海洋沉積物調(diào)查中的粒度分析：相關(guān)國標(biāo)及φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的淺析
2015年，國家海洋局、國家發(fā)展和改革委員會(huì)等7部門以國海發(fā)〔2015〕5號(hào)印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)海洋調(diào)查工作的指導(dǎo)意見》，標(biāo)志著我國海洋調(diào)查邁入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。隨著二十大報(bào)告中提出的加快建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署號(hào)召以及新一輪的《中華人民共和國海洋環(huán)境保護(hù)法》的修訂，海洋資源的合理開發(fā)、環(huán)境的科學(xué)保護(hù)以及災(zāi)害的有效預(yù)防再次成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，海洋調(diào)查研究展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。
海洋沉積物，作為海洋地質(zhì)調(diào)查中的主要對(duì)象之一，其調(diào)查內(nèi)容涵蓋粒度分析、物理力學(xué)性質(zhì)測試、古生物鑒定、化學(xué)測定等各個(gè)方面。其中，沉積物的粒度分布特征蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)、氣候和環(huán)境信息，為深入解析沉積物來源、反演沉積環(huán)境演變、評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及指導(dǎo)資源合理開發(fā)利用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。而在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，沉積物粒度調(diào)查更是海洋地質(zhì)學(xué)、古氣候?qū)W、古環(huán)境學(xué)等學(xué)科研究的核心內(nèi)容之一，有助于揭示海洋環(huán)境變化的過程和機(jī)制。
激光粒度儀采用的激光法以其便捷、高效、精準(zhǔn)且一次測試中覆蓋粒徑范圍廣等優(yōu)勢，相對(duì)于傳統(tǒng)的篩析法、沉析法等方法顯著地提升了測試效率、精密度與準(zhǔn)確性，更好地響應(yīng)了國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，促進(jìn)了海洋資源的合理開發(fā)、環(huán)境的科學(xué)保護(hù)以及災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)防，成為了不可阻擋的趨勢。
現(xiàn)行國標(biāo)中的幾種沉積物調(diào)查方法
OMEC
沉積學(xué)作為地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要分支，其研究歷史最早可以追溯到19世紀(jì)。隨著1932年A.H.沃德爾首次提出“沉積學(xué)"這一概念，沉積學(xué)被正式確立為一門獨(dú)立的學(xué)科，其研究內(nèi)容包括沉積物的來源、沉積條件、沉積環(huán)境、沉積作用及沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e巖等一系列復(fù)雜的成巖作用變化。
早期的沉積學(xué)研究主要通過傳統(tǒng)的觀察和實(shí)驗(yàn)方法來分析沉積物（巖）的粒度分布特征。在海洋調(diào)查相關(guān)的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 12763.8-2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》中，用于沉積物粒度分析的方法主要包括篩析法、沉析法、綜合法和激光法。其中，篩析法、沉析法和綜合法由來已久，這些方法主要是利用顆粒大小不同則篩分孔徑或沉降速度不同這一特性，把沉積物的篩分或沉降特性轉(zhuǎn)化為粒徑信息，再根據(jù)合理的粒級(jí)間隔及粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合不同的粒級(jí)與其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，計(jì)算沉積物顆粒的粒度分布情況（圖1）。
▲ 圖1 沉積物調(diào)查中綜合法的技術(shù)路線
