李文建, 王珍巖, 黃海軍

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071;3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 4. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 5. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

粒度分布特征是海洋沉積物的基本特征之一,主要受到物源、搬運(yùn)過程與海洋水動(dòng)力條件的影響。沉積物的粒度分析是研究海底沉積物的物質(zhì)來源、解釋地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積環(huán)境的重要方法之一[1-3]。平均粒徑是沉積學(xué)中進(jìn)行粒度分析的基本參數(shù), 表征了沉積物粒度分布的集中趨勢(shì), 而懸浮體的平均粒徑是揭示顆粒輸運(yùn)機(jī)制和反映水動(dòng)力過程的重要參數(shù)[4-5],也常被用于斯托克斯公式計(jì)算顆粒沉降速率[6-7]。經(jīng)典的粒度分析方法主要是篩析-沉降法, 利用不同孔徑篩子的篩分以及顆粒的沉降規(guī)律, 測(cè)定粒度分布特征, 但是這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 操作復(fù)雜。激光粒度分析儀的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了粒度測(cè)量過程, 并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒度的連續(xù)性測(cè)量。在現(xiàn)代沉積學(xué)研究中, 懸浮體的現(xiàn)場(chǎng)粒度測(cè)量對(duì)于研究現(xiàn)代沉積過程具有重要的意義, 而以上的測(cè)量方法主要是針對(duì)沉積物樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量, 不能滿足原位實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。近年來,隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 原位激光粒度儀(Laser In-Situ Scattering and Transmissometry, LISST)的出現(xiàn)解決了這一問題。LISST可在現(xiàn)場(chǎng)完成不同粒級(jí)的懸浮體體積濃度的測(cè)量, 具有高效、垂向分辨率高、可以實(shí)現(xiàn)分粒級(jí)測(cè)量懸浮體濃度等優(yōu)點(diǎn)。

在傳統(tǒng)沉積學(xué)研究中, 平均粒徑的計(jì)算方法主要有圖解法和矩值法, 前人對(duì)這兩種計(jì)算方法的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究[8-11], 指出這兩種方法計(jì)算得到的平均粒徑基本可以相互替代。但是圖解法求解粒度參數(shù)是從頻率累積曲線上取得關(guān)鍵分位對(duì)應(yīng)的粒徑值, 忽略了累積含量小于5%和大于95%部分的粒度特征, 而矩值法則考慮了粒度分布的總體特征, 更具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 并被引入“908專項(xiàng)”《海洋底質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[12]。在利用LISST進(jìn)行現(xiàn)代沉積學(xué)研究中, 矩值法也得到了廣泛應(yīng)用[13-14]。

基于光學(xué)散射原理, LISST可以利用內(nèi)置的環(huán)形光學(xué)探測(cè)器測(cè)量32個(gè)不同粒級(jí)的懸浮體的體積濃度[15]。與傳統(tǒng)激光粒度儀相比, LISST的每個(gè)粒級(jí)代表一定的粒級(jí)范圍, 這些粒級(jí)范圍的中值粒徑之間具有對(duì)數(shù)關(guān)系[15-16]?？紤]到LISST特殊的粒級(jí)分布,Agrawal and Mikkelsen[17]提出了優(yōu)先計(jì)算平均粒級(jí),然后轉(zhuǎn)換為平均粒徑的計(jì)算方法(為討論方便, 本文稱之為平均粒級(jí)法)。本文的目的就是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù), 對(duì)比矩值法和平均粒級(jí)法的計(jì)算結(jié)果, 探討造成其計(jì)算差異的原因以及各自的適用性, 為使用LISST觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)代海洋沉積環(huán)境研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

“科學(xué)三號(hào)”和“東方紅2號(hào)”科學(xué)考察船分別于2012年7月27日(夏季)和2016年12月30日(冬季)在南黃海中部進(jìn)行水體綜合調(diào)查(圖1)。在調(diào)查站位利用SBE9/11plus型CTD采集水體剖面的溫度、鹽度和熒光葉綠素a(Chla)濃度數(shù)據(jù)(由于冬季傳感器出現(xiàn)問題, 冬季Chla數(shù)據(jù)缺失)。利用SBE Data Processing軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到垂向分辨率為1 m 的剖面數(shù)據(jù)。根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GBT 12763.7-2007)[18], 以0.2 /m℃為界劃定溫度躍層范圍,確定躍層位置。同時(shí), 將 LISST-100X(C型)固定于CTD上部, 隨采集系統(tǒng)一起下放, 同步獲取各層位的粒度數(shù)據(jù), 利用 LISST-SOP(Version 5.0.50, Sequoia Scientific, Inc.)軟件下載并處理數(shù)據(jù), 獲取垂向分辨率為1 m的32個(gè)粒級(jí)的體積濃度數(shù)據(jù), 其粒級(jí)分布范圍(2.5～500 μm)及各粒級(jí)的中值粒徑值如圖2所示。

