《海洋科学导论》第十三章 海水的化学特性

1、化学海洋学是用化学的原理和方法解决海洋中有关问题的科学 ，是海洋科学的一个重要分支。研究内容：海水的化学组成和特性，包括发生在海水中的各种均相化学过程、海水与大气界面上的各种气-液界面化学过程以及海水与沉积物、悬浮颗粒等固-液界面上的化学过程化学物质来源：岩石风化、火山喷发进入方式：河流、大气干湿沉降、底质矿化第十三章 海水的化学特性D.Zhao, OUC1海水的化学组成纯水: 96.5%主要成分：指海水中浓度大于 1 mg/kg，11种， 占海水溶质的99.9%。5种阳离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr2+5种阴离子：Cl-、SO4 2、HCO32-、Br-、F-1种分子：H3BO

2、3主要成分含量大，各成份的浓度比例近似恒定，生物活动和总盐度变化对其影响不大，故称为保守元素。不论海水盐度如何，主要成分之间的浓度比值几乎为常数，称为“海水组成的恒定性”Si有时含量高，但受生物活动影响，不稳定D.Zhao, OUC2 海水中盐分与地球的起源、海洋的形成及演变过程有关，另外全球的河流每年向海洋输送5.51015g溶解盐35.13g/kgD.Zhao, OUC3溶于海水中的气体 氧、氮及惰性气体，CO2，CH4，NO2营养元素 营养盐、生源要素：如N, P, Si 等与植物生长有关的要素。N：海藻类生长的物质基础，合成蛋白质；P：形成大脑磷质，合成核酸，生成细胞壁等。Si：硅藻，

3、外壳保护自己。蛋白石SiO2-2H2O；Si质沉积及分布。海水的化学组成D.Zhao, OUC4微量元素,痕量元素（含量少，但是生物必须）1微克/kg 含量很低，又不属营养元素者Fe，Mn，Zn，Al，Ni，Cu，As，Cd，Cs，Hg，Pb,I Fe：贫血；若铁摄入量过多，会导致肝硬化和糖尿病。Zn具有促进生长发育，改善味觉等作用，缺少会引起食欲不振，生长停滞，生殖机能减退，机体衰弱,发育迟缓。蛋黄、瘦肉、鱼 ；碘:人类智慧元素,在自然界中含量较少,较多的海带。不足会引起甲状腺功能减退或甲状腺肿大等症状，导致人类智力受损的最主要原因,是地方性呆小症的主要原因。误服了大量的碘和碘的化合物，高碘

4、甲肿。则有怕冷、食欲不振、便秘、粘液性水肿等表现。 重金属中毒：汞、铅、砷。中枢神经和其它的系统改变。砷对人体神经、内脏系统造成危害 （美容品中）D.Zhao, OUC5海水的化学组成海水中的有机物质 氨基酸、腐殖质、叶绿素等，碳氢化合物人类合成的：DDT（南极海域发现）、PCB（多环芳烃、多氯盐苯）、TBT（防腐蚀）难降解，毒药有害。有些可能需要几万年。放射性同位素：天然：铀系、锕系、钍系人工：核武器爆炸、核电站元器件、冷却水活化。外太空宇宙射线：3H、 15N、 14C 。用途：半衰期一定，放射强度活度示踪水团（234Th大洋深层水）；海水混合。 15N新生产力；14C初级生产力D.Zha

5、o, OUC6海洋中的营养盐海水中由N、P、Si等元素组成的某些盐类，是海洋植物生长必需的营养盐，通常称为“植物营养盐”、“微量营养盐”或“生源要素”海水中的痕量Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Co、B等元素，与生命过程密切相关，称为“痕量营养元素”海洋中微量营养盐通常表现为沿岸、河口水域的含量大于大洋；太平洋、印度洋高于大西洋在大洋真光层，由于海洋浮游生物大量吸收营养盐，使其含量很低甚至为零被生物摄取的N、P、Si等营养盐转化为生物颗粒有机物，沉降过程中由于微生物的矿化和氧化作用，有一部分重新转化成DIN、DIP和溶解硅酸盐，释放回水中，因而随深度增加而增大，至某深度达到最大值海洋上升流区营养

