倪玉根 , 李建國 , 習(xí)龍
1. 中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510075;
2. 中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源實物地質(zhì)資料中心, 河北 三河 065201
砂是世界上開采和交易量最大的資源之一, 是房屋建筑、工程建設(shè)、玻璃和電子產(chǎn)品制造等的基礎(chǔ)材料。隨著人口和經(jīng)濟增長, 砂資源需求激增, 砂資源緊缺已經(jīng)成為關(guān)系人類發(fā)展(經(jīng)濟、社會和環(huán)境等)的全球性問題(Torres et al, 2017; Bendixen et al,2019)。在河砂資源枯竭或限制開采的背景下, “向海要砂”, 合理開發(fā)海砂資源, 顯得尤為迫切。海砂開采利用的歷史悠久, 國外大規(guī)模開采始于20 世紀70—80 年代, 我國大規(guī)模開采則始于20 世紀90 年代, 海砂已成為僅次于海洋油氣的第二大海洋礦產(chǎn)(李杏筠, 2018)。近年來, 我國進一步加強了海砂資源開發(fā)管理和出讓試點, 2019 年, 廣西和廣東兩省區(qū)率先開展海砂采礦權(quán)和海域使用權(quán)聯(lián)合出讓試點,取得良好效果; 2019 年底, 自然資源部下發(fā)《關(guān)于實施海砂采礦權(quán)和海域使用權(quán)“兩權(quán)合一”招拍掛出讓的通知》(自然資規(guī)〔2019〕5 號), 標志著我國海砂資源開發(fā)利用步入了新階段。
然而, 隨著海砂資源開發(fā)利用的加快, 海砂地質(zhì)調(diào)查研究中的一些問題逐漸顯現(xiàn), 如海砂粒級劃分標準和命名方法尚未統(tǒng)一和規(guī)范, 導(dǎo)致在實際的調(diào)查研究過程中海砂命名比較混亂, 這不利于海砂資源的調(diào)查研究、開發(fā)管理和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(王圣潔 等, 2003; 曹雪晴 等, 2007; 韓孝輝 等, 2017;潘燕俊 等, 2017; 仝長亮, 2018; 仝長亮 等, 2018,2019)。因此, 在多年海砂調(diào)查經(jīng)驗和前人研究成果的基礎(chǔ)上, 針對海砂資源勘查開發(fā)的實際需求, 本文嘗試提出一套適用于海砂的粒級劃分標準和命名方法, 旨在解決海砂調(diào)查研究中對海砂命名混亂的問題。
海砂(海中的砂石), 是指由巖石風化后經(jīng)水流、冰川和風等地質(zhì)營力侵蝕、搬運或改造, 賦存于現(xiàn)代海洋環(huán)境的砂、礫質(zhì)碎屑沉積物。按照海砂的用途, 大致可分為兩種: 一是提取其中富集的金屬或非金屬有用礦物, 如鋯石、鈦鐵礦、金紅石、獨居石、磷釔礦、金、錫、金剛石和石英等, 此類所含伴生礦物達到工業(yè)價值的海砂稱之為海洋砂礦(如濱?;蚪I暗V); 二是經(jīng)過一定處理后作為混凝土集料用于建筑工程, 或作為填方材料用于回填工程,或作為補砂原料用于沙灘養(yǎng)護等, 此類海砂稱之為海洋集料。一般而言, “海砂”一詞特指海洋集料, 而不是海洋砂礦, 本文的海砂亦指海洋集料。
海砂粒級劃分標準是海砂定義中砂、礫質(zhì)組分的確定依據(jù), 也是海砂沉積物分類命名的基礎(chǔ)。海砂屬于碎屑沉積物的范疇, 針對碎屑沉積物, 國際上通用的粒級劃分標準是伍登-溫特沃斯(Udden-Wentworth)等比制φ 值粒級標準, 我國現(xiàn)行的《海洋調(diào)查規(guī)范第8 部分: 海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB/T 12763.8-2007)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等, 2007)(以下簡稱海洋調(diào)查規(guī)范)亦采用該標準。
