天津科技大学化学海洋学复习资料剖析Word文件下载.docx
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甲烷和一氧化碳。
（3）放射性气体。
例如；
3H、222Rn、3He。
5.海水是怎样形成的？
海水物质的来源？
（1）最初的海水是伴随地球本身的形成，较轻物质从接近地核的中心向地表迁移形成大气和海水雏形；
（2）在地球地质结构成熟（15亿年）以前，原生火成岩中易溶物质和频繁的火山喷发带来的酸性挥发物质溶于地表水中，汇成海水；
（3）在地球地质状况进入稳定期后，陆地岩石风化后淋滤水携带溶解物质通过径流入海是海水物质的主要来源。
海洋中大部分的阳离子和一小部分阴离子看来似乎是来源于火成硅酸盐的风化和火山的排出物，并由河流带入海洋。
也有一部分来自海底的水热作用产物。
多数主要阴离子是来源于挥发性物质。
6.理解表1.2与Goldschmidt模型的关系。
图1-4Goldschmidt地球化学平衡模型示意
表1.2海水中常量元素的种类和含量
7.会计算元素或某中成分在海水中的停留时间。
掌握几种主要元素的平均停留时间：
富集元素：
Cl、Br、Na、Mg、K、S、B、Sr、Rh、U、Ca、C、F
预平衡元素：
N、P、Si、I
贫乏元素：
Al、Fe、Mn、Cu。
Q、R：
元素y输入、输出海洋的速率
M：
元素y在海洋中的总量
显然：
dMy/dt=Qy－Ry
经无数次循环，海洋与地壳岩石间元素分布基本平衡。
所以有：
dMy/dt=Qy－Ry=0
该式称为稳定海洋假设，即对同一种元素y而言：
Qy=Ry；
但不同元素之间的Q或R各不相同。
海水中某种元素y的平均停留时间定义如下：
ty=My/Qy
利用平均停留时间定义式，可以进行各种元素平均停留时间的计算，也可以对海水中其他组分（例如海水中的水分）进行这种计算；
海洋中水的停留时间tW≈4000年（这里海水平均深度4000m、以海水平均蒸发量1m/yr作为海洋中水的输出速率）。
8.对维持海水化学组成的机制的理解：
⑴影响海水化学组成的本质因素是元素的特性，主要是元素的水溶性和元素在海水中的地球化学活性；
另外，元素在地球体系中的总存在量也制约着元素在海水中的浓度。
解释：
元素在海水中以溶解态存在的前提是该元素存在形式是水溶性的，水溶性越强，海水中含量越多；
在海水体系中，某元素的地球化学活性越弱，海水中含量越多。
不同元素的特性相异，导致海水各元素的含量差异。
如果一种元素在地球中本来存在量就小，那么它在海水中的浓度也不会大。
⑵维持海水化学组成的机制，有几种理论进行解释。
A.元素的地球化学循环平衡过程作为维持机制。
即：
海水中某种元素的多少，是由该元素在地球各储库间的大循环、大平衡所决定的。
地球进入稳定期（距今15亿年）以来，各元素在各储库间已达到了地球化学循环的平衡，作为储库之一——海水的化学组成无实质变化。
这意味着各种元素已经在海水与地壳岩石、海水与大气间建立了化学平衡。
相比之下，海水中生物循环过程只对局部海水的元素构成产生影响，但实际上它只是内部循环，短时间尺度有影响；
长时间尺度看，不能作为整体海水化学组成的维持机制。
B.海水中的其它化学过程作为维持机制。
包括酸-碱反应，氧化还原反应，溶解-沉淀反应，络合反应，气-液和液-固反应。
但是，在这些反应过程，有的属于海水的内部循环，短时间尺度有影响；
其余属于元素地球大循环（即①）的组成部分。
C.溶存元素-矿物平衡过程作为维持机制。
