南海瓊東陸架海洋沉積物粒度分形特征及其影響因素

張一輝，徐利強(qiáng)*，吳禮彬，周 鑫

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

0 引 言

分形現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，用于表示局部和整體的相似程度，即自相似性[1]。自Mandelbrot在20世紀(jì)60年代提出分形理論以來(lái)，分形理論已廣泛應(yīng)用于多個(gè)研究領(lǐng)域。研究表明，碎屑物質(zhì)(如冰磧物、斷層泥、湖泊沉積物等)也存在一定的分形特征[2-4]。分維值是描述分形特征的參數(shù)，不同碎屑物質(zhì)的粒度分維值存在明顯的差異性。分析沉積物的粒度組成與分形特征，對(duì)于深入理解沉積環(huán)境具有重要意義。

海洋沉積物是研究海洋沉積環(huán)境及其變化的重要研究對(duì)象[5-6]。在海洋沉積物的各項(xiàng)分析指標(biāo)中，粒度是一種基本屬性，是對(duì)沉積物進(jìn)行分類(lèi)和命名的依據(jù)[7-8]，也是反映海水動(dòng)力環(huán)境的重要指標(biāo)。

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海，對(duì)區(qū)域乃至全球環(huán)境變化十分敏感[5]，是進(jìn)行環(huán)境演變研究的理想?yún)^(qū)域。目前，在南海僅見(jiàn)東部69沉積柱樣粒度分形特征的公開(kāi)報(bào)道[9]，對(duì)該地區(qū)其他海域沉積物的粒度分形特征研究還十分匱乏。南海瓊東海域沉積物的粒度分形特征及其影響因素尚不明確。本文擬通過(guò)分析采自南海瓊東陸架海域的3根沉積柱樣，結(jié)合粒度測(cè)試和分析，重點(diǎn)對(duì)不同點(diǎn)位樣品的粒度分形特征進(jìn)行探討，并對(duì)其影響因素進(jìn)行討論，為進(jìn)一步探討粒度分維值隨時(shí)間序列的變化及其環(huán)境意義分析奠定基礎(chǔ)。

1 樣品采集與分析方法

1.1 樣品采集

本研究所使用的樣品采自南海瓊東陸架海域的3根沉積柱(C1、C2、C4)，柱樣取自垂直于海岸線(xiàn)的斷面上[10]，采樣點(diǎn)水深沿離岸方向逐漸增加，3根沉積柱位置如圖1所示，采樣信息見(jiàn)表1。采樣時(shí)間為2013年8月，考察船為中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)3號(hào)”綜合科學(xué)考察船，采樣工具為箱式采樣器。待采樣器出水后，將長(zhǎng)度為60 cm、直徑為7 cm的PVC管垂直插入，取出密封。沉積柱樣在-18 ℃環(huán)境下冷凍保存。沉積柱C1、C2按1 cm間隔分樣，沉積柱C4按0.8 cm間隔分樣。

表1 采樣信息Tab.1 Sampling Information

圖1 南海瓊東陸架海洋沉積物采樣位置Fig.1 Sampling Location of Marine Sediments from the East Continental Shelf of Hainan Island, South China Sea

1.2 分析方法

在對(duì)樣品進(jìn)行粒度分析前，需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。取少量自然風(fēng)干的沉積物樣品，加入過(guò)量H2O2去除有機(jī)質(zhì)雜質(zhì)，直至無(wú)氣泡冒出后，離心去除上清液；然后加入過(guò)量HCl去除碳酸鹽，再次離心去除上清液后，加入(NaPO3)6作為分散劑，最后使用激光粒度儀進(jìn)行粒度分析[11]。分析單位為合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心，所使用的激光粒度儀型號(hào)為Malvern Mastersizer 2000，粒度測(cè)量范圍為0.02～2 000.00 μm，測(cè)試相對(duì)誤差小于1%。粒級(jí)以 Krumbein粒度(φ)計(jì)，計(jì)算公式為φ=-log2D， 其中，D為粒級(jí)。

