沉積物粒度參數(shù)計(jì)算及分類命名的電算處理

廖世智 曹永港 肖志建 馬磊

摘 要：根據(jù)2007版《海洋地質(zhì)與地球物理調(diào)查規(guī)范》與國家908專項(xiàng)《海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》粒度分析要求，基于概率累積曲線圖解法和矩法，利用VB語言調(diào)用Excel求解沉積物粒度參數(shù)，同時(shí)采用謝帕德三角分類圖解法、?？?沃德三角分類圖解法及主次粒組命名法，通過程序完成對沉積物的分類命名。程序輸出沉積物概率值累積曲線圖、兩種粒度參數(shù)計(jì)算結(jié)果及三種沉積物分類命名的Excel表格。從2007年起，使用電算程序成批處理了珠江口附近海域大量沉積物數(shù)據(jù)，結(jié)果表明本文程序數(shù)據(jù)處理效率極高，粒度參數(shù)計(jì)算與手工圖解方式的結(jié)果一致、沉積物分類準(zhǔn)確，可滿足不同規(guī)程的要求。

關(guān)鍵詞：沉積物 粒度參數(shù) 概率累積曲線 分類命名 電算處理

沉積物粒度參數(shù)及其特征分析是探究沉積環(huán)境、判定沉積環(huán)境類型的最基本手段之一，長期以來備受國內(nèi)外沉積學(xué)者們的重視。表征沉積物的粒度參數(shù)包括平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)等。計(jì)算粒度參數(shù)的方法有很多，主要分為圖解法和矩法兩類。通過圖解法和矩法得出的粒度參數(shù)數(shù)值不盡相同。圖解法根據(jù)粒度分析結(jié)果繪制出累積分布曲線，從曲線上直接讀取某些具有代表性的累積百分?jǐn)?shù)所對應(yīng)的粒徑值，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。矩法考慮了整個(gè)頻率的分布，將樣品的粒度參數(shù)定義為粒度分布的各階矩函數(shù)，其計(jì)算公式較多。賈建軍等對圖解法和矩法進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示兩種方法所獲的平均粒徑和分選系數(shù)基本相同，偏態(tài)值相差較大，但仍存在顯著相關(guān)性，而峰態(tài)值不能相互轉(zhuǎn)換。指出偏態(tài)值差異的原因在于圖解法的偏態(tài)指示了主要粒度組分的尾部特征，而矩法的偏態(tài)反映了樣品總體的尾部特征;峰態(tài)值的差異是由于圖解法所反映的往往只是樣品的某一組分的粒度特征，計(jì)算方法比較粗略，而矩法反映了樣品的總體特征，計(jì)算方法比較精細(xì);在沉積環(huán)境分析、粒徑趨勢分析時(shí)，應(yīng)充分考慮這兩種方法的差異。

關(guān)于粒度參數(shù)的電算處理，國內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者做了相關(guān)的研究工作。如國內(nèi)學(xué)者徐開志通過輸入樣品粒級含量到計(jì)算機(jī)程序中可快速得到樣品粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果;范家爵使用袖珍電子計(jì)算機(jī)編程計(jì)算沉積物粒度參數(shù)并繪制概率累積曲線圖;吳曉濤提出使用標(biāo)準(zhǔn)編程語言按圖解法流程計(jì)算出沉積物粒度參數(shù);王為、吳正則使用Matlab語言采用圖解法流程求解沉積物粒度參數(shù);張永成等提出基于Excel VBA的圖解粒度參數(shù)計(jì)算;國外BLOTT & PYE用Visual Basic語言借助Excel開發(fā)出專用的粒度分析軟件GRADISTAT，通過圖解法、矩法計(jì)算粒度參數(shù)。上述研究大多采用圖解法或矩法中的一種計(jì)算粒度參數(shù)，在實(shí)際工作中通常需要結(jié)合這兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