克雷莫（Kramer，J.R.1965）提出的理论。
他研究了海水中的10种主要成分，H+，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，PO43-，SO42-，Cl-，F-，CO2。
认为这些溶存组分和在海底沉积物中出现的矿物之间存在着化学平衡，海水中这些元素的浓度就是由这种化学平衡关系来决定的。
该理论还有待验证。
显然溶存元素-矿物平衡属于元素地球大循环（即①）的组成部分。
综上所述，维持海水化学组成的因素有两方面：
⑴本质因素是元素的特性，主要是元素的水溶性、元素在海水中的地球化学活性和元素在地球体系中的总存在量。
⑵过程因素是元素的地球化学循环平衡过程。
9.元素的（分离）分配系数和电负性函数关系如何？
两者的定义和物理意义？
（答案提示：
分离分配系数与电负性函数的关系要强调线性递减（负相关）关系，同时注意电负性函数不等同于电负性。
）
分离分配系数的物理意义：
它反映了海水中的目标元素浓度与其在地壳岩石中浓度的相对大小。
电负性函数的物理意义：
以氧为参比元素，综合表征了元素（地球）化学性质的差异。
10.海水中富集、贫乏和预平衡元素划分的具体标准是什么？
若以cs、cr分别表示元素y在海水和河水中平均浓度（单位µ
mol/kg）。
可将海水中元素粗略划分如下：
（1）海水富集元素：
cs＞10cr
在漫长的地质年代里不断聚集，充分混合，相互间的浓度比例基本保持恒定（变化在±
10%以内）。
（2）海水贫乏元素：
cs＜0.1cr
与河水比较，海水中这些组分含量少，一旦进入迅速从海洋中离去，因此在整个海洋中的分布是不均匀的，不同海区浓度差异常常很大。
（3）预平衡元素：
10cr＞cs＞0.1cr
在河水和海水中的浓度相近，流入海洋的该元素似乎是被河水“预平衡”的。
11.盐度与氯度的定义和单位？
如何测定？
海水的盐度和氯度（范围）分别是多少？
盐度定义为：
在1千克海水中，所有的溴化物和碘化物为等摩尔的氯化物所取代，所有的碳酸盐全部转换为氧化物，有机物全部被氧化以后所含固体物质的总克数，以克/千克为单位，用符号S‰表示。
氯度定义为：
在1千克海水中，当溴和碘为等摩尔的氯取代后，所含氯的克数。
以克/千克为单位，用符号Cl‰表示。
新定义为：
沉淀0.3285234千克海水中卤素所需银的克数。
测定方法：
（1）1902年国际海洋学委员会规定下列操作方法：
取一定量的海水，用HCl酸化以后，再加氯水，在水浴上蒸干，而后放在150℃烘干24小时，最后先后在380℃及480℃分别烘烧48小时至恒重，称出每千克海水残留固体物的重量。
（2）电导法测定。
第2章海水中的微量元素
1.微量元素的界定值。
研究微量元素的意义。
微量元素的界定值：
1mg/kg
研究微量元素的意义：
（1）微量元素虽然含量少，但也参与了海洋中的各种生物化学过程；
（2）相同的海洋过程对微量元素的含量的影响要比常量元素更明显，或者说同一海洋过程所造成的微量元素的相对变化幅度要大于常量元素，这使我们更容易发现问题。
2.叙述1970s后期海水微量元素研究的变化。
变化的背景是什么？
这种变化表现在两个方面：
1）采样更科学和分析技术更精确。
采样技术的改进使得我们可以在尽可能地避免样品沾污的条件下采集海水样品；
分析技术的改进后得到的分析仪器和分析方法的检测限更低、能够得到更为精确的微量元素含量值。
2）海洋学界公认的微量元素含量值普遍比之前低1～2个数量级。
