《地球科学概论》 2005年专业课讲课提纲 绪论 1地球科学的学科领域 自然科学分为数、理、化、天、地、生,其中“地”即地球科学,是研究地球的一门基 础学科。本课程所指的“地球科学”包括以下学科领域:地质学,地理学中的自然地理部分, 大气科学中的一部分,海洋科学中的一部分,环境科学中有关地球生态环境的部分 2地球科学的研究内容 资源一一提供人类生存发展所必需的资源 环境一一保护人类生存发展所必需的环境 灾害一一预防和减少自然灾害对人类的影响 起源一一—探索宇宙、地球、生命、人类的起源 演化一一建立地球的演化历史、预测演化趋势 3地球科学的特点 时间漫长、空间巨大一一时空尺度跨度大,思维方式和研究方法也要有所不同 系统庞大、对象复杂一一强调系统思想,有时定性分析和逻辑推理比定量计算更重要 重现性差、探索性强—一现场直接观测非常重要,不要受经验和理论所局限 信息量大、超越国界一一大量使用高新技术,重视学科交叉、国际合作 4地球科学的基本方法 调查观测一一推断解释一一实践实验 类比方法:由此及彼由已知到未知将今论古将古论今 注意,对于不可逆过程和偶然事件不能盲目地使用类比方法 5本课程的目的和要求 地球是人类的家园,人类从在地球上出现的那一天开始就没有停止过对地球和宇宙的探 索。对地球和宇宙的认识每前进一步,都使人类的思想更加远离愚昧,从而使文明和科学出 现一次大的发展。今天,如果一个受过教育的人对我们周围的地球和宇宙一无所知,那么, 他所受到的教育是不完全的。他可能具有某些才能和知识,但不一定具有良好的科学素养。 他不一定信神信鬼,但有可能被伪科学所迷惑。 本课程的目的就是要使大家了解我们的地球,了解人类在宇宙中的位置,了解人类与地 球的关系。在人类的力量足以改变地球的今天,思考一下我们应该怎样与地球保持和谐,使 人类社会持续发展。 地球科学是一门综合性学科,与大多数学科都有联系,运用几乎所有先进的技术手段, 地球科学家要有很宽的知识面。本课程是地球科学的入门课程,要求了解地球科学的基本知 识和基本理论,从整体上把握地球科学的系统脉络,避免在今后的学习中只见树木不见森林 本课程要求在学习专业知识的同时,特别注意培养科学素质和科学精神
1 《地球科学概论》 2005 年专业课讲课提纲 绪论 1 地球科学的学科领域 自然科学分为数、理、化、天、地、生，其中“地”即地球科学，是研究地球的一门基 础学科。本课程所指的“地球科学”包括以下学科领域：地质学，地理学中的自然地理部分， 大气科学中的一部分，海洋科学中的一部分，环境科学中有关地球生态环境的部分。 2 地球科学的研究内容 资源——提供人类生存发展所必需的资源 环境——保护人类生存发展所必需的环境 灾害——预防和减少自然灾害对人类的影响 起源——探索宇宙、地球、生命、人类的起源 演化——建立地球的演化历史、预测演化趋势 3 地球科学的特点 时间漫长、空间巨大——时空尺度跨度大，思维方式和研究方法也要有所不同 系统庞大、对象复杂——强调系统思想，有时定性分析和逻辑推理比定量计算更重要 重现性差、探索性强——现场直接观测非常重要，不要受经验和理论所局限 信息量大、超越国界——大量使用高新技术，重视学科交叉、国际合作 4 地球科学的基本方法 调查观测——推断解释——实践实验 类比方法：由此及彼 由已知到未知 将今论古 将古论今 注意，对于不可逆过程和偶然事件不能盲目地使用类比方法 5 本课程的目的和要求 地球是人类的家园，人类从在地球上出现的那一天开始就没有停止过对地球和宇宙的探 索。对地球和宇宙的认识每前进一步，都使人类的思想更加远离愚昧，从而使文明和科学出 现一次大的发展。今天，如果一个受过教育的人对我们周围的地球和宇宙一无所知，那么， 他所受到的教育是不完全的。他可能具有某些才能和知识，但不一定具有良好的科学素养。 他不一定信神信鬼，但有可能被伪科学所迷惑。 本课程的目的就是要使大家了解我们的地球，了解人类在宇宙中的位置，了解人类与地 球的关系。在人类的力量足以改变地球的今天，思考一下我们应该怎样与地球保持和谐，使 人类社会持续发展。 地球科学是一门综合性学科，与大多数学科都有联系，运用几乎所有先进的技术手段， 地球科学家要有很宽的知识面。本课程是地球科学的入门课程，要求了解地球科学的基本知 识和基本理论，从整体上把握地球科学的系统脉络，避免在今后的学习中只见树木不见森林。 本课程要求在学习专业知识的同时，特别注意培养科学素质和科学精神
第一章宇宙、太阳系、地球 1宇宙、星系和宇宙起源 人类探索地球和宇宙的历程 天圆地方:共工触不周山:古希腊,毕达哥拉斯,亚里士多德;公元前240年,埃拉托 尼色,亚历山大港的井;1519~-1522,麦哲伦,环球航行:;天地之体,形如鸟卵;亚里士多 德一托勒密的地心说:哥白尼(1473~1543)的日心说:1600,布鲁诺,1632,伽利略:开 普勒,提丢斯,哈雷,牛顿,康德,拉普拉斯;爱因斯坦,哈勃,宇宙大爆炸学说:射电望 远镜,宇宙飞船,太空望远镜。 地球在宇宙中的位置 人类经过漫长的探索认识到:地球是一个球体,平均半径6371千米,两极略扁。地球 是围绕太阳运转的一颗行星,而非宇宙中心。太阳是一颗恒星,太阳系中已知有九颗大行星, 66颗卫星,1万多颗小行星(估计超过10万颗),数以亿计的彗星和流星。太阳系是银河系 中的一个天体系统,银河系中有2000多亿颗恒星。银河系是总星系中的一个星系,总星系 中有500亿个星系。总星系就是人类目前能够观察到的宇宙,大小超过150亿光年,年龄超 过150亿年。 在如此巨大的宇宙中,地球是微不足道的,人类更不可妄自尊大,认为人类可以主宰宇 宙是愚昧无知的。 宇宙的起源 唯物主义哲学认为宇宙是无边无际、无始无终的。但是我们可以观测到的宇宙是有限的 客观存在,应该是有边有际、有始有终的 1927年勒梅特写了一本名为《 BIG BANG》的书,提出宇宙起源于一次大爆炸的设想 1929年,哈勃根据星系红移现象的大量观测和计算发现,距离我们越远的星系,离开 我们而去的速度越快,这就是著名的哈勃定律。它表明我们周围的星系正在四散离开,宇宙 正在膨胀。 宇宙大爆炸模型 大爆炸前,宇宙物质和能量全部集中在一个点上,温度约为103K,平衡只能维持极短 时间。爆炸开始后,在1034秒内体积膨胀1030倍。1秒后温度降至101K,物质存在形式为 辐射能和基本粒子。3分钟后温度降至10°K,形成氘核、氦核、锂核。1百万年后宇宙间 弥漫着等离子体。2.5亿年后温度降至103K,形成正常气体。10亿年后星系开始形成。50 亿年后首批恒星出现。150亿年后的今天,温度降至3K,仍在膨胀 支持宇宙大爆炸学说的证据有:哈勃的发现:氦的丰度:3K微波背景辐射 科学家对宇宙大爆炸模型提出了一些问题,并且不断地提出新的模型,使我们对于宇宙 起源的探索不断深入 宇宙是永远膨胀下去还是转为收缩?—目前的认识是如果宇宙的总质量小于某个临 界值则将永远膨胀下去,我们已知物质(包括暗物质)的总质量小于临界值的10%,据此 应该永远膨胀而不会转为收缩。但可能有未知形式的物质。因为已经膨胀了150亿年,所以 即使现在开始收缩,宇宙应该至少还会存在150亿年 大爆炸最初阶段物质是什么状态?为什么在我们周围的宇宙中正物质比反物质多得 政道和杨振宁,克罗宁和费兹两对诺贝尔奖获得者的研究可以解释。 如果宇宙是有始有终、有边有际的,那么大爆炸之前的宇宙是什么?宇宙之外又是什 么?——仍然需要一个上帝?——霍金提出“无边界模型”,试图回答上述问题,在“无边界 模型”中宇宙是无始无终、无边无际的—不需要上帝? 2
