地球化学-第五章-海洋和大气地球化学-地球化学课件

北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所《地球化学》授课老师：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地学楼3508SummaryofEarthDifferentiation(refractories)(volatiles)(siderophile&chalcophile)(lithophile)(atmophile)(lostduetoimpacts)(lateveneer)太阳星云凝聚和吸积过程地核硅酸盐地球原始大气InnerCoreOuterCore原始地幔MoonLowerMantleUpperMantleContinentalCrustOceanicCrustModernOcean&Atmosphere(continuingcometaryflux?)(partialmelting;liquid-crystalpartitioning)(platetectonics:partialmelting,recycling)(原子核合成,、超新星)(gas-solidequilibria)(melting;gravityandgeochemicalaffinity)(freezing)(catastrophicimpact)(hotspotplumes)degassingdegassing第五章海洋和大气地球化学第五章海洋和大气地球化学本章节教学目的和教学要求：一、了解海洋作为一个相对均一的体系，其海水的组成特点及其影响因素；二、理解海水的化学组成水平连续和垂向不连续的原因；三、熟悉海洋的起源和化学演化；四、了解大气圈的结构、物质组成和化学成分特点；五、熟悉大气圈的起源和化学演化；六、理解大气圈的气体成分与岩石圈、水圈和生物圈的物质交换本章节重点内容一、了解海洋和大气圈的元素丰度特征二、了解海洋和大气圈的物质交换三、理解海洋和大气圈的演化第五章海洋和大气圈地球化学

本章内容一、海洋地球化学1.海水化学组成2.影响海水组成的因素3.海洋的起源和化学演化二、大气圈地球化学1.大气圈的结构2.大气圈的化学成分3.大气圈演化第五章海洋和大气圈地球化学

一、海洋地球化学第五章海洋和大气圈地球化学

第五章海洋和大气圈地球化学海洋沉积物分布样式？一、海洋地球化学第五章海洋和大气圈地球化学地球各层圈厚度、体积、平均密度和质量分布（White,2013）一、海洋地球化学第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学第五章海洋和大气圈地球化学第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学数

量平

均范

围温

度5℃1℃（深水）

30℃（赤道海水表面水）压

力20MPa约1MPa（海水表面）~54Mpa（约5500m深度）密

度1.024g/mL深

度3730m最大深度：10850m？（马里亚纳海沟）总体积1.36×109km3总质量1.40×1024g总面积3.62×108km2占地球总面积~70%pH8.1±0.2海洋环境基本数据第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学海洋环境基本数据第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成海水中已检测出元素80多种，含量差异很大。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成地球化学认识论

海水的元素丰度图（据Henderson,1982数据绘制）

第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成海水所溶物质的平均化学成分张正斌和刘莲生（2005）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成6种元素>

99％Na和Cl最丰富，占85%以上；海水可视为：NaCl－H2O体系第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（1）常量元素主要元素：Cl（Cl-）、Na+、Mg2+、S（SO42-）、Ca2+、K+，含量在10%至万分之几。次要元素：Br（Br-）、C（HCO3-）、Sr2+、B（H3BO3）、Si、溶解氧和氟，含量在数至数十ppm。

占海水中所有溶解物质的99.9%。称为海水的主要组分：电解质溶液和少量非电解质硼酸（分子）。（2）微量元素（含量低于1ppm）主微量元素：N、Li、Rb、P、I、Ba、Mo，其含量大于10ppb。微量及痕迹元素：浓度低于10ppb的其余元素。

第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成

海水中元素的物种化学存在形式（化学表达式）和存在形态（溶解态、胶态和悬浮态）都是研究海水中元素或物质以什么物理、化学特征存在于海水中。存在形式：A.

常量元素：离子；B.微量元素：无机形式：游离离子、酸根离子、络离子或配合物、液-固界面配合物有机存在形式（天然水中溶解有机碳（DOC）、DON、DOP、氨基酸、腐殖酸）：有机配合物；溶解的气体：溶解氧、二氧化碳、氮、惰性气体、有机气体。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征氢、氧、碱金属、碱土金属和卤族元素富集；横向上基本均一；垂向上不均一。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成

