第二章 海水的化学组成.ppt

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1、第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成一、宇宙的形成一、宇宙的形成 距今约距今约140亿年前，一个比针尖还小的点发生大亿年前，一个比针尖还小的点发生大爆炸，宇宙从此诞生（伽莫夫，爆炸，宇宙从此诞生（伽莫夫，1948）。物质）。物质粒子摆脱了能量的束缚，开始自发地排列起来形粒子摆脱了能量的束缚，开始自发地排列起来形成现在的宇宙。成现在的宇宙。二、太阳的形成二、太阳的形成 距近约距近约5050亿年前，一块由气体和尘埃组成的巨大亿年前，一块由气体和尘埃组成的巨大烟云在万有引力的重压下崩塌瓦解。由于原子核烟云在万有

2、引力的重压下崩塌瓦解。由于原子核发生熔化，使得云团中心处的温度变得非常高，发生熔化，使得云团中心处的温度变得非常高，密度也很大，太阳由此形成。密度也很大，太阳由此形成。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成太太阳阳的的引引力力开开始始对对星星云云的的其其余余部部分分产产生生吸吸引引，随随着着太太阳阳的的逐逐渐渐增增大大，引引力力越越来来越越强强，直直到到除除了了零零星星碎碎片片和和部部分分气气体体，因因为为距距离离遥遥远远和和游游移移速速度度极极快快而而保保持持孤孤立立外外，其其余余都都被被控控制制，各各布布其其位位。最最后后，这这些些粒粒子子和和气气体体凝凝聚聚在在一一起起，各各星星球包

3、括地球就形成了。球包括地球就形成了。地地球球形形成成初初期期，是是一一个个炽炽热热的的火火球球，温温度度高高达达50005000o oC C，同同时不断地经受数百万颗陨石的冲击。时不断地经受数百万颗陨石的冲击。地球形成初期是一个炽热的火球第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 地球燃烧了地球燃烧了100100万年后才逐渐冷却，质量较大的铁、镍等万年后才逐渐冷却，质量较大的铁、镍等金属物质在地心处沉积下来，形成一个灼热的、直径金属物质在地心处沉积下来，形成一个灼热的、直径30003000多公里的地核。质量较轻的矿物质则不断上升，形成厚约多公里的地核。质量较轻的矿物质则不断上升，形成厚约300

4、03000多公里的地壳。多公里的地壳。地球形成的时间：地球形成的时间：距今距今4646亿年亿年 地球形成时间的证据：地球形成时间的证据：古老的矿物结晶体古老的矿物结晶体锆石锆石,测定年测定年代为代为4444亿年前。亿年前。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 年轻的地球与一个火星大小的、高速运动的星体发生碰撞，年轻的地球与一个火星大小的、高速运动的星体发生碰撞，冲击力将地球表层掀掉一大块。这块被剥离的熔岩状星体冲击力将地球表层掀掉一大块。这块被剥离的熔岩状星体外壳溅落到太空中，绕着地球的轨道飞行。外壳溅落到太空中，绕着地球的轨道飞行。1010亿年后才被亿年后才被地球引力揉成一个小星球，即

5、为月球。地球引力揉成一个小星球，即为月球。证据：证据：在月球上发现地球的星体残片以及其他来自地在月球上发现地球的星体残片以及其他来自地球的物质。球的物质。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 地球形成初期，火山活动持续不断，底下熔融的岩浆从地表爆发出地球形成初期，火山活动持续不断，底下熔融的岩浆从地表爆发出来，释放出来，释放出COCO2 2、N N2 2、CHCH4 4、H H2 2和水蒸汽，此为地球的脱气作用。和水蒸汽，此为地球的脱气作用。约约4040亿年前，大气层中以水蒸气、亿年前，大气层中以水蒸气、COCO2 2为主，随着地球的继续冷却，为主，随着地球的继续冷却，聚集在大气中的水蒸

6、气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨，加上带聚集在大气中的水蒸气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨，加上带有冰的彗星不断地落在地球上。水蒸气的冷凝及冰的融化形成液态水，有冰的彗星不断地落在地球上。水蒸气的冷凝及冰的融化形成液态水，水累积在低洼地带，形成海洋。水累积在低洼地带，形成海洋。海洋形成时间：海洋形成时间：3838亿年前。亿年前。第二章 海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成1 1、水的特殊性质及其意义、水的特殊性质及其意义 海水中含量最多的元素是氢和氧海水中含量最多的元素是氢和氧(水水)第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成水分子具有异常高的熔点和沸点水分子具有异常高

