浅海沉积物分类方法研讨

2011-09-25刘志杰殷汝广

海洋通报 2011年2期

关键词：福克浅海粉砂

刘志杰，殷汝广

（1.中国海洋大学，山东青岛266003；2.国家海洋信息中心，天津 300171）

浅海沉积物分类方法研讨

刘志杰1,2，殷汝广2

（1.中国海洋大学，山东青岛266003；2.国家海洋信息中心，天津 300171）

浅海沉积物分类方法已比较成熟，国内外目前普遍采用的是谢帕德分类和福克分类两种方案。然而，通过对大量调查数据分析发现，国内浅海沉积物分类定名方法和方式并不完全一致。结合前人的研究，文章对两种分类方案进行了评述，深入探讨了目前沉积物定名不统一的原因主要是由于分类方案引用不完整，缺少对含砾沉积物的分类以及分类手段多样，缺乏规范的沉积物分类软件。在深入研究的基础上，提出建议的浅海沉积物分类修订方案将含砾沉积物纳入分类体系，以福克（1970）和 Schlee（1973）修订后的谢帕德分类为主，并对砂和粉砂进行了细分。考虑到福克分类的优越性，建议将福克分类作为沉积物分类的主要分类方案。为实现沉积物定名的规范化，建议在修订后的分类基础上，设计、开发标准的沉积物分类软件。通过对浅海沉积物分类体系深入研究，建立更加符合浅海沉积物分布规律的分类体系。

浅海沉积物；谢帕德分类；福克分类；沉积物命名

Abstract: The shallow sea sediment classification scheme has been developed.At present, Both Shepard’s classification and Folk’s classification are adopted overseas and at home.However, it is resulted from checking and comparing with the abundant data that sediment classification results are separately different from different institutions.Based on the formers’ researches, two sediment classification schemes have been introduced.The major problems of the shallow sea sediment classification have been discussed.On the one hand, without gravelly sediment classification, the cited sediment classification scheme is not intact; on the other hand, the means of sediment classification are various without standard sediment classification software.By deep research, both Folk’s classification and Shepard’s classification modified by Schlee(1973) are advised to be adopted in the future specifications for oceanographic survey.Taking account of advantages of the Folk’s classification, it is recommended to be the major classification.At the same time, the sediment types of both sand and silt are separately subdivided according to the dominant grain-size grades.The standardization of sediment classification and nomenclature will be realized, by designing and developing the standard sediment classification software.On the ground of the existing classification schemes, marine geologists should make deep researches and build a new desirable sediment classification scheme which measure up to the sediment distribution better.

Keywords: shallow sea sediment; Shepard’s classification; Folk’s classification; sediment nomenclature

1 前言

海洋沉积物分类是海洋底质类型图编绘的基础，对于阐述沉积物的物质来源、判别沉积环境具有重要意义。一直以来，海洋沉积物分类问题都是海洋地质学界所关注的内容，尤其是深海沉积物分类涉及到物质来源和组分问题，分类更加复杂，也是海洋地质学者挑战的难题[1]。相对而言，浅海沉积物的分类已比较成熟，目前国内外沉积学研究主要使用的是谢帕德分类和福克分类[2-9]。

关于浅海碎屑沉积的两种分类方法的比较已有学者进行了研究[5-7]。何其祥[5]在对比两种碎屑沉积物分类方法的基础上，提出了兼顾描述性和解释性功能的海洋碎屑沉积物多重分类系统。王中波等[6，7]对南黄海表层沉积物两种分类方法进行对比总结，认为福克分类在南黄海的应用效果较好。近来，笔者在进行大量沉积物粒度数据处理过程中，对沉积物定名结果进行了检验和对比，发现国内沉积物定名结果与国外的分类定名并不完全一致。本文即在分类方案评述的基础上，针对这一问题展开讨论和分析，探其原因并提出解决方案和建议。

