第4章地球圈层与地球表层系统

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1、地球科学概论地球科学概论地球科学概论地球科学概论 旅游与环境学院自然灾害与减灾 绪论地球的起源与演化地球的物理性质地球的圈层板块运动与地质作用大气圈水圈地表形态生物圈地球环境及其变迁自然资源及其利用主讲：魏秀国主讲：魏秀国地球圈层与地球表层系统地球圈层与地球表层系统地球圈层与地球表层系统地球圈层与地球表层系统 第第 4 4 章章 四大圈层四大圈层 地球表层系统的结构地球表层系统的结构 地球表层系统的功能地球表层系统的功能 人类与地球表层环境人类与地球表层环境 地球科学概论地球各圈层物质组成地球各圈层物质组成地球内部结构地球内部结构地球内部结构地球内部结构2 900 km5 100 km6 37

2、8 km地幔地幔地表面地表面外核外核内核内核中心中心地球呈现出圈层结地球呈现出圈层结构，可以划分出内构，可以划分出内部圈层与外部圈层。部圈层与外部圈层。内部圈层包括地壳、内部圈层包括地壳、地幔、地核。岩石地幔、地核。岩石圈包括地壳与软流圈包括地壳与软流圈之上的上地幔部圈之上的上地幔部分。分。 地球科学概论地球内部的分层地球内部的分层地球内部的分层地球内部的分层（引自缪启龙主编地球科学概论）据地震波在地下不同深度传播速度的分布的研究，地球内部存在着两个主据地震波在地下不同深度传播速度的分布的研究，地球内部存在着两个主要的分界面，在分界面上地震波传播速度发生急剧变化。第一个间断面位要的分界面，在分

3、界面上地震波传播速度发生急剧变化。第一个间断面位于地表以下平均于地表以下平均33 km33 km处，称莫霍洛维奇间断面，简称莫霍面；第二个间断处，称莫霍洛维奇间断面，简称莫霍面；第二个间断面位于地表以下面位于地表以下2 900 km2 900 km处，称古登堡间断面。这两个间断面把地球内部处，称古登堡间断面。这两个间断面把地球内部分成三大层，即地壳、地幔和地核。这三大部门还可再分为分成三大层，即地壳、地幔和地核。这三大部门还可再分为7 7层。（层。（P68P68） 地球科学概论四大圈层四大圈层四大圈层四大圈层第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层层与与与与地地地地球球球球表表

4、表表层层层层系系系系统统统统外部圈层包括岩石圈、外部圈层包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。大气圈、水圈、生物圈。岩石圈指地球表层由固岩石圈指地球表层由固体岩石组成的圈层；大体岩石组成的圈层；大气圈指环绕地球的由气气圈指环绕地球的由气体组成的圈层；水圈指体组成的圈层；水圈指地球表层由各种形式存地球表层由各种形式存在的水组成的圈层；生在的水组成的圈层；生物圈指地球表层所有活物圈指地球表层所有活着的有机体组成的圈层。着的有机体组成的圈层。 地球科学概论人在四大圈层中的地位人在四大圈层中的地位人在四大圈层中的地位人在四大圈层中的地位 图表示了三重含义：图表示了三重含义：图表示了三重含义：图表示了三重含

5、义：（1 11 1）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般的生物；的生物；的生物；的生物；（2 22 2）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈层是人类诞生与发展的环境；层是人类诞生与发展的环境；层是人类诞生与发展的环境；层是人类诞生与发展的环境；（3 3 3 3）人类对四大圈层均有着重要的作用与影响。）人类对四大圈层均有着重要的作用与影响。）人类对四大圈层均有着重要的作用

6、与影响。）人类对四大圈层均有着重要的作用与影响。 四大圈层之间及其与人类相互作用、四大圈层之间及其与人类相互作用、四大圈层之间及其与人类相互作用、四大圈层之间及其与人类相互作用、相互影响，构成了地球表层系统。相互影响，构成了地球表层系统。相互影响，构成了地球表层系统。相互影响，构成了地球表层系统。生生物物圈圈 人是生物圈的一部分，又与一般的生物有着本质的区别。人类人是生物圈的一部分，又与一般的生物有着本质的区别。人类与四大圈层之间的关系以及人类在地球表层系统中的位置可以与四大圈层之间的关系以及人类在地球表层系统中的位置可以用下图来表示：用下图来表示： 地球科学概论三大界三大界三大界三大界 通常

