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收稿日期:
2012
-
05
-
25
;
改回日期:
2012
-
10
-
25
基金项目:
国家自然科学基金(
40901027 ,
41106036 ),
中科院知识创新工程 (
KZCX2
-
YW
-
Q07
-
04
),
山东省自然科学基金(
ZR2011DQ006
)。
第一作者简介:
陈桥(
1979- ),
男,
讲师,
主要从事环境地质学和环境地球化学研究。E
-
mail
:
chen
q
5581
@
163.com.
粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法
在粒度敏感因子提取中的对比
陈 桥1
,
2,
刘东艳2,
陈颖军2,
申旭红2,
蒋金杰2,
李 欣2,
姜晓华2
(
1 .
山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室,
山东科技大学,
地质科学与工程学院,
山东 青岛 266590
;
2.
中国科学院烟台海岸带研究所,
山东 烟台 264003
)
摘 要:
沉积物全样粒度参数已很难对受不同物源和不同沉积动力影响的古环境进行深入研究,
不同来源的多组分分离提取
敏感粒级方法较多,
不同的方法提取的粒级兼容性及其所反映的环境意义差别值得探讨。本文利用烟台四十里湾3个柱状
沉积物粒度分析数据为基础,
对比分析粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法提取的环境敏感因子及其反映的古环境意义。
结果表明,
两种方法提取的环境敏感因子粒级一一对应,
两种方法所提取的敏感粒级含量在沉积物中存在相同的变化趋势,
这说明了两种方法均能敏感地反映沉积物相同的沉积动力特征,
但粒级
-
标准偏差法所提取的粒级易受端元组分影响,
粒级
-
标准偏差法所提取的敏感因子主要反演主控因子环境信息。
关键词:
粒级
-
标准偏差;
主成分因子分析;
环境敏感因子;
古环境;
沉积物;
四十里湾
中图分类号:
S152.2
文献标识码:
A 文章编号:
1672
-
9250
(
2013
)
03
-
0319
-
07
沉积物粒度是沉积物的基本性质,
主要受搬运
介质、
水动力强弱和搬运方式等因素控制,
并且与沉
积环境息息相关,
因而可以通过沉积物粒度参数之
间的关系进行沉积环境的判别,
推断沉积物发生沉
积时的动力条件[
1
,
2
]
。利用沉积物柱状样粒度特征
进行沉积速率、
水动力环境与古气候变化记录、
人类
活动记录及污染历史记录的研究成果不断出
现[
3-5
]
,
一系列研究揭示沉积物粒度在沉积环境研
究中有良好的应用前景[
6
,
7
]
。
沉积物粒度广泛运用于沉积物来源及沉积环境
动力的识别,
在研究中,
往往以组分含量(
粘土、
粉
砂、
砂等)
及参数(
偏态、
分选、
峰态等)
为标准来划分
环境变化,
这些研究对探讨沉积物特征及恢复沉积
环境等方面取得了一定的成果。然而,
沉积物受多
种物源或沉积动力过程的混合作用,
用全样的粒度
参数只能近似地作 为沉积环境的代用指标[
8
,
9
]
,
已
经很难对受多种物源和不同沉积动力影响的古环境
进行深入研究[
10
]
,
甚至这些指标在指示沉积环境方
面还存在不确定性 [
11
]
。因而,
人们试图从复杂的
粒度数据中分离出单一组分的粒度特征来探讨各组
分所指示的沉积学意义。
近几年来,
各国学者分别探讨了沉积物粒度不
同来源的多组分分离方法,
如基于 Weibull分布的
函数拟合法[
9
]
,
端元模型法[
12-14
]和粒度
-
标准偏差
法[
10
,
15
,
16
]
等。如重建北大西洋[
17
]
,
北大平洋[
18
]
,
中
国南海[
19
]
、
东海[
6
]
、
阿拉伯海[
20
]和非洲西南岸外[
14
]
沉积柱状样中地质历史时期古气候演化,
对于追溯
物源、
探讨季风、
海流等提供了重要信息。但在进行
多组分分离提取环境敏感因子时,
这些研究往往是
单一运用,
很少对不同方法提取的环境敏感因子对
比分析,
那么不同方法提取的因子能否兼容?不同
方法提取的因子是否具有一致性和差异性?因此,
进行不同方法之间对比分析将有助于更为综合准确
地反映古环境信息及选择合理的分析方法。
粒度
-
标准偏差法是依据每一粒级对应含量的
标准偏差变化来获取环境敏感因子的,
它的基本思
路是计算每一粒级在柱状沉积物中标准偏差值,
将
标准偏差值最大的粒级作为环境敏感因子,
其敏感
913
2013年第41 卷第3期
Vol.41.No.3
,
2013 地 球 与 环 境
EARTH
AND
ENVIRONMENT
粒级往往是单一的。主成分因子分析法旨在将不同
粒级进行关联性分析,
将相关联的粒级成分组合在