2 第一章 宇宙、太阳系、地球 1 宇宙、星系和宇宙起源 人类探索地球和宇宙的历程 天圆地方；共工触不周山；古希腊，毕达哥拉斯，亚里士多德；公元前 240 年，埃拉托 尼色，亚历山大港的井；1519~1522，麦哲伦，环球航行；天地之体，形如鸟卵；亚里士多 德—托勒密的地心说；哥白尼（1473~1543）的日心说；1600，布鲁诺，1632，伽利略；开 普勒，提丢斯，哈雷，牛顿，康德，拉普拉斯；爱因斯坦，哈勃，宇宙大爆炸学说；射电望 远镜，宇宙飞船，太空望远镜。 地球在宇宙中的位置 人类经过漫长的探索认识到：地球是一个球体，平均半径 6371 千米，两极略扁。地球 是围绕太阳运转的一颗行星，而非宇宙中心。太阳是一颗恒星，太阳系中已知有九颗大行星， 66 颗卫星，1 万多颗小行星（估计超过 10 万颗），数以亿计的彗星和流星。太阳系是银河系 中的一个天体系统，银河系中有 2000 多亿颗恒星。银河系是总星系中的一个星系，总星系 中有 500 亿个星系。总星系就是人类目前能够观察到的宇宙，大小超过 150 亿光年，年龄超 过 150 亿年。 在如此巨大的宇宙中，地球是微不足道的，人类更不可妄自尊大，认为人类可以主宰宇 宙是愚昧无知的。 宇宙的起源 唯物主义哲学认为宇宙是无边无际、无始无终的。但是我们可以观测到的宇宙是有限的 客观存在，应该是有边有际、有始有终的。 1927 年勒梅特写了一本名为《BIG BANG》的书，提出宇宙起源于一次大爆炸的设想。 1929 年，哈勃根据星系红移现象的大量观测和计算发现，距离我们越远的星系，离开 我们而去的速度越快，这就是著名的哈勃定律。它表明我们周围的星系正在四散离开，宇宙 正在膨胀。 宇宙大爆炸模型 大爆炸前，宇宙物质和能量全部集中在一个点上，温度约为 1032K，平衡只能维持极短 时间。爆炸开始后，在 10-34 秒内体积膨胀 1030 倍。１秒后温度降至 1010K，物质存在形式为 辐射能和基本粒子。３分钟后温度降至 109K，形成氘核、氦核、锂核。１百万年后宇宙间 弥漫着等离子体。2.5 亿年后温度降至 103K，形成正常气体。10 亿年后星系开始形成。50 亿年后首批恒星出现。150 亿年后的今天，温度降至 3K，仍在膨胀。 支持宇宙大爆炸学说的证据有：哈勃的发现；氦的丰度；3K 微波背景辐射。 科学家对宇宙大爆炸模型提出了一些问题，并且不断地提出新的模型，使我们对于宇宙 起源的探索不断深入。 宇宙是永远膨胀下去还是转为收缩？——目前的认识是如果宇宙的总质量小于某个临 界值则将永远膨胀下去，我们已知物质（包括暗物质）的总质量小于临界值的 10%，据此 应该永远膨胀而不会转为收缩。但可能有未知形式的物质。因为已经膨胀了 150 亿年，所以 即使现在开始收缩，宇宙应该至少还会存在 150 亿年。 大爆炸最初阶段物质是什么状态？为什么在我们周围的宇宙中正物质比反物质多得 多？——李政道和杨振宁，克罗宁和费兹两对诺贝尔奖获得者的研究可以解释。 如果宇宙是有始有终、有边有际的，那么大爆炸之前的宇宙是什么？宇宙之外又是什 么？——仍然需要一个上帝？——霍金提出“无边界模型”，试图回答上述问题，在“无边界 模型”中宇宙是无始无终、无边无际的——不需要上帝？
2太阳系和太阳系的形成 太阳系的形成 星云说是目前关于太阳系形成的比较合理的假说。星云说认为,距今100亿年前,银河 系中出现恒星。大恒星很快演化为超新星,又变为星云。经过多次星云——恒星——超新星 星云这样的过程,到50亿年前,某一团星云形成了太阳系。太阳属中等恒星,不会演 化为超新星,所以寿命很长。星云由气体和宇宙尘埃组成,在引力作用下逐渐收缩,并且越 转越快。由于离心力的作用,在星云的赤道上分离出一个或几个圆盘。中心收缩形成太阳。 圆盘中的物质相互吸引形成行星和卫星。太阳风把气体吹到远处,形成类木行星(木星、土 星、天王星、海王星),近处留下的固体物质形成类地行星(水星、金星、地球、火星)。冥 王星可能是一个例外。在火星与木星之间有10万颗小行星,木星的引力使它们无法形成大 行星。在5000亿千米之外还有一个奧尔特云带,其中有5万亿颗彗星。 3地球的起源和演化 盘古开天地,“混沌初开,乾坤始奠。轻清者上浮为天,重浊者下凝为地。” 地球是和太阳系同时形成的。地球的形成和早期演化过程:星云吸积—一形成最初的地 球——收缩、撞击、放射性元素——变热、熔融、重力分异——形成地核、地幔、地壳- 引力足够大一形成大气圈—温度下降——形成水圈—有机大分子—一出现生物 地球的年龄是46亿年:地壳的年龄是42亿年:最早的生物出现于38亿年前 4地球上存在生命的条件和生命起源问题 行星地球的主要特征 地球到太阳的距离=1.496×10%km=1天文单位:地球的半径=6371km;地球的质量 5976×1024kg:地表平均温度=15℃;地球上的逃逸速度=112km/s;地球上有液态水;有 土壤;地球大气成分以氮气和氧气为主,氧气多达21% 地球接受的太阳辐射能量 太阳表面温度600K,中心温度1.5×10K,密度160g/cm3。在这样的高温高压下,物 质处于等离子状态,氢聚变为氦,放出能量。1克氢聚变为氦损失0.029/4.0316=0.007193g 质量,产生6281×101J,即1.5×10%kcal的能量,按每千克标准煤发热700kcal计算,相 当于燃烧21.43吨标准煤 太阳以电磁波的形式向外辐射能量,从无线电波到γ射线,主要波长范围是4000 inm,50%为可见光(760~400nm),43%为红外线,7%为紫外线 在日地平均距离(1496×10km)处正对太阳的地球大气层顶面接受的太阳辐射能量为 825J/cm2min,这一数值称为太阳常数 取大气层顶面距地面的高度为250km,则大气层顶面每分钟接受的全部太阳辐射能量为 825×π(6621×10°)2=1.136×109,相当于燃烧3.876×103吨标准煤。一年累计为597 1024J,按1kWh=3.6MJ计算,相当于发电1659×1018kWh 太阳发出的辐射能量为825×4m(1496×101)2=232×1023/min,地球接受的仅仅是其 20亿分之一。太阳每秒钟转变为能量的质量为4.3×10°吨,50亿年来累计损失质量为6.78 ×1023吨,仅占太阳总质量的0.034% 由于大气削弱作用,就全球平均而言,到达地面(或海面)的太阳辐射大约只有太阳常 数的45%。每平方米地面每小时接受的太阳辐射能量大约为8.25×045×60×104=223 105J=062kWh,或者说到达地面的太阳辐射的功率大约为620W/m2。这一数值随纬度、海拔 高度、水汽、日照时间等因素的变化而变化,不同地点有很大差异,通常在进行有关计算时 取1000W/m2作为理论数值或标准数值,实际数值用辐照计在当地长期观测得到 地球是已知唯一有生命的星球 地球到太阳的距离不远不近,不至于太热或太冷,恰好可以有液态水
