第七章海水的年齡和停留時間

1海水的年齡

1.1

1.2確定方法：14C法2海水的停留時間

2.1定義

2.2箱式模型

2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義1.1海水年齡海水形成至今的時段，接近地球形成以后水圈形成的年齡。根據(jù)海水成因的假說，可從海水中的含鹽量間接測定海水的年齡，目前科學(xué)家們比較認可的海水的年齡約為45億年。海底的年齡是否應(yīng)該大于45億年？估計是多少年？根據(jù)？1.1海水年齡太平洋底的年齡為1.5億年，位于西北太平洋邊緣。而其它大洋更短；怎么會有這種令人費解的情況出現(xiàn)呢？1.1海水年齡通常說的海水的年齡是指水分子從表層移到深層中所經(jīng)過的時間，也是海洋學(xué)中用以反映水團交換的一個指標(biāo)。本課程中主要指的是后者。第七章海水的年齡和停留時間

1海水的年齡

1.1海水年齡

1.2確定方法：14C法2海水的停留時間

2.1定義

2.2箱式模型

2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義1.2確定方法：14C法海水年齡的測定方法之一是放射性14C法。14C

是碳的放射性同位素，半衰期為5730年，經(jīng)β-衰變可轉(zhuǎn)化為14N。14C

與其他兩種碳穩(wěn)定同位素的相對豐度為：12C13C14C

98.893%1.107%1.2×10-10%14C數(shù)量極微。1.2確定方法：14C法147N+10n→

157N→p+146C;β-衰變：146C→

147N(n、p分別為中子和質(zhì)子)在高層大氣中由氮原子和宇宙線中次級中子的核反應(yīng)生成14C，14C與大氣中的O結(jié)合生成14CO2。

14C/12C之比是1.24

10-12，它的放射性相當(dāng)于15dpm/克碳。在海水表層，大氣中的14CO2和海水中的碳酸物質(zhì)保持溶解平衡，使14CO2進入海洋，最后在海水中經(jīng)過各種海洋過程沉到海底，通過測定14C的量可求出該海水的年齡。Δ14C=δ14C－2(δ13C+25)(1+δ14C/1000)1.2確定方法：14C法下表是把海域深層的

14C減去表層的

14C來計算深層海水的表觀年齡。由于在同一觀測站表層和深層水之間并沒有直接關(guān)系，此法并不正確。應(yīng)根據(jù)深層水流狀況，從深層水的

14C中減掉來源水的

14C，再進行計算。

14C表觀年齡(年)大西洋20oS~25oN1400~2500-104±3500±90南大西洋20o~40oS1500~2200-105±3500±90北大西洋23o~40oN﹥4000-104±3500±90南太平洋25o~40oS3500-150±15425±150太平洋15oS~30oN2000~3500-150±5925±150全球3000米深水的14C年齡法對全球3000米深度的海水年齡測定，結(jié)果如圖。發(fā)現(xiàn)北大西洋最年輕，而北太平洋最古老，達2000歲左右，也就是所謂的“千歲”海水。14C除了用于測定樣品年齡和沉積速率外，也是研究海洋水團運動和海洋地球化學(xué)作用的重要示蹤劑。這種結(jié)果表明全球的海水在不停的交換，大洋傳送帶的假說是有根據(jù)的。其他沉降同位素測年10Be和26Al法10Be和26Al主要產(chǎn)生于大氣圈并沉降入海。26Al濃度很低，較難測定。10Be豐度較高，在合適條件下可進行精確測定，由于其半衰期很長(1.5×106a)，主要應(yīng)用于測定鐵錳結(jié)核的生長速率。其他沉降同位素測年7Be法7Be不同于10Be，半衰期只有53天，可用于測定溫躍層的垂直渦動擴散系數(shù)。在淺海區(qū)，由于顆粒物濃度高，7Be隨顆粒物質(zhì)很快進入沉積物，使其成為研究顆粒混合作用的有效指示劑。其他沉降同位素測年32Si法Lal等于1960年首次在海洋環(huán)境中鑒別出32Si，隨后對硅質(zhì)海綿和很多海水樣品進行了大量測定。表明32Si可作為計時計以研究海洋的混合過程、海洋沉積物測年和海底生物擾動作用等。第七章海水的年齡和停留時間

1海水的年齡

1.1海水年齡

1.2確定方法：14C法2海水的停留時間

2.1停留時間

2.2箱式模型

2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義2海水的停留時間海水的平均停留時間：對某一水層而言，從特定水分子進入該水層到水分子從該水層移出所需要的平均時間。經(jīng)地史時期多次地球化學(xué)循環(huán)，使得元素在海洋和巖石之間的分布接近于穩(wěn)定狀態(tài)，海水的組成保持恒定。至少45/1.5=30由于各種元素的輸入速率和輸出速率各不相同，因此各元素在海水中的停留時間也不一樣。2.1停留時間根據(jù)河流運載溶解固體的通量，方程式可以寫為：

式中

cs表示元素y在海水中的平均濃度(μmol/dm3)cr表示元素y在河水中的平均濃度(μmol/dm3)Vs為現(xiàn)在世界海洋的總體積(1.37×1021dm3)Fr為每年河流入海的平均流量(4×1016)(dm3/y)水在海洋中的平均停留時間(tW)為：2.1停留時間Broecker等把海洋劃分為表層和深層，并在水平方向上也都劃分為若干區(qū)，求得它們之間14C交換的速率，得出結(jié)論是太平洋深層水的平均停留時間為800年以上，而大西洋深層水為500年以上。簡單起見，將海洋劃分為兩層，即表層(混合層)和深層，表層厚100米，深層厚3900米，下式表示水在表層和深層之間的交換：K′W′=KW式中W′和W分別為表層和深層的海水量(克/m2)；K′和K為水的交換速度，其倒數(shù)τ及τ′，為海水在表層和深層的平均停留時間(年)。表層水的τ′一般認為是5~10年，故深層水的平均停留時間應(yīng)為195~390年。表層的停留時間變成13年以上，則深層的τ開始超過500年。第七章海水的年齡和停留時間

