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纪念Graham Evans教授 精选

已有 3941 次阅读 2021-10-4 17:16 |个人分类:人文思考|系统分类:人物纪事


我们熟悉的英国老师Graham Evans教授今年2月5日在家中图书馆去世,当时家人陪伴在他的身边。他在英国帝国理工学院时指导的博士生、英国南安普顿大学教授Carl L. Amos 和他后期研究的合作者A. Kirkham最近撰文[1],悼念这位对海岸沉积研究和学生培养作出重要贡献的科学家。

Graham Evans教授于1934年出生于英国威尔士南部的卡尔菲利。在布里斯托尔大学(Bristol University)获得地质学学士学位后的1956年,他前往伦敦的帝国理工学院跟随Douglas James Shearman教授攻读博士学位,研究英国东部海岸Wash湾潮滩的沉积学。他在Wash的工作导致了一篇关于现代潮滩沉积的经典论文[2],至今仍被学界引用。文中提出的侧向加积导致地层穿时现象,如今已成为沉积学的基本概念。

这里我想补充说明一下该文的学术影响。Carl Amos本人后来对潮滩沉积的多样性及其控制机制有过精辟的总结[3],但潮滩沉积特征基本概念是来自Evans的文章。作为潮汐主导的细颗粒沉积物堆积环境,Wash湾的案例与欧洲北海Wadden海并列为经典研究,成为潮滩沉积的基础[4]

1960年,Evans获得了著名的英国皇家学会John Murray访问学者计划资助,来到美国Scripps海洋研究所,与著名的海岸科学家Doug Inman教授进行合作研究,结束之后又回到帝国理工学院担任讲师。学生们记得,他上课时衣着考究,极具绅士风度,仅以粉笔的图绘,至多再加上一个投影仪,就把各种沉积环境解释得清清楚楚。他平时的笔迹潦草、难以辨认,但讲课时的板书却笔迹清秀,学生的课堂笔记反映出课件的高水平逻辑和条理。许多研究生到他的课堂蹭课,只是为了享受他滔滔不绝的演讲和对海岸过程的深刻论述。

除潮滩研究外,他和导师Shearman教授一起,在波斯湾的阿布扎比海岸首次发现蒸发盐滩环境浅层沉积物中形成的硬石膏,使得世界各地的地质学家重新评估蒸发岩的地质模型。1964、1969年,Evans为第一作者的经典论文发表,叙述了全新世海岸蒸发盐序列进积构造的断面特征[5],该断面后来被学界称为“埃文斯线”(Evans Line)。在潮滩的悬沙输运、堆积过程研究方面,他发表了潮间带观测方法和数据分析的论文[6],对潮滩沉积动力学的研究起了促进作用。

Evans野外工作经历丰富,思想极其活跃,经他指导的学生获益甚多。他指导34位博士生中的许多人后来在世界各地的任职很有影响力。他担任多位博士后的合作导师,是122篇论文的作者或合著者。从帝国理工学院退休之后,他的研究也没有终止,担任了西班牙马德里大学(Madrid University)和维戈大学(Vigo University)的客座教授、英国南安普顿大学(University of Southampton)名誉教授,研究兴趣扩展到印度、希腊、伊拉克、西班牙和法国的河流及三角洲沉积。他在2005年发表了一篇关于Shearman教授一生科学研究的论文[7],直到几年前还发表了多篇学术论文[8]

作为Evans学生的学生(跟随他做博士后研究的M. B. Collins是我的博士生导师),我对文中所述深有感触。他和他的学生在一起,氛围总是那么融洽,对科学问题的探究总是那么真诚,人们相互帮助,一切以获得研究的快乐为重,由此科学研究变成一项无比高贵的活动。在学术大家庭里,研究的共同点和诚信让大家聚合。Evans不仅与他的学生亲密无间,对我们这些“学生的学生”,甚至更晚辈的学生,也是如此。每次见面,他都能有针对性地提出问题和建议,跟他讨论问题有一种激情迸发的感觉。能够加入这个学术大家庭,是我们的幸运。我本人在回国后仍然与他联系,有一次回想起在南安普顿留学的经历,写下了一篇短文,其题目是“Graham Evans教授的问题”[9],转述如下:

 

******

上世纪70年代早期,M. B. Collins跟随G. Evans在英国伦敦帝国理工学院做博士后,研究英国东海岸的Wash湾潮滩沉积动力学。此前,G. Evans于1965年曾发表过一篇叙述潮滩地貌和沉积分带性的经典论文,后来被广泛引用。十多年之后,我到南安普顿大学海洋系跟随M. B. Collins攻读博士学位。由于这层关系,G. Evans经常来南安普顿,使我有机会多次见到这位思想活跃的学者。

他在本学科的研究上有许多想法。20世纪50~70年代沉积动力学快速发展,经费较多,获得了大量数据,他就说,需要有20年时间来消化这些数据。现在到了大数据时代,证实他的看法是对的。1993年1月的一天,他又一次来访,在博士生办公室,他以惯常的单刀直入的方式问道:砂砾质海滩上有些砾石平躺在滩面上,有些却埋在砂层之下,为什么?这个现象我们平时倒是注意到了,但似乎很少问一个为什么。去海滩上,激浪上冲的地带,你经常会看到砾石在表面随波浪运动,最后,退潮之后,静静地坐落在砂的表面,好像是一位不能与砂融合的外来户。然而,如果用铁锹往下挖一下,又可以看到砂之下又埋了许多砾石,它们与砂层浑然一体。G. Evans问完后,说:“下回来你们要给我一个答案”,然后就离开了办公室。

这是个沉积动力学问题,与海滩波浪作用相关。我想了一段时间,觉得虽然这个问题的答案可以通过现场观测来获取,但那将涉及时间和经费;而通过专著阅读和思想实验来做,似乎也是可行的,毕竟这一现象必然与波浪作用特征和砂砾质沉积物的输运有关。

首先,海滩是一个波浪作用活跃的地方,波浪破碎时很大颗粒的物质都会被悬浮起来,在风暴发生时尤其是如此。在波浪上冲的地方,斜坡上滩面平整,水深很小,砂砾质主要是以推移质的方式被搬运的。这样,我们就能想象,如果水深很大而水层中又有大量的悬浮颗粒,那么由于粒径大的颗粒沉速较大,因此在颗粒沉降中大的颗粒应先于小的颗粒到达底部,也就是说粗颗粒将被埋在细颗粒之下。深海浊流虽然不是波浪引起的,但大量颗粒悬浮在水体中,这一点是与波浪破碎带的情形相似的;浊流的产物是向上变细的“Bouma层序”,这在地层中经常观察到。然而,如水深很小,颗粒物又处于频繁的滚动和水平移动之中,那么粗颗粒物质就会倾向于停留于表面,就像把玉米和板栗放在篮子里再加以水平摇动所看到的一样,板栗将分布于表层而玉米埋在下方。其中的道理是,在一次推动中单个颗粒可能向上或向下运动,但向上运动的粗颗粒因下方被细颗粒充填而无法进入,即无法再回复到原来的位置。在群体中粗颗粒物质发生向上运动的概率于是就要高于向下运动的概率。

其次,按照海滩均衡态的概念,在一定波浪作用下,较细物质一直向海运动,较粗物质一直向陆运动,直至到达各自的均衡位置。这暗含一个原理,即每一种波浪都有与之相对应的均衡态,即平常天气下和极端天气下的均衡位置是不同的。台风事件随着大浪,此时海滩上的物质被分选,相对较细的颗粒向海运动,造成海滩的事件式侵蚀。风暴过后,海滩被蚀低,且滩面物质粗化。再往后,波浪恢复至常态,所以原先的物质又会向陆运动,覆盖于粗物质之上,即形成沉积层下粗上细的分层。这种层序的形成有时可在很短的时间内发生。例如,我本人在三亚鹿回头海滩观察到,1985年的一次台风卷走了滩面砂质物质,留下了粗大的珊瑚骨骼等物质;神奇的是,两个潮周期之后,在常态波浪的作用下,砂质物质又回来了,海滩迅速地恢复到了台风前的沙滩状态。

