地球科学概论讲义+笔记.docx
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地球科学概论讲义+笔记
宇宙中的地球
重点
1.“地球科学”基本概念
2.“将今论古”原理
3.研究方法、研究意义及发展简史
∙一、宇宙（university）
古人称“四方上下曰宇，古往今来曰宙”。
宇宙是无限、永恒、不断运动变化的客观物质世界。
“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。
o
（一）、宇宙中的天体和物质
1.恒星（star）
恒星是由炽热气体组成的、自身能够发光的球形或类似球形的天体。
其主要特征是：
宇宙中最重要的天体，集中了宇宙中相当大的能量；构成恒星的主要气体为氢、其次为氦，其他元素很少；拥有巨大质量是恒星能发光的基本原因；体积相差悬殊，小则直径1000km，大者为太阳的2000倍；平均密度相差悬殊；距离地球都非常遥远，最近的半人马座a星4.3l·y；恒星不恒，一直在运动。
2.星际物质
弥漫于星际空间内极其稀薄的物质，包括星际气体和星际尘埃。
3.星际云
星际物质的密集形式。
4.星云（nebula）
星际物质更加庞大和更加密集的形式。
5.天体系统（spheresystems）
宇宙中物质是运动的，并有一定的系统和规律，相互吸引和旋转，该系统叫天体系统。
o
（二）、宇宙的起源
20世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M.Slipher）发现星系以每秒数十万米高速退行；1929年，哈勃（E.P.Hubble）观测到河外星系退行资料，离我们愈远退得愈快；1916年，爱因斯坦（A.Einstien）提出广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论；天文学家继续观测证明，宇宙在膨胀；宇宙为何膨胀？
宇宙大爆炸的产物；多种事实证明，大爆炸的发生，距离今约150亿年。
∙二、太阳系（solarsystem）
o
（一）太阳系的主要特征（启发式，师生共同讨论，抓住以下要点）
太阳是其中唯一的一颗恒星，占太阳系99.87%，发出强光和热；围绕太阳旋转的是9大行星，小行星带及卫星、陨星和彗星等；太阳系天体以太阳为中心作高速旋转，自转和公转方向相同；行星分布及运转几乎都在一个共同平面内，该平面叫赤道面。
o
（二）太阳系的起源（用幻灯简述）
康德—拉普拉斯星云假说。
1775年，哲学家康德（I.kant）认为，在万有引力作用下，原始弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体；1796年，法国科学院院士拉普拉斯（P.S.Laplace）从数学和力学角度进行了阐述：
太阳系本是一团旋转的炽热气体，由于冷却收缩，越转越快，离心力加大，变得扁如圆盘；当外缘离心力大于引力时，一部分物质被抛出，成为圆环；抛出物分离，凝结成行星；行星周围的卫星也有类似形成过程；星云中心成为太阳。
∙三、地球的诞生
拉普拉斯设想太阳系是炽热气体冷凝而成，星云物质冷却收缩的过程就是地球形成过程。
天文探测和地质研究结果不支持这种假设，认为形成太阳系的星云不是热的，而是冷的气体和尘埃。
目前较为一致的看法：
冷星云里微粒互相吸引形成星子；星子互相吸引，大吃小，不断吸积，逐渐增大，形成尘埃集合体；温度高，轻者（气体）跑掉，重者（尘埃）以固体为主，留在地球表面，受万有引力作用向中心聚积，体积缩小，物质密度越来越大；收缩并非无限，由于惯性离心力作用达到平衡；尘埃向中心集中，体积收缩，压力加大，会放出热，放射性元素蜕变和陨石撞击会放出热，因此，局部或一个时期的地球是高温熔融状态，（尤其在太古宙，46Ma）；收缩停止，热者上升，又发生膨胀，轻者上升，重者下沉，形成了地核、地幔、地壳和水圈、大气圈等内部、外部圈层构造。
