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地球科學概論 本課程的任務 建立起地質學的基本概念 掌握地質學的一般基礎知識 初步具備進行地質學分析 推斷問題的思維能力和資源環(huán)境知識 并初步了解地球科學的一般工作方法 地球科學概論 參考書 地球科學概論 汪新文等主編地質出版社 普通地質學 徐成彥等主編地質出版社 地質學簡明教程 蘇文才等主編華東師大出版社 普通地質學 夏邦棟主編地質出版社 地質學基礎 自編 普通地質學 楊倫等主編地質出版社 黃山 緒論一 研究對象和內容 二 地球科學的研究方法三 本課程的教學內容四 地球科學發(fā)展簡史 地球科學概論 地球科學的研究對象 人類生活在地球上 衣食住行等一切活動都離不開地球 如人們要靠山川大地獲取生活資料以維持生命 要從地球中開采礦物資源制造生產和生活工具 要了解地球上的自然地理和氣候條件以便發(fā)展生產 要與地球上發(fā)生的各種自然災害作斗爭 因而在長期的實踐中逐步加深了對地球的認識 并且逐漸形成了一門以地球為研究對象的科學 地球科學 GeoScience 地球科學簡稱地學 是數學 物理學 化學 天文學 地學 生物學六大基礎自然科學之一 地球科學以地球為研究對象 包括環(huán)繞地球周圍的氣體 大氣圈 地球表面的水體 水圈 地球表面形態(tài)和固體地球本身 地理學 Geography 地理學 Geography 主要研究地球表面的各種地形 地理環(huán)境及其結構 分布和演變規(guī)律 并涉及到自然和社會兩個領域之間的相互關系 地理學一般可分為自然地理學和人文地理學兩大組成部分 自然地理學是研究自然地形 地理環(huán)境的結構及發(fā)生 發(fā)展規(guī)律的學科 主要包括普通自然地理學 區(qū)域自然地理學 地志學等 人文地理學是研究人和社會與自然地形 地理之間的相互關系的學科 主要包括政治地理學 社會地理學 人口與聚落地理學 經濟地理學 歷史地理學等 氣象學 氣象學以地球周圍的大氣圈為研究對象 主要研究大氣的各種物理性質 物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律 其研究內容也很廣泛 包括許多分支學科和應用學科 主要的分支學科有大氣物理學十天氣學 氣候學 高空氣象學 動力氣象學等 主要的應用學科有衛(wèi)星氣象學 無線電氣象學 航空氣象學 海洋氣象學 農業(yè)氣象學 林業(yè)氣象學等 其目的在于揭示大氣中的各種物理現(xiàn)象和物理過程的發(fā)生 發(fā)展本質 從而掌握它 應用它為人類生活和國家經濟建設服務 水文學 水文學主要研究地球上江河 湖沼 冰川 地下水以及海洋等各種水體的數量 質量 運動變化與分布規(guī)律 以及它們與地理環(huán)境 生態(tài)系統(tǒng)和人類社會之間的相互影響與相互聯(lián)系 海洋學 海洋學是以海洋作為一個獨立體進行研究的 它實際上是從地球科學的其它幾個分支學科中獨立出來的 這是由于海洋在現(xiàn)代地球科學 人類生存環(huán)境和未來社會發(fā)展中的地位越來越重要的緣故 海洋學是研究海洋中發(fā)生的各種現(xiàn)象和規(guī)律及其相互關系的各門學科的總稱 根據研究內容不同可分為海洋物理學 海洋水文學 海洋化學 海洋生物學 海洋氣象學和海洋地質學等 土壤學 Soilscience 土壤學 Soilscience 以地球表面發(fā)育的土壤層為研究對象 主要研究土壤的物質組成 結構 類型 分布和形成發(fā)展過程 根據具體研究內容和應用領域的不同 土壤學也有一些分支學科 如土壤生物學 土壤地理學 土壤氣候學 土鑲物理學 土壤化學 土壤地質學等 地球物理學 