6、盐丰富D.Zhao, OUC7海洋中的营养盐的季节变化中纬度海区和近岸浅海海区的季节变化比较明显夏季浮游植物繁盛，营养盐被大量消耗，加上温跃层的存在，妨碍了上下层海水的混合，营养盐的含量降到很低秋季浮游植物繁殖速率下降，生物残体中的有机物被微生物矿化分解，加上水体混合，营养盐含量逐渐上升冬季时营养盐含量达到最大值春季，浮游植物生长又开始进入繁盛期，海水中营养盐含量再次下降与硝酸盐和磷酸盐相比，即使在浮游植物繁盛时期，硅酸盐虽然被大量消耗，其含量依然保持一定水平，这是由于陆地径流和风将溶解硅带入海洋得以补充D.Zhao, OUC8海水中的二氧化碳系统海水中的无机碳的主要形式为HCO3-、CO32

7、-、H2CO3和CO2。溶解CO2可以与大气中的CO2进行交换，起到调节大气中CO2浓度的作用海水的二氧化碳系统是维持海水有恒定pH值（8.1）的重要原因。海水中存在下列平衡海水的pH值变化很小，有利于海洋生物的生长，其弱碱性有利于海洋生物利用CaCO3组成介壳一般气体在海水中的溶解量与其在大气中的分压成正比，CO2与水有反应，进一步增加了其在海水中的浓度CO2（g）+H2O=H2CO3H+HCO3-=2H+CO32-Ca2+ +CO32-=CaCO3（s）D.Zhao, OUC9海水中的二氧化碳藻类的光合作用消耗CO2，产生有机物和氧气，使得大部分地区表层CO2不饱和CO2浓度随深度增加，这

8、是由于深层水下沉有机物的分解含有较多的CO2，同时由于CO2的溶解度随压力增加而增加上升流将CO2带入表层溶解CO2可以与大气中的CO2进行交换，该过程起着调节大气CO2浓度的作用，对气候变化起“缓冲和调节”温室效应。可用同位素14C的浓度变化，研究CO2的气体交换速率和水团的年龄D.Zhao, OUC10 CO2 通量的估计 k: 气体交换速率 s: 气体溶解度 PCO2: CO2分压 气体交换速率 k与海面附近的湍流强度密切相关实际应用中，常将k用风速参数化海-气界面的气体交换D.Zhao, OUC11海水的总二氧化碳海水对CO2的吸收取决于3个因素：海水的静态容量：达到热力学平衡后，海水

9、中的CO2增加量大气-海洋之间CO2交换速度有多快，动力学问题海水铅直混合率大小在赤道海区、北太平洋和南大洋等海域的表层水中有丰富的硝酸盐和磷酸盐，但生物量很低法国海洋化学家Martin指出主要原因是铁限制1992和1995年进行了加铁实验，证实在大面积海域中添加微量铁，可大大提高藻类的增殖速度D.Zhao, OUC12海水中的其他气体氧气：海洋植物的光合作用产生氧气，而光合作用只能在真光层进行海水表层溶解氧含量最大，深层减小由于海洋浮游植物活动中的代谢产物产生DMSP，DMSP在酶的催化下分解得到DMS（二甲基硫）DMS容易挥发，到大气中可以成为云凝核子，是一种“负温室气体”在缺氧的水中细菌

10、可以把CO2和CO还原为CH4，所以缺氧水中的CH4含量较高CH4在水中的铅直分布随深度增加而降低D.Zhao, OUC13元素在海水中的逗留时间元素在海水中逗留的时间取决于河流输入和海底沉积之间的平衡Barth(1952)提出海水中元素的逗留时间，其定义为 M为海水中某元素的总量 Q为某元素每年进入海洋的量海水中元素的逗留时间大致在102108年海水的更新时间在温跃层（平均100m）以上平均为几十年，而在深层为1000年左右水4万年更新一次如果元素逗留时间大于更新时间，则在整个海洋中的分布应为均匀的，否则不均匀D.Zhao, OUC14海洋化学污染海洋污染定义：直接或间接由人类向大洋和河口排

