在大海中游过泳的人都尝过海水的味道,咸,还有点苦涩。呵呵,那是原生态盐的味道。一般一公斤海水含盐3.5%,而原始海盐的组成主要包括氯、钠,以及硫、钙、镁、钾等其它元素(图1)。因此,它的味道不仅仅是咸。
图1海水盐度及盐的元素含量海水中为什么会有这样的元素分布?
原因很简单,它们都来自大陆地壳岩石的风化产物,图2是大陆地壳的元素丰度分布(图2)。降雨,有些降水溶解大气中的二氧化碳形成酸雨。雨水对大陆岩石产生物理与化学风化作用,特别是化学风化将岩石、矿物分解形成各种离子溶解于水中。最后都通过地表径流河流、地下水等最终汇集到海洋,正所谓海纳百川。百川带来的不仅仅是水,也带来了风化作用形成的离子。
海水发生蒸发作用,而携带的离子留在海水中,蒸发的海水通过降水,侵蚀大陆地壳并再次携带各种离子进入海洋(图3),循环往复。很多离子比如钙、镁被海洋生物利用,从而从海水中流失。其它一些离子日积月累浓度越来越高,其中氯、钠离子海水中含量最多,形成氯化钠,也就是盐。据估计,将所有大洋中的盐蒸发出来,平铺在所有大陆上将达到米(图4)。
图2大陆地壳元素丰度图2大陆地壳元素丰度
图3水循环示意图图4海盐堆积如山此外,大洋洋底的海底热液以及海底火山喷发也将携带地壳中的元素喷溢海底,对海水的盐度增加有贡献(图5)。
图5海底热液用海水盐度估算地球年龄,靠谱吗?
地球的年龄,自古至今都是科学家孜孜以求的课题。最早在年,英国著名天文学家哈雷指出海洋盐度是逐渐增加,通过盐度增加的速率及现代海洋的总盐度,可以估算地球年龄。但是,他自己没有计算,直到年爱尔兰学者JohnJoly利用海洋含盐总量和河流每年注入量,计算出地球的年龄达到80-百万年。他的计算大致是这样的:
1)海水总体积,比如百万立方千米,2)海水中含盐量,比如体积占比1%;3)每年河流注入海洋的总体积,比如立方千米;4)每年河流注入海洋的含盐量,比如3-11ppm。结果是:41-百万年。你会算吗?
现在来看,显然这个结果太小,但在当时该年龄已经很大了。因为当时物理学家们计算都不到20百万年。比如年Buffon利用铁球冷却原理,计算才7万5千年;年HermannvonHelmholtz利用太阳亮度估算大致20百万年;年LordKelvin用地温梯度估算20百万年。
用盐度作为地球年龄的时钟,其前提存在缺陷。首先,海洋的海水盐度不断被板块运动所破坏。海洋板块俯冲、消失,山脉隆升,海水的含盐元素不断被这些构造运动、沉积作用带进带出,不是像JohnJoly假设那样只进不出;此外,河流携带的含盐量在地质历史中也不是固定,是个变量,如造山期间,山脉高大,河流携带含盐量注入速度可能大。
好的测年时钟应该具备以下要素:初始状况已知,像时间一样的不可逆过程,变化速率恒定,最终状况确定。利用盐度计算地球年龄,只有最后一条,也就是海水总含盐量相对确定,其它三条均不清楚,因此极不靠谱。以后要介绍的同位素测年则满足以上四个要素。