Udden(1898)首次提出2 為公比的等比制粒級劃分方法, 對風成沉積物進行粒級劃分。Udden(1914)將此方法應(yīng)用到水和冰川沉積物中, 建立了Udden 等比制碎屑沉積物粒級劃分標準(表1)。Wentworth(1922)對Udden 提出的劃分方法進行改進, 用于對松散沉積物和固結(jié)沉積巖的粒級劃分, 形成伍登-溫特沃斯粒度分級標準。該標準將碎屑沉積物分為4 大類, 即礫石(>2mm)、砂(2~0.063mm)、粉砂(0.063~0.004mm)和粘土(<0.004mm) (表1)。為簡化作圖與便于粒度參數(shù)計算, Krumbein(1934, 1936)將伍登-溫特沃斯粒度分級標準轉(zhuǎn)換為φ 值分級標準: φ = -log2ξ, 其中ξ 為粒徑(單位: mm), φ 值粒級標準一直得到國際學(xué)術(shù)界廣泛認可和應(yīng)用(Blott et al, 2012)。
我國現(xiàn)行的海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T 12763.8- 2007)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等,2007)對沉積物的粒級劃分采用伍登-溫特沃斯等比制φ 值粒級標準, 但進行了一些調(diào)整。該規(guī)范將粒組類型劃分為 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, 細分為15類(表1)。
海洋調(diào)查規(guī)范采用等比制φ 值粒級標準, 替代了我國20 世紀70 年代以前一直采用的十進位制粒級劃分標準, 使我國海洋地質(zhì)領(lǐng)域的粒級標準與國際接軌, 方便數(shù)據(jù)共享對比和學(xué)術(shù)交流。此外, 該粒級分類對細粒碎屑物(粉砂和粘土)進行了細分, 有利于對泥質(zhì)沉積物的精細描述和研究。
表1 伍登-溫特沃斯(Udden-Wentworth)、海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T 12763.8-2007)和本文建議的粒級劃分標準對比表Tab. 1 Particle size scales suggested by Udden(1914), Wentworth(1922), Specifications for Oceanographic Survey(GB/T 12763.8-2007), and this study
然而, 海洋調(diào)查規(guī)范采用的分類標準在實際應(yīng)用中也存在一些問題: (1)粒級名稱有簡分法和細分法兩種方式, 出現(xiàn)了同一名稱具有不同內(nèi)涵的情況,易在應(yīng)用中造成混亂, 如簡分法粗砂的粒徑范圍是2~0.5mm, 而細分法粗砂的粒徑范圍是 1~0.5mm,類似的情況還有細砂、粗粉砂和細粉砂(表1); (2)對于粒度術(shù)語“泥”, 國際上慣用的是指粉砂和粘土的合稱, 使用在先, 且沿用已久, 而該標準中“泥”是指粘土, 將它重新定義, 不利于學(xué)術(shù)交流(何起祥等, 2002); (3)該標準粒組類型有5 類, 增加了沉積物命名(三角圖解)的難度。
海砂粒級劃分標準, 應(yīng)在調(diào)查研究領(lǐng)域和建筑材料行業(yè)都能普遍接受和使用。因為, 建筑材料行業(yè)《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等, 2011a)和《建設(shè)用砂》(GB/T 14684-2011)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等, 2011b)的粒級劃分為:卵 石( >4.75mm) 、 砂(4.75~0.075mm) 、 泥( <0.075mm), 用以分析顆粒級配的方孔篩規(guī)格為90mm、75mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19.0mm、16.0mm、9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、150μm。顯然,建筑材料行業(yè)砂石的粒級劃分與海洋地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域差異較大, 是兩套完全不同的體系。
