地质学基础 全套讲义

《地质学基础》讲义

前言

一、课程介绍

1、课程性质

地质学基础是为资源环境与城乡规划管理本科专业学生开设的一门专业基础课，属于必修课程。本课程对引导学生学习地理科学、环境科学、城市与区域规划具有重大作用，能够使学生树立科学的地球观和世界观，初步掌握地质学的基础理论和基本技能；同时为其他城乡规划专业课程的学习奠定基础。

2、目的任务

（1）目的：使学生对地质学有一个系统的认识和了解，逐步学习和掌握地质学的思维方法，为进一步学好其他专业课程打下基础。

（2）任务：学习和掌握地质学主要分支学科的基本内容、意义及相互关系，从地球的组成、演化与各种地质作用的性质、特点、过程和结果入手，掌握地质学的基本原理、主要概念和术语、重要理论及地质思维和分析的基本方法。

3、与其它课程的关系

本课程是学生在低年级最先学习的一门专业基础课，主要为城乡规划综合实习提供基础理论知识，为后续的自然地理学、环境科学导论、经济地理学、土地资源学、区域分析与规划、环境影响评价等专业课程打下基础。

二、教学要求

1、了解

地质学的研究对象、研究特点及研究方法；现代地质学发展的特点；地球的圈层结构及不同圈层的特点；组成地壳的主要元素；地壳类型及其特点；软流圈和岩石圈的特点；地质作用的分类；鉴定矿物的主要依据及其基本特征；矿物的分类；火成岩的分类，代表性的岩石及其特点；沉积岩的形成过程；影响变质作用的因素；变质作用的类型及相应的变质岩；板块边界的类型；岩层的产状要素；褶曲的分类；断层的分类；描述地震特征的相关术语；火山和地震的空间分布规律；人类的演化阶段。

重要术语：重力异常；地磁异常；地热增温级；克拉克值；硅铝层；硅镁层；软流圈；岩石圈；地质作用；矿物；岩石；晶质体；非晶质体；类质同像；同质多像；解理；风化壳；变质作用；变质强度；接触变质晕；双变质带；贝尼奥夫带；构造运动；构造变动；地槽；地台；地盾；板块；褶曲；地形倒置；断层；地层层序律；化石；标准化石；地层；岩相；构造旋回；沉积旋回；矿石；矿床；品位。

2、理解

人类在认识地球形状的历程中获得的启示；酸性岩浆和基性岩浆的特征区别，岩浆性质与火山喷发类型之间的联系；鲍温反应系列对于认识矿物共生组合规律和掌握火成岩分类特征的意义；野外识别背斜与向斜；各种大地构造学说的主要观点；分析印支运动、燕山运动对中国古地理环境的影响；第四纪时期地理环境演化的主要特征；分析矿床的形成与岩石成因之间的关系。

3、掌握

三大类岩石之间的区别和转化关系；各种大地构造学说；人类的演化与地理环境变化的联系；概括地壳构造演化阶段，分析各主要构造运动对世界古地理环境的影响；概括地球生物发展阶段，归纳主要生物门类的繁盛时期与灭绝时期，并分析其可能原因；概括地球气候变化历史，分析地球经历的温暖时期和寒冷时期及其特征；分析早古生代、晚古生代和中生代中国

海陆格局变化的演化特征及其与主要矿产分布的关系；喜山运动和新构造运动在中国现代地理环境形成过程中的意义。

三、教学内容

1、主要教学内容

2、教学重难点

（1）教学重点：地球的物质组成，常见矿物的鉴定特征，三大类岩石的基本特征及分类，各种地质作用的特点及生物演化规律。

（2）教学难点：大地构造学说，地球发展与演化的各个阶段及地史特征。

四、教材说明

1、教材

宋春青，邱维理，张振春编著.地质学基础（第四版）.高等教育出版社，2005

2、参考书

（1）李亚美，陈国勋.地质学基础.地质出版社,1994

（2）刘本培，蔡运龙主编.地球科学导论.高等教育出版社，2000

（3）宋春青，张振春编著.地质学基础（第二版）.高等教育出版社，1982

（4）夏邦栋，刘寿和.地质学概论.高等教育出版社，1992

（5）夏邦栋主编.普通地质学.地质出版社，1995

（6）许至平.普通地质学.煤炭工业出版社，1990

（7）张宝政，陈琦主编.地质学原理.地质出版社,1999

绪言

教学目的：引入地质学的基本概念，明确地质学的研究任务与内容，介绍地质学的特点和研究方法。

教学要求：了解地质学与其他相关学科的关系；了解均变论和激变论的观点；掌握地质学的概念；熟练掌握地质学的特点和研究方法。

教学重点：地质学的基本概念，地质学的特点和研究方法。

教学难点：地质学的特点和研究方法。

教学方法：讲授法、讨论法

教学手段：多媒体教学

教学内容：§1.地质学概述

§2.地质学的特点和研究方法

§1.地质学概述

一、地质学的研究对象

1、地质学的起源

地质学是人类在认识地球、研究地球的过程中，经长期积累和总结而产生的一门关于地球的科学。人类从何时开始认识地球呢?自从2－3百万年前地球上出现人类以来，就开始了认识地球、研究地球。人生活在地球上，一切生活资料、生产资料都取自地球，要从地球中开采矿产资源，要适应大自然的环境和条件，要与地球上发生的各种自然灾害作斗争。随着人类对于地球认识的不断深化，经过长期的积累，形成了研究地球的学科，即地质学、地理学、生物学、天文学、气象学等。地质学、地理学合称地学，与数学、物理学、化学、生物学、天文学一起构成自然科学的六大基础学科。

地质学作为一门独立的学科，诞生于1775年，标志是魏尔纳（A.G.Werner，1749－1817年）在德国富德堡矿业学堂首次讲地质学课程。

地质学Geology一词源于古希腊文，其中（geo）的意思是地,“logy”的意思为学问，简而言之地质学是研究地球的科学。

2、基本概念

地质学：是研究地球及其主要演变的一门自然科学，主要研究地球的组成、构造、发展历史和演化规律。

地质学：是研究地球的科学，主要研究地球的组成物质、构造、各种地质作用、地球的形成和发展历史以及地质学在国民经济上的应用等。

3、研究对象

地质学的研究对象是地球从地表到地心的部分。但由于目前科学技术的限制，地质学主要研究地球的外层、地壳或岩石圈，即地质学目前主要是研究地壳或岩石圈的物质组成、结构、构造、发展史以及地质学在生产中的应用。

地质学的研究对象——地球——从地核到外层大气的整个地球，主要研究地球的最外层——固体地球部分，即岩石圈（地壳和上地幔的上部）——地壳。

二、地质学的研究内容和分科

1、地质学的研究内容

地壳的组成物质、产状、成因及其分布规律；地壳运动及其所引起的各种构造变动和发展规

律；地壳的发展历史及生物演化规律；地质学在生产生活方面的应用。

2、地质学的分科

地质学分科众多，按照研究的内容和性质，地质学可以划分出许多独立的分科；按研究方法和研究范围可以划分出同位素地质学、地球物理勘探、地球化学探矿、显微地质学、海洋地质学、深部地质学等分科。

从城乡规划专业出发，只介绍地质学的基本内容，掌握地质学的基本技能和研究方法，为进一步学习奠定专业基础。

三、地质学发展简史

1、古代地质思想的萌芽和发展——中国古代地质学发展概况

地质科学的源头是十分遥远的，在古代主要是由于矿产的开采和利用，先从认识一些矿物和岩石开始，进而认识一些地质作用。

我国地质知识历史悠久，远在夏禹时代（公元前21－前16世纪）即使用玉石；商周时代（公元前722－前221年）即用铜做器具和兵器；在2000多年前就运用磁铁矿的磁性发明了指南针；汉朝（公元前206－220年）已经用煤做燃料，并且知道了石油（称石漆）和天然气；东汉科学家张衡（78－139年）发明了候风地动仪；唐朝（618－907年）颜真卿对化石已有认识，比欧洲第一个认识化石的达·芬奇要早七八百年；唐宋（960－1279年）时代对地壳的升降及沧海桑田的海陆变迁已有一定的认识；明朝药物学家李时珍在《本草纲目》中对矿物进行了分类，并对200多种矿物和岩石的物理性质作了较深入详细的描述；同时我国古代劳动人民在生产实践中，不断地积累和总结了许多地质方面的知识，对矿物和矿床的形成、特征、分布和应用，对矿产的寻找和开采，对矿石的冶炼，对地质现象和地质作用，以及化石和地层等方面，都有一定的研究和贡献，对地质科学的形成起到了一定的奠基作用。但本时期总的说来未开展系统研究，地质学尚未形成一门独立的学科。