7、物质可以划分为无机物与有机物，自然界可以划分为无机界与有机界。但如果用无机界与有机界来概括表达地球表层系统，似乎还不够全面。因为人类诞生、发生发展在地球表层。人类在地球表层系统中的地位与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响，仅仅用无机界与有机界还难以表达清楚。在自然地理学中，更有必要来强调一下人类的重要性。故有人提出了用人文界人文界来表示人类在地球表层系统中的重要地位与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响。可以这么说，地球表层系统是地球表层无机界、有机界与人文界相互作用、相互影响而构成的一个系统。 地球科学概论地球表层环境（系统）的结构地球表层环境（系统）的结构地球表层

8、环境（系统）的结构地球表层环境（系统）的结构 不不同同空空间间尺尺度度的的环环境境系系统统在在空空间间上上相相互互交交叉叉、叠置，并且相互联系、相互作用。因此是多级嵌套。叠置，并且相互联系、相互作用。因此是多级嵌套。1. 垂直分层垂直分层 垂直分层现象非常明显：从地核、地幔、地垂直分层现象非常明显：从地核、地幔、地壳，到水圈、大气圈等；大气圈又可分为对流层、平流层、壳，到水圈、大气圈等；大气圈又可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。中间层、暖层和散逸层。2. 水平分异水平分异指在水平分布方面的差异与变化指在水平分布方面的差异与变化。3. 3. 立体交叉立体交叉立体交叉立体交叉 组成地表环

9、境的岩石圈、水圈、大气圈、生组成地表环境的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈，不是绝然分开的，而是相互交叉、相互渗透，在空间物圈，不是绝然分开的，而是相互交叉、相互渗透，在空间上构成了一个立体交叉的结构。上构成了一个立体交叉的结构。4. 4. 多级嵌套多级嵌套多级嵌套多级嵌套 地球科学概论地球表层系统的功能地球表层系统的功能地球表层系统的功能地球表层系统的功能 垂直方向上，垂直方向上，各个圈层之间、各个圈层内部的各个次级各个圈层之间、各个圈层内部的各个次级层次之间。层次之间。水平方向上，水平方向上，大洋与大陆之间、大洋与大洋之间、大洋与大陆之间、大洋与大洋之间、大陆与大陆之间、地区与地区之间。大陆与

10、大陆之间、地区与地区之间。 生物圈与其他圈层之间。生物圈与其他圈层之间。1. 1. 物质传输、能量流动、信息传递物质传输、能量流动、信息传递物质传输、能量流动、信息传递物质传输、能量流动、信息传递 通通过过研研究究地地表表系系统统物物质质传传输输、能能量量流流动动和和信信息息传传递递的的过过程程与与规规律律，来来预预测测系系统统的的可可能能变变化化；通通过过改改变变系系统统的的物物质质流流、能能量量流流或或信信息息流流，来来改改变变系系统统的的结结构构与与演演化化的的趋趋势势，从从而而达达到对地表系统进行优化、调控的目的。到对地表系统进行优化、调控的目的。2. 2. 地球表层系统的可预测、可调

11、控功能地球表层系统的可预测、可调控功能地球表层系统的可预测、可调控功能地球表层系统的可预测、可调控功能 地球科学概论地球系统科学地球系统科学地球系统科学地球系统科学地球系统科学（地球系统科学（Earth System ScienceEarth System Science）是是2020世纪世纪8080年代初国际科学界为迎接全球年代初国际科学界为迎接全球环境变化的挑战而提出的一门全新的集成环境变化的挑战而提出的一门全新的集成科学。今天，地球系统科学作为一个连接科学。今天，地球系统科学作为一个连接地球科学、生命科学、计算机科学技术、地球科学、生命科学、计算机科学技术、对地观测技术和其它相关科学的新