7、的熔点和沸点第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成对于中纬度地区水中生物的生存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断连续进行直至水温降低至4 4o oC C以下，在更低温度的时候，进一以下，在更低温度的时候，进一步的冷却使水的密度降低，此时步的冷却使水的密度降低，此时下沉停止了。如果气温达到下沉停止了。如果气温达到0 0o oC C，冰首先在表层形成，并成为下覆冰首先在表层形成，并成为下覆水体与大气冷却的屏障

8、，延缓深水体与大气冷却的屏障，延缓深层水的结冰。因此，结冰是从表层水的结冰。因此，结冰是从表层往下进行的。这也就保护了水层往下进行的。这也就保护了水中鱼类等生物免于被冻死。中鱼类等生物免于被冻死。水密度随温度的变化水密度随温度的变化第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成NaCl在水中的溶解第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成冰点与最大密度温度与盐度的关系冰点与最大密度温度与盐度的关系第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 水水中中的的高高离离子子浓浓度度使使海海水水较较纯纯水水具具有有高高的的渗渗透透压压。渗渗透透压压的的差差异异会会导导致致水水分分子子跨跨越越半半透透膜膜从从低

9、低盐盐区区域域向向高高盐盐区区域域扩扩散散，当当两两边边盐盐浓浓度度相相同同时时，水水的的净净扩扩散散就就停停止止了了。最最典典型型的的天天然然半半透透膜膜就就是是细细胞胞膜膜，许许多多海海洋洋生生物物细细胞胞内内体体液液的的盐盐含含量量与与海海水水是是接接近近的的，这这就就是是他他们们几几乎乎不不用用耗耗费费多多的的能能量量来来维维持持体体内内与与海海水水之之间间的的盐盐浓浓度度平平衡衡。哺哺乳乳动动物物血血液液中中的的盐盐浓浓度度与与海海水水也也是是接接近近的的（3.5%3.5%wt/vwt/v），这这并并不不奇奇怪怪，因因为为生生物物看看来来是是在在海海洋中演化起来的。洋中演化起来的。第

10、二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成一、原始海水的化学组成一、原始海水的化学组成 自地球上海洋形成起，就进行着蒸发自地球上海洋形成起，就进行着蒸发冷凝构成的水循冷凝构成的水循 环。水对其接触的岩石进行风化，岩石变成了碎屑，元素环。水对其接触的岩石进行风化，岩石变成了碎屑，元素溶于水中，由此形成了海水。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。通过海洋中发生海水中的大多数阳离子组分由此而来。通过海洋中发生的各种过程，海水生成沉淀物和成岩作用等。的各种过程，海水生成沉淀物和成岩作用等。原始海水组成可视为由原始海水组成可视为由0.3 M HCl0.3 M HCl溶液与岩石接触，

11、溶解溶液与岩石接触，溶解CaCa、MgMg、K K、NaNa、FeFe、AlAl等元素，中和后，等元素，中和后，FeFe、AlAl等以氢等以氢氧化物沉淀，把无机物和有机物沉积到海底氧化物沉淀，把无机物和有机物沉积到海底.第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成元素元素MgMg2+2+CaCa2+2+NaNa+K K+（%）3030亿年前的海水亿年前的海水13-2413-2423-2923-2930-4730-471717现代海水现代海水10.710.73.23.283.183.13.03.03030亿年前的海水，其亿年前的海水，其K K浓度比现代海水来得高，而浓度比现代海水来得高，而NaNa

12、浓度比浓度比现代海水来得低。原因在于：玄武岩与现代海水来得低。原因在于：玄武岩与HClHCl作用生成黏土矿物，作用生成黏土矿物，它们与海水发生它们与海水发生NaNa+和和K K+、H H+的交换反应，结果是不仅使海水的的交换反应，结果是不仅使海水的pHpH8 8，而且，而且K+K+被黏土矿物吸附，而水中被黏土矿物吸附，而水中NaNa+浓度升高。浓度升高。3030亿年前的海水，其亿年前的海水，其MgMg、CaCa浓度比现代海水来得高。原因在浓度比现代海水来得高。原因在于：海水变成中性后，大气于：海水变成中性后，大气COCO2 2进入海水并开始有进入海水并开始有CaCOCaCO3 3沉淀形沉淀形成

