南海表層沉積物的沉降法和激光法粒度分析結(jié)果對(duì)比和校正①

張富元 馮秀麗 章偉艷 林 霖 張霄宇 姚旭瑩

(1.國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012; 2.中國(guó)海洋大學(xué) 山東青島 266003;3.浙江大學(xué) 杭州 310012)

南海表層沉積物的沉降法和激光法粒度分析結(jié)果對(duì)比和校正①

張富元1馮秀麗2章偉艷1林 霖2張霄宇3姚旭瑩1

(1.國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012; 2.中國(guó)海洋大學(xué) 山東青島 266003;3.浙江大學(xué) 杭州 310012)

沉降法與激光法粒度分析的主要差異是黏土粒徑,這個(gè)差異將直接影響到黏土、粉砂含量和沉積物類型。本文對(duì)激光法黏土粒徑和含量及沉積物類型進(jìn)行系統(tǒng)校正。南海東部水深>2 000 m海域沉降法得出的砂、粉砂、黏土含量分別為3.66%、42.43%、53.91%,激光法砂、粉砂、黏土含量分別為9.26%、61.11%、29.64%,粉砂、黏土含量相差達(dá)約20%。沉降法得出沉積物類型主要是粉砂質(zhì)黏土(69.81%),其次是黏土質(zhì)粉砂(19.81%),其他類型只占11.38%。激光法主要是黏土質(zhì)粉砂(89.62%),其次是砂質(zhì)粉砂(10.38%),沒(méi)有其他類型。兩種方法得出的相同沉積物類型占21.69%,不相同占78.31%,主要差別是黏土含量。如果不校正激光法結(jié)果,粒級(jí)含量和沉積物類型沒(méi)有可比性。激光法黏土粒徑校正為<0.01 mm(粉砂粒徑校正為0.063～0.01 mm),黏土、粉砂的平均含量為54.16%、36.17%,接近沉降法的黏土(52.07%)和粉砂(42.28%)含量;校正后激光法與沉降法的相同沉積物類型占91.51%,不相同占8.49%,大部分黏土質(zhì)粉砂已校正為粉砂質(zhì)黏土;這些說(shuō)明對(duì)黏土粒級(jí)的粒徑和含量以及沉積物類型的三種校正已基本達(dá)到目的。相反,激光法按回歸方程校正后的黏土、粉砂平均含量仍相差約20%,相同沉積物類型只占21.69%,不相同占78.31%,表明按回歸方程對(duì)粒級(jí)含量和沉積物類型的校正沒(méi)有實(shí)際意義。研究表明把激光法黏土粒徑校正為<0.01 mm(粉砂粒徑0.063～0.01 mm),就能使黏土、粉砂含量和沉積物類型與沉降法基本相符合,達(dá)到校正基本目的。

南海表層沉積物 沉降法 激光法 粒度分析 對(duì)比和校正

1 沉降法和激光法粒度分析的基本原理

1.1 沉積物粒度定義

表1 質(zhì)點(diǎn)大小的不同定義[1]Table1 The different definition of particle sizemeasurement

沉積物粒度分析方法很多,各種分析方法所依據(jù)的理論或原理不同,使測(cè)得的顆粒直徑不相同。粒度雖然在沉積學(xué)中是使用最廣泛的術(shù)語(yǔ),但是真正的質(zhì)點(diǎn)“大小”并沒(méi)有統(tǒng)一的定義,也許只有個(gè)別例外,如象球體(直徑)或立方體(邊長(zhǎng))那樣最簡(jiǎn)單的幾何形體。但是對(duì)于象砂粒這樣的外形很不規(guī)則的質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō),粒度一般取決于測(cè)量的方法,而測(cè)量的方法又取決于研究的對(duì)象。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)逐漸變得不相等時(shí),與測(cè)量間的差異就逐漸增大。表1歸納了質(zhì)點(diǎn)粒度的不同定義。研究流體中顆粒動(dòng)態(tài)時(shí),顆粒拖曳直徑或斯托克斯直徑比體積直徑有更大的意義。所以量測(cè)選擇反映了研究對(duì)象以及所用的量測(cè)技術(shù)。一般地,對(duì)粒度的一種量測(cè)變換到另一種量測(cè)是以相應(yīng)的同等直徑來(lái)表示的。