经过海洋学上的一致性检验的微量元素含量数据普遍降低。
3.什么是“海洋学上的一致性”？
痕量元素的浓度的时空变化与海洋中已知的生物过程、物理过程、地质过程相一致。
或者说，海洋中经过相同的物质循环过程的微量元素间应有较好的相关关系。
他们在海水中应有类似的分布。
或者说，实测数据能用海洋中已知的生物过程、物理过程、地质过程解释。
4.布鲁兰分类法的优点是什么？
其他分类方式有哪些？
（1）直观地描述了微量元素的空间分布。
（2）其他分类方式：
1）根据平均停留时间分类法——角皆静男等于1983年提出的。
2）根据与生物的关系的分类法——Broecker和彭宗宏于1982年提出的。
3）根据痕量元素在海水中的垂直分布进行分类——Bruland于1983年提出的。
5.海洋中微量元素的输入和再生方式有哪些？
哪种输入量最大？
输入方式：
（1）两种主要的外部来源：
A.大气或河流把陆地岩石风化的产物输入到海洋中。
B.通过海水的相互作用在海脊伸展中心引入矿物，形成海洋地壳玄武岩，经由高温热液活动和低温的相互作用重新释放痕量元素。
（2）热液活动，海底高温的热液活动把痕量元素引入海水中。
（3）伴随中层、深层颗粒物质的氧化分解及浮游生物外壳骨骼（硅酸、CaCO3）的溶解而发生的再生过程。
（4）伴随沉到海底的沉积物的重新溶解而发生的再生过程。
海水中微量元素的再生：
（1）颗粒相的再生作用：
颗粒物质的产生、沉降、分解是控制海洋中微量元素分布的重要因素。
颗粒物绝大多数起源于表层，在更深水层，沉降中的颗粒氧化分解、溶解作用使其中的微量元素得以释放，返回海水中。
（2）沉积相的再生作用：
沉积物中微量元素的重新溶解并进入海水，是海洋中微量元素循环的关键过程之一。
6.熟悉移流-扩散方程的形式和简单的推导。
AZ、AX、AY的取值范围是多少？
举例说明什么情况下R值为正、为负、为零。
大洋中任意一点处某一成分浓度的改变，可看作是移流（海水水团在三维空间的宏观运动，即通常所谓的海流，如上升流等）和涡流（湍流）扩散综合作用的结果。
借用分子扩散理论，则涡流（湍流）扩散速率可以用费克定律描述。
例如:
垂直方向（向下为正，水表z=0）
在大洋水体中取某微元体积，对某一成分作物料衡算：
浓度增加速率=扩散进入净速率+内部生成净速率-移流迁出净速率
得到组分浓度的移流-扩散方程[一般式]：
在大洋中AZ的范围通常是0.1到103厘米2/秒；
而AX和AY的范围是104到108厘米2/秒。
举例：
A、当一个（生物、化学）反应过程造成目标元素在水体中浓度增加时，R＞O，例如海水中光合作用为主时，水体中的溶解氧增加。
B、当目标元素不参与（生物、化学）反应过程时，R=O，例如海水中的保守行为元素即是如此。
C、当一个（生物、化学）反应过程造成目标元素在水体中浓度减少时，R＜O，例如海水中放射性元素，放射性衰变反应过程总是使其浓度减少。
7.能够根据移流-扩散方程一般式，针对元素的特征分布和具有特定环流环境的海域给出各种简化模型的数学表达式。
也会逆向描述数学模型的所适宜的元素分布和海洋环境。
什么是单行为模型？
单行为模型：
我们将涡流扩散和宏观移流称为两种不同的行为过程，当在一个方向上只研究一种行为忽略另一种行为时所得到的微量元素分布模型就是单行为模型。
单行为模型是对实际过程的合理简化，当移流和扩散两种过程中的一种主导元素的浓度分布，另外一种的影响可以忽略时，就适宜选用单行为模型进行分析，所用的移流-扩散方程也简化很多。
