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1、绪绪 论论地球科学概论地球科学概论褚 庆 忠博士、副教授，研究生导师E-mail： QQ：327119685绪绪 论论 地球是人地球是人类赖以生存和以生存和发展的唯一家园。展的唯一家园。因此，了解和研究地球了解和研究地球历来是人来是人类的共同愿望的共同愿望。地球科学地球科学以整体的地球作为研究对象，包括自地以整体的地球作为研究对象，包括自地心至地球外层空间十分广阔的范围，是由固体地圈、心至地球外层空间十分广阔的范围，是由固体地圈、大气圈、水圈和生物圈（包括人类本身）组成的一个大气圈、水圈和生物圈（包括人类本身）组成的一个开放的复杂巨系统，称为地球系统。开放的复杂巨系统，称为地球系统。地球系统内
2、部存在不同圈层（子系统）之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程之间的相互作用，以及人与地球系统之间的相互作用。因此，地球科学是一个庞大的超级学科体系群，根据实际研究的不同圈层范围、内容特色和服务目的，传统上划分出众多的一级和二级学科分类体系。图图1地地球球科科学学的的学学科科分分类类体体系系 20世纪后半叶中地球科学各级分支学科和边缘学科雨后春荀般地大量涌现，显示了地球科学与人类生产、生活的需求关系日益密切，推动了研究领域广度和深度不断发展。80年代初期，我国著名学者钱学森（1983）提出了建立地球表层学的设想。“地球表层”是指固体地圈、大气圈、水圈和生物圈的相互交错、渗透部分，大体相当
3、于自岩石圈顶部至大气圈平流层底部之间的范围，是地球上与人类活动关系最密切的地理环境。国国际上近年流行的地球系上近年流行的地球系统科学科学诞生于生于8080年代中年代中期，期，该学学说同同样强强调地球的整体概念，将大气圈、水地球的整体概念，将大气圈、水圈、固体地圈和生物圈看成是具有有机圈、固体地圈和生物圈看成是具有有机联系的系的“地球地球系系统”，把太阳和地心作，把太阳和地心作为两个主要的自然两个主要的自然驱动器，器，人人类活活动作作为第三促第三促动因素。因素。发生在地球系生在地球系统中的重中的重大全球大全球变化是在上述三个力的作用下，通化是在上述三个力的作用下，通过物理、化物理、化学、生物学、
4、生物过程相互作用的程相互作用的结果。因此，地球系果。因此，地球系统科学科学同同样反映了更高反映了更高层次的学科次的学科间大跨度交叉渗透特征，大跨度交叉渗透特征，是当代地球科学是当代地球科学进入一个重大入一个重大转折折时期的期的标志。当然，志。当然，地球系地球系统科学并不能代替科学并不能代替传统地球科学各分支学科的地球科学各分支学科的自身自身发展，相反要求它展，相反要求它们能更深入精确地研究和提供能更深入精确地研究和提供地球系地球系统各各组成部分自身的成部分自身的规律性知律性知识。 地球科学的根本任务，是正确正确认识地球系地球系统的基本特征和自身的基本特征和自身发展展规律，合理地开律，合理地开发
5、利用自然利用自然资源，保源，保护与改善生存与改善生存环境，有效防治自然灾害，境，有效防治自然灾害，协调人与自然的关系，人与自然的关系，为人人类社会的社会的可持可持续发展服展服务。绪绪 论论（1）空间的广泛性与微观性）空间的广泛性与微观性（2）整体性与分异性（或差异性）整体性与分异性（或差异性） （3 3）时间的漫长性与瞬间性）时间的漫长性与瞬间性 （4）自然过程的复杂性与有序性）自然过程的复杂性与有序性 地球科学的特点（1 1）野外调查）野外调查 （2 2）仪器观测）仪器观测 （3 3）大地测量）大地测量 （4 4）航空、航天和遥感技术）航空、航天和遥感技术 （5 5）实验室分析、测试与科学实
6、验）实验室分析、测试与科学实验 （6 6）历史比较法历史比较法 （7 7）综合分析）综合分析 （8 8）电子计算机技术应用）电子计算机技术应用 地球科学的研究方法地球科学的研究方法（6）历史比较法历史比较法 这是地质学最基本的方法这是地质学最基本的方法。时间的漫长性决定了地质学必须用历史的、辩证的方法来进行研究。虽然人类不可能目睹地质事件发生的全过程，但是，可以通过各种地质事件遗留下来的地质现象与结果，利用现今地质作用的规律，反推古代地质事件发生的条件、过程及其特点，这就是所谓的“历史比较法”（或称“将今论古”、“现实主义原则”）的原理。这一原理是由英国地质学家莱伊尔莱伊尔（C. Lyell，
7、17911875年）在郝屯（J. Hutton，17261797年，英国学者）的均变论学说的基础上提出来的。莱伊尔明确指出：“现在是了解过去的钥匙现在是了解过去的钥匙”。 历史比较法是一种研究地球发展历史的分析推理历史比较法是一种研究地球发展历史的分析推理方法，它的提出，对现代地质学的发展起了重要的促方法，它的提出，对现代地质学的发展起了重要的促进作用。这一原理的理论基础是进作用。这一原理的理论基础是“均变论均变论”。均变论。均变论认为，在漫长的地质历史过程中，地球的演变总是以认为，在漫长的地质历史过程中，地球的演变总是以渐进的方式持续地进行，无论是过去还是现在，其方渐进的方式持续地进行，无论
