2025年大学《地球化学》专业题库- 海洋地球化學特徵及演變

2025年大学《地球化学》专业题库——海洋地球化學特徵及演變考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.海水中溶解氧的主要来源是：A.化学沉淀作用B.生物光合作用C.大气降水溶解D.沉积物中有机质分解2.下列哪个元素对海水的盐度贡献最大？A.钙(Ca)B.镁(Mg)C.钠(Na)D.钾(K)3.标准海水的平均盐度通常定义为：A.35ppt(partsperthousand)B.3.5wt%(weightpercent)C.5pptD.35wt%4.海水pH值主要受哪个因素的影响最为显著？A.溶解氧含量B.碳酸钙饱和度C.氯离子浓度D.海水温度5.海洋沉积物中的碎屑组分主要来源于：A.生物骨骼和shellsB.风化作用产生的陆源物质C.海水化学沉淀D.生物活动产生的有机物6.海洋生物泵的主要作用是将表层海水的：A.氮气转化为有机氮B.碳酸盐沉淀为沉积物C.碳以有机碳形式向深海或沉积物输送D.硅酸盐转化为生物硅7.在海洋沉积物中，`Ba`元素的含量通常较高，这主要是由于：A.Ba在海水中的溶解度很大B.Ba是海洋生物的重要组成元素C.陆源输入中Ba的富集D.Ba容易在缺氧环境下沉淀8.利用沉积物中有机质的碳同位素(`δ¹³C`)值可以推断：A.沉积物的年代B.沉积时的古盐度C.表层水的初级生产力水平D.沉积物的来源区域9.`¹⁴C`同位素在海洋中的主要来源是：A.沉积物中的放射性元素衰变B.海洋生物的呼吸作用C.大气中宇宙射线与氮气作用产生D.陆源河流输入10.海水碱度(Alkalinity)的主要贡献者包括：A.HCO₃⁻,CO₃²⁻,OH⁻B.Na⁺,K⁺,Mg²⁺C.Cl⁻,Br⁻,SO₄²⁻D.Ca²⁺,Sr²⁺,Ba²⁺二、填空题1.海水的主要离子组成中，含量最高的阳离子是________，最高的阴离子是________。2.海水中的碳循环中，光合作用主要消耗________，主要产生________。3.沉积物中，由生物活动形成的组分通常被称为________。4.影响海洋沉积物中元素分布的两个主要过程是________和________。5.根据沉积物中________的地球化学特征，可以重建古海洋的温度和古盐度。6.海洋酸化是指大气中CO₂浓度升高导致________下降的现象。7.生物泵将碳从海洋表层输送到深部的主要机制包括________和________。8.放射性同位素________常被用于估算海洋水体的年龄或混合程度。9.海水中的微量元素通常可以分为________和________两大类。10.海洋沉积物的物理化学性质，如氧化还原条件、pH等，会显著影响其中________的分布和保存。三、简答题1.简述海水中盐度的概念及其主要控制因素。2.解释什么是海洋化学平衡，并举例说明其在海水化学组成维持中的作用。3.简述海洋生物泵的基本过程及其对全球碳循环的意义。4.说明利用沉积物中微量元素比值进行沉积环境判别的原理。四、计算题1.已知某海域表层海水的pH为8.1，总碱度为2200μeq/L(毫当量/升)。假设海水中主要碱度组分为HCO₃⁻,CO₃²⁻,OH⁻，且[H⁺]=10⁻⁸.¹mol/L。计算该海域表层海水中大约的[HCO₃⁻]和[CO₃²⁻]浓度(单位:mol/L)。