地球科学课件

地球科学

第一章地球的形成与结构

背景材料地球的形成时间科学家在澳洲西部发现了距今44亿年的结

晶“错石”，并根据这粒错石的化学成份研究，在它形成时，地球的温度已冷却到足

以形成水和表面岩层的程度，这说明海洋和大陆形成的年代要比一般认为的提早5亿

年左右，而地球上出现生物的时间，也可能跟着提前。

科学界普遍认为，地球是在四十五亿六千万年前以熔岩和金属形式生成的，而熔岩冷

却到足以形成大陆和水需要大约七亿年的时间，而水更是地球产生生命的最重要因素。

美国、英格兰和澳洲的科学家对澳洲西北山区岩石层中发现的一粒古老结晶错石做了

详细的分析，研究判定这粒钻石距今已有四十四亿年，是迄今所发现最古老的矿物质。

偌石是由矽、氧、锚(zirconium)和其他成份所构成的。

科学家发现这粒四十四亿年前的错石中含氧量相当高，显示它在形成后，被地表上的

水所冷却。换句话说，那时候地球上已经有水，比原先科学界所认为地球在三十八、

九亿年前出现水要提前了五亿年左右，而地球生成的时间，也势必跟着提前。这项研

究成果，发表在最新一期《自然界》杂志上。

机经原文：

本文讲了地球形成固体行星时间的最终确定过程。

以前的资料表明地球是在大约四十亿年前形成的，当时地球还是很热的岩浆状态。那么，这

个资料是不是准确？地球到底是什么时候冷下来的(cooloff)呢？

1980年左右在澳大利亚发现了钻石(ziivon),这种物质有粘性。通过对错石的研究，表明

地球的冷却的实际年龄应该比以前认为的年龄更大。但是80年代由于技术不太发达，所以

部分科学家不太相信新的研究结果，因为新的研究结果和原来的预想有很大差距。

90年代，随着技术的进步，科学家证实这个说法。科学家发现错石里面有一些很古老的成

分。而这块偌石曾经出现在一片火海的原始地球的岩浆中。科学家由此推断：地球大概在四

十五亿年前就形成了冷却的外壳，这个发现挑战了原有的地球形成时间的理论。

机经要点：(1)早期理论认为地球是在大约40亿年前形成的。

(2)80年代，科学家发现了偌石，通过对偌石的研究表明地球的形成时间为45亿年前。

(3)90年代，随着科学进步，科学家证实了80年代提出的观点是准确的

背景材料地壳均变说1830年5月29日，英国地质学家赖尔

出版了《地质学原理》一书，提出地质进化的均变说，他在书中系统地提出了地球

表面发展变化的渐变理论和“将今论古”的现实主义方法论，第一次把理性带进地质学

中。他以地球的慢变化这种渐进作用，代替了造物主的作用。在《地质学原理》

中，赖尔针对当时流行的地质变化的“灾变论”，用大量确凿的事实说明，地球

地壳的变化，不是什么超自然力量或者巨大的灾变造成的，而是由于最平常的自

然力，如风、雨、温度、水流、潮汐、冰川、火山、地震等等，在漫长的时间里

逐渐形成的。例如岩石的剥蚀、堆积等是一个缓慢的、不引人注意的、长期积累

的过程。他提出，地壳上升或者下降是地球内力和外力相互作用的结果，岩石的

结构差别是在长期历史中形成的。达尔文对赖尔的这部著作十分推崇，赞叹说：

“读完每一个字，我心中充满了钦佩之感。”赖尔治学十分严谨，这部著作于

1830年开始出版，1833年出版了第三卷，以后他又对《地质学原理》进行了反

复多次修订，在发行第十版时，许多章节几乎进行了重写。他的这部著作为近代

地质学奠定了科学的理论基础，因此他被人称为“近代地质学之父”。

地壳均衡说地壳均衡说是按照阿基米德原理（轻物质漂浮于液态重物质之上，力求达到

均衡的现象），用以解释地壳运动原因的一种假说。1855年，普拉德和艾利同样主张地球

的固体地壳漂浮平衡了液态底层之上，但前者认为固体地壳各处密度不同，如隆起的山脉部

分密度小、下陷的海盆部分密度大，地形起伏不平，但它和液态底层的界面——均衡补偿面

是水平的；后者认为固体地壳各处密度相同，地壳增厚的地区、如山脉与地壳变薄的地区、

如海盆，不仅表现于其上界的高低起伏，下界呈镜象反映（山脉越高、山根越深），而且其

界面是起伏不平的。1889年，道顿以某•地区的地壳因剥蚀而负荷减轻，另•地区的地壳

因沉积而负荷加重，均衡遭到破坏，使负荷减轻的地区上升，负荷加重的地区下降，以求得

到的地壳平衡，以此解释地壳升降运动的原因.现代重力测量和地震研究资料表明普拉德和

艾利的假设各有可取之处，二者结合可对岩石圈的平衡作出解释，

机经

.地形的上升很容易发现，但是事实上原因很复杂；上升的原因地壳上的重量变轻了

也提到了当山被侵蚀，重量下降，因此山会变得更高上升的部分跟被侵蚀的部分样多还

提到了地壳crust比地慢mantle还要密度低，因此浮在比较上面同理，说了冰川的例子，

