基于計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)重構(gòu)三維生物擾動(dòng)構(gòu)造——以長江口現(xiàn)代沉積為例*

米 智 范德江, 2 劉曉航 鄭世雯 程 鵬 張 鑫

基于計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)重構(gòu)三維生物擾動(dòng)構(gòu)造——以長江口現(xiàn)代沉積為例*

米 智1范德江1, 2①劉曉航1鄭世雯2, 3程 鵬1張 鑫1

(1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100; 3. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266100)

生物擾動(dòng)作用能夠加速水層與底質(zhì)的物質(zhì)交換, 對(duì)水層和底質(zhì)的耦合作用有著重要的影響。受限于觀測手段和觀測方法, 當(dāng)前對(duì)于生物擾動(dòng)構(gòu)造的研究多停留在定性—半定量化的階段。本文選取長江口現(xiàn)代沉積區(qū)的4個(gè)沉積物柱狀樣, 利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)生物擾動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行三維重構(gòu), 運(yùn)用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)生物擾動(dòng)強(qiáng)度的定量表征, 對(duì)研究區(qū)域生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育的影響因素進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明: CT (computed tomography)值與沉積物粒級(jí)構(gòu)成和含水率具有一定關(guān)系, 能夠較好地指示沉積物密度變化; 該區(qū)出現(xiàn)挖掘構(gòu)造、覓食蟲孔構(gòu)造、逃逸蟲孔構(gòu)造、生物遺跡構(gòu)造等顯性擾動(dòng)構(gòu)造類型, 生物擾動(dòng)強(qiáng)度介于0%—10%, 擾動(dòng)強(qiáng)度極大值出現(xiàn)在長江水下三角洲前三角洲和陸架過渡區(qū), 垂向上以及不同站位生物擾動(dòng)構(gòu)造差異顯著; 底質(zhì)沉積物類型、上覆水團(tuán)性質(zhì)以及沉積速率是影響該區(qū)生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育的主要因素。

生物擾動(dòng)構(gòu)造; 計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù); 三維重構(gòu); 生物擾動(dòng)強(qiáng)度; 長江水下三角洲

生物擾動(dòng)作用(bioturbation)是指底棲生物的攝食、爬行、排泄和駐穴等生命活動(dòng)對(duì)沉積物初級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變, 通常伴隨著沉積物的轉(zhuǎn)移、混合以及上覆水體涌入穴道的現(xiàn)象(Meysman, 2006; 覃雪波, 2010; Kristensen, 2012)。生物擾動(dòng)構(gòu)造是表征海底生態(tài)環(huán)境健康的重要指標(biāo), 生物擾動(dòng)作用促進(jìn)沉積物與介質(zhì)之間的物質(zhì)交換, 并可引起沉積物的擴(kuò)散混合從而影響沉積物中記錄的古環(huán)境信號(hào)(Lyttle, 2013)。當(dāng)前沉積記錄的研究分辨率可達(dá)百年尺度和年代際尺度, 由于生物擾動(dòng)作用造成的測年偏移會(huì)使巖心的年代框架產(chǎn)生錯(cuò)亂, 最終影響到整個(gè)研究結(jié)果(楊群慧等, 2008)。所以, 在進(jìn)行高分辨率沉積記錄研究時(shí), 應(yīng)盡可能避免生物擾動(dòng)作用對(duì)同位素測年的影響或者尋求其他手段消除這個(gè)影響(范德江等, 2008)。正因如此, 海洋研究者越來越重視生物擾動(dòng)作用機(jī)制的研究(Mermillod-Blondin, 2011)。

受到觀測手段和研究方法的限制, 現(xiàn)代海洋沉積中生物擾動(dòng)構(gòu)造的研究一直處在定性-半定量化的階段, 這是由于生物擾動(dòng)作用存在不確定性(龔一鳴等, 2009; 張翔宇, 2018), 以及擾動(dòng)構(gòu)造后期改造嚴(yán)重所致。21世紀(jì)之后數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了極大的發(fā)展, 在地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域取得了一系列優(yōu)秀成果。計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)是X射線技術(shù)的延伸, 通過螺旋掃射的方式, 可以獲得樣品三維立體的密度信息, 同時(shí)還繼承了X光負(fù)片無損性的特點(diǎn)(Hamblin, 1962)。故本文嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物擾動(dòng)構(gòu)造的三維重構(gòu), 完成生物擾動(dòng)強(qiáng)度的定量表征, 并對(duì)長江口現(xiàn)代海洋沉積物中的生物擾動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行定性和定量研究, 初步分析生物擾動(dòng)構(gòu)造的發(fā)育特征和影響因素, 為生物擾動(dòng)作用機(jī)制以及環(huán)境效應(yīng)研究提供基礎(chǔ)。

