自然科学概要（第二版）（微课版）课件 第13、14章 现代地学;系统科学

1槽台运动到大陆漂移CONTENTS第13章现代地学海底扩张到板块学说213.1课程标准

1.知识目标了解霍尔（美国）、修斯（奥地利）、魏格纳（德国）在地学中创新成果。了解地槽地台的概念和区别。理解大陆漂移说的基本观点。理解大陆漂移说运动的动力。2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。第一节槽台运动到大陆漂移

霍尔（1811-1898）

一、槽台学说

基本观点：地槽早期强烈凹陷，形成海槽；晚期强烈回返，形成山脉，伴随强烈的岩浆活动和区域变质作用。

1.活动的地槽区

地球表层有海洋和陆地；有山脉和盆地，它们是如何形成的？首先理性回答这个问题的人是美国地质学家霍尔。1859年，霍尔在《北美大陆的地质历史》中提出了地槽说。

地槽是地壳上巨大而狭长的或盆地状的沉积很深厚的活动地带

。

地槽运动示意图

2.稳定的地台区发现有些地槽区域具有双层结构，即下层为褶皱基底，上层为沉积盖层。盖层又是如何形成的？首先回答这个问题的人是奥地利地质学家修斯。1885年修斯在《地球的面貌》中提出了地台说。

地台是大陆上自形成以后再未遭受强烈褶皱的稳定地区。

休斯

基本观点：早期地槽结晶基底缓慢下降，接受沉积；晚期缓慢上升，成为陆地。岩浆活动和区域变质作用较弱。

地台运动剖面示意图

3.存在问题由于地台是在地槽的基础上演变而来的，人们把地槽说和地台说统称为槽台说。

槽台说认为地壳运动的主要形式是升降运动，山脉的位置始终没有大的变动，水平运动则是派生或次要的。这种认识具有片面性。

比如，在南极洲发现了大煤田，煤炭储量约为5000亿吨，这个问题用槽台说如何解释？

首先解释这个问题的人是德国气象学家魏格纳，他用大陆漂移的观点回答了这个问题。大陆漂移说后来成为板块理论的第一步曲。南极洲矿产分布图二、大陆漂移说1915年德国学者魏格纳出版了《海陆的起源》，提出了大陆漂移说，用地壳的水平运动来解释地貌和矿产等地质现象的形成问题。

•大陆由较轻的刚性硅铝层组成，它漂浮在较重的粘性硅镁层之上。

•石炭纪～二叠纪(距今355-250Ma)，全球只有一个统一大陆（泛大陆）和一个统一海洋（泛大洋）。

•三叠纪(距今250-200Ma)，泛大陆开始分裂和漂移，最后转变成现今的海陆分布态势。

•大陆漂移的趋向，一是离极运动；二是向西漂移。

（一）基本观点

（二）证据

1.地形

大西洋两岸的地形，好像一张撕成两半的报纸。把它们重新拼合后，被撕开的一行行文字都能重新拼合起来。1965年美国的布拉德等人用900米等深线作为拼合线，拼合后的误差小于1%。

大西洋两岸的地形，好像一张撕成两半的报纸2.古生物

南半球的几个大陆（南美洲、非洲南部，澳大利亚、印度、马达加斯加等）在石炭纪的爬行动物中，有64%的种是共同的。到了三叠纪时，爬行动物中共同的种已经下降到34%。一种生活在二叠纪时期的叫做舌羊齿的植物群，对于南半球的几个大陆来说是共同的；而在世界其他地方没有。证明二叠纪时，这几个大陆是相连的。

南半球几个大陆漂移前的古生物分布示意图

3.古气候

石炭纪~二叠纪时，南半球的几个大陆虽然现在互不相连，但发现有广泛的冰川活动遗迹——冰碛物。魏格纳认为，南半球各大陆原来都位于南极洲附近，发育冰碛物；后来漂移到现在的位置。