冰川形成，冰川把地面压得下陷，冰川融化了，地面又上升了。

1.有关山脉的侵蚀与上升?侵蚀与上升一样多

2.为何提到冰河？重量卜.降地面上升

3.consistently=regularly

现实论actualism现代研究地球科学的理论;。它接受均变论的基本前提，认为在

整个地质历史时期，物理的和化学的规律是不变的，但是导致地质作用的结果的速率

和强度可能有很大的变化；有些重要的、普遍的地质事件实际上是灾变性的，例如地

震和冰期。而且，由于地球在漫长的历史时期内，它的大气圈、水圈和岩石圈不断地

变化，在演变的过程中，地球上或地球内部所发生的地质作用，相对地来说，随着时

间的变化是会发生显著变化的。

大陆漂移与板块构造

机经原文：

本文讲魏格纳(Wegener)最早提出了大陆板块漂移理论根据这个理论，地幔运动造成地

球表面上升而形成山；于此同时陆地与陆地之间相互撞击，于是逐渐形成了今天的世界大

陆与海洋格局。魏格纳利用这一理论还解释了岛屿的形成，此理论认为原来地球大陆是连接

在一起的，一些板块边缘分离，从而形成岛屿；一些板块挤压形成山。而形成的岛屿又可

以分成两种类型。魏格纳利用这一理论合理地解释了地球早期发展的过程和一些相隔较远的

地方地貌吻合的现象。

尽管很多学者反对，魏格纳还是坚持并继续发展了这一理论。一直到他去世之前，魏格纳都

在修正和完善这一理论。但魏格纳的理论有一个致命弱点：大陆板块漂移的动力。根据魏

格纳的说法，潮汐力和日月引力是板块飘移的动力。但是，日月引力和潮汐力实在是太小了，

根本无法推动广袤的大陆。因此，大陆漂移学说在兴盛了十几年后就逐渐销声匿迹了。

美国学者海斯(H.H.Hess)提出海底扩张学，修正了魏格纳的大陆板块漂移理论。这个理

论最大的贡献就是回答了板块漂移的动力问题。他认为地幔中的岩浆上升涌出使海岭地区

形成新岩石，并推动整个海底向两侧扩张，最后在海沟地区俯冲沉入大陆地壳下方，使得地

壳缓慢移动。

大陆板块学说具有很重要的科学意义，它充分利用了当时收集到的所有相关的材料和数据，

并且对地球表面很多地区的地形特征进行了完善的解释。例如：魏格纳认为地球两端的两

块陆地上都发现了一种生物化石然而这种生物是不会游泳的，可以说明，这两块陆地实际

是连在一起的(这里出了•个推断题这个生物的例子说明大陆板块学说成功的解释地球两

端的陆地以前是相连的，现在就分开了)。

机经要点：

(1)魏格纳最早提出了大陆板块漂移理论。

(2)虽然这个观点存在缺陷，但是魏格纳还是坚持并继续发展了这一理论。

(3)美国学者赫斯(H.H.Hess)提出海底扩张学，修正「魏格纳的大陆板块漂移理论理论。

(4)大陆板块学说具有很重要的科学意义。

真题再现：

(1)问：文章为什么提到山和岛屿的形成？

答：为了比较两者的差异。

（2）问：魏格纳用这个理论解释了什么？

答：解释了相隔较远的地方地貌吻合的现象。

海底板块扩张学说

大陆板块漂移学说与板块构造学说

组成地球的元素

地震波与地球内部结构

（-）地震波

P波：P代表主要（Primary）或压缩（Pressure）,为一种纵波，粒子振动方向和波前进

方平行，在所有地震波中，前进速度最快，也最早抵达。P波能在固体、液体或气体中传

递。

S波：S意指次要（Secondary）或剪力（Shear）,前进速度仅次于P波，粒子振动方向

垂直于波的前进方向，是一种横波。$波只能在固体中传递，无法穿过液态外地核。

（-）软流层

软流层（Asthenosphere）又叫软流圈，位于上地幔上部岩石圈（Lithosohere）之下，深度在

50-250km之间，是一个基本上呈全球性分布的地内圈层。软流层的分布具有明显的区域性

差异，总的规律是大洋之下位置较高（一般在60km以下），大陆之下位置较深（深度在

120km以下）。软流层顶底界面不十分确定，与岩石圈之间无明显界面，具有逐渐过渡的

特点。

软流层是在地震波传播速度研究中发现的。科学家在研究地震波传播速度在地球内部的变

化时发现，上地幔接近顶部的位置有一个地震波传播速度明显减缓的层，称为“古登堡低

速层”。推测此层地震波传播速度慢的原因是积累的热量使岩石软化并局部熔融，故称为

“软流层”。

（三）岩石圈

地球最外层平均厚度约100千米的带有弹性的坚硬岩石。由地壳和上地幔顶部组成。岩石

圈下面是软流圈。岩石圈可分为6大板块：欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、

印度洋板块、南极洲板块。还有一些较小板块镶嵌其间。板块边界有4种类型：海岭洋

脊板块发散带、岛孤海沟板块消减带、转换断层带和大陆碰撞带。

机经原文:

用地震波研究地球的内部结构。

地震波有P波和S波之分，这两种波有不同的性质。

当地震波经过的物质密度小的时候，地震波传播的速度就小，当地震波经过的物质密度大的

时候，地震波传播的速度就大。

通过I960年智利大地震研究，科学家发现，地球最表面的•层是岩石构成的，密度大而且

坚硬，也就是岩石圈(lithosphere)。地壳下面有一层软流层密度较小，而且柔软。这个发现

支持了魏格纳的大陆板块飘移理论。

机经要点：

(1)地震波有P波和S波两种，可以用来探测地球的内部结构。

(2)P波和S波性质不同。

(3)地球表层是地壳，由岩石构成；地壳下面是软流层。

第二章气候

数值天气预报方法的缺陷20世纪50年代以来，动力气象学原理、数学

物理方法、统计学方法等，广泛应用于天气预报。用高速电子计算机求解简化了的大

气流体力学和热力学方程组，可及时作出天气预报。尤其是60年代发射气象卫星以

来，卫星的探测资料弥补了海洋、沙漠、极地和高原等地区气象资料不足的缺陷，使

天气预报的水平显著提高。数值天气预测也并不足以解决任何问

题，尚不能作到百分之百的准确。与目前我国所接收的气象资料每秒七十五个位元相比，

数值天气预测计画完成后，每秒的气象资料将在二千四百个位元左右，而且是一天二十四小

时不停地进入。这么多的资料中必然存有些许差错，如何使电脑能妥善地处理这大量的资

料，就是一个问题所在。

其次是，即使日后的气象观测资料更丰富了，但在时间上它仍是不连续的资料，而空间

匕也并不完整。资料上的不充分、不完整，将使数值天气预测无法作到尽善尽美。这些随

着时间而大量增加，而又有先天不完整缺陷的资料•，不论在实际预报技术上或学术理论研究

上，都将给气象界提供丰富的、具有挑战性的研究课题。

地球运动对气候的影响

机经原文：听力

本文讲气候的变化是和地球的运动有关联的。

地球的公转（revolution围绕太阳运动）轨道形状会影响到气候变化。地球的公转轨道并不

像手表一样是圆形的，而是椭圆形的。当地球运行到近日点（perihelion）的时候，地球表

面平均温度升高，冰川会融化。

地球自转（rotation）的倾斜角度对气候也有影响。因为地球自转倾斜角的出现，所以一年

之中有了四季之分，一年之中的昼夜长短也有了变化。

板块漂移也会对地球气候造成影响，这种情况很复杂。这个假说被提出来后，一开始因为没

有证据，所以没人相信。直到最近，海洋学家（oceanographer）用海底采集到的沉淀证明了

这个假说。

但是，后来在美国附近海底有一个叫魔鬼洞（devilhole）的地方发现的沉淀却证明这种假说

是不对的。后来教授又解释说魔鬼洞那地方发现的沉淀只能证明地区的气候没有受到大陆板

块飘移的影响，不能证明全球的气候都不受这个因素的影响，所以这个假说还是正确的。

真题再现：

（1）问：教授举手表的例子，是想说明什么？

答：说明地球公转是椭圆的，地球公转同手表不一样。

（2）问：地球表面温度升高，冰川融化时最可能在什么时候？

答：当地球运行到近日点（perihelion）的时候

（3）问：板块漂移的假说，后来是怎么证明的？

答：通过海洋学家在深海海底找到的沉积证明的。

机经要点：

气候的变化受地球运动的影响；

地球围绕太阳运动的轨道是椭圆的；地球离太阳时近时远，接收到的太阳的能量不一样；

地球自转轨道的倾斜角度也影响气候；

地球大陆板块漂移会影响地球气候。

温盐环流温盐环流，又称“输送洋流"、“深海环流”等，是一个依靠海水的温度

和含盐密度驱动的全球洋流循环系统。这个系统的运作现况是，以风力驱动的海面水流如

墨西哥湾暖流等将赤道的暖流带往北大西洋，暖流在高纬度处被冷却后下沈到海底，这些

高密度的水接着流入洋盆南下前往其他的暖洋位加热循环，一次温盐循环耗时大约1600年,

在这个过程中洋流运输的不单是能量（温度/热能），当中还包括地球固态及气体资源等,

不过温盐环流最受人类关注的是其全球恒温的功能。温盐环流推测主要是由于北大西洋及

南冰洋之间的盐分及温差对流而触发的。

在北大西洋，环流的表面暖水向北流而深海冷水向南流，造成净热量向北输送。

表面海水在位于高纬度的固定下沉区下沉。

表面风对于100米左右以下深度的海水环流所起的作用微乎其微，而海水温度

和盐度的变化则足以使海水密度产生差异。

海水密度的差异使得产生了密度梯度，导致海流的形成。这种方式产生的海流流

速非常慢（每年只有若干公里），只有通过特殊的手段才能发现这种海流，也就是通

过把不同深度的水团的温度、盐度和氧含量表示在图上，才能发现它的存在。

图为由Broecker最早提出的全球温盐环流输送带示意图，其中的阴影部分表示海

洋浅层较暧的、流回北大西洋的洋流，未加阴影的部分表示海洋深层冷而咸的、流出北大

西洋的洋流。可见形成于北大西洋的冷水团在深层以西边界流的形式向南流去，之后围绕着

南极绕极急流，部分和形成于威德尔海的南极底层水混合，流向太平洋和印度洋，在那里上

翻穿过温跃层达到上层海洋。

温盐环流的重要性在于，它和大气中著名的Hadley环流、Ferrel环流和极地环流

等一起，构成了对于维持全球气候系统的能量平衡至关重要的经向环流体系。

众所周知，对于全球气候系统而言，热带存在辐射盈余，极地则存在辐射亏损，

为保持整个系统的能量平衡，在低纬与高纬之间，必须存在强的经向能量输送。以前

人们认为，这种输送作用主要通过大气过程来实现。现在研究表明，海洋的极向热输

送约占海气耦合系统中极向热输送总量的50%,在北半球，它把低纬的热量输送到高

纬，在50N附近（那里的海洋西边界流最强）通过强烈的海气热交换，把大量的热量

输送给大气，再由大气把能量向更高纬度输送。海洋经向热输送强度的变化，将对全

球气候产生重要影响。

在当前气候中，大西洋是主要的向高纬度的热输送器。北大西洋湾流

属于暖水系环流，温盐环流属于冷水系环流，冷、暖水在北大西洋高纬的

转换，向大气释放出大量的热量。据估算，在24N处，大西洋的热输送为

1.2PW,而该纬度上所有大洋的经向热输送总量为2.0PW,大气的热输送总

量为3.0PW。在北大西洋，向高纬的热输送以及冬季的热释放，可以补充年

日射的25%,盛行西风带将这些热量带至相临大陆・，使得北欧气候温暖。温

盐环流活动的任何变化，都将给区域乃至全球气候造成可观的影响

厄尔尼诺现象和拉尼娜现象

是指南美赤道附近(约北纬4度至南纬4度，西经150度至90度之间)幅度数千公里的海水带的异常增