1 樣品采集及分析方法

1.1 樣品采集

沉積物樣品于2020年10月由向陽紅18號(hào)科學(xué)考察船執(zhí)行東海共享航次時(shí)獲得。通過箱式取樣器獲得底質(zhì)沉積物, 然后進(jìn)行插管取樣, 共計(jì)獲得4根沉積物柱狀樣。其中, SF-1站位處在長江水下三角洲前緣斜坡處, 受長江沖淡水作用明顯。S01-1和S01-2站位在前三角洲邊界地帶, S02-3站位進(jìn)一步向海延伸, 處在過渡帶之上。柱狀樣品采用長60 cm、橫截面內(nèi)徑直徑7.5 cm的聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)管采集。站位信息見表1, 站位分布如圖1所示。

表1 站位信息表

Tab.1 Information of the sampling sites and cores

1.2 分析方法

1.2.1 沉積物巖心CT圖像獲取 插管巖心樣品CT (computed tomography)數(shù)據(jù)是使用美國通用公司64排128層螺旋GE OPTIMA 660CT儀器通過平掃的方式獲取的。經(jīng)多次嘗試使用120 kVp、50 mA的工作環(huán)境能夠使圖像質(zhì)量達(dá)到最高水準(zhǔn)。本次掃描分辨率是0.625 mm, 即每隔0.625 mm獲取一次切片的CT數(shù)據(jù); 空間分辨率是512×512, 即最后成圖的水平像素點(diǎn)和垂直像素點(diǎn)個(gè)數(shù)均為512個(gè)(圖2)。最終將圖片以Dicom格式保存, 供后期進(jìn)行數(shù)字圖像處理。4根巖心共獲得2 692張切片。

圖1 研究區(qū)及調(diào)查站位位置圖

圖2 原始CT (computed tomography)切片圖像

1.2.2 沉積物粒度和含水率測定 沉積物粒度測定: 選取SF-1、S02-3、S01-2沉積物巖心進(jìn)行分樣, 取樣間隔0.25 cm, 共計(jì)獲得442個(gè)沉積物樣品。使用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer3000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析, 具體步驟如下: 取約1 g的樣品放入50 ml離心管當(dāng)中, 加入5 ml濃度為30%的雙氧水用以去除沉積物中的有機(jī)質(zhì), 搖晃均勻, 此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)氣泡反應(yīng), 靜置24 h直至氣泡消失, 如若氣泡不消失則繼續(xù)靜置。然后加入3 ml的0.5 mol/L的六偏磷酸鈉, 使沉積物顆粒分散, 最后超聲30 min后進(jìn)行上機(jī)測試。粒度分級(jí)采用Ф值標(biāo)準(zhǔn), 粒度數(shù)據(jù)以0.25Ф的采集間隔導(dǎo)出, 粒度參數(shù)采用McManus矩法公式計(jì)算。

含水率測定: 選取各個(gè)巖心中分布沉積物樣品進(jìn)行含水量測定, 將樣品放在電子恒溫干燥箱中于110 °C干燥至恒質(zhì)量, 用公式(1)計(jì)算含水率。

其中,為含水率(%),1為干燥前濕樣質(zhì)量,2為干燥后樣品質(zhì)量。

2 計(jì)算機(jī)斷層掃描的三維重構(gòu)技術(shù)

2.1 基于CT值的數(shù)字圖像處理技術(shù)

CT值(記為CT)的標(biāo)準(zhǔn)定義是具等厚的物質(zhì)對(duì)X射線衰減的影響變化, 它是計(jì)算機(jī)斷層掃描中普遍使用的無量綱單位。計(jì)算公式如下(汪家旺等, 2004; 彭文獻(xiàn)等, 2010):

式中,為衰減系數(shù),為標(biāo)度因素, 當(dāng)=1 000時(shí),CT為Hounsfield單位。

前人研究指出物質(zhì)衰減系數(shù)與物質(zhì)密度成線性正相關(guān)(章程輝等, 2006), 因此推斷CT值受到物質(zhì)密度的控制, 可以作為密度大小的反映。在沉積學(xué)的研究當(dāng)中, 沉積物密度是一個(gè)非常重要的參數(shù), 受到含水率、孔隙度、組分含量等因素影響。同時(shí)CT成像技術(shù)相較于傳統(tǒng)X光技術(shù)可以獲得高分辨率的信息。對(duì)基于CT值的數(shù)字圖像處理技術(shù)包括圖像預(yù)處理、原始CT值提取等工作流程。

