一种內陆架海区泥沙来源的测定方法与流程

本发明涉及一种內陆架海区泥沙来源的测定方法，属于海洋监测技术领域。

背景技术：

内陆架海区(在水深30米以内的大陆架范围)泥沙运动存在两种运动形式：悬浮于海水中，在波浪、潮汐、沿岸流等动力因素作用下与海水一起运动，称为悬沙(悬移质)；在床面以滑动滚动或跳跃方式间歇性运动，称为底沙(推移质)，此外，海床或河床、泥沙及底沙长期相互交换，所以在不同的地理位置悬沙、底沙及泥沙是相互转化的。对于内陆架海区泥沙来源，一般认为有两种可能：由径流挟带入海，或内陆架海岸自然侵蚀。迄今对于内陆架海区泥沙来源的定量检测分析非常缺乏，多为定性的分析，而测定内陆架海区泥沙来源，尤其是确定的海床泥沙和径流泥沙的同源性，对于海岸工程结构及围海工程等工程的实施有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种內陆架海区泥沙来源的测定方法，以野外采样和实验的方法首次量测不同地点的采集的泥沙样品x射线衍射图谱，通过衍射峰所归属的物相对比，参照泥沙品形貌分析，判定内陆架海区泥沙与径流上游段泥沙是否为同一性质沙样，从而定量测定内陆架海区泥沙的来源。

为达到上述目的，本发明提供一种內陆架海区泥沙来源的测定方法，包括以下步骤：

1)采集泥沙样品；

2)进行x射线衍射实验，具体为：对采集的泥沙样品进行离心分离，然后将离心分离后的固态样品进行粉末x射线衍射分析，得到泥沙样品的衍射峰所归属的物相和相对应的pdf卡片编号；

3)进行泥沙样品形貌sem电镜实验，具体为：将离心分离后的固态样品进行sem电镜实验，通过sem电镜实验得到泥沙固态样品的形貌特征图像；

4)根据泥沙样品的sem电镜图像确定泥沙样品的平均粒径；

5)进行泥沙来源判定。

前述的步骤1)中，所述泥沙样品在现场实地采集，在采样地点，在同断面的同一垂线上至少采集表层悬沙、含水底沙和固态床沙三个样品，采样采用测量瓶。

前述的步骤1)中，所述采样地点包括内陆架海区，入海径流的上游乃至源区。

前述的步骤2)中，所述离心分离的具体过程为：将泥沙样品摇匀，用移液管将摇匀后的泥沙样品转移至离心管，用高速离心机将泥沙样品进行固液分离，将分离后的固态样品转移至100℃鼓风烘箱进行烘干。

前述的步骤4)中，采用10个颗粒的sem电镜图像粒径的平均值作为该泥沙样品的平均粒径，单个颗粒的粒径计算如下：

其中，d为泥沙样品颗粒的粒径，a，b，c分别为测得的泥沙样品颗粒在笛卡尔坐标下的三轴直径，通过sem电镜图像的标尺直接读出。

前述的步骤5)中，泥沙来源判定方式为：对任意两个泥沙样品进行xrd衍射图谱对比，如果相互比较的两个泥沙样品的图谱相同位置的晶相强度相似度达到90％，即初步判定两个泥沙样品同源；进一步进行泥沙样品sem电镜形貌尺寸比较，如果两个泥沙样品粒径相似度误差在10％以内，则判定为两个泥沙样品来自同一自然源区。

前述的泥沙样品晶相强度相似度误差计算如下：

|(i1-i2)/i2|＜10％

其中，i1为泥沙样品1的衍射特征峰强度，i2为泥沙样品2的衍射特征峰强度。

前述的泥沙样品粒径相似度误差计算如下：

|(d1-d2)/d2|＜10％

其中，d1为泥沙样品1的平均粒径，d2为泥沙样品2的平均粒径。

本发明所达到的有益效果：

本发明能够有效地测定内陆架海区泥沙来源，尤其是确定的海床泥沙和径流泥沙的同源性，对于海岸工程结构及围海工程等工程的实施有重要意义。判别内陆架海区的泥沙来源，对内陆架海床的地形变迁有重要意义，直接预测了海床泥沙的补给和淤涨。同时，工程实施后的海岸线变迁也取决于能否明确泥沙来源。