2、近代地质学的确立——国外中世纪后地质学的发展概况

地质学作为一门独立的学科仅有200多年的历史，是随着资本主义工业时代的产生，人们对自然界产生新观念，并对地质现象进行系统研究而形成的。

15世纪下半叶以后，资本主义生产关系在西欧封建制度内逐渐形成，生产力得到解放，唯物主义在同唯心主义的斗争中不断得到发展，波兰天文学家哥白尼提出的“太阳中心说”对科学起着很大的推动作用。16世纪的文艺复兴使自然科学逐步得到发展，促进了地质学的诞生。17世纪的产业革命推动了冶矿业的兴起，从大量的地质调查和矿产开发生产实践中，获得了丰富的实际资料，并进行系统分析和总结，由此地质学才逐渐成为一门独立的学科。1709－1830年是地质学的确立时期，是在几个代表人物为首的几种学说观点的争论中逐渐确立的。

（1）魏尔纳的水成论

使地质学初步系统化起来的是德国矿物学家魏尔纳（A.G.Werner,1749－1817年），他把地层按先后顺序划分为：花岗岩为主的成层岩层；由松散的砾、砂土为主的冲积层两种基本类型。

主要论点：①地球是时间的产物，是逐渐形成的；②水是地壳形成与变化的唯一动力因素，地壳中的岩石包括花岗岩和玄武岩都是水成的，地下水的作用是次要的，火山是地下煤层和硫磺燃烧的结果；③海底沉积的水平岩层出露是水平面不断下降的结果，倾斜岩层的成因与海底原始起伏及其引起的沉积物滑落有关。

魏尔纳的门生遍布欧洲各国，岩石水成论曾盛极一时，直到18世纪最后20年仍坚持。（2）赫顿的火成论

英国地质学家赫顿（J.Hutton,1726－1797年）为首的火成学派，是以水成论的最薄弱环节－玄武岩水成问题为突破口，以大量公认的事实为依据，逐步建立起来的。

主要论点：①地壳是循环运转的，上升部分陆地毁灭－受侵蚀；低洼部分陆地再造－接受沉积；②地内热能是地壳循环运转的动力，地球就是一部地热机。

赫顿认为：地内热能是海底松散沉积物固结成岩，地下岩层熔融并侵入地壳直至火山喷发的动力；而熔融物质侵入是使沉积层隆起抬升的原因。

魏尔纳的两个得意门生——德国地质学家布赫（Leopold.Von.Buch，1774－1853年）和法国地质学家多比松（J.F.D.AubuissondeVoissins，1769－1841年)通过对火山的观察，也背离了水成论而转向火成论，于是终以火成论的胜利结束了这场持续了30年的争论。（3）居维叶的灾变论

“水火之战”发展了地质科学的概念与方法，对地质学的确立具有重要意义。但地质学的根本任务是了解地球与地壳的发展历史，要揭开地球历史就必须把生物演化系列与地层系列统一起来考虑，该工作的创始人就是法国古生物学家居维叶（D.G.Guvier,1769－1832年）。居维叶对地质科学的贡献，就是确立了生物地层学的研究方法：①把化石确定为推断地层相对年龄的“科学尺度”。居维叶通过古生物的研究形成了这样一个科学概念：灭绝的生物和现有生物的差别越大，躯体构造越简单，则它所处的地层年代越古老；反之则越新。②为古生物方法判定地层年代提供了科学准则－“器官相关律”。居维叶发现：每个机体都是一个完整的严密的体系……，获得一部分（器官）就可以判明其它的部分……就可以象拥有一个完整体系那样精确地决定它的纲、目、属、种。

居维叶对地球的演化规律的认识是灾变论，认为：①物种不是进化的，而是永恒不变的；②地球的演化是一连串突发的灾变；③每次突变都彻底改变地壳面貌，引起生物绝灭，而后又被重新创造出来。

（4）莱伊尔的渐变论

与灾变论相对立的渐变论（均变论），是由赫顿提出，由英国地质学家莱伊尔在与灾变论的斗争中发展和确立的。莱伊尔等认为：①地质历史的演变是渐进的，是由最普遍的地质因素——风、水、河、海等在长期作用中，促进了地表形态和地壳结构的改变；②针对灾变论的“古今不一致”说，提出了“古今一致”说，认为“现在是了解过去的一把钥匙”，即后人概括的“将今论古”的现实主义原理。

莱伊尔在1830－1833年出版的文卷《地质学原理》，为地质学体系的建立奠定了最重要的基础，标志着地质学的成熟与独立，是一部划时代的著作。

近代地质学（或称传统地质学）理论体系概括为岩矿地质学、动力地质学和历史地质学三大内容，一直延用至今，成为基础地质学的三大部分。

3、现代地质学的发展——地质学的全面论证、全面发展和地球科学的革命

19世纪中叶，资本主义进入全盛时期，推动了地质学进入现代的崭新发展阶段，特别是近几十年来，随着科学技术的突飞猛进，许多新成果、新技术、新方法都在地质学中得到广泛应用，推动地质学发生了新的革命。

生产力的发展和科学技术的进步推动现代地质学的形成与发展主要体现在两方面：一是为地质学提供了新的仪器和手段——电子显微镜、电子计算机、遥感技术等；二是为地质学开拓了新的研究方向和领域——海洋地质、星球地质等，从而使地质学向纵深方向发展，出现了高度分化、高度综合的新趋势，并与其它科学相互渗透、相互交叉，产生了许多边缘学科——应用数理统计原理和方法研究地质问题的数学地质学、应用物理化学原理与方法研究同位素在地壳中分布和变化规律的同位素地质学、研究环境与人类健康关系的医学地质学等。大地构造演变理论方面取得重大进展，由固定论转为活动论，研究范围由大陆扩大到全球。传统地质观念认为：大陆只是在原来位置上作垂直升降运动，海陆虽有扩大和缩小，但相对地理位置是基本不变的。1912年德国学者魏格纳提出“大陆漂移学说”，对传统的固定论是个彻底的否定，从而激起了两大学派持续了近半个世纪的争论。

二次世界大战以后，科技的迅猛发展，在活动论的思想指导下，综合海洋物探、古地磁、地震、同位素地质等方面所获得的大量实际资料，20世纪60年代美国一批青年地质学者创立了全球板块构造学说，是人类对地壳运动的划时代的认识，是地球科学的一次大的革命，大大推动了地质等各个领域的变革和发展。现代地质学同近代（传统）地质学相比，正由浅部向深部，由大陆向海洋，由新向老，以及由地球向宇宙间发展。

全球板块构造理论能够解释与推断以前各种学说不曾解决的许多问题，但不曾也不能解释地球物质运动的一切问题。现代地质学在不少领域中还存在许多争论：对原始岩浆源的成分问题还有岩浆论和转变论之争、对花岗岩成因的问题还有岩浆论和转变论之争、对地壳运动的原因问题仍有许多不同甚至针锋相对的观点。

地球物质运动永不“停息”，人类的认识活动也永无止境，有待于我们进行不断地探索研究。

4、现代地质学的发展趋势

（1）地质学观察与研究的范围和领域日益扩大

（2）地质学研究的精度与深度随着多学科的合作而不断提升

（3）实验与模拟成为地质学研究的重要手段

（4）全球构造理论不断补充完善

（5）资源与环境是地质学服务社会的重要方面

（6）国际合作成为现代地质学研究的必然趋势

四、地质学在地理专业中的地位和作用

地质学的主要研究对象是地壳，而地壳又属于地理环境的一部分，地质学与地理学关系极为密切，地质学是地理专业的专业基础课。

1、自然地理学各分支学科——地貌学、水文学、土壤学、气象学等以及区域地理学的学习，都需要具备地质学的基础知识和理论

地貌是地壳的表面形态，盆地、高原、丘陵、山地、平原等地貌的形成与变化都受着地质构造与岩性的控制，是内外力相互作用的结果；土壤的发育、性质和分布规律受到母岩的物质组成和新构造运动的影响；水圈中水体的形成、性质、分布和活动，受地貌和地质构造的影响；气象气候也受地形的控制和影响；矿产资源的地理分布则主要受成矿规律的支配。

