海洋地球化学

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  海洋地球化学汉语拼音:Haiyang Diqiu Huaxue;英语:Marine Geochemistry),研究海洋中化学物质的含量、分布、形态(和存在形式)、转移、通量和循环的学科。是地球化学中以海洋为主题的一个分支。主要研究地球岩石圈大气圈水圈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F.W.克拉克挪威V.M.戈尔德施密特等。20世纪50年代以来,C.B.布鲁耶维奇A.P.维诺格拉多夫E.D.戈德堡等在海洋地球化学研究方面做了大量工作。

研究对象

  海洋地球化学的研究对象较广泛,包括:海洋中的主要溶解成分、溶解气体、微量元素、有机物、核素、悬浮物、热泉物质和沉积物及其间隙水等。

  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(如CO、甲烷、H2、H2S等),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。研究得比较多的溶解气体,有氧(见海水溶解氧)、二氧化碳、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,它们对重金属在海水中的存在形式、海水微表层性质和悬浮颗粒表面性质、海洋中的生物活动、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(见海洋有机化学)。

  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(见同位素海洋化学)。

  悬浮物 海洋中的悬浮物,在河口区水中的含量最大,在大洋海水中的含量最小。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(见海洋悬浮粒子)。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。

  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、通量和循环。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,逐渐传给临近的海域。因此,要研究海洋中的物质分布,就必须研究物质的“源”和“汇”、迁移过程、通量和循环,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MgSO40、MgCO30、NaCO3-、NaSO4-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。但有机汞和有机锡等的毒性则比汞、锡离子为高。

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;所用的分析和测定方法,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海洋有机化学这三个新的分支。特别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。