3 2 太阳系和太阳系的形成 太阳系的形成 星云说是目前关于太阳系形成的比较合理的假说。星云说认为，距今 100 亿年前，银河 系中出现恒星。大恒星很快演化为超新星，又变为星云。经过多次星云——恒星——超新星 ——星云这样的过程，到 50 亿年前，某一团星云形成了太阳系。太阳属中等恒星，不会演 化为超新星，所以寿命很长。星云由气体和宇宙尘埃组成，在引力作用下逐渐收缩，并且越 转越快。由于离心力的作用，在星云的赤道上分离出一个或几个圆盘。中心收缩形成太阳。 圆盘中的物质相互吸引形成行星和卫星。太阳风把气体吹到远处，形成类木行星（木星、土 星、天王星、海王星），近处留下的固体物质形成类地行星（水星、金星、地球、火星）。冥 王星可能是一个例外。在火星与木星之间有 10 万颗小行星，木星的引力使它们无法形成大 行星。在 5000 亿千米之外还有一个奥尔特云带，其中有 5 万亿颗彗星。 3 地球的起源和演化 盘古开天地，“混沌初开，乾坤始奠。轻清者上浮为天，重浊者下凝为地。” 地球是和太阳系同时形成的。地球的形成和早期演化过程：星云吸积——形成最初的地 球——收缩、撞击、放射性元素——变热、熔融、重力分异——形成地核、地幔、地壳—— 引力足够大——形成大气圈——温度下降——形成水圈——有机大分子——出现生物。 地球的年龄是 46 亿年；地壳的年龄是 42 亿年；最早的生物出现于 38 亿年前。 4 地球上存在生命的条件和生命起源问题 行星地球的主要特征 地球到太阳的距离＝1.496×108km=1 天文单位；地球的半径＝6371km；地球的质量＝ 5.976×1024kg；地表平均温度＝15℃；地球上的逃逸速度＝11.2km/s；地球上有液态水；有 土壤；地球大气成分以氮气和氧气为主，氧气多达 21%。 地球接受的太阳辐射能量 太阳表面温度 6000K，中心温度 1.5×107K，密度 160g/cm３。在这样的高温高压下，物 质处于等离子状态，氢聚变为氦，放出能量。1 克氢聚变为氦损失 0.029/4.0316=0.007193g 质量，产生 6.281×1011J，即 1.5×108kcal 的能量，按每千克标准煤发热 7000kcal 计算，相 当于燃烧 21.43 吨标准煤。 太阳以电磁波的形式向外辐射能量，从无线电波到γ射线，主要波长范围是 4000～ 150nm，50%为可见光（760～400nm），43%为红外线，7%为紫外线。 在日地平均距离（1.496×108km）处正对太阳的地球大气层顶面接受的太阳辐射能量为 8.25J/cm2·min，这一数值称为太阳常数。 取大气层顶面距地面的高度为 250km，则大气层顶面每分钟接受的全部太阳辐射能量为 8.25×π(6.621×108 ) 2＝1.136×1019J，相当于燃烧 3.876×108 吨标准煤。一年累计为 5.97× 1024J，按 1kWh=3.6MJ 计算，相当于发电 1.659×1018kWh。 太阳发出的辐射能量为 8.25×4π(1.496×1013) 2＝2.32×1028J/min，地球接受的仅仅是其 20 亿分之一。太阳每秒钟转变为能量的质量为 4.3×106 吨，50 亿年来累计损失质量为 6.78 ×1023 吨，仅占太阳总质量的 0.034%。 由于大气削弱作用，就全球平均而言，到达地面（或海面）的太阳辐射大约只有太阳常 数的 45%。每平方米地面每小时接受的太阳辐射能量大约为 8.25×0.45×60×104＝2.23× 106 J=0.62kWh，或者说到达地面的太阳辐射的功率大约为 620W/m2。这一数值随纬度、海拔 高度、水汽、日照时间等因素的变化而变化，不同地点有很大差异，通常在进行有关计算时 取 1000W/m2 作为理论数值或标准数值，实际数值用辐照计在当地长期观测得到。 地球是已知唯一有生命的星球 地球到太阳的距离不远不近，不至于太热或太冷，恰好可以有液态水；
地球的自转产生昼夜变化,使光照均匀,温差不至于太大; 地球内部的热能可以使岩石熔化,从而分异出水和气体 地球的大小适中,引力足以抓住水和气体 大气圈不太厚,能够保温又不至于使地面温度过高; 因为有液态的地核和比较快的自转,所以有磁场,屏蔽了太阳风 有臭氧层吸收了来自太阳的紫外线 大气圈挡住了大部分撞向地球的陨石 所有这些条件恰巧集于一身,得天独厚,所以地球上才有生命 生命起源问题 生命起源问题至今尚未解决,目前一般认为,早期地球的海洋是热的,酸的,类似于今 天的海底火山喷气口。生命很可能就起源于这样的“原始汤”中。从无机物到有机物,再到蛋 白质、核酸这样的大分子有机物,再到非细胞生物,再到原核细胞生物,再到真核细胞生物 一步步进化 生命是物质的最复杂的运动形式。地球上的生物丰富多彩,千姿百态。今天在地球上生 存的物种估计有450万个。寒武纪以来曾经在地球上生存过的已绝灭的物种估计有3亿个。 所有的物种都有一个共同的起源,人类也不例外。了解生物的起源和演化,了解人类和其他 生物的关系,了解生物和地球环境的关系,有助于了解地球的历史和把握人类自己的未来 外星人 不排除在太阳系的其他行星或卫星上存在某种简单生物的可能,但肯定没有高等生物。 太阳系以外应该存在与地球相似的行星,但找到外星人的可能性并不大。天文学家推测宇宙 中有1万颗行星上有生命,其中有的行星可能有智慧生物。这个概率并不大,在上百亿年的 时间和上百亿光年的空间中,人类与它们相遇的概率就更小了。 5地球毁灭的可能性 不能排除地球在宇宙中被毁灭的可能,但是概率很小。 小行星或彗星确实有可能撞击地球,地球历史上也多次发生过撞击事件,但引起巨大灾 难的撞击平均大约5000万年才有1次,而且从未使地球毁灭。 太阳的寿命约100亿年,稳定存在的时间至少70亿年。也就是说,地球至少还可以稳 定地存在20亿年。 人类还可以存在多少年呢?人类所担心的毁灭是否发生,实际上取决于人类自己的行