2、掌握必要的地质学知识，特别是矿物知识，有助于研究经济地理中的有关问题

经济地理学是研究社会经济活动与地理环境之间的关系，地质学与经济地理学也存在着密切的关系。自然条件和自然资源的评价是经济地理学研究的前提，需要直接运用地质学知识。目前工业发达的国家，以矿业和以矿产品为基础原料的工业，一般要占到整个工业生产的60％左右，进行生产所使用的动力几乎全部取决于地下资源。查明地下地质构造的情况则是城市、矿山和水利建设与规划的重要依据。

3、为地理学习提供必要的地质学基础知识、理论和方法，培养中等学校地理教师在教学上必不可少的基础知识

现代中学地理教学包括了地壳的组成、构造、发展史和地质作用等各方面的内容，地质学基础知识是中学地理教师所必须具备的。培养一定的野外地质观察与分析能力，掌握一般野外地质工作方法，对于一个中学地理教师组织学生开展地理课外活动与参与当地建设实践更是大有裨益的。

§2.地质学的特点和研究方法

从地球形成以来的漫长地质历史过程中，经历了一系列极其复杂的变化，不仅引起变化的条件和因素极为复杂，而且变化规模极为庞大，要说明地质学的研究方法，首先就要分析地质学研究对象的特点。

一、地质学的特点

1、时间的悠久性

据推测地球年龄约46亿年，原始海洋在39亿年前形成，35亿年前原始生命出现在海洋里，人类的出现只不过是地球历史上最后一个时期－第四纪（Q）2－3百万年前的事。

一个大的地质事件，往往需数百万年、数千万年才能完成，岩石、矿物的形成、海陆的变迁、山脉的隆起、海底的扩张等，喜山山脉从海底隆起至今约4－5千万年，大西洋的形成约200百万年。

相对于人类历史，地质历史十分悠久，而且每一地质事件出现前，都需要长时间的量变积累过程，不同地质事件所表现出的地质阶段之间的时间尺度很长，多以万年、百万年甚至亿年计算。

人类难以对正在进行的地质作用的全过程做完整的观察，对于地质历史中的地质作用更不可能直接去了解。有人打过形象的比喻：假如整个地球的历史是一部巨厚的书，那么人类的历史只不过占有其中的最后一卷的最后一页的最后一行而已。

2、空间的广阔性

地质学的研究对象，广度上包括整个地球，深度上直到地心，高度上达大气层上界；地质学的主要研究对象是地壳，大陆地区地壳平均厚度33km，大洋地区6km，故研究空间十分广阔。

3、地区的差异性

地质学研究范围十分广阔，不同地区有不同的物质基础、构造运动和外界因素，虽然在漫长的地质历史中，有其统一的发展规律，但各个地区的地质发展过程仍有很大的差异。

同一地区不同地质时期变化过程与结果不同；同一时期不同地区变化过程与结果也不同。志留级（S）时华北是陆地，华南则是海洋；石炭纪（C）、二叠纪（P）时，北半球温湿期，南半球大冰期。

4、变动的复杂性

时间上的漫长性，空间上的广阔性，再加上地球是一个非常复杂的天体（包括有机界和无机界），其变化既决定于地球本身的内在因素，又受控于宇宙空间的外界因素，其形成变化因素之多，现在也无法充分估计，最先进的计算机也无法模拟，从而决定了地壳变动的复杂性。变动的复杂性还表现在不同的地质过程，会产生相似的地质现象，造成同一种地质现象可有多种解释——地壳隆起，发生海退现象，冰期时，同样也可引起海退。

5、记录的残缺性

地层好比地壳发展历史书的书页，其上记载着地壳发展过程中的环境特征和地质作用，人类正是依据地层来恢复地壳发展历史的。后期的地壳运动和地质作用，往往把前期形成的地层破坏，或弄得支离破碎，残破不堪或毁坏得面目全非，难于辩认。

6、较强的实践性

地质学是来源于实践而又服务于实践的科学。地质学必须以地球为大课堂，以大自然为实验室，进行野外调查研究，大量掌握实际资料，得出初步结论，然后再用以指导生产实践，并不断修正补充和丰富已有的结论。

由于地质学研究对象的时间悠久性、空间广阔性、地区差异性、变动复杂性、纪录残缺性、较强实践性，从而增加了地质学研究的困难，决定了其研究方法的特殊性。

二、地质学的研究方法

地质学的研究方法主要是在实践的基础上，进行推理论证。推理的基本方法是演绎和归纳。演绎是由一般原理推出特殊情况下的结论。归纳是由一系列具体的事实概括出一般原理。1、野外调查

地质学的研究对象既然是地球（主要是地壳），必须要以自然界为实验室，直接到野外观察研究，广泛积累大量第一手资料，然后予以去粗取精，去伪存真地分析，上升成理论，再回到实践中加以检验，补充和修正，如此循环往复才能得出正确的结论。

野外调查是地质学基本的研究方法。

2、室内实验和模拟实验

为了研究矿物、岩石等的化学成分、物理性质及内部结构，必须采取各种手段进行实验和分析工作。

模拟实验：经野外调查研究后，将自然界规模巨大、时间漫长、条件复杂的地质作用过程，采取缩小规模、缩短时间、简化条件的方法，让其在室内重现，看其结果是否与野外调查基本相似，若是那就认为该结果是由于该成因机制的作用过程造成的。

模拟实验可分为实物模拟和数学模拟两种，随着计算机的引入，数学模拟的应用日益广泛。人造矿物（金刚石、石英等）和岩石，有助于了解自然界矿物、岩石和矿床的形成和分布规律；地质力学模拟实验可以得到各种构造形式产生的条件和分布规律。

3、历史比较法（现实类比法）

地质学的任务之一就是要搞清地质作用过程，恢复地壳发展史，但现在看到的只是古老地质作用的最终结果，怎么去推断这种结果的形成过程呢？

英国地质学家莱伊尔（CharlesLyell,1797－1875年）首先提出了“将今论古”的现实主义原理和方法：以观察和研究现代地质作用过程和结果为基础，再将野外调查到的历史地质作用的结果与现代地质作用的结果进行类比，以推断地史上产生该结果的地质作用过程，即利用现在的已知推断过去的未知。

莱伊尔曾说“现在是认识过去的钥匙”——ThePresentistheKeytothePast。现代干旱半干旱内陆湖环境下，由于蒸发作用可产生盐矿，若某地某一地层中发现有岩盐，则可推断该处当时为干旱半干旱内陆湖环境；现代海洋中有泥沙不断沉积，并繁殖着螺蝌等软体动物，若在组成高山的地层里找到了海生螺蝌化石，就可判断高山所在曾经是一片海洋，并可得到结论，地球各处的山脉并不是从来就存在的，而是地壳历史发展的产物。但莱伊尔错误地认为现在的地质作用和地史上的地质作用是一样的，所不同的只是量的差别，即均变论（渐变论）。事实上，地质作用的改变不只是量的，而且还有质的变化；不只是缓变（渐变），而且还有突变，过去的环境不同于现代的环境，过去的地质作用不完全同于现代的地质作用。地壳形成初期，大气中二氧化碳含量高，水体呈酸性；现代海百合生活于深海，但在地史却生活于浅海。现代地质学接受了莱伊尔现实主义原理的合理部分，发展成为历史比较法，也就是以现在分析过去，恢复地质历史，但在古今类比中，绝不能简单地机械地套用，必须用辩证唯物主义和历史唯物主义观点作指导，综合各方面的资料，考虑具体条件进行具体分析。