13、，成，MgMg同时也发生共沉淀，结果海水中的同时也发生共沉淀，结果海水中的MgMg、CaCa浓度逐渐降低。浓度逐渐降低。海水中的许多阴离子，如海水中的许多阴离子，如F F、ClCl、BrBr、I I、S S、AsAs等，它们在等，它们在海水中的含量远比从岩石溶出的要多，可能是火山、海底热液海水中的含量远比从岩石溶出的要多，可能是火山、海底热液等输入的缘故。等输入的缘故。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 海水化学组成至少在几亿年内基本恒定，证据包括：海水化学组成至少在几亿年内基本恒定，证据包括：贝壳的贝壳的Sr/CaSr/Ca比看，比看，2-62-6亿年前海水的主要元素和亿年前海水的主

14、要元素和 Sr/CaSr/Ca比与现代海水相近；比与现代海水相近；寒武纪的沉积物看，可能寒武纪的沉积物看，可能2020 亿年前海水中主要化亿年前海水中主要化 学组分浓度与现代相近。学组分浓度与现代相近。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成1 1、元素存在形态、元素存在形态海洋物质：海洋物质：（1 1）颗粒物质：由海洋生物碎屑等形成的颗粒有机物和各）颗粒物质：由海洋生物碎屑等形成的颗粒有机物和各 种矿物所构成的颗粒无机物；种矿物所构成的颗粒无机物；（2 2）胶体物质：多糖、蛋白质等构成的胶体有机物和）胶体物质：多糖、蛋白质等构成的胶体有机物和FeFe、AlAl等无机胶体；等无机胶体；（3

15、3）气体：保守性气体（）气体：保守性气体（N N2 2、ArAr、XeXe）和非保守气）和非保守气 体（体（O O2 2、COCO2 2）；）；（4 4）真正溶解物质：溶解于海水中的无机离子和分子以及）真正溶解物质：溶解于海水中的无机离子和分子以及 小分子量的有机分子。小分子量的有机分子。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 实际工作中，一般以孔径为实际工作中，一般以孔径为0.4 m0.4 m的滤膜过滤海水，的滤膜过滤海水，被滤膜截留的称为颗粒物，通过滤膜的称为溶解物质，被滤膜截留的称为颗粒物，通过滤膜的称为溶解物质，其中包含了胶体物质（操作性定义）。其中包含了胶体物质（操作性定义）。类

16、别类别颗粒粒径（颗粒粒径（mm）颗粒物质颗粒物质0.10.1胶体胶体0.001-0.10.001-0.1真正溶解物质真正溶解物质0.0010.001第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成（1）常量元素：）常量元素：大于大于0.05 mmol/kg，有，有11种种 阳离子：阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+阴离子：阴离子：Cl-、SO42-、Br-、HCO3-(CO32-)、F-（Si例外）例外）分子：分子：HBO3 以上占海水总盐分的以上占海水总盐分的99%（2）微量元素）微量元素：0.0550 mol/kg（3）痕量元素）痕量元素

17、：0.0550 nmol/kg和和50 pmol/kg（4）营养盐）营养盐：N、P、Si（主要营养盐）、（主要营养盐）、Mn、Fe、Cu、Zn（微量营养盐）等（微量营养盐）等,它们与海洋生物生长密切相关它们与海洋生物生长密切相关（5）溶解气体）溶解气体：O2、CO2、N2、惰性气体等。、惰性气体等。（6）有机物质）有机物质第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成1779年，年，Bergman最早对海水进行化学分析；最早对海水进行化学分析；1819年，年，Marcet首次指出：海盐的化学组成基本恒定；首次指出：海盐的化学组成基本恒定；1965年，年，F

18、orchhammer测定世界海洋表层水测定世界海洋表层水Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K+、Na+的浓度，发现元素之间的比值仅存的浓度，发现元素之间的比值仅存在很小变化；在很小变化；1884年，年，Dittmar分析了分析了“挑战者挑战者”号采集的样品，结果与号采集的样品，结果与Forchhammer的相当吻合，但深水中的的相当吻合，但深水中的Ca2+浓度比表层水浓度比表层水高约高约0.3%；1965年，年，Culkin综合此前的数据，进一步证明海水常量元综合此前的数据，进一步证明海水常量元素组成相对恒定的观点。素组成相对恒定的观点。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 离子离

