地球科学概论

第1章绪论 　　1.1地球科学的性质、任务和作用 　　人类在地球母亲的怀抱中逐渐成长，并了解了地球的基本特征及诞生和演化过程，从而创立了一门研究地球的科学一地球科学。地球科学经历了长期的发展，逐渐成为一门全新的关于地球这个复杂巨系统产生、发展及变化规律的学科，它与当代社会经济、政治、科技、文化等有着十分密切的联系。 　　地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、生物学、天文学、地球科学六大基础学科之一。它以地球为研究对象，囊括了固体地球本身和分布在地球表层的水圈、生物圈和大气圈。 　　地球科学的主要分支学科包括地质学、地理学、气象学、水文学、海洋学、行星科学、土壤学、环境科学和地球系统科学等。其中，地质学着重研究地下，地理学着重研究地表，气象学着重研究大气圈，水文学和海洋学着重研究水圈，行星科学着重研究天体并从行星的角度研究地球的形成及演化过程，土壤学着重研究地球表层发育的土壤层，环境科学是一门新兴的综合性学科，着重研究人类生存环境的保护和改善。各学科从不同侧面对地球加以研究，但它们的研究成果都有着密切联系，构成了完整的科学体系，即地球系统科学。 　　地球科学担负着人类社会发展的五大使命：研究地球的结构、成分及演化；解释星体的成因；探索生命的起源；研究自然资源的勘查、开发与管理，探讨合理利用资源和可持续发展的途径；研究人类生存环境的构成、现状和环境恶化的原因，探讨保护和改善环境的措施。 　　地球科学在国民经济中占有十分重要的地位，是服务于工农业发展和人类生存的基础性学科，其作用主要体现在以下几方面。 　　（1）现代化工业、农业、国防建设需要大量水资源、矿产资源和能源。制造农用化学肥料（如磷肥、钾肥）的原料都是矿产（如磷块岩、钾盐矿），工业生产上需要的各种金属、化石燃料都是从地壳中开采出来的矿产。 　　20世纪中叶以来，世界经济飞速发展，人类对各类矿产资源的需求也迅速增加。据统计，与1901年比较，2015年全球矿产开采总量增长了32倍，其中化石能源开采量增长14.6倍，金属矿产开采量增长41.0倍，非金属矿产开采量增长49.3倍（Krausmann et al.，2018）。人类对资源需求的增长与资源有限之间的矛盾将长期存在。因此，矿产资源、水资源及其他资源的合理开发和使用成为地球科学研究的新课题。例如，对于如何解决目前我国的水资源短缺问题，科学家指出，根据我国水资源分布不均匀和其季节性变化、年际变化大的特点，应按照水资源的不同条件与不同用途，因地制宜地合理开发利用水资源。大城市应在查明水资源的基础上，选择在较大范围内建立分散式供水系统，防止水源地过度集中。 　　（2）大型工程建筑项目与地球科学密切相关。例如，公路、铁路路线的选择，城市、厂矿、桥梁、隧道、水库等工程选址，都需要在工程地质详细勘察基础上才能确定，避免出现沉陷、倾斜和裂缝等现象。 　　（3）地球科学在防御和预测自然灾害、减少自然灾害的经济损失等方面大有作为。自然灾害的日益严重及其对社会经济活动的巨大影响，已成为当代社会各界普遍关注的重大问题。气象灾害、地震以及“温室效应”引发的各种灾害严重威胁着人类。科学家预测，目前地球正步入一个新的活动期，天体活动也将进入一个新的变异周期。因此，地球的各个层圈（包括生物圈）都将发生变异并引发一系列灾害。地震的活跃已使人们感受到这一点。20世纪我国死于地震灾害的人数占各种自然灾害死亡人数的一半。随着全球人口的不断增加并在地域上相对集中，地震造成的损失也将不断增加。因此，地震科学的发展是与经济发展、社会进步相关联的，地震的预测、预防和减轻地震灾害也成为今后优先发展的方向。气象灾害同样时时影响着人类社会经济的发展。例如，20世纪90年代以来，我国因气象灾害而造成的经济损失每年在1000亿元以上，1991年淮河流域及长江中下游地区发生的特大洪涝灾害及华南、河套地区的严重干旱约造成1200亿元的经济损失。