沉積物粒度參數計算及分類命名的電算處理

廖世智 曹永港 肖志建 馬磊

摘 要：根據2007版《海洋地質與地球物理調查規范》與國家908專項《海洋底質調查技術規程》粒度分析要求，基于概率累積曲線圖解法和矩法，利用VB語言調用Excel求解沉積物粒度參數，同時采用謝帕德三角分類圖解法、福克-沃德三角分類圖解法及主次粒組命名法，通過程序完成對沉積物的分類命名。程序輸出沉積物概率值累積曲線圖、兩種粒度參數計算結果及三種沉積物分類命名的Excel表格。從2007年起，使用電算程序成批處理了珠江口附近海域大量沉積物數據，結果表明本文程序數據處理效率極高，粒度參數計算與手工圖解方式的結果一致、沉積物分類準確，可滿足不同規程的要求。

關鍵詞：沉積物 粒度參數 概率累積曲線 分類命名 電算處理

沉積物粒度參數及其特征分析是探究沉積環境、判定沉積環境類型的最基本手段之一，長期以來備受國內外沉積學者們的重視。表征沉積物的粒度參數包括平均粒徑、分選系數、偏態和峰態等。計算粒度參數的方法有很多，主要分為圖解法和矩法兩類。通過圖解法和矩法得出的粒度參數數值不盡相同。圖解法根據粒度分析結果繪制出累積分布曲線，從曲線上直接讀取某些具有代表性的累積百分數所對應的粒徑值，進行參數計算。矩法考慮了整個頻率的分布，將樣品的粒度參數定義為粒度分布的各階矩函數，其計算公式較多。賈建軍等對圖解法和矩法進行了對比，結果顯示兩種方法所獲的平均粒徑和分選系數基本相同，偏態值相差較大，但仍存在顯著相關性，而峰態值不能相互轉換。指出偏態值差異的原因在于圖解法的偏態指示了主要粒度組分的尾部特征，而矩法的偏態反映了樣品總體的尾部特征;峰態值的差異是由于圖解法所反映的往往只是樣品的某一組分的粒度特征，計算方法比較粗略，而矩法反映了樣品的總體特征，計算方法比較精細;在沉積環境分析、粒徑趨勢分析時，應充分考慮這兩種方法的差異。

關于粒度參數的電算處理，國內外已經有不少學者做了相關的研究工作。如國內學者徐開志通過輸入樣品粒級含量到計算機程序中可快速得到樣品粒度參數統計結果;范家爵使用袖珍電子計算機編程計算沉積物粒度參數并繪制概率累積曲線圖;吳曉濤提出使用標準編程語言按圖解法流程計算出沉積物粒度參數;王為、吳正則使用Matlab語言采用圖解法流程求解沉積物粒度參數;張永成等提出基于Excel VBA的圖解粒度參數計算;國外BLOTT & PYE用Visual Basic語言借助Excel開發出專用的粒度分析軟件GRADISTAT，通過圖解法、矩法計算粒度參數。上述研究大多采用圖解法或矩法中的一種計算粒度參數，在實際工作中通常需要結合這兩種方法的計算結果進行分析。

眾所周知，由于沉積物的搬運形式不同，在正態概率概率紙上作圖時沉積物粒度曲線通常由幾個呈對數正態分布的次總體組成。一般來說，包含三個次總體，表現為三個直線段，代表了三種不同的搬運方式：懸浮、跳躍和滾動搬運。現有的計算程序采用圖解法計算粒度參數時通常將正態概率概率紙上的各個相鄰的粒度值連接起來，通過線性插值或者采用單調光滑函數繪制概率累積曲線圖求出特征值，并沒有根據沉積物不同搬運形式進行分段后再進行插值求解，或者雖然有分段處理，但需要手動修改需要繪制的折線段數，在實際應用中較不方便。

對于淺海陸源沉積物，粒度分類命名通常采用三角圖分類。在2005版的國家908專項《海洋底質調查技術規程》中要求采用矩法計算粒度參數，沉積物分類命名在正式報告上采用謝帕德法，同時在報告附錄中應附上福克法;而少量礫石用文字加以說明或編圖時進行標記。2007年版《海洋地質與地球物理調查規范》中則要求采用圖解法計算粒度參數，沉積物分類命名一般應采用謝帕德三角分類圖解法，也可采用福克-沃德三角分類圖解法，而對少量礫石也是用文字加以說明或編圖時進行標記。由于上述規程（規范）對于含礫沉積物的粒度分類命名和以單一粒級組分命名的沉積物（主要為砂）的進一步細分命名均沒有詳細規定，因而1975年《海洋調查規范》中規定的沉積物粒度分類命名方法，即引入礫石、砂、粉砂和黏土4個粒度成份參與分類，該分類方法至今仍有應用。