8.箱式模型的基本假设是什么？
全球箱式模型种类和箱子界定。
箱式模型是选择某个三维水体（称为箱子）作为研究对象，假设同一箱体内海水混合快速而均匀，在整个箱体内目标元素的浓度，或温度等参数接近相等；
但不同箱体间差异巨大，且混合缓慢。
全球箱式模型种类和箱子界定：
A：
全球双箱模型：
这是最简单的箱式模型。
第一个箱子由海洋低纬度的表层水组成，高温低盐度；
第二个箱子由各大洋的深层水和高纬度的表层水组成，低温高盐度。
两个箱子间被温跃层隔开（两极不存在）。
B：
全球四箱模型：
包括如下四个箱子：
[1]北大西洋深层水，[2]南极底层水，[3]太平洋印度洋中（表）层水，[4]太平洋印度洋深层水
C：
四层模型
9.什么是微量元素的保守行为和非保守行为，影响元素行为的因素有哪些？
河口海区元素的非保守行为有哪两种？
请分别加以简介。
非保守行为是指元素的存在形态发生改变的行为，这种改变可能起因于生物的、化学的或物理的过程。
保守行为则是指存在形态未发生改变。
影响因素：
元素自身的化学性质和水体的（化学、物理、生物）环境。
河口水体中元素的非保守行为有：
清除型和溶出型
清除型：
当河水流向海洋经过河口地区时，水体中的目标元素的溶存形式会以不同方式与颗粒结合而转变成颗粒态，进而从水体沉降、沉积到水底，致使该元素迁移出水体。
溶出型：
当河水流向海洋经过河口地区时，水体颗粒态元素从颗粒溶出成为溶存形式，进而进入水体。
10.微量元素从海水水体中清除（迁离）的具体方式有哪些？
（1）表层浮游植物的摄取。
（2）有机颗粒物质的吸附清除作用。
（3）水合氧化物和粘土矿物的吸附并沉降至海底，成为沉积物的一部分。
（4）结合到铁锰结核上。
11.河口海区的环境的特殊性体现在哪些方面？
（1）河口区的化学环境：
在河口区化学环境的变化剧烈且影响因素复杂，主要表现在①从低离子强度介质向高离子强度介质的过渡；
②存在着从低pH向高pH的过渡；
③从低盐度向高盐度过渡。
这种环境下微量元素有充分机会发生吸附-脱附和沉淀-溶解反应。
（2）河口区的物理环境：
具有淡水源的河口港湾产生一种效应：
淡水从上层流出，高盐度海水则在底下流入。
形成非常明显的界面，而互相分开。
潮流通过湍流混合作用破坏该界面，促使河水和海水在垂直方向上混合。
河水和海水之间的相互作用还受到港湾的物理因子和所谓科利奥莱力（地转偏向力）的影响。
第三章海水中的营养元素
1.营养元素的类别划分，营养盐的定义。
广义的营养元素是指海洋生物生长所需要的元素，包括基本生命元素（C、O、H）、常量营养元素（Na、Mg、K、Ca、Cl等）生原要素和痕量营养元素四类。
营养盐的定义：
生源要素能被海洋生物直接吸收利用的化合物形式。
2.三种生原要素的主要存在形式及其所占比例。
海洋中磷的存在形式：
溶解无机磷（DIP）：
海水中磷的主要存在形态。
按浓度大小为序,主要有：
HPO42-、NaHPO4-、MgHPO4（三项合计占87%）、PO43-（12%）、H2PO4-、H3PO4（1%）。
颗粒无机磷（PIP）：
主要以动物骨质中磷灰石的形式存在[Ca（PO4）3（OH,F）]。
可溶性有机磷化合物（DOP）
含有磷的生物性颗粒（POP）
海洋中氮的存在形式：
海水中氮元素含量2.3×
1019g，其中化合态氮含量4.8%，溶解氮气95.2%。
化合态氮1.1×
1018g，其中无机态占52.1%，有机态占47.9%；
无机态氮大部分是作为海洋生物的营养盐的氮化合物，它们的总量约5.4×