一起构成一个综合因子,
分析各个因子对粒级的贡
献大小,
将贡献较大的因子作为主要因子,
该因子所
包含的粒级范围作为沉积环境最敏感的粒级组分,
是众多粒级的综合体。很显然,
两种方法的原理和
包含的粒级成分具有较大的差异。
基于此,
本文以烟台四十里湾不同环境下沉积
物柱状样粒度分析为例,
详细对比分析粒度
-
标准偏
差法和主成分因子分析法所提取环境敏感因子,
讨
论两种方法所提取环境敏感因子的兼容性和差异
性。
1
样品来源及分析方法
烟台市四十里湾是烟台市区主要海湾,
位于烟
台市莱山区北部海域,
隶属黄海,
西北与芝罘湾相
连,
东邻养马岛,
北面为湾口,
三面邻陆,
一面向海。
2009年3月,
在该湾采集3个站点重力柱状样,
即
A1
(
N37°39′21.64″
;
E121°21′52.64″
,
柱长0.95 m,
离 岸 约 100 m)、
A5(
N37°32′24.00″
;E121°33′
59.00″
,
柱长1.22 m,
离岸约 500 m)、
C3
(
N37°32′
52.38″
;
E121°27′17.32″
,
柱长1.19 m,
离岸约1000
m),
将采集的样品送回实验室,
以1cm 间距进行子
样分割,
共获取样品336个。
粒度分析采用常用的粒度分析方法,
取适量样
品,
加10 mL 的10%H
2O
2,
然后在60℃ 水浴加热2
h以去除有机质,
加入少量蒸馏水,
将沉积物离心,
浸泡12h
,
再加入0.05 mol
/
L偏六磷酸钠溶液10
mL
,
并用超声波分散2 min
。最后由德 国产 Mas
-
terizer
2000型激光粒度仪进行测量,
每个样品重复
测量5次,
重复测量的误差≤
1%。
粒级
-
标准偏差法是通过计算每一粒级所对
应含量的标准偏差获得粒度组分的个数和分布范
围,
标准偏差计算公式
s
=∑
n
i
=
1
(
s
i
-
s
)
-
[ ]
2/
槡
n
,
式
中
s
为偏差,
s
i
为样本值,
n
为样本数。
通过
SPSS
10
进行主成分因子分析获得各沉积物柱状样粒度主控
因子。
2
结果
2.1
粒级
-
标准偏差法提取环境敏感因子
图1示出了用粒级
-
标准偏差的算法获得的每
个粒级组分的标准偏差随粒级的变化,
其中横坐标
采用对数表示,
图中较高标准偏差值所对应的粒级
即对沉积环境敏感的粒度众数。
3个沉积物 柱状样粒级
-
标准偏差曲线均呈现
出典型的“
多峰分布”,
表明沉积物粒度受多因素控
制。对A1柱而言,
2个明显的标准偏差峰值分别出
现在3.9905μ
m和15.8866μ
m,
所对应的粒度组分
范围分别为0.3170
~
7.9621μ
m,
7.9621
~
89.3367
μ
m。A5 柱 有 4个 标 准 偏 差 峰 值,
分别出现在
0.7096
、
7.0963
、
25.1785
、
126.1915μ
m。
4个粒级
组分的分界线约在0.3170
~
1.0024μ
m,
1.0024
~
12.6191μ
m,
12.6191
~
79.6214μ
m,
79.6214
~
200
μ
m。而C3柱出现了5个标准偏差峰值,
分别出现
在0.7962
、
4.4774
、
14.1589
、
39.9052
、
141.5892
μ
m,
其粒级组分范围分别为 0.3170~1.1247μ
m,
1.1247 ~7.0963 μ
m,
7.0963 ~22.4404 μ
m,
22.4404
~
100.2347μ
m,
100.2347
~
502.3773μ
m。
3个柱状沉积物粗粒(
>
200μ
m)
含量较少,
在绝大
多数样品中均不含该组分,
因此,
>
200μ
m的环境
敏感组分在本研究中不作考虑。
图1
柱状沉积物粒级
-
标准偏差曲线
Fi
g
.1
Sediment
core
g
rade
-
standard
deviation
curves
023 地 球 与 环 境 2013年
2.2
因子分析法提取环境敏感因子
主成分因子分析的原理是,
将多个实测粒度变
量转换为少数几个不相关的主控粒级,
寻找隐藏在
众多粒级变量中起控制作用的粒级组分。即通过探
讨各粒级之间的内部关联性,
将多个粒级归数到有
代表性的因子中,
根据各个粒级之间的共生组合状
况寻找环境敏感的粒级组分。将3个柱状沉积物不
同粒级的百分含量作为变量,
利用SPSS
10 进行主
成分因子分析,
获得各沉积物柱状样粒度主控因子
(
表1
,
表2和表3
)。
A1柱获得两个主控因子F1 和F2
,
0.3170~
6.3246μ
m和10.0237
~
25.1785μ
m粒级主要反映
了因子F1 的特征,
89.3367
~
178.2502μ
m粒级主
要反映了因子F2 的特征,
其中F1控制了61.685%
的粒度变化特征,
F2控制了12.272%,
这两个主控
