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第 44 卷 第 6 期 厦门大学学报 自然科学版 Vol 44 No 6 2005 年 11月Journal of Xiamen University Natural Science Nov 2005 剥谱方法解析海洋沉积物粒径谱 收稿日期 2004 10 25 基金项目 国家自然科学基金重点项目 40036010 资助 作者简介 李冬梅 1981 女 硕士研究生 通讯作者 lgshan public xm fj cn 李冬梅1 刘广山1 杨世纶2 1 厦门大学海洋学系 福建 厦门 361005 2 河口海岸国家重点实验室 华东师范大学 上海 200062 摘要 建立了剥谱解析沉积物粒径谱方法 该方法用高斯函数表示每个组分的粒径谱 由总谱数据确定高斯函数参数 应 用该方法对胶州湾沉积物粒径谱进行了分析 分析结果显示 胶州湾不同站点沉积物的细粒径组分比较相似 显示其来源 一致性 粗粒径组分则随着采样站点的不同存在显著的差异 关键词 海洋沉积物 剥谱 粒径组分 中图分类号 P 736 21 文献标识码 A 文章编号 0438 0479 2005 06 0810 05 海洋沉积物主要由陆源碎屑物质和生物成因物质 组成 海洋沉积物中的不同粒径组分可能反映不同的 搬运方式和沉积过程 并保存了这些过程的环境信息 所以对沉积物粒径组分的分析可以推演海洋环境的变 化 1 5 早期由于测量方法的限制 人们用筛分的方法测 定不同粒径的百分含量 提出了一些粒级划分方 案 6 7 且已形成使用惯例 但这些族均不是由粒径谱 的形状解析得到的 随着技术的发展 特别是激光粒度 分析系统的出现 使人们能清晰地看到沉积物的粒径 分布 粒度仪测得的粒径谱 以下称之为总谱 明显是 多个组分的组合 所以 区分出不同组分的贡献就成为 研究者的主要论题之一 剥谱方法最早应用于核谱分析中 8 剥谱时首先 必须确定单组分的函数形式 谱形 由总谱数据确定 组分数 由总谱中某个组分不受其他组分干扰或干扰 较小的谱段估计该组分谱形参数 由谱形参数计算该 组分的分布曲线 并从总谱中将其减去 称之为剥谱 粒度分布曲线的形状随沉积物物源的不同而有很 大的变化 表示粒度分布的函数有高斯分布 t 分布 分布 F 分布 2分布 Poisson 分布 和 Weibull 分 布 2 本文用高斯函数作为单组分粒度分布函数 解析 了采集自胶州湾的一些表层沉积物样品的粒径谱 1 方 法 1 1 组分分布函数 假设沉积物每一组分的粒径分布可用高斯函数表 示 N x 1 2 e x 2 2 2 1 式 1 中的x 为粒径 是峰位置 2 为方差 方差的平 方根 是峰形参数 高斯函数的峰高为 N 1 2 在高斯曲线半高度处的 x 值为 xh x xh时 N xh 1 2 1 2 2 N xh 1 2 e xh 2 2 2 3 联立方程 2 和 3 可得 xh1 2ln2 xh2 2ln2 高斯曲线半高度处的峰宽度 FWH M 为 FWHM xh2 xh1 22ln2 4 由 4 式得 0 425 FWH M 5 1 2 峰位置确定 假设总谱中每个极大值点是一个组分的峰位置 从总谱中直接定义各个峰的大概位置 然后将总谱用 式 6 作一次微分 8 Ni 1 10 2N i 2 Ni 1 Ni 1 2Ni 2 6 式 6 中 Ni是总谱数据 Ni 是总谱微分谱数据 i 是 粒径数据编号 i 2 i 1 i 1 i 2分别代表第 i 2 i 1 i 1 i 2 个数据 根据微分学原理 在峰位置处 微分谱将过零 用 直线内插方法由峰位置两边的微分谱数据可以得到峰 位置 Xp xp x1 x2 x1 yp y1 y2 y1 7 式 7 中 x1 x2 y1 y2分别是紧邻峰位置两侧微分谱 数据点的坐标 1 3 组分峰形参数 的确定 如果从谱数据中得到 FWH M 则可由式 5 得到 峰形参数 在总谱中 如图2所示 各个组分峰重叠在 一起 但总有一个峰 或峰的一边不与其他组分重叠 若某个峰的右边不与其他峰重叠 可以计算得 FWHM 2 xh2 xp 8 式 8 中 xh2代表峰右边半高度的横坐标 xh2由谱数 据内插得到 如果是峰的左边不与其他峰重叠 则有 FWHM 2 xp xh1 9 同样 xh1由谱数据内插得到 实际谱中 一些样品的某些峰接近峰顶处较为陡 峭而尾端下降趋势较缓 半高宽处受邻近峰影响较大 计算时利用了4 5高度对应的峰宽度FWFFM 与 的 关系如下所示 0 748 FWFFM 10 1 4 剥谱方法 假设总谱中的每一个峰对应样品中的一种粒径组 分 观察总谱 