4、区域对比综合分析

由于地质现象具有多解性，即同一种现象可以有多种成因解释，就必须进行区域对比、综合分析。地壳运动引起的海退总是区域的，而冰期气候造成的海退却是全球的；外营力引起的断裂总是延伸不远，而地壳运动引起的断裂规模较大并且在一定地区延伸方向较稳定。

本章小结：引入地质学的基本概念，明确地质学的研究任务与内容，介绍地质学的特点和研究方法。

思考题：

1、地质学研究的内容是什么？

2、地质学的特点有那些？

3、试述地质学的研究方法？

第一章总论

教学目的：介绍地球的基本特征，分析地球的结构，研究地质作用。

教学要求：了解人们对地球形状的认识过程及有关地球的形状和大小的一些基本数据；了解地球的密度和重力，地壳均衡说的内容；掌握地热、常温层、地热增温级和地热梯度的概念；

掌握不连续面的概念，地壳、地幔、地核的分界面；掌握相对地质年龄和绝对地质年龄，识记地质年代简表；熟练掌握地壳、地幔、地核的分层和特点，陆壳和洋壳的区别，岩石圈、软流圈的概念；熟练掌握地质作用、地层层序律、生物层序律的概念，主要地质时代单位的符号。

教学重点：地球的结构，地质作用。

教学难点：地球的结构，地质作用。

教学方法：讲授法、讨论法

教学手段：多媒体教学

教学内容：§1.地球的概况

§2.地球的结构

§3.地质作用和地质年代

§1.地球的概况

一、地球的形状和大小

1、地球在太阳系中的位置

（1）地球在宇宙中的位置

现代科学技术利用射电天文望远镜已能了解到3.6×106光年的范围，可以观测到10亿个以上的星系，太阳所在的银河系只是其中的一个，银河包括1400亿颗恒星。

地球仅仅是太阳系的一个普通成员，相对说来，地球是宇宙中十分微小的一个分子。

从地质学的角度上说，地球是主要研究对象，但从天文学的角度上或从宇宙成因上说，又不能把地球和其它天体的特征相分离。

（2）地球在太阳系中的位置

太阳系(solarsystem)是以太阳为中心的一个天体系统，包括了质量和体积最大的太阳，居于整个体系的中央，能自己发光和辐射热能。围绕着太阳的是八大行星，由内往外是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，以及位于火星和木星间的小行星和轨道不同于其他行星的彗星，也包括某些行星所拥有的为数不多的卫星，所有行星均围绕着太阳公转，同时各自又在作自转，但它们都不能自己发光，仅仅能反射太阳光。

相对于太阳来说，所有行星的体积和质量都是很小的；太阳的体积为地球的130万倍，质量为地球的33.3万倍，密度为地球的l／4。

2、地球的形状和大小

（1）对地球形状、大小的认识

一般所说的地球形状与大小是指地球外壳及其表面水体的轮廓，从卫星拍摄的地球影像来看，地球为一球形体。概略地说，地球是一个旋转的三轴椭球体，或近似的扁球体，其表面起伏不平，人们以大地水准面(平均海平面)来理想地圈出一个完整的球体，作为地球形态的几何图形。

圆球形旋转椭球体大地水准体

（第一级近似）（第二级近似）（第三级近似）

由于人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状的深入研究，取得了一些新的数据：

A.大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有的地方隆起，有的地方凹陷，相差可达100m以上。

所谓大地水准面，就是全球静止海面，是假设占地表四分之三的海洋表面完全处于静止的平衡状态，并把它延伸通过陆地内部所得到的全球性的连续的封闭曲面，曲面上处处与铅垂线垂直，是陆地上海拔的起算面。

B.地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长轴指向西经20°和东经160°方向，长

短轴之差为430m。

C.赤道面不是地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进24m；而位于北极的没有大陆的北冰洋却高出基准面14m。同时，从赤道到南纬60°之间高出基准面，而从赤道到北纬45°之间低于基准面。

（2）地球的形状和大小的最新数据

1975年第18届国际大地测量学和地球物理学联合会(IUGG)决定采用如下的地球形状基本参数：

赤道半径：6378.137km 极半径：6356.752km

平均半径：6371.012km 扁率：f＝1︰298.2572220101

根据以上参数绘制的地球实测形状类似于一个略扁的梨形，赤道一带稍微凸出，南北半球也不对称，加上表面凹凸不平，地球是一个不规则的旋转椭球体（三轴椭球体），但基本上仍是一个圆球。

（3）地球的其他数据

地表面积：5.1007*108km2 赤道周长：40075.24km

体积：1.0832*1012km3 质量：2.5976*1028g

从以上数据得知地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近20km。但若把地球缩小以3.2m为半径，画一道高1.5cm的圆周线带，则地表的最高点和最低点均可包括在该道圆周线带内；同时由于地球扁率只有1/298，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看地球仍然是近似球形的球体。

二、地球的物理性质

地球的物理性质主要是指地表以下的整个固体地球内部所具有的密度、压力、重力、磁性、温度（地热）、电性、弹塑性、放射性等物理特性。研究地球物理性质是人类探索地球奥秘，了解地球内部动力活动的要求和结果，是一个探索了很久但仍待深入的领域，研究方法除了直接通过深部地震资料和其它地球物理资料和表层探测之外，还可以通过高温高压实验和陨石等外星球物质的比较行星地质学的方法来推断和佐证。

1、地球的密度、压力和重力

（1）地球的密度

依据万有引力定律，可以推算出地球的质量，再根据体积就可以算出地球整体的平均密度p=5.517g/cm3，而地壳上部岩石的密度是可以直接测得的，其平均值是 2.65g/cm3，由此推测地球内部必有密度更大的物质。

迄今为止地球深处的物质密度仍然不能直接测得，而是通过对地震波的研究来计算的，因为地震波传播的速度与物质密度密切相关。根据地震资料得知，地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式变化，不同学者所给出的地球深处的密度资料是不完全相同的，但基本特征是相似的，推测地核部分密度可达13g/cm3左右。

地球内部物质的密度变化是有一定规律的，其总趋势是向深处增大，由地表的2.6g／cm3，可增至地心的13.0g／cm3，甚至更大，说明地球内部物质处于高密集状态，或者说有高密度的物质存在，或者是处于高压条件下，很可能两个因素都有影响。

（2）地球的压力

地球内部物质从总体上说是处于高压状态，岩石的重量是引起内部物质承压的主要原因。地球的压力是随深度递增的，地表岩石处于1个大气压(1.013×106dyn／cm2)下，到了地球中心则可高达3.64×1012dyn/cm2)，相近于350万大气压，压力的作用可能导致地球深处物质存在状态的变化，也是引起地球某些内动力活动的原因之一。

压力随深度的增加率：0－35km：压力较均匀地增大到1×109Pa，平均增加率为28.5×

106Pa/km；35－2878km：压力从1×109Pa增大到150×109Pa，平均增加率为52×106Pa/km；2878－6371km：压力从150×109Pa增大到370×109Pa，平均增加率为63.4×106Pa/km。（3）地球的重力

①地球的重力：是指地球对地表和地内物质的引力。F＝m1m2/r2

地球任何一点上的物质所受的重力是地球的万有引力和地球自转产生的惯性离心力的合力，由于离心力相对很小，只约等于万有引力的1／289，所以重力基本上就是引力，其方向也基本上指向地心。

②重力的变化

重力在地球不同纬度和深度的变化是比较复杂的。

A.地表重力分布规律

地球表面的重力随着纬度的增加而增加，根据计算和实测，在赤道海平面上的重力值为978.0318伽，在两极海平面上的重力值为983.2177伽，在两极重力比赤道地区大0.53％，中纬度则逐渐过渡，该变化是有一定规律的。若将地球视为均质体，以海平面为基准可计算出不同纬度的标准重力值，国际上通常采用1967年提出的国际重力公式来计算：

g=978.0318（1+0.0053024sin2θ－0.0000058sin2θ）g为重力（伽），θ为纬度

地球表面重力随着高度增加而减小，每升高1km,重力值减小0.31伽，减少量约为0.32％。

B.重力在地球内部的变化

影响重力大小的不是整个地球的总质量，而主要是所在深度以下的质量。由于地壳与地幔的密度都比较小，从地表到地下2900km的核幔界面，重力大体上是随深度增加而略有增加，但有波动。在核幔界面上，重力值达到极大(约1069伽)，再往深处去，各个方向上的引力趋向平衡，重力值逐渐减少，直至变小为零。