19、子 含量（含量（g/kgg/kg，S=35S=35）与氯度比值（与氯度比值（g/kg/Clg/kg/Cl）Cl Cl-19.344 19.344 -Na Na+10.773 10.773 0.556 0.556 SO SO4 42-2-2.712 2.712 0.1400 0.1400 Mg Mg2+2+1.294 1.294 0.0668 0.0668 Ca Ca2+2+0.412 0.412 0.02125 0.02125 K K+0.399 0.399 0.02060 0.02060 HCO HCO3 3-0.142 0.142 非保守非保守 Br Br-0.0674 0.0674 0.

20、00348 0.00348 Sr Sr2+2+0.0079 0.0079 0.00041 0.00041 B B 0.00445 0.00445 0.00023 0.00023 F F-0.00128 0.00128 6.67 6.6710-5 10-5 海水的大部分常量元素，其含量比值基本上是不变的海水的大部分常量元素，其含量比值基本上是不变的第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 水体在海洋中的移动速率快于加入或迁出水体在海洋中的移动速率快于加入或迁出元素的化学过程的速率，因为加入或迁出水元素的化学过程的速率，因为加入或迁出水不会改变海洋中盐的

21、总量，仅仅是离子浓度不会改变海洋中盐的总量，仅仅是离子浓度和盐度的改变。和盐度的改变。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 相对于海水混合速率，常量组分由河流输入海洋的速率相对于海水混合速率，常量组分由河流输入海洋的速率是慢的，这也称为保守行为，但河口区与近岸污染严重海是慢的，这也称为保守行为，但河口区与近岸污染严重海域例外；域例外；常量组分对海域生物过程、地球化学过程不敏感，仅受常量组分对海域生物过程、地球化学过程不敏感，仅受控于物理过程。例外的情况包括：生物过程对控于物理过程。例外的情况包括：生物过程对CaCa2+2+、SrSr2+2+的影响；结冰和融冰对的影响；结冰和融冰对NaNa

22、+、SOSO4 42-2-的影响；海底热液的影的影响；海底热液的影响等。响等。恒比规律不适用于微量或痕量组分。恒比规律不适用于微量或痕量组分。恒比规律没有历史继承性，并非指海水之过去和未来都恒比规律没有历史继承性，并非指海水之过去和未来都有相似的规律。有相似的规律。恒比规律表明常量组分具有保守性质，并不是说这些组恒比规律表明常量组分具有保守性质，并不是说这些组分未经任何化学等反应，仅仅是因为它们的浓度大到足以分未经任何化学等反应，仅仅是因为它们的浓度大到足以掩盖这些过程的效应。掩盖这些过程的效应。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成（1 1）河口区）河口区：河水输入对区域恒比规律有一定影

23、响：河水输入对区域恒比规律有一定影响（2 2）缺氧海盆：）缺氧海盆：细菌的还原作用，使细菌的还原作用，使SOSO4 42-2-被还原为被还原为H H2 2S S，进，进而可通过形成而可通过形成FeSFeS2 2、ZnSZnS、CuSCuS等沉淀将硫迁出水体，由此等沉淀将硫迁出水体，由此导致海水中的导致海水中的SOSO4 42-2-/Cl/Cl-非常低，偏离恒比规律。非常低，偏离恒比规律。（3 3）海冰的形成：）海冰的形成：海冰形成时，仅少量离子结合进入海冰，海冰形成时，仅少量离子结合进入海冰，导致盐卤水常量组分比值偏离恒比规律。海冰形成时，导致盐卤水常量组分比值偏离恒比规律。海冰形成时，SOS

24、O4 42-2-结合进入冰体，导致海冰具有高结合进入冰体，导致海冰具有高SOSO4 42-2-/Cl/Cl-比值，而残比值，而残余水的余水的SOSO4 42-2-/Cl/Cl-比值较低。海冰形成过程中，比值较低。海冰形成过程中，CaCOCaCO3 3沉淀在沉淀在海冰中的形成也会导致海冰中的形成也会导致Ca/ClCa/Cl比值的变化。比值的变化。（4 4）矿物的沉淀与溶解：）矿物的沉淀与溶解：海洋中文石或方解石的沉海洋中文石或方解石的沉淀会导致海水中淀会导致海水中CaCa2+2+浓度浓度的减少，而文石或方解石的减少，而文石或方解石在深层水中的溶解可导致在深层水中的溶解可导致CaCa2+2+浓度增

