动力地质学原理

第一章地球

第一节宇宙

宇宙:古人称“四方上下曰宇，古往今来曰宙"。宇宙是无限、永恒、不断运动变化的客

观物质世界。“宇”是空间的概念，是无边无际的：“宙”是时间的概念，是无始无终的。

—•、宇宙中的天体和物质：

宇宙的统性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物质构成的。但宇

宙中的物质存在于多种形式，一部分物质以电磁波、星际物质等形式呈连续状态弥散在宇宙

空间；另一部分物质则积聚、堆积成团，表现为各种堆积形态的聚集实体。如地球、月球、

行星、恒星和星云等。把包括星际物质和各种积聚态实体在内的所有宇宙星体统称为天体。

宇宙中的天体和物质:，恒星(star)，星际物质——星际云——星云

(一)、恒星(star)：恒星是由炽热气体组成的、自身能够发光的球形或类似球形的

天体。其主要特征是：

1、宇宙最重要的天体，集中了宇宙中相当大的能量；

2、构成恒星的主要气体为氢、次为氮，其他元素少；

3、拥有巨大质量是恒星能发光的基本原因；

4、体积悬殊，小则直径干km,大者为太阳的2000倍：

5、平均密度相差悬殊；

6、距地球非常遥远，最近的半人马座a星4.3I•y；

7、恒星不恒，一直在运动。

(二)星际物质、星际云和星云：

1、星际物质：在恒星与恒星之间存在广阔的空间，称为星际空间。弥漫于星际空间内

极其稀薄的物质称为星际物质，包括星际气体和星际尘埃。

2、星际云：星际物质的密集形式。

3、星云：星际物质更加庞大和更加密集的形式，呈云雾状。

(三)天体系统(spheresystems)和星系：

宇宙中物质是运动的，并有一定的系统和规律，相互吸引和旋转，形成不同层次的天体

系统。如月地系统，太阳系、银河系等。

二、宇宙的起源：

20世纪初，天文学家斯里弗尔(V.M.Slipher)发现星系以每秒数十万米高速退行；

1929年，哈勃(E.P.Hubble)观测到河外星系退行资料，离我们愈远退得愈快；

1916年，爱因斯坦(A.Einstien)提出广义相对论，演绎出宇宙在膨胀的理论；

天文学家继续观测证明，宇宙在膨胀；宇宙大爆炸的产物；距离今约150亿年。

第二节、银河系与太阳系

・、银河系(milkwaysysten)：是一个由大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成的庞

