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地球科学概论 本课程的任务 建立起地质学的基本概念 掌握地质学的一般基础知识 初步具备进行地质学分析 推断问题的思维能力和资源环境知识 并初步了解地球科学的一般工作方法 地球科学概论 参考书 地球科学概论 汪新文等主编地质出版社 普通地质学 徐成彦等主编地质出版社 地质学简明教程 苏文才等主编华东师大出版社 普通地质学 夏邦栋主编地质出版社 地质学基础 自编 普通地质学 杨伦等主编地质出版社 黄山 绪论一 研究对象和内容 二 地球科学的研究方法三 本课程的教学内容四 地球科学发展简史 地球科学概论 地球科学的研究对象 人类生活在地球上 衣食住行等一切活动都离不开地球 如人们要靠山川大地获取生活资料以维持生命 要从地球中开采矿物资源制造生产和生活工具 要了解地球上的自然地理和气候条件以便发展生产 要与地球上发生的各种自然灾害作斗争 因而在长期的实践中逐步加深了对地球的认识 并且逐渐形成了一门以地球为研究对象的科学 地球科学 GeoScience 地球科学简称地学 是数学 物理学 化学 天文学 地学 生物学六大基础自然科学之一 地球科学以地球为研究对象 包括环绕地球周围的气体 大气圈 地球表面的水体 水圈 地球表面形态和固体地球本身 地理学 Geography 地理学 Geography 主要研究地球表面的各种地形 地理环境及其结构 分布和演变规律 并涉及到自然和社会两个领域之间的相互关系 地理学一般可分为自然地理学和人文地理学两大组成部分 自然地理学是研究自然地形 地理环境的结构及发生 发展规律的学科 主要包括普通自然地理学 区域自然地理学 地志学等 人文地理学是研究人和社会与自然地形 地理之间的相互关系的学科 主要包括政治地理学 社会地理学 人口与聚落地理学 经济地理学 历史地理学等 气象学 气象学以地球周围的大气圈为研究对象 主要研究大气的各种物理性质 物理现象及其变化规律 其研究内容也很广泛 包括许多分支学科和应用学科 主要的分支学科有大气物理学十天气学 气候学 高空气象学 动力气象学等 主要的应用学科有卫星气象学 无线电气象学 航空气象学 海洋气象学 农业气象学 林业气象学等 其目的在于揭示大气中的各种物理现象和物理过程的发生 发展本质 从而掌握它 应用它为人类生活和国家经济建设服务 水文学 水文学主要研究地球上江河 湖沼 冰川 地下水以及海洋等各种水体的数量 质量 运动变化与分布规律 以及它们与地理环境 生态系统和人类社会之间的相互影响与相互联系 海洋学 海洋学是以海洋作为一个独立体进行研究的 它实际上是从地球科学的其它几个分支学科中独立出来的 这是由于海洋在现代地球科学 人类生存环境和未来社会发展中的地位越来越重要的缘故 海洋学是研究海洋中发生的各种现象和规律及其相互关系的各门学科的总称 根据研究内容不同可分为海洋物理学 海洋水文学 海洋化学 海洋生物学 海洋气象学和海洋地质学等 土壤学 Soilscience 土壤学 Soilscience 以地球表面发育的土壤层为研究对象 主要研究土壤的物质组成 结构 类型 分布和形成发展过程 根据具体研究内容和应用领域的不同 土壤学也有一些分支学科 如土壤生物学 土壤地理学 土壤气候学 土镶物理学 土壤化学 土壤地质学等 地球物理学 地球物理学主要以固体地球为研究对象 重点研究固体地球的各种物理性质 物理现象及其发生与发展过程 地球的内部构造与组成等 其主要分支学科有地震学 地磁学 重力学 地热学 地电学 应用地球物理学 主要研究地球物理勘探方法 和大地构造物理学等 地质学 Geology 地质学 Geology 研究的主体对象也是固体地球 当前主要是研究固体地球的表层一地壳或岩石圈 地质学的研究内容主要包括固体地球 重点是地壳或岩石圈 的物质组成 内部构造和形成演化历史 