温现象。

原来，太平洋洋面并不是完全水平的。在南半球的太平洋上，由于强劲的东南信风向西北横扫，将海水也

由东南向西推动，结果是位了澳大利亚附近的洋面要比南美地区的洋面高出约50厘米。与此同时，南美沿

岸大洋下部的冷水不停上翻，给这里的鱼类和水鸟等海洋生物输送大量养料。

令人不解的是，每隔数年，这种正常的良性环流便被打破。一向强劲的东南信风渐渐变弱甚至可能倒转为

西风。而东太平洋沿岸的冷水上翻也会势头减弱或完全消失。于是太平洋上层的海水温度便迅速上升，并

且向东四流。这股上升的厄尔尼诺洋流导致东太平洋海面比正常海平面升高：三十厘米，温度则升高2-5

摄氏度。这种异常升温转而乂给大气加热，引起难以预测的气候反常。经如，厄尔尼诺曾使南部非洲、印

尼和澳大利亚遭受过空前未有的早•灾，同时带给秘鲁、厄瓜多尔和美国加州的则是暴雨、洪水和泥石流。

那次厄尔尼诺效应造成了1500余人丧生和80亿美元的物质损失。关于厄尔尼诺现象的成因，迄今科学家

们尚未找到准确的答案。

有人认为，可能是太平洋底火山爆发或地壳断裂喷涌出来的熔岩的加热作用造成洋流变暧，进而导致信风

转弱和逆转。另有人则推断，也许是因为地球自转的年际速度不均造成的。他们说，每地球自转的年际

速度由加速变为减速之后，便会发生厄尔尼诺现象.令人忧虑的是，厄尔尼诺现象的出现越来越频繁。原

来认为5年、7年乃至10年来临•次，后来乂以3至7年为周期出现。但进入90年代以来似乎每两三年

就降临一次。

尽管厄尔尼诺的成因尚未查清，但人类并未在它面前听天由命、无所作为。1986年国外科学家成功地提前

一年预报了厄尔尼诺现象的来临，并积极探索温室效应与厄尔尼诺现象之间的联系。可以预言，人类终将

能解开这一肆虐人类的大自然之谜，并找出办法，避免它的危害。

城市热岛效应城市热岛效应(Urbanheatislandeffect)是指城市中的气温明显高于

外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，

就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市

热岛。城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出1℃,甚至更多。夏季，城市局部

地区的气温有时甚至比郊区高出6。＜2以上。此外，城市密集高大的建筑物阻碍气流通

行，使城市风速减小。由于城市热岛效应，城市与郊区形成了一个昼夜相反的热力环

流。

晴朗无风的夏日，海岛上的地面气温，高于周围海上气温，并因此形成海风环流

以及海岛上空的积云对流，这是海洋热岛效应的表现。近年来，由于城市人口集中，

工业发达，交通拥塞，大气污染严重，且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成，它

的热传导率和热容量都很高，加上.建筑物本身对风的阻挡或减弱作用，可使城市年平

均气温比郊区可高2℃,甚至更多，在温度的空间分布上,城市犹如一个温暖的岛屿，

从而形成城市热岛效应。热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合

现象，在冬季最为明显，夜间也比白天明显，是城市气候最明显的特征之一。

20世纪初，英国气候学家赖克・霍德华在《伦敦的气候》一书中把这种气候特征

称为“热岛效应”。

近年来，随着城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。城市热岛

形成的原因主要有以下几点：

首先，是受城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏

油路面，各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性，这些人工构筑物吸热快而热容

量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而

其表面温度明显高于自然下垫面。

另一个主要原因是人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃

烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。此外，城市里中绿地、林木和水体的减

少也是一个主要原因。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和

道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。

湖区效应大湖效鹰指的是冷空氟遇到大面稹未^冰的水面（通常是湖泊）优中得

到水蒸汽和热能，然彳叁在向凰的湖岸形成降水的现象，通常是以雪的形式出现。造情形

以在美阈柬北部的五大湖岸的降雪最卷著名。类直似的情形在大蜜湖也有彝生，耦卷大鞭

湖效鹰。降雪地点取决于使云移动风向和风速。风速决定了暴风雪行进的距离，风越强

烈，其携带的水汽走得越远，晚秋与初冬时节，其行进的距离最远。降雪量取决于以

下因素：冷气团与水面的温差，温差较大时，水温越高，冷气团温度越低，冷凝的水汽

就越多，雪量就大，一般在12月和1月容易出现这种温差，也最容易产生暴风雪；冷

空气在水面行进的距离，即吹程也会影响降雪量，冷空气与暖水面接触时间越长，气团

就会携带越多的水汽。如果水面结冰，水汽供给停止，大湖效应就会停止。

赤道无风带赤道无风带是指赤道附近南、北纬5之间间的地带。这里太阳终年近乎直射，是

地表年平均气温最高地带。由于温度的水平分布比较均匀，水平气压梯度很小，气流以辐合上升为

主，风速微弱,故称为赤道无风带。气温高，地面气压降低，产生赤道低压带。由副热带

高压向赤道低压辐合的信风，强空气垂直运动，但此上升气流地面不感觉有风。

赤道无风带内天气状况单调而富规律。持续的高温全年各月在摄氏二十六度上

下，气温年差最小，无年变化可言。旺盛的对流作用，容易产生积雨云及午后的雷阵

雨，这是地表云量最多，降雨最丰的地带。在正常情形之下，春分和秋分前后，应是

雨量曲线上的两个高点；夏至、冬至前后，是两个低点。赤道无风带内气压梯度小，

风力和缓，风向不定，常出现静风天气，虽有午后阵雨可以消暑，但仍感暑热难耐。

倒是滨海地带，昼夜间海、陆风环流，有调剂温度之作用，适於健康和居住.