1.2 沉積物粒度分析技術(shù)

沉積物粒度測(cè)定技術(shù)和方法的系統(tǒng)總結(jié),以非地質(zhì)觀點(diǎn)寫成的著作有美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM, 1959)、赫丹[2]、艾倫[3]和?？薣4]。沉積物粒度的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)一般包括直接量測(cè)、篩析法、雙目顯微鏡、沉降法、電子顯微鏡。20世紀(jì)80年代,激光衍射法逐漸應(yīng)用于沉積物粒度分析。不同粒度分析技術(shù)因采用的分析原理不一樣,顆粒直徑的計(jì)算方法也就不同,因此,不同方法得出的粒徑大小也不相同。激光粒度分析的粒度大小依照體積直徑(dv)計(jì)算,沉降法粒度分析顆粒直徑為dst(表1)。

1.3 沉降法分析的基本原理

沉降法依據(jù)的基本原理[5],是測(cè)定作為沉降時(shí)間函數(shù)的某一預(yù)定深度處其懸浮液的濃度值,而懸浮液的濃度變化,服從于靜水中質(zhì)點(diǎn)(顆粒)的沉降規(guī)律,即斯托克斯(Stokes)定律。該定律的關(guān)系式為:

式中,r-顆粒(質(zhì)點(diǎn))半徑;μ-液體的黏滯系數(shù);ν-顆粒沉降速度(cm/s);g-重力加速度(980 cm/s);ρ1-顆粒密度;ρ2-液體密度;d-顆粒直徑(mm)。假定顆粒比重為2.65 g/cm3,介質(zhì)為水,則沉降速度為

有了顆粒的沉降速度和在沉降量筒中預(yù)定的取樣深度,即可計(jì)算出大于某一粒徑所有質(zhì)點(diǎn)(顆粒),最終沉積至該點(diǎn)以下所需的時(shí)間。計(jì)算公式為

1.4 激光法粒度分析的基本原理

傳統(tǒng)的粒度分析方法主要是沉降法和篩選法。隨著技術(shù)的發(fā)展,不斷有新的方法被應(yīng)用于粒度分析中。20世紀(jì)70年代,一些學(xué)者提出使用光學(xué)衍射原理測(cè)試顆粒的粒徑[6～8],并由此誕生了激光粒度分析儀。近十幾年來(lái),激光粒度分析在我國(guó)得到了不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用[9]。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)兩種粒度分析法得出的粒度數(shù)據(jù)差異大,資料對(duì)比困難。

激光粒度儀的工作原理是基于光與顆粒之間的作用,在光束中球形顆粒以一定的角度向前散射光線,這個(gè)角度接近于與顆粒直徑相等的孔隙所產(chǎn)生的衍射角。當(dāng)一束單色光束穿過(guò)懸浮的顆粒流時(shí),顆粒產(chǎn)生的衍射光線通過(guò)凸透鏡匯聚于探測(cè)器上。衍射光的強(qiáng)度I(θ)與顆粒的粒徑α有如下關(guān)系:

其中,θ是散射角度,α是顆粒半徑,I(θ)是以θ角散射的光強(qiáng)度,n(α)是顆粒的粒徑分布函數(shù),KL=2π/λL,λL為激光的波長(zhǎng),J1為第一型的貝葉斯函數(shù)。根據(jù)測(cè)得的I(θ),可由以上方程求得粒徑分布n (α)。詳細(xì)的方程求解可參考Weiner[10]以及Agrawal等[11]。

