面21世纪课材 Textbook Series for 21st Century 地学基础 陈静生汪晋三主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS
前 言 《地学基础》是全国普通商等学校环境科学教学指导委员会确定的环境科学 专业和生态学专业的共同专业基础课教材，其任务是为上述两专业提供地学的 基本知识、基础理论和基本技能。 地学是地球科学的简称，它包括地质学、地理学、气象学、水文学和土壤学 等。它涉及的学科庞博、内容繁多，在有限的课时内，很难将地学各学科的内容 进行详细介绍。所幸的是，在地理学专业中，所开设的自然地理课程，其内容包 括地学各主要学科有关的理论和知识，尤其是强调地学现象的相互联系，是一门 比较符合环境科学和生态学两专业需要的地学基础课程。因此，本书在参照该 课程体系的基础上，结合环境科学类专业特点，对内容进行了调整和补充。 本书内容包括前言、绪论、字宙中地球、岩石圈、大气圈、水圈、土壤圈、地球 表层系统、地图与遥感和实习等。 绪论介绍了人类一环境系统、研究人类一环境系统的学科以及它们之间关 系和环境地学的分支学科和内容；第一章宇宙中的地球，不仅介绍地球的年龄、 演化、结构和运动，而且以更宏观的角度从宇宙、太阳系来介绍地球；第二章岩石 圈，介绍岩石圈的物质组成、地壳构造运动和岩石圈物质的运动；第三章大气圈， 介绍大气的组成与结构，大气热能、温度、水分，大气的运动、天气系统和气候等； 第四章水圈，介绍水的分布、水分循环、水量平衡、天然水化学、水资源和主要水 体海洋、河流、湖泊与地下水的形成和运动特征；第五章土壤圈，介绍土壤的基本 特性、形成规律、土壤类型和土壤污染与退化；第六章地球表层系统，在介绍各圈 层特征的基础上，从地球表层整体和各圈层相互联系的角度，阐明地球表层环境 的地域分异和规律、并介绍自然区划、地球表层系统与人类；第七章地图和遥感， 是地学较普遍应用的技术，在环境科学中也常被应用，因此，将其作为本教材内 容之一。此外，本书配有7个实习，可供各校教学参考。 地学基础本应包括生物圈内容，考虑到环境科学类专业，已开设生物学基础 及实验和生态学基础等多门生物课程，为了减少重复，本教材没有编入生物圈内 容。 在《地学基础》编写过程中，全国普通高等学校环境科学教学指导委员会和 环境科学类专业教学内容和课程体系改革研究项目组，曾组织专家对地学基础 大纲进行讨论和指导；高等教育出版社张月娥编审和陈文副编审积极推动教材
的编写;北京师范大学李天杰教授曾多次对本教材的大纲提出宝贵意见;北京大 学黄润华教授和南京大学彭补拙教授对本教村进行了认真的审阅,并提出修改 建议;在此一并表示感谢。 〈地学基础》编写分工为:主编北京大学陈静生、中山大学汪晋三。前言由汪 晋三编写,绪论由陈静生编写,第一章字宙中地球、第七章地图与遥感和实习六、 七由中山大学张云霓编写,第二章岩石圈由汪晋三、韦献革编写,实习一、二由韦 献革编写,第三章大气圈和实习三由中山大学王雪梅编写,第四章水圈由陈静 生、洪松编写,实习四由中山大学叶锦昭编写,第五章土壤圈和实习五由中山大 学仇荣亮编写,第六章地球表层系统由南京师范大学倪绍样编写。 編者 2001-03-10 之h
目 录 绪论 、人类一环境系统……………………………… 二、研究人类一环境系统的当代学科 、环境地学的内容 第一章宇宙中的地球 …………………………………"…………17 第一节宇宙和天体 17 、宇宙和天体… 、宇宙的形成假说 第二节太阳和太阳系…………… 、太阳…… 、太阳系………………… 三、太阳系的起源 第三节地球的年龄和演化…… 、地球的年……………… 地球的演化…………… 第四节地球的结构 31 、地球的内部绪构 、地球的外部结构(海陆分布)…………………… 第五节地球的运动…… 地球的自转 →、地球的公转…………… 第二章岩石……………… 第一节岩石圈的物质组咸…………… 47 、地壳的化学元素组成…… ………47 二、矿物和岩石……………………… 第二节内力作用下的地壳构造运动……… …61 、地壳构造运动 、地壳运动引起的环境灾害…… 第三节外力作用下的岩石圈物质运动 风化作用与风化壳……