眾所周知，由于沉積物的搬運(yùn)形式不同，在正態(tài)概率概率紙上作圖時(shí)沉積物粒度曲線通常由幾個(gè)呈對數(shù)正態(tài)分布的次總體組成。一般來說，包含三個(gè)次總體，表現(xiàn)為三個(gè)直線段，代表了三種不同的搬運(yùn)方式：懸浮、跳躍和滾動(dòng)搬運(yùn)?，F(xiàn)有的計(jì)算程序采用圖解法計(jì)算粒度參數(shù)時(shí)通常將正態(tài)概率概率紙上的各個(gè)相鄰的粒度值連接起來，通過線性插值或者采用單調(diào)光滑函數(shù)繪制概率累積曲線圖求出特征值，并沒有根據(jù)沉積物不同搬運(yùn)形式進(jìn)行分段后再進(jìn)行插值求解，或者雖然有分段處理，但需要手動(dòng)修改需要繪制的折線段數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中較不方便。

對于淺海陸源沉積物，粒度分類命名通常采用三角圖分類。在2005版的國家908專項(xiàng)《海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中要求采用矩法計(jì)算粒度參數(shù)，沉積物分類命名在正式報(bào)告上采用謝帕德法，同時(shí)在報(bào)告附錄中應(yīng)附上?？朔?而少量礫石用文字加以說明或編圖時(shí)進(jìn)行標(biāo)記。2007年版《海洋地質(zhì)與地球物理調(diào)查規(guī)范》中則要求采用圖解法計(jì)算粒度參數(shù)，沉積物分類命名一般應(yīng)采用謝帕德三角分類圖解法，也可采用?？?沃德三角分類圖解法，而對少量礫石也是用文字加以說明或編圖時(shí)進(jìn)行標(biāo)記。由于上述規(guī)程（規(guī)范）對于含礫沉積物的粒度分類命名和以單一粒級組分命名的沉積物（主要為砂）的進(jìn)一步細(xì)分命名均沒有詳細(xì)規(guī)定，因而1975年《海洋調(diào)查規(guī)范》中規(guī)定的沉積物粒度分類命名方法，即引入礫石、砂、粉砂和黏土4個(gè)粒度成份參與分類，該分類方法至今仍有應(yīng)用。

傳統(tǒng)的沉積物粒度參數(shù)計(jì)算與分類命名以往是通過人工完成的，工作量極為繁雜。相對于人工處理而言，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程語言對沉積物粒度參數(shù)計(jì)算及命名進(jìn)行電算處理可以大大提高粒度數(shù)據(jù)的處理速度。目前國內(nèi)粒度分析的電算程序主要運(yùn)用如GRADISTAT等粒度軟件進(jìn)行處理，或者運(yùn)用GRAPHER、ORIGIN等通用軟件做出概率累積曲線，再進(jìn)行粒度分析，很少對沉積物按規(guī)范進(jìn)行自動(dòng)分類命名。

為了進(jìn)一步提高沉積物采樣資料的處理效率，提供豐富可靠的分析數(shù)據(jù)，作者以Visual Basic 6.0和Excel為平臺(tái)，開發(fā)了粒度參數(shù)計(jì)算及沉積物分類的電算程序，可實(shí)現(xiàn)大批量樣品的粒度參數(shù)計(jì)算、繪制概率累積曲線圖、對沉積物樣品進(jìn)行分類命名，并按要求格式保存成標(biāo)準(zhǔn)的Excel格式文件。與這些計(jì)算粒度方法相比本程序同樣采用了圖解法和矩法兩種規(guī)范方法進(jìn)行粒度參數(shù)計(jì)算;有所不同的是本程序在圖解法中考慮了沉積物的搬運(yùn)形式，分多線段繪制累積曲線后再求解粒度參數(shù);同時(shí)，本程序增加了沉積物分類命名功能，分別采用謝帕德粒度三角分類圖解法、?？?沃德三角分類圖解法及1975版《海洋調(diào)查規(guī)范》規(guī)定的沉積物粒度分類命名法對沉積物分類命名，可滿足不同規(guī)程與學(xué)科的需求。

1.計(jì)算原理

2005年版的國家908《海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》與2007年版的《海洋地質(zhì)與地球物理調(diào)查規(guī)范》要求沉積物粒度分析采用?？?沃德公式和矩法公式，見表1。其中，粒級標(biāo)準(zhǔn)采用尤登-溫得華氏等比制值粒級標(biāo)準(zhǔn);沉積物的分類和命名則分別采用?？?沃德三角分類法（圖1）和謝帕德三角分類法（圖2）命名。

表1中：、、…、為某樣品的累積百分含量特征粒度值;為樣品所有粒徑組分的個(gè)數(shù);為樣品中粒徑為的組分出現(xiàn)的頻率;為第個(gè)粒徑范圍的粒徑值。