12、兴的跨对地观测技术和其它相关科学的新兴的跨学科领域，深刻地影响着人们对地球系统学科领域，深刻地影响着人们对地球系统的认识。的认识。 第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层层与与与与地地地地球球球球表表表表层层层层系系系系统统统统 地球科学概论地球系统科学产生的背景地球系统科学产生的背景 （1 1）人类活动在导致地球环境变化中的作用日）人类活动在导致地球环境变化中的作用日益增大，并从局部范围步入到全球影响时代，正益增大，并从局部范围步入到全球影响时代，正威胁着人类自身的生存与发展。威胁着人类自身的生存与发展。 （2 2）科学技术突飞猛进，传统学科自身的成熟，）科学技术突飞猛进，

13、传统学科自身的成熟，促进了各学科之间的紧密联系和相互依赖的认识。促进了各学科之间的紧密联系和相互依赖的认识。 （3 3）现代技术特别是空间技术的发展，使人类）现代技术特别是空间技术的发展，使人类有能力对地球进行整体观测。有能力对地球进行整体观测。 第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层层与与与与地地地地球球球球表表表表层层层层系系系系统统统统 地球科学概论地球系统科学产生的思想基础地球系统科学产生的思想基础地球系统科学产生的思想基础地球系统科学产生的思想基础 （1）板块理论面临的困难使人们意识到，理解地球岩石圈演化必须研究地幔与地核。 （2）固体地球的演化对水圈和大气圈演化有

14、着重要影响。 （3）大气圈演化对岩石圈构造运动有重要作用。 （4）水圈演化对大气圈演化具有关键作用。 （5）岩石圈演化导致生物圈重大变革。 （6）宇宙和行星演化对地球系统有着深刻影响。 （7）人类活动是地球演化最重要的营力之一。 地球科学概论地球系统科学的内涵地球系统科学的内涵地球系统科学的内涵地球系统科学的内涵 地球是一个由大气圈、水圈、岩石圈、生物地球是一个由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间组成的复杂系统，是一个所有圈和日地空间组成的复杂系统，是一个所有的组成要素处在相互作用之中的动态系统，的组成要素处在相互作用之中的动态系统，而引发地球系统变化的驱动力，来自于地球而引发地球系统变化

15、的驱动力，来自于地球内部、太阳辐射和人类活动。在这种驱动力内部、太阳辐射和人类活动。在这种驱动力作用下，其中某一成分的变化都会引起其它作用下，其中某一成分的变化都会引起其它成分的响应，某一成分的变化往往又是其它成分的响应，某一成分的变化往往又是其它成分共同作用的结果。成分共同作用的结果。 第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层层与与与与地地地地球球球球表表表表层层层层系系系系统统统统 地球科学概论人类与地球表层环境人类与地球表层环境人类与地球表层环境人类与地球表层环境 1.1.地球环境对人类的作用与影响地球环境对人类的作用与影响v地球环境的演化与人类的诞生地球环境的演化与人类

16、的诞生v人类是地球环境发展、演化、分异的产物人类是地球环境发展、演化、分异的产物v地球环境的区域分异与三大人种的形成地球环境的区域分异与三大人种的形成v地球环境对人口分布的影响地球环境对人口分布的影响v地球环境与人体健康地球环境与人体健康v自然灾害对人类的影响自然灾害对人类的影响v地球环境对社会发展的影响地球环境对社会发展的影响第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层层与与与与地地地地球球球球表表表表层层层层系系系系统统统统 地球科学概论2.2.2.2.人类对地球表层环境的作用与影响人类对地球表层环境的作用与影响人类对地球表层环境的作用与影响人类对地球表层环境的作用与影响对环境

17、的污染对环境的污染改变地表环境的结构改变地表环境的结构改变地表环境改变地表环境演化的方向演化的方向改变了地表环改变了地表环境变化的速率境变化的速率改变了地表环境改变了地表环境的物质循环的物质循环改变了地表环改变了地表环境的能量平衡境的能量平衡对资源的消耗与破坏对资源的消耗与破坏人类的人类的影响影响 地球科学概论地球的物质组成n借助于宇宙的丰度和已知的观测事实以及地球物理资料来构筑地球模型 n必地球作为宇宙天体的一个成员并由宇宙物质演化而来，地球的元素丰度应与宇宙的元素丰度大致相同，因此可以根据宇宙丰度构成地球基本成分的简单模型；地球基本成分及其分布必须符合深部地震资料所反映的物质密度、比重等物