鑒于伍登-溫特沃斯等比制φ 值粒級標準的通用性, 以及我國海砂資源調(diào)查、海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查和海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等海洋地質(zhì)調(diào)查均采用此粒級標準, 為遵從行業(yè)慣例、便于數(shù)據(jù)共享和學(xué)術(shù)交流, 建議的海砂粒級劃分亦宜采用此標準, 但同時需兼顧建筑材料行業(yè)對砂石粒級范圍的界定。
本文在伍登-溫特沃斯等比制粒級標準的基礎(chǔ)上, 提出海砂沉積物粒級分類的建議(表2), 將沉積物劃分為礫(>2mm)、砂(2~0.063mm)、泥(<0.063mm)3 大類和9 小類。其中, 礫細分為巨礫(>256mm)、粗礫(256~64mm)、中礫(64~4mm)和細礫(4~2mm); 砂 細 分 為 粗 砂(2~0.5mm) 、 中 砂(0.5~0.25mm)和細砂(0.25~0.063mm); 泥細分為粉砂(0.063~0.004mm)和粘土(<0.004mm)。
表2 海砂沉積物粒度分級標準建議Tab. 2 Particle size scale for marine sand- and gravel-related sediments suggested in this study
相比于海洋調(diào)查規(guī)范中的劃分方案, 本文作了如下調(diào)整: (1)避免采用簡分法和細分法兩種方式的粒級名稱, 在礫、砂和泥的大類劃分下, 只作一種二級劃分, 粒級名稱與粒徑范圍唯一對應(yīng); (2)海砂主要是砂、礫等粗碎屑物, 粉砂和粘土不再作為粒組大類, 而合稱為泥, 與國際慣用法保持一致; (3)將巨礫(>256mm)劃入礫大類, 進一步減少粒組大類的數(shù)量; (4)將中礫和細礫的粒徑分界由8mm 調(diào)整為4mm, 與Wentworth(1922)的劃分保持一致, 并與建筑材料行業(yè)的砂、石粒徑分界基本保持一致[歐洲4或5mm(Velegrakis et al, 2010), 國內(nèi)4.75mm(GB/T 14685-2011)], 使得建筑材料行業(yè)砂的粒徑范圍(歐洲4 或5~0.063mm, 國內(nèi)4.75~0.075mm)與本文標準的砂+細礫聯(lián)系和對應(yīng)起來。通過以上調(diào)整, 海砂粒度分級標準將沉積物劃分為礫、砂和泥3 大類, 便于采用三角圖解進行沉積物命名(表2)。
根據(jù)以上粒級劃分標準, 海砂所指的砂、礫質(zhì)碎屑沉積物, 其粒徑≥0.063mm, 而粒徑<0.063mm的組分稱為泥, 是海砂中常見的伴生無用組分。當前, 回填用海砂的粒度分級尚無具體規(guī)定, 為避免混亂, 可參考本文建議的海砂粒級劃分標準。需要指出的是, 建筑材料行業(yè)標準(JGJ 52-2006)(中華人民共和國建設(shè)部, 2006)將建筑用砂(混凝土用砂)按細度模數(shù)(Mx)分為粗砂(Mx=3.7~3.1)、中砂(Mx=3.0~2.3)、細砂(Mx=2.2~1.6)、特細砂(Mx=1.5~0.7),與本文所建議海砂粒級劃分標準中的粗砂、中砂和細砂是不同的概念, 前者代表的是幾何平均粒徑(戴鎮(zhèn)潮, 1991), 后者指的是粒徑范圍。
