含物質(zhì)輸運(yùn)信息的粒徑趨勢(shì)分析

含物質(zhì)輸運(yùn)信息的粒徑趨勢(shì)分析

0粒度參數(shù)與沉積環(huán)境75%的地表區(qū)域被沉積物和沉積層覆蓋。一個(gè)砂質(zhì)或者泥質(zhì)沉積物樣品所含的顆粒數(shù)量巨大,應(yīng)該含有豐富的統(tǒng)計(jì)信息,這引發(fā)了沉積學(xué)家的極大興趣,他們最初對(duì)沉積物粒度組成進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)展了日益成熟的粒度分析技術(shù)。隨著研究的深入,“粒度參數(shù)”有什么用,這個(gè)問題已成為沉積學(xué)的核心問題之一。從20世紀(jì)中期開始,沉積學(xué)家嘗試用粒度數(shù)據(jù)來識(shí)別沉積環(huán)境的類型,或判定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方式,例如懸移、躍移或蠕移。后來發(fā)現(xiàn),粒度參數(shù)與沉積環(huán)境類型的關(guān)系是多解的,例如在CM圖上,同樣的坐標(biāo)位置可能對(duì)應(yīng)于不同的沉積環(huán)境。因此,粒度數(shù)據(jù)無法成為沉積環(huán)境識(shí)別的決定性判據(jù)。此外,粒度累積分布曲線上的一個(gè)正態(tài)組分可以與懸移、躍移或蠕移運(yùn)動(dòng)方式相聯(lián)系,這種主張也與流體力學(xué)的邊界層理論相沖突?，F(xiàn)在我們知道,懸移或推移狀態(tài)實(shí)際上是同時(shí)與粒徑和底部切應(yīng)力有關(guān),處于懸移或推移狀的顆粒不一定呈正態(tài)分布。在上述初看起來很有希望的兩個(gè)研究領(lǐng)域,實(shí)際上并未取得很大的成功。在沉積學(xué)的基礎(chǔ)研究中,粒度分布曲線和粒度參數(shù)往往被用于沉積物粒度范圍的劃分,以便使地球化學(xué)等分析的結(jié)果可以在不同類型的沉積物之間進(jìn)行對(duì)比,或者被用作沉積環(huán)境演化研究的佐證資料?！傲６葏?shù)”還有一項(xiàng)可能的用途,即粒度參數(shù)的不同地點(diǎn)的差異可能含有物質(zhì)輸運(yùn)信息。McCave最早將粒度參數(shù)的平面差異定義為“粒徑趨勢(shì)”,并認(rèn)為它是沉積物輸運(yùn)、堆積的結(jié)果。沉積學(xué)家早就發(fā)現(xiàn),在同一個(gè)沉積環(huán)境中,底質(zhì)的粒度分布曲線隨采樣地點(diǎn)而異,粒徑趨勢(shì)是由多種動(dòng)力過程所造成的,包括顆粒的磨損[16,17,18,19,20,21]、選擇性搬運(yùn)[22,23,24,25,26,27,28,29]和不同來源物質(zhì)的混合。由此產(chǎn)生的一個(gè)逆命題是:能否從粒徑趨勢(shì)中提取沉積動(dòng)力學(xué)信息尤其是輸運(yùn)信息?針對(duì)這一問題,在前人研究的基礎(chǔ)上,McLaren提出沉積物凈輸運(yùn)方向必定與粒度參數(shù)(平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)等)的某種空間變化型式相聯(lián)系。之后,不少研究者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究,逐步建立了一種稱為“粒徑趨勢(shì)分析”的方法,并提出了相應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)模型。在這些研究中,基本的科學(xué)問題有三個(gè),第一是如何提取粒徑趨勢(shì)信息,第二是如何確定哪些類型的粒徑趨勢(shì)含有物質(zhì)輸運(yùn)信息,第三是如何確定粒徑趨勢(shì)分析的應(yīng)用條件。