机经

美国的奇'星夏天.个美国奇怪的夏天，说美国1816年夏天很冷cold,6月份没有夏天。

美国的农业受影响，当时的总统杰克逊在文章提到此事件。•开始人们认为是太阳的磁暴，后来

发现是前年的火山爆发，火山灰把太阳挡住了，所以就冷了，最后说树的年轮可以告诉答案

山体对气候的影响在山区，由于山坡与山谷对温度日变化的影响速度不同，故产

生了山谷风，白天，风由山谷吹向山坡，夜晚，风由山坡吹向山谷，当山体高度超过

水汽凝结高度时，在山体的迎风坡往往产生比较多的降水，气候比较温润，而气流翻

过山顶后绝热下沉，增温，使背风坡炎热干燥。

降雨的形成

降雨的形成其实就是云滴增大为雨滴并降至地面的过程。（通常把半径小于100口m的水滴称为云滴，半

径大于100pm的水滴称雨滴。标准云滴半径为10pm,标准雨滴半径为lOOOpm,从体积来说，半径1mm

的雨滴约相当于100万个半径为10口m的云滴）。

使云滴增大的过程主要有二：一为云滴凝结或凝华增长.一为云滴相互冲并增长。实际上，云滴的增长是

这两种过程同时作用的结果。

凝结或凝华增长过程是指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增长的过程。在云的形成和发展阶段，由于