一般而言, 海砂屬于近淺海碎屑沉積物, 對于近淺海碎屑沉積物的分類和命名方法, 我國海洋地質(zhì)界常用的是優(yōu)勢粒級分類、謝帕德(Shepard)分類和???Folk)分類。這三種分類法均以伍登-溫特沃斯等比制φ 值粒級標準為基礎(chǔ), 以下分別闡述, 并提出海砂沉積物命名方法的建議。
1975 版《海洋調(diào)查規(guī)范第四分冊海洋地質(zhì)調(diào)查》中采用的沉積物分類法即優(yōu)勢粒級法, 具體原則:沉積物命名以主次粒級和優(yōu)勢粒組的含量為依據(jù),粒級含量超過20%時參加命名, 主要粒級為基本命名, 次要粒級為輔助命名。優(yōu)勢粒級法用于無礫沉積物時, 薛春汀(1994)將其用三角圖解表示(圖1)。無礫沉積物共劃分為10 類, 其中, 當砂、粉砂、粘土3 個粒級含量均大于20%時, 命名為砂-粉砂-粘土。優(yōu)勢粒級法用于礫質(zhì)沉積物時, 可根據(jù)礫石和砂的粒級含量, 命名為礫、砂質(zhì)礫、礫質(zhì)砂等(陳俊仁 等, 1981; 許東禹 等, 1997)。優(yōu)勢粒級法用于單一名稱的砂時, 可根據(jù)細砂、中砂、粗砂的粒級含量, 命名為粗砂、粗中砂、中粗砂、中砂、細中砂、細砂等(陳俊仁 等, 1981; 許東禹 等, 1997; 趙東波,2009)。
圖1 優(yōu)勢粒級分類法三角圖解(薛春汀, 1994)Fig. 1 Sediment classification triangular diagram based on preponderant grain-size composition. After Xue (1994)
優(yōu)勢粒級分類法在我國海洋地學(xué)界廣泛使用,直至1992 年《海洋調(diào)查規(guī)范-海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB/T 13909-1992)(國家技術(shù)監(jiān)督局, 1992)提出沉積物命名采用謝帕德分類法。然而, 通過一些學(xué)者所做的分類法對比研究(薛春汀, 1994; 趙東波,2009), 可以看出優(yōu)勢粒級法仍具有明顯的優(yōu)點, 其規(guī)則相對簡單, 涵蓋所有粒級范圍, 通過名稱可估計出優(yōu)勢粒級大致含量, 對砂、礫質(zhì)沉積物的細分命名更能反映水動力環(huán)境, 應(yīng)該說至今都具有相當?shù)纳Α?/p>
謝帕德分類是Shepard 于1954 年提出, 該分類法以砂、粉砂和粘土為三角圖解的三個端元, 根據(jù)粒級含量20%、75%、40%~75%、12.5%~50%等為條件, 將無礫沉積物劃分為 10 類(圖 2)(Shepard,1954)。前述優(yōu)勢粒級分類法中砂-粉砂-粘土的含義與謝帕德分類法是一致的。
1992 年后, 謝帕德分類法在我國得到廣泛的應(yīng)用, 至今仍是主流的分類法之一。國內(nèi)學(xué)者對其也進行了大量的對比研究(薛春汀, 1994; 何起祥 等,2002; 王中波 等, 2007; 趙東波, 2009; 劉志杰 等,2011)。該分類法優(yōu)點: 三端元等價, 描述性強, 分類簡明; 缺點: 沒有考慮礫石, 不宜對含礫沉積物進行命名, 且未能反映沉積物的動力學(xué)特征。
??朔诸愂荈olk 等人于1970 年提出的, 包括含礫三角圖解(圖3)和無礫三角圖解(圖4)(Folk et al,1970)。??撕[分類法以礫、砂和泥為三個端元(此處的泥為粉砂和粘土的合稱), 根據(jù)不同的礫含量和砂泥比將含礫沉積物劃分為14 種類型(圖3)。??藷o礫分類法是??撕[三角圖底層的擴展, 以砂、粉砂、粘土為三個端元, 根據(jù)不同的砂含量和粉砂粘土比將無礫沉積物劃分為10 類, 其中出現(xiàn)了與福克含礫三角圖中含義不同的泥(圖4)。
圖3 福克含礫分類法三角圖解(Folk et al, 1970)Fig. 3 Gravel-bearing sediment classification triangular diagram proposed by Folk et al (1970)