③重力异常

A.理论重力值——正常重力

如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。地壳均衡说

B.重力异常——由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同、组成地壳物质成分的不同和结构差异，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重力异常。

存在一些密度较大物质的地区，比理论值大的称重力正异常；存在一些密度较小物质的地区，比理论值小的称重力负异常。

在埋藏有密度较小物质（如石油、煤、盐等非金属矿产）的地区，常显示负异常；而埋藏有密度大物质（如铁、铜、铅、锌等金属矿产）的地区，就显示正异常。人们就可以通过重力测量，来圈定重力异常的区域，寻找那些引起重力异常的非金属和金属矿产，即地质勘查中常用的重力探勘方法。

C.自由空气异常

利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值一律校正至海平面高度，如果只考虑海平面与测点之间高差的影响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，称自由空气校正，经该校正后的重力值与理论重力值之差，称为自由空气异常。

D.布格异常

自由空气校正后的重力值还必须减去岩石对测点所产生的重力值，称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为布格异常。布格异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重力异常。

E.我国的重力异常

a.青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台阶”，说明地质情况有很大变化

b.丘陵及平原地带重力异常值较小，而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负400－

500mGal，说明高原、高山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对重力的影响。

④重力在地球演化中的作用

重力对地球各圈层的形成、演化，主要起到了趋向平衡与稳定的作用。但同时又会在趋向均衡的过程中造成一些圏层间或圈层内部的相互作用。

2、地磁

人类很早就认识到了地球的地磁物理现象。中国人对磁石能吸铁认识得最早，约在公元前5世纪成书的《山海经》中，已有磁石及其产地的记载；在战国时期，即公元前5世纪至公元前3世纪前后，出现了用磁石制成能指示方向的司南；北宋时期(960－1127年)，发明了对世界文明影响极大的指南针，开始时指南针不是针，而是一条用铁片制成的“小鱼”。（1）地磁场

①地磁场概述

地球是一个巨大的磁性体，在它的周围空间形成了一个具一定范围的由强到弱的磁场。地磁场的两极在地理的南北极附近，但不是正南北，地磁轴与地球自转轴斜交所成的夹角现在约为11°30′。1965年实测的磁北极位于北纬75°50′和西经100°50′（加拿大北部巴瑟斯特岛上），磁南极位于南纬66°20′和东经140°（南极大陆边缘）；1980年实测的磁北极位于北纬78°12′、西经102°54′（加拿大北部），磁南极位于南纬65°30′，东经139°24′（南极洲）。

②地磁三要素

A.磁偏角：指南针所表示的方向正是磁力线在水平面上的投影，与地理正北方向之间的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角，称为磁偏角。

磁偏角的大小和方向各地不同，如果磁力线方向在正北方向以东称为东偏，在正北方向以西称为西偏。我国东部地区磁偏角为西偏，甘肃洒泉以西地区为东偏。

B.磁倾角：指向南北的磁力线与地表的水平面之间，一般也是斜交的，在使用指南针时，表现为磁针一端的下垂及另一端的翘起，磁针北端与水平面的交角被称为磁倾角。

通常以磁针北端向下为正值，向上为负值。磁倾角随着地磁纬度的增加而增加，由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为＋90°；由地磁赤道到地磁南极，磁倾角由0°逐渐变为－90°。

C.磁感应强度：为某地点单位面积上磁力大小的绝对值，是一个具有方向（磁力线方向）和大小的矢量。

地磁场中磁力作用的方向，可以通过磁偏角、磁倾角来表现，但不能表示磁力作用的大小。磁感应强度必须用磁力仪来测定，一般以特斯拉作为计量单位。在地磁两极附近，磁感应的强度最大，可达70微特斯拉左右；在地磁赤道附近最小，约为30微特斯拉左右。

③地磁特点：地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化；地面上每一点都可以从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角；地球的磁场被压缩在一个固定区域内，呈彗星状。

（2）磁异常

磁异常：磁偏角和磁倾角与理论值不符时，叫做磁异常。

磁异常是地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场叠加在基本磁场之上。一个地点的磁异常可以通过对实测磁场强度进行变化磁场的校正，再减去基本磁场的正常值来求得。地磁异常一般和地下存在带磁性及反磁性的物体有关。地壳内含铁较多的岩石和富含铁族元素（Fe、Ti、Cr等）的矿体常可引起正磁异常；膏盐矿床、石油、天然气储层、富水地层或富水的岩石破碎带常引起负磁异常。

利用局部的磁异常可以了解地下的地质情况，可用此方法进行地磁异常找矿、勘探工作以及

利用地磁异常预测地震。

（3）古地磁学：通过研究在亿万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性方向和大小来判断地球磁场方向的变化，可以配合其他方法探索地球的起源和发展历史。

1895年居里先生（P.Curie，1859－1906年）才揭开了磁场之谜。居里发现一些磁性材料在温度升高到一定程度的时候就会失去磁性，在温度降低到一定程度的时候，又会重新获得磁性。使物质失去或获得磁性的温度临界点，被命名为居里点。不同的物质各有自己的居里点。地壳岩石的居里点一般为500－600℃，地壳内达到此温度的深度一般在20－30km(近代火山活动或喷泉地区，居里点深度常仅为5km左右)。只有在地表附近的岩石，才可以在地磁场的作用下，获得永久的磁性。

剩余磁性：在地质时期中，地表附近的岩石（处在居里点温度之下）都被当时的古地磁场所永久磁化，岩石中的这种磁性就称为剩余磁性。

地磁极是围绕地理极附近作小幅度周期性迁移的，从数千年以上的时间尺度来看，地磁极的平均位置可以看成与地理极基本上重合。根据该原理，可以把地质历史时期的古地磁极近似地当作古地理极。

磁倾角与古地理纬度换算公式：tg?=1／2tgI（式中I为磁倾角，?为地理纬度）

岩石在形成时期所产生的剩余磁化方向就可以用来大致确定古经线方向，用古磁倾角就可确定当时所处的古纬度。对我国华北与华南岩石样品进行古地磁测定，发现它们在5.5亿－4亿年时的古纬度都在赤道附近，后来才逐渐向北运移，到达现在的北纬20－40°的位置。（4）地磁场翻转

在测定岩石的剩余磁场时，发现相当一些岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，地磁场发生了180°的改变，原来的磁北极转变为磁南极，磁南极则变成了磁北极，这种现象被称为地磁极翻转或地磁场翻转。

20世纪40年代开始，由于军事上的需要对海底磁场进行了系统的观测，发现以大洋脊为中心，两侧对称地交替分布着正磁极性(磁极与现代的一致)与反磁极性(磁极与现代相反)的两类岩石；离扩张中心越远，岩石年龄越老——板块构造理论重要依据。

（5）地磁场的成因

①地球中心的大磁铁产生出磁场

但是居里先生的发现，使这个似乎完美的假说受到了挑战，因为使岩石获得或丧失磁性的居里点温度一般为500－600℃，而在岩石圈以下，温度已超过1000℃，地球的中心不应该有磁性。

②发电机电磁假说

地震波研究得出，地核的外部是液态，只要地核内原来存在着微弱的磁场，液态铁的非均匀运动就会发生扰动、旋涡，从而产生感应电流，不断增强原有电磁场，逐渐形成较稳定的地电磁场。

③地磁翻转假说

90年代以来，用数值模拟的方法，假设地球内核比液态外核转得快(例如每500年多转1圈)，经过几千年就可形成相对稳定的地磁场，而在一定时期之后其极性又可以翻转。1996年，宋晓东与里查兹通过对地震波的系统研究，提出内核比地幔每年转快1.1°的结论。

3、地热

（1）地热：储存在地球内部的巨大热能。

火山喷发、温泉和矿井随深度而增温等现象表明地球内部储有很大的热能，可以说地球是一个巨大的热库。调查研究发现，地球的温度总体上是从地表向地内逐渐增高的，地热增温现象是不均匀的。据地球物理资料推断，整个地球的平均温度约为2000℃。

