基于原位激光粒度儀(LISST)的懸浮體平均粒徑計算方法對比研究

李文建, 王珍巖, 黃海軍

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島 266071;3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室, 山東 青島 266071; 4. 中國科學院大學, 北京 100049; 5. 中國科學院海洋大科學研究中心, 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、搬運過程與海洋水動力條件的影響。沉積物的粒度分析是研究海底沉積物的物質來源、解釋地質歷史時期的沉積環境的重要方法之一[1-3]。平均粒徑是沉積學中進行粒度分析的基本參數, 表征了沉積物粒度分布的集中趨勢, 而懸浮體的平均粒徑是揭示顆粒輸運機制和反映水動力過程的重要參數[4-5],也常被用于斯托克斯公式計算顆粒沉降速率[6-7]。經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律, 測定粒度分布特征, 但是這種方法費時費力, 操作復雜。激光粒度分析儀的出現簡化了粒度測量過程, 并可以實現對粒度的連續性測量。在現代沉積學研究中, 懸浮體的現場粒度測量對于研究現代沉積過程具有重要的意義, 而以上的測量方法主要是針對沉積物樣品的實驗室測量, 不能滿足原位實時測量的需求。近年來,隨著觀測技術的不斷進步, 原位激光粒度儀(Laser In-Situ Scattering and Transmissometry, LISST)的出現解決了這一問題。LISST可在現場完成不同粒級的懸浮體體積濃度的測量, 具有高效、垂向分辨率高、可以實現分粒級測量懸浮體濃度等優點。

在傳統沉積學研究中, 平均粒徑的計算方法主要有圖解法和矩值法, 前人對這兩種計算方法的應用結果進行了對比研究[8-11], 指出這兩種方法計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是從頻率累積曲線上取得關鍵分位對應的粒徑值, 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, 更具有統計學意義, 并被引入“908專項”《海洋底質調查技術規程》[12]。在利用LISST進行現代沉積學研究中, 矩值法也得到了廣泛應用[13-14]。

基于光學散射原理, LISST可以利用內置的環形光學探測器測量32個不同粒級的懸浮體的體積濃度[15]。與傳統激光粒度儀相比, LISST的每個粒級代表一定的粒級范圍, 這些粒級范圍的中值粒徑之間具有對數關系[15-16]?？紤]到LISST特殊的粒級分布,Agrawal and Mikkelsen[17]提出了優先計算平均粒級,然后轉換為平均粒徑的計算方法(為討論方便, 本文稱之為平均粒級法)。本文的目的就是結合現場調查數據, 對比矩值法和平均粒級法的計算結果, 探討造成其計算差異的原因以及各自的適用性, 為使用LISST觀測數據進行現代海洋沉積環境研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

“科學三號”和“東方紅2號”科學考察船分別于2012年7月27日(夏季)和2016年12月30日(冬季)在南黃海中部進行水體綜合調查(圖1)。在調查站位利用SBE9/11plus型CTD采集水體剖面的溫度、鹽度和熒光葉綠素a(Chla)濃度數據(由于冬季傳感器出現問題, 冬季Chla數據缺失)。利用SBE Data Processing軟件對采集數據進行處理, 得到垂向分辨率為1 m 的剖面數據。根據《海洋調查規范》(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, 將 LISST-100X(C型)固定于CTD上部, 隨采集系統一起下放, 同步獲取各層位的粒度數據, 利用 LISST-SOP(Version 5.0.50, Sequoia Scientific, Inc.)軟件下載并處理數據, 獲取垂向分辨率為1 m的32個粒級的體積濃度數據, 其粒級分布范圍(2.5～500 μm)及各粒級的中值粒徑值如圖2所示。

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

圖2 LISST-100X32個觀測粒級的粒徑范圍* (改自文獻[16])Fig. 2 32 size ranges of LISST-100X (modified from reference [16])

1.2 平均粒徑計算方法

1.2.1 矩值法

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

MZ1表示利用矩值法計算得到的平均粒徑; Vi表示各粒級范圍的體積濃度, CTV為32個粒級的總體積濃度,Di表示各粒級對應的實際粒度值。

1.2.2 平均粒級法

由于LISST的32個粒級呈對數分布, 不同粒級之間的關系可以用如下公式表示:

i表示LISST的粒級數(1～32), Di表示第i個粒級對應的中值粒徑值(圖1), D1表示第1個粒級對應的中值粒徑值(這里是2.72 μm, 圖1), ρ表示相鄰粒級之間的系數關系(對于LISST-100X, 這里ρ為1.18)。

根據平均粒級法[17], 可以考慮優先計算平均粒級,然后根據粒級之間的指數關系計算平均粒徑(MZ2)。因此, 平均粒徑的計算問題轉化為平均粒級(U)的計算問題。首先根據不同粒級的體積濃度值與總體積濃度的關系計算平均粒級:

然后根據平均粒級以及粒級之間的指數關系計算平均粒徑(MZ2):