本文的目的是綜合評(píng)述這些科學(xué)問題的研究進(jìn)展,并探討今后的發(fā)展方向。1谷物分析與粒度趨勢(shì)的識(shí)別1.1粒度趨勢(shì)分析的一般方法粒度分析的目的是獲得沉積物粒徑的概率分布曲線。習(xí)慣上將沉積物樣品分為粗顆粒和細(xì)顆粒(以0.063mm粒徑為界),細(xì)顆粒物質(zhì)用移液管法分析,粗顆粒物質(zhì)用篩法分析,最后將兩部分綜合起來,獲得完整的粒徑分布曲線。要注意的是,沉積學(xué)中的粒徑通常不以毫米表示,而是以無量綱數(shù)值D?來表示:D?=-log2D(式中D為以毫米計(jì)的粒徑,D?為?變換后的無量綱粒徑)。近年來,由于激光粒度儀等儀器的發(fā)展,移液管法和篩法這兩種方法原理不一致的弱點(diǎn)部分地得到了克服,分析的自動(dòng)化程度也大大提高了。在粒度趨勢(shì)分析中,我們所關(guān)心的是粒度特征的平面變化信息,而現(xiàn)行的分析技術(shù)已基本能夠滿足分析的精度要求。對(duì)于一定的粒度分布曲線,可以計(jì)算出一系列粒度參數(shù)。最常用的粒度參數(shù)包括平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)。分選系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)有多種計(jì)算公式,但前者一般表示為統(tǒng)計(jì)學(xué)中定義的二階矩的函數(shù),而后者表示為三階矩的函數(shù)。1.2采樣點(diǎn)各粒度參數(shù)之間的組合關(guān)系和粒徑趨勢(shì)粒徑趨勢(shì)是指沉積物粒度參數(shù)平面分布的變化趨勢(shì)。對(duì)于一個(gè)海區(qū),可以布設(shè)一定的采樣網(wǎng)格進(jìn)行底質(zhì)取樣。在采樣網(wǎng)格中,如果考慮任意兩個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)A和B,則這兩個(gè)采樣點(diǎn)的粒度參數(shù)之間有多種可能的空間變化。例如,從采樣點(diǎn)A至采樣點(diǎn)B,分選系數(shù)可能減小,平均粒徑可能變大,這些都代表粒徑趨勢(shì)的不同類型。用多個(gè)粒度參數(shù)可以形成組合的粒徑趨勢(shì),一般而言,用n個(gè)粒度參數(shù)可構(gòu)成2n種粒徑趨勢(shì);例如,用平均粒徑、分選系數(shù)和偏態(tài)系數(shù),從采樣點(diǎn)A到采樣點(diǎn)B可構(gòu)成如表1所列的8種基本類型。此外,還可以用基本類型來進(jìn)一步形成復(fù)合的類型,如表1中的類型1與類型2之和就是一種復(fù)合類型。1.3粒徑趨勢(shì)矢量的平面分布上述任何一種類型的粒徑趨勢(shì)都可以用一個(gè)矢量來表示,該矢量的方向是從采樣點(diǎn)A指向B,其大小定義為一個(gè)單位長(zhǎng)度。這樣的矢量稱為粒徑趨勢(shì)矢量。對(duì)于一個(gè)采樣網(wǎng)格,每一個(gè)采樣點(diǎn)的粒度參數(shù)都可以與相鄰采樣點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行比較,從而找出對(duì)應(yīng)于這個(gè)采樣點(diǎn)的所有粒徑趨勢(shì)矢量。粒徑趨勢(shì)矢量還有不同的定義方法,但其目的都是為了將粒徑趨勢(shì)定量化,或者將粒徑趨勢(shì)表示為平面圖形。Poizot等總結(jié)了粒徑趨勢(shì)的各種表示方法,并試圖統(tǒng)一關(guān)于粒徑趨勢(shì)描述的術(shù)語。Poizot還進(jìn)一步制作了相應(yīng)的獲取粒徑趨勢(shì)平面圖形的計(jì)算機(jī)軟件。粒徑趨勢(shì)矢量具有各向異性。進(jìn)一步考察粒徑趨勢(shì)矢量,可以發(fā)現(xiàn)在一個(gè)采樣網(wǎng)格中各個(gè)方向上出現(xiàn)某一類型的粒徑趨勢(shì)的概率是不相同的。