經(jīng)H2O2和HCl處理過(guò)的樣品可能含有少量的生物硅，但由于樣品采自陸架區(qū)(水深小于200 m)，生物硅含量一般很低[12]。體式顯微鏡下觀(guān)察也顯示放射蟲(chóng)、海綿骨針等硅質(zhì)生物含量很低。因此，生物硅不會(huì)對(duì)碎屑物質(zhì)的粒度組成產(chǎn)生顯著影響，處理后的樣品粒度能夠反映陸源碎屑物質(zhì)的粒度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 粒度組成

根據(jù)尤登—溫德華氏(Udden-Wentworth)粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，樣品顆粒按粒徑大小分為黏土(<4 μm)、粉砂(4～63 μm)、砂(63～2 000 μm)和礫(>2 000 μm)等4個(gè)粒級(jí)。3根沉積柱均不含礫，其粒度組成如圖2所示。按照福克的沉積物分類(lèi)方法，沉積柱C1主要為砂質(zhì)泥，沉積柱C2全部為砂質(zhì)粉砂，沉積柱C4主要為粉砂。

由圖2可知：隨著離岸距離增加，沉積柱樣中黏土與砂的比值下降，粉砂比例上升，黏土含量相對(duì)穩(wěn)定；由沉積柱C1過(guò)渡到沉積柱C4，樣品點(diǎn)的分布范圍逐漸集中，這在一定程度上反映水動(dòng)力條件逐漸減弱，且變得更為穩(wěn)定。

2.2 粒度參數(shù)特征

本文使用矩法[13]計(jì)算各沉積柱樣的粒度參數(shù)。計(jì)算公式為

式中：Mz為平均粒徑；Sd為標(biāo)準(zhǔn)偏差；Miφ為粒級(jí)；fi為粒徑頻段i對(duì)應(yīng)的頻率[14]；Sk為偏度；Ku為峰度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，沉積柱C1、C2和C4樣品平均粒徑分別為(5.33±0.31)Φ、(6.14±0.20)Φ和(6.26±0.11)Φ，顆粒整體上比較細(xì)，且隨著離岸距離的增加，平均粒徑逐漸減小(圖3)。標(biāo)準(zhǔn)偏差與樣品的分選性有關(guān)，其值越大，分選性越差[14]。沉積柱C1和C2樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值分別為(2.59±0.09)Φ和(2.19±0.12)Φ，沉積柱C4樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為(1.82±0.05)Φ，其樣品的分選性較沉積柱C1和C2來(lái)說(shuō)要好，3根沉積柱樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨水深增加而降低，這與粒度組成中樣品點(diǎn)分布逐漸集中的趨勢(shì)一致。3根沉積柱樣的偏度范圍分別為0.03～0.77、-0.15～0.17和0.37～0.59，平均值分別為0.40、-0.02和0.48，沉積柱C2樣品粒度分布的對(duì)稱(chēng)性要優(yōu)于沉積柱C1和C4。峰度平均值分別為1.75±0.29、2.27±0.11和2.70±0.07，其值逐漸增大，沉積柱C1峰態(tài)較沉積柱C2與C4要寬[13]。與南海北部表層海洋沉積物[15]相比，瓊東陸架表層(0～5 cm)海洋沉積物總體上粒度偏小，分選性較差；南海北部海洋沉積物偏度變化范圍較大，且平均值高于瓊東陸架表層海洋沉積物；瓊東陸架表層海洋沉積物峰度與南海北部樣品較為接近。

從空間變化角度來(lái)看，隨著離岸距離和水深的增加，樣品的平均粒徑逐漸變小，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小，分選性變好，峰態(tài)逐漸變窄，偏度變化規(guī)律不明顯。

