南海琼东陆架海洋沉积物粒度分形特征及其影响因素

2018-12-10张一辉徐利强吴礼彬

地球科学与环境学报 2018年6期

张一辉，徐利强*，吴礼彬，周鑫

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009；2.中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽合肥 230026)

0 引言

分形现象广泛存在于自然界中，用于表示局部和整体的相似程度，即自相似性[1]。自Mandelbrot在20世纪60年代提出分形理论以来，分形理论已广泛应用于多个研究领域。研究表明，碎屑物质(如冰碛物、断层泥、湖泊沉积物等)也存在一定的分形特征[2-4]。分维值是描述分形特征的参数，不同碎屑物质的粒度分维值存在明显的差异性。分析沉积物的粒度组成与分形特征，对于深入理解沉积环境具有重要意义。

海洋沉积物是研究海洋沉积环境及其变化的重要研究对象[5-6]。在海洋沉积物的各项分析指标中，粒度是一种基本属性，是对沉积物进行分类和命名的依据[7-8]，也是反映海水动力环境的重要指标。

南海是西太平洋地区最大的边缘海，对区域乃至全球环境变化十分敏感[5]，是进行环境演变研究的理想区域。目前，在南海仅见东部69沉积柱样粒度分形特征的公开报道[9]，对该地区其他海域沉积物的粒度分形特征研究还十分匮乏。南海琼东海域沉积物的粒度分形特征及其影响因素尚不明确。本文拟通过分析采自南海琼东陆架海域的3根沉积柱样，结合粒度测试和分析，重点对不同点位样品的粒度分形特征进行探讨，并对其影响因素进行讨论，为进一步探讨粒度分维值随时间序列的变化及其环境意义分析奠定基础。

1 样品采集与分析方法

1.1 样品采集

本研究所使用的样品采自南海琼东陆架海域的3根沉积柱(C1、C2、C4)，柱样取自垂直于海岸线的断面上[10]，采样点水深沿离岸方向逐渐增加，3根沉积柱位置如图1所示，采样信息见表1。采样时间为2013年8月，考察船为中国科学院南海海洋研究所“实验3号”综合科学考察船，采样工具为箱式采样器。待采样器出水后，将长度为60 cm、直径为7 cm的PVC管垂直插入，取出密封。沉积柱样在-18 ℃环境下冷冻保存。沉积柱C1、C2按1 cm间隔分样，沉积柱C4按0.8 cm间隔分样。

表1 采样信息Tab.1 Sampling Information

图1 南海琼东陆架海洋沉积物采样位置Fig.1 Sampling Location of Marine Sediments from the East Continental Shelf of Hainan Island, South China Sea

1.2 分析方法

在对样品进行粒度分析前，需对样品进行预处理。取少量自然风干的沉积物样品，加入过量H2O2去除有机质杂质，直至无气泡冒出后，离心去除上清液；然后加入过量HCl去除碳酸盐，再次离心去除上清液后，加入(NaPO3)6作为分散剂，最后使用激光粒度仪进行粒度分析[11]。分析单位为合肥工业大学分析测试中心，所使用的激光粒度仪型号为Malvern Mastersizer 2000，粒度测量范围为0.02～2 000.00 μm，测试相对误差小于1%。粒级以 Krumbein粒度(φ)计，计算公式为φ=-log2D，其中，D为粒级。

经H2O2和HCl处理过的样品可能含有少量的生物硅，但由于样品采自陆架区(水深小于200 m)，生物硅含量一般很低[12]。体式显微镜下观察也显示放射虫、海绵骨针等硅质生物含量很低。因此，生物硅不会对碎屑物质的粒度组成产生显著影响，处理后的样品粒度能够反映陆源碎屑物质的粒度。

2 结果分析与讨论

2.1 粒度组成

根据尤登—温德华氏(Udden-Wentworth)粒级标准，样品颗粒按粒径大小分为黏土(<4 μm)、粉砂(4～63 μm)、砂(63～2 000 μm)和砾(>2 000 μm)等4个粒级。3根沉积柱均不含砾，其粒度组成如图2所示。按照福克的沉积物分类方法，沉积柱C1主要为砂质泥，沉积柱C2全部为砂质粉砂，沉积柱C4主要为粉砂。

