C3 · 出版卷 13

Sampling Media

Rock、soil、stream sediment、water、vegetation、regolith

学习目标

读者应能说明 rock、soil、regolith、stream sediment、water 和 biological sample 各自整合的对象；根据预期 dispersion process 而不是方便程度选择介质；定义可比样品所需的 horizon、fraction、depth、season 和 support；识别两种介质回答不同问题、不能被合并成同一 population 的情形。

不存在通用的最佳介质。只有当介质以适合决策的尺度，对目标过程产生可检测、可解释的响应时，它才有用。可获得性之外，还要考虑 representativity、stability、collection safety、contamination、preservation、preparation、Detection Limit，以及 transported 或外源材料的可能性。

Rock 与矿物介质

Rock sample 能贴近露头地质，直接反映 lithology、alteration、mineralisation 和 mass change，但受 exposure 与 selection 支配。挑选最强蚀变 grab，与系统 channel、composite chip 或按岩性布置的样品回答不同问题。必须记录目的是 characterisation、maximum expression、representative composition 还是 boundary testing。

Support 包括 length、area、mass、particle distribution 和 selection rule。Weathered rind、vein、matrix 与 clast 不能无目的混合。Float 即使岩性诊断明确，仍是 transported medium，采集坐标不是 bedrock contact。Mineral concentrate 可放大稀少 resistant carrier，却引入 density、grain-size 与 mineralogical selection，不能与 bulk sediment 直接比较。

Preparation 要适应 texture。粗粒或 nugget-like component 需要足够质量和适当 splitting 以控制 fundamental heterogeneity。小 pulp repeat 可以很精密，却不能证明原 rock sample 有代表性。应尽可能拍照、描述并保留可供 carrier 检验的材料。

Soil 与 Regolith 介质

“Soil”不是单一物质。不同 horizon 的 organic matter、clay、oxide、carbonate、salt、moisture 和 parent material 不同；residual saprolite、colluvium、alluvium、wind-blown sediment 与人为 fill 可出现在相近深度。固定 depth 可能穿过不同 horizon；固定 horizon 又可能缺失。Field protocol 必须规定 horizon、depth 或 material type 谁优先，以及例外如何编码。

Fine fraction 可富集 clay、oxide 与 adsorbed element；coarse fraction 可保留 resistant mineral 或 local fragment。更换 sieve fraction 就改变 measurand。不同 campaign 的 fraction 未经 orientation-based equivalence test 不能合并。Surface lag、subsurface fines 与 root-zone material 解析的是不同 transport history。

Regolith mapping 是地球化学设计的一部分。Landform、erosion、deposition、drainage、weathering profile 和 disturbance 定义 process domain。Residual material 学到的 threshold 不能自动用于 transported cover。材料混合时，field description、particle 和 mineral indicator 用于约束 provenance。

Stream Sediment 与 Water 介质

Stream sediment 整合上游物质，但不是均匀平均。Erodibility、tributary contribution、stream power、depositional environment、grain size、mineral density 与近期事件控制结果。Catchment boundary 只是 source support 的第一近似。应采可比 active material，除非研究对象就是 bank collapse 或 local contamination，否则要避开它们，并记录 flow state 与 geomorphic setting。

不同 Sampling Media 整合不同源区、深度、时间、相态和搬运通道
不同 Sampling Media 整合不同源区、深度、时间、相态和搬运通道

Water chemistry 涉及 dissolved、colloidal 与 particulate phase，并受 acidity、redox、temperature、conductivity、flow、filtration、preservation 和 holding time 影响。“Total” water result 可能包含过滤样排除的 suspended material。Seasonal dilution、evaporation 与 episodic discharge 可以支配信号。Field measurement 与 preservation event 必须连接样品身份。

Drainage sampling 能快速筛选大区域，但源方向明确而位置不确定。Follow-up 可沿 tributary 向上游推进，比较 sediment fraction、检查 heavy mineral，或用 soil 和 rock 缩小 source area。只有 support、flow condition 与 analytical method 可比时，下游高值和上游低值才可解释。

