海洋地球化学.ppt
海洋地球化学,1、主要元素2、微量元素3、溶解的气体4、有机物5、放射性核素,海水中含量大于1.0mg/L的元素11种，即Na+，Mg2+，Ca2+，K+，Sr2+等5种阳离子，Cl-，SO42-，HCO3-，Br-，F-等5种阴离子和硼酸分子（H3BO3）等 11种，占海水中所有溶解物质的99.9，称为海水的主要组分。由于海水中含盐量稳定和海水的运动，使各成分充分混合，这些溶解成分的组分有近似的恒比关系。,1.海水的主要元素（Major constituents of seawater）,Cl-,Na+,SO42-,Mg2+,K+,Ca2+,HCO3-,海水的主要组分Major constituents of seawater,海水是多组分、多相的复杂体系，其中还有大量含量小于l.0mg/L的元素，占海水所溶物质总量的0.1，这些元素为微量元素（Trace elements）。它们存在于海水的一切物理过程、化学过程和生物过程之中，并参与海洋环境各相界面，包括海水-河水、海水-大气、海水-海底沉积物、海水-悬浮颗粒物、海水-生物体等界面的交换过程。在这些过程中，微量元素的化学反应是复杂的，它们从环境输入海水体系的速率和输出到环境中去的速率相当，但不同微量元素有不同的输人或输出的速率，微量元素在海水中还有区域分布和垂直分布，它们有一定的存在形式，而且不断通过各相界面迁移。,2.海水的微量元素（Trace elements of seawater）,海水中的微量元素Concentrations of trace elements in seawater,Sources of Dissolved Mineral Solids,Chemical weathering of rocks on the continents 地表岩石风化Streams deliver dissolved solids to the oceans2.5 billion tons per yearNow think of that happening over 4 billion years!Volcanic outgassing 火山气体Water came from volcanic outgassingAmounts of bromine,sulfur,boron etc.similar to that found in volcanic gases,Destination of Dissolved Mineral Solids,Salinity of seawater does not change,so material must be removed as fast as it is deliveredWhere does it all go?Hard parts of plants and animals,e.g.sea shellsChemical sedimentary rocks,滞留时间：海水中某离子总量/输入(出)速度,t=A/QA：海水中某元素的总含量Q：该元素在海水中的逗留时间内从海水中的输出量t：该元素在海水中的逗留时间，单位为“年”,由于元素总含量A不变，所以每年的元素输入量和输出量相等，都等于Q，因而不能把逗留时间t看做确切的年代数，它只能反映不同化学元素的化学反应活性。元素的化学反应活性越大，逗留的时间越短，反之亦然。,影响微量元素分布的因素,微量元素在海水中的分布及其变化，受其来源和海洋环境中各过程的影响，这些过程包括各种化学过程、物理过程、生物过程、地质过程和人类活动等。其中最主要的因素是生物过程、吸附过程、海-气交换过程和热液过程等。,生物过程：海洋生物生长中所需的全部元素都取自于海洋，其中C、K、S等含量大大超出了生物所需要的量，而N、P、Si等仅能满足生物的需要，作为营养元素，是海洋生物必不可少的。浮游生物通过光合作用吸收营养元素而放出氧，残骸分解时消耗氧而释放出所含的营养元素。这种生物过程控制着营养元素的分布及其变化。,影响微量元素分布的因素,吸附过程：悬浮在海水中的粘土矿物、铁和锰的氧化物、腐殖质等颗粒在下沉过程中，大量吸附海水中各种微量元素，将他们带到海底，使他们离开海水而进入沉积物中，这也是影响微量元素在海水中浓度的因素。,海-气交换过程：有几种微量元素在表层海水中的浓度高，在深层浓度低，比如铅，浓度随深度的增加而降低，氢弹爆炸所形成的铅在海水中也有类似的分布，表明表层铅主要来自大气，它的分布受海-气交换过程的控制。