、重力作用………………… 水力作用 。、 9 四、风力作用……… 第三章大气圈 …………………119 第一节大气的组成与结构 119 、大气组成 …119 二、大气的垂直结构 ………121 、有关大气的物理性状………………………………………………………123 第二节大气的热能和温度……………………… 、太阳辐射… 131 地面和大气辐射 三、大气的增温和冷却…………… 四、气 ·,,、有,当,·.甲 1,,甲甲,.,,a 140 第三节大气永分……… 146 、蒸发和凝结 ……147 、降水…… 152 第四节大气的运动 155 大气的水平运动和垂直运动… 155 二、大气环流 157 三、大气运动的湍流性质 159 第五节天气系统 、气团和锋 甲·,,·「自者中 气旋和反气旋 …………166 三、热带低压天气系统… …16 四、对流性天气系统及其环境影响 170 第六节气候 、气候的形成因子 ……172 地方气候与小气候 177 三、气候的变化 四、人类活动对气候的影响…………… 185 第四章水圜………… 第一节地球上水的分布、水循环与水量平衡 、地球上水的分布…… 189 二、水循环 三、水量平衠…………………… 第二节海洋… 海洋的构成和形态结构
、海水的周期性涨落运动—潮汐… 196 海流与洋流 笫三节河流……… 河系的形成及基本特征 河流的水情要素 205 三、河流水量补给 209 四、河流径流 第四节湖泊、水库与沼泽 ………214 、湖泊的分类 …215 湖水的运动……… 217 三、水库… 219 四、沼泽………………………… 第五节地下水 、地下水的储存状态………… 地下水按储藏条件的分类 225 地下水的运动 ……………227 第六节天然水化学 228 、陆地水中溶质成分的形成过程… 、海洋水溶质成分的形成…………………… 三、天然水按主要离子成分的分类 四、天然水中离子总量增长与水化学类型的关系…………… 239 五、水化学类型的地理分布………………………………240 第七节水资源问题 、地球上的水资源 、我国的水资源 ·》中 第五章土壤閩…… ……………247 第一节土壤的基本特性 土壤和土壤圈 P,作求., 247 二、土壤组成特性……… 三、土壤形态特性……………… 四、土壤环境特性……………… 第二节土壤形成的基本规律 …………………271 成土因素 、主要成土过程和土壤诊断指标………………………… 276 第三节主要土壤类型及其分布 ……283 、土壤分类系统 主要土壤类型 286 一
士壤分布规律 ……………………………………291 第四节土壤污染与退化问题… 土壤环境污染……………………………………… 二、水土流失 土壞风蚀和沙漠化 296 四、土壤盐碱化 ……297 第六章地球表层系统的地域分异规律 第一节地球表层系统的整体性和关联性………… 299 第二节地球表层自然现象的地带性和非地带性分异…… 地域分异的概念 甲「,,、,,,·, 300 域分异的基本因素……………… 三、基本的地域分异图式… 302 第三节自然区划……………,… …309 自然区划的概念… 二、自然区划的原则… …………………310 三、自然区划的方法 四、白然区划的等级系统…………………………… 314 五、我国自然区域的划分…… ………………319 第七章地图与逼惑 第一节地图……………,… 地图的定义与特性 二、地图的分类和组成要素 …………325 地形图…… 四、普通地理图 346 五、专题地图…… 348 第二节遥感……… 35 、遥感基础 ………………353 航空像片 …………355 三、卫星像片 363 四、影像地图 实习 矿物和岩石……………… 371 地表流水作用及其结果 温度与湿度的观测 四、水文断面布设、水位和流量观测 380 五、腐殖质组分的分离及其性状观察……… 383 六、圈定汇水界线及求积仪的检验与使用…………………………………384 七、地形图定向及确定站立点 ………385 一