2.1.1 圖像預(yù)處理 利用ImageJ軟件打開沉積物巖心CT圖像的Tag信息列表, Tag通過數(shù)據(jù)集的形式保存了拍攝時(shí)間、工作環(huán)境、掃描分辨率、空間分辨率、窗寬數(shù)值、三維空間位置等信息, 這對(duì)后續(xù)處理工作非常重要。獲取Tag信息之后就需要將原始CT切片進(jìn)行預(yù)處理工作, 選用Python編程語言作為工具開展預(yù)處理工作, 包含圖片排序和圖片裁剪兩個(gè)步驟。

(1) 圖片排序: 醫(yī)用級(jí)CT儀器對(duì)X光切片的排列順序非?；靵y, 與我們常用的排列順序邏輯不一致, 不同的設(shè)備之間的排序方法也不一致, 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)切片缺失的情況, 對(duì)于生物擾動(dòng)構(gòu)造的識(shí)別造成不便, 因此需要根據(jù)實(shí)際層厚(0018, 0050 Thinkness)和切片實(shí)際位置(0020,1041 Slice Location)進(jìn)行重新排序。

(2) 圖片裁剪: 因沉積物柱狀樣CT圖像拍攝時(shí)為多根一組同時(shí)掃描, 故需要將CT切片進(jìn)行批量裁剪, 并且在裁剪過程中需要保持坐標(biāo)系統(tǒng)不變, 這里運(yùn)用到Python的os、mumpy和matplotlib三個(gè)工具包, 在可視化頁面下將圖片裁剪為矩形。最后將矩陣數(shù)據(jù)保存成mat格式, 以便后期在Matlab環(huán)境下進(jìn)行操作。

2.1.2 原始CT值的獲取 CT值會(huì)被計(jì)算機(jī)通過直線映射的方式轉(zhuǎn)換為灰度值, 故此我們需要通過逆映射的方式獲取CT值, 逆映射公式如下所示:

CT=××, (3)

式中,為像素pixel的取值;為斜率slope的取值;為截距intercept的取值。

每個(gè)點(diǎn)的像素可以在Python中通過get函數(shù)獲得, 斜率和截距均能在Tag信息中獲取。至此原灰度圖像已經(jīng)轉(zhuǎn)換為CT值的矩陣, 將所獲得的矩陣保存為mat格式。

2.2 CT值與沉積物平均粒徑和含水率的關(guān)系

在CT切片圖像上取40×40像素點(diǎn)大小的矩陣, 獲取每一個(gè)像素點(diǎn)的CT值, 利用Matlab中的mean2函數(shù)求取二維矩陣的平均值, 這樣就獲得每一個(gè)切片的平均CT值, 利用沉積物平均粒徑和含水率的高分辨率記錄, 分析CT值與平均粒徑和含水量的關(guān)系。選用S02-3站位沉積物數(shù)據(jù), 繪制CT平均值、含水率、平均粒徑變化趨勢圖(圖3), 提取相同深度的CT平均值與平均粒徑和含水率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析(圖4)。

如圖3和圖4所示, CT值與含水率有較為顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系, 符合線性回歸方程=1.035 6-0.000 5, 系數(shù)在99.9%的置信區(qū)間上顯著, 擬合優(yōu)度2=0.551, 2.5 cm處含水率較低而該處CT值顯著升高, 5 cm處含水率較高CT值則非常低, 整個(gè)沉積物巖心20 cm以上區(qū)域的含水率約在50%以上, 20 cm以下的區(qū)域含水率較低, 約為40%, CT值在20 cm也出現(xiàn)了變化, 底部區(qū)域CT值顯著高于頂部區(qū)域。

CT值與沉積物平均粒徑的波動(dòng)趨勢也有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析, 發(fā)現(xiàn)平均粒徑與CT平均值符合二次項(xiàng)回歸方程=303.9–0.060 87+ 0.000 32, 所有系數(shù)均在99.5%的置信區(qū)間上顯著, 擬合優(yōu)度2=0.15, 二次項(xiàng)回歸方程的對(duì)稱軸在CT平均值為1 015處, 即當(dāng)CT平均值小于1 015時(shí), CT平均值上升而平均粒徑變小; 當(dāng)CT平均值大于1 015時(shí), CT平均值升高則平均粒徑變大。選用數(shù)據(jù)縮尾法對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)健性檢驗(yàn), 分別去除5%的極值數(shù)據(jù)后重新進(jìn)行回歸分析, 發(fā)現(xiàn)平均粒徑與CT平均值仍然符合二次項(xiàng)關(guān)系, 所有系數(shù)在99.5%的置信區(qū)間上顯著, 擬合優(yōu)度2=0.17, 擬合優(yōu)度的上升說明回歸分析通過穩(wěn)健性檢驗(yàn)。從地質(zhì)學(xué)角度來講, 淺表層區(qū)域的沉積物較為松散, 固結(jié)程度差, 平均粒徑大引起沉積物孔隙度變大, 導(dǎo)致密度降低。20 cm以下的深部區(qū)域, 沉積物固結(jié)程度相對(duì)較高, 孔隙度對(duì)于沉積物密度的影響減小, 此時(shí)CT值與平均粒徑呈現(xiàn)微弱的正相關(guān)關(guān)系, 這也揭示了該站位樣品由松散到緊密的壓實(shí)作用。