由于海水中含盐量稳定和海水的运动，使各成分充分混合，这些主要元素有近似的恒比关系。（3）海洋元素分布特征

大洋水中的常量元素比值基本恒定Millero

（2002）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成

由于海水中含盐量稳定和海水的运动，使各成分充分混合，这些主要元素有近似的恒比关系。（3）海洋元素分布特征Millero

（2002）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征海水的盐度和氯度（盐度和氯度概念）盐度：1000g海水中氯化物的克数（海水中溶解物质的总量）氯度：1000g海水中含的F、Cl、Br、I克总数第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成海水中大部分常量元素的含量比值恒定（3）海洋元素分布特征S‰（盐度）=1.806×Cl‰（氯度）（Dittmar，1884）S‰（盐度）=0.030+1.8050×Cl‰（氯度）（Knudsen，1901）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征海水的盐度和氯度（盐度和氯度概念）EmersonandHedges（2008）

海水的盐度一般为35‰；盐度在纬度20o附近最大，向高纬度和赤道降低：蒸发量有关。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征海水的盐度和氯度（盐度和氯度概念）

海水的盐度一般为35‰；盐度在纬度20o附近最大，向高纬度和赤道降低：蒸发量有关。海洋盐度随纬度的变化第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征盐度、氯度、

δD和δ18O的关系S‰（盐度）=1.806×Cl‰（氯度）S‰（盐度）=0.030+1.8050×Cl‰（氯度）盐度与δD和δ18O的关系大西洋表层海水与盐度关系：

δ18O

＝0.61S-21.21)高纬度冰川地带；2）与海洋连通的有限海；3）半封闭海。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征盐度、氯度、

δD和δ18O的关系S‰（盐度）=1.806×Cl‰（氯度）S‰（盐度）=0.030+1.8050×Cl‰（氯度）盐度与Nd同位素的关系第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成海水组成恒定性规律（海洋化学第一个定律）：即，著名的Marcet（马赛特）-Dittmar（迪特马尔）海水主要溶解成分恒比规律1819年，A.

M.

Marcet分析了大西洋、北冰洋、黑海、波罗的海等14个水样，发现Mg、Ca、Na、Cl、SO4等5种成分在不同水样中的含量虽然不相同，但它们之间在每一水样中的比值是近似守恒的，并指出“全世界所有的海水水样都含同样种类的成分，这些成分之间具有非常接近恒定的比列关系，而这些水样之间只有含盐量总值不同的区别”。1884年，W.

Dittmar仔细分析和发表了其对1873～1876年间英国“挑战者”号采集的世界各大洋的77个海水样品的分析结果，进一步证实海水中主要成分的含量间存在恒比关系，揭示马赛特观测的普遍真实性。（3）海洋元素分布特征第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征海水的温度和一些元素含量在垂向上的变化（转引自StevenM.Richardson等，1989）温度：太阳辐射：热的浅部带和冷的深部带盐度：赤道-南北极洋流作用无机碳和Si：生物摄取氧和硝酸盐：表层：氧在表层水和大气交换以及光合作用，中层：生物的氧化作用，消耗氧；深层：增加。垂向上不均一：不连续性800m第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征垂向上不均一太平洋中P和N随深度的变化（魏菊英，1986）

第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征垂向上不均一第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征碳酸岩化学（CO2）海水中的二氧化碳：CO2、CO32-和HCO3-；研究涉及这些物质间的化学反应和平衡关系：1）CO2在大气和海洋中的交换；2）悬浮颗粒中碳酸盐与海水中CO2系统间的化学平衡；3）海洋生物繁殖与CO2循环；4）海水中CO2含量的分布及其变化。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征二氧化碳

ThebufferthepHofseawater,providesthecarbontobereducedbyphotosynthesisandthecarbonatetomakeshells,andconstituteoneoftheEarth’sprincipalreservoirsofCarbon(60xmorethantheatmosphere!).

AcriticalaspectofoceanchemistryisthecoupledbehaviorsofCO2,HCO3–,andCO32-第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征二氧化碳ThekeyreactionsareCO2+H2O=HCO3–+H+HCO3–=CO32–+H+GiventotalCO32-andpHthesespeciationequilibriaaredetermined;atthepHofseawaterbicarbonateisthedominantionNotehighsensitivityofCO32–concentrationtopHatneutralpH第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征二氧化碳Areaswith>70%CaCO3sediment第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学1.海水的化学组成（3）海洋元素分布特征二氧化碳A.光合作用：浮游生物B.