（2）地温分层：地面以下按温度状况可分为三层

A.变温层：0－30m，温度主要来自太阳热辐射引起的增温。地表不同纬度上不同季节中受到太阳辐射的角度不同，接受的热量也不同，在地表形成了一个温度变化的薄的圈层。

变温层温度随季节、昼夜的变化而变化，日变化影响深度较小，一般仅1－1.5m，年变化影响深度可达20－30m。

B.常温层：20－40m，从地表向下到达一定深度，其温度不随外界温度而变化，该深度叫常温层。常温层地温＝当地年平均温度，且常年保持不变。

C.增温层：30m以下，常温层之下，地温随深度增大而逐渐增加。

（3）地热梯度：地热增温级是在年常温层以下，温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m/℃。地热增温级的平均数值是33m/℃

深度每增加l00m所升高的温度，称地温梯度，其单位是℃／l00m，平均3℃／l00m。

地温梯度在各地是有差异的，在我国华北平原的地温梯度为2－3℃/l00m，大庆地区为5℃/l00m。

地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈，大陆地区常温层以下至30km深处，大致每加深33m，地温增高1℃；大洋底至15km深处，大致每加深15m，地温增高1℃。

在地下深处，由于受压力和密度等因素的影响，地温的增加趋于缓慢。通过多种间接方法测算，地下l00km温度约1300℃，1000km温度约2000℃，2900km温度约2700℃，地心高于3200℃。

（4）地热流

地热流值：地球内部热能是以传导、对流和辐射的方式向低温处传播的，即由地内流向地表，单位时间内通过单位面积的热量称为地热流值。

地热流值单位：HFU＝4.1868×10－6J/cm2·s

单位时间通过单位面积的热流量很小，全球平均地热流值为1.47HFU，但整个地球表面在一年中的放热量十分可观。

地热异常：某地实测热流值与地热平均值不符。地热流值大于2HFU

表现形式：点线面——温泉、热泉、沸泉、喷气孔、冒汽地面、热水湖－热田

地壳上热力资源分布是不均匀的，分布在陆地上的是两条著名的地热带：环太平洋带、地中海－喜马拉雅带。

（5）地热来源

地球内部热能的来源问题尚无完善的结论

地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的；也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能转换而来的；还有人认为地热是地球形成时残余下来的，即“残余热学”。

（6）地热的利用：发电、旅游、灌溉、医疗

§2.地球的结构

地球是一个由不同状态与不同物质的同心圈层所组成的球体，可以分成内部圈层与外部圈层，即内三圈与外三圈，其中外三圈包括大气圈、水圈和生物圈，内三圈包括地壳、地幔和地核。

一、地球的外部圈层

在固体地球之外的三大圈层：大气圈、水圈和生物圈，统称为地球的外部圈层。外部圈层是与固体地球相伴而生的，是地球的重要组成部分，又是三个休戚相关但组成和特征都截然不同的三个圈层，共同演化，塑造着多姿多彩的地球。

1、大气圈

（1）概念与范围

①概念

大气圈：是指因地球引力而聚集在地表周围的气体圈层。

大气圈：是由大气组成的环绕地球的最外面的一个圈层。

②范围

下界：水、土壤及某些岩石中也含有少量空气，但其深度一般不超过4km。

上界：大气圈没有明显的上界，在赤道上方40000km高空仍有大气存在的痕迹。

由于地球的引力作用，大气圈中的气体主要集中于地表以上18km的范围内，绝大部分大气集中在从地面到100km高度范围内，l00km以上空气极为稀薄。

（2）大气圈物质组成

以氮和氧为主，约占大气圈总质量的98.6％

氮占78.09％、氧占20.95％、氩占1.28％、二氧化碳占0.05％、水蒸气占0.006－1.7％组成与高度变化：从0－l00km的高空为各种气体成分大致均匀混合的空气层，但在20－35km 高空臭氧（O3）相当集中；100－500km高空以氧的成分为主，但气体分子电离为正离子和自由电子；500－1000km主要为氦离子；1000km以上主要为氢离子。

（3）大气圈的分层

根据大气的运动状态变化特点，由地表往上将大气圈划分为对流层、平流层、中间层、热层（暖层）和散逸层（扩散层）五个次级圈层，与地质作用关系密切的为对流层。

①对流层：平均厚度12km，含大量水蒸气和尘埃，表现为强烈的对流，风、霜、雨、雪、雹、雾等气象现象均发生于此层。

A.厚度变化：对流层位于大气圈底部，因大气具有显著的垂直对流而得名，其质量占大气圈总质量的79.5％。对流层的厚度随纬度、季节等不同而变化，在赤道地区约为16－18km，两极约为7－10km。

B.热量来源：对流层内大气的热量主要来自地面辐射热，即地面受太阳光照射后以辐射形式向上空放出的热量,大气的温度随高度的增高而递减,平均每升高100m，气温降低0.6℃。

C.对流成因：贴近地面的大气受热后体积膨胀、密度减小，容易发生大气的上升运动；上层大气则因冷却而密度增大，容易发生下降运动，于是形成了热空气和冷空气的对流运动。②平流层：从对流层顶到地表以上55km的范围，大气呈水平运动，几乎不含水蒸气、尘埃，无天气现象。

③中间层：从平流层顶到地表以上85km的范围，大气呈对流运动，存在电离层，可反射无线电波。

④热层：从中间层顶到地表以上800km的范围，内部存在多层的电离层，也称电离层，强烈反射无线电波。

⑤散逸层：从热层顶到外层空间，物质多以原子、离子状态存在，是地球物质向宇宙空间扩散的部位。

（4）大气圈的作用

大气圈是地球的重要组成部分，并有重要的作用

①大气可以供给地球上生物生活所必须的碳、氢、氧、氮等元素

②大气可以保护生物的生长，使其避免受到宇宙射线的危害

③防止地球表面温度发生剧烈的变化和水分的散失，如若没有大气圈，地球上将不会存在水分

④一切天气的变化，如风、雨、雪、雹等都发生在大气圈中

⑤大气是地质作用的重要因素

⑥大气与人类的生存和发展关系密切

2、水圈（hydrosphere）

（1）概念

水圈：地球表面约有四分之三的面积为海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川等水体所占据，地面以下的土壤和岩石中也充填着一定的地下水，构成一个连续而不规则的圈层。

水圈：是指地球表层由水体构成的连续圈层，其物态有固、液、气三种状态，其形式有河、湖、海、冰川（盖）、水蒸气、地下水等，并形成一个包裹着地球的完整圈层。

水圈的质量为1.41×1018t，主要是呈液态及部分固态出现的，包括海洋、江河、湖泊、冰川、地下水等，是一个连续而不规则的圈层。

（2）水循环

水循环：陆地表面的水和海洋水经过直接蒸发，或经过植物的蒸腾，使部分水成为水蒸气而进入大气圈，由大气环流带到各处，再以雨、雪等形式返回地面，使大陆常年有水流入海洋，构成了水圈的循环。

地表上直接被液态水体覆盖的区域占地表面积的3/4，在太阳能、重力的作用下，使得水圈中的水体周而复始的运动，形成水循环。

水循环的方式有：海洋与大陆间的循环；地表与地下间的循环；生物体与周围空间的循环；水圈与大气圈间的循环。

（3）水圈的作用

①水圈是生命的起源地，没有水也就没有生命

②水是多种物质的储藏床，是改造与塑造地球面貌的重要动力

③水的运动是地理环境中物质与能量交换的重要途径

④水是最重要的物资资源与能量资源

3、生物圈（biosphere）

（1）概念

生物圈：凡是有生物出现并感受生命活动影响的地区。

生物圈：是指生物分布和活动的范围（从海平面以上10km高空到最深的海底或地下数km 深的岩石中），处于地表层与大气圈交接带的上下，并基本上包括了整个水圈的范围。

生物圈的质量约为11.48×1012t，生物圈的最大厚度约为25km左右，核心部分为地表以上100m，水下100m，即大气、水、岩石圈交界处薄薄的一层，具有适合生命活动的光能、水分、温度、营养元素等各种环境条件。