按?？?沃德公式求解粒度參數(shù)時(shí)先要繪制概率累積曲線圖。它是以粒徑（值）為橫坐標(biāo)，以累積頻率值為縱坐標(biāo)，用來表現(xiàn)大于一定粒級的百分含量的統(tǒng)計(jì)圖。傳統(tǒng)的方法是人工在累積曲線圖紙上繪制曲線，讀取求解參數(shù)所需的分位值，最后按?？?沃德公式求解參數(shù)。矩法求解粒度參數(shù)的方法則相對容易些，直接將各組份的粒級含量代入到表1矩法公式中求解即可。

可以看出，按圖解法和矩法計(jì)算大量包含不同粒徑的樣品粒度參數(shù)是相當(dāng)耗時(shí)費(fèi)力的，而且難以保證不出錯(cuò)。按以往工作耗時(shí)估計(jì)，處理1000個(gè)樣品所花費(fèi)的時(shí)間將近1個(gè)半月。若采用電子計(jì)算機(jī)程序?qū)x器和手工分析得到的樣品粒級含量進(jìn)行分析處理，可實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算粒度參數(shù)、自動(dòng)對沉積物類型進(jìn)行分類命名，生成標(biāo)準(zhǔn)成果文件目標(biāo)，提高粒度數(shù)據(jù)分析的工作效率。

2.程序設(shè)計(jì)

目前國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心沉積物粒度分析主要采用儀器如Mastersizer 3000激光粒度儀分析，同時(shí)結(jié)合手工篩析的方法進(jìn)行分析。前者主要適用于小于0.063mm的沉積物顆粒，后者則對大于0.063mm的沉積物顆粒進(jìn)行手工篩析分組。對于包含大于0.063mm顆粒的沉積物樣品，可按文獻(xiàn)15介紹的方法將這兩種方法得到的粒級校正后按比例合并后再計(jì)算粒度參數(shù)。程序設(shè)計(jì)采用Visual Basic 6.0為開發(fā)工具，根據(jù)沉積物樣品粒級大小分為小粒級和粗粒級兩種方法分別計(jì)算。

小粒級（小于0.063mm）：調(diào)用?？朔ê途胤ㄗ映绦蛴?jì)算，并根據(jù)樣品粒級含量按規(guī)程要求分類命名、繪制圖形。其中，矩法直接按公式計(jì)算;?？朔砂磮D3或圖4所示的流程框圖，繪制出圖5或圖6概率累積曲線后求出各特征百分含量所對應(yīng)的特征粒度（值）。

粗粒級（大于0.063mm）：若樣品包含大于0.063mm粗細(xì)顆粒的沉積物，需要按比例分配后修改記錄再調(diào)用福克法和矩法子程序;若無則同小粒級方法。

正態(tài)概率圖紙繪制可先設(shè)置好Visual Basic窗體繪圖框的長度和寬度。x軸寬度按等間隔（-2，-1，…，14）進(jìn)行劃分。y軸利用Excel自帶函數(shù)NORMINV計(jì)算待計(jì)算點(diǎn)（0.01，0.02，…，99.99）的算術(shù)平均值為 0和標(biāo)準(zhǔn)偏差為 1的正態(tài)累積分布函數(shù)的反函數(shù)值。該函數(shù)語法為：NORMINV （probability，mean，standard_dev），其中Probability 表示正態(tài)分布的概率值、Mean 表示分布的算術(shù)平均值、Standard_dev 表示分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。將計(jì)算值按繪圖框比尺進(jìn)行換算即可繪出正態(tài)概率圖。對于概率累積曲線的繪制可先對沉積物粒度值進(jìn)行分組，采用最小二乘法進(jìn)行多段式線性擬合，繪制出一段式、二段式及多段式正態(tài)概率圖，分析人員結(jié)合沉積物樣品來源從繪制的多個(gè)段式圖中選出最優(yōu)擬合段。

沉積物粒度分類命名可根據(jù)各樣品的粒組百分含量，按圖1（?？巳欠诸悎D）、圖2（謝帕德三角分類圖）及1975版《海洋調(diào)查規(guī)范》規(guī)定的沉積物粒度分類命名的計(jì)算條件，得到每個(gè)樣品的沉積物類型名稱，然后調(diào)用Excel模塊將沉積物樣品的粒組含量、粒度參數(shù)及分類名稱等要素寫入工作表中，最終得到成果表見圖7。

