同位素海洋化学

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  同位素海洋化学汉语拼音:Tongweisu Haiyang Huaxue;英语:Isotope Marine Chemistry),研究海洋各储圈中同位素(或核素,包括天然放射性同位素、人工放射性同位素和稳定同位素)的来源、含量、分布、存在形式、迁移变化规律及其在海洋学中的应用。天然放射性同位素包括铀系、锕–铀系和钍系等天然三大放射系和与地球同时形成并独立存在的长寿命放射性同位素。人工放射性同位素是20世纪以来人类利用原子能和海上核试验大量核裂变产物等人工产生的放射性同位素。稳定同位素包括不能自发蜕变的核素和半衰期超过1015年的弱放射性核素。

研究简史

  1939年,E.C.弗因等测定了海水中的铀和钍的含量。20世纪40年代以来,核试验原子反应堆和核动力舰艇等的发展,使海洋环境出现放射性污染,这些核素入海后的迁移、扩散和归宿成了世人关注的焦点。但同时促使同位素测试技术的迅速发展和同位素化学在海洋学中应用的研究和发展。40~60年代,弗因、H.彼得松I.Ye.斯塔里克E.罗纳等用荧光法、同位素稀释法和质谱法测定了世界大洋海水中的铀和钍的含量。

  1954年美国太平洋比基尼岛进行核试验后,三宅泰雄等即跟踪海域放射性污染中心在太平洋的扩散和迁移,其成果反映在1978、1979、1990年出版的论文集中。1965年H.克雷格和1967年三宅泰雄等提倡将着眼于同位素或核素的研究领域,称为同位素海洋学或核海洋学。1980年美国E.D.戈德堡等提出同位素海洋化学。

  20多年来,同位素海洋化学已有了很大发展,尤其是在20世纪70年代前后的海洋断面地球化学研究计划(GEOSECS)、90年代的国际地圈–生物圈计划(IGBP)和全球海洋通量联合研究(JGOFS)等国际合作研究的实施等。此外,70~80年代,美籍华人李远辉和顾得隆等对天然核素的含量、逗留时间、年代学等问题进行了一系列的研究。

海洋中天然放射性核素

  由三部分组成的:

  1.天然放射系——铀系、锕–铀系和钍系。

  2.宇宙线与空间物质作用而生成的核素。

  3.长久以来独立存在于海洋中的其他天然放射性核素。这类核素是在地球形成时产生的,它们的显著特点是半衰期都很长。

海水中人工放射性核素

  海洋中不但存在人工裂变核素,而且还有感生放射性核素。这些人工放射性污染物,主要来源于核试验。自1945年美国第一次原子弹试验以来,世界各国进行了400多次大气层和海上核试验。海洋中人工放射性核素的放射性活度总量,估计可以达到1019贝可的数量级。

  核素在海洋中的存在形态和运动规律海洋中的核素以三种形态存在:离子态、胶态和颗粒态。它们在海水中的运动受水文因素(海流、扩散)、物理化学因素(吸附、沉淀等)和生物因素(吞食、吸收等)的影响而分布不同。

放射性核素在海洋学中的应用

  适用于下列各项问题的研究。

  海流示踪剂 海洋某处的海水中加入放射性物质,它们将随着海流而漂移。故可以用这些放射性核素作为海流的示踪剂,通过测定海水中的放射性活度,弄清楚放射性核素在海洋中的分布和变化,从而可了解海流的踪迹。如对比基尼放射性污染事件的调查中,了解了核裂变产物沿北赤道流向西漂移及一年后在日本沿海、黑潮区域内放射性活度最大,为高污染海域。

  溶质在海水中的涡动扩散 一些学者分别用氡–222、钍–234、镭–228、氚、碳–14、镭–226、锶–90、铯–137等放射性核素为示踪剂,分别测定了一些海域不同深度的海水的涡动扩散系数。如三宅泰雄等人曾根据北太平洋西部海水中锶–90和铯–137的垂直分布求得垂直涡动扩散系数,指出欲使海水中某种物质通过涡动扩散在200~4,000米深的范围内得到均匀的垂直分布,约需100年时间。

