含物質輸運信息的粒徑趨勢分析

0粒度參數與沉積環境75%的地表區域被沉積物和沉積層覆蓋。一個砂質或者泥質沉積物樣品所含的顆粒數量巨大,應該含有豐富的統計信息,這引發了沉積學家的極大興趣,他們最初對沉積物粒度組成進行了大量的統計分析,發展了日益成熟的粒度分析技術。隨著研究的深入,“粒度參數”有什么用,這個問題已成為沉積學的核心問題之一。從20世紀中期開始,沉積學家嘗試用粒度數據來識別沉積環境的類型,或判定物質運動的方式,例如懸移、躍移或蠕移。后來發現,粒度參數與沉積環境類型的關系是多解的,例如在CM圖上,同樣的坐標位置可能對應于不同的沉積環境。因此,粒度數據無法成為沉積環境識別的決定性判據。此外,粒度累積分布曲線上的一個正態組分可以與懸移、躍移或蠕移運動方式相聯系,這種主張也與流體力學的邊界層理論相沖突。現在我們知道,懸移或推移狀態實際上是同時與粒徑和底部切應力有關,處于懸移或推移狀的顆粒不一定呈正態分布。在上述初看起來很有希望的兩個研究領域,實際上并未取得很大的成功。在沉積學的基礎研究中,粒度分布曲線和粒度參數往往被用于沉積物粒度范圍的劃分,以便使地球化學等分析的結果可以在不同類型的沉積物之間進行對比,或者被用作沉積環境演化研究的佐證資料。“粒度參數”還有一項可能的用途,即粒度參數的不同地點的差異可能含有物質輸運信息。McCave最早將粒度參數的平面差異定義為“粒徑趨勢”,并認為它是沉積物輸運、堆積的結果。沉積學家早就發現,在同一個沉積環境中,底質的粒度分布曲線隨采樣地點而異,粒徑趨勢是由多種動力過程所造成的,包括顆粒的磨損[16,17,18,19,20,21]、選擇性搬運[22,23,24,25,26,27,28,29]和不同來源物質的混合。由此產生的一個逆命題是:能否從粒徑趨勢中提取沉積動力學信息尤其是輸運信息?針對這一問題,在前人研究的基礎上,McLaren提出沉積物凈輸運方向必定與粒度參數(平均粒徑、分選系數、偏態系數等)的某種空間變化型式相聯系。之后,不少研究者在這一領域進行了深入研究,逐步建立了一種稱為“粒徑趨勢分析”的方法,并提出了相應的物質輸運模型。在這些研究中,基本的科學問題有三個,第一是如何提取粒徑趨勢信息,第二是如何確定哪些類型的粒徑趨勢含有物質輸運信息,第三是如何確定粒徑趨勢分析的應用條件。本文的目的是綜合評述這些科學問題的研究進展,并探討今后的發展方向。1谷物分析與粒度趨勢的識別1.1粒度趨勢分析的一般方法粒度分析的目的是獲得沉積物粒徑的概率分布曲線。習慣上將沉積物樣品分為粗顆粒和細顆粒(以0.063mm粒徑為界),細顆粒物質用移液管法分析,粗顆粒物質用篩法分析,最后將兩部分綜合起來,獲得完整的粒徑分布曲線。要注意的是,沉積學中的粒徑通常不以毫米表示,而是以無量綱數值D?來表示:D?=-log2D(式中D為以毫米計的粒徑,D?為?變換后的無量綱粒徑)。近年來,由于激光粒度儀等儀器的發展,移液管法和篩法這兩種方法原理不一致的弱點部分地得到了克服,分析的自動化程度也大大提高了。在粒度趨勢分析中,我們所關心的是粒度特征的平面變化信息,而現行的分析技術已基本能夠滿足分析的精度要求。對于一定的粒度分布曲線,可以計算出一系列粒度參數。最常用的粒度參數包括平均粒徑、分選系數和偏態系數。