Đặc điểm thống kê kích thước hạt trầm tích vịnh bái tử long quảng ninh tuyển tập hội nghị KHCN biển toàn quốc lần thứ v

~\\I)C V A C '" , \!) H O• IN G H I • K H O A H O C vA eO N G N G H E B IE N rO A N Q uae I I LANTHUV TU Y EN TA• p B A o c A o - - - - - - - - - - - - , • - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ , /1 ~ TRONG sA u BIEN D6 G ~ ,Q U Y EN ZYXWVUTSRQPONMLKJI B IA LY , B IA C H A T v A B IA V A•T LY B IEN • N H A X U A T B A N K H O A H Q C TV N H IEN vA C O N G N G H ~ N H A X U A T B A N K H O A H O.C TV' N H IEN vA C O G N G H E.ZYXWVUTSRQP 18 duong H oang Q uae V i~t, C §u G i~y, H a N Q i D T: Phong Q uan Iy Tang h o p : 04.22149041; Phong Phat hanh: 04.22149040; Phong B ien t~p: 04.37917148 Fax: 04.37910147; Em ail: nxb@ vap.ac.vn; w w w vap.ac.vn H O• IN G H I • K H O A H O e V A eO N G N G H E B IE N TO A N Q u a e LA N TH ((V r r e u B A N IlIA LV , IlIA C H A T v A IlIA V ~T LV BIE C H !U T R A c H N H II;M G ia r n XUAT BAN doc TRAN VAN sA c T o n g b ie n ta p G S T S K H NGUYEN KHOA son In 0 c u o n k h x e m ta i: N h a in K h o a h o c v a C n g n g h ~ So d a n g k y K H X B : 1 - 1 /C X B /0 - /K H T N C N c a p n g a y /1 /2 1 In x o n g v a n o p lu u c h ie u q u y IV n a r n 1 390 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V ĐẶC ĐIỂM THỐNG KÊ KÍCH THƯỚC HẠT TRẦM TÍCH VỊNH BÁI TỬ LONG, QUẢNG NINH Nguyễn Ngọc Anh1, Nguyễn Văn Vượng2, Trần Nghi2, Trần Đức Thạnh1 Viện Tài nguyên Môi trường biển, 246 Đà Nẵng, Ngơ Quyền, Hải Phịng Email: anhnn@imer.ac.vn ; anh.n2006@gmail.com Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Tóm tắt: Nghiên cứu phân bố kích thước hạt trầm tích khu vực vịnh Bái Tử Long (1) - Các mẫu trầm tích khu vực vịnh Bái Tử Long mơ tả ba mơ hình phân bố thống kê phân bố Bimodal, phân bố Laplace phân bố chuẩn (Normal); (2) - Phân bố Bimodal phân bố hiệu chỉnh tốt so với hai phân bố lại, đặc biệt mẫu trầm tích khu vực phía Bắc vịnh Bái Tử Long; (3) - Phân bố Laplace phân bố chuẩn (Normal) cung cấp cách xấp xỉ tốt phân bố kích thước hạt trầm tích khu vực phía Nam vịnh Bái Tử Long Các kết nghiên cứu góp phần hiểu biết sâu hệ thống phân loại phân bố kích thước hạt trầm tích tự nhiên GRAIN-SIZE STATISTICAL FEATURES OF SEDIMENTSIN THE BAI TU LONG BAY, QUANG NINH Nguyen Ngoc Anh1, Nguyen Van Vuong2, Tran Nghi2, Tran Duc Thanh1 Abstract: The study of the sediment size distribution in the Bai Tu Long bay indicates that (1) - sediment samples from the Bai Tu Long bay can be described in three statistical distribution models such as Bimodal distribution, Laplace distribution and Normal distribution; (2) - the Bimodal distribution is the best fitted distribution model, especially for sediment samples from the north part of the Bai Tu Long bay; (3) - the Laplace distribution and Normal distribution provide a good approximation to the sediment size distributions from the south part of Bai Tu Long bay The results of this study provide a better understanding of the sediment size distribution in nature I MỞ ĐẦU Phần lớn phân tích thống kê lý thuyết cần dạng phân bố hàm mật độ để mô tả chúng Krumbein [16] phân bố loga chuẩn xấp xỉ tốt cho nhiều kiểu phân bố kích thước hạt trầm tích Tuy nhiên, số mẫu trầm