別為0.51 和0.59， 略低于鄒漢陽(yáng)等(1982， 1984)測(cè)得的表層樣孔隙度(0.7 左右)。

給參數(shù)α賦予不同的值， 根據(jù)公式(11)計(jì)算不同深度的孔隙度， 將計(jì)算所得的孔隙度值與實(shí)際的孔隙度值進(jìn)行對(duì)比(圖10)， 發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒沉積物的孔隙度高于粗顆粒沉積物， 與鄭繼民(1992)在研究黃河三角洲的工程地質(zhì)特性時(shí)得到的結(jié)論一致， 黏土質(zhì)沉積物的孔隙度比砂質(zhì)沉積物的孔隙度大。但是在沉積物壓實(shí)作用影響下， 細(xì)顆粒沉積物的孔隙度減小幅度不如粗顆粒沉積物明顯， 換言之， 細(xì)顆粒沉積物不易產(chǎn)生壓實(shí)變形。這是因?yàn)椋?陸源碎屑沉積物的粒度越細(xì)， 往往對(duì)應(yīng)著黏土礦物含量越高。黏土礦物為片狀、層狀等形態(tài)， 容易以較致密的形式堆積在一起， 從而在后期的壓實(shí)過(guò)程中不易發(fā)生形變。

圖10 參數(shù)α 取不同值對(duì)應(yīng)的孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度對(duì)比 Fig.10 Comparison between measured porosity and calculated porosity with different parameters

在東海陸架區(qū)， 對(duì)于粗顆粒沉積物而言， 常數(shù)α值取0.004 時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值擬合程度更高； 對(duì)于細(xì)顆粒沉積物，α值取0.001 時(shí)擬合程度更高。由此可見(jiàn)，α值的選取與顆粒物大小有一定關(guān)系： 顆粒物越粗，α取值相對(duì)較大。

3.5 干容重在計(jì)算沉積通量時(shí)的重要性

在研究海洋沉積物的沉積通量時(shí)通常先利用高分辨率的地震剖面或者大量收集鉆孔巖心數(shù)據(jù)獲得沉積體的體積(Liuet al， 2004， 2007； Zhouet al， 2015； Qiaoet al， 2017； Jiaet al， 2018a)， 再根據(jù)沉積物的干容重求得沉積通量。還有各種與沖淤有關(guān)的計(jì)算都需要干容重這一參數(shù)進(jìn)行體積與物質(zhì)質(zhì)量之間的換算。

我們發(fā)現(xiàn)， 柱狀樣沉積物的干容重值一般大于1.1g/cm3， 主要受沉積物的顆粒物大小的影響： 平均粒徑在7Φ 左右時(shí)， 沉積物的干容重是1.1g/cm3； 平均粒徑在5Φ 左右時(shí)， 沉積物的干容重為1.5g/cm3。動(dòng)蕩、高能的水動(dòng)力環(huán)境的平均粒徑值較高， 小于5Φ； 靜水、低能的水動(dòng)力環(huán)境的平均粒徑值大于7Φ， 平均粒徑介于5Φ—7Φ 的屬于過(guò)渡區(qū)域， 而這種粒徑在中國(guó)海域中占據(jù)大部分(李家彪， 2008)， 所以， 中國(guó)海域沉積物的干容重主要分布在1.1—1.5g/cm3。

Hamilton 等(1982)測(cè)試了白令海、北海、地中海及太平洋赤道海域的表層沉積物的濕容重， 粒徑在0—10Φ 之間， 此區(qū)間粒徑對(duì)應(yīng)的濕容重差值可達(dá)1g/cm3， 并得出了大陸架及大陸坡等海域沉積物的濕容重與平均粒徑的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式， 與本文研究得到的經(jīng)驗(yàn)公式差異較大(圖11)。排除實(shí)驗(yàn)方法的不同， 最有可能導(dǎo)致差異的就是研究區(qū)域的大小不同， 區(qū)域越大， 粒度相差越大， 干、濕容重的差異越大， 這也表明了在較大區(qū)域進(jìn)行沉積通量的分析和計(jì)算時(shí)， 如果干容重取值單一， 會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不可靠。利用平均粒徑， 通過(guò)本文和Hamilton 的粒徑-濕容重的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的濕容重均值分別為1.81 和1.72g/cm3， 而實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得的均值則為1.82g/cm3； 本研究區(qū)域?qū)崪y(cè)干容重的均值為1.30g/cm3， 根據(jù)粒徑-干容重經(jīng)驗(yàn)公式得到的干容重均值為1.19g/cm3， 因此， 本文得到的經(jīng)驗(yàn)公式更適合東海陸架沉積區(qū)。

圖11 經(jīng)驗(yàn)公式精準(zhǔn)度檢驗(yàn) Fig.11 Test of precision degree of empirical formula

干容重取值的準(zhǔn)確與否將直接影響沉積通量計(jì)算結(jié)果的精度。由于測(cè)試方法的不統(tǒng)一或者推算公式的不一致得到的干容重值千差萬(wàn)別， 如黃河三角洲的干容重取值范圍在1.1—2.0g/cm3， 長(zhǎng)江水下三角洲及其遠(yuǎn)端泥的干容重取值在0.7—1.2g/cm3(表3)。如果沒(méi)有意識(shí)到干容重的重要性， 選用的數(shù)值與研究區(qū)的實(shí)際干容重相差較大時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的沉積通量相差甚遠(yuǎn)。

