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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，因而已独立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法论。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独立 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独立出来的， 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独立学科，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限制。人 们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚无能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限制，钻井所能达到的深度是有限的。目前世 界上最深的钻井（5km）位于俄罗斯西北部的科拉半岛，这一深度尚不足 该区大陆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。 
黄金分割 对于“黄金分割”大家应该都不陌生吧!由于公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯学派研究过正五边形和正十边形的作图，因此现代数学家们推断当时毕达哥拉斯学派已经触及甚至掌握了黄金分割。 公元前4世纪，古希腊数学家欧多克索斯第一个系统研究了这一问题，并建立起比例理论。 公元前300年前后欧几里得撰写《几何原本》时吸收了欧多克索斯的研究成果，进一步系统论述了黄金分割，成为最早的有关黄金分割的论著。 中世纪后，黄金分割被披上神秘的外衣，意大利数家帕乔利称中末比为神圣比例，并专门为此著书立说。德国天文学家开普勒称黄金分割为神圣分割。 到19世纪黄金分割这一名称才逐渐通行。黄金分割数有许多有趣的性质，人类对它的实际应用也很广泛。最著名的例子是优选学中的黄金分割法或618法，是由美国数学家基弗于1953年首先提出的，70年代在中国推广。也许，618在科学艺术上的表现我们已了解了很多，但是，你有没有听说过，618还与炮火连天、硝烟弥漫、血肉横飞的惨烈、残酷的战场也有着不解之缘，在军事上也显示出它巨大而神秘的力量？一代枭雄的的拿破仑大帝可能怎么也不会想到，他的命运会与618紧紧地联系在一起。1812年6月，正是莫斯科一年中气候最为凉爽宜人的夏季，在未能消灭俄军有生力量的博罗金诺战役后，拿破仑于此时率领着他的大军进入了莫斯科。这时的他可是踌躇满志、不可一世。他并未意识到，天才和运气此时也正从他身上一点点地消失，他一生事业的顶峰和转折点正在同时到来。后来，法军便在大雪纷扬、寒风呼啸中灰溜溜地撤离了莫斯科。三个月的胜利进军加上两个月的盛极而衰，从时间轴上看，法兰西皇帝透过熊熊烈焰俯瞰莫斯科城时，脚下正好就踩着黄金分割线。古希腊帕提侬神庙是举世闻名的完美建筑，它的高和宽的比是618。建筑师们发现，按这样的比例来设计殿堂，殿堂更加雄伟、美丽；去设计别墅，别墅将更加舒适、漂亮．连一扇门窗若设计为黄金矩形都会显得更加协调和令人赏心悦目．有趣的是，这个数字在自然界和人们生活中到处可见：人们的肚脐是人体总长的黄金分割点，人的膝盖是肚脐到脚跟的黄金分割点。大多数门窗的宽长之比也是618…；有些植茎上，两张相邻叶柄的夹角是137度28'，这恰好是把圆周分成1:618……的两条半径的夹角。据研究发现，这种角度对植物通风和采光效果最佳。黄金分割与人的关系相当密切。地球表面的纬度范围是0——90°，对其进行黄金分割，则38°——62°正是地球的黄金地带。无论从平均气温、年日照时数、年降水量、相对湿度等方面都是具备适于人类生活的最佳地区。说来也巧，这一地区几乎囊括了世界上所有的发达国家。多去观察生活，你就会发现生活中奇妙的数学!数字中国有一个成语——“顾名思义”。很多事物都能顾名思义，但是也有例外。比如，阿拉伯数字。很多人一听到阿拉伯数字，就会认为是阿拉伯人发明的。但事实证明，不是。 阿拉伯数字1、2、3、4、5、6、7、8、9。0是国际上通用的数码。这种数字的创制并非阿拉伯人，但也不能抹掉阿拉伯人的功劳。