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海洋地球化学

[拼音]:haiyang diqiu huaxue

[外文]:marine geochemistry

研究海洋中化学物质的含量、分布、形态、转移和通量的学科。它是地球化学中以海洋为主体的一个分支,也是化学海洋学的主体。

简史

地球化学,主要研究地球的岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的各种化学元素含量(又称丰度)的分布。研究初期比较著名的代表人物有美国的F.W.克拉克和挪威的V.M.戈德施米特等。50年代以来,C.B.布鲁耶维奇、А.Л.维诺格拉多夫、E.D.戈德堡等在海洋地球化学研究方面作了大量工作。

研究对象

海洋地球化学的研究对象较广泛,包括:

(1)主要溶解成分,②溶解气体,③微量元素,④有机物,⑤核素,⑥悬浮物,⑦热泉物质,⑧沉积物间隙水。

主要溶解成分

海水中含有11种主要溶解成分,其中有钠、镁、钙、钾和锶等 5种阳离子,氯根、硫酸根、碳酸氢根(包括碳酸根)、溴根和氟根等5种阴离子,还有硼酸分子,它们占海水中溶质总量的99.9%以上,各主要溶解成分含量,有一定的比例关系(见海水主要溶解成分)。

溶解气体

海洋和大气有辽阔的交界面,它们之间存在各种物质交换。因此,大气层中的各种气体,不断溶入海水;海水中的溶解气体(见海水溶解气体,则不断逸出而进入大气。这些气体溶入或逸出海水的速率,受到富集于海洋表面的某些表面活性物质所构成的微表层的影响(见气体在海洋与大气间的交换)。研究得比较多的溶解气体,有氧(见海水溶解氧)、二氧化碳(见海水二氧化碳系统)、氡-222、碳-14等。

微量元素

海洋中的微量元素,如氮、磷、硅和铁、铝、锰等。前三者属营养元素(见海水营养盐),其余的微量元素在海水中的溶解态浓度虽低,有些却是无机悬浮颗粒中除硅以外的主要成分。还有一些有经济价值或与生态平衡和环境保护有关的微量元素,如铜、铅、锌、镉、铬、铀等(见海水微量元素)。

有机物

海水中有机化合物的浓度虽然不大,但是种类很多(见海水有机物),它们对重金属在海水中的存在形式,对海水微表层性质和悬浮颗粒表面性质,对海洋中的生物活动,对海水和海底沉积物的氧化还原状态等,都有直接影响。此外,对海洋中的元素或成分的分布、迁移和通量等海洋地球化学过程也有重要的作用。

核素

包括稳定核素和放射性核素两种。利用同一元素的稳定同位素在不同自然条件下的比值的差异,或者利用海洋中某些放射性核素的含量作为指标,可以研究各种海洋过程,判别海洋中某些物质的来源和年龄(见海洋中放射性核素、核素在海洋学中的应用)。

悬浮物

海洋中的悬浮物,在河口区水中的含量较大,在大洋海水中的含量小。它们在海洋物质的迁移中起了相当大的作用。除悬浮颗粒本身的机械搬运外,水中的沉淀析出,悬浮物的分解或溶解,颗粒的絮凝,尤其是这些微小颗粒表面对海水中的化学组分的吸附,颗粒结构的转化等过程,大部分在固态颗粒的表面进行,属于微小尺度的表面化学问题(见海水中的悬浮物)。当悬浮颗粒沉降到海底时,就逐渐形成海底沉积层,进行成岩过程。

热泉物质

从海底某些地方喷出的热泉,含有许多金属的硫化物等,这也是海洋地球化学的研究对象(见海底热泉)。

沉积物间隙水

它的化学组成与海水不同,对上覆水和沉积物的化学组分起着重要的化学交换作用,与沉积物的成岩作用有密切关系(见海洋沉积物间隙水)。

主要研究内容

包括以下两方面:

(1)元素或化学组分在海洋中的分布、迁移和通量。元素或化学组分在海洋各处的含量分布不同,除了受海水的盐度或氯度(见海水盐度、海水氯度)的影响外,主要还受海-气界面、 河水-海水界面和海水-海底沉积层界面的物质交换的影响。这些影响,通过物质在海水中的迁移,逐渐传给邻近的海域。因此,要研究海洋中的物质分布,就必须研究物质的迁移过程和通量,研究某元素或某化学组分在某海区和海洋中的收支平衡。从这些通量和收支平衡出发,可以配合海洋物理学、海洋地质学和海洋生物学,研究水团的运动和混合、海-气交换与气候的关系、泥沙的运动与堆积、海洋生物生产力等问题。

(2)元素或化学组分在海水中的存在形式。一种元素在海水介质中,往往不是以单一的化学形式出现,例如二价铜在海水中不仅以自由铜离子存在,且可形成各种无机络合物和有机络合物;在一定的氧化还原条件下,有些元素以两种以上的价态同时存在,如Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)及它们的络合态。海水中的正负离子,还有一部分缔合成离子对,如MgSO孇、MgCO嬿、NaCO婣、NaSO嬄等。存在形式不同,所起的化学效应也不同。例如有机络合的铜离子对生物的毒性,比自由铜离子低。

与邻近学科的关系

在海洋地球化学的研究中,所用的理论方法基本上来自海洋物理化学;所用的分析方法,来自海水分析化学。在研究海水中的悬浮物时,往往要涉及河口化学的内容;在研究有机物时,又与海洋有机化学交织在一起。这些学科同属于化学海洋学,它们之间有着密切的联系。

发展趋势

在海洋地球化学的研究中,越来越注重核素、微量元素和有机物的研究,并已形成海洋核素化学、海洋微量元素化学和海洋有机化学这三个新的分支。另外在海洋生物化学与海洋地球化学之间,已萌发出一门崭新的学科──海洋生物地球化学,它既是海洋生物化学的一个分支,又是海洋地球化学的一个分支。它研究海洋生物的活动与海洋中化学物质的地球化学过程的关系。

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