分選系數和偏態系數有多種計算公式,但前者一般表示為統計學中定義的二階矩的函數,而后者表示為三階矩的函數。1.2采樣點各粒度參數之間的組合關系和粒徑趨勢粒徑趨勢是指沉積物粒度參數平面分布的變化趨勢。對于一個海區,可以布設一定的采樣網格進行底質取樣。在采樣網格中,如果考慮任意兩個相鄰的采樣點A和B,則這兩個采樣點的粒度參數之間有多種可能的空間變化。例如,從采樣點A至采樣點B,分選系數可能減小,平均粒徑可能變大,這些都代表粒徑趨勢的不同類型。用多個粒度參數可以形成組合的粒徑趨勢,一般而言,用n個粒度參數可構成2n種粒徑趨勢;例如,用平均粒徑、分選系數和偏態系數,從采樣點A到采樣點B可構成如表1所列的8種基本類型。此外,還可以用基本類型來進一步形成復合的類型,如表1中的類型1與類型2之和就是一種復合類型。1.3粒徑趨勢矢量的平面分布上述任何一種類型的粒徑趨勢都可以用一個矢量來表示,該矢量的方向是從采樣點A指向B,其大小定義為一個單位長度。這樣的矢量稱為粒徑趨勢矢量。對于一個采樣網格,每一個采樣點的粒度參數都可以與相鄰采樣點的參數進行比較,從而找出對應于這個采樣點的所有粒徑趨勢矢量。粒徑趨勢矢量還有不同的定義方法,但其目的都是為了將粒徑趨勢定量化,或者將粒徑趨勢表示為平面圖形。Poizot等總結了粒徑趨勢的各種表示方法,并試圖統一關于粒徑趨勢描述的術語。Poizot還進一步制作了相應的獲取粒徑趨勢平面圖形的計算機軟件。粒徑趨勢矢量具有各向異性。進一步考察粒徑趨勢矢量,可以發現在一個采樣網格中各個方向上出現某一類型的粒徑趨勢的概率是不相同的。如果將某一采樣點的所有粒徑趨勢矢量相加,求出這些矢量的合矢量,則各個采樣點的合矢量往往構成一種有序的分布。在各向同性的情況下,合矢量的長度應該接近于零,因此,合矢量的有序分布代表一種各向異性的特征。在天然的海洋環境中,粒徑趨勢矢量的各向異性的程度隨地點而異。設想我們將粒度參數隨機地分配給平面上的一系列站位,對于這樣的一幅粒度參數分布圖來說,其粒徑趨勢矢量的各向異性應該較弱,但各向異性或多或少還會存在。這就是說,雖然粒徑趨勢的各向異性在自然環境中的存在是一個已經確認的事實,但是仍然需要建立評價其顯著性的方法。McLaren提出用Z計分法發來定義顯著性,而Gao和Collins建議用粒徑趨勢矢量的平均長度檢驗法。在Gao和Collins研究的基礎上,Chang等提出了改進的平均矢量長度檢驗法。Poizot和Méar提供了各種評價方法的程序軟件。粒徑趨勢矢量需要具有顯著的各向異性,這是粒徑趨勢分析的一個重要條件。2粒度趨勢的積累動力學信息2.1凈輸運方向上的概率隨文獻描述的和趨勢學一般描述,我國實行以德怎樣解釋粒徑趨勢矢量的各向異性?沉積動力學上的一個假說是各向異性與沉積物凈輸運方向有關,因而可以用于凈輸運方向的判斷[36,37,38,39,47,52,53,54]。McLaren和Bowles曾提出:沿著凈輸運方向,某種(或某些)粒徑趨勢出現的概率遠高于其它類型的粒徑趨勢。進一步的分析表明,由于各向異性是針對某種類型的粒徑趨勢矢量,因此上述前提應表述為:沿著凈輸運方向,某種粒徑趨勢出現的概率遠高于其在別的方向上出現的概率。在表1所列的8種基本類型中,類型1和2被認為在凈輸運方向上有較高的出現概率,這一觀點是基于經驗的證據。