第二章-海洋的形成和海水的組成課件

7/30/20231第二章海洋的形成和海水的組成2.1海洋的形成2.2海水的化學(xué)組成2.3影響海水化學(xué)組成的因素——海洋生物地球化學(xué)角度來(lái)討論2.4海水中元素的分布7/30/20232海水中各組分的形態(tài)：顆粒態(tài)：顆粒有機(jī)物，顆粒無(wú)機(jī)物氣體：保守氣體（N2，Ar，Xe）,

非保守氣體（O2和CO2）膠體：有機(jī)物，無(wú)機(jī)物溶解態(tài)：無(wú)機(jī)溶解態(tài)：大量（>1ppm）,

微量（<1ppm）

有機(jī)溶解態(tài)2.1海洋的形成7/30/202337/30/20234海洋中的主要溶解組分是什么？

如何測(cè)定？

這些組分在海洋中的分布？

什么樣的過(guò)程導(dǎo)致現(xiàn)在的海水組成？控制機(jī)理是什么？在元素全球生物地球化學(xué)循環(huán)中，水既是重要的參加者，又是一種重要的介質(zhì)。水循環(huán)的研究是國(guó)際全球變化研究的一個(gè)重要組成部分。

7/30/20235太陽(yáng)系物質(zhì)的含水量7/30/202361）

碳質(zhì)球粒隕石含水量很高，主要以含水礦物的形式存在。有些碳質(zhì)球粒隕石類(lèi)型I之中水的重氫的濃度比地球上任何地方的都高得多。2）

隕石經(jīng)大氣層時(shí)，磨擦發(fā)熱，可能失水。然而經(jīng)大氣層降落時(shí)因發(fā)熱而生成熔融表層，能有效地保存隕石內(nèi)部的氣體的狀況，因此也可能起保存水的作用。隕石落到地球上之后，也可能會(huì)混合入地球上的水。3）

表2.1中的水僅是地殼部分，除以整個(gè)地球質(zhì)量而得的商，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是地球含水量之下限。7/30/20237海洋水的形成

在地球聚集過(guò)程終結(jié)時(shí)，由于聚集過(guò)程的重力能、放射性衰變能等的影響，地球被加熱，其水合物可能會(huì)慢慢地分解，而水會(huì)向地球上方移動(dòng)，向地表層開(kāi)始供水，最后聚集在地球表面。（在地核形成過(guò)程及形成終結(jié)時(shí)）地球的脫氣作用，在地球形成史上是最為活躍的。金屬相在地球生成過(guò)程中，因沉降而生成地核。地核與地表的元素組成有很大的不同，如下圖所示。當(dāng)?shù)厍虮砻嬷饾u固化構(gòu)成地殼，脫氣作用就不大活躍了。固化的地殼溫度是不均勻的，于是水就在低溫部分冷凝，最后形成海洋。7/30/202387/30/20239海洋水的含量1．地殼含水量。假設(shè)地殼由玄武巖構(gòu)成，由夏威夷外海底采集的新鮮玄武巖中，含水約0.3％-0.7％。如按地殼平均含有0.5％的水來(lái)估算，其總量相當(dāng)于目前海水、極冰和沉積物中水量之和的0.6％。2．地幔含水量。在地幔中存在的水有兩種形式：①以含水礦物的形式固定在礦物結(jié)晶中；②游離水。3．地球內(nèi)部水量估計(jì)約為2×1025g。7/30/202310海水主要成分的來(lái)源火山噴發(fā)巖石風(fēng)化直接進(jìn)入河流輸入直接進(jìn)入海水鹽分5.5×1015g/a7/30/2023112.2海水的化學(xué)組成原始海水的化學(xué)組成：研究海水的化學(xué)組成和變遷有兩種方法：一種方法是“以古論今”。另一種方法是“以今論古”。具體例子如下：“元素地球化學(xué)平衡法”——即按供給海水的元素量和從海水中除去的元素量之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡——是研究原始海水化學(xué)組成的一個(gè)方法。7/30/202312（整個(gè)地球歷史時(shí)期被風(fēng)化巖石量）+（火山、海底熱泉、溫泉等自地球內(nèi)逸出的物質(zhì)量）=（海水中的水及其溶存物質(zhì)量）+（沉積物量）=（碎屑物）+（化學(xué)沉淀物量）+（生物物質(zhì)量）+（大氣中的物質(zhì)量）+（逸出到地球大氣圈外的物質(zhì)量）7/30/202313CO2體系對(duì)海水是至關(guān)重要的。逸出的CO2溶入海水，使海水因酸—堿平衡而存在化學(xué)物種形式CO32-、HCO3-等，與海洋中金屬發(fā)生絡(luò)合作用，使金屬以較穩(wěn)定的溶解形式存在于海水中。因沉淀—溶解作用，氧化—還原作用，酸—堿作用，絡(luò)合作用等與海水中的常量組分和微/痕量組分反應(yīng)，使原始海水的化學(xué)組成不斷變化并逐漸進(jìn)化成海水。7/30/202314原始海水的量：有人以隕石的數(shù)據(jù)作參考，估計(jì)存在于地殼和地函中的水量約2×1025g，目前地球表面的水量約2×1024g，即約10%的水逸出到地表。