初步确定每个谱可能的组分数 将可观 测到的峰 粒径组分 从细粒径向粗粒径依次编号为 1 2 3 按上述方法计算分得较开的峰的参数 并 将该峰从总谱中剥去 对余下的谱 再选择分得较开的 峰 计算峰位置和半高宽 将其剥去 分析发现粗粒组 分相互干扰较小 在粒径谱图上表现为分得较开的峰 剥谱时总是选择从粗粒组分开始 全部剥谱完毕 用下 式计算残差平方和 s Nti Nei 2 11 式 11 中 Nti Ne i分别为各个组分叠加得到的粒径谱 和总粒径谱数据 2 应用胶州湾沉积物粒径谱解析 2 1 样品的采集与测定 本文研究的 6 个样品采自胶州湾 采样站位如图 1所示 文献 4 对采样站位和样品的表观性状作了描 述 粒径谱用 LS 激光粒度分析仪测定 如图 2 所示 各个谱的统计参数列于表 1 偏态度均为右偏斜 2 2 样品粒径组分组成特征与剥谱过程 结果表明 全部样品均由 4 种组分组成 见图 2 样品 A3 的峰 4 与相邻的第 3 峰相距较远 比较 容易剥除 从谱中可以观察到 剥除峰 4 后 峰 3的右 图 1 采样站位 Fig 1 Sampling stations 表 1 样品的粒径谱统计参数 Tab 1 The statistic parameters of grain size spectrum A3B1B3B5C2C3 平均粒径 m21 419 422 720 315 616 6 标准偏差 m25 429 428 728 724 125 7 中值 m12 110 713 514 18 348 88 峰值 m42 741 254 441 216 818 0 偏态度2 142 131 801 852 192 24 峭度9 035 513 663 955 716 07 半侧轮廓变得十分清晰 可通过它计算出该峰高和半 高宽 剥除峰 3 峰 4 后 剩下峰 1 和峰 2 位置靠的很 近 我们称其为峰 1 2 在 B3 样品谱中 剥除峰 4 后 谱图上才可以观察 到峰 3 另外 在峰 4 的粗粒径一边 可以看到还有一 个小峰 但该峰仅由 2 个数据点构成 峰高也仅 0 05 所以剥谱中不作为一种组分处理 其余 4 个样品 B1 B5 C2 C3 总谱上我们可以看 到三个峰 峰 3 的粗粒径边与高斯峰形状不符 怀疑还 有一个峰存在 利用 4 5 高度处的谱数据计算峰形参 数 剥除峰 3 后 发现的确存在峰 4 在总谱上观察不 到该峰的原因是 峰 4 与峰 3 位置较近 且峰 4 的高度 比峰 3 低的多 所以被峰 3 淹没 对每个样品谱 剥除峰 3 4 后 余下峰 1 2 剥谱 时 先利用峰 2 的右边谱数据计算峰 2 的参数 将其剥 除 计算出峰 1 的参数后 再从峰 1 2 谱中剥去峰 1 由于消除了一部分干扰作用 峰 2 的参数发生了变化 再次对峰 2 的峰形参数进行计算 并将其从峰 1 2 中 减去 得到峰 1 重复上述过程 直至两峰的位置不再 变化 2 3 胶州湾表层沉积物组分分布特征 1 组分组成 811 第 6 期 李冬梅等 剥谱方法解析海洋沉积物粒径谱 图 2 胶州湾沉积物粒径谱的剥谱结果 Fig 2 The Results of stripped grain size spectrum of sediment samples collected from Jiaozhou Bay 表 2 胶州湾沉积物粒径谱解析结果 Tab 2 T he results of stripped grain size spectrum of sediment samples collected from Jiaozhou Bay 编号A3B1B3B5C2C3范围平均值 1 m5 525 524 814 815 385 924 81 5 925 33 m4 514 763 223 744 254 593 22 4 764 18 含量 29 0044 3016 629 045 149 816 5 49 835 6 2 m15 616 813 615 615 616 813 6 16 815 7 m5 525 397 905 455 975 435 39 7 905 94 含量 13 514 329 726 520 716 413 5 29 820 2 3 m33 5 m5 1 含量 0 71 4 m42 338 838 538 538 538 5 42 339 3 m20 615 713 516 315 313 5 20 616 3 含量 57 131 736 530 330 030 0 57 137 1 5 m52 2 m22 3 含量 53 0 6 m71 867 071 877 067 