精简版文科大学生自然科学技术知识Word格式.docx
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（二）大爆炸宇宙学说
1．大爆炸宇宙学说
最早对大爆炸宇宙学说做出贡献的是英国天文学家爱丁顿，他把哈勃的发现与宇宙膨胀理论联系起来，提出了大量的观测数据。
1932年，比利时天文学家勒梅特在爱丁顿工作的基础上，探讨了宇宙起源问题，提出一个宇宙起源于“原始原子”的假说。
他认为在50亿～100亿年以前，一切物质起初大概都来自一个极端致密的“原始原子”，或称“宇宙蛋”，由于剧烈的放射性衰变的原因，这个“宇宙蛋”发生了猛烈的爆炸，于是就诞生了我们现在所看到的这个宇宙。
1948年，美籍奥地利物理学家伽莫夫把基本粒子同宇宙学联系起来，提出热宇宙大爆炸学说。
他把勒梅特的“原始原子”改为“原始火球”，认为宇宙起始于高温高密状态的“原始火球”，物质以基本粒子形态出现，在基本粒子的相互作用下，“原始火球”发生爆炸，并向四面八方膨胀。
大爆炸宇宙模型的主要观点是：
我们的宇宙曾有一段从热到冷，物质密度从密到稀的演化历史。
这一从热到冷、从密到稀的演化过程如同一次规模巨大的爆发。
2.宇宙形成学说的困难和发展
从大爆炸宇宙模型提出以来，已经有了一套比较完整的理论体系。
与其他宇宙模型相比，它能够较好地解释诸如宇宙的年龄、星系红移、氦丰度、微波背景辐射等观测事实，甚至一些定量的描述也与观测数据符合得较好。
因此大爆炸学说成为现代宇宙学中最有影响的一种学说，在宇宙学乃至整个科学界产生了“爆炸性”的影响，并将现代宇宙学向前推进了一大步。
二、地球
（一）行星地球
1．地球的形状
地球是一个不规则的扁球体。
进一步的研究又发现，地球的南北两半球不对称，南极较北极离地心要近一些，在北极凸出18．9米，在南极凹进25．8米；
又在北纬45地区凹陷，在南纬45°
隆起。
这一形状和参考椭球体对比，地球又有点像梨子的样子，于是测量学中又出现“梨形地球”这一名称。
总之，地球的形状很不规则，不能用简单的几何形状来表示。
更确切地说，地球具有独特的地球形体。
2．地球的运动
（1）地球的公转。
按离太阳由近及远的顺序，地球是第三颗行星，它与太阳的平均距离是1496亿千米，这个距离叫做一个天文单位（AU）。
地球公转一周需要365．25个平均太阳日，平均公转速度是29．79千米／秒。
（2）地球的自传。
地球不仅绕着太阳公转，而且还绕着自己的地轴转动——自转。
地轴是通过地心和地球的南极与北极的假想轴，它与地球的赤道面相垂直。
地球自西向东自转。
因此，人们在地球上看到太阳东升西落。
地球自转一周需要23小时56分4.09秒平均太阳时，自转轴与公转轨道面之间的夹角为2.45°
。
由于地球转动的相对稳定性，人类生活历来都利用它作为计时的标准。
简单地说，地球绕太阳公转一周的时间叫做一年，地球自转一周的时间叫做一日。
（二）地球的物理特征
1．地球的质量和密度
英国物理学家卡文迪许通过万有引力定律，首先求出地球质量的，这种方法一直沿用到今天。
经计算，地球的总质量约为60万亿亿吨。
依据地球的质量和体积，又可计算出它的密度为人52克／厘米3。
地震学家布伦于1970年提出地球内部结构模式和推算出各层密度，地球内部的密度随深度的增加而递增。
2．地球的重力和压力
地球重力是指作用于1克质量的地球引力与地球自转产生的离心力的合力，用字母g表示。
重力以自由落体的加速度或重力加速度来度量。
地球内部的重力值g随深度而增加，至地核界面开始直线下降，直达地心为零。
17世纪，意大利物理学家伽利略第一个研究和测定丁重力加速度。
地球重力作用的空间称为地球的重力场。
作用在地球表面上的重力是地球质量产生的引力和地球自转产生的惯性离心力共同作用的结果。