如果將某一采樣點(diǎn)的所有粒徑趨勢(shì)矢量相加,求出這些矢量的合矢量,則各個(gè)采樣點(diǎn)的合矢量往往構(gòu)成一種有序的分布。在各向同性的情況下,合矢量的長(zhǎng)度應(yīng)該接近于零,因此,合矢量的有序分布代表一種各向異性的特征。在天然的海洋環(huán)境中,粒徑趨勢(shì)矢量的各向異性的程度隨地點(diǎn)而異。設(shè)想我們將粒度參數(shù)隨機(jī)地分配給平面上的一系列站位,對(duì)于這樣的一幅粒度參數(shù)分布圖來說,其粒徑趨勢(shì)矢量的各向異性應(yīng)該較弱,但各向異性或多或少還會(huì)存在。這就是說,雖然粒徑趨勢(shì)的各向異性在自然環(huán)境中的存在是一個(gè)已經(jīng)確認(rèn)的事實(shí),但是仍然需要建立評(píng)價(jià)其顯著性的方法。McLaren提出用Z計(jì)分法發(fā)來定義顯著性,而Gao和Collins建議用粒徑趨勢(shì)矢量的平均長(zhǎng)度檢驗(yàn)法。在Gao和Collins研究的基礎(chǔ)上,Chang等提出了改進(jìn)的平均矢量長(zhǎng)度檢驗(yàn)法。Poizot和Méar提供了各種評(píng)價(jià)方法的程序軟件。粒徑趨勢(shì)矢量需要具有顯著的各向異性,這是粒徑趨勢(shì)分析的一個(gè)重要條件。2粒度趨勢(shì)的積累動(dòng)力學(xué)信息2.1凈輸運(yùn)方向上的概率隨文獻(xiàn)描述的和趨勢(shì)學(xué)一般描述,我國實(shí)行以德怎樣解釋粒徑趨勢(shì)矢量的各向異性?沉積動(dòng)力學(xué)上的一個(gè)假說是各向異性與沉積物凈輸運(yùn)方向有關(guān),因而可以用于凈輸運(yùn)方向的判斷[36,37,38,39,47,52,53,54]。McLaren和Bowles曾提出:沿著凈輸運(yùn)方向,某種(或某些)粒徑趨勢(shì)出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)高于其它類型的粒徑趨勢(shì)。進(jìn)一步的分析表明,由于各向異性是針對(duì)某種類型的粒徑趨勢(shì)矢量,因此上述前提應(yīng)表述為:沿著凈輸運(yùn)方向,某種粒徑趨勢(shì)出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)高于其在別的方向上出現(xiàn)的概率。在表1所列的8種基本類型中,類型1和2被認(rèn)為在凈輸運(yùn)方向上有較高的出現(xiàn)概率,這一觀點(diǎn)是基于經(jīng)驗(yàn)的證據(jù)。用文字來表達(dá),類型1相當(dāng)于“沉積物在運(yùn)移方向上分選變好、粒徑變細(xì)且更加負(fù)偏”,而類型2相當(dāng)于“沉積物在運(yùn)移方向上分選變好、粒徑變粗且更加正偏”。在凈輸運(yùn)方向上粒徑參數(shù)究竟如何變化,這個(gè)問題的最終解決必將依賴于顆粒態(tài)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)的原理,但目前顆粒態(tài)物質(zhì)物理學(xué)還不能提供答案。因此,粒徑趨勢(shì)的類型1和2是否含有凈輸運(yùn)信息,這仍然只能用經(jīng)驗(yàn)方法來判定,即在沉積物凈輸運(yùn)方向?yàn)橐阎沫h(huán)境中考察粒徑趨勢(shì)的狀況。對(duì)海洋環(huán)境而言,淺海的潮流脊提供了一個(gè)良好的驗(yàn)證場(chǎng)所:北半球潮流脊脊線兩側(cè)的物質(zhì)凈輸運(yùn)方向相反,在平面上構(gòu)成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。