2 浅海沉积物分类体系评述

浅海沉积物主要源于陆源碎屑沉积，因此物质组成与陆源物质非常相似。碎屑沉积物根据其粒度特征可以分为砾、砂、粉砂和粘土四大类，这4种不同粒级组分的百分含量是沉积物分类与命名的基础。粒级的划分目前主要采用 Udden-Wentworth的方案。1954年谢帕德总结了美国工程界、土壤界以及石油界对碎屑沉积物的分类方案，并提出新的分类方法，即谢帕德（1954）分类（图1）[8]。该方案被广大沉积学者普遍接受，在海洋地质学界推广使用。1970年福克又在砾石、砂和泥的分类基础上提出了一种新的分类方案，即福克（1970）分类[9]。

在我国海洋沉积物的分类和定名也是一个棘手的难题。1975年，国家海洋局编制的《海洋调查规范-海洋地质调查》[10]对沉积物分类原则进行了系统的描述，国内浅海沉积物分类才开始趋向统一。该分类被国家海洋局所属各院所、中国科学院海洋研究所、地质矿产部海洋地质研究所等单位的地质工作者使用[11]，但由于其分类原则较为复杂，不便于记忆和使用。1992年，海洋地质工作者将国外谢帕德（1954）分类方案引入到《海洋调查规范-海洋地质地球物理调查》[2]中，并被普遍采用。近几年，国内一些学者考虑到沉积物动力学性质，也正逐步向福克分类（1970）方法过渡。2007年新修订的《海洋调查规范第8部分：海洋地质地球物理调查》[3]（下同“规范”）以及908专项《海洋底质调查技术规程》[4]（下同“规程”）中规定了浅海沉积物的定名主要采用谢帕德分类定名，也可使用福克分类定名。由此看出，两种分类方案的提出改变了国内外浅海沉积物分类不统一的现状，并被广大海洋地质学者普遍接受。

2.1 谢帕德分类

谢帕德（1954）分类如图1所示，以砂、粉砂和粘土为三端元，分别以含量20%，50%和75%为界限将沉积物分为10大类。其中“砂-粉砂-粘土”是三端元含量高于20%而低于60%的混合沉积物，其他沉积物类型均呈对称状态分布。该三角分类图仅采用了砂、粉砂和粘土三端元体系，砾石没有被考虑。1973年，Schlee(1973)[12]发现并解决了这一问题，将砾石也纳入了三角端元分类体系，在谢帕德（1954）分类体系的基础上增加了一个三角分类（图2）。当砾石含量大于10%时又分为了砾石和砾石质沉积物，至此，谢帕德沉积物分类方案共包括了 12种沉积物类型。谢帕德分类的优点在于以砂、粉砂和粘土为主的分类三端元等价，描述性强，分类简明。但它没有考虑沉积物的动力学特性，缺乏动力环境意义的解释。

图1 谢帕德（1954）沉积物分类Fig.1 Shepard’s classification system (1954)

图2 谢帕德沉积物分类体系（Schlee修改（1973））Fig.2 Shepard’s classification system modified by Schlee (1973)

2.2 福克分类

福克分类是通过利用沉积物的组分比来进行沉积物类型的划分，籍此可以反映沉积过程中的沉积动力变化。福克分类共包括了21种沉积物类型，其中含砾沉积物有11种，不含砾沉积物类型有10种（图3）。含砾沉积物三角分类三个顶点分别代表砾、砂和泥（粉砂和粘土），先以砾石含量 80%、30%、5%和 0.01%将沉积物划分为五大类，再以砂泥比值分为三大类。无砾沉积物分类三端元分别为砂、粉砂和粘土。首先，根据砂含量90%、50%和10%分为四大类，再根据粘土与粉砂的比值2︰1和1︰2将每一大类分为3种类型。福克分类强调了沉积物搬运和沉积方式在分类中的意义。砂一般为推移和跃移组分，粘土和粉砂为悬浮组分，砂泥比值反映了两种不同组分量比，因此，福克分类更具沉积动力学解释意义。

通过对比不难发现谢帕德和福克分类方法具有较大的差异，尤其是对含砾沉积物划分。Schlee (1973)虽然修订了谢帕德的分类，但对含砾沉积物（砾石含量≥10%）划分过于简单。相比而言，福克分类对含砾沉积物的划分更为详细，可以更好地满足沉积物分类需要。此外，考虑到沉积动力学方面的意义，目前国外更倾向于福克分类。