本发明对于内陆架海区泥沙及入海径流泥沙长期同步资料的集成具有重要的应用价值。

附图说明

图1为不同地区采集的泥沙样品的晶相结构图：(a)为样品1的晶相结构；(b)为样品2的晶相结构；

图2为不同地区采集的泥沙样品的样品形貌图：(a)为样品1的样品形貌；(b)为样品2的样品形貌；

图3为本发明方法的流程图；

图4为实施例中江苏沿海内陆架海区泥沙来源分析采样点；

图5为实施例中两个样品的xrd衍射谱图，图5(a)为中卫底沙样品的xrd衍射谱图，图5(b)为大丰底沙样品的xrd衍射谱图；

图6为实施例中两个样品的sem电镜图像，图6(a)为中卫底沙样品放大倍数为200的sem图像，图6(b)为中卫底沙样品放大倍数为700的sem图像，图6(c)为大丰底沙样品放大倍数为250的sem图像，图6(d)为中卫底沙样品放大倍数为1000的sem图像。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在自然界不同地区采集的泥沙样品具有不同的晶相结构，如图1(a)和(b)所示的两个泥沙样品的晶相结构，从图中可以看出，图1(a)的样品1的晶相主要以sio2(石英态)、(na,ca)(si,al)3o8、nacl以及caco3晶相存在；图1(b)的样品2的晶相主要以sio2(石英态)、(na,ca)(si,al)3o8、nacl以及caco3晶相存在；进一步，还可以看出样品1中nacl和caco3相的比例要比样品2要高。从晶相结构可以看出，两个样品的差异是非常明显的，不能说明样品同源，这种晶相结构差异在自然界中是普遍存在的。进一步参照图2(a)和(b)的样品品貌对比分析，图2(a)中显示了不同放大倍数的样品1的形貌，图2(b)中显示了不同放大倍数的样品2的形貌，在sem电镜照片直观上可以看出，图2(a)样品1的颗粒尺寸要比图2(b)样品2要小的多，而且从形貌上观察它们的形貌没有很明显的规律可循，样品1的表面在形貌上比样品2要粗糙一些。从样品品貌可以看出，不同地区采集的泥沙样品具有不同的形貌尺寸粒径，这种品貌差异也是普遍存在的。选取海沙及河沙样品各一个，如果晶相图谱高度相似，以及样品品貌粒径尺寸也相似，则判定两种样品具有同源性，即海沙来自与河沙样品晶相结构相同的河段。基于此，本发明提供一种內陆架海区泥沙来源的测定方法，主要思想是：分别采集内陆架海区及入海径流上游的泥沙样品(悬沙、底沙及河床/海床)，在实验室进行采集样品的晶相结构和品貌形态分析，进而判定内陆架海区泥沙来源。

参见图3，具体实施过程如下：

步骤一：泥沙野外采集；

野外采样采用测量瓶，在采样地点，在同断面的同一垂线上一般采集水样悬沙(表层和底层)、含水底沙和固态床沙，在同一垂线上至少采集表层悬沙、底沙、床沙三个样品。采样地点不局限于内陆架海区，可在入海径流的上游乃至源区。随后的试验针对每个原始样品，各个样品之间没有混合或试验程序上的差异。

步骤二：进行x射线衍射实验

对采集的泥沙样品进行离心分离，然后将离心分离后的固态样品进行粉末x射线衍射分析(xrd分析)，根据xrd衍射图谱可以看到泥沙的晶相，即衍射峰所归属的物相和相对应的pdf卡片编号。

具体操作过程为：将泥沙样品摇匀，用移液管将摇匀后的泥沙样品转移至离心管(10ml)，用高速离心机将泥沙样品进行固液分离，将分离后的固态样品转移至100℃鼓风烘箱进行烘干，然后再进行x射线衍射实验。

步骤三：进行泥沙样品形貌sem电镜实验

将离心分离后的固态样品进行sem电镜实验，通过sem电镜实验得到泥沙固态样品的形貌特征，sem电镜图像能够显示样品的表面形状，通过sem电镜图像上的标尺可直接测定颗粒大小尺寸。