因此,在歐洲北海東南部的一處潮流脊上進(jìn)行了底質(zhì)取樣,并同步采集了潮流和旁視聲納數(shù)據(jù),然后對(duì)前述的8種粒徑趨勢(shì)逐個(gè)檢查其在已知凈輸運(yùn)方向上和其它方向上的出現(xiàn)概率(凈輸運(yùn)方向根據(jù)潮流脊形態(tài)特征、潮流數(shù)據(jù)計(jì)算和微地貌的解譯而確定),結(jié)果發(fā)現(xiàn)類型1和2在凈輸運(yùn)方向上的確有較高的出現(xiàn)概率。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),把類型1和2合并而形成的復(fù)合粒徑趨勢(shì)類型具有更高的出現(xiàn)概率,即如果考慮類型1或2的聯(lián)合概率,則其效果比分別地單獨(dú)考慮類型1和類型2更好。2.2粒徑趨勢(shì)分析方法如果表1中的類型1和2含有凈輸運(yùn)信息的假設(shè)成立,則如何對(duì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以提取輸運(yùn)信息,就成了關(guān)鍵的問題。現(xiàn)在多數(shù)研究者都同意,粒徑趨勢(shì)分析的目的是確定沉積物凈輸運(yùn)方向。具體而言,粒徑趨勢(shì)分析的任務(wù)是:(1)確定適用的粒徑趨勢(shì)類型;(2)定量地表示粒徑趨勢(shì)矢量的各向異性;(3)將各向異性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沉積物凈輸運(yùn)方向的信息。不同的研究者提出了多種方法,以下的三種方法是有代表性的。第一種方法(McLaren方法)是對(duì)一維方向上的若干采樣點(diǎn)的粒度參數(shù)進(jìn)行兩兩對(duì)比,然后得出代表凈輸運(yùn)方向的粒徑趨勢(shì)類型在兩個(gè)方向上的出現(xiàn)頻率,最后把出現(xiàn)頻率充分大的方向定為凈輸運(yùn)方向。對(duì)于由采樣點(diǎn)S1,S2,...,Sn所構(gòu)成的采樣斷面,這種方法的要點(diǎn)就是在所有可能組合的兩個(gè)采樣點(diǎn)之間(如S1和S2之間、S1和Sn之間、S2和S3之間、等等)搜尋所需的粒徑趨勢(shì)。Prakash和Prithviraj、McLaren等、Wu和Shen、以及vanWesenbeck和Lanckneus提供了這種方法的應(yīng)用實(shí)例。這種方法的缺陷是混淆了不同的空間尺度(例如,S1到S2的距離遠(yuǎn)小于S1到Sn的距離),而且預(yù)先設(shè)定的采樣斷面走向未必與輸運(yùn)方向平行,因而在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)較大誤差。Masselink用來自法國萊茵河三角洲海岸的資料指出了這個(gè)缺陷。第二種方法(LeRoux方法)是根據(jù)以下假設(shè),即每個(gè)采樣點(diǎn)的粒徑趨勢(shì)合矢量的方向與粒度參數(shù)的最大梯度方向相重合,并為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算方法。實(shí)際上,沉積物凈輸運(yùn)方向并非必與粒度參數(shù)的最大梯度方向一致,粒度參數(shù)的最大梯度方向很可能僅僅代表水動(dòng)力作用方式差異的最大方向,如河道中從邊灘到水道中心位置的粒度參數(shù)的梯度可以大于上、下游方向的梯度,但物質(zhì)輸運(yùn)是從上游指向下游的,因此最大梯度的假設(shè)是不符合觀察事實(shí)的。第三種方法(Gao-Collins方法)是把粒徑趨勢(shì)矢量的平面分布圖看成為一幅同時(shí)包含信息和噪聲的圖象,從而用圖象處理技術(shù)來提取平面二維粒徑趨勢(shì)矢量圖象中所含的沉積物輸運(yùn)信息。按照這種方法,對(duì)于所考慮的海域可通過各采樣點(diǎn)底質(zhì)的粒度分析獲得粒徑參數(shù)的平面分布圖式,然后經(jīng)粒徑趨勢(shì)分析獲得沉積物輸運(yùn)圖式(圖1)。