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海洋沉积物重金属的分布以及迁移规律

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海洋沉积物重金属的分布以及迁移规律 - PowerPoint PPT Presentation


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海洋沉积物重金属的分布以及迁移规律. 报告人:杜辉宏. 什么是海洋沉积物?. 海洋沉积物( marine sediments )是指各种海洋沉积作用所形成的海底 沉积物 的总称。以海水为介质沉积在海底的物质。沉积作用一般可分为 物理 的、 化学 的和 生物 的 3 种不同过程,由于这些过程往往不是孤立地进行,所以沉积物可视为综合作用产生的地质体。 传统上,按深度将沉积物划分为: 近岸沉积 ( 0 ~ 20 米), 浅海沉积 ( 20 ~ 200 米), 半深海沉积 ( 200 ~ 2000 米), 深海沉积 (大于 2000 米)。. 大洋底下沉积物:. 近岸海区沉积物:.

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什么是海洋沉积物?
  • 海洋沉积物(marine sediments)是指各种海洋沉积作用所形成的海底沉积物的总称。以海水为介质沉积在海底的物质。沉积作用一般可分为物理的、化学的和生物的3种不同过程,由于这些过程往往不是孤立地进行,所以沉积物可视为综合作用产生的地质体。 传统上,按深度将沉积物划分为:近岸沉积(0~20米),浅海沉积(20~200米),半深海沉积(200~2000米),深海沉积(大于2000米)。
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大洋底下沉积物:

近岸海区沉积物:

  • “贮存”着大洋海盆及其水体的历史变化记录——可反映沉积物生成过程和变化规律
  • 蕴藏着丰富的矿物资源(如近海石油、大洋锰结核等)——可作为资源开发利用

沿海污染的底质指标

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海洋沉积物研究的区域划分
  • 沉积物研究区域划分:

浅海区 深海区

  • 反映不同的物理因素和化学因素
  • 物理因素:① 环流速率

② 源地距离

③ 温度

  • 化学因素:① 盐度

② 水中溶解气体浓度

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海洋沉积物分为:

近岸沉积

非远洋沉积物

深海沉积

远洋沉积物

● 非远洋沉积物:含陆源组分,在上部水层中未长期呈悬浮体状态,依靠海底作用沉积。

● 远洋沉积物:陆源矿物组分由稀释悬浮体沉积而成,微粒物质在其中长期停留并慢慢地从上覆水上层部位沉淀下来。

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近岸沉积物:占沉积物总体积的80%

陆源物质通过物理迁移形成

  • 深海沉积物:占沉积物总体积的20%

只有一半,构成深海生物软泥和粘土。

  • 大陆边缘和深海平原沉积物:主要是陆源物质通过物理迁移形成,但在深海沉积物形成中地球化学过程起着更为重要作用。
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海洋沉积物类型
  • 沉积学研究的分类以与水动力密切相关的粒度以及物质成分作为分类的依据。
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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CLASSIFICATION OF SEDIMENTARY ROCKS

SANDSTONES

由石英颗粒(沙子)形成,结构稳定,通常呈淡褐色或红色,主要含硅、钙、黏土和氧化铁

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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CLASSIFICATION OF SEDIMENTARY ROCKS

SANDSTONES

Sandstones are useful as building stones

contain oil, gas and groundwater

due to high porosity and permeability

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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CLASSIFICATION OF SEDIMENTARY ROCKS

MUDSTONES

泥质岩是粒度<0.0039mm(即<4μm 泥岩)主要由粘土矿物组成的岩石. 其成分与构造和页岩相似但较不易碎。一种层理或页理不明显的粘土岩。

Parallel alignment of micas and clays is termed

FISSILITY.

SHALE = FISSILE mudstone.

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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CHEMICAL SEDIMENTARY ROCKS

Typically consist of interlocking minerals crystallizing

upon precipitation from seawater.

LIMESTONE

Composed of Calcite (CaCO3)

Comprise 10-15% of all sedimentary rocks.

CaCO3 precipitates in warm water.

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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CHEMICAL SEDIMENTARY ROCKS

LIMESTONE

Grand Bahamas Banks

Area of oolite production

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SEDIMENTATION AND SEDIMENTARY ROCKS

CHEMICAL SEDIMENTARY ROCKS

EVAPORITES

Precipitate from sea water.