8、是过去还是现在，其方式和结果都是一致的。但是，式和结果都是一致的。但是，现代地质学的研究证明，现代地质学的研究证明，均变论的观点是片面和机械的。均变论的观点是片面和机械的。地球演变的过程是不地球演变的过程是不可逆的，现在并不是过去的简单重复，而是既具有相可逆的，现在并不是过去的简单重复，而是既具有相似性，又具有前进性。似性，又具有前进性。 地球演变的过程也并不总是以渐进、均变的形式进行，地球演变的过程也并不总是以渐进、均变的形式进行，而是在均变的过程中存在着一些短暂的、剧烈的激变过程而是在均变的过程中存在着一些短暂的、剧烈的激变过程。例如，6500万年前后恐龙全部迅速绝灭等。所以整个地球的整个
9、地球的发展过程应是一个渐变发展过程应是一个渐变激变激变渐变的前进式渐变的前进式往复发展过程，这也符合量变往复发展过程，这也符合量变质变质变量变的量变的哲学规律。哲学规律。因此，在运用历史比较法时，必须用历史的、辩证的、发展的思想作指导，而不是简单地、机械地“将今论古”，这样才能得出正确的结论。地质学的“将今论古”分析方法，实际上对于地球科学的地球物理学、地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等几门学科也均具有一定的借鉴意义。绪绪 论论 地地球球科科学学是是一一门门既既古古老老而而又又年年轻轻的的科科学学。说其古老，是因为有关地球科学知识的萌芽与积累从人类诞生的那天起就已开始；说其年轻
10、，是因为地球科学的主要学科的真正创立只是最近几个世纪的事情，并且迄今为止，地球科学虽已发展成为一个完善的科学体系，但其中仍存在许多重大基础理论问题未获解决。地地球球科科学学的的发发展展历历史史大大致致可可分分为为三三个个阶阶段段，即即：古古代代地地球球科科学学知知识识的的萌萌芽芽与与积积累累阶阶段段（1717世世纪纪以以前前）、地球科学的主要学科的创立与初步发展阶段（1719世纪）、地地球球科科学学的的革革命命与与全全面面发发展展阶阶段段（2020世世纪纪至至今今）。现今地球科学正处在一个革故鼎新的关键时期，可以预见在不远的将来，地球科学将进入一个全新的、更成熟的发展新阶段。古代地球科学知识的
11、萌芽与积累古代地球科学知识的萌芽与积累（1717世纪以前）世纪以前） 禹禹贡贡、山山海海经经、管管子子是是成成书书于于春春秋秋战战国国时时代代（公公元元前前770770221221年年）的的最最早早一一批批有有关关地地理理、地地质质、水水文文、气气象象的的著著作作。禹禹贡贡记记载载了了公公元元前前2121世世纪纪大大禹禹治治水水时时候候所所了了解解的的全全国国各各地地的的矿矿产产情情况况和和山山川川地地形形。山山海海经经除除记记述述了了山山岳岳、河河流流、湖湖泊泊、沼沼泽泽、气气候候与与气气象象等等之之外外，还还记记述述岩岩石石（矿矿石石）及及矿矿物物（金金属属与与非非金金属属矿矿物物）727
12、2种种，矿矿产产地地440440多多处处，此此书书把把矿矿产产划划分分为为金金、玉玉、石石、土土四四大大类类，这这是是世世界界上上最最早早的的一一个个分分类类。管管子子一一书书曾曾对对金金属属矿矿床床与与找找矿矿知知识识有有精精辟辟论论述述，指指出出了了利利用用矿矿物物共共生生组组合合及及“铁铁帽帽”等等作作为为找找矿矿标标志志的的科科学学方方法法。该该书书还还曾曾对对河河流流的的横横向向环流、侧蚀作用形成河曲的过程进行了正确分析。环流、侧蚀作用形成河曲的过程进行了正确分析。 东汉杰出的科学家张衡于东汉杰出的科学家张衡于132132年创造了世界上第年创造了世界上第一台地震仪一台地震仪候风地动仪
13、，候风地动仪，138138年在洛阳用这台地年在洛阳用这台地震仪正确测出了发生在震仪正确测出了发生在650km650km外的陇西地震。外的陇西地震。 水经注水经注是南北朝卓越的地学家郦道元在研究是南北朝卓越的地学家郦道元在研究前人著作的基础上，结合自己的实际考察，于前人著作的基础上，结合自己的实际考察，于512512518518年编写的著名地学著作。书中涉及地域广泛（包年编写的著名地学著作。书中涉及地域广泛（包括中国及部分邻区），记述内容包括河流、瀑布、括中国及部分邻区），记述内容包括河流、瀑布、湖泊、风沙、溶洞、火山、地震、山崩、地滑、温湖泊、风沙、溶洞、火山、地震、山崩、地滑、温泉、陨石、化
14、石、矿物、岩石和矿产等多方面的地泉、陨石、化石、矿物、岩石和矿产等多方面的地质、地理及水文等内容，至今仍有参考价值。质、地理及水文等内容，至今仍有参考价值。 宋朝沈括（10311095年）所著梦溪笔谈是一部百科全书式的光辉著作，其中涉及地球科学领域的包括陨石、地震、矿物、矿床、化石、河流、地下水、海陆变迁、地形测量和制图等多方面。例如，书中论述了流水的侵蚀作用与沉积作用；推断华北平原是由河流自上游搬运泥沙到下游沉积而形成的冲积平原；沈括还根据太行山东麓山崖间所见海生螺蚌化石，推断东距大海千里以外的该地在古代曾经是海滨；他还根据化石推测古地理、古气候的变迁。沈括对化石的正确认识比意大利人达芬奇所
