第 2 章 海洋的形成和海水的组成——兼论地球上水的起源、变迁和循环 在元素全球生物地球化学循环中，水既是重要的参加者，又是一种重要的介质。因此， 水循环的研究是国际全球变化研究的一个重要组成部分。 2．1 太阳系物质的含水量 1） 碳质球粒陨石含水量很高，主要以含水矿物的形式存在。有些碳质球粒陨石类型 I 之 中水的重氢的浓度比地球上任何地方的都高得多。 2） 陨石经大气层时，磨擦发热，可能失水。然而经大气层降落时因发热而生成熔融表层， 能有效地保存陨石内部的气体的状况，因此也可能起保存水的作用。陨石落到地球上之后， 也可能会混合入地球上的水。 3） 表 2.1 中的水仅是地壳部分，除以整个地球质量而得的商，应当说是地球含水量之下限。 假设地球与普通球粒陨石的单位含水量相同，则由表 2.1 可见在地壳以下还存在着 8 倍的地 壳水量。 4）地球与金星的比较。金星的资料主要来自美苏宇宙飞船。地球与金星除含水之外，其他 组分的气体含量大体上相近；CO2 和 N2 含量相近。地球不则是在含水矿物不分解的条件下， 与次生物质合为一体。所以还有相当数量的含水矿物没有分解，故含水量高。 5） 地球内部除水之外，还有稀有气体。例如氙(Xe)、氦(He)、氩(Ar)等。 2．2 地球和海洋水的形成 地球上有大量海水存在，地球的水是与地球的形成紧密联系在一起。 2．2．1 地球的物质集积过程 在地球的物质集积过程终结时，可辨识的原始大气忽略不计。“挥发性物质经脱气作用， 由地球内部向地表供给为主，原始大气的存在可被忽略。即在地球聚集过程中化学反应所生 产的气体，少到可以忽略。”这是关于地球的物质集积过程的一个较常见的观点
第 2 章 海洋的形成和海水的组成——兼论地球上水的起源、变迁和循环 在元素全球生物地球化学循环中，水既是重要的参加者，又是一种重要的介质。因此， 水循环的研究是国际全球变化研究的一个重要组成部分。 2．1 太阳系物质的含水量 1） 碳质球粒陨石含水量很高，主要以含水矿物的形式存在。有些碳质球粒陨石类型 I 之 中水的重氢的浓度比地球上任何地方的都高得多。 2） 陨石经大气层时，磨擦发热，可能失水。然而经大气层降落时因发热而生成熔融表层， 能有效地保存陨石内部的气体的状况，因此也可能起保存水的作用。陨石落到地球上之后， 也可能会混合入地球上的水。 3） 表 2.1 中的水仅是地壳部分，除以整个地球质量而得的商，应当说是地球含水量之下限。 假设地球与普通球粒陨石的单位含水量相同，则由表 2.1 可见在地壳以下还存在着 8 倍的地 壳水量。 4）地球与金星的比较。金星的资料主要来自美苏宇宙飞船。地球与金星除含水之外，其他 组分的气体含量大体上相近；CO2 和 N2 含量相近。地球不则是在含水矿物不分解的条件下， 与次生物质合为一体。所以还有相当数量的含水矿物没有分解，故含水量高。 5） 地球内部除水之外，还有稀有气体。例如氙(Xe)、氦(He)、氩(Ar)等。 2．2 地球和海洋水的形成 地球上有大量海水存在，地球的水是与地球的形成紧密联系在一起。 2．2．1 地球的物质集积过程 在地球的物质集积过程终结时，可辨识的原始大气忽略不计。“挥发性物质经脱气作用， 由地球内部向地表供给为主，原始大气的存在可被忽略。即在地球聚集过程中化学反应所生 产的气体，少到可以忽略。”这是关于地球的物质集积过程的一个较常见的观点
2．2．2 地球的表层水和内部水 2．2．2．1 脱气作用与向地表供水 地球上的水对其热历史有很大影响。在聚集过程终结时，由于聚集过程的重力能、放射 性衰变能等的影响，地球被加热，其水合物可能会慢慢地分解，而水会向地球上方移动，向 地表层开始供水，最后聚集在地球表面。（在地核形成过程及形成终结时）地球的脱气作用， 在地球形成史上是最为活跃的。金属相在地球生成过程中，因沉降而生成地核。地核与地表 的元素组成有很大的不同，如图 2.1 所示。当地球表面逐渐固化构成地壳，脱气作用就不大 活跃了。固化的地壳温度是不均匀的，于是水就在低温部分冷凝，最后形成海洋。 2．2．2．2 地球内部的水 地球内部的水，按地壳含水量和地函含水量两者进行估算。 1） 地壳含水量：若地壳由玄武岩构成，由夏威夷外海底采集的新鲜玄武岩中，含水 约 0.3%~0.7%。如按地壳平均含有 0.5%的水来估算，其总量相当于目前海水、极冰和沉积 物中水量的 0.6%。 2） 地函含水量：在地函中存在的水有以含水矿物的形式固定在矿物结晶中水和游离 水两种形式。 2．3 海水的化学组成 海水的化学组成，原始海水与现代海水两者的化学组成是不同的。 2．3．1 原始海水的化学组成 研究海水的化学组成和变迁有两种方法：一种方法是“以古论今”。另一种方法是“以今 论古”。具体例子如下： “元素地球化学平衡法”——即按供给海水的元素量和从海水中除去的元素量之间达到 动态平衡——是研究原始海水化学组成的一个方法。 2．3．1．1 原始海水的量
