　　ESPL 深圳理工大学冯静、华南师范大学王为团队：用高斯混合模型定量识别贝壳与石英颗粒在海岸沉积过程中的行为差异。

　　文献速读

　　传统粒度参数难以准确表征双峰或复峰沉积物的沉积动力过程。这一问题在由石英与贝壳颗粒混合组成的海岸沉积物中尤为突出。由于贝壳与石英颗粒的密度和形状不同，它们在波浪或风力沉积过程中表现出不同的行为特征，导致在海滩或沙丘采集的单个样品中，石英颗粒和贝壳颗粒表现出不同的粒径分布特征，各自的粒度分布包含多个组分，分别代表不同的沉降过程。GMM能够识别出代表这些不同沉降过程的组分。

　　正文导读

　　将不同粒度分布模式对应的粒度参数作为物源判识、搬运路径重建、沉积过程解析及沉积环境推断的代用指标，是沉积学中一项经典且广泛应用的研究范式。但双峰或多峰的粒度分布通常由相互重叠的亚群（即所谓的组分）组成，这些组分反映了更复杂的沉积物来源、沉积过程和沉积环境信息。传统的粒度参数（如平均值、标准差、偏度和峰度）难以有效提取这些粒度分布中的组分信息，因此无法充分揭示多组分粒度分布所蕴含的复杂沉积信息。

　　高斯混合模型（GMM）本质上是一种曲线拟合技术（CFT），可用于拟合能够代表单个粒度分布的概率密度函数（PDF）曲线。从数学角度来看，只要有足够多的正态分布的组分，GMM就可以用这些组分来逼近任意的概率密度函数曲线。因此，无论粒度分布是正态还是偏态，是单峰还是多峰，GMM 都能拟合其概率密度函数曲线。如图1，野外采集的样品粒度是双峰分布，实际上粒度分布是由三个不同粒径的组分构成。

　　图1沉积物粒度分布中的粒径组分

　　拟合步骤如下：（1）对原始样品干筛，获得整体粒度分布；（2）用稀盐酸溶除贝壳组分，保留石英等碎屑矿物，再测石英颗粒的粒度分布；（3）将整体粒度分布与石英粒度分布逐级相减，得到贝壳碎片的粒度分布；（4）利用商用数据分析软件OriginPro 9的峰分析功能分别拟合石英和贝壳颗粒粒度分布，以残差MS < 5%为终止准则，确定最优组分数n，n是该粒度分布中应该含有的组分数（见图1）；（5）提取各组分参数：Area Fit（组分面积，代表沉积颗粒的数量）、Area FitTP（单个组分面积占总面积的比例）、Center（平均粒径）、FWHM（半峰宽，代表标准差或分选程度）以及Peak Height，即最大峰值（代表某一单一组分平均粒径下沉积颗粒的最大数量），如图2所示。

　　图2通过曲线拟合获得的粒径组分参数

　　贝壳与石英颗粒在沉积过程中行为差异的物理意义在于：当流速降低时，在流体中具有等效密度的离散球形颗粒将在重力作用下下沉；沉积物颗粒在空气或水中沉积的先后和快慢取决于其沉降速度，而颗粒的沉降速度取决于颗粒的粒径、形状和比重。海滩和沙丘颗粒以石英为主，同时含有数量不等但比例显著的贝壳碎片。石英多为粒状，而贝壳多为片状，但贝壳的密度大于石英。非球形颗粒在流体中的沉降速度与球形颗粒存在明显差异。当片状的贝壳沉降时，其沉降方式类似于树叶的飘落，即最大横截面朝向阻力方向；颗粒越扁平，暴露于流体中的表面积就越大。因此，扁平状的贝壳碎片在流体中的沉降速度比相同粒径的颗粒状石英颗粒更小。这就是为什么海滩和海岸沙丘沉积物中，贝壳颗粒的粒径通常大于石英颗粒的粒径。但是，当壳体碎片的尺寸减小到其水平截面与侧向截面相等时，这些碎片将接近颗粒状形态（图3），由于贝壳的密度高于石英，其重量会大于相同直径的石英颗粒，因而沉降速度也更快。所以仅受风力作用的海岸沙丘沉积物以细颗粒为主，贝壳与石英颗粒的粒径和形态相差不大，两者沉降速度趋向一致，甚至相反。在沉降过程中，扁平的贝壳碎片比粒状的石英颗粒对同一海岸动力作用的变化更为敏感，在沉积环境变得更加复杂时（例如广东9月可能出现热带气旋和台风），片状的贝壳颗粒要比粒状的石英颗粒更容易受到海岸动力以外因素的干扰，含有更多的组分（图4），在判别海滩与沙丘沉积环境差异方面的解释力不如石英颗粒。总之，由于石英和贝壳颗粒在沉降过程中的行为差异，使同一海滩或沙丘采集的单个样品中，石英颗粒和贝壳颗粒表现出不同的粒径分布特征，各自的粒度分布包含多个组分，分别代表不同的沉降过程。GMM能够识别出代表这些不同沉降过程的组分（图4）。

　　图3贝壳碎片厚度与粒径之间的关系。假设碎片形状为扁平状（如圆形薄板），且厚度保持不变（例如分别为0.6 mm和0.1 mm），随着板的直径逐渐减小，小碎片的形状将由扁平薄板转变为颗粒状（近似球形）的颗粒

　　图4 GMM识别石英与贝壳颗粒在海岸沉积过程的行为差异。其中V为颗粒沉降速度，Vup为向上沉速分量，Vdown为向下沉速分量

　　贝壳与石英颗粒在海岸沉积物中的行为差异，不仅影响海岸沉积过程和地貌演化，还直接制约多项海岸科学应用实践的科学性与有效性，如海滩补砂工程中回填料的适配性以及海滩塑料碎片迁移堆积模型的参数精度等。GMM为定量解析此类差异提供了稳健、可重复且物理意义明确的新方法。图4展示了基于高斯混合模型（GMM）识别海岸沉积物中贝壳颗粒与石英颗粒行为差异的基本原理。

　　作者信息

　　深圳理工大学冯静博士为论文的第一作者。华南师范大学王为教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（42171007, 41571002）的资助。

　　论文信息

　　英文题目 Using Gaussian Mixture Model (GMM) to identify the differences in the behaviour of shell and quartz grains in coastal depositional processes: A case study from Xichong Bay, Shenzhen, China.

　　作者冯静，王为*

　　期刊 Earth Surface Processes and Landforms

　　 DOI 10.1002/esp.70353

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　　期刊简介

　　 Earth Surface Processes and Landforms (ESPL) 是英国地貌学会（British Society for Geomorphology）的官方期刊，专注发表地表过程如何影响地貌与景观的地貌学研究成果。文章探讨过去、当前及未来环境变化对地球的影响，横跨自然地理学、地质学及更广泛的地球科学领域。作为一本跨学科的国际期刊，它是自然地理学与地质学界的重要学术资源与交流平台。

　　 2025 JIF：2.8 ｜ CiteScore：5.1

　　 https://onlinelibrary.wiley.com/journal/10969837

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来源：Earth Surface Processes and Landforms (ESPL)