因子反映粒度总体特征变化的73.958%,
其它3个
因子贡献率相对较小。A5 柱共获得4个有效的因
子,
其中F1和F2是主控因子,
其F1所对应的粒级范
围分别为0.046~0.631μ
m和15.8866~39.9052
μ
m,
F2所对应的粒级范围为56.3677
~
200.000μ
m,
这两个因子分别控制51.914% 和19.836%的粒度
变化特征,
这两主控因子基本上控制了沉积物样品
的总体粒度变化特征。C3 柱F1 和F2 因子贡献率
最高,
分别控制了44.056% 和23.215%粒度总体特
征,
F1 粒级范围分别为0.4477~7.0963 μ
m和
22.4404
~
28.2508μ
m,
F2 粒级范围为8.9337~
17.8250μ
m和35.5656
~70.9627μ
m。F3
、
F4 和
F5 因子贡献率分别为15.744% 、
8.940% 和
5.264%,
其对应的粒级范围分别为178.2502~
502.3773μ
m、
112.4683~141.5892μ
m和0.3170
~
0.3557μ
m,
其中F3因子所代表的粒级范围在样
品中含量较少,
不予考虑,
F5 因子对应粒级范围为
0.3170
~
0.3557μ
m,
因子贡献率仅为5.264%。
2.3
两种方法提取环境敏感因子关系
3个柱状沉积物通过因子分析法提取的环境敏
感因子F1 均存在两个敏感粒级,
通过相关性分析
发现,
这两个粒级呈负相关关系,
相关系数 R
2分别
为0.99
,
0.96
和0.94
,
除此之外,
C3
柱通过因子分
表1
A1柱状沉积物粒度因子结构分析
Table
1
Factor
anal
y
sis
of
A1
sediment
core
公因子 F1 F2 F3 F4 F5
因子构成(
μ
m)
0.3170
~
6.3246
;
10.0237
~
25.1785 89.3367
~
178.2502
35.5656
~
50.2377
7.0963
~
7.9621
63.2456
~
79.6214
特征值 34.544
6.872
4.952
3.975
3.226
因子贡献率(
%)61.685
12.272
8.844
7.098
5.761
累积贡献率(
%)61.685
73.958
82.801
89.900
95.661
表2
A5柱状沉积物粒度因子结构分析
Table
2
Factor
anal
y
sis
of
A5
sediment
core
公因子 F1 F2 F3 F4
因子构成(
μ
m)
0.7962
~
8.9337
;
15.8866
~
39.9052 56.3677
~
200.0000
0.3170
~
0.5637
11.2468
~
12.6191
特征值 29.591
11.306
7.490
5.119
因子贡献率(
%)51.914
19.836
13.140
8.981
累积贡献率(
%)51.914
71.750
84.890
93.871
表3
C3柱状沉积物粒度因子结构分析
Table
3
Factor
anal
y
sis
of
C3
sediment
core
公因子 F1 F2 F3 F4 F5
因子构成(
μ
m)
0.4477
~
7.0963
;
22.4404
~
28.2508
8.9337
~
17.8250
;
35.5656
~
70.9627 178.2502
~
502.3773
112.4683
~
141.5892
0.3170
~
0.3557
特征值 28.636
15.090
10.234
5.811
3.422
因子贡献率(
%)44.056
23.215
15.744
8.940
5.264
累积贡献率(
%)44.056
67.271
83.015
91.955
97.220
123
第3期 陈 桥等:
粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法在粒度敏感因子提取中的对比
析法提取的环境敏感因子F2 也 存在 两个 敏感 粒
级,
通过相关性分析发现,
两者也呈现相关性,
相关
系数 R
2为0.65
(
图2
)。 这表明这两个环境敏感因
子反映了相同的沉积环境和沉积动力。事实上,
这
是由于受某同一环境扰动,
其中某一粒级随环境扰
动作用加强而含量减少,
而另一粒级随环境扰动作
用加强而含量增加。因此,
在用该粒级反映古环境
时,
只需对其中一个粒级含量进行分析即可。
图2
柱状沉积物粒级
-
标准偏差法提取
环境敏感组分相关性
Fi
g
.2
The
correlation
between
the
sensitive
g
rades
of
sediment
cores
b
y
g
rade
-
standard
deviation
method
对比各柱状沉积物粒级
-
标准偏差法提取的环