圖3 S02-3站位CT平均值、平均粒徑、含水量變化趨勢圖

圖4 S02-3站位CT平均值與含水率和平均粒徑的回歸方程

注:,,,1,2表示擬合系數(shù);表示相關(guān)系數(shù);2表示擬合優(yōu)度

S02-3站位沉積物CT值具有顯著的分段性, 20 cm以上部分CT值較低且變化幅度較大, 20 cm以下深度CT值較高且變化幅度不大。結(jié)合平均粒徑和含水率的變化狀況不難看出, 沉積物CT值對(duì)于含水率和平均粒徑具有一定的指示意義, 可以很好地展現(xiàn)沉積物密度變化。

2.3 CT圖像三維重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

三維重構(gòu)技術(shù)是指將多組二維圖片按照一定順序輸入計(jì)算機(jī), 得到幾何物體的各項(xiàng)參數(shù)信息后重構(gòu)其幾何狀態(tài)(王宗彥等, 2002)。針對(duì)連續(xù)切片的CT圖像常采用體重構(gòu)法(volume rendering), 即將CT獲得的連續(xù)切片按照比例放大, 再按照原層厚組合起來, 實(shí)現(xiàn)三維空間的重構(gòu)。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域, 并且有多種軟件可以實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu), 例如3D Slicer、3D Doctor等。本文利用了3D Slicer軟件用以沉積物CT圖像三維重建。

3D Slicer是一款開源的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件, 基于VTK、Python、Qt的基礎(chǔ)上研發(fā), 支持Windows系統(tǒng), 提供了多模式數(shù)據(jù)處理的可視化操作功能(曾文曄, 2013)。基于3D Slicer的沉積物CT圖像三維重構(gòu)工作流程如圖5所示。利用該方法對(duì)沉積物樣品的CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu), 獲得4個(gè)重構(gòu)模型。

圖5 CT圖像三維重構(gòu)工作流程圖

2.4 生物擾動(dòng)強(qiáng)度的定量表征

生物擾動(dòng)強(qiáng)度通常以擾動(dòng)比例來表示(王英國等, 1999), 即生物擾動(dòng)構(gòu)造體積與沉積物體積的比值, 數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中,擾動(dòng)表示生物擾動(dòng)構(gòu)造體積;沉積物表示沉積物體積。本文為實(shí)現(xiàn)生物擾動(dòng)強(qiáng)度的定量化表達(dá), 在高分辨率的條件下將擾動(dòng)構(gòu)造近似看做規(guī)則圓柱體, 生物擾動(dòng)比例的計(jì)算公式可以得到如下變換:

前文已將沉積物CT圖像轉(zhuǎn)換為矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存, 利用Matlab進(jìn)行下一步分析處理, 處理之前結(jié)合生物擾動(dòng)構(gòu)造的三維重構(gòu)圖像, 本文統(tǒng)計(jì)了生物擾動(dòng)構(gòu)造特征要素的CT值, 如表2所示。

表2 生物擾動(dòng)構(gòu)造特征要素CT值統(tǒng)計(jì)

Tab.2 CT statistics of characteristic values of bioturbation structure and other materials

圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵步驟, 其含義是根據(jù)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字變換使想要研究的區(qū)域特點(diǎn)放大, 改善圖像的視覺效果(解睿, 2019)。常采用閾值調(diào)節(jié)的手段, 本文曾嘗試多種算法調(diào)節(jié)閾值凸顯生物擾動(dòng)構(gòu)造特征, 同時(shí)減小沉積物、貝殼、含水率的影響, 但是結(jié)果并不如人意, 這是由生物擾動(dòng)構(gòu)造的隨機(jī)性和環(huán)境的復(fù)雜性所決定的。故根據(jù)特征要素的CT值統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 劃分CT值梯度用以強(qiáng)化生物擾動(dòng)構(gòu)造的展示效果。梯度選擇如下: (-1 000,-500, 0, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 650, 700, 900, 1 300, 1 500)。在Matlab中加載預(yù)處理完成后的數(shù)據(jù)矩陣, 根據(jù)CT值梯度畫橫剖面和縱剖面的等值線填充圖像, 如圖6和圖7所示。共計(jì)獲取橫剖面實(shí)驗(yàn)用圖2 692張, 縱剖面實(shí)驗(yàn)用圖678張。

