海洋表層沉積物類型分布圖繪制方法研究

曹兵，馬越，王長海

（上海東海海洋工程勘察設計研究院，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，王長海

（上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海 200137）

介紹一種繪制海洋沉積物類型分布圖的新方法。假定構成海洋沉積物粒度（砂、粉砂和粘土）的比例數值在海床分布呈線性或非線性漸變過程。在繪圖海域內，“無縫”加密設置有限個插值點，避開不易操作的類型插值問題。利用已知采樣點沉積物中砂、粉砂和粘土比例數值，直接采用數值方法單因子插值，根據每個插值點沉積物中砂、粉砂和粘土比例數值，按謝帕德沉積物分類方法，確定每個點的沉積物類型，并用相應色彩代表，形成海洋表層沉積物類型分布圖。實際繪圖結果表明，本方法優于傳統海洋沉積物類型分布圖繪制方法。

沉積物；分類；繪圖；數值

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，而且能反映沉積物的來源，輸移路線和方向，水流的緩急，波浪的強弱，以及底棲生物種群和分布等許多重要的信息，是海洋各學科研究中最基礎的原始資料之一。

1 問題的提出

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

案例說明：

圖1給出的是某海灣2009年沉積物采樣站位圖，在海灣內設置近千個沉積物采樣樣本點，平均樣本點間距3.3 km。

圖2是傳統繪圖方法繪制的沉積物類型分布圖，其中A區塊明顯有問題，圖中缺失粉砂質砂區和砂質粉砂區。圖3是圖2A區塊局部放大，并將傳統沉積物類型繪圖全過程套繪在一起的示意圖：第一步打網格，標明點位（圖3中四位數點號）；第二步按謝帕德沉積物分類方法，標明沉積物類型（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，由于采樣點較稀疏，僅采集到砂、粉砂和粘土質粉砂的沉積物樣品，未采集到粉砂質砂和砂質粉砂沉積物樣品，因此，傳統沉積物類型繪圖方法無法繪出這兩類沉積物的區域（見圖2中A區）。

圖 1 表層沉積物采樣點位置圖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 傳統沉積物類型分布圖繪制全過程示意圖（圖中：S為砂；T為粉砂；YT為粘土質粉砂）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，該區域沉積物類型，不僅僅存在砂區、粉砂區和粘土質粉砂區，明顯還存在著粉砂質砂和砂質粉砂的過渡帶（或過渡區），而且其面積比砂區大得多。以上案例說明，由于傳統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。主要表現在2個方面：（1）局部區域重要的沉積物類型分布區域被概化、缺失和遺漏；（2）兩類沉積物分界線通過已知兩個臨近不同沉積物類型點的中心點。從數學角度看，這處理是個嚴重錯誤，因為從數量變成標量，再轉換數量，在這一處理過程中，由于截斷誤差和舍入誤差將末位（或是末幾位）有效數損失，使得計算分析結果產生失真和偏差。

圖 4 沉積物類型Y向局部分布圖（圖中：S為砂；TS為粉砂質砂；ST為砂質粉砂；T為粉砂；YT為粘土質粉砂）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過地表的自然長期風化、雨水沖刷、河流長途搬運，最終入海；（2）海岸崩塌，波浪沖刷、潮流攜帶進入海洋；（3）大氣環流，將地表塵土揚起，吹入海洋；（4）海水對海床的浸蝕，波浪和海流對海床的沖刷也會產生大量的泥沙；（5）海洋生物死亡后的殘體碎屑（貝殼和珊瑚等）。還有其它一些物質，這里就不一一敘述。由于海洋沉積物來源不同，物質構成不同，大小不一，加之長期受波浪沖刷，水流搬運，經過這些外力的分選，使得沉積物有規律地沉積和分布在海底不同區域，形成目前海洋沉積物類型的分布狀態。

為了能科學地研究海洋沉積物的狀況，在20世紀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。目前國內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，具體分類說明見圖5和有關規范。

謝帕德沉積物分類法對單個樣品判別分類，按規范操作是不存在問題，但是在繪制沉積物類型分布圖會產生問題。因為在繪制沉積物類型分布圖時，要繪制沉積物類型分界線，而這些分界線往往不通過采樣點，通常采用兩個已知不同類型的臨近點，按等分插值獲取。這樣會產生兩個問題：一是2種不同沉積物類型不存在簡單的關系式，無法直接采用類型插值公式對兩個不同類型的臨近點進行插值；二是既然2種不同沉積物類型不存在簡單的關系式，那么對2個不同類型的臨近點按等間距劃分界線是不合理的，換言之是不準確的。

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，海洋沉積物在長期波浪和海流的分選作用下，按粒度大小和組成比例有規律分布在海底不同區域。通常，海洋沉積物中砂、粉砂和粘土的比例數值不是常數，此比例數值有大、有小，在一小范圍內，該數值呈微幅波動狀態，甚至在個別點或小區間產生大的跳動。若將這些雜亂無章的小波動和個別大跳動現象忽略不計，從大的趨勢看，在局部小范圍內，沉積物中砂、粉砂和粘土比例數值的變化為漸變過程。

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

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步驟，通過計算機完成。

方法一：當沉積物采樣點足夠密時，采用此法。

（1）在繪圖海域，按制圖的最小分辨率設置有限點，使得點與點離得非常近，產生“無縫”連接的效果，避開類型插值問題。點的密度可按常規計算機屏幕的規格1 024×768個像素或800×600個像素設計。

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

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

（1）將繪圖海域用矩形框架覆蓋（類似矩形網格圖），按制圖的最小分辨率在框架上設置有限點，使得相鄰點離得非常近，產生“無縫”連線的效果，避開類型插值問題。

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

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

圖 7 稀疏采樣點繪圖效果圖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，將這些離散點構成連線，用光滑曲線繪制圖形，并在該封閉域內，用設定的顏色涂色，結果見圖8。

上述表明，方法二僅僅是方法一的補充和完善。

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，本質上看，差異不大。但本方法在局部繪制的更細致，更合理（參見圖6和圖2中的A區和B區），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 方法二繪圖結果局部Fig.8 Result drawing of second method at a local place

4 結論與建議

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

（2）處理方式巧妙，采用“無縫”加密設點的方法，避開不易處置的類型插值問題。

（3）可操作性強，簡便實用，全過程由計算機完成。

（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]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T12763.8-2007 海洋調查規范[S].北京: 中國標準出版社, 2008.

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

[4]王中波, 何起祥, 楊守業, 等.謝帕德和福克碎屑沉積物分類方法在南黃海表層沉積物編圖中的應用與比較 [J].海洋地質與第四紀地質, 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。