用文字來表達,類型1相當于“沉積物在運移方向上分選變好、粒徑變細且更加負偏”,而類型2相當于“沉積物在運移方向上分選變好、粒徑變粗且更加正偏”。在凈輸運方向上粒徑參數究竟如何變化,這個問題的最終解決必將依賴于顆粒態物質動力學的原理,但目前顆粒態物質物理學還不能提供答案。因此,粒徑趨勢的類型1和2是否含有凈輸運信息,這仍然只能用經驗方法來判定,即在沉積物凈輸運方向為已知的環境中考察粒徑趨勢的狀況。對海洋環境而言,淺海的潮流脊提供了一個良好的驗證場所:北半球潮流脊脊線兩側的物質凈輸運方向相反,在平面上構成一個逆時針環流。因此,在歐洲北海東南部的一處潮流脊上進行了底質取樣,并同步采集了潮流和旁視聲納數據,然后對前述的8種粒徑趨勢逐個檢查其在已知凈輸運方向上和其它方向上的出現概率(凈輸運方向根據潮流脊形態特征、潮流數據計算和微地貌的解譯而確定),結果發現類型1和2在凈輸運方向上的確有較高的出現概率。這項實驗還發現,把類型1和2合并而形成的復合粒徑趨勢類型具有更高的出現概率,即如果考慮類型1或2的聯合概率,則其效果比分別地單獨考慮類型1和類型2更好。2.2粒徑趨勢分析方法如果表1中的類型1和2含有凈輸運信息的假設成立,則如何對粒度數據進行分析以提取輸運信息,就成了關鍵的問題。現在多數研究者都同意,粒徑趨勢分析的目的是確定沉積物凈輸運方向。具體而言,粒徑趨勢分析的任務是:(1)確定適用的粒徑趨勢類型;(2)定量地表示粒徑趨勢矢量的各向異性;(3)將各向異性數據轉化為沉積物凈輸運方向的信息。不同的研究者提出了多種方法,以下的三種方法是有代表性的。第一種方法(McLaren方法)是對一維方向上的若干采樣點的粒度參數進行兩兩對比,然后得出代表凈輸運方向的粒徑趨勢類型在兩個方向上的出現頻率,最后把出現頻率充分大的方向定為凈輸運方向。對于由采樣點S1,S2,...,Sn所構成的采樣斷面,這種方法的要點就是在所有可能組合的兩個采樣點之間(如S1和S2之間、S1和Sn之間、S2和S3之間、等等)搜尋所需的粒徑趨勢。Prakash和Prithviraj、McLaren等、Wu和Shen、以及vanWesenbeck和Lanckneus提供了這種方法的應用實例。這種方法的缺陷是混淆了不同的空間尺度(例如,S1到S2的距離遠小于S1到Sn的距離),而且預先設定的采樣斷面走向未必與輸運方向平行,因而在實際應用中容易出現較大誤差。Masselink用來自法國萊茵河三角洲海岸的資料指出了這個缺陷。第二種方法(LeRoux方法)是根據以下假設,即每個采樣點的粒徑趨勢合矢量的方向與粒度參數的最大梯度方向相重合,并為此設計了相應的計算方法。實際上,沉積物凈輸運方向并非必與粒度參數的最大梯度方向一致,粒度參數的最大梯度方向很可能僅僅代表水動力作用方式差異的最大方向,如河道中從邊灘到水道中心位置的粒度參數的梯度可以大于上、下游方向的梯度,但物質輸運是從上游指向下游的,因此最大梯度的假設是不符合觀察事實的。第三種方法(Gao-Collins方法)是把粒徑趨勢矢量的平面分布圖看成為一幅同時包含信息和噪聲的圖象,從而用圖象處理技術來提取平面二維粒徑趨勢矢量圖象中所含的沉積物輸運信息。按照這種方法,對于所考慮的海域可通過各采樣點底質的粒度分析獲得粒徑參數的平面分布圖式,然后經粒徑趨勢分析獲得沉積物輸運圖式(圖1)。