境敏感粒级(
图1
)
和主成分因子分析的主控因子对
应的粒级范围(
表1
,
表2和表3
),
A1 柱粒级
-
标准
偏差法提取的敏感粒级正好落在主成分因子分析法
所提取的 F1主控因子对应的粒级范围之内,
A5柱
粒级
-
标准偏差法提取的7.0963μ
m和25.1785μ
m
敏感粒级正好落在主成分因子分析法所提取的F1
主控因子对应的粒级范围之内,
126.1915μ
m敏感
粒级落在 F2 主控因子对应的粒级范围内,
而粒级
-
标准偏差法提 取的0.7096μ
m落在主成分因子分
析法所提取的主控因子中并未得到体现,
究其原因,
是因为该粒级 在主成分因 子分析中,
对F1 因子的
相关程度和对 F3 因子的 相关程 度相近。C3 柱粒
级
-
标准偏差法提取的4个粒级正好落在主成分因
子分析法所 提取 的 F1 和F2 主控因子对应的粒级
范围之内。这表明粒级
-
标准偏差法和主成分因子
分析法提取的某些环境敏感粒级具有较好的一一对
应关系,
两种方法所提取的这些环境敏感因子均能
反映其古环境意义。
图3为柱状沉积物粒级
-
标准偏差法和主成分
因子分析法提取对应环境敏感粒级含量相关性分析
结果,
对于同一个柱状沉积物而言,
利用粒级
-
标准
偏差法和主成分因子分析法所提取的环境敏感粒级
含量具有极显著的相关性,
相关系数 R
2>
0.65
。粒
级
-
标准偏差法提取的敏感粒级含量与主成分因子
分析法提取的敏感粒级含量在沉积物中存在相同的
变化趋势。这表明,
粒级
-
标准偏差法和主成分因子
分析法在同一沉积物柱状样中都能提取相同的环境
变化信息,
两种方法具有一致性和兼容性。
3
讨论
对于粒度来说,
并非所有的粒级组分都对环境
敏感,
如水流流速等敏感组分的粒度范围可能很小,
所以需要判别沉积物中可能包含的多个粒级组分的
沉积学意义。
虽然粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法是
从不同的角度提取敏感粒级因子,
两者在原理及包
括粒级范围存在巨大差异。但从本文烟台四十里湾
3个柱状沉积物两种方法提取的环境敏感粒度可
知,
粒级
-
标准偏差法所提取的A1 柱3.9905μ
m,
15.8866 μ
m,
A5 柱7.0961 μ
m,
25.1785 μ
m,
126.1915 μ
m和C3 柱0.7962 μ
m,
4.4774 μ
m,
14.1158μ
m,
39.9052μ
m敏感粒级在主成分因子
分析法中F1 和F2因子中,
其对应的粒级范围一致
且反映的沉积环境变化趋势一致,
表明两种方法所
提取的因子相对应,
均能敏感地反映沉积物沉积动
力特征,
两种方法具有一定的兼容性。
对比 可 知,
粒 级
-
标 准 偏 差 法 提 取 的 A5 柱
0.7096μ
m和C3
柱141.5892μ
m两个敏感粒级在
223 地 球 与 环 境 2013年
图3
柱状沉积物粒级
-
标准偏差法和主成分
因子分析法提取环境敏感粒级含量相关性
Fi
g
.3
The
correlation
between
the
sensitive
g
rade
contents
of
sediment
cores
b
y
the
g
rade
-
standard
deviation
method
and
b
y
the
factor
anal
y
sis
method
主成分因子分析F1
,
F2因子中并未得到体现,
究其
原因,
是因为这两个级均处于端元组分,
即粒级处于
最细或最粗的范围之内,
这些粒级范围仅在柱状沉
积物中的部分样品中存在,
在部分样品中含量为零,
导致该粒级在整个柱状沉积物中标准偏差值较高。
因此,
利用粒度
-
标准偏差法提取环境敏感粒级时要
关注端元组分的影响。
从以上对比也可以看出,
粒级
-
标准偏差法所提
取的这些敏感粒级均是处于主成分因子分析法提取
的F1和F2主控因子粒级范围之内,
其因子贡献最
大,
这两主控因子基本上控制了沉积物样品的总体
粒度变化特征。也就是说,
粒级
-
标准偏差法提取的
因子更为重要的是反演对该柱状沉积物粒度影响最
为深远的环境意义。主成分因子分析法提取的其它
因子在粒级
-
标准偏差法提取的敏感因子粒级中并
未得到体现,
其环境意义尚需进一步分析。
烟台四十里湾沉积物来源及沉积动力受多环境
因素的综合影响。本文3个柱状沉积物中,
A1柱位
于排污区,
C3柱位于养殖区,
A5 柱位于远岸,
但各
柱状沉积物之间所提取的敏感粒级变化趋势并不相
同,
表明这些敏感粒级受不同的沉积环境主控,
但对
同一柱状沉积物来说,
运用粒级
-
标准偏差法和主成
分因子分析法均能较好地而且较一致地提取这些环
境敏感因子,
即两种方法的兼容性并不受沉积环境
的影响而发生差异。同时,
当前的绝大多数研究中,
往往运用这两种方法来恢复沉积物沉积时的古气候
(
温度,
降水,
