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《海洋沉积动力学原理》序

已有 2390 次阅读 2024-7-1 19:18 |个人分类:书评|系统分类:教学心得

于谦, 2024. 海洋沉积动力学原理. 北京:科学出版社, 201pp.

于谦博士担任研究生课程《海洋沉积动力学原理》的主讲教师多年,现在我们看到的这本著作,就是他教学经验的总结。面对本科学习背景不同的研究生,他试图以简明的语言,阐述海洋沉积动力学最基本的部分,激发起研究生们的学习热情。从学科本身的特点看,他的选择也有内在的逻辑理由。

在纯粹物理学的意义上,动力学研究作用力与物体运动的关系。对于地表环境而言,物体是由大气、水、沉积物等地表物质所构成的,因此针对这些不同的对象,人们构建了大气动力学、水动力学、沉积物动力学等分支学科。沉积物动力学一般简化为“沉积动力学”。

这些探究都以牛顿力学尤其是流体动力学为基础,但在理论和应用方面却有各不相同的表现。

大气动力学、水动力学依据流体动力学方程组(即Navier-Stokes方程)而建立,包括由物质守恒而推导的连续方程、以及由牛顿第二定律构建的动量方程。方程组的解与物质、能量的传输、转换、循环相联系,因而能够刻画大气和水的运动特征和主控机制,虽然这两类流体的可压缩性很不相同。这一方法的最大障碍是湍流现象:瞬时流速不能用平均流速来替代。对Navier-Stokes方程进行时间平均操作后得到Reynolds方程,结果多出来一些项,它们难以表述为已知变量(流体密度、平均运动速度)的解析关系,因而传统上根据扩散理论进行类比式的处理。幸亏有了计算机技术的快速发展,人们才做到了较准确地预估“扩散类比”所带来的时空尺度效应,使动力学计算结果的可靠性得以提高。

然而,当以同样的思路处理沉积物运动的问题时,在湍流之外又遇到了其他困难。沉积物是典型的颗粒态物质,而颗粒态物质的力学性质既不同于刚体、又不同于流体,目前尚未能建立普适且实用的颗粒态物质运动方程,因而无法通过控制方程得到沉积物运动的信息。也就是说,沉积物运动作为一个动力学问题却无法在牛顿力学的框架内得到圆满解决。如何克服这个难题?在从河流工程中发展起来的经典沉积动力学(水利工程领域的研究者称为泥沙动力学)里,前人采取的技术路线是:根据大气动力学、水动力学获取物质运动信息,然后将大气和水的运动与沉积物运动相联系,通常表达为经验关系,沉积物运动的刻画集中于沉积物的侵蚀、输运和堆积。值得指出,此项研究最初是与江河治理工程与自然灾害防治相联系的。

经典沉积动力学的逻辑是,用牛顿力学解决流体运动问题,进而联系到沉积物运动问题。因此,沉积动力学是间接的,或者说是大气动力学、水动力学应用的推广。作为代价,流体运动计算的误差在各种经验公式的应用中被放大,因此,当人们得知,即使是在最简单的单向水流、恒定流速的条件下,应用各类输沙公式所计算的输运率的相对误差常超过百分之百,并不会感到惊奇。尽管历史上已有H. A. Einstein (1904-1973) A. Bagnold (1900-1990) 等学者付出艰辛的努力,这种状况也还没有根本改变。H. A. Einstein 是著名物理学家 A. Einstein (1883-1955) 的长子,他在泥沙动力学领域培养了20位博士,都成了高水平的水利科学家。A. Bagnold 毕业于英国剑桥大学,专业为空气动力学,于1941年完成并出版他的成名作《风沙和荒漠沙丘物理学》。

与经典沉积动力学相比,海洋沉积动力学的难度更大。水动力条件方面,不仅有大洋和近岸环流的作用,而且还有潮汐、波浪作用;海水运动由于盐度因素的加入而变得更加复杂;沉积物的组成和来源以及堆积环境也远比陆地环境复杂。两者的共同点是,人们需要得到与沉积物运动相关的海洋问题的解答:陆源沉积物入海之后去往哪里?沉积物输运和堆积对海洋环境产生什么影响?如何刻画海洋生物沉积产物(如碳酸盐沉积体系)?对于深海沉积,重力流所起的作用是什么、有多么重要?海洋沉积体系演化进程中形成的自然资源有哪些?海洋沉积如何提供环境演化的记录?有哪些与海岸防护、港口和航道建设、海岸带生态保护相关的沉积动力问题?

正因为如此,物理海洋学、海洋工程学和地球科学等领域的研究者多年探索不懈,试图完善本学科的理论框架和方法论体系。为了提高观测和数据采集能力,人们研制了流速仪、浊度计、温盐深仪(CTD)、旁视声纳、浅地层剖面仪、多波束扫描仪等仪器,发展了遥感观测技术。Einstein Bagnold 型的沉积物输运公式被推广到海洋潮汐环境和潮流-波浪共同作用环境,海岸工程研究人员还发展了波浪沿岸输沙的计算公式。基于流体动力学的数值模型被拓展到悬沙输运和堆积的计算。沉积作用的产物被用于反演各类沉积物的性质、输运过程和机制、沉积层序形成过程、环境效应和地质历史的信息。

从繁复的学科背景和纷呈的研究论题中如何选择最基本的内容,是一项不小的挑战。于谦博士所重点阐述的问题包括沉积物特征和运动形式、沉降速度、流体运动、湍流与边界层、底床形态与底部摩擦阻力、沉积物起动条件、推移质和悬移质输运、以及相关联的地貌-地层层序演化。他认为,研究生们一旦掌握这些要旨,就找到了进入海洋沉积动力学广阔天地的钥匙。

在具体的章节安排上,本书的主线是从物质和能量这两个最为核心方面来考虑的。这不仅是动力学的出发点,而且是整个物理学的出发点。

沉积物的物理性质包括颗粒态物质的粒度、形状特征、沉降速率等。球形而且相互不发生粘连的颗粒是最简单的,其物理性质的刻画也是基本的。然而,真实世界的沉积物粒径、形态各异,需要建立具有可操作性的定义和概念,如沉积物粒度和分类方案,还要有相应的测量方法。此外,颗粒间产生相互作用,如细颗粒之间的粘连、颗粒沉降时的相互影响等,因而不仅要考虑单个颗粒的性质,也要考虑颗粒态物质集合体的性质。

从能量的角度来看,由流体施加在沉积物颗粒之上造成的能量转换而引发的沉积物运动,受控于流体本身的动力学性质。首先是湍流。如前所述,在流体力学里,湍流的主要问题是难以获得解析表达式,然而在海洋沉积动力学里湍流问题还有其他的方面,如湍流的时间结构影响沉积物的起动条件,湍流耗散的能量中有一部分是导致沉积物输运的原因,底床的微地貌形态也反映湍流能量耗散的效应。其次是底部切应力。它是波浪和/或水流在床面附近的能量耗散的表达。底部切应力是一个普适的定义,适用于层流或紊流、固定边界或松散颗粒边界的情形,但是,当涉及到底床时,底部切应力必然与湍流、颗粒物相互作用相联系,也就是物质和能量之间的相互作用。

底床上的微地貌,如波痕、沙丘、纵向沙垄等,是湍流能量耗散的产物。此类微地貌的有序排列格局早就引发了研究者们的注意,他们甚至猜想,微地貌形态之中隐藏着解决湍流理论刻画的秘密。虽然这个秘密至今尚未被发现,但床面的微地貌却转化为一个研究方向,专门探讨微地貌形态与水动力条件的相关性、自组织理论应用、边界层过程信息等问题。

水动力-沉积物相互作用的第二点是颗粒起动条件。颗粒运动需要克服底床摩擦阻力,当流体能量到达一定状态时颗粒开始运动。显然,这种状态同时决定于流体能量和颗粒性质。如果起动条件以底部临界切应力来表征,那么目前已知的影响因素有颗粒大小、颗粒形状、粒度分布、颗粒粘连性、平均流速、湍流能量耗散等。从宏观角度,它也与颗粒沉速、物质输运强度、底床为地貌等因素相关。

水动力-沉积物相互作用的第三个方面是沉积物输运率,它是运动强度的表征,长期以来也是沉积动力学的核心问题。沉积物运动通常是以悬移质或推移质的方式出现的,悬移质极少与底床接触,而推移质经常与底床接触,两者中间还有很多的过渡状态。为了计算输运率,悬移质和推移质这两种端元模态的判别是关键,其指标是流体动能和颗粒大小。其输运率各有不同的定义,悬移质输运率是悬沙浓度、流速和水深的函数,而推移质输运率是底部切应力、临界起动条件和沉积物-微地貌性质的函数。

于谦博士在教程的最后部分以地貌和沉积体系演化为例,阐述沉积动力学原理在过程-产物关系研究中的应用。以举一反三的方式,同样的思路也适用于环境演化历史、生态系统演化、气候变化信息提取的探索。

高抒

202463日于南京



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