地球上最早生物是38亿年以前地球上出现的微生物

（2）作用

①生物圈和大气、水、岩石、土壤之间，进行着多种形式的物质和能量的交换、转化和更替，从而不断改变着周围的环境。

光合作用、动物呼吸、遗体分解→大气、水和岩石中的碳、氢、氧、氮等和金属元素产生复杂的化学循环→地表物质成分不断变化。岩石的风化、土壤、煤、石油、天然气及许多金属的形成都与生物的作用有关。

②生物是推动地壳发展的有力因素之一，也是地球向着自己独特方向发展而有别于其他天体的重要因素之一。

地球发展早期阶段，大气中有大量的CO2，而O2比现在少得多，到几亿年前植物大量发展后，由于植物的光合作用消耗了大部分CO2，产生了大量的O2。

二、地球的内部圈层

地球平均半径6371km，目前世界上最深的钻孔约深12262m（前苏联在北极圈），不到地球平均半径的0.19％。在可以预见的将来，人类还不能进入地球内部深处进行直接观察，目前只能根据地表附近能够得到的有关资料进行分析推断，并通过实践验证使认识逐步接近真实。

1、地球内部圈层划分的依据

现代最深的矿洞约2km，最深的钻井为12km，该深度和地球半径6371km相比较，仅是其1/600，对于地球内部的认识，研究地球物质和结构仅靠地球表面的岩石和矿物是远远不够的，必须研究地球深部。

划分地球内部圈层的方法有陨石学方法（行星地质）、地球化学方法（分析来自地球深部的岩石化学成分如金伯利岩、榴辉岩、橄榄岩）、地球物理方法。

现阶段研究地球内部的构造及其物质状态，主要采用地球物理的方法，更重要的是利用地震波在地球内部传播的情况，来作为内部圈层的根据，得出的结论虽是推测的，但由于各种资料交叉限定，所以并非漫无边际的推论，结果还是相当一致的。

（1）地震波：从震源深处向四面八方传播的弹性波。

地震波是一种弹性波，可以分为体波、面波和自由震动等类型，体波分为纵波（P波）和横波（S波）。纵波传播的速度较快，并能通过固态、液态和气态三种介质；横波传播的速度比纵波慢，只能通过固态介质；在同一固态介质中，纵波的传播速度为横波的1.73倍。（2）主要圈层界面

地震发生之后，分布在广大地域上的许多地震台站将先后接受到不同的地震波，经过复杂的计算，可得出地下不同深度的波速。地震波传播速度取决于所通过的介质性质（密度、刚性），如果地球为均质体，则地震波的传播速度在任何方向和任何深度都应是相同的，但实际上地震波在地球内部的传播速度呈现有规律的变化，说明地球内部是非均质的。

根据地震波的传播数据可以制成地球内部震波传播速度曲线图，可以发现地震波在地球内部的传播速度一般随深度递增，但又不是等速增加，无论纵波和横波在地球内部传播时都具有几个明显的波速突然变化处，出现几个不连续位置或分界处，反映出地球内部物质或存在状态有明显变化，可据此划分不同物质和物态的分界面，标志着在地球内部可以划分为若干个同心的球形面。

地震波通过地球内部时波速最急剧变化的面称为不连续面（界面、间断面），在所有不连续面中有两个变化最显著的，叫一级不连续面。

一个在地下（自海平面起算）平均33km处（指大陆部分，深度各处不一样），纵波P：7.6→8.0km/s，横波S：4.2→4.4km/s，称为莫霍洛维奇不连续面，即莫霍面（M面），由前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇（A.Mohorovicic）于1909年发现的。一个在2900km深处（精确值为2898km），纵波P：13.32→8.1km/s，横波S：完全消失，称为古登堡不连续面，即古登堡面（G面），由德国学者（后加入美籍）古登堡（B.Gutenberg）于1914年确定。两个一级不连续面将地球内部划分为地壳、地幔、地核3个圈层，除一级不连续面外，还可以划分出5个次一级不连续面，说明在地壳、地幔和地核各圈层内部，还可以划分出次一级的圈层构造。地壳←→莫霍面←→地幔←→古登堡面←→地核

2、地壳

地壳：位于莫霍面以上的固体硬壳（A层），主要由富含硅和铝的硅酸盐类岩石组成，属于岩石圈的上部，是地球表层的坚硬固体外壳，表面凹凸不平，和大气圈、水圈、生物圈直接接触。

地壳是从地表到莫霍面之间的一个脆弱而薄的外壳，主要由富含硅和铝的硅酸盐类岩石组成，体积约占固体地球体积的0.5％，质量约为地球总质量的0.42％。地壳表面的平均密度2.6g/cm3，处于常温常压下；到地壳底部密度增加到3.0g/cm3，温度增高到1000℃上（地热增温级33m/℃，地热梯度平均3℃/100m），压力最大可增至13万大气压（地壳部分大致每增深100m，压力增加27个大气压）。

（1）地壳的化学组成

克拉克值：化学元素在地壳中平均含量。

通过对地壳岩石的化学分析得出克拉克值（元素丰度）：在地壳中已发现90多种元素，其含

量差别很大，其中0、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg占地壳总重98.74％，以这些元素的硅酸盐矿物为最多，其次为各种氧化物、硫化物、碳酸盐。地壳中含量最多的是0，约占地壳总重量1/2，其次Si约占1/4强，再次Al约占1/13。

（2）地壳的厚度和结构

①厚度

根据地球物理资料，地壳的厚度各地有很大差异，大约变化于5－70km之间，平均厚度为20km。大陆地壳厚度大，平均厚约33km，越往高山地区厚度越大，我国青藏高原及天山地区可厚达70km上，最厚为天山南部81－86km；大洋地壳厚度较小，平均5－7km，大西洋和印度洋部分为10－15km，太平洋厚度最小，仅5km，最薄处马里亚纳海沟约1km。

②结构

地震波在M面以上部分还有一个次一级不连续面，称康拉德面（C面），把地壳分为上（A′）、下（A″）两层，在许多地区并没有明显的C界面。

A.上层地壳（A′层）成分以O、Si、Al为主，K、Na也较多，物质组成与大陆出露的花岗岩层成分近似，称为花岗质层，又称为硅铝层。

硅铝层的P波波速为6.0－6.2km／s；密度为2.6－2.7g／cm3；该层厚度一般为15－20km，在山区和高原可达40km，在平原区常为10km，在海洋地区变薄甚至尖灭，是一个不连续圈层，硅铝层表层部分常分布有0－10km的沉积岩层。

B.下层地壳（A″层）成分仍以O、Si、Al为主，但Mg、Fe、Ca成分相应增多，物质组成则可能与玄武岩成分相当，称为玄武质层，又称为硅镁层。

硅镁层的P波波速为6.4－7.8km／s；密度为3.3g／cm3；该层厚度一般为15－20km，在海洋地壳部分平均厚度5－8km，其上直接为海洋沉积层和海水覆盖，在大陆部分则延伸至花岗质层之下，可厚达30km，是一个连续的圈层。

（3）类型

地壳可以分为大陆型地壳和大洋型地壳。

①大陆型地壳：是大陆及大陆架部分的地壳，厚度较大，平均厚度33km，最厚可达78km，具有双层结构，即按照成分可分为上部硅铝层和下部硅镁层（表层的大部分地区有沉积岩层）。

②大洋型地壳：厚度较小，平均厚度7.2km，最薄只有5km，比重较大，一般只有单层结构，即玄武质层，玄武质层之上只有很薄的或者缺失硅铝层，以大洋盆地为典型。

洋壳的岩石一般较年轻，最老的岩石形成于2亿年前，大部分岩石则是1亿年以来形成的。除东太平洋部分洋底外，大部分洋壳岩层很少发生变形。

从组成物质上看，大洋地壳一般可分为三层：最上面一层是未固结的沉积物，部分洋底（洋脊）缺此层，其厚度为0－2km，V P＝2.0km／s，密度为2.2g／cm3；中间层基本为玄武质层，厚度变化较大，自0.5－2.0km不等，V P＝5.1km／s，密度为2.55－2.65g／cm3；最下面是以玄武质层为主体，V P＝6.8km／s、密度为2.86－3g／cm3，相当于基性岩，认为是已变质的玄武岩或辉长岩。