2 樣品采集和實(shí)驗(yàn)室粒度分析

南海東部(12.00°～22.00°N,116.75°～121.25° E)海域[12]106個(gè)表層沉積物采樣器為大洋50型抓斗。激光法采用我所粒度分析實(shí)驗(yàn)室英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MAM5005型激光粒度分析儀,粒徑測(cè)量范圍為0.05～2 000μm,粒級(jí)分辨率為0.01φ,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差<3%。粒度分析按海洋調(diào)查規(guī)范[13]要求進(jìn)行,取濕沉積物樣約1 g置于燒杯中,將溶液樣品加入0.5mol/L的六偏磷酸鈉5 ml進(jìn)行攪拌,靜置24 h后進(jìn)行粒度分析。

沉降法(和篩析法)粒度分析由中國(guó)海洋大學(xué)完成,按照海洋調(diào)查規(guī)范[5],取一定量的沉積物樣品置于烘箱105℃的溫度下烘干,取出并置于干燥器內(nèi),稱取樣品10～15 g;將樣品移入燒杯加蒸餾水,加20 ml 0.5 mol/L的六偏磷酸鈉,浸泡12 h;將分析樣倒入孔徑為0.063 mm的小篩中過(guò)篩,用蒸餾水沖洗,使<0.063 mm的物質(zhì)充分沖洗入量筒中。粒徑> 0.063 mm的物質(zhì)烘干稱重后篩析,用孔徑間隔為0.5φ的篩子由粗到細(xì)振篩15 min,將各粒級(jí)樣品烘干后稱量,求出各粒級(jí)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。將粒徑< 0.063 mm的物質(zhì)加蒸餾水至1 000 m l,在吸液前讀取懸液溫度;攪拌1 min,使物質(zhì)充分懸散在懸液中,在最后1s內(nèi)輕輕提出攪拌棒,沉降時(shí)間由此起算,按規(guī)定時(shí)間和深度吸取懸液;吸液前15 s將吸液管輕輕置于懸液的特定深度,吸液時(shí)應(yīng)在20 s內(nèi)勻速準(zhǔn)確地吸取25 ml;將吸取的懸液置于小燒杯烘干后稱重,求出各級(jí)粒級(jí)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

3 沉降法和激光法粒度分析結(jié)果對(duì)比

3.1 南海表層沉積物

南海東部海域水深為700～4 508 m的106個(gè)表層沉積物沉降法和激光法粒度分析主要結(jié)果見表2。粒度分析資料按水深<2 000 m和>2 000 m兩個(gè)水深段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

沉降法:水深<2 000 m沉積物的平均粒徑(Mz)為11.45μm,砂、粉砂、黏土的平均含量分別為21.24%、41.14%和37.63%;水深>2 000 m沉積物的平均粒徑為3.37μm,砂、粉砂、黏土的平均含量分別為3.66%、42.43%和53.91%。

激光法:水深<2 000 m沉積物的平均粒徑為12.30μm,砂、粉砂、黏土的平均含量分別為12.95%、62.06%和25.00%;水深>2 000 m沉積物的平均粒徑為9.69μm,砂、粉砂、黏土的平均含量分別為9.26%、61.11%和29.64%。

這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:沉降法與激光法得出的粒度分析數(shù)據(jù)差別很大,特別是粉砂、黏土含量和平均粒徑的差異非常大,這些差異最終嚴(yán)重地影響到沉積物類型,導(dǎo)致水深>2 000 m海域的沉積物類型為黏土質(zhì)粉砂,而不是粉砂質(zhì)黏土。

3.2 東太平洋表層沉積物

表2 南海東部海域表層沉積物的粒度結(jié)構(gòu)和平均粒徑(n=106)Table2 Grain size structure and mean of surface sediments of eastern South China Sea

表3 太平洋中國(guó)多金屬結(jié)核開辟區(qū)表層沉積物沉降法和激光法粒度分析對(duì)比Table3 Comparison of laser and pipette grain size analysis of surface sediments in Pacific

