基于粒度分布曲线的邻近传播聚类算法在沉积环境识别中的应用——以白洋淀地区为例

刘祥奇, 宋磊, 吴奇龙, 李国民, 毛欣. 基于粒度分布曲线的邻近传播聚类算法在沉积环境识别中的应用——以白洋淀地区为例[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2020, 40(1): 198-209. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018100802
引用本文: 刘祥奇, 宋磊, 吴奇龙, 李国民, 毛欣. 基于粒度分布曲线的邻近传播聚类算法在沉积环境识别中的应用——以白洋淀地区为例[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2020, 40(1): 198-209. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018100802
LIU Xiangqi, SONG Lei, WU Qilong, LI Guomin, MAO Xin. Application of the affinity propagation clustering algorithm based on grain-size distribution curve to discrimination of sedimentary environment——A case study in Baiyangdian area[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2020, 40(1): 198-209. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018100802
Citation: LIU Xiangqi, SONG Lei, WU Qilong, LI Guomin, MAO Xin. Application of the affinity propagation clustering algorithm based on grain-size distribution curve to discrimination of sedimentary environment——A case study in Baiyangdian area[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2020, 40(1): 198-209. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018100802

基于粒度分布曲线的邻近传播聚类算法在沉积环境识别中的应用——以白洋淀地区为例

  • 基金项目: 中国地质调查局项目“中国北方晚全新世水文-生态环境与粉尘活动的湖泊沉积记录”(SK201503),“雄安新区第四纪地质调查”(Q201801-7),“过去200年白洋淀环境演化过程及其驱动因素”(SK201706)
详细信息
    作者简介: 刘祥奇(1994—),男,硕士研究生,研究方向为第四纪地质学、工程地质学
    通讯作者: 宋磊(1983—),男,助理研究员,研究方向为湖泊沉积与气候变化,E-mail:sdsonglei@163.com
  • 中图分类号: P512.2

Application of the affinity propagation clustering algorithm based on grain-size distribution curve to discrimination of sedimentary environment——A case study in Baiyangdian area

More Information
  • 以白洋淀地区出露的22个沉积剖面中沉积物的粒度数据为研究对象,利用邻近传播聚类算法(AP聚类算法)进行聚类分析,并与已知典型沉积环境形成的沉积物粒度频率分布曲线进行对比,探讨了基于沉积物粒度特征的邻近传播聚类算法在沉积环境识别中应用的可行性以及白洋淀地区不同沉积环境的粒度特征。结果表明:邻近传播聚类算法能够将相同或者相近动力条件下形成的沉积物聚为一类,挖掘沉积物粒度数据中蕴含的沉积动力信息;所有样品的沉积物粒度频率分布曲线划分为11类簇;考虑到同一沉积环境中动力条件的变化,将聚类结果得到的分布范围、形状相近的11簇曲线进一步合并为4组曲线,并与已知典型沉积环境粒度曲线进行对比,识别出湖沼相、湖相、河流相、洪积相等4种主要的沉积相。其中,湖沼相与湖心相沉积环境、湖滨相与河漫滩相沉积环境形成的沉积物粒度组分相近。湖沼相与湖心相、湖滨相与漫滩相、河床相的沉积物粒度主要组分分别为细粉砂、粗粉砂、细砂或粗砂,洪积物中粗粉砂、中砂、粗砂含量相近,呈多峰态。邻近聚类传播算法可为沉积环境动力条件反演、分区等提供潜在的新手段。

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  • 图 1  研究区域采样点

    Figure 1. 

    图 2  大步村剖面及其地层描述

    Figure 2. 

    图 3  邻近传播因子图

    Figure 3. 

    图 4  划分的11类簇曲线

    Figure 4. 

    图 5  各簇样品点的轮廓值

    Figure 5. 

    图 6  四组代表性样品频率曲线、概率曲线

    Figure 6. 

    图 7  各簇代表性与典型沉积相粒度频率分布曲线对比

    Figure 7. 

    图 8  沉积环境识别过程中存在差异的样品粒度曲线

    Figure 8. 

