1、8 外部地圈与环境地球化学,讲 课 重 点： 1、大气圈、水圈特征及历史演化； 2、环境地球化学的应用,主 要 内 容： 8.1 大气圈的结构、成分、成因及演化 8.2 水圈的成分及演化 8.3 生物圈成分与生态系统地球化学 8.4 环境地球化学及应用,8 外部地圈与环境地球化学 8.1 大气圈的结构、成分、成因及演化,地球的外部地圈：包括大气圈、水圈和生物圈，质量占地球的0.02409.,8.1.1 大气圈的结构 大气圈是指地球表面的空气层，其质量估计为5.15*1015 T,大部分质量集中于距地表16公里高度以下的范围内（十分之九）。 大气圈的结构如下图所示。,8 外部地圈与环境地球化学
2、8.1 大气圈的结构、成分、成因及演化,8.1.2 大气圈的成分 （1）现代：主要组成部分是N、O、Ar和CO2 ，占99、99%。微量组分是臭氧、氢、惰性气体。另外有微小的质点，如自然成因的和人工活动造成的（工业烟尘、原子爆炸产物等等）。,8 外部地圈与环境地球化学 8.1 大气圈的结构、成分、成因及演化,8.1.2 大气圈的成分 （2）地球早期：由N2和CO2 组成，甚至可能不含游离氧。 至于后来氧的形成聚集有三种基本假设：光合作用；当地表温度大于1500度时由水蒸气分解；太阳辐射使水蒸气发生光化学分解产生。 第二种几乎是不可能的。,氧循环,8 外部地圈与环境地球化学 8.1 大气圈的结构
3、、成分、成因及演化,8.1.3 大气圈的成因多数地化家认为是次生成因，由地球内部脱气作用形成,而并非是“原始炽热星云凝聚”形成（相应大气圈则为太阳星云的残留气态物质组成）。依据是： （1）元素丰度方面。地球与太阳系最明显的差别在于惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）和氢在地球中的严重亏损。 （2）金星、地球、火星大气圈具有相当近似的大气成分特征，支持大气圈由原始行星物质脱气形成的模型。,类地行星大气圈主要组成的丰度 （据Junge和Warneck，1979）,给出的数值为：假定每种气体的压力为1.01325Pa，温度为273K时，该气体形成的均匀层的厚度（cm） 丰度为近似的，CO2的数值
4、是根据Maron等的（1973)资材计算的出。 引用McEiroy和Donghue（1972）提出的丰度。,8 外部地圈与环境地球化学 8.1 大气圈的结构、成分、成因及演化,8.1.4 大气圈的演化大气圈的准稳定态：自早古生代以来，大气圈的主要成分基本是恒定的，其中主要发生循环的组分（ N2、O、CO2等）的输入与输出已基本达到动态平衡。8.1.4.1 主要向大气圈增加气体的自然过程有： (1)岩浆结晶过程所释放的气体。是大气圈中H2O、CO2、HCl、HF、H2S、SO2的主要来源，部分N2的来源；（2）水蒸气光化学分解产生出氧（3)光合作用是大气圈中O2的主要来源；（4）放射性蜕变。（U
5、、Th）氦；K 40Ar; (5)生物的呼吸和有机体的腐解提供CO2、NH4和少量CH4；（6）太阳风、慧星和陨石带入的气体。8.1.4.2 大气圈气体输出的自然过程有：（1）氢、亚铁、硫、锰等的氧化反应消耗大气中的氧；（2）有机体形成煤、石油、有机碳的过程，造成大气CO2的大量消耗；（3）形成钙和镁的碳酸盐沉积物的过程；（4）空气中形成氮的氧化物和土壤中固氮细菌的活动（5）氢和氦自地球重力场中逃逸的过程。,光化学烟雾：造成大气能见度降低，眼睛红肿，咽喉发炎以及叶子发白等；,24小时空气污染,光化学烟雾形成机理实验：当紫外线照射含有一定浓度的烃、 NO和氢氧化物的空气时，会导致NO2、烃的氧化
6、和生成臭氧,CO2浓度变化,CO2的温室效应 ：大气圈中的CO2能使太阳可见光通过，但能吸收地球反射的在13-17微米之间的再辐射，从而阻止了地球热量向外层空间的散逸，因此CO2浓度的增加能保持地球和大气的温度，这一现象叫CO2的温室效应,CO2浓度变化,CO2浓度变化,显生宇CO2浓度变化,臭氧层,臭氧分布,臭氧,臭氧变化,臭氧与健康,8 外部地圈与环境地球化学 8.2 水圈的成分及演化,8.2.1 水圈的成分 水圈：由海洋、湖泊、沼泽、河流和浸透岩石圈上部的地下水层所组成。海洋覆盖3.6*108 KM2 ,约占地球表面积的70%。所以海水的平均组成可视为水体的平均化学成分。,水循环,淡水成
