前 言


　　为了适应高等学校教学改革的新形势，使地质类院校理工科学生向着知 识面宽、适应社会能力强的方向发展，我们组织编写了《地球科学概论》作 为地质类本、专科生公共基础课的试用教材，以期使学生较全面地了解地球 科学的概貌。
　　地球科学是一门研究领域广、分支学科多、理论与应用紧密结合的学科 体系。本书作为高等学校学习地球科学的入门教材，较详细地介绍了有关地 球科学的一些基本知识、基本概念和基本原理，涉及到地球科学的地质学、 地球物理学、地理学、气象学、海洋学、水文学、环境地学、天文地学等方 面。本教材的主要特点是：
　　1.把整个教学内容按内在联系由浅入深、由表及里地纳入一个完整体 系。该体系以建立整体的地球观、自然观为主线，先从了解地球的宇宙环境 和宏观特征入手，进而介绍地球的外部圈层和内部圈层特征，接着重点阐述 了推动地球发展的各种地质作用、地球动力系统以及与人类关系密切的地球 的资源与环境问题，最后介绍地球起源与演化的基本认识。
　　2.强调地质作用的过程与产物，将以往所称的外力地质作用改称为表层 地质作用，并采用风化—剥蚀—搬运—沉积—成岩作用的作用过程体系，以 避免过多的内容重复；将以往所称的内力地质作用改称为内部地质作用，并 将传统的地震作用并入构造运动之中。
3.尽量吸收现代地球科学的新进展与新成果，重视知识的更新。
4.以满足教学需要为原则，认真精选教学内容，力争做到份量适中。 本教材由中国地质大学（北京）《地球科学概论》教学组编写。具体分
工如下：绪论、第一章第二至四节、第三章、第四章第一节、第七章第二节、
第八章、第九章由汪新文编写；第四章第二节、第五章、第十章第五节、第 十一章第一至三节由程捷编写；第七章第一节、第十章第三节、第十一章第 四至五节由林建平编写；第二章由程捷、汪新文编写；第六章由林建平、李 龙吟编写；第十章第一至二节由林建平、王果胜编写；第十章第四节由程捷、 王果胜、林建平编写；第十二章由李龙吟、汪新文编写；第一章第一节由赵 国春编写。颜丹平、赵靖、曹秀华参加了本书有关内容的讨论与拟定。本书 由汪新文任主编，并进行全书文图的增补、删减和统一编纂。
本书的基础是本教学组 1992 年编写的《普通地质学》（校内出版）和
1995 年改编的《地球科学概论》（校内出版），在编写过程中得到万天丰教 授、赵其强教授、徐元恺教授的具体指导，并详细审阅初稿，提出修改意见。
1995 年改编的《地球科学概论》由赵其强教授、庄培仁教授担任主审，并提 出宝贵意见。此后，又广泛征求了校内有关教学单位和吴正文、马鸿文等教 授的修编意见。本次出版的《地球科学概论》是在参考上述意见的基础上， 经本编写组认真修编完成的。在教材的编写过程中，得到学校、教务处、地 球科学与资源学院及构造教研室领导和老师的关心和支持；并得到北京市教 委教改试点项目——《地球科学概论》课程体系完善与教材建设的资助。在 此一并表示衷心感谢。
　　由于编者水平有限，书中可能存在不少的缺点和错误，切盼广大使用者 提出批评意见，以便进一步提高教材质量。
　　
编 者
1999 年 2 月

地球科学概论

绪论

第一节 地球科学的研究对象和研究内容


　　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，人类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。 至于地球表面的生物体（生物圈），由于其研究内容广、分支学科较多、且 研究方法具有特殊性，因而已独立成一门专门的基础自然科学——生物学。 但生物的起源与演化、生物体与生存的地球环境之间的关系也属于地球科学 的研究范畴。
地球科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，地球科学的研究 内容和领域也不断地深入和扩展，逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综 合性学科体系。地球科学目前主要包括地质学、地球物理学、地理学、气象 学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科。其中，地质学（geology） 由于其研究领域广博、分支学科较多，并且以研究地球的本质特征为目的， 因而成为地球科学的主要组成部分，以至于人们有时把地质学和地球科学作 为同义语使用，其实两者的含义是有差别的，它们具有包容关系。随着科学 的发展，地球科学还会不断地诞生新的学科和出现一些边缘学科。
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（meteorology）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、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，从而掌握并应用它为人 类生活和国家经济建设服务。
　　水文学（hydrology）和海洋学（oceanography）以地球表面分布的水体 为研究对象。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（soil science）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、土壤物理学、土壤化学、土壤地质学等。
　　地球物理学（geophysics）是应用物理学的方法研究地球的一门学科， 是近代发展起来的地球科学与物理学相结合的一门重要边缘学科。广义的地 球物理学的研究对象包括固体地球及其表部的水体和周围的大气圈。但由于 水体和大气圈的研究都已建立起相应的独立学科，所以一般所称的地球物理 学是狭义的，其主要研究对象是固体地球，因而也可称之为固体地球物理学。 地球物理学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、地球的起源与演化等。其主要分支学科有地震 学、地磁学、重力学、地热学、地电学、大地测量学、大地构造物理学和应 用地球物理学等。其中，应用地球物理学主要是研究地球物理勘探方法及其 在地球资源的勘探与开发、地球环境的监测与保护等方面的应用。
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——地壳或岩石圈。地壳或岩石圈的厚度一般为几十到二百公里 左右，与地球的半径（6371km）相比只是一个很薄的表壳。这一薄壳之所以 成为地质学当前研究的主要对象，一方面是出于实际需要，因为这一层与人 类的生活、生产及生存都直接相关；另一方面是受现时人类能力的限制。人 们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚无能力对地下深处进行直 接研究。钻井取样是目前人们获取地球较深部物质进行直接研究的唯一途 径，但由于受当前技术水平的限制，钻井所能达到的深度是有限的。目前世 界上最深的钻井（12.5km）位于俄罗斯西北部的科拉半岛，这一深度尚不足 该区大陆地壳厚度的二分之一。可以相信，随着科学技术的发展，地质学研 究的对象将不断向地球的深部（如地幔、地核）扩展。
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。按其研究内容和任务的不同，地质学的主要 分支学科可简举如下：
（1）研究地球的物质组成方面的学科，如结晶学、矿物学、岩石学等；
　　（2）研究地球的内部构造方面的学科，如构造地质学、构造物理学、区 域构造学、地球动力学等；
　　（3）研究地球的形成演化方面的学科，如古生物学、地层学、地史学、 古地理学、地貌及第四纪地质学等；
　　（4）研究地质学的应用方面的学科，可分为两个方面：其一是研究地下 资源方面的分科，如矿床学、石油地质学、煤田地质学、水文地质学等；其 二是研究地质与人类生活环境及灾害防护方面的分科，如工程地质学、环境 地质学、地震地质学等。
此外，人们为了更好地研究上述地质学的各个方面，不断地吸收和借鉴

其它一些学科的先进理论、方法和技术，用以促进和深化地质学的各项研究， 于是逐渐形成了一系列的边缘学科，如数学地质、地球化学、同位素地质学、 天文地质学、海洋地质学、遥感地质学及实验地质学等，这些边缘学科在现 代地质学各领域的研究中发挥着极其重要的作用。
　　近几十年来，由于世界各国工业、农业、军事、航天、交通等产业的飞 速发展，其结果给地球的自然环境带来了巨大的影响。这种影响有些是直接 的（如污染问题）、有些是间接的（如气候变化），它已经严重地影响到地 球的自然生态和人类的生存与发展，因而受到科学工作者和全人类的广泛关 注。这一问题与地球科学和环境科学关系密切，于是在地球科学中逐渐形成 了一门与环境科学相结合的边缘学科，即环境地学。环境地学主要研究地球 自然环境的组成、结构、形成、演变以及环境的破坏、污染、防止、保护、 改良与评价等。根据地球科学中各学科所研究的侧重点不同，又可分为环境 地质学、环境地理学、环境气象学、环境水文学、环境海洋学、环境土壤学 等。

