9-海水的年龄和停留时间课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,定义,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,1.1,海水年龄,海水形成至今的时段，接近地球形成以后水圈形成的年龄。,根据海水成因的假说，可从海水中的含盐量间接测定海水的年龄，目前科学家们比较认可的海水的年龄约为,45,亿年。,海底的年龄是否应该大于,45,亿,年？估计是多少年？根据？,1.1,海水年龄,太平洋底的年龄为,1.5,亿年，位于西北太平洋边缘。而其它大洋更短；,怎么会有这种令人费解的情况出现呢？,1.1,海水年龄,通常说的海水的年龄是指,水分子从表层移到深层中所经过的时间,，也是海洋学中用以反映水团交换的一个指标。,本课程中主要指的是后者。,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,海水年龄,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,定义,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,1.2,确定方法：,14,C,法,海水年龄的测定方法之一是,放射,性,14,C,法。,14,C,是碳的放射性同位素，半衰期为,5730,年，经,-,衰变可转化为,14,N,。,14,C,与其他两种碳稳定同位素的相对丰度为：,12,C,13,C,14,C,98.893%1.10 7%1.210,-10,%,14,C,数量极微。,1.2,确定方法：,14,C,法,14,7,N+,1,0,n,15,7,N,p+,14,6,C;,-,衰变：,14,6,C,14,7,N(n,、,p,分别为中子和质子,),在高层大气中由氮原子和宇宙线中次级中子的核反应生成,14,C，,14,C,与大气中的,O,结合生成,14,CO,2,。,14,C/,12,C,之比是,1.24,10,-12,，它的放射性相当于,15dpm/,克碳。,在海水表层，大气中的,14,CO,2,和海水中的碳酸物质保持溶解平衡，使,14,CO,2,进入海洋，最后在海水中经过各种海洋过程沉到海底，通过测定,14,C,的量可求出该海水的年龄。,14,C=,14,C,2(,13,C+25)(1+,14,C/1000),1.2,确定方法：,14,C,法,下表是把海域深层的,14,C,减去表层的,14,C,来计算深层海水的表观年龄。,由于在同一观测站表层和深层水之间并没有直接关系，此法并不正确。应根据深层水流状况，从深层水的,14,C,中减掉来源水的,14,C,，再进行计算。,14,C,表观年龄,(,年,),大西洋,20,o,S25,o,N,14002500,-1043,50090,南大西洋,20,o,40,o,S,15002200,-1053,50090,北大西洋,23,o,40,o,N,4000,-1043,50090,南太平洋,25,o,40,o,S,3500,-15015,425150,太平洋,15,o,S30,o,N,20003500,-1505,925150,全球,3000,米深水的,14,C,年龄法,对全球,3000,米深度的海水年龄测定，结果如图。,发现北大西洋最年轻，而北太平洋最古老，达,2000,岁左右，也就是所谓的“千岁”海水。,14,C,除了用于测定样品年龄和沉积速率外，也是研究海洋水团运动和海洋地球化学作用的重要示踪剂。,这种结果表明全球的海水在不停的交换，大洋传送带的假说是有根据的。,其他沉降同位素测年,10,Be,和,26,Al,法,10,Be,和,26,Al,主要产生于大气圈并沉降入海。,26,Al,浓度很低，较难测定。,10,Be,丰度较高，在合适条件下可进行精确测定，由于其半衰期很长,(1.510,6,a),，主要应用于测定铁锰结核的生长速率。,其他沉降同位素测年,7,Be,法,7,Be,不同于,10,Be,，半衰期只有,53,天，可用于测定温跃层的垂直涡动扩散系数。在浅海区，由于颗粒物浓度高，,7,Be,随颗粒物质很快进入沉积物，使其成为研究颗粒混合作用的有效指示剂。,其他沉降同位素测年,32,Si,法,Lal,等于,1960,年首次在海洋环境中鉴别出,32,Si,，随后对硅质海绵和很多海水样品进行了大量测定。表明,32,Si,可作为计时计以研究海洋的混合过程、海洋沉积物测年和海底生物扰动作用等。