15、提出的类似观点要早400年；他他在在分分析析地地质质问问题题时时使使用用的的古古今今类类比比法法比比莱莱伊伊尔尔地地质质学学原原理理所所应应用用的的“将将今今论论古古”的的方方法法要要早早700700多多年年。沈沈括括还还首首次次使使用用“石石油油”这这一一科科学学术术语语，该该术术语被一直延用至今。语被一直延用至今。 徐徐霞霞客客游游记记是明朝徐宏祖（15861641年）撰写的一部考察记实型著作，书中对我国许多地区的岩溶、火山、温泉、水文、地貌及矿物等作了极有价值的记述。 天工开物天工开物为明代宋应星（15871661年？）所著，书中详细记载了非金属矿物的产地、形状及性质；并根据煤的硬度与挥
16、发性提出了世界上较早的煤分类法；特别是第一次系统论述了我国采矿工程技术，对矿藏开采、井下支护、通风、矿井充填、矿石洗选等都有细致描述。 古古希希腊腊学学者者毕毕达达哥哥拉拉斯斯（约约公公元元前前571497571497年年）、亚亚里里士士多多德德（公公元元前前384342384342年年）、狄狄奥奥弗弗拉拉斯斯特特（公公元元前前370370287287年年）等等都都曾曾对对火火山山喷喷发发、地地震震和和尼尼罗罗河河三三角角洲洲的的形形成成进进行行了了观观察察和和解解释释，并并根根据据岩岩层层中中的的贝贝壳壳化化石石得得出出海海陆陆变变迁迁的的概概念念，他他们们还还对对部部分分岩岩石石、矿矿物物
17、作作了了初初步步分分类类和和描描述述，还还对对一一些天气现象作过适当的描述与解释。些天气现象作过适当的描述与解释。 古古罗罗马马的的斯斯特特拉拉波波（StraboStrabo，公公元元前前6363公公元元2020年年）著著有有地地理理学学，书书中中论论及及了了有有关关化化石石、海海陆陆升升降降、火火山山、地地震震、河河流流的的搬搬运运与与沉沉积积作作用用等等许许多多方方面面的的地地质质问问题题。老老普普里里尼尼（PlinythePlinythe ElderElder）于于7777年年著著出出自自然然史史，书书中中曾曾对对矿矿物物进进行行了了专专门门论论述述，包包括括当当时时使使用用的的各各种种
18、矿矿物物、建建筑筑用用石石材材、矿矿石石及及矿矿床床、采采矿矿及及冶冶金金方方法法等等。同同时时代代的的西西尼尼卡卡（SenecaSeneca）著著有有自自然然问问题题等等书书，论论述述了了有有关关地地震震、地地下下水和地面水问题，认识到河流对山谷的侵蚀作用。水和地面水问题，认识到河流对山谷的侵蚀作用。 14141616世世纪纪欧欧洲洲的的“文文艺艺复复兴兴”运运动动给给地地球球科科学学的的发发展展带带来来了了生生机机，为为地地球球科科学学的的一一些些主主要要学学科科的的创立准备了条件。创立准备了条件。 1515世世纪纪末末至至1616世世纪纪初初哥哥伦伦布布、麦麦哲哲伦伦等等相相继继环环球球
19、航航海海成成功功，证证实实地地球球是是球球形形，并并对对大大洋洋和和大大陆陆的的轮轮廓廓有有了了初初步步了了解解。1530153015401540年年哥哥白白尼尼写写成成天天体体运运动动这这一一伟伟大大著著作作，提提出出“太太阳阳中中心心说说”。这这对该时期的地球科学研究起了重要促进作用。对该时期的地球科学研究起了重要促进作用。 意意大大利利艺艺术术家家达达芬芬奇奇（1452151914521519年年）早早年年曾曾领领导导开开凿凿运运河河工工程程，他他对对化化石石进进行行了了细细致致观观察察和和研研究究。他他认认为为现现今今内内陆陆或或高高山山上上发发现现的的海海生生贝贝壳壳化化石石，是是原
20、原先先生生长长在在海海水水中中的的生生物物，后后来来埋埋藏藏在在泥泥沙沙中中而而形形成成，并并由由此此推推测测海海陆陆变变迁迁历历史史。他他还还明明确确指指出出，地地球球是是一一本本书书，这这本本书书早早于于文文字字记记载载，科科学学的的任任务务就就是是辨辨读读地地球球自自身身的的历历史史痕迹。痕迹。 德德国国的的阿阿格格里里柯柯拉拉（AgricolaAgricola，1494155514941555年年）一一生生著著有有七七部部地地质质专专著著，除除了了叙叙述述德德国国采采矿矿业业的的发发展展以以外外，还还根根据据矿矿物物的的物物理理性性质质对对其其进进行行分分类类，对对矿矿物物与与金金属属
21、矿矿床床的的形形成成及及相相互互关关系系作作了了论论述述，并并涉涉及及古古生生物物学学等等问问题题。后人誉之为后人誉之为“矿物学之父矿物学之父”。二、地球科学的主要学科的创立与初步发展（二、地球科学的主要学科的创立与初步发展（17171919世纪）世纪） 对于气象学，从古代到16世纪只限于零碎的定性观察和描述，还谈不到独立的科学。17世纪，由于工业和自然科学的发展，特别是物理学的成就，使较精密的气象仪器相继发明，有关气象的理论也得到很大提高，使气象学逐步发展成为独立的科学。 意大利物理学家和天文学家伽利略（Galileo）于1593年发 明 了 温 度 表 ， 意 大 利 物 理 学 家 和
22、数 学 家 托 里 拆 利（Torricelli）于1643年发明了气压表。由于有了温度表和气压表等气象仪器，1653年在意大利北部建立了气象观测站，以后许多国家也相继建立气象台站。由于广泛的气象观测，获得了丰富的资料，气象学的研究逐步深入。此后，随着无线电通讯的发展，使气象观测结果能很快地传到各地，给予编制和研究天气图以可能性。18601865年间天气图迅速发展起来。19世纪末，在小范围内已开始了高空探测的高空气象学。 在在地地球球科科学学中中，地地质质学学的的创创立立具具有有划划时时代代的的意意义义。欧欧洲洲1818世世纪纪开开始始进进入入产产业业革革命命时时期期，随随着着生生产产力力的的