18、理参数；地球成分分布必须与地球总的质量和惯性矩相协调；地球元素分布必须符合地球内部温度、压力分布的状况。 地壳的结构与物质组成 n主量元素：是指那些在岩石中（地壳中）含量大于1（或0.1）的元素，在地壳中大于1的8种元素都是主量元素，除氧以外的7种元素在地壳中都以阳离子形式存在，它们与氧结合形成的氧化物（或氧的化合物），是构成三大类岩石的主体，因此又常被称为造岩元素。nOSiAlFeCaNaKMgTiH n微量元素：n在地壳（岩石）中含量低于0.1的元素，一般来说不易形成自己的独立矿物，多以类质同象的形式存在于其他元素组成的矿物中，这样的元素被称为微量元素。 n硫（硒、碲）和卤族元素：n金属成

19、矿元素：n 贵金属元素、金属元素 、过渡元素 、稀 有元素 、稀土元素 n放射性元素：放射性元素： 地壳的结构与岩石组成 n岩石是由一种或一种以上的矿物或岩屑组成的有规律的集合体，是地质作用的产物。岩石是组成岩石圈的基本单位。岩石类型复杂多样，可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类。岩浆岩：n侵入岩n 花岗岩 n火山岩沉积岩：n沉积岩仅占地壳岩石总体积的5，但由于它形成于广泛分布的陆地表面及海洋盆地中由沉积作用形成，因而，它占据地表75面积。沉积岩最显著的特征是成层性，在山区常常可以看到一层层的岩石，这就是沉积岩。 变质岩：n地壳内早先形成的岩石（岩浆岩、沉积岩）为适应新的温度和压力条件，在不发

20、生整体熔融的固态前提下，矿物成分和岩石结构发生不同程度的变化，称为变质作用。经历变质作用后形成的岩石称变质岩。变质岩形成后还可经历新的变质作用过程，有的变质岩是多次变质作用的产物。地球不同圈层间的物质-能量交换n不同圈层的能量交换 n（1）地球的热传导n（2）热流观测n大陆热流：n海底热流：n不同圈层的物质交换n（1）地壳-地幔物质循环n（2）海底热泉地壳-地幔的元素迁移和富集n（1）流体作用和地球化学循环n（2）元素的活化和迁移n（3）元素的沉淀和富集n潘多拉魔盒-矿床开发作业作业作业作业1 1人类与地球表层环境的关系。人类与地球表层环境的关系。人类与地球表层环境的关系。人类与地球表层环境的

21、关系。说明：说明：说明：说明：内容可以选择某一方面的关系展开论述。内容可以选择某一方面的关系展开论述。内容可以选择某一方面的关系展开论述。内容可以选择某一方面的关系展开论述。字数字数字数字数2000-30002000-30002000-30002000-3000，A4A4A4A4纸打印或手写，统一纸打印或手写，统一纸打印或手写，统一纸打印或手写，统一在左上角标注在左上角标注在左上角标注在左上角标注地球环境与人类地球环境与人类地球环境与人类地球环境与人类课程课程课程课程作业。下周课堂交。作业。下周课堂交。作业。下周课堂交。作业。下周课堂交。第第第第四四四四章章章章 地地地地球球球球圈圈圈圈层层层

22、层与与与与地地地地球球球球表表表表层层层层系系系系统统统统 地球科学概论地球表层元素组成与人体健康地球表层元素组成与人体健康地壳岩石中元素平均含量g.g-1人体血液中元素平均含量g.mL-1元素原子序数铬锰铜镁钙铍氢铍氟氟氢铷镉铹镉铹碲铼汞铼汞铅铅钡钡碘锡锡碲碘铷铜绅绅锌铁钙镁钠钠钾钾磷磷铬锰铁人体血液中元素含量均值地壳岩石中元素含量均值3.3.人类与环境的协调发展人类与环境的协调发展人类与环境的协调发展人类与环境的协调发展资源、环境、人口资源、环境、人口与可持续发展与可持续发展中国二十一世纪议程中国二十一世纪议程议题议题地理学研究的核心内容地理学研究的核心内容资源的合理利用人与环境的协调发展自然灾害的防治 地球科学概论