0 77 071 9 m24 516 414 518 814 5 24 518 6 含量 9 728 113 934 843 93 9 726 65 7 m122 4 m27 9 含量 2 90 残差平方和 1 211 441 040 901 621 54 6个样品粒径谱的分析结果列在表 2 中 对高斯分布 平均值即峰值 等于中值 也等于众数 由表 2 可以看 出 B3 号样品的主要成分众数位于 4 81 13 6 和52 2 m 其余5 个样品的主要成分众数集中于4 81 5 92 m 15 6 16 8 m 和 38 5 42 3 m3 个区段 它们 占了全部沉积物的 90 以上 在这三种组分中 样品 B3 第一种组分粒径众数与其余样品一致 第二 三种 组分与其他样品相差较远 除主要组分外 每个样品存在一个次要组分 其中 B1 B5 C2 和 C3 样品的次要组分峰位非常接近 在 67 0 71 8 m 范围内 样品 B3 除各组分粒径众数与 其余样品不同外 与其余样品组分众数接近的第一种 812 厦门大学学报 自然科学版 2005 年 组分含量亦明显低于其余样品 除 B3 之外的其余 5 个样品 同一种组分含量差异也较明显 2 与传统粒度划分方式的比较 表 3 传统的粒级划分方法得到的胶州湾沉积物的粒径分布 Tab 3 The distribution of grain size of sediment samples from Jiaozhou Bay 沉积物粒级划分方法胶州湾沉积物样品的分析结果 粒组粒级粒径范围 mmA3B2B3B5C2C3 砾石巨砾 粗砾 中砾 细砾 256 64 4 2000000 砂极粗砂 粗砂 中砂2 1 0 5 0 25000000 细砂0 25 0 1251 200 160 000110 000480 000760 019 极细砂0 125 0 0634 774 977 194 073 093 75 粉砂粗粉砂0 063 0 031518 717 122 321 213 013 6 中粉砂0 0315 0 015717 417 015 818 615 616 1 细粉砂0 0157 0 007817 718 016 317 720 019 8 极细粉砂0 0078 0 003914 015 013 513 317 116 6 粘土粗粘土0 0039 0 0019510 811 610 29 8912 912 5 中粘土0 00195 0 000986 867 937 286 798 928 53 细粘土0 00098 0 000496 717 026 415 907 957 68 胶体 0 25 mm 粒级含量为 0 78 2 37 而仪器分析结 果为零 以上差异可能是仪器测量样品量少 而人工筛 分样品量大造成的 文献 4 的人工筛分样品在 500 g 以上 而仪器分析样品在 1 g 以下 直观看人工筛分的 代表性应当好于仪器分析 实际上文献已有关于不同 粒度分析方法给出结果存在差异的报道 10 汪亚平等 报道不同方法给出的胶州湾沉积物粒度分布有差 异 3 4 环境意义 已有一些关于胶州湾沉积物分布及形成环境讨论 的文章 3 4 9 11 14 文献 4 的结果表明 B5 样品 采自 湾东部 的放射性核素含量与矿物组成与其余样品存 在明显差异 但本文的分析结果表明 除 B5 样品外 A3 B3和 C2 样品均存在一些有别于其余样品的特 征 A3 样品的粒径众数为 122 4 m 的组分是其他样 品所没有的 这可能与 A3 样品靠近胶州湾北岸有关 海岸风化颗粒物很快沉降 造成了 A3 样品中存在一 粗粒级组分 B3 站位于湾中央 由于它周围的站位均 不具备 B3 站成分组合特征 所以 B3 站主要组分 粒 径众数 52 3 m 组分 比其他站位高可能是水动力作 用造成的 2 4 关于峰形参数与组分解析的意义 813 第 6 期 李冬梅等 剥谱方法解析海洋沉积物粒径谱 估计组分分布函数是解析沉积物粒径谱的关键步 骤 本文中采用的高斯函数有两个参数峰位置和 峰形 方差 从表 2 可以看出本文分析的 6 个样品中 的 5 个粒径谱的第 1 2 3 三个峰有非常接近的峰位置 和方差 这就有可能通过经验积累寻找出适合的海洋 沉积物组分的分布函数和参数 也说明胶州湾沉积物 中这三种组分具有相同的来源 并经过了相同的搬运 过程 不同样品之间这三种组分含量的差异可能来自 不同采样点作用过程强弱的差异 胶州湾 6个沉积物样品剥谱解析的结果表明 海 洋沉积物有可能分成有限的几种组分 沉积物中各组 分与其含量的变化可能代表着沉积环境或海洋学过程 的变化 3 结 语 1 