地球自转所引起的离心力对重力的影响在赤道上最强，并随纬度的不同而呈有规律的变化，即地球表面重力随纬度增加而增加，随高度增加而减少。
同时，由于地球不同部位的密度分布不均一，也引起重力的变化和异常。
因此，重力异常可以提供地球不同部分密度变化的信息。
利用在地表附近（包括空中、地下和海面）测得的重力加速度随地点不同的变化来寻找矿体和地质构造等，并确定它们的形态、大小、空间位置及其分布情况，这就是地质勘探中常用的重力勘探法。
地球内部的压力决定于地层的厚度、平均密度和平均重力3个因素。
这样，从地表到地心的压力，一直随深度的增加而增加。
这一点与重力的分布不完全一样，但压力增加的速度也因深度而有所不同。
总的规律是：
接近地表和接近地心的层次，压力增加比较缓慢，而在中间的层次，压力增加得很快。
3．地球的磁性
对磁针或运动电荷有作用力的空间称为磁场。
地球具有一个强有力的、犹如一个位于地心的磁棒（磁偶极子）所产生的磁场，这个从地心至磁层边界的空间范围内的磁场称为地磁场。
人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。
磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。
这个解释最初是英国的吉尔伯特于1600年提出的。
地磁场是一个向量场，描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要三个独立的地磁要素，即磁倾角、磁偏角和磁场强度，它们又被称作地磁三要素。
磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象，如在漆黑的北极上空会出现美丽的极光，指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。
地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。
在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。
这是由于地壳中的岩石有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地作出“震前预报”。
4．地球的热量
地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。
地球表层的热量主要来自太阳辐射热，
地球内部热能主要来源于放射性元素的衰变，也有一部分热能可能是由构造运动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能等转化而来。
三、地球的构造
地球作为一个整体，呈现出同心圈层的构造，不论是地球表面还是地球内部都是如此。
人们经常以“比登天还难”来形容某件事的困难程度，但是，今天的现实是“登天难，入地更难”。
当今的宇宙探测器可以遨游太阳系外层空间，但对人类脚下的地球内部却鞭长莫及。
目前世界上最深的钻孔也不过12千米，连地壳都没有穿透。
科学家只能通过研究地震波、地磁波和火山爆发等间接方式来揭示地球内部的秘密。
1．外部圈层
（1）大气圈。
大气圈是地球外围的大气层，上限距地面3000千米，下限达地面以下60-100千米，质量为5.2×
1015千克。
人们常称大气圈是地球的外衣，作为地球环境要素之一的大气，是各种生命不可缺少的东西。
大气圈在结构上，自下而上依次可分为对流层、平流层、中间层、热层和外层。
（2）水圈。
水圈是地球表面和接近地球表面的各种形态的水的总称。
它包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川以及土壤和岩石孔隙中的地下水、岩浆水、聚合水，生物圈中的体液、细胞内液、生物聚合水化物等。