圖1 研究區(qū)地形、環(huán)流特征及站位分布圖(環(huán)流特征改自文獻(xiàn)[19])Fig. 1 Topography, circulation and sample stations in the study area (the circulation is modified from reference [19])

圖2 LISST-100X32個(gè)觀測(cè)粒級(jí)的粒徑范圍* (改自文獻(xiàn)[16])Fig. 2 32 size ranges of LISST-100X (modified from reference [16])

1.2 平均粒徑計(jì)算方法

1.2.1 矩值法

fi為各粒級(jí)顆粒的百分含量, Xi為粒級(jí)組中值, i表示粒級(jí)數(shù)(1～32)?？紤]到LISST的粒級(jí)分布特征, 該公式可以改寫為:

MZ1表示利用矩值法計(jì)算得到的平均粒徑; Vi表示各粒級(jí)范圍的體積濃度, CTV為32個(gè)粒級(jí)的總體積濃度,Di表示各粒級(jí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際粒度值。

1.2.2 平均粒級(jí)法

由于LISST的32個(gè)粒級(jí)呈對(duì)數(shù)分布, 不同粒級(jí)之間的關(guān)系可以用如下公式表示:

i表示LISST的粒級(jí)數(shù)(1～32), Di表示第i個(gè)粒級(jí)對(duì)應(yīng)的中值粒徑值(圖1), D1表示第1個(gè)粒級(jí)對(duì)應(yīng)的中值粒徑值(這里是2.72 μm, 圖1), ρ表示相鄰粒級(jí)之間的系數(shù)關(guān)系(對(duì)于LISST-100X, 這里ρ為1.18)。

根據(jù)平均粒級(jí)法[17], 可以考慮優(yōu)先計(jì)算平均粒級(jí),然后根據(jù)粒級(jí)之間的指數(shù)關(guān)系計(jì)算平均粒徑(MZ2)。因此, 平均粒徑的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為平均粒級(jí)(U)的計(jì)算問題。首先根據(jù)不同粒級(jí)的體積濃度值與總體積濃度的關(guān)系計(jì)算平均粒級(jí):

然后根據(jù)平均粒級(jí)以及粒級(jí)之間的指數(shù)關(guān)系計(jì)算平均粒徑(MZ2):

2 結(jié)果

2.1 平均粒徑差值

根據(jù)前述兩種計(jì)算方法得到的平均粒徑計(jì)算結(jié)果如圖3所示。3個(gè)站位的平均粒徑計(jì)算結(jié)果具有相似的特征。因此, 我們以兩種計(jì)算方法計(jì)算的差值增大的地方為界, 將 3個(gè)站位的水層劃分為淺水層和深水層。對(duì)A站位, 夏季分界深度為35 m左右, 對(duì)B和C站位, 分界深度為50 m左右。在3個(gè)站位的淺水層, MZ1與MZ2差異較小, 差值在10 μm以內(nèi)。而在深水層, 差值向近底層逐漸增大, A站位差值及相對(duì)誤差分別可達(dá)70 μm以及20%左右; 而C站位差值可達(dá) 90 μm以上, 相對(duì)誤差在 30%左右。在冬季, A站位分界深度為65 m左右, 對(duì)B和C站位, 分界深度分別為55和60 m左右。從表層到底層, MZ1均大于MZ2。3個(gè)站位淺水層差值均在25 μm以內(nèi), 而底層差值在 50 μm以上, 相對(duì)誤差在 40%左右。對(duì)比公式(2)和公式(6)可知平均粒徑的計(jì)算與粒度分布特征密切相關(guān), 造成計(jì)算差值的原因也需要從粒度分布特征入手進(jìn)行分析。

