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1、第二章 海洋的形成和海水的组成,2.1 海洋的形成2.2 海水的化学组成2.3 影响海水化学组成的因素 海洋生物地球化学角度来讨论2.4 海水中元素的分布,2022/12/21,1,海水中各组分的形态：,颗粒态：颗粒有机物，颗粒无机物,气体：保守气体（N2，Ar，Xe）, 非保守气体（O2和CO2）,胶体：有机物，无机物,溶解态： 无机溶解态：大量（1ppm）, 微量（1ppm） 有机溶解态,2.1 海洋的形成,2022/12/21,2,2022/12/21,3,海洋中的主要溶解组分是什么？如何测定？这些组分在海洋中的分布？什么样的过程导致现在的海水组成？控制机理是什么？,在元素全球生物地球化
2、学循环中，水既是重要的参加者，又是一种重要的介质。水循环的研究是国际全球变化研究的一个重要组成部分。,2022/12/21,4,太阳系物质的含水量,2022/12/21,5,1）碳质球粒陨石含水量很高，主要以含水矿物的形式存在。有些碳质球粒陨石类型 I 之中水的重氢的浓度比地球上任何地方的都高得多。2）陨石经大气层时，磨擦发热，可能失水。然而经大气层降落时因发热而生成熔融表层，能有效地保存陨石内部的气体的状况，因此也可能起保存水的作用。陨石落到地球上之后，也可能会混合入地球上的水。3）表2.1中的水仅是地壳部分，除以整个地球质量而得的商，应当说是地球含水量之下限。,2022/12/21,6,海
3、洋水的形成,在地球聚集过程终结时，由于聚集过程的重力能、放射性衰变能等的影响，地球被加热，其水合物可能会慢慢地分解，而水会向地球上方移动，向地表层开始供水，最后聚集在地球表面。（在地核形成过程及形成终结时）地球的脱气作用，在地球形成史上是最为活跃的。金属相在地球生成过程中，因沉降而生成地核。地核与地表的元素组成有很大的不同，如下图所示。当地球表面逐渐固化构成地壳，脱气作用就不大活跃了。固化的地壳温度是不均匀的，于是水就在低温部分冷凝，最后形成海洋。,2022/12/21,7,2022/12/21,8,海洋水的含量,1地壳含水量。假设地壳由玄武岩构成，由夏威夷外海底采集的新鲜玄武岩中，含水约0.
4、3-0.7。如按地壳平均含有0.5的水来估算，其总量相当于目前海水、极冰和沉积物中水量之和的0.6。2地幔含水量。在地幔中存在的水有两种形式：以含水矿物的形式固定在矿物结晶中；游离水。3地球内部水量估计约为21025g。,2022/12/21,9,海水主要成分的来源,火山喷发,岩石风化,直接进入,河流输入,直接进入,海水盐分,5.51015g/a,2022/12/21,10,2.2 海水的化学组成,原始海水的化学组成：研究海水的化学组成和变迁有两种方法：一种方法是“以古论今”。另一种方法是“以今论古”。具体例子如下：“元素地球化学平衡法”即按供给海水的元素量和从海水中除去的元素量之间达到动态平
5、衡是研究原始海水化学组成的一个方法。,2022/12/21,11,（整个地球历史时期被风化岩石量）+（火山、海底热泉、温泉等自地球内逸出的物质量）= （海水中的水及其溶存物质量）+（沉积物量）=（碎屑物）+（化学沉淀物量）+（生物物质量）+（大气中的物质量）+（逸出到地球大气圈外的物质量）,2022/12/21,12,CO2体系对海水是至关重要的。逸出的CO2溶入海水，使海水因酸碱平衡而存在化学物种形式CO32-、HCO3-等，与海洋中金属发生络合作用，使金属以较稳定的溶解形式存在于海水中。因沉淀溶解作用，氧化还原作用，酸碱作用，络合作用等与海水中的常量组分和微/痕量组分反应，使原始海水的化学
6、组成不断变化并逐渐进化成海水。,2022/12/21,13,原始海水的量：有人以陨石的数据作参考，估计存在于地壳和地函中的水量约21025g，目前地球表面的水量约21024g，即约10%的水逸出到地表。挥发性物质：对海水中的挥发性物质：F、Cl、Br、I、B、S、Ar等，在海水中以阴离子形式存在，它们在海水中的含量，则远比从岩石中溶出的要多，这可能是火山，海底热泉等作用之故。,2022/12/21,14,元素在海水中的逗留时间,Q,海洋M,R,海水中的元素输出与元素的含量成正比R=kM(k为输出速率常数）,2022/12/21,15,常量元素，分成A和B两类，其量分别50mmol/kg和0.0
