沉積物粒度參數和頻率曲線對粒級劃分的響應*

付莉莉,馮秀麗,楊旭輝

(中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島266100)

沉積物粒度參數和頻率曲線對粒級劃分的響應*

付莉莉,馮秀麗,楊旭輝

(中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島266100)

以Φ、Φ/2、Φ/4為粒級間距,分別采用Folk-Ward圖解法和Mc Manus矩法計算了粉砂質砂、黏土質粉砂、砂-粉砂-黏土等3類沉積物共136個底質樣品的粒度參數,并引用統計學中的單因素方差分析法對每一類沉積物的每一個粒度參數進行分間距計算結果對比。結果表明,各類沉積物在各種計算方法中粒級劃分對粒度參數表征粒度分布特征均不構成影響。但粒度頻率曲線形態隨粒級間距的不同會有變化,同一粒徑所對應的頻率值在不同粒級間距下有較大差異。因此,在進行動力條件和沉積環境等研究時,必須對粒級間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。在進行粒度分析時,如果只求粒度參數,采用Φ間距即可,這樣可以減小工作量;如果研究沉積環境,建議采用Φ/4間距。

粒級劃分;粒度參數;圖解法;矩法;方差分析法;粒度頻率曲線

對沉積物樣品進行粒度分析、獲取其粒度特征是地學研究的經常步驟。沉積物的粒度特征使用粒度參數來表征。目前廣泛使用的粒度參數包括平均粒徑、分選系數、偏態和峰態等。長期以來,粒度參數在研究沉積環境、沉積動力學和工程地質等方面都有廣泛應用,也有學者將粒度分析用于探討河口地區的絮凝機理。蒲曉強[4]等對南黃海柱狀樣沉積物進行了粒度參數求解,研究了南黃海不同典型海域沉積物的粒度特征及其對沉積環境和水動力條件的響應特征;張富元[5]等對南海東部海域沉積物進行了粒度分析,探討了沉積物的粒度分布特征、運移方式和沉積環境;陳敬安[6]等對洱海和程海的現代沉積物粒度進行了研究,揭示了沉積物粒度在不同時間尺度、不同時間分辨率的研究中具有不同的環境指示意義;孫千里[7]等通過對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,區分了正常流水沉積與極端條件下風力作用以及水流與風力作用混合沉積,揭示了沉積時的古環境特征;蔣忠信[8]通過對幾種成因類型砂的分選系數σ與中值粒徑M d的沿程變化及相互關系進行分析,為推論沉積環境提供依據;Juan JoséKasper-Zubillaga[9]等通過對墨西哥西北部索諾拉州粒度分布參數結構的研究,對沙漠砂和海岸沙丘砂進行了辨別;G.De Falco[10]對西地中海撒丁島泳灘及大陸架沉積物樣品進行粒度分布、組成分析,并對生物碎屑進行對比,以確定沙灘沉積物和泥沙的來源;Gao&Collins[11]認為沉積物凈輸運方向與粒度參數的空間變化(粒徑趨勢)相聯系,提出粒徑趨勢分析模型,促進了粒度特征研究乃至顆粒態物質動力學的進步;左書華[12]、劉永學[13]、程鵬[14]等分別對南匯嘴、江蘇省細顆粒潮灘區和北黃海西部海底的沉積物進行了粒度分布特征分析,并利用Gao&Collins沉積物趨勢分析法探討了沉積物的輸運趨勢;李安春[15]等利用懸浮體絮凝現場粒徑資料,結合溫度、鹽度及懸浮體總量等對伊姆斯–道拉德河口的懸浮體絮凝過程及其控制因素進行了研究;夏福興[16]等使用帶電子探針的掃描電子顯微鏡分析和測定了長江口懸浮顆粒樣品,根據長江口的物理化學環境和懸浮顆粒的性質,探討了有機絮凝體的形成機理,解釋了長江口懸浮顆粒有機絮凝體的形成。

計算粒度參數的方法有多種,當前廣泛使用的主要有圖解法和數理統計(以下稱矩法)2類。圖解法是通過在粒度累積曲線上選擇幾個具有一定意義或代表性的點,利用簡單的計算程序求得一系列參數[17]。因其計算簡便而被廣泛采用。矩法則是將樣品的平均粒徑、分選系數、偏態和峰態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,其計算公式有多個[17]。已有不少學者對此2種粒度參數計算方法進行過對比研究。賈建軍[17]、劉志杰[18]、毛龍江[19]、徐樹建[20-21]等采用圖解法公式和矩法公式,分別對山東半島月湖地區、南海表層沉積物、南京下蜀黃土、末次冰期旋回風成沉積物和隴西盆地晚更新世風成堆積物樣品的粒度參數進行了定量計算,并對2種方法所得結果進行了對比研究。認為,圖解法反映樣品的1個子樣的粒度特征,而矩法則反映了樣品的總體特征。在進行沉積環境分析時,應充分考慮2種方法的差異。