提示:可利用总碱度公式和质子条件方程进行计算。2.某研究者测定了两个不同沉积物样品中的`Ba/Al`比值，分别为0.8和1.2。已知该沉积物物源区`Ba/Al`比值为0.5，海水中`Ba/Al`比值为0.03。假设沉积过程中物理搬运和分选作用对`Al`的影响大于`Ba`，且沉积物形成于正常海条件。请简述这两个样品的沉积环境可能存在什么差异，并解释原因。五、论述题论述海洋沉积物中稳定同位素(`δ¹³C`和`δ¹⁵N`)的分馏机制及其在重建古海洋环境、研究海洋生物地球化学循环中的应用。试卷答案1.B2.C3.A4.B5.B6.C7.C8.C9.C10.A1.Na⁺,Cl⁻2.CO₂,O₂3.生物成因组分(或Biogeniccomponents/sediments)4.物理风化/碎解,化学沉淀/溶解5.稳定同位素(或δ¹³C,δ¹⁵N)6.海水pH(或海水碳酸盐系统稳定性)7.生物泵(或生物uptakeandexport),沉积作用(或Sedimentation)8.¹⁴C9.活性(或Mobile),惰性(或Inert)10.有机质(或Organicmatter)1.海水盐度是指海水中溶解盐类的总浓度，通常用ppt(千分之几)或g/kg表示。其主要控制因素包括：①陆地径流输入的盐类物质；②大气降水（含溶解气体和少量盐类）的淋溶；③海水蒸发使盐类浓缩；④海水与大气之间的气体交换（如CO₂）；⑤洋流运动导致的盐度分布和输送。2.海洋化学平衡是指海水中各种化学物质（离子、分子、络合物、气体等）之间达到的动态平衡状态。在这种状态下，各种物质的浓度或分压遵循特定的平衡常数关系。化学平衡在维持海水化学组成相对稳定、控制元素在海洋不同圈层（水、气、生物、沉积物）之间的分配等方面起着关键作用。例如，碳酸钙的沉淀-溶解平衡控制着海水的碱度和钙离子浓度。3.海洋生物泵是指海洋生物（主要是浮游植物和细菌）将碳从海洋表层输送到深海或沉积物的过程。其基本过程包括：①生物光合作用吸收表层水中的CO₂，合成有机物；②部分有机物通过浮游动物摄食、细菌分解等途径向深层水或沉积物输送；③在深层或沉积物中，有机物被进一步分解或埋藏。生物泵对全球碳循环意义重大，它将大量碳从表层输送到远离大气交换的区域，减缓了大气CO₂的浓度上升速度。4.利用沉积物中微量元素比值进行沉积环境判别的原理是基于：不同沉积环境（如不同水团、不同沉积速率、不同生物群落）会导致沉积物中元素的来源、搬运、沉积和保存过程存在差异，从而使得某些微量元素的相对含量（比值）发生改变。通过测定沉积物中特征微量元素（指示矿物、水动力等）或指示矿物元素（反映水化学、生物地球化学过程）的比值，并与已知环境条件下的标准比值进行对比，可以推断沉积时的环境参数（如水化学类型、氧化还原条件、物源距离、水动力强度等）。1.解析思路：*首先，根据pH计算[H⁺]。pH=-log[H⁺]，所以[H⁺]=10⁻⁸.¹mol/L。*然后，利用总碱度公式：TA=[HCO₃⁻]+2[CO₃²⁻]+[OH⁻]-[H⁺]。这里假设[H⁺]<<[HCO₃⁻]和[CO₃²⁻]，且[OH⁻]<<[HCO₃⁻]和[CO₃²⁻]，则简化为：TA≈[HCO₃⁻]+2[CO₃²⁻]。*由于pH=8.1，溶液呈弱碱性，主要碱度组分是HCO₃⁻和CO₃²⁻，[OH⁻]可忽略。TA≈[HCO₃⁻]+2[CO₃²⁻]。