tích Tiểu ban Địa lý, Địa chất Địa vật lý Biển 391 không hẳn với phân bố loga chuẩn nên phân bố cấp hạt trầm tích cần phải nghiên cứu hàm mật độ khác Phân bố Gamma nghiên cứu coi quy luật phân bố kích thước hạt Inman [13] Phân bố mơ tả tốt số dạng phân bố kích thước hạt trầm tích có độ nhọn lớn 3, vậy, chưa phải mơ hình tổng quát đại diện cho tất dạng phân bố kích thước hạt trầm tích Chuỗi Gram-Charlier sử dụng để mơ tả phân bố kích thước hạt trầm tích [13] Inman [13] chuỗi Gram-Charlier có khả mơ tả xác quy luật phân bố kích thước hạt trầm tích độ bất đối xứng độ nhọn đạt chuẩn Tuy nhiên, Cramer (1946) lại số khoảng giá trị định chuỗi GramCharlier khơng thể lý giải thỏa đáng phân bố kích thước hạt hội tụ cần phải có moment bậc cao Một chuỗi khác khắc phục nhược điểm chuỗi Edgeworth (Cramer), lại khơng mơ tả xác mẫu trầm tích dạng phân bố chuẩn Các mẫu trầm tích cát thể số báo kinh điển Friedman [9], Shepard and Young [21], Koldijk [15] Hails [10] có giá trị bất đối xứng gần độ nhọn gần hiệu chỉnh tốt chuỗi Edgeworth Tuy nhiên, chuỗi Edgeworth định luật vật lý mơ tả phân bố kích thước hạt cung cấp cho cách xấp xỉ phương trình phân bố cấp hạt Một số kiểu trầm tích khác lại khơng mơ tả chuỗi Edgeworth Ví dụ, Folk and Ward [8] nghiên cứu trầm tích đáy sơng Brazos sử dụng phân bố Bimodal mà không sử dụng chuỗi Edgeworth; Sulaiman [24] nghiên cứu trầm tích đáy sơng Nhật Bản trầm tích hình thành đáy sơng mơ tả ba kiểu phân bố phân bố chuẩn, phân bố Talbol phân bố Bimodal Ngoài phân bố đề cập phân bố khác ý đến mô tả trầm tích luận phân bố Weibul hay cịn gọi phân bố Rosin [11] Phân bố mô tả tốt trầm tích có nguồn gốc từ vỏ phong hóa vật liệu núi lửa phun trào [14, 17 - 18] Ibbeken [12] phân bố Rosin mơ tả tốt trầm tích chưa di chuyển xa nguồn cung cấp trầm tích, Hình 1: Vị trí mẫu trầm tích phân bố chuẩn phân bố loga khu vực vịnh Bái Tử Long chuẩn lại mô tả tốt trầm tích di chuyển xa nguồn cung cấp vật liệu trầm tích Nghiên cứu Shih and Komar [22 - 23] trầm tích đáy sơng biến đổi từ phân bố loga chuẩn chế độ động lực dòng chảy yếu sang phân bố Rosin chế độ động lực dịng chảy mạnh có ứng suất ma sát đáy lớn Trên thực tế, phân bố chuẩn phân bố Rosin thường sử dụng 392 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V nhiều mơ tả trầm tích luận [19] hai số kiểu phân bố kích thước hạt trầm tích tự nhiên mà Các nghiên cứu Bagnold [1], Barndorff-Nielsen [2], Deigaard and Fredsoe [5] Wyrwoll [25] lại số mơi trường trầm tích đặc biệt mơi trường trầm tích gió mơi trường trầm tích lắng đọng lơ lửng phân bố log - hyperbolic có khả xấp xỉ phân bố kích thước hạt trầm tích tốt phân bố chuẩn Do việc hiệu chỉnh phân bố log-hyperbolic phức tạp nên Fieller [6 - 7] đề xuất sử dụng phân bố laplace thay cho phân bố log - hyperbolic Về mặt chất toán học, phân bố chuẩn phân bố laplace phân bố giới hạn phân bố họ hyperbolic Như vậy, tương ứng với kiểu mơi trường trầm tích khác nhau, có kiểu phân bố khác để mơ tả chúng Tuy có nhiều cơng trình nghiên cứu liên quan đến đặc điểm phân bố kích thước hạt trầm tích tự nhiên, song phần lớn cơng trình tập trung nghiên cứu phân loại kiểu phân bố kích thước hạt trầm tích mơi trường sông, bãi biển, biển nông ven bờ xa mạc Đối với mơi trường trầm