第四章 海水的化學(xué)組成與特性

第四章海水的化學(xué)組成與特性第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三海洋資源１海底礦產(chǎn)資源：錳結(jié)核、磷礦、砂礦、熱液礦2海水及海水化學(xué)資源：海鹽、溴、碘、鉀、鎂、鈾、重水3海洋能資源4海洋空間資源5海洋生物資源：第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三1海水的化學(xué)組成主要成分：Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Sr2+,Cl-,SO42-,Br-,HCO3-,F-,H3BO3。共占99.9%。又稱保守元素。氣體成分：O2,N2,惰性氣體營養(yǎng)元素：N、P、Si等，?植物活動(dòng)有機(jī)物質(zhì)：氨基酸、腐殖質(zhì)、葉綠素等第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三1.1海水主要成分1.1.1在海水中濃度大于1x10-6mg/kg的成分1.1.2表4-1注意：（1）元素含量較高的基本代表其在海水中的平均濃度，含量較低的難以代表其平均含量（2）元素含量高，還有一個(gè)原因：在海水中逗留時(shí)間長（3）元素的主要存在形態(tài)！——決定元素在海水中的反應(yīng)第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三1.1.3元素在海水中的逗留時(shí)間*概念：如果要把海水中全部該元素置換出來所需的平均時(shí)間舉例：（１）海洋中水分子逗留時(shí)間：海水的總體積和河流的徑流量30，000年（２）海水中鈣的逗留時(shí)間：海水中鈣的總含量、河水?dāng)y鈣入海的通量800，000年第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三*影響元素含量及分布的原因：生物過程：動(dòng)植物生命活動(dòng)、死亡。營養(yǎng)元素吸附過程：粘土礦物、鐵和錳的氧化物、腐殖質(zhì)等顆粒在下沉過程中吸附某些元素，海氣交換：某些元素在表層濃度高，深層濃度降低。如Pb。熱液過程：1965年在紅海中央裂縫區(qū)域深達(dá)2000米的海水中，出現(xiàn)了熱鹽水，其最深處的溫度達(dá)到59.2C，其中微量元素的組成和一般海水有很大的差異；東太平洋的加拉帕戈斯裂縫，有海底熱泉噴射，向海水輸送了大量的各種元素，使東太平洋海隆和加拉帕戈斯裂縫附近的觀測站處，海水中溶解態(tài)的錳的總含量，明顯地隨深度的增加而升高。海水－沉積物界面交換過程：在海洋沉積物間隙水中，Ba、Mn、Cu等的濃度高于上覆的海水。這種差異，促使其從間隙水向上覆水中擴(kuò)散。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三1.2微量元素1.2.1在海水中濃度小于1x10-6mg/kg的成分1.2.2來源：陸地輸入（河流點(diǎn)源輸入和面源輸入）、大氣沉降、海底熱泉*1.2.3目前研究面臨的主要問題：分析測定1.2.4在海水中的存在形態(tài)：（1）弱酸在海水中的解離（2）變價(jià)元素在海水中的氧化還原平衡（3）微量元素在海水中的有機(jī)無機(jī)絡(luò)合物（4）生物合成的有機(jī)物（5）海水中的有機(jī)物及無機(jī)顆粒第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三1.3放射性元素來源：天然放射源：三大天然放射系宇宙射線與大氣元素或其他物質(zhì)作用的產(chǎn)物海洋中不成系的長壽命放射性核素人工放射源：核武器爆炸核動(dòng)力艦船和原子能工廠排放的放射性廢物高水平固體放射性廢物向海洋的投放放射性核素的應(yīng)用和事故第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三*1.4海洋化學(xué)污染物1.4.1海洋污染：直接或間接由人類向大洋和河口排放的各種廢物或廢液，引起人類生存環(huán)境和健康的危害，或者危及海洋生命的現(xiàn)象。1.4.2海洋化學(xué)污染物：（1）碳?xì)浠衔铮褐饕甘彤a(chǎn)生：運(yùn)輸中的泄漏；煉油廠廢油輸入海洋；海上事故；船用內(nèi)燃機(jī)燃料的不完全燃燒和郵輪壓艙水的排放防治：化學(xué)分散劑；化學(xué)凝油劑；引燃法；細(xì)菌分解法（2）海洋中的重金屬：汞，鉛，鎘（Cd），鉻（Cr），銅（3）合成有機(jī)化合物（含農(nóng)藥）：脂溶性，不斷富集（4）營養(yǎng)物質(zhì)：富營養(yǎng)化，水華，赤潮（5）放射性核素第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三“瘋貓?zhí)！?/p>