2.2 懸浮體粒度分布特征

3個(gè)站位夏季和冬季懸浮體的粒徑譜如圖4所示。夏季, 各站位懸浮體的粒度分布在淺水層和深水層有兩種不同的分布特征。在淺水層(圖 4), 懸浮顆粒主要集中在64 μm以上的大顆粒, 在256和391 μm左右存在兩個(gè)濃度峰, 小于64 μm的顆粒較少, 8～64 μm的顆?；救笔? 只在個(gè)別層位出現(xiàn)且不連續(xù), 體積濃度值基本低于 0.1 μL/L; 在深水層位(圖 4), 懸浮體體積濃度隨粒徑增大而增大, 無明顯峰值, 但最大粒級(jí)體積濃度可達(dá)10 μL/L及以上, 比最小粒級(jí)高出兩個(gè)量級(jí)。冬季, 懸浮體的粒度分布也分為兩種。在淺水層位(圖4), 懸浮體呈近似兩端元分布, 細(xì)顆粒端集中于2.5～64 μm顆粒, 體積濃度低于0.05 μL/L,無明顯峰值。另一端元集中于大于128 μm的粗顆粒, 且在391 μm處存在一個(gè)明顯峰值。而在深水層位(圖4),懸浮體體積濃度隨粒徑增大而增大, 與夏季相似。

對(duì)比圖3與圖4結(jié)果, 無論在夏季或冬季, 懸浮體粒徑譜均存在一個(gè)明顯界面, 界面上下層位粒度分布特征明顯不同。界面上部層位, 細(xì)顆粒(＜64 μm)體積濃度較小, 部分粒級(jí)甚至缺失, 粒度分布主要以粗顆粒為主, 此時(shí)兩種方法計(jì)算的平均粒徑差值較小(圖3)。而在界面下部層位, 細(xì)顆粒的比重增大,無明顯峰值粒級(jí), 平均粒徑差值增大。對(duì)比夏季和冬季淺水層位, 冬季小于 64 μm的細(xì)顆粒較夏季明顯增多, 平均粒徑差值也大于夏季。因此, 懸浮體的粒度分布, 尤其是細(xì)顆粒組分的比重, 對(duì)平均粒徑的差值具有重要影響。

3 討論

3.1 水文環(huán)境特征對(duì)粒度分布的影響

圖3 夏季和冬季兩種方法計(jì)算的各站位平均粒徑, 平均粒徑差值及其相對(duì)誤差垂向分布特征Fig. 3 Vertical distribution of mean size based on the two methods and their differences and relative errors in station A in summer and winter

圖4 各站位夏季和冬季粒徑譜Fig. 4 Particle size distribution in the station A-C during summer and winter

海水中的懸浮體是由無機(jī)組分和有機(jī)組分共同構(gòu)成的。一方面, 碎屑物質(zhì)可以在水文動(dòng)力條件下運(yùn)移和沉降, 這是影響陸架海區(qū)懸浮沉積物分布特征的主要過程; 另一方面, 水文環(huán)境對(duì)浮游植物的生長具有重要作用(如溫度, 鹽度, 光照條件等), 進(jìn)一步影響了懸浮體中的有機(jī)組分。因此, 懸浮體的粒度分布特征與水文環(huán)境特征密切相關(guān)。黃海冷水團(tuán)是夏季南黃海海區(qū)的典型水文特征[21-23], 我們以更靠近南黃海中部的 C站位為例, 探討水文特征對(duì)懸浮體粒度分布特征的影響。