图3 福克（1970）沉积物分类Fig.3 Folk’s classification system (1970)

3 国内沉积物分类存在的问题

3.1 现有分类缺少含砾沉积物的分类与命名

从我国目前颁布使用的规范及规程来看，沉积物的分类与命名依然采用的谢帕德（1954）分类，缺少对含砾沉积物的划分。规范中规定对于少量砾石一般用文字叙述或图上加以标注。至于“少量”如何界定，没有量化指标，这使得对含砾沉积物的界定变得模糊不清。而规程中引用的福克（1970）分类也仅有砂-粉砂-粘土三端元分类方案，同样缺少对含砾沉积物的类型划分。众所周知，砾和砂一般为推移组分，是机械作用中最为活跃的组分，也是介质运动强度的重要标志[13]。大量调查数据和野外观测表明，虽然大部分浅海沉积物由砂、粉砂和粘土组成，但在海洋动力较强的近岸区，尤其是海岛、海岸带区域，砾石含量分布广泛[14-16]，这在中国东部海域沉积物类型分布图[17]中亦有体现。因此，引入含砾沉积物的分类方案，完善沉积物分类体系，十分必要。

3.2 谢帕德分类图界限有待明确

从国外谢帕德三角分类图（图1）中可以看出，内三角中“砂-粉砂-粘土”标注的边界是20%，即当砂、粉砂和粘土含量皆大于20%时定为三者混合沉积物。而我国规范引用的谢帕德（1954）分类图对“砂-粉砂-粘土”边界没有进行标注和说明。因其内三角边沿线与外三角边交点刚好为含量为25%点，故一般认为“砂-粉砂-粘土”的判读边界为25%。研究表明，目前“砂-粉砂-粘土”的两种边界划分方案都在被采用[16,18,19]，这就容易造成沉积物分类定名的不一致。因此，笔者认为应当对谢帕德三角分类中“砂-粉砂-粘土”的界限进行明确和统一，避免引起使用者的歧义。

3.3 单一优势粒级细分命名未纳入沉积物分类体系

对单一优势粒级进行细分命名，可以更好地反映沉积物的不同沉积环境及沉积物特征。1975年的海洋地质调查规范[10]对单一优势粒级的类型划分原则进行了阐述。通过近年来大量分析数据和研究表明，尽管旧的规范已经废止，但优势粒级的细分原则仍被不少学者采用[15,20,21]。尤其是进行大比例尺制图或对局部海域沉积物类型特征的研究，优势粒级的细分更能充分表达沉积物的环境特性。而我国在引入谢帕德（1954）沉积物分类后，未再对单一优势粒级进行细分命名，使得沉积物分类体系不够完善，无法满足海洋地质工作者的需求。

3.4 沉积物定名手段不规范

早期沉积物的定名手段主要通过三角图投点进行人工判读。然而，无论是谢帕德分类还是福克分类，其复杂的三角分类很难通过人工判读准确。在目前计算机技术高度发达的时代，往往需要借助计算机程序设计来实现。由于目前不同单位使用的定名程序并不统一，甚至同一单位不同资料处理者编制的定名程序也不完全相同，其定名结果的正确与否完全取决于资料处理者对定名方法的认知程度和计算机编程水平。因此，不规范的定名手段难以保证定名结果准确、可靠，也给数据集成和产品制作带来很大的困难。

4 解决方案及建议

规范是在一定的科学技术发展阶段为求得技术标准的统一而制定的[11]。随着科学技术的发展，规范也在不断地修订和完善。因此，通过对上述问题的分析和探讨，希望通过规范的修订能够将完善的沉积物分类体系引用进来。考虑到沉积物分类的普适性和综合性，提出修订方案及建议如下：