,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,海水年龄,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,停留时间,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,2,海水的停留时间,海水的平均停留时间：对某一水层而言，从特定水分子进入该水层到水分子从该水层移出所需要的平均时间。,经地史时期多次地球化学循环，使得元素在海洋和岩石之间的分布接近于稳定状态，海水的组成保持恒定。,至少,45/1.5=30,由于各种元素的输入速率和输出速率各不相同，因此各元素在海水中的停留时间也不一样。,2.1,停留时间,根据河流运载溶解固体的通量，方程式,可以写为：,式中,c,s,表示元素,y,在海水中的平均浓度,(mol/dm,3,),c,r,表示元素,y,在河水中的平均浓度,(mol/dm,3,),V,s,为现在世界海洋的总体积,(1.3710,21,dm,3,),F,r,为每年河流入海的平均流量,(410,16,)(dm,3,/y),水在海洋中的平均停留时间,(,t,W,),为：,2.1,停留时间,Broecker,等把海洋划分为表层和深层，并在水平方向上也都划分为若干区，求得它们之间,14,C,交换的速率，得出结论是太平洋深层水的平均停留时间为,800,年以上，而大西洋深层水为,500,年以上。,简单起见，将海洋划分为两层，即表层,(,混合层,),和深层，表层厚,100,米，深层厚,3900,米，下式表示水在表层和深层之间的交换：,K,W,=KW,式中,W,和,W,分别为表层和深层的海水量,(,克,/m,2,),；,K,和,K,为水的交换速度，其倒数,及,，为海水在表层和深层的平均停留时间,(,年,),。,表层水的,一般认为是,510,年，故深层水的平均停留时间应为,195390,年。表层的停留时间变成,13,年以上，则深层的,开始超过,500,年。,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,海水年龄,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,定义,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,2.2,箱式模型,当海水中各元素处于稳定状态时，元素的含量不随时间而变化。这时元素进入海洋的速率等于从海洋中输出的速率，可采用,箱式模型来表示，,M,海水中某一元素的溶存总量,Q,输入速率,R,输出速率,2.2,箱式模型,从方程式 看出，要有效地改变海水中某元素的总量,M,，必须先改变输入速率,Q,。,李远辉曾对下面两个问题进行讨论：,(1),假设海水中某一元素在,t,t,0,时处于稳定状态，如输入量突然成指数增加，元素的增加率与停留时间的关系如何？,(2),假如当,t,=,t,1,时，元素又恢复到稳定状态时的输入量，则到何时元素在海洋中达到稳定状态？,2.2,箱式模型,整个过程可用下图表示：,T,0,2.2,箱式模型,1.,当,t,t,0,时，海洋处于稳定状态，所以,Q,0,=,KM,0,当,t,0,t,t,1,时，假设输入速率开始呈指数增加，即,(m,为常数,),代入 得：，,解方程式得：,当输入速率增加时，停留时间短的元素，在海洋中增加的百分数大。,2.2,箱式模型,或当,t,t,1,时，可写成：,M=M,0,+(M,1,M,0,),e-k(t-t1),当,M-M,0,/,M1-M,0,=1/2,时，,T,1/2,=ln2/,k,=0.693,即自,t,1,以后，将以增大的,M,减少其一半所需要的时间为,0.693,。,由此可以看出，,停留时间越短，重新达到平衡状态的时间就越短,。假设,=10,3,年，则海洋需要,2.810,3,年,(,大约,4,个半衰期,),才能重新接近平衡状态。,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,海水年龄,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,停留时间,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,在海洋中，活泼的元素会较迅速地从海洋中迁移出去，也就是说它在海洋中的停留时间将会更短。,海水的组成直接与元素的停留时间有关系。,Whitfield,等人,(1979),和,Turner,等人,(1980),将,log,t,y,对,log,K,y(SW),作图，发现,log,t,y,与,log,K,y(SW),有明显的,正相关关系。