第八讲海水的化学组成与特征

第八讲海水的化学组成与特征

海洋资源 • １海底矿产资源：锰结核、磷矿、砂矿、热液矿 • 2 海水及海水化学资源：海盐、溴、碘、钾、镁、铀、重水 • 3 海洋能资源 • 4 海洋空间资源 • 5 海洋生物资源：

1 海水的化学组成 • 主要成分：Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Sr2+,Cl-,SO42-,Br-,HCO3-,F-,H3BO3。共占99.9% 。又称保守元素。 • 气体成分：O2,N2,惰性气体 • 营养元素：N、P、Si等，↔植物活动 • 有机物质：氨基酸、腐殖质、叶绿素等

1.1 海水主要成分 • 1.1.1在海水中浓度大于1x10-6mg/kg的成分 • 1.1.2表4-1 • 注意： • （1）元素含量较高的基本代表其在海水中的平均浓度，含量较低的难以代表其平均含量 • （2）元素含量高，还有一个原因：在海水中逗留时间长 • （3）元素的主要存在形态！——决定元素在海水中的反应

1.1.3元素在海水中的逗留时间 • *概念：如果要把海水中全部该元素置换出来所需的平均时间 • 举例： • （１）海洋中水分子逗留时间：海水的总体积和河流的径流量 • 30，000年 • （２）海水中钙的逗留时间：海水中钙的总含量、河水携钙入海的通量 • 800，000年

*影响元素含量及分布的原因： • 生物过程：动植物生命活动、死亡。营养元素 • 吸附过程：粘土矿物、铁和锰的氧化物、腐殖质等颗粒在下沉过程中吸附某些元素， • 海气交换：某些元素在表层浓度高，深层浓度降低。如Pb。 • 热液过程：1965年在红海中央裂缝区域深达2000米的海水中，出现了热盐水，其最深处的温度达到59.2 C，其中微量元素的组成和一般海水有很大的差异；东太平洋的加拉帕戈斯裂缝，有海底热泉喷射，向海水输送了大量的各种元素，使东太平洋海隆和加拉帕戈斯裂缝附近的观测站处，海水中溶解态的锰的总含量，明显地随深度的增加而升高。 • 海水－沉积物界面交换过程：在海洋沉积物间隙水中，Ba、Mn、Cu等的浓度高于上覆的海水。这种差异，促使其从间隙水向上覆水中扩散。

1.2 微量元素 • 1.2.1在海水中浓度小于1x10-6mg/kg的成分 • 1.2.2来源：陆地输入（河流点源输入和面源输入）、大气沉降、海底热泉 • *1.2.3目前研究面临的主要问题：分析测定 • 1.2.4在海水中的存在形态： • （1）弱酸在海水中的解离 • （2）变价元素在海水中的氧化还原平衡 • （3）微量元素在海水中的有机无机络合物 • （4）生物合成的有机物 • （5）海水中的有机物及无机颗粒

1.3 放射性元素 • 来源：天然放射源： • 三大天然放射系 • 宇宙射线与大气元素或其他物质作用的产物 • 海洋中不成系的长寿命放射性核素人工放射源： • 核武器爆炸 • 核动力舰船和原子能工厂排放的放射性废物 • 高水平固体放射性废物向海洋的投放 • 放射性核素的应用和事故

*1.4 海洋化学污染物 • 1.4.1海洋污染：直接或间接由人类向大洋和河口排放的各种废物或废液，引起人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命的现象。 • 1.4.2海洋化学污染物： • （1）碳氢化合物：主要指石油 • 产生：运输中的泄漏；炼油厂废油输入海洋；海上事故；船用内燃机燃料的不完全燃烧和邮轮压舱水的排放 • 防治：化学分散剂；化学凝油剂；引燃法；细菌分解法 • （2）海洋中的重金属：汞，铅，镉（Cd），铬（Cr），铜 • （3）合成有机化合物（含农药）：脂溶性，不断富集 • （4）营养物质：富营养化，水华，赤潮 • （5）放射性核素

“疯猫跳海” • 从1953年到1956年，在日本熊本县水俣湾附近的小渔村，一向温顺的猫变得步态不稳，抽筋麻痹，最后疯狂地跳入水中溺水而死，当时人们谓之“自杀猫”。 • 人群中出现了大批口齿不清、步态不稳、面部痴呆的患者，进而发展为耳聋眼瞎，全身麻木，最后精神失常，他们时而酣睡不醒，时而兴奋异常，身体弯曲成弓，高叫而死。 • 长期食用被污染的鱼贝类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处关节疼痛，后来又发展为神经痛、及至骨骼软化、萎缩、自然骨折、在剧痛难忍中丧生。对死者进行尸体解剖发现，他们全身多处骨折，有的竟达到73处，身高也缩短了几十厘米。这种病因不明的疾患，就被称为“痛痛病”。 • 当地居民长期饮用被镉金属污染的河水和食用此水灌溉的含镉稻米。

拿破仑之死和自贡恐龙绝灭之谜 • 法兰西第一帝国君主拿破仑于1821年在圣赫勒拿岛死去。 • 结果发现拿破仑的头发里砷的含量比正常人高出40倍，而圣赫勒拿岛上的食用水中含有较多的砷。死于慢性砷中毒。 • 无独有偶，近年来我国科学家在研究国内外罕见的十分壮观的我国四川省自贡市恐龙遗址时，发现这里大量石化了的恐龙骨骼与残骸重重堆积的奇异景象竟同样是由微量元素砷所造成的。女儿国之谜 • 曾在广东某一山区的村寨里，数年前连续出生的尽是女孩，有位风水先生开言道：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了” 原来是在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为升高，长时间饮用这种水，而导致了生女不生男。