揮發(fā)性物質(zhì)：對(duì)海水中的揮發(fā)性物質(zhì)：F、Cl、Br、I、B、S、Ar等，在海水中以陰離子形式存在，它們?cè)诤Ｋ械暮浚瑒t遠(yuǎn)比從巖石中溶出的要多，這可能是火山，海底熱泉等作用之故。7/30/202315元素在海水中的逗留時(shí)間Q海洋MR海水中的元素輸出與元素的含量成正比R=kM(k為輸出速率常數(shù)）7/30/202316常量元素，分成A和B兩類(lèi)，其量分別＞50mmol/kg和0.05~50mmol/kg。微量元素為C類(lèi)，元素量在0.05~50μmol/kg。痕量元素分成D和E兩類(lèi)，其量分別為0.05~50nmol/kg和＜50pmol/kg。A和B類(lèi)元素通稱(chēng)常量元素；C、D、E類(lèi)元素通稱(chēng)為少量元素或微量元素?，F(xiàn)代海水的化學(xué)組成7/30/202317海水中含量最多的元素是水（氫和氧）之外的Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、Br和Sr，被稱(chēng)為常量元素。

主要成分營(yíng)養(yǎng)元素有機(jī)物質(zhì)溶解氣體微量元素現(xiàn)代海水的化學(xué)組成7/30/202318海水的化學(xué)組成7/30/202319海水主要成分元素主要存在形式平均濃度（g/kg)氯度比值逗留時(shí)間NaNa+10.760.555566.8×107MgMg+1.2940.066801.2×107CaCa2+0.41170.021251×106KK+0.39910.20607×106SrSr2+0.00790.000414×106ClCl-19.350.998941×108SSO42-,NaSO4-，MgSO42.7120.140007.9×106CHCO3-,CO32-,CO20.1420.007357.9×104BrBr-0.06720.003741×108FF-,MgF+0.001300.0000675.2×105BB(OH)3,B(OH)4-0.02560.001321.3×1077/30/202320海水化學(xué)組成的特點(diǎn)

1．海水中常量元素占總量的99％以上。2．海水是電中性的。3．海水中主要成分含量比值恒定——Marcet恒比定律。4．海水化學(xué)組成主要由下述原理調(diào)節(jié)：（1）元素全球變化和循環(huán)原理。（2）化學(xué)平衡原理和相關(guān)的五大作用即：①酸-堿作用；②沉淀-溶解作用；③氧化-還原作用；④絡(luò)合作用；⑤液-氣、液-固、氣-固……等界面作用。（3）元素海洋生物地球化學(xué)的過(guò)程、反應(yīng)和生態(tài)系原理。5．海水的pH是8.0左右，近似中性。7/30/2023217/30/2023227/30/2023237/30/2023247/30/2023257/30/2023267/30/202327古代海水向現(xiàn)代海水變遷1）變遷過(guò)程：Fe、Al、Mg、Si的氫氧化物是海洋中分散度高的膠體物質(zhì)，具有十分重要的液—固界面作用性質(zhì)的交換吸附劑，它能把許多無(wú)機(jī)物和有機(jī)物交換吸附或沉積到海底，在這些過(guò)程作用下，古代海水逐漸向現(xiàn)代海水變遷。7/30/2023282)變遷的年代問(wèn)題例一、從貝殼的Sr2+/Ca2+含量比來(lái)看，2~6億年來(lái)海水的主要元素濃度和Sr2+/Ca2+比值幾乎相等。說(shuō)明2~6億年前海水的化學(xué)組成與現(xiàn)代已很相近。例二、從寒武紀(jì)沉積物來(lái)看，可能20億年前海水的主要化學(xué)組成的濃度與現(xiàn)代海水相近。結(jié)論：綜合以上討論，可以說(shuō)至少1億年來(lái)海水組成（包括海水的量和其中元素的量）與現(xiàn)代海水相比是沒(méi)有區(qū)別的。7/30/202329海洋中氧化-還原的Sillén模型