其实，阿拉伯数字最初出自印度人之手，是他们的祖先在生产实践中逐步创造出来的。 公元前3000年，印度河流域居民的数字就已经比较进步，并采用了十进位制的计算法。到吠陀时代（公元前1400－公元前543年），雅利安人已意识到数码在生产活动和日常生活中的作用，创造了一些简单的、不完全的数字。公元前3世纪，印度出现了整套的数字，但各地的写法不一，其中典型的是婆罗门式，它的独到之处就是从1～9每个数都有专用符号，现代数字就是从它们中脱胎而来的。当时，“0”还没有出现。到了笈多时代（300－500年）才有了“0”，叫“舜若”（shunya），表示方式是一个黑点“●”，后来衍变成“0”。这样，一套完整的数字便产生了。这就是古代印度人民对世界文化的巨大贡献。 印度数字首先传到斯里兰卡、缅甸、柬埔寨等国。7－8世纪，随着地跨亚、非、欧三洲的阿拉伯帝国的崛起，阿拉伯人如饥似渴地吸取古希腊、罗马、印度等国的先进文化，大量翻译其科学著作。771年，印度天文学家、旅行家毛卡访问阿拉伯帝国阿拨斯王朝（750－1258年）的首都巴格达，将随身携带的一部印度天文学著作《西德罕塔》献给了当时的哈里发曼苏尔（757－775），曼苏尔令翻译成阿拉伯文，取名为《信德欣德》。此书中有大量的数字，因此称“印度数字”，原意即为“从印度来的”。 阿拉伯数学家花拉子密（约780－850）和海伯什等首先接受了印度数字，并在天文表中运用。他们放弃了自己的28个字母，在实践中加以修改完善，并毫无保留地把它介绍给西方。9世纪初，花拉子密发表《印度计数算法》，阐述了印度数字及应用方法。 印度数字取代了冗长笨拙的罗马数字，在欧洲传播，遭到一些基督教徒的反对，但实践证明优于罗马数字。1202年意大利雷俄那多所发行的《计算之书》，标志着欧洲使用印度数字的开始。该书共15章，开章说：“印度九个数字是：‘9、8、7、6、5、4、3、2、1’，用这九个数字及阿拉伯人称作sifr（零）的记号‘0’，任何数都可以表示出来。” 14世纪时中国的印刷术传到欧洲，更加速了印度数字在欧洲的推广应用，逐渐为欧洲人所采用。 西方人接受了经阿拉伯人传来的印度数字，但忘却了其创始祖，称之为阿拉伯数字。
中国环境污染造成了1875亿元损失 在我国，环境污染问题越来越得到重视。然而，对于环境污染造成的经济损失的估算却仍然是一个新鲜话题。日前，中国社会科学院最新公开发表的一份关于“90年代中期中国环境污染经济损失估算”的报告给予了公众一个参考。根据估算，1995年环境污染和生态破坏对我国造成的经济损失达到了1，875亿元，占当年GNP值的27%。该报告引起了社会各界的广泛关注。水污染造成的损失是大头 报告认为，他们计算得来的1875亿元经济损失主要由三部分组成，一是大气造成的经济损失，二是水污染造成的经济损失，三是固体废弃物和其它污染造成的经济损失。在这三部分中，水污染造成的经济损失是最为庞大的一个组成部分。 不考虑因地球物理原因形成的水污染造成的损失，仅仅计算人类生产活动中产生和排放的废弃物进入自然界水体所造成的水体污染而带来的经济损失，这数目就达到了9亿元，占环境污染造成的全部经济损失值的20%。 其中，工业污染性缺水是各项损失中最严重的一项。1995年，全国工业污染性缺水就造成直接工业经济损失750亿元，占了水污染造成的损失的一半以上。 另外，报告指出，水污染对人体健康造成的损失（包括南方水网地区和北方农村地区）、水污染对渔业的损失、水污染对农业的损失、水污染对旅游业的损失也是不可忽视的损失组成项目。大气污染损失也不可轻视 除了水污染之外，大气污染对经济造成的损失也不可轻视。报告指出，大气污染已对我国经济建设构成了严重的威胁。总悬浮颗粒物（TSP）、二氧化硫（SO2）等对我国人民的健康损害尤其大，1995年全国因为大气 TSP（和SO2）污染影响导致的人体健康损失估算达到171亿元。 另外，酸雨也是一个“大杀手”。酸雨不仅对农作物和森林损害极大，而且酸雨对于建筑材料也有极其大的腐蚀作用，从而对建筑物造成危害。报告估算，1995年，我国因为酸雨造成的经济损失就高达130亿元。 损失还来自多方面 水污染和大气污染已给我国造成了巨大的经济损失，与此同时，固体废弃物和其它因素的损失也日渐增多。这多方面组成的第三大部分损失已达2亿元。 该报告所计算出来的损失1875亿元虽然已是数目庞大，骇人听闻，然而，撰写该报告的专家指出，我国因为环境污染造成的经济损失还远远不止此数目，该数字只是部分可以计算的环境损失。由此看来，我国保护环境的任务还任重道远。