最后,除极端事件外,波浪的季节变化也能导致沉积层的分选。波浪大的季节里,一定粒径的物质倾向于向海运动,而到了波浪较弱的季节,沉积物又向陆运动,因而造成海滩地貌类型、冲淤状况和沉积物特征的周期性变化,这种以年为周期的海滩变化称为“海滩循环”。前人曾详细叙述了在一定波浪和沉积物条件下观察到的海滩循环。在有的地方,侵蚀季节里可形成数米高的陡坎(称为“滩肩”),表明以年为时间尺度的海滩沉积的活动层厚度可达1~10m量级,这甚至与风暴等极端事件的幅度相当。 因此,侵蚀季节形成粗颗粒层,堆积季节形成细颗粒层,前者堆积于后者的下部。

以上的分析可以总结为我们的答案:由于激浪带作用、风暴事件和海滩循环过程,大颗粒砾石可以被埋在砂层的下面,而由于常态波浪上冲流的作用,滩面物质以推移质方式运动,其结果是砾石坐落于滩面之上。

 

2014年,在Marine Geology的一篇综述文章中[10],我们把Evans的问题和上述答案写进了文稿,而审稿专家也没有提出补充文献的要求。在我看来,这是表达对Graham Evans教授纪念的特殊方式,而且似乎也符合他本人和Michael Collins都很擅长的英式幽默。

 

注释

[1] Amos C L, Kirkham A, 2021. Graham Evans (1934–2021). Proceedings of the Geologists' Association, https://doi.org/10.1016/j.pgeola.2021.08.001

[2] Evans G, 1965. Intertidal flat sediments and their environment of deposition. Proceedings of the Geological Society of London, 121, 209-245.

[3] Amos C L, 1995. Siliciclastic tidal flats. In: Perillo G M E, ed., Geomorphology and sedimentology of estuaries. Elsevier, Amsterdam, 273–306.

[4] Gao S, 2019. Geomorphology and sedimentology of tidal flats. In: Perillo G M E, Wolanski E, Cahoon D, Hopkinson C, eds., Coastal wetlands: an ecosystem integrated approach (2nd edition). Elsevier, Amsterdam, 359-381.

[5] Evans G, Shearman D J, 1964. Recent celestine from the sediments of the Trucial Coast, Persian Gulf. Nature, 202, 385-386.; Evans G, Nelson H, Schmidt V, Bush P R, 1969. Stratigraphy and geological history of the sabkha in Abu Dhabi, Persian Gulf. Sedimentology, 12, 145-159.

[6] Evans G, Collins M B, 1975. The transportation and deposition of suspended sediment over the intertidal flats of the Wash. In: Hails J, Carr A, eds., Dynamics of nearshore sedimentation, John Wiley, New York, 273-306.

[7] 2005年,英国学术期刊第116卷第3-4期发表“Commemorating the life and work of Douglas Shearman, 1918–2003”纪念专辑,Graham Evans担任客座主编,他本人的论文为:Evans G, 2005. Douglas James Shearman (1918-1983). Proceedings of the Geologists’Association, 116, 191-205.

[8] 见他的3篇代表作:Evans G., Prego R., Marshall J, 2011. The supply, nature and fate of organic matter, Ria de Vigo, NW Iberian Peninsula. Estuarine and Coastal Research, 94, 245-254.; Evans G, 2012. Deltas: the fertile dustbins of the continents. Proceedings of the Geologists’ Association, 123 (3), 397-418.; Stevens T, Jestico M J, Evans G, Kirkham A, 2014. Eustatic control of late Quaternary sea-level changes in the Arabian/Persian Gulf. Quaternary Research, 82, 175-184.

[9] “Graham Evans教授的问题”一文收录于:高抒, 2018. 走向蓝色海洋. 中国文史出版社, 北京, 96-98.

[10] Gao S, Collins M B, 2014. Holocene sedimentary systems on continental shelves. Marine Geology, 352, 268-294.

 




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