2．2．2 地球的表层水和内部水 2．2．2．1 脱气作用与向地表供水 地球上的水对其热历史有很大影响。在聚集过程终结时，由于聚集过程的重力能、放射 性衰变能等的影响，地球被加热，其水合物可能会慢慢地分解，而水会向地球上方移动，向 地表层开始供水，最后聚集在地球表面。（在地核形成过程及形成终结时）地球的脱气作用， 在地球形成史上是最为活跃的。金属相在地球生成过程中，因沉降而生成地核。地核与地表 的元素组成有很大的不同，如图 2.1 所示。当地球表面逐渐固化构成地壳，脱气作用就不大 活跃了。固化的地壳温度是不均匀的，于是水就在低温部分冷凝，最后形成海洋。 2．2．2．2 地球内部的水 地球内部的水，按地壳含水量和地函含水量两者进行估算。 1） 地壳含水量：若地壳由玄武岩构成，由夏威夷外海底采集的新鲜玄武岩中，含水 约 0.3%~0.7%。如按地壳平均含有 0.5%的水来估算，其总量相当于目前海水、极冰和沉积 物中水量的 0.6%。 2） 地函含水量：在地函中存在的水有以含水矿物的形式固定在矿物结晶中水和游离 水两种形式。 2．3 海水的化学组成 海水的化学组成，原始海水与现代海水两者的化学组成是不同的。 2．3．1 原始海水的化学组成 研究海水的化学组成和变迁有两种方法：一种方法是“以古论今”。另一种方法是“以今 论古”。具体例子如下： “元素地球化学平衡法”——即按供给海水的元素量和从海水中除去的元素量之间达到 动态平衡——是研究原始海水化学组成的一个方法。 2．3．1．1 原始海水的量
有人以陨石的数据作参考，估计存在于地壳和地函中的水量月 2×1025g，目前地球表 面的水量约 2×1024g，即约 10%的水逸出到地表。 2．3．1．2 挥发性物质 对海水中的挥发性物质：F、Cl、Br、I、B、S、Ar 等，在海水中以阴离子形式存在， 它们在海水中的含量，则远比从岩石中溶出的要多，这可能是火山，海底热泉等作用之故。 （整个地球历史时期被风化岩石量）+（火山、海底热泉、温泉等自地球内逸出的物质 量）= （海水中的水及其溶存物质量）+（沉积物量）=（碎屑物）+（化学沉淀物量）+（生 物物质量）+（大气中的物质量）+（逸出到地球大气圈外的物质量） 地球表层挥发性物质的元素量见书表 2.3。下图表示地球表面 C、N、S 氧化—还原态 势。 2．3．1．3 原始海水的化学组成 CO2 体系对海水是至关重要的。逸出的 CO2 溶入海水，使海水因酸—碱平衡而存在化 学物种形式 CO3 2-、HCO3 -等，与海洋中金属发生络合作用，使金属以较稳定的溶解形式存 在于海水中。因沉淀—溶解作用，氧化—还原作用，酸—碱作用，络合作用等与海水中的常 量组分和微/痕量组分反应，使原始海水的化学组成不断变化并逐渐进化成海水。 2．3．2 现代海水的化学组成 海水中含量最多的元素是水（氢和氧）之外的 Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、 Br 和 Sr，被称为常量元素。 2．3．2．1 现代海水化学组成的特点 1）海水中常量元素占总量的 99%以上。 2）海水是电中性的。 3）海水中主要元素组成之比值大体上恒定不变