粒徑趨勢(shì)分析的第一步是在采樣點(diǎn)網(wǎng)格上對(duì)每?jī)蓚€(gè)相鄰的采樣點(diǎn)進(jìn)行比較,找出所有的粒徑趨勢(shì)矢量。兩個(gè)采樣點(diǎn)是否“相鄰”,可用特征距離Dcr來衡量(Dcr通常為最大采樣間距)。如果兩采樣點(diǎn)的實(shí)際間距小于Dcr,則判定為“相鄰”,否則判定為“不相鄰”。第二步是用下式求出每個(gè)采樣點(diǎn)的趨勢(shì)矢量的和:R?(x,y)=∑1nr?(x,y)(1)R→(x,y)=∑1nr→(x,y)(1)式中n為所考慮的采樣點(diǎn)的趨勢(shì)矢量總數(shù),r(x,y)i為趨勢(shì)矢量,R(x,y)為各個(gè)趨勢(shì)矢量之和。分析的第三步是對(duì)合矢量R(x,y)進(jìn)行平滑處理,其目的是消除R(x,y)圖象中所含的“噪聲”(即R(x,y)在空間上的高頻變化)。平滑處理的數(shù)學(xué)變換公式如下:Rm?→??(x,y)=1K+1[R?(x,y)+∑1kRj?→?(x,y)](2)Rm→(x,y)=1Κ+1[R→(x,y)+∑1kRj→(x,y)](2)式中Rj是由(2)式得到的合矢量,k是相鄰采樣點(diǎn)的總數(shù)(相鄰與否仍用特征距離Dcr來判定),Rm(x,y)為平滑處理后的趨勢(shì)矢量。Rm(x,y)的平面分布圖象即代表沉積物凈輸運(yùn)的格局。Gao編寫了獲取Rm(x,y)的平面分布圖象數(shù)據(jù)的Fortran程序。在進(jìn)行粒徑趨勢(shì)分析和解釋分析結(jié)果時(shí),應(yīng)注意粒徑趨勢(shì)方法所依據(jù)的原理。目前已經(jīng)確認(rèn),除粒徑趨勢(shì)矢量需要具有顯著的各向異性的條件之外,還應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn)。首先,粒徑趨勢(shì)圖象受到采樣深度的影響。采樣深度是受采樣方式控制的,如抓斗式采泥器采集的是表層10～30cm以內(nèi)的樣品。從物質(zhì)輸運(yùn)角度看,所涉及的樣品應(yīng)該是受輸運(yùn)過程影響的物質(zhì),因此應(yīng)限于近底床的活動(dòng)層之內(nèi)。研究表明,活動(dòng)層的厚度與所考慮的時(shí)間尺度有關(guān)。因此,采樣深度在一定程度上指示了與該深度相聯(lián)系的時(shí)間尺度下的凈輸運(yùn)過程;在對(duì)比粒徑趨勢(shì)圖象和其它沉積動(dòng)力輸運(yùn)計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí),必須注意時(shí)間尺度的匹配。如果所進(jìn)行的分析是針對(duì)沉積層序中的粒徑趨勢(shì),則同年代、同層位的采樣是必須的。其次,粒徑趨勢(shì)圖象的質(zhì)量與采樣的空間尺度有關(guān)。沉積物粒徑參數(shù)往往與沉積環(huán)境的類型相關(guān),故來自不同環(huán)境的沉積物樣品可能并不存在輸運(yùn)過程上的聯(lián)系。如果采樣間距過大,則有可能把處于不同輸運(yùn)系統(tǒng)中的物質(zhì)相混肴,從而在粒徑趨勢(shì)圖象中引入噪聲。因此,相對(duì)于沉積環(huán)境單元或物質(zhì)輸運(yùn)系統(tǒng)的尺度而言,采樣距離應(yīng)達(dá)到充分小。另一方面,如果采樣間距過小,粒度分析中引入的誤差將掩蓋粒徑參數(shù)在真實(shí)環(huán)境中的空間變化,造成新的噪聲。隨著粒度分析技術(shù)的提高,采樣間距可以進(jìn)一步縮小,但仍然存在一個(gè)可行的采樣間距的下限。對(duì)某些海域而言,采樣間距不宜過小但必須遠(yuǎn)小于輸運(yùn)系統(tǒng)的尺度,這兩個(gè)條件可能難以同時(shí)滿足,此時(shí)相應(yīng)的粒度趨勢(shì)圖象必然包含較多的噪聲;當(dāng)噪聲達(dá)到一定水平時(shí)就會(huì)破壞粒徑趨勢(shì)的有序性。