第二节 地球科学的研究方法


　　由于地球科学以庞大的地球作为研究对象，并且具有很强的实践性和应 用性，所以它的研究方法与其它几门自然科学有较大的差异。它既要借助于 数学、物理、化学、生物学及天文学的一些研究方法，同时又有自己的特殊 性。
地球科学的研究方法与其研究对象的特点有关，地球作为其研究对象主
要有以下特点：
（1）空间的广泛性与微观性 地球是一个庞大的物体，其周长超过 4
万 km，表面积超过 5 亿 km2。因此，无论是研究大气圈、水圈、生物圈以及 固体地球，其空间都是十分广大的。这样一个巨大的空间及物体本身是由不 同尺度或规模的空间和物质体所组成的。因此，要研究庞大的地球，就必须 研究不同尺度或规模的空间及其物质体，特别是要注重研究微观的空间和物 质特征，如不同学科都要研究其相应对象的化学成分、化学元素的特性等， 地质学要研究矿物晶体结构，水文学和海洋学要研究水质的运动等，气象学 要研究气体分子的活动等。只有把不同尺度的研究结合起来，把宏观和微观 结合起来，才能获得正确的和规律性的认识。
（2）整体性与分异性（或差异性） 整个地球是一个有机的整体。不仅
在空间上地球的内部圈层、外部圈层都表现为连续的整体性；而且地球的各 内部圈层之间、内部与外部圈层之间、各外部圈层之间都是互相作用、互相 影响、相互渗透的，某一个圈层或某一个部分的运动与变化，都会不同程度 地影响其它部分甚至其它圈层的变化，这也充分表现了它们的有机整体性。 然而，地球也是一个非均质体，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差异，表现出分异性。例如，不同地区的地理环境、 气候环境具有明显的差异，不同地区的水文条件具有明显差异。固体地球特 别是地壳的不同地区或不同组成部分的差异性更为强烈，如大陆、海洋、山 系、平原等。这种差异性不仅表现在空间和组成上，也表现在它们的运动、 变化与形成、发展上。
（3）时间的漫长性与瞬间性 据科学测算，地球的年龄长达 46 亿年。

在这漫长的时间里，地球上曾发生过许多重要的自然事件，诸如海陆变迁、 山脉形成、生物进化等等。这些事件的发生过程多数是极其缓慢的，往往要 经过数百万年甚至数千万年才能完成。短暂的人生很难目睹这些事件的全过 程，而只能观察到事件完成后留下来的结果以及正在发生的事件的某一阶段 的情况。但是，有些事件的发生可以在很短的时间内完成。例如，天气现象 往往表现为几天、几时甚至更短的时间，地震、火山爆发等也都发生在极短 的时间内。
　　（4）自然过程的复杂性与有序性 地球演化至今经历了复杂的过程。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。此外，各种自然过程还会受地 区性条件的影响而具有地区的差异性。所以，自然过程是极其复杂的，而且 这种过程由于其漫长性和不可逆性，依靠人类的力量很难完全重塑和再现其 过程，因而更增添了地球科学研究工作的艰巨性。但是，这些复杂的自然过 程并不是杂乱无章的，它们都具有其发生、发展的条件和过程，都具有一定 的规律可循，这正是地球科学工作的重要研究任务。
　　研究对象的特点决定了地球科学具有一些独特的研究方法，并且随着科 学技术的发展和进步，地球科学的研究方法也会得到不断的补充和推进。现 择要简述研究方法如下：
（1）野外调查 空间的广泛性决定了地球科学工作者首先必须到野外去
观察自然界，把自然界当作天然的实验室进行研究，而不可能把庞大而复杂 的大自然搬到室内来进行研究。野外调查是地球科学工作最基本和最重要的 环节，它能获取所研究对象的第一手资料。例如野外地质调查、水系与水文 状态调查、自然地理调查、土壤调查、资源与环境调查等。只有针对性地到 现场去认真、细致地收集原始资料，才能为正确地解决地球科学问题提供可 能。
（2）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，通过仪器观测可以了解到研究对象的各种物理、化学性质、 参量的静态特征和动态变化，为科学的分析、推理提供了依据。仪器观测为 地球科学步入科学轨道提供了条件，例如 16～17 世纪气温、气压、湿度等气 象仪器的发明与创造，使气象学逐渐发展成为一门完善的学科。现代高精度 的常规与高空气象仪器观测仍然是气象学的重要研究基础。同样，仪器观测 在水文学、海洋学研究中也占有特殊重要的位置。仪器观测对于现代地球物 理学、地质学的地球内部研究，对于土壤学的研究特别是对于环境地学中的 各种监测与评价，都具有极其重要的作用。在现场进行的仪器观测也属于第 一手资料，除了科学工作者根据不同的研究目的在现场进行各种观测外，人 们还常常设立各种定点观测台站，如气象站、水文站、地震台站、环境监测 站等，并通过大量的台站建立观测网，以便获得系统的观测资料。
　　（3）大地测量 这是地球科学中既古老而又发展迅速的一种重要研究方 法，它在推动地球科学的发展中起了重要作用。早在古埃及和古中国的远古 时代，人们就借助于步测及其它一些简单的测量工具，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，随着测量仪器的进步，逐渐发 展成为传统的大地水准测量和大地三角测量。本世纪中叶发展起来的海洋测 深技术（声纳）对于海洋学的发展和地质学的革命曾起了决定性的作用。近 些年发展起来的激光测距、人造卫星定位系统（GPS）又给地球科学带来了深
　　
刻影响。大地测量的方法对于地理学、地质学、海洋学、水文学及土壤学等 的研究十分重要。
　　（4）航空、航天和遥感技术 现代航空、航天和遥感技术极大地推动了 地球科学的发展，成为现代地球科学不可缺少或不可忽视的重要研究方法。 由于地球的空间广大，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、航空照片等。航空、航天和遥感技术对现代气象学的发展和进步起 了决定性作用，成为其重要支柱。它们也是现代海洋学、地理学的主要研究 手段，而且对于现代地质学、土壤学、水文学、环境地学等也发挥着重要作 用。
　　（5）实验室分析、测试与科学实验 这是地球科学中各门学科均普遍采 用的研究方法，主要是从研究对象中取得所需的各种样品或标本，然后在实 验室进行分析、测试，以便获取物质成分、结构、物理与化学性质以及形成 历史等方面的定性和定量资料，并通过科学实验分析和推断其形成、演变过 程、发展趋势等。随着科学的发展，地球科学中的实验科学已有相当的进步。 但由于自然过程的影响因素复杂，加之时间的漫长性与空间的广泛性以及现 代实验技术水平的限制，在地球科学中有时很难进行与自然界一致的真实实 验。因此，地球科学上常采取简化影响因素、创造一些特定的物理、化学环 境，模拟自然现象的成因、过程和发展规律，这种方法称为模拟实验。模拟 实验只能是近似的，实验结果往往与自然过程有一定差距，但它在再造自然 现象的过程、验证和探索地球科学规律方面发挥着重要作用。
（6）历史比较法 这是地质学最基本的方法论。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（C.Lyell，1791—1875 年）在郝 屯（J.Hutton，1726—1797 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”。例如，现代珊瑚只生活在温 暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果在古代形成的岩石中发现有珊瑚化 石，便可推断这些岩石也是在古代温暖、清洁的浅海环境中形成的；又如， 现在的火山喷发能形成一种特殊的岩石——火山岩，如果在一个地区发现有 古代火山岩存在，我们就可以推断当时这一地区曾发生过火山喷发作用，等 等。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进作用。这一原理的理论基础是“均变论”。 均变论认为，在漫长的地质历史过程中，地球的演变总是以渐进的方式持续 地进行，无论是过去还是现在，其方式和结果都是一致的。但是，现代地质 学的研究证明，均变论的观点是片面和机械的。地球演变的过程是不可逆的， 现在并不是过去的简单重复，而是既具有相似性，又具有前进性。例如，地 质学的多方面研究揭示，在地球演变过程中，地表大气圈、水圈、生物圈的 组成、数量、温压以及地球或地壳内部的结构、构造等特征都在发生不断地 变化，与现代的状况存在不同程度的差异，这些必然会导致当时发生的地质 作用的方式与过程具有一系列与今天不同的特点。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。例如，在岩层中常常发现其物质组成及结构构造发生突然性的 变化；在古生物演化中也常常发现大量的生物种属在短期内突然绝灭的现 象，如 7000 万年前后恐龙全部迅速绝灭等。所以整个地球的发展过程应是一 个渐变—激变—渐变的前进式往复发展过程，这也符合量变—质变—量变的 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。
　　（7）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 综合分析的研究方法。在漫长的地球演化过程中，不同时期、不同方式（物 理、化学、生物等）、不同环境（地表、地下、空中等）的自然作用给我们 留下的是一幅错踪复杂的结果图案。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，结合复杂的影响因素，进行综合 分析。这一点与数、理、化等学科利用单纯的推导、实验等方法进行研究是 大不一样的。例如在地质学中，由于过程和影响因素很复杂，根据某些个别 特征，利用单学科的原理和方法，往往会得出片面甚至错误的结论，这就是 在地质学研究中经常碰到的“多解性”或“不确定性”问题。所以，只有在 综合各方面研究的基础上，才能得出统一的、最合乎实际情况的结论。
（8）电子计算机技术应用 有人说 20 世纪后半叶以来，人类社会已步
入电子计算机的时代，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。对地球科学也是一样，例如在现代气象学、地理学、 地质学、地球物理学、海洋学、环境地学等领域中，计算机技术已发挥出了 巨大的作用，成为不可缺少的研究手段和方法。而且计算机技术正在向地球 科学的各个领域中渗透。计算机技术的应用，为解决地球科学的研究对象的 空间广阔、观测处理资料量大、模拟形成演变过程复杂等等问题带来了无限 的前景。因此，要想提高地球科学的研究水平，必须充分地重视、加强和进 一步开拓电子计算机这一方法技术在地学中的应用。
地球科学研究的工作方法通常具有下列程序：
　　（1）资料收集 根据所要研究的课题和所要解决的问题，尽可能详尽、 客观和系统地收集各种有关的数据、样品和其它资料。资料的来源包括对研 究区详细的野外调查、仪器观测和收集、分析已有的各种资料和成果等。
（2）归纳、综合和推论 对所收集的资料进行加工整理、归纳、综合，
并利用地球科学的研究方法和原理，作出符合客观实际的推论。
　　（3）推论的验证 通过生产实践或科学实验来证实或检验推论是否正 确，并在实践的过程中不断地修正错误，提高认识，总结规律。
　　地球科学是一门实践性很强的科学。人们通过不断地科学实践，逐渐形 成了若干假说和学说。假说是根据某些客观现象归纳得出的结论，它有待进 一步验证；而学说则是经过了一定的实践检验、在一定的学术领域中形成的 理论或主张。假说和学说对推动地球科学的发展起着重要的作用，它们为探 索地球科学的客观规律指出了方向，对实践起着一定的指导作用，同时在实 践中不断得到检验、补充和修正，使其日趋完善。当然，有些假说和学说也 可能在实践中被扬弃或否定。
　　
第三节 地球科学的研究意义