1998年长江流域和嫩江流域特大洪涝灾害造成直接经济损失2000亿元以上。一般年份，气象灾害所造成的经济损失可占到国内生产总值的3%～6%。因此，对气象灾害的研究和预报已成为当今地球科学家关注的重大问题。 　　（4）地球科学在解决当今社会经济发展中出现的环境问题时将大显身手。经济的快速增长不仅造成资源、能源短缺，而且造成日益严重的环境污染、生态破坏。环境问题已成为制约经济发展的重要因素。环境问题的突出表现主要是大气污染、水污染、垃圾污染、噪声污染、森林锐减及荒漠化等。地球科学的发展方向之一就是研究如何有效地治理环境、减少污染，为经济建设提供良好的环境基础。 　　地球科学服务于经济建设、服务于社会，还有其他许多方面，如在农业、医学、新能源开发、生物学等具体领域内，地球科学也将大有作为。 　　1.2地球科学的研究方法 　　地球科学的研究对象是一个复杂的巨系统，人-地生态系统的逐渐扩展使得地球成为具有自然属性和社会属性的统一体。地球已有46亿年的历史，现已测得地壳上*古老的岩石年龄超过40亿年。地球的变化大到全球宏观现象，小到原子和离子微观世界，物理、化学、生物作用错综复杂。地球系统的复杂多样决定了地球科学研究方法的丰富多样。 　　1.2.1地学观察方法 　　地学观察方法是地学工作者有目的、有意识、有计划地对地球客体进行感知的方法。李四光先生说：“观察是得到一切知识的一个主要步骤。”大自然是地学实验室，行万里路重于读万卷书。 　　地学的发展历史表明，古代和近代大量优秀的地学文献、资料、论著都是在大量野外观察中获得的。明代地理学家徐霞客，自22岁开始，历经三十余年，足迹遍及现今的21个省份，完成了著名的《徐霞客游记》，为后人留下了翔实、生动和丰富的**手资料。著名科学史家李约瑟评价徐霞客：“他的游记读起来不像是十七世纪的学者写的东西，却像一位二十世纪的野外勘测家所写的考察记录。”获取真实的**手资料是地学观察的目的之一，而在观察中进行科学发现又是其另一重要目的。当科学家借助科学仪器纷纷报道海洋地貌、海底沉积、古地磁等领域的新发现，特别是海底扩张、地幔对流等带有决定性意义的证据时，板块构造真正开始从假说向科学理论转化。1996年第30届国际地质大会在北京举行，大会特意组织安排了75条地质旅行路线供中外学者实地考察，考察地几乎遍布全国，这一举措实际上继承了国际地质大会百余年的优良传统，也从另外意义上证明了地学观察具有古老而旺盛的生命力。 　　1.2.2地学分析和综合研究方法 　　地学分析方法是地球科学家进行地学信息加工的重要方法。其基本内涵是地球科学家在思维过程中把地学对象分解成不同部分（如按照其组成、要素、功能和关系等）分别加以研究，因而地学分支学科在近代纷纷涌现。地学研究的对象一般都是很复杂的，我们有必要首先对它们进行观察分析，从而得以认识构成这些现象的本质，然后再摸清它们之间的相互关系，以及它们发生、发展、转变乃至消失的过程，这样才能全面掌握各种地质现象的内在规律。这是一个由局部到整体、由个别到一般的过程。 　　所谓的地学综合研究方法，就是在地球科学研究的过程中，将已获得的关于地学对象各个部分、方面和特性的认识结果统一起来，形成对客观对象（地球客体）整体性认识的一种逻辑加工方法。它也是一种重要的地学信息加工和处理方法。一切地球物质客体、地质作用和地质过程都自成系统，又相互联系，这就要求我们在研究地学问题时需要始终注意从整体出发，把研究对象看作由不同环节组成的统一体。大陆漂移说刚兴起时，地质学家与物理学家如同分属两个对抗的阵营，到了20世纪60年代，他们共同携手迎来了地球科学的现代革命。70年代，大陆地质学与海洋地质学又结成一体，从而引发了人们对地球和地球科学的新认识。板块构造理论的*终形成，综合了古地磁学、海洋学、地球物理学、古生物学、古气候学、地震学等不同地学学科的研究成果，是综合了陆壳、洋壳、大陆边缘、深部地质资料而得出的统一理论。经济地理学等综合性学科就是地学与社会科学的结合。