绪 论 一、人类一环境系统 人类一环境系统—永恒的主题 人类一环境系统、人类与环境的关系及人类与环境相互作用等历来是地球 科学(尤其是地理学)、人类生态学、哲学及社会学研究的主题。人们称这是一些 古老而又常新的论题,无可回避的论题。因为只要有人类存在,人类就不可避免 地要同其赖以生存的基点和舞台—地理环境发生复杂的相互作用。唯其如 此,中外先哲都对这些关切宏旨的主题作过深沉的思考。近代,随着人类在愈益 拓展着的深度和广度上向自然界进军,自然界也愈益强劲地回敬人类。自然环 境与人类社会发展的相互作用更加深切地引起世人关注。 整个20世纪科学技术的迅发展加速了人类更高层次文明的繁荣,亦增强 了人类对自然环境的影响能力。当前,人类正生活在一个转变时代,全球性的人 口、资源、环境与发展的关系问题日益突出。人类与环境的相互作用引起的全球 环境问题,正成为人类生存和社会经济发展面临的最严重的挑战。1972年在瑞 典首都斯德哥尔召开了以“只有一个地球”为主题的第一次人类环境大会, 1992年又在已西里约热内卢召开了以“环境和发展”为主题的第二次人类环境 大会。这些事实充分表明,环境问题已引起世界各国的广泛关注。有效地解决 环境问题已成为世界各国的共识和共同责任。“人类与环境的相互作用”和“环 境与发展的相互关系”等问题,已列人联合国《二十一世纪议程),是今后长时期 摆在各国科学家、政治家和高层决策者面前的重大主题 (二)人类-环境系统的中心享物与周围事物的界定 从最一般的意义上讲环境是相对于中心事物而言的。与某一中心亭物有 关的周围事物,就是这个事物的环境。 作为科学概念的环境一词,目前主要被用于两个方面:一是指狭义生态学 (生物生态学)所指的生物体的生存环境;-是指地理学、人类生态学、环境科学 和地球系统科学所说的人类环境。 按前一概念,环境指生物体周围的其他生物和无机自然界,他们与作为主体 的生物之间存在着种种客观的生存、营养关系和因果关系。从这个意义讲,在我 们所讨论的人类一环境系统中的人类与环境的关系显然有一部分同于这种关
系。因为从生物生态学角度看,人类与别的有机体一样,也参与生物圈的运作。 人类在自然食物网中的位置是一级、二级或三级消费者。与别的动物一样,人也 吸入氧气,呼出二氧化碳。人死亡以后,身体有机质被微生物分解,转化为大自 然界中的无机物质作为一个生物体,人体也与周围环境进行物质和能量交换。 在这方面最著名的例子是,早在20世纪60年代,英国地球化学家埃利克汉米 尔顿等测定并在对数坐标中比较岩石和人体血液中60多种元素的丰度后发现, 除了原生质中的碳、氢、氧、氮和岩石圈中的硅以外,人体中元素的丰度与地壳中 元素的丰度之间有惊人的相关性。这一情况向人们展示了一个真理,即人体不 是超自然的特殊物质,而是地壳物质演化的产物。人体的组成是人类在漫长岁 月中,通过新陈代谢,与环境进行物质、能量交换,并通过遗传、变异等过程建立 动态平衡的结果。 这里我们首先说明这种关系,是因为这是人类一环境系统中人类与环境 的基本关系。这种关系继续是地球科学和环境科学的几个分支学科,如环境地 球化学、环境生物学、环境毒理学等的研究内容。但紧接着,必须强调指出,在本 书中所讨论的人类-环境系统中的人是指人的群体,是指具有不同文化水平和 不同的社会组织程度的人的群体。可以将其简称为“文化人”“文明人”或“社会 人”。从这个角度看,人类已经从动物本能和天然遗传中解放了出来。目前,人 类的进化主要是在文化方面,而不是在生物学方面。