海洋中微量元素与海洋重金属污染课件.ppt
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1、1,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素1.1 微量元素的定义及特点1.2 微量元素的输入与迁出1.3 海水中微量元素的分类1.4 影响微量元素分布的各种过程2 海洋中微量元素的生物地球化学 2.1 海洋中的某些微量元素 2.2 微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染3.1 海洋重金属的来源3.2 海洋重金属的危害3.3 重金属在海水中的迁移过程3.4 重金属在海水中的分布特征3.5 海洋重金属污染,2,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素1.1 微量元素的定义及特点1.2 微量元素的输入与迁出1.3 海水中微量元素的分类1.4 影响微量元素分布的
2、各种过程2 海洋中微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染,3,1.1 微量元素的定义及特点,微量元素(或痕量元素):海水中元素的含量低于1 mg/dm3的元素。不包括溶解气体、营养盐和放射性核素。它们在海水中的含量非常低,仅占海水总含盐量的0.1,但其种类却比常量组分多得多。微量元素与常量元素的差异常量元素含量高、性质稳定(保守性),与盐度关系密切,浓度随物理过程变化。痕量元素含量低而易变(非保守性),大部分与盐度关系不密切,浓度受进入或迁出溶液的各种物理、化学、生物及地质过程的影响。微量或痕量是相对于常量元素而言的,因所处的体系不同而不同,如Al在地壳中是主量元素,但它在海水中为微量元素,
3、4,海水中微量元素的特点,1.非保守性 海水微量元素的含量随地理位置、深度、季节等变化而变化(氯度比值不恒定)。因为:地球化学活性较大 海洋微量元素广泛参与元素地球化学循环;区域性变化大 河口区(河流)、火山周围(火山活动)、表层(大气输入)等;生物活性大 生物利用:如Fe、Cu、Zn、Mn、Co等正常浓度是生物体基本成分,生物富集:如Fe富集倍数(硅藻1105、贻贝2105、鱼类6105);,5,海水中微量元素的特点,2.含量低 海水中微量元素的含量小于1 mg kg-1,其总量小于总盐量的0.1%。3.循环和迁移变化复杂水动力迁移 物理因素,如潮汐、海流和涡动扩散等多变量综合作用。化学过程
4、引起的迁移 物理(界面)化学、光化学过程生物地球化学作用与生物迁移 生物地球化学过程,6,海水中微量元素的特点,4.研究难度大含量低 微量元素的含量(10-910-12,w/w)小于测定方法或仪器检出限;取样沾污问题严重 采水器需要使用具有TPFE衬里的或是由TPFE制作,;样品贮存或固定难度大 样品贮存或固定不当,会造成沾污或损失;分析测定环境的要求较高,7,海水微量元素的研究历史,从50年代开始才对海水微量元素进行地球化学研究。1952年Barth(巴尔特)提出并计算了元素在海水中的停留时间;1954年Goldberg(戈德堡)发表了微量元素从海水向海底转移的研究结果;1956年Kraus
5、kopf(克劳斯科普夫)对海水中13种微量元素的浓度和影响因素,进行了实验室模拟试验。但是早期测定的数据,有一些是不可靠的,只有在P.G.Breuer(布鲁尔)于1975年总结并发表了海水微量元素的含量、可能的化学形式和停留时间的估算表之后,微量元素的测定,才有一些准确度很高的结果。,8,痕量元素研究方面的两大改进:,仪器分析和分析化学的重大改进:从1975年以来,重新测量的痕量元素的浓度已被证实比以前工人的浓度低10100倍,并发现这些痕量元素的垂直分布图与海洋中已知的生物、物理和地质过程相一致。在取样、贮存和分析期间污染的消除和控制:在海洋断面地球研究计划(GEOSECS)期间,许多学者利