tích đặc biệt đầm phá, vịnh biển ven bờ nửa kín mang tính chất đặc thù địa hệ nơi chưa quan tâm Do vậy, mục đích báo nghiên cứu đặc điểm phân bố kích thước hạt trầm tích vịnh Bái Tử Long, vịnh ven bờ nửa kín có đảo chắn đặc trưng Việt Nam, góp phần hồn thiện hệ thống phân loại phân bố kích thước hạt trầm tích tự nhiên II TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU Vịnh Bái Tử Long nằm vịnh Bắc Bộ thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, phía Tây Nam giáp vịnh Hạ Long, phía Đơng giáp biển, phía Tây giáp đất liền phía Đơng Bắc giáp huyện đảo Cơ Tơ, có hàng trăm đảo lớn nhỏ bao bọc xung quanh vịnh Toàn mẫu trầm tích đáy thu thập tập trung chủ yếu phía Bắc, phía Nam phần trung tâm vịnh Bái Tử Long trình thực đề tài khác liên quan đến khu vực (hình 1) Tất mẫu trầm tích thu thập được hong khơ ngồi khơng khí Phần lớn mẫu trầm tích thu thập vịnh Bái Tử Long chứa lượng định vật chất hữu Các vật chất hữu loại bỏ mẫu hóa chất cơng nghiệp Hydrogen peroxide Sau loại bỏ hết vật chất hữu cơ, mẫu trầm tích phân tích phương pháp rây trầm tích có kích thước lớn 0.063 mm phương pháp pipet trầm tích có kích thước nhỏ 0.063 mm Từ đó, thu liệu phần trăm khối lượng mẫu trầm tích III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong nghiên cứu này, nhiều phân bố thống kê khác sử dụng để kiểm tra liệu kích thước thước hạt trầm tích khu vực vịnh Bái Tử Long Tuy nhiên, số phân bố cho phép xấp xỉ phù hợp liệu kích thước hạt khu vực vịnh Bái Tử Long Phân bố chuẩn: Phân bố chuẩn có hàm mật độ xác suất viết dạng sau đây: Tiểu ban Địa lý, Địa chất Địa vật lý Biển f (T )  T   T   2    exp      T   2   393 Trong đó: T biến quan sát, µ σT thông số cần hiệu chỉnh Nếu biến T xác định thang loga kích thước hạt hàm mật độ xác suất f(T) hàm mật độ xác suất phân bố loga chuẩn Phân bố Skew Laplace: Hàm mật độ xác suất phân bố Skew Laplace viết dạng sau đây:   x     exp       f (x |  ,  , )     x     exp        x Trong đó: µ biến quan sát, x hiệu chỉnh thơng số α, β, µ thông số cần Phân bố Laplace: Hàm mật độ xác suất phân bố Laplace có dạng sau:  | x  a | exp   2b b   f ( x | a, b)  Trong đó: a thơng số vị trí, b thông số tỷ lệ x biến quan sát Phân bố Weibull: Hàm mật độ xác suất phân bố Weibull có dạng:  f (T )   T       1 e T        Trong đó: η thơng số tỷ lệ; β thơng số hình dạng T biến quan sát Sau hiệu chỉnh xong phân bố thống kê kích thước hạt, sử dụng thống kê Chi-Square để tính giá trị Ncrit N crit   t2, 0.95  r  P   k i i / Pi ( ) Trong đó: k số lớp kích thước hạt, m số thông số xác định phân bố, t=k-m-1, ri phần trăm quan sát lớp thứ i, Pi phần trăm dự báo lớp thứ i, θ chứa thông số phân bố hiệu chỉnh Giá trị Ncrit lớn mơ hình thống kê hiệu chỉnh tốt [6 -7] 394 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V IV KẾT QUẢ Hiện nhiều phần mềm thống kê cung cấp phong phú thị trường dạng miễn phí dùng thử cho phép hiệu chỉnh tập hợp liệu theo số phân bố thống kê định Tuy nhiên, chúng lại cho phép xác định sai số tương đối mơ hình thống kê đồ thị tương ứng với tập hợp liệu cụ thể Vì vậy, để thực nghiên cứu này, tất phân bố thông kê lập trình đánh giá sai số Ncrit dựa nhiều thuật toán khác Phân bố Weibull phân bố chuẩn hiệu chỉnh phương pháp bình phương tối