夏季, C站位的溫度垂向分布具有明顯的三層結(jié)構(gòu)(圖5)。10 m以淺為混合層, 溫度在28℃左右; 在10～50 m 左右深度, 溫度快速降低至 10℃以下, 以0.2 /m℃為界, 形成明顯的溫度躍層; 50 m以深存在著垂向均勻分布的低溫水體。與溫度相似, 夏季鹽度垂向分布也具有明顯的三層結(jié)構(gòu), 但分布趨勢(shì)完全相反。10 m以淺是低鹽混合層, 10～50 m是鹽度躍層,鹽度快速增大至 33.5以上, 底層為高鹽水體, 此低溫高鹽的底層水體即為黃海冷水團(tuán)水體[21-23]。躍層底部邊界與粒徑譜的分界深度基本一致, 約在 50 m左右深度。前人研究表明, 黃海冷水團(tuán)是夏半年黃海浮游植物生長的營養(yǎng)鹽儲(chǔ)庫[24-26], 而溫鹽躍層的存在阻擋了營養(yǎng)鹽的垂向擴(kuò)散, 造成了表層的寡營養(yǎng)條件[27]。因此, 在溫躍層所在層位形成了適宜的溫度,光照以及營養(yǎng)鹽條件, 這些條件促進(jìn)了次表層葉綠素最大值層的形成(圖 5), 生源顆粒的存在又進(jìn)一步改變了懸浮體的物質(zhì)組成和粒度特征。浮游植物可以分泌大量的具有粘性的透明胞外聚合物質(zhì)(extracellular polymeric substances, EPS)。這些聚合物質(zhì)具有正浮力性質(zhì), 可以自動(dòng)向上擴(kuò)散至表層[28-30], 而粘性特征使得它們可以與碎屑礦物顆粒相結(jié)合形成大尺寸絮凝體, 增大了粒徑譜中的粗顆粒組分含量。同時(shí), 無機(jī)顆粒的加入增大了絮凝體的密度, 當(dāng)增大到一定程度時(shí), 這些高密度的絮凝體具有負(fù)浮力特征并向下沉降。溫鹽躍層的存在延長了生源顆粒和絮凝體的滯留時(shí)間[31-32], 提供了絮凝的物質(zhì)和空間條件, 因此躍層及其以上層位具有更多的粗顆粒物質(zhì), 在躍層位置形成了體積濃度的次表層最大值(圖5)。從粒級(jí)百分比中也可以看到, 50 m以上層位,小于256 μm的細(xì)顆粒比重不足0.1, 小于64 μm的細(xì)顆?；究梢院雎圆挥?jì)(圖 5)?，F(xiàn)場(chǎng), 分散顆粒和無機(jī)顆粒的粒度對(duì)比試驗(yàn)也表明, 夏季在冷水團(tuán)海區(qū), 大于256 μm的粗顆粒主要是絮凝體和浮游植物單體[13]。而在躍層以下, 細(xì)顆粒比重逐漸升高。這是由于C站位位于南黃海中部泥質(zhì)區(qū)(圖1), 在潮流作用下, 底層泥質(zhì)沉積物發(fā)生再懸浮, 增大了細(xì)顆粒的含量[33-34]。

圖5 夏季和冬季C站位溫度, 鹽度, 溫度梯度, 總體積濃度和葉綠素濃度的垂向分布以及分粒級(jí)顆粒的體積百分比Fig. 5 Vertical distribution of temperature, salinity, temperature gradient, CTV, Chl a and the percentage of particles of different grain sizes in station C in summer and winter

冬季, 由于受到冬季風(fēng)的影響, 上層水體混合均勻且混合層深度可達(dá)60 m左右(圖5)。下層為相對(duì)低溫高鹽水體, 但躍層強(qiáng)度與厚度與夏季相比均較小。上下水層溫度差異約0.6 , ℃鹽度差異約為0.4,躍層厚度約3 m。相關(guān)研究表明冬季黃海暖流由南向北侵入南黃海, 在經(jīng)過長江口附近海域時(shí), 得益于強(qiáng)烈的混合作用, 水團(tuán)營養(yǎng)程度得到加強(qiáng)[35]。一方面,在山東半島沿岸流和黃海暖流的輸運(yùn)作用下, 山東半島沿岸泥楔以及南黃海西南部的細(xì)顆?？梢员惠斶\(yùn)至南黃海中部[36-39]; 另一方面, 黃海暖流將營養(yǎng)鹽攜帶至南黃海中部促進(jìn)了浮游植物生長[40-42]。冬季粒徑譜特征也顯示了上層暖水體中大顆粒的存在(圖 4), 這些大顆粒即是浮游植物或絮凝體顆粒存在的體現(xiàn)[13,33]。而底層同樣受到再懸浮作用的影響, 細(xì)顆粒組分增加, 粗顆粒組分含量降低(圖5)。