2 結果

2.1 平均粒徑差值

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

2.2 懸浮體粒度分布特征

3個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左右存在兩個濃度峰, 小于64 μm的顆粒較少, 8～64 μm的顆?；救笔? 只在個別層位出現且不連續, 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, 但最大粒級體積濃度可達10 μL/L及以上, 比最小粒級高出兩個量級。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。

對比圖3與圖4結果, 無論在夏季或冬季, 懸浮體粒徑譜均存在一個明顯界面, 界面上下層位粒度分布特征明顯不同。界面上部層位, 細顆粒(＜64 μm)體積濃度較小, 部分粒級甚至缺失, 粒度分布主要以粗顆粒為主, 此時兩種方法計算的平均粒徑差值較小(圖3)。而在界面下部層位, 細顆粒的比重增大,無明顯峰值粒級, 平均粒徑差值增大。對比夏季和冬季淺水層位, 冬季小于 64 μm的細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, 尤其是細顆粒組分的比重, 對平均粒徑的差值具有重要影響。

3 討論

3.1 水文環境特征對粒度分布的影響

圖3 夏季和冬季兩種方法計算的各站位平均粒徑, 平均粒徑差值及其相對誤差垂向分布特征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組分和有機組分共同構成的。一方面, 碎屑物質可以在水文動力條件下運移和沉降, 這是影響陸架海區懸浮沉積物分布特征的主要過程; 另一方面, 水文環境對浮游植物的生長具有重要作用(如溫度, 鹽度, 光照條件等), 進一步影響了懸浮體中的有機組分。因此, 懸浮體的粒度分布特征與水文環境特征密切相關。黃海冷水團是夏季南黃海海區的典型水文特征[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構(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構, 但分布趨勢完全相反。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, 黃海冷水團是夏半年黃海浮游植物生長的營養鹽儲庫[24-26], 而溫鹽躍層的存在阻擋了營養鹽的垂向擴散, 造成了表層的寡營養條件[27]。因此, 在溫躍層所在層位形成了適宜的溫度,光照以及營養鹽條件, 這些條件促進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一步改變了懸浮體的物質組成和粒度特征。浮游植物可以分泌大量的具有粘性的透明胞外聚合物質(extracellular polymeric substances, EPS)。這些聚合物質具有正浮力性質, 可以自動向上擴散至表層[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, 無機顆粒的加入增大了絮凝體的密度, 當增大到一定程度時, 這些高密度的絮凝體具有負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間[31-32], 提供了絮凝的物質和空間條件, 因此躍層及其以上層位具有更多的粗顆粒物質, 在躍層位置形成了體積濃度的次表層最大值(圖5)。從粒級百分比中也可以看到, 50 m以上層位,小于256 μm的細顆粒比重不足0.1, 小于64 μm的細顆?；究梢院雎圆挥?圖 5)?，F場, 分散顆粒和無機顆粒的粒度對比試驗也表明, 夏季在冷水團海區, 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, 細顆粒比重逐漸升高。這是由于C站位位于南黃海中部泥質區(圖1), 在潮流作用下, 底層泥質沉積物發生再懸浮, 增大了細顆粒的含量[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, 由于受到冬季風的影響, 上層水體混合均勻且混合層深度可達60 m左右(圖5)。下層為相對低溫高鹽水體, 但躍層強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。相關研究表明冬季黃海暖流由南向北侵入南黃海, 在經過長江口附近海域時, 得益于強烈的混合作用, 水團營養程度得到加強[35]。一方面,在山東半島沿岸流和黃海暖流的輸運作用下, 山東半島沿岸泥楔以及南黃海西南部的細顆?？梢员惠斶\至南黃海中部[36-39]; 另一方面, 黃海暖流將營養鹽攜帶至南黃海中部促進了浮游植物生長[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[13,33]。而底層同樣受到再懸浮作用的影響, 細顆粒組分增加, 粗顆粒組分含量降低(圖5)。

3.2 粒度分布對平均粒徑計算結果的影響

對比夏季和冬季平均粒徑計算結果及粒徑譜特征, 矩值法計算結果總是大于平均粒級法的結果,而不同的粒徑分布特征造成了平均粒徑差值的表現不同。為了進一步分析原因, 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行進一步分析。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。對于類型, Ⅰ其特征為粗顆粒占據粒徑譜的絕對組分, 累積頻率曲線在細顆粒端保持極低值,在128 μm處迅速上升。而類型Ⅱ中各粒級體積濃度均大于 0.1 μL/L, 累積頻率曲線從細顆粒端至粗顆粒段平穩上升。兩種類型對比, 可以認為類型Ⅰ顆粒集中度更好, 如果忽略細顆粒的貢獻, 可以近似認為顆粒只集中于粗顆粒一端, 表明顆粒的分選性更好。根據兩種算法公式, 粒度和各粒級的體積濃度是影響計算結果的變量, 類型Ⅰ更好的集中度使得造成差異的粒級范圍和差異大大縮小。而類型Ⅱ各個粒級的顆粒的貢獻均不可忽略, 意味著每個粒級都對平均粒徑法的計算結果有所貢獻, 因此類型Ⅱ的計算差異大于類型Ⅰ的顆粒。對于類型, Ⅰ夏季的細顆?；救笔? 而冬季中小于 64 μm的細顆粒體積濃度約為0.01 μL/L?？梢哉J為夏季是單一端元類型,而冬季是兩端元類型, 盡管細顆粒端元的貢獻較小,但是這種細微的貢獻同樣造成了冬季平均粒徑的差值大于夏季(圖 3), 這一結果也進一步驗證了前述對類型Ⅰ和類型Ⅱ計算差異的解釋。