23、提提高高和和近近代代工工业业化化的的急急速速发发展展，使使矿矿产产的的需需求求日日益益增增加加，因因而而促促进进了了找找矿矿和和地地质质调调查查工工作作，使使地地质质知知识识与与资资料料迅迅速速积积累累，逐逐步步形形成成了了系系统统的的地地质质学学理理论论和和研研究究方方法法，于于是是地地质质学学作作为为一一门门独独立立的的科科学学诞生了。诞生了。 在地质学的创立过程中，学术思想论战曾起了在地质学的创立过程中，学术思想论战曾起了重要的促进作用。当时的论战是在重要的促进作用。当时的论战是在“火成论火成论”者与者与“水成论水成论”者之间及者之间及“均变论均变论”者与者与“灾变论灾变论”者者之间进行
24、的。之间进行的。 “水水成成论论”者者认认为为组组成成地地壳壳的的所所有有岩岩石石都都是是从从原原始始海海洋洋物物质质中中结结晶晶、沉沉淀淀形形成成的的，他他们们否否认认地地壳壳运运动动的的存存在在，主主张张地地球球从从取取得得现现有有形形态态以以来来没没有有发发生生过过大大的的变变化化。“水水成成论论”者者的的代代表表人人物物是是德德国国弗弗莱莱堡堡矿矿业业学学院院矿矿物物学学教教授授魏魏尔尔纳纳（A.G.WernerA.G.Werner，1750181717501817年年），他他对对矿矿物物学学的的研研究究有有卓卓越越贡贡献献，由由于于他他丰丰富富的的知知识识和和口口才才，使使他他驰驰名
25、名欧欧洲洲，对对传传播播地地质质学学起起了了重重要要作作用用。魏魏尔尔纳纳17751775年年在在弗弗莱莱堡堡开开始始讲讲学学，“水水成成论论”兴兴起起，由由于于他他的的声声誉誉和和拥拥有有众众多多门门生生及及崇崇拜拜者者，加加之之教教会会的的支支持持，使使得得“水水成成论论”在在1818世纪后期的欧洲占居统治地位。世纪后期的欧洲占居统治地位。 “火火成成论论”者者的的代代表表是是英英国国学学者者郝郝屯屯，他他发发现现花花岗岗岩岩脉脉穿穿插插在在沉沉积积岩岩中中呈呈侵侵入入接接触触关关系系（有有烘烘烤烤及及冷冷凝凝边边），认认为为除除沉沉积积岩岩外外，还还有有岩岩浆浆岩岩和和变变质质岩岩，并并
26、认认为为地地壳壳处处于于不不断断的的演演变变之之中中，这这一一过过程程是是缓缓慢慢的的，过过去去发发生生的的变变化化和和现现代代进进行行的的演演变变过过程程是是类类似似的的。他他较较正正确确地地论论述述了了三三大大岩岩类类的的成成因因及及地地壳壳运运动动的的影影响响。郝郝屯屯17851785年年发发表表最最初初的的地地球球理理论论论论文文，提提出出“火火成成论论”，17951795年年重重新新发发表表地地球球理理论论著著作作，系系统统论论述述自自己己的的观观点。该书为地质学的创立奠定了基础。点。该书为地质学的创立奠定了基础。 “灾灾变变论论”者者的的代代表表是是法法国国学学者者居居维维叶叶（D
27、.G.CuvierD.G.Cuvier，1769183217691832年年），他他在在研研究究巴巴黎黎盆盆地地地地层层中中的的生生物物化化石石时时发发现现，在在相相隔隔很很近近的的岩岩层层中中动动植植物物化化石石群群的的种种属属有有显显著著差差异异，曾曾经经一一度度出出现现的的古古生生物物种种属属，后后来来竟竟完完全全绝绝灭灭而而代代之之以以新新的的种种属属；他他还还看看到到较较老老岩岩层层发发生生褶褶皱皱，上上面面盖盖以以水水平平的的沉沉积积岩岩层层。于于是是他他便便认认为为地地壳壳曾曾经经发发生生巨巨大大变变革革，产产生生世世界界规规模模的的大大灾灾变变，致致使使地地形形改改变变、生生物
28、物灭灭绝绝，以以后后在在一一定定的的时时间间内内又又重重新新创创造造出出新新的的动动植植物物来来；地地球球上上曾曾经经历历了了多多次次这这样样的的大大灾灾变变和和再再创创造造过过程程；最最后后一一次次大大灾灾变变发发生生在在五五六六千千年年前前，并并造造就就了了地地球球的的现现今今面面貌貌和和生生物物特特征征。居居维维叶叶的的“灾灾变变论论”强强调调地地质质发发展展过过程程中中的的突突变变阶阶段段，虽虽有有合合理理成成分分，但但他他否否认认地地球球的的渐渐近近发发展展过过程程，并并把把其其演演变变历历史史归归结结为为古古今今没没有有联联系系的的一一系系列列不不可可知知的的突突然然事事件件。居居
29、维维叶叶的的重重复复创创造造与与不不可可知知的的观观点点，特特别别是是最最后后一一次次灾灾变变的的时时间间与与圣圣经经中中论论述述的的“大大洪洪水水期期”和和“诺诺亚亚方方舟舟”神神话话一一致致，因因而而受到了教会的欢迎，得到广泛传播。受到了教会的欢迎，得到广泛传播。 与与“灾灾变变论论”针针锋锋相相对对的的是是生生物物进进化化论论和和地地质质学学的的“均均变变论论”。法法国国学学者者拉拉马马克克（LamarkLamark，1744182917441829年年）在在研研究究巴巴黎黎盆盆地地第第三三纪纪古古生生物物化化石石时时，发发现现生生物物的的种种与与种种之之间间有有过过渡渡关关系系，某某些