傳統的沉積物粒度參數計算與分類命名以往是通過人工完成的，工作量極為繁雜。相對于人工處理而言，運用計算機編程語言對沉積物粒度參數計算及命名進行電算處理可以大大提高粒度數據的處理速度。目前國內粒度分析的電算程序主要運用如GRADISTAT等粒度軟件進行處理，或者運用GRAPHER、ORIGIN等通用軟件做出概率累積曲線，再進行粒度分析，很少對沉積物按規范進行自動分類命名。

為了進一步提高沉積物采樣資料的處理效率，提供豐富可靠的分析數據，作者以Visual Basic 6.0和Excel為平臺，開發了粒度參數計算及沉積物分類的電算程序，可實現大批量樣品的粒度參數計算、繪制概率累積曲線圖、對沉積物樣品進行分類命名，并按要求格式保存成標準的Excel格式文件。與這些計算粒度方法相比本程序同樣采用了圖解法和矩法兩種規范方法進行粒度參數計算;有所不同的是本程序在圖解法中考慮了沉積物的搬運形式，分多線段繪制累積曲線后再求解粒度參數;同時，本程序增加了沉積物分類命名功能，分別采用謝帕德粒度三角分類圖解法、福克-沃德三角分類圖解法及1975版《海洋調查規范》規定的沉積物粒度分類命名法對沉積物分類命名，可滿足不同規程與學科的需求。

1.計算原理

2005年版的國家908《海洋底質調查技術規程》與2007年版的《海洋地質與地球物理調查規范》要求沉積物粒度分析采用福克-沃德公式和矩法公式，見表1。其中，粒級標準采用尤登-溫得華氏等比制值粒級標準;沉積物的分類和命名則分別采用福克-沃德三角分類法（圖1）和謝帕德三角分類法（圖2）命名。

表1中：、、…、為某樣品的累積百分含量特征粒度值;為樣品所有粒徑組分的個數;為樣品中粒徑為的組分出現的頻率;為第個粒徑范圍的粒徑值。

按福克-沃德公式求解粒度參數時先要繪制概率累積曲線圖。它是以粒徑（值）為橫坐標，以累積頻率值為縱坐標，用來表現大于一定粒級的百分含量的統計圖。傳統的方法是人工在累積曲線圖紙上繪制曲線，讀取求解參數所需的分位值，最后按福克-沃德公式求解參數。矩法求解粒度參數的方法則相對容易些，直接將各組份的粒級含量代入到表1矩法公式中求解即可。

可以看出，按圖解法和矩法計算大量包含不同粒徑的樣品粒度參數是相當耗時費力的，而且難以保證不出錯。按以往工作耗時估計，處理1000個樣品所花費的時間將近1個半月。若采用電子計算機程序對儀器和手工分析得到的樣品粒級含量進行分析處理，可實現快速計算粒度參數、自動對沉積物類型進行分類命名，生成標準成果文件目標，提高粒度數據分析的工作效率。

2.程序設計

目前國家海洋局南海調查技術中心沉積物粒度分析主要采用儀器如Mastersizer 3000激光粒度儀分析，同時結合手工篩析的方法進行分析。前者主要適用于小于0.063mm的沉積物顆粒，后者則對大于0.063mm的沉積物顆粒進行手工篩析分組。對于包含大于0.063mm顆粒的沉積物樣品，可按文獻15介紹的方法將這兩種方法得到的粒級校正后按比例合并后再計算粒度參數。程序設計采用Visual Basic 6.0為開發工具，根據沉積物樣品粒級大小分為小粒級和粗粒級兩種方法分別計算。

小粒級（小于0.063mm）：調用福克法和矩法子程序計算，并根據樣品粒級含量按規程要求分類命名、繪制圖形。其中，矩法直接按公式計算;福克法可按圖3或圖4所示的流程框圖，繪制出圖5或圖6概率累積曲線后求出各特征百分含量所對應的特征粒度（值）。