thiểu Phân bố hyperbolic, phân bố Hình 2: Ví dụ phân bố hai mốt (Bimodal laplace phân bố skew laplace distribution) mẫu trầm tích số khu hiểu chỉnh phương pháp ước lượng vực vịnh Bái Tử Long hợp lý cực đại Việc tính tốn giá trị Ncrit dựa thuật toán AS 32 [4], AS 70 [20] AS 91 [3] Bảng 1: Đặc điểm phân bố thống kê kích thước hạt hai mẫu trầm tích phía Nam vịnh Bái Tử Long Phân bố thống kê Laplace Normal Skew Laplace Weibull Alpha Beta Ncrit Mu Sigma Ncrit Mu Alpha Beta Ncrit Beta Eta Ncrit Mẫu trầm tích Mẫu số 0.095 0.03171 0.10614286 0.03973638 0.06022923 0.0565 0.04964 -4.79 0.075 -0.023 Mẫu số 0.130375 0.044 0.08634 0.121 0.05409945 0.05540131 0.0565 NaN NaN NaN -4.789 0.083 -0.024 Ghi chú: NaN - phép lặp không hội tụ; Giá trị Ncrit lớn mơ hình hiệu chỉnh tốt Tiểu ban Địa lý, Địa chất Địa vật lý Biển 395 Kết tính tốn cho thấy hầu hết mẫu trầm tích vịnh Bái Tử Long (7 số mẫu trầm tích) có đặc điểm phân bố kích thước hạt trầm tích tuân theo phân bố hai mốt (bimodal distribution) (hình 2) Các mẫu trầm tích nằm phía Bắc trung tâm vịnh Bái Tử Long Hai mẫu trầm tích số số cịn lại có đặc điểm phân bố kích thước hạt trầm tích tuân theo phân bố laplace phân bố chuẩn (bảng 1) Kiểm tra liệu hai mẫu số phân bố hyperbolic cho thấy không hội tụ số sau 1000 vòng lặp, tức phân bố kích thước hạt trầm tích mẫu khơng tuân theo quy luật phân bố hyperbolic V KẾT LUẬN Nghiên cứu đặc điểm thống kê kích thước hạt trầm tích vịnh Bái Tử Long ghi nhận phân bố Bimodal hiệu chỉnh tốt nhất, đặc biệt mẫu trầm tích khu vực phía Bắc vịnh Bái Tử Long; phân bố Laplace phân bố chuẩn Normal cho phép xấp xỉ tốt phân bố kích thước hạt trầm tích phía Nam vịnh Bái Tử Long TÀI LIỆU THAM KHẢO Bagnold, R.A., and Barnforff-Nielsen, O., “The pattern of nature size distributions”, 1980, Sedimentology, v 27, p 199-207 Barndorff-Nielsen, O., “Exponentially decreasing distributions for the logarithm of particle size”, Royal Society of London, proceedings, 1997, v 353 (A), p 401-419 Best, D.J., and D.E Roberts, “Algorithm AS 91: The percentage points of the ChiSquare distribution”, Journal of the Royal Statistical Society, Series C, 1975, vol 24, No 3, p 385-388 Bhattacharjee, G.P., “Algorihm AS 32: The incomplete Gamma Integral”, Journal of the Royal Statistical Society, Series C, 1970, vol 19, No 3, p 285-288 Deigaard, R., and Fredsoe, J., “A sediment transport model for straight alluvial channels”, Nordic Hydrology, 1978, v 7, p 293 - 306 Fieller, N.R.J., and Flenley, E.C., “Statistics of particle size data”, Applied Statistics, 1992, v 41, p 127 - 146 Fieller, N.R.J., Gilbertson, D.D., and Olbricht, W., “A new method for environmental analysis of particle size distribution data from shoreline sediments”, Nature, 1984, v 311, p 641 - 651 Folk, R L and Ward, W C., Brazos River bar - a study in the significance of grain size parameters Journal of Sedimentary Petrology, 1957, vol 27, pp 3-26 Friedman, G.M., “Distinction between dune, beach, and river sands from their textural characteristics”, Journal of Sedimentary Petrology, 1961, v 27, p 514-529 10 Hails, J.R., and Hoyt, J.H., “The significance and limitations of statistical parameters for distinguishing ancient and modern sedimentary environments of the