Include Gypsum

Halite

Sylvite

Limestone

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来源、搬运和沉积  是影响沉积作用和沉积类型的重要因素
  • 物质来源  
  • 海洋沉积物的来源分为以下几类:
  • ①陆源,主要是陆地岩石风化剥蚀的产物,如砾石、砂、粉砂和粘土等,是典型的陆源沉积物。
  • ②海洋组分,主要是从海水中由生物作用和化学作用形成的各种沉积物,如海洋生物的遗体,海绿石、磷酸盐、二氧化锰等自生矿物及某些粘土等。
  • ③火山作用形成的火山碎屑,大洋裂谷等处溢出的来自地幔的物质,以及来自宇宙的宇宙尘等。
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物质来源
  • 蚀源区的性质决定了陆源物质的原始特征,从而对沉积物的性质产生深刻影响。
  • 如黄河径流所携带的固体物质有70%左右沉积在河口区。其特点是 CaCO3含量较高,含有角闪石、白云母、绿帘石等重矿物组合,粒径以0.01~0.05毫米占优势。这些特点不同于长江物质形成的沉积。 

长江口及邻近海域表层沉积物中的粘土矿物主要为伊利石、绿泥石、高岭石及蒙脱石

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物质来源
  • 在缺少陆源物质的海域,来源于生物和化学作用的产物占有重要地位。
  • 在某些海域,特别是较深的海域,生物作用的产物和生物遗体可成为主要的物质来源,如南海外陆架、东海冲绳海槽的有孔虫细砂以及大洋中的生物软泥等。
  • 自生矿物也主要见于陆源沉积速率低的海域,如南太平洋中部的沸石沉积等。
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物质搬运
  • 在不同海域,物质搬运的动力条件不同。
  •   陆源物质入海主要是河流的搬运,其次是浮冰和风力等地质作用的搬运(见表)。
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Glaciers and Ice Caps

Calving glacier in Greenland.

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物质搬运
  • 由河流搬运入海的陆源碎屑很少达到深海,主要是在近岸河口区和内陆架沉积下来,只有少量细粒物质被带到外陆架及更远处。在高纬度海域,由于冰川作用和浮冰搬运,形成了大量粗碎屑沉积。
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物质搬运
  • 在大陆边缘,特别是陆架海的物质搬运主要受潮流、密度流、风海流和风浪等作用控制。
  • 如欧洲北海,潮差达3米以上,潮流的表面流速可超过 2米/秒。沉积物的搬运受潮流作用控制。
  • 有的陆架沉积作用主要受风海流与暴风浪控制,天气好时风海流悬移细粒物质散布到陆架各地,风季时暴风浪对粗粒物质进行搬运。
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物质搬运
  • 在高纬度地区,浮冰是搬运沉积物的重要方式。它们目前主要分布在极地至南、北纬 55°左右;在更新世冰期曾远达南、北纬 35°左右。正是由于物质搬运营力的特殊性而使高纬度地区的沉积类型别具一格。
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物质搬运
  • 风对海洋沉积物的搬运也有一定作用,如沿大西洋东岸的撒哈拉大沙漠一带,热带风可搬运大量微尘入海。某些深海和浅海沉积物中的粘土和火山灰等也与风的搬运作用有关。
  •   搬运海洋沉积物的营力虽然复杂多变,但就整体来说,起主导作用的仍然是海水的动力条件。
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沉积
  • 沉积速率  
  • 海洋沉积物的沉积速率在海底不同的部位相差甚大。沉积速率的不均一性反映了沉积环境的差异性,从而在沉积类型和沉积厚度上表现出很大的差别。影响沉积速率的主要因素有物质来源状况、气候、构造作用等。在物质来源充足,海洋生物作用产物十分丰富的海域,沉积速率很高,反之则低。由于快速沉积期常与慢速沉积、无沉积或侵蚀期相互交替,故通常使用平均值来表达不同环境中沉积速率的大小。
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世界大型三角洲和河口区的沉积速率,最高可达到500米/千年左右。 在陆坡和陆隆最高可达 1米/千年。而深海区一般只有 0.1~10厘米/千年左右。由于深海沉积速率低,加之洋底年龄不老于侏罗纪,故深海洋底的沉积厚度小,平均不过 0.5公里。各大洋的沉积速率也有所不同。大西洋沉积速率较高。太平洋不少海域距陆甚远,大洋周缘被海沟环绕,陆源物质难以越过海沟到达大洋区,故沉积速率较低。北冰洋由于覆冰沉积速率也低。
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现代浅海环境中有时会出现无沉积区,可看作是短期的沉积间断;深海钻探揭示,深海沉积中沉积间断也十分常见。这就为某些海洋组分,如自生矿物的大量形成提供了有利条件。现代浅海环境中有时会出现无沉积区,可看作是短期的沉积间断;深海钻探揭示,深海沉积中沉积间断也十分常见。这就为某些海洋组分,如自生矿物的大量形成提供了有利条件。
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什么是重金属?