南半球几个大陆漂移前后示意图冰碛物

4.地质

在巴西北部海岸附近，不仅出露有20亿年前的片麻岩体，而且还出露有4～6亿年的褶皱带及分界线，这同西非加纳一带二者的岩石构造及其分界线是对应一致的；

非洲南部从东到西分布着二叠纪的开普山脉，它的向西延伸部分可以在南美洲阿根廷的南部找到。

大西洋两岸地质构造延伸示意图

5.动力模式

向西漂移是由于月球的引潮力引起。向赤道漂移是由于地球自转速度变慢导致的离极力引起。认为地球自转遵守角动量守恒定律：

C=ωmr2

C为常量，ω为地球自转的角速度；r为转动半径研究表明，地球自形成以来，自转速度ω不断变慢，则r变大，赤道的r最大。

东汉王充的《论衡》所述“涛之起也，随月盛衰”。意思是潮汐的涨落是随着月亮的圆缺而变化的。现在认为月球的引潮力是形成潮汐的主因。月球引起潮汐示意图

地球自西向东自转，硅铝层就像潮水一样向西漂移。利用蛤类的年轮，科学家发现4亿多年前的泥盆纪，地球的自转速度大约每一年有420天。

（三）存在问题

1926年，英国著名地球物理学家杰弗里斯根据地球纬度变化资料计算出硅铝层底部的粘度远远大于漂移所需要的粘度，认为硅铝层在硅镁层之上漂浮运动是不可能的。大西洋最窄处的宽度是2400km。计算表明，离极力要使地壳移动1弧度（约111km）需要30亿年；而潮汐力对于驱动大陆漂移来说，更是小的不可能。

杰弗里斯通过实验和计算，否定了大陆漂移说的动力模式。1930年魏格纳在格陵兰考察时遭雪崩不幸遇难，从此大陆漂移说便销声匿迹了。

科学回答大陆漂移说动力问题的人是美国地质学家赫斯。思考与练习

1.霍尔（美国）、修斯（奥地利）、魏格纳（德国）在地学中有何创新成果？

2.解释地槽、地台的概念。

3.简答大陆漂移说的基本观点。

4.大陆漂移说运动的动力是什么？1槽台运动到大陆漂移CONTENTS第13章现代地学海底扩张到板块学说213.2课程标准

1.知识目标了解赫斯（美国）、勒比雄（法国）、威尔逊（加拿大）在现代地学中的创新成果。

理解海底扩张说的基本观点；理解板块边界的划分；理解板块构造的演化过程。

2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。第二节海底扩张说

一、海底扩张说

1960年美国普林斯顿大学的赫斯(1906—1969)教授发表了《海洋盆地历史》报告，提出了海底扩张说。

赫斯发现，海底的平顶山，离洋中脊近的较为年轻，山顶离海面较近；离洋中脊远的，地质年代较久远，山顶离海面较远(深)，用海底扩张能解释这种现象。用“海底扩张”说能够解释地壳的水平运动，被人们一度冷落的“大陆漂移”学说又重新受到人们的重视。赫斯(1906—1969)（一）基本观点

1.全球规模的洋脊系是洋壳生长的地方

地幔物质由洋脊轴部裂缝涌出，冷凝成为新洋壳。

后形成的洋壳将先形成的洋壳从洋脊轴部依次向两侧推开，形成最新的洋壳。

海底洋壳的年龄随着与洋脊轴距离的增加而增大。海底扩张示意图

2.海底并不是无限扩张的

当洋壳到达海沟时，就俯冲下沉熔融，重返软流圈。因此，海沟俯冲带又称为消减带。

海底洋壳每隔2～3亿年完全更新一次。由于生长和消亡并存，认为扩张速率与消减速率相等，二者互相补偿，地球的总体积或海盆的总容积基本不变。

3.海底扩张起因于地幔对流热的岩浆从洋中脊涌出，向海沟推挤，在消减带回熔，这就形成了地幔对流。地幔对流是海底扩张的驱动力。板块俯冲模式示意图地幔对流模式图（二）证据

1.海底地形声呐技术发现了海底有海沟、岛弧；大洋中脊、转换断层等地貌。海底洋中脊、转换断层分布图海底海沟、岛弧分布图潜艇探测器示意图2.海底年龄洋脊轴部岩石年龄新，愈向外愈老，最老的地层不超过三叠纪(距今250-200Ma)。3.转换断层整个海底，褶皱并不显著，断裂却十分发育。它常常把洋脊、岛弧、海沟、和海底地磁条带错开。过去都把它视为一般的平推断层，1965年威尔逊命名为转换断层。转换断层形成模式示意图4.海底磁异常三大洋底磁异常具有明显的共同特征，即正负磁异常条带相间排列，与洋脊平行，并以洋脊为轴两边对称。认为这是高温的地幔物质从洋脊轴部涌出形成新海底冷却时，温度降到居里点温度以下被地球磁场磁化的结果。

（三）存在问题

认为扩张速率与消减速率相等，二者互相补偿，地球的总体积或海盆的总容积基本不变。

事实上，海陆的面积是随着地质年代的增长而不断变化的。对这一问题的深入研究，诞生了板块构造说。洋底磁异常剖面示意图海陆面积此消彼长示意图二、板块构造说

1968年法国地球物理学家勒比雄（1937—）在地球物理学研究杂志上发表了《全球板块运动模式》一文，文中保留了前面理论的精华部分，抛弃了糟粕部分，提出了全球性的板块构造说。