　　地球科学是人类在实践和应用中逐渐发展起来的，因此，其研究首先具 有重要的实际意义和应用意义。
　　地球科学在寻找、开发和利用自然资源中起着巨大作用。自然资源主要 包括能源资源、矿产资料、水资源及土地资源等。能源在整个国民经济中居 于首要位置，而现阶段的能源资源还主要是依靠石油、天然气和煤等，这些 都必须从地下寻找和开采；发展工业需要充足的矿产资源作为原料保证，发 展农业所需要的磷、钾等肥料的原料也是来自于地下矿产资源；水资源对人 类社会的重要性更是不言而喻，无论工业、农业、以及民用都离不开水，而 地下水是目前水资源的重要来源，也需要用地球科学的理论寻找和开发。
　　建国以后的近 50 年来，我国地质工作者以自己的艰苦劳动为祖国的繁荣 富强作出了重大贡献。世界上已知的 162 种矿产在我国均已发现，已探明一 定储量的矿产达 148 种，其中钨、锑、锌、镁、石膏、石墨等的探明储量居 世界首位；煤、铁、铜、锰、铝、铅、锡、钼、金、汞等矿产的探明储量也 位居世界前列；一批大型油田的相继发现与开发，摘掉了我国贫油的帽子； 在世界上有许多被认为是稀有金属（如铌、钽、钛、钒等）的矿产，经勘探 查明在我国并不稀有。地质及水文工作者还在西北、华北的干旱、半干旱地 带探明了大量地下水资源，缓解了工农业及民用缺水的威胁。
地球科学在指导人类如何适应、保护、利用和改造自然环境以及同各种
自然灾害作斗争方面发挥着重要作用。气象学的研究与人类的生活、生产等 各方面的活动关系极为密切。在农业生产中，利用短期和中、长期的气象预 报，可以加强各种农事活动的计划性，如播种、移栽、收割等；为了保护农 作物，避免或减轻一些不良天气现象，如霜冻、干旱、大风、暴雨等的危害， 必须洞悉这些天气现象的发展规律。同样，对于航空工作也随时都需要气象 情报来保证飞行安全；航海工作也要避免恶劣天气的危险；强烈的暴雨、风、 雪会影响陆上的交通安全；此外，水利、城市建设、林业乃至人类生活的一 举一动都无不与气象或天气变化有着紧密的联系。
人类在发展生产和建设的过程中，常常需要修建一些大型的工程设施，
如公路、铁路、港口、水坝、核电站等，为了确保这些工程在建成后能安全 运转，就必须事先应用地质学的研究进行详细的地基选址与场地稳定性评 价，弄清场地的地质条件，尽量避开各种不利的因素。有些正在发生的地质 作用常给人类生活的自然环境带来不良后果，如水土流失、沙漠化等，这时， 人类可以运用地球科学知识来设法保护和治理自然环境。此外，一些突发性 的地质事件往往给人类造成巨大的灾害，如地震、火山、滑坡、泥石流等， 这时，人们可以根据它们产生的机理和发展规律，预测、预报或采取有效的 措施防止灾害的发生。
　　有关自然环境的利用、改造和管理的研究，首先必须进行定性评价，地 理学是这类定性评价的主要依据。要实现生产力的合理布局，必须对全部地 理条件加以综合考虑，从区域规划、建立合理的区域经济结构出发，择优选 取。如农业区划、工业布局、交通建设、环保、城市规划、旅游等多方面都 有地理学的应用问题。其中主要是自然资源和条件的评价，人类影响地理环 境所引起的变化预测，环境的合理地域组织，区域经济结构的优选等方面的 应用。
　　
　　当前，人类正面临着一系列艰巨的、紧迫的、深广的、复杂的全球性环 境问题，如大气与水体污染、气候异常、植被破坏、水土流失和土地沙漠化 等，这些环境问题严重地威胁着人类的生存与发展。而且越来越多的事实证 明，人类活动对环境恶化的影响强度还在不断增加。要尽快地控制、防止这 种环境恶化的趋势，并治理已出现的各种环境问题，力争在较短的时间内使 环境向良性转化，最终解决好人口、资源、环境协调发展的问题，这些都与 地球科学特别是环境地学有着密切关系，也是未来地球科学所面临的主要任 务。
　　同时，地球科学也是一门理论性很强的自然科学。它承担着揭示整个地 球的形成、演变规律的科学使命。它的研究对人类正确地认识自然界、建立 辩证唯物主义世界观起着重要作用，对整个自然科学的发展也具有促进和推 动作用。当代自然科学的一些重大基本理论问题，如天体的起源、生命的起 源等问题的最后解决也都离不开地球科学的研究。所以，地球科学的研究也 具有重要的理论意义。

