海洋地球化学-第1章

1、海洋地球化学 主讲：严志宇 联系方式海洋地球化学 生命的重要部分 重新认识生命 地球是母亲，不仅是文学描述。 要孝养：认识、保护 理性、无 趣+感性 前言 端身正念：端身正念：恭敬、情感、认真 学习顺序：学习顺序： 被动：现象 主动：数据 学习方法：学习方法：全面认识、提炼知识、研究方法 信息知识哲学智慧 请以一种恭敬的心来学习请以一种恭敬的心来学习 恭敬心在哪里？ 海洋地球化学？ 看目录 目录 物质种类？ 介质要素？ 地理位置？ 变化类型？ 价值？应用？ 物种：无机有机、矿物、陆源、生源 元素：同位素（放射性、稳定） 沉积物、悬浮物、生物 溶解态固态（物理、化学、生

2、物作用） 河口、近岸、深海 地质特殊地带：火山、板块边界 地质演变、生物作用、物理化学 认识的结果也是认识的工具 第一章 绪论 第一节 海洋地球化学的定义和任务 第二节 海洋地球化学的研究对象及其特点 第三节 海洋地球化学发展概述 第四节 我国的海洋地球化学研究简介 第一节 海洋地球化学的定义和任务 一、地球化学的定义和任务 定义：研究地球中物质的化学运动的科学。 化学：研究物质组成、结构、性质及变化规律的科学。 物质：原子层次（化学元素），进而离子等。 变化：即演化，包括规律、分布（时空、形态）。 地球：地壳、地球、部分天体。 任务：1.基础科学（地球、生命、气候、矿产）；2. 运用（资源、

3、保护） 第一节 海洋地球化学的定义和任务 二、地球化学的定义和任务 定义：研究地球中物质的化学运动的科学。 化学：研究物质组成、结构、性质及变化规律的科学。 物质：原子层次（化学元素），进而离子等。 变化：即演化，包括规律、分布（时空、形态）。 地球：地壳、地球、部分天体。 任务：1.基础科学（地球、生命、气候、矿产）；2. 运用（航运、资源、保护（包括军事） 海洋 海洋环境 海洋：滩涂、近海、沉积物 研究对象 作业：用自己的 语言定义（一句 话+长篇大论） 第二节 海洋地球化学的研究对象 及其特点 一、海洋地球化学的研究对象 海洋的物质变化、能量流动 自身：混合液、水团结构；环流运动、潮汐、

4、繁衍； 界面：海面-太阳、海岸-陆地、海底-洋壳 第二节 海洋地球化学的研究对象 及其特点 二、海洋地球化学作用的特点 1. 多种化学： 元素循环：表层摄取-碎屑沉积-水流返回。 清扫：胶体-颗粒对元素的结合-沉积。 结合方式：氢氧化物、螯（配）合、离子交换 2. 复杂体系：自身动态平衡，内外要素互相牵制。 3. 稳定简单：局部均匀、参数恒常。 氧同位素法测温度：温度影响生物介壳氧同位素组成。 4. 海底保存：用于研究水层。 第三节 海洋地球化学发展概述 地质考察-沉积物分布 1872-1876年：12000个取样，50册著作 深海钻探-动力学过程 1968-1979年：钻孔500个， 平均深

5、300m，最深1737.3m， 岩芯总长50km， 50卷，5000万字。 高新技术-物理、化学 大陆边缘-油气资源 基础调查的 重要和艰辛 第四节 我国海洋地球化学研究简介 一、河口及近岸海域元素分析、形态研究 长江口： 丰富的有机物使Cr(VI)还原为Cr(III)，并附在颗粒物上、 转移到水体； 氮化合物和Fe不是浮游植物生长的限值因素 SiO32- -Si形态没有明显的化学及生物转移 腐殖质、CH、氨基酸由河口向外浓度递减 九龙江口总碘、IO3-、I-与盐度正线性相关 沉积物到上覆水的IO3-、I-表观通量 研究赤潮 研究污染 动力学研究 研究分布 研究沉积 第四节 我国海洋地球化学研

6、究简介 一、河口及近岸海域元素分析、形态研究 珠江口： 顺序萃取法Fe、Al、Mn五种形态 南沙群岛： 现象：20-75m深存在DO最大值 关联：靠近跃温层及叶绿素最大值深度 在光束衰减系数最大值层之上 CO2分压最小而pH最大 结果：表明DO是光合作用产物积聚 可交换态 碳酸盐态 氧化态 有机态 残渣（结晶）态 主要 试试自己能否的得到该结论 试试自己能否设计该调查方案？ 试试自己能否做出该预测并去验证？ 第四节 我国海洋地球化学研究简介 一、河口及近岸海域元素分析、形态研究 其它（或资源或环境）： 中太平洋北部锰结核 多个海湾的重金属 区域沿岸营养盐 沿岸上升流区叶绿素a 课后查阅 第四节

