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（12.5km）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。
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地球是太阳系八大行星之一，从诞生之日起，已历46亿年。按离太阳由近及远的次序是第三颗，位于水星和金星之后；在八大行星中大小排行是第五。在英语里，地球是唯一一个不是从希腊及罗马神话中得到的名字。英语的地球Earth一词来自于古英语及日耳曼语。这里当然有许多其他语言的命名。在罗马神话中，地球女神叫Tellus——肥沃的土地（希腊语：Gaia，大地母亲）。由化学组成成分及地震震测特性来看，地球本体可以分成一些层圈，以下就标示出它们的名称与范围（深度，单位为公里）：
0～40地壳40～2890地幔2890～5150外地核5150～6378内地核
固态的地壳厚度变化颇大，海洋地区的地壳较薄，平均约7公里厚；而大陆地壳就厚得多，平均约40公里厚； 地幔也是固态，不过在它上部有一层极小部分熔融的区域，称为软流圈 ，其上的地幔最顶部及整个地壳则称为岩石圈 ；至于外地核是液态而内地核是固态。 这些不同的层圈都是以不连续面为界，最有名的就是在地壳与地函之间的莫氏不连续面 （Mohorovicic discontinuity）。
地幔占有地球的主要质量，地核反而位居其次，至于我们生存的空间则只是整个地球极小的一部分而已 （质量，单位为10的24次方千克： 大气层 = 0.0000051，海洋 = 0.0014 ，地壳 = 0.026，地幔 = 4.043，外地核= 1.835，内地核 = 0.09675，）
地核的主要成分是铁 （或铁镍质），不过也可能有一些较轻的物质存在，地心的温度约有7,500K，比太阳表面温度还高；下部地幔的主要成分可能是矽、镁、氧，再加上一些铁、钙及铝；上部地幔主要成分则是橄榄石及辉石 （铁镁矽酸盐岩石），也有钙和铝。 以上这些了解都是来自于地震震测资料，虽然上部地幔的物质有时会因著火山喷出熔岩而被带到地表来，但是我们仍无法到达固体地球的主要部分，目前的海底钻探行动连地壳都尚未挖穿。 地壳的成分则主要是石英 （二氧化硅）及硅酸盐类如长石。 整体估算，地球化学组成的重量百分比为： 铁34.6% ，氧29.5% ，硅15.2% ，镁12.7% ，镍2.4% ，硫1.9% ，0.05% 钛 。
地球是平均密度最大的主要星体。
其它类地行星也都具有和地球类似的结构与组成，但其中也有一些差异： 月球核所占比例最小； 水星核的比例最大；而火星及月球的函相对较厚；月球和水星没有化学组成明显不同的函与壳之分；地球可能是唯一可再分成内外核的。不过请留意，我们对行星内部的认识主要是来自于理论推导，就算是对地球的也是如此。
有别于其它类地行星 ，地球的最外层 （包含地壳及上部地幔的顶端）被切分为数块，「飘浮」于其下的炽热地幔之上，这就是著名的板块构造运动学说 。 这个学说主要描述两种运动：拉张与隐没，前者发生在二个板块互相远离，其下的岩浆涌出而生成新地壳之处；后者则发生在二个板块互相碰撞，其中一方潜入另一方之下，终至消灭于地函中之处。 此外，也有一些板块边界是横向错开式的相对运动或两个大陆板块硬碰硬地撞在一起。
地球的大部分表面很年轻 ，只有5亿年左右，以天文的角度来看确实很短。但也有很少的地方露出了当年地球地壳形成时的基底——花岗岩，如中国辽宁省葫芦岛市绥中县就有裸露，由于形成花岗岩时的冷却时间长，所以花岗岩内的结晶体都非常发育，边长在1-2厘米，故把其命名为绥中花岗岩。由于侵蚀作用及构造地质运动不断地破坏又重建大部分的地表，因而地表早期的地质记录不容易找到，例如撞击坑 ，所以早期地球历史大部分都已不见踪迹。 地球约有45至46亿年老，然而目前已知最老的岩石只有大约40亿年前（地球有相当长的一段时期是一个由熔化的岩浆形成的火球），而且老于30亿年的岩石非常罕见。 最老的生物化石不早于39亿年前，有关生命起源的关键时期则亳无记录。
地球表面积71%为水所覆盖，地球是太阳系唯一在表面可以拥有液态水的行星 （土卫六的表面有液态乙烷或甲烷，而藏于木卫二的表面之下则可能有液态水，不过地球表面有液态水仍是独一无二的）。 液态水是我们已知的生命型式所不可或缺的要素；而缘于水具有的大比热性质，海洋的热容积成为保持地球温度恒定的一大功臣；液态水还是陆地上侵蚀与风化作用的主要营力，这是太阳系中唯一有此作用 的地方 （也许火星早期也曾有过这些作用，但现在已无）。
地球大气组成中，77%是氮气而21%是氧气，再来就是微量的氩、二氧化碳及水气。 地球初形成时的大气很可能大部分都是二氧化碳，不过它们大多已被碳酸盐类岩石给结合，其余的则是溶入海洋及被绿色植物耗尽；如今板块构造运动及生物作用是大气中二氧化碳消长的持续主控者。 大气中存在的水气及微量二氧化碳所造成的温室效应是维持地表温度极重要的作用，温室效应使地表温度提高了大约35℃，否则地表的平均温度将是酷寒的-21℃！ 若没有水气及二氧化碳，海水会冻结，而我们已知的生命型式将无从开展。 此外，水气更是地球水循环及天气变化中不可或缺的要角。
自由氧的存在也是地球化学组成的一大特征，因为氧是活性很强的气体，照理说应该很容易就和大气中其它元素相化合，地球上的氧气完全是由生物作用产生及维持，若没有生命就不会有自由氧。
地球拥有适度的磁场，推测磁场是起因于液态外地核中的电流。 由于太阳风与地球磁场及外层大气的交互作用， 极光于焉产生；而上述因素的不均衡造成磁极会在地表移动，目前磁北极位于加拿大北境。由于太阳风与地球磁场及外层大气的交互作用， 极光于焉产生；
地球磁场及其与太阳风的交互作用也造成了范艾伦辐射带 （Van Allen radiation belts），它是环绕著地球的成对环状带，外型就像是甜甜圈，由气体离子 （电浆） 组成，其外圈由海拔19,000公里延伸到41,000公里；内圈则介于海拔13,000至7,600公里之间。