地质学是一门理论性和应用性都很强的科学 它不仅承担着揭示自然界奥秘与规律的科学使命 同时也为生活在地球上的人类如何利用 适应和改造自然提供科学的方法论 随着生产和科学技术的发展 地质学的研究内容和领域不断地深入和扩展 逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综合性学科体系 地球科学的研究范围十分宽广 宏观上可达行星级规模 微观上进入原子和粒子范畴 地球科学研究的时间尺度 以百万年计笼统地说 地球科学研究地球各圈层的物质组成 发展演化及它们之间的相互作用地质学的研究内容主要包括固体地球 重点是地壳或岩石圈 的物质组成 内部构造和形成演化历史 地质学 地质学的应用 研究地下资源 研究地质与人类生活环境及灾害防护 主要分科 研究地壳的物质组成 如 结晶学 矿物学 岩石学等研究地质作用的发育过程和产物 如动力地质学等研究地壳运动 形变及地表形态特征 如 构造地质学 大地构造学 地貌学等研究地壳的演变历史和古代自然面貌 如 古生物学 地史学 同位素地质年代学 地层学 古地理学和第四纪地质学等 研究矿产资源的形成和分布规律 以及探讨寻找和勘探矿产的理论和方法 如 矿床学 石油地质学 煤田地质学 找矿勘探地质学等研究各种工程建筑地基的地质条件和勘查理论 如 工程地质学等研究地下水的运动和分布规律 如 水文地质学等在防范自然灾害 保护和利用自然环境方面还有环境地质学 地震地质学 旅游地质学等 此外 地质学所研究的各种地质现象是各种地质营力长期作用的产物 是在非常复杂的物理 化学及生物条件下各种自然因素综合作用的结果 要阐明自然界这一复杂过程及其规律 必须利用现代物理学 化学 生物学 数学和力学等方面的理论和方法 于是产生了地球物理学 地球化学 同位素地质学 生物地球化学 数学地质 地质力学及实验岩石学以及遥感地质等许多重要学科 地球科学的研究方法 地球的特点 空间的广泛性 时间的漫长性 过程复杂性 空间的广泛性 地球是一个庞大的物体 周长达4万多公里 表面积5亿多平方公里 而且它本身是由不同尺度和规模的物质体系所构成 因此从研究不同尺度和规模的物质体系入手研究地球 时间的漫长性 地球的年龄长达46亿年 在这一漫长的时间里 曾发生许多重要的地质事件 如海陆变迁 山脉形成 生物进化等等 这些地质事件的发生过程往往要经过数百万年甚至数千万年才能完成 所以 人们只能靠观察地质事件完成后所留下的结果及正在发生的地质事件的某一阶段的情况来了解地球的形成演化历史 地质过程的复杂性 地球演化至今经历了复杂的地质过程 其中既有物理变化 也有化学变化 既有地表常温常压状态下的作用过程 也有地下深处高温高压状态下的作用过程 而且 不同区域及同一区域不同阶段所经历的地质过程存在差异 对这一漫长且不可逆的过程 依靠人类的力量很难完全重塑和再现 这些复杂的自然过程并不是杂乱无章的 它们都是具有一定的发生 发展条件和过程 具有一定的顺序 换句话说 都具有一定的规律可循 这体现了过程的有序性 整体性与差异性 分异性 整个地球是一个有机整体 这不仅表现在地球内部和外部圈层的连续整体性 而且它们相互作用 相互影响 相互渗透 某一个圈层或某一部分的运动与变化都会不同程度地影响其它圈层或部分的变化 这些都体现了地球的整体性 然而 地球也不是一个均质体 它的不同组成部分无论在物质状态 运动和演变特点上都具有一定的差异 这体现了其差异性 如不同地区其地理环境不同 而气候变化更是如此 此外 地壳不同部位其受力状况不同等 常用研究方法 野外观察 资料收集 室内整理 分析 处理 归纳和总结 研究对象的特点决定了地球学科必须采用以下的方法 野外调查 历史比较法 仪器观测 大地测量 航空 航天和遥感技术 科学实验 电子计算机技术的应用 综合分析 1 野外调查 空间的广泛性决定了地球科学工作者必须到野外去观察自然界 