7、550mmol/kg。微量元素为C类，元素量在0.0550mol/kg。痕量元素分成D和E两类，其量分别为0.0550 nmol/kg和50 pmol/kg。A和B类元素通称常量元素；C、D、E类元素通称为少量元素或微量元素。,现代海水的化学组成,2022/12/21,16,海水中含量最多的元素是水（氢和氧）之外的Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br和Sr，被称为常量元素。,主要成分,营养元素,有机物质,溶解气体,微量元素,现代海水的化学组成,2022/12/21,17,海水的化学组成,2022/12/21,18,海水主要成分,2022/12/21,19,海水化学组成的特点,1海水
8、中常量元素占总量的99以上。2海水是电中性的。3海水中主要成分含量比值恒定Marcet恒比定律。4海水化学组成主要由下述原理调节：（1）元素全球变化和循环原理。（2）化学平衡原理和相关的五大作用即：酸-碱作用；沉淀-溶解作用；氧化-还原作用；络合作用；液-气、液-固、气-固等界面作用。（3）元素海洋生物地球化学的过程、反应和生态系原理。5海水的pH是8.0左右，近似中性。,2022/12/21,20,2022/12/21,21,2022/12/21,22,2022/12/21,23,2022/12/21,24,2022/12/21,25,2022/12/21,26,古代海水向现代海水变迁1）变
9、迁过程：Fe、Al、Mg、Si的氢氧化物是海洋中分散度高的胶体物质，具有十分重要的液固界面作用性质的交换吸附剂，它能把许多无机物和有机物交换吸附或沉积到海底，在这些过程作用下，古代海水逐渐向现代海水变迁。,2022/12/21,27,2) 变迁的年代问题例一、从贝壳的Sr2+/Ca2+含量比来看，26亿年来海水的主要元素浓度和Sr2+/Ca2+比值几乎相等。说明26亿年前海水的化学组成与现代已很相近。例二、从寒武纪沉积物来看，可能20亿年前海水的主要化学组成的浓度与现代海水相近。结论：综合以上讨论，可以说至少1亿年来海水组成（包括海水的量和其中元素的量）与现代海水相比是没有区别的。,2022/
10、12/21,28,海洋中氧化-还原的Silln模型,Silln的海水模型升火成岩+挥发性物质=海水+沉积物+空气(0.6kg) (1.0kg) (1.0dm3) (0.6kg) (3dm3)存在着与各种沉积物相接触的间隙水;光解离反应;氢损耗到外部空间;光合反应:有机物腐烂和O2的消耗等。,2022/12/21,29,Silln的海水模型升,氧化还原元素主要是：H，O，C，N，Fe，S，Mn，I。气体N2，O2，和CO2的大气分压的对数分别为：logPN2=-0.120，logPO2=-0.692，logPCO2=-3.536氧化还原电对为：O2/H2O；NO3-/N2；MnO2/Mn；FeO
11、OH/Fe3O4；SO42-/FeS；N2/NH4+；HCO3-/C(S)；C(S)/CH4,2022/12/21,30,Historical Measurements of Composition of Major Components of Seawater,Bergman (1779) made the earliest chemical analysis of seawater Marcet (1819) was the first to suggest that the relative composition of sea salt is nearly constant (the
12、first law of chemical oceanography) Forchhammer (1865) made first reliable measurements of major components on several hundred surface waters from all parts of the world. Dittmar (1884) analyzed 70 seawater samples collected at various depths for the major oceans during the cruise of the H.M.S. Chal
13、lenger (1873-1876). Lyman and Fleming (1940) recalculated Dittmars results using modern atomic weights Cox and Culkin (1966) made measurements of major components of waters collected through out the world as part of salinity study. Riley et al. (1967) made measurements of major components of waters