根据金属的密度把金属分成重金属和轻金属,常 把密度大于4.5g/cm3的金属称为重金属。 如:金、银、铜、铅、锌镍、钴、铬、汞、镉等大约45种。      

化学上

从环境污染方面 重金属是指:汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属。

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你注意了吗?

重金属伴随着你的一天!

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200亿元:国土资源部称,中国每年有1200万吨粮食遭到重金属污染,直接经济损失超过200亿元。200亿元:国土资源部称,中国每年有1200万吨粮食遭到重金属污染,直接经济损失超过200亿元。

4035人: 环保部称,2009年,重金属污染事件致使4035人血铅超标、182人镉超标,引发32起群体性事。

2000万公顷: 2009年中国食品安全高层论坛报告上的数据显示,我国1/6的耕地受到重金属污染,重金属污的土壤面积至少有2000万公顷。

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36%: 有36%的膳食铅摄入量超过安全限量,特别是皮蛋的含量比较高。镉的污染水平也较高,大多数存在于软体类和甲壳类动物身上。

23.57%: 国家疾控中心曾对1000余名0-6岁儿童铅中毒情况进行免费筛查、监测。结果显示,23.57%的儿童血铅水平超标。

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对人体危害
  • 汞:食入后直接沉入肝脏,对大脑、神经、视力破坏极大。天然水每升水中含0.01毫克,就会导致人中毒。
  • 镉:导致高血压,引起心脑血管疾病;破坏骨骼和肝肾,并引起肾衰竭   
  • 铅:是重金属污染中毒性较大的一种,一旦进入人体将很难排除。能直接伤害人的脑细胞,特别是胎儿的神经系统,可造成先天智力低下
  • 钴:能对皮肤有放射性损伤。   
  • 钒:伤人的心、肺,导致胆固醇代谢异常。   
  • 锑:与砷能使银手饰变成砖红色,对皮肤有放射性损伤。   
  • 铊:会使人多发性神经炎。   
  • 锰:超量时会使人甲状腺机能亢进。也能伤害重要器官。   
  • 砷:是砒霜的组分之一,有剧毒,会致人迅速死亡。长期接触少量,会导致慢性中毒。另外还有致癌性。   这些重金属中任何一种都能引起人的头痛、头晕、失眠、健忘、神精错乱、关节疼痛、结石、癌症 。
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重金属是具有潜在危害的重要污染物。一般是指对生物有显著毒性的元素。目前,最引人们注意的是汞、砷、镉、铅、铬等。它不能被微生物分解,相反,生物体可以富集重金属,并且能将某些重金属转化为毒性更强的金属—有机化合物。

生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用,在较高级生物体内成千万倍地富集起来,然后通过食物进入人体,在人体的某些器官中积蓄起来造成慢性中毒,危害人体健康。