3.2 粒度分布對(duì)平均粒徑計(jì)算結(jié)果的影響

對(duì)比夏季和冬季平均粒徑計(jì)算結(jié)果及粒徑譜特征, 矩值法計(jì)算結(jié)果總是大于平均粒級(jí)法的結(jié)果,而不同的粒徑分布特征造成了平均粒徑差值的表現(xiàn)不同。為了進(jìn)一步分析原因, 我們分別選取夏、冬兩季C站位表層, 躍層(夏季25 m層, 冬季58 m層)和近底層的粒徑譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。如圖6所示, 我們可以將粒徑譜劃分為兩大類: 類型, Ⅰ表層和躍層(圖6a、 圖6b、圖6d 和圖6e); 類型, Ⅱ近底層(圖6c和圖 6f)。其中類型Ⅰ又可以劃分為夏季(類型Ⅰ夏季: 圖6a和圖6b)和冬季(類型Ⅰ冬季: 圖6d和圖6e)兩類。對(duì)于類型, Ⅰ其特征為粗顆粒占據(jù)粒徑譜的絕對(duì)組分, 累積頻率曲線在細(xì)顆粒端保持極低值,在128 μm處迅速上升。而類型Ⅱ中各粒級(jí)體積濃度均大于 0.1 μL/L, 累積頻率曲線從細(xì)顆粒端至粗顆粒段平穩(wěn)上升。兩種類型對(duì)比, 可以認(rèn)為類型Ⅰ顆粒集中度更好, 如果忽略細(xì)顆粒的貢獻(xiàn), 可以近似認(rèn)為顆粒只集中于粗顆粒一端, 表明顆粒的分選性更好。根據(jù)兩種算法公式, 粒度和各粒級(jí)的體積濃度是影響計(jì)算結(jié)果的變量, 類型Ⅰ更好的集中度使得造成差異的粒級(jí)范圍和差異大大縮小。而類型Ⅱ各個(gè)粒級(jí)的顆粒的貢獻(xiàn)均不可忽略, 意味著每個(gè)粒級(jí)都對(duì)平均粒徑法的計(jì)算結(jié)果有所貢獻(xiàn), 因此類型Ⅱ的計(jì)算差異大于類型Ⅰ的顆粒。對(duì)于類型, Ⅰ夏季的細(xì)顆粒基本缺失, 而冬季中小于 64 μm的細(xì)顆粒體積濃度約為0.01 μL/L?？梢哉J(rèn)為夏季是單一端元類型,而冬季是兩端元類型, 盡管細(xì)顆粒端元的貢獻(xiàn)較小,但是這種細(xì)微的貢獻(xiàn)同樣造成了冬季平均粒徑的差值大于夏季(圖 3), 這一結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了前述對(duì)類型Ⅰ和類型Ⅱ計(jì)算差異的解釋。

圖6 C站位表層, 躍層和近底層粒徑譜和累積頻率分布曲線Fig. 6 Particle size distribution and cumulative frequency distribution in the surface, thermocline, and bottom layers of station C注: a—c分別代表夏季表層、躍層和近底層的數(shù)據(jù); d—f分別代表冬季表層、躍層和近底層的數(shù)據(jù)

3.3 兩種算法的適用性

類型Ⅰ和類型Ⅱ的粒度分布差異可以解釋平均粒徑的差值在躍層上下層位的差異問題, 但是對(duì)于類型, Ⅱ夏季和冬季的粒徑譜均表現(xiàn)為多端元特征,夏季的平均粒徑差值卻顯著高于冬季, 而相對(duì)誤差則低于冬季(圖 3)。粒度分布顯示冬季底層細(xì)顆粒組分明顯增多(圖5), 累積頻率分布曲線顯示夏季呈下凹型,冬季呈上凸型(圖6 c和圖6f)。夏季128 μm處的累積頻率曲線只有0.3左右, 而冬季可達(dá)0.7左右。細(xì)顆粒組分的增加造成的直接結(jié)果是冬季平均粒徑整體小于夏季, 季節(jié)差異可達(dá)100 μm以上。因此, 可以推測(cè)平均粒徑絕對(duì)值(本質(zhì)上是細(xì)顆粒組分的比重)的變化造成了兩季節(jié)差值的不同, 而其相對(duì)誤差只有10%左右。

為了驗(yàn)證該結(jié)論, 我們?cè)O(shè)計(jì)了一組兩端元粒度模型(表 1), 分別利用兩種算法計(jì)算其平均粒徑及其差值, 探討平均粒徑值變化對(duì)計(jì)算差值的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果, 在總體積濃度不變情況下, 當(dāng)細(xì)顆粒端元(2.72 μm)或者粗顆粒端元(462 μm)組分為 0 時(shí), 即只存在單一端元時(shí), 兩種計(jì)算方法結(jié)果基本一致,類似于Ⅰ的計(jì)算結(jié)果。隨著細(xì)顆粒組分的增大, 平均粒徑值逐漸減小, 其差值在細(xì)顆粒為 25%時(shí)達(dá)到最大, 隨后逐漸減小, 而相對(duì)誤差則逐漸增大。這表明,平均粒徑絕對(duì)值的大小會(huì)影響計(jì)算差值的大小。盡管該模型只涉及兩個(gè)端元, 但是充分說明了細(xì)顆粒組分增加導(dǎo)致了平均粒徑絕對(duì)值的減小, 并進(jìn)一步造成了平均粒徑差值的減小。