東太平洋中國(guó)多金屬結(jié)核開辟區(qū)表層沉積物沉降法和激光粒度分析結(jié)果見表3。沉降法粒度分析得出砂、粉砂、黏土平均含量分別為2.66%、23.94%和73.40%,平均粒徑為2.20μm。激光法得出的砂、粉砂、黏土平均含量分別為13.92%、53.16%和32.92%,平均粒徑為9.80μm。從激光法的黏土含量和平均粒徑看,東太平洋沉積物類型仍然達(dá)不到深海黏土類應(yīng)有的水平。因此對(duì)激光法粒度分析數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的校正工作是必須要做的,否則像南海東部、東太平洋水深>2 000 m的深海區(qū)域就沒(méi)有深海黏土類沉積物,這不符合現(xiàn)有深海沉積物類型分布的實(shí)際情況。

4 激光法粒度分析結(jié)果校正

4.1 以往激光法粒度分析結(jié)果校正研究

20世紀(jì)80年代后國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用激光粒度分析儀,隨之引發(fā)的是激光法與傳統(tǒng)法粒度分析數(shù)據(jù)的對(duì)比和校正。歸納起來(lái)可分為三方面工作:通過(guò)激光法與沉降法(和篩析法)粒度分析數(shù)據(jù)對(duì)比和相關(guān)分析、建立回歸方程對(duì)樣品各粒級(jí)組分含量校正;通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和用掃描電鏡對(duì)沉積物樣品形態(tài)的觀測(cè),針對(duì)樣品某一粒級(jí)的粒徑和含量進(jìn)行校正;對(duì)沉積物樣品進(jìn)行除鈣質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的前處理,對(duì)樣品各粒級(jí)粒徑和含量不校正。

(1)國(guó)內(nèi)對(duì)激光法和沉降法粒度數(shù)據(jù)主要進(jìn)行對(duì)比和相關(guān)分析、建立回歸方程以修正激光法與沉降法(和篩析法)分析結(jié)果的差異。陳秀法等[15]、陳仕濤等[16]激光法與沉降法的粒度分析對(duì)比表明,激光法結(jié)果相對(duì)偏粗,差異主要反映在>9φ,平均粒徑的相關(guān)系數(shù)r=0.9864,F顯著性檢驗(yàn)表明回歸方程可作為激光法與沉降法兩種數(shù)據(jù)換算公式使用。仝長(zhǎng)亮等[17]對(duì)江蘇潮灘沉積物的激光法與沉降法(和篩析法)得出的粒級(jí)和粒度參數(shù)進(jìn)行相關(guān)和回歸分析,認(rèn)為平均粒徑存在良好的線性關(guān)系,沉降法測(cè)得的細(xì)顆粒較激光法多,兩種方法之間的換算關(guān)系與研究區(qū)域和沉積物的粒度組成有關(guān)。

(2)國(guó)外從沉降法與激光法粒度分析的不同原理著手,通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和掃描電鏡對(duì)沉積物組分的形態(tài)觀測(cè),針對(duì)某一粒級(jí)粒徑和含量進(jìn)行校正.artin等[18]根據(jù)斯托克斯定律,對(duì)非球形顆粒的沉降行為的數(shù)學(xué)求導(dǎo),證實(shí)了激光法直徑和沉降法直徑之間的相互關(guān)系。直徑7.9μm、高0.29μm的一個(gè)板狀顆粒(plate-like particles),以水平方式沉降,相當(dāng)于一個(gè)直徑2μm的球形顆粒。若垂直沉降,直徑6.5 μm、高0.23μm的一個(gè)板狀顆粒,也與一個(gè)直徑2 μm的球形顆粒相當(dāng)。這些數(shù)學(xué)計(jì)算證明了沉降法直徑2μm顆粒等于激光法直徑8μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了重要因子是黏土顆粒的形狀。實(shí)驗(yàn)還表明,無(wú)論是土壤、還是海洋和湖泊沉積物,黏土組分中都存在板狀顆粒.olfgang等[19～22]對(duì)土壤樣品的激光粒度分析結(jié)果表明黏土含量少的樣品,激光法和沉降法分析結(jié)果相同。隨著樣品中黏土含量增加,兩種粒度分析結(jié)果的差異逐漸增大。差異主要來(lái)自黏土和粉砂組分中的板狀顆粒。激光法粒度分析表明黏土含量要比沉降法的少。板狀顆粒因?yàn)槌两德?沉降法把它們作為直徑小得多的顆粒。激光法粒度分析對(duì)顆粒進(jìn)行全方位測(cè)定,測(cè)得的顆粒直徑大于沉降法。所以,激光法粒度分析測(cè)得的粉砂含量比黏土的多。沉降法粒度分析表示有70%黏土,而激光法粒度分析結(jié)果可能只有20%。電子顯微圖證實(shí)了直徑為10 μm的板狀顆粒在沉降法樣品中測(cè)定出是1～2μm顆粒占優(yōu)勢(shì).usumu[23]對(duì)東亞陸架邊緣懸浮體樣品中不可燃組分分析表明,南海表層水中普遍存在著板狀黏土礦物和生物骨骼碎片。章偉艷等[24～26]用顯微鏡鑒定分析也得出長(zhǎng)江口-杭州灣及其鄰近海域沉積物中含有大量植物碎片。因此需要對(duì)南海東部海域表層沉積物的激光法黏土粒級(jí)的粒徑和含量、沉積物類型這三方面作系統(tǒng)校正。