4.1 浅海沉积物分类体系应考虑砾石组分含量

砾石组分是浅海沉积物中重要的组成部分，因此浅海沉积物分类方法应将含砾沉积物纳入沉积物分类体系。建议修订方案以福克（1970）和Schlee（1973）修订后的谢帕德分类为主，并补充单一优势粒级的细分定名，以满足大比例尺制图和研究需要。考虑到福克分类更具优越性，建议将福克分类作为沉积物分类的主要分类方案。单一优势粒级的细分原则根据 Udden-Wentworth 对粒级划分的简分法，按照优势粒级法对砂和粉砂进行细分命名，砂可划分为粗砂、中砂和细砂，当粗砂、中砂和细砂百分含量都大于20%时命名为砂；粉砂进一步分为粗粉砂和细粉砂，当粗粉砂和细粉砂百分含量都大于20%时命名为粉砂。此外，在综合考虑沉积物类型和代码使用延续性的基础上进一步规范沉积物类型名称和代码，对福克分类中的泥、粉砂和粘土代码进行修正，实现代码的统一（图4和表1）。沉积物类型代码一般以英文名称第一个字母表示。“粉砂”和“粘土”在福克分类中的代码分别规定为“Z”和“C”（图3），考虑到代码使用的延续性，建议将其分别改为“T”和“Y”，即取英文名称最后一个字母，这也是我国海洋沉积学者常用的代码。“泥”一词在福克分类中是用作粉砂和粘土的混合物的专称，其代码为“M”，我国学者将其代码直接引为“Y-T”，含义虽然明确，但使用不甚方便。为避免与已有的“中砂”代码“MS”重复，建议“泥”的代码采用英文名称最后一个字母“D”来表示。

图4 代码修正后福克分类（1970）Fig.4 Folk’s classification system with rectified sediment codes(1970)

表1 沉积物分类名称及代码Tab.1 Sediment classification names and codes

4.2 设计、开发标准的沉积物分类软件，实现沉积物定名的规范化

定名方法和方式的不规范造成定名结果的不统一，规范化的沉积物定名软件对广大海洋地质工作者极为所需。在Udden-Wentworth粒级划分基础上，基于常用的福克（1970）分类和Schlee（1973）修订的谢帕德分类，结合砂和粉砂的单一优势粒级细分命名，设计、开发沉积物分类与定名可视化软件，实现沉积物定名的规范和统一，从而也为海洋地质工作者提供一个统一、规范的数据处理平台。

4.3 浅海沉积物分类体系有待深入研究和完善

在现有分类基础上，建议海洋地质学家能够继续深入探索和研究，建立更加符合沉积物分布规律的浅海沉积物分类体系。谢帕德和福克分类体系尽管被广大学者所接受，但也各有其优缺点，谢帕德分类方法简洁易记，但不具有动力及成因意义；福克分类则具有明显的动力及成因意义，但对泥的定义比较混乱[4]。因此我国海洋地质工作者有必要根据近几年来获取的粒度分析数据，结合沉积动力学，对浅海沉积物的分类命名进行深入研究，制订一套更加合理、适用的浅海沉积物分类体系在我国海洋地质学界进行推广使用。

5 结论

浅海沉积物分类方法已比较成熟，谢帕德分类和福克分类是目前常用的两种定名方法。通过对大量调查数据分析和研究发现，国内浅海沉积物分类定名方法和方式不完全统一。结合前人研究，对两种分类方法进行了评述，并深入探讨了目前沉积物定名不统一的原因主要是由于现有沉积物分类体系不够完善，“砂-粉砂-粘土”边界含义不甚明确，缺少对含砾沉积物的分类和单一优势粒级细分命名。此外，沉积物定名手段不规范也造成了定名结果的不统一。

针对上述问题，建议将含砾沉积物纳入沉积物的分类体系，以福克（1970）和 Schlee(1973)修订后的谢帕德分类为主，并将福克分类作为沉积物分类的主要分类方案。在此基础上，增加对砂和粉砂的细分命名，规范沉积物代码及名称，以更好的显示沉积物的不同沉积环境及沉积物特征。根据分类方案，设计、开发标准的沉积物分类软件，实现沉积物定名的规范化。通过深入开展沉积物结构的成因研究,探索更加符合浅海沉积物分布规律的分类体系。

致谢：感谢青岛海洋地质研究所王中波提供了外文文献，并进行了有益的探讨。

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Discussion of the shallow sea sediment classification system

LIU Zhi-jie1,2, YIN Ru-guang2

(1.Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2.National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China）