相比之下，激光法的測試則更加快速簡便，加樣后數(shù)據(jù)采集、分析和結(jié)果輸出全部由儀器自動(dòng)運(yùn)行。其中，歐美克Topsizer系列的激光粒度分析儀可以滿足沉積物（巖）及相關(guān)水文、水利、土壤、石油等行業(yè)用戶的測試需求（圖2）。而其搭配的SCF-108A高性能濕法循環(huán)進(jìn)樣器采用了下壓式水流分散技術(shù)和燈籠式離心泵循環(huán)回路設(shè)計(jì)，可以有效避免大顆粒沉降，且對(duì)大小顆粒的輸送性能一致，使得像沉積物這種典型的寬分布樣品的大小顆粒可以在一次測試中同時(shí)被檢測出來。標(biāo)配的1000mL透明樣品池有助于隨時(shí)觀察樣品的分散和沉降狀態(tài)，且樣品池容積可根據(jù)用戶需求而更換。
▲ 歐美克Topsizer 激光粒度分析儀
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沉積物研究中的φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
OMEC
傳統(tǒng)的沉積物調(diào)查方法是建立在合理的粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)之上的，對(duì)于粒徑橫跨多個(gè)數(shù)量級(jí)的沉積物而言，常規(guī)的自然數(shù)等距（等差）粒級(jí)劃分并不是最優(yōu)選擇。粒級(jí)間隔過小時(shí)，容易造成信息冗余，導(dǎo)致粒度分布上的微小波動(dòng)被過度解讀，且最小粒級(jí)間隔受限于篩析法和沉析法的最高分辨率和測試耗時(shí)及成本上的考量。若粒級(jí)間隔過大時(shí)，則容易造成信息的丟失，尤其是在小顆粒段的特征細(xì)節(jié)可能會(huì)被平均化，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確反映粒度分布的特征變化。
▲ 表1 等比制（φ值標(biāo)準(zhǔn)）粒級(jí)分類表
備注：來源于《GB/T 12763.8-2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》中附錄A
為了使粒度分布結(jié)果能準(zhǔn)確反映實(shí)際的沉積過程和規(guī)律，Udden（1898）首次指出，以1mm為基數(shù)，通過乘以或除以2對(duì)原始粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分是一種有效的粒級(jí)劃分方法，并隨后建立了Udden等比制碎屑沉積物粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（Udden，1914）。Wentworth（1922）在其基礎(chǔ)上進(jìn)而提出了粒級(jí)分類的簡化和改進(jìn)，并形成了尤登-溫德華氏粒級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地簡化作圖，便于圖解表示和統(tǒng)計(jì)分析，Krumbein（1934，1938）在吸收了前兩者的優(yōu)點(diǎn)后，在后續(xù)的沉積物研究中進(jìn)一步推廣了這種以2為公比的等比制粒級(jí)劃分方法，并轉(zhuǎn)化為φ值粒徑轉(zhuǎn)換公式（公式1），形成了實(shí)際以φ值為基準(zhǔn)的等差粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成了目前國標(biāo)GB/T 12763.8-2007推薦使用的尤登-溫德華氏等比制（φ值標(biāo)準(zhǔn)）粒級(jí)分類表（表1）中的重要組成部分之一。
在常規(guī)的沉積物研究中，通常會(huì)根據(jù)φ值粒徑轉(zhuǎn)換公式（公式1）對(duì)粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行以2為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換預(yù)處理，將粒徑數(shù)據(jù)從毫米(mm)轉(zhuǎn)化為φ值。其中，為以毫米(mm)為單位的沉積物顆粒的粒徑，而則為轉(zhuǎn)換后的無量綱φ值粒徑。為了區(qū)分φ值粒徑和原始的毫米(mm)單位的粒徑，行業(yè)中一般習(xí)慣在φ值后添加字母φ來進(jìn)行標(biāo)識(shí)。
▲ 公式1
沉積物行業(yè)的傳統(tǒng)調(diào)查方法是基于篩析與沉析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，因此也自然地形成了從大顆粒到小顆粒的逐步篩分或沉降的檢測順序。在將粒徑從毫米(mm)轉(zhuǎn)換為φ值的過程中，為了保持這一行業(yè)習(xí)慣，方便歷史數(shù)據(jù)間的對(duì)比和研究的傳承，公式中引入了負(fù)號(hào)，確保了φ值從負(fù)到正的變化趨勢，與顆粒由大到小的檢測順序保持一致。以1φ為基本劃分單元，根據(jù)尤登-溫德華氏等比制φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沉積物（巖）從大顆粒至小顆粒最終依次被劃分為20個(gè)粒級(jí)。這為不同研究之間的粒級(jí)劃分提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法，極大地促進(jìn)了沉積學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)交流和數(shù)據(jù)互通。