lower Georgia coastal plain”, Journal of Sedimentary Petrology, 1969, v 39, p 559-580 396 Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V 11 Ibbeken, H., “Jointed source rocks and fluvial gravels controlled by Rosin’s law: A grain size study in Calabria, South Italy”, Journal of Sedimentary Petrology, 1983, v 53, p 1213-1231 12 Ibbeken, H., Köster, H., Schleyer, R., and Spamnagel, H., “Rosin-Gauss transformation of shoreface gravels: A measure of longshore differentiation”, La Geologia Marina, Conveggo della Società Geologica Italiana, S Benedetto Tronto, 1984, p 45 13 Inman, D L., “Measures for describing the size distribution of sediments”, Journal of Sedimentary Petrology, 1952, vol 22, No 3, pp 125-145 14 Kitteman, L R Jr., “Application of Rosin’s distribution in size frequency analysis of clastic rocks”, Journal of Sedimentary Petrology, 1964, v 34, p 483-502 15 Koldijk, W.S., “On environment-sensitive grain size parameters”, Sedimentology, 1968, v 10, p 57-69 16 Krumbein, C.K., “Size frequency distribution of sediments”, Journal of Sedimentary Petrology, 1938, Vol 8, p 84-90 17 Krumbein, W.C., and Graybill, F.A., “An Introduction to Statistical Models in Geology”, McGraw-Hill Book Company, New York, 1965, 475 p 18 Krumbein, C.K and Tisdel, F.W., “Size distributions of source rocks of sediments”, Am Jour Sci., 1940, v 238, p 296-305 19 Leroy, S.D., “Grain size and moment measures: a new look at Karl Pearson’s ideas on distributions”, Journal of Sedimentary Petrology, 1981, Vol 51, No 2, pp 625-630 20 Odeh, R.E and J.O Evans, “Algorithm AS 70: The percentage points of the Normal Distribution”, Journal of the Royal Statistical Society, Series C, 1974, vol 23, No 1, p 96-97 21 Shepard, F.P and Young, R., “Distinguishing between beach and dune sands”, Journal of Sedimentary Petrology, 1961, v 31, p 196-214 22 Shih, S.M., and Komar, P.D., “Hydraulic controls of grain size distributions of bed load gravels in Oak Creek, Oregon, U.S.A”, Sedimentology, 1990a, v 37, p 367 376 23 Shih, S.M., and Komar, P.D., “Differential bed load transport rates in a gravel bed stream: a grain size approach”, Earth Surface Processes and Landform, 1990b, v 15, p 539 - 552 24 Sulaiman, M., Tsutsumi, D., Fujita, M., and Hayashi, K., “Classification of grain size distribution curves of bed material and the porosity”, Annuals of Disas Prev Res Inst., Kyoto Univ., 2007, No 50 B 25 Wyrwoll, K.H and Smyth, G.K., “On using the log hyperbolic distribution to describe the textural characteristics of eolian sediments”, Journal of Sedimentary Petrology, 1985, v 55, p 471 - 478  ... /2 1 In x o n g v a n o p lu u c h ie u q u y IV n a r n 1 390 Hội nghị Khoa học Công nghệ biển tồn quốc lần thứ V ĐẶC ĐIỂM THỐNG KÊ KÍCH THƯỚC HẠT TRẦM TÍCH V? ??NH BÁI TỬ LONG, QUẢNG NINH Nguyễn... phân bố thống kê khác sử dụng để kiểm tra liệu kích thước thước hạt trầm tích khu v? ??c v? ??nh Bái Tử Long Tuy nhiên, số phân bố cho phép xấp xỉ phù hợp liệu kích thước hạt khu v? ??c v? ??nh Bái Tử Long.. . v? ??i mơi trường trầm tích đặc biệt đầm phá, v? ??nh biển ven bờ nửa kín mang tính chất đặc thù địa hệ nơi chưa quan tâm Do v? ??y, mục đích báo nghiên cứu đặc điểm phân bố kích thước hạt trầm tích v? ??nh