30、些种种属属是是由由另另一一种种属属发发展展而而来来的的，并并有有由由低低级级种种属属向向高高级级种种属属演演变变的的规规律律。他他认认为为生生物物进进化化过过程程是是极极其其漫漫长长的的，它它与与地地球球的的演演变变历历史史同同时时进进行行。英英国国地地质质学学家家莱莱伊伊尔尔继继承承了了郝郝屯屯的的思思想想，经经过过与与“灾灾变变论论”的的多多次次论论战战，在在结结合合前前人人成成果果及及大大量量实实际际资资料料的的基基础础上上，于于18301830年年出出版版的的地地质质学学原原理理第第一一册册中中明明确确提提出出了了地地质质学学的的现现实实主主义义原原则则（即即“将将今今论论古古”），指
31、指出出地地球球的的发发展展历历史史是是漫漫长长的的，解解释释地地球球的的历历史史用用不不着着求求助助于于上上帝帝和和灾灾变变，那那些些看看来来非非常常微微弱弱的的地地质质动动力力，经经过过长长期期缓缓慢慢的的作作用用过过程程，就就能能使使地地球球面面貌貌发发生生巨巨大大变变化化。这这就是就是“均变论均变论”的主要思想。的主要思想。 随随着着地地质质学学原原理理一一书书的的问问世世，“均均变变论论”的的思思想想逐逐渐渐取取代代了了“灾灾变变论论”，现现实实主主义义原原则则也也成成为为了了地地质质学学方方法法论论的的一一条条基基本本原原则则。但但是是“均均变变论论”强强调调“古古今今一一致致”与与
32、渐渐近近发发展展的的同同时时，本本身身又又存存在在忽忽视视在在地地壳壳发发展展过过程程中中有有飞飞速速发发展展阶阶段段（突突变）的片面性。变）的片面性。 莱伊尔的莱伊尔的地质学原理地质学原理是一部划时代的著作，它确定了是一部划时代的著作，它确定了地质科学的概念，总结了地质科学的研究方法，初步完成了地地质科学的概念，总结了地质科学的研究方法，初步完成了地质科学的体系，是地质科学创立的标志。自此以后，地质科学质科学的体系，是地质科学创立的标志。自此以后，地质科学进入初步发展时期，到进入初步发展时期，到19世纪末已获得了很大进展。在研究地世纪末已获得了很大进展。在研究地壳的物质组成方面，用显微镜研究
33、岩石和矿物的方法得到充分壳的物质组成方面，用显微镜研究岩石和矿物的方法得到充分发展，地球化学的工作也逐渐开展起来。在研究地壳的演化历发展，地球化学的工作也逐渐开展起来。在研究地壳的演化历史方面，逐渐建立起了比较完善的相对地质年代表。北美学者史方面，逐渐建立起了比较完善的相对地质年代表。北美学者霍尔、丹纳根据对美国东部造山带的研究，提出了霍尔、丹纳根据对美国东部造山带的研究，提出了“地槽地槽”学学说，对地质学研究产生了深远的影响。在地质学的应用方面，说，对地质学研究产生了深远的影响。在地质学的应用方面，矿床学进一步发展，并诞生出了石油地质学。地震地质学、工矿床学进一步发展，并诞生出了石油地质学。
34、地震地质学、工程地质学等也开始逐渐发展起来。程地质学等也开始逐渐发展起来。 1717世世纪纪德德国国地地理理学学家家瓦瓦陵陵尼尼阿阿士士（1622165016221650年年）的的普普通通地地理理学学开开始始介介绍绍哥哥白白尼尼、伽伽利利略略的的太太阳阳中中心心说说，提提出出专专论论地地理理学学和和通通论论地地理理学学的的区区别别。前前者者描描述述特特定定地地区区，后后者者阐阐述述一一般般原原理理。1818世世纪纪末末至至1919世世纪纪初初德德国国洪洪堡堡德德（1769185917691859年年）与与李特尔（李特尔（1779185917791859年）奠定了近代地理学的基础。年）奠定了近代
35、地理学的基础。 洪洪堡堡德德的的代代表表作作是是宇宇宙宙：世世界界的的自自然然描描述述概概略略，共共五五卷卷。他他最最早早采采用用计计算算气气象象要要素素平平均均值值的的方方法法研研究究气气候候，提提出出等等温温线线概概念念，18171817年年绘绘制制第第一一幅幅世世界界年年平平均均温温度度分分布布图图，提提出出大大陆陆东东西西两两端端的的气气候候差差异异和和海海洋洋性性气气候候、大大陆陆性性气气候候类类型型。他他观观测测了了地地势势升升高高100 100 m m气气温温下下降降0.60.6的的垂垂直直递递减减现现象象，研研究究气气候候与与植植物物分分布布、类类型型的的关关系系，提提出出平平
36、原原植植物物分分布布的的水水平平地地带带性性和和山山地地植植物物分分布布的的垂垂直直地地带带性性。他他最最早早运运用用地地形形剖剖面面图图和和地地理理比比较较法法研研究究地地理理现现象象的的规规律律性性，奠奠定定了了自自然然地地理理学学特特别别是是气气候候学与植物地理学的一般原理。学与植物地理学的一般原理。 李李特特尔尔通通过过区区域域描描述述和和地地面面现现象象综综合合比比较较，研研究究地地理理环环境境对对人人类类活活动动的的影影响响。他他强强调调地地理理学学要要以以人人地地关关系系为为主主旨旨，提提出出比比较较地地理理学学概概念念。18171817年年李李特特尔尔的的地地理理学学第第一卷出