4 地球的自转产生昼夜变化，使光照均匀，温差不至于太大； 地球内部的热能可以使岩石熔化，从而分异出水和气体； 地球的大小适中，引力足以抓住水和气体； 大气圈不太厚，能够保温又不至于使地面温度过高； 因为有液态的地核和比较快的自转，所以有磁场，屏蔽了太阳风； 有臭氧层吸收了来自太阳的紫外线； 大气圈挡住了大部分撞向地球的陨石； 所有这些条件恰巧集于一身，得天独厚，所以地球上才有生命。 生命起源问题 生命起源问题至今尚未解决，目前一般认为，早期地球的海洋是热的，酸的，类似于今 天的海底火山喷气口。生命很可能就起源于这样的“原始汤”中。从无机物到有机物，再到蛋 白质、核酸这样的大分子有机物，再到非细胞生物，再到原核细胞生物，再到真核细胞生物， 一步步进化。 生命是物质的最复杂的运动形式。地球上的生物丰富多彩，千姿百态。今天在地球上生 存的物种估计有 450 万个。寒武纪以来曾经在地球上生存过的已绝灭的物种估计有 3 亿个。 所有的物种都有一个共同的起源，人类也不例外。了解生物的起源和演化，了解人类和其他 生物的关系，了解生物和地球环境的关系，有助于了解地球的历史和把握人类自己的未来。 “外星人” 不排除在太阳系的其他行星或卫星上存在某种简单生物的可能，但肯定没有高等生物。 太阳系以外应该存在与地球相似的行星，但找到外星人的可能性并不大。天文学家推测宇宙 中有１万颗行星上有生命，其中有的行星可能有智慧生物。这个概率并不大，在上百亿年的 时间和上百亿光年的空间中，人类与它们相遇的概率就更小了。 5 地球毁灭的可能性 不能排除地球在宇宙中被毁灭的可能，但是概率很小。 小行星或彗星确实有可能撞击地球，地球历史上也多次发生过撞击事件，但引起巨大灾 难的撞击平均大约 5000 万年才有 1 次，而且从未使地球毁灭。 太阳的寿命约 100 亿年，稳定存在的时间至少 70 亿年。也就是说，地球至少还可以稳 定地存在 20 亿年。 人类还可以存在多少年呢？人类所担心的毁灭是否发生，实际上取决于人类自己的行 为
第二章地球的天体运动 1地理坐标系和大地测量 纬线一一垂直于自转轴的平面与地面的交线称为纬线,分北纬和南纬,各90°,赤道 为0°,两极为90°。 经线一一包含自转轴的平面称为子午面,子午面与地面的交线称为经线(子午线),分 东经和西经,各180°,通过原格林威治天文台的经线(本初子午线)为0°。 用经度和纬度构成的坐标系称为地理坐标系,可以表示地球表面上任何一点的平面位 置。再加上海拔高度,便可以表示三维空间地理位置 全球定位系统(GPS)使测量地理位置变得极为方便,目前精度已达米级或厘米级。 在大地测量中,用一个旋转椭球面拟合地球表面,这个椭球称为地球椭球。采用不同的 椭球,有不同的地理坐标系,也称大地坐标系。我国目前常用的有1954北京坐标系,1980 国家坐标系(也称西安坐标系),WGS-84坐标系。 我们通常使用的地图是平面直角坐标系,是用数学方法将地球表面的点投影到平面上得 到的。投影方法有多种,我国的地图多采用高斯一克吕格投影 2地球自转与时差和科里奥利现象 地球的自转 地球自转和公转的方向都是自西向东,从北极上空向下看为逆时针转动。 地球自转周期—一太阳日为24小时,恒星日为23小时56分4秒。地理北极和南极 地球自转轴与地面的交点。赤道面一一通过地心且垂直于自转轴的平面。赤道一一赤道面与 地面的交线 时差 地球自转产生昼夜变化,世界各地昼夜不同时。古时世界各地的日期和时间是不同的。 现在世界各地都用公元纪年和世界时作为计算日期和时间的统一的标准。但是,由于习惯, 各地的人们都认为还是使用根据当地的日出日落来确定的地方时比较好。为了解决各地时间 不一致的问题,人们规定了时区和国际日期变更线。 将全球分为24个理论时区,每个时区的中央经线相差15°,地方时相差1小时,以中 央经线的地方时作为该时区的标准时间,称为区时 由于行政管理的需要,时区的界线照顾到国家或地区的疆界,各国有自己的规定。例如 中国国土跨东5区到东9区,但全国都用东8区的中央经线的地方时作为标准时间,称为北 京时间。 国际日期变更线 由于地球自转,世界各地进入新的一天的时间有先有后。习惯上各地都以午夜0点作为 新的一天的开始。当北京为当地时间上午8点时,伦敦为当地时间0点,因为伦敦在北京的 西面,比北京晚见到日出,所以说伦敦时间比北京时间晚8个小时。此时惠灵顿时间为12 时,因为惠灵顿在北京的东面,比北京早见到日出,所以说惠灵顿时间比北京时间早4个小 时。此时温哥华时间为16时,如果认为温哥华在惠灵顿的东面,更早见到日出,那么温哥 华时间比北京时间早8个小时,是当天下午;如果认为温哥华在伦敦的西面,更晚见到日出, 那么温哥华时间比北京时间晚16个小时,是前一天的下午。 显然,必须规定一条东、西方的界线,这就是国际日期变更线,在这条线的西侧最早见 到日出,东侧最晚见到日出,相差24小时 各地时间用各自的地方时,日期用同一个日历 从西向东跨越国际日期变更线要将日期退一日,例如星期三变为星期二:反之要进一日
5 第二章 地球的天体运动 1 地理坐标系和大地测量 纬线——垂直于自转轴的平面与地面的交线称为纬线，分北纬和南纬，各 90°，赤道 为 0°，两极为 90°。 经线——包含自转轴的平面称为子午面，子午面与地面的交线称为经线（子午线），分 东经和西经，各 180°，通过原格林威治天文台的经线（本初子午线）为 0°。 用经度和纬度构成的坐标系称为地理坐标系，可以表示地球表面上任何一点的平面位 置。再加上海拔高度，便可以表示三维空间地理位置。 全球定位系统（GPS）使测量地理位置变得极为方便，目前精度已达米级或厘米级。 在大地测量中，用一个旋转椭球面拟合地球表面，这个椭球称为地球椭球。采用不同的 椭球，有不同的地理坐标系，也称大地坐标系。我国目前常用的有 1954 北京坐标系，1980 国家坐标系（也称西安坐标系），WGS-84 坐标系。 我们通常使用的地图是平面直角坐标系，是用数学方法将地球表面的点投影到平面上得 到的。投影方法有多种，我国的地图多采用高斯—克吕格投影。 2 地球自转与时差和科里奥利现象 地球的自转 地球自转和公转的方向都是自西向东，从北极上空向下看为逆时针转动。 地球自转周期——太阳日为 24 小时，恒星日为 23 小时 56 分 4 秒。地理北极和南极—— 地球自转轴与地面的交点。赤道面——通过地心且垂直于自转轴的平面。赤道——赤道面与 地面的交线。 时差 地球自转产生昼夜变化，世界各地昼夜不同时。古时世界各地的日期和时间是不同的。 现在世界各地都用公元纪年和世界时作为计算日期和时间的统一的标准。但是，由于习惯， 各地的人们都认为还是使用根据当地的日出日落来确定的地方时比较好。为了解决各地时间 不一致的问题，人们规定了时区和国际日期变更线。 将全球分为 24 个理论时区，每个时区的中央经线相差 15°，地方时相差 1 小时，以中 央经线的地方时作为该时区的标准时间，称为区时。 