大系统。正面成旋涡状，侧面呈中间厚边缘薄的扁饼状。银河系的直径约10万光年。中心

称银核，直径约1万光年；核外边缘称银盘；银盘的中心平面称为银道面。银河系的所有天

体大体顺着银道面绕核心快速旋转运动，这种运动称为银河系自转。

二、太阳系(solarsystem)：以太阳为中心并受太阳引力支配的天体系统。

(-)太阳系的主要特征：

1、太阳：太阳是其中唯一的一颗恒星，占太阳系质量的99.87%,发出强光和热。太阳

外部大气中有73种元素，其中氢为71%,氮为26.5%,氧、碳、氮、筑等气体攻占2%,镁、

硅、银、硫、钙等占0.4%,其余60多种元素占不足0.1%。太阳内部：主要由氢构成，中心

密度达160g/cm3,压力为3.4X108Pa,温度高达15X108℃。在这里氢发生热核反应转变成氮

(He)放出巨大的能量，这就是太阳发出光和热的能源。

光球层：太阳表面是光球层，他金光夺目，平均温度高达5500℃,厚约3000km,不

断发出光和热，传向四面八方。只有约22亿分之一辐射到地球，造成地表合适的气温，为

地球生命的存活创造了条件。在光球层中常常出现大小不等的黑斑点，称为太阳黑子；黑子

出现可引起磁暴，影响地磁场和无线通信。

色球层：光球层外面是色球层，呈玫瑰红色，向外不断喷出锯齿状火焰，温度高达数万

度，厚约7000km。在色球层上空常常喷出高达数千公里的火舌，称为日珥；有时可出现巨

大的亮点，称为耀斑；耀斑可发出强烈的电磁辐射和各种射线，引起地磁场和气候变化。

日冕：色球层之外为日冕，是太阳最外层稀薄的“大气”，该层呈亮白色，温度高达100

万度以上。

2、行星与卫星：

围绕太阳旋转的是8大行星，小行星带及卫星、陨星和彗星等；太阳系天体以太阳为中

心作高速旋转，自转和公转方向相同；行星分布及运转几乎都在一个共同平面内，该平面叫

赤道面。

靠近太阳的4颗行星分别是水星、金星、地球和火星，他们的大小和物理性质与地球相

似，称为类地行星：外侧的木星、土星、天王星和海王星四颗星个体较大，物理特性与木星

相似，称为类木行星。

3、小行星带：在火星与木星之间，也就是内圈星与外圈行之间有一个相对集中的小行

星带。

4、卫星：围绕行星运转的星体称为卫星。木星有12颗卫星，土星有23颗卫星，地球

有1颗卫星--月球。

5、陨星：在太阳系还有一些无固定外形和轨道飞行的固态块体，称为陨星。他们有些

会坠入个行星表面，当然也有少数到达地球。体积小的陨星在进入大气层时就烧化了，只留

下一道流光，称为流星。

一些大的陨星进入大气层可因摩擦迅速升温而爆炸，没烧尽的落在地面形成陨石，散落

较多的称陨石雨。

6、陨石：分石陨石、铁陨石和过度类型的石铁陨石三类。这是天赐的宇宙物质标本，

对研究天体的物质组成、结构和演化有重要意义。

(-)太阳系的起源

康德一拉普拉斯星云假说。1775年，哲学家康德(l.kant)认为，在万有引力作用下，

原始弥漫物质逐渐分别凝聚，形成了太阳系内的各天体：1796年，法国科学院院士拉普拉

斯(P.S.Laplace)从数学和力学角度进行了阐述：太阳系本是一团旋转的炽热气体，山于冷

却收缩，越转越快，离心力加大，变得扁如圆盘；当外缘离心力大于引力时，一部分物质被

抛出，成为圆环；抛出物分离，凝结成行星；行星周围的卫星也有类似形成过程；星云中心

成为太阳。

第三节、地球的物理性质

一、地球的形状与大小：

地球是太阳系自内向外的第三颗行星。距离地球约为1.496X10的8次方公里(一个天

文单位)。公转一周约365.256d。自转一周的时间为23小时56分4秒。

1、形状：古人认为地球是方的，有“天圆地方”之说。后来经过环球航行，才弄清地

球是圆的。由于地球表面起伏不平，决非光滑的球面，也称为地球体。实际上是一个近似的

三轴椭球体。我们现在说的地球形状指大地水准面所圈闭的形状。大地水准面(geoid)--

由平均海平面所构成并延伸通过陆地的封闭曲面。

地球的真实形状略呈梨形，南极向内下凹30m,北极向上凸出约10m。

2、大小：国际大地测量与地球物理联合会(1980)公布地球大小主要数据:

赤道半径：a=6378.137km;赤道周长40075.7km;

两极半径：c=6356.752km;子午线周长40008.08km;

平均半径：6371.012km;表面积5.101X108km2；

扁率：a-c/a=V298.257体积10832X108km3

二、地球的重力(gravity)；

地球表面某点的重力是该点所受地心引力和绕轴旋转的离心力的合力。具有随纬度增高

而增加的规律。重力在地球内部0km—2900(或2885)km递增，地表(0km)为981Gal,

在33~35km处为983Gal,650km处为995Gal,2885km为1069GaL且达最大值;2900(2885)

km往地心递减，最终变为0反映地内物质的密度存在巨大变化。

三、地球的密度和压力：

1、密度(density)：密度=质量/体积；0km处密度约2.6g/cm3；<33km处密度约

2.9g/cm3；>33km处密度约3.32g/cm3；<2900(2885)km处密度约5.56g/cm3；>2900

(2885)km处密度约9.98g/cm3；内核处为12.51g/cm3；总体规律：从地表到地心，密度

逐渐增大，在33km、2900(2885)km以及其他深度，密度突然增高。

2、压力(compressivestress)：静压力，即压强(intensityofpressure)随深度增加

压力不断增加：33km处为1200Mpa,2900(2885)处为135200Mpa,地心处可达361700Mpa»

