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1、,地球系统科学,地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，来研究地球系统的整体行为使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境，更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。,地球动力系统 开放的地球系统 地球圈层间的强相互作用 不可逆的进化 均变与灾变 各种时间尺度的周期性变化,地球动力系统,地球上所有物质都在不断地运动 地球上不同物质的运动都有其独特的动力学机制 地球以30千米/秒的速度绕太阳公转，公转时间为一年。 地球的大气圈、水圈、生物圈在不停的运动，形成了地球表层的外动力地质作用。 岩石圈（地壳）、地幔、地核进行着物质与能量的交换，形成了复杂的内动力地质作用过程,开
2、放的地球系统,地球与宇宙进行着广泛的物质交换。（星子吸积, 陨击、） 地球与宇宙之间进行着能量交换。（太阳辐射能，宇宙射线） 地球的形成与演化是在开放体系中进行的。（地球是宇宙巨系统中的一份子）,地球圈层间的强相互作用,地球是由具有强相互作用（非线性作用）的单元（子系统）组成的复杂系统。 地球各圈层的强相互作用 耦合与解耦作用 相邻两圈层之间强相互作用：壳幔、核幔、水圈岩石圈、岩石圈大气圈 不相邻圈层之间相互作用：磁场-内外核、岩石圈放气、温度 - 地幔（地震、厄尔尼诺、拉尼娜 、地幔放气、排热）,不可逆的进化,生物界： 由低级到高级、简单到复杂演变 随时间演化的不对称性和单向性 生物演化不可
3、逆性,地球是如何演化的呢？,宇宙中地球的各圈层地核、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物圈，都是在相互作用下，不断地由简单到复杂、由低级到高级的演化发展，并按照各自的规律(自组织性)、不可逆地、前进式的演化。 耗散结构论和协同论指出，自然界非平衡的约束与非线性动力学机制同时作用于开放的耗散系统，使系统自发地由简单趋于复杂，由无序走向有序。,均变与灾变,地球的演化是在均变与灾变的交替中发展的。表现为稳定期与活跃期的更迭。 稳定期（均变期）：地球演化表现为相对平稳、有序的特征。大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的变化相对平静。 活跃期（灾变期）：地球演化表现为突变或灾变，呈现极为不平衡的无序状态。气候剧变、海
4、平面上升、生物大量灭绝，地磁翻转，构造运动、岩浆作用、变质作用强烈,各种时间尺度的周期性变化,60 年 四大行星力距效应,地球公转半径变化；“天干地支”；固体潮，地震，火山，核-幔耦合作用等 29.8 年 地球自转速率变化,极移；内核振动周期。 11 年 太阳黑子活动,地球自转速率变化；厄尔尼诺； 磁暴；地震活动短周期。,1 年 地球公转一周；日幅射周年变；生长季节变化；固体潮。 13.1- 14.76 天 月球半月潮；大气超长波变；半月潮；固体潮，余震。 1 天 地球自转一周；日幅射； 半日潮； 生物钟；固体潮。,地球内部层圈的耦合与解耦作用。 耦合是指两系统通过相互作用，彼此影响甚至联合的
5、现象。 解耦是指两体系解除耦合关系后，各系统自成体系的现象。,早期的地球地幔,地幔基本上一直保持固体状态。 下地幔成分相对均一，而上地幔存在着横向与纵向上化学成分的不均一性，说明上、下地幔并没有经历过全部的熔融分异、以达到平衡的演化过程。 而在地球表部，火山密布，同时还有相当数量的陨石撞击，在40亿年前逐渐形成了原始的大陆，使晶体结构较松散的铝硅酸盐在地表聚集，造成了大陆地壳。,大陆地壳的形成和增长,地壳的主要增生时期为3018亿年即新太古古元古代时期，现在所知的大陆地壳基本上都是该时期形成的。 在18亿年以前的时期，由于地球内部的热活动一直比较强烈，物质在垂直方向(地球半径方向)上的分异、对
6、流、迁移等作用都相当剧烈。 在18亿年以后，地球内部变冷，岩石可塑性变小，使上地幔的顶部层位和地壳合成一个统一的岩石圈，其刚性程度加大，出现了岩石圈板块。,大气圈的形成,与此同时，由于岩浆活动所排出的气体(CO2与H2O为主，含少量N2)可能形成初步的大气圈，形成与金星、火星相似的大气圈。 大气压力相当于现代的300倍，温度可达230左右，以后逐渐降温，气体中冷凝下来的水(富含Cl、SO4离子)，就可覆盖在几乎整个地球表面,水的形成,1998年Zahnle认为地球上水主要由富含冰(固体的H2O)的慧星撞击地球所致。 关于水的起源，留下的证据不足，也许两种成因岩浆排气与慧星撞击可能都同时存在。
7、一般认为85%的大气圈与水圈(海洋)是在44亿年前形成的。,均变论,18世纪末叶到19世纪初叶，地质学的奠基人，郝顿(Hutton, J., 17261797)和莱伊尔(Lyell.C., 17971875)认为： 许多大变化是由一系列微小的变动逐渐积累而形成的。这就是他们的“均变论”的主要观点。,灾变论,以居维叶(Cuvier.G., 17691832)为代表的“灾变论”，则认为： 生物演化过程中，“没有一种缓慢进行的原因能产生突然的效果”，“所以地球上的生命进程曾多次被可怕事件所打断”，“地球表面曾经历过相继的革命及各种灾变”。,稳定期,地层内表现为连续沉积、地层之间呈现为整合的接触关系 地热能稳定积累，热活动微弱；岩浆活动稀少和微弱；以埋藏变质为主； 构造应力逐渐积累与调整，主应力方向不明显，差应力值小；板块稳定升降，水平位移量较小；岩石变形微弱； 陨击作用微弱，各天体处于相对稳定。,活跃期,地层中出现沉积间断，地层间呈现出角度不整合接触关系 地球内部热能大量释放，岩浆活动与各种变质作用剧烈； 岩石圈内构造应力猛烈释放，岩石发生强烈变形，构造应力的定向性明显，差应力值较大，板块升降幅度与水平位移量都较大。 常发生大规模的陨击事件，各天体对地球的引力作用常出现某种的异常变化。 气候剧变、海平面上升、生物大量灭绝，地磁翻转，构造运动、岩浆作用、变质作用强烈,