從1953年到1956年，在日本熊本縣水俁灣附近的小漁村，一向溫順的貓變得步態(tài)不穩(wěn)，抽筋麻痹，最后瘋狂地跳入水中溺水而死，當(dāng)時(shí)人們謂之“自殺貓”。人群中出現(xiàn)了大批口齒不清、步態(tài)不穩(wěn)、面部癡呆的患者，進(jìn)而發(fā)展為耳聾眼瞎，全身麻木，最后精神失常，他們時(shí)而酣睡不醒，時(shí)而興奮異常，身體彎曲成弓，高叫而死。

長期食用被污染的魚貝類引起的甲基汞慢性中毒。痛痛病”

日本又一怪病。初期，患者只是感到腰部和手足等處關(guān)節(jié)疼痛，后來又發(fā)展為神經(jīng)痛、及至骨骼軟化、萎縮、自然骨折、在劇痛難忍中喪生。對(duì)死者進(jìn)行尸體解剖發(fā)現(xiàn)，他們?nèi)矶嗵幑钦?，有的竟達(dá)到73處，身高也縮短了幾十厘米。這種病因不明的疾患，就被稱為“痛痛病”。

當(dāng)?shù)鼐用耖L期飲用被鎘金屬污染的河水和食用此水灌溉的含鎘稻米。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三拿破侖之死和自貢恐龍絕滅之謎

法蘭西第一帝國君主拿破侖于1821年在圣赫勒拿島死去。結(jié)果發(fā)現(xiàn)拿破侖的頭發(fā)里砷的含量比正常人高出40倍，而圣赫勒拿島上的食用水中含有較多的砷。死于慢性砷中毒。

無獨(dú)有偶，近年來我國科學(xué)家在研究國內(nèi)外罕見的十分壯觀的我國四川省自貢市恐龍遺址時(shí)，發(fā)現(xiàn)這里大量石化了的恐龍骨骼與殘骸重重堆積的奇異景象竟同樣是由微量元素砷所造成的。女兒國之謎

