一般说来,讨论各种成分在海洋中分布的时候,由浓缩和稀释所产生的浓度变化,是是海洋物理学上有兴趣的论述对象,而海洋化学或地球化学上有兴趣的对象,则多是特定的成分独自发生的浓度变化,为说明这一点,通常以浓度与特定氯度(通常是19%)海水的换算值以及与氯度的比值来比较。
了解海水中各种成分的分布及其控制因素的时候候,在以了解各种成分容易产生多大程度的浓度变化,或者这些成分在海水中以怎样的活泼程度变化为主要目标的问题上,是从各种成分在海水中的平均停留时间入手的。现在的海洋几乎处于平衡状态,一般认为过去一亿年间,海水的组成及其数量几乎没有变化,这就意味着,每年随着河水把物质搬运到海洋的同时,还要有相同数量的物质由海水逃逸到海洋以外的其它地方去。所以若用每年随河水而加入海洋的量除海洋中该成分的总量,就可算出现在海洋中的成分,平均多少年被河水中该成分所置换,即平均停留时间。表3.10表示海水中各成分的浓度、河水中的浓度以及平均停留时间,它们是以海水的总量作为1.37×1021升,河水每年的流出量作为3.2×1016升(D.A.Livingston,1963)而计算的值。该平均停留时间,由氯离子的1.0×108年到砷的3.2×105年,其值越大在海洋中越稳定,表示在海水中容易长期停留。
各种成分由海水逃逸的方法有数种,试探讨如下:
1)由风风引起海水飞沫的搬运 可以认为河水中的氯、溴和氟几乎完全是由海水的飞沫而来,在日本推测大约氯的70%,溴100%是以海水飞沫由风搬运的(营原,1965)。如果除掉这种过程来计算,这些成分的平均停留时间会变成更大的值。
2)由海面蒸发 迄今为止的报告指出,硫、硼硼和碘都能蒸发。硫在海水中以SO-24形式存在,但如处于非常的还原状态,在硫酸还原细菌的作用下,能还原为H2S,而逃到大气中中。对其数量的估计,因人而异,有报告(小山等,1965)说,大气中总硫量的75%来源于H2S。但是也有人认为,几乎完全是由海水飞沫而来的(营原,1965)。
硼在海水中以硼酸形式存在,这是由大气中蒸发实验看出来的。按加斯特(Gast,1959)的意见,与海水处于平衡的空气含有水蒸汽的同时也含有硼酸,凝结水中硼酸态的硼浓度如表3.11所示。根据此值,大气中水蒸汽凝结时,如果平均含有60微克/升硼酸态的硼,大致与降水中的100微克/升接近,约相当于河水中值的10%。
碘在海水中以I-和IO-3离子存在,I-在紫外线照射下,按下式反应变成I2,并蒸发到空气中。
2I-+1/2O2+H2O+hv=I2+2OH-
按三宅和角皆(1963)的计算,碘的总蒸发量约为海水飞沫中的100倍,大致相当于降水中碘的总量(参看表3.12)。因此这就是说,在上述三成分中,海水中的碳几乎仅仅由海面蒸发来控制,而硫以H2S的形式逃逸到大气中的量,是相当重要的。硼酸的蒸发量虽不像碘那么多,可是它在表层水中的分布则有很大的影响。
3)向沉积物中迁移 最后,海水中各种成分由海水分离出去进入沉积物的过程相对的难易程度,大体上可以从这些成分在沉积岩中的浓度,被其在海水中的浓度所除得的值,即能由各种成分向沉积物中的浓缩系数看出来。表3.13表示各成分在各种沉积岩中的浓度,沉积岩中的平均浓度,以及由它和海水中的浓度计算的各成分在沉积岩中的浓缩系数。沉积岩中的平均浓度是以砂岩、页岩和石灰岩的存在比作为12:82:6(C.K.Leith,1915)而计算的。氯离子在沉积岩中的浓度测定值很少,而页岩的平均值似乎过大。试将这些值作一比较可知,砷最容易在沉积物中浓缩,在页岩中由许多事实也可以这样考虑,似乎砷浓缩于粘土质的沉积物中。其次是氟和硼容易在沉积物浓缩,同砷一样,它们也在粘土质的沉积物中浓缩。特别是氟,这种倾向性最显著,但实际在海洋中,一般认为硼酸在粘土矿物的伊利石中较易浓缩。碘是第四个容易浓缩的,而氯、硫和溴难以沉积。硫稍微容易浓缩一点,其浓缩系数是2.8,它是以硫化物存在的,并认为沉积后间隙水中的SO-24在硫酸还原细菌的作用下,还原成S-2离子,而以硫化铁的形式遗留下来。
表3.12 每年供给大气閣的碘量(三宅,1963)
供源 | I2量(克/年) |
火山活动 |
1.2*109 |
有机物分解 |
1.0*108 |
煤、石油的燃烧 |
5*109 |
海水飞沫 |
5*109 |
海洋蒸发 |
5*1011 |
如上所述,硼、氟、碘、砷容易进入粘土质的沉积物中,关于其进入的情况可作为生物体中浓缩系数的参考。所谓生物体中的浓缩系数,是把生物体中某成分的浓度用海水中的浓度除所得的值。表3.13中表示出藻类的浓缩系数。据此,碘在藻类中最易浓缩,其次是砷。贝壳的分析值大致与石灰岩一致,但贝壳的分析值没有整理出确切的值。各种成分在碳酸钙中的浓缩,尤其是氟浓缩的情况,看来有问题。
若按以上情况考虑,在某种程度上,能预想各种成分的分布情况。即在非常还原的条件下,硫或硫酸根离子的浓度要发生变化,尽管溴在海水中的浓度相当低,但几乎与Cl-表现出同样的行为,因此Br/Cl可望保持一定值。硼和氟都在粘土矿物中浓缩,但硼由海面蒸发,在这一点上二者是不同的。看来他们表现出比主要成分更富于变化的分布。碘由海面蒸发是重要的,由于容易在藻类中浓缩,看来靠近表层的浓度变化要比深海还大。可以设想砷在所列举的成分中浓度变化最大。