2007第13-14次课 海洋中的悬浮物及沉积物

• 3 海洋沉积物
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2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 大洋悬浮颗粒可利用过滤或离心收集，颗粒物含 量可称重获得，或用光学仪器在现场直接测定。 • (1)光学仪器在现场直接测定 • 其原理是光碰到颗粒会发生吸收和散射现象。透 明度法主要测定光被吸收及其与颗粒量的关系； 浊度测定法测定的是光的散射与颗粒量的关系， 具有较高的灵敏度。 • (2) 重力方法 • 要得到悬浮颗粒的绝对重量，就得采用现场海水 过滤或离心的方法来收集颗粒然后称重，由于需 要很高的离心力来分离，通常采用过滤法：即把 滤膜洗净干燥称重，然后用抽真空或水瓶加压使 27 水样通过滤膜来收集颗粒物质。
1972-1973实施的海 洋断面地球化学研究计 划(GEOSECS)的大西洋 断面调查结果表明： 大西洋表层水的悬 浮颗粒含量范围为 10~600 g/kg，其分布 具有纬度对称性： 含量较高值分布在 纬度为40o~60oN(S)的地 区，这是由于上述地区 有高的生物生产力； 含量较低值分布在 赤道附近(右图)。
• 悬浮颗粒含量最大值往往是 在温跃层的下面，这与生物 的移栖现象有关， • 一般而言，大洋上层水里悬 浮颗粒随深度成倍减少，在 500米深度以下，悬浮颗粒含 量只有10~20 g/kg左右； • 接近海洋底部处往往存在着 一层厚度从100米到1000米不 等的雾状层(Nepheloid layer)， 其悬浮体含量可达25 g/kg 以上，通常它是海流作用下 沉积物再悬浮的结果。
第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物
1.1 定义 1.2 悬浮颗粒物的特性 1.3 悬浮颗粒物的研究意义
• 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒 • 3 海洋沉积物
3.1 海洋沉积物的来源与迁移 3.2 海洋沉积物的分类 3.3 海洋沉积物的化学性质及其化学组成
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3 海洋沉积物
类似于陆地地形，洋底具有各种各样的地貌，有缓慢 起伏的山丘和海底山(高度不足1000米的叫山丘、高度超 过1000米称为海底山)。 据估计太平洋洋底有10000多座海底山，在山与山之 间有大的海洋盆地。钻探工作已证明，绝大部分的海底山 是火山形成的，另外有少部分的海底山是由断块作用形成 的。 大的海底山山顶，偶尔会被侵蚀作用所夷平，形成海 底平顶山（可反映古海平面，皇帝海岭-夏威夷海山链， 辽宁平顶山）。 由于海底地壳的热收缩、大洋板块的运动等使局部向 下拗陷，或由于海平面下降而相对上升，使得海底具有各 种各样的特有的地貌特色，例如高山、海台和巨大的深海 沟。 30
的两个半径为0.3微米的圆片和椭圆柱体，圆片的沉降速度为 0.026米/天，椭圆柱体的沉降速度为1.7米/天。如果这两种
颗粒要穿过3800米(大洋的平均深度)的水柱而沉降 到海底，则分别需要400年和6年的时间。 • 颗粒与海水的密度差大，沉降速率快。颗粒物性质 21
第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物
1.1 定义 1.2 悬浮颗粒物的特性 1.3 悬浮颗粒物的研究意义
• 2 海洋中的悬浮颗粒 • 3 海洋沉积物
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悬浮颗粒物的特性
• 直径>1000 m的大颗粒在水体中停留时间 很短以至不能与周围海水发生相互作用； • 而直径在0.01 m~1.0 m之间的颗粒在水体 中停留的时间达几十年甚至更长的时间， 因而可以与周围水体发生各种作用或反应。
• 根据质量平衡原则，可求出从大洋表层的沉降通 量为 P＝VM (cD-cS)+VRcR+A
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 3 海洋沉积物
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2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量
研究沉降通量的最好的办法是采用直接 测定，但由于大洋悬浮颗粒量很少，其组 成的时空变化也较大；直接测定难度较大。 虽然目前已有人采用大体积水过滤装置 和沉积物捕获器等新技术来采集这些颗粒 物质，但至今为止，所获得的数据还不多。 现在也有用同位素方法估算。
