海洋沉積物調查中的粒度分析：相關國標及φ值粒級標準的淺析
2015年，國家海洋局、國家發展和改革委員會等7部門以國海發〔2015〕5號印發了《關于加強海洋調查工作的指導意見》，標志著我國海洋調查邁入了一個全新的發展階段。隨著二十大報告中提出的加快建設海洋強國的戰略部署號召以及新一輪的《中華人民共和國海洋環境保護法》的修訂，海洋資源的合理開發、環境的科學保護以及災害的有效預防再次成為社會關注的焦點，海洋調查研究展現出蓬勃發展的態勢。
海洋沉積物，作為海洋地質調查中的主要對象之一，其調查內容涵蓋粒度分析、物理力學性質測試、古生物鑒定、化學測定等各個方面。其中，沉積物的粒度分布特征蘊含著豐富的地質、氣候和環境信息，為深入解析沉積物來源、反演沉積環境演變、評估地質災害風險以及指導資源合理開發利用提供了強有力的技術支持。而在學術研究領域，沉積物粒度調查更是海洋地質學、古氣候學、古環境學等學科研究的核心內容之一，有助于揭示海洋環境變化的過程和機制。
激光粒度儀采用的激光法以其便捷、高效、精準且一次測試中覆蓋粒徑范圍廣等優勢，相對于傳統的篩析法、沉析法等方法顯著地提升了測試效率、精密度與準確性，更好地響應了國家海洋強國戰略，促進了海洋資源的合理開發、環境的科學保護以及災害的精準預防，成為了不可阻擋的趨勢。
現行國標中的幾種沉積物調查方法
OMEC
沉積學作為地質學的一個重要分支，其研究歷史最早可以追溯到19世紀。隨著1932年A.H.沃德爾首次提出“沉積學"這一概念，沉積學被正式確立為一門獨立的學科，其研究內容包括沉積物的來源、沉積條件、沉積環境、沉積作用及沉積物轉變為沉積巖等一系列復雜的成巖作用變化。
早期的沉積學研究主要通過傳統的觀察和實驗方法來分析沉積物（巖）的粒度分布特征。在海洋調查相關的現行國家標準《GB/T 12763.8-2007 海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查》中，用于沉積物粒度分析的方法主要包括篩析法、沉析法、綜合法和激光法。其中，篩析法、沉析法和綜合法由來已久，這些方法主要是利用顆粒大小不同則篩分孔徑或沉降速度不同這一特性，把沉積物的篩分或沉降特性轉化為粒徑信息，再根據合理的粒級間隔及粒級劃分標準，結合不同的粒級與其對應的質量百分數，計算沉積物顆粒的粒度分布情況（圖1）。
▲ 圖1 沉積物調查中綜合法的技術路線
相比之下，激光法的測試則更加快速簡便，加樣后數據采集、分析和結果輸出全部由儀器自動運行。其中，歐美克Topsizer系列的激光粒度分析儀可以滿足沉積物（巖）及相關水文、水利、土壤、石油等行業用戶的測試需求（圖2）。而其搭配的SCF-108A高性能濕法循環進樣器采用了下壓式水流分散技術和燈籠式離心泵循環回路設計，可以有效避免大顆粒沉降，且對大小顆粒的輸送性能一致，使得像沉積物這種典型的寬分布樣品的大小顆粒可以在一次測試中同時被檢測出來。標配的1000mL透明樣品池有助于隨時觀察樣品的分散和沉降狀態，且樣品池容積可根據用戶需求而更換。
▲ 歐美克Topsizer 激光粒度分析儀
（點擊圖片查看儀器詳情）
沉積物研究中的φ值粒級標準
OMEC
傳統的沉積物調查方法是建立在合理的粒級劃分標準之上的，對于粒徑橫跨多個數量級的沉積物而言，常規的自然數等距（等差）粒級劃分并不是最優選擇。粒級間隔過小時，容易造成信息冗余，導致粒度分布上的微小波動被過度解讀，且最小粒級間隔受限于篩析法和沉析法的最高分辨率和測試耗時及成本上的考量。若粒級間隔過大時，則容易造成信息的丟失，尤其是在小顆粒段的特征細節可能會被平均化，導致無法準確反映粒度分布的特征變化。
▲ 表1 等比制（φ值標準）粒級分類表
備注：來源于《GB/T 12763.8-2007 海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查》中附錄A
為了使粒度分布結果能準確反映實際的沉積過程和規律，Udden（1898）首次指出，以1mm為基數，通過乘以或除以2對原始粒徑數據進行劃分是一種有效的粒級劃分方法，并隨后建立了Udden等比制碎屑沉積物粒級劃分標準（Udden，1914）。Wentworth（1922）在其基礎上進而提出了粒級分類的簡化和改進，并形成了尤登-溫德華氏粒級分類標準。為了更好地簡化作圖，便于圖解表示和統計分析，Krumbein（1934，1938）在吸收了前兩者的優點后，在后續的沉積物研究中進一步推廣了這種以2為公比的等比制粒級劃分方法，并轉化為φ值粒徑轉換公式（公式1），形成了實際以φ值為基準的等差粒級劃分標準，構成了目前國標GB/T 12763.8-2007推薦使用的尤登-溫德華氏等比制（φ值標準）粒級分類表（表1）中的重要組成部分之一。
在常規的沉積物研究中，通常會根據φ值粒徑轉換公式（公式1）對粒徑數據進行以2為底的對數轉換預處理，將粒徑數據從毫米(mm)轉化為φ值。其中，為以毫米(mm)為單位的沉積物顆粒的粒徑，而則為轉換后的無量綱φ值粒徑。為了區分φ值粒徑和原始的毫米(mm)單位的粒徑，行業中一般習慣在φ值后添加字母φ來進行標識。
▲ 公式1
沉積物行業的傳統調查方法是基于篩析與沉析實驗結果的，因此也自然地形成了從大顆粒到小顆粒的逐步篩分或沉降的檢測順序。在將粒徑從毫米(mm)轉換為φ值的過程中，為了保持這一行業習慣，方便歷史數據間的對比和研究的傳承，公式中引入了負號，確保了φ值從負到正的變化趨勢，與顆粒由大到小的檢測順序保持一致。以1φ為基本劃分單元，根據尤登-溫德華氏等比制φ值粒級標準，沉積物（巖）從大顆粒至小顆粒最終依次被劃分為20個粒級。這為不同研究之間的粒級劃分提供了一種標準化的方法，極大地促進了沉積學領域內的學術交流和數據互通。
基于粒級分類的沉積物命名