第四节 地球科学的发展简史与未来展望


　　地球科学是一门既古老而又年轻的科学。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，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。地球科学的发展历史大致可分为三个阶段，即：古代地球科学 知识的萌芽与积累阶段（17 世纪以前）、地球科学的主要学科的创立与初步 发展阶段（17～19 世纪）、地球科学的革命与全面发展阶段（20 世纪至今）。 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。
（一）古代地球科学知识的萌芽与积累（17 世纪以前）
　　有关地球科学的知识与人类生活密切相关，其思想的萌芽可以追溯到远 古时代。随着人类文明的发展，地球科学知识也得到了不断积累。我国是具 有悠久历史的文明古国，其地球科学思想萌芽之早、知识积累之丰富是任何 其它国家都不能比拟的，现仅举几例，可见一斑。
《禹贡》、《山海经》、《管子》是成书于春秋战国时代（公元前 770～
221 年）的最早一批有关地理、地质、水文、气象的著作。《禹贡》记载了 公元前 21 世纪大禹治水时候所了解的全国各地的矿产情况和山川地形。《山 海经》除记述了山岳、河流、湖泊、沼泽、气候与气象等之外，还记述岩石
（矿石）及矿物（金属与非金属矿物）72 种，矿产地 440 多处，此书把矿产 划分为金、玉、石、土四大类，这是世界上最早的一个分类。《管子》一书 曾对金属矿床与找矿知识有精辟论述，指出了利用矿物共生组合及“铁帽” 等作为找矿标志的科学方法。该书还曾对河流的横向环流、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 132 年创造了世界上第一台地震仪——候风地 动仪，138 年在洛阳用这台地震仪正确测出了发生在 650km 外的陇西地震。
　　《水经注》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 512～518 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、湖泊、风沙、溶洞、 火山、地震、山崩、地滑、温泉、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。
　　宋朝沈括（1031—1095 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·芬奇所提出的类似观点要早
400 年；他在分析地质问题时使用的古今类比法比莱伊尔《地质学原理》所 应用的“将今论古”的方法要早 700 多年。沈括还首次使用“石油”这一科 学术语，该术语被一直延用至今。
　　《徐霞客游记》是明朝徐宏祖（1586—1641 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》为明代宋应星（1587—1661 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。
由此可见，我国古代地球科学思想非常活跃，积累了丰富的理论和实践
知识，这一领域的研究与成就当居世界前列。但是由于我国封建社会（特别 是后期）的闭关自守，重视习文读经，轻视生产技术和自然科学知识，搞文 化专制统治，严重阻碍了科学的发展，使近代地球科学的一些主要学科没能 在中国这片沃土上诞生。
国外古代地质知识的萌芽与积累主要集中于欧洲。
古希腊学者毕达哥拉斯（约公元前 571—497 年）、亚里士多德（公元前
384—342 年）、狄奥弗拉斯特（公元前 370—287 年）等都曾对火山喷发、 地震和尼罗河三角洲的形成进行了观察和解释，并根据岩层中的贝壳化石得 出海陆变迁的概念，他们还对部分岩石、矿物作了初步分类和描述，还对一 些天气现象作过适当的描述与解释。
古罗马的斯特拉波（Strabo，公元前 63—公元 20 年）著有《地理学》，
书中论及了有关化石、海陆升降、火山、地震、河流的搬运与沉积作用等许 多方面的地质问题。老普里尼（Plinythe Elder）于 77 年著出《自然史》， 书中曾对矿物进行了专门论述，包括当时使用的各种矿物、建筑用石材、矿 石及矿床、采矿及冶金方法等。同时代的西尼卡（Seneca）著有《自然问题》 等书，论述了有关地震、地下水和地面水问题，认识到河流对山谷的侵蚀作
用。
　　14～16 世纪欧洲的“文艺复兴”运动给地球科学的发展带来了生机，为 地球科学的一些主要学科的创立准备了条件。
　　15 世纪末至 16 世纪初哥伦布、麦哲伦等相继环球航海成功，证实地球 是球形，并对大洋和大陆的轮廓有了初步了解。1530～1540 年哥白尼写成《天 体运动》这一伟大著作，提出“太阳中心说”。这对该时期的地球科学研究 起了重要促进作用。
　　
　　意大利艺术家达·芬奇（1452—1519 年）早年曾领导开凿运河工程，他 对化石进行了细致观察和研究。他认为现今内陆或高山上发现的海生贝壳化 石，是原先生长在海水中的生物，后来埋藏在泥沙中而形成，并由此推测海 陆变迁历史。他还明确指出，地球是一本书，这本书早于文字记载，科学的 任务就是辨读地球自身的历史痕迹。
　　德国的阿格里柯拉（Agricola，1494—1555 年）一生著有七部地质专著， 除了叙述德国采矿业的发展以外，还根据矿物的物理性质对其进行分类，对 矿物与金属矿床的形成及相互关系作了论述，并涉及古生物学等问题。后人 誉之为“矿物学之父”。
（二）地球科学的主要学科的创立与初步发展（17～19 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。1860～1865 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。
在地球科学中，地质学的创立具有划时代的意义。欧洲 18 世纪开始进入
产业革命时期，随着生产力的提高和近代工业化的急速发展，使矿产的需求 日益增加，因而促进了找矿和地质调查工作，使地质知识与资料迅速积累， 逐步形成了系统的地质学理论和研究方法，于是地质学作为一门独立的科学 诞生了。
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“火成论”者与“水成论”者之间及“均变论”者与“灾变论”者 之间进行的。
“水成论”者认为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，他们否认地壳运动的存在，主张地球从取得现有形态以来没有发 生过大的变化。“水成论”者的代表人物是德国弗莱堡矿业学院矿物学教授 魏尔纳（A.G.Werner，1750—1817 年），他对矿物学的研究有卓越贡献，由 于他丰富的知识和口才，使他驰名欧洲，对传播地质学起了重要作用。魏尔
纳 1775 年在弗莱堡开始讲学，“水成论”兴起，由于他的声誉和拥有众多门 生及崇拜者，加之教会的支持，使得“水成论”在 18 世纪后期的欧洲占居统 治地位。
　　“火成论”者的代表是英国学者郝屯，他发现花岗岩脉穿插在沉积岩中 呈侵入接触关系（有烘烤及冷凝边），认为除沉积岩外，还有岩浆岩和变质 岩，并认为地壳处于不断的演变之中，这一过程是缓慢的，过去发生的变化 和现代进行的演变过程是类似的。他较正确地论述了三大岩类的成因及地壳 运动的影响。郝屯 1785 年发表最初的《地球理论》论文，提出“火成论”，
1795 年重新发表《地球理论》著作，系统论述自己的观点。该书为地质学的