7、 我国海洋地球化学研究简介 二、海洋环境地球化学研究 内容： 各介质中含量分布及变化。包括地理位置：渤海、黄海、 东海、南海、全国海岸带、海湾河口的综合或专题调 查。 海水、悬浮物、沉积物、生物体 第四节 我国海洋地球化学研究简介 二、海洋环境地球化学研究 成果： 污染物在河口和近岸的分布 污染物的形态和迁移 沉积物背景值和污染历史 沉积物中元素的形态和释放 第四节 我国海洋地球化学研究简介 1.污染物的分布和迁移转化研究 （1）重金属 一般限于河口海湾，但海水中对幼虾、鱼的毒性大； 胶州湾：工业废水Cr(VI)入海后还原为Cr(III)，因此溶解 态Cr(III)为主，海水中Hg以有机结合态

8、为主，而非甲基 汞，无机汞占11-17%； 和长江口不一样 二、海洋环境地球化学研究 哪种毒性大？ 第四节 我国海洋地球化学研究简介 渤海湾：Zn、Cd、Pb、Cu有4中形态（离子、无机有机结 合、颗粒）；总量最高在北塘河， Zn、Cd、Pb总量与 盐度无线性关系；经北塘入海通量为；自然沉积受环 境和粒度控制，以Ni分布为代表，在大沽口和北塘口附 近小于3-5m深河口潮间带有排污带，以Pb分布为代表， 可划分为污染的背景区。 二、海洋环境地球化学研究 1.污染物的分布和迁移转化研究 （1）重金属 第四节 我国海洋地球化学研究简介 近海海水及河口：均匀分布规律，即恒定本底值和评价 是否污染。 二

9、、海洋环境地球化学研究 1.污染物的分布和迁移转化研究 （1）重金属 第四节 我国海洋地球化学研究简介 （2）有机污染物 我国海洋污染以有机污染为主 研究内容： 总量、总指标、主要组成含量等宏观参数探讨水质、 底质的污染和环境质量； 直接测定有害物 二、海洋环境地球化学研究 1.污染物的分布和迁移转化研究 指标： 水质：水质：COD（化学耗氧量）、BOD （生化耗氧量）、DO（溶解氧）、 含氮化合物 底质：底质：有机碳、烧失量、腐殖质、 硫化物、N和P含量 耗氧有机物 指标：基本指标COD；N：总N、无机N、有机N、无机N 中的三态N（NH3、NO2-、NO3-）；P：总P、无机P、 有机P

10、成果：有机N在河段内未充分氧化，到河口近岸逐次转化 为无机三态N，海域中的转换使海水氧亏增大。 难降解有机物 包括：有机氯化合物、多环芳烃（PAHs）、阴离子表面 活性剂、氟氯烃等 特点：残留时间长（如：DDT残留期40a（陆地土壤中 只有数年甚至数月）、生物累积和生物链放大。 渤海湾有机氯农药： 各介质中异构体含量分布不同； 多氯联苯（PCB）含量高于DDT，可能是DDT转换为 PCB； 河口近岸、钻井平台附近PAHs含量高，来源可能是陆 源和石油开发。 致癌 PCB：多氯联苯 DDT：有机氯农药，双 对氯-苯基三氯乙烷 PAHs：多环芳烃 难降解有机物 海河口阴离子表面活性剂AS ： 在悬

11、浮物较为富集，说明迁移动向与环境因素有关； 底泥中稳定，与多污染物有正相关关系，可用于示踪和 指标； 垂向分布反映历史和沉积速率。 石油石油 近海主要污染物，人为污染 研究内容：石油海洋地球化学 监测监测 南黄海漂油油源鉴别：UV吸收比，总S，正构烷烃色谱特征 现代沉积中的石油： 沥青总量，各族组分，正构烷烃、芳烃、叶琳特征 姥鲛烷/植烷比（判断原始沉积环境，氧化-还原条件）、 微量元素特征 石油特征 石油石油 评价评价 孤东油田、环评： 敏感目标：滩涂、浅海 评价重点：污染区域，浅油如油胶扩散；生态质量生 态演变 环境容量人类开发底限项目是否可接受 黄河三角州海域环评： 石油分布、迁移、转化

12、、自净 胜利原油指纹 开发对渔业、生态效应 海洋有机污染物的分类研究海洋有机污染物的分类研究 研究手段（提取技术）的研究分类 提取柱层析法5类代表不同行业，不同毒性 5类：石油烃类、酞酸酯类（PAE）、甾族化合物类、有 机氯农药类、多氯联苯类（PCBs） 小知识 姥鲛烷：2,6,10,14-四甲基十五烷（ 见P38 ） 植烷： 2,6,10,14-四甲基十六烷 酞酸酯，邻苯二甲酸酯，缩写PAE，是邻苯二甲酸形成酯的 统称（指甲油里有） 甾族化合物：环戊烷并全氢菲类化合物的总称，又称类固醇。 甾上面“”表示三个支链，“田”字表示有四个稠环。 第四节 我国海洋地球化学研究简介 二、海洋环境地球化学