在陆壳和洋壳交会处为过渡型地壳，特点介于二者之间。

地壳厚度的差异性、垂直结构不同、物质成分的不均匀引起地壳运动，导致地壳物质的重新分配和调整（即物质移动），以便达到新的平衡关系。密度较小的地壳好象是浮在密度较大的地幔之上，地壳厚的地方（高山、高原部分），突出地表愈高，相应地插入地幔愈深（山根）；地壳薄的地方（平原、洋底），陷入地幔较浅，才能维持地壳的重力均衡状态。

3、地幔

地幔：是指莫霍面至2900km深处的第二个不连续面古登堡面之间的圈层，其体积占地球总体积的82％，质量占地球总质量67.99％，密度大约从3.32g/cm3递增到5.70g/cm3，即地

幔下部接近于地球的平均密度。压力随深度而增加，可达约140万个大气压；温度也随深度缓慢增加，上部约为1200－1500℃，下部约为3000℃左右。整个固态地幔的温度在1000－3500℃之间，地温梯度仅为0.088℃/100m，相当于地壳内的1/33；较低的增温幅度在硅酸盐岩石内的热传导是很微弱的。

由于纵波和横波都能在地幔通过，而且速度都比在地壳中大得多，认为地幔应属于固态物质，或者固体、液体、气体和等离子体组成的复合体。地震波显示在地下约400km和1000km深处各有一个次一级不连续面存在，即拜尔勒面和雷波蒂面，根据地幔物质组成的差异，以1000km为界，把地幔分为上地幔和下地幔。

上地幔（B层←→拜尔勒面（400km）←→C层）←→雷波蒂面（1000km）←→下地幔

（1）上地幔：密度低至3.3g/cm3左右,平均约3.5g/cm3左右，成分为富含Fe、Mg的超基性岩组成，相当于石陨石成分，主要硅酸盐、辉石和橄榄石等组成——铁镁成分增加，SiO2成分减少，称为橄榄质层、榴辉质层B层、C层

①B层

A.B′层：固态橄榄质层，与上地壳（A）合称为岩石圈。

岩石圈包括整个地壳及软流圈以上的固体上地幔部分，厚度在50－100km以上，平均厚度75km，属脆性的坚硬岩石层，相对于软流圈来说是一种具刚性的物质层，地表所见的各种地形和构造现象都发生于此层中。

B.B″层：上地幔上部近100km－350km，古登堡低速层，即软流圈

软流圈是位于岩石圈下的一个柔性层，厚度在100－350km之间，温度约为700－1600℃，处于高压高温条件下，物态具有较大的塑性或潜柔性，具一定的流动性。地震波波速表现为低速带，说明物质呈部分熔融状态，据研究熔融物质在软流圈顶部约占1－10％，在下部约占0.001－0.1％，总体来说仍为固态，相对于上覆岩石圈来说是个软弱层，最软弱部分大约在200km深的地方。

软流圈可能是岩浆的主要发源地，同时地壳运动、岩浆活动、火山活动以及热对流等皆有可能与此层有关。

软流圈如果在长期应力作用下，可认为是个很易流动的圈层，具有十分重要的意义：一般认为是岩浆的发源地；中源地震和深源地震的震源；近年板块构造学说的日益兴起，认为软流层是板块运动的基础，是地壳运动的原因。

岩石圈在整体上就象漂浮于软流圈上的一个巨大的板状岩块，岩石圈与软流圈的界线也不是截然分开的，主要是依据岩石的物质状态来确定的，很可能是过渡状态。

②C层：上地幔下部，中源和深源地震的主要发生地。

认为其成分与上地幔上部无多大变化，但矿物在晶体结构上发生了变化，导致密度增大，使矿物可能分解成简单氧化物——MgO、FeO、SiO2等所组成的“高压型”矿物，可能是导致上覆岩石圈发生构造运动的主因和发源地。

（2）下地幔（D层）

在1000－2900km的范围，为下地幔，密度高达5.1g/cm3以上，认为其物质组分仍然主要是Mg、Fe的硅酸盐矿物，与上地幔相近，但金属氧化物和硫化物比上地幔有所增加。

下地幔的压力已经很高，在高压下同样的化学成分会形成另一些晶体结构更紧密的高密度矿物，下地幔是化学成分相当于超基性岩的超高压相矿物组成的岩石，至于具体是哪些矿物、比例等则还不很清楚，目前对它的了解实际上还很少。

第一种观点：铁镁的硅酸盐矿物——晶体结构紧密的高密度矿物（压力原因），也叫退化学作用带；第二种观点：金属硫化物和氧化物，铬、铁、镍等成分显著的增加。

4、地核

地核：是指古登堡面以下直到地心的圈层，半径约3470km，占地球总体积16%，质量31.56%，

地核物质非常致密，密度9.7－13g/cm3，压力300－360万个大气压，温度2000－3000℃，最高不超过5000℃。

在约5150km深处存在一个不连续面，是丹麦地震学家莱曼女士在1936年发现的，叫做莱曼面。可以依据次级界面划分为：外核（E）2885－4170km、过渡核（F）4170－5150km、内核（G）5150－6371km。

地核状态：纵波通过，速度下降，横波消失——地核的化学成分和物理性质发生很大变化。地震波研究表明，横波不能通过外核可见外核物质处于液态，而内核和过渡层均可以测得横波，说明处于固态。

地核成分：地核物质的密度相当于铁陨石成分，主要由铁镍组成，也称铁镍核心。

地核为圆柱体

§3.地质作用和地质年代

一、导致地球不断变化的作用－地质作用

在漫长的地质历史中，地球每时每刻都处在不停的运动和变化之中；地球演化包括地表形态的不断改观和地球内部结构及物质成分的不断变化。地球内部结构及物质成分变化——地下深处高温高压的岩浆在向上运移，将深处的物质带到地球表层，使地球表层的物质成分发生变化；俯冲循环、大陆垂直增生、大陆俯冲等。

地表形态变化：山系的形成－夷平、喀斯特的形成、河流、剥蚀堆积。

1、地质作用

地质作用：作用于地球的自然力使地球的物质组成、内部构造和地表形态发生变化的作用。地质作用：由自然动力引起的使地壳或岩石圈甚至整个地球的物质组成、内部结构和地表形态发生变化和发展的作用。

地壳组成物质的形成和变化；地壳构造的形成与变化；地壳形态的形成与变化。

快速地质作用、缓慢地质作用

地质营力：引起地质作用的自然力称为地质营力。

2、地质作用的能量来源

地质作用分为内力作用、外力作用

地质作用的能量来源于两个方面：一是内能——来源于地球本身——地内热能（放射性热能、压缩热能、化学能、结晶能）、重力能、地球旋转能、潮汐能。二是外能——来源于地球以外的能源，主要有太阳辐射能、日月引力能（潮汐能）和生物能等。

（1）地内热能：是放射性元素蜕变而产生的热能，是内力地质作用能量的基本来源。岩浆作用

（2）重力能：会引起地球内部物质的分异，对形成地球的圈层构造起着重要的作用。沉降作用

（3）地球旋转能：由于地球围绕地轴不停地自转而引起的，在不同纬度地区的离心力不同，赤道离心力最大，高纬度的物质就会向赤道方向运移；同时由于地球自西向东的自转也可以引起物质沿东、西方向发生水平位移。

（4）结晶能和化学能：是地壳及地幔内部化学成分的转变以及结晶过程中表现出来的能量。（5）太阳辐射能：太阳不断向地球输送热能，根据计算一年中整个地球可以由太阳获得5.4×1024J的热量。太阳辐射能是大气圈、水圈和生物圈赖以活动、发育并相互进行物质和能量交换的主要能源，并由此产生了一系列的外营力——风、流水、冰川、波浪等。

（6）潮汐能：地球在日、月引力作用下使海水产生潮汐现象，潮汐具有强大的机械能，是导致海洋地质作用的重要营力之一。

（7）生物能：由生命活动所产生的能量，生物在进行新陈代谢的整个生命活动及其繁衍的漫长演化过程中改造自然，产生改变地球物质和面貌的作用，归根到底，任何生物能都源于