总之，行星地球是宇宙中的尘埃在引力的作用下逐渐形成的。
∙四、地球的形状
o
（一）地球的形状与大小
我们通常说的地球形状指大地水准面所圈闭的形状。
大地水准面（geoid）—由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。
地球的真实形状略呈梨形，南极向内下凹30m，北极向上凸出约10m。
国际大地测量与地球物理联合会（1980）公布地球大小主要数据如课本P23所示。
o
（二）地球的表面形态
分陆地（30%）、海洋（70%）两部分；陆地多分布在北半球；海洋多分布在南半球；无论陆地或海底，表面起伏不平；世界屋脊（第三极）珠穆朗玛峰海拔8848.13m；太平洋西侧的马里亚纳深海沟，海拔-11034m。
o（三）陆地地形特征
6.山地（mountains）：
海拔高程大于500m，相对高差大于200m的地形
500m—1000m低山
1000m—3500m中山
＞3500m高山
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。
大陆上最宏伟、最重要的山系：
阿尔卑斯—喜马拉雅山系和环太平洋山系。
7.丘陵（hills）：
海拔小于500m
海拔＜500m，相对高差数十米的低矮浑园地形。
8.平原（plain）
海拔＜200m，相对高差数不超过数十米。
9.高原（plateau）
海拔＞500m，表面比较平坦。
10.盆地（basin）
周围高，中央低的地区。
11.大陆裂谷（continentalrift）
宏伟的线状洼地，如东非裂谷，是地壳上拉张的结果，呈“之”字型。
o（四）海底地形特征
海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个地形单元。
12.大陆边缘（continentalmargin）
大陆与大洋盆地之间的过渡带，包括大陆架、大陆坡和大陆基。
图1－2海底地形的主要单元示意图
▪大陆架（continentalshelf）
海与陆地接壤的浅海平台，坡度小于0.3°。
▪大陆坡（continentalslope）
大陆架外侧坡度明显变、陡部分，平均坡度4.3°。
▪大陆基（continentalrise）
大陆坡与大洋盆地之间缓倾斜坡地，坡度为5′—35′。
▪岛弧（islandarc）
大洋边缘延伸距离很长，呈弧形展布的群岛。
如阿留申、千岛、日本、琉球、菲律宾、马里亚纳等群岛。
▪海沟（trench）
大洋边缘的巨型带状深渊，长度达1000km以上，宽度大于100km。
岛弧与海沟二者常组成岛弧—海沟系。
大陆边缘分两类：
一类由大陆架、大陆坡和大陆基组成，主要分布于大西洋，故称大西洋型大陆边缘；
另一类由大陆架、大陆坡和岛弧—海沟组成，主要分布于太平洋，故称太平洋型大陆边缘。
13.大洋盆地（oceanicbasins）
介于大陆边缘与大洋中脊之间的较平坦地带，平均水深4000—5000m。
14.大洋中脊（mid—eanicridge）
绵延在大洋中部（或内部）的巨型海底山脉，常发生地震和火山。
大洋中脊轴常有一条纵向延伸的裂隙状深谷，称中央裂谷。
∙五、大陆型地壳与大洋型地壳
表1-1大陆地壳与大洋地壳对比表
大陆地壳
大洋地壳
比例
面积的40%
占地壳
体积的79%
质量的63%
面积的60%
占地壳
体积的21%
质量的37%
平均厚度
33km
6km
平均密度
2.7g/cm3
3.0g/cm3
成分
沉积岩、岩浆岩、变质岩均有；SiO2含量＞60%；低价铁和镁的氧化物百分含量低，分别为3.8与3.1，但铁的总含量高。