创立奠定了基础。 自此，“水成论”与“火成论”的论战愈演愈烈，随着人们了解到更多
的地质现象，到 19 世纪初，“水成论”观点逐渐被抛弃，“火成论”取得了 胜利。
　　“灾变论”者的代表是法国学者居维叶（D.G.Cuvier，1769—1832 年）， 他在研究巴黎盆地地层中的生物化石时发现，在相隔很近的岩层中动植物化 石群的种属有显著差异，曾经一度出现的古生物种属，后来竟完全绝灭而代 之以新的种属；他还看到较老岩层发生褶皱，上面盖以水平的沉积岩层。于 是他便认为地壳曾经发生巨大变革，产生世界规模的大灾变，致使地形改变、 生物灭绝，以后在一定的时间内又重新创造出新的动植物来；地球上曾经历 了多次这样的大灾变和再创造过程；最后一次大灾变发生在五六千年前，并 造就了地球的现今面貌和生物特征。居维叶的“灾变论”强调地质发展过程 中的突变阶段，虽有合理成分，但他否认地球的渐近发展过程，并把其演变 历史归结为古今没有联系的一系列不可知的突然事件。居维叶的重复创造与 不可知的观点，特别是最后一次灾变的时间与圣经中论述的“大洪水期”和 “诺亚方舟”神话一致，因而受到了教会的欢迎，得到广泛传播。
　　与“灾变论”针锋相对的是生物进化论和地质学的“均变论”。法国学 者拉马克（Lamark，1744—1829 年）在研究巴黎盆地第三纪古生物化石时， 发现生物的种与种之间有过渡关系，某些种属是由另一种属发展而来的，并 有由低级种属向高级种属演变的规律。他认为生物进化过程是极其漫长的， 它与地球的演变历史同时进行。英国地质学家莱伊尔继承了郝屯的思想，经 过与“灾变论”的多次论战，在结合前人成果及大量实际资料的基础上，于
1830 年出版的《地质学原理》第一册中明确提出了地质学的现实主义原则（即
“将今论古”），指出地球的发展历史是漫长的，解释地球的历史用不着求 助于上帝和灾变，那些看来非常微弱的地质动力，经过长期缓慢的作用过程， 就能使地球面貌发生巨大变化。这就是“均变论”的主要思想。
随着《地质学原理》一书的问世，“均变论”的思想逐渐取代了“灾变
论”，现实主义原则也成为了地质学方法论的一条基本原则。但是“均变论” 强调“古今一致”与渐近发展的同时，本身又存在忽视在地壳发展过程中有 飞速发展阶段（突变）的片面性。
莱伊尔的《地质学原理》（共三册）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 19 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“地槽”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，矿床学进一步发展，并诞生出了石油 地质学。地震地质学、工程地质学等也开始逐渐发展起来。
　　17 世纪德国地理学家瓦陵尼阿士（1622—1650 年）的《普通地理学》开 始介绍哥白尼、伽利略的太阳中心说，提出专论地理学和通论地理学的区别。 前者描述特定地区，后者阐述一般原理。18 世纪末至 19 世纪初德国洪堡德
（1769—1859 年）与李特尔（1779—1859 年）奠定了近代地理学的基础。 洪堡德的代表作是《宇宙：世界的自然描述概略》，共五卷。他最早采

用计算气象要素平均值的方法研究气候，提出等温线概念，1817 年绘制第一 幅世界年平均温度分布图，提出大陆东西两端的气候差异和海洋性气候、大 陆性气候类型。他观测了地势升高 100 m 气温下降 0.6℃的垂直递减现象， 研究气候与植物分布、类型的关系，提出平原植物分布的水平地带性和山地 植物分布的垂直地带性。他最早运用地形剖面图和地理比较法研究地理现象 的规律性，奠定了自然地理学特别是气候学与植物地理学的一般原理。
　　李特尔通过区域描述和地面现象综合比较，研究地理环境对人类活动的 影响。他强调地理学要以人地关系为主旨，提出比较地理学概念。1817 年李 特尔的《地理学》第一卷出版，到 1859 年共出版 19 卷。
　　此后，地理学得到了进一步发展。德国地理学界比较著名的学者和学派 有拉采尔的地理环境论、赫特纳的地理学方法论等。法国比较重要的地理学 派有维达尔-白兰士和白吕纳的人地相关论等。美国著名的地理学说有戴维斯
（W.M.Davis，1899）的地貌侵蚀循环说，该学说主张陆地自然面貌是由侵蚀 造成，认为地表形态是连续的，又有阶段的，是地球内部结构与外部营力的 结合。他把河流发育分成青年期、壮年期和老年期，地壳上升使河流复活。 他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（20 世纪至今）
　　20 世纪是现代地球科学发展的新时期，在这一过程中，传统的地球科学 发生了一系列的革命，其中影响最为深远的是固体地球科学（包含地质学和 地球物理学等）的革命。
固体地球科学的革命主要是大地构造理论上围绕活动论与固定论发生的
思想革命。传统的地质观念认为，大陆及海洋只在原来的位置上作垂直升降 运动，其相对位置未发生显著变化，故被称为“固定论”，“地槽”、“地 台”说是其典型代表。“活动论”者认为，大陆曾有过长距离的水平运动， 大陆和海洋的相对位置是不断变化的。代表“活动论”的大地构造学说是“大 陆漂移-海底扩张-板块构造学说”。经过近半个世纪的争论，到本世纪 60 年代末期，以现代地质及地球物理研究成果为基础的板块构造学说取得了决 定性的胜利，并由此推动了地质学与地球物理领域的一场深刻革命。
与此同时，随着科学技术的进步，本世纪的地质学获得了前所未有的全
面发展。高温高压实验技术、同位素地质年龄测定技术、电子计算机、电子 显微镜、大陆超深钻与深海钻探技术等给地质学的发展以极大的推动作用， 使地质学逐步由定性描述与分析向半定量、定量分析与研究发展。地球物理、 地球化学方法在研究地球及地壳的物质组成、结构构造及运动特征方面取得 了丰硕成果，成为推动地质学发展的强大动力。航天技术在地质学上的应用 取得了重大成就，以航天技术为基础的新兴的天文地质学显示出旺盛的生命 力。这些研究将为人类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。
　　地质学的应用是促进地质学发展的动力，本世纪除传统的矿床学不断发 展，提出了许多新理论之外，石油地质学的发展尤其令人瞩目。水文地质、 工程地质、地震地质等的研究也发展迅速。特别是本世纪中期以来，环境地 质研究的重要性越来越引起人们的注意，正在向纵深方向发展。
　　20 世纪在地理学上也发生了重要的革命，特别是研究方法与手段上的革 命，通常称为地理学的计量革命。20 世纪 50 年代，地理学开始采用现代数 学方法分析地理问题。1955 年，美国华盛顿大学地理系在加里逊主持下开设
　　
第一个应用数理统计研究班，推动计量地理学发展。1963 年伯顿提出“计量 革命”口号，60 年代初这一趋势推向欧洲和全球。地理学计量革命的实质是 用现代数学方法和计算机，运用模型和模拟，使地理学的理论精确化，计算 快速化，从传统的定性分析向定性和定量分析相结合过渡。60 年代以来，在 计量革命的推动下，人们把地理环境和区域看作是一个系统，大量地应用电 子计算机、遥感、遥测等新方法，对系统及其相互作用进行模式化、公式化， 用数字、图像等定量表达人地关系，说明区域差异与变化，从而对地理环境 的演化进行科学预测，以期达到人地关系的最优化。这样，使地理学由以前 的现象描述发展到科学解释和定量预测的新阶段。与此同时，由于社会的需 要，应用性的地理分支学科大量涌现，如工程地理学、环境地理学、资料地 理学、应用景观学等。
　　20 世纪气象学的革命性变化更是不可同日而语。在 20 世纪的前 50 年， 气象观测开始由传统的地面观测向高空发展，主要以风筝、气球等为高空观 测工具，其所达到的高度是有限的。50 年代以后，由于观测系统有了激光、 雷达、人造地球卫星等新技术与新手段，大大地推进了气象学的发展。大规 模的综合遥测、遥感，使得几小时的短期灾害性天气预报不再是纯预报问题， 而变成了对实况的跟踪与真实预报。电子计算机的大量利用，使得对大气现 象定量地进行数值模拟成为现实。这些研究的进步还大大促进了气象学基础 理论的发展。
地球科学的全面、飞速发展，还使得 20 世纪以来诞生了一些新兴的分支
学科，如地球物理学、海洋学与环境地学等。海洋学与环境地学都与人类现 今的生活、生存及未来的发展有着极其紧密的联系，因而受到科学工作者及 整个社会的高度重视，它们在地球科学中的地位也愈来愈重要。
（四）地球科学的发展展望
　　人类社会正面临跨世纪的时代更替，即将到来的 21 世纪将是人类社会发 展史上的一个巨大变革时代。现今地球科学的发展正在进入一个建立新知识 体系的重大转折时期。
长期以来，地球科学在社会中的作用主要是通过研究地球，指导寻找矿
产、能源和各种自然资源，以保证人类和社会发展对资源的需求；而对于自 然环境方面的应用处于从属的地位。由此建立起来的地球科学知识体系可概 括为资源型的知识体系。但是，随着社会发展，当代社会正面临着人口、资 源、灾害和环境方面的挑战，它直接威胁着今后社会的进步和人类的生存条 件。在这些社会挑战面前，地球科学除要解决能源和矿产问题外，还必须帮 助解决当今社会生活中面临的许多重大问题：减轻自然和人为灾害、寻找和 保证充足干净的水源、安全处理有毒有害和放射性废物以及为合理利用自然 资源、为环境污染的综合治理、为保护生态环境、为国土整治和农业发展等 等提供地学知识和服务。所有这一切，都将促使地球科学从资源时代进入环 境时代。因而要求其社会功能由“资源型”拓宽到“社会型”。与此相适应， 地球科学的任务和目标都发生了变化。例如，1993 年美国国家研究理事会发 表了指导美国地球科学今后发展的战略报告，即“固体地球科学与社会”报 告。该报告明确指出，固体地球科学今后的主要任务是：①了解全球系统所 涉及的过程，特别注意地球系统各组成部分之间的联系和相互作用；②提供 充足的自然资源（水、矿产和燃料）；③减轻地质灾害；④调节全球和区域 的环境变化。这份报告强调，地球科学研究的目标是了解整个地球系统过去、