圖4 ??藷o礫分類法三角圖解(Folk et al, 1970)Fig. 4 Gravel-free sediment classification triangular diagram proposed by Folk et al (1970)
2007 年, 《海洋調(diào)查規(guī)范第8 部分: 海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》(GB/T 12763.8-2007)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等, 2007)提出沉積物命名采用謝帕德分類法或??朔诸惙āO啾扔谥x帕德分類法, ??朔诸惙ň哂忻黠@的優(yōu)點: 一是考慮了礫石, 有??撕[分類三角圖解, 解決了含礫沉積物的命名問題; 二是該分類法具有明顯的沉積動力與成因意義。因此, ??朔诸惙ㄖ饾u被越來越多的海洋地質(zhì)學(xué)者所接受(王中波 等, 2007; 趙東波, 2009; 劉志杰 等, 2011)。目前, 《1:1000000 海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范》(DZ/T 0247-2009)(中華人民共和國國土資源部, 2009)、《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1:250000)》(DZ/T 0256-2014)(中華人民共和國國土資源部, 2014a)和《海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1:50000)》(DZ/T 0255-2014)(中華人民共和國國土資源部, 2014b)均規(guī)定碎屑沉積物命名采用??朔诸惙?。但是, 該分類法也有明顯的缺點, 那就是“泥”的定義出現(xiàn)了混亂。在??撕[三角圖中, “泥”是粉砂和粘土的總和, 在??藷o礫三角圖中, “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, 違背了分類學(xué)的基本原則(何起祥 等,2002)。
對于海砂來說, 命名的主要對象是砂、礫質(zhì)組分, 命名的目的是能直觀反映出海砂沉積物的粒級組成和含量。如前所述, 謝帕德分類法因為未考慮礫石組分, 不適宜對海砂進行命名。因此, 可直接采用??撕[分類法, 其優(yōu)勢是已逐漸被國內(nèi)海洋地質(zhì)界接受, 易于交流; 其不足之處是因針對野外定名而設(shè)計, 砂、泥組分通過相對比值參與定名, 很難直觀反映海砂的粒級組成和含量, 且部分名稱較為復(fù)雜, 如泥質(zhì)砂質(zhì)礫、礫質(zhì)泥質(zhì)砂和含礫泥質(zhì)砂等。
在建議的海砂粒級劃分標準(表2)的基礎(chǔ)上, 本文提出海砂沉積物命名方案如下: (1)泥、砂和礫三個粒級含量超過20%時參加定名; (2)當有2 個粒級均不大于20%時, 以第三個粒級單一名稱命名; (3)當泥、砂、礫3 個粒級含量均大于20%時, 命名為泥-砂-礫; (4)當有2 個粒級大于20%, 含量高的為主命名, 次高的為輔助命名。
基于優(yōu)勢粒級法三角圖解的思想(薛春汀,1994), 以礫、砂和泥為三個端元, 本文提出的海砂沉積物命名“礫-砂-泥三角圖解”見圖5, 據(jù)此劃分出10 種沉積物類型: 礫、砂質(zhì)礫、泥質(zhì)礫、砂、礫質(zhì)砂、泥質(zhì)砂、泥、礫質(zhì)泥、砂質(zhì)泥、泥-砂-礫(圖5)。需要指出的是, 海砂沉積物中粒徑>256mm 的組分(巨礫), 一般屬于孤立的巖塊, 且較為罕見, 一般只對其進行描述, 而不參與粒度分析和命名。
圖5 建議的海砂沉積物分類法三角圖解Fig. 5 Marine sand and gravel related sediment classification triangular diagram proposed by this study