由于行政管理的需要，时区的界线照顾到国家或地区的疆界，各国有自己的规定。例如， 中国国土跨东５区到东９区，但全国都用东８区的中央经线的地方时作为标准时间，称为北 京时间。 国际日期变更线 由于地球自转，世界各地进入新的一天的时间有先有后。习惯上各地都以午夜０点作为 新的一天的开始。当北京为当地时间上午８点时，伦敦为当地时间０点，因为伦敦在北京的 西面，比北京晚见到日出，所以说伦敦时间比北京时间晚８个小时。此时惠灵顿时间为 12 时，因为惠灵顿在北京的东面，比北京早见到日出，所以说惠灵顿时间比北京时间早４个小 时。此时温哥华时间为 16 时，如果认为温哥华在惠灵顿的东面，更早见到日出，那么温哥 华时间比北京时间早８个小时，是当天下午；如果认为温哥华在伦敦的西面，更晚见到日出， 那么温哥华时间比北京时间晚 16 个小时，是前一天的下午。 显然，必须规定一条东、西方的界线，这就是国际日期变更线，在这条线的西侧最早见 到日出，东侧最晚见到日出，相差 24 小时。 各地时间用各自的地方时，日期用同一个日历。 从西向东跨越国际日期变更线要将日期退一日，例如星期三变为星期二；反之要进一日
科里奥利现象 沿南北向运动的流体,在北半球的运动方向总是向右偏转,例如河流右岸冲刷较重,浮 运木材向右岸漂,在南半球则向左偏转。此处的右(左)岸是指面向河流下游站立时右(左) 手一侧的河岸。引起这种偏转的“力”称为科里奥利力。实际上并不存在这个力,而是流体 因惯性保持原来的运动方向,地面因地球自转改变了方向,所以流体的方向相对发生偏转, 看上去似乎流体受到一个力的作用。称为“科里奧利现象”更恰当 沿东西向运动的流体也会发生科里奥利现象,沿其他方向的运动可看成南北向和东西向 运动的合成,也存在科里奥利现象。把浴盆里的水放掉时,大多数会出现逆时针旋转的旋涡 就是科里奥利现象 洋流和大气环流也存在科里奧利现象 想象北半球一条南北向河流,河床与经线平行。在tl时刻河水流向恰与经线平行,到 口时刻河床随地球自转转过一个角度,仍然平行于经线,但河水因惯性仍保持原来的流向, 于是河水冲向右岸。在南半球则冲向左岸。在赤道附近经线是互相平行的,所以不存在科里 奥利现象。纬度越高,科里奥利现象越明显。 3月球、潮汐和地球自转变慢 地球与月球的关系 月球半径为1738km,质量为735×102kg,密度3.34。月面引力是地面引力的1/6。无 大气和水,无磁场。 地月距离为384401km,是地球半径的60倍 月球绕地球公转的周期——朔望月约为29.5日,恒星月约为273日。 月球的自转周期与公转周期相同,方向也相同,所以总是一面朝向地球。 月球对地球的引力形成海洋潮汐和固体潮,固体潮是地壳弹性变形,升降幅度可达7~ 15cm。潮汐摩擦使地球自转速度减慢,化石表明4亿年前的一年有400日 地球自转减慢使地壳运动变得比较平缓 4地球公转和米兰科维奇学说 地球的公转 黄道一一地球公转轨道平面称为黄道面,黄道面与天球的交线称为黄道。 黄赤交角一一赤道面与黄道面的夹角,在缓慢变化,2000年为23°26′21.42″ 地球公转周期为365.25恒星日 地球公转轨道为一椭圆,目前的偏心率(焦点距与长轴之比)为1/60 太阳回归运动一一由于地球自转轴是倾斜的,即存在黄赤交角,所以一年中太阳光直射 地面的位置是往返移动的,最北的位置称为北回归线,最南的位置称为南回归线,回归线的 纬度等于黄赤交角。阳光直射北回归线的这一天称为夏至日,直射南回归线的这一天称为冬 至日。一年中阳光两次直射赤道,分别为春分日和秋分日。 由于存在黄赤交角,不同纬度不同季节的昼长不同。 米兰科维奇学说 南斯拉夫科学家米兰科维奇于1920年提出,地球轨道偏心率、地球自转轴倾角、岁差 这三个要素的周期性变化导致地球夏季半年(春分至秋分)日照量减少是冰期形成的主要原 因。50年后,这一观点得到古气候研究成果的支持,被广泛接受 米兰科维奇学说不仅可以解释冰期的形成,同样也可以解释地球南北纬30度附近的两 条干旱带的变迁
6 科里奥利现象 沿南北向运动的流体，在北半球的运动方向总是向右偏转，例如河流右岸冲刷较重，浮 运木材向右岸漂，在南半球则向左偏转。此处的右（左）岸是指面向河流下游站立时右（左） 手一侧的河岸。引起这种偏转的“力”称为科里奥利力。实际上并不存在这个力，而是流体 因惯性保持原来的运动方向，地面因地球自转改变了方向，所以流体的方向相对发生偏转， 看上去似乎流体受到一个力的作用。称为“科里奥利现象”更恰当。 沿东西向运动的流体也会发生科里奥利现象，沿其他方向的运动可看成南北向和东西向 运动的合成，也存在科里奥利现象。把浴盆里的水放掉时，大多数会出现逆时针旋转的旋涡， 就是科里奥利现象。 洋流和大气环流也存在科里奥利现象。 想象北半球一条南北向河流，河床与经线平行。在 t1 时刻河水流向恰与经线平行，到 t2 时刻河床随地球自转转过一个角度，仍然平行于经线，但河水因惯性仍保持原来的流向， 于是河水冲向右岸。在南半球则冲向左岸。在赤道附近经线是互相平行的，所以不存在科里 奥利现象。纬度越高，科里奥利现象越明显。 3 月球、潮汐和地球自转变慢 地球与月球的关系 月球半径为 1738km，质量为 7.35×1022kg，密度 3.34。月面引力是地面引力的 1/6。无 大气和水，无磁场。 地月距离为 384401km，是地球半径的 60 倍。 月球绕地球公转的周期——朔望月约为 29.5 日，恒星月约为 27.3 日。 月球的自转周期与公转周期相同，方向也相同，所以总是一面朝向地球。 月球对地球的引力形成海洋潮汐和固体潮，固体潮是地壳弹性变形，升降幅度可达 7～ 15cm。潮汐摩擦使地球自转速度减慢，化石表明 4 亿年前的一年有 400 日。 地球自转减慢使地壳运动变得比较平缓。 4 地球公转和米兰科维奇学说 地球的公转 黄道——地球公转轨道平面称为黄道面，黄道面与天球的交线称为黄道。 黄赤交角——赤道面与黄道面的夹角，在缓慢变化，2000 年为 23°26′21.42″。 地球公转周期为 365.25 恒星日。 地球公转轨道为一椭圆，目前的偏心率（焦点距与长轴之比）为 1/60。 太阳回归运动——由于地球自转轴是倾斜的，即存在黄赤交角，所以一年中太阳光直射 地面的位置是往返移动的，最北的位置称为北回归线，最南的位置称为南回归线，回归线的 纬度等于黄赤交角。阳光直射北回归线的这一天称为夏至日，直射南回归线的这一天称为冬 至日。一年中阳光两次直射赤道，分别为春分日和秋分日。 由于存在黄赤交角，不同纬度不同季节的昼长不同。 米兰科维奇学说 南斯拉夫科学家米兰科维奇于 1920 年提出，地球轨道偏心率、地球自转轴倾角、岁差 这三个要素的周期性变化导致地球夏季半年（春分至秋分）日照量减少是冰期形成的主要原 因。50 年后，这一观点得到古气候研究成果的支持，被广泛接受。 米兰科维奇学说不仅可以解释冰期的形成，同样也可以解释地球南北纬 30 度附近的两 条干旱带的变迁