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1.2確定方法：14C法2海水的停留時間

2.1定義

2.2箱式模型

2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義2.2箱式模型當(dāng)海水中各元素處于穩(wěn)定狀態(tài)時，元素的含量不隨時間而變化。這時元素進入海洋的速率等于從海洋中輸出的速率，可采用——箱式模型來表示，M——海水中某一元素的溶存總量Q——輸入速率R——輸出速率2.2箱式模型從方程式看出，要有效地改變海水中某元素的總量M，必須先改變輸入速率Q。李遠輝曾對下面兩個問題進行討論：

(1)假設(shè)海水中某一元素在t≤t0時處于穩(wěn)定狀態(tài)，如輸入量突然成指數(shù)增加，元素的增加率與停留時間的關(guān)系如何？

(2)假如當(dāng)t=t1時，元素又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入量，則到何時元素在海洋中達到穩(wěn)定狀態(tài)？2.2箱式模型整個過程可用下圖表示：

T02.2箱式模型1.當(dāng)t≤t0時，海洋處于穩(wěn)定狀態(tài)，，所以Q0=KM0當(dāng)t0

≤t≤t1時，假設(shè)輸入速率開始呈指數(shù)增加，即(m為常數(shù))代入得：，解方程式得：當(dāng)輸入速率增加時，停留時間短的元素，在海洋中增加的百分數(shù)大。2.2箱式模型或當(dāng)t

＞t1時，可寫成：

M=M0+(M1–M0)e-k(t-t1)當(dāng)M-M0/

M1-M0=1/2時，T1/2=ln2/k=0.693即自t1以后，將以增大的M減少其一半所需要的時間為0.693。由此可以看出，停留時間越短，重新達到平衡狀態(tài)的時間就越短。假設(shè)=103年，則海洋需要2.8×103年(大約4個半衰期)才能重新接近平衡狀態(tài)。第七章海水的年齡和停留時間

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2.1停留時間

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2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系在海洋中，活潑的元素會較迅速地從海洋中遷移出去，也就是說它在海洋中的停留時間將會更短。海水的組成直接與元素的停留時間有關(guān)系。 Whitfield等人(1979)和Turner等人(1980)將logty對logKy(SW)作圖，發(fā)現(xiàn)logty

與logKy(SW)有明顯的正相關(guān)關(guān)系。2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系在海洋中，含量高的元素，停留的時間長，而那些容易結(jié)合到固相中的元素，停留時間較短。停留時間與分配系數(shù)之間的關(guān)系可用下式表達：

log=a1logKy(SW)+b1這關(guān)系式適合于50多種元素，它可用來預(yù)言圖中還沒有列出的元素的平均停留時間，將準(zhǔn)確到數(shù)量級以內(nèi)。2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系如果把海水中某一元素的平均濃度cs與它在河水中的平均濃度cr聯(lián)系起來，可以看出停留時間與某一元素的關(guān)系。cs

＞10cr的元素，屬于富集的元素。這些元素在海洋中不斷地積累、并在整個地質(zhì)年代進行充分地混合。因此，它們的濃度比率相互保持恒定(±10%以內(nèi))。cs

＜0.1cr的大多數(shù)元素，屬于貧乏的元素，這些元素迅速地從海洋中除去，以致它們的停留時間比海洋攪動循環(huán)一次所需的時間還短，因此，這些元素在整個大洋中的分布是不均勻的。10cr

＞

cs

＞0.1cr的元素，使一些預(yù)先平衡的元素，這些元素在空間和時間上也有相當(dāng)大的變化。其原因不是它們迅速地從海水體系中除去，而是參與復(fù)雜的生物循環(huán)和地球化學(xué)循環(huán)。2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系以上討論說明，海水中元素的停留時間可以表示元素在海洋中的地球化學(xué)活性，也可以反映該元素的輸入速率，并可以估計由于輸入量的變化所引起的海水元素隨時間的變化。2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系第七章海水的年齡和停留時間

1海水的年齡

1.1海水年齡

1.2確定方法：14C法2海水的停留時間

2.1停留時間

2.2箱式模型

2.3停留時間與分配系數(shù)Ky(SW)的關(guān)系

2.4運用及研究意義2.4運用及研究意義元素的停留時間范圍從氯的1.0×108年到鋁的100年，說明存在于海水中的元素的地球化學(xué)活性變化很大。原子序數(shù)較低的堿金屬和堿土金屬(除鈹外)，由于它們較低的地球化學(xué)活性，停留時間都在106年以上。隨著原子序數(shù)的增加，停留時間逐漸減少，因為這些較大的離子，對粘土礦物具有較高的離子交換親和力。2.4運用及研究意義鋁、鐵、鉻、鈦、鈹和釷元素的停留時間是100~

1000年，這些元素的離子在海水的pH值下迅速水解，并有可能吸附硅酸鹽離子或重金屬離子或結(jié)合于自生礦物，如鐵-錳結(jié)核和鈣十字佛石或其他硅酸鹽礦中。由于這些元素在海洋中的停留時間短，因此從一個海區(qū)到另一海區(qū)，可能找出它們的濃度差異。許多過渡元素，停留時間較短（例如銅2600年，鎳1.9×105年，鈷1.7×104年），這可能是鐵錳礦物沉淀時從海水溶液中移走這些元素