人类具有如戴拉·德夏丹所 指的反射性意识能力,即有增加自已智力的自觉性能力。人类的才能部分地是 由遗传造成的但更主要地应归功于其文化的发展。因此;这里所说的环境,既 是指人类赖以生存的自然条件和物质基础(自然资源),也是指人类的生产活动、 生活活动和社会活动影响下而形成的环塘。有些学者把以“社会人”为中心的广 义环境分为4类:①第一环境,即自然环境,或叫原生环境,其中包括对人类有益 的自然条件和对人类有用的自然资源,也包括对人类有害的自然灾害过程,如地 震、火山等;②第二环境,又叫次生环境,即被人类活动所改变了的环境,如被绿 化的山野、被污染的大气和水体、被破坏的森林等;③第三环境,即由人工所建造 的房屋、道路、城市和各项设施组成的人工环境;④第四环境,即由政治、经济、文 化等各种因素所构成的社会环境。上述第二环境和第三环境可以分别简称为, 人工~自然环境和人工环境。 (三)人类一环境系统的演化 在人类一环境系统中,自人类出现以来,作为中心事物的人经历了生物人 原始人一社会人的演化过程。相对于中心事物的人的环境经历了自然环塘 —人工-自然环境——人工环境与社会环境的演化过程。从历史的进程看, 可以将人类一环境系统的演化过程简略地分为三个阶段 第一阶段(300万年前)。人类的远古祖先一森林古襞,大约于2700万年 -公之南
前从埃及古猿中分化出来,随后又分化出人类的近祖—一猛玛古猿。他们能够 直立行走,并使用天然工具,但不能制造完全的人工工具。在与环境的关系上, 他们与其他生物处于相同的地位。这时的环境是纯粹依靠自身固有规律变化的 自然环境。根据其与人类的关系,我们称这一时期的人类环境为人类一环境系 统演化的“生物人”阶段。 第二阶段(300万~40万年前)。大约从300万年前的第四纪更新世冰期开 始,从古猿中产生了早期的人类—猿人。他们除能制造简单的工具和住房外, 还学会了用火。用火是人类强烈地改变环境的第一个标志。他们共同劳动集 ,由于人类有意识、有组织的共同劳动部分自然环境遂转化为人工-自 然环境。我们称这一时期的人类环境为人类-环境系统演化的“群体人”阶段 第三阶段(约从40万年前~现在)。旧石器时代中期,类跨进母系氏族社 会,标志着作为社会的人诞生了。约4万年前,父系氏族社会出现,产生了农业、 紡织、饲养等行业。此时期不但人工环境进一步扩大和发展,还出现了对人类本 身具有决定意义的社会环境。社会环境诞生以后,环境变化被人为地加刷了 我们称这一时期的人类一环境系统为环境演化的“社会人”阶段,或“文明人”阶 段 从人类-环境系统的演变过程中可以总结出以下几点: ①自然环境是自为存在的,人为环境是人为存在的,人工一自然环境是共 为存在的。人类与自然环境的关系更为根本,但人类与人为环境的关系更为直 接和紧密。人为环境必须存在于并适应和依赖于自为环境。 ②人为环境不是单纯依赖和被动地适应自为环境而是能不断地改造自为 环境为共为环境,使之更适合于自身的需要。但是,这种改造不论从规模上还是 从程度上都应以不破坏自为环境的平衡为限。 ③人类与自为环境的关系并不能因人为环境的产生而被取代。 ④人类环境系统的演化是单向的,不可逆的。 (四》生态■、生物■、智盒■和人类 在研究人类环境系统问题时,生态圈、生物圈智慧圈和人类圈是一些十 分有意义的概念。 生态圈( ecosphere)一词的提出是为了在讨论人类环境问题时,强调一个最 基本和最重要的概念—生态系统。生态圆被定义为地球及其所有生态系统的 总称,也就是人类赖以生存的环境。生态圖也可作为生物的同义话使用。 生物圈一词早在19世纪即为奥地利地质学家修士(1875)所提出。前苏联 地球化学家维尔纳茨基(1986)把生物圈视为由生命控制的,地球表层的完整的 动态系统,其范围包括岩石圈(地壳部分)水圈和气圈相互交汇的地球表层。这 里既是生命过程的产物,又是生命活动的场所。故生物圈又被表述为由生命形 公之南