第三章地质事件和地质年代 1地质事件 地球在形成以来的漫长时间内发生了一系列变化,其中一些大的变化在地壳中留下的痕 迹,是我们研究地球的线索,我们把其中有意义的称为地质事件 地质事件的规模有大有小,例如原始海洋的形成、生物物种的出现和绝灭、大陆分裂漂 移和碰撞、冰期和间冰期、地磁场反转等是全球性的重大事件,火山爆发、河流改道、洋底 浊流等是区域性的事件, 地质事件的持续时间有长有短,如山脉隆起时间以百万年计,而山体滑坡则只有几分钟, 地质事件主要记录在地壳岩石中,我们通常根据岩石中特征的物质和特征的现象来识别 地质事件。 不仅要知道发生过什么事件,而且要知道事件发生的时间。地质事件的时间有两个含义: 事件发生的先后顺序一一相对地质年代:事件距离今天的时间一一同位素年龄。 例如,2003年,在新疆罗布泊勘探钾盐的钻井中普遍发现泥层中夹有一层含石膏的细 砂层,经过研究识别出这是罗布泊历史上的一次变干事件,距离今天约80万年。它反映青 藏高原的一次快速上升 2相对地质年代 相对地质年代是指地质事件发生的先后顺序。确定地质事件的先后顺序的原理有地层层 序原理、化石层序原理和切割关系原理。 地层层序原理 地层是层状岩石的总称,包括沉积岩、火山岩和浅变质岩。地层形成的顺序叫做层序, 先形成的地层在下面,后形成的在上面。只要不发生倒转或推覆,我们看到的地层一定是上 新下老。这一原理称为地层层序原理,也称为地层层序律 在正常情况下,新地层中不可能出现老的事件。如果事件A只出现在老地层中,事件B 只出现在新地层中,那么A早于B 地层形成时,上新下老,一般是水平的,称为正常地层。地层受到构造作用的影响会发 生褶皱,水平地层变为倾斜地层,只要还是上新下老,就还称为正常地层。如果变为上老下 新,则称为倒转地层。 在野外,仔细观察地层的某些特征,可以帮助我们判断地层是正常还是倒转。例如,波 痕、交错层理、粒序层理、包卷层理等。 某些逆断层可以把老地层推到远处的新地层之上,这种现象称为推覆构造。推覆构造也 会打乱正常的地层层序。老地层和新地层各自的小的层序可能都是正常的,但包括老地层和 新地层的大的层序是不正常的。 地层并不总是连续的、完整的,而且连续的地层也会受到后期的改变和破坏。 地层好比记载地球历史的一大套书,这套书分散在世界各地,有的前后颠倒,有的被拆 散,有的因为被撕碎、被火烧、被磨损而缺页,而且所有的书都没有页码。要把这套书整理 好,还要有别的方法 化石层序原理 生物死亡后,遗体被沉积物掩埋,在地层中保存下来,称为化石。生物活动的痕迹也 可以被保存下来,称为遗迹化石,如足迹。对化石的研究使我们知道生物是如何从低级到高 级、从简单到复杂逐渐演化的。演化是不可逆的,所以称为进化。虽然达尔文的生物进化论 需要发展,但“生物进化不可逆”是正确的。 生物物种的出现和绝灭是特殊的事件,根据进化不可逆原理可以判断这些事件的先后顺 序;根据地层层序原理也可以判断化石的新或老。两方面结合,不断发现,反复对比,就可
7 第三章 地质事件和地质年代 1 地质事件 地球在形成以来的漫长时间内发生了一系列变化，其中一些大的变化在地壳中留下的痕 迹，是我们研究地球的线索，我们把其中有意义的称为地质事件。 地质事件的规模有大有小，例如原始海洋的形成、生物物种的出现和绝灭、大陆分裂漂 移和碰撞、冰期和间冰期、地磁场反转等是全球性的重大事件，火山爆发、河流改道、洋底 浊流等是区域性的事件。 地质事件的持续时间有长有短，如山脉隆起时间以百万年计，而山体滑坡则只有几分钟。 地质事件主要记录在地壳岩石中，我们通常根据岩石中特征的物质和特征的现象来识别 地质事件。 不仅要知道发生过什么事件，而且要知道事件发生的时间。地质事件的时间有两个含义： 事件发生的先后顺序——相对地质年代；事件距离今天的时间——同位素年龄。 例如，2003 年，在新疆罗布泊勘探钾盐的钻井中普遍发现泥层中夹有一层含石膏的细 砂层，经过研究识别出这是罗布泊历史上的一次变干事件，距离今天约 80 万年。它反映青 藏高原的一次快速上升。 2 相对地质年代 相对地质年代是指地质事件发生的先后顺序。确定地质事件的先后顺序的原理有地层层 序原理、化石层序原理和切割关系原理。 地层层序原理 地层是层状岩石的总称，包括沉积岩、火山岩和浅变质岩。地层形成的顺序叫做层序， 先形成的地层在下面，后形成的在上面。只要不发生倒转或推覆，我们看到的地层一定是上 新下老。这一原理称为地层层序原理，也称为地层层序律。 在正常情况下，新地层中不可能出现老的事件。如果事件 A 只出现在老地层中，事件 B 只出现在新地层中，那么 A 早于 B。 地层形成时，上新下老，一般是水平的，称为正常地层。地层受到构造作用的影响会发 生褶皱，水平地层变为倾斜地层，只要还是上新下老，就还称为正常地层。如果变为上老下 新，则称为倒转地层。 在野外，仔细观察地层的某些特征，可以帮助我们判断地层是正常还是倒转。例如，波 痕、交错层理、粒序层理、包卷层理等。 某些逆断层可以把老地层推到远处的新地层之上，这种现象称为推覆构造。推覆构造也 会打乱正常的地层层序。老地层和新地层各自的小的层序可能都是正常的，但包括老地层和 新地层的大的层序是不正常的。 地层并不总是连续的、完整的，而且连续的地层也会受到后期的改变和破坏。 地层好比记载地球历史的一大套书，这套书分散在世界各地，有的前后颠倒，有的被拆 散，有的因为被撕碎、被火烧、被磨损而缺页，而且所有的书都没有页码。要把这套书整理 好，还要有别的方法。 化石层序原理 生物死亡后，遗体被沉积物掩埋，在地层中保存下来，称为化石 。生物活动的痕迹也 可以被保存下来，称为遗迹化石，如足迹。对化石的研究使我们知道生物是如何从低级到高 级、从简单到复杂逐渐演化的。演化是不可逆的，所以称为进化。虽然达尔文的生物进化论 需要发展，但“生物进化不可逆”是正确的。 生物物种的出现和绝灭是特殊的事件，根据进化不可逆原理可以判断这些事件的先后顺 序；根据地层层序原理也可以判断化石的新或老。两方面结合，不断发现，反复对比，就可