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、躍層和近底層的數據; d—f分別代表冬季表層、躍層和近底層的數據

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, 但是對于類型, Ⅱ夏季和冬季的粒徑譜均表現為多端元特征,夏季的平均粒徑差值卻顯著高于冬季, 而相對誤差則低于冬季(圖 3)。粒度分布顯示冬季底層細顆粒組分明顯增多(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0.7左右。細顆粒組分的增加造成的直接結果是冬季平均粒徑整體小于夏季, 季節差異可達100 μm以上。因此, 可以推測平均粒徑絕對值(本質上是細顆粒組分的比重)的變化造成了兩季節差值的不同, 而其相對誤差只有10%左右。

為了驗證該結論, 我們設計了一組兩端元粒度模型(表 1), 分別利用兩種算法計算其平均粒徑及其差值, 探討平均粒徑值變化對計算差值的影響。根據計算結果, 在總體積濃度不變情況下, 當細顆粒端元(2.72 μm)或者粗顆粒端元(462 μm)組分為 0 時, 即只存在單一端元時, 兩種計算方法結果基本一致,類似于Ⅰ的計算結果。隨著細顆粒組分的增大, 平均粒徑值逐漸減小, 其差值在細顆粒為 25%時達到最大, 隨后逐漸減小, 而相對誤差則逐漸增大。這表明,平均粒徑絕對值的大小會影響計算差值的大小。盡管該模型只涉及兩個端元, 但是充分說明了細顆粒組分增加導致了平均粒徑絕對值的減小, 并進一步造成了平均粒徑差值的減小。

對比兩種計算方法[公式(2)和公式(6)], 矩值法計算中將所有粒徑值與其百分比相乘進行計算, 由于 LISST32個粒級呈對數分布, 粗顆粒的粒徑值與細顆粒相差可達兩個數量級, 在一定程度上放大了粗顆粒的作用。而對于平均粒級法, 考慮了每個粒級的貢獻, 求得平均粒級后再利用指數關系求解實際對應的粒徑值, 充分考慮了細顆粒的貢獻。如夏季,在以浮游生物主導的躍層以上層位(層化環境), 兩種方法的計算結果差異較小, 可以互相替代; 而躍層以下層位(黃海冷水團)再懸浮作用導致的細顆粒組分明顯增大(圖 4), 但矩值法計算得到的平均粒徑仍然在300 μm以上, 對兩種不同粒度特征的指示性較差; 而平均粒級法的結果在250 μm以下(圖3), 對兩種分布特征的區分度相對較好。因此, 在以大顆粒占絕對貢獻時, 兩種算法可相互替代, 計算差值較小; 當細顆粒的組分增加時, 平均粒級法對細顆粒的變化更加敏感。而在陸架海區, 細顆粒懸浮體是源匯沉積過程的重要載體, 其分布和輸運機制是現代沉積過程的重要內容。從現代海洋沉積學角度看, 平均粒級法是更合理的平均粒徑計算方法。

表1 兩端元粒度模型及其計算結果Tab. 1 Two-end element granularity model and its mean size calculation results

4 結論

基于 LISST32個粒級的對數分布特征, 根據南黃海海區的實測數據, 對兩種算法計算的平均粒徑結果進行了比較研究。

1) 矩值法計算得到的平均粒徑結果總是大于平均粒級法的結果。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。兩種方法計算的平均粒徑差值與懸浮體的粒度分布特征密切相關。

2) 根據南黃?，F場調查資料, 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, 細顆粒組分比重極小。此時,懸浮體粒徑譜可以認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, 細顆粒組分高于類型, Ⅰ顆粒分選較差, 粒度集中度低, 導致兩種方法計算的平均粒徑差值較大,夏季差值可達90 μm, 冬季差值小于70 μm。

3) 對于類型Ⅱ分布特征, 細顆粒組分的比重導致了平均粒徑值的降低, 進一步造成了差值的減小,并通過兩端元粒度模型進行了驗證。針對 LISST的測量結果和粒級分布特征, 矩值法強調了粗顆粒組分的貢獻, 而平均粒級法對細顆粒組分的變化更加敏感, 后者是更適用于將 LISST觀測數據應用于陸架海區現代沉積環境研究的粒徑參數計算方法。

致謝: 感謝“科學三號”和“東方紅2號”考察船全體船員和航次科考隊員對相關懸浮體采樣和觀測工作提供的幫助。美國Sequoia科學公司Agrawal博士和青島海洋研究設備服務有限公司(ORE)李明波高級工程師對本文的寫作提供了指導和建議, 謹致謝忱。