圖6 S01-2沉積物巖心橫剖面實(shí)驗(yàn)用圖

注: a為11 cm處橫剖面示意圖; b為11.062 5 cm處橫剖面示意圖

圖7 S01-2沉積物巖心縱剖面實(shí)驗(yàn)用圖

通過圖6和圖7可以很清晰地觀察到生物擾動(dòng)的蟲孔構(gòu)造。結(jié)合蟲孔構(gòu)造的生長性特征, 并用三維重構(gòu)圖像和縱剖面圖像可以將生物擾動(dòng)構(gòu)造與沉積物區(qū)分開, 之后使用ImageJ軟件通過標(biāo)定感興趣區(qū)域獲取生物擾動(dòng)面積。根據(jù)計(jì)算公式即能實(shí)現(xiàn)生物擾動(dòng)強(qiáng)度的定量化表達(dá)。

3 長江水下三角洲的生物擾動(dòng)構(gòu)造

3.1 長江水下三角洲概況

長江水下三角洲是由三角洲平原、三角洲前緣、前三角洲組成, 呈從河口開始舌形向東南突出(陳吉余等, 1959, 1987; 陳中原等, 1986; 董永發(fā), 1989)。該處近海環(huán)流發(fā)育, 水動(dòng)力環(huán)境不穩(wěn)定, 以長江沖淡水的影響最為劇烈, 它具有顯著的季節(jié)變化特征(王亮, 2014)。長江入海陸源碎屑物質(zhì)大約有50%在此沉積, 以細(xì)砂粉砂為主, 底質(zhì)沉積物類型復(fù)雜。長江口及其鄰近海域存在大型底棲生物約400余種, 主要分為四大類: 多毛類、軟體動(dòng)物、甲殼類、棘皮動(dòng)物(劉錄三, 2002)。多毛類和甲殼類整體分布廣, 遍布整個(gè)長江水下三角洲區(qū)域, 軟體動(dòng)物主要分布在三角洲前緣斜坡和泥質(zhì)沉積區(qū)當(dāng)中, 棘皮動(dòng)物種類較少, 多分布于浙閩沿岸和陸架斜坡處。多毛類是在生物量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢, 自近岸至外海逐漸降低, 是該區(qū)最主要的造跡生物。

3.2 生物擾動(dòng)構(gòu)造的三維重構(gòu)

利用三維重構(gòu)技術(shù)對(duì)各站位生物擾動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行重構(gòu), 可以清晰地顯示各個(gè)站位沉積物中生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育和分布特征(圖8)。

(1) SF-1: 生物擾動(dòng)構(gòu)造數(shù)量較多, 各個(gè)層深均有分布, 整體擾動(dòng)強(qiáng)烈。表層存在單側(cè)通水的逃逸蟲孔構(gòu)造, 該構(gòu)造長約5 cm, 垂切于沉積物表面, 其下部發(fā)育有一巨大的U型蟲孔構(gòu)造, 斜插在PVC管中, 該構(gòu)造屬于覓食蟲孔構(gòu)造, 視野內(nèi)直線長約18 cm, 蟲孔內(nèi)徑最大處約為1.2 cm, 蟲孔周圍的沉積物擾動(dòng)明顯, 影響到蟲孔壁的觀察, U型蟲孔構(gòu)造近沉積物界面一側(cè)似與頂部的逃逸蟲孔構(gòu)造連接在一起, 形成共生組合。中下部多發(fā)育各種形態(tài)的覓食蟲孔構(gòu)造, 亦可見部分殘存的挖掘構(gòu)造, 最長一處構(gòu)造痕跡長約12 cm, 內(nèi)徑不足0.1 cm。

(2) S01-1: 該站位生物擾動(dòng)構(gòu)造集中在淺表層5—10 cm處, 頂部生物擾動(dòng)發(fā)育, 中下部生物擾動(dòng)幾乎不發(fā)育。單個(gè)擾動(dòng)構(gòu)造呈現(xiàn)U型、Y型等多種形態(tài), 多數(shù)為逃逸蟲孔構(gòu)造, 垂向長度小于10 cm, 內(nèi)徑細(xì)小, 纖維管狀的蟲孔構(gòu)造相互交纏, 呈樹根狀錯(cuò)綜復(fù)雜的組合形態(tài)。