CCD第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入海洋物质的输入和输出示意图（引自Henderson，1982）

第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入

由河流输入：岩石成因来源沉积物Mostofthesedimenttransportedtothecoastlinebytheriverstodayisdepositedonprotectedcoastalzones,inlargeestuaries,andontheshelves;onlyarathersmallproportionofthesedimentistransportedbeyondtheshelfedge

andreachesthebottomofthedeepsea.第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入Themajorproportionofweatheredmaterialistransportedfromthecontinentsintotheoceansbyriversasdissolvedorsuspensionload,i.e.intheformofsolidparticulatematerial.Smallerthan30microns.粉砂粘土第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入LiandSchoonmaker

（2014）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入

由海洋生物输入：生物成因来源第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入

由海洋火山作用输入：火山喷发和热液作用第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入

由人类活动输入第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输入

由人类活动输入：赤潮的危害：1）大量赤潮生物集聚于鱼类的腮部，使鱼类因缺氧而窒息死亡；2）赤潮生物死亡后，藻体在分解过程中消耗水中的溶解性氧，同时放出大量有害气体和毒素；3）鱼类吞食大量有害藻类、居民通过摄食中毒的鱼、贝类而产生中毒（麻痹性贝毒、神经性贝毒和泻痢性贝毒）；4）引起海洋变异、局部中断海洋食物链，使海域一度成为死海。

赤潮（红色幽灵）：是海洋中某些微小的浮游生物在一定条件下爆发性增殖和聚集，而引起海水变色的一种有害的生态异常现象。（红、黄、绿、褐色等）。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出A.海洋的沉积作用

海洋除海岸附近及表层海水较动荡外，绝大部分海域中的水体均处于相对静止状态，海洋是地球表面最大的积水盆地和沉积场所。滨海带的沉积：海滩、沙坝和泻湖浅海带（最重要的沉积区）：机械、化学和生物沉积半深海、深海：软泥、浊流和锰结核等第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出离子河流输入孔隙水埋藏离子交换成岩反应化学沉积净输入Na++135.93-22.08-35.19+57.5-+135.7K++45.63-0.78-7.80-35.1-+1.9Mg2++117.86-2.18-7.78-55.9-6.32+46.2Ca2++494.40-0.80-38.40+144-500.00+180.0Cl-+115.92-37.93---+78.0SO42-+294.72-5.76---57.6？+230.4HCO3-+1952.0--25.62+286.7-1476.20+707.6H4SiO4+621.12----672.00-48.0总+3777.58-69.54-114.79+488.2，-91.0-2654.501331.8海水中主要元素的输入和输出通量（单位：1012g/a）

注：+号代表输入到海洋，负号代表从海洋输出；据Drever等（1988）数据（原始数据转引自陈俊，2004）换算。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出离散边界转换断层汇聚边界破裂带

B.海水与洋底玄武岩的蚀变交代作用第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出与海水平衡的海底不同部位的岩石通量（1014g/a）通量（1010g/a）SiCaMgKBLiRbBa大洋壳表层玄武岩-0.006-0.045-0.03+0.013+0.45+0.44+0.14+0.43大洋壳深部玄武岩(达500m)-0.52-0.082-0.26+0.09+2.69+2.42+1.37+2.73大洋中脊翼部玄武岩-0.2-0.47-0.11+0.22+5.12+3.7+4.23+1.1大洋中脊轴部玄武岩-0.87-1.3+1.87-0.490-111-20.5-46总计-1.60-1.90+1.47-0.17+8.26-104.54-14.76-41.74河流通量-1.99-4.88-1.33-0.74-47.0-9.4-3.2-137.3基底通量占河流通量百分比%80.438.9110.52317.6111246130.4

海底岩石与海水之间元素通量的估计

注：其中正号表示海水输出进入玄武岩，负号表示输入到海水。转引自赵其渊等(1989)。通量:物质输入和输出的量第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出海－气交换第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学2.海洋物质的输出输入1）海洋物质的输出delaRocha（2003）第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学3.影响海水组成的因素

河流注入：

生物过程（浅部低、深部高）：生物吸收，光合作用；

吸附过程：悬浮在海水中得粘土矿物、铁和锰氧化物、腐殖质下沉；

海－气交换过程：挥发性气体，如B、N；

热液过程：局部影响、热泉附件深海底海水成分变化；

海水－沉积物交换过程：海洋沉积物的间隙水中，Ba、Mn和Cu等浓度高于上覆海水，产生扩散，深海底随深度加大，其浓度增高；

溶解度的影响：CCSD；

氧化－还原：SO42-被还原成H2S，使得SO42-/Cl降低。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间