有人以陨石的数据作参考，估计存在于地壳和地函中的水量月 2×1025g，目前地球表 面的水量约 2×1024g，即约 10%的水逸出到地表。 2．3．1．2 挥发性物质 对海水中的挥发性物质：F、Cl、Br、I、B、S、Ar 等，在海水中以阴离子形式存在， 它们在海水中的含量，则远比从岩石中溶出的要多，这可能是火山，海底热泉等作用之故。 （整个地球历史时期被风化岩石量）+（火山、海底热泉、温泉等自地球内逸出的物质 量）= （海水中的水及其溶存物质量）+（沉积物量）=（碎屑物）+（化学沉淀物量）+（生 物物质量）+（大气中的物质量）+（逸出到地球大气圈外的物质量） 地球表层挥发性物质的元素量见书表 2.3。下图表示地球表面 C、N、S 氧化—还原态 势。 2．3．1．3 原始海水的化学组成 CO2 体系对海水是至关重要的。逸出的 CO2 溶入海水，使海水因酸—碱平衡而存在化 学物种形式 CO3 2-、HCO3 -等，与海洋中金属发生络合作用，使金属以较稳定的溶解形式存 在于海水中。因沉淀—溶解作用，氧化—还原作用，酸—碱作用，络合作用等与海水中的常 量组分和微/痕量组分反应，使原始海水的化学组成不断变化并逐渐进化成海水。 2．3．2 现代海水的化学组成 海水中含量最多的元素是水（氢和氧）之外的 Cl、Na、K、Mg、Ca、S、C、F、B、 Br 和 Sr，被称为常量元素。 2．3．2．1 现代海水化学组成的特点 1）海水中常量元素占总量的 99%以上。 2）海水是电中性的。 3）海水中主要元素组成之比值大体上恒定不变
4）海水化学组成主要由元素全球循环原理和全球循环过程中在海洋中发生的五大作用 所控制。 5）海水的 pH 是 8.2 左右。 2．3．2．2 古代海水向现代海水的变迁 1） 变迁过程：Fe、Al、Mg、Si 的氢氧化物是海洋中分散度高的胶体物质，具有十 分重要的液—固界面作用性质的交换吸附剂，它能把许多无机物和有机物交换吸附或沉积到 海底，在这些过程作用下，古代海水逐渐向现代海水变迁。 2） 变迁的年代：可以说至少 1 亿年间海水组成（海水的量及其主要元素的量）是保 持不变的。 2．3．3 海水中元素的分布 海水中元素的分布包括：（1）水平分布；（2）垂直分布；（3）时间标度。 图 2.2 是北太平洋和大西洋中营养源和微量元素的垂直分布示意图。 图 2.3 ~ 图 2.5 是我国南海中元素的分布，和 Whitfield—张正斌的元素分布分类图
4）海水化学组成主要由元素全球循环原理和全球循环过程中在海洋中发生的五大作用 所控制。 5）海水的 pH 是 8.2 左右。 2．3．2．2 古代海水向现代海水的变迁 1） 变迁过程：Fe、Al、Mg、Si 的氢氧化物是海洋中分散度高的胶体物质，具有十 分重要的液—固界面作用性质的交换吸附剂，它能把许多无机物和有机物交换吸附或沉积到 海底，在这些过程作用下，古代海水逐渐向现代海水变迁。 2） 变迁的年代：可以说至少 1 亿年间海水组成（海水的量及其主要元素的量）是保 持不变的。 2．3．3 海水中元素的分布 海水中元素的分布包括：（1）水平分布；（2）垂直分布；（3）时间标度。 图 2.2 是北太平洋和大西洋中营养源和微量元素的垂直分布示意图。 图 2.3 ~ 图 2.5 是我国南海中元素的分布，和 Whitfield—张正斌的元素分布分类图
由图 2.2 和图 2.5 可见： 1）海洋中元素的垂直分布断面图，世界大洋的与中国海都基本一致。 2）图 2.2~ 图 2.4 是世界大洋，中国邻近海和湖水中元素的垂直分布图。共同特点是 与海洋生物的新陈代谢作用（包括光合作用和呼吸作用以及同化作用等）密切相关。 3）图 2.3 中的 Pb，是因为大气中的 Pb2+不断的 2 进入水的上层所致，并且逗留时间 短。 4）以离子态溶存在海水中的 Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-等，因其逗留时间长，故 呈(b)型积聚于海洋中。 5）有最大值的曲线例如氧之外，还有因洋中脊水热流输入。 由上述内容可总结出 Whitfield——张正斌分布分类图，如表 2.10 所示
由图 2.2 和图 2.5 可见： 1）海洋中元素的垂直分布断面图，世界大洋的与中国海都基本一致。 2）图 2.2~ 图 2.4 是世界大洋，中国邻近海和湖水中元素的垂直分布图。共同特点是 与海洋生物的新陈代谢作用（包括光合作用和呼吸作用以及同化作用等）密切相关。 3）图 2.3 中的 Pb，是因为大气中的 Pb2+不断的 2 进入水的上层所致，并且逗留时间 短。 4）以离子态溶存在海水中的 Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-等，因其逗留时间长，故 呈(b)型积聚于海洋中。 5）有最大值的曲线例如氧之外，还有因洋中脊水热流输入。 由上述内容可总结出 Whitfield——张正斌分布分类图，如表 2.10 所示