粒徑趨勢分析的第一步是在采樣點網格上對每兩個相鄰的采樣點進行比較,找出所有的粒徑趨勢矢量。兩個采樣點是否“相鄰”,可用特征距離Dcr來衡量(Dcr通常為最大采樣間距)。如果兩采樣點的實際間距小于Dcr,則判定為“相鄰”,否則判定為“不相鄰”。第二步是用下式求出每個采樣點的趨勢矢量的和:R?(x,y)=∑1nr?(x,y)(1)R→(x,y)=∑1nr→(x,y)(1)式中n為所考慮的采樣點的趨勢矢量總數,r(x,y)i為趨勢矢量,R(x,y)為各個趨勢矢量之和。分析的第三步是對合矢量R(x,y)進行平滑處理,其目的是消除R(x,y)圖象中所含的“噪聲”(即R(x,y)在空間上的高頻變化)。平滑處理的數學變換公式如下:Rm?→??(x,y)=1K+1[R?(x,y)+∑1kRj?→?(x,y)](2)Rm→(x,y)=1Κ+1[R→(x,y)+∑1kRj→(x,y)](2)式中Rj是由(2)式得到的合矢量,k是相鄰采樣點的總數(相鄰與否仍用特征距離Dcr來判定),Rm(x,y)為平滑處理后的趨勢矢量。Rm(x,y)的平面分布圖象即代表沉積物凈輸運的格局。Gao編寫了獲取Rm(x,y)的平面分布圖象數據的Fortran程序。在進行粒徑趨勢分析和解釋分析結果時,應注意粒徑趨勢方法所依據的原理。目前已經確認,除粒徑趨勢矢量需要具有顯著的各向異性的條件之外,還應充分考慮以下幾點。首先,粒徑趨勢圖象受到采樣深度的影響。采樣深度是受采樣方式控制的,如抓斗式采泥器采集的是表層10～30cm以內的樣品。從物質輸運角度看,所涉及的樣品應該是受輸運過程影響的物質,因此應限于近底床的活動層之內。研究表明,活動層的厚度與所考慮的時間尺度有關。因此,采樣深度在一定程度上指示了與該深度相聯系的時間尺度下的凈輸運過程;在對比粒徑趨勢圖象和其它沉積動力輸運計算數據時,必須注意時間尺度的匹配。如果所進行的分析是針對沉積層序中的粒徑趨勢,則同年代、同層位的采樣是必須的。其次,粒徑趨勢圖象的質量與采樣的空間尺度有關。沉積物粒徑參數往往與沉積環境的類型相關,故來自不同環境的沉積物樣品可能并不存在輸運過程上的聯系。如果采樣間距過大,則有可能把處于不同輸運系統中的物質相混肴,從而在粒徑趨勢圖象中引入噪聲。因此,相對于沉積環境單元或物質輸運系統的尺度而言,采樣距離應達到充分小。另一方面,如果采樣間距過小,粒度分析中引入的誤差將掩蓋粒徑參數在真實環境中的空間變化,造成新的噪聲。隨著粒度分析技術的提高,采樣間距可以進一步縮小,但仍然存在一個可行的采樣間距的下限。對某些海域而言,采樣間距不宜過小但必須遠小于輸運系統的尺度,這兩個條件可能難以同時滿足,此時相應的粒度趨勢圖象必然包含較多的噪聲;當噪聲達到一定水平時就會破壞粒徑趨勢的有序性。這就如同一幅降質圖象,當降質達到一定程度時原圖象就無法恢復了。一些研究者探討過不同采樣間距對分析結果的影響。在操作層面上,采樣間距可以通過地統計法(Geostatistics)來確定。其基本原理是,沉積物平均粒徑或其他粒度參數的空間梯度如果較大(即在短距離內有很大變化),則采樣間距應較小,反之則采樣間距應較大。