25、加约浓度增加约1%1%，这，这就导致海水中就导致海水中Ca/ClCa/Cl比值比值的变化。的变化。太平洋水体中太平洋水体中CaCa2+2+浓度的垂直变化浓度的垂直变化（5 5）海底热液的输入：）海底热液的输入：热液的注入对绝大多数海水主要成热液的注入对绝大多数海水主要成分的影响很小，但最近对海底热液的研究显示，一些常量分的影响很小，但最近对海底热液的研究显示，一些常量组分也会发生变化，如组分也会发生变化，如SiSi和和CaCa浓度的增加，浓度的增加，MgMg、K K、B B和和SOSO4 42-2-浓度的降低等。此外，在大西洋海脊处观察到高的浓度的降低等。此外，在大西洋海脊处观察到高的F/Cl

26、F/Cl比值，也被归因于海底火山气体的注入。比值，也被归因于海底火山气体的注入。（6 6）与盐卤水的混合：）与盐卤水的混合：不同矿物，如不同矿物，如NaClNaCl（食盐）（食盐）CaCOCaCO3 3（文石）（文石）CaSOCaSO4 42H2H2 2O O（石膏）是在蒸发的不同阶段形成，（石膏）是在蒸发的不同阶段形成，即在不同时间以不同的速率迁出。即在不同时间以不同的速率迁出。（7 7）海）海-气界面物质的交换：气界面物质的交换：每年通过气泡释放至大气中的每年通过气泡释放至大气中的离子高达离子高达10109 9吨，其中的绝大多数直接或间接地返回海洋。吨，其中的绝大多数直接或间接地返回海洋。

27、在此过程中，由于气泡会将部分溶解组分和颗粒物选择性在此过程中，由于气泡会将部分溶解组分和颗粒物选择性地富集在其表面并离开海洋，导致元素组成发生分馏。地富集在其表面并离开海洋，导致元素组成发生分馏。由风引起的海水飞沫的搬运：由风引起的海水飞沫的搬运：ClCl、BrBr、F F 海面的蒸发：海面的蒸发：I I、BrBr、S S、H H2 2BOBO3 3 气体溶入海水中：气体溶入海水中：COCO2 2、SOSO2 2、CHCH4 4第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 沉沉积积物物间间隙隙水水的的一一些些常常量量组组分分与与海海水水明明显显不不同同，例例如如CaCa2+2+浓浓度度由由于于沉

28、沉积积物物有有机机碎碎屑屑氧氧化化释释放放出出COCO2 2，进进而而导导致致CaCOCaCO3 3的的溶溶解解而而发发生生变变化化；SOSO4 42-2-因因为为细细菌菌作作用用还还原原为为H H2 2S S而而发发生生变变化化。另另外外，K K+和和其其它它一一些些阳阳离离子子会会与与黏黏土土矿矿物物进进行行离离子子交交换换而而发发生生变变化化。间间隙隙水水中中的的MgMg2+2+由由于于被被绿绿泥泥石石吸吸附附或或与与CaCOCaCO3 3反反应应形形成成白白云云石石而而浓浓度度降降低低；K K+可可通通过过长长石石的的水水解解而而富富集集。另另外外，温温度度对对间间隙隙水水的的组组成成

29、也也有有较较大大影影响响，因因为为固固/液液分分配配与与温温度度有有关关。因因此此，受受沉沉积积物物间间隙隙水水影影响响的的水水体体，其常量组分会发生一定的变化。其常量组分会发生一定的变化。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 盐度提出的目的：衡量海水中溶解物质的总量。盐度提出的目的：衡量海水中溶解物质的总量。通过将海水干燥并称重来测定含盐量的做法存在困难：通过将海水干燥并称重来测定含盐量的做法存在困难：对海水进行完全的化学分析是唯一可靠的测定海水实际含对海水进行完全的化学分析是唯一可靠的测定海水实际含盐量的方法，但是这个方法实在是太复杂，难以实现常规盐量的方法，但是这个方法实在是太复杂