云体继续上升，绝热冷却，或云外不断有水汽输入云中，使云内空气中的水汽压大于云滴的饱和水汽压，

因此云滴能够由水汽凝结而增长。但是，不论是凝结增长过程，还是凝华增长过程，都很难使云滴迅速增

长到雨滴的尺度，而且它们的作用都将随云滴的增大而减弱。可见要使云滴增长成为雨滴，势必还要有另

外的过程，这就是冲并增长过程。

云内的云滴大小不一，相应地具有不同的运动速度。大云滴下降速度比小云滴快，因而大云滴在下降过程

中很快追上小云滴，大小云滴相互碰撞而粘附起来，成为较大的云滴。在有上升气流时，当大小云滴被上

升气流向上带时，小云滴也会追上大云滴并与之合并，成为更大的云滴。云滴增大以后，它的横截面积变

大，在下降过程中又可合并更多的水云滴。有时在有上升气流的云中，当大小水滴被上升气流挟带而上升

时，小水滴也可以赶上大水滴与之合并。由于冲并作用，雨滴不断增大，当雨滴增大到一定的程度时不能

克服空气阻力和上升气流的顶托下降到地面就形成了降雨。

风向和风蚀作用气象上把风吹来的方向确定为风的方向。因此，风来自北方叫做

北风，风来自南方叫做南风。气象台站预报风时，当风向在某个方位左右摆动不能肯

定时，贝IJ加以“偏”字，如偏北风。当风力很小时.，则采用“风向不定”来说明。

。风向的测量单位，用方位来表示。陆地上，一般用16个方位表示，海上多

用36个方位表示；在高空则用角度表示。

.对于风向的运用，自古以来，人们在生产生活等各种领域有意无意地在运用其

威力，也有不习其规律的受损的例子。

1、风引起空气流动带来降水、降雪。

2、大范围的空气流动引起洋流运动，平衡海水的热量分布。

3、调节大气的温度差异，将赤道地区的上升热气流向两极扩散。

4、风媒植物的传粉和繁殖。

5、风能发电。

6、空气净化，污染空气扩散

风蚀作用是指风对地表物质的侵蚀、搬运和堆积过程。表现为风的吹蚀作用和磨

蚀作用。吹蚀作用是指风吹过地面产生紊流，沙粒或尘土离开地面，使地表物质遭受

破坏的过程；磨蚀作用是指由于风沙流贴近地面运动，运动的沙粒对地表物质（岩石

等）进行的冲击、摩擦作用的过程。

风蚀作用是土壤沙化的主要机制。风蚀现象是一种自然现象，强烈的风蚀作用会造成

土壤侵蚀和生态环境的破坏。具体地讲，风蚀即风力侵蚀作用•空气流动形成风，风

具有很大动能，作用于物体时就形成风力。当风力超过地表土抗蚀力时，土粒等就会

被风吹走，这种现象叫做风蚀作用。风蚀主要以两种方式进行，i种是吹蚀，吹蚀作

用是单纯依靠气流的冲击力和紊流作用，把暴露地表的部分松散细小碎屑吹离地表的

过程。吹蚀作用的强度主要取决于风力的大小、地表碎屑颗粒的粒径及其联结力。把

松散无联结的大小不同的碎屑吹起来的临界风速是不同的。风力越大、地表碎屑愈细，

吹扬作用愈强。另一种是磨蚀。磨蚀就是在吹蚀过程中，地面气流中携带大量砂粒，

对所经地表和物体产生很强的打磨作用，这种过程叫磨蚀。在风蚀过程中这两种方式

往往是兼而有之。它们像两把刻刀，不断地雕琢着地貌，形成种种沙漠景观。风的吹

蚀作用和磨蚀作用是相互联系的过程，实际上总是同时同地进行着的。

风吹经地面时，因为地面不平，气流发生乱流作用，可以吹扬地面的沙粒。风吹

起沙粒并挟带沙粒向前移动，形成风沙流，运动的沙粒对岩石表面或岩石裂隙等凹部

进行摩擦和旋磨，因此风蚀作用实际上包括对地表的吹蚀使沙离开地表，从而使地表

物质遭受破坏，并对岩石磨蚀，即指风沙流移动时，沙粒对地表物质的冲击、摩擦。

风沙流的含沙量是随高度增加而减少的，绝大部分颗粒在距地面30厘米以下运动，

特别集中在10厘米以下运动。因此沙主要是贴近地面迁移的风蚀作用随离地面高度

的增加而减弱，这些作用在干旱地区最为活跃，由于土壤、岩石大都是裸露的，几乎

整个地面都受到吹蚀。风在进行吹蚀时具有选择性。最小的颗粒，象粘土和粉砂之类

最容易被扬起并上升到高空。沙粒仅仅为中等强度以上的风所移动，并贴近地面迁移。

砾面碎屑在平坦地面上受强风作用而发生滚动，但它们不会移动很远。

空气中的污染物——霾

第三章火山

火山成因地球内部处于高温和高压的状态，当上覆岩层发生破裂或地壳背斜褶皱

升起时，

地下的炽热岩浆将沿地层的破裂面或背斜轴部喷出地表，形成火山。这种喷出的现象

叫火山喷发，火山喷发的形式有两种：裂隙喷发和中心喷发。地球内部充满着炽热的

岩浆。在极大的压力下，岩浆便会从薄弱的地方冲破地壳，喷涌而出，造成火山爆发。

火山可分活火山、死火山和休眠火山。前面讲到的坦博拉火山和夏威夷群岛上的火山，现在

还在活动，这就是活火山。死火山是指史前有过活动，但历史上无喷发记载的火山。

猛烈的火山爆发会吞噬、摧毁大片土地，把大批生命、财产烧为灰烬。可是令人惊讶的是，

火山所在地往往是人烟稠密的地区，日本的那须火山和富士火山周围就是这样。原来，火山

喷发出来的火山灰是很好的天然肥料，富士山地区的桑树长得特别好，有利于养蚕业；维苏

威火山地区则盛产葡萄。火山地区景象奇特，往往成为旅游胜地。

在人类能够控制火山活动之前，加强预报是防止火山灾害的唯一办法。科学家对火山爆发问

题的研究，常常得益于动、植物的某种突然变化。许多动物往往在火山爆发之前就纷纷逃离

远去，似乎知识大祸即将临头。印度尼西亚爪哇岛上有一种奇特的植物，在火山爆发之前会

开花，当地居民把它叫做“火山报警花”。

火山爆发可能是全球气候变暖的一个重要原因

火山运动和地球内部熔融之流质，所带动板块运动有密切关系。板块运动地球表面及浅

处部分可分为若干个大板块。板块包括地壳和地函上部，相当于岩石圈，约100公里厚•各

板间在其板块边界做相对运动：•是扩张（Divergence）,-是隐没（Convergence）；这

就是板块运动。而板块运动使得岩浆生成并上升，流出地面造成火山。岩浆的生成和流

出火山活动是指地下深处的岩浆流至地面的现象。而我们所能看得到的火山活动，只是从

岩浆流到地面上开始，到活动停止这一段期间的各种现象而已。在地下进行的活动必须使

用其它方法来推测。以下是有关岩浆地下活动：岩浆生成的场所：岩浆大部分产生于地壳