1017g，表层海水中的浓度NO3-：
1～600µ
g/dm3，NO2-：
0.1～50µ
g/dm3；
NH4+：
5～50µ
g/dm3。
另外，氮的有机化合态中生命体占0.1%，非生命体占99.9%，生命体中动物占56%，植物占44%。
海水中硅的存在形式：
海水中的硅主要以溶解硅酸盐、悬浮二氧化硅以及生物颗粒中所含硅的形式存在。
前者主要形式是单位硅酸Si（OH）4。
3.氮元素在生物吸收、及生物分解过程中各存在形式间的转换次序。
（1）光合作用时植物对氮元素的吸收（同化）。
NO3-（海水）→NO3-（细胞内）→NO2-→NH4+→氨基酸（有机氮）
↑↑↑↑
透性酶硝酸还原酶亚硝酸还原酶谷氨酸脱氢酶
（2）生物体的分解氧化。
像同化过程一样，在生物体呼吸、腐烂时各种细菌和酶在氮的分解、再生过程中也扮演着重要角色。
其氧化再生的顺序是，有机N→NH4+→NO2-→NO3-；
其氧化再生过程停止（平衡）约需3个月。
4.三种生原要素在海洋中循环的主要环节有那些？
硅与氮磷的循环过程有什么不同？
（指出有哪些环节即可，没必要画图。
循环主要环节：
与P、N在海水中的循环相比，Si具有四个方面的特点：
（1）生物体中的Si，绝大部分存在于硬组织中水溶性较差，而P、N主要存在于软组织中水溶性较好；
（2）微生物（细菌）在P、N的再生过程中起着决定性的作用，但硅的再生则主要靠海水的溶解。
因此硅的循环环节要简单得多；
（3）由于河流补充量大，生物消耗不会造成硅酸盐的表层耗尽；
（4）硅是海洋中变化幅度最大的元素，无论是丰度还是浓度变化幅度都比P、N元素大得多。
5.三种生原要素在海水中的水平分布、垂直分布有那些特点？
三种营养盐在大洋中的垂直分布呈现类似的特点即：
表层耗尽，深层维持在较大的浓度。
N、P垂直分布更接近：
自表层含量随深度增加，在约1000M左右出现最大值，表明大量的生物残体的软组织在此深度基本分解殆尽。
Si的垂直分布则与前二者有所区别，在约1000M以下，Si的含量仍在增加，表明由于生物残体的硬组织分解速度慢，直到海底也未分解完成。
水平分布：
1.沿岸河口含量高于大洋。
在生活污水大量排入的海域，会形成富营养化（N、P），造成海水污染并诱发赤潮，我国长江口（上海附近）海域硝酸盐含量高达65µ
mol/dm3，居世界之冠[12-119]。
但某些季节,沿岸生物的繁盛会使含量降至很低；
2.太平洋、印度洋高于大西洋。
影响表层营养盐含量的因素多且复杂；
相比之下，深层水营养盐含量分布更具有规律性。
由北大西洋→南至非洲海域→印度洋东部→太平洋逐步增加、最后富集于北太平洋；
3.开阔大洋中：
含量随纬度增加而增加。
高纬度海域高于低纬度海域。
6.三种生原要素在海水中的浓度（随时间的）变化有那些特点？
在北半球的中纬度地带，夏季营养盐浓度低、而冬季高。
由于夏季光合作用活跃；
为植物摄取量大，以及水体成层，所以难以由下层补给营养盐，这是造成营养盐浓度低的原因。
冬季有机物的分界作用超过光合作用，营养盐再生显著，以及随着海面冷却，引起垂直混合，由下层补营养盐，因此表层营养盐浓度变高。
7.影响生原要素分布变化的因素有那些？
并举例说明。
（1）生物活动，海水环流；
（2）大陆径流，季节降水；
（3）海底温泉（火山），沉积作用。
（举例：
略）
8.营养元素（氮、磷、硅、碳、氧、钙）在生物硬组织和软组织中的存在丰度特点。
（硬组织中含有硅、钙；
软组织中含有氮、磷）
C
P
N
Si
Ca
颗粒碎屑