(3)藍(lán)先洪等[27]對(duì)南黃海沉積物樣品進(jìn)行前處理(樣品中加入過(guò)量的鹽酸及過(guò)氧化氫),對(duì)樣品除鈣質(zhì)及有機(jī)質(zhì)。激光法與沉降法(和篩析法)的粒度分析對(duì)比表明,激光法和篩析法結(jié)果很接近;黏土粒級(jí)的激光法與沉降法(和篩析法)分析結(jié)果呈弱正相關(guān);激光法粒度分析結(jié)果可靠,可以替代傳統(tǒng)的粒度分析方法。砂、粉砂、黏土三種粒級(jí)的相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.927、0.871、0.615。這也表明盡管對(duì)樣品進(jìn)行去鈣和有機(jī)質(zhì)的前處理,激光法和沉降法得出的黏土粒級(jí)含量的相關(guān)性仍然較差。

4.2 沉降法和激光法粒度資料相關(guān)和回歸分析

沉降法與激光法粒度分析的主要差異是黏土粒徑、這個(gè)差異將直接影響到黏土、粉砂含量和沉積物類型。本文研究目的是對(duì)激光法的黏土和粉砂粒徑校正、黏土和粉砂含量校正、沉積物類型校正。根據(jù)上述情況,先對(duì)兩種粒度分析方法得出的粒度分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、相關(guān)分析和建立回歸方程方程。南海東部海域106個(gè)表層沉積物樣品的沉降法和激光法原始粒度分析數(shù)據(jù)對(duì)比、相關(guān)分析和回歸分析表明:沉降法和未校正激光法的砂、粉砂、黏土的相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.496 6、0.297 3、0.368 4,均為強(qiáng)正相關(guān)(注:n=106,α=0.05,r=0.196,α=0.01,r= 0.255,α=0.001,r=0.324),粉砂和黏土的相關(guān)性相對(duì)而言較砂的弱(表4)。未校正的砂、粉砂、黏土回歸方程分別為:

砂:y=0.3876x+7.5003,r=0.4966

粉砂:y=0.1492x+54.907,r=0.2973

黏土:y=0.1823x+19.619,r=0.3684

式中y為激光法,x為沉降法。激光法按回歸方程校正后的砂、粉砂、黏土與沉降法的相關(guān)系數(shù)(r)均為1,而回歸方程仍未變化(表4)。從相關(guān)系數(shù)看,按回歸方程校正的效果似乎非常顯著,其實(shí)不然。