四、地球的温度(temperature)：

地表的火山、温泉都告诉我们，地球的内部是炽热的。据地内温度分布可分为三层：

1、变温层(外热层)：地表受太阳影响，温度一年四季，白天黑夜呈周期变化的表层。

2、常温层：在外热层之下界一个厚度不大的地带，其地温常年保持不变。

3、内热层：在常温层之下，山地球内热提供热量，使温度随深度增加而有规律的升高。

地温增量有如下两种表达方式：

地热增温率或地温梯度(geothermalgradient)一常温层之下，得向下加深100m所升

高的温度，平均3℃。

地热增温级一温度每增加：L℃所增加的深度，是地温梯度的倒数。33km处约400℃-

1100°C,2885km处为3700C,地核高达4500℃。

所以地内热量主要用于造山作用和推动地壳水平运动；太阳热引起大气运动、风化作用

等外动力地质作用。

五、地球的磁场(magneticfield)：

地球周围存在着磁场，称为地磁场(geomagneticfield),地磁场主要要素

(geomagmetic)有：

1、磁偏角：磁场强度矢量的水平投影与正北方向的夹角，即磁子午线与地理子午线之

间的夹角。

2、磁倾角：磁场强度矢量与水平面的交角。

3、磁场强度：磁场大小的绝对值，平均为50UT。

4、磁异常(magneticanomaly)：地球浅部具磁性物质引起的局部异常。地磁场不稳定，

有三种变化：1、磁场强度变化；2、地磁极的移动；3、地磁极性变化。

六、地球的弹塑性：

地球既有弹性特征，也有塑性变形特征。

1、地球具有弹性：表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波。地表的固体

岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7—8cm,这种现象称为固体潮。

2、地球具有塑性：地球是旋转椭球体；地球中的韧性变形。

第四节地球的结构

一、地球的内部圈层

1、划分依据：

最初，地质学主要是通过对地表出露的岩石、地下矿井直接观察地球内部进行研究。其

深度只有几千米，最深的钻井也只有12.5公里。从地表海拔最高点加上最深的钻井也只有

20来公里，和地球的半径相比只能说是皮毛。

后来，开始利用地震波进行研究，可以了解整个地球的内部结构。

地震波分纵波、横波和面波，面波只沿地面传播，因此在地球内部主要通过纵波和横波

来研究。纵波质点的振动方向与地震波的传播方向一致，横波质点的振动方向与地震波的传

播方向垂直。因此横波不能通过液态物质。

地震波在传播中遇到密度不同的物质波速回发生变化，遇到界面时会发生折射和反射，

这就为研究地球内部圈层提供了依据。

地震波从地震的震源激发向四面八方传播，到达地表的各个地震台站后被地震仪所记录

下来。根据这些记录，人们可以推断地震波的传播路径、速度变化以及介质的特点，了解地

球的内部构造。

2、内部圈层的划分：

根据地震波在地球内部波速的变化和折、反射情况，可将地球内部划分为由两个一级不

连续界面（33km处的莫霍面，2900（2885）km处的古登堡面）分割的三个一级圈层。这

些界面和地表一样，不是光滑平整的球面，他们也凹凸起伏。

（一）、地壳（crust）：是固体地球的最外一圈，由岩石组成，是一个相对刚性的外壳。

地壳厚5—70km,平均33-35km,其底界为莫霍面。可分为大陆型地壳和大洋型地壳。

1、大陆型地壳：薄的地方不到20km,最后可达70-80km,平均厚35km。陆壳具双层结

构，上层主要是氧、硅、铝等轻元素，故称硅铝层（Si-AI层），其平均密度2.7g/cm3,以酸

性岩浆岩（花岗岩）和变质岩为主；下层主要成分为氧、硅、铁、镁，故称硅镁层（Si—Mg

层）。其平均密度3.0g/cm3,主要岩石为基性岩浆岩（玄武岩），故又称为玄武岩质层。

2、大洋型地壳：大洋地壳厚度变化在5-8km,平均厚6km,大洋地壳只有玄武质层，缺

失硅铝质层。

艾利的山根说：美国天文学家艾利（G.B.Aity,1855）认为，厚度大的地壳有较大重量，但因

其下沉深，所获的浮力大；而厚度小的地壳具有较小重量，因其下沉浅，所获的浮力小，故

两者都能达到均衡。艾利看法的重点是高山之下有“根”，故称山根说（theoryofmountain

root）。例如海中航行的船只，水中漂浮物等。

目前的观点认为：均衡现象是存在的，但是引起均衡的动力不是岩块的浮力，而是重力。

其原理是，地球内部某,•深度可以找寻一个水平面，称为补偿基面（compensationlevel）。

在此面单位面积上的所承受的上覆岩块的总重量都相同。以此补偿基面为准，高山地区地势

虽高，地壳厚度大，但其下部地幔厚度小；大洋地区地势虽低，但其拥有的地幔厚度大。故

两处岩块的总重量相等，从而可保持重力均衡（isogtasy）,

（二）、地幔（mantle）：介于莫霍面与古登堡面之间，33—2885km。其厚度超过2800km,

平均密度4.5g/cm3,横向变化不大。据650km处的地震波速变化，又可分为上地幔和下地

幔。其中上地幔（33—650km）平均密度3.5g/cm3,主要成分是超基性岩的橄榄岩。其顶部

部为固态（33—70km）；中部为部分熔融状态（70—250km,岩浆发源地），下部为固态（250

—650km）»下地幔也为固态（650-2885km）..

（三）、岩石圈和软流圈：上地幔上部的固态与地壳组成岩石圈，为刚性，有强度。在大

陆区有硅铝层、硅镁层及橄榄岩层；在大洋区只有硅镁层和橄榄岩层。

岩石圈之下，70~250km为上地幔中部的低速层，物制成部分熔融状态，为软流圈。板

块构造认为岩石圈板块可在软流圈之上漂移，就像冰在水上漂一样。

(四)、地核(core)：外核(2885—4170km),液态；过渡层(4170—5155km),固液态

过渡带；内核(5155■—6371km),固态。地核成分与铁陨石(ironmeteorolite)相近,表明

主要为铁、镁物质，其次有少量硅、硫等轻元素组成的合金。

莫霍面(mohodiscontinuity)：前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首先发现(1909年)地壳与

地幔的不连续面，平均深度为33km。

古登堡面(Gutenbergdiscontinuity)：美国地球物理学家古登堡首先发现(1914年)地

幔与地核的分界面，平均深度为2885km。

地核的运动：早有学者推测地核转动较快，但证据不足。

1996年，旅美中国学者宋晓东博士与里查兹教授通过地震波研究，发现地核的对称轴比

地球的旋转轴每年向东偏移1.1°(其后苏维加等人认为地核比地幔自转速度每年快2。

-3°),这就意味着地核的旋转速度比地球每年快20km(如图3-2)。成为96年国际十大科

技新成果之一，

地球的诞生

行星地球是宇宙中的尘埃在引力的作用下逐渐形成的。冷星云一星子一尘埃集合体；温

度高，轻者跑掉，重者以固体为主，留在地球表面，受万有引力作用向中心聚积，体积缩小，

物质密度越来越大；收缩停止，热者上升，又发生膨胀，轻者上升，重者下沉，形成了地核、

地幔、地壳和水圈、大气圈等内部、外部圈层构造。

思考题

(-)基本概念：1.宇宙；2.恒星；3.大陆裂谷；4.岛弧一海沟系：5.重力均衡；

(二)1、恒星的主要特征是什么？

2、太阳系有哪些主要特征？

3、宇宙的内涵究竟怎样理解？如何认识？

4、何谓均衡原理？

第一章地球

地球的外部圈层：生物圈；水圈；大气圈

地球的外部圈层大气圈

-、大气的组成：

大气圈(atmosphere)是因地球引力而聚集在地表周围最外部的气体圈层。

1、恒定组分：主要由氮(78.09%)、氧(20.94%)><(0.93%)、二氧化碳和家、M

等惰性气体组成。见表2-1.

2、可变组分：二氧化碳、臭氧和水蒸气，随季节、气象、和人类活动的影响而发生

变化。

3、不定组分：这部分物质在大气中含量变化非常大，如尘埃、硫化氢、煤烟、金属

粉尘等。它们一是来源自然界，二是来自人类生产、生活活动。

二、大气圈的结构：

自地面向上依次分为对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层(对流层和平流层重要)。

1、对流层(troposphere)：大气圈最下一层，平均厚度11-13公里。对流层的主要特征

是：

①温度随高度增加而降低，平均升高1km温度降低6℃(大气降温率)；

②空气具有强烈的对流运动，因而发生一系列天气现象，如风、雪、云、雨等；

③气象要素水平分布不均匀，天气现象复杂；

④受人类活动影响最显著，污染严重；

⑤占大气圈总质量的70%—75%。

2、平流层（stratosphere）：平流层是从对流层顶至35—55km高空的大气层，特征是：

①约占大气圈总质量的20%：

②气流以水平方向运动为主（最显著特征）；

③不存在对流层中各种天气现象；

④随高度增加温度升高。

⑤该层上部存在含臭氧的层，能吸收紫外线，因而是生物的保护伞；

3、中间层（mesosphere）：自平流层顶至85km高空的大气层，气温随高度增加而下降，

故又称冷层，空气又出现对流。

4、暖层（thermosphere）：从中间层顶到800km高空的大气层，温度随高度增加而上升,

氧、氮被分解成电离状态，称电离层。

5、散逸层（exosphere）：位于800km以上至2000—3000km的高空，地球引力作用弱，

气体质量不断扩散，亦称外逸层。

三、大气的热状况：

太阳以电磁波的形式源源不断的向宇宙空间放射能量，我们称其为太阳辐射\太阳辐射

的能量主要集中在波长较短的可见光部分，因此太阳辐射也称为短波辐射。太阳辐射到达地

球，首先要进入大气圈。在经过大气时：平流层中的臭氧能强烈的吸收波长较短的紫外线：

对流层中的水汽和二氧化碳等主要吸收波长较长的红外线；能量最多的可见光很少被其吸

收，所以大部分可见光能穿透大气而到达地面。

1、大气受热过程：

太阳辐射到达地球表面后，近一半（约47%）辐射能量被地面吸收，使地面温度增高。

同时地面也以电磁波的形式向外辐射热量。地面辐射主要集中在红外线部分，容易被对流层

中的水汽和二氧化碳所吸收，大约有75%-95%被吸收，可导致低层大气增温。

2、气温的日变化、年变化和水平分布：

日变化：地球上同地点，因地球自转使太阳辐射强度发生的昼夜变化。

年变化：地球上同一地点，因地球公转引起季节变换，而发生气温的年变化（让学生根据

春、夏、秋、冬和白天、晚上及不同纬度区气温变化经讨论后回答）。

水平分布：气温的水平分布是指一定时期内不同地区的气温情况。通常用1月与7月的

月平均气温分布状况来反映的地区气温的差异。

四、大气的运动

1、大气运动的动力

1）、真正造成大气水平运动的动力是水平梯度力。

2）、运动的大气还会受到地转偏向力等的作用。

地转偏向力，也称科里奥利力。是由于地球自西向东自转和地球的球面效应所引起的（图

2-1）,北半球向右，南半球向左。低纬度向高纬度运动的大气，使风向东偏。高纬度向低纬

度运动的大气，使风向西偏。北半球的旋风多是顺时针方向。

2、大气环流：大气环流是指大范围的大气运动状态，它反映了大气运动的基本格局。

低纬环流：在赤道地区，手太阳辐射强，气温高，空气受热上升，形成赤道低气压带；

该带空气以上升为主，而且带有较多水汽，到高空后遇冷凝结成水降雨，形成赤道无风带和

湿热多雨气候。从赤道上升的气流到高空变冷后，形成高气压，向南北两侧流动，由于地球

自转偏向力的作用，向东加大偏转，在南北纬30度的高空与纬线基本平行，气流不再向南

北流动，形成副热带高压带，也称静风带。而在地面上，副热带高压带的空气分别向赤道和

两极流动，形成赤道两侧的大气环流。

高纬环流和中伟环流：在两极地区终年寒冷，大气冷凝收缩，形成极地高压带，地面空

气由两级向中纬度地区流动，在南北纬60度地区，与副热带高压带向两极流动的气流相遇,

而转向上升运动，形成副极地低压带，该带高空气体向两极和中纬度区流动，分别形成高纬

环流和中纬环流。

水圈(hydrosphere)：指由地球表层水体所构成的连续圈层，以气态、固态和液态三种

形式为主。海洋占97%,冰川占2.15%,地下水占0.6%。

一、水圈的组成：

1、水的分布：自然界的水以气态、固态和液态三种形式存在于大气圈、生物圈和水圈

中。地球水体的总质量约为1.5X1018吨，体积约1.4X1018立方。其中海洋占97%,冰川占

2.15%,地F水占0.6%。

2、水的类型：据天然水所处的环境不同分海水、大气水和陆地水三类

(一)海水(seawater)

1、物理性质：包括温度、密度、压力和透明度。

2、化学性质：海水中已知元素有72种，常见有12种。

海水中溶解的全部盐类物质与海水重量之比称为盐度，以下分率表示

①海水盐度介于3%。一37%。之间，以35%。代表海洋的标准盐度，如果明显高于35%。的海洋

称为咸化海，如红海(>40%0),低于35%。的为淡化海，如波罗的海

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3、海水的运动：有波浪、潮汐、海流和浊流等形式。

波浪：波浪是海水运动的基本形式。水质点基本绕某个平衡位置作圆周运动，只是向前

移动很小距离。

海啸(tsunami)：地震、火山喷发可释放出巨大的能量，产生汹涌的海浪，波高几十米。

潮汐(tide)：全球性海水周期性涨落现象

太阳、月球对地球的引力与离心力的合力为引潮力。在地一月体系中，该合力在对月点

和背月点最大，且方向垂直指向球面外空间，因而可使海面上升凸起，发生涨潮。而在对月

点、背月点方位为90。的地区，合力最小，形成落潮。

由于地球自转，地球上同一地点一天内可出现两次涨潮和落潮。如果月球、太阳、地球

处在一条直线上时，可出现特高潮和特低潮。

海(洋)流(oceancurrent)：大洋中沿一定方向有规律移动的海水。

浊流(turbiditycurrent)：海洋或湖泊中载有大量悬浮物质的高密度水下重力流，多

山地震、火山等因素引发，具有较大的剥蚀、搬运能力，常形成冲槽、冲沟，沉积物具鲍马

序列。

(二)陆地水(continentalwater)

1、地面流水：可分暂时性流水和常年性流水。

暂时性流水包括片流(sheetflow)：刚下雨后，沿山体斜坡无固定水道的面状流水。洪流

(floodflow)：下雨后沿山谷或河道流动的暂时性线状流水。

常年性流水：河流(river)：地球表面具有固定河道的线状常年性流水。

水系和干流的概念：大大小小若干条河流组成的水流系统为水系。水系与水系之间以分

水岭相隔，如长江、黄河水系。水系中最大、直接注入海洋或湖泊者为干流，如长江、黄河。

注入干流者为支流，如渭河为黄河的一个重要支流。

2、地下水(groundwater)

地卜水是指埋藏在地表以下岩石和松散沉积物空隙中的水体。岩石和松散沉积物中存在

孔隙、裂隙和溶孔。

包气带水：埋藏在包气带中的水。包气带是指地表浅层沉积物中空隙未被地卜水充满的

地带。

潜水：埋藏在地表之下第一个稳定隔水层以上，具有自由表面的重力水（饱水带水）。

承压水：埋藏在两个稳定隔水层之间的透水层内的重力水（层间水）。

3、湖泊（lake）

世界上最大的湖泊是西亚的里海（咸水湖），面积约43X104km2。第二大湖是北美的苏

比利尔湖（淡水湖），面积8X104km2。

世界上最深的湖泊是俄罗斯的贝加尔湖，水深1741m。

世界上最高的湖泊是我国西藏高原的纳木湖，海拔4718m。最低的是死海，海拔-395m。

4、沼泽（marsh）：陆地上潮湿积水，喜湿植物大量生长并有泥炭堆积的地方，成因有

多种

5、冰川：指由积雪形成并能运动的冰体。可分两类：

大陆冰川（continentalglacier）：分布在高纬度和两极,雪线低,面积大，冰层厚,由中

间向四周流动，流速慢。山岳冰川（mountainsglacier）：分布在高山地带的冰川，雪线高,

规模小，冰层薄，面积小，受地形控制，从上往下流动。冰川的运动：为固体流，上部具

脆性变形，下部为塑性变形，可见羊背石、丁字擦痕、漂砾等。

（三）大气水

存在于大气圈对流层中的水，以气态形式存在。主要来自海水蒸发。由于污染可形成酸

雨，可使地面具“温室效应”。

三、水的循环：

1、水循环：是指在一定的时间内，水作既无起点也无终点的永不停息的水体运动系统。

2、循环类型：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、水循环的动力：太阳能、重力。

地球的外部圈层生物圈

•、生物圈的概念：生物圈（biosphere）是指地球表层由生物及其生命活动地带所构

成的连续圈层。其范围：-3km-+10km；生物圈没有明确的界限，他与大气圈、水圈和

岩石圈相互渗透，以生物能够生存为其条件。

生物圈中生物的分布极不平衡。一般在沙漠和两极条件差。生物种类少且数量少；在热

带、亚热带地区，生物不仅种类多样，而且数量也非常多。

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二、生物圈的组成：生物圈的组成确切讲应该是自然界各式各样的生物及其他们的生存

环境。因为任何生物都离不开其生存环境。

据统计，目前地球上已描述鉴定的生物超过200万种，其中动物月150万种，植物约50万

种。

地球生物按性状可分为：

原核生物界：单细胞，无真正的细胞核，如细菌和蓝绿藻。

原生生物界：单细胞，有细胞核，如藻类和原生动物。

真菌界：低等真核生物，如蘑菇，木耳等。

植物界：多细胞，固着生长，可通过光合作用自制养料。

动物界：为异养生物。

生物圈的稳态一一生物圈具有多层次的自我调节能力

1、大气中二氧化碳含量增加时，会使植物加强光合作用，增加对二氧化碳的吸收；

2、一种生物灭绝后，生物圈中起相同作用的其他生物就会取代它的位置；

3、某种植食性动物数量增加时，有关植物种群和天敌种群的数量也随之变化。

生物圈n号

1991年，美国科学家进行了•个耗资巨大规模空前的“生物圈二号”实验。依照设计,

这个封闭生态系统尽可能模拟自然的生态体系，有土壤、水、空气与动植物，甚至还有森林、

湖泊河流和海洋。1991年，8个人被送进“生物圈二号”，本来预期他们与世隔绝两年，可

以靠吃自己生产的粮食，呼吸植物释放的氧气，饮用生态系统自然净化的水生存。但18个

月之后，“生物圈二号”系统严重失去平衡：氧气浓度从21%降至14%,不足以维持研究者

的生命，输入氧气加以补救也无济于事；原有的25种小动物，19种灭绝；为植物传播花粉

的昆虫全部死亡，植物也无法繁殖。

数名科学家得出结论：在现有技术条件下，人类还无法模拟出一个类似地球•样的、可供人

类生存的生态环境。

实验向世人昭示了：迄今为止，地球仍是人类惟一的家园，人类应当努力保护它。

全球性的环境问题

1、温室效应与气候变暖

2、臭氧层的破坏

3、酸雨

4、烟雾事件

5、有毒物质的污染

6、水土流失、地面沉降、土地沙漠化、森林植被的破坏、生物多样性锐减等

维持生物圈稳定的措施

节约能源，实现能源的清洁生产；

努力开发新能源，建立“原料——产品——原料——产品”的生产模式；

合理利用和保护野生生物资源；

新能源的开发利用。

思考题：

一）基本概念：大气圈、生物圈、水圈、潮汐、浊流、冰川、包气带水、潜水；

二）简述下列两组基本概念的主要区别：对流层与平流层；大陆冰川与山岳冰川；.片流与

洪流；层流与紊流；环流与涡流。

三）回答：1、海水有何性质？如何运动？为什么？

2、冰川是如何形成的？怎样运动？

3、简述水圈的循环。

4、地球上的水为什么处在永不停息的运动之中？

第二章地壳

第一节地壳表面的形态特征

一、概述：

地壳表面明显分为陆地（29%）和海洋（71%）两部分。陆地多分布在北半球；海洋多分布

在南半球；无论陆地或海底，表面起伏不平；世界屋脊（第三极）珠穆朗玛峰海拔8848.13m；

太平洋西侧的马里亚纳海沟，深达海拔-11034m。

二、陆地地形：按高程和起伏特征可分为山地、丘陵、平原、高原、盆地和洼地等。

1＞山地（mountains）：海拔高程大于500m,相对高差大于200m的地形；又可分为低山500m

—1000m；中山1000m—3500m和高山＞3500m。线状延伸的山体称山脉，成因上相联系

的若干相邻的山脉称山系。大陆上最宏伟、最重要的山系：阿尔卑斯一喜马拉雅山系和环太

平洋山系。

2、丘陵（hills）：海拔小于500m,相对高差数十米的低矮浑园地形。

3、平原(plain)：海拔＜200

m,相对高差数不超过数十

米的平坦广阔地区。

4、高原(plateau)：海拔＞500m,地面比较平坦。

5、洼地：大陆内部海拔高程在海平面以下的地区。吐鲁番盆地的克鲁沁地区，海拔-150m.

6、盆地(basin)：周围高，中央低的地区。

7、大陆裂谷(continentalrift)：宏伟的线状洼地，如东非裂谷，是地壳上拉张的结果，呈“之”

字型？。

三、海底地形特征

海底大致可分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三个地形单元，其中大陆边缘有二种类

型。

(一•)、大陆边缘(continentalmargin)：大陆与大洋盆地之间的过渡带，包括大陆架、大陆坡。

1、大陆架(continentalshelf)：海与陆地接壤的浅海平台,坡度小于0.3°。

2、大陆坡(continentalslope)：大陆架外侧坡度明显变、陡部分,平均坡度4.3°。

(二)、大陆基、海沟、岛弧

1、大陆基(continentalrise)：大陆坡与大洋盆地之间缓倾斜坡地,坡度为5'一35'。

2、岛弧(islandarc)：大洋边缘延伸距离很长，呈弧形展布的群岛。如阿留申、千岛、日本、

琉球、菲律宾、马里亚纳等群岛。

3、海沟(trench)：大洋边缘的巨型带状深渊，长度达1000km以上，宽度大于100km。岛弧

与海沟二者常组成岛弧一海沟系。大陆边缘分两类：一类由大陆架、大陆坡和大陆基组成，

主要分布于大西洋，故称大西洋型大陆边缘；另一类由大陆架、大陆坡和岛弧一海沟组成，

主要分布于太平洋，故称太平洋型大陆边缘。

(三)、海底山脉

1、大洋中脊(mid—eanicridge)绵延在大洋中部(或内部)的巨型海底山脉，构造运动活

跃，常发生地震和火山。大洋中脊轴常有•条纵向延伸的裂隙状深谷，称中央裂谷。

2、洋中隆：当洋脊无中央裂谷，构造运动不活跃，地震活动较弱忖，称其为洋中隆。

3、海岭：大洋中还有一些几乎没有构造地震、属大陆性地壳的小型水下山脉，称海岭。

(四)大洋盆地(oceanicbasins)

介于大陆边缘与大洋中脊之间的较平坦地带，平均水深4000—5000m»

1、深海丘陵：由火山活动形成的高度几十到几百米的椭圆形山丘。

2、深海平原：水深4000-5000m,地势平坦的地区。

3、海山：地势比较突出的孤立高地称海山。高于1000m的锥状者称海锋。隐于水下的平顶

海山，称盖约特(guyot)。

四、大陆型地壳与大洋型地壳的对比

表1-1大陆地壳与大洋地壳对比表

大陆地壳大洋地壳

面积的40%t&sew%

比例占地壳体积的79%占地壳体积的21%

质量的63%质量的37%

平均厚度33km6km

平均密度2.7gfcm33X^cm3

沉积岩、岩浆岩、受质岩均有；SQ2含量〉几乎全部由火山岩组成；SiC^v50%；低价

成分60%；低价铁和铁的氧化物百分含量低，分铁和镁的氧化物百分含量高，分别为62与

别为3.眄3.1,但铁的总含量高.6.8,但铁的总含量低.

各地点历史时期形成的岩石均有，最老岩石岩石大部分生成于最近50Ma中，最老岩石

岩石时代

年龄可达3800Ma・不超过200Ma.

没有强烈挤压褶皴班成的大山，海底大山主

岩石受到逐目挤压，形成褶WE、断裂和由它

地质作用和地质构造要为火山作用形成的.没有区域交质作用.

成的高大山脉，区域变质作用较普遍.

引张大断裂发声.

重力异常以负异常为主.以正异箓为主.

上部为花岗质层(硅能层)，下部为玄武质底部为玄武质层(硅铁层)，上部为松散沉

结构层(硅铁层)，最表层有不连续分布的松散积物层，两层之间为玄武岩夹已固结的沉积

沉积物.岩透镜体.

第二节地壳的化学组成

克拉克值(dark)--元素在地壳中的分布：美国学者克拉克(1889)最早研究了地壳中元

素的平均含量，地质学上把元素在地壳中的平均质量百分比称克拉克值。。(46.5%)、Si(27.88)、

Al(8.13%)、Fe(5.71%)、Ca(3.65%)、Na(2.78%)、K(2.58%)、Mg(2.06%)约占地壳总质量的

99%。

地壳中的元素有92种，求得平均质量百分比(及克拉克值)的有50种，主要的造岩

元素10种：。、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti,它们共占地壳总质量的99.9%以上。

地壳中的元素少数以自然元素产出，如金、石墨等，多数是以化合物的形式存在，尤

其以氧化物最常见。元素分布极不均匀。有用元素的富集就成矿。

第三节地壳中的矿物

-、矿物(mineral)的概念：

地质作用形成的天然单质或化合物，它具有一定化学成分、晶体结构和物理性质。由一

种元素组成的，称单质矿物，如自然金、金刚石等。大多数是由两种或两种以上元素组成的

化合物矿物，如石英、岩盐等。少数为液态和气态，如水、自然汞以及水蒸汽、氢、甲烷等。

其化学成分一定，并可用化学式表达。

固态矿物按内部构造可分为结晶矿物和非晶质矿物。

晶体(crystal)：内部质点(原子、离子)在三维空间周期性重复排列(即有序排列)的固

体。

晶体结构(crystalstructure)：质点是有序排列，晶体内部所具有的格子构造(用简单的格

子构造模型说明晶面、晶棱、质点等)。

非晶质体：内部质点排列无序的固体(如玻璃)。

同质多象(polymorphism)：相同化学成分在不同条件下形成不同的晶体结构，从而成为不

同的矿物(如石墨和金刚石)。

类质同象(isomorphism)：相同的晶体结构被类似的原子、离子代替而不破坏其晶体结构(如

各类长石)。

双晶：两个或两个以上晶体有规律生长在一起。

二、矿物的肉眼鉴定特征

一)、矿物的形态

矿物形态是矿物的外观特征，但它是矿物内部化学成分、晶体结构和形成环境的外观表现。

内在的是本质，因此它是研究矿物成因的标志之一。

矿物的形态有两种衣现形式：

单晶

有利的条件下，晶质矿物的单体都会形成特殊的几何形态，十分规则。不同矿物具有不

同形状，可归纳为三种类型：

一向延长，呈针状、柱状；

二向延长，呈板状、片状：如白云母、黑云母、河长石等

三向延长，呈立方体、八面体等。

矿物集合体形态可有：

晶质集合体：粒状、块状、致密块状、放射状、晶簇等

非晶质集合体：细状、豆状、钟乳状等。

二)、矿物的物理性质：

重要的是光学性质和力学性质。

1、光学性质包括：颜色、条痕、光泽、透明度等。

颜色(colour)一吸收光后表现出的色调。区分真、假和它色。

条痕(streak)一矿物粉末的颜色，是真色，有鉴定意义。

光泽(luster)一反射光的能力。金属光泽、半金属光泽，金刚光泽、玻璃光泽等。

透明度(transparency)—透过光的能力。

2、力学性质包括：

硬度(hardness)：矿物抵抗外力机械作用的强度。摩氏硬度计(mohsscaleofhardness)

1一滑石2—石膏3一方解石4一萤石5■-磷灰石

6—正长石7—石英8—黄玉9—刚玉10—金刚石

指甲硬度为2—2.5,小刀硬度5—5.5,石英为7。

解理(cleavage)：注意同“节理”区分。晶体受外力后沿结晶方向规则裂开的平面(用结晶

格子模型讲授其成因)。

断口(fracture)：矿物受外力后不规则断开时所形的断面。

3、其他性质：脆性和延展性、弹性和挠性、比重、磁性、电性、发光性、气味、滑腻感等。

三、地壳中常见矿物的种类和特征

1、自然元素矿物:有50多种。如石墨C(graphite),自然金、自然银等。

2>硫化物类矿物：黄铁矿FeS2(pyrite),黄铜矿CuFeS2(chalcoprite)、方铅矿PbS(galena),

闪锌矿ZnS(sphalerite)o

3、氧化物类矿物：石英SiO2(quartz),赤铁矿FeO3(hematite)>磁铁矿Fe3O4(magnetite)>

褐铁矿Fe2O3nH20(limonite)o

4、硅酸盐矿物：正(钾)长石、斜长石等。

肉眼鉴定对比表见(表3—2)

5、碳酸盐类矿物：方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)、菱铁矿(FeCO3)、菱镁矿(MgCO3)

6、硫酸盐类矿物：重晶石BaSO4和石膏Ca[SO4]2H20(gypsum)

第四节、岩石

一、岩石的概念：自然状态下形成的，山一种或几种矿物组合而成的单矿物集合体(如大理

岩)，多矿物集合体(花岗岩)，或是岩石碎屑集合体(砂砾岩)。(矿物集合体+碎屑集合体)

二、岩石的成分及结构、构造：

1、岩石的矿物成分：地壳中的岩石类型非常多，但组成岩石的主要矿物仅20多种。他不是

矿物的任意组合，而是受地质作用的特有规律所支配。这种特有的矿物共生组合不仅表现在

矿物的种类上，也表现在矿物的含量。如花岗岩主要由长石、石英、云母组成，其中长石占

60%,石英占30%-40%,云母为5%左右。变质岩矿物成分复杂一些，沉积岩除矿物成分外,

还可有岩石碎屑。

2、岩石的结构：岩石的结构是指岩石中矿物（或岩屑）的结晶程度、颗粒大小、形态及其

相互关系。不同类型的岩石具有不同的结构，岩石的结构与其成因有密切关系。

3、岩石的构造：是指岩石中矿物（或岩屑）颗粒在空间上的分布和排列方式等特点。如块

状构造、片状构造、层状构造等。

三、地壳中的岩石类型：按岩石成因可分为三大类，岩浆岩、沉积岩和变质岩。

1、岩浆岩：岩浆岩是岩浆冷凝的产物，也叫火成岩。按其形成环境分为侵入岩、喷出

岩；按SiO2含量可分为超基性岩（低于45%）、基性岩（45%-52%）、中性岩（52%-66%）和

酸性岩（高于66%）。地表分布面积约占20%左右，地壳中的体积约占30-40%。

1）、岩浆岩的矿物成分与颜色

组成岩浆岩的矿物成分很多，主要有石英、正长石、斜长石、角闪石、辉石、橄榄石和

黑云母等。前三种矿物硅、铝含量高，色浅，称为浅色矿物，后四种矿物中镁、铁含量高，

色深，称为暗色矿物。

2）、岩浆岩的结构与构造

按结晶程度分为：全晶质结构，半晶质结构和玻璃质结构；

按矿物颗粒相对大小分为：等粒结构（粗粒、中粒和细粒），不等粒结构（斑状、似斑状）

（P41图）。

岩浆岩的构造有：块状构造、条带状构造、气孔构造、杏仁状构造、流纹构造。

2、沉积岩:

沉积岩主要来自地表的沉积物固结而成，很多是经水搬运沉积，也称水成岩。少数经风

搬运沉积，如沙漠、黄土。沉积岩按成分分为碎屑岩、粘土岩、化学沉积岩和生物化学沉积

岩、火山碎屑岩等。其分布在地表占面积的70%,体积约占5%。

1）沉积岩的物质成分:沉积岩的成分主要由碎屑（岩石碎屑、矿物碎屑）、矿物晶体、有机质

和胶结物组成。

其中矿物有100多种，但常见的只有20余种。如长石、石英多是来源于母岩破碎的产

物；另外如碳酸盐矿物、粘土矿物及盐类矿物多是沉积过程中自生的。

碎屑：是沉积岩的重要组分，大如卵石，细如砂、泥、粉尘等，主要是粗粒的。

有机质：是沉积岩区别于岩浆岩的重要特征。

胶结物：是沉积岩必不可少的组分。有泥质、钙质、硅质、铁质等。

2）沉积岩的结构和构造结构

指颗粒性质、大小、形状及相互关系。

碎屑结构：

砾状结构：＞2mm

砂状结构：2-0.125mm

粉砂状结构：0.125-0Q32mm

泥质结构：＜032mm

晶粒结构：

生物结构：生物碎屑结构和生物结构

构造

岩层在垂直方向上由于沉积物成份、结构、颜色及层厚的变化而显示出的特征。也称层

理，是沉积岩特有的构造。层与层的界面称层面。相邻两层面之间的距离称层厚。

块状层：＞2m

厚层：2-0.5m

中层：O.5-O.lm

薄层：O.l-O.Olm

极薄层＜0.01m

3）常见沉积岩

陆源碎屑岩：砾岩；砂岩；粉砂岩；粘土岩

碳酸盐岩：灰岩；白云岩

蒸发岩:盐岩；钾盐；石膏

有机岩:煤;油页岩

火山碎屑岩

3、变质岩：

变质岩是原岩在固体状态下、经过一定的温度、压力及化学活动性流体的作用，使其原有

物质成分、结构、构造发生改造而形成的新岩石。

变质岩按形成背景及原因分为接触变质岩、动力变质岩、区域变质岩和混合岩。变质岩在

地表分布约占10%,体积约占50~60%。

1）、变质岩中的矿物：

包括变余、变成矿物：

除原岩矿物外，可有大量特有的变质矿物。其中如长石、石英、云母、角闪石、辉石等

与岩浆岩相同，而红柱石、矽线石、滑石等，为变质岩特有。

2）、变质岩的结构：

包括变晶、变形、变余三类构造。其中变晶结构，与岩浆岩类似，按颗粒大小分粗、中、

细，斑状等，按矿物形态分粒状变晶结构、鳞片变晶结构及纤维变晶结构；变余结构也称残

留结构，在原岩结构前加上“变余”即可。

3）变质岩的构造：包括变余构造、变成构造和混合岩构造。

变成构造有：块状构造和定向构造。后者包括：板状构造、千枚状构造、片状构造、片麻

状构造。

4）、常见的变质岩：板岩；千枚岩；片岩；片麻岩；大理岩；石英岩；蛇纹岩；矽卡岩。

第五节地壳演化的时代概念

我们必须懂得，时间是以变化来衡量的。如果事物是不变的和不动的，我们就无法意识

到时间的存在。

在自然界中本来就包含了若干种测时的方法，我们从最科学最实用的角度出发，地球自

身的行动就是一架极完美的时钟。它24小时绕轴旋转一周，一年又绕太阳转一圈。正因为

旋转，我们才在一天、一个季节和-年当中感受到了显著的变化。

对地质科学来说，岩石就是时间的记录。根据岩石由下而上的关系，地球历史上的各个

事件都可以记录在岩石上，均可以排列在年代顺序中。

一、相对地质年代的确定

一）、相对年代（relativeage）：即把各个地质历史时期形成的岩石以及包含在岩石中的生物

组合，按先后顺序确定下来，展示出岩石的新老关系。

因此，相对年代只能说明各地质事件发生的早晚，而没有绝对的数量关系。确定相对

年代，主要是根据岩层的叠复原理、生物群的演化规律和地质体（岩层、岩体、岩脉等）之

间的切割关系这三个主要方面进行的。

1、叠复原理：地层沉积时沉积物由上向下沉积，下部地层单元形成较早，上覆地层形成较

晚。

2^化石层序律（lawoffaunalsuccession）:除了利用岩性和岩层之间的叠复关系来解决岩层

的相对新老外，人们发现保存在岩层中的生物化石群也有一种明确的可以确定的顺序。生物

在演化发展过程中具有阶段性和生物进化的不可逆性。因此，愈老的地层中所含的生物化石

愈原始，愈低级；愈新的地层中所含生物化石愈先进，愈高级。这就是划分地层相对年代的

生物群演化规律。这种方法叫古生物学法。

3、地质体之间的切割律（lawofdissection）：由于地壳运动、岩浆作用、沉积作用、剥蚀作

用的发生，常常会出现地质体（岩层、岩体、岩脉）之间的彼此穿切现象。显然，被切割的

岩层比切割的岩层老；被侵入的岩体比侵入的岩层或岩脉老。利用这种关系来确定岩层的相

对地质年代，就叫构造地质学法

二）同位素年龄的测定：

1、基本原理：放射性元素的衰变速度是用半衰期来度量的。半衰期就是在一个半衰期内，

原子数目衰变一半（或）；第二个半衰期内，再衰变一半的一半（即物），依次类推。

2、基本方法：只要我们知道了某一种放射性同位素的衰变常数（入），又测出某矿物中所剩

余的放射性元素（母同位素）的总量（N）和蜕变产物（子同位素）的总量（D）,即可按公

式求出该矿物的同位素年龄（t）o

t=l/AIn（1+D/N）

三、地质年代单位与年代地层单位

1、地质年代单位：以生物界及无机界的演化阶段为依据，划分为宙、代、纪、世：

“宙”：全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古

宙和显生宙4个宙，每个宙的演化时间均在5亿年以上。

“代”：反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在5000万

年以上。

“纪”：反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。纪的演化时间在200

万年以上。

“世”：往往反映了生物界中“科”、“属”的一定变化。每个纪一般分为早、中、晚3个世

或早、晚2个世。

2、地层单位:

1）、年代地层单位：在各级地质年代单位的时间内所形成的地层，有宇、界、系、统：

2）、岩石地层单位：根据地层的宏观岩石学特征划分的地层单位。没有严格的时限，往往具

有穿时性。分有群、组、段、层等。

群：最大的岩石地层单位，一般山具有成生联系的两个以上组构成。

组：基本地层单位，由岩性、岩相和变质程度一致的一种或多种岩石组成，具有一定的

厚度和分布范围。组内不能有不整合及地层间断存在。

段：是组的组成部分，具有与组内相邻岩层明显不同的岩性特征，不一定都要划到段。

层：也称标志层，是岩石地层单位的最小单位。一般由岩性、成分或生物组合等特征显

著区别于相邻岩层的单一岩性层或复层构成。

3）、生物地层单位：根据地层中所含生物化石类型或组合特点划分的单位。常用的有组合带、

延限带、顶峰带、间隔带等。

四、地质年代表：

以地球演化的自然阶段性为依据，配合同位素地质年龄的测定，对漫长的地质历史进行系统性的编年与划分,

编制出的在全球范围内能普遍参照对比的年代表即地质年代表。

字（宙）界（代）*纪）统他）Xia字（宙）界（代）*纪）的世）

潮的世）上（晚像（世）

第四系（纪）

色取票（纪）

更新统（世）中统（世）

新

新近景（纪）上奈统（世）下厚幽他）

生4.3鸵1先

中新统（世）上假漱（世）

界0.2肛勺

（代）渐新统（世）奥陶系（纪）申统（世）

古近景（纪）蛤新统（世）下谆幽（世）

4.驳侔

古前统（世）上（晚欣（世）

冠白

上（晚）统（世）0.6