下部至地函上部部之间（大约20公里至200公里间），而多在地函上部中。

岩浆生成的条件：地球内部温度的分布，在地下200公里处的温度，据估计在1200℃至

1600C左右。在这种温度之下，该处的超基性矽酸盐矿物大部分不会熔融。因为若熔融，温

度必须提高，不然矽酸盐矿物的熔点就要降低。因此岩浆生成的原因有：温度增高、含水量

增多、压力减低等。

温度增高的方式有：地函内的热对流，可使部分地函的温度升高；某种应力加强而使

部分地函的温度升高。地函内压力减少会使矽酸盐矿物熔融点降低，地函内水分增多也曾使

矽酸盐矿物的熔点降低等。地球各地岩浆生成的原因并不相同，即各地岩浆生成机制不同。

海洋山脊下的岩浆、大陆边缘下的岩浆、岛弧下的岩浆及大陆下的岩浆，其生成机制都

互有差异。岩浆的上升与成分变化：岩浆内的压力若超过上盖岩层的压力时，岩浆就沿裂

缝上升至地面。岩浆在上升期间，随温度及压力的降低，部分矿物开始结晶，而岩浆成分也

开始变化。结果流至地面上时，就生成各种火成岩。

对于岩浆的上升机制和成分变化（分异作用）也有种种看法，如岩浆生成后直接上升至

地表，上升期间，岩浆成分有的会发生变化，有的不会发生变化：岩浆（原始岩浆）生成后

开始上升，但在半途停留一段时间（形成所谓岩浆库，Magmareservoir）后在上升至地表，

在此情形下，岩浆成分在原始岩浆上升中、在岩浆库中或第二次上升中都可能发生变化。至

于岩浆的停留次数?成分变化的场所可以做多种考虑。

盾形火山和层状火山根据火山喷发的特点和形态特

征，划分以下类型。盾形火山.（ShieldVolcanoes）：盾状火

山是具有宽阔顶面和缓坡度侧翼（盾状）的大型火山。由于火山

挤出的产物主要为低粘滞性的玄武岩岩浆。夏威夷岛（大岛）是

典型的盾状火山。大岛是由5个连续年龄的火山连接而成。其中

的MaunaLoa火山是最大的，从海底到山顶有9090米。

复合型火山（层状火山）Composite

Volcanoes（Stratovolcanoes）：复合型火山为多次喷发所建造，

其复发周期可以是几十万年，也可以是几百年。形成复合型火山

的最经常的是安山岩，但也有例外。虽然安山岩复合型火山锥主

要由火山碎屑组成，有些岩浆侵入使锥体内部破裂而形成岩墙或

岩床。这样多次侵入形成的岩墙或岩床将碎石编织成巨大堆积。

这样的构造可以比单独由碎屑物构成的火山锥高。由于其太高，

有可能使其太陡、不稳定而在重力作用下垮塌。地球上一万年来

已知1,511火山喷发，其中699座为层状火山。地球上最高的

火山为层状火山---智利的NevadoOjosdelSalado火山高

6,887m.历史上喷发过的最高的火山为高6,739m的

Llullaillaco火山，二者都在北智利安第斯山脉。圣海仑斯火山

为Cascades最年轻的层状火山，同时也最活动，地质学家识别

出过去3500年35层喷发的火山灰。Shasta火山是Cascades

最大的层状火山。

圣海伦火山的爆发圣海伦火山（英语：MountSt.Helens）是一座活火山，位于美国

太平洋西北区华盛顿州的斯卡梅尼亚县，西雅图市以南154公里，波特赢市东北85公

里处，是喀斯喀特山脉的一部分。山的名称来自英国外交官娶海偷^爵，他是18世纪

对此地进行勘测的探险家乔治•温哥华的朋友。圣海伦火山是包含160多个活火山的环

太平洋火山带的一部分，因火山灰喷发和火山碎屑流而闻名。

圣海伦火山最著名的一次爆发发生在1980年5月18日的08:32（太平洋标准时间）叫

这是美国历史上死伤人数最多和对经济破坏最严重的一次火山爆发（1912年阿拉斯加卡

特迈火山爆发是美国历史上规模最大的一次火山爆发）。圣海伦火山爆发造成57人死

亡，250座住宅、47座桥梁、24公里铁路和300公里高速公路被摧毁。火山爆发引发的

大规模山崩使山的海拔高度从爆发前2950米下降到了2550米，并形成了1.5公里宽、

125米深的马蹄形火山口⑵。喷发出的火山灰和碎屑的体积达到了2.3立方公里，是历

史记载中最大规模的一次⑵。虽然与其他地质年代发生过的火山爆发相比则有所逊色。

与喀斯喀特山脉其他火山类似，圣海伦火山呈圆锥形，由熔岩、火山灰、轻石和其它沉

积物交替层叠堆积而成。圣海伦火山还包括玄武岩和安山岩层，几个英安岩火山穹丘即

为从中喷发形成。最大的一个火山穹丘构成了老的山峰，另一个则构成了北侧的「山羊

石」。1980年的爆发将其全部摧毁

怎样预测火山喷发

宏观前兆异常，是指以肉眼和感官容易察觉的火山骚动反应及表

现。主要包括：

1.会有地光出现；

2.可见的地表变形标志。

3.从蒸气喷孔、喷气孔、泉眼等发出气体气味、颜色、噪声及其

喷发物体积和速率的增减变化；火山口有气体冒出或着比以前的

气体冒出速度加快；火山口及周围地区可以闻到刺激性气味，一

般是硫磺和硫化氢的味道。

4.水位、水温、水化学等异常变化。火山周围的水温会比平时的

高很多。

5.生物异常'，包括植物褪色、枯死与小动物（如猪、狗、猫、家

禽等）的行为异常（如：烦躁不安）及死亡等。

6.地下发出噪声，有感地震和其他由地震而引起的震动。

微观前兆异常，是指信号微弱而不易被人体或动物感官系统所察

觉，只能通过仪器才能检测到的异常现象。主要包括：

1.火山性地震活动。

2.火山地表形变。

3.电磁变化。火山口周围的电磁波发生异常变化；

4.重力变化。

5.地热变化。

6.地下水水位、温度及化学成分变化。

火山喷发是因为地壳变动等原因，喷发前地磁场会有变化，也会

产生人感觉不到（机器和动物可以感到）的岩层震动，测量这些

就可以预测。

当然，也可以不是被动的收集数据，也可以主动的用次声波回声

定位等对地壳进行探测。

海底热液在广袤静谧的大洋深处，在冰冷黑暗的海底世界，总有些特殊的地段，不断喷

出浓重的黑色、白色或黄色的热液流体，随后结晶堆积，归于沉寂，这就是海底热液活动