地球物理學主要以固體地球為研究對象 重點研究固體地球的各種物理性質 物理現(xiàn)象及其發(fā)生與發(fā)展過程 地球的內部構造與組成等 其主要分支學科有地震學 地磁學 重力學 地熱學 地電學 應用地球物理學 主要研究地球物理勘探方法 和大地構造物理學等 地質學 Geology 地質學 Geology 研究的主體對象也是固體地球 當前主要是研究固體地球的表層一地殼或巖石圈 地質學的研究內容主要包括固體地球 重點是地殼或巖石圈 的物質組成 內部構造和形成演化歷史 地質學是一門理論性和應用性都很強的科學 它不僅承擔著揭示自然界奧秘與規(guī)律的科學使命 同時也為生活在地球上的人類如何利用 適應和改造自然提供科學的方法論 隨著生產和科學技術的發(fā)展 地質學的研究內容和領域不斷地深入和擴展 逐漸形成了日臻完善的由多學科組成的綜合性學科體系 地球科學的研究范圍十分寬廣 宏觀上可達行星級規(guī)模 微觀上進入原子和粒子范疇 地球科學研究的時間尺度 以百萬年計籠統(tǒng)地說 地球科學研究地球各圈層的物質組成 發(fā)展演化及它們之間的相互作用地質學的研究內容主要包括固體地球 重點是地殼或巖石圈 的物質組成 內部構造和形成演化歷史 地質學 地質學的應用 研究地下資源 研究地質與人類生活環(huán)境及災害防護 主要分科 研究地殼的物質組成 如 結晶學 礦物學 巖石學等研究地質作用的發(fā)育過程和產物 如動力地質學等研究地殼運動 形變及地表形態(tài)特征 如 構造地質學 大地構造學 地貌學等研究地殼的演變歷史和古代自然面貌 如 古生物學 地史學 同位素地質年代學 地層學 古地理學和第四紀地質學等 研究礦產資源的形成和分布規(guī)律 以及探討尋找和勘探礦產的理論和方法 如 礦床學 石油地質學 煤田地質學 找礦勘探地質學等研究各種工程建筑地基的地質條件和勘查理論 如 工程地質學等研究地下水的運動和分布規(guī)律 如 水文地質學等在防范自然災害 保護和利用自然環(huán)境方面還有環(huán)境地質學 地震地質學 旅游地質學等 此外 地質學所研究的各種地質現(xiàn)象是各種地質營力長期作用的產物 是在非常復雜的物理 化學及生物條件下各種自然因素綜合作用的結果 要闡明自然界這一復雜過程及其規(guī)律 必須利用現(xiàn)代物理學 化學 生物學 數學和力學等方面的理論和方法 于是產生了地球物理學 地球化學 同位素地質學 生物地球化學 數學地質 地質力學及實驗巖石學以及遙感地質等許多重要學科 地球科學的研究方法 地球的特點 空間的廣泛性 時間的漫長性 過程復雜性 空間的廣泛性 地球是一個龐大的物體 周長達4萬多公里 表面積5億多平方公里 而且它本身是由不同尺度和規(guī)模的物質體系所構成 因此從研究不同尺度和規(guī)模的物質體系入手研究地球 時間的漫長性 地球的年齡長達46億年 在這一漫長的時間里 曾發(fā)生許多重要的地質事件 如海陸變遷 山脈形成 生物進化等等 這些地質事件的發(fā)生過程往往要經過數百萬年甚至數千萬年才能完成 所以 人們只能靠觀察地質事件完成后所留下的結果及正在發(fā)生的地質事件的某一階段的情況來了解地球的形成演化歷史 地質過程的復雜性 地球演化至今經歷了復雜的地質過程 其中既有物理變化 也有化學變化 既有地表常溫常壓狀態(tài)下的作用過程 也有地下深處高溫高壓狀態(tài)下的作用過程 而且 不同區(qū)域及同一區(qū)域不同階段所經歷的地質過程存在差異 對這一漫長且不可逆的過程 依靠人類的力量很難完全重塑和再現(xiàn) 這些復雜的自然過程并不是雜亂無章的 它們都是具有一定的發(fā)生 發(fā)展條件和過程 具有一定的順序 換句話說 都具有一定的規(guī)律可循 這體現(xiàn)了過程的有序性 