很多研究者計(jì)算我國(guó)陸架海域沉積通量時(shí)， 選用的干容重?cái)?shù)值往往低于1.1g/cm3(DeMasteret al， 1985； Qiaoet al， 2017； Jiaet al， 2018a)， 小于本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試的干容重， 勢(shì)必會(huì)影響到海域沉積物的滯留量、不同海區(qū)的沉積物的分配占比等認(rèn)識(shí)。給這些研究中的干容重重新賦予一個(gè)相對(duì)合適的值， 根據(jù)本文柱狀樣研究中的均值1.3g/cm3， 重新計(jì)算這些海域單位面積上的年均沉積通量， 發(fā)現(xiàn)渤海泥、黃海泥、浙江沿岸泥幾乎一致， 在13—14.5kg/(m2·a)范圍內(nèi)， 福建沿岸泥單位面積上的沉積通量約為上述區(qū)域的一半， 大約為6.48kg/(m2·a)， 長(zhǎng)江口泥約為上述研究區(qū)域的兩倍， 大約為27.78kg/(m2·a)(表4)。上述研究區(qū)域的年均沉積通量誤差值甚至可以達(dá)到3 億噸， 遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江現(xiàn)在的年均入海泥沙通量。

表3 不同區(qū)域以往研究中干容重的取值 Tab.3 Values of dry bulk density in previous studies of different regions

此外， 沉積物粒徑、孔隙度、含水量、壓實(shí)等因素都影響干容重。大部分的研究在計(jì)算沉積通量的時(shí)候， 區(qū)域很大、上述沉積物特性參數(shù)變化也很大， 卻只簡(jiǎn)單取了一個(gè)數(shù)值， 必然影響研究的可靠性。建議以后的研究先調(diào)查海域底質(zhì)沉積物類(lèi)型， 細(xì)化到每一種沉積物類(lèi)型都有對(duì)應(yīng)且合適的干容重值， 再統(tǒng)計(jì)計(jì)算出具有代表性的均值， 使得計(jì)算結(jié)果和有關(guān)的對(duì)比分析更加可靠。

表4 選取新的干容重值計(jì)算其他研究中的沉積通量 Tab.4 Calculated sediment fluxes of other studies with the new dry bulk density values

4 結(jié)論

沉積物干容重的獲取方式主要有實(shí)驗(yàn)測(cè)試法和公式計(jì)算法， 實(shí)驗(yàn)法測(cè)得數(shù)值最能真實(shí)地反映沉積物的干容重。公式計(jì)算法有多種， 相對(duì)較可靠的是已知含水率的情況下利用公式求得的干容重， 實(shí)測(cè)干容重與該方法計(jì)算所得干容重的相關(guān)性很高。只是公式計(jì)算的干容重值的波動(dòng)要小于實(shí)測(cè)值的波動(dòng)， 通過(guò)公式計(jì)算會(huì)削弱實(shí)際情況中的差異性。

沉積物的干容重主要受粒度大小影響， 平均粒徑在4Φ 時(shí)， 干容重值最大， 為1.5g/cm3； 平均粒徑在4Φ—8Φ 之間時(shí)， 平均粒徑越大， 干容重越大， 平均粒徑越小， 干容重越小。

表層沉積物中的計(jì)算干容重值要略大于實(shí)測(cè)值， 而柱狀樣沉積物中的計(jì)算干容重的值要略小于實(shí)測(cè)值， 這主要是由于柱狀沉積物的壓實(shí)作用導(dǎo)致。壓實(shí)作用的影響因素主要是孔隙度， 細(xì)顆粒沉積物的孔隙度高于粗顆粒沉積物， 但是細(xì)顆粒沉積物不易產(chǎn)生壓實(shí)變形。

密封的柱狀樣總體水分可能不會(huì)有太大的變化， 但是放置一段時(shí)間之后柱樣內(nèi)部的水分可能重新分配。為了獲取高精準(zhǔn)度的沉積物的含水率與干容重值， 建議在獲取柱狀樣后盡快測(cè)試這些指標(biāo)。

我國(guó)東海陸架沉積物的干容重主要分布在1.1—1.5g/cm3， 在研究大區(qū)域的沉積通量時(shí)單一的取值不夠精準(zhǔn)， 為了使計(jì)算結(jié)果和有關(guān)的對(duì)比分析更加可靠需要考慮大區(qū)域的沉積物類(lèi)型。

致謝 唐杰平、常洋等協(xié)助采集巖心， 張丹博士為巖心切割提供支持， 梅亞萍、趙亞青、楊照祥、劉楨嶠等人協(xié)助進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)， 高抒教授就“密度”和“容重”兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的內(nèi)涵進(jìn)行了指導(dǎo)。本研究的部分樣品采集得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：41849903)的資助。該航次(航次編號(hào)：NORC2019-03)由“浙漁科2”號(hào)/“潤(rùn)江1”號(hào)科考船實(shí)施。在此一并致謝！