基于粒級(jí)分類的沉積物命名
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與φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)的沉積物研究主要有兩個(gè)應(yīng)用方向，一個(gè)是在φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立φ值累積分布曲線，并使用平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰態(tài)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)描述φ值微分分布曲線的特征，通過量化沉積物粒度分布的差異來描述不同沉積機(jī)制的影響。這一部分內(nèi)容，我們會(huì)在后續(xù)的系列文章中進(jìn)一步詳細(xì)介紹。另一個(gè)應(yīng)用方向，則是沉積物的命名。
根據(jù)尤登-溫德華氏等比制（φ值標(biāo)準(zhǔn)）粒級(jí)分類表（表1），沉積物顆粒在φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上可分為5大類：巖塊（＞ 256mm）、礫石（256 - 2mm）、砂（2 - 0.063mm）、粉砂（0.063 - 0.004mm）和粘土(泥)（＜ 0.004mm），再簡分為8類, 細(xì)分為15類（徐喜慶等2019；倪玉根等，2021）。
一般而言，沉積物（巖）采用三級(jí)命名法：≥ 50%的粒級(jí)分類為巖石的主名，即基本名，命名××巖；介于50 - 25%之間的粒級(jí)分類以形容詞“××質(zhì)"的形式，寫在基本名之前；25 - 10%的粒級(jí)分類作次要形容詞，以“含××"的形式寫在最前面；含量< 10%的粒級(jí)分類一般不反映在巖石名稱中。
目前國標(biāo)GB/T 12763.8-2007中主要推薦采用謝帕德的沉積物粒度三角圖解法（圖3），也可采用福克分類命名法（圖4）。其中，謝帕德的沉積物粒度三角圖解法主要用于無礫沉積物（即不含2mm及以上顆粒的沉積物）的命名，以砂、粉砂和粘土為三角圖解的三個(gè)端元, 根據(jù)不同粒級(jí)分類的含量不同（以20%、50%、75%、100%等為劃分條件）劃分為10類。其中，中央?yún)^(qū)域的“砂-粉砂-粘土"是三端元含量均高于20%且低于60%的混合沉積物。但謝帕德分類法沒有考慮礫石，不宜用于對(duì)含礫沉積物的命名，普遍認(rèn)為可能與其真實(shí)的沉積物動(dòng)力學(xué)特征不符。
▲ 圖3 謝帕德分類法三角圖解（Shepard，1954）
備注：來源于《GB/T 12763.8-2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》中附錄D.1
福克沉積物粒度三角圖解法則包括含礫三角圖解（圖4A）和無礫三角圖解（圖4B）。相較而言，該分類法具有明顯的沉積動(dòng)力與成因意義，目前逐漸被越來越多的海洋地質(zhì)學(xué)者所接受。但在福克含礫三角圖解中，“泥"是粉砂和粘土的總和, 而在福克無礫三角圖解中, “泥"是砂含量＜ 10%、粉砂粘土含量比介于0.5~2之間的混合沉積物。
▲ 圖4 福克含礫及無礫分類法三角圖解（Folk et al., 1970）
在φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上形成的粒級(jí)分類方法提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的分類體系，能夠清晰地描述沉積物的粒度組成特征，便于科學(xué)研究、工程應(yīng)用以及環(huán)境評(píng)估等領(lǐng)域的交流與理解。沉積物的命名簡化了沉積物特征的描述過程，促進(jìn)了不同研究結(jié)果之間的可比性，為深入理解沉積物的形成、分布、演化及其對(duì)環(huán)境的影響提供了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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（8）GB/T 12763.8-2007，海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查[S].
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（10）倪玉根，李建國，習(xí)龍，等. 海砂粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和沉積物命名方法探討[J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2021, 40(3): 143-151.
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