6、用装在一个罩盘上的30升的尼斯金采水器采集样品,已在海洋学上获得许多痕量元素的一致结果。,9,当今海水中微量元素相关的国际研究,The GEOTRACES Program(www.geotraces.org)GEOTRACES 指引性的目标:通过控制在海洋中关键微量元素和同位素的分布来确定变化过程和通量的量化,并建立对这些分布的敏感性变化的环境条件。,10,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素1.1 微量元素的定义及特点1.2 微量元素的输入与迁出1.3 海水中微量元素的分类1.4 影响微量元素分布的各种过程2 海洋中微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染,11,1.2
7、 微量元素的输入与迁出,海洋中微量元素的输入途径:河流把陆地岩石风化的产物输入到海洋中 大气输入 冰川运动 海底火山作用、热水作用 其他输入:人类工业排放、外海区沙漠尘暴等,12,入海洋物质总量25 Gt y-1,河流(占90),溶解态 4.2 Gt y-1,固态 18.3 Gt y-1,大气输入 0.006 Gt y-1,冰川输入 2 Gt y-1(90来自南极大陆),(Garrelsand Macknzie,1971),13,1.2 微量元素的输入与迁出,海水中微量元素的迁出(吸附和沉淀)通过浮游生物的吸收、浮游生物的粪便或尸体向海底的沉降,可将痕量元素从海水中迁出;有机颗粒物质的吸附和清
8、除作用;水合氧化物和黏土矿物吸附并沉降至海底,成为沉积物的一部分;结合到铁锰结核上。根据直接的化学分析,锰铁结核吸收的相应顺序可能是Co Ni Cu Zn Ba Sr Ca Mg。,14,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素1.1 微量元素的定义及特点1.2 微量元素的输入与迁出1.3 海水中微量元素的分类1.4 影响微量元素分布的各种过程2 海洋中微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染,15,1.3 海水中微量元素的分类,Bruland(1983)根据海水中微量元素垂直分布的特点,将其分成7类。,16,1.3 海水中微量元素的分类,(1)保守型这类微量元素在海水中比较
9、稳定,反应活性低,其浓度与盐度的比值恒定,从表层到底层均匀分布,与主要成分一样可视为保守型元素。属于这一类分布的微量元素有水合阳离子Rb+和Cs+以及钼酸根阴离子(MoO42-)。,太平洋MoO42-的垂直分布,17,1.3 海水中微量元素的分类,(2)营养盐型这类元素的垂直分布类似于营养盐的分布,呈现表层耗尽而深层富集。浅水再生磷酸盐(硝酸盐)型深水再生循环硅酸盐型浅水与深水再生结合,18,1.3 海水中微量元素的分类,(2)营养盐型磷酸盐(或硝酸盐)型分布可在中层深度观测到最大值,这是由于在浅水再生循环引起,属于这类分布的微量元素如Cd和As(V)。,19,1.3 海水中微量元素的分类,(
10、2)营养盐型硅酸盐型分布可在深层观测到最大值,这是由于深层水再生循环引起。属于这类分布的微量元素是Ba,Zn和Ge。,20,1.3 海水中微量元素的分类,(2)营养盐型从一些痕量元素的分布,例如Ni和Se的分布,推断出有浅水和深层水相结合的再生循环。,21,1.3 海水中微量元素的分类,(3)表层富集而深层耗尽型这类痕量元素首先是由供给源输送给表层水,而后迅速永久地从海水中迁出,它们在海洋中的停留时间相对于海洋混合时间较短。引起表层富集的过程有以下三种:主要由大气输送到海洋表层,紧接着在整个水体中被清除。例如Pb和210Pb;主要由河流输送或由陆架沉积物中释放出来,通过水平混合进入表层水,从而
11、引起表层的最大值,如Mn和228Ra;在表层水内由于生物的调解还原过程与整个水体的氧化还原平衡结合起来,使得某些元素的氧化态或颗粒态在表层得到富集,例如Cr(),As()。,22,1.3 海水中微量元素的分类,(3)表层富集而深层耗尽型,大气输送(Pb),河流输送或由陆架沉积物中释放(Mn),23,1.3 海水中微量元素的分类,(4)中层深度有最小值型中层深度最小值是由表层输入,在海底或海底附近再生被清除而造成的。已报道Al和Cu呈现这种类型的分布。,大西洋和太平洋溶解态Al的垂直分布,24,1.3 海水中微量元素的分类,(5)中层深度有最大值型中层深度最大值是由于热水活动引起的,Mn和3He