2.3 分形特征

本文使用冪指數(shù)法來(lái)計(jì)算粒度分維值。計(jì)算步驟為：①繪制m(r)/m和r的散點(diǎn)圖(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系)，其中r范圍為5%～95%的無(wú)標(biāo)度區(qū)間；②擬合得到線(xiàn)性回歸方程的斜率b；③利用公式D=3-b，計(jì)算得到粒度分維值D[16-17]。式中，m(r)/m為直徑小于r的顆粒累積質(zhì)量與樣品總質(zhì)量的比值，假設(shè)顆粒的密度不變，此處可用累積體積百分比代替。各沉積柱代表性樣品的lg(m(r)/m)-lgr圖解如圖4所示，二者在統(tǒng)計(jì)意義上顯著正相關(guān)(判定系數(shù)高于0.9)，說(shuō)明樣品粒度具有分形特征。

樣品C1-1、C2-18、C4-1擬合線(xiàn)判定系數(shù)分別為0.94、0.92、0.98圖4 代表性樣品lg(m(r)/m)-lg r圖解Fig.4 Diagrams of lg(m(r)/m)-lg r of Representative Samples

圖5 沉積柱C1、C2和C4樣品粒度分維值隨深度的變化Fig.5 Changes of Fractal Dimensions of Samples from Sediment Cores C1, C2 and C4 with Depth

利用上述方法，計(jì)算得到3根沉積柱樣的粒度分維值隨深度的變化如圖5所示。沉積柱C1、C2和C4樣品的粒度分維值范圍分別為2.51～2.54、2.39～2.50和2.24～2.34，平均值分別為2.52、2.45和2.30。3根沉積柱樣的粒度分維值存在顯著差異，其值隨著離岸距離增加而逐漸減小，說(shuō)明不同沉積環(huán)境下沉積物粒度的分形特征存在差異。

對(duì)比其他區(qū)域，在相同的無(wú)標(biāo)度區(qū)間內(nèi)(累積體積百分比5%～95%)，沉積柱C4樣品分維值與東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)EC2005孔粒度分維值(范圍為2.10～2.48，平均值為2.30[17])和黃海硬黏土的粒度分維值(范圍為2.16～2.52，平均值為2.31[18])較為接近。相比其他類(lèi)型的沉積物，沉積柱C1樣品的粒度分維值處于較高水平，這可能與其較差的分選性有關(guān)。

沉積柱C1、C2、C4擬合線(xiàn)判定系數(shù)分別為0.32、0.84、0.89圖6 粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation Relationships Between Fractal Dimension and Standard Deviation

研究表明，沉積物的分選性會(huì)對(duì)粒度分維值產(chǎn)生影響[19]。沉積柱C1、C2、C4樣品的粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差間的相關(guān)性分析如圖6所示。由圖6可知，沉積柱C1樣品的粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差的線(xiàn)性關(guān)系相對(duì)較差，而沉積柱C2與C4樣品的粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差間存在明顯的線(xiàn)性關(guān)系，盡管沉積柱C1樣品的粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差相關(guān)性略差，但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上仍具顯著性。近海海洋沉積物的這種特征與砂巖、湖泊沉積物和風(fēng)成沉積物具有一致性[20-22]。沉積柱C1樣品的平均粒徑較大，因水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，沉積物的分選性較差，致使沉積體系相對(duì)復(fù)雜，粒度分維值偏大。隨著離岸距離和水深的增加，水動(dòng)力減弱，沉積物的分選性變好(圖3)，沉積體系變得相對(duì)簡(jiǎn)單，粒度分維值逐漸變小。

2.4 沉積環(huán)境對(duì)粒度分維值的影響

由于3根沉積柱的采樣點(diǎn)水深存在變化，各采樣點(diǎn)沉積環(huán)境也可能存在差別，本文對(duì)沉積環(huán)境和粒度分維值之間的關(guān)系也進(jìn)行了探討。沉積物粒度C-M圖是研究沉積環(huán)境的理想工具之一[23]，沉積柱C1、C2、C4樣品粒度C-M圖如圖7所示。

C為顆粒含量1%處對(duì)應(yīng)的粒徑；M為顆粒含量50%處對(duì)應(yīng)的粒徑(粒度中值)圖7 沉積柱C1、C2和C4樣品粒度C-M圖Fig.7 C-M Plot of Samples from Sediment Cores C1, C2 and C4

3根沉積柱的沉積物樣品分布在C-M圖(圖7)中的不同位置，這意味著3個(gè)采樣點(diǎn)位的沉積環(huán)境存在明顯差別。沉積柱C1樣品的M值變化幅度很大，而C值維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平。與之不同的是，沉積柱C4樣品的M值變化幅度較小，但C值變化幅度很大，沉積柱C2處于沉積柱C1和C4的過(guò)渡區(qū)域。從3根沉積柱樣C-M圖來(lái)看，沉積柱C1屬于牽引流沉積中的OP段，沉積物碎屑的搬運(yùn)方式以滾動(dòng)為主；沉積柱C4屬于牽引流沉積中的PQ段，搬運(yùn)以懸移為主；沉積柱C2樣品的搬運(yùn)方式是從滾動(dòng)(沉積柱C1)向懸移(沉積柱C4)方式轉(zhuǎn)變的過(guò)渡環(huán)節(jié)。這從側(cè)面反映了沿離岸方向水動(dòng)力逐步減弱[24]。

通過(guò)對(duì)3根沉積柱樣的粒度分維值進(jìn)行對(duì)比可知：以滾動(dòng)搬運(yùn)方式為主的沉積柱C1樣品的粒度分維值最大；而以懸移搬運(yùn)方式為主的沉積柱C4粒度分維值最小；采樣點(diǎn)位于沉積柱C1和C4之間的沉積柱C2搬運(yùn)方式介于二者之間，其樣品的粒度分維值也處于中等水平。因此，碎屑物質(zhì)的搬運(yùn)方式也會(huì)對(duì)沉積物的粒度分維值產(chǎn)生影響。在瓊東陸架海域，滾動(dòng)組分的粒度分維值要明顯高于懸移組分，躍移組分的粒度分維值處于二者之間。

總體而言，沉積柱樣的水動(dòng)力與粒度參數(shù)和分維值之間存在一定的關(guān)聯(lián)。以沉積柱C1為例，其水動(dòng)力較大，搬運(yùn)能力較強(qiáng)，碎屑物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式以滾動(dòng)為主，較強(qiáng)的水動(dòng)力導(dǎo)致沉積物的砂含量高，平均粒徑較大，但分選性較差，沉積體系相對(duì)復(fù)雜，進(jìn)一步使得碎屑物質(zhì)的粒度分維值偏高。因此，在今后的研究中可應(yīng)用粒度分維值分析，并結(jié)合年代學(xué)研究，重建古環(huán)境演變過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)南海瓊東陸架海域不同海水深處的沉積柱C1、C2和C4樣品的粒度在累積體積百分比5%～95%的無(wú)標(biāo)度區(qū)間內(nèi)均具有明顯的分形特征，粒度分維值總體為2.24～2.54；隨著離岸距離的增加，樣品的分選性變好，粒度分維值逐漸降低。

(2)粒度分維值與標(biāo)準(zhǔn)偏差在統(tǒng)計(jì)意義上顯著正相關(guān)，分選性會(huì)對(duì)粒度的分形特征產(chǎn)生影響。

(3)C-M圖分析表明，顆粒的主體搬運(yùn)方式由沉積柱C1的滾動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e柱C4的懸移，水動(dòng)力逐漸減弱。以滾動(dòng)為主要搬運(yùn)方式的顆粒粒度分維值較大，以懸移為主要搬運(yùn)方式的顆粒粒度分維值相對(duì)較小，這說(shuō)明分形程度也受搬運(yùn)方式和水動(dòng)力條件的影響。

本研究得到2013年度國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)南海西部綜合航次的支持，樣品采集過(guò)程中得到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉曉東教授和中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所向榮研究員的大力幫助，合肥工業(yè)大學(xué)李振生副研究員參與本文討論，在此一并表示感謝！