圖8 各站位生物擾動(dòng)構(gòu)造三維重構(gòu)圖

(3) S01-2: 該巖心生物擾動(dòng)狀態(tài)與S01-1相似, 巖心上部(0—10 cm)逃逸蟲孔構(gòu)造發(fā)育, 垂向長度約為7—8 cm, 相互交纏呈網(wǎng)狀; 中部區(qū)域可見較多地覓食蟲孔構(gòu)造, 孔徑較頂部的逃逸蟲孔構(gòu)造明顯增大, 約為0.5 cm, 構(gòu)造周圍有不規(guī)則沉積物聚集, 推測為蟲孔通水后致使周圍沉積物密度發(fā)生改變所致, 頂部的逃逸蟲孔構(gòu)造與中部覓食蟲孔應(yīng)為共生組合; 下部生物擾動(dòng)不發(fā)育。

(4) S02-3: 整體上來看該巖心生物擾動(dòng)作用較為微弱, 且擾動(dòng)構(gòu)造主要集中發(fā)育在頂部, 以微小纖維管形式出現(xiàn), 向下生物擾動(dòng)構(gòu)造零星出現(xiàn); 底部出現(xiàn)一生物遺跡構(gòu)造, 呈現(xiàn)月牙形, 由許多球形顆粒堆積而成, 推測為生物排泄物的堆積體。多數(shù)蟲孔構(gòu)造都有重新充填的痕跡, 與周圍沉積物發(fā)生混合作用, 密度特征效應(yīng)降低, 導(dǎo)致形態(tài)展示模糊。

3.3 生物擾動(dòng)強(qiáng)度及其垂向分布

巖心SF-1、S01-1、S01-2、S02-3的平均生物擾動(dòng)強(qiáng)度分別為1.325%、0.889%、1.680%、0.471%, 擾動(dòng)強(qiáng)度的極大值點(diǎn)出現(xiàn)在S01-2巖心的表層0.3 cm處, 約為10%, 極小值為0, 表示無擾動(dòng)狀態(tài), 多出現(xiàn)在巖心中下部, 四個(gè)不同巖心的生物擾動(dòng)強(qiáng)度差異顯著。同時(shí)擾動(dòng)強(qiáng)度的垂向分布特征也不盡相同(圖9), S01-1和S01-2站位生物擾動(dòng)強(qiáng)度垂向上呈現(xiàn)向下衰減的形式, 但是衰減速度不一致, S01-1站位擾動(dòng)強(qiáng)度的衰減速度較慢, 呈現(xiàn)垂向遞減形式。S01-2站位擾動(dòng)強(qiáng)度的衰減速度較快, 呈現(xiàn)指數(shù)衰減的形式。SF-1站位沉積物中部生物擾動(dòng)強(qiáng)度較高而兩側(cè)較低, 呈現(xiàn)形式為中間隆起的橄欖形式。S02-3站位的生物擾動(dòng)強(qiáng)度微弱, 垂向上呈現(xiàn)波動(dòng)減少的特點(diǎn)。

3.4 生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育影響因素的初步分析

劉衛(wèi)東等(2009)在進(jìn)行生物擾動(dòng)構(gòu)造研究的過程中曾經(jīng)指出溫度、光照、食物是影響底棲生物活動(dòng)的重要因素, 而王慧中(1985)指出沉積速率較快的河口地區(qū)不適合生物擾動(dòng)構(gòu)造的發(fā)育。本文以底質(zhì)沉積物的類型和上覆水的溫鹽數(shù)據(jù)為支撐, 對(duì)生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育的影響因素進(jìn)行初步分析。

3.4.1 底質(zhì)類型 底質(zhì)類型會(huì)影響大型底棲生物的棲息環(huán)境, 并且朝利于生物活動(dòng)的環(huán)境遷移。生物擾動(dòng)構(gòu)造在淺表層發(fā)育顯著, 故取頂部(10 cm以上)沉積物生物擾動(dòng)強(qiáng)度與沉積物組分含量進(jìn)行分析, 將生物擾動(dòng)強(qiáng)度和沉積物組分含量匯總見表3。