岩石圈(厚度60–120km)并非是整体一块，它被许多活动带分割成大大小小的块体，这些块体就是的板块。全球可划分为六个大板块。（一）基本观点

1.板块的划分——六大块六大板块平面示意图

勒比雄地球内部圈层结构示意图

2.板块的边界——三类型

（1）拉张型边界

又称离散型边界，主要以大洋中脊、海岭为代表。

它是岩石圈板块的生长场所，也是海底扩张的中心地带。其主要特征是，岩石圈张裂，岩浆涌出，形成新的洋壳，并伴随着高热流值，和浅源地震。大陆裂谷也是拉张型边界。

（2）

挤压型边界

又称汇聚型边界或者比尼奥夫带。主要以海沟-岛弧为代表，是板块相向移动、挤压、俯冲、消减的地带。洋中脊拉张型边界海沟--岛弧挤压型边界

（3）剪切型边界

又称平错型边界或者转换断层边界。在这种边界上，既没有板块的新生，也没有板块的消亡，只是表现为板块的平移和错断。

这种边界以转换断层为特征。转换断层是一种水平错动在两端突然终止并改变为另外一种方向和构造类型的断层。转换断层剪切型边界约翰逊平移断层示意图3.板块的演化——六阶段（威尔逊旋回）

（1）胚胎期

地幔活化，引起大陆壳（岩石圈）的破裂，形成大陆裂谷。东非裂谷就是最著名的实例。

（2）幼年期地幔物质上涌、溢出，岩石圈进一步破裂并开始出现洋中脊和狭窄的洋壳盆地。以红海、亚丁湾为代表。胚胎期幼年期

（3）成年期

洋中脊的进一步延长和扩张，出现了成熟的大洋盆地（最窄处2400km）。大西洋是其典型代表。

（4）衰退期

随着海底扩张的进行，洋盆一侧或者两侧开始出现了海沟，俯冲消减作用开始进行，主动大陆边缘开始出现，洋盆面积开始缩小，两侧大陆相互靠近，太平洋(东西宽度19000km)即处于这个阶段。成年期衰退期（5）残余期

随着俯冲消减作用的进行，两侧大陆相互靠近，其间仅残留一个狭窄的海盆，地中海即处于这个阶段。

（6）消亡期

最后两侧大陆直接碰撞拼合，海域完全消失，转化为高峻山系。横亘欧亚大陆的阿尔卑斯-喜马拉雅山脉就是最好的代表，它是欧亚板块与印度板块碰撞接触的地带，是一条很长的地缝合线。消亡期残余期

（二）动力来源——地幔对流

后来发现，软流圈不仅海洋的岩石圈下有，大陆的岩石圈下面也有，属于全球性的岩浆圈层。

在海沟岛弧形成以前，地幔对流一方面导致海底扩张，另一方面导致大陆相背漂移。在海沟-岛弧形成以后，地幔对流一方面导致海底扩张，另一方面导致大陆相向漂移。

这样，大陆漂移说就复活了。

地幔对流示意图

（三）存在问题

板块构造说能够解释大陆漂移和海底扩张的问题；能够解释板块边缘地震、火山等地质现象的成因问题；能够解释环太平洋和地中海–喜马拉雅金属成矿带等问题，是全球性的大地构造理论。

但是，发现板块构造说还存在若干问题。1993年，美国石油地质学家梅耶霍夫发现板块构造有许多严重缺陷。

比如在大西洋中脊附近的鲍尔德山，发现全部由16.9亿年～15.5亿年的花岗岩构成。在大西洋中脊已查明了数百个这类花岗岩产地。

全球地震带、火山带分布示意图思考与练习

1.赫斯（美国）、勒比雄（法国）、威尔逊（加拿大）在现代地学中有何创新成果？2.海底扩张说的基本观点是什么？3.板块的边界是如何划分的？4.板块构造是如何演化的？1系统论和信息论CONTENTS第14章系统科学控制论和耗散结构214.1课程标准

1.知识目标识记贝塔朗菲（奥地利）、申农（美国）在系统科学中创新成果。识记系统、要素、环境、信息的概念。理解系统方法所遵循的原则。掌握系统方法、信息方法。2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

一、系统论20世纪40年代产生的系统论、信息论、控制论（老三论），60、70年代出现的耗散结构、超循环论、协同学（新三论）等。这些学科分属不同的科学领域，它们却以各自的方式拥有一个共同的研究对象，即“系统”。系统科学是以系统存在和发展的规律为研究对象的学科体系，是方法论。