在VB中要想調(diào)用Excel，需要打開VB編程環(huán)境“工程”菜單中的“引用”項(xiàng)目，并選取項(xiàng)目中的“Microsoft Excel 11.0 object library”項(xiàng)。根據(jù)Excel版本的不同該項(xiàng)的版本號(hào)也不相同。因?yàn)镋xcel是以層次結(jié)構(gòu)組織對象的，其對象模型中含有許多不同的對象元素。第一層：Application對象，即Excel本身;第二層：workbooks對象集，指Excel的工作簿文件;第三層：worksheets對象集，表示的是Excel的一個(gè)工作表;第四層：Cells和Range對象，指向Excel工作表中的單元格。在本程序設(shè)計(jì)中定義并創(chuàng)建一個(gè)Excel對象、然后定義工作簿和工作表。見下列代碼：

Dim xls As Object， xlbook， xlSheet1， xlSheet2， xlSheet3， xlSheet4

Set xls = Create Object （"Excel.Application"）

Set xlbook = xls.Workbooks.Add

xls.Visible = False

Set xlSheet1 = xlbook.Sheets.Add

xlSheet1.name = "樣品信息"

Set xlSheet2 = xlbook.Sheets.Add

xlSheet2.name = "?？朔?

…….

向Excel表中輸入計(jì)算結(jié)果的代碼如下：

xlSheet2.Activate

With xlSheet2

.Cells（num + 4， 1） = sample Name

For i = 2 To 15

.Cells（num+4，i） = Key（i + 12）

Next

.Cells（num + 4， 16） = Gravel

.Cells（num + 4， 17） = Sand

.Cells（num + 4， 18） = Silt

.Cells（num + 4， 19） = Clay

.Cells（num + 4， 20） = Name

End With

程序中對Excel各單元格顏色、合并對齊，字體類型修改等操作進(jìn)行了多種設(shè)置，限于篇幅這里不一一列出程序代碼。

圖3～圖4和圖5～圖6分別為文獻(xiàn)7和文本使用福克圖解法求解粒度參數(shù)流程圖及繪制概率累積曲線過程。可以看出在求解的粒度特征參數(shù)值上二者存在細(xì)微差別，本文計(jì)算的粒度特征參數(shù)據(jù)沉積物不同搬運(yùn)形式進(jìn)行分段后再進(jìn)行插值求解，較容易辨識(shí)出沉積物懸浮、跳躍和滾動(dòng)搬運(yùn)的三種搬運(yùn)狀態(tài)。

3.實(shí)例

表2為2005年取自陸豐底質(zhì)觀測某樣品粒級分布。手工圖解與程序模擬求解值的結(jié)果比較見表3。根據(jù)表1的福克-沃德公式可求出手工圖解計(jì)算的MZ、MZ、MZ、MZ分別為6.460、2.308、-0.073、1.142，程序模擬計(jì)算為6.453、2.313、-0.075、1.150?？梢钥闯鰞煞N方法得到的值及粒度參數(shù)值都非常接近，表明手工圖解與機(jī)算的結(jié)果一致性很好。

4.結(jié)論

在計(jì)算大量的工程樣品粒度參數(shù)時(shí)，相對于手工方法采用機(jī)算的處理可以加快沉積物粒度參數(shù)的計(jì)算速度，快速對沉積物類型進(jìn)行命名，極大減輕分析人員的工作量，提高工作效率。同時(shí)根據(jù)繪制的概率累積曲線可以方便研究人員了解樣品所處的沉積環(huán)境，分析海岸帶沉積物的來源與成因。

利用本文所述方法編制而成的沉積物粒度參數(shù)計(jì)算程序，已在國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心近十年的多個(gè)工程得到了良好運(yùn)用，并成功解決了國家908項(xiàng)目南海區(qū)珠江口沉積物粒度參數(shù)計(jì)算問題。為了適應(yīng)在新的操作系統(tǒng)平臺(tái)上應(yīng)用，后續(xù)工作將采用Microsoft Visual Studio作為程序設(shè)計(jì)的開發(fā)工具。

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