37、版，到一卷出版，到18591859年共出版年共出版1919卷。卷。 此此后后，地地理理学学得得到到了了进进一一步步发发展展。德德国国地地理理学学界界比比较较著著名名的的学学者者和和学学派派有有拉拉采采尔尔的的地地理理环环境境论论、赫赫特特纳纳的的地地理理学学方方法法论论等等。法法国国比比较较重重要要的的地地理理学学派派有有维维达达尔尔白白兰兰士士和和白白吕吕纳纳的的人人地地相相关关论论等等。美美国国著著名名的的地地理理学学说说有有戴戴维维斯斯（W.M.DavisW.M.Davis，18991899）的的地地貌貌侵侵蚀蚀循循环环说说，该该学学说说主主张张陆陆地地自自然然面面貌貌是是由由侵侵蚀蚀造
38、造成成，认认为为地地表表形形态态是是连连续续的的，又又有有阶阶段段的的，是是地地球球内内部部结结构构与与外外部部营营力力的的结结合合。他他把把河河流流发发育育分分成成青青年年期期、壮壮年年期期和和老老年年期期，地地壳壳上上升升使使河河流流复复活活。他他的学说奠定了自然地理分析的基础。的学说奠定了自然地理分析的基础。三、地球科学的革命与全面发展（三、地球科学的革命与全面发展（2020世纪至今）世纪至今） 2020世世纪纪是是现现代代地地球球科科学学发发展展的的新新时时期期，在在这这一一过过程程中中，传传统统的的地地球球科科学学发发生生了了一一系系列列的的革革命命，其其中中影影响响最最为为深深远远
39、的的是是固固体地球科学（包含地质学和地球物理学等）的革命。体地球科学（包含地质学和地球物理学等）的革命。 固固体体地地球球科科学学的的革革命命主主要要是是大大地地构构造造理理论论上上围围绕绕活活动动论论与与固固定定论论发发生生的的思思想想革革命命。传传统统的的地地质质观观念念认认为为，大大陆陆及及海海洋洋只只在在原原来来的的位位置置上上作作垂垂直直升升降降运运动动，其其相相对对位位置置未未发发生生显显著著变变化化，故故被被称称为为“固固定定论论”，“地地槽槽”、“地地台台”说说是是其其典典型型代代表表。“活活动动论论”者者认认为为，大大陆陆曾曾有有过过长长距距离离的的水水平平运运动动，大大陆陆
40、和和海海洋洋的的相相对对位位置置是是不不断断变变化化的的。代代表表“活活动动论论”的的大大地地构构造造学学说说是是“大大陆陆漂漂移移海海底底扩扩张张板板块块构构造造学学说说”。经经过过近近半半个个世世纪纪的的争争论论，到到本本世世纪纪6060年年代代末末期期，以以现现代代地地质质及及地地球球物物理理研研究究成成果果为为基基础础的的板板块块构构造造学学说说取取得得了了决决定定性性的的胜胜利利，并并由由此此推推动动了了地质学与地球物理领域的一场深刻革命。地质学与地球物理领域的一场深刻革命。 与与此此同同时时，随随着着科科学学技技术术的的进进步步，本本世世纪纪的的地地质质学学获获得得了了前前所所未未
41、有有的的全全面面发发展展。高高温温高高压压实实验验技技术术、同同位位素素地地质质年年龄龄测测定定技技术术、电电子子计计算算机机、电电子子显显微微镜镜、大大陆陆超超深深钻钻与与深深海海钻钻探探技技术术等等给给地地质质学学的的发发展展以以极极大大的的推推动动作作用用，使使地地质质学学逐逐步步由由定定性性描描述述与与分分析析向向半半定定量量、定定量量分分析析与与研研究究发发展展。地地球球物物理理、地地球球化化学学方方法法在在研研究究地地球球及及地地壳壳的的物物质质组组成成、结结构构构构造造及及运运动动特特征征方方面面取取得得了了丰丰硕硕成成果果，成成为为推推动动地地质质学学发发展展的的强强大大动动力
42、力。航航天天技技术术在在地地质质学学上上的的应应用用取取得得了了重重大大成成就就，以以航航天天技技术术为为基基础础的的新新兴兴的的天天文文地地质质学学显显示示出出旺旺盛盛的的生生命命力力。这这些些研研究究将将为为人人类类最最终了解地球起源与演化、解决许多重大地质问题发挥重要作用。终了解地球起源与演化、解决许多重大地质问题发挥重要作用。 地地质质学学的的应应用用是是促促进进地地质质学学发发展展的的动动力力，本本世世纪纪除除传传统统的的矿矿床床学学不不断断发发展展，提提出出了了许许多多新新理理论论之之外外，石石油油地地质质学学的的发发展展尤尤其其令令人人瞩瞩目目。水水文文地地质质、工工程程地地质质
43、、地地震震地地质质等等的的研研究究也也发发展展迅迅速速。特特别别是是本本世世纪纪中中期期以以来来，环环境境地地质质研研究究的的重重要要性性越越来来越引起人们的注意，正在向纵深方向发展。越引起人们的注意，正在向纵深方向发展。 2020世世纪纪在在地地理理学学上上也也发发生生了了重重要要的的革革命命，特特别别是是研研究究方方法法与与手手段段上上的的革革命命，通通常常称称为为地地理理学学的的计计量量革革命命。2020世世纪纪5050年年代代，地地理理学学开开始始采采用用现现代代数数学学方方法法分分析析地地理理问问题题。19551955年年，美美国国华华盛盛顿顿大大学学地地理理系系在在加加里里逊逊主主
44、持持下下开开设设第第一一个个应应用用数数理理统统计计研研究究班班，推推动动计计量量地地理理学学发发展展。19631963年年伯伯顿顿提提出出“计计量量革革命命”口口号号，6060年年代代初初这这一一趋趋势势推推向向欧欧洲洲和和全全球球。地地理理学学计计量量革革命命的的实实质质是是用用现现代代数数学学方方法法和和计计算算机机，运运用用模模型型和和模模拟拟，使使地地理理学学的的理理论论精精确确化化，计计算算快快速速化化，从从传传统统的的定定性性分分析析向向定定性性和和定定量量分分析析相相结结合合过过渡渡。6060年年代代以以来来，在在计计量量革革命命的的推推动动下下，人人们们把把地地理理环环境境和