對于平均粒徑等參數,可構造以下函數:γh=∑i=1N?h(Zi?Zi+h)2/2N(3)γh=∑i=1Ν-h(Ζi-Ζi+h)2/2Ν(3)式中h為基本水平距離的倍數,N為斷面上數據點的個數,Zi為原點處的參數值,Zi+h為h之外站位的參數值,γh為“半方差值”(Semivariance)。式(3)中,隨著h由小到大變化,γh取不同的值,因此可得到γh-h曲線的圖形,稱為“半方差圖”(Semivariogram)。在半方差圖上,當h增大到某一定值時,γh達到一個相對穩定的常數,此時的h值即可定義合適的采樣間距。要注意的是,γh可以針對不同的方向,因此它可能是具有各向異性特征的,在確定采樣間距時要綜合地考慮這個因素。最后,粒徑趨勢分析結果還會受到邊緣效應的影響。例如,在正方形采樣網格內部,每個采樣點有8個相鄰采樣點,而處于邊緣上的采樣點的相鄰采樣點不超過5個,由此造成的結果是與邊緣上的采樣點相聯系的粒徑趨勢可能受到歪曲。因此,在應用粒徑趨勢圖象時應避免使用邊緣點上的矢量。2.3相關文獻研究前述的三種粒徑趨勢分析方法的應用均有文獻報道,其中第三種方法應用的報道相對較多。應用Gao-Collins方法進行了潮汐汊道海灣、河口三角洲海岸與砂質海灘、潮灘、河口與內陸架、陸架潮流沙脊、陸架泥砂沉積區、半封閉海等海洋環境的沉積物輸運研究。關于數據處理和解釋的步驟,Poizot等注意到各文獻并不統一,如粒徑趨勢顯著性的檢驗有些研究中就沒有進行。其中的原因之一,是對粒徑趨勢分析的應用條件還不夠明確。因此,一些研究者雖然認識到粒徑趨勢顯著性等條件的重要性,但把研究的重點放在了趨勢分析結果與流場觀測、床面形態顯示的物質輸運格局、研究區堆積狀況等的對比上,其目的是獲得更多的經驗證據。從粒徑趨勢分析的完整性角度來說,粒徑趨勢分析的應用條件和分析結果的多重證據對比都是很重要的。為此,筆者提出關于粒徑趨勢分析的數據處理和解釋的步驟的建議,如圖1所示。3采用粒度形成機制和粒度趨勢分析的應用條件3.1粒度參數在輸運過程的定量模擬研究迄今關于沉積物粒徑趨勢的解釋都是根據經驗的觀測資料,而要最終解決粒徑趨勢的理論和應用問題,就必須從物理原理上說明粒徑趨勢與顆粒態物質運動的關系。如果不能從沉積動力過程上說明粒徑趨勢的形成,就無法完全確定粒徑趨勢分析在哪些條件下可以應用,這是粒徑趨勢分析的關鍵問題。目前,在作為顆粒態物質物理學的重要組成部分沉積動力學本身還不夠完善的條件下,要解決粒徑趨勢的形成過程問題還有很長一段路要走。筆者認為,這項工作可從現場觀測、水槽實驗和數值模擬等三個方面入手。粒徑趨勢形成的現場觀測可以通過示蹤物實驗來實現。粒度特征是沉積物的示蹤標記之一,因此粒度特征隨輸運而發生的變化就可能用示蹤物動力學方法進行研究。例如,配制可以與現場物質相區分的、粒度分布為已知的示蹤物,在沉積物輸運方向為已知的海洋環境中釋放,然后進行沿程采樣,對所獲的示蹤物進行粒度分析,這樣就可以確定在輸運方向上粒度參數發生了怎樣的變化。這種示蹤物實驗方法稱為“空間積分法”,在技術上已經非常成熟。已有研究者用示蹤物方法探討了礫石海灘上粒徑和顆粒形狀的分選過程。水槽實驗過程中,可以人為地控制水流的強弱,還可以進行波浪運動的模擬。因此,海洋中的多種水動力條件,如潮流作用和浪流共同作用,都能在水槽內得到重現。這樣就能夠對已知其粒度組成特征的沉積物,模擬經歷過不同水動力輸運之后的底質粒度參數的時間和空間變化,進而建立粒徑趨勢與輸運過程的關系。