步骤四：测量泥沙样品的粒径

通过sem电镜图像分析，测量并计算泥沙样品的粒径，如计算几何平均粒径d：

其中，a，b，c分别为测得的泥沙颗粒在笛卡尔坐标下的三轴直径。

通常采用10个颗粒的sem电镜图像粒径的平均值作为该样品的代表性粒径，每个颗粒的三轴直径可以通过sem电镜图像的标尺直接读出。

步骤五：进行泥沙来源判定

一般情况下，即使同一垂线采集的样品，通常其xrd衍射图谱也不相似。在自然界中，样品的xrd衍射图谱差异性普遍存在，泥沙xrd图谱代表泥沙晶相地理上来源和时间上形成的特异性。

对任意两个样品进行xrd衍射图谱对比。通常来源相同的样品的xrd衍射图谱均出现相似晶相的衍射特征峰，并且不同晶相间的衍射峰的相对强度呈现高度相似性，即，图谱相同位置的晶相强度(峰值)相似度达到90％，即初步判定两个泥沙样品同源。即，

|(i1-i2)/i2|＜10％

其中，样品1衍射特征峰强度i1，样品2衍射特征峰强度i2。需要说明的是：晶相图谱纵坐标为强度，单位是a.u，arbitraryunit的缩写，即任意单位，一般用于几个图叠加对比时，只要示出相对强度，单位也就不重要了，所有数据都是按照相同的处理方式得到即可，因此，纵坐标应表示为相对强度(relativeintensity,i)。

对满足晶相相似的两个样品进一步进行样品sem电镜形貌尺寸比较，如果两个样品粒径相似度误差在10％以内，则判定为两个样品来自同一自然源区。即，

|(d1-d2)/d2|＜10％

其中，样品1粒径d1，样品2粒径d2。

实施例

江苏沿海内陆架海区面积约1.5万平方公里(南北约200km，东西约90km)，由黄海和东海组成，径流来自黄河、淮河、长江三大水系，从射阳河口到长江口等河口入海径流含沙量较大，同时也有海沙来源，泥沙来源丰富，为陆海双向供给。因此，江苏近岸带海域提供了本说明书实施例最佳的天然应用和验证场。2018年9-11月，参照图4，沿江苏海岸内陆架和黄河宁夏段上游分别采集了十数个样品，经上述流程得到晶相图谱和形貌数据。参照图5和图6为其中两个样品：大丰底沙样品和中卫底沙样品的xrd衍射谱图和sem电镜图像，其中，图5(a)为中卫底沙样品的xrd衍射谱图，图5(b)为大丰底沙样品的xrd衍射谱图，从图中可以看出，中卫和大丰底沙样品的xrd衍射谱图中均出现sio2石英相、(na,ca)al(si,al)3o8、caco3等晶相的衍射特征峰，并且通过计算，不同晶相间的衍射峰的相对强度达到90％以上。参见图6的sem电镜图像，其中，图6(a)为中卫底沙样品放大倍数为200的sem图像，图6(b)为中卫底沙样品放大倍数为700的sem图像，图6(c)为大丰底沙样品放大倍数为250的sem图像，图6(d)为中卫底沙样品放大倍数为1000的sem图像，经过计算，中卫和大丰样品几何平均粒径分别为0.0585mm及0.0621mm形貌数据相似性亦达到90％以上的相似度，说明大丰底沙样品和中卫底沙样品具有同源性；即，江苏大丰内陆架海床表层底沙与黄河中卫河床表层底沙都来自黄河上游同一流域。进一步，也验证了一个重要的自然过程：黄河上游高原河床底沙冲刷悬浮后经漫长的距离到达江苏沿海内陆架海域落淤构成海床，并受海水长期侵蚀，大丰底沙样品晶相结构中加入少许nacl，但并没有改变中卫底沙样品的总体晶相结构，sio2谱峰仍高度相似。

基于上述技术方案，内陆架海区泥沙及入海径流泥沙长期同步资料的集成是本发明的重要应用出口。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。