11、放的各种废物或废热，引起对人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命的现象海洋的污染主要发生在靠近大陆的海湾,表现为石油污染、赤潮、有毒物质累积和核污染 污染最严重的海域：渤海、波罗的海、地中海、东京湾、纽约湾、墨西哥湾等D.Zhao, OUC15海洋化学污染物海洋中的重金属： 海洋中的重金属对于海洋环境有极大的危害，毒性较大的有汞、铅、镉、鉻、铜等50年代发生在日本熊本县水俣市的水俣病，是由于汞化合物排入海中，与有机物反应生成甲基汞，通过食物链在鱼虾贝类中富集，人类食用后中毒自上世纪20年代开始使用四乙基作为汽油防爆剂，汽油燃烧后的铅有75%进入大气根据格陵兰冰雪柱的分析，200年来大气铅含

12、量增加了20多倍D.Zhao, OUC16海洋化学污染物合成有机化合物： 进入海洋的有毒化合物属于DDT（滴滴涕）和PCB（多氯联苯）它们不能被细菌或简单的化学反应所分解，在海洋中滞留时间很长，最先被藻类吸收，之后是贝类营养物质： 海水中有硝酸盐、磷酸盐等营养盐，为海洋生物生长所必需，磷酸盐常会成为藻类生长的限制因子大量生活污水（含磷洗衣粉）排入大海，造成富营养化，造成水华，爆发赤潮赤潮D.Zhao, OUC17海洋污染物种类石油及其产品 金属和酸、碱。它们直接危害海洋生物的生存和影响其利用价值。 农药，主要由径流带入海洋。 放射性物质，来自核爆炸、核工业或核舰艇的排污。 有机废液和生活污水。

13、由径流带入海洋。极严重的可形成赤潮。 热污染和固体废物。 主要包括工业冷却水和工程残土、垃圾及疏浚泥等。前者入海后能提高局部海区的水温，使溶解氧的含量降低 ，影响生物的新陈代谢，甚至使生物群落发生改变；后者可破坏海滨环境和海洋生物的栖息环境。 D.Zhao, OUC18海洋石油污染每年大约有（510）X106t石油流入大海，其中2/3来自运输途中泄露，1/3来自河流排放。石油降解包括扩散、蒸发、溶解、乳化、光化学氧化、微生物氧化、沉降、形成沥青球，以及沿着食物链转移等过程。石油最终被海洋微生物降解为CO2。1983年12月，“东方大使”号油轮在青岛胶州湾触礁搁浅，溢油3000多吨 D.Zhao

14、, OUC19墨西哥湾石油泄漏2010年4月20日，爆炸和大火导致墨西哥湾的油井泄漏。大约70万吨石油进入海洋D.Zhao, OUC20渤海石油泄漏事件2011年6月，中海油与美国康菲公司合作的位于渤海中部的蓬莱19-3油田发生溢油事故，造成5500多平方公里海域被污染D.Zhao, OUC21全球严重石油泄漏事件1967.3，利比亚油轮“托雷峡谷”号在英国锡利群岛附近沉没，12万吨原油倾入大海1978.3，利比亚油轮“阿莫科 加的斯”号在法国西部海域沉没，23万吨原油泄漏1979.6，墨西哥湾一处油井发生爆炸，100万吨原油流入墨西哥湾1989.3，美国“瓦尔德斯”号油轮在阿拉斯加州威廉王子湾搁浅，泄漏5万吨原油1991.1，海湾战争期间，伊拉克点燃科威特境内的油井，多达100万吨石油泄漏到大海1992.12，希腊油轮“爱琴海”号在西班牙西北部触礁，至少6万吨原油泄漏D.Zhao, OUC22全球严重石油泄漏事件1996.2，利比亚油轮“海上女王”号在英国西部威尔士圣安角附近触礁，14.7万吨原油泄漏1999.12，马耳他籍“埃里卡”号在法国西北部遭遇风暴，断裂沉没，泄漏1万多吨重油2002.11，利比亚籍“威望”