盡管關于粒度參數及其計算方法已有諸多探討,但目前沒有文獻討論關于粒級劃分在粒度參數處理中的作用問題。常用的粒級間距主要有Φ、Φ/2、Φ/4,《海洋地質調查技術規程》中要求采用Φ/4。作者之所以關注這一問題,是因為在實際工作中經常有資料方要求提供多種粒級劃分條件下的粒度參數結果。直觀上,以Φ/4為粒級間距的參數計算結果較另兩者更為準確,然而長期的數據處理經驗和統計學方法的驗證告訴作者,在實際工作中是可以只采用1種粒級間距來處理粒度參數的,而這樣處理并不會影響結果的準確度,同時可以減少數據處理的工作量。

1 材料及前處理方法

1.1 材料來源及組成

本文中的樣品來自908專項。考慮到粒度分布可能給參數計算結果帶來影響,作者選取了3種沉積物類型共136個底質樣品。其中偏粗顆粒的粉砂質砂(TS)50個、偏細顆粒的黏土質粉砂(YT)50個以及粒度分布相對寬泛均等的砂-粉砂-黏土(STY)36個。個別樣品中含有一定量有機質,全部樣品未見明顯碳酸鈣成分。

1.2 前處理方法

為保證結果的可對比性及減小誤差,全部樣品采用Mastersizer2000激光粒度儀進行粒度分析測試。該儀器可測量0.02～2 000μm直徑范圍的沉積物顆粒。由于本項研究主要是針對沉積物粒級劃分對計算參數的影響,故需去除有機質和碳酸鈣成分,只保留沉積物顆粒。因此對樣品進行了如下前處理,根據海洋底質調查技術進規程[1]的要求,加入體積分數>30%的過氧化氫數滴至樣品剛好被全部淹沒,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試紙測試燒杯內液體的酸度,直至中性。最后加入數滴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測試。實驗結束后,運用內插值法分別以Φ、Φ/2、Φ/4為粒級間距輸出3組粒級頻率及D5、D16、D25、D50、D75、D84、D95等數據。而后,將這些數據根據圖解法和矩法公式需要進行整理后代入公式進行計算,分別求得每一類沉積物的圖解法粒度參數和矩法粒度參數的分間距結果。最后,引入統計學中的單因素方差分析法,判定粒度參數對粒級劃分的響應關系。

2 常用粒度參數及計算、統計方法

2.1 常用粒度參數

目前廣泛使用的粒度參數包括平均粒徑、分選系數、偏態和峰態等。平均粒徑(M z)代表著粒度分布的集中趨勢,它在一定程度上取決于物源區的粒度分布。分選系數(標準偏差)(δ1)表示粒徑頻率曲線的擴散程度,反映沉積分選的好壞。偏態(SK1)可量度顆粒頻率分布的對稱程度,并表明平均值(平均粒徑)與中位數(中值粒徑)的相對位置。峰態(KG)用來量度粒度分布曲線的尖銳或鈍圓的程度。

2.2 粒度參數的計算方法

作者分別采用Folk-Ward(1957)圖解法公式和M c Manus(1988)矩法公式對粒度參數進行了計算。Folk-Ward(1957)圖解法公式物理意義明確,精確度很高,應用最為廣泛,也是國家海洋局海洋地質調查規范(國家海洋局,1975)規定的計算公式;M c M anus(1988)矩法公式采用分組計算的方法,并對高階矩進行了削階處理,減少了計算量。

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——量化粒度參數對粒級劃分的響應關系的統計學[2-3]方法

方差分析研究的是分類型自變量對數值型因變量的影響,所采用的方法是檢驗各總體的均值是否相等。本文意在檢驗各粒度參數計算方法中,粒級劃分對粒度參數值的影響,是一個分類型自變量對一個數值型因變量的影響問題,屬于單因素方差分析。分析步驟包括:(1)搭建數據結構模型;(2)建立假設;(3)構造檢驗統計量;(4)列出方差分析表;(5)統計決策。

3 結果與判定

3.1 粒度參數的計算結果

從表3中對比可以定性地看出,無論是在圖解法結果中還是在矩法結果中,各類沉積物各粒度參數的分間距結果基本一致,粒級劃分對粒度參數結果沒有實質性影響。然而,要確認這一現象為事實結論還需要進行量化分析證明,于是引入統計學中的單因素方差分析法進行判定。

3.2 粒度參數對粒級劃分的響應狀況判定

3.2.1 搭建數據結構模型 設因素“粒級劃分”有3個不同水平“Φ間距、Φ/2間距、Φ/4間距”,在每一個水平下分別應用矩法和圖解法分3類沉積物對類“粒度參數”進行136次獨立試驗,得到表3的結果。