4.3 激光法黏土粒級(jí)的粒徑和含量校正

根據(jù)Martin等[18～22]的數(shù)學(xué)計(jì)算和電鏡觀測(cè)結(jié)果得出“沉降法顆粒直徑2μm(0.002 mm)等于激光法直徑8μm(0.008 mm),激光法直徑為10μm(0.01 mm)的板狀顆粒用沉降法測(cè)定則是1～2μm(0.001 ～0.002 mm)顆粒占優(yōu)勢(shì)”重要認(rèn)識(shí),我們將黏土粒級(jí)的粒徑校正為<0.01 mm,響應(yīng)的粉砂粒級(jí)的粒徑校正為0.01～0.063 mm。在此基礎(chǔ)上建立激光法校正后粉砂(0.063～0.01 mm)、黏土(<0.01 mm)的回歸方程分別為:

粉砂:y=0.129x+30.714,r=0.2083

黏土:y=0.3013x+38.468,r=0.3347

式中y為激光法,x為沉降法。激光法校正后粉砂(r=0.2083)和黏土(r=0.3347)相關(guān)系數(shù)也屬?gòu)?qiáng)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)大小與校正前基本不變(表4)。

表4 激光法和沉降法的各粒級(jí)的相關(guān)和回歸分析(y=激光法,x=沉降法,n=106)Table4 Relationship and regression of different grain size class based on laser and pipette analysis

圖1、圖2分別是南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正前的粉砂含量、黏土含量對(duì)比圖,表5是激光法各粒級(jí)含量校正前后對(duì)比。由圖表可知,沉降法粉砂含量圍繞平均值(42.28%)波動(dòng),而激光法粉砂含量圍繞平均值(61.21%)波動(dòng);沉降法黏土含量圍繞平均值(52.07%)波動(dòng),而激光法粉砂含量圍繞平均值(29.11%)波動(dòng)。沉降法和激光法校正前粉砂、黏土平均值相差和波動(dòng)幅度達(dá)約20%。

圖1 南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正前的粉砂含量對(duì)比Fig.1 Comparison of silt percentage content by laser grain size analysiswith pipette pre-calibration

圖2 南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正前的黏土含量對(duì)比Fig.2 Comparison of clay percentage content by laser grain size analysiswith pipette pre-calibration

圖3、圖4分別是南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正后的粉砂含量、黏土含量對(duì)比圖。由圖和表5可知,激光法校正后粉砂(0.01～0.063 mm)平均含量為36.17%和黏土(<0.01 mm)平均含量為54.16%,已非常接近沉降法的各自含量,沉降法和激光法校正后粉砂、黏土含量變化曲線已在相當(dāng)程度上相吻合,可以說(shuō),基本達(dá)到將激光法黏土、粉砂含量校正到沉降法水平的目的。相反,按回歸方程校正后的激光法粉砂、黏土平均含量沒(méi)有變化,仍然分別是62.21%、29.11%,而沉降法的粉砂和黏土含量分別為42.28%和52.07%。沉降法和激光法粉砂、黏土含量變化曲線仍然相差懸殊,含量相差幅度達(dá)約20%,只是波動(dòng)幅度略比校正前小些,實(shí)際上沒(méi)有起到校正作用。當(dāng)然,需要說(shuō)明的是本次僅涉及南海東部海域表層沉積物的研究。

圖3 南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正后的粉砂含量對(duì)比Fig.3 Comparison of silt percentage content by laser grain size analysiswith pipette post-calibration

圖4 南海東部海域表層沉積物沉降法和激光法校正后的黏土含量對(duì)比Fig.4 Comparison of clay percentage content by laser grain size analysiswith pipette post-calibration

4.4 激光法沉積物類型校正

沉積物粒度分析的主要目的是為確定沉積物類型,對(duì)激光法沉積物類型校正是我們研究的最終目的。本文主要討論沉降法和激光法粒度分析差異,因此只根據(jù)粒度結(jié)構(gòu)劃分沉積物類型,不涉及深海沉積物分類[28]其他方面知識(shí)。沉降法粒度分析得出南海東部海域表層沉積物類型主要是粉砂質(zhì)黏土(69.81%),其次是黏土質(zhì)粉砂(19.81%),其他類型所占比例(11.38%)很小;激光法的主要沉積物類型是黏土質(zhì)粉砂(89.62%),其次是砂質(zhì)粉砂(10.38%),沒(méi)有其他類型,與沉降法的主要差別是粉砂-黏土級(jí)含量。如果激光法的黏土、粉砂粒徑不作校正,激光法沉積物類型與沉降法沉積物類型相同的只占21.69%,不同的占78.31%(表6)。