现在和未来的行为，以保证人类社会持续发展的条件。 由此可见，未来的地球科学将成为人类生存和社会发展的科学。地球科
学的前景是光明的，它在社会发展中和在自然科学中的地位将会更加提高。 因此，一些科学家大胆预言“21 世纪将是地球科学的世纪”。

第一章 宇宙中的地球

第一节 宇宙


　　宇宙（universe）是天地万物，是物质世界。“宇”是空间的概念，是 无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间和无 限的时间的统一。在宇宙空间弥漫着形形色色的物质，如恒星、行星、气体、 尘埃、电磁波等，它们都在不停地运动、变化着。当代最大的光学望远镜已 可观测到 200 亿 l.y.（光年）的遥远目标（1l.y. ≈9.46×1012km）， 这就是现今人类所能观测到的宇宙部分，它只是无限宇宙的一个小小局部。 随着科学技术的发展，人类对宇宙范围的认识也将不断扩大。

一、宇宙中的天体和物质


　　宇宙的统一性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物 质构成的。但宇宙中物质的存在形式具有多样性，一部分物质以电磁波、星 际物质（气体、尘埃）等形式呈连续状态弥散在广漠的空间；另一部分物质 则积聚、堆积成团，表现为各种堆积形态的积聚实体，如地球、月球、行星、 恒星和星云等。通常将包括星际物质和各种积聚态实体在内的所有宇宙星体 通称为天体。在太空飞行的人造卫星、宇宙飞船、空间站和探测器等则一般 称为人造天体。
（一）恒星
　　恒星是宇宙中最重要的天体，它集中了宇宙中相当部分的质量。恒星是 由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。构造恒星的气 体主要是氢，其次是氦，其它元素很少。我们的太阳就是一颗既典型又很普 通的恒星。
拥有巨大的质量是恒星能发光的基本原因。由于质量大，内部受到高温
高压的作用，导致进行由氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大的能量，以维 持发光。恒星的温度愈高，向外辐射能量的电磁波波长愈短，因而颜色发蓝； 相反，颜色发红。恒星的质量相差不大，多在 0.1～10 倍太阳质量之间；恒 星的体积却相差非常悬殊，大的恒星直径为太阳的 2 000 倍左右，小的恒星 直径小于 1000 km，比月球还小；因此，恒星的平均密度相差也很悬殊。 恒星的距离都非常遥远。太阳是距地球最近的恒星，太阳光到达地球需
走 8 分多钟；而距离太阳最近的恒星——半人马座α星（即比邻星）发出的 光，到达地球需要走 4.3a（即距离为 4.3l.y.）。由于恒星间距离太遥远， 以至在短时间内肉眼观察不出恒星间位置的相对变化，因而有“恒星”之称。 但实际上所有恒星都在宇宙中以不同速度和方向运动着。如我们所熟悉的北 斗七星，现在看起来排列得像勺子的形状，但在 10 万年以前和 10 万年以后 形状却与现在不同，这是因为北斗七星各成员运动的方向、速度不同所造成 的（图 1.1）。
　　在地球上用肉眼观察到的恒星的明亮程度被称为亮度。古代人们将恒星 的亮度分为 6 个等级，称为视星等。其中把 15 个最亮的恒星称一等星，而把 正常视力所能辨认的最暗的
　　

　　星称六等星。后来，由于光学和光学仪器的发展，人们测定了视星等和 亮度的数量关系：即一等星比六等星亮 100 倍，视星等每差一等，亮度就差
2.512 倍。恒星的亮度受恒星到地球距离远近不同的影响，因而并不完全代 表恒星本身的真正发光能力。恒星本身的发光能力被称为光度，光度的等级 则称为绝对星等。
　　大多数恒星的特征是大同小异的，但有少数恒星在某些方面是与众不同 的。如大多数恒星的光度在短时期内几乎是不变的，太阳就是这样。但是， 有些恒星在几年、几日甚至几小时内就会发生明显的、特别是周期性的变化， 这样的恒星叫变星。变星分三类，即几何变星、脉动变星和爆发变星。几何 变星是指因几何位置变化而发生变光现象的变星。脉动变星是因为星体本身 的周期性的膨胀和收缩而发生光度变化的变星，它们在膨胀的时候就变得明 亮，反之在收缩的时候就变得阴暗。爆发变星是因为星体本身的爆发现象而 发生光度突然变化的变星。普通的爆发变星叫新星，它们的光度在几天内突 然增加而由暗星变为亮星，甚至由看不见的星变成明亮的恒星，以后在几个 月到几年的时间内它们的光度逐渐下降到爆发前的状态。比新星爆发更为剧 烈的星叫做超新星。一般来说，恒星的光度既同表面温度有关，也与表面积
（体积）有关。在体积相似时，恒星温度愈高则光度就愈大；而在温度相似
时，恒星体积愈大光度也愈高。有些恒星的温度并不很高，但由于体积大、 密度低而具有很高的光度，这样的恒星称为巨星；另有一些恒星温度很高， 但由于体积很小、密度很高而光度很低，这样的恒星称为白矮星。
（二）星际物质、星际云和星云
　　在恒星与恒星之间存在着极其广大的空间，称为星际空间。弥漫于星际 空间的极其稀薄的物质称为星际物质。主要的星际物质有两类，即星际气体 和星际尘埃。星际气体包括气态的原子、分子、电子和离子，其中以氢为最 多，氦次之，其它元素都很少。星际尘埃就是微小的固态质点，它们的直径
大约是 10-5～10-6cm，它们分散在星际气体之中，其总质量仅占星际物质的
1/10 左右，它们的主要成分是水、氨和甲烷的冰状物以及二氧化硅、硅酸铁、 三氧化二铁等矿物。星际尘埃能够吸收和散射可见光特别是蓝色光。因此， 星际尘埃使得星光变暗和变红。
　　一般来说，星际物质是很稀薄的。星际物质的密度是用每立方厘米的质 点数来表示的，一般不过每立方厘米 0.1 个质点。但是，在一些星际空间区 域，其密度可以超过每立方厘米 10 个甚至 1000 个。使用现代的观测技术（例 如射电和红外观测），人们能够发现这些区域，并且把它们称为星际云。
　　人类在发现星际物质和星际云以前很久就已经发现星云了。人们曾经把 天空中一切云雾状的天体都称为星云。后来发现云雾状天体实际上有两种类 型：一种是由星际气体和星际尘埃组成的；另一种是由大量恒星组成的。在 近代天文学上，前一种称为星云，例如猎户座大星云；而后一种则改称星系， 例如仙女座大星系。因此，今天所说的星云，实际上是星际物质的一种密集 形式。同星际云相比较，星云是星际物质的更加庞大和更加密集的形式。
　　
（三）天体系统和星系
　　宇宙中的物质是运动的，运动的主要方式是天体按照一定的系统和规 律，相互吸引和相互绕转，形成不同层次的天体系统。比如，月球和地球构 成地月系，地球是地月系的中心天体，月球围绕地球公转。地球和其他行星 围绕太阳公转，它们和太阳构成高一级的天体系统，这个以太阳为中心的天 体系统称为太阳系。太阳系又是更高一级天体系统——银河系极微小的一部 分，银河系中像太阳这样的恒星就有 1000 多亿颗，这些恒星在本身运动的同 时还围绕着银河系中心运动。银河系以外，还有许许多多同银河系规模相当 的庞大的天体系统，称为河外星系（简称星系）。在人类现今所能观测到的 宇宙范围内，大约存在着 10 亿个以上的这样的星系。这些星系大小不一，通 常由几十亿至几千亿颗恒星组成。通常，把我们现在观测所及的宇宙部分称 为总星系，它是现在所知的最高一级天体系统。