,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,在海洋中，含量高的元素，停留的时间长，而那些容易结合到固相中的元素，停留时间较短。停留时间 与分配系数之间的关系可用下式表达：,log =a,1,log,K,y(SW),+b,1,这关系式适合于,50,多种元素，它可用来预言图中还没有列出的元素的平均停留时间，将准确到数量级以内。,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,如果把海水中某一元素的平均浓度,c,s,与它在河水中的平均浓度,c,r,联系起来，可以看出停留时间与某一元素的关系。,c,s,10,c,r,的元素，属于富集的元素。这些元素在海洋中不断地积累、并在整个地质年代进行充分地混合。因此，它们的浓度比率相互保持,恒定,(10%,以内,),。,c,s,0.1,c,r,的大多数元素，属于贫乏的元素，这些元素迅速地从海洋中除去，以致它们的停留时间比海洋搅动循环一次所需的时间还短，因此，这些元素在整个大洋中的,分布是不均匀,的。,10,c,r,c,s,0.1,c,r,的元素，使一些预先平衡的元素，这些元素在空间和时间上也有,相当大的变化,。其原因不是它们迅速地从海水体系中除去，而是参与复杂的生物循环和地球化学循环。,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,以上讨论说明，海水中元素的停留时间可以表示元素在海洋中的地球化学活性，也可以反映该元素的输入速率，并可以估计由于输入量的变化所引起的海水元素随时间的变化。,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,第七章 海水的年龄和停留时间,1,海水的年龄,1.1,海水年龄,1.2,确定方法：,14,C,法,2,海水的停留时间,2.1,停留时间,2.2,箱式模型,2.3,停留时间与分配系数,K,y(SW),的关系,2.4,运用及研究意义,2.4,运用及研究意义,元素的停留时间范围从氯的,1.010,8,年到铝的,100,年，说明存在于海水中的元素的地球化学活性变化很大。,原子序数较低的碱金属和碱土金属,(,除铍外,),，由于它们较低的地球化学活性，停留时间都在,10,6,年以上。,随着原子序数的增加，停留时间逐渐减少，因为这些较大的离子，对粘土矿物具有较高的离子交换亲和力。,2.4,运用及研究意义,铝、铁、铬、钛、铍和钍元素的停留时间是,100,1000,年，这些元素的离子在海水的,pH,值下迅速水解，并有可能吸附硅酸盐离子或重金属离子或结合于自生矿物，如铁,-,锰结核和钙十字佛石或其他硅酸盐矿中。,由于这些元素在海洋中的停留时间短，因此从一个海区到另一海区，可能找出它们的浓度差异。,许多过渡元素，停留时间较短（例如铜,2600,年，镍,1.910,5,年，钴,1.710,4,年），这可能是铁锰矿物沉淀时从海水溶液中移走这些元素的效率比较高的一种标志。,海洋中元素停留时间为什么不同？,海水中元素的停留时间与其反应活性之间有一个明显的逆向关系。,大多数常量组分,(,它们在溶液中百分含量也比较高,),具有较长的停留时间，它们在海水中停留的时间可达,10,6,-10,8,年的数量级。,微量组分的停留时间较短，在,10,3,-10,4,年之间或更短的时间内便可从海水中迁移出去。,微量组分在海水中的活性很高，易于从溶液中转移。,停留时间最长和最短的两种元素,关于海水中元素停留时间的计算，不同作者给出的数值似有所差异，且对元素停留时间的测定也没有元素在海水中含量那么广泛、细致，致使很多元素尚无明确的停留时间的数据。,对现有的停留时间数据进行比较发现，停留时间最长的是氯和溴，均为,1,亿年,(,所以氯是海水中含量最多的元素；溴在海水中的含量为陆地贮量的,99,倍，被称之为海洋元素,),。,铝的停留时间仅有,100,年。,磷、硅在三大洋中的停留时间,印度洋和太平洋表层水平均停留时间以磷来计算为,45,年，而由硅来计算为,67,年，大西洋中平均停留时间以磷来计算为,3,年，而由硅来计算为,2.5,年；,印度洋和太平洋深层水平均停留时间以磷来计算为,160200,年，而由硅来计算为,230270,年，大西洋中平均停留时间以磷来计算为,120130,年，而由硅来计算为,90100,年；,若采用不同的同位素核素,所得结果又将不同,。,作业,计算题,：,Zn,在海水中的平均浓度为,0.0754,mol/l,，在河水中的平均浓度,0.46,mol/l,，现在海洋水体的总体积为,1.37,10,21,dm,3,每年河流输入海洋的平均径流量为,4,10,16,dm,3,/y,，求出,Zn,在海洋中的平均停留时间,。,