12、是呈现这种分布的最典型例子。,25,1.3 海水中微量元素的分类,(6)中层最大值或亚氧化层最小值型在东部热带太平洋和北印度洋发现有典型的少氧化层的广泛分布。这意味着在水柱或在邻近陆坡沉积物中,还原过程普遍存在,在这种区域经常出现痕量元素的最大值或最小值。如果元素的还原形式相对它的氧化形式来说是易溶的,出现最大值,例如Mn(II)和Fe(II);当元素的还原形式相对来说是比较难溶的,或易于与固相结合的,就出现最小值,例如Cr()。,26,1.3 海水中微量元素的分类,(7)与缺氧有关的最大值或最小值型在水的循环受限制的区域,由于SO42-H2S氧化还原电对能产生缺氧,即产生还原条件:例如卡里亚
13、科海沟和萨亚尼茨海湾。当痕量元素的还原形式比在氧化条件下存在的形式更为易溶时就出现最大值,例如Mn(II)和Fe(II);当还原形式相对来说是比较难溶的,或易于与固相结合的,就出现最小值,例如Cr()。,27,1.3 海水中微量元素的分类,(7)与缺氧有关的最大值或最小值型,28,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素1.1 微量元素的定义及特点1.2 微量元素的输入与迁出1.3 海水中微量元素的分类1.4 影响微量元素分布的各种过程2 海洋中微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染,29,1.4 影响微量元素分布的各种过程,生物过程浮游植物通过光合作用和呼吸作用控制着营养
14、元素的分布及变化。有些微量元素在海水中的分布,与某种营养元素十分相似,如Cu和Cd的分布与N和P的分布相似,而Ba,Zn,Cr的分布与Si相似。这都说明生物过程很可能是控制海水中Cu,Cd,Ba,Zn,Cr等元素分布的因素之一。吸附过程悬浮在海水中的黏土矿物、铁和锰的氧化物、腐殖质等颗粒在下沉过程中,大量吸收海水中各种微量元素,将它们带至海底进人沉积相,这也是影响微量元素在海水中浓度的因素。,30,1.4 影响微量元素分布的各种过程,海-气交换过程有几种微量元素在表层海水中的浓度高,在深层海水中的浓度低。如Pb在表层海水中浓度最大,在1000 m以下的海水中浓度随深度的增加而迅速降低,这是受到
15、海-气交换过程所控制。热水活动海底地壳内部的热水,常常通过地壳裂缝注入深层的海水中,形成海底热泉,它含有大量的微量元素,因而使附近深海区的海水组成发生很大变化。,31,第八章 海水中微量元素和海洋重金属污染,1 海水中微量元素2 海洋中微量元素的生物地球化学 2.1 海洋中的某些微量元素 2.2 微量元素的生物地球化学3 海洋重金属污染,32,2.1 海洋中的某些微量元素,1.铅地壳中铅的平均丰度为16 g g-1。海水中含量很低,约0.01g dm-3。每年约有2101031011g 铅由自然途径进入大气圈,其中约4%为人类排放。大气中气溶胶铅最终通过降水或沉降到达地表。由河流进入海洋的铅约
16、99%随悬浮颗粒物在陆架区沉降。海水中溶解铅的主要形式中Pb(CO3)22-。约75%溶解铅越过陆架进入深海。海水中铅的存在形式有:自由离子及铅的无机络合物、有机络合物,颗粒态铅等。海水中铅分布一般为近岸高、外海低,表层高、深层低。,33,2.1 海洋中的某些微量元素,1.铅,34,2.1 海洋中的某些微量元素,2.汞大洋海水中含量很低,约0.02 g dm-3,不会有生态危害。近岸区域可达0.1 g dm-3甚至更高,形成汞污染。,海水中的汞,溶解态汞,颗粒态汞,无机汞:Hg0、Hg2 2+、Hg 2+及络合物 HgCl42-、HgCl3-、HgCl2,有机汞,烷基汞:CH3Hg+、(CH3
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