整體性與差異性 分異性 整個地球是一個有機整體 這不僅表現(xiàn)在地球內部和外部圈層的連續(xù)整體性 而且它們相互作用 相互影響 相互滲透 某一個圈層或某一部分的運動與變化都會不同程度地影響其它圈層或部分的變化 這些都體現(xiàn)了地球的整體性 然而 地球也不是一個均質體 它的不同組成部分無論在物質狀態(tài) 運動和演變特點上都具有一定的差異 這體現(xiàn)了其差異性 如不同地區(qū)其地理環(huán)境不同 而氣候變化更是如此 此外 地殼不同部位其受力狀況不同等 常用研究方法 野外觀察 資料收集 室內整理 分析 處理 歸納和總結 研究對象的特點決定了地球學科必須采用以下的方法 野外調查 歷史比較法 儀器觀測 大地測量 航空 航天和遙感技術 科學實驗 電子計算機技術的應用 綜合分析 1 野外調查 空間的廣泛性決定了地球科學工作者必須到野外去觀察自然界 進行野外調查 并盡可能詳盡 客觀和系統(tǒng)地收集各種樣品 數據和有關資料 野外調查是地球科學工作者最基本和最重要的環(huán)節(jié) 因為它是獲取研究對象第一手資料的重要方法 歷史比較法 將今論古原理 現(xiàn)實主義原理 這是地質學最基本和最重要的方法 雖然人類不可能目睹地質事件發(fā)生的全過程 但是 可以通過各種地質事件遺留下來的現(xiàn)象和結果 利用現(xiàn)今地質作用的規(guī)律 來反推古代地質事件發(fā)生的條件 過程及特點 這就是歷史比較法 是由英國地質學家萊伊爾 C Lyell 1791 1875 提出的 他明確指出 現(xiàn)在是了解過去的鑰匙 Thepresentisthekeytothepast 如 通過觀察現(xiàn)代生物的生活方式和沉積作用來推測地史時期的生物生活方式與沉積作用 如利用珊瑚礁 煤 鹽 冰川等來恢復古代氣候和環(huán)境 儀器觀測 儀器觀測是地球科學用來獲取研究對象的定性和定量資料的重要手段 通過它可以了解研究對象的各種物理 化學性質 以及各種參量的靜態(tài)特征和動態(tài)變化 為科學分析 推理提供依據 如現(xiàn)在到處設立各種觀測臺站 氣象站 水文站 地震臺站 以大量獲取系統(tǒng)的觀測資料 北京天文臺太陽磁場望遠鏡 世界首架 澳大利亞Parkes64米射電望遠鏡 大地測量 這是地球科學中既古老而發(fā)展又迅速的一種重要研究方法 早在遠古時代的古埃及和古中國 人們就借助步測和其它簡單的工具進行土地規(guī)劃 地形與地理制圖 水利與工程建設等 到了近代 發(fā)展成大地測量和大地三角測量 現(xiàn)代已發(fā)展為激光測距 人造衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS 這給地球科學帶來了深刻影響 航空 航天和遙感技術 由于地球空間的廣泛性 要在短時間內獲取大區(qū)域的資料 特別是大區(qū)域的動態(tài)變化狀況 就必須充分利用航空 航天和遙感技術 如衛(wèi)星云圖 衛(wèi)星遙感影像 航空照片 大地構造等 科學實驗 這是地球科學中的各門學科普遍采用的研究方法 通過分析 測試 以獲取各類樣品的物質成分 結構 物理與化學性質等方面的定性和定量資料 再通過科學分析 推斷其形成 演變過程及發(fā)展趨勢 由于地球形成時間的漫長性和過程的復雜性 在室內很難進行與自然界演化一致的真實試驗 但我們可以在室內進行模擬試驗 這樣 至少可以了解自然界變化的大致特征 模擬試驗 在室內創(chuàng)造一定條件模擬自然現(xiàn)象的成因 過程和發(fā)展規(guī)律的實驗 湖盆模擬實驗室 7 電子計算機技術的應用 當今 電子計算機技術的應用已給各門自然科學帶來了深刻的影響和革命性的變化 并正在向地球科學各領域中滲透 