进行野外调查 并尽可能详尽 客观和系统地收集各种样品 数据和有关资料 野外调查是地球科学工作者最基本和最重要的环节 因为它是获取研究对象第一手资料的重要方法 历史比较法 将今论古原理 现实主义原理 这是地质学最基本和最重要的方法 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现象和结果 利用现今地质作用的规律 来反推古代地质事件发生的条件 过程及特点 这就是历史比较法 是由英国地质学家莱伊尔 C Lyell 1791 1875 提出的 他明确指出 现在是了解过去的钥匙 Thepresentisthekeytothepast 如 通过观察现代生物的生活方式和沉积作用来推测地史时期的生物生活方式与沉积作用 如利用珊瑚礁 煤 盐 冰川等来恢复古代气候和环境 仪器观测 仪器观测是地球科学用来获取研究对象的定性和定量资料的重要手段 通过它可以了解研究对象的各种物理 化学性质 以及各种参量的静态特征和动态变化 为科学分析 推理提供依据 如现在到处设立各种观测台站 气象站 水文站 地震台站 以大量获取系统的观测资料 北京天文台太阳磁场望远镜 世界首架 澳大利亚Parkes64米射电望远镜 大地测量 这是地球科学中既古老而发展又迅速的一种重要研究方法 早在远古时代的古埃及和古中国 人们就借助步测和其它简单的工具进行土地规划 地形与地理制图 水利与工程建设等 到了近代 发展成大地测量和大地三角测量 现代已发展为激光测距 人造卫星定位系统 GPS 这给地球科学带来了深刻影响 航空 航天和遥感技术 由于地球空间的广泛性 要在短时间内获取大区域的资料 特别是大区域的动态变化状况 就必须充分利用航空 航天和遥感技术 如卫星云图 卫星遥感影像 航空照片 大地构造等 科学实验 这是地球科学中的各门学科普遍采用的研究方法 通过分析 测试 以获取各类样品的物质成分 结构 物理与化学性质等方面的定性和定量资料 再通过科学分析 推断其形成 演变过程及发展趋势 由于地球形成时间的漫长性和过程的复杂性 在室内很难进行与自然界演化一致的真实试验 但我们可以在室内进行模拟试验 这样 至少可以了解自然界变化的大致特征 模拟试验 在室内创造一定条件模拟自然现象的成因 过程和发展规律的实验 湖盆模拟实验室 7 电子计算机技术的应用 当今 电子计算机技术的应用已给各门自然科学带来了深刻的影响和革命性的变化 并正在向地球科学各领域中渗透 它必将为解决地球空间的广泛性 观察处理资料大以及模拟地质演变过程复杂等问题带来广阔的前景 随着该技术的应用 将不断会出现各类交叉性的学科 8 综合分析 自然过程的复杂性和不可逆性决定了地球科学必须采用综合分析的方法 在漫长的地球演化过程中 不同时期 不同方式 不同环境的自然作用给我们留下的是一幅错综复杂的结果图案 要根据这一图案恢复和解析自然界发展的过程 就必须利用多学科的原理和方法 进行综合分析 只有这样 才能得出统一的 最合乎实际情况和规律的结论 地质学的研究手段 利用多学科交叉的优势 将物理学 化学 生物学等学科的原理和方法引入地质学领域的研究中 模拟自然界的各种地质现象 物理模拟 数学模拟 计算机模拟 本课程的教学内容 地质资源与环境 板块构造基础 地质作用 地球的历史 地质学发展简史 地质学的发展经历了三个主要的阶段 古代地质思想的萌芽 18世纪前 地质学的创立 18世纪 19世纪中叶 近代地质学的发展阶段 古代地质思想的萌芽 18世纪前 人类从一开始出现 就逐渐产生了朴素的地质思想 从远古时代起 人类就逐渐学会了有选择地利用岩石 中国 印度 巴比伦 埃及和希腊等古代文明国家 早在公元前几百年或上千年以前就开始学会辨认铜 金 银和铁等元素的矿石 14 16世纪的欧洲 文艺复兴 时代 是具有进步思想的学者向黑暗的宗教思想挑战和进行激烈论战的时代 波兰天文学家哥白尼在临终前提出了 