几乎全部由火山岩组成；SiO2＜50%；低价铁和镁的氧化物百分含量高，分别为6.2与6.8，但铁的总含量低。
岩石时代
各地质历史时期形成的岩石均有，最老岩石年龄可达3800Ma。
岩石大部分生成于最近50Ma中，最老岩石不超过200Ma。
地质作用和地质构造
岩石受到强烈挤压，形成褶皱、断裂和由它们构成的高大山脉，区域变质作用较普遍。
没有强烈挤压褶皱形成的大山，海底大山主要为火山作用形成的。
没有区域变质作用。
引张大断裂发育。
重力异常
以负异常为主。
以正异常为主。
结构
上部为花岗质层（硅铝层），下部为玄武质层（硅镁层），最表层有不连续分布的松散沉积物。
底部为玄武质层（硅镁层），上部为松散沉积物层，两层之间为玄武岩夹已固结的沉积岩透镜体。
∙六、地壳的重力均衡（用船只、水中漂浮物等举例说明）
2.地壳厚度各处不同
一般地壳厚度较大的地方，地势较高；地壳越薄的地方，地势越低（图1-3）。
图1-3不同地理单元地壳厚度的差异
3.艾利的山根说
美国天文学家艾利（G.B.Aity,1855）认为，厚度大的地壳有较大重量，但因其下沉深，所获的浮力大；而厚度小的地壳具有较小重量，因其下沉浅，所获的浮力小，故两者都能达到均衡。
艾利看法的重点是高山之下有“根”，故称山根说（theoryofmountainroot）。
例如海中航行的船只，水中漂浮物等。
4.目前的观点
现今认为，均衡现象是存在的，但是引起均衡的动力不是岩块的浮力，而是重力。
其原理是，地球内部某一深度可以找寻一个水平面，称为补偿基面（compensationlevel）。
在此面单位面积上的所承受的上覆岩块的总重量都相同。
以此补偿基面为准，高山地区地势虽高，地壳厚度大，但其下部地幔厚度小；大洋地区地势虽低，但其拥有的地幔厚度大。
故两处岩块的总重量相等，从而可保持重力均衡（isogtasy）。
重点复习题
∙
（一）基本概念
1.宇宙；2.恒星；3.大陆裂谷；4.岛弧—海沟系；5.重力均衡。
∙
（二）画示意图并说明
1.海底地形特征；2.重力均衡示意图；3.地球形状
∙（三）填空
1.宇宙产生于¾亿年的大爆炸。
2.行星地球是¾在引力作用下逐渐形成的。
∙（四）回答问题
1.恒星的主要特征是什么？
2.太阳系有哪些主要特征？
3.简述地球的诞生。
4.宇宙的内涵究竟怎样理解？
如何认识？
5.何谓均衡原理？
地球的外部圈层
大气圈和生物圈
重点
对流层与平流层及DNA和RNA。
∙一、 大气圈
大气圈（atmosphere）是因地球引力而聚集在地表周围最外部的气体圈层。
o
（一）、大气的组成
1.恒定组分
主要由氮（78.09%）、氧（20.94%）、氩（0.93%）组成。
2.可变组分
二氧化碳、臭氧和水蒸气,随季节、气象、和人类活动的影响而发生变化。
3.不定组分
这部分物质在大气中含量变化非常大，如尘埃、硫化氢、煤烟、金属粉尘等。
它们一是来源自然界，二是来自人类生产、生活活动。
o
（二）、大气圈的结构
自地面向上，依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层（对流层和平流层最重要）。
4.对流层（troposphere）
对流层的主要特征是：
①温度随高度增加而降低，平均升高1km温度降低6℃（大气降温率）；②空气具有强烈的对流运动，因而发生一系列天气现象，如风、雪、云、雨等；③气象要素水平分布不均匀，天气现象复杂；④受人类活动影响最显著，污染严重；⑤占大气圈总质量的70%—75%。
5.平流层（stratosphere）
平流层是从对流层顶至35—55km高空的大气层，其主要特征是：
①质量约占大气圈总质量的20%；②气流以水平方向运动为主（最显著特征）；③不存在对流层中各种天气现象；④该层上部存在多层含臭氧的层，能吸收紫外线，因而是生物的保护伞；⑤随高度增加温度升高。