Sillén的海水模型升火成巖+揮發(fā)性物質(zhì)=海水+沉積物+空氣(0.6kg)(1.0kg)(1.0dm3)(0.6kg)(3dm3)存在著與各種沉積物相接觸的間隙水;光解離反應(yīng);氫損耗到外部空間;光合反應(yīng):有機(jī)物腐爛和O2的消耗等。7/30/202330Sillén的海水模型升氧化還原元素主要是：H，O，C，N，F(xiàn)e，S，Mn，I。氣體N2，O2，和CO2的大氣分壓的對(duì)數(shù)分別為：logPN2=-0.120，logPO2=-0.692，logPCO2=-3.536氧化還原電對(duì)為：O2/H2O；NO3-/N2；MnO2/Mn；FeOOH/Fe3O4；SO42-/FeS；N2/NH4+；HCO3-/C(S)；C(S)/CH47/30/202331HistoricalMeasurementsofCompositionofMajorComponentsofSeawaterBergman(1779)madetheearliestchemicalanalysisofseawaterMarcet(1819)

wasthefirsttosuggestthattherelativecompositionofseasaltisnearlyconstant(thefirstlawofchemicaloceanography)Forchhammer(1865)

madefirstreliablemeasurementsofmajorcomponentsonseveralhundredsurfacewatersfromallpartsoftheworld.Dittmar(1884)analyzed70seawatersamplescollectedatvariousdepthsforthemajoroceansduringthecruiseoftheH.M.S.Challenger(1873-1876).LymanandFleming(1940)recalculatedDittmar'sresultsusingmodernatomicweightsCoxandCulkin(1966)

mademeasurementsofmajorcomponentsofwaterscollectedthroughouttheworldaspartofsalinitystudy.Rileyetal.(1967)mademeasurementsofmajorcomponentsofwaterscollectedthroughouttheworldaspartofsalinitystudy.

7/30/2023322.3影響海水化學(xué)組成的因素——海洋生物地球化學(xué)角度來(lái)討論7/30/202333影響海水化學(xué)組成的因素化學(xué)平衡化學(xué)動(dòng)力學(xué)海洋生物地球化學(xué)*7/30/202334海洋生物地球化學(xué)的角度：考慮海洋中生物的作用，以海洋為中心，同時(shí)與大陸和大氣緊密聯(lián)系在一起，全面地考慮“海-陸-空工廠”體系中發(fā)生的一切化學(xué)過(guò)程和規(guī)律。7/30/2023357/30/2023367/30/202337海洋生物地球化學(xué)過(guò)程主要分成：（1）物質(zhì)之源；（2）物質(zhì)之匯；（3）聯(lián)系上述兩者的海洋內(nèi)部的反應(yīng)。7/30/202338海洋輸入物質(zhì)之源主要有三：（1）經(jīng)由河流；（2）通過(guò)大氣；（3）來(lái)自海洋底部的熱液過(guò)程。7/30/202339河川對(duì)海洋化學(xué)組成的影響包括對(duì)常量元素和微量元素的影響：世界上不同河川中溶解元素的含量各不相同，因此進(jìn)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態(tài)之外，同時(shí)存在懸浮粒子或懸浮沉積物。（一）河川7/30/2023407/30/2023417/30/202342（二）大氣物質(zhì)經(jīng)過(guò)大氣轉(zhuǎn)運(yùn)到海洋主要是通過(guò)海洋氣溶膠途徑。估計(jì)各元素大氣的和人類(lèi)的發(fā)射源的作用和影響，用大氣干擾因數(shù)（AIF）計(jì)算即：Ea為元素的總?cè)祟?lèi)的發(fā)射量；En為總天然發(fā)射量。AIF=100表示人類(lèi)的與天然的通量相等。7/30/2023437/30/202344（三）海底熱泉（洋中脊水熱流）洋中脊水熱流組成與標(biāo)準(zhǔn)海水的組成有明顯差異，而且由洋底噴出后在與海水混合過(guò)程中發(fā)生氧化-還原作用、酸-堿作用和物質(zhì)濃度的顯著變化。7/30/2023457/30/2023467/30/202347海洋化學(xué)角度，海洋中物質(zhì)之匯主要：（1）海洋沉積物的生成；（2）沉積物間隙水；（3）成巖作用化學(xué)作用：沉淀-溶解平衡；絡(luò)合平衡；和液-固界面交換-吸附平衡等平衡作用生物作用：氧化-還原和酸-堿作用7/30/202348海洋之中反應(yīng)的理論主架是化學(xué)平衡和化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)平衡按傳統(tǒng)包括五大平衡，即酸-堿平衡；氧化-還原平衡；沉淀-溶解平衡；絡(luò)合平衡；固-液界面交換-吸附平衡和其他界面作用海洋之中反應(yīng)7/30/202349五大平衡作用，海洋中元素及其化合物的運(yùn)移變化規(guī)律，是研究海水化學(xué)組成變化的又一重要內(nèi)容。海洋的流、浪、潮、“泵（pumps）”，它包括物理泵、生物泵和各種化學(xué)泵。7/30/2023507/30/202351海洋生物和非生物，有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，溶解物質(zhì)，非溶解物質(zhì)和膠體物質(zhì)，化學(xué)作用，生物作用和物理作用，以及地球化學(xué)作用（1）物理泵；（2）溶解泵；（3）生物泵；（4）陸架泵；（5）