海洋与人类-5TH-20151019.pdf

海洋与人类第五讲 海洋化学与碳循环 张继才 博士 浙江大学海洋学院 Jicai@zju.edu.cn 目录 一．海水的组成 二．海水中的营养盐 三．地球碳循环 四．气候变化归因 海水的组成 1. 全球古海水化学演化 2. 原始海水的化学组成 3. 现代海水的化学组成 4. 海水组成恒定性及原因 全球古海水化学演化 • 海水成分在地质过程中并非一成不变，而是经过 了方解石海和文石海的周期波动 • 方解石海：海水中Mg2+/Ca2+ 比值小于2的时期 • 文石海：海水中Mg2+/Ca2+ 比值大于2的时期 世界各个地质时代海水主 要离子成分变化和蒸发岩 组合(引自Lowenstein et al., 2001) • 古代海水中Mg2+/Ca2+的比值在整个显生宙期 间可能存在1-2亿年的长期系统波动 • 海水的化学特性在方解石海和文石海之间波动 • 显生宙：是从寒武纪开始出现大量较高级动物以后 至今的地史阶段地质年代名称。指寒武纪以来的时 期，从距今大约5.7亿年前延续至今，包括古生代、 中生代和新生代。5.7亿年前，寒武纪始，生物逐渐 向较高级的发展阶段进化，动物已具有外壳和清晰 的骨骼结构，故称显生宙。 原始海水的化学组成 • 自地球上海洋形成起，就进行 着蒸发—冷凝构成的水循环。 水对其接触的岩石进行风化， 岩石变成了碎屑，各种元素溶 于水中，由此形成了海水。海 水中的大多数阳离子组分由此 而来。 • 原始海水组成：可视为由HCl 溶液与岩石接触，溶解Ca 、 Mg 、K 、Na 、Fe 、Al 等元素 ，中和后Fe 、Al等以氢氧化物 沉淀，无机物和有机物沉积到 海底 现代海水的化学组成  主要成分 （大量、常量 元素）  溶于海水的气体成分， 如氧、氮及惰性气体等  营养元素 （营养盐、生 源要素）  微量元素  海水中的有机物质 现代海水的化学组成特点 • 常量元素：海水中含量最多的元素 是氢、氧以及氯、钠、锌、镁、钙、 硫、碳、氟、硼、溴、铝，其含量 一般0.05 mmol/kg, 构成了海水溶 解态组分的99%以上； • 微量元素：在海水中的浓度一般 0.05 umol/kg, 包括Li、Ni、Fe、Mn、 Zn 、Pb 、Cu 、Co 、U 、Hg等金属 元素; • 营养盐：与海洋生物生长密切相关 的一系列元素，如N 、P 、Si 、Mn 、 Fe 、Cu 、Zn 等；据含量高低分为 主要营养盐 （N 、P 、Si ）和微量 营养盐Mn、Fe、Cu、Zn等）; 海水的特性：异常高的冰点与 沸点,导致其高的热容量 • 水所具有的高热容量对于维持地球的气候与生命具 有重要意义 • 夏天的时候，热被储存在海洋中，而到冬天的时候 再将其辐射回大气，由此使地球的气候较为舒适,这 也是为何沿海地区夏天没有内陆地区来得热，而冬 天没有内陆地区来得冷的原因 海水的特性：异常的密度变化  对于中纬度地区水中生物的生存具有重要意义。当冬 季接近的时候，表层水变冷，密度的增加导致这些水 往深层下沉。此过程不断连续进行直至水温降低至 4℃以下，在更低温度的时候，进一步的冷却使水的 密度降低，