钱学森先生还提出建立“地球表层学”的综合性学科。 　　1.2.3比较方法 　　比较方法是研究地球物质客体之间差异性和同一性的逻辑方法，是人类对地球系统的认识从直观和描述阶段过渡到理论阶段的桥梁。地球上的自然现象丰富多彩，地球演化的历史漫长曲折且大部分是人类所没能经历过的。若想深入了解和认识地球运动和演化的规律，仅靠直接观察和描述是不够的。地球上没有两件事物是绝对相同的，但它们之间往往在一定范围内具有相似性和一定的内在联系。在空间上同时并存的物质和现象之间，以及在时间上先后相随的物质和现象之间都存在着差异性和同一性。地球科学的比较方法主要包括域间比较（即空间比较）和历史比较（即时间比较）。 　　德国气象学家魏格纳（A.L.Wegener，1880—1930）将看来互不相干的欧非大陆和美洲大陆进行域间比较之后，发现了两者的联系，提出了大陆漂移说。当科学家们发现火星上具有河曲地形和流水作用地貌特征时，他们虽然知道现在火星上没有流水，但由地球的河流地貌特征可以推测，火星上过去曾存在液态水。这都属于域间比较。 　　历史比较方法是遵循现实主义原则来认识地球演化历史的一种方法。英国地质学家莱伊尔（C.Lyell，1797—1875）出版《地质学原理》（Principles of Geology）一书，标志着近代地质学的诞生。他在该书中用丰富的资料，系统地论证了古今地质作用的一致性和“将今论古”原则。“将今论古”现实主义方法后来被概括为一句格言：The present i the key to the past（现在是认识过去的钥匙）。即用现在正在发生的自然作用的过程及其结果推测过去、类比过去、认识过去。例如，现代珊瑚只生活在温暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果发现含有珊瑚化石的石灰岩，可以推断这种岩石是在古代浅海环境中形成的。“将今论古”仍是现代地球科学家分析问题的基本指导思想，但它也存在缺陷，因为地球演化毕竟是时间的函数。气象、地质、地理环境随着地球的发展进程而不断变化。在大陆漂移说中，魏格纳把“将古论今”的方法作为“将今论古”方法的补充，从而建立了科学的、辩证的历史分析法。相连接的大陆上必然存在具有亲缘关系的生物，大陆相隔绝则应有不同的生物种属，特别是随着时间的推移，生物变异加速，种属越来越多，差别越来越大。生物物种史和大陆漂移史存在着密切的关系。 　　比较方法在地学发展过程中对地学家的影响很大，许多地学家都靠它建立起自己的理论。在当代，地学比较方法仍然是*重要的地学发现和理论创新的方法。由联合国教育、科学及文化组织和国际地质科学联合会共同举办的“国际地质对比计划”（International Geological Correlation Programme，IGCP）发起于20世纪60年代，旨在进行全球范围内的国际合作，共同着手研究地层、地质事件和矿产分布、成因关系等重大问题。 　　1.2.4实验方法 　　地学实验方法是地学家在主动控制地学对象运动、变化条件的情况下，对其进行认识和研究的方法。北魏地学家郦道元在对鱼化石（亦称为“鱼石”）进行鉴别后，曾在其《水经注》中写道：“东入衡阳湘乡县，历石鱼山，下多玄石，山高八十余丈，广十里。石色黑而理若云母，开发一重，辄有鱼形，鳞鳍首尾，宛若刻画，长数寸，鱼形备足，烧之作鱼膏腥，因以名之。”燃烧作为一种地学测试手段，一直被后人沿用。现代地学实验在手段、工艺和设备自动化、精确化及社会化程度等方面都有了空前的发展。模拟实验可以精确地分析、认识和评价地球内部物质状态，验证和正确地解释地球物理探测结果。人们在实验室里可以收集到千万千米以外的地学信息，可以看到月球和太阳表面的情况，这使得现代地学实验真正成为多学科交叉渗透的系统工程。 　　1.2.5相关研究方法 　　地学相关研究方法是唯物辩证法关于客观事物内在联系和发展观点的具体化。联系的观点是唯物辩证法首