地球科学概述

地球科学概述

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。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 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。人们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚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，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、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，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。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—11 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 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13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，提出东西两端的气候差异和海洋性气候、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，19）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，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。固体地球科学的主要是大地构造理论上围绕活动论与固定论发生的思想。传统的地质观念认为，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，曾有过长距离的水平运动， 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“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。

    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、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，特别是研究方法与手段上的，通常称为地理学的计量。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”口号，60 年代初这一趋势推向欧洲和全球。地理学计量的实质是 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”。