20世纪海洋地质学最重要科学发现之对海底热液的研究处于当今科学研究的前沿。由

于洋中脊岩浆活动，海水渗入地层，被熔岩加热，最后从“黑烟囱”里排出，高温热液与周

围冷海水混合，硫化物沉淀到“烟囱”和附近的海底，多金属元素也在此富集。同时，巨大

的热通量、海底热液生物、“黑暗生物链”等内生命起源有关的因素的存在，也使该区域成

为科学研究的天然海底实验室。

科研人员是在开曼海沟(CaymanTrough)发现世界上最深海底热液喷发口的，将其命名为

“黑烟鬼”。开曼海沟又名“巴特利特海沟”，是加勒比海最深海沟，位于开曼群岛和牙买加

岛之间。开曼海沟平均深度5000〜6000米，最深点达7680米。这里的温度奇高无比，正

是这种近乎极端的高温高压以及相对隔绝的地理位置，使得开曼海沟成为孕育化学合成细

菌、奇异生物和其他新物种的温床。之所以命名为“黑烟鬼”，是因为这一热液喷发口喷发

出的热液中含有硫化铁，呈现黑色。黑色热液是温度最高的。事实匕•些海底热液喷发口

也会喷出白色热液，温度稍低，而且包含白色的化合物。此前，科学家发现的最深海底热液

喷发口位于海下4200米。

热液喷口附近的奇异生物

正如此次发现的海底热液喷发口一样，大多数热液喷发口都是在海洋中部海底山行处发现

的。在海底山脊处，巨大的地球板块常常会开裂，岩浆甚至能冲破海水的阻挡喷发出海面。

科学家最初发现海底热液喷口是在厄瓜多尔海岸附近的加拉帕格斯裂谷。

海底喷发口喷出的炽热的水似乎对生物构成了“危险”信号。不过，令科研人员吃惊的是，

海底热液喷发口区域却生活着大量好似来自外星的生物。比如，太平洋的海底热液喷发口生

活着2米长的管虫、巨蛤，而大西洋的海底热液喷发口有无眼虾和其他极端生命形式存在。

海底热液-研究意义

研究人员表示，在开曼海沟底部海水产生巨大的压力,相当于500个标准大气压。除THyBIS

遥控海底机车，科研人员还借助“Autosub6000”机器人潜水艇对开曼海沟的海床进行考察。

接下来，科研小组将会把开曼海沟海底深渊发现的海洋生物同其他深海海底热液喷发口发现

的生物进行对比。他们还将研究热液的化学成分，并对发现热液喷发口的海底火山的地质构

造进行研究。对海底热液喷发口这种极端环境中的生命形式进行研究，有助于科学家探究

其他星球生命的uj■能性，甚至有助于揭开地球生命起源之谜。⑴

第四章矿物、岩石与土壤

矿物地壳中存在的自然化合物和少数自然元素，具有相对固定的化学成分和性

质。大部分是固态的（如铁矿石），有的是液态的（如自然汞）或气态的（如氢）。矿

物是组成岩石的基础，•般为固体，但也有液态的矿物，如汞（水银）。

目前科学已经能够制造出某些矿物，如人工水晶，人工钻石等。

目前已知的矿物约有3000种左右，绝大多数是固态无机物山，液态的（如石油、

自然汞）、气态的（如天然气、二氧化碳和氮）以及固态有机物（如油页岩、琥珀）

仅占数十种。在固态矿物中，绝大部分都属于晶质矿物，只有极少数（如水铝英石）

属于非晶质矿物。来自地球以外其他天体的天然单质或化合物，称为宇宙矿物。由人

工方法所获得的某些与天然矿物相同或类同的单质或化合物，则称为合成矿物如人造

宝石。矿物原料和矿物材料是极为重要的一类天然资源，广泛应用于工农业及科学技

术的各个部门

煤的化学成分很不稳定不是矿物，是典型的混合物。

在科学发展史上，矿物的定义曾经多次演变。按现代概念，矿物首先必须是天然

产出的物体，从而与人工制备的产物相区别.但对那些虽由人工合成，而各方面特性

均与天然产出的矿物相同或密切相似的产物，如人造金刚石、人造水晶等，则称为

人工合成矿物。早先，曾将矿物局限于地球上由地质作用形成的天然产物。但是，近

代对月岩及陨石的研究表明，组成它们的矿物与地球上的类同。有时只是为了强调它

们的来源，称它们为月岩矿物和陨石矿物，或统称为宇宙矿物。另外还常分出地幔矿

物，以与般产于地壳中的矿物相区别。其次，矿物必须是均匀的固体。气体和液体

显然都不属于矿物。但有人把液态的自然汞列为矿物；•些学者把地下水、火山喷发

的气体也都视为矿物。至于矿物的均匀性则表现在不能用物理的方法把它分成在化学

成分上互不相同的物质。这也是矿物与岩石的根本差别。此外，矿物这类均匀的固体

内部的原子是作有序排列的，即矿物都是晶体。但早先曾把矿物仅限于“通常具有结

晶结构这样，作为特例，诸如水铝英石等极少数天然产出的非晶质体，也被划入

矿物。这类在产出状态和化学组成等方面的特征均与矿物相似，但不具结晶构造的天

然均匀固体特称为似矿物（mineraloid）。似矿物也是矿物学研究的对象，往往并不把似

矿物与矿物严格区分。每种矿物除有确定的结晶结构外，还都有一定的化学成分，因

而还具有一定的物理性质。矿物的化学成分可用化学式表达，如闪锌矿和石英可分别

表示为ZnS和SiO2o但实际上所有矿物的成分都不是严格固定的，而是可在程度不

等的一定范围内变化。造成这一现象的原因是矿物中原子间的广泛类质同象替代。例

如闪锌矿中总是有Fe2+替代部分的Zn2+,Zn：Fe（原子数）可在1:0到约6：5间变

化，此时其化学式则写为（Zn,Fe）S,石英的成分非常接近于纯的SiO2，但仍含有微

量的A13+或Fe3+等类质同象杂质。最接，矿物一般是由无机作用形成的。早先曾把

矿物全部限于无机作用的产物，以此与生物体相区别，后来发现有少数矿物，如石

墨及某些自然硫和方解石，是有机起源的，但仍具有作为矿物的其馀全部特征，故

作为特例，仍归属于矿物。至于煤和石油，都是由有机作用所形成，且无一定的化学

成分，故均非矿物，也不属于似矿物。绝大多数矿物都是无机化合物和单质，仅有极

少数是通过无机作用形成的有机矿物，如草酸钙石［Ca（C2O4）-2H2O］等。

岩石的风化与土壤的形成当岩石处在风化它的环境条件下时，它是很稳定的，但一

旦条件发生的变化，为了在新的条件下达到平衡，岩石必然发生相应的变化。位于地壳深部的岩

石，由于地质作用的结果露出地表，岩石本身因外压力的减少而产生膨胀，导致岩石产生缝隙和

裂纹。同时岩石与大气接