  海水年龄 某水分子从表层迁移到深层所经历的时间,称为“海水的年龄”。要确定海水的年龄,有一种方法是利用碳–14为海水示踪剂,这是因为海水中碳–14的活度取决于所研究的水体的年龄及该水体与碳–14的活度不同的各种水团的混合程度。故可用所测水体样品相对于标准平均大洋水(SMOW)的碳–14富集的千分率δ14C表示此水体的年龄。δ14C的值越大,水体的年龄就越大,反之亦然。如根据测定的结果,印度洋和太平洋的表层水的δ14C在-100‰~-10‰的范围内,而在深于3,000米的大洋水中,δ14C的平均纬度变化为:大西洋的δ14C由北向南减小,从北纬40°的-90‰降到南纬40°的-140‰,说明北大西洋深层水在向南移动的过程中逐渐老化;与此相反,印度洋的δ14C从南纬45°的-140‰降到北纬8°附近的-220‰,太平洋从南纬45°的-180‰降到北纬45°附近的-240‰,反映了印度洋、太平洋的深层水从南向北逐渐老化。可见世界大洋的深层水中,最“年轻”的是北大西洋的深层水,最“老”的是北太平洋的深层水。上述δ14C的分布随深度和纬度的变化,证实了H.M.施托梅尔在1959年提出的大洋深层水大循环的理论模式。这是应用放射性核素研究大洋环流的一大成就。

  大尺度的海洋混合模型 为利用碳–14在海水中的分布计算各种水团的平均逗留时间,通常假设海洋–大气体系由一系列彼此分开而内部很好混合的储池所组成。已提出这类箱式模型有最简单的两层模型和比较复杂的八箱模型等。以某种模型为基础,研究碳–14在海洋–大气界面的交换及其在海洋中的混合,可算出海水逗留时间,还可算出二氧化碳的海–气交换速率及其在各层海水之间的交换速率。一般的结论是:太平洋深层水的逗留时间约为1,000~1,600年,大西洋深层水的逗留时间约为太平洋深层水的一半;表层水逗留时间仅有10~20年。

  海洋沉积物的年代 放射性核素的衰变不随任何环境条件而改变。故可以利用放射性核素作为许多海洋过程的“放射钟”,测定海洋沉积物和锰结核等的生成年代或沉积速率。在各种绝对年代的测定法中,放射性核素法是比较有效的和准确的。此外,还可利用碳–14研究气体在海洋和大气之间的交换速率和深层水的上升规律;利用镭–228研究表层水在水平方向的混合速率;利用硅–32研究近岸水的混合过程;用3H-3He法测定深层水的年龄;利用40K-40Ar法测定洋盆的年代,验证海底扩张说。

稳定性核素的应用

  稳定性核素氘、碳–13、氮–15、氧–18、硫–34、铅–206和铅–208等,可用来研究下列海洋学问题。

  水团鉴别 组成水分子的氢有三种同位素,它们在水的蒸发和凝聚过程中,会发生同位素分馏效应,使海洋中氢的同位素的相对丰度出现微小的变化。通常将海水样品与标准平均大洋水比较,用相对于给定标准氘富集的千分率δD表示此相对丰度的变化。

  因此,大洋中氘的含量可作为鉴别水团的特征参数。各大洋海水中的δD值在+8‰~-3‰范围内,且每个海域各有独特的垂直分布。淡水的δD值一般比大洋水小。利用氘含量鉴别水团比用盐度和温度更加灵敏。对于温度、盐度差异不大的水团,有时利用δD的差异也能加以识别。

  古地理环境的研究 已知淡水和海水的重碳酸根离子中碳的同位素比值,因大气-海洋间的分馏作用而有差异,故在由重碳酸盐沉淀形成的石灰岩中,这个比值也不一样。在陆生生物和海生生物之间,有机碳的同位素比值也不同。这样,根据沉积物的碳酸盐或生物有机碳中碳的同位素的组成的变化,可帮助确定古海岸线和古三角洲的位置、古盆地的形状、海进海退的变迁和沉积物质的来源等有关问题。

  古海水温度测定 氧的同位素在海水中的碳酸钙和水之间的交换达到平衡时,碳酸钙(方解石或文石)和水中的氧的同位素组成不同。根据从加勒比海和赤道大西洋海底不同层次的沉积物岩心中分离的浮游有孔虫的δ18O的变化而绘成的古温度曲线,说明在过去40万年内经历了冰期、间冰期交替出现的8个主要气候循环。

展望

  海洋中的放射性核素的研究,应着重用来探索与地球和海洋的形成和发展有关的理论和实际问题,如核素的分馏理论、地质年龄、沉积速率、沉积环境和沉积机制等;还着重探讨人工核素对生物及环境的影响和危害,如研究在海洋中处理放射性废物的可能性和现实性;制定海水和海洋生物对核素最大允许浓度的标准,研究生物浓缩和稀释扩散的规律等。此外,研究人工放射性核素的形态和物理、化学特性,改进和提高现有的分离纯化方法,并以人工放射性核素作示踪剂,研究海洋学的宏观问题和微观问题等。