    表 1  采样点描述

    Table 1.  Description of sampling sites

    采样剖面名称剖面位置剖面描述采样数/个
    新庄窠村38°59′31.56″N,115°50′54.04″E沉积物以灰黄色黏土质粉砂、灰黑色或灰色粉砂质黏土和浅黄色细砂为主,沉积环境主要为湖滨相、湖沼相和河床相3
    段庄村剖面39°03′20.44″N,115°49′30.28″E沉积物为灰黑色粉砂质黏土、灰黄色黏土质粉砂,沉积环境为湖沼相、湖滨相3
    北张村剖面39°04′40.23″N,115°46′32.13″E沉积物以灰黑色、棕黄色粉砂质黏土和灰黄色细砂为主,沉积环境为湖沼相以及河床相4
    向村剖面39°00′05.42″N,115°56′46.51″E沉积物以灰黄色、浅灰色黏土质粉砂、灰褐色粉砂质黏土、灰色细砂以及灰黄色粉砂质中砂为主,沉积环境主要为湖滨相、湖沼相和河床相、洪积相4
    大阳村39°00′18.32"N,115°59′19.28"E沉积物为灰黑色粉砂质黏土、浅黄色黏土质粉砂以及具有水平层理的灰黄色粉砂,沉积环境主要有湖沼相、漫滩相以及河床相3
    李庄头村38°59′33.60"N,116°04′48.67"E沉积物以细砂、中砂为主,沉积环境主要为河流相3
    晾马台村39°04′14.65"N,115°59′05.65"E沉积物具有典型的“二元结构”,沉积环境为漫滩相1
    北剧村09°04′56.42"N,115°58′16.81"E沉积物以浅灰色中砂为主,沉积环境为河床相1
    南文村39°04′19.98"N,115°56′42.30"E沉积物以黄褐色、灰黄色黏土质粉砂以及含有黑色碳屑的灰黄色粉砂质粗砂为主,沉积环境主要有洪积相、湖相4
    马家庄村39°02′53.77"N,115°55′07.67"E沉积物为灰黄色黏土质粉砂,沉积环境为湖滨相2
    胡家台村39°02′25.71"N,116°07′02.92"E沉积物以灰黄色粗粉砂、细砂为主,发育交错层理,沉积环境为漫滩相3
    大步村39°00′31.04"N,116°10′27.99"E沉积物为灰褐色、黑色黏土、褐黄色黏土质粉砂以及浅灰色中细砂,沉积环境为湖沼相、湖滨相、河床相8
    邢岗村39°03′0 8.65"N,116°14′18.92"E沉积物以棕红色、灰黄色粉砂质黏土以及灰色、灰黄色黏土质粉砂为主,沉积环境为湖沼相、湖滨相10
    袁郭村38°51′03.40"N,116°25′15.25"E沉积物以灰黑色粉砂质黏土、浅黄色黏土质粉砂、灰黄色中细砂为主,沉积环境为湖沼相、湖滨相4
    胡屯村38°51′59.62"N,116°22′34.97"E沉积物以灰褐色、灰黑色粉砂质黏土以及灰黄色粉砂为主,沉积环境主要为湖沼相、湖滨相5
    小务村38°51′8.86"N,116°17′39.73"E沉积物以棕黄色亚砂土、细粉砂、灰黑色粉砂质黏土为主,沉积环境为湖滨相、湖沼相6
    双塔村38°45′26.20"N,116°1′44.33"E沉积物以灰黄色细粉砂、灰黑色黏土质粉砂为主,沉积环境为湖滨相、湖沼相4
    东良淀村38°44′5.70"N,
    115°59′7.99"E
    沉积物为棕红色粉砂质黏土,沉积环境为湖相2
    北队村38°46′22.53"N,115°57′27.94"E沉积物为浅灰色细砂土、棕黄色黏土质粉砂,沉积环境为漫滩相、湖滨相3
    韩堡村38°46′23.07"N,115°53′24.07"E沉积物为灰黄色黏土质粉砂,沉积环境为湖滨相2
    东垒头村38°52′16.08"N,115°54′02.73"E沉积物以灰黑色、棕红色粉砂质黏土、灰黄色黏土质粉砂为主,沉积环境为漫滩相、湖滨相、湖沼相7
    董庄村38°49′32.73"N,
    115°46′06.36"E
    棕红色、灰黑色粉砂质黏土,沉积环境为湖沼相3
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    表 2  Folk&Ward 图解法公式

    Table 2.  Formulas of Folk-Ward graphic methods

    粒度参数计算公式
    平均粒径(Mz)
    分选系数(Sd)
    偏态(SK)
    峰态(Ku)
      式中,粒径为值粒径,为毫米直径;x%累积含量的值粒径。
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    表 3  各簇代表性样品粒度组成成分及粒度参数

    Table 3.  The size composition and size parameters of representative samples in each cluster

    簇类类代表性样品沉积相粒度成分/%平均粒径/Φ分选系数偏态峰态
    黏土细粉砂粗粉砂细砂中砂粗砂
    SITE01-01河流相1.273.726.9518.3345.3424.381.4621.1550.3441.584
    SITE03-03湖滨相12.7225.3540.2321.470.20.025.2551.750.320.887
    SITE04-06洪积相2.856.1515.4329.6216.1629.81.5821.9760.3190.908
    SITE12-02湖沼相19.6741.2234.454.330.140.136.2271.7220.0961.066
    SITE13-08漫滩相4.727.8134.2552.540.580.094.2131.5150.4671.561
    SITE13-09湖沼相40.6747.2110.661.46007.5371.3010.0191.158
    SITE14-04河流相2.585.3812.0872.547.4202.9191.1080.3431.797
    SITE17-04漫滩相6.6810.4655.5927.180.080.014.5771.3430.3631.485
    SITE18-01湖心相20.7455.4922.381.4006.8191.3290.1751.123
    SITE21-06湖滨相12.7522.9950.413.710.130.025.5071.7990.3741.014
    SITE18-02湖滨相15.133.3543.327.980.110.125.8411.7450.2090.981
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    表 4  沉积环境识别过程中存在差异的沉积物样品

    Table 4.  Sediment samples with differences in the process of sedimentary environment identification

    样品编号簇类野外人为识别粒度分布曲线对比识别
    SITE01-03灰黑色粉砂质黏土,湖沼相沉积湖滨相或漫滩相
    SITE03-04灰黑色黏土,湖沼相沉积湖滨相或漫滩相
    SITE05-01灰黄色粉砂,河流相沉积湖滨相或漫滩相
    SITE13-02灰黄色粉砂,河流相沉积湖滨相或漫滩相
    SITE14-01灰黑色粉砂质黏土,湖相沉积湖滨相或漫滩相
    SITE14-02湖沼相沉积湖滨相或漫滩相
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出版历程
收稿日期:  2018-10-08
修回日期:  2019-01-27
刊出日期:  2020-02-25

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