這就如同一幅降質(zhì)圖象,當(dāng)降質(zhì)達(dá)到一定程度時(shí)原圖象就無法恢復(fù)了。一些研究者探討過不同采樣間距對(duì)分析結(jié)果的影響。在操作層面上,采樣間距可以通過地統(tǒng)計(jì)法(Geostatistics)來確定。其基本原理是,沉積物平均粒徑或其他粒度參數(shù)的空間梯度如果較大(即在短距離內(nèi)有很大變化),則采樣間距應(yīng)較小,反之則采樣間距應(yīng)較大。對(duì)于平均粒徑等參數(shù),可構(gòu)造以下函數(shù):γh=∑i=1N?h(Zi?Zi+h)2/2N(3)γh=∑i=1Ν-h(Ζi-Ζi+h)2/2Ν(3)式中h為基本水平距離的倍數(shù),N為斷面上數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù),Zi為原點(diǎn)處的參數(shù)值,Zi+h為h之外站位的參數(shù)值,γh為“半方差值”(Semivariance)。式(3)中,隨著h由小到大變化,γh取不同的值,因此可得到γh-h曲線的圖形,稱為“半方差圖”(Semivariogram)。在半方差圖上,當(dāng)h增大到某一定值時(shí),γh達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù),此時(shí)的h值即可定義合適的采樣間距。要注意的是,γh可以針對(duì)不同的方向,因此它可能是具有各向異性特征的,在確定采樣間距時(shí)要綜合地考慮這個(gè)因素。最后,粒徑趨勢(shì)分析結(jié)果還會(huì)受到邊緣效應(yīng)的影響。例如,在正方形采樣網(wǎng)格內(nèi)部,每個(gè)采樣點(diǎn)有8個(gè)相鄰采樣點(diǎn),而處于邊緣上的采樣點(diǎn)的相鄰采樣點(diǎn)不超過5個(gè),由此造成的結(jié)果是與邊緣上的采樣點(diǎn)相聯(lián)系的粒徑趨勢(shì)可能受到歪曲。因此,在應(yīng)用粒徑趨勢(shì)圖象時(shí)應(yīng)避免使用邊緣點(diǎn)上的矢量。2.3相關(guān)文獻(xiàn)研究前述的三種粒徑趨勢(shì)分析方法的應(yīng)用均有文獻(xiàn)報(bào)道,其中第三種方法應(yīng)用的報(bào)道相對(duì)較多。應(yīng)用Gao-Collins方法進(jìn)行了潮汐汊道海灣、河口三角洲海岸與砂質(zhì)海灘、潮灘、河口與內(nèi)陸架、陸架潮流沙脊、陸架泥砂沉積區(qū)、半封閉海等海洋環(huán)境的沉積物輸運(yùn)研究。關(guān)于數(shù)據(jù)處理和解釋的步驟,Poizot等注意到各文獻(xiàn)并不統(tǒng)一,如粒徑趨勢(shì)顯著性的檢驗(yàn)有些研究中就沒有進(jìn)行。其中的原因之一,是對(duì)粒徑趨勢(shì)分析的應(yīng)用條件還不夠明確。因此,一些研究者雖然認(rèn)識(shí)到粒徑趨勢(shì)顯著性等條件的重要性,但把研究的重點(diǎn)放在了趨勢(shì)分析結(jié)果與流場(chǎng)觀測(cè)、床面形態(tài)顯示的物質(zhì)輸運(yùn)格局、研究區(qū)堆積狀況等的對(duì)比上,其目的是獲得更多的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)。從粒徑趨勢(shì)分析的完整性角度來說,粒徑趨勢(shì)分析的應(yīng)用條件和分析結(jié)果的多重證據(jù)對(duì)比都是很重要的。為此,筆者提出關(guān)于粒徑趨勢(shì)分析的數(shù)據(jù)處理和解釋的步驟的建議,如圖1所示。