13、研究 1.污染物的分布和迁移转化研究 2.沉积物环境背景值和污染历史研究 2.沉积物环境背景值和污染历史研究 （1）若干原则和方法的研究 什么是背景值？ 南黄海北部沉积物中重金属分布背景值研究的原则： 岩芯样分析几cm-2.7m深无明显变化平均含量为背景值 与深处对比， 与Fe、有机C，其它金属相关性分析 应说明沉积物类型或粒度 如该区粉砂质粘土、粘土质粉砂以细的沉积物 深海沉积物富集微量金属，不宜用于近海沉积物 速 率 （2）利用岩芯研究污染历史和背景值速率 锦州：Zn、Cd、Ca、Pb、Hg随深度变化规律受污染|背 景值分解层 210Pb技术、气候泥分析法现代沉积率速率，40a沉积史 渤海

14、湾：总Hg背景值0.05mg/kg（查沉积物标准限值标 在书上） 污染带来的Hg的扩散晕来源，1957年开始 1.4/23a=6.1cm/a 2.沉积物环境背景值和污染历史研究 速 率 （3）沉积物金属测定的粒度校正 我国不多 （4）参比元素相关分析法污染 自然沉积中，元素含量有相关性，可由无污染元素检验其 他元素。 可消除粒度及其它化学因素影响 常见参比元素：Al、Fe、Rb、Li、Cs、Sc 渤海湾选Ni，与Zn，Cr，Pb，Cu，Hg显著相关，最好多为 同一数量级 2.沉积物环境背景值和污染历史研究 阶段小结 知识框架知识框架 重建重建 听课起听课起 1/31/3作用作用 关注：关注：

15、研究内容研究内容 知识点知识点 32 阶段小结 内容： 重金属：种类？ 有机物： 耗 氧：指标？ 石 油：鉴别指标 有 毒：种类 生 物：营养盐、叶绿素a 资 源： 33 阶段小结 污染： 判断： 背景：原则？其中均匀用均数 相关：好处？ 来源： 油指纹 位置接近 34 阶段小结 污染： 输入速率： 入海 沉积 评价： 扩散分布（如污染带）变化（如有机N、石油） 生态：改变质量功能 35 阶段小结 分类技术形态类别 有机物 石油 金属 知识技术： AS示踪、指示、 36 第四节 我国的海洋地球化学研究简介 二、海洋环境地球化学研究 3.沉积物元素的存在形态与释放 （1）重金属 （2）磷形态 （

16、3）污染物的释放 三、海洋沉积地球化学研究 （1）沉积物元素地球化学 （2）同位素地球化学 （3）锰结核地球化学 四、海洋生物地地球化学研 究 （1）海洋元素生物地球化学 （2）自生矿物的生物地球化 学 （3）氨基酸的生物地球化学 37 3.沉积物元素的存在形态与释放 （1）重金属 是环境科学的工作重点 提取形态（指结合态或地球化学相） “五态”提取法（连续化学浸取） 简化 “三态”法 简化 稀盐酸一步提取 仅总量不清楚：环境行为、生物效应 阳离子可交换态 碳酸盐态 铁锰氧化态 有机-硫化物态 碎屑态 酸可提取态 有机态 残渣态 有效态 38 3.沉积物元素的存在形态与释放 （1）重金属 锦州

17、湾：污染较重，柱状样 污染较轻的存在于残渣相中，重则反之； 主要富集粒径FeAl 46 三、海洋沉积地球化学研究 （1）沉积物元素地球化学 元素存在形态 1mol/L盐酸羟胺的25%乙酸浸取东海、南海： 非碎屑（自生） 陆源碎屑： 主元素 微量元素 47 三、海洋沉积地球化学研究 （1）沉积物元素地球化学 元素存在形态 连续逐级浸取： 黄河口、渤海湾、南海沉积物 硫酸铵和水浸取稀土元素： 浸取出的稀土少稀土不是呈简单的阳离子态被吸附 48 三、海洋沉积地球化学研究 （1）沉积物元素地球化学 元素存在形态 陆架沉积： 除Cd、Mn、P等外以碎屑态为主 亲碎屑：共晶沉积 亲自生：吸附，化学沉积 亲

18、生物：介壳，生物沉积 自生矿物： 他生矿物： 生物矿物： 49 三、海洋沉积地球化学研究 （2）同位素地球化学 测时测速： 如： 210Pb沉积速率 沉积强度i=某站速率r/区平均速率R （2极强、1强、1弱、2.5 53 四、海洋生物地地球化学研究 （1）海洋元素生物地球化学 东海陆架、长江口、黄河口及邻近陆架，太平洋锰结核、 南大洋 生物参与了上述沉积物中C、N、P、Ca、Si、S、Fe、 Mn等变迁 生物必需 生物影响沉积 研究海洋生物与环境之间关 系（以化学元素）演变、 成因、资源、污染。 如： 有孔虫释放P，有孔虫多则P多 有孔虫壳体为主，所以C、N低 以硅质生物组成，C、N含量高 N以蛋白质、氨基酸形式存在 54 四、海洋生物地地球化学研究 （1）海洋元素生物地球化学 东海陆架、长江口、黄河口及邻近陆架，太平洋锰结核、 南大洋 生物参与了上述沉