由图2可知：随着离岸距离增加，沉积柱样中黏土与砂的比值下降，粉砂比例上升，黏土含量相对稳定；由沉积柱C1过渡到沉积柱C4，样品点的分布范围逐渐集中，这在一定程度上反映水动力条件逐渐减弱，且变得更为稳定。

2.2 粒度参数特征

本文使用矩法[13]计算各沉积柱样的粒度参数。计算公式为

式中：Mz为平均粒径；Sd为标准偏差；Miφ为粒级；fi为粒径频段i对应的频率[14]；Sk为偏度；Ku为峰度。

根据计算结果，沉积柱C1、C2和C4样品平均粒径分别为(5.33±0.31)Φ、(6.14±0.20)Φ和(6.26±0.11)Φ，颗粒整体上比较细，且随着离岸距离的增加，平均粒径逐渐减小(图3)。标准偏差与样品的分选性有关，其值越大，分选性越差[14]。沉积柱C1和C2样品的标准偏差平均值分别为(2.59±0.09)Φ和(2.19±0.12)Φ，沉积柱C4样品的标准偏差平均值为(1.82±0.05)Φ，其样品的分选性较沉积柱C1和C2来说要好，3根沉积柱样的标准偏差随水深增加而降低，这与粒度组成中样品点分布逐渐集中的趋势一致。3根沉积柱样的偏度范围分别为0.03～0.77、-0.15～0.17和0.37～0.59，平均值分别为0.40、-0.02和0.48，沉积柱C2样品粒度分布的对称性要优于沉积柱C1和C4。峰度平均值分别为1.75±0.29、2.27±0.11和2.70±0.07，其值逐渐增大，沉积柱C1峰态较沉积柱C2与C4要宽[13]。与南海北部表层海洋沉积物[15]相比，琼东陆架表层(0～5 cm)海洋沉积物总体上粒度偏小，分选性较差；南海北部海洋沉积物偏度变化范围较大，且平均值高于琼东陆架表层海洋沉积物；琼东陆架表层海洋沉积物峰度与南海北部样品较为接近。

从空间变化角度来看，随着离岸距离和水深的增加，样品的平均粒径逐渐变小，标准偏差逐渐减小，分选性变好，峰态逐渐变窄，偏度变化规律不明显。

2.3 分形特征

本文使用幂指数法来计算粒度分维值。计算步骤为：①绘制m(r)/m和r的散点图(双对数坐标系)，其中r范围为5%～95%的无标度区间；②拟合得到线性回归方程的斜率b；③利用公式D=3-b，计算得到粒度分维值D[16-17]。式中，m(r)/m为直径小于r的颗粒累积质量与样品总质量的比值，假设颗粒的密度不变，此处可用累积体积百分比代替。各沉积柱代表性样品的lg(m(r)/m)-lgr图解如图4所示，二者在统计意义上显著正相关(判定系数高于0.9)，说明样品粒度具有分形特征。

样品C1-1、C2-18、C4-1拟合线判定系数分别为0.94、0.92、0.98图4 代表性样品lg(m(r)/m)-lg r图解Fig.4 Diagrams of lg(m(r)/m)-lg r of Representative Samples

图5 沉积柱C1、C2和C4样品粒度分维值随深度的变化Fig.5 Changes of Fractal Dimensions of Samples from Sediment Cores C1, C2 and C4 with Depth

利用上述方法，计算得到3根沉积柱样的粒度分维值随深度的变化如图5所示。沉积柱C1、C2和C4样品的粒度分维值范围分别为2.51～2.54、2.39～2.50和2.24～2.34，平均值分别为2.52、2.45和2.30。3根沉积柱样的粒度分维值存在显著差异，其值随着离岸距离增加而逐渐减小，说明不同沉积环境下沉积物粒度的分形特征存在差异。