對(duì)比兩種計(jì)算方法[公式(2)和公式(6)], 矩值法計(jì)算中將所有粒徑值與其百分比相乘進(jìn)行計(jì)算, 由于 LISST32個(gè)粒級(jí)呈對(duì)數(shù)分布, 粗顆粒的粒徑值與細(xì)顆粒相差可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí), 在一定程度上放大了粗顆粒的作用。而對(duì)于平均粒級(jí)法, 考慮了每個(gè)粒級(jí)的貢獻(xiàn), 求得平均粒級(jí)后再利用指數(shù)關(guān)系求解實(shí)際對(duì)應(yīng)的粒徑值, 充分考慮了細(xì)顆粒的貢獻(xiàn)。如夏季,在以浮游生物主導(dǎo)的躍層以上層位(層化環(huán)境), 兩種方法的計(jì)算結(jié)果差異較小, 可以互相替代; 而躍層以下層位(黃海冷水團(tuán))再懸浮作用導(dǎo)致的細(xì)顆粒組分明顯增大(圖 4), 但矩值法計(jì)算得到的平均粒徑仍然在300 μm以上, 對(duì)兩種不同粒度特征的指示性較差; 而平均粒級(jí)法的結(jié)果在250 μm以下(圖3), 對(duì)兩種分布特征的區(qū)分度相對(duì)較好。因此, 在以大顆粒占絕對(duì)貢獻(xiàn)時(shí), 兩種算法可相互替代, 計(jì)算差值較小; 當(dāng)細(xì)顆粒的組分增加時(shí), 平均粒級(jí)法對(duì)細(xì)顆粒的變化更加敏感。而在陸架海區(qū), 細(xì)顆粒懸浮體是源匯沉積過程的重要載體, 其分布和輸運(yùn)機(jī)制是現(xiàn)代沉積過程的重要內(nèi)容。從現(xiàn)代海洋沉積學(xué)角度看, 平均粒級(jí)法是更合理的平均粒徑計(jì)算方法。

表1 兩端元粒度模型及其計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Two-end element granularity model and its mean size calculation results

4 結(jié)論

基于 LISST32個(gè)粒級(jí)的對(duì)數(shù)分布特征, 根據(jù)南黃海海區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)兩種算法計(jì)算的平均粒徑結(jié)果進(jìn)行了比較研究。

1) 矩值法計(jì)算得到的平均粒徑結(jié)果總是大于平均粒級(jí)法的結(jié)果。無論夏季還是冬季, 溫度躍層及其以上層位差值較小, 而躍層以下層位差值較大。兩種方法計(jì)算的平均粒徑差值與懸浮體的粒度分布特征密切相關(guān)。

2) 根據(jù)南黃海現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料, 可以將粒度分布特征劃分為兩種類型。類型Ⅰ位于溫鹽躍層及其以上層位, 以粗顆粒為主, 細(xì)顆粒組分比重極小。此時(shí),懸浮體粒徑譜可以認(rèn)為是近似單一端元分布, 顆粒分選較好, 粒度集中度高, 兩種方法計(jì)算的平均粒徑差值較小, 兩者可以相互替代。類型Ⅱ位于躍層以下層位, 細(xì)顆粒組分高于類型, Ⅰ顆粒分選較差, 粒度集中度低, 導(dǎo)致兩種方法計(jì)算的平均粒徑差值較大,夏季差值可達(dá)90 μm, 冬季差值小于70 μm。

3) 對(duì)于類型Ⅱ分布特征, 細(xì)顆粒組分的比重導(dǎo)致了平均粒徑值的降低, 進(jìn)一步造成了差值的減小,并通過兩端元粒度模型進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì) LISST的測(cè)量結(jié)果和粒級(jí)分布特征, 矩值法強(qiáng)調(diào)了粗顆粒組分的貢獻(xiàn), 而平均粒級(jí)法對(duì)細(xì)顆粒組分的變化更加敏感, 后者是更適用于將 LISST觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于陸架海區(qū)現(xiàn)代沉積環(huán)境研究的粒徑參數(shù)計(jì)算方法。

致謝: 感謝“科學(xué)三號(hào)”和“東方紅2號(hào)”考察船全體船員和航次科考隊(duì)員對(duì)相關(guān)懸浮體采樣和觀測(cè)工作提供的幫助。美國Sequoia科學(xué)公司Agrawal博士和青島海洋研究設(shè)備服務(wù)有限公司(ORE)李明波高級(jí)工程師對(duì)本文的寫作提供了指導(dǎo)和建議, 謹(jǐn)致謝忱。