地球科学导论

地球科学是以地球系统（包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间）的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。本书通过对地质学、海洋学、气象学和天文学等的简要介绍，旨在让人们了解地球科学的基本原理。首先介绍了什么是地球科学，然后分七篇分别介绍了构成地球的物质、地表的形成过程、地球内部活动、地球的演化、海洋学、大气学、天文学等。全书通过日常生活中的示例，说明了地质、海洋、气象和天文活动对生活的影响，同时说明了各学科在国民经济发展中的作用。

Frederick K. Lutgens与Edward J. Tarbuck从20世纪70年代起就是好朋友和同事，已经有50多年的教学和编写大学教材的经历，而且他们都是认可的杰出和有名的教授。从1983年起，Dennis Tasa加入了他们的团队，主要从事绘图工作。三人合作，完成了气象学、地球科学、地质学等教材的撰写与更新。
徐学纯，吉林大学地学部地球科学学院教授，博士生导师，长期从事地质学的教学与研究工作，发表论文多篇，出版教材多部。

第0章 地球科学导论 1
0.1 什么是地球科学 2
0.2 地球的圈层 3
0.2.1 水圈 4
0.2.2 大气圈 4
0.2.3 生物圈 5
0.2.4 岩石圈 5
0.3 地球系统 7
0.3.1 什么是系统 7
0.3.2 各个部分的相互关联 8
0.4 地球科学中的时间与空间尺度 8
0.5 资源和环境问题 10
0.5.1 资源 10
0.5.2 环境问题 11
0.6 科学探索的本质 12
0.6.1 假说 12
0.6.2 理论 13
0.6.3 科学方法 13
概念回顾：地球科学导论 14
思考题 15
第1章 物质成分和矿物组成 16
1.1 矿物：组成岩石的基本单元 17
1.1.1 矿物的定义 17
1.1.2 岩石的定义 18
1.2 原子：矿物的结构单元 19
1.2.1 质子、中子和电子的属性 19
1.2.2 元素：由质子数决定 20
1.3 原子结合的原因 21
1.3.1 八隅规则与化学键 21
1.3.2 离子键：电子转移 21
1.3.3 共价键：共用电子 22
1.3.4 金属键：电子自由移动 23
1.4 矿物的物理性质 23
1.4.1 光学性质 23
.4.2 晶体形态和结晶习性 24
1.4.3 矿物强度 24
1.4.4 密度和比重 27
1.4.5 矿物的其他性质 27
1.5 矿物分类 28
1.5.1 硅酸盐矿物 28
1.5.2 常见的浅色硅酸盐 30
1.5.3 常见的暗色硅酸盐矿物 31
1.5.4 重要的非硅酸盐矿物 31
概念回顾：物质成分和矿物组成 33
思考题 35
第2章 岩石：固体地球的物质 36
2.1 地球系统：岩石循环 37
2.1.1 基本循环 37
2.1.2 其他途径 37
2.2 火成岩：“浴火而生” 39
2.2.1 从岩浆到结晶岩 39
2.2.2 火成结构能告诉我们什么？ 40
2.2.3 火成岩的成分 41
2.2.4 火成岩的分类 41
2.2.5 不同火成岩的成因 44
2.3 岩石风化形成沉积物 45
2.3.1 机械风化作用 46
2.3.2 化学风化作用 47
2.4 沉积岩：压实和胶结的沉积物 48
2.4.1 沉积岩分类 49
2.4.2 沉积物的石化作用 53
2.4.3 沉积岩的特征 53
2.5 变质岩：由老变新的岩石 54
2.5.1 变质作用的动力是什么？ 55
2.5.2 变质结构 57
2.5.3 常见的变质岩石 57
概念回顾：岩石：固态岩石圈的组成物质 59
思考题 61
第3章 水成地貌 63
3.1 地球的外力作用 64
3.2 崩塌作用：重力作用的结果 64
3.2.1 崩塌作用和地貌形成 65
3.2.2 崩塌作用的控制和诱发 67
3.2.3 无诱因的滑坡？ 68
3.3 水循环 68
3.4 流动的水 69
3.4.1 流域 70
3.4.2 河流系统 70
3.4.3 水系类型 71
3.5 流速 72
3.5.1 影响流速的因素 73
3.5.2 从上游到下游的变化 73
3.6 流水的作用 74
3.6.1 河流侵蚀 74
3.6.2 河流的搬运作用 75
3.6.3 河流的沉积作用 76
3.7 河道 76
3.7.1 基岩河道 76
3.7.2 冲积河道 76
3.8 河谷的形态 78
3.8.1 基准面和河流侵蚀 78
3.8.2 深切河谷 79
3.8.3 河谷拓宽 80
3.8.4 基准面的变化和深切的河曲 81
3.9 沉积地貌 81
3.9.1 三角洲 81
3.9.2 天然堤坝 83
3.10 洪水与防洪 83
3.10.1 洪水的成因 83
3.10.2 防洪 84
3.11 地下水：地表之下的水 85
3.11.1 地下水的重要性 85
3.11.2 地下水的地质作用 86
3.11.3 地下水的分布 86
3.11.4 影响地下水存储和运动的
因素 87
3.11.5 隔水层与含水层 88
3.11.6 地下水的运动 88
3.12 泉、井和承压系统 88
3.12.1 泉 89
3.12.2 井 90
3.12.3 承压系统 90
3.13 地下水的环境问题 92
3.13.1 不可再生的地下水资源 92
3.13.2 地下水开采引起的地面沉降 93
3.13.3 地下水污染 93
3.14 地下水的地质作用 95
3.14.1 溶洞 95
3.14.2 喀斯特地貌 96
概念回顾：水成地貌 98
思考题 100
第4章 冰川与干旱地貌 102
4.1 冰川：两个基本循环的一部分 103
4.1.1 山岳（阿尔卑斯）冰川 103
4.1.2 冰盖 104
4.1.3 其他类型的冰川 105
4.2 冰川如何移动 105
4.2.1 观察并测量冰川的运动 106
4.2.2 冰川的估算：增长与消融 107
4.3 冰蚀作用 108
4.3.1 冰川如何侵蚀 108
4.3.2 冰蚀地貌 109
4.4 冰川沉积 111
4.4.1 冰碛物的类型 111
4.4.2 冰碛石、冰水沉积平原和
冰碛湖 112
4.4.3 鼓丘、蛇丘和冰砾阜 114
4.5 冰期冰川的其他作用 115
4.6 冰期冰川作用的范围 116
4.7 荒原 117
4.7.1 干涸土地的分布与成因 118
4.7.2 水在干旱气候中的作用 120
4.8 盆地和山脉：多山荒漠地貌的演化 121
4.9 风蚀作用 122
4.9.1 风蚀、膨胀露头和沙漠砾石盖层 123
4.9.2 风蚀作用 125
4.10 风成沉积 125
4.10.1 黄土 125
4.10.2 沙丘 125
概念回顾：冰川和干旱地貌 127
思考题 129
第5章 板块构造论：一场科学的革命 131
5.1 从大陆漂移说到板块构造论 132
5.2 大陆漂移说：超越时代的一个想法 133
5.2.1 证据：大陆拼图 133
5.2.2 证据：跨海化石的吻合 134
5.2.3 证据：岩石类型和地质
特征 135
5.2.4 证据：古气候 135
5.3 大辩论 137
5.3.1 对漂移学说的抵制 137