（一）产生与发展

20世纪20年代，奥地利学者贝塔朗菲在研究理论生物学时，用机体论批判并取代当时广为流传的机械论，形成有机体系统概念，建立机体论生物学。1968年，贝塔朗菲出版了《一般系统论——基础、发展、应用》一书，标志着这门学科已到了成熟的地步。广义的系统论除了一般系统论，还有系统方法和系统工程。它产生于20世纪40年代。

第一节系统论和信息论

（二）基本概念1.系统

系统是由相互联系、相互作用的元素（要素）按照一定的结构组成的有特定功能的有机整体。

要点：任何系统必须有两个以上的要素构成。

系统诸要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、作用，形成了特定的结构。

要素彼此之间联系形成为一个统一的有机整体。

系统作为一个整体对环境表现出特定的功能。

孤立系统：系统与环境之间无物质、能量、信息交换.封闭系统：系统只与环境交换能量而不交换物质。开放系统：系统与环境交换物质、能量、信息。系统开放系统2.要素是组成系统的各个单元、各个部分。3.结构要素在系统内部恒定的分布和排列。4.环境指与系统组成要素发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的总和。5.功能系统与外界（环境）作用产生影响和效力的能力。功能以结构为基础，功能是结构的表现。

生态系统

（三）基本原则

1.整体性原则整体的功能大于各部分之和。该原则要求我们把研究的对象系统如实地作为一个整体来对待，通过努力使系统结构合理、系统内外协同作用增强，从而提高整体的效益。

3.目的性原则建立一个系统要达到什么目的必须明白无误，否则无法判定所采取的方法和手段是否正确。

2.关联制约原则该原则要求我们在研究系统时，不仅要研究构成系统的要素的性质，还要研究要素之间联系的方式、相互关联和制约的性质。

4.最优化原则是指在一定环境条件下，通过采取各种有效手段使系统达到最佳状态而费力最小。对于一些大而复杂的系统，先对子系统进行局部优化，再协调各子系统的关系，使之从整体上达到所要求的整体目标。（四）系统方法

就是从系统的观点出发，始终注意要素之间、要素与整体、整体与外部环境的相互联系、相互作用,综合地、精确地考察对象，以达到最佳地处理问题的一种方法。例如：霍尔的三维结构方法

思路要清晰，三思而后行二、信息论1948年，美国应用数学家申农在《贝尔系统技术杂志》上发表重要论文《通信的数学理论》，标志着信息论的诞生。1949年，申农又发表另一重要论文《在噪声中的通信》。在这些论文里，申农提出了通信系统模型、度量信息的数学公式以及编码定理和其他一些技术性问题的解决方案。

目前，由信息论、控制论、人工智能、计算机和系统工程等方面的内容组成的信息科学正在飞速发展。

（一）产生与发展

1.信息狭义的信息是指具有新的内容、新知识的消息（如书信、情报、指令等）。广义的信息是指系统内部建立联系的特殊形式，是系统确定程度（即特殊程度、组织程度或者有序程度）的标记。通信科学中的信息，就是指消息，它是通信的内容。通信者通过通信获取信息，可以消除某种知识上的不确定性。

（二）基本概念2.信息量在自然界和人类社会中，我们把现象归纳为三类：一类是在一定条件下必然要发生的现象，称为必然事件。第二类是在一定条件下，必然不会发生的现象，称为不可能事件。第三类是在相同条件下可能发生，也可能不发生的现象，称为随机事件。概率就是用来表示事件发生的可能性大小的一个量，记作P。

事件A发生的概率为有利于事件A发生的基本事件数（m）与总的基本事件数（n）之比。

即P（A）=m／n。例如：袋中有5个白球，3个黑球，那么摸到白球这一事件A的概率为有利于事件A发生的基本事件5个白球与总的基本事件数8之比，因此事件

A发生的概率为5／8。

用概率来定量地描述信息量。

信息量的多少取决于消息所讲事件发生的可能性大小。如果所讲事件发生的可能性小，则消除它的不确定性要多些，信息量也就多些。即：概率小的事件、信息量多。

在实际运用中，信息量常用概率的负对数来表示。

I﹦－㏒a

P1/P2

；

P1/P2

表示概率。

信息量最常用的单位规定为：

以2为底的对数，单位是比特。

例如：一个口袋中有1个红球，7个白球，求摸到红球的信息量？I1﹦-㏒21/8=-(㏒2

20–㏒2

23)=3例如：一个口袋中有4个红球，4个白球，求摸到红球的信息量？I2﹦-㏒24/8=-(㏒222–㏒223)=1

（三）信息方法

申农在1948年提出的通信系统模型。所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性运动的一种研究方法。例如，线上授课，用的就是信息方法。老师的声音和图像的信息经过计算机输入—存储—处理—输出的结果。1.通信系统模型2.信息方法这种方法的特点是用信息概念作为分析和处理问题的基础，完全撇开对象的具体运动形态，把系统的运动过程抽象为信息的转换过程，把系统有目的的运动抽象为如下的变换过程，即：