30、，难以实现常规的监测。的监测。寻找与海水盐度具有相关关系，而又能方便、准确测量的寻找与海水盐度具有相关关系，而又能方便、准确测量的其它要素就成为海洋学家努力的方向。其它要素就成为海洋学家努力的方向。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 1902年，丹麦海洋学家年，丹麦海洋学家Knudsen等人建立了海水盐度、氯等人建立了海水盐度、氯度定义，并给出了二者之间的经验公式。度定义，并给出了二者之间的经验公式。盐度：盐度：在在1 kg海水中，将所有的碳酸盐转变为氧化物，所海水中，将所有的碳酸盐转变为氧化物，所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，且所有有机物被氧化以有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，且所有有

31、机物被氧化以后，所含全部固体物质的总克数。后，所含全部固体物质的总克数。单位：单位：g/kg，以符号以符号S表示。表示。反应式：反应式：MgCO3+2HCl MgCl2+CO2+H2O（Ca同）同）Mg（HCO3）2+2HCl MgCl2+CO2+H2O（Ca同）同）MgCl2 MgO+2HCl 2Br-+Cl2 2Cl-+Br2 2I-+Cl2 2Cl-+I2 有机物有机物 CO2+H2O第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 对于对于1 kg 35海水，克纽森盐度与实际溶解固体物质含量的差异海水，克纽森盐度与实际溶解固体物质含量的差异氯度：氯度：在在1 kg海水中，当溴和碘为等摩尔的氯

32、所取海水中，当溴和碘为等摩尔的氯所取 代，所含氯的克数。代，所含氯的克数。单位：单位：g/kg，以符号，以符号Cl表示。表示。盐度与氯度之间的关系：盐度与氯度之间的关系：测定氯度，再根据海水主要成分组成的恒定性测定氯度，再根据海水主要成分组成的恒定性 规律来计算盐度：规律来计算盐度：S=0.030+1.8050Cl第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成19691969年，英国国立海洋研究所年，英国国立海洋研究所CoxCox等通过测定氯度，再测定水等通过测定氯度，再测定水样与标准海水的电导比，得到：样与标准海水的电导比，得到：S S=1.80655=1.80655ClCl S S=-0.08

33、996+28.29720R=-0.08996+28.29720R1515+12.80832R+12.80832R15152 210.67869R10.67869R15153 3 +5.98624R15R +5.98624R15R15154 4-1.32311R-1.32311R15155 5 其中，其中，R R1515为为1515o oC C海水水样的电导率与该温度下海水水样的电导率与该温度下35.000035.0000标标 准海水的电导率比值。准海水的电导率比值。海水的电导率主要由常量离子（占海水的电导率主要由常量离子（占99.8%99.8%）所贡献。）所贡献。存在问题：存在问题：（1 1）

34、仍是建立在海水组成恒定的基础上，为近似的；）仍是建立在海水组成恒定的基础上，为近似的；（2 2）水样均采自）水样均采自200 m200 m以浅，无法反映深海水成分的变化。以浅，无法反映深海水成分的变化。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成u根据此前有关盐度与氯度的大量工作，科学家们意识到有根据此前有关盐度与氯度的大量工作，科学家们意识到有必要确立一种容易制作、性质稳定的溶液作为海水盐度测必要确立一种容易制作、性质稳定的溶液作为海水盐度测定的标准，通过采用相同的测定技术与标准物质，来确保定的标准，通过采用相同的测定技术与标准物质，来确保不同实验室得到的盐度数据的可比性。不同实验室得到的盐度

35、数据的可比性。u19781978年，年，LewisLewis和和PerkinPerkin提出用提出用KClKCl水溶液作为海水盐度测水溶液作为海水盐度测定的标准，并建议该定的标准，并建议该KClKCl标准溶液的浓度应使其电导率与标准溶液的浓度应使其电导率与氯度为氯度为19.37419.374的平均海水的电导率相同。由此形成了此后的平均海水的电导率相同。由此形成了此后广泛采用的实用盐度定义。广泛采用的实用盐度定义。upsu:practical salinity unitspsu:practical salinity units定义：在定义：在1 1个标准大气压下，个标准大气压下，1515o oC