結(jié)合圖9和表3可知, 生物擾動(dòng)強(qiáng)度與底質(zhì)中黏土含量密切相關(guān), 黏土含量高的站位(如SF-1)生物擾動(dòng)強(qiáng)度較低, 而黏土含量低的站位(如S01-2)生物擾動(dòng)強(qiáng)度較高。黏土組分在生物擾動(dòng)作用中代表的主要是顆粒細(xì)、孔隙度小、固結(jié)程度強(qiáng)的沉積物, 黏土組分含量低則砂質(zhì)+粉砂質(zhì)含量高, 含水率和含氧量均會(huì)隨砂質(zhì)+粉砂質(zhì)的含量上升而升高, 可能形成利于生物棲息、覓食的環(huán)境, 促進(jìn)生物擾動(dòng)作用。

從生物擾動(dòng)構(gòu)造類型的角度來將, 砂+粉砂質(zhì)含量較高的沉積物中易發(fā)育網(wǎng)狀、根系狀蟲孔構(gòu)造, 蟲孔交織纏繞, 對(duì)沉積物擾動(dòng)強(qiáng)烈。而黏土組分含量高的沉積物中生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育程度較弱, 主要發(fā)育挖掘構(gòu)造, 底棲生物向深部掘穴獲得生命所需營養(yǎng)物質(zhì)、空氣和水。沉積物粒級(jí)組成與生物擾動(dòng)強(qiáng)度具有顯著的相關(guān)性(覃雪波, 2010)。在加拿大芬迪灣的生物擾動(dòng)作用研究中Dashtgard等(2008)建立粒度參數(shù)與總有機(jī)碳的關(guān)系以及野外實(shí)測調(diào)查解釋這一現(xiàn)象, 同時(shí)也指出相同環(huán)境下生物擾動(dòng)易在砂質(zhì)含量高處發(fā)生。本文實(shí)測結(jié)果對(duì)該結(jié)論加以印證。

3.4.2 水團(tuán)和沉積速率的影響 長江水下三角洲上覆水團(tuán)受河流和海洋的混合作用, 溫度、鹽度變化較大, 在河口汊道區(qū)以淡水為主, 水流湍急, 而前三角洲和陸架過渡區(qū)則以海水為主, 受環(huán)流、沖淡水的共同作用, 不同的水團(tuán)環(huán)境所發(fā)育的生物擾動(dòng)構(gòu)造和擾動(dòng)強(qiáng)度也不盡相同。相對(duì)而言, 在受長江沖淡水影響的海域, 因?yàn)榻邮樟素S富的長江來源的營養(yǎng)鹽(董書航, 2015), 有利于生物的生存, 可以促進(jìn)底棲生物的發(fā)育, 導(dǎo)致該區(qū)S01-1和S01-2的生物擾動(dòng)強(qiáng)度值較高, 生物擾動(dòng)類型以網(wǎng)狀蟲孔構(gòu)造和根系狀蟲孔構(gòu)造為主, 集中發(fā)育在頂部沉積物區(qū)域; 而S02-3站位于正常陸架, 受長江來源影響小, 生物擾動(dòng)作用較前兩處站位微弱, 接近于不發(fā)育狀態(tài)。同樣受長江沖淡水強(qiáng)烈影響的SF-1站, 總體上生物擾動(dòng)強(qiáng)度反而較低, 或是因?yàn)楦咚俚某练e速率不利用大型底棲生物生活。

表3 頂部沉積物生物擾動(dòng)強(qiáng)度與底質(zhì)組分

Tab.3 Bioturbation intensity and sediment composition of the top sediment

統(tǒng)計(jì)前人在該研究區(qū)域210Pb、137Cs測年的研究結(jié)果,通過插值法獲得四個(gè)站位的沉積速率。SF-1站的沉積速率約為1.14 cm/a, S01-1站約為0.69 cm/a, S01-2站約為0.35 cm/a, S02-3站約為0.623 cm/a (王永紅, 2003; 莊克琳等, 2005; Liu, 2006; 王昕等, 2013; Qiao, 2017)。關(guān)于沉積速率對(duì)生物擾動(dòng)作用的影響, 學(xué)者持有不同觀點(diǎn), Rhoads (1982)認(rèn)為生物擾動(dòng)強(qiáng)度與沉積速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, Moore等(1957)在密西西比三角洲研究時(shí)也指出當(dāng)沉積速率超過4 cm/a時(shí)生物擾動(dòng)幾乎不發(fā)育, 覃雪波(2010)則認(rèn)為高沉積速率可以帶來更加豐沛的營養(yǎng)物質(zhì)從而促進(jìn)生物擾動(dòng)作用進(jìn)行。結(jié)合本文生物擾動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及前人實(shí)測的沉積速率來看, 沉積速率制約生物擾動(dòng)作用, 當(dāng)沉積速率過快時(shí)生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育微弱, 在長江水下三角洲及其鄰近海域最適宜生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育的沉積速率約為0.3—0.6 cm/a。

