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从贝壳中Sr与Ca的含量比和寒武纪沉积物来探索古代海水的化学组成


实验室k / 2018-06-22

    现在生活着的某种软体动物的炭酸盐盐贝壳中Sr/Ca值和其生活海水中的Sr2+/Ca2+值成正比,这一点在之前的文章中得到了验证。我们曾搜集了被认为是从2一6亿年前甚至于直到现在生成的、并在生成以后似乎并没有经受次生变化的这类贝壳的化石。经分析求出其Sr/Ca值,从而得知所有这些值和在氯度为19%的标准海水中培育的这类贝壳的Sr/Ca值几乎相等。

    这暗示着:2~6亿年以来直到现在海水中Sr2+/Ca2+值和现在标准海水的值相等。从事过该项工作的人们,由此得出这样的结论:2~6亿年以来溶于海水中的主要元素浓度、溶于海水中的全部元素量,均与其在现在海水中的量相等(H.T.Odum,1957;H.A. Lowenstam,1961)。这结论显然有很大的飞跃。这是由于虽然在海水中Ca2+为400毫克/升,而Sr2+仅仅含有8毫克/升,但主要成分整体却含有34克/升。即便含量仅仅是微量的Sr2+/Ca2+比相同,也不能立即就预言含量为34克/升的主要元素的浓度比会相同的缘故。然而,要是采用克雷默的考虑方法的话,那么象下述那样理解是会令人接受的吧(北野,1968,1969)。

    从原始海水直至现在在海水,其Cl-的浓度就一直没有变化,所以如前所述,应该认为原始海水中主要元素的浓度与现在海水中的浓度是相等的。假若海水中的Sr2+/Ca2+是相等的话,那么我们就可以说主要元素的浓度比也是相同的。正如之前文章所述,原始地球最初并没有海水,一般认为水是通过漫长地质年代从地球内部逸出到地表的。似乎可以认为这种逸出的速度是很快的,从地球形成到大约30亿年前期间已经逸出了现在海水的相当一部分(北野,1968,1969)。这样,若仅仅考虑这一亿年间,就可以认为海水的量增加非常少。
    倘若这45亿年间水以同一速度从地球内部逸出,那在1亿年间逸出的水量充其量也只能约相当于全部逸出水量的2%。如果考虑误差为2%的话,那么也可以说这1亿年间
海水量和现在海水量是相相等的。由此也可以进一步认为,主要元素的浓度至少在这1亿年间也与现在海水中的浓度相等,所以海水中含有的主要元素的总量至少在这1亿年间并无增加,这就等于说在最近这1亿年间,海水量基本上没有变化。把贝売的Sr/Ca比和克雷默的研究工作密切结合起来就能讨论2-6亿年来这方面的情况。但是,因为在地球上仅能找到2-6亿年来的贝売化石,所以难以预言比这更早的前寒武纪时海水的化学组成。然而,倘若相信克雷默主张的话,那么可认为寒寒武纪海水中Cl-浓度和现在海水中的CI-浓度相等。所以之前文章表4,4所列的矿物被看作是海相沉积物,如果说海水和这种沉积物中的矿物处于平衡的话,那么这就等于说彼时海水中主要元素的浓度,已经等于现在海水中相同元素的浓度。关于寒武纪的沉积物有图4.4所示的报告(A.B. Ronov,11964)。根据该报告,表表4.4所列的矿物在20亿年前的海中就已有其存在的可能性是不能排除的。粘土矿物和海水一接触,海水的p就接近现在海水的ph=8的值,但也可以想像约约20亿年前海水中主要化学成分的浓度和现在海水中的浓度也是相等的(北野,1968,1969)。

    比20亿年更早的海水的化学组成大体上又是怎样的呢?
    关于这一点,推想了在4.3节中叙述的原始海水化学组成,除这种推断海水如何变化而来的方法以外,或许别无他策了吧!原始海水的化学组成是0.3N的HCI溶液,它接触并溶解岩石,溶液本身也被中和,并认为海水中金属离子浓度随之增加起来,或许就是这个过程决定了从45亿年前到约30亿年前海水的化学性质。若这样考虑,则可得出如下的看法。可以认为原始地球由球粒陨石物质部分熔融,并分成由玄武岩物质构成的地壳和由橄榄岩物质构成的上地幔。若地球表面的温度一降为100°C以下,则H20成为液体,HCl,NH4Cl,HF,H3BO3溶解到水中生成了0.3NHCI溶液。这时,CO2和N2等难溶于水,而存在于大气中。该0.3 NHCI 溶液和玄武岩物质接触,大概溶解了Ca2+,Mg2+,K,Na,Fe2+,A13+等。海水因这种溶解作用而被中和,而Fe和A1再以氢氧化物的形式沉淀下来。彼时海水的化学组成大概就如表4.7所示,Ca2+,Mg2+,K的浓度大概比现在海水中的浓度大(G.D. Nicholis,1965)。该组成的推测,是基于由盐酸溶解玄武岩而得到的溶液以及玄武岩地带温泉的水质的测定而作出的。玄武岩经溶解作用成为碎屑岩,并生成粘土矿物。粘土矿物生成足够量以后,在粘土矿物和海水之间发生Na+,H+和K的交换反应,而达到平衡,结果海水的pH就接近于8。这时K+容易被粘土吸附,而溶液中Na+的浓度变得比K大。海水一变成中性,大气中的CO2就溶入海水,海水中CO2-3浓度增加,开始生成CaCO3。与此同时少量Mg也随着CaCO3一起沉淀。

 

因此溶液中的Ca2,Mg2+同时减少,尤其Ca2的浓度比起Mg2来变得更小。至于Mg2+再进一步和粘土矿物间发生平衡反应,这样一来海水主要成分的化学组分就变得和现在海水的化学组分相同了。也有报告认为:海成粘土的K/Na,碳酸盐的Mg/Ca越是在寒武纪时的古老时代就越大,而约在1~3亿年前左右,K/Na,Mg/Ca比值才各自和现在海水中生成的粘土中K/Na和碳酸盐中的Mg/Ca比值相等了。因而也有人得出这样的结论:在约2亿年以前的古代海水中,年代越古老,溶解在海水中的K和Mg2+所占的比例比起现在海水来就越大(G.D. Nicholis,1965;R.W. Fairbri-dge,1967)。但是,粘土的K/Na比、碳酸盐的Mg/Ca比,因次生变化而有可能变大,不能说古老沉积物的K/Na,Mg/Ca比值,直接反映该沉积物生成时的海水K/Na,Mg/Ca值。而且,所用的沉积物也不能认为就是当时海成沉积物的代表。尤其碳酸盐中的Mg/Ca比,之所以古时代较大,是因为白云石/石灰石比值大的缘故(表4.8),该白云石并不是从海水中一次直接生成的物质。作者认为至少在20亿年前左右,海水中主要成分的浓度和现在海水中的浓度或许已经近似了(北野,1969)。


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