沉积物粒径趋势与海洋沉积动力学

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1、万方数据第4期·学科进展·中国科学基金沉积物粒径趋势与海洋沉积动力学高抒+(中国科学院海洋研究所，青岛266071)MichaelCollins(英国南安普顿大学海洋系，SouthamptonS0143ZH，UK)241[摘要]沉积物粒度数据除可用来识别沉积环境的类型或判定物质运动方式之外，还可用于海洋环境中沉积物输运方向的研究，即将沉积物净输运方向与粒度参数的空间变化(粒径趋势)相联系。利用粒径趋势分析，可根据粒度参数的平面分布图式定义粒径趋势矢量，进而将趋势矢量转换为沉积物净输运图像。粒径趋势分析的基本假设是，沿着净输运方向，某种粒径趋势出现的

2、概率远高于其在别的方向上出现的概率。初步研究表明这个假设是成立的，但今后还需要从物理原理上说明粒径趋势与颗粒态物质运动的关系，从水槽实验和数学模型实验人手，进一步完善这一分析方法。以促进粒度特征研究乃至颗粒态物质动力学的进步。[关键词]沉积物粒度，粒径趋势，沉积物输运，海洋环境沉积学家用沉积物粒度数据来识别沉积环境的类型或判定物质运动的方式(悬移、跃移或推移)。沉积学家还发现，在同一个沉积环境中，底质的粒度分布曲线往往随采样地点而异。这种粒度特征的空间变化是由多种动力搬运作用所造成，如颗粒的磨损、选择性搬运和不同来源物质的混合等⋯。由此可引出一个逆

3、问题，即能否根据粒度特征的空间差异反演颗粒堆积前的搬运过程?如果答案是肯定的，那么怎样才能从粒度数据中提取物质输运的信息?这些问题的解决对于海洋沉积动力学有着重要意义。与河流环境相比，海洋环境中沉积物的运动状况和所涉及的动力学过程要复杂得多，沉积物输运计算公式的验证也更为困难，而任何有关物质输运的信息都可以为动力学过程的研究和输沙率计算的验证提供帮助。针对上述有关粒度数据的解释，加拿大地质学家Mcl_aren提出沉积物净输运方向必定与粒度参数(平均粒径、分选系数、偏态系数等)的某种空间变化型式相联系【2J。之后，不少研究者在这一领域进行了深入研究，

4、逐步建立了一种称为“粒径趋势分析”(grainsizetrendanalysis)的方法，以找出粒度特征与物质运动格局之间的联系。本文的目的是综合评述这个领域的研究进展，并探讨今后的发展方向。-1997年度国家杰出青年科学基金获得者本文于1998年6月22日收到．万方数据242中国科学基金1998焦1粒径趋势的定义1．1沉积物粒度分析粒度分析的目的是获得沉积物粒径的概率分布曲线。习惯上将沉积物样品分为粗颗粒和细颗粒(以0．063mill粒径为界)，细颗粒物质用移液管法(pipettemethod)分析，粗颗粒物质用筛法(sievingmethod)

5、分析，最后将两部分综合起来，获得完整的粒径分布曲线。要注意的是，沉积学中的粒径通常不以毫米表示，而是以无量纲数值Dd来表示：D4i---一l092D(式中D为以毫米计的粒径，仇为9变换后的无量纲粒径)。近年来，由于激光粒度仪等仪器的发展，移液管法和筛法的弱点(这两种方法原理不一致)部分地得到克服，分析的自动化程度也大大提高了。虽然，迄今的粒度分析方法都有各自的弱点，粒径分布的准确测定也有待于进一步发展，但是在粒径趋势分析中，我们所考虑的是粒度特征的空间变化信息，因此现行的分析方法已基本能满足分析的准确度要求。对于一定的粒径分布曲线，可以计算出一系列

6、粒度参数。最常用的粒度参数包括平均粒径、分选系数和偏态系数。分选系数和偏态系数有多种计算公式，但前者一般表示为统计学中定义的二阶矩的函数，而后者表示为三阶矩的函数。在以下的讨论中，我们将采用这3个’粒度参数来表示沉积物的粒度特征。1．2粒径趋势的概念粒径趋势是指沉积物粒度参数平面分布的变化趋势。对于一个海区，可以布设一定的采样网格进行底质取样。在图1所示的采样网格中，如果考虑任意两个相邻的采样点A和B，则这两个采样点的粒度参数之间有多种可能的空间变化。例如，从采样点A至采样点B，分选系数可能减小，平均粒径可能变大，这些都代表不同类型的粒径趋势。用多

7、个粒度参数可以形成组合的粒径趋势，例如用平均粒径(口)、分选系数(盯)和偏态系数(Sk)，从采样点A到采样点B可构成如下8种类型的粒径趋势：类型1dA<盯B，pA<严B，SkA>SkB，类型2dA<仃B，产A>卢B，SkA卢B，SkA>SkB类型5盯A>仃B，卢A<／1B，SkA>SkB，类型6盯A>盯B，／1A>tzB，SkAt7B，／1A<∥B，SkA盯B，／1A>pB，SkA>SkB上述任何一种类型的粒径趋势都可以用一个

8、矢量来表示，该矢量的方向是从采样点A指向B，定义其大小为一个单位长度。这样的矢量称为粒径趋势矢量∞j。对于一个采样网格，每