它必將為解決地球空間的廣泛性 觀察處理資料大以及模擬地質演變過程復雜等問題帶來廣闊的前景 隨著該技術的應用 將不斷會出現(xiàn)各類交叉性的學科 8 綜合分析 自然過程的復雜性和不可逆性決定了地球科學必須采用綜合分析的方法 在漫長的地球演化過程中 不同時期 不同方式 不同環(huán)境的自然作用給我們留下的是一幅錯綜復雜的結果圖案 要根據這一圖案恢復和解析自然界發(fā)展的過程 就必須利用多學科的原理和方法 進行綜合分析 只有這樣 才能得出統(tǒng)一的 最合乎實際情況和規(guī)律的結論 地質學的研究手段 利用多學科交叉的優(yōu)勢 將物理學 化學 生物學等學科的原理和方法引入地質學領域的研究中 模擬自然界的各種地質現(xiàn)象 物理模擬 數學模擬 計算機模擬 本課程的教學內容 地質資源與環(huán)境 板塊構造基礎 地質作用 地球的歷史 地質學發(fā)展簡史 地質學的發(fā)展經歷了三個主要的階段 古代地質思想的萌芽 18世紀前 地質學的創(chuàng)立 18世紀 19世紀中葉 近代地質學的發(fā)展階段 古代地質思想的萌芽 18世紀前 人類從一開始出現(xiàn) 就逐漸產生了樸素的地質思想 從遠古時代起 人類就逐漸學會了有選擇地利用巖石 中國 印度 巴比倫 埃及和希臘等古代文明國家 早在公元前幾百年或上千年以前就開始學會辨認銅 金 銀和鐵等元素的礦石 14 16世紀的歐洲 文藝復興 時代 是具有進步思想的學者向黑暗的宗教思想挑戰(zhàn)和進行激烈論戰(zhàn)的時代 波蘭天文學家哥白尼在臨終前提出了 日心說 他的學說的繼承者和補充者意大利學者布魯諾 1548 1600 52歲 提出 星的世界是無窮的 宇宙中包含無窮的世界 它們時刻處在形成和破壞的運動中 的論點 被認為是大逆不道 被宗教裁判處極刑 活活燒死 意大利學者利奧那多 達 芬奇根據海相貝殼化石推測海陸的變遷 總之 地質學的發(fā)展是隨著人們對太陽系 特別是地球的認識而逐漸發(fā)展起來的 地質學的創(chuàng)立 18世紀 19世紀中葉 十八世紀的歐洲出現(xiàn)了產業(yè)革命 對煤和金屬礦產的需求逐漸增加 礦物學 地層古生物學和地質制圖學 巖石學 構造地質學到十八世紀末十九世紀初 地質學的幾個主要分科已基本形成 地質學創(chuàng)立時期 學術思想論戰(zhàn)對地質學的發(fā)展起到了一定的推動作用 水成論 火成論 水成論 Neptunism 創(chuàng)始人 德國弗萊堡礦業(yè)學院礦物學教授A G 魏爾納 Werner 1750 1817 主要觀點 組成地殼的所有巖石都是從原始海洋物質中結晶 沉淀形成的 否認地殼運動的存在 化學沉淀而非物理沉淀 火成論 plutonism 創(chuàng)始人 英國學者J 郝屯 Hutton 1726 1797 主要觀點 花崗巖 玄武巖和其它類似的巖石都是 火成的 即由地球內部熔融體的結晶形成 均變論 災變論 地球的發(fā)展曾經歷過多次周期性的災變 每次災變都徹底改變了地表的形態(tài)和導致所有生物的滅絕 否認地球的自然發(fā)展過程 并把其演變歷史歸之為一系列不可知的突發(fā)事件 均變論 地質學上的均變論是與達爾文的進化論思想一致的 英國學者G 萊伊爾 Lyell 1813 1895 認為解釋地球的歷史和各種現(xiàn)象 用不著求助于上帝和災變 在漫長的地質年代中 許多看來是微小的自然力 風 河浪 潮汐 火山和地震等地質作用 長期進行就足以使地殼面貌發(fā)生巨大變化 災變論 與 均變論 之爭 最終以均變論的勝利和災變論的失敗而告終 本世紀七十年代 由于學科之間的互相滲透 交叉和各種測試手段的更新 新的災變論應運而生 證據 距今約65百萬年前 白堊紀末 恐龍的滅絕與小天體撞擊地球有關 