OMEC
與φ值粒級標準密切相關的沉積物研究主要有兩個應用方向，一個是在φ值粒級標準的基礎上，進一步建立φ值累積分布曲線，并使用平均粒徑、分選系數、偏態、峰態等統計參數描述φ值微分分布曲線的特征，通過量化沉積物粒度分布的差異來描述不同沉積機制的影響。這一部分內容，我們會在后續的系列文章中進一步詳細介紹。另一個應用方向，則是沉積物的命名。
根據尤登-溫德華氏等比制（φ值標準）粒級分類表（表1），沉積物顆粒在φ值粒級標準的基礎上可分為5大類：巖塊（＞ 256mm）、礫石（256 - 2mm）、砂（2 - 0.063mm）、粉砂（0.063 - 0.004mm）和粘土(泥)（＜ 0.004mm），再簡分為8類, 細分為15類（徐喜慶等2019；倪玉根等，2021）。
一般而言，沉積物（巖）采用三級命名法：≥ 50%的粒級分類為巖石的主名，即基本名，命名××巖；介于50 - 25%之間的粒級分類以形容詞“××質"的形式，寫在基本名之前；25 - 10%的粒級分類作次要形容詞，以“含××"的形式寫在最前面；含量< 10%的粒級分類一般不反映在巖石名稱中。
目前國標GB/T 12763.8-2007中主要推薦采用謝帕德的沉積物粒度三角圖解法（圖3），也可采用福克分類命名法（圖4）。其中，謝帕德的沉積物粒度三角圖解法主要用于無礫沉積物（即不含2mm及以上顆粒的沉積物）的命名，以砂、粉砂和粘土為三角圖解的三個端元, 根據不同粒級分類的含量不同（以20%、50%、75%、100%等為劃分條件）劃分為10類。其中，中央區域的“砂-粉砂-粘土"是三端元含量均高于20%且低于60%的混合沉積物。但謝帕德分類法沒有考慮礫石，不宜用于對含礫沉積物的命名，普遍認為可能與其真實的沉積物動力學特征不符。
▲ 圖3 謝帕德分類法三角圖解（Shepard，1954）
備注：來源于《GB/T 12763.8-2007 海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查》中附錄D.1
福克沉積物粒度三角圖解法則包括含礫三角圖解（圖4A）和無礫三角圖解（圖4B）。相較而言，該分類法具有明顯的沉積動力與成因意義，目前逐漸被越來越多的海洋地質學者所接受。但在福克含礫三角圖解中，“泥"是粉砂和粘土的總和, 而在福克無礫三角圖解中, “泥"是砂含量＜ 10%、粉砂粘土含量比介于0.5~2之間的混合沉積物。
▲ 圖4 福克含礫及無礫分類法三角圖解（Folk et al., 1970）
在φ值粒級標準基礎上形成的粒級分類方法提供了一種標準化的分類體系，能夠清晰地描述沉積物的粒度組成特征，便于科學研究、工程應用以及環境評估等領域的交流與理解。沉積物的命名簡化了沉積物特征的描述過程，促進了不同研究結果之間的可比性，為深入理解沉積物的形成、分布、演化及其對環境的影響提供了基礎。
參考文獻
（1）Folk R L, Andrews P B, Lewis D W. Detrital sedimentary rock classification and nomenclature for use in New Zealand[J]. New Zealａnd Journal of Geology and Geophysics, 1970, 13(4): 937-968.
（2）Krumbein W. Size frequency distributions of sediments[J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1934, 4(2): 65-77.
（3）Krumbein W. Size frequency distributions of sediments and the normal phi curve[J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1938, 8(3): 84-90.
（4）Shepard F P. Nomenclature based on sand-silt-clay ratios[J]. Journal of Sedimentary Research, 1954, 24(3): 151-158.
（5）Wentworth C. A scale of grade and class terms for clastic sediments[J]. The Journal of Geology. 1922, 30(5): 377-392.
（6）Udden J. Mechanical composition of clastic sediments[J]. Bulletin of the Geological Society of America. 1914, 26: 655-744.
（7）Udden J. The mechanical composition of wind deposits[M]. Rock Island, IL: Augustana Library publications, 1898.
（8）GB/T 12763.8-2007，海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查[S].
（9）徐喜慶，張作祥，黃麗娜，等. 碎屑巖粒級劃分與粒度定名探討[J]. 西部探礦工程, 2019, (11):74-77.
（10）倪玉根，李建國，習龍，等. 海砂粒級劃分標準和沉積物命名方法探討[J]. 熱帶海洋學報, 2021, 40(3): 143-151.
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