Biological 与其他选择性介质

Vegetation、litter、organic sediment 等 biological material 可在 root depth、species physiology、tissue 与 season 支配的 support 中整合 bioavailable fraction。Species 或 tissue 差异可能大于地质信号，因此 identification、growth condition、washing、moisture basis 与 ash/dry-mass reporting 必不可少。Biological response 可以反映可利用化学，却不等于 substrate total concentration。

Gas、precipitate、salt、ferruginous coating 与 passive collector 可针对特定 pathway。与机制相连时，selectivity 是优势；当作通用浓度时则是弱点。Method blank、substrate blank 与 exposure duration 可能是关键。必须说明收集的物质以及方法回收的 phase。

任何表层介质都要保留 external material 假设。Road、structure、agriculture、waste、dust、sampling equipment 与既往活动可产生空间图案。记录 disturbance indicator，设置 exclusion 或 comparison sample。受污染观测不能删除，应保留并赋予有理由的 usability status。

介质选择矩阵

比较候选介质时至少使用：predicted carrier 与 dispersion pathway；target depth 与 footprint；source displacement；spatial、depth、particle、phase 与 temporal support；material availability；between-sample comparability；seasonal stability；preparation 与 detection requirement；contamination susceptibility；safety 与 environmental disturbance；以及能否采集有诊断力的 follow-up。

矩阵还要写 failure prediction。Residual soil 缺失时用什么替代，domain 如何编码？Stream sediment 缺少 fine material 时，是接受较小 mass 还是标为 indeterminate？Water 干涸后在另一季节采样是否还回答同一问题？预先定义规则可防止便利性例外悄然改变 population。

Orientation Survey 应在已知或强约束的过程对比上比较介质，但不能只优化最大 amplitude。稳定 control、可管理 variance、可解释 transport 与可行覆盖同样重要。选择始终以 decision 与 domain 为条件。

合成计算案例

某合成 catchment 中，70% 的 delivered fine sediment 来自 Background 为 20 mg/kg 的单元，30% 来自平均 200 mg/kg 的小源区。在完全混合和 recovery 相同的假设下，预期浓度为：

$0.70(20)+0.30(200)=74\ \mathrm{mg/kg}.$

若粗粒 source particle 被优先截留，使源区贡献只有原来一半，归一后的 delivered proportion 为 0.70/(0.70+0.15)=0.824 与 0.15/0.85=0.176。预期浓度变成 0.824(20)+0.176(200)=51.7 mg/kg。Source 未变，transport 已使信号减弱。

源区正上方的 residual-soil sample 可能为 140 mg/kg，却只代表 0.5\ \mathrm{m}\times0.5\ \mathrm{m}\times0.1\ \mathrm{m} support。Drainage sample 数值较低却整合更大的上游区。两者谁“更好”取决于 decision：drainage 用于定位 anomalous tributary，soil 用于在搜索范围缩小后约束 local source。

介质审计流程

  1. 定义 geological source、carrier phase 与 expected release process。
  2. 绘制 residual、transported、drainage、biological 与 disturbed domain。
  3. 为候选介质陈述 spatial、depth、particle、phase 与 temporal support。
  4. 规定 material、horizon、fraction、mass、container 与 preservation。
  5. 识别 dilution、enrichment、displacement 与 contamination 机制。
  6. 在采集前设置 comparable-site criteria 与 exception code。
  7. 用 orientation design 比较 signal、variance 与 interpretability。
  8. 把 collection coordinate 与 inferred source geometry 分开连接。
  9. 不同介质和实质不同的 fraction 保持为不同 population。
  10. 选择能区分 local source、transport 与 artefact 的 follow-up medium。

练习与复核

  1. 为 transported sediment 覆盖下的合成隐伏源建立 medium-selection matrix。
  2. 把 catchment 案例中 trapping 前的 source delivery 改成 45% 并重算。
  3. 解释为何同一 depth 的两个 soil sample 可能没有相同 support 或 population。
  4. 设计 paired filtered/unfiltered water sampling，包括 field measurement 和 preservation record。
  5. 列出区分 mineralised float 与 local bedrock 的观测。

复核问题：哪种 phase 携带信号？样品整合什么 source area 与 time？介质如何搬移或稀释它？野外材料是否真正可比？哪种替代介质能检验解释？

来源与延伸阅读