以建立不同化石出现的先后顺序和绝灭的先后顺序 根据地层中的化石的年代可以判断地层的年代,进而可以判断地层中记录的地质事件的 年代。这一原理称为化石层序原理。 某些生物演化比较快,物种存在时间比较短,而且它们分布的范围比较广。用它们的化 石判断地层的时代比较准确,而且比较容易在不同地区之间进行对比。这样的化石称为标准 化石。 切割关系原理 若地质体A被地质体B切割或穿插,则B一定晚于A。这一原理称为切割关系原理。 例如,岩浆岩侵入围岩中,岩浆岩一定晚于围岩。一个岩体侵入于另一个岩体,靠同位 素年龄可能难以判断先后,如果找到穿插关系,则可以确定。 再如,在砂砾岩的层面上常常见到冲刷面,因为冲刷面只可能切割先形成的岩层中的微 层理,不可能切割后形成的岩层中的微层理,所以据此可以判断地层层序是否正常 又如,被矿脉充填的断裂是成矿前断裂,切割矿脉的是成矿后断裂 3同位素年龄 放射性元素的衰变存在如下规律: t=(1/λ)ln(1+M/Nt) 式中:t为衰变时间,λ为半衰期,M为新生子体,Nt为现存母体。 只要测出样品中新生子体和现存母体的原子个数之比,就可以计算出衰变时间。这一时 间是从样品中的放射性同位素最近一次被封闭在一个体系(如矿物晶体)中开始到今天的时 间,称为同位素年龄。 同位素年龄并非绝对年龄,因为它只能给出体系最近一次被封闭的年龄,而且要求封闭 时体系中没有子体,封闭后也没有子体和母体的渗入渗出。给出的常常是样品经历的最近 次热事件的年龄,而不是样品形成的年龄。例如,造山带的岩石的同位素年龄常常是造山事 件的年龄,而岩石的年龄可能老得多。一般情况下,造山过程中会有多次热事件,而且不会 把岩石全部彻底改造,因此同一造山带的不同岩石样品的同位素年龄往往不一致。甚至一粒 矿物的核部与边部的同位素年龄也可能不同 4地球生物进化的重大事件和演化趋势 地球生物进化的过程和特点: 非细胞生物→原核细胞生物→真核细胞生物; 藻类→裸蕨类(孢子植物)→裸子植物→被子植物 无脊椎动物→脊椎动物 鱼类→两栖类→爬行类→鸟类、哺乳类; 从海洋到陆地 逐渐远离水; 先有植物进化后有动物进化: 既有渐变过程也有突变过程 人类今天的行为极大地影响了生物进化过程。 地球生物进化的重大事件: 最早的细菌一一南非3800Ma,西澳3500Ma 厌氧自养原核生物一一蓝细菌,光合作用一—2000Ma 真核生物一一宏观藻类——1800Ma,繁盛于1000Ma 软躯体动物一一伊迪卡拉动物群一一氧气一—650Ma 有壳动物一—澄江动物群一—540Ma 鱼类——435Ma
8 以建立不同化石出现的先后顺序和绝灭的先后顺序。 根据地层中的化石的年代可以判断地层的年代，进而可以判断地层中记录的地质事件的 年代。这一原理称为化石层序原理。 某些生物演化比较快，物种存在时间比较短，而且它们分布的范围比较广。用它们的化 石判断地层的时代比较准确，而且比较容易在不同地区之间进行对比。这样的化石称为标准 化石。 切割关系原理 若地质体 A 被地质体 B 切割或穿插，则 B 一定晚于 A。这一原理称为切割关系原理。 例如，岩浆岩侵入围岩中，岩浆岩一定晚于围岩。一个岩体侵入于另一个岩体，靠同位 素年龄可能难以判断先后，如果找到穿插关系，则可以确定。 再如，在砂砾岩的层面上常常见到冲刷面，因为冲刷面只可能切割先形成的岩层中的微 层理，不可能切割后形成的岩层中的微层理，所以据此可以判断地层层序是否正常。 又如，被矿脉充填的断裂是成矿前断裂，切割矿脉的是成矿后断裂。 3 同位素年龄 放射性元素的衰变存在如下规律： t = ( 1 / λ ) ln ( 1 + M / Nt ) 式中：t 为衰变时间，λ 为半衰期，M 为新生子体，Nt 为现存母体。 只要测出样品中新生子体和现存母体的原子个数之比，就可以计算出衰变时间。这一时 间是从样品中的放射性同位素最近一次被封闭在一个体系（如矿物晶体）中开始到今天的时 间，称为同位素年龄。 同位素年龄并非绝对年龄，因为它只能给出体系最近一次被封闭的年龄，而且要求封闭 时体系中没有子体，封闭后也没有子体和母体的渗入渗出。给出的常常是样品经历的最近一 次热事件的年龄，而不是样品形成的年龄。例如，造山带的岩石的同位素年龄常常是造山事 件的年龄，而岩石的年龄可能老得多。一般情况下，造山过程中会有多次热事件，而且不会 把岩石全部彻底改造，因此同一造山带的不同岩石样品的同位素年龄往往不一致。甚至一粒 矿物的核部与边部的同位素年龄也可能不同。 4 地球生物进化的重大事件和演化趋势 地球生物进化的过程和特点： 非细胞生物→原核细胞生物→真核细胞生物； 藻类→裸蕨类（孢子植物）→裸子植物→被子植物； 无脊椎动物→脊椎动物； 鱼类→两栖类→爬行类→鸟类、哺乳类； 从海洋到陆地； 逐渐远离水； 先有植物进化后有动物进化； 既有渐变过程也有突变过程； 人类今天的行为极大地影响了生物进化过程。 地球生物进化的重大事件： 最早的细菌——南非 3800Ma，西澳 3500Ma 厌氧自养原核生物——蓝细菌，光合作用——2000Ma 真核生物——宏观藻类——1800Ma，繁盛于 1000Ma 软躯体动物——伊迪卡拉动物群——氧气——650Ma 有壳动物——澄江动物群——540Ma 鱼类——435Ma
植物登陆一一臭氧层--400Ma 两栖类——350Ma 爬行类——250Ma 鸟类一-140Ma 哺乳类——65Ma 人类——3Ma 生物大爆发事件 62古代晚期,植物在海洋中制造了足够多的氧气,为动物的出现和演化创造了条件 la前首先出现以伊迪卡拉动物群为代表的生物爆发,但演化失败了,很快都绝灭了。 540Ma前的寒武纪早期,出现了以云南澄江动物群为代表的生物大爆发,动物界的各 个门几乎同时出现了,门类之多,形态之丰富,出现之突然,甚至使人们对从简单到复杂的 生物进化理论产生了怀疑 生物大绝灭事件 元古宙末(650Ma)寒武纪末(495Ma)、奧陶纪末(435Ma)、晚泥盆世弗拉斯期末(365Ma) 二叠纪末(25Ma)、三叠纪末(203Ma)、白垩纪末(65Ma),共发生7次大规模生物绝灭事件。 二叠纪末的绝灭事件中,科减少了52%,种减少了90%以上。有人估计今天物种绝灭速 度是二叠纪末的1000倍,确实值得忧虑了。 5地质年代表 经过地球科学家200多年的研究,已经识别出了生物进化的一系列事件及其顺序,据此 建立了地质年代表。在地质年代表中,将地球历史分为几个大的阶段,即几个宙,每个宙又 分为几个代,显生宙的每个代又分为几个纪,一个纪又分为几个世。近几十年又给根据化石 建立的相对地质年代表加上了同位素年龄。地球科学家还在不断地完善地质年代表,使其更 加精细和准确
9 植物登陆——臭氧层——400Ma 两栖类——350Ma 爬行类——250Ma 鸟类——140Ma 哺乳类——65Ma 人类——3Ma 生物大爆发事件 元古代晚期，植物在海洋中制造了足够多的氧气，为动物的出现和演化创造了条件。 650Ma 前首先出现以伊迪卡拉动物群为代表的生物爆发，但演化失败了，很快都绝灭了。 540Ma 前的寒武纪早期，出现了以云南澄江动物群为代表的生物大爆发，动物界的各 个门几乎同时出现了，门类之多，形态之丰富，出现之突然，甚至使人们对从简单到复杂的 生物进化理论产生了怀疑。 生物大绝灭事件 元古宙末（650Ma）、寒武纪末(495Ma)、奥陶纪末(435Ma)、晚泥盆世弗拉斯期末(365Ma)、 二叠纪末(251Ma)、三叠纪末(203Ma)、白垩纪末(65Ma)，共发生 7 次大规模生物绝灭事件。 二叠纪末的绝灭事件中，科减少了 52%，种减少了 90%以上。有人估计今天物种绝灭速 度是二叠纪末的 1000 倍，确实值得忧虑了。 5 地质年代表 经过地球科学家 200 多年的研究，已经识别出了生物进化的一系列事件及其顺序，据此 建立了地质年代表。在地质年代表中，将地球历史分为几个大的阶段，即几个宙，每个宙又 分为几个代，显生宙的每个代又分为几个纪，一个纪又分为几个世。近几十年又给根据化石 建立的相对地质年代表加上了同位素年龄。地球科学家还在不断地完善地质年代表，使其更 加精细和准确
