1、1,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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,2,1.1 定义,悬浮固体、悬浮物、悬浮胶体悬浮颗粒物，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，密度大/小于1且能在水体中停滞几天的最大颗粒直径约在1000m左右；直径大的颗粒悬浮的时间不长，不能与周围介质发生重
2、要的反应。直径与胶体颗粒大小相当的颗粒在水体中需要很长的时间才能沉降到达底部。鲨鱼等大型游泳动物、万吨巨轮、细菌、浮游生物、粪粒,2,3,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1000 nm，粗分散体系颗粒某一线度小于1 nm，真溶液体系颗粒某一线度为11000 nm ，胶体体系,3,4,*：LSDS 个别样品的光散射；MFG 膜过滤重量法；CG 离心重量法；MFC 膜过滤化学分析；LSI 现场光散射,海水悬浮物研究的历程,5,第十章 海洋中的
3、悬浮颗粒物质,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,6,1.2 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 m1.0 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。,6,7,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
4、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。,7,8,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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,9,1.3 悬浮颗粒物的研究意义,悬浮颗粒是沉积物的主要来源，在特定的时间和给定的洋盆中，悬浮胶体是正在沉积的物质的真正代表；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
5、要角色，是元素的一种赋存形态；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，这些微生物对海洋中发生的多种化学过程起媒介作用；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；地震或浊流能引起大量沉积物瞬时悬浮，是成底层水密度大大增加，并常改变底层水的温度和盐度。,9,10,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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
6、方法,11,海洋中的悬浮颗粒含量,大洋中悬浮颗粒物总量大约1016 g或10 Gt，平均浓度只有1020 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11000 m之间；大洋里的悬浮颗粒在110 m范围内。,12,悬浮胶体的分类,悬浮胶体可按其来源，形成机制以及化学组成进行分类通常
7、先把它分为碎屑来源和自生的悬浮胶体。碎屑性悬浮胶体包括由河流或风力输送到海洋的陆源颗粒。再悬浮物质以及由水下喷发而产生的颗粒。大部分碎屑悬浮胶体事实上是无机的，但陆源的有机颗粒也常常能在近岸环境中找到。自生的悬浮胶体是海洋中由生物或无机化学过程所产生的有机和无机颗粒。它们包括细菌、活体微型浮游生物、粪粒以及其它来自海洋的有机聚合体和无机颗粒，例如由生物或无机反应所生成的CaCO3和BaSO4矿物。海底热水活动区及其附近环境中形成的金属水合氧化物也属于这一类。,13,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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
8、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,14,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3070，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2050；矿物晶格相(主要是大气输入的铝硅酸盐)占0.39。太平洋表层水里的悬浮颗粒量较大西洋低23倍。 为什么？,15,大西洋表层水中悬浮颗粒的分布,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
9、：大西洋表层水的悬浮颗粒含量范围为10600 g/kg，其分布具有纬度对称性：含量较高值分布在纬度为40o60oN(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)。30,30-100,100-300,300 (g/kg),15,16,西大西洋中总悬浮物浓度的径向分布,（微克千克）,17,悬浮物在大西洋中的经向分布,西大西洋75N55S的经向断面中总悬浮物的浓度特点。（1）在生物生产力高的高纬区，表层水中总悬浮物的浓度高于100微克/千克，有时高于200微克/千克，在丹麦海峡，冰岛-苏格兰溢口和南极的底层水中也发现了高浓度。这些底层水团的快速运动明显维持着再悬浮沉
10、积物的高浓度；（2）低浓度（小于20微克/千克）出现在马尾藻海和南大西洋亚热带区水柱的中部；（3）在约10oN10oS海域观测到总悬浮物最大值约为25微克/千克，其深度与赤道氧最小的深度（5001000米）相同。这些总悬浮物的最大值大概是由于有机颗粒的存在造成的；（4）在35oN和40oN之间的海域发现总悬浮物浓度比较高（约25微克/千克）的股流伸展至距海底约1公里的部位。作者们把它与北大西洋气旋式深水涡流的边界联系起来；（5）不能与水文状况联系起来的总悬浮物分布的唯一特征是在10oS和20oS之间3000米深度上的最大值（约25微克/千克）。但是，它可以与那个深度和位置上存在的不大明显的氧最
11、小值和SiO2最大值联系起来。,18,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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,19,2.2 大洋悬浮颗粒的垂直分布,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1020 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
12、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。,20,悬浮颗粒物在不同水深组成变化,10米层主要为有机质（85%），750米有机质44%，铝硅酸盐28%，近底层，无铝无机物44%，有机质34%。,21,西北大西洋中颗粒钡的分布,22,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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,23,2.3 大洋中颗粒物的沉降速率,生物颗粒在沉降过程中大小变化的复杂性示意图,23,24,2.
13、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：颗粒大，沉降快，基本没起变化即到达底部；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；颗粒小，未到底部即已完全消失；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。,24,25,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：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(10时约为0.015泊) g为重力加速度(98l厘米/秒2)。Stokes 公式
14、表明颗粒与水的密度差（s-l）愈大,沉速愈快;当sl 时,u0,颗粒下沉;当sl 时,u 0,颗粒上浮;当s=l 时,u =0,颗粒既不下沉又不上浮.颗粒直径愈大,沉速愈快;水的粘度愈小,沉速愈快. 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。,斯托克斯公式,25,26,悬浮物的沉降速度大小,海水中悬浮颗粒沉降过程受到许多因素的影响，其中如盐度、温度和湍流，是海水本身相关的影响因素。 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
15、。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。较大颗粒重力沉降也由于滤食生物吸食于消化道中而被减缓。颗粒与海水的密度差大，沉降速率快。颗粒物性质,27,不同形
16、状颗粒的Stocks沉降速度,水平轴是与不同形状粒子的体积相等的球形半径。（1）球体；（2）长椭圆体，c/a=1.5；（3）扁椭圆体，c/a=0.5，（4）半球形帽状体，壁厚为外径的10%；（5）圆片，厚度与半径的比值为0.1，宽面沉降；（6）圆片同(5)，侧面沉降；（7）圆柱，高与半径之比为4；（8）椭圆柱体，半轴比为0.5，x轴与高度之比为4，平行于x轴沉降,28,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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
17、浮颗粒的研究方法,29,2.4 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。,29,30,图 4 两贮箱式模式(大洋表层和大洋深层),Collier和Edmond提出的双箱模型,30,31,2.4 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
18、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。根据质量平衡原则，可求出从大洋表层的沉降通量为 PVM (cD-cS)+VRcR+A,31,32,第十章 海洋中的悬浮颗粒物质,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,33,2.5 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
19、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。透明度法测定光被吸收及其与颗粒量的关系；浊度法测定的是光的散射与颗粒量的关系，具有较高的灵敏度。,34,抽滤系统,重量法流程,(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水样通过滤膜来收集颗粒物质。,35,2.5 大洋中悬浮颗粒的研究方法,(3)其它方法大体积现场过滤系统(LVFS)，它可在水中抽滤530 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，153 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。,35,36,作业,请简单画出计算大洋中某元素随悬浮颗粒的沉降通量的两贮箱式模型及各参数的意义，并求出从大洋表层的沉降通量。试述太平洋表层水里的悬浮颗粒量较大西洋低23倍的原因？求直径为510-3cm，密度为2.65的球形颗粒在20水中的沉降速度。,