—信息—输入—存储—处理—输出—信息—

把系统的运动过程抽象为信息的转换过程

思考与练习

1.贝塔朗菲（奥地利）、申农（美国）在系统科学中有何创新成果？2.解释系统、要素、环境、信息的概念。

3.简答系统方法所遵循的原则。

4.简答并举例说明系统方法、信息方法。1系统论和信息论CONTENTS第14章系统科学控制论和耗散结构214.2课程标准

1.知识目标识记维纳（美国）、普里高津（比利时）在系统科学中的创新成果。理解并举例说明反馈方法、功能模拟方法、黑箱方法。理解耗散结构及的形成条件。

了解研究耗散结构的意义。

2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。一、控制论（一）产生与发展1948年，维纳的《控制论》一书的出版，标志着控制论的诞生。控制论的发展，大致分为三个时期：

第一个时期，在20世纪40年代末和50年代，是经典控制论时期。

人们在工业生产等方面，开始采用各种自动调节器、电子设备等，着重研究单机自动化或局部自动化。

第二个时期，在60年代，是现代控制论时期。

随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速发展，研究从单变量控制转到多变量控制，从自动调节转到最优控制。第三个时期，在20世纪70年代到现在，是大系统理论时期。

不仅发展了工程控制论，还产生了生物控制论、经济控制论、人工智能等。无人机的研制和发展。

第二节控制论和耗散结构（二）基本概念

1.控制控制指的是一种带有目的性的因果联系，即产生原因系统（施控系统）对产生结果系统（受控系统）有目的的影响干预。控制一般包含三个基本要素：施控主体、受控客体和传递控制作用的特定方式或途径。

2.反馈反馈就是系统输出的全部或一部分，通过一定的通道反送回输入端，从而对系统的再输入和再输出施加影响的过程。开环控制和闭环控制示意图门厅反馈装置

（三）基本方法1.反馈方法是运用反馈概念来分析和处理问题的方法。用维纳的话说，就是“根据过去的操作情况去调整未来的行为”。例如，蝙蝠捉蚊子等。2.功能模拟方法

就是以功能和行为的相似为基础，用模型模仿原型的功能和行为的方法。蝙蝠是利用“超声波”在夜间导航的。它的喉头发出一种超过人的耳朵所能听到的高频声波，这种声波沿着直线传播，一碰到物上体就迅速返回来，它们用耳朵接收了这种返回来的超声波，使它门能作出准确的判断，引导它们飞行。功能模拟方法示意图3.黑箱方法是指当不知道或根本无法知道一个系统的内部结构时，根据对系统输入和输出变化的观察，来探索系统的构造和机理的一种方法。中医看病是应用黑箱方法的典型。侦探破案用的是黑箱方法中医看病用的是黑箱方法

二、耗散结构耗散结构理论通过对非平衡系统自组织过程的刻画，从一个侧面科学地说明了系统从无序向有序转化的具体机制。1969年，比利时科学家普里高津(1917～2003)提出的耗散结构理论，回答了系统演化的方向和演化的机制问题，解决了长期以来存在的热力学和进化论之间的矛盾。并因此获得1977年诺贝尔化学奖。普里高津(1917—2003)

（一）耗散结构机制

克劳修斯于1865年发表一篇论文，提出了“熵”的概念：将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，S=Q/T。

在封闭系统中，有两物体，它们的温度分别为T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的时间内，有dQ的热量从T1传到T2，因为T1﹥T2

，则有：

dQ/T2-dQ/T1﹥0

这就导致了熵的增加。即：

孤立系统的熵总是会自发地趋于极大。按照耗散结构理论的解释，一个系统内的熵是由两部分组成的。其一是系统自身因不可逆过程引起的熵(dis)，它永远是正的；其二是系统与环境交换物质和能量引起的熵(des)，它可正可负。

所以系统的熵变化

ds=dis+des，

它是可正可负的。系统开放，有可能能引进负熵流

对于孤立系统来说，因为它不与环境交换物质与能量，所以des=0。

这样ds=dis+des≥0

即孤立系统只能从有序走向无序，表现出退化的趋势。