6.牛流行熱。急性死亡多因窒息所致。剖檢可見氣管和支氣管黏膜充血和點(diǎn)狀出血，黏膜腫脹，氣管內(nèi)充滿大量泡沫粘液。

4 結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物擾動(dòng)構(gòu)造的三維重構(gòu), 并以此為基礎(chǔ)對(duì)長江水下三角洲生物擾動(dòng)構(gòu)造進(jìn)行三維重構(gòu), 初步探討了生物擾動(dòng)構(gòu)造的影響因素, 取得以下認(rèn)識(shí)。

(1) 形成基于CT數(shù)字圖像的重構(gòu)沉積物巖心中三維生物擾動(dòng)構(gòu)造的方法和處理流程。

(2) 揭示了沉積物巖心CT值與含水率、沉積物粒級(jí)構(gòu)成的關(guān)系。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析, 發(fā)現(xiàn)CT值與沉積物含水率呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系; 與沉積物平均粒徑的關(guān)系較為復(fù)雜, 與CT值存在二次項(xiàng)關(guān)系, 在淺表層與沉積物平均粒徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān), 在深部區(qū)域與沉積物平均粒徑呈現(xiàn)正相關(guān)。

(3) 重構(gòu)了長江水下三角洲4個(gè)站位的三維生物擾動(dòng)構(gòu)造, 揭示該區(qū)出現(xiàn)挖掘構(gòu)造、覓食蟲孔構(gòu)造、逃逸蟲孔構(gòu)造、生物遺跡構(gòu)造等顯性擾動(dòng)構(gòu)造類型和垂向發(fā)育特征, 定量計(jì)算生物擾動(dòng)強(qiáng)度。

(4) 該區(qū)生物擾動(dòng)構(gòu)造的類型和強(qiáng)度與底質(zhì)類型密切相關(guān), 黏土含量高的泥質(zhì)沉積物不適宜生物擾動(dòng)構(gòu)造的發(fā)育, 而在砂質(zhì)和粉砂質(zhì)含量高的沉積物中易發(fā)育網(wǎng)狀和根系狀蟲孔構(gòu)造。沉積速率以及上覆水團(tuán)性質(zhì)也對(duì)生物擾動(dòng)構(gòu)造有著重要的影響, 沉積速率過快不利于生物擾動(dòng)構(gòu)造的發(fā)育, 正常溫鹽的海相環(huán)境中生物擾動(dòng)構(gòu)造較發(fā)育, 而在溫鹽梯度變化大的混合水團(tuán)環(huán)境中生物擾動(dòng)作用微弱。

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THREE-DIMENSIONAL RECONSTRUCTION OF BIOTURBATION STRUCTURE OF MODERN SEDIMENTS IN CHANGJIANG RIVER ESTUARY USING COMPUTER TOMOGRAPHY

MI Zhi1, FAN De-Jiang1, 2, LIU Xiao-Hang1, ZHENG Shi-Wen2, 3, CHENG Peng1, ZHANG Xin1

(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE China, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Bioturbation at sea bottom accelerates the exchange of materials between bottom water and sediment. However, in-situ study of the bioturbation structure is limited by observation technology, and is mostly qualitative and semi-quantitative. Four sediment cores were s collected from modern sedimentary area in the Changjiang River estuary, to which computer tomography technology was applied to reveal the bioturbation structure in three-dimension and the digital images were taken and processed. The bioturbation intensity was characterized quantitatively, and the influential factors on bioturbation structure were preliminarily analyzed. Results show that first, the computed tomography (CT) value was related to sediment grain size and moisture content, and it could indicate changes in sediment density. Second, excavation structure, foraging wormhole structure, escaping wormhole structure, biological heritage structure, and other obvious bioturbation structures were observed. The bioturbation intensity was between 0—10%. The maximum bioturbation intensity was found in the front of the Subaqueous Changjiang River Delta and the transition zone of continental shelf, and the bioturbation structures varied significantly and vertically at different stations. Third, the types of sediments, the properties of the overlying water masses, and the deposition rate were the main factors affecting the development of bioturbation structure.

bioturbation structure; computer tomography technology; three-dimensional reconstruction; bioturbation intensity; the Subaqueous Changjiang River Delta

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題, 16YFA0600904號(hào); NSFC-山東省聯(lián)合基金, U160640號(hào)。米 智, 碩士研究生, E-mail:oucmizhi@qq.com

范德江, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: djfan@ouc.edu.cn

2021-04-19,

2021-06-22

P736.21

10.11693/hyhz20210400099