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1、7/22/20241第二章第二章海洋的形成和海水的组成海洋的形成和海水的组成2.1海洋的形成海洋的形成2.2海水的化学组成海水的化学组成2.3影响海水化学组成的因素影响海水化学组成的因素海洋生物地球化学角度来讨论海洋生物地球化学角度来讨论2.4海水中元素的分布海水中元素的分布7/22/20242n海水中各组分的形态：海水中各组分的形态：颗粒态：颗粒态：颗粒有机物，颗粒无机物颗粒有机物，颗粒无机物气体：气体：保守气体（保守气体（N2，Ar，Xe）,非保守气体（非保守气体（O2和和CO2）胶体：胶体：有机物，无机物有机物，无机物溶解态：溶解态：无机溶解态：无机溶解态：大量大量（1ppm）,微量（微
2、量（1ppm）有机溶解态有机溶解态2.1海洋的形成海洋的形成7/22/202437/22/20244海洋中的主要溶解组分是什么？海洋中的主要溶解组分是什么？如何测定？如何测定？这些组分在海洋中的分布？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？控什么样的过程导致现在的海水组成？控制机理是什么？制机理是什么？n在元素全球生物地球化学循环中，在元素全球生物地球化学循环中，水既是重要的参加者，又是一种重水既是重要的参加者，又是一种重要的介质。要的介质。n水循环的研究是国际全球变化研究水循环的研究是国际全球变化研究的一个重要组成部分。的一个重要组成部分。 7/22/20245太阳系物质的含
3、水量太阳系物质的含水量7/22/202461）碳质球粒陨石含水量很高，主要以含水矿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物的形式存在。有些碳质球粒陨石类型I之之中水的重氢的浓度比地球上任何地方的都高中水的重氢的浓度比地球上任何地方的都高得多。得多。2）陨石经大气层时，磨擦发热，可能失水。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，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。陨石落到地球上之也可能起保存水的作用。陨石落到地球上之后，也可能会
4、混合入地球上的水。后，也可能会混合入地球上的水。3）表表2.1中的水仅是地壳部分，除以整个地球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。质量而得的商，应当说是地球含水量之下限。7/22/20247海洋水的形成海洋水的形成 在地球聚集过程终结时，由于聚集过程的重力能、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。（在地核形成过程及始供水，最后聚集在地球表面。（
5、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。低温部分冷凝，最后形成海洋。7/22/202487/22/20249海洋水的含量海洋水的含量1地
6、地壳壳含含水水量量。假假设设地地壳壳由由玄玄武武岩岩构构成成，由由夏夏威威夷夷外外海海底底采采集集的的新新鲜鲜玄玄武武岩岩中中，含含水水约约0.3-0.7。如如按按地地壳壳平平均均含含有有0.5的的水水来来估估算算，其其总总量量相相当当于于目目前前海海水水、极极冰冰和和沉积物中水量之和的沉积物中水量之和的0.6。2地地幔幔含含水水量量。在在地地幔幔中中存存在在的的水水有有两两种种形形式式：以以含含水水矿矿物物的的形形式式固固定定在在矿矿物物结结晶晶中；中；游离水。游离水。3地球内部地球内部水量估计约为水量估计约为21025g。7/22/202410海水主要成分的来源海水主要成分的来源火山喷发火
7、山喷发岩石风化岩石风化直接进入直接进入河流输入河流输入直接进入直接进入海海水水盐盐分分5.51015g/a7/22/2024112.2海水的化学组成海水的化学组成原原始始海海水水的的化化学学组组成成：研研究究海海水水的的化化学学组组成成和和变变迁迁有有两两种种方方法法：一一种种方方法法是是“以以古古论论今今”。另另一一种种方方法法是是“以以今今论论古古”。具具体体例例子子如如下下：“元元素素地地球球化化学学平平衡衡法法”即即按按供供给给海海水水的的元元素素量量和和从从海海水水中中除除去去的的元元素素量量之之间间达达到到动动态态平平衡衡是是研研究究原原始始海海水水化化学学组组成的一个方法。成的一
8、个方法。7/22/202412（整整个个地地球球历历史史时时期期被被风风化化岩岩石石量量）+（火火山山、海海底底热热泉泉、温温泉泉等等自自地地球球内内逸逸出出的的物物质质量量）=（海海水水中中的的水水及及其其溶溶存存物物质质量量）+（沉沉积积物物量量）=（碎碎屑屑物物）+（化化学学沉沉淀淀物物量量）+（生生物物物物质质量量）+（大大气气中中的的物物质质量量）+（逸出到地球大气圈外的物质量）（逸出到地球大气圈外的物质量）7/22/202413CO2体体系系对对海海水水是是至至关关重重要要的的。逸逸出出的的CO2溶溶入入海海水水，使使海海水水因因酸酸碱碱平平衡衡而而存存在在化化学学物物种种形形式式