36、 C的环境温度下，海水样品与标准的环境温度下，海水样品与标准KClKCl溶溶液的电导比。以符号液的电导比。以符号S S表示，表示，为无量纲的量为无量纲的量。对于任意温度下：对于任意温度下：由于海水离子组成，同一海水样品以氯度滴定测得的绝对盐度由于海水离子组成，同一海水样品以氯度滴定测得的绝对盐度SASA与与7878实用盐度的关系如下：实用盐度的关系如下：SA=a+bSA=a+bS S 其中其中a a、b b为常数，依赖于海水组成。对于国际标准海水，为常数，依赖于海水组成。对于国际标准海水，a=0a=0、b=1.00488b=1.004881010-3-3。海水状态方程（参考相关书籍）海水状态方

37、程（参考相关书籍）密度表示方法：密度表示方法：sigma-tsigma-t（tt）t=(-1)t=(-1)10001000 其中其中为海水密度（为海水密度（g/cmg/cm3 3）。）。理论计算海水密度与实际密度的差别：理论计算海水密度与实际密度的差别：对于对于S=35S=35、温度为、温度为4 4o oC C的海水，查表得其的海水，查表得其tt为为27.8127.81，因此，海水密度为：因此，海水密度为：=t t/1000+1=27.81/1000+1/1000+1=27.81/1000+1 =1.027811.02781 g/cm g/cm3 3第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成

38、1000g 1000g 盐度为盐度为3535、温度为、温度为4 4o oC C海水的密度的理论计算海水的密度的理论计算a)NaCla)NaCl从从4-254-25o oC C的密度；的密度；b)b)质量质量/体积体积c)c)水体积水体积+盐体积盐体积=海水体积海水体积实际密度大于计算密度的原因在于，水分子环绕阳离实际密度大于计算密度的原因在于，水分子环绕阳离子形成密度更大的溶液，称为溶剂电缩。子形成密度更大的溶液，称为溶剂电缩。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成 沿岸海域盐度变化很大，主要受控于河流径流与地下水沿岸海域盐度变化很大，主要受控于河流径流与地下水的输入。的输入。在开阔大洋，

39、表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损在开阔大洋，表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损失与降雨导致的水分增加之间的相对平衡。失与降雨导致的水分增加之间的相对平衡。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成一、水团运动一、水团运动n海洋水体的运动主要由两个过程来完成，即平流和湍流。海洋水体的运动主要由两个过程来完成，即平流和湍流。n平流作用导致水体经历大尺度的净替换，而湍流作用是水平流作用导致水体经历大尺度的净替换，而湍流作用是水分

40、子的随机运动。分子的随机运动。n海洋中绝大多数的平流输送是通过海流来实现的，地转流海洋中绝大多数的平流输送是通过海流来实现的，地转流驱动的表层水的运动速率一般介于驱动的表层水的运动速率一般介于1-10 cm/s1-10 cm/s之间，而热盐之间，而热盐环流驱动的深层水的运动速率一般仅环流驱动的深层水的运动速率一般仅0.01-0.1 cm/s0.01-0.1 cm/s。n平流作用可将水体在水平与垂直方向上运动，最典型的例平流作用可将水体在水平与垂直方向上运动，最典型的例子即全球热盐环流。子即全球热盐环流。n平流作用速率比湍流作用来得快，水团往往可保留住它们平流作用速率比湍流作用来得快，水团往往可

41、保留住它们最后一次在海表面时所获得的温度、盐度特征，因此，可最后一次在海表面时所获得的温度、盐度特征，因此，可以利用深层水团独特的温度、盐度信号来追踪热盐环流的以利用深层水团独特的温度、盐度信号来追踪热盐环流的路径。当然，相邻水团之间的湍流混合最终将磨灭这些独路径。当然，相邻水团之间的湍流混合最终将磨灭这些独特的温盐信号。特的温盐信号。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成n水体的湍流混合受密度梯度所控制，由于海水垂向密度层水体的湍流混合受密度梯度所控制，由于海水垂向密度层化较强，因此，水平湍流作用比垂向湍流作用所起作用的化较强，因此，水平湍流作用比垂向湍流作用所起作用的空间尺度更大。空间

42、尺度更大。n对于绝大多数海洋水平环流，从技术上是无法区分水平平对于绝大多数海洋水平环流，从技术上是无法区分水平平流与水平湍流在水体运动中各自的贡献。流与水平湍流在水体运动中各自的贡献。n垂向湍流又称为涡动扩散，即与分子扩散相类似。用于支垂向湍流又称为涡动扩散，即与分子扩散相类似。用于支持涡动扩散的能量主要来自海面风的作用、相邻水团之间持涡动扩散的能量主要来自海面风的作用、相邻水团之间的剪切力和沉积物的剪切力和沉积物水界面的摩擦力。水界面的摩擦力。n湍流混合作用比平流输送慢约湍流混合作用比平流输送慢约10103 3-10-105 5倍。倍。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成控制海水中保守