（3）生物圈。
生物圈是地球上凡是出现并感受到生命活动影响的地区，是地球特有的圈层，它也是人类诞生和生存的空间。
生物圈的概念是由奥地利地质学家休斯在1375年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。
它在地面以上达到大致23千米的高度，在地面以下延伸至12千米的深处，其中包括平流层的下层、整个对流层以及沉积岩圈和水圈。
但是，大部分生物都集中在地表以上100米到水下100米的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处，这里是生物圈的核心。
生物圈主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。
生命物质又称活质，是生物有机体的总和；
生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等；
生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、黏土、矿物和水。
由此可见，生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。
它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈（土圈）长期相互作用的结果。
2．内部圈层
（1）地壳。
地壳是地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分，其底界为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面）。
假如把地球比作鸡蛋的话，那么，地壳就相当于鸡蛋的蛋壳，其质量只占全球的0.2％。
地壳分陆壳和洋壳，
地壳中已发现的化学元素有92种，即元素周期表中1～92号元素。
地壳中不同元素的含量差别很大，含量最高的元素氧（47％）与含量最低的氡（10”‘）相差1017倍。
（2）地慢。
地壳往下的那一层叫做地幔，又称“中间层”，介于地壳和地核之间，是固体层，厚度为2900千米左右。
地幔可分为上下两层。
（3）地核。
地幔再往里就是地核，它的半径约为3500千米。
地核可分为外地核和内地核两层。
处在地表以下2900～4980千米的部分叫外地核，是液体状态。
4980～5120千米深处，是一个过渡带，从5120千米直到地心则为内地核，是固体状态。
地核的成分主要是铁，另外还有一些镍和碳元素。
内地核的半径约为1300千米，因为地核离开地面太深，很少有“信息”传来，所以我们至今对它了解得很少。
二、地壳运动
（一）海陆的起源
1．地球上的海陆分布
在地球总表面积中，大陆面积约占29％；
海洋面积约占71％。
大陆上最高的山峰是珠穆朗玛峰，海拔达8844.43米，最低点为死海，达-397米，海底最深处的马里亚纳海沟，深度达到11022米。
在“大陆漂移说”提出之前，以“地槽地台说”为代表的“海陆固定论”在大地构造学中一直占主导地位。
这种理论主张，地壳上的海洋和大陆自形成以来，位置和布局是固定不变的，地壳的运动以垂直升降运动为主，如坳陷沉降、褶皱隆起等。
但是，当“大陆漂移说”被提出来以后，人们的观念发生了巨大的改变。
2．魏格纳提出“大陆漂移说”
1912年，德国科学家阿尔弗雷德·
魏格纳提出了“大陆漂移说”，他认为，距今约3．5亿年前，全世界的大陆是一个连接在一起的、统一的超级大陆——“泛大陆”或联合古陆，世界的海洋是一个连续的整体——“泛大洋”。