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 3 海洋沉积物
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2 海洋中的悬浮颗粒
第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 3 海洋沉积物
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2.2 大洋悬浮颗粒的垂直分布
• 3 海洋沉积物
3.1 海洋沉积物的来源与迁移 3.2 海洋沉积物的分类 3.3 海洋沉积物的化学性质及其化学组成
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第十章
Baidu Nhomakorabea
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物
1.1 定义 1.2 悬浮颗粒物的特性 1.3 悬浮颗粒物的研究意义
• 2 海洋中的悬浮颗粒 • 3 海洋沉积物
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1.1 定义
• 悬浮颗粒物，是指“那些可以在水中悬浮 相当一段时间的固体颗粒”。 • 由于海水中发生的主要过程至少要几天， 根据沉降理论公式计算，密度小于1且能在 水体中停滞几天的最大颗粒直径约在1000 m左右；而那些与胶体颗粒大小相当的颗 粒(直径0.01 m~1.0 m)在水体中需要几十 年甚至更长的时间才能沉降到达底部。
• 大洋中悬浮颗粒物总量大约1016 g或10Gt，平均浓 度只有10-20 g/kg • 悬浮颗粒物主要来源：河流携带的悬浮颗粒、大 气灰尘、海洋中生成的生物颗粒、地壳风化物质。 • 河流和大气的输入量主要取决于地理位置和气象 状况； • 生物颗粒量则取决于大洋环流、上升流和表面流 的水平混合等物理过程对营养盐的提供和调节； • 河流携带的颗粒大部分沉降在河口或陆架区域， 只有沉降速率小于510-3 cm/s(直径小于5 m)在 颗粒才能被运送到大洋里。 • 生物颗粒直径在1~1000 m之间； 11 • 大洋里的悬浮颗粒在1~10 m范围内。
第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• 3 海洋沉积物
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大西洋表层水中悬浮颗粒的分布
对于小于100 mm的颗粒，由此计算的沉降速 率较准确，直径大于100微米的颗粒，其沉降速度 比根据此定律计算的为低，因为当其下沉时，与 之有关的湍流要产生阻力。
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悬浮物的沉降速度大小
• 海水中的悬浮物从水体中迁移至海底沉积物中，其 沉降速度的大小与颗粒物的种类、大小、形状等有 着密切的关系。 • 粒径大的物质，其沉降速度就快，颗粒小的物质沉 降速度就慢。例如粪粒的半径在68-222微米之间，其沉降 速度为15-860米/天。由此可见，虽然半径最大与最小 之间仅相差几倍，而速度则相差十几倍。 • 同体积不同形状的颗粒，其沉降速度由大到小的顺 序为：圆柱体＞(椭)球体＞圆片体。例如，体积相当
2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
• (3)其它方法 • 目前已发展了大体积现场过滤系统(LVFS)，它可 在水中抽滤5~30 m3海水，然后通过一系列滤膜来 收集颗粒，并可把收集的颗粒分成大于53 m， 1~53 m和<1 m等三个粒度范围。大型沉积物捕 获器可被较长时间地置于水中以收集不同深度的 沉降颗粒。颗粒计数器可用于计数一定粒径范围 的颗粒，但对<1 m的颗粒，计数器就无能为力 了。
生物颗粒在沉降过程中大小变化的复杂性示意图
r=0
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2.3 大洋中颗粒物的沉降速率
生物颗粒的沉降大体有四种情况： ① 颗粒大，沉降快，基本没起变化即到达 底部； ② 颗粒沉降过程中发生矿化作用，粒径逐 渐变小，但最终还是到达了底部； ③ 颗粒小，未到底部即已完全消失； ④ 颗粒小，在沉降及矿化过程中已达到某 一较小粒径，此后在上升流作用下颗粒 向相反方向移动至完全消失。