全世界范圍內白堊紀 第三紀交界線附近銥元素含量普遍增高 新災變論認為 在宇宙和地球演化中 有一系列災變文件 所謂災變 是指突然的劇變 其特點是時間短 能量大 突發(fā)性 兩種假說 其一 強調由地球自然的原因引起 海平面的升降變化 氣候寒冷 干燥和炎熱的變化 洋流及海水成分的變化 火山活動以及地球極性的反轉 其二 到地球以外的宇宙環(huán)境中去尋找原因 認為在地質歷史上 生物大量滅絕不僅多次出現(xiàn) 而且具有一定的周期性 生物滅絕的周期大約為2500 3000萬年 近代地質學的發(fā)展階段 自19世紀中葉以來 為了滿足能源工業(yè)對礦產資源 能源的需要 歐洲各國大力開展地質調查 并先后成立了國家地質機構 中國的地質學發(fā)展簡史 應該說 在地質學發(fā)展的各個時期都打下了中國人為之奮斗的烙印 但在地質學發(fā)展的各個階段中 我們在其中發(fā)揮作用和所處的地位是有很大差別的 我們的祖先是偉大的 他們在地質思想的萌芽階段對地質知識的認識要比國外早得多 認識也深刻的得多 對礦產的利用 新石器時代 能制造銅器 商周時能使用銅 錫合金鑄造各種銅器 春秋時代我國已開始使用鐵器 礦產地和找礦知識的記載 戰(zhàn)國時的 山海徑 記載 金 銀 銅 鐵 錫 的產地226處 對許多自然現(xiàn)象的認識 山海徑 是世界上最早記載礦產的地質文獻 我國古籍中的地震記錄是世界上最早 最完整的地震記錄 東漢張衡公元132年發(fā)明候風地動儀 東漢公元50年發(fā)明羅盤 司南 關于河流的地質作用的描述 北魏酈道元著 水經注 北宋沈括著 夢溪筆談 明末徐霞客著 徐霞客游記 均論述了河流在塑造大陸地形方面的作用 河流的侵蝕和沉積作用在歐洲最早由J 郝屯于1778年提出 比沈括的論述晚600年 對化石的認識 當見高山有螺 蚌殼 或生石中 此時印舊時之土 螺蚌見水中之物 下者卻而為高 柔者卻變而為剛 此事思之甚深 有可驗者沈括的見解比意大利學者達芬奇早424年 朱熹 1130 1200 在 朱子全書 中對地質作用過程的分析比萊伊爾的 地質學原理 早了整整七個世紀 落后的原因 長期的封建統(tǒng)治 我國古代統(tǒng)治階級歷來提倡習儒讀經 輕視生產技術和自然科學知識 十九世紀中葉 隨著帝國主義的槍炮打開了中國的大門 歐洲地質學傳入中國 最早論述中國地質情況的是魯迅先生 1903年著 中國地質略論 1906年著 中國礦產志 是我國近代地質學早期論著之一 我國地質調查機構成立于1912年 章鴻釗倡導 南京臨時政府在實業(yè)部礦政司下設地質科 我國地質調查機構成立于1912年 章鴻釗倡導 南京臨時政府在實業(yè)部礦政司下設地質科 1918年北大 清華 中山大學成立地質系 1922年中國地質學會成立 解放前地質事業(yè)發(fā)展緩慢 共培養(yǎng)了300多名地質專業(yè)大學生 1952年成立地質部 地礦部 國土資源部 有關工業(yè)部門也成立了相應的地質機構 如石油部 石油天然氣總公司 石油天然氣集團公司 1952年先后成立北京 武漢 長春 成都地質學院 加上一些院校設立了地質系 為我國培養(yǎng)了大批地質工作人員 地質學的發(fā)展趨勢 1 從常規(guī)定性研究向定量 半定量研究與定性研究相結合發(fā)展 2 綜合利用物理學 化學和生物學的理論和方法解決地質問題 3 將遙感 計算機等新興科學應用于地質學 4 行星地質的研究 地球科學展望 1 有一天地質學能象預報天氣預報一樣預測地震的來臨 2 以最簡便 最經濟 最有效的方法源源不斷地揭示各種礦產資源 3 有可能控制和改變各種不利的地質環(huán)境 維護人們的生命財產安全和身體健康 本章重點 1 地質學 地球科學的概念 相互關系2 地質學 地球科學的研究對象和內容3 地質學的研究方法