激光法黏土粒級(jí)校正為<0.01 mm(粉砂粒徑校正為0.01～0.063 mm),校正后激光法沉積物類型與沉降法沉積物類型相同的占91.51%,不同的只占8.49%,值得一提的是大部分黏土質(zhì)粉砂已校正為粉砂質(zhì)黏土,起到校正激光法沉積物類型的作用。

激光法各粒級(jí)含量按回歸方程校正,9個(gè)站由原來(lái)的ST校正為YT,校正后2個(gè)站為ST,其余104個(gè)站為YT,沒(méi)有其它沉積物類型。校正后激光法沉積物類型與沉降法沉積物類型相同的只占21.69%,不同的占78.31%,與校正前一樣,實(shí)際上沒(méi)有起到校正激光法沉積物類型的作用。

表6 沉降法與激光法粒度分析得出的沉積物類型對(duì)比(n=106)Table6 Comparison of sediment types based on laser grain size analysis w ith pipette

5 結(jié)論

本研究目的是對(duì)激光法黏土粒徑和含量及沉積物類型的系統(tǒng)校正。南海東部水深>2 000m海域沉降法得出砂、粉砂、黏土含量分別為 3.66%、42.43%、53.91%,激光法得出砂、粉砂、黏土含量分別為9.26%、61.11%、29.64%,兩種粒度分析得出的粉砂、黏土含量相差達(dá)約20%。沉降法得出南海東部海域表層沉積物類型主要是粉砂質(zhì)黏土(69.81%),其次是黏土質(zhì)粉砂(19.81%),其他類型所占比例很小(11.38%)。激光法得出沉積物類型主要是黏土質(zhì)粉砂(89.62%),其次是砂質(zhì)粉砂(10.38%),沒(méi)有其他類型,激光法與沉降法得出的沉積物類型相同的只占21.69%,不同的占78.31%,主要差別在于黏土、粉砂含量。沉降法與激光法粒度分析結(jié)果差別很大,如果不作校正,兩種分析方法得出的粒度結(jié)構(gòu)和沉積物類型對(duì)比沒(méi)有意義。

激光法的黏土粒徑校正為<0.01 mm(響應(yīng)的粉砂粒徑校正為0.063～0.01 mm),黏土、粉砂的平均含量分別校正為54.16%、36.17%,已非常接近沉降法的黏土(52.07%)和粉砂(42.28%)含量;校正后激光法與沉降法的相同沉積物類型占91.51%,不同的占8.49%,大部分黏土質(zhì)粉砂已校正為粉砂質(zhì)黏土;校正后粉砂、黏土相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.320 3、0.334 7,屬?gòu)?qiáng)正相關(guān),說(shuō)明黏土粒級(jí)粒徑、粒級(jí)含量和沉積物類型的三種校正已基本達(dá)到目的。相反,激光法按回歸方程校正后的黏土、粉砂平均含量沒(méi)有變化,仍然是29.11%、62.21%,沉降法和激光法黏土、粉砂含量相差仍達(dá)20%,只是波動(dòng)幅度比校正前略小,校正后相同沉積物類型只占21.69%,不同的占78.31%,表明按回歸方程對(duì)粒級(jí)含量和沉積物類型的校正沒(méi)有實(shí)際意義。

沉降法、激光法粒度分析資料進(jìn)行粒度結(jié)構(gòu)對(duì)比、沉積物類型劃分和圖件編制、沉積學(xué)基礎(chǔ)研究,首先需要對(duì)不同分析方法得出的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行認(rèn)真對(duì)比和校正。本次研究表明,沉降法與激光法粒度分析的主要差異在黏土粒級(jí),激光法黏土粒徑校正為<0.01 mm(粉砂粒徑校正為0.063～0.01 mm),就能對(duì)黏土粒徑和含量及沉積物類型的三種校正達(dá)到基本目的,而按回歸方程校正沒(méi)有實(shí)際意義。