海水中元素的滞留时间：τ=A/(dA/dt)A：某元素的总量；dA/dt：该元素输入和从海水输出的速率。

元素的滞留时间可认为是该元素在海水中发生化学反应的能力。滞留时间短：反应快，易输出、溶解度低。滞留时间长：为稳态。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间Brocker（1971）测定了某些重要元素在海水中的滞留时间：（1）水在海洋表面：约100年；（2）水在海洋深处：约1000年；（3）CO32-在海水中：约1万年；（4）C、P、Si等在海水中：约10万年；（5）Ca和O2在海水和大气中：约100万年；（6）K、Mg在海水中：约1000万年；（7）N、S、Cl等在海水中：约1亿年。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间元

素含量（mol）含量（mg•L-1）存在形式滞留时间(a)Na0.4681.077×104Na+6.8×107Mg5.32×10-21.29×103Mg2+1.2×107Al7.4×10-82×10-3Al(OH)4-1.0×102Si7.1×10-52Si(OH)41.8×104P2×10-66×10-2HPO42-,MgPO4-1.8×105S2.82×10-29.05×102SO42-,NaSO4-Cl0.5461.94×104Cl-1×108Ar1.1×10-50.43ArK1.02×10-23.8×102K+7×106Ca1.03×10-24.12×102Ca2+1×106Sc1.3×10-116×10-7Sc(OH)34×104Ti2×10-81×10-3Sc(OH)41.3×104海水的元素丰度和滞留时间注：引自PaulHenderson，1982第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间的意义Taylor&McLennan(1985)andMcLennan(2003)A.溶解性元素：其logKySW>-2.5,logτy>6,在海水中均匀分布，有上百万年的滞留时间；Cs,Rb,Ba,K;Sr

B.不溶解性元素：其logKySW<-4,logτy<3,

在海水中的含量极低，且滞留时间很短，通常小于海水的均匀混合时间；变价元素：Fe，Mn；亲铜元素：Fe，Pb；Cr在黑色页岩中富集；Zr、Hf和Sn重矿物分选。REE、Y、Th、Nb、Sc、Co、Ni等很少受沉积分异的影响－Provenance

C.中等不溶解元素：V易在黑色页岩中富集,复杂，在利用其进行源区性质判别时要小心。Al、Fe、Cr在海水PH条件下易水解。

N、P、Si、C、Ba、Ra等受生物作用影响。第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间Thecompositionandrelativeimportanceofinputsvarieswithtime,soseawatercompositioncanvarysomewhatalso.Example:Historyof87Sr/86SrofseawaterControlledbybalancebetweenhydrothermalinput(mantleisotoperatios~.702)andcontinentalweathering(radiogenicisotoperatios~.710)第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学4.海水中元素的滞留时间及其意义1）海水中元素的滞留时间Taylor&McLennan(1985)andMcLennan(2003)Forpaleoredoxapplications,elementshavingmultiplestableisotopestypicallyfallintooneoftwocategories,dependingontheabundanceandresidencetimeoftheelementintheoceanandconsequentlyitsconservativeornonconservativebehavior:(1)elementswithrelativelyhighdissolvedconcentration,longresidencetimeandconservativebehavior(i.e.theirdissolvedconcentrationsarenotchangedsignificantlybychemicalorbiologicalreactionsintheocean)provideinformationaboutredoxbehavioronwhole-basinorevenglobalscales;Mo,UandTlisotope(2)elementswithlowdissolvedconcentration,nonconservativebehavior(i.e.theirdissolvedconcentrationsarechangedsignificantlybybiologicalandchemicalreactionsintheocean),andshortresidencetimerelativetoocean-mixingtimesaremostusefulastracersoflocalredoxconditions.Fe,Cu,Zn,CdandCr第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学5.海水中元素的分类EmersonandHedges(2008)1）

Conservativeelementsvaryexactlylikesalinity,i.e.onlybydilutionandconcentration（沉淀、蒸发）.Inprincipletherearenosinks.Inprincipletheresidencetimeisinfinite.2）

Bioactive（Nutrient）elementsareessentialforlifeandarestrippedefficientlyoutofshallowwaterswhereproductivityishigh,thenregeneratedatdepthbyrespiration（呼吸）ordecayoffallingorganicmatter.Theresidencetimeintheshallowoceanisveryshortbutinthewholeoceanislong.3）

（Adsorbed）Scavengedelementsaresuppliedatthesurfacebutarereadilyadsorbedontoparticlesandremovedbysedimentation.Theresidencetimeisshort.第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学6.海洋的起源和演化海盆海水第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球化学6.海洋的起源和演化第五章海洋和大气圈地球化学一、海洋地球