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物 • 2 海洋中的悬浮颗粒
2.1 悬浮颗粒在大洋表层水中的分布 2.2 悬浮颗粒在大洋中的垂直分布 2.3 大洋中颗粒物的沉降速率 2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量 2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法
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2.3 大洋中颗粒物的沉降速率
○＜30,●30-100,△100-300,▲＞300 (g/kg)
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悬浮颗粒在大洋表层水中的分布
一般说来，大洋表层水的悬浮颗粒中， 生物颗粒占了主要部份； 在小于100米的表层水中，有机物占颗粒 量30％~70％，而且90％的有机物于上层400 米的水体中得到了再循环；海洋生物的硬组 织CaCO3和SiO2大约占总数的20％~50％； 矿物晶格相(主要是大气输入的铝硅酸盐)占 0.3％~9％。 太平洋表层水里的悬浮颗粒量较大西洋 14 低2~3倍。 为什么？
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补充知识
国际纯粹化学与应用化学联合会（IUPAC）定义： • 分散体系是指一种或几种物质以一定的分散度分 散在另一种物质中形成的体系 • 以颗粒分散状态存在的不连续相称为分散相；连 续相称为分散介质 • 颗粒某一线度大于1000nm，粗分散体系 • 颗粒某一线度小于1nm，真溶液体系 • 颗粒某一线度为1—1000nm 胶体体系
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第十章
海洋中的悬浮颗粒及沉积物
• 1 悬浮颗粒物
1.1 定义 1.2 悬浮颗粒物的特性 1.3 悬浮颗粒物的研究意义
• 2 海洋中的悬浮颗粒 • 3 海洋沉积物
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1.3 悬浮颗粒物的研究意义
① 悬浮颗粒是沉积物的主要来源； ② 悬浮颗粒是许多元素由表层水向底层水输送，由 河流向大洋输送的主要载体，它在元素输送、循 环和去除中充当着重要角色； ③ 表层悬浮颗粒量影响着水的透明度和真光层的厚 度，从而影响浮游生物的光合作用和初级生产力； ④ 悬浮颗粒本身即可作为微小生物的食物。这些无 机颗粒和有机碎屑到达深海后成为底栖生物的主 要食物来源。
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斯托克斯公式
对于粘性流体中的颗粒，其沉降速率可用斯托 克斯公式来描述： g 2 V d ( s f ) 18 式中：
V是沉降速率(cm/s)； d是颗粒直径(cm)(假设颗粒为球形)； s是颗粒密度(约为1.5 g/cm3)； f是海水密度(1.03 g/cm3)： 为海水粘度(10oC时约为0.015泊) g为重力加速度(98l厘米/秒2)。
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图 4 两贮箱式模式(大洋表层和大洋深层) Collier和Edmond提出的两贮箱式模型

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2.4 大洋中元素随悬浮颗粒的沉降通量
VR，cR为河水体积及某元素在河水中的浓度； A为该元素的大气输入量； cS，cD为表层和深层贮箱水中某元素的浓度； VM为表层和深层贮箱之间上下混合水的体积； P为从大洋表层的沉降颗粒通量； fP为保存在沉积物里的颗粒分量； 为大洋深层清扫作用所增加的颗粒量； VH，cH分别为热液中某元素的释放体积和浓度。
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海水中溶解物质和悬浮颗粒物的性质差异
• 海水中溶解组分的性质，相对浓度和总浓度是相 当稳定的；而海水中悬浮颗粒的性质和浓度具有 较大的可变性。 • 溶解组分决定了海水的冰点下降、密度和导电这 一类重要性质；而悬浮颗粒主要影响海水的光和 声的性质，引起声的吸收和散射，并且是海水出 现颜色和浊度的因素。 • 从含量看，海水中溶解物质的总量要比悬浮物多 得多，一般来说1升海水中含有30-40克的溶解盐 类；而所含颗粒物质的量，每升中约0.0004-0.003 克不等，与溶解组分相比至少相差4个数量级。