43、性组分控制海水中保守性组分C C浓度变化的等式：浓度变化的等式：第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成宇宙、太阳与地球分别形成于距今约宇宙、太阳与地球分别形成于距今约140140亿年、亿年、5050亿年和亿年和4646亿年的时间，在地球形成后的亿年的时间，在地球形成后的8 8亿年时间里，通过地球亿年时间里，通过地球的脱气作用和冷却，在距今约的脱气作用和冷却，在距今约3838亿年前形成了海洋。亿年前形成了海洋。海水具有一系列特殊的物理、化学性质，包括高的冰点与海水具有一系列特殊的物理、化学性质，包括高的冰点与沸点，高的热容量，异常的密度变化，较高的渗透压以及沸点，高的热容量，异常的密度变化，

44、较高的渗透压以及很好的溶解能力。地球幸运地拥有大量性质独特的液态水，很好的溶解能力。地球幸运地拥有大量性质独特的液态水，从而为地球生命的诞生与繁衍提供了物质基础。从而为地球生命的诞生与繁衍提供了物质基础。海水的化学组成在历史长河中并非一成不变，原始海水的海水的化学组成在历史长河中并非一成不变，原始海水的K K、MgMg、CaCa浓度比现代海水来得高，而浓度比现代海水来得高，而NaNa浓度比现代海水浓度比现代海水来得低。但有证据显示，距今几亿年里，海水化学组成基来得低。但有证据显示，距今几亿年里，海水化学组成基本是恒定的。本是恒定的。海水主要由海水主要由ClCl-、NaNa+、SOSO4 42-

45、2-、MgMg2+2+、CaCa2+2+、K K+、HCOHCO3 3-、BrBr-等等常量离子组成，海水中的常量元素，占元素总量的常量离子组成，海水中的常量元素，占元素总量的99%99%以以上，这就为人工海水的配制提供了可行性。上，这就为人工海水的配制提供了可行性。常量元素组成一般符合常量元素组成一般符合Marcet-DittmarMarcet-Dittmar恒比规律，即海水恒比规律，即海水的大部分常量元素，其含量比值基本上是不变的。但在河的大部分常量元素，其含量比值基本上是不变的。但在河口区、缺氧海盆，以及受海冰形成、矿物沉淀与溶解、海口区、缺氧海盆，以及受海冰形成、矿物沉淀与溶解、海底热

46、液输入、盐卤水的混合、海底热液输入、盐卤水的混合、海-气界面物质交换和沉积气界面物质交换和沉积物间隙水输入等过程的影响，常量元素的恒比规律可能会物间隙水输入等过程的影响，常量元素的恒比规律可能会被打破。被打破。最早提出盐度的目的在于表征海水中溶解盐分的总量，现最早提出盐度的目的在于表征海水中溶解盐分的总量，现在所使用的实用盐度概念是基于海水样品与在所使用的实用盐度概念是基于海水样品与KClKCl标准溶液标准溶液的电导比确定，为无量刚的量。的电导比确定，为无量刚的量。沿岸海域由于受到河流径流与地下水输入的影响，盐度变沿岸海域由于受到河流径流与地下水输入的影响，盐度变化很大。在开阔大洋，表层水盐度

47、主要受控于蒸发导致的化很大。在开阔大洋，表层水盐度主要受控于蒸发导致的水分损失与降雨导致的水分增加之间的相对平衡。水分损失与降雨导致的水分增加之间的相对平衡。海水化学组分的物理输送主要通过水体的平流与湍流作用海水化学组分的物理输送主要通过水体的平流与湍流作用来实现，可应用平流来实现，可应用平流扩散方程表述。扩散方程表述。第二章第二章 海水的化学组成海水的化学组成如果将海洋的水分完全蒸发（盐度为S=35，海洋平均深度为4000 m，海盐的密度假设为2.2 g/cm3），请计算所形成盐层的厚度。计算S=38的海水中6种常量离子(Cl-、Na+、Mg2+、SO42-、Ca2+、K+)的浓度（mol/kg）如果海冰的密度大于海水，请想象海洋将成为什么样的图像。