3采用粒度形成機(jī)制和粒度趨勢(shì)分析的應(yīng)用條件3.1粒度參數(shù)在輸運(yùn)過程的定量模擬研究迄今關(guān)于沉積物粒徑趨勢(shì)的解釋都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)資料,而要最終解決粒徑趨勢(shì)的理論和應(yīng)用問題,就必須從物理原理上說明粒徑趨勢(shì)與顆粒態(tài)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。如果不能從沉積動(dòng)力過程上說明粒徑趨勢(shì)的形成,就無法完全確定粒徑趨勢(shì)分析在哪些條件下可以應(yīng)用,這是粒徑趨勢(shì)分析的關(guān)鍵問題。目前,在作為顆粒態(tài)物質(zhì)物理學(xué)的重要組成部分沉積動(dòng)力學(xué)本身還不夠完善的條件下,要解決粒徑趨勢(shì)的形成過程問題還有很長(zhǎng)一段路要走。筆者認(rèn)為,這項(xiàng)工作可從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等三個(gè)方面入手。粒徑趨勢(shì)形成的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以通過示蹤物實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。粒度特征是沉積物的示蹤標(biāo)記之一,因此粒度特征隨輸運(yùn)而發(fā)生的變化就可能用示蹤物動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行研究。例如,配制可以與現(xiàn)場(chǎng)物質(zhì)相區(qū)分的、粒度分布為已知的示蹤物,在沉積物輸運(yùn)方向?yàn)橐阎暮Ｑ蟓h(huán)境中釋放,然后進(jìn)行沿程采樣,對(duì)所獲的示蹤物進(jìn)行粒度分析,這樣就可以確定在輸運(yùn)方向上粒度參數(shù)發(fā)生了怎樣的變化。這種示蹤物實(shí)驗(yàn)方法稱為“空間積分法”,在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟。已有研究者用示蹤物方法探討了礫石海灘上粒徑和顆粒形狀的分選過程。水槽實(shí)驗(yàn)過程中,可以人為地控制水流的強(qiáng)弱,還可以進(jìn)行波浪運(yùn)動(dòng)的模擬。因此,海洋中的多種水動(dòng)力條件,如潮流作用和浪流共同作用,都能在水槽內(nèi)得到重現(xiàn)。這樣就能夠?qū)σ阎淞６冉M成特征的沉積物,模擬經(jīng)歷過不同水動(dòng)力輸運(yùn)之后的底質(zhì)粒度參數(shù)的時(shí)間和空間變化,進(jìn)而建立粒徑趨勢(shì)與輸運(yùn)過程的關(guān)系。根據(jù)對(duì)混合粒徑沉積物的輸運(yùn)過程的定量計(jì)算,包括對(duì)磨損、動(dòng)力分選和混合作用的定量模擬,可以對(duì)粒徑趨勢(shì)的形成進(jìn)行數(shù)值模擬。這里的核心問題是如何確定混合粒徑沉積物中每一粒度組分物質(zhì)的輸運(yùn)率。經(jīng)過沉積動(dòng)力學(xué)研究者的努力,已經(jīng)提出了一些混合粒徑沉積物的輸運(yùn)率公式[96,97,98,99,100,101,102,103],為粒徑趨勢(shì)形成的數(shù)值模擬創(chuàng)造了條件。已有一些學(xué)者應(yīng)用這些成果或其他方法進(jìn)行了粒度參數(shù)在輸運(yùn)中的變化的模型研究。值得注意的是,在這類模擬研究中,水動(dòng)力條件包括潮流、波浪作用、浪流共同作用等情形;初始的沉積物可以是基巖風(fēng)化產(chǎn)物,也可以是典型沉積環(huán)境中的物質(zhì);沉積物的源地可以是一處,也可以是多處,其分布狀況也有多種可能性;沉積物磨損和選擇性輸運(yùn)的計(jì)算公式有多個(gè),各自應(yīng)用范圍不同。因此,模擬上述條件的各種組合情形下形成的粒徑趨勢(shì),所涉及的工作量和需要分析的數(shù)據(jù)量會(huì)非常巨大,而到目前為止已進(jìn)行的模擬分析工作還很少。