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海洋地球化学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-06 | 关注度:59

海洋地球化学 - 研究简史地球化学,主要研究地球的岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的各种化学元素含量(又称丰度)的分布。研究初期比较著名的代表人物有美国的F.W.克拉克和挪威的V.M.戈德施米特等。50年代以来,C.B.布鲁耶维奇、А.Л.维诺格拉多夫、E.D.戈德堡等在海洋地球化学研究方面作了大量工作。
海洋地球化学的研究对象较广泛,包括:①主要溶解成分,②溶解气体,③微量元素,④有机物,⑤核素,⑥悬浮物,⑦热泉物质,⑧沉积物间隙水。

海洋地球化学 - 研究对象

 

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主要溶解成分

 
海水中含有11种主要溶解成分,其中有钠、镁、钙、钾和锶等 5种阳离子,氯根、硫酸根、碳酸氢根(包括碳酸根)、溴根和氟根等5种阴离子,还有硼酸分子,它们占海水中溶质总量的99.9%以上,各主要溶解成分含量,有一定的比例关系。海水中含量大于1毫克/千克的11种化学成分。它们包括:①钠、镁、钙、钾和锶等5种阳离子;②氯根、硫酸根、碳酸氢根(包括碳酸根)、溴根和氟根等 5种阴离子;③硼酸分子。这些成分的总量占海水中所有溶解成分的99.9%以上。被河川搬运入海的岩石风化产物和火山等的喷发物,是海水主要溶解成分的主要来源。 自从地球表面出现海洋之后,在漫长的地质年代中,不但经历了海陆变迁,而且海水中的溶解成分,曾有过组成的演变。尽管各大洋海水的含盐量随海域和深度而异,但海水主要溶解成分的含量间有恒定的比例,就称海水的组成是恒定的,并称这些成分是保守成分。

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(见海水溶解气体,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(见气体在海洋与大气间的交换)。研究得比较多的溶解气体,有氧(见海水溶解氧)、二氧化碳(见海水二氧化碳系统)、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(见海水营养盐),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(见海水微量元素)。

有机物  
海水中有机化合物的浓度虽然不大,但是种类很多(见海水有机物),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(见海洋中放射性核素、核素在海洋学中的应用)。  
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。

悬浮物

(图)海底热泉
海底热泉

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(见海底热泉)。热液喷口是海底的间歇泉,人们称它为海底热泉。地壳的巨大板块一刻不停地运动着,它们的碰撞形成了海底山脉,它们的分离造就了海底裂隙。海水从这些开口处渗入地壳,被炽热的岩浆“烧”得滚烫。加热后的海水回流,又从地壳的小缝隙里涌出,形成了海底热泉。

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(见海洋沉积物间隙水)。 占据海底沉积物颗粒之间及岩石颗粒之间孔隙的水溶液,也叫孔隙水。它是地球水圈的一部分,其成分反映了沉积过程中及海水与沉积物埋藏后发生的各种变化历程。因此,间隙水的组成和海水不同。沉积物间隙水的组成,不但随沉积的深度而异,而且有区域分布,这和海洋沉积过程、成岩过程和生物扰动有密切的关系。包括以下两方面:

海洋地球化学 - 研究内容

 

(图)大气圈
大气圈

① 元素或化学组分在海洋中的分布、迁移和通量。元素或化学组分在海洋各处的含量分布不同,除了受海水的盐度或氯度(见海水盐度、海水氯度)的影响外,主要还受海-气界面、 河水-海水界面和海水-海底沉积层界面的物质交换的影响。这些影响,通过物质在海水中的迁移,逐渐传给邻近的海域。因此,要研究海洋中的物质分布,就必须研究物质的迁移过程和通量,研究某元素或某化学组分在某海区和海洋中的收支平衡。从这些通量和收支平衡出发,可以配合海洋物理学、海洋地质学和海洋生物学,研究水团的运动和混合、海-气交换与气候的关系、泥沙的运动与堆积、海洋生物生产力等问题。

② 元素或化学组分在海水中的存在形式。一种元素在海水介质中,往往不是以单一的化学形式出现,例如二价铜在海水中不仅以自由铜离子存在,且可形成各种无机络合物和有机络合物;在一定的氧化还原条件下,有些元素以两种以上的价态同时存在,如Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)及它们的络合态。海水中的正负离子,还有一部分缔合成离子对,如MgSO孇、MgCO嬿、NaCO婣、NaSO嬄等。存在形式不同,所起的化学效应也不同。例如有机络合的铜离子对生物的毒性,比自由铜离子低。 在海洋地球化学的研究中,所用的理论方法基本上来自海洋物理化学;所用的分析方法,来自海水分析化学。在研究海水中的悬浮物时,往往要涉及河口化学的内容;在研究有机物时,又与海洋有机化学交织在一起。这些学科同属于化学海洋学,它们之间有着密切的联系。 在海洋地球化学的研究中,越来越注重核素、微量元素和有机物的研究,并已形成海洋核素化学、海洋微量元素化学和海洋有机化学这三个新的分支。另外在海洋生物化学与海洋地球化学之间,已萌发出一门崭新的学科──海洋生物地球化学,它既是海洋生物化学的一个分支,又是海洋地球化学的一个分支。它研究海洋生物的活动与海洋中化学物质的地球化学过程的关系。

海洋地球化学 - 与邻近学科关系

 

海洋地球化学 - 发展趋势