表3 不同水平下的樣本觀測值Table 3 Experimental data under different treatments

3.2.2 建立假設 欲檢驗圖解法或矩法計算結果中,類“粒度參數”在因素“粒級劃分”的3個水平“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,即對每一個參數都有:

(1)H0:μ1=μ2=μ3,粒級劃分對粒度參數值沒有影響,

(2)H1:μ1,μ2,μ3不全相等,粒級劃分對粒度參數值有影響

式中,μi為第i個水平的均值。

3.2.3 構造并計算檢驗統計量 為檢驗H0是否成立,需要將有關數據代入以下公式,計算相應檢驗統計量。

(1)各樣本均值:

(2)全部觀測值的總均值:

(3)誤差平方和:

①總誤差平方和SST:

②水平項誤差平方和SSA:

③誤差項平方和SSE:

(4)方差

①組間方差M SA:

②組內方差M SE:

(5)檢驗統計量F:

3.2.4 列出方差分析表 全部計算可通過Excel工作表按照步驟【工具】——【數據分析】——【方差分析:單因素方差分析】完成,計算結果匯入表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 統計決策 根據統計學的描述,對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的臨界值Fα(k-1,n-k)。若F>Fα,則拒絕原假設H0,即所檢驗的因素對觀測值有影響;若F≤Fα,則接受原假設H0,即所檢驗的因素對觀測值沒有影響。

由上述列表中的F值與顯著性水平為0.05的臨界值F0.05的對比結果可知,全部的F值均小于相應的F0.05,統計結果接受原假設H0,即粒級劃分對粒度參數的計算結果沒有影響,不因沉積物類型和粒度參數計算方法的不同而有不同。

4 沉積物在不同粒級間距下的粒度頻率曲線

如前所述,3種粒級間距通過內插值方法取得,則粒級間距的大小必然影響粒度頻率曲線上特征點的個數及每一點所對應的頻率,進而影響曲線的形態。

如圖1所示,一方面,各類型沉積物的粒度頻率曲線的形態隨粒級間距的不同會有變化:比較Φ/4間距和Φ間距時的曲線能夠看出,前者曲線不甚平滑,曲線上的微小波動比較明顯,而后者的曲線呈平滑狀,基本沒有細小變化出現。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,曲線在0.1～0.01 mm之間有細小的較為復雜的波動,而在Φ間距時,曲線較為平滑。由此可知,粒級劃分越細,頻率曲線上的細微變化被體現得越充分,越有助于更好地辨識沉積過程中的沉積環境、動力狀況和物質來源,察覺環境中的細微變化。

另一方面,同一粒徑所對應的頻率值在不同粒級間距下有較大差別,Φ間距時的頻率值約為Φ/2間距時的2倍、Φ/4間距時的4倍。曲線位置高低對比明顯,峰值頻率處尤為突出。這是因為:同一樣品在某一粒徑范圍內,粒級劃分越粗,代表點越少,每一點分擔的相對百分含量(頻率值)越大,頻率曲線的總體位置會越高;相反,粒級劃分越細,代表點越多,每一點分擔的相對百分含量(頻率值)越小,頻率曲線的總體位置會越低。這一差別在優勢粒級或敏感粒組所對應的峰值頻率處尤為突出。由此可以看出,不同粒級間距下,同一沉積物的優勢粒級或敏感粒組的代表粒徑基本相同,但其相對百分含量差異較大。在利用頻率曲線進行環境狀況分析時,這種差異會對結果產生較大影響。所以,在進行動力條件和沉積環境等研究時,必須對粒級間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。

圖1 不同粒級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 結論

(1)采用單因素方差分析法統計各類沉積物在各種計算方法中粒級劃分對粒度參數的影響情況,得出粒級劃分對粒度參數表征粒度分布特征不構成影響。因此在進行粒度數據處理時,采用Φ間距即可,同時能夠減小工作量。

(2)粒度頻率曲線形態隨粒級間距的不同會有變化。粒級劃分越細,這種變化被體現得越充分,即細致的粒級劃分有助于更好地辨識沉積過程中的沉積環境、動力狀況和物質來源,察覺環境中的細微變化。

(3)同一粒徑所對應的頻率值在不同粒級間距下有較大差異,Φ間距時的頻率值約為Φ/2間距時的2倍、Φ/4間距時的4倍。曲線位置高低對比明顯,峰值頻率處尤為突出。不同粒級間距下,同一沉積物的優勢粒級或敏感粒組的代表粒徑基本相同,但其相對百分含量差異較大。在利用頻率曲線進行環境狀況分析時,這種差異會對結果產生較大影響。所以,在進行動力條件和沉積環境等研究時,必須對粒級間距在粒度分析中的影響給予足夠重視。

(4)在進行粒度分析時,如果只求粒度參數,采用Φ間距即可,這樣可以減小工作量;如果研究沉積環境,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

責任編輯 徐 環