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水中主要重金属的来源

(1)地质风化作用

(2)各种工业过程

(3)燃烧引起大气散落

(4)生活废水和城市地表径流

(5)农业退水

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重金属元素在水环境中污染特征

(1)分布广泛

(2)可以在水环境中迁移转化

(3)毒性强

(4)生物积累

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三.水中重金属的存在形态及影响因素

1.水中重金属的存在形态

活的或死的生物体中的金属

有机配合物、螯合物及化合物

与高分子有机物结合的金属

吸附在胶体上的金属

沉淀的无机或有机颗粒物

无机离子对和配合物

高度分散的胶体

配合离子

游离水合离子

0.01-0. 1μm

0.01μm

0. 1μm

> 0. 1μm

<0.001μm

0.001-0.01μm

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重金属对水生生物的毒性

Hg>Ag>Cu>Cd>Zn>Pb>Cr>Ni>Co

1. 对水生植物的毒性

Hg>Cd≈Cu>Zn>Pb>Co>Cr

2. 对甲壳动物的毒性

Hg2+>Cd2+>Zn2+>Mn2+

3. 对软体动物的毒性

Hg>Cu>Zn>Pb>Cd>Cr

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4. 对鱼类的毒性

金属离子对鱼类的毒性分为急性毒性、亚急性毒性和慢性毒性,并且这方面的研究受到广泛重视,多见报道。

部分金属污染物顺序为:Hg>Cu>Zn、Cd>Pb

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(二) 影响重金属毒性的因素

1.物理化学因素

  • 温度: 一般金属污染物质的毒性随温度的升高而增大
  • 溶解氧: 溶解氧含量减少,生物毒性往往增强
  • pH: pH升高时,毒性降低
  • 碱度: 碱度增大,毒性降低
  • 硬度: 多数重金属离子在软水中的毒性比在硬水中大
  • 毒物间相互作用:Cd+Cu、Cu+Co具有协同作用;Cd-Co、

Cd-Cu+Co有拮抗作用

  • 其它影响金属离子形态的因素
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2. 生物学因素

一般来说,对虾的发育越往后期,它对每种重金属的忍受限越大。但受精卵相对无节幼体和蚤状幼体,具有更强的忍受能力。对虾不同发育生长阶段对重金属的忍受顺序大致为:无节幼体<蚤状幼体<糠虾<仔虾<幼虾<成虾。

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沉积物中的重金属

沉积物中金属的形态

  • 可交换态 (被吸附态)
  • 与碳酸盐结合态
  • 与铁锰氧化物结合态
  • 与有机质结合态
  • 残渣态

沉积物中不同形态金属含量的分配比关系决定于多方面的因素,既与沉积物的粒度组成有关,也与各种金属离子自身的性质有关,更与水环境的污染程度有关。

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沉积物中重金属的释放
  • 造成重金属释放的原因有四类

重金属从悬浮物或沉积物中重

新释放属于二次污染问题,不

仅对于水生生态系统,而且对

于饮用水的供给都是很危险的

危害

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沉积物中重金属的释放的原因

(1)盐浓度升高
  • 例如:水体中Ca2+、Na+、Mg2+离子对悬浮物中铜、铅和锌的交换释放作用

Zn>Cu>Pb(Ca2+作用)

金属从沉积物中释放出来的主要途径之一

原因

碱金属和碱土金属阳离子可将被吸附

在固体颗粒上的金属离子交换出来

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沉积物中重金属的释放的原因

(2)氧化还原条件的变化

使一定深度以下沉积物中

的氧化还原电位急剧降低

在湖泊、河口及近岸沉积物

中一般均有较多的耗氧物质

铁、锰氧化物可

部分或全部溶解

被其吸附或与之共沉淀的重

金属离子也同时释放出来

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沉积物中重金属的释放的原因

(3)降低pH值

碳酸盐和氢氧化物的溶解

pH值降低

H+的竞争作用增加了

金属离子的解吸量

规律

一般情况下,沉积物中重金属的释

放量随着反应体系pH的升高而降低

在受纳酸性废水排放的水体中,金属的浓度往往很高

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沉积物中重金属的释放的原因

(4)增加水中配合剂的含量

天然或合成的配合剂使用量增加

重金属

形成可溶性配合物

有时这种配合物稳定度较大,可以溶解态存在

重金属从固体颗粒上解吸下来

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沉积物中重金属的释放的原因

(5)其他作用
  • 例如:生物化学迁移过程,也将引起金属的重新释放
  • 危害:引起重金属从沉积物中迁移到动、植物体内,可能沿着食物链进一步富集,或者直接进入水体,或者通过动植物残体的分解产物进入水体
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选择沉积物重金属溶度作为金属污染指示剂

重金属由沉积物解脱出来回到水相中, 引起重金属的次生污染问题, 已在相当大的程度上受到人们的关注。

表层沉积物中以相对不稳定状态存在的部分重金属, 易被利用, 因而具有重要的生态意义。重金属浓度的阈值, 超过此值, 其生态效应频繁发生。研究发现, 沿海表层沉积物中以有效态结合的某些重金属如(Mn、Fe、Cu)的释放, 是发生赤潮的因素

沉积物中重金属浓度高3一5个数量级, 是污染的指示剂。研究发现, 在被Cd污染的河流中, 虽然悬浮物和沉积物中含量很高, 水相中Cd的含量却经常低于检出限, 调查发现, 污染严重地段的水相中含量达几百ppb, 而沉积物中高达上千ppm