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1、海洋地球化学的概念及研究内容海洋地球化学主要参考书1. 赵其渊等编，海洋地球化学，地质出版社，1989 （青岛海洋大学）2. Roy Chester, Marine Geochemistry (2nd ed.), Oxford: Blackwell Science Ltd, 1999 3. 张正斌、陈镇东、刘莲生、王肇鼎著，海洋化学原理和应用中国近海的海洋化学，海洋出版社，1999 4. 张 经主编，中国主要河口的生物地球化学研究，北京，海洋出版社，1996 5. 赵一阳、鄢明才，中国浅海沉积物地球化学，北京，科学出版社，1994 5. 宋金明著，中国近海沉积物-海水界面化学，海洋出版社，19
2、97 6. 陈 松等著，海洋沉积物-海水界面过程研究，海洋出版社，1999 海洋地球化学的定义李法西（1987） 研究海洋中化学物质的含量、分布、形态、转移和通量的学科。它是地球化学中以海洋为主体的一个分支，也是化学海洋学的主体。赵其渊（1989） 海洋地球化学是地球化学的新兴的分支学科，是地质学、海洋地质学、海洋学和海洋化学相结合而形成的边缘科学，它集中研究海洋环境下的各种地球化学作用过程和在这些过程中化学元素的行为规律和自然历史。胡明辉（1998） * 研究海洋中物质的来源、迁移、转化及循环过程* 研究全球海洋收支（budget）平衡（balance） * 研究各种界面过程及物质的输入输出
3、通量 例子1：海洋中Mg的收支不平衡（imbalance）问题海洋中Mg的通量(1012mol/yr) ： 河流输入：+ 8.0 大气再循环：-0.5 - 6.3 （？） 离子交换：-1.2 问题：Mg到哪里去了？海洋化学（溶液化学时代）长期未能解决的一个悬案70年代末 80年代初，MIT的Edmond等开展海底热泉活动的化学通量研究，发现镁的热液输出通量与河流通量相当，解决了长期未决的海洋主要物质不平衡（balance）的悬案，同时也补足了一份海洋物质收支平衡的较完整的清单。原因：海水中Mg通过海水-玄武岩反应迁出被加热海水与大洋玄武岩基底的反应具有极为重要的地球化学意义，是影响海水化学组成
4、的重要因素。实验室模拟实验：（反应结果与温度和水、岩比值有关）在低温(150)和水:岩=10:1条件下，反应导致Ca、Si 自岩石的放出和岩石自海水摄取Mg、K、Na（及其他碱金属）自然界的实际情况：玄武岩与海水作用，自海水摄取Mg、K、Na，并导致水化、橙玄玻璃化、蒙脱石化(含Mg的铝硅酸盐)和含Na、K沸石的形成，同时发生低价铁氧化为高价铁。例子2：“Missing Carbon” “碳的遗漏汇”问题碳循环是全球变化的核心问题之一。正确估算全球碳循环通量对人类制定对应全球变暖的战略有重要意义。目前，人类正以每年大约70108 t 碳的速率向大气释放二氧化碳(Schimel et al.，1
5、995)，加剧温室效应。根据目前已有的观测数据计算：* 32 108 t 碳停留在大气中* 16 108 t 20 108 t 碳进入海洋* 陆地生态系统吸收近6108t碳还有15108t碳不知去处，也就是说，人们所了解的全球碳循环还不能闭合，尚存在所谓的丢失项(missing term)。寻找这15 108 t 碳的去处是当今全球碳循环研究的中心问题 。陆架边缘海CO2的遗漏汇？陆架边缘海的面积只有全球海洋的7.6，但其中的生物活动非常活跃，生物生产力大约占全球海洋初级生产力的25%，可能是大气二氧化碳的一个汇。然而，有关陆架边缘海的碳循环研究非常薄弱，在估算全球碳循环过程中，边缘海仍是一个
6、很大的未知数，或者说是一个有争议的问题。蔡卫君与戴民汉在Science上的Comment文章其他可能的归宿： 陆地沼泽生态系统？ 陆地森林生态系统？ 大气本身？从地球化学角度看海洋体系的特点从地球化学角度来看，海洋体系具有多系统和复杂、多样的一系列独特属性，这些属性规定了海洋地球化学作用不同于陆地岩石地球化学作用的特殊性。1. 一大、二深、三沟通： 唯其大，而有大洋的温盐环流体系、大洋所特有的潮汐运动，大洋极宽的运动谱区和千姿百态的运动形式； 唯其深，才使海洋环流系统得到充分发展，形成具有各种特性的水团结构和使各种海洋生物得以生衍繁茂； 而各大洋沟通成一体则使得在能量和物质上都可得到充分的交流
7、，使一切地球化学作用具有全球性特征。2. 不同于陆地淡水溶液体系，海洋为多电解质的盐溶液，并含有多种溶解气体和无机、有机胶体和悬浮物质，因而具有多种迥异于淡水的独特性质，并对海洋中的生物、化学作用及海水的运动发挥着重要影响。3. 海洋通过多个界面与相邻的贮圈不断进行着物质和能量交换，是一个开放体系海面是海洋与外界沟通的主要窗口，通过它，海洋接受太阳辐射能，进行海洋一大气间的物质和能量交换，并直接影响着海洋的水动力循环、生物循环和化学循环过程。河口和海岸带是海洋与大陆联系的桥梁，大陆物质由此进入海洋，而海岸带和大陆架则是海洋能量的主要耗散带。海底是海洋和洋壳进行物质和能量交换、传递的又一重要界面
8、，它对于海洋物化性质和物质平衡具有同样重要意义。海洋地球化学作用的特点1. 海洋地球化学过程，除与化学的和晶体化学的规律有关外，还同时受海洋水动力循环、生物循环和生物化学循环的共同制约。 透光带生物对营养盐的摄取，造成表层水营养元素的贫化，生物碎屑在深层水中的分解、重溶，造成海洋深层水营养元素浓度的提高。而海洋水动力循环则不断把富含营养分的深水带往表层以满足生物的需要。这里，制约元素活动、迁移的主要是生物作用和水动力条件，而不是单纯化学作用。 另外，海洋对绝大多数元素，特别是对微量和痕量元素来说，是远离饱和点的，它们自海水的移出不可能依靠化学沉淀作用，而是依靠上述生物作用和颗粒物质对它们的“清
9、扫”作用（scavenge）。对“清扫”一词可理解为比一般吸附作用具有更广泛的涵意，即它泛指无机和有机胶体-悬浮体在其凝聚和向海底沉降过程中，通过对元素的从单纯的静电吸附到络合、螯合、离子交换等作用，像清道夫一样，能将这些元素从海水中“清扫”出来并一道进入沉积物的作用过程。在海底沉积物的形态分析（speciation）中常可分出：酸可溶相、有机相、水可溶相和交换相，它们分别反映了这些元素自海水中移出的不同结合形式。其中：酸可溶相 代表与Fe、Mn、A1等氢氧化物相结合的组分；有机相 代表与有机质形成螯合物的组分；水可溶相 代表可用水浸取的组分；可交换相 代表被无机和有机离子交换剂(如粘土矿物、
10、有机质等)所交换出的组分。基于上述情况，造成了大洋水体中元素含量、分布和循环的特殊形式，并对海洋环境下元素的地球化学分类提出了特殊的要求。2. 海洋为多系统的复杂体系，海洋各系统之间、系统内部各环节之间以及海洋体系与环境之间相互依从、相互制约，形成一个彼此协调而稳定的整体。 任一环节受扰动都会牵连及整个海洋体系； 另一方面，在一定限度内，海洋体系又有着自发消除外来影响以恢复原有平衡的自动调节机能；而如果外来影响继续作用下去，或超过一定限度，则海洋将会在新的条件下，以“寻求”建立新的平衡。3. 海洋体系的一些性质从整体讲具有不均匀性和时变性，而就局部讲则具有均匀性和稳定性例如:海洋温度、压力等，
11、从整体讲具有垂直分层性和水平分带性，从局部讲又具有均匀性和稳定性。 如对大洋表层暖水的温度和压力都可视作常数，从而可着重去研究地球化学作用与其他因素(如Eh、pH、) 的关系； 对于大洋深层冷水则可当作温度为常量，压力为变量的体系来对待； 对于大洋底水则又可当作压力为常量、与地质历史发展有关的，即在长时间尺度意义上的温度变化为变量的体系来研究。不同地质历史时期海洋底层水温度的不同，必然会在各个时期形成之生物介壳的氧同比素组成上反映出来。20世纪40年代，H. C. Urey首倡的氧同位素测温法即针对上述情况而提出。4. 海底的年青性及对于海洋地球化学作用产物的良好现场保存性 在海洋体系中进行着
12、各种“活”的地球化学作用(如海底热液活动、海底热泉)可供人们现场直接观察、研究(利用深潜器、海底电视等)； 由于有大洋水层的保护，各种地球化学作用产物能在海底得到很好保存，由于这些海底沉积物中保存有大量记录过去海洋环境变化的各种信息，这为研究古气候、古环境的演变提供了理想的“档案”材料。随着无扰动取样技术的出现，古海洋学及古环境学研究已经得到迅猛发展，并取得丰硕成果。“深海钻探计划”(DSDP)（1968-1983）“大洋钻探计划”(ODP)（1983-2005）海洋地球化学的研究对象海洋地球化学的研究对象较广泛，包括：主要溶解成分，溶解气体，微量元素，有物，核素，悬浮物，热泉物质，沉积物间隙
13、水。* 主要溶解成分：11种主要溶解成分* 溶解气体：海洋和大气有辽阔的交界面，它们之间存在各种物质交换。因此，大气层中的各种气体，不断溶入海水，海水中的溶解气体，则不断逸出而进入大气。这些气体溶入或逸出海水的速率，受到富集于海洋表面的某些表面活性物质所构成的微表层的影响。研究得比较多的溶解气体，有氧、二氧化碳、氡-222、碳14等。* 微量元素：海洋中的微量元素，如氮、磷、硅和铁、铝、锰等。前三者属营养元素，其余的微量元素在海水中的溶解态浓度虽低，有些却是无机悬浮颗粒中除硅以外的主要成分。还有一些有经济价值或与生态平衡和环境保护有关的微量元素，如铜、铅、锌、镉、铬、铀等。* 有机物：海水中有
14、机化合物的浓度虽然不大，但是种类很多，它们对重金属在海水中的存在形式，对海水微表层性质和悬浮颗粒表面性质，对海洋中的生物活动，对海水和海底沉积物的氧化还原状态等，都有直接影响。此外，对海洋中的元素或成分的分布、迁移和通量等海洋地球化学过程也有重要的作用。* 核素：包括稳定核素和放射性核素两种。利用同一元素的稳定同位素在不同自然条件下的比值的差异，或者利用海洋中某些放射性核素的含量作为指标，可以研究各种海洋过程，判别海洋中某些物质的来源和年龄。* 悬浮物：海洋中的悬浮物，在河口区水中的含量最大，在大洋海水中的含量最小。它们在海洋物质的迁移中起了相当大的作用。除悬浮颗粒本身的机械搬运外，水中的沉淀
15、析出，悬浮物的分解或溶解，颗粒的絮凝，尤其是这些微小颗粒表面对海水中的化学组分的吸附，颗粒结构的转化等过程，大部分在固态颗粒的表面进行，属于微小尺度的表面化学问题(见海水中的悬浮物)。当悬浮颗粒沉降到海底时，就逐渐形成海底沉积层，进行成岩过程。* 热泉物质：从海底某些地方喷出的热泉，含有许多金属的硫化物等，这也是海洋地球化学的研究对象。* 沉积物间隙水：它的化学组成与海水不同，对上覆水和沉积物的化学组分起着重要的化学交换作用，与沉积物的成岩作用有密切关系。海洋地球化学的学科门类根据研究对象划分：* 海洋生物地球化学* 海洋同位素地球化学（同位素海洋化学）* 海洋有机地球化学* 海洋微量元素地球化学* 海洋沉积物地球化学根据界面过程划分：* 河口化学* 沉积物-海水界面化学* 海-气界面化学海洋地球化学的发展方向1. 需要解决的关键问题：* 近岸海域如何与大洋和陆地进行物质交换* 如何表征及预报人类活动导致的海洋化学的变化及其在区域及全球尺度上的后果* 洋中脊、地下水的物质输入对海水化学的影响* 如何准确测定海气界面的气体交换速率* 沉积物的沉积速率、化学组成和同位素组成的主要控制因素* 化学元素与生物种群之间的相互关系2. 新技术的应用* 在更细微的时空尺度上观测化学参数的变化 sensor ( 探头)的广泛使用 现场（in-situ）长期观测* 新的采样