（一）天球

二、宇宙中天体的相对位置

　　地球以外的天体，距离我们的远近极其悬殊。但是，人们有这样的印象： 日月星辰看上去似乎是一样遥远的，一切天体似乎都位于一个以观测者为中 心的球面上。根据这样的印象，天文学上为了研究天体在天空中的位置和运 动，引进了一个假想的圆球：它的球心就是观测者所在的地球的中心，它的 半径是无穷大的。这个圆球称为天球。这样，地球以外的天体在天球上都有 各自的投影位置（图 1.2）。
地球的自转轴无限延长，同天球球面相交于两点，这叫做天极；与地球
的南、北极方向相同的两个极分别称为南天极和北天极。地球赤道平面无限 扩大，同天球相交的大圆，叫做天赤道（图 1.3）。有了天极和天赤道，天 球就可以定出自己的经线和纬线，分别称为赤经和赤纬。于是，人们说明天 体在天球上投影的位置就方便了。













（二）星座
　　为了便于认识恒星，人们把天球上的恒星分成若干群落，每个群落的恒 星都有自己独特的形状并占据一定的空间，这样的恒星群落称为星座。古代 人把星座中一些较亮而邻近的星联成图形，结合神话中的人物或动物为星座 命名，这些名称一直沿用到现在（图 1.4）。按照国际上的标准，全天可分
成 88 个星座。为了便于了解主要星座的相对位置及其恒星的排列，可把天球 的球面按赤经的不同分成四个星区（图 1.5），每个星区跨赤经 6 时（或 90
°），各以 0、6、12 和 18 时的时圈为中央时圈，并且以 3、9、15 和 21 时 的时圈为界线。四个星区可根据各自代表性星座分别称为仙后星区、御夫星

区、大熊星区和天琴星区，简称“后、御、熊、琴”，四大星区的共同交点 就是天北极或者北极星。将不同星区的主要星座及其恒星排列投影到相应位 置后，可得到“四瓣简明星座图”。


　　顺便说明，星座和星系是两个不同的概念。星座仅代表一些恒星间的视 几何关系，某一星座的恒星可能处于同一星系，也可能处于不同的星系。




第二节 银河系与太阳系 一、银河系

　　银河系（milkywaysystem）是一个由大约 1400 亿颗恒星和大量星际物质 组成的庞大天体系统。侧面看呈中间厚边缘薄的扁饼形，正面看呈旋涡形（图
1.6）。银河系的直径约 10 万 l.y.。中心部分称为银核，直径约 1 万多 l.y.； 银核外侧称为银盘；银盘的中心平面称为银道面。太阳是银河系中的一颗中 等恒星，位于距银河系中心约 3 万 l.y.的银盘内，太阳附近银盘厚度约
3000l.y.，太阳距银道面约 26l.y.，几乎就在银道面上。银河系的所有天体
大体顺着银道面绕核心作飞快的旋转运动，这种运动称银河系自转，但银河 系自转不同于固体转动，银盘内从中心到边缘的不同地方自转的角速度不 同。太阳附近银河系自转角速度为 0.0053″/a，线速度为 250km/s，这也就 是太阳绕银河系核心公转的速度。太阳公转一周的时间约为 2.8 亿～3 亿 a。 太阳一方面大体沿银道面作公转，同时还进行着往返于银道面两侧的波状位
移。



二、太阳系


　　以太阳为中心存在着一个受太阳引力支配的天体系统——太阳系（solar system）。太阳是其中唯一的一颗恒星，其质量占整个太阳系的 99.87％， 能发出强烈的光和热。围绕太阳旋转的是一个行星体系，主要有九大行星（由 里向外依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海天星、 冥王星）及众多的小行星（主要分布于火、木星之间）、卫星、彗星和陨星 等（图 1.7）。太阳系目前以冥王星轨道为边界，直径为 11.8×109km。太阳 系所拥有的这一巨大空间以宇宙标准来看实际上是很小的一个范围，可以举 一个例子来说明太阳系中行星的大小和距离，如果我们把太阳看作是一个棒 球，那么大约 9m 远的一粒砂就代表地球，木星（最大的行星）为 45.7m 远的 一粒豌豆，冥王星（最外的行星）是大约 366m 远的另一粒砂；而最近的恒星 则像是离 3860km 远的另一个棒球。
　　太阳系的天体以太阳为中心作高速旋转。太阳系中行星的分布及运转几 乎都在一个共同的平面内，这个平面称为黄道面。行星运动有两种主要形式： 自转和绕太阳公转。绝大部分行星绕太阳公转的方向及其自转方向都相同， 也与太阳自转的方向一致（从地球北极上空朝下看皆为逆时针运转）。
　　

行星绕太阳的公转遵循开普勒（J.Kepler）三定律。
开普勒第一定律指出，行星绕太阳公转的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的 一个焦点上（图 1.8）。该定律是关于行星运行的轨道形状的定律。由于太 阳取椭圆中某一偏心的焦点位置，行星至太阳的距离便因公转运动发生周期 性变化，当行星到达椭圆长轴两端时，行星至太阳的距离取最大、最小值， 分别称为远日点和近日点。当行星在近日点一边的半椭圆中运行时，其与太 阳的距离将小于椭圆的长半径α；而在远日点一边的半椭圆中运行时距离将 大于长半径α；行星至太阳的平均距离则正好等于椭圆的长半径α。其实， 行星运行的椭圆轨道的扁率 e（e=c/α）都是很小的，即行星的公转轨道都 接近圆形。





















开普勒第二定律指出，当行星绕太阳公转时，行星同太阳的连线（称行
星的向径）在单位时间内在轨道平面上扫过的面积相等（图 1.9）。该定律 是关于速度和速度变化的定律。依据该定律，行星公转的角速度和线速度因 椭圆轨道的位置而发生不均变化，在近日点附近速度最大，在远日点附近速 度最小。但是，由于行星公转的椭圆轨道的扁率很小，所以行星公转的速度 不均匀程度并不大。
开普勒第三定律指出，行星到太阳平均距离α的立方同公转周期 T 的平
方成正比，即对于任何行星：α3/T2=常数。该定律是关于行星轨道大小和公 转周期的定律。即距太阳愈远的行星（α愈大），公转周期就愈长（T 愈大）。 周期愈长又意味着平均角速度愈小，例如地球公转一周要 1a，而冥王星公转 一周要 248a。

第三节 地球、月球和地月系 一、地球

　　我们居住的地球（earth）是太阳系自中心向外的第三颗行星，它到太阳 的平均距离约为 1.496×108km（日地平均距离被称为 1 个天文单位）。地球 绕太阳公转的角速度平均为 59′08″/d，线速度约为 30km/s，公转一周时 间平均约为 365.256d。地球绕自己的极轴自转的角速度约为 15°/h（或 15
　　
′/min、 15″/s），赤道处的线速度为 465m/s，自转一周的时间为 23 h56
min4 s。
　　地球自转的赤道面与地球公转的黄道面交角为 23°26′（图 1.10）。由 于该赤黄交角的存在，地球在绕太阳公转一周即一年的时间中，太阳光顺黄 道面到达地球表面的直射点将会发生周期性变化，并形成了年复一年的时令 与节气往复。如果以太阳为中心、赤道面为东西方向水平延伸来观察的话（如
图 1.10），则黄道面是倾斜的，当地球顺黄道面公转到轨道的最南点时，太 阳直射点到达地球上北纬最高的地方，该纬度等于赤黄交角 23°26′，称为 北回归线，其时令正是北半球的夏至日（南半球的冬至日）；与此相对，地 球公转到轨道的最北点时，太阳直射点到达地球上南纬最高的南回归线处， 此时为北半球的冬至日（南半球的夏至日）；当地球公转到与上述位置呈 90
°处，太阳直射点在地球赤道附近，此时为春分与秋分日。这种太阳直射点 在地球赤道两侧南北回归线之间的往返运动称为太阳直射点的回归运动，回 归运动的周期称为回归年，它正是地球上季节变化的周期。