放射性核素危害：20世纪50年代中期完成的《征服者》到了80年代初，原剧组220人中竟有91人患上了癌症，其中有46人离开了人世。 他们用圣乔治沙漠的沙子布置内景，而在圣乔治沙漠200千米以外的内华达州，有个美国原子弹试验基地，腾空而起的蘑菇云，将放射性物质四处扩散，严重污染了，才导致了众影星罹难的惨剧。

2 海水中的二氧化碳系统 重要性：海水中二氧化碳系统是维持海水有恒定酸度的重要原因。海水的缓冲能力主要受二氧化碳的控制。 2.1海水的PH值 • 约为8.1，其值变化很小，有利于海洋生物的生长 • 弱碱性有利于海洋生物利用碳酸钙组成介壳 • 海水中的二氧化碳含量足以满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：与水有反应 2.2二氧化碳的分布随深度增加而浓度增大： • 表层因为藻类光合作用而不饱和 • 深层有机物分解，溶解度随压力增加而增加

2.3 影响海水吸收二氧化碳的因素： • 海水的静态容量，达到平衡后海水中的二氧化碳含量增加多少，热力学问题 • 大气海洋之间二氧化碳交换速度有多快 • 海水铅直混合速率

3 海气界面的气体交换 溶解度：取决于气体的性质，气体的分压、海水的温度和盐度气体在大气和海洋之间的交换，取决于： • 气体在两者之间的分压差.若气相分压P‘G>液相分压PG,由大气进入海洋;若气相分压P‘G<液相分压PG,由海洋进入大气. • 海面状况等,如风速。扩散系数与风速的平方成正比 • 气体种类：相同分压情况下，氧气的交换速率比氮气快一倍 • 温度：从5度到25度，扩散系数大致增加2倍

3.1 氧气 • 溶解氧的补偿深度：从海水的一个水柱看来看，光合作用的强弱取决与光线的强弱，在近表层光合作用大于呼吸作用，随着深度的增加，光合作用减弱，呼吸作用增强，在某一个深度下，溶解氧的生产量恰好等于消耗量时，该深度称为溶解氧的补偿深度 • 生化需氧量（BOD）:在需氧条件下水中有机物由于微生物的作用所消耗氧气的量。 • 化学需氧量（COD） • 以上可以反映水体受有机物污染的情况

3.2 含硫气体和甲烷 海水中硫的主要存在形式是二甲基硫（DMS），是一种负温室气体 • 原因：硫化氢具有较强还原性，在天然海水中往往会以重金属硫化物形式沉入海底，而在海水中不占主要成分 • 二硫化碳水溶性较差 • 海洋浮游植物活动中的代谢产物二甲亚砜DMSP，在酶的催化下分解得到DMS 甲烷： • 缺氧水中较多，细菌可以把一氧化碳和二氧化碳还原为甲烷 • 含量最高值在南极辐聚区，随深度增加而降低

氮和惰性气体 • 氢气：表层海水中处于饱和状态，因为微生物的问题。 • 一氧化二氮：发现在高纬度处于不饱和状态，在中低纬度处于饱和状态 • 惰性气体：化学性质稳定，在水体中不参加化学反应。可通过其在海水中的分布了解海水的物理过程

4 营养元素 • 植物营养素：海水中由氮磷硅等元素组成的某些盐类，是海洋植物生长必需的营养盐。又称为微量营养盐，痕量营养素，生物制约元素。

4.1 氮 主要存在形式：溶解氮（N2），无机氮化物、有机氮化合物等多种形式循环：图4-19 • 生物固氮作用 • 氮的同化作用 • 硝化作用 • 硝酸盐的还原作用 • 氨化作用 • 反硝化作用

4.2 磷 主要存在形式： • 溶解无机磷酸盐：HPO42-，PO43- • 颗粒态无机磷酸盐：磷酸盐矿物存在于海水悬浮物和海洋沉积物，丰度最大的是磷灰石 • 颗粒有机磷化合物：指生物有机体内、有机碎屑中所含的磷 • 溶解有机磷化合物循环：图4-20 • 富含营养盐的上升流，真光层磷酸盐的主要来源 • 在真光层，磷酸盐通过光合作用进入生物体，并向下沉降 • 下沉的生物颗粒在底层或浅水沉积物中被分解，所产生的磷酸盐直接返回真光层，再次被生物利用 • 在表层未被分解的部分颗粒沉降至深层，其中大部分在此被分解，参加再循环。 • 表层和深层海水之间存在的缓慢磷交换作用 • 少部分在底层未被分解的进入海底沉积物，经过漫长的地质过程返回陆地，参加新一轮的磷循环

4.3 硅 • 主要存在形式：溶解硅酸盐和悬浮二氧化硅 • 循环： • 春季：因浮游植物繁殖而被吸收，海水中的硅被消耗。 • 夏、秋季：植物生长缓慢，海水中的硅有所回升 • 冬季：生物死亡，其残体缓慢下沉，随着深层回升压力增加，有利于硅酸盐的再溶解作用，又缓慢释放出部分溶解硅。 • 最后，未溶解的硅下沉到海底，加入硅质沉积中，经过漫长的地质年代，重新通过地址循环进入海洋。

第八讲 海水的化学组成与特征