14、collected through out the world as part of salinity study.,2022/12/21,31,2.3 影响海水化学组成的因素 海洋生物地球化学角度来讨论,2022/12/21,32,影响海水化学组成的因素化学平衡化学动力学海洋生物地球化学*,2022/12/21,33,海洋生物地球化学的角度：考虑海洋中生物的作用，以海洋为中心，同时与大陆和大气紧密联系在一起，全面地考虑“海-陆-空工厂”体系中发生的一切化学过程和规律。,2022/12/21,34,2022/12/21,35,2022/12/21,36,海洋生物地球化学过程主要分成：（1）物质
15、之源；（2）物质之汇；（3）联系上述两者的海洋内部的反应。,2022/12/21,37,海洋输入物质之源主要有三：（1）经由河流；（2）通过大气；（3）来自海洋底部的热液过程。,2022/12/21,38,河川对海洋化学组成的影响包括对常量元素和微量元素的影响：世界上不同河川中溶解元素的含量各不相同，因此进入太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的元素量也就各不相同。河水中除元素的溶解态之外，同时存在悬浮粒子或悬浮沉积物。,（一）河川,2022/12/21,39,2022/12/21,40,2022/12/21,41,（二）大气,物质经过大气转运到海洋主要是通过海洋气溶胶途径。估计各元素大气的和人类的
16、发射源的作用和影响，用大气干扰因数（AIF）计算即：Ea为元素的总人类的发射量；En为总天然发射量。AIF=100表示人类的与天然的通量相等。,2022/12/21,42,2022/12/21,43,（三）海底热泉（洋中脊水热流）,洋中脊水热流组成与标准海水的组成有明显差异，而且由洋底喷出后在与海水混合过程中发生氧化-还原作用、酸-碱作用和物质浓度的显著变化。,2022/12/21,44,2022/12/21,45,2022/12/21,46,海洋化学角度，海洋中物质之汇主要：（1）海洋沉积物的生成；（2）沉积物间隙水；（3）成岩作用化学作用：沉淀-溶解平衡；络合平衡；和液-固界面交换-吸附平
17、衡等平衡作用生物作用：氧化-还原和酸-碱作用,2022/12/21,47,海洋之中反应的理论主架是化学平衡和化学动力学化学平衡按传统包括五大平衡，即酸-碱平衡；氧化-还原平衡；沉淀-溶解平衡；络合平衡；固-液界面交换-吸附平衡和其他界面作用,海洋之中反应,2022/12/21,48,五大平衡作用，海洋中元素及其化合物的运移变化规律，是研究海水化学组成变化的又一重要内容。海洋的流、浪、潮、“泵（pumps）”，它包括物理泵、生物泵和各种化学泵。,2022/12/21,49,2022/12/21,50,海洋生物和非生物，有机物和无机物，溶解物质，非溶解物质和胶体物质，化学作用，生物作用和物理作用，
18、以及地球化学作用（1）物理泵；（2）溶解泵；（3）生物泵；（4）陆架泵；（5）胶体泵；（6）碳酸盐泵（CO2泵）；（7）硅酸盐泵,2022/12/21,51,2.4 海水中元素的分布,海水中元素的分布，一般分成三类:（1）元素的垂直分布；（2）元素的水平分布；（3）时间标度（分，时，天，月，季，年）分布,2022/12/21,52,（1）元素的垂直分布,2022/12/21,53,2022/12/21,54,2022/12/21,55,2022/12/21,56,2022/12/21,57,2022/12/21,58,影响垂直分布的因素：（1）元素本身的化学特性，不同元素有不同的垂直分布断面曲
19、线；相关的元素有可能存在类似的垂直分布曲线，存在相关性。（2）海洋环境（例如海洋生物，海况和海流，大气和河川影响）。,2022/12/21,59,（2）元素的水平分布元素的水平分布主要由海水的流、浪、潮和所处的环境（例如河川影响等）决定,2022/12/21,60,（1）黄、渤、东海不同海区具有不同特征的分布曲线。北方渤海，西部比东部海湾口明显地低；山东与江苏交界处较低，仅1.0mol/dm3；东海一般含量较大。（2）东海沿岸，一般近岸高，离岸远则含量少,2022/12/21,61,（3）元素的时间标度分布 时间标度分布的变化，与生物活动的关系更加密切，体现在昼夜、月、季、年的变化上。至于时间标度分布定为分，定为时，定为昼夜变化，定为旬或月，定为季或年？则按研究目标而定。,2022/12/21,62,2022/12/21,63,