　　地球按照向太阳和背太阳的不同分为两个半球。向太阳的半球接受太阳 的光照，称昼半球；背太阳的半球被地球本身的阴影所笼罩，称夜半球。由 于地球的自转，使得同一地点在一天（24h）之内分别位于昼半球和夜半球各 一次，形成昼夜交替。同时，由于地球的公转，太阳直射点在地球的南北回 归线之间往返，使得地球的昼半球相应地发生向南或向北偏转（图 1.11）， 从而造成了地球上不同纬度昼夜长短不同。当太阳直射点位于北半球时，昼 半球向北偏转，北半球相同纬度圈上昼半球覆盖的弧长大于夜半球的弧长， 因而昼长夜短，并且纬度愈大，白昼愈长，直到在纬度等于 90°减太阳直射 点纬度的地方，开始出现连续 24h 的白昼，称为极昼；与此同时，南半球则 昼短夜长，并在与北半球相对应的纬度上出现极夜（连续 24 h 的黑夜）。 当太阳的直射点位于南半球时，则正好与上述情况相反。极昼和极夜出现的 最大纬度为 66°34′（90°减赤黄交角），称为南、北极圈。

二、月球和地月系


　　地球具有一个天然卫星——月球（moon），月球直径约为地球的 1/4， 质量约为地球的 1/81。地球和月球在万有引力的作用下组成一个双天体系统
　　
——地月系，月球绕地球旋转（公转），其旋转的角速度为 33′/h，线速 度约 1km/s，旋转一周的时间为 27.32 d。月球也有自转，其自转周期等 于绕地球公转的周期，因而月球总是以同一面朝向地球。




















　　严格地说，月球并不是绕地球旋转，而是绕地月系的共同质心（位于地 心与月心连线上距地心 4671km 处）旋转，地球也绕该共同质心与月球作同步 对称绕转，但绕转半径与月球相比小 80 余倍，这种绕转使得月球与地球之间 的引力和离心力达到平衡（图 1.12）。
月球在绕地月系共同质心旋转的同时，还随地球一起绕太阳公转，所以
它在太阳系中的实际运动轨迹是这两种运动叠加的结果，表现为在公转轨道 两侧起伏的波浪线（图 1.13）。当月球运行到与太阳同处于地球一侧的同一 方向上时（称日月相合），月球被太阳照射而反光的一面正好背着地球，地 球上观察者看不见月球，这时称为朔月或新月；与此相对，当月球运行到与 太阳分处于地球两侧的同一方向上时（称日月相冲），月球受太阳照射的一 面正好向着地球，这时称为望月或满月；从朔月到望月，月球受光面向着地 球的比例逐渐变大，当到达一半时称为上弦月；而从望月到朔月的一半时称 为下弦月。这种月亮圆缺的各种形状叫做月相。


　　当月球运行到太阳和地球之间，月球遮住了太阳，便是日食；当月球运 行到地球的背后，进入地球的阴影，便是月食。由此可见，日食一定发生在 农历初一的朔，月食一定发生在农历十五或十六的望。但并非每月的初一都 有日食，每月的十五、十六都有月食。这与月球的运行轨道有关。月球绕地 球运行的轨道面称为白道面，它与地球绕太阳运行的黄道面不在同一个平面 上，两者有 5°09′的交角。黄白两轨道面在空中有一交线，如果日月相合、 相冲而不在黄白交线上，将不发生日食和月食；如果日月相合、相冲且正好 在黄白交线上，则发生日食和月食现象（图 1.14，1.15）。






第四节 地球的形态

一、地球的形状与大小


　　随着人类对地球认识的加深，人们对地球形状与大小的认识也愈来愈准 确。目前，通过人造卫星的观测和计算，已能较精确地获得地球形状的数据。 地球表面是非常崎岖不平的，我们通常所说的地球形状是指大地水准面所圈 闭的形状，所谓大地水准面（geoid）是指由平均海平面所构成并延伸通过陆 地的封闭曲面。


地球的整体形状十分接近于一个扁率非常小的旋转椭球体（即扁球体）。
其
赤道半径略长、两极半径略短，极轴相当于扁球体的旋转轴。根据国际
大地测量与地球物理联合会 1980 年公布的地球形状和大小的主要数据如 下：
赤道半径 6378.137km 两极半径 6356.752km 平均半径 6371.012km 扁率 1/298.257 赤道周长 40075.7km 子午线周长 40008.08km
表面积 5.101×108km2
体积 10832×108km3
　　其实，地球的真实形状与上述扁球体稍有出入。其南半球略粗、短、南 极向内下凹约 30m；北半球略细、长，北极约向上凸出 10m。所以夸张地说， 地球的真实形状略呈梨形（图 1.16）。

二、地球的表面形态


　　地球表面分为陆地和海洋两大部分。其中陆地面积为 1.49×108km2，占 地球表面积的 29.2％；海洋面积为 3.61×108km2，占地球表面积的 70.8％。 陆地和海洋在地球表面的分布极不均匀，65％以上的陆地集中在北半球。各 大陆的轮廓有某些相似性，所有大陆的北端宽、南端窄，大致呈倒三角形， 并多在北端与其它大陆相连。三大洋则在南纬 50°～60°间相互沟通（图
1.17）。 地球表面起伏不平，陆地和海底都是如此。地表的最高点在亚洲喜马拉
雅山脉的珠穆朗玛峰，海拔 8848.13m；最低点位于太平洋西侧的马里亚纳海 沟，在海面以下 11034m；因此，地表最大垂直起伏约 20km。陆地的平均高度
为 875m，海洋的平均深度为 3729m。地表有二级面积较大、起伏较小的台阶， 其一是海洋中深 4000～5000m 的大洋盆地，占地球总面积的 22.6％；其二是 大陆上低于 1000m 的平原、丘陵和低山，占地球总面积的 20.8％（图 1.18）。

（一）陆地地形特征
　　按照高程和起伏特征，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原和盆地 等类型。
　　

　　1.山地（mountains）山地是海拔高度在 500m 以上的低山、1000m 以上 的中山和 3500m 以上的高山分布地区的总称。线状延伸的山体称山脉，成因 上相联系的若干相邻的山脉称山系。大陆上现代最高、最雄伟的山系主要有 两条：阿尔卑斯山-喜马拉雅山系和环太平洋山系。
　　2.丘陵（hills）丘陵是指海拔小于 500m、顶部浑圆、坡度较缓、坡脚 不明显的低矮山丘群。如我国的胶东丘陵、川中丘陵等。世界上丘陵分布较 广的地区位于俄罗斯西部的东欧平原上。
3.平原（plain）平原是海拔低于 200m、宽广平坦或略有起伏的地区。
如我国的松辽平原、华北平原、长江中下游平原等。世界上最大的平原是南 美的亚马孙河平原，面积达 560×104km2。
4.高原（plateau）高原是海拔高程在 500m 以上、面积大、顶面较为平
坦或略有起伏的地区。我国青藏高原海拔 4000m 以上，是世界上最高的高原。 世界上最大的高原是巴西高原，面积达 500×104km2。
5.盆地（basin）四周为山地或高原、中央低平的地区称盆地。如我国的
四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等。一些中、小型盆地地形中积水便成 为湖泊或洼地。世界上最大的盆地是非洲的刚果盆地。
（二）海底地形特征
　　海洋调查表明，被海水覆盖的海底地形和大陆地形一样复杂多样，既有 高山深谷，也有平原丘陵，而且规模非常庞大，外貌更为奇特壮观。根据海 底地形的总体特征，海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个大 型地形单元。其中大洋盆地的面积约占海洋面积的 1/2，大洋中脊则约占 1/3
（表 1.1，图 1.19）。