对比其他区域，在相同的无标度区间内(累积体积百分比5%～95%)，沉积柱C4样品分维值与东海内陆架泥质区EC2005孔粒度分维值(范围为2.10～2.48，平均值为2.30[17])和黄海硬黏土的粒度分维值(范围为2.16～2.52，平均值为2.31[18])较为接近。相比其他类型的沉积物，沉积柱C1样品的粒度分维值处于较高水平，这可能与其较差的分选性有关。

沉积柱C1、C2、C4拟合线判定系数分别为0.32、0.84、0.89图6 粒度分维值与标准偏差的相关关系Fig.6 Correlation Relationships Between Fractal Dimension and Standard Deviation

研究表明，沉积物的分选性会对粒度分维值产生影响[19]。沉积柱C1、C2、C4样品的粒度分维值与标准偏差间的相关性分析如图6所示。由图6可知，沉积柱C1样品的粒度分维值与标准偏差的线性关系相对较差，而沉积柱C2与C4样品的粒度分维值与标准偏差间存在明显的线性关系，尽管沉积柱C1样品的粒度分维值与标准偏差相关性略差，但在统计学上仍具显著性。近海海洋沉积物的这种特征与砂岩、湖泊沉积物和风成沉积物具有一致性[20-22]。沉积柱C1样品的平均粒径较大，因水动力相对较强，沉积物的分选性较差，致使沉积体系相对复杂，粒度分维值偏大。随着离岸距离和水深的增加，水动力减弱，沉积物的分选性变好(图3)，沉积体系变得相对简单，粒度分维值逐渐变小。

2.4 沉积环境对粒度分维值的影响

由于3根沉积柱的采样点水深存在变化，各采样点沉积环境也可能存在差别，本文对沉积环境和粒度分维值之间的关系也进行了探讨。沉积物粒度C-M图是研究沉积环境的理想工具之一[23]，沉积柱C1、C2、C4样品粒度C-M图如图7所示。

C为颗粒含量1%处对应的粒径；M为颗粒含量50%处对应的粒径(粒度中值)图7 沉积柱C1、C2和C4样品粒度C-M图Fig.7 C-M Plot of Samples from Sediment Cores C1, C2 and C4

3根沉积柱的沉积物样品分布在C-M图(图7)中的不同位置，这意味着3个采样点位的沉积环境存在明显差别。沉积柱C1样品的M值变化幅度很大，而C值维持在相对稳定的水平。与之不同的是，沉积柱C4样品的M值变化幅度较小，但C值变化幅度很大，沉积柱C2处于沉积柱C1和C4的过渡区域。从3根沉积柱样C-M图来看，沉积柱C1属于牵引流沉积中的OP段，沉积物碎屑的搬运方式以滚动为主；沉积柱C4属于牵引流沉积中的PQ段，搬运以悬移为主；沉积柱C2样品的搬运方式是从滚动(沉积柱C1)向悬移(沉积柱C4)方式转变的过渡环节。这从侧面反映了沿离岸方向水动力逐步减弱[24]。

通过对3根沉积柱样的粒度分维值进行对比可知：以滚动搬运方式为主的沉积柱C1样品的粒度分维值最大；而以悬移搬运方式为主的沉积柱C4粒度分维值最小；采样点位于沉积柱C1和C4之间的沉积柱C2搬运方式介于二者之间，其样品的粒度分维值也处于中等水平。因此，碎屑物质的搬运方式也会对沉积物的粒度分维值产生影响。在琼东陆架海域，滚动组分的粒度分维值要明显高于悬移组分，跃移组分的粒度分维值处于二者之间。

总体而言，沉积柱样的水动力与粒度参数和分维值之间存在一定的关联。以沉积柱C1为例，其水动力较大，搬运能力较强，碎屑物质的运动方式以滚动为主，较强的水动力导致沉积物的砂含量高，平均粒径较大，但分选性较差，沉积体系相对复杂，进一步使得碎屑物质的粒度分维值偏高。因此，在今后的研究中可应用粒度分维值分析，并结合年代学研究，重建古环境演变过程。