,影响微量元素分布的因素,热液过程：海底热泉含有大量微量元素，能使热泉附近的深海底海水成分发生变化。比如红海中央裂谷区域出现热盐水，其中微量元素的组成与一般海水有很大差异；东太平洋的加拉帕戈斯裂缝，有海底热泉喷射，向海水中输入了大量的各种元素，导致该区域锰含量随深度增加而升高。,海水-沉积物界面交换过程：在海洋沉积物的间隙水中，钡、锰、铜等微量元素的浓度高于上覆海水，促使间隙水中的这些元素向上覆海水中扩散，因此，在深层海底，这些微量元素的浓度将随海水深度的增加而增高。,海水中微量元素的存在形式,三种基本存在形式：溶解态、胶态、悬浮态。溶解态：自由金属离子、无机离子对和无机络合物、有机络合物和螯合物、高分子有机物的结合物。前两种是微量元素的主要存在形式。胶态：形成高度分散的胶粒、被吸附在胶粒上。悬浮态包括存在于沉淀物、有机颗粒和残骸等悬浮颗粒之中的金属微量元素。,海水中溶解的气体有：二氧化碳、氮、氧、惰性气体和有机气体等。所有气体在海洋中的含量、分布、来源以及在海洋与大气的界面上的通量和变化等都有一定规律。如大气和海洋的气体交换。海洋一方面吸收大气中的二氧化碳和有机氟等不断增加的气体；同时海洋向大气排放一氧化碳、甲烷、氢、氧化亚氮、碘甲烷等，它们间的交换速率将随着温度升高和风速加快而增高。目前，研究较详细的是二氧化碳和氧在海水中存在及其变化规律。,3、海水中溶解的气体(Solution gas of sea water),3、海水中溶解的气体,溶解氧：海水中的溶解氧是海洋生命活动不可缺少的物质，它来源于大气和海洋中植物的光合作用，它的含量和在水中的分布受到化学过程和生物过程的控制，在有光条件下，浮游植物通过光合作用释放氧，在无光条件下，通过呼吸作用消耗氧。氧在海水中的溶解度，随温度的升高而降低，随海水盐度的增加而减少，受生物的影响和控制，表层海水中氧的溶解量白天和黑夜不同、各个季节也不同。,海水中溶解氧的垂直分布,表层：氧在表层水和大气之间能够进行交换，再由于生物的光合作用，这一层氧含量出现极大值，最深可达50m。中层：由于下沉生物残骸和有机体在分解过程中消耗了氧，使氧含量急剧降低，在水深700-1000m处出现极小值。深层：氧含量随深度增加而增加。,海水中溶解氧的区域分布,三大洋平均氧含量：大西洋最大、印度洋次之、太平洋最小。,太平洋和大西洋南纬50处，富氧表层海水下沉，一直延伸到南纬20处。北大西洋北纬60处，表层水下沉向南运动，可达南大西洋。南极周围下沉的富氧水可延伸至北太平洋。,海水中的CO2系统,海水中的CO2系统包括海水中的CO2，CO32-和HCO3-等,CO2系统研究这些物质间的化学反应和平衡关系，如：CO2在大气和海洋中的交换；悬浮颗粒中的碳酸盐与海水中CO2系统之间的化学平衡；海洋生物繁殖与CO2循环；海水中CO2含量的分布及其变化。,总二氧化碳,海水中二氧化碳系统各成分的总浓度，称为总二氧化碳。是海水的温度、盐度和压力的函数。,CO2=CO2T+HCO3-+CO32-,海水中的CaCO3与CO2系统,海水中的钙离子和碳酸根可以结合形成碳酸钙沉积，固体碳酸钙也可溶解于海水中分解成钙离子和碳酸根。,对碳酸钙而言，所有大洋表层海水都处于饱和或过饱和状态，其原因是碳酸钙的沉积速度除了与饱和度有关外，还与海水中其他因素有关，而深层水则处于不饱和状态。因此在表层之下，存在着饱和度等于1的深度，称饱和深度。,海水中溶解二氧化碳的垂直分布,海水的酸碱性与CO2系统,存在海水中的有机物，广义地讲，包括所有海洋生物，小至甲烷分子。但从海洋地球化学的角度讲，主要指海洋生物的代谢物、分解物、残骸和碎屑等。它们是海洋中所固有的，还有一部分是陆地上的生物和人类活动形成的。一般从其在海水中存在形式来划分为3类：1）溶解有机物（DOM）；2）颗粒有机物（POM）；3）挥发性有机物（VOM）。,海水中的有机物（Organic materials of sea water）,5.海洋中的放射性核素（Radioactive elements of ocean）海洋中放射性核素包括天然的和人工的两种，天然的包括铀系、锕-铀系和钍系等天然三大放射系的元素在核反映过程中产生的放射性核素以及与地球同时形成并独立存在的长寿命放射性核素；人工的是20世纪以来由于人类利用原子能而产生的放射性核素。,