6.中间层（mesosphere）
自平流层顶至85km高空的大气层，气温随高度增加而下降，故又称冷层，空气又出现对流。
7.暖层（thermosphere）
从中间层顶到800km高空的大气层，温度随高度增加而上升，氧、氮被分解成电离状态，又称电离层。
8.散逸层（exosphere）
位于800km以上至2000—3000km的高空，地球引力作用弱，气体质量不断扩散，亦称外逸层。
o（三）大气的热状况
9.大气受热过程
10.气温的日变化、年变化和水平分布有何特征？
o（四）大气的运动
11.大气运动的力
1.真正造成大气水平运动的动力是水平梯度力。
2.运动的大气还会受到地转偏向力等的作用。
地转偏向力是由于地球自转和地球的球面效应所引起的（图2-1）低纬度向高纬度运动的大气，使风向东偏。
高纬度向低纬度运动的大气，使风向西偏。
图2-1地转偏向力示意图
3.河流的侧蚀，在北半球偏向东岸；在南半球偏向西岸。
4.用由西向东转动乒乓球上的发射物演示，在其北部向东落，在其南部向西落。
5.用从西向东转动的赤平投影球演示，由于赤道大圆处转得最快，在上半球从南向北发射的物体向东落，在下半球从南向北发射的物体向西落。
∙二、生物圈
生物圈（biosphere）是指地球表层由生物及其生命活动地带所构成的连续圈层。
o
（一）生物圈的主要组成
12.原核生物界
单细胞，无真正的细胞核，如细菌和蓝绿藻。
13.原生生物界
单细胞，有细胞核，如藻和原生动物。
14.真菌界
低等真核生物，如蘑菇，木耳等。
15.植物界
16.动物界
o
（二）DNA
17.概念
生命是一种能自我复制、记载、累积和传递遗传信息的有机体，掌握这个生命系统运作的是细胞核中的脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic），即DNA。
18.组成
①组成的大分子有三种：
脱氧核糖（s）、磷酸盐（p）和碱基。
②次一级单元是核苷酸，s居中，两端连接p，侧面连接碱基。
碱基有四种：
腺嘌呤A（adinine）、鸟嘌呤G（guanine）、细胞嘧啶C（cytosine）和胸腺嘧啶T（thymine）。
他们有严格的配对关系。
人们梦寐以求的基因或称遗传密码，就藏在其中。
o（三）RNA
另一种对生命活动有重要意义的核糖核酸（Ribonucleicacid）即RNA。
o（四）RNA与DNA的关键差别
19.核糖取代了脱氧核糖；
20.尿嘧啶（uracil）取代了胸腺嘧啶；
21.RNA为单链结构而DNA为双链结构；
22.RNA包括三种类型m（信使核糖核酸mRNA，核糖体核糖核酸rRNA和转移核糖核酸tRNA）
o（五）DNA与RNA的相互作用
一个细胞就像一个工厂，DNA为总设计师，mRNA复制并带来图纸，rRNA是车间，tRNA是运输工具。
在DNA统一指挥下，这个工厂按照图纸合成蛋白质，生命从而得到延续、发展。
重点复习题
∙
（一）基本概念
大气圈生物圈DNA
∙
（二） 简述下列两组基本概念的主要区别
1.对流层与平流层2.DNA与RNA
∙（三）回答
简述DNA与RNA的相互作用。
水圈
重点
海水、河流和冰川。
∙一、 水圈（hydrosphere）
指由地球表层水体所构成的连续圈层，以气态、固态和液态三种形式为主。
海洋占97%，冰川占2.15%，地下水占0.6%。
∙二、水的类型
据天然水所处的环境不同分海水、大气水和陆地水三类。
o
（一）海水（seawater）
▪①盐度介于3‰—37‰之间，以35‰代表海洋的标准盐，如果明显高于35‰的海洋称为咸化海，如红海（＞40‰），低于35‰的为淡化海，如波罗的海（＜10‰）。
▪②海水的运动呈波浪状，水质点基本绕某个平衡位置作圆周运动，只是向前移动很小距离。