季风 等)
信息,
如东亚季风 [
11
,
19
]
、
浊
流[
16
]
、
干旱区气候变化及沙尘活动[
10
]
。本文通过对
比分析也表明,
该方法不仅在探讨古气候信息方面,
而且其它环境要素如河流改道,
排污,
养殖等在柱状
沉积物粒度中也有较好地体现。运用该法也能成功
地提取敏感粒级。
目前,
对中国边缘海柱状沉积物粒度分析的报
道多集中于南海和冲绳海槽[
16
]
,
而对黄海及邻近区
域研究较少。Boula
y等[
25
]
检出的环境敏感粒级范
围分别为2.5
~
5μ
m和20
~
30μ
m。王可等 [
11
]
对
东海内陆架的研究表明近1万年以来有两个对环境
敏感的粒度组分分布范围在4.24~6.76 μ
m和
22.78
~
43.66μ
m。郑洪波等[
21
]
分析南海陆源碎屑
沉积粒度敏感粒级组分为1.52
~
2.92μ
m和11.8
~
27.4μ
m。相比较而言,
本文所提取的黄海沉积
物环境敏感粒级偏细,
这可能是缘于黄海泥质沉积
是由冬季沿岸流输送的主要来自黄河在渤海的沉积
物而形成的[
26
,
27
]
,
但两种方法均能较好地反映出黄
海沉积环境演变特征。
4
结论
本文以烟台四十里湾不同环境下沉积物柱状样
粒度为例,
对比分析粒级
-
标准偏差法和主成分因子
323
第3期 陈 桥等:
粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法在粒度敏感因子提取中的对比
分析法在同一沉积物的环境敏感因子提取中的应
用。结果表明,
两种方法提取的环境敏感因子一一
对应,
两种方法所提取的敏感粒级含量在沉积物中
存在相同的变化趋势,
这两种方法均能敏感地反映
沉积物相同的沉积动力特征,
3个柱状沉积物均表
现出:
粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法主控因
子提取的F1 和F2 因子粒级范围统一且粒级变化
趋势一致,
但粒级
-
标准偏差法所提取的粒级易受端
元组分影响,
粒级
-
标准偏差法所提取的敏感因子主
要反演主控因子环境信息。这两种方法不仅能够有
效地恢复沉积物沉积时的古气候(
温度,
降水,
季风
等)
信息,
在探讨其它一些环境要素(
如河流改道,
排
污,
养殖等)
在柱状沉积物粒度中也有较好地体现。
参 考 文 献
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based
on
simulation
ex
p
eri
-
ments
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S
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the
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na
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k
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rrecord
of
aridit
y
and
wind
stren
g
th
in
southwestern
Africa
:
Inferences
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g
rain
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Walvis
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litho
g
enic
g
rain
-
size
on
the
Namibian
slo
p
e
:
For
g
in
g
a
ti
g
ht
link
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winter
monsoon
variabilit
y
in
the
p
ast
8000y
ears
from
Yan
g
tze
River
-
derived
mud
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the
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lower
North
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dee
p
water
:
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tide