建立了剥谱解析沉积物粒径谱方法 该方法以 高斯函数作为单组分粒径分布函数 从总谱中的峰数 确定组分数 在剥谱过程中逐渐确定单组分峰位置 用 其它组分干扰较小的部分确定半高宽参数 2 用本文方法解析了胶州湾表层沉积物粒径谱 胶州湾表层沉积物 除 B3 样品外 由粒径众数位于 4 81 5 92 m 15 6 16 7 m 和 38 5 42 3 m 的三种主要成分构成 各组分之间的含量有明显差异 参考文献 1 Blott S J Gradistat K P A grain size distribution and sta tistics package for the analysis of unconsolidated sedi ments J Earth Surface Processes and Landforms 2001 26 1 237 1 248 2 Sun D Bloemendal J Rea D K et al Grain size distribu tion function of polymodal sediments in hydraulic and Ae olian environments and numerical partitioning of the sedi mentary components J Sedimentary Geology 2002 152 263 277 3 汪亚平 高抒 贾建军 胶州湾及邻近海域沉积物分布特 征和运移趋势 J 地理学报 2000 55 4 449 458 4 贾成霞 刘广山 徐茂泉 等 胶州湾表层沉积物放射性核 素含量与矿物组成 J 海洋与湖沼 2003 34 5 490 497 5 孙东怀 鹿化煜 David Rea 等 中国黄土粒度的双峰分布 及其古气候意义 J 沉积学报 2000 18 3 327 335 6 徐茂泉 陈友飞 海洋地质学 M 厦门 厦门大学出版 社 1999 103 7 杨世伦 海岸环境和地貌过程导论 M 北京 海洋出版 社 2003 20 8 复旦大学 清华大学 北京大学 合编 原子核物理实验方 法 上册 M 北京 原子能出版社 1981 341 367 9 中国海湾志编纂委员会 胶州湾 见 中国海湾志 第四分 册 山东半岛南部和江苏省海湾 M 北京 海洋出 版社 1993 157 259 10 Konest M Vandendezghe J Composition of laser grain size analysis with pipette and sieve analysis a solution for the underestimation of clay fraction J Sedimen tolog 1997 44 523 535 11 汪亚平 高抒 胶州湾沉积动力学及相关领域研究进展 J 海洋科学 2001 25 2 26 28 12 高抒 汪亚平 胶州湾沉积环境与潮汐汊道演化特征 J 海洋科学进展 2002 20 3 52 59 13 胶州湾环境综合研究组 胶州湾环境综合调查研究 J 海洋通报 1992 11 3 1 67 Determination of Grain size Components by Spectrum Stripping Method LI Dong mei 1 LIU Guang shan1 YANG Shi lun2 1 Department of Oceanography Xiamen University Xiamen 361005 China 2 State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research East China Normal U niversity Shanghai 200062 China Abstract Most grain size spectra of marine sediments are polymodal distribution that means the sediment is composed of diverse components and they often overlapped each other and each component may obey some type of distribution In this paper it is consid ered that single component of sediment obey Gauss distribution T he number of co