引申张伯声院士创立“地壳波浪运动”形式：
宏观（地层弯曲）；微观（波状消光）；超微观（位错像“毛毛虫”运动）。
▪③海啸（tsunami）
地震、火山喷发可释放出巨大的能量，产生汹涌的海浪，波高可达几十米。
▪潮汐（tide）
全球性海水周期性涨落现象。
太阳、月球对地球的引力与离心力的合力为引潮力。
在地—月体系中，该合力在对月点和背月点最大，且方向垂直指向球面外空间，因而可使海面上升凸起，发生涨潮。
而在对月点、背月点方位为90°的地区，合力最小，形成落潮。
由于地球自转，地球上同一地点一天内可出现两次涨潮和落潮。
如果月球、太阳、地球处在一条直线上时，可出现特高潮和特低潮。
由潮汐引起海面高度变化迫使海水作大规模水平运动，称为潮流。
这对海岸的剥蚀、搬运、沉积有重要作用。
▪海（洋）流（oceancurrent）
大洋中沿一定方向有规律移动的海水。
▪⑥浊流（turbiditycurrent）
海洋或湖泊中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流，多由地表、火山等因素引发，因而具有较大的剥蚀、搬运能力，常形成冲槽、冲沟、铸模等，沉积物具鲍马序列。
o
（二）陆地水（continentalwater）
1.地面流水
1.暂时性流水
片流（sheetflow）：
刚下雨后，沿山体斜坡无固定水道的面状流水。
洪流（floodflow）：
下雨后沿山谷或河道流动的暂时性线状流水。
2.常年性流水
河流（river）：
地球表面具有固定河道的线状常年性流水。
水系和干流的概念：
大大小小若干条河流组成的水流系统为水系。
水系与水系之间以分水岭相隔，如长江、黄河水系。
水系中最大、直接注入海洋或湖泊者为干流，如长江、黄河。
注入干流者为支流，如渭河为黄河的一个重要支流。
层流：
水质点平行运动。
紊流：
水质点运动紊乱，无规律。
环流：
水质点绕平行方向的轴作螺旋状规律运动。
涡流：
水质点绕垂直方向的轴作螺旋状运动。
2.地下水（groundwater）
1.岩石中存在孔隙、裂隙和溶隙（用幻灯演示岩石显微照片）。
2.包气带水：
埋藏在包气带中的水。
3.潜水：
埋藏在地表之下第一个稳定隔水层以上，具有自由表面的重力水（饱水带水）。
4.承压水：
埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水（层间水）。
3.湖泊（lake）
1.世界上最大的湖泊是西亚的里海（咸水湖），面积约43×104km2。
第二大湖是北美的苏比利尔湖（淡水湖），面积8×104km2
2.世界上最深的湖泊是俄罗斯的贝加尔湖，水深1741m。
3.世界上最高的湖泊是我国西藏高原的纳木湖，海拔4718m。
最低的是死海，海拔-395m。
4.沼泽（marsh）
陆地上潮湿积水，喜湿植物大量生长并有泥炭堆积的地方，成因有多种。
5.冰川（glacier）
指由积雪形成并能运动的冰体。
可分两类：
1.大陆冰川（continentalglacier）
分布在高纬度和两极，雪线低，面积大，冰层厚，由中间向四周流动，流速快。
2.山岳冰川（mountainsglacier）
分布在高山地带的冰川，雪线高，规模小，冰层薄，面积小，受地形控制，从上往下流动。
3.冰川的运动
为固体流，上部具脆性变形，下部为塑性变形，可见羊背石、丁字擦痕、漂砾等。
o（三）大气水
存在于大气圈对流层中的水，以气态形式存在。
主要来自海水蒸发，由于污染可形成酸雨，可使地面具“温室效应”。
重点复习题
∙
（一）基本概念
水圈潮汐浊流冰川包气带水潜水承压水
∙
（二） 简述下列两组基本概念的主要区别
1.大陆冰川与山岳冰川；2.片流与洪流；3.层流与紊流；4.环流与涡流。
∙（三）填空
1.世界上最大湖泊是＿，为＿水湖，面积＿km2。