3.2輸運(yùn)方向的粒度參數(shù)分布關(guān)于底質(zhì)粒度特征的模擬早就有研究者進(jìn)行了嘗試。如今,計(jì)算機(jī)技術(shù)和沉積動(dòng)力學(xué)本身已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,深入開展這項(xiàng)工作的條件已經(jīng)成熟,不過到目前為止關(guān)于粒度趨勢(shì)形成過程的研究報(bào)道尚不多。于謙和高抒等通過建立一維、推移質(zhì)、往復(fù)流(近岸潮流)條件下的數(shù)值模型,采用正演方法模擬粒度參數(shù)在輸運(yùn)方向上的分布,初步探討了粒徑趨勢(shì)形成的物理機(jī)制。在文獻(xiàn)所報(bào)道的模擬實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)水流為潮汐成因的一維往復(fù)流,同一時(shí)刻沿程各處的單寬流量相同,初始時(shí)刻的沿程粒度分布相同,初始水深不同,因此流速和沉積物輸運(yùn)能力有沿程差異。應(yīng)用vanNiekerk等提出的推移質(zhì)沉積物輸運(yùn)公式不同粒徑組分的輸運(yùn)率,進(jìn)而計(jì)算各個(gè)區(qū)間不同粒徑組分物質(zhì)的收支狀況,經(jīng)過充分長(zhǎng)的一段時(shí)間之后,對(duì)各個(gè)區(qū)間活動(dòng)層內(nèi)的留存物質(zhì)進(jìn)行粒度參數(shù)計(jì)算,并繪制沿輸運(yùn)方向的粒度參數(shù)分布圖。模擬實(shí)驗(yàn)針對(duì)初始沉積物粒度分布、初始水深的沿程分布和單寬流量,設(shè)置了不同的數(shù)值,因而構(gòu)成了多組實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模型實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果顯示,在一定的條件下,所形成的沉積物粒度參數(shù)的沿程分布符合粒徑趨勢(shì)分析的假設(shè),即在恒定物源下,在凈輸運(yùn)方向上,以下兩種粒徑趨勢(shì)出現(xiàn)的概率最大:(1)平均粒徑變細(xì)、分選更好且更加負(fù)偏;(2)平均粒徑變粗、分選更好且更加正偏。例如,在源區(qū)沉積物平均粒徑=0.75?、偏態(tài)=0、分選系數(shù)=0.54、峰態(tài)=0.67、在輸運(yùn)方向上水深從8m逐漸提高至12m的輸入條件下,在凈輸運(yùn)方向上出現(xiàn)了前述的第一種粒徑趨勢(shì)(圖2)。在源區(qū)沉積物粒度參數(shù)相同但在輸運(yùn)方向上水深從12m逐漸降低至8m的輸入條件下,床面首先經(jīng)歷了沖刷階段,然后出現(xiàn)了前述的第二種粒徑趨勢(shì)。值得注意的是,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是簡(jiǎn)單地由于向下游的沉積物輸運(yùn)造成的,而是輸運(yùn)方向與沿程沉積物輸運(yùn)能力的差異共同造成的。在水深逐漸變大的條件下,發(fā)生了沿程的堆積,而在水深逐漸變小的條件下,先是發(fā)生沿程的沖刷,但沖刷的深度尚未達(dá)到與輸運(yùn)無關(guān)的沉積層,然后接受了來自源區(qū)的物質(zhì)。這組實(shí)驗(yàn)說明,在進(jìn)行粒徑趨勢(shì)分析時(shí),所涉及的沉積物樣品應(yīng)處于同一輸運(yùn)體系之內(nèi),對(duì)于源區(qū)物質(zhì)而言應(yīng)處于堆積狀態(tài)。3.3輸運(yùn)動(dòng)力的可能影響根據(jù)前述的研究進(jìn)展,粒度趨勢(shì)分析應(yīng)滿足的條件可總結(jié)為:(1)粒徑趨勢(shì)矢