第四章地球的物理性质和圈层结构 1地球的质量、密度和密度分布 1797年,卡文迪什用扭称法求出地球引力常数为6.754×108,1930年,海莱对卡文迪 什的装置改进后测得为6670×108。据此计算出地球的质量为59472×1024吨。 地球的平均密度为5516g/cm3地壳上部沉积岩的平均密度为26,花岗岩的密度为2.85, 地壳下部的密度为29。 密度的分布在垂向上是不连续的,在横向上也不完全是均匀的 地球内部的密度的研究主要依靠地震波提供的信息 2地震波 地震波分为纵波(P波)、横波(S波)和面波(M波)。主要利用纵波和横波来了解地 球内部情况 利用地震波可以了解地球内部各圈层的物质状态,还可以了解岩石圈内的构造界面。例 如,石油勘探中主要依靠地震波来了解油田的构造。 纵波和横波的主要特点 波速与地球内部物质的密度成正比,与物质的刚性成正比。纵波比横波快。横波不能通 过液态和气态物质 纵波和横波在遇到两种物质的界面时会发生折射和反射,并且会派生出新的纵波和横 波,分别称为PP、PS、SP、SS震相,二次折射或反射后的称为PPP、PPS等震相。 穿过外核的纵波称为PKP波,穿过内核的纵波称为 PKIKP波。 地球的弹性、塑性和粘性 弹性是物体在受力时发生变形,力去除后变形很快完全恢复的性质。地球的弹性表现为 能传播地震波(弹性波),还表现为固体潮 塑性是物体在受力时发生变形,力去除后变形不能完全恢复的性质。地球的塑性表现为 地球是一个旋转椭球体,还表现为地壳岩层受力时往往发生弯曲褶皱。 粘性是物体在受力时发生变形,力去除后变形缓慢恢复的性质。地球的粘性表现为地震 波的衰减,还表现为冰川消融后地面缓慢回升 3地球的重力场和重力均衡 重力是地心引力与地球自转离心力的合力。 地球物理学研究重力时,仪器测量的是重力加速度,习惯上把“重力加速度”简称为“重 打”,符号为g,单位为伽(纪念伽利略),1伽=lcm/s2,常用毫伽或微伽作单位。 g随纬度φ的增大而增大 g=9780318(1+0.0053024sin2-0.00059sn2) g随海拔高度的增大而减小,每升高1米g值减小0.3083毫伽 地表实测的重力值与理论计算值的差异称为重力异常。引起异常的原因是测点海拔高 度、测点周围地形、地下岩石密度,我们关心的是后者,要消除前二者的影响。将测点高度 校正到海平面称为自由空气校正。假定测点平面与海平面之间为一无限大水平板状体,减去 它的影响,称为布格校正。自由空气校正和布格校正合称为高程校正。若测点周围的地形起 伏不容忽视,则应先作地形校正 经过布格校正后的异常称为布格异常,正(负)异常反映测点下方的岩石密度偏大(小)。 重力均衡是为解释喜马拉雅山对大地测量产生的误差而提出的假说,现已成为一个重要 的理论。重力均衡理论的要点是:较轻的地壳浮在较重的地幔上,地壳的厚度各处不一样, 山脉处较厚,称为山根,重力迫使其下面的地幔向地壳较薄处流动,莫霍面形态与地表形态 成镜像对称。若已达到均衡,则山根的质量亏损等于海平面以上多出的质量。若未均衡,则
10 第四章 地球的物理性质和圈层结构 1 地球的质量、密度和密度分布 1797 年，卡文迪什用扭称法求出地球引力常数为 6.754×10-8，1930 年，海莱对卡文迪 什的装置改进后测得为 6.670×10-8。据此计算出地球的质量为 5.9472×10-24 吨。 地球的平均密度为5.516g/cm3。地壳上部沉积岩的平均密度为2.6，花岗岩的密度为2.85， 地壳下部的密度为 2.9。 密度的分布在垂向上是不连续的，在横向上也不完全是均匀的。 地球内部的密度的研究主要依靠地震波提供的信息。 2 地震波 地震波分为纵波（P 波）、横波（S 波）和面波（M 波）。主要利用纵波和横波来了解地 球内部情况。 利用地震波可以了解地球内部各圈层的物质状态，还可以了解岩石圈内的构造界面。例 如，石油勘探中主要依靠地震波来了解油田的构造。 纵波和横波的主要特点： 波速与地球内部物质的密度成正比，与物质的刚性成正比。纵波比横波快。横波不能通 过液态和气态物质。 纵波和横波在遇到两种物质的界面时会发生折射和反射，并且会派生出新的纵波和横 波，分别称为 PP、PS、SP、SS 震相，二次折射或反射后的称为 PPP、PPS 等震相。 穿过外核的纵波称为 PKP 波，穿过内核的纵波称为 PKIKP 波。 地球的弹性、塑性和粘性 弹性是物体在受力时发生变形，力去除后变形很快完全恢复的性质。地球的弹性表现为 能传播地震波（弹性波），还表现为固体潮。 塑性是物体在受力时发生变形，力去除后变形不能完全恢复的性质。地球的塑性表现为 地球是一个旋转椭球体，还表现为地壳岩层受力时往往发生弯曲褶皱。 粘性是物体在受力时发生变形，力去除后变形缓慢恢复的性质。地球的粘性表现为地震 波的衰减，还表现为冰川消融后地面缓慢回升。 3 地球的重力场和重力均衡 重力是地心引力与地球自转离心力的合力。 地球物理学研究重力时，仪器测量的是重力加速度，习惯上把“重力加速度”简称为“重 力”，符号为 g，单位为伽（纪念伽利略），1 伽=1cm/s2，常用毫伽或微伽作单位。 g 随纬度 φ 的增大而增大： g = 978.0318(1+0.0053024sin2φ-0.0000059sin22φ) g 随海拔高度的增大而减小，每升高１米 g 值减小 0.3083 毫伽。 地表实测的重力值与理论计算值的差异称为重力异常。引起异常的原因是测点海拔高 度、测点周围地形、地下岩石密度，我们关心的是后者，要消除前二者的影响。将测点高度 校正到海平面称为自由空气校正。假定测点平面与海平面之间为一无限大水平板状体，减去 它的影响，称为布格校正。自由空气校正和布格校正合称为高程校正。若测点周围的地形起 伏不容忽视，则应先作地形校正。 经过布格校正后的异常称为布格异常，正（负）异常反映测点下方的岩石密度偏大（小）。 重力均衡是为解释喜马拉雅山对大地测量产生的误差而提出的假说，现已成为一个重要 的理论。重力均衡理论的要点是：较轻的地壳浮在较重的地幔上，地壳的厚度各处不一样， 山脉处较厚，称为山根，重力迫使其下面的地幔向地壳较薄处流动，莫霍面形态与地表形态 成镜像对称。若已达到均衡，则山根的质量亏损等于海平面以上多出的质量。若未均衡，则