由于潮汐力和地球自转离心力的作用，从距今2亿年前的中生代，大陆开始破裂成几块，它们就像漂浮在水面上的冰山一样彼此逐渐分离，经过漫长的地质年代，这些大陆块发生了巨大的水平运动，有的还伴有旋转运动，这才形成现今世界上各大洲、各大洋的位置，而且这种水平运动目前还在继续。
魏格纳还认为，山脉也是大陆漂移的产物，大陆漂移过程中遇到洋底的阻碍，前端产生挤压和褶皱，以致形成了山脉，例如欧亚大陆块向赤道漂移、冲撞，产生了巨大的褶皱带，以致形成像喜马拉雅山、阿尔卑斯山和阿特拉斯山等。
930年，魏格纳为了进一步论证大陆的漂移，在他50岁时，又一次去了位于北极圈内的格陵兰岛，可是，冰盖上的严寒无情地夺去了这位科学家的生命。
20世纪50年代末期，古地磁研究为“大陆漂移说”提出了第一个直接和独立的证明。
此后，利用计算机对大陆架轮廓的拼接也与魏格纳的说法出奇地相符，很多自然科学的分支学科取得的研究结果和数据，特别是在定量地测定大陆漂移速度和漂移路线后取得的成果进一步论证了大陆漂移的客观性。
“大陆漂移说”以其惊人的生命力“复活”了。
二海底扩张
1、海底三大发现
20世纪以来，由于使用地球物理的方法对海底进行勘探与研究，取得了一系列重要的发现，包括中央海岭、海沟和岛弧等。
但是，对于海底地壳运动规律的研究来讲，最重要的发现有3个方面：
（1）全球裂谷系及海底大断裂。
裂谷是由于地壳断裂作用所产生的地壳下陷区。
裂谷一词首先是英国人格雷格里于1894年用来描述东非肯尼亚陆壳下沉的构造火山坳陷的术语，后来，人们常从大地构造含义上来使用裂谷一词，主要指有火山活动和地震活动的全球裂谷系。
大洋中脊上的裂谷又称中央裂谷，是沿洋中脊轴部延伸的巨大的断裂谷。
其特点是，沿着大洋中脊有浅源地震带和高热流值带的分布。
例如大西洋洋中脊上的洋中谷，就像一条中线一样，把洋中脊从顶峰沿轴线划为两半，而且各大洋的洋中脊无一例外地都有这样的断裂谷，所以地质学家们称之为“全球性大断裂谷”。
有一定生成联系的裂谷组合称为裂谷系，根据其在地球上的分布特点可以分为3类：
大洋裂谷系、大陆裂谷系和陆间裂谷系。
世界上一些主要裂谷系常常相互联系而构成全球裂谷系。
不同类型的裂谷系代表不同的裂谷发育阶段，地壳分裂最初阶段发育大陆裂谷系，以后出现陆间裂谷系，最终形成大洋裂谷系。
另外，洋中脊虽然长达65000余千米，但是它和它顶端的大断裂谷都不是延续不断的，它们多处被截断。
这些洋中脊的截段彼此错开，并不在一条直线上，很少有截段能连续不断地延伸达数百千米。
（2）海底地磁异常与磁条带。
各个地质时代的岩石中，常常有一定的磁性，指示岩石生成时期的地磁极方向，这叫做古地磁或自然剩磁。
在岩浆岩中带磁性矿物所表示的磁性，称为热剩磁；
在沉积岩中带磁性物质所表示的磁性，称为沉积剩磁或化石剩磁。
岩石的磁性标志了岩石形成时的地磁场方向。
一个地区的古地磁，在经过一段历史时期之后，常常倒转180°
，即指示相反的方向，这种现象称之为地磁倒转（转向）。
根据在大西洋、太平洋及印度洋地区的洋底岩石古地磁测算，在大约8000万年以来的时期，地磁极倒转（转向）已达170多次，可以用以对比地质年代。
1962年，各国科学家乘英国的“欧文”号在印度洋的卡尔斯堡脊上进行磁测，事后将测量结果交给剑桥大学的马修斯的研究生瓦因进行分析。
瓦因推论，沿中脊喷发的岩浆冷却后被打上了地磁的印记，岩浆涌出而形成新地壳的过程重复发生，从而形成磁条带。
这就是著名的“瓦因—马修斯假说”。
（3）海底热流异常。
1671年，波义耳最早指出地下温度随深度而增高。
17～18世纪，矿工们提供了不少感性材料。
19世纪，通过对火山的研究，建立起地热流的概念。
全球裂谷系、海底磁条带、海地热流异常被称为20世纪海底三大发现。
三、海洋资源
1．海洋——生命的摇篮
从太空看地球是蓝色的，这是因为我们生活的地球上海洋占2／3的面积。