9、CO32-、HCO3-等等，与与海海洋洋中中金金属属发发生生络络合合作作用用，使使金金属属以以较较稳稳定定的的溶溶解解形形式式存存在在于于海海水水中中。因因沉沉淀淀溶溶解解作作用用，氧氧化化还还原原作作用用，酸酸碱碱作作用用，络络合合作作用用等等与与海海水水中中的的常常量量组组分分和和微微/痕痕量量组组分分反反应应，使使原原始始海水的化学组成不断变化并逐渐进化成海水。海水的化学组成不断变化并逐渐进化成海水。7/22/202414原原始始海海水水的的量量：有有人人以以陨陨石石的的数数据据作作参参考考，估估计计存存在在于于地地壳壳和和地地函函中中的的水水量量约约21025g，目目前前地地球球表表面
10、面的的水水量量约约21024g，即即约约10%的水逸出到地表。的水逸出到地表。挥挥发发性性物物质质：对对海海水水中中的的挥挥发发性性物物质质：F、Cl、Br、I、B、S、Ar等等，在在海海水水中中以以阴阴离离子子形形式式存存在在，它它们们在在海海水水中中的的含含量量，则则远远比比从从岩岩石石中中溶溶出出的的要要多多，这这可可能能是是火火山山，海海底底热泉等作用之故。热泉等作用之故。7/22/202415元素在海水中的逗留时间元素在海水中的逗留时间Q海洋海洋MR海水中的元素输出与元素的含量成正比海水中的元素输出与元素的含量成正比R=kM(k为为输出速率常数）输出速率常数）7/22/202416n
11、常量元素，分成常量元素，分成A和和B两类，其量分别两类，其量分别50mmol/kg和和0.0550mmol/kg。n微量元素为微量元素为C类，元素量在类，元素量在0.0550mol/kg。n痕量元素分成痕量元素分成D和和E两类，其量分别为两类，其量分别为0.0550nmol/kg和和50pmol/kg。nA和和B类元素通称常量元素；类元素通称常量元素；nC、D、E类元素通称为少量元素或微量类元素通称为少量元素或微量元素。元素。现代海水的化学组成现代海水的化学组成7/22/202417n海水中含量最多的元素是水（氢和氧）海水中含量最多的元素是水（氢和氧）之外的之外的Cl、Na、K、Mg、Ca、S
12、、C、F、B、Br和和Sr，被称为常量元素。被称为常量元素。主要成分主要成分营养元素营养元素有机物质有机物质溶解气体溶解气体微量元素微量元素现代海水的化学组成现代海水的化学组成7/22/202418海海水水的的化化学学组组成成7/22/202419海水主要成分海水主要成分元素主要存在形式平均浓度（g/kg)氯度比值逗留时间NaNa+10.760.555 566.8107MgMg+1.2940.066 801.2 107CaCa2+0.41170.021 251 106KK+0.39910.206 07 106SrSr2+0.00790.000 414106ClCl-19.350.998 94
13、1108SSO42-,NaSO4-，MgSO42.7120.140 007.9106CHCO3-, CO32-, CO20.1420.007 357.9104BrBr-0.06720.003 741108FF-, MgF+0.001300.000 0675.2105BB(OH)3, B(OH)4-0.02560.001 321.31077/22/202420海水化学组成的特点海水化学组成的特点 1海水中常量元素占总量的海水中常量元素占总量的99以上。以上。2海水是电中性的。海水是电中性的。3海水中主要成分含量比值恒定海水中主要成分含量比值恒定Marcet恒比定律。恒比定律。4海水化学组成主要由
14、下述原理调节：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。）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：）化学平衡原理和相关的五大作用即：酸酸-碱作用；碱作用；沉淀沉淀-溶解作用；溶解作用；氧化氧化-还原作用；还原作用；络合作用；络合作用；液液-气、液气、液-固、气固、气-固固等界面作用。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。）元素海洋生物地球化学的过程、反应和生态系原理。5海水的海水的pH是是8.0左右，近似中性。左右，近似中性。7/22/2024217/22/2024227/22/2024237/22/2024247/22/20
15、24257/22/2024267/22/202427古代海水向现代海水变迁古代海水向现代海水变迁1）变变迁迁过过程程：Fe、Al、Mg、Si的的氢氢氧氧化化物物是是海海洋洋中中分分散散度度高高的的胶胶体体物物质质，具具有有十十分分重重要要的的液液固固界界面面作作用用性性质质的的交交换换吸吸附附剂剂，它它能能把把许许多多无无机机物物和和有有机机物物交交换换吸吸附附或或沉沉积积到到海海底底，在在这这些些过过程程作用下，古代海水逐渐向现代海水变迁。作用下，古代海水逐渐向现代海水变迁。7/22/2024282)变迁的年代问题变迁的年代问题例例一一、从从贝贝壳壳的的Sr2+/Ca2+含含量量比比来来看看