曾在廣東某一山區(qū)的村寨里，數(shù)年前連續(xù)出生的盡是女孩，有位風(fēng)水先生開言道：“地質(zhì)隊(duì)在后龍山尋礦，把龍脈破壞了”原來是在探礦的時(shí)候，鉆機(jī)把地下含鈹?shù)娜顺鰜?，擴(kuò)散了鈹?shù)奈廴荆癸嬘盟拟敽看鬄樯?，長時(shí)間飲用這種水，而導(dǎo)致了生女不生男。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三放射性核素危害：20世紀(jì)50年代中期完成的《征服者》到了80年代初，原劇組220人中竟有91人患上了癌癥，其中有46人離開了人世。他們用圣喬治沙漠的沙子布置內(nèi)景，而在圣喬治沙漠200千米以外的內(nèi)華達(dá)州，有個(gè)美國原子彈試驗(yàn)基地，騰空而起的蘑菇云，將放射性物質(zhì)四處擴(kuò)散，嚴(yán)重污染了，才導(dǎo)致了眾影星罹難的慘劇。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三2海水中的二氧化碳系統(tǒng)重要性：海水中二氧化碳系統(tǒng)是維持海水有恒定酸度的重要原因。海水的緩沖能力主要受二氧化碳的控制。2.1海水的PH值約為8.1，其值變化很小，有利于海洋生物的生長弱堿性有利于海洋生物利用碳酸鈣組成介殼海水中的二氧化碳含量足以滿足海洋生物光合作用的需要海水中二氧化碳含量高的原因：與水有反應(yīng)2.2二氧化碳的分布隨深度增加而濃度增大：表層因?yàn)樵孱惞夂献饔枚伙柡蜕顚佑袡C(jī)物分解，溶解度隨壓力增加而增加第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三2.3影響海水吸收二氧化碳的因素：海水的靜態(tài)容量，達(dá)到平衡后海水中的二氧化碳含量增加多少，熱力學(xué)問題大氣海洋之間二氧化碳交換速度有多快海水鉛直混合速率第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三3海氣界面的氣體交換溶解度：取決于氣體的性質(zhì)，氣體的分壓、海水的溫度和鹽度氣體在大氣和海洋之間的交換，取決于：氣體在兩者之間的分壓差.若氣相分壓P‘G>液相分壓PG,由大氣進(jìn)入海洋;若氣相分壓P‘G<液相分壓PG,由海洋進(jìn)入大氣.海面狀況等,如風(fēng)速。擴(kuò)散系數(shù)與風(fēng)速的平方成正比氣體種類：相同分壓情況下，氧氣的交換速率比氮?dú)饪煲槐稖囟龋簭?度到25度，擴(kuò)散系數(shù)大致增加2倍第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三3.1氧氣溶解氧的補(bǔ)償深度：從海水的一個(gè)水柱看來看，光合作用的強(qiáng)弱取決與光線的強(qiáng)弱，在近表層光合作用大于呼吸作用，隨著深度的增加，光合作用減弱，呼吸作用增強(qiáng)，在某一個(gè)深度下，溶解氧的生產(chǎn)量恰好等于消耗量時(shí)，該深度稱為溶解氧的補(bǔ)償深度生化需氧量（BOD）:在需氧條件下水中有機(jī)物由于微生物的作用所消耗氧氣的量?；瘜W(xué)需氧量（COD）以上可以反映水體受有機(jī)物污染的情況第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三3.2含硫氣體和甲烷海水中硫的主要存在形式是二甲基硫（DMS），是一種負(fù)溫室氣體原因：硫化氫具有較強(qiáng)還原性，在天然海水中往往會(huì)以重金屬硫化物形式沉入海底，而在海水中不占主要成分二硫化碳水溶性較差海洋浮游植物活動(dòng)中的代謝產(chǎn)物二甲亞砜DMSP，在酶的催化下分解得到DMS甲烷：缺氧水中較多，細(xì)菌可以把一氧化碳和二氧化碳還原為甲烷含量最高值在南極輻聚區(qū)，隨深度增加而降低第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三氮和惰性氣體氫氣：表層海水中處于飽和狀態(tài)，因?yàn)槲⑸锏膯栴}。一氧化二氮：發(fā)現(xiàn)在高緯度處于不飽和狀態(tài)，在中低緯度處于飽和狀態(tài)惰性氣體：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在水體中不參加化學(xué)反應(yīng)?？赏ㄟ^其在海水中的分布了解海水的物理過程第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三4營養(yǎng)元素植物營養(yǎng)素：海水中由氮磷硅等元素組成的某些鹽類，是海洋植物生長必需的營養(yǎng)鹽。又稱為微量營養(yǎng)鹽，痕量營養(yǎng)素，生物制約元素。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三4.1氮主要存在形式：溶解氮（N2），無機(jī)氮化物、有機(jī)氮化合物等多種形式循環(huán)：圖4-19生物固氮作用氮的同化作用硝化作用硝酸鹽的還原作用氨化作用反硝化作用第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期三4.2磷主要存在形式：溶解無機(jī)磷酸鹽：HPO42-，PO43-顆粒態(tài)無機(jī)磷酸鹽：磷酸鹽礦物存在于海水懸浮物和海洋沉積物，豐度最大的是磷灰石顆粒有機(jī)磷化合物：指生物有機(jī)體內(nèi)、有機(jī)碎屑中所含的磷溶解有機(jī)磷化合物循環(huán)：圖4-20富含營養(yǎng)鹽的上升流，真光層磷酸鹽的主要來源在真光層，磷酸鹽通過光合作用進(jìn)入生物體，并向下沉降下沉的生物顆粒在底層或淺水沉積物中被分解，所產(chǎn)生的磷酸鹽直接返回真光層，再次被生物利用在表層未被分解的部分顆粒沉降至深層，其中大部分在此被分解，參加再循環(huán)。表層和深層海水之間存在的緩慢磷交換作用少部分在底層未被分解的進(jìn)入海底沉積物，經(jīng)過漫長的地質(zhì)過程返回陸地，參加新一輪的磷循環(huán)第