45、和区区域域看看作作是是一一个个系系统统，大大量量地地应应用用电电子子计计算算机机、遥遥感感、遥遥测测等等新新方方法法，对对系系统统及及其其相相互互作作用用进进行行模模式式化化、公公式式化化，用用数数字字、图图像像等等定定量量表表达达人人地地关关系系，说说明明区区域域差差异异与与变变化化，从从而而对对地地理理环环境境的的演演化化进进行行科科学学预预测测，以以期期达达到到人人地地关关系系的的最最优优化化。这这样样，使使地地理理学学由由以以前前的的现现象象描描述述发发展展到到科科学学解解释释和和定定量量预预测测的的新新阶阶段段。与与此此同同时时，由由于于社社会会的的需需要要，应应用用性性的的地地理理
46、分分支支学学科科大大量量涌涌现现，如如工工程程地地理理学学、环环境境地地理理学学、资资料料地地理理学学、应应用用景观学等。景观学等。 2020世世纪纪气气象象学学的的革革命命性性变变化化更更是是不不可可同同日日而而语语。在在2020世世纪纪的的前前5050年年，气气象象观观测测开开始始由由传传统统的的地地面面观观测测向向高高空空发发展展，主主要要以以风风筝筝、气气球球等等为为高高空空观观测测工工具具，其其所所达达到到的的高高度度是是有有限限的的。5050年年代代以以后后，由由于于观观测测系系统统有有了了激激光光、雷雷达达、人人造造地地球球卫卫星星等等新新技技术术与与新新手手段段，大大大大地地推
47、推进进了了气气象象学学的的发发展展。大大规规模模的的综综合合遥遥测测、遥遥感感，使使得得几几小小时时的的短短期期灾灾害害性性天天气气预预报报不不再再是是纯纯预预报报问问题题，而而变变成成了了对对实实况况的的跟跟踪踪与与真真实实预预报报。电电子子计计算算机机的的大大量量利利用用，使使得得对对大大气气现现象象定定量量地地进进行行数数值值模模拟拟成成为为现现实实。这这些些研研究的进步还大大促进了气象学基础理论的发展。究的进步还大大促进了气象学基础理论的发展。 地地球球科科学学的的全全面面、飞飞速速发发展展，还还使使得得2020世世纪纪以以来来诞诞生生了了一一些些新新兴兴的的分分支支学学科科，如如地地
48、球球物物理理学学、海海洋洋学学与与环环境境地地学学等等。海海洋洋学学与与环环境境地地学学都都与与人人类类现现今今的的生生活活、生生存存及及未未来来的的发发展展有有着着极极其其紧紧密密的的联联系系，因因而而受受到到科科学学工工作作者者及及整整个个社社会会的的高高度度重重视视，它们在地球科学中的地位也愈来愈重要。它们在地球科学中的地位也愈来愈重要。绪绪 论论 20世纪是人类历史取得多方面伟大成就的光辉篇章，科学技术的长足进步、生产力的迅速提高以及人类战胜法西斯战争的挑衅和制止核大战危机，都已经截入史册而流芳百世。但20世纪也是一个充满问题和矛盾的时期，人们越来越清楚地认识到人人口口爆爆炸炸、资资源
49、源短短缺缺、环环境境恶恶化化、灾灾害害频频发发给给人人类类前前途途提提出出了了严严竣竣的的挑挑战战。地球科学既面临艰巨任务，也存在广阔的发展机会。 人口爆炸人口爆炸 是当代人是当代人类社会必需面社会必需面对的沉重的沉重负担。全世界人口数量自公元元年的担。全世界人口数量自公元元年的2.52.5亿（中国（中国西西汉末期人口接近末期人口接近0.60.6亿）增加到）增加到19451945年二次大年二次大战结束束时的的2525亿（中国（中国为4.64.6亿），用了），用了19.519.5个世个世纪，相当每半个世相当每半个世纪增增长0.250.25倍。但至倍。但至2020世世纪末全球末全球人口已突破人口已
50、突破6060亿，中国人口，中国人口则突破突破1212亿，即在半个，即在半个世世纪内分内分别激增了激增了2.42.4倍和倍和2.52.5倍，倍，较以往大了一个以往大了一个数量数量级。预计20302030年世界人口将接近年世界人口将接近9090亿（图0-0-2 2），），2121世世纪内将突破内将突破100100亿大关，其中大关，其中94%94%的增的增长出出现于于发展中的国家。展中的国家。2121世世纪中人口的激增必然中人口的激增必然导致人致人类向向“地球母地球母亲”索取更多要求和南北差距索取更多要求和南北差距扩大，大，地球科学需要参与地球地球科学需要参与地球负担人口数量极限及其可能担人口数量极
51、限及其可能后果的科学后果的科学预测。资源短缺源短缺 在目前仍然是制在目前仍然是制约发展中国家展中国家经济发展的重要因展的重要因素，从素，从长远来看也是全人来看也是全人类将要面将要面临的普遍的普遍问题。由。由于地球是人于地球是人类赖以生存的唯一家园，各种自然以生存的唯一家园，各种自然资源的源的获得都与地球的得都与地球的组分、分、结构、运构、运动、演化息息相关。、演化息息相关。我国我国17%17%国民国民经济直接来自同能源和直接来自同能源和矿产相关的相关的产业，但油气、但油气、铜、铁、锰、铬、贵金属及磷、金属及磷、钾盐等等矿产后后备储量量严重不足；人均耕地不及全世界平均水平的重不足；人均耕地不及全