16、，26亿亿年年来来海海水水的的主主要要元元素素浓浓度度和和Sr2+/Ca2+比比值值几几乎乎相相等等。说说明明26亿亿年年前前海海水水的的化化学学组组成成与与现现代已很相近。代已很相近。例例二二、从从寒寒武武纪纪沉沉积积物物来来看看，可可能能20亿亿年年前前海水的主要化学组成的浓度与现代海水相近。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，可以说至少结论：综合以上讨论，可以说至少1亿年来亿年来海水组成（包括海水的量和其中元素的量）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。与现代海水相比是没有区别的。7/22/202429海洋中氧化海洋中氧化-还原的还原的
17、Silln模型模型Silln的海水模型升的海水模型升n火成岩火成岩+挥发性物质挥发性物质=海水海水+沉积物沉积物+空气空气n(0.6kg)(1.0kg)(1.0dm3)(0.6kg)(3dm3)n存在着与各种沉积物相接触的间隙水存在着与各种沉积物相接触的间隙水;n光解离反应光解离反应;n氢损耗到外部空间氢损耗到外部空间;n光合反应光合反应:n有机物腐烂和有机物腐烂和O2的消耗等。的消耗等。7/22/202430Silln的海水模型升的海水模型升n氧化还原元素主要是：氧化还原元素主要是：H，O，C，N，Fe，S，Mn，I。n气体气体N2，O2，和和CO2的大气分压的大气分压的对数分别为：的对数分
18、别为：logPN2=-0.120，logPO2=-0.692，logPCO2=-3.536n氧化还原电对为：氧化还原电对为：O2/H2O；NO3-/N2；MnO2/Mn；FeOOH/Fe3O4；SO42-/FeS；N2/NH4+；HCO3-/C(S)；C(S)/CH47/22/202431HistoricalMeasurementsofCompositionofMajorComponentsofSeawaternBergman(1779)madetheearliestchemicalanalysisofseawaternMarcet(1819)wasthefirsttosuggestthatt
19、herelativecompositionofseasaltisnearlyconstant(thefirstlawofchemicaloceanography)nForchhammer(1865)madefirstreliablemeasurementsofmajorcomponentsonseveralhundredsurfacewatersfromallpartsoftheworld.nDittmar(1884)analyzed70seawatersamplescollectedatvariousdepthsforthemajoroceansduringthecruiseoftheH.M
20、.S.Challenger(1873-1876).nLymanandFleming(1940)recalculatedDittmarsresultsusingmodernatomicweightsnCoxandCulkin(1966)mademeasurementsofmajorcomponentsofwaterscollectedthroughouttheworldaspartofsalinitystudy.nRileyetal.(1967)mademeasurementsofmajorcomponentsofwaterscollectedthroughouttheworldaspartof
21、salinitystudy.7/22/2024322.3影响海水化学组成的因素影响海水化学组成的因素海洋生物地球化学角度来讨论海洋生物地球化学角度来讨论7/22/202433影响海水化学组成的因素影响海水化学组成的因素化学平衡化学平衡化学动力学化学动力学海洋生物地球化学海洋生物地球化学*7/22/202434海洋生物地球化学的角度：海洋生物地球化学的角度：考虑海考虑海洋中生物的作用，以海洋为中心，同时洋中生物的作用，以海洋为中心，同时与大陆和大气紧密联系在一起，全面地与大陆和大气紧密联系在一起，全面地考虑考虑“海海-陆陆-空工厂空工厂”体系中发生的一体系中发生的一切化学过程和规律。切化学过程和
22、规律。7/22/2024357/22/2024367/22/202437海洋生物地球化学过程主要分成：海洋生物地球化学过程主要分成：（1）物质之源；）物质之源；（2）物质之汇；）物质之汇；（3）联系上述两者的海洋内部的反应。）联系上述两者的海洋内部的反应。7/22/202438海洋输入海洋输入物质之源物质之源主要有三：主要有三：（1）经由河流；）经由河流；（2）通过大气；）通过大气；（3）来自海洋底部的热液过程。）来自海洋底部的热液过程。7/22/202439河川对海洋化学组成的影响包括对常量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元素和微量元素的影响：世界上不同河川：世界上不同
23、河川中溶解元素的含量各不相同，因此进入太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平洋、大西洋、印度洋和北冰洋的元素量也就各不相同。也就各不相同。河水中除元素的溶解态之外，同时存在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。悬浮粒子或悬浮沉积物。（一）河川（一）河川7/22/2024407/22/2024417/22/202442（二）大气（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。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发射源的作用和影响，用大估计各元素大气的和人类的发射源的作用和影响，用大气干扰因数（气
24、干扰因数（AIF）计算即：计算即：Ea为元素的总人类的发射量；为元素的总人类的发射量；En为总天然发射量。为总天然发射量。AIF=100表示人类的与天然的通量相等。表示人类的与天然的通量相等。7/22/2024437/22/202444（三）海底热泉（洋中脊水热流）（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合过程中发生氧化-还原作用、酸还原作用、酸-碱作用碱作用和物质浓度的显著变化。和物质浓度的显著变化。7/22/2024457/22/2024467/
25、22/202447海洋化学角度，海洋中海洋化学角度，海洋中物质之汇物质之汇主要：主要：（1）海洋沉积物的生成；）海洋沉积物的生成；（2）沉积物间隙水；）沉积物间隙水；（3）成岩作用）成岩作用化学作用：化学作用：沉淀沉淀-溶解平衡；络合平衡；和溶解平衡；络合平衡；和液液-固界面交换固界面交换-吸附平衡等平衡作用吸附平衡等平衡作用生物作用：生物作用：氧化氧化-还原和酸还原和酸-碱作用碱作用7/22/202448海洋之中反应的理论主架是海洋之中反应的理论主架是化学平衡化学平衡和和化学动力学化学动力学化学平衡按传统包括化学平衡按传统包括五大平衡五大平衡，即酸，即酸-碱碱平衡；氧化平衡；氧化-还原平衡；
26、沉淀还原平衡；沉淀-溶解平衡；溶解平衡；络合平衡；固络合平衡；固-液界面交换液界面交换-吸附平衡和其吸附平衡和其他界面作用他界面作用海洋之中反应海洋之中反应7/22/202449五大平衡作用五大平衡作用，海洋中，海洋中元素及其化合物元素及其化合物的运移变化规律的运移变化规律，是研究海水化学组成变，是研究海水化学组成变化的又一重要内容。化的又一重要内容。海洋的海洋的流、浪、潮、流、浪、潮、“泵（泵（pumps）”，它包括物理泵、生物泵和各种化学泵。它包括物理泵、生物泵和各种化学泵。7/22/2024507/22/202451海洋生物和非生物，有机物和无机物，海洋生物和非生物，有机物和无机物，溶解
27、物质，非溶解物质和胶体物质，化学溶解物质，非溶解物质和胶体物质，化学作用，生物作用和物理作用，以及地球化作用，生物作用和物理作用，以及地球化学作用学作用（1）物理泵；（）物理泵；（2）溶解泵；（）溶解泵；（3）生物）生物泵；（泵；（4）陆架泵；（）陆架泵；（5）胶体泵；（）胶体泵；（6）碳酸盐泵（碳酸盐泵（CO2泵）；（泵）；（7）硅酸盐泵）硅酸盐泵7/22/2024522.4海水中元素的分布海水中元素的分布海水中元素的分布，一般分成海水中元素的分布，一般分成三类三类:（1）元素的）元素的垂直分布垂直分布；（2）元素的）元素的水平分布水平分布；（3）时间标度时间标度（分，时，天，月，季，年（分
28、，时，天，月，季，年）分布）分布7/22/202453（1）元素的垂直分布）元素的垂直分布7/22/2024547/22/2024557/22/2024567/22/2024577/22/2024587/22/202459影响垂直分布的因素：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）元素本身的化学特性，不同元素有不同的垂直分布断面曲线；相关的元素有可同的垂直分布断面曲线；相关的元素有可能存在类似的垂直分布曲线，存在相关性。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）海洋环境（例如海洋生物，海况和海流，大气和河川影响流，大气和河川影响）。）。7
29、/22/202460（2）元素的水平分布）元素的水平分布元素的水平分布主要由海水的流、元素的水平分布主要由海水的流、浪、潮和所处的环境（例如河川影浪、潮和所处的环境（例如河川影响等）决定响等）决定7/22/202461（1）黄、渤、东海不同）黄、渤、东海不同海区具有不同特征的分海区具有不同特征的分布曲线。北方渤海，西布曲线。北方渤海，西部比东部海湾口明显地部比东部海湾口明显地低；山东与江苏交界处低；山东与江苏交界处较低，仅较低，仅1.0mol/dm3；东海一般含量较大。东海一般含量较大。（2）东海沿岸，一般近）东海沿岸，一般近岸高，离岸远则含量少岸高，离岸远则含量少7/22/202462（3）元素的时间标度分布）元素的时间标度分布时间标度分布的变化，与生物活动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、的关系更加密切，体现在昼夜、月、季、年季、年的变化上。的变化上。至于时间标度分布定为分，定为时，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，定为定为昼夜变化，定为旬或月，定为季或年？则按研究目标而定。季或年？则按研究目标而定。7/22/2024637/22/2024647/22/202465