海洋是地球上最大的水环境，她不仅孕育了生命，孕育了地球文明，还是地球上的气候调节器，为包括人类在内的各种生物的生存提供了多种条件。
大海给予人类生命，人类更应该了解大海、利用大海，更好地爱护大海、回报大海。
目前人类对海洋的了解、利用与开发还远远不够，甚至对海洋的资源储备情况还未掌握。
2．海洋——资源的宝库
世界海洋中有2．5亿平方千米公海和国际海底区域，其中有着丰富的共有海洋资源。
随着陆地战略资源的日益短缺，沿海各国不断加大向海洋索取资源的力度，重视对海洋“蓝色国土”的开发利用和保护。
人类社会的可持续发展必然越来越多地依赖海洋，开发利用海洋资源对于人类的长远发展具有十分重大的战略意义。
（1）海洋资源种类繁多。
海洋是蓝色的资源聚宝盆。
（2）海洋资源潜力巨大。
（3）海洋资源开发难度大。
3．我国的海洋资源态势
我国跨越热带、亚热带和温带，东南濒临渤海、黄海、东海和南海，海岸线漫长，港湾众多，海域辽阔，广袤的海洋蕴藏着极其丰富的海洋资源。
我国海洋资源的基本特点是：
（1）海岸线漫长，海域辽阔。
我国大陆位于西北太平洋沿岸，大陆海岸线长达18000多千米，海洋渔场面积200多万平方千米，大陆架面积130多万平方千米，拥有丰富的资源。
我国还可以方便地进人世界大洋，开发利用公海和国际海底区域的海洋资源
（2）开发海洋形成了多产业组成的海洋经济体系。
（3）海洋资源开发保护中尚存在较多的问题。
①海洋资源平均值低于世界平均水平。
②重要海洋资源优势不足。
在世界海洋油气资源丰富的沉积盆地中，中国近海不占优势。
世界上海洋油气资源储量主要集中在波斯湾、北海、几内亚湾、马拉开波湖、墨西哥湾、加利福尼亚西海岸等几个地区，这些地区的油气总储量占世界海上探明储量的80％。
据预测，中国近海的石油可采储量仅占世界储量的3％一12％。
③开发不足和过度开发并存。
与发达国家相比，我国的海洋资源开发利用程度不高，海洋经济发展总体水平较低，既因开发不足而有巨大潜力，又有过度利用和资源衰退问题。
④与海洋资源相关的海洋环境问题日益严重。
⑤海洋权益和海洋资源争端尖锐复杂。
海洋权益是国家利益的重要组成部分，海洋权益争端的实质就是海洋资源争夺，是经济利益的争夺。
目前，我国面临的海洋资源和海洋权益争端尖锐复杂。
东海是中、日、韩三国渔民共同作业的渔场，渔业矛盾很多。
除此之外，东海丰富的油气资源也存在着争议。
（三）海洋技术
海洋是生命的摇篮，在这浩瀚而幽深的神秘世界里，至今还生活着众多奇异的海洋生物，海洋中蕴藏着远比陆地丰富得多的自然资源。
海洋是全球生命支持系统的一个重要组成部分，也是人类社会可持续发展的宝贵财富。
当前，随着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题的日益严峻，各沿海国家纷纷把目光投向海洋，加快了对海洋的研究开发和利用，一场以开发海洋为标志的“蓝色革命”正在世界范围内兴起。
海洋技术也叫海洋工程，是以海洋资源勘查和开发为核心的新兴技术，它主要包括各类海洋现象的研究、海洋矿物的开采、海洋生物的捕捞和养殖、海水化学资源的提取、海洋空间的利用等。
目前，现代海洋工程已经使用了世界上最先进的技术，包括卫星导航和定位技术、遥感技术、通信技术、电子技术、水声技术、生物工程技术、造船技术、深潜技术、打捞技术等。
这些先进技术的使用，使传统海洋开发走上高技术发展轨道，同时出现了许多高新技术领域。
现代海洋技术是建立在现代海洋科技理论和其他技术领域最新成就基础上的跨学科的综合性高技术体系，现代海洋开发正在由浅海向深海大洋推进，无论其广度还是深度都是空前的。
海洋资源的开发已经对世界经济的发展做出了重大贡献。
据联合国秘书长报告的资料，目前世界国民经济总量约为23万亿美元，其中海洋经济约为1万亿美元，占4％以上。
全球陆地为人类提供的生态价值为12万亿美元，海洋提供的生态价值为21万亿美元。
（一）海洋矿产资源开发技术
海洋矿产资源是指海滨、浅海、深海、大洋盆地和洋中脊底部的各类矿产资源。
在海洋矿产资源中，以海底油气资源、海底锰结核及海滨复合型沙矿经济意义最大。
1．海底石油、天然气
海底石油、天然气多“栖身”在海洋中的“大陆架”和“大陆坡”底下。
浅海的地层常常是沙层、页岩、石灰岩等构成的，这些都叫做沉积岩。
沉积岩本来应当成层地平铺在海底，但由于地壳变动，使它们弯曲、变斜或断开。
向上弯的叫背斜，向下弯的叫向斜，有的像馒头一样隆起，叫穹隆背斜。
有些含有油气的沉积岩层，由于受到巨大的压力而发生变形，石油都跑到背斜里去了，形成富集区，所以背斜构造往往是储藏石油的“仓库”，在石油地质学上叫“储油构造”。
通常，由于天然气密度最小，处在背斜构造的顶部，石油处在中间，下部则是水。
地球物理勘探是研究和寻找海上石油最基本的方法。
目前世界上一些主要的油田构造，多是采用地震法找到的。
利用人工地震产生弹性波，根据岩层对弹性波产生反射和折射的性质来了解海底沉积层的厚度和地质结构，便可以确定储油构造的分布情况。
这些调查方法只能证明海底有没有储油构造，究竟这一构造层里有没有石油，还得靠钻探。
钻探时将油层构造中的岩芯一段段地分析研究，油层变化规律和分布情况都搞清楚了，就可以开采了。
2．大洋锰结核
锰结核又叫锰矿瘤或锰团块，是一种海底稀有金属矿源。
黄褐色的锰结核，外形像土豆，切开来看，一层层的又像葱头。
这种结核体往往是以贝壳、珊瑚、鱼牙、鱼骨为核心，把其他物质聚集在周围。
锰结核是一种经济价值很高的矿产，开采海底锰结核获取这些金属显得尤为必要。
调查表明，锰结核广泛分布于4000～5000米的深海底部，它们是未来可利用的最大的金属矿资源。
令人感兴趣的是，锰结核是一种可再生的多金属矿物。
它每年以约1000万吨的速率不断地增长着，成为一种取之不尽、用之不竭的矿产。
我国从20世纪70年代中期开始进行大洋锰结核调查。
1978年，“向阳红05号”海洋调查船在太平洋4000米水深海底首次捞获锰结核。
经多年调查勘探，在夏威夷西南、北纬7°
～13°
、西经138°
～157°
的太平洋中部海区，探明了一块可采储量为20亿吨的富矿区。
1991年3月，联合国海底管理局正式批准中国大洋矿产资源研究开发协会的申请，从而使中国得到15万平方千米的大洋锰结核矿产资源开发区。
同时，依据1982年《联合国海洋法公约》，中国继印度、法国、日本、俄罗斯之后，成为第五个注册登记的大洋锰结核采矿“先驱投资者”。
3．海底热液矿藏
20世纪60年代中期，美国海洋调查船在红海首先发现了深海热液矿藏。
而后，一些国家又陆续在大洋底部张裂的地带发现了30多处由海底溢出物质而形成的矿藏——海底热液矿藏。
热液矿藏又称“重金属泥”，由于裂谷不断扩张，地幔的熔岩流出来，加热了沿裂缝下渗的海水，大量的矿物质和溶解盐类，也趁机溶进海水。
在这些热的海水里面，含有丰富的铁、锰、锌和铅等多金属矿物，这些矿物能像植物一样，以每周几厘米的速度飞快地增长。
当海水在高压下受热与岩石发生反应时，海水的化学组成就改变了。
许多金属离子自岩石中溶蚀出来，使海水的成分大为改变，形成所谓的“热液”。
这些含有金属离子的高温溶液自岩石的孔隙中流出，混入上面的海水中，溶液中主要的金属离子铁和锰很快地沉淀于海水中，并沉积于孔隙附近，形成一种很特殊的泥状“富含金属的沉积物”。
这些沉积物与陆地上富含金属的矿藏相似，在陆地上人们开采的许多重要矿床，也是几百万年以前在海底经同样的化学过程形成的。
在当今技术条件下，虽然海底热液矿藏还不能立即进行开采，但是，它却是一种具有潜在力的海底资源宝库。
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