日心说 他的学说的继承者和补充者意大利学者布鲁诺 1548 1600 52岁 提出 星的世界是无穷的 宇宙中包含无穷的世界 它们时刻处在形成和破坏的运动中 的论点 被认为是大逆不道 被宗教裁判处极刑 活活烧死 意大利学者利奥那多 达 芬奇根据海相贝壳化石推测海陆的变迁 总之 地质学的发展是随着人们对太阳系 特别是地球的认识而逐渐发展起来的 地质学的创立 18世纪 19世纪中叶 十八世纪的欧洲出现了产业革命 对煤和金属矿产的需求逐渐增加 矿物学 地层古生物学和地质制图学 岩石学 构造地质学到十八世纪末十九世纪初 地质学的几个主要分科已基本形成 地质学创立时期 学术思想论战对地质学的发展起到了一定的推动作用 水成论 火成论 水成论 Neptunism 创始人 德国弗莱堡矿业学院矿物学教授A G 魏尔纳 Werner 1750 1817 主要观点 组成地壳的所有岩石都是从原始海洋物质中结晶 沉淀形成的 否认地壳运动的存在 化学沉淀而非物理沉淀 火成论 plutonism 创始人 英国学者J 郝屯 Hutton 1726 1797 主要观点 花岗岩 玄武岩和其它类似的岩石都是 火成的 即由地球内部熔融体的结晶形成 均变论 灾变论 地球的发展曾经历过多次周期性的灾变 每次灾变都彻底改变了地表的形态和导致所有生物的灭绝 否认地球的自然发展过程 并把其演变历史归之为一系列不可知的突发事件 均变论 地质学上的均变论是与达尔文的进化论思想一致的 英国学者G 莱伊尔 Lyell 1813 1895 认为解释地球的历史和各种现象 用不着求助于上帝和灾变 在漫长的地质年代中 许多看来是微小的自然力 风 河浪 潮汐 火山和地震等地质作用 长期进行就足以使地壳面貌发生巨大变化 灾变论 与 均变论 之争 最终以均变论的胜利和灾变论的失败而告终 本世纪七十年代 由于学科之间的互相渗透 交叉和各种测试手段的更新 新的灾变论应运而生 证据 距今约65百万年前 白垩纪末 恐龙的灭绝与小天体撞击地球有关 全世界范围内白垩纪 第三纪交界线附近铱元素含量普遍增高 新灾变论认为 在宇宙和地球演化中 有一系列灾变文件 所谓灾变 是指突然的剧变 其特点是时间短 能量大 突发性 两种假说 其一 强调由地球自然的原因引起 海平面的升降变化 气候寒冷 干燥和炎热的变化 洋流及海水成分的变化 火山活动以及地球极性的反转 其二 到地球以外的宇宙环境中去寻找原因 认为在地质历史上 生物大量灭绝不仅多次出现 而且具有一定的周期性 生物灭绝的周期大约为2500 3000万年 近代地质学的发展阶段 自19世纪中叶以来 为了满足能源工业对矿产资源 能源的需要 欧洲各国大力开展地质调查 并先后成立了国家地质机构 中国的地质学发展简史 应该说 在地质学发展的各个时期都打下了中国人为之奋斗的烙印 但在地质学发展的各个阶段中 我们在其中发挥作用和所处的地位是有很大差别的 我们的祖先是伟大的 他们在地质思想的萌芽阶段对地质知识的认识要比国外早得多 认识也深刻的得多 对矿产的利用 新石器时代 能制造铜器 商周时能使用铜 锡合金铸造各种铜器 春秋时代我国已开始使用铁器 矿产地和找矿知识的记载 战国时的 山海径 记载 金 银 铜 铁 锡 的产地226处 对许多自然现象的认识 山海径 是世界上最早记载矿产的地质文献 我国古籍中的地震记录是世界上最早 最完整的地震记录 东汉张衡公元132年发明候风地动仪 东汉公元50年发明罗盘 司南 关于河流的地质作用的描述 北魏郦道元著 水经注 北宋沈括著 梦溪笔谈 明末徐霞客著 徐霞客游记 均论述了河流在塑造大陆地形方面的作用 河流的侵蚀和沉积作用在欧洲最早由J 郝屯于1778年提出 比沈括的论述晚600年 对化石的认识 当见高山有螺 蚌壳 或生石中 此时印旧时之土 螺蚌见水中之物 下者却而为高 柔者却变而为刚 此事思之甚深 有可验者沈括的见解比意大利