2.世界上第二大湖泊是＿，为＿水湖，面积＿km2。
3.世界上最深湖是＿，水深＿m。
4.世界上最低湖是＿，海拔＿m。
5.世界上最高湖是＿，海拔＿m。
∙（四）回答
6.海水有何性质？
如何运动？
为什么？
7.冰川是如何形成的？
怎样运动？
8.简述水圈的循环。
9.地球上的水为什么处在永不停息的运动之中？
地球的内部圈层
地球内部圈层的划分
重点
三个一级圈层和两个一级界面。
∙一、 地球内部的主要物理性质
o密度（density）
密度=质量/体积；0km处密度约2.6g/cm3；＜33km处密度约2.9g/cm3；＞33km处密度约3.32g/cm3；＜2885km处密度约5.56g/cm3；＞2885km处密度约9.98g/cm3；内核处为12.51g/cm3；
总体规律是：
从地表到地心，密度逐渐增大，在33km、2885km以及其他深度，密度突然增高。
o压力（compressivestress）
静岩压力，即压强（intensityofpressure）随深度增加压力不断增加；33km处为1200Mpa，2885处为135200Mpa，地心处可达361700Mpa。
o温度（temperature）
变温层（外热层）—地表受太阳影响，温度一年四季，白天黑夜呈周期变化的表层。
常温层—外热层之下，地温常年保持不变的地方。
地热增温率或地温梯度（geothermalgradient）—常温层之下，每向下加深100m所升高的温度，平均3℃。
地热增温级—温度每增加1℃所增加的深度，是地温梯度的倒数。
33km处约400℃—1100℃，2885km处为3700℃，地核高达4500℃。
o重力（gravity）
地球吸引力和离心力的合力。
具有随纬度增高而增加的规律。
33km为983Gal，2885km为1069Gal，0km—2885km递增，且达最大值；2885km—地心递减，最终变为0。
o磁场（magneticfield）
地球周围存在着磁场，称为地磁场（geomagneticfield）。
o地磁要素（geomagmetic）
磁偏角—磁场强度矢量的水平投影与正北方向的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。
磁倾角—磁场强度矢量与水平面的交角。
磁场强度—磁场大小的绝对值，平均为50μT。
磁异常（magneticanomaly）—地球浅部具磁性物质引起的局部异常。
o地震波（earthquakewave）
表3-1地球各圈层的物理特征
纵波—质点振动方向与传播方向相同，速度快，任何物质均可通过，又称P波；横波—质点振动方向与传播方向垂直，速度慢，不能通过液态介质，又称S波；33km处，P波的速度从7.0km/s突然增加至8.1km/s，S波的速度从4.2km/s突然增加至4.4km/s；60—100km处，P波从8.2km/s降至7.93km/s，S波从4.6km/s降至4.36km/s；2885km处，P波从13.54km/s降至7.98km/s，S波从7.23km/s降至0；5155km处，S波从0变为3.46km/s。
∙二、地球内部圈层的划分
根据前面讲授的地球内部各种物理性质，尤其是地震波波速的变化，可将地球内部划分为以下三个一级圈层和两个不连续界面：
1.地壳（crust）
0—33km，大陆型地壳（Si—Al层）以花岗岩为代表；大洋型地壳（Si—Mg层），以玄武岩为代表
2.地幔（mantle）
33—2885km。
上地幔（33—650km），上部为固态（33—60km）；中部为部分熔融状态（60—250km，岩浆发源地），上地幔上部固态与地壳组
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