7、分,缺水区,荒漠化,河水海水元素,海水成分,元素析出时间,海水盐度,8.2.2 水圈的演化,大气圈和水圈的化学演化 （据陈福，1978年；修改）,4700,3700,2500,1600,570,0,续表,8 外部地圈与环境地球化学 8.3 生物圈成分与生态系统地球化学,8.3.1 生物圈及其成分 8.3.1.1 生物圈与生态系统 生物圈可视为植物、动物、微生物的总和，兰卡玛和萨哈玛（1949）提出水圈、大气圈和生物圈的比例为70000：300：1；,生态系统：,食物链,种群-生态,人体元素,8.3.1.2 生物圈成分,生命成分,生物富集元素,8.3.2 生态系统地球化学,元素的生物富集,P与农
8、作物,必需元素,土壤元素与植物元素,土壤元素与植物元素,8 外部地圈与环境地球化学 8.4 环境地球化学及应用,8.4.1 环境地球化学定义 “研究岩石（包括土壤）-水-大气-生物系统中的复杂的相互作用及其对地表环境化学特征控制的科学”； 有人更加强调为人类维护和创造最适宜生存环境的作用，而定义为：“研究化学元素和微量物质在人类赖以生存的地球表面及其附近的含量、分布和迁移过程及与人类健康关系的科学。”环境背景值-是指在不受污染的情况下,环境要素(大气、水体、土壤、岩石、河湖沉积物和生物等)的平均化学成分。它反映了地表圈层中各环境要素原有的化学组成（成分和形态）的特征。但是，随着环境污染的加剧，
9、现在全球几乎找不到一个不受污染影响的环境要素，因而环境背景值实际上是一个相对概念，它只代表相对不受污染或少受污染的环境要素的平均化学成分。环境背景值的意义：(1)为评价环境质量提供依据;(2)为研究环境中元素(污染物)的迁移、转化机理提供初始态的含量水平和形态结构；(3)为环境污染趋势预测、预报提供基础资料；(4)为工厂、电站（特别是核电站）的建立，为工农业合理布局及国土整治提供资料和科学依据；(5)根据区域环境中某些元素的丰缺,为搞清地方病的发生、病因和有效防治提供重要参考资料；(6)通过环境背景值的调查发现重金属异常区,为开发矿业提供资料。,8 外部地圈与环境地球化学 8.4 环境地球化学
10、及应用,8.4.2 环境污染,烟尘污染,烟尘污染,烟雾污染,水污染,水生物金属富集,土壤元素,金属排放,土壤PH,土壤污染,农药残留,水果污染,农产品污染,牛肉污染,铅污染,世界八大公害,污染指数,8.4 环境地球化学及应用 8.4.3 微量元素与人体健康,（一） 有关概念：（1）自然界天然稳定元素92种，人体除He、Ne、Ar、Kr、Xe;Ac、At、Fr、Pa、Pm、Tc这十一种元素未见报道外，其余81种元素已在人体中发现。（2）人体必需的常量元素：O(68.5%)C (18%) H (10%) N (3%) Ca (2%) P (1%) K (0.35%) S (0.25%) Na (0
11、.15%) Cl (0.15%) Mg (0.05%)这十一种元素共占人体的99.95%,是人体不可少的造体元素，缺少了它，生命就会停止，称为人体必需的常量元素。其中，C、H、O、N、P、S是蛋白质、脂肪、碳水化合物和核酸的成分；Ca是骨骼和牙齿的主要成分，Ca、K、Mg是所有细胞必需组分；Cl和Na在体液中以盐的形式存在，为保持体液酸碱度及电解质所必需。（3）人体微量元素：人体中其余70种元素是微量元素，仅占人体总质量的0.05%;分如下三种：必需微量元素：15种，Fe、Zn、I、Mo、Se、Cu、Cr、Mn、Co、Sn、V、F、Si、Ni、As；可能必需的：B、Ba、Br、Ge、Rb、Sr
12、、Li非必需的：其余48种元素；其中Hg、Pb、Cd、Al、As是对人体有毒或有害的元素,必需元素,元素健康,（二）元素与人体健康,一些常见食物中的元素含量（ug/g,干重）,续表,续表,续表,高元素含量的前几种食物：Fe :海参、苋菜、紫菜、海带、黑木耳、莴苣 Zn：牛肉、羊肉、黄鳝、蘑菇、鱿鱼、猪肉、菠菜、墨鱼、莴苣Ca ：海参 、海带、荠菜、芹菜、芝麻、菠菜、莴苣、虾Se：墨鱼、虾、海参、海鳗、黄鱼、带鱼、鲳鱼、黄鳝、蘑菇Mo ：蚕豆、黄豆、海参 、海带 ； I：海带 、鸡蛋、鸭蛋Cu：蘑菇、香菇、莴苣； Mn：海带、莴苣、海参Cr ：海带、海参 、苋菜； Sr:海带、海参 、虾、苋菜K ：蘑菇、海带、西红柿、豆类、木耳、香菇、鱼类 V：苋菜、海带 、海参 Co ：海参 、墨鱼、虾、海带、金针菜、绿豆 Ni：海带、海参 、虾、绿豆、莴苣、金针菜、红枣,地方病分布图,克山病分布,硒分布,陕西地方病,世界氟病分布,中国氟病分布,年龄与氟病,大骨节病分布,大骨节病与水源(1),地方病分布(碘),食管癌分布,肝癌分布,新疆不孕症,绝灭,8.4.4 环境与生物灭绝,绝灭,绝灭,绝灭,思考题：名词解释： 1.环境地球化学 2.盐度 3.氯度 4.标准海水 5. 大气圈的准定态 6. CO2温室效应 7.臭氧层 8.生态平衡 9.环境背景值 10 人体必需的常量和微量元素,