软组织
80
1
15
硬组织
40
50
平均
120
海水
深层
800
3200
表层
680
3160
软组织或称有机组织不含Si和Ca；
而硬组织[主要是碳酸钙和蛋白石-SiO2]不含P和N。
9.大洋海水表层深层水体中碳元素含量通常哪里大？
原因是什么？
10.理解图3.17所示的理想协变关系（解读营养盐理想协变图所包含的化学海洋学信息）。
①由于理想状况下，海水中的溶解碳、磷酸盐和硝酸盐浓度的改变只受海洋生物活动的控制，而生物按生物化学构成比例对三者摄取和释放，因此表明海水体系化学构成的相位点只沿图中对角线移动。
②当海洋中以光合作用为主，生物生长繁盛时，消耗水中的三者并使其浓度下降，并且是三者浓度协同下降，生源要素耗尽时，相位点即移到对角线最下端；
当生物氧化分解呼吸时，会将生源要素释放回海水中，三者浓度协同增加，这种分解达到极致时，相位点即移到对角线最上端。
③“表、冷”代表辅聚到下降流区的表层水，在辅聚过程中逐渐被冷却（因为主要下降流区接近南北极），生源要素耗尽，故相位点位于对角线最下端。
“深、×
×
洋”是指在各大洋深层环流的水体，由于水体携带的生物颗粒在环流运移过程中逐渐分解，溶解碳、磷酸盐和硝酸盐浓度逐渐增加，各大洋的深层水体的相位点是不同的；
大西洋最低，太平洋最高。
11.生物活动指数是如何定义的？
其物理意义是什么？
什么样的元素指数大（小）？
生物体内含量大的元素，生物活动指数一定大吗？
（1）生物活动指数β：
为了表示海洋里各种元素受生物的影响，或和生物的相互作用的程度，三宅和猿桥（1966）引进了生物活动指数：
（2）β越大，说明该元素与生物活动的关系约密切
元素
β
0.015
330
60
180
（3）海水中含量小，生物体内含量大的元素，生物活动指数一定大；
海水中含量多，生物体内含量少的元素，生物活动指数一定小。
12.以磷为例，简述大洋环流对生原要素各大洋水平分布的影响。
（图3.3）
（从下面两方面简述：
大洋环流的流势；
表层回流——光合作用；
深层流动——氧化分解作用；
流动中接受上层颗粒）
第四章海水中化学物质的存在形态
1.化学存在形式的概念，化学存在形式的分类（化学属性、相态、Stumm）。
化学存在形式是指元素在一个化学体系中的真实存在形式。
分类：
（1）按化学属性分类：
分为有机存在形式和无机存在形式
（2）按存在相态分类——固、液、气
液相：
溶存形式是元素以真溶液形式存在，包括单质、离子、离子队、分子和络合物。
固相：
元素作为固相的组成部分或被固相吸附。
包括胶体吸附和[粗]颗粒络合物。
气相：
含有目的元素的气体分子存在于海水中的气泡。
（3）按粒体大小分类：
将海水中的金属划分为七类：
a.自由金属离子b.无机离子对、无机络合c.有机络合物、螯合物d.高分子量有机金属化合物e.高分子散胶体的金属络合物f.吸附在胶体上的金属化合物 g.沉淀物、有机颗粒、活生物体残骸。
2、控制化学存在形式的过程包括哪些？
要理解：
A、某一过程的存在决定了参与这一过程的元素的不同化学形式的存在。
B、反应过程的平衡常数决定了不同化学形式的量的分布。
参考答案：
在海水中，元素的各个存在形式之间量的分配是化学反应平衡所决定的，这些化学反应有六类，包括：
a．海水中主要成分的离子缔合反应b．弱酸解离反应c．微量元素的络合反应d．氧化还原反应e．生物化学反应f
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