在以上“礫-砂-泥三角圖解”的基礎(chǔ)上, 為更加直觀地反映海砂的組成和大致含量, 可采用優(yōu)勢粒級法思想(許東禹 等, 1997; 趙東波, 2009), 繼續(xù)對砂、礫質(zhì)沉積物進行細分命名。
當 “礫-砂-泥三角圖解”主命名為“砂” “礫質(zhì)砂”“泥質(zhì)砂”時, 繼續(xù)采用優(yōu)勢粒級法, 根據(jù)細砂、中砂、粗砂的含量, 超過20%時參加定名(整個沉積物中的絕對占比, 而非砂中的相對占比), 將沉積物進一步命名為粗砂、中粗砂、礫質(zhì)中粗砂、泥質(zhì)細砂等(表3)。
當 “礫-砂-泥三角圖解”主命名為“礫” “砂質(zhì)礫”“泥質(zhì)礫”時, 繼續(xù)采用優(yōu)勢粒級法, 根據(jù)細礫、中礫、粗礫的含量, 超過20%時參加定名(整個沉積物中的絕對占比, 而非礫中的相對占比), 將沉積物進一步命名為粗礫、中粗礫、砂質(zhì)中細礫、泥質(zhì)細礫等(表4)。與??撕[分類法相比, 本文建議的“礫-砂-泥三角圖解+砂、礫質(zhì)沉積物細分命名”方案更直觀清楚地反映粒級組成和大致含量。以臺灣海峽沉積物為例(表5),對于粗粒沉積物, 通過前者命名的泥質(zhì)砂質(zhì)礫、礫質(zhì)砂、含礫砂、砂、礫質(zhì)泥質(zhì)砂、含礫泥質(zhì)砂和泥質(zhì)砂等, 通過后者命名則為礫質(zhì)中粗砂、礫質(zhì)粗砂、粗砂、中粗砂、粗中砂、中砂、細砂、混合砂、泥質(zhì)細砂、泥-砂-礫等, 后者意在對砂、礫質(zhì)沉積物命名進行細化, 明顯包含了更多的粗細和含量信息,同時也兼顧了名稱的簡潔性; 對于細粒沉積物, 通過前者命名的砂質(zhì)泥、含礫泥和泥等, 后者命名為砂質(zhì)泥或泥等, 后者意在對泥質(zhì)沉積物命名進行簡化??傊? 本文提出的命名方案, 對砂、礫質(zhì)沉積物細化其名, 對泥質(zhì)沉積物則簡化其名, 能直觀地反
映海砂的粒度組成和含量, 相比于??撕[分類法,更適合于海砂沉積物命名。
表3 砂質(zhì)沉積物細分命名建議Tab. 3 Subdivided classification scheme of sandy sediment suggested by this study
表4 礫質(zhì)沉積物細分命名建議Tab. 4 Subdivided classification scheme of gravelly sediment suggested by this study
表5 福克含礫分類法和本文提出的分類法對臺灣海峽沉積物命名對比表Tab. 5 Comparison of Folk’s gravel-bearing sediment classification and the classification proposed in this study for naming sediments from Taiwan Strait
在總結(jié)海砂調(diào)查經(jīng)驗和前人研究成果的基礎(chǔ)上,綜合分析相關(guān)粒級劃分標準和沉積物命名方法的特點, 結(jié)合當前海砂資源勘查開發(fā)的實際需要, 提出海砂粒級劃分標準和沉積物命名方法的建議。
1)基于伍登-溫特沃斯等比制φ 值粒級標準, 提出海砂粒級劃分標準, 將沉積物粒級劃分3 大類:礫(>2mm)、砂(2~0.063mm)、泥(<0.063mm); 再細分為9 小類: 巨礫(>256mm)、粗礫(256~64mm)、中礫(64~4mm)和細礫(4~2mm)、粗砂(2~0.5mm)、中砂(0.5~0.25mm) 、 細 砂(0.25~0.063mm) 、 粉 砂(0.063~0.004mm)、粘土(<0.004mm)。
2)基于優(yōu)勢粒級法思想, 提出以礫、砂和泥為三個端元的海砂沉積物命名三角圖解, 并可按照優(yōu)勢粒級法原則對主命名為“砂”和“礫”的沉積物進行細分命名, 即“礫-砂-泥三角圖解+砂、礫質(zhì)沉積物細分命名”的海砂沉積物命名方案, 能直觀地反映海砂的粒度組分和大致含量, 適用于海砂資源的勘查開發(fā)和研究。