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Com parison and Calibration of Laser Grain Size Analysis w ith Pipette-sieve M ethod:A solution for the underestimation of the clay fraction of surface sediments from the Eastern South China Sea

ZHANG Fu-yuan1FENG Xiu-li2ZHANGWei-yan1LIN Lin2ZAHNG Xiao-yu3YAO Xu-ying1
(1.Key Lab of Submarine Sciences of SOA,Second Institute of Oceanography of SOA,Hangzhou 310012; 2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003;3.Zhejiang University,Hangzhou 310012)

Classically,the grain size of sediment samples is determined by the sievemethod for the coarse fractions and by the pipettemethod,based on the Stokes'sedimentation rates,for the fine fractions.Results from the pipette method are compared with results from laser diffraction size analysis using a set of random ly selected 106 surface sediments which are collected from the Eastern South China Sea.The aim of this research is to calibrate systematically the grain size and content of clay fraction and sediment type achieved from laser diffractometry.

The contents of sand,silt,and clay in sediments of eastern South China Sea with depth more than 2 000 m were 3.7%,42.4%and 53.9%,respectively,obtained from standard sedimentation method,and 9.3%,61.1%,29.6%respectively from laser diffractometry.The deviation of contents of silt and clay fraction obtained from the two methods is about20%.he sediment types obtained from the eastern South China Sea obtained from sedimentation method are essentially silty clay of 69.8%,and secondly is clay 19.8%.here is very small amount of other types, only 11.4%.hemain sediment type based on laser diffractometry is clayey siltof89.6%,and secondly is sandy silt of about10.4%,there is no any other types obtained.The agreement of sediment type between the two methods is only 21.7%,whichmeans there are significant discrepancies for the contents of clay fraction achieved from two differentmethods。

Therefore,it is not possible to compare the contents of different grain size and sediment type obtained from the twomethodswithout calibration.The grain size of clay fraction from lasermethod was calibrated to<0.01 mm,and 0.063～0.01 mm for silt correspondingly.The contents of clay and silt fraction are 54.2%and 36.2%,respectively,after calibration,which is very close to the result of 52.1%for the clay fraction and 42.3%for the silt fraction from the sedimentation method.The agreement between sedimentation method and calibrated lasermethod is91.5%.ost of clayey silt is calibrated to silty clay.The correlation coefficients are 0.3203 for the silt fraction and 0.3347 for the clay fraction after calibration.The relationship appears to be positively strong,indicating that the calibration for grain size and content of clay fraction is successful。

However,there is no distinct improvement for the content of clay and silt fraction calibrated according to regressive equation.The contents are 29.1%and 62.2%,respectively.The discrepancy between the content of clay and silt fraction from twomethods is20%,but there is lower amplitude of variation.The agreement of sediment typewith regressivemethod is only 21.7%,whichmeans the discrepancy arrives at78.3%,indicating that calibration with regressive equation for content of clay and silt fraction and sediment type.The research suggested that after the grain size were calibrated to<0.01mm for clay fraction and 0.063～0.01mm for silt fraction,the contents of clay and silt fraction and sediment type agreed wellwith those from sedimentation method.There is almost no improvement using regressive calibration。

surface sediments in South China Sea;pipette method;lasermethod;grain size analysis;comparison and calibration

張富元 男 1952年出生 研究員 海洋地質(zhì) E-mail:fyzhang2003@163.om

P512.2 P736

A

1000-0550(2011)04-0767-09

①國(guó)家科學(xué)技術(shù)部基礎(chǔ)性項(xiàng)目(編號(hào):2006FY220400),浙江省908專項(xiàng)(編號(hào):ZJ908-02-01),海洋二所基本科研專項(xiàng)(編號(hào):JG1108)資助。

2010-06-20;收修改稿日期:2010-09-25