根據對混合粒徑沉積物的輸運過程的定量計算,包括對磨損、動力分選和混合作用的定量模擬,可以對粒徑趨勢的形成進行數值模擬。這里的核心問題是如何確定混合粒徑沉積物中每一粒度組分物質的輸運率。經過沉積動力學研究者的努力,已經提出了一些混合粒徑沉積物的輸運率公式[96,97,98,99,100,101,102,103],為粒徑趨勢形成的數值模擬創造了條件。已有一些學者應用這些成果或其他方法進行了粒度參數在輸運中的變化的模型研究。值得注意的是,在這類模擬研究中,水動力條件包括潮流、波浪作用、浪流共同作用等情形;初始的沉積物可以是基巖風化產物,也可以是典型沉積環境中的物質;沉積物的源地可以是一處,也可以是多處,其分布狀況也有多種可能性;沉積物磨損和選擇性輸運的計算公式有多個,各自應用范圍不同。因此,模擬上述條件的各種組合情形下形成的粒徑趨勢,所涉及的工作量和需要分析的數據量會非常巨大,而到目前為止已進行的模擬分析工作還很少。3.2輸運方向的粒度參數分布關于底質粒度特征的模擬早就有研究者進行了嘗試。如今,計算機技術和沉積動力學本身已有了長足的進步,深入開展這項工作的條件已經成熟,不過到目前為止關于粒度趨勢形成過程的研究報道尚不多。于謙和高抒等通過建立一維、推移質、往復流(近岸潮流)條件下的數值模型,采用正演方法模擬粒度參數在輸運方向上的分布,初步探討了粒徑趨勢形成的物理機制。在文獻所報道的模擬實驗中,假設水流為潮汐成因的一維往復流,同一時刻沿程各處的單寬流量相同,初始時刻的沿程粒度分布相同,初始水深不同,因此流速和沉積物輸運能力有沿程差異。應用vanNiekerk等提出的推移質沉積物輸運公式不同粒徑組分的輸運率,進而計算各個區間不同粒徑組分物質的收支狀況,經過充分長的一段時間之后,對各個區間活動層內的留存物質進行粒度參數計算,并繪制沿輸運方向的粒度參數分布圖。模擬實驗針對初始沉積物粒度分布、初始水深的沿程分布和單寬流量,設置了不同的數值,因而構成了多組實驗。數值模型實驗的初步結果顯示,在一定的條件下,所形成的沉積物粒度參數的沿程分布符合粒徑趨勢分析的假設,即在恒定物源下,在凈輸運方向上,以下兩種粒徑趨勢出現的概率最大:(1)平均粒徑變細、分選更好且更加負偏;(2)平均粒徑變粗、分選更好且更加正偏。例如,在源區沉積物平均粒徑=0.75?、偏態=0、分選系數=0.54、峰態=0.67、在輸運方向上水深從8m逐漸提高至12m的輸入條件下,在凈輸運方向上出現了前述的第一種粒徑趨勢(圖2)。在源區沉積物粒度參數相同但在輸運方向上水深從12m逐漸降低至8m的輸入條件下,床面首先經歷了沖刷階段,然后出現了前述的第二種粒徑趨勢。值得注意的是,上述實驗結果不是簡單地由于向下游的沉積物輸運造成的,而是輸運方向與沿程沉積物輸運能力的差異共同造成的。在水深逐漸變大的條件下,發生了沿程的堆積,而在水深逐漸變小的條件下,先是發生沿程的沖刷,但沖刷的深度尚未達到與輸運無關的沉積層,然后接受了來自源區的物質。這組實驗說明,在進行粒徑趨勢分析時,所涉及的沉積物樣品應處于同一輸運體系之內,對于源區物質而言應處于堆積狀態。3.3輸運動力的可能影響根據前述的研究進展,粒度趨勢分析應滿足的條件可總結為:(1)粒徑趨勢矢