*将[H⁺]代入，2200μeq/L=[HCO₃⁻]+2[CO₃²⁻](注意单位换算：1eq/L=10⁻³mol/L，所以2200μeq/L=2.2mmol/L)。*进一步简化假设：在弱碱性条件下，[HCO₃⁻]≈2[CO₃²⁻]。代入上式：2.2mmol/L≈[HCO₃⁻]+2(0.5[HCO₃⁻])=3[HCO₃⁻]。*解得：[HCO₃⁻]≈0.73mmol/L(约0.74mol/L)。然后[CO₃²⁻]≈0.5*[HCO₃⁻]≈0.37mmol/L(约0.37mol/L)。*注意：此计算基于简化假设，实际情况下需考虑所有组分及相互作用。2.解析思路：*比值`Ba/Al`是一个指示物源成分和搬运过程的指标。物源区`Ba/Al`比值(0.5)代表了输入沉积物的`Ba/Al`比率。*海水`Ba/Al`比值(0.03)很低，说明海水本身对`Ba`的贡献很小，而`Al`是风化壳中常见的元素，主要来自陆地。*沉积物中的`Ba`主要来源于陆源输入，而`Al`也是主要来自陆源输入。如果物理搬运和分选过程对`Al`的影响大于`Ba`（例如，风化产物中`Al`富集于易被搬运的颗粒，而`Ba`相对更易留在原地或与粘土矿物结合），则沉积物中的`Ba/Al`比值会高于物源区的比值。*样品1的`Ba/Al`比值(0.8)略高于物源区比值(0.5)。这表明该样品可能形成于物理搬运和分选作用相对较弱的环境，或者物源区本身`Ba/Al`就略高于平均水平，或者表层海水对`Ba`的吸附/浓缩作用有轻微贡献。*样品2的`Ba/Al`比值(1.2)显著高于物源区比值(0.5)。这表明该样品形成环境物理风化/碎解和搬运作用更强，导致沉积物中`Al`相对亏损更多，或者存在其他能显著增加`Ba`含量而影响较小的过程（如局部火山活动贡献的`Ba`，但题目未提及）。综合来看，样品2可能形成于水动力条件更强、物理搬运作用更显著的环境。1.解析思路：*`δ¹³C`分馏机制与应用：*分馏：在海洋碳循环中，光合作用是主要的碳固定过程。浮游植物利用`CO₂`(δ¹³C≈-7‰)进行光合作用，合成有机物(δ¹³C≈+4‰至+6‰，取决于营养盐限制等)。这意味着光合作用过程从水中“富集”了较轻的碳同位素`¹²C`，导致剩余的`CO₂`(如溶解在表层水中)的`δ¹³C`值升高（变得更正）。生物呼吸作用分解有机物，释放`CO₂`(δ¹³C≈-6‰至-20‰)，相当于“稀释”了水中的`CO₂`，使其`δ¹³C`值降低（变得更负）。其他过程如化能合成、碳酸钙沉淀（取决于水化学条件）等也涉及`δ¹³C`分馏。*应用：表层水的`δ¹³C`值主要反映了初级生产力的强度。`δ¹³C`值越负，通常意味着表层水受到的初级生产力影响越大，吸收了更多的`CO₂`。通过沉积物记录（如钙质生物壳体、文石）中的`δ¹³C`值，可以重建古海洋表层水的`δ¹³C`值变化，进而反推古气候（如温度）、古生产力、海洋环流模式以及大气CO₂浓度等。*`δ¹⁵N`分馏机制与应用：*分馏：海洋中的氮循环涉及多种微生物过程。在缺氧环境下，反硝化细菌将有机氮或硝酸盐(`NO₃⁻`,δ¹⁵N≈+5‰)还原为氮气(`N₂`,δ¹⁵N≈0‰)。这个过程“富集”了较重的同位素`¹⁵N`在残留的含氮化合物中（如`NO₂⁻`可能有+10‰至+30‰）。在充足氧气的表层水体中，硝化细菌将氨(`NH₄⁺`,δ¹⁵N≈-3‰)氧化为亚硝酸盐(`NO₂⁻`)再氧化为硝酸盐(`NO₃⁻`)(整个过程`δ¹⁵N`增加约4‰-5‰)。固氮作用将大气`N₂`