粗粒級（大于0.063mm）：若樣品包含大于0.063mm粗細顆粒的沉積物，需要按比例分配后修改記錄再調用福克法和矩法子程序;若無則同小粒級方法。

正態概率圖紙繪制可先設置好Visual Basic窗體繪圖框的長度和寬度。x軸寬度按等間隔（-2，-1，…，14）進行劃分。y軸利用Excel自帶函數NORMINV計算待計算點（0.01，0.02，…，99.99）的算術平均值為 0和標準偏差為 1的正態累積分布函數的反函數值。該函數語法為：NORMINV （probability，mean，standard_dev），其中Probability 表示正態分布的概率值、Mean 表示分布的算術平均值、Standard_dev 表示分布的標準偏差。將計算值按繪圖框比尺進行換算即可繪出正態概率圖。對于概率累積曲線的繪制可先對沉積物粒度值進行分組，采用最小二乘法進行多段式線性擬合，繪制出一段式、二段式及多段式正態概率圖，分析人員結合沉積物樣品來源從繪制的多個段式圖中選出最優擬合段。

沉積物粒度分類命名可根據各樣品的粒組百分含量，按圖1（福克三角分類圖）、圖2（謝帕德三角分類圖）及1975版《海洋調查規范》規定的沉積物粒度分類命名的計算條件，得到每個樣品的沉積物類型名稱，然后調用Excel模塊將沉積物樣品的粒組含量、粒度參數及分類名稱等要素寫入工作表中，最終得到成果表見圖7。

在VB中要想調用Excel，需要打開VB編程環境“工程”菜單中的“引用”項目，并選取項目中的“Microsoft Excel 11.0 object library”項。根據Excel版本的不同該項的版本號也不相同。因為Excel是以層次結構組織對象的，其對象模型中含有許多不同的對象元素。第一層：Application對象，即Excel本身;第二層：workbooks對象集，指Excel的工作簿文件;第三層：worksheets對象集，表示的是Excel的一個工作表;第四層：Cells和Range對象，指向Excel工作表中的單元格。在本程序設計中定義并創建一個Excel對象、然后定義工作簿和工作表。見下列代碼：

Dim xls As Object， xlbook， xlSheet1， xlSheet2， xlSheet3， xlSheet4

Set xls = Create Object （"Excel.Application"）

Set xlbook = xls.Workbooks.Add

xls.Visible = False

Set xlSheet1 = xlbook.Sheets.Add

xlSheet1.name = "樣品信息"

Set xlSheet2 = xlbook.Sheets.Add

xlSheet2.name = "福克法"

…….

向Excel表中輸入計算結果的代碼如下：

xlSheet2.Activate

With xlSheet2

.Cells（num + 4， 1） = sample Name

For i = 2 To 15

.Cells（num+4，i） = Key（i + 12）

Next

.Cells（num + 4， 16） = Gravel

.Cells（num + 4， 17） = Sand

.Cells（num + 4， 18） = Silt

.Cells（num + 4， 19） = Clay

.Cells（num + 4， 20） = Name

End With

程序中對Excel各單元格顏色、合并對齊，字體類型修改等操作進行了多種設置，限于篇幅這里不一一列出程序代碼。

圖3～圖4和圖5～圖6分別為文獻7和文本使用福克圖解法求解粒度參數流程圖及繪制概率累積曲線過程。可以看出在求解的粒度特征參數值上二者存在細微差別，本文計算的粒度特征參數據沉積物不同搬運形式進行分段后再進行插值求解，較容易辨識出沉積物懸浮、跳躍和滾動搬運的三種搬運狀態。

3.實例

表2為2005年取自陸豐底質觀測某樣品粒級分布。手工圖解與程序模擬求解值的結果比較見表3。根據表1的福克-沃德公式可求出手工圖解計算的MZ、MZ、MZ、MZ分別為6.460、2.308、-0.073、1.142，程序模擬計算為6.453、2.313、-0.075、1.150。可以看出兩種方法得到的值及粒度參數值都非常接近，表明手工圖解與機算的結果一致性很好。

4.結論

在計算大量的工程樣品粒度參數時，相對于手工方法采用機算的處理可以加快沉積物粒度參數的計算速度，快速對沉積物類型進行命名，極大減輕分析人員的工作量，提高工作效率。同時根據繪制的概率累積曲線可以方便研究人員了解樣品所處的沉積環境，分析海岸帶沉積物的來源與成因。

利用本文所述方法編制而成的沉積物粒度參數計算程序，已在國家海洋局南海調查技術中心近十年的多個工程得到了良好運用，并成功解決了國家908項目南海區珠江口沉積物粒度參數計算問題。為了適應在新的操作系統平臺上應用，后續工作將采用Microsoft Visual Studio作為程序設計的開發工具。

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