-
influenced
sedi
-
mentar
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g
es
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northern
South
China
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Method
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Anal
y
sis
Method
for
Environmental
Sensitive
Factor
Anal
y
sis
CHEN
Qiao
1
,
2,
LIU
Don
g
-
y
an
2,
CHEN
Yi
-
j
un
2,
SHENG
Xu
-
hon
g
2,
JIANG
Jin
-
j
ie
2,
LI
Xin
2,
JIANG
Xiao
-
hua
2
(
1.Ke
y
Laborator
y
of
De
p
ositional
Mineralization
& Sedimentar
y
Minerals
of
Shandon
g
Province
,
Colle
g
e
of
Geolo
g
ical
Science
& En
g
ineerin
g
,
Shandon
g
Universit
y
of
Science
& Technolo
gy
,
266590
,
Qin
g
dao
,
China
;
2.Yantai
Institute
of
Coastal
Zone
Research
,
Chinese
Academ
y
of
Sciences
,
264003
,
Yantai
,
China
)
Abstract
:
It
is
difficult
to
further
stud
y
the
ancient
-
environment
influenced
b
y
different
sources
and
de
p
osit
d
y
namics
b
y
sedi
-
ment
g
rain
p
ro
p
erties
of
total
sam
p
les.Multicom
p
onent
se
p
aration
methods
of
different
sediment
g
rain
were
widel
y
discussed
in
recent
y
ears
,
but
onl
y
sin
g
le
method
was
used
and
there
was
no
com
p
arative
anal
y
sis
of
different
methods.Environmental
sen
-
sitive
factors
b
y
g
rade
-
standard
deviation
method
and
factor
anal
y
sis
method
and
their
ancient
-
environment
si
g
nificance
were
com
p
ared
based
on
three
column
sediment
g
rain
p
ro
p
erties
in
Sishili
Ba
y
,
Yantai.The
result
shows
that
sensitive
g
rade
based
on
the
two
methods
one
-
to
-
one
corres
p
ond
and
has
the
same
variation
tendenc
y
in
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sediment
,
which
indicates
the
two
a
-
nal
y
sis
methods
can
sensitivel
y
denote
the
same
de
p
osit
d
y
namics.But
the
sensitive
factors
b
y
g
rade
-
standard
deviation
are
af
-
fected
b
y
end
member
,
and
onl
y
main
control
environmental
si
g
nificance
is
inverted.
Ke
y
words
:
g
rade
-
standard
deviation
method
;
factors
anal
y
sis
methods
;
environment
sensitive
factors
;
ancient
-
environment
;
sediment
core
;
Sishili
Ba
y
523
第3期 陈 桥等:
粒级
-
标准偏差法和主成分因子分析法在粒度敏感因子提取中的对比