52、世界平均水平的1/31/3，1/21/2城市缺水（据文献城市缺水（据文献4 4）。所以我国按人均比）。所以我国按人均比例例计算是存在算是存在资源短缺危机的、最大的源短缺危机的、最大的发展中国家。展中国家。在保障在保障资源、能源供源、能源供给方面不能仿效依方面不能仿效依赖进口的口的发达达国家，需要开展大量地学工作。国家，需要开展大量地学工作。 环境保境保护 已成已成为当代人当代人类普遍面普遍面临的的的的紧迫迫危机。正是危机。正是2020世世纪以来科学技以来科学技术革命的突然加速，使革命的突然加速，使得人得人们能以从前无法想象的巨大力量来燃能以从前无法想象的巨大力量来燃烧、砍伐、砍伐、挖掘、移挖掘
53、、移动、改、改变各种各各种各样的物的物质，从而以空前的，从而以空前的规模改模改变看地球的面貌。看地球的面貌。例如，例如，70%70%热带雨林的雨林的毁毁灭就就发生在生在2020世世纪，而，而现存生物物种以成千倍速率加快存生物物种以成千倍速率加快灭绝的的趋势也也发生于生于2020世世纪之中。据近年之中。据近年资料，我国目前料，我国目前80%80%河流已河流已经受到受到污染，酸雨分布区已占国土面染，酸雨分布区已占国土面积40%40%，垃圾占地面，垃圾占地面积已已经5105104 4kmkm2 2，污染造成的染造成的经济损失达到失达到20002000亿元元/ /年，随着今后城市化年，随着今后城市化趋
54、势的加的加强强，问题将更将更为突出。突出。人人们开始开始认识到：地球上的生到：地球上的生态环境已境已经到达了危到达了危险的的边缘，人，人类文明已文明已经具具备了了毁毁灭自己的能力。加自己的能力。加强强地球表地球表层的全球的全球变化化趋势研究与研究与预测，已成，已成为地球系地球系统科学的研究重点。科学的研究重点。自然灾害自然灾害 也是人类历史和现实中记忆犹新的危机。无论是突发性的地震、洪涝、风暴、海啸、泥石流，还是持续的干旱、地方病、地面沉降等，都能给地球上不同部位的人类社会带来重大经济损失和丧亡事故。所有自然灾害所有自然灾害的起因又都与地球不同圈的起因又都与地球不同圈层之之间的相互作用的相互作
55、用有关，只有通有关，只有通过地球科学的深入研究才能地球科学的深入研究才能查明致灾原因、成灾机理和找出防治灾害的有明致灾原因、成灾机理和找出防治灾害的有效措施。效措施。以1998年震动全国的厄尔尼诺气候灾害来说，人们已经认识到不仅是地球大气圈内的物质运动因素所引起，很可能与海-气耦合作用引起的物质-能量交换作用，固体地球的地幔放热以及地球自转速率变化等因素都有关系，需要继续深化研究才能进一步提高预报的准确性。地震灾害方面，迄今仍有人主张地震发生的时间、地点和强度三个要素根本上是无法预报的。1966年发生6.87.2级邢台地震后，我国著名地质学家李四光曾力排众议，主张加强布署地震台站监测地壳内部地
56、应力分布状态，发挥了良好的作用。1975年根据愈演愈烈的频繁前震现象我国成功地实现了7.3级海城地震的临震预报，在人类历史上尚属首次。但但19761976年年7.87.8级的唐山大地震，由于级的唐山大地震，由于无前震征兆未能事先预报，事后才觉察临震前无前震征兆未能事先预报，事后才觉察临震前出现过水井扭曲和陡河中大批鱼类上涌等异常出现过水井扭曲和陡河中大批鱼类上涌等异常现象。现象。说明人类对地震形成机制和发震过程的了解仍很肤浅，在认识地球内部能量转换和释放规律方面，还有一个艰巨的从必然王国到自由王国的发展过程。早在19世纪晚期恩格斯已经在人-地关系方面提出了颇有远见卓识的警言：“不要过分陶醉于我
57、们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。样的胜利，自然界都报复了我们。”经过20世纪人类实践过程中经历的正反两方面体验，“人人定胜天定胜天”的征服论人-地观已经被“人天共存人天共存”的协调论人-地观所代替，对于21世纪中人类社会的可持续发展具有深远的意义。 2121世世纪是人口、是人口、经济、环境与境与资源的矛盾更加尖源的矛盾更加尖锐的的时代，人代，人类社会也正面社会也正面临着着调整人整人- -地关系地关系战略决策略决策的关的关键时刻。作刻。作为一个有高等学一个有高等学历的公民需要了解地球的公民需要了解地球系系统的有关知的有关知
58、识，包括地球在太阳系和宇宙中的地位、，包括地球在太阳系和宇宙中的地位、运运动状况和演化状况和演化历史，地球不同圈史，地球不同圈层（固体地圈、大气（固体地圈、大气圈、水圈和生物圈）的基本构成以及物圈、水圈和生物圈）的基本构成以及物质- -能量的能量的转换过程，程，认识地球系地球系统在在过去、去、现在和未来的行在和未来的行为特征，特征，了解与人了解与人类社会可持社会可持续发展密切有关的展密切有关的资源、源、环境、灾境、灾害基本状况和相害基本状况和相应对策。策。世界各国都正在世界各国都正在对地球科学的知地球科学的知识体系和教学内容体系和教学内容进行重大行重大调正，正，总的的趋势是普遍是普遍强强调开开设有关地球科学有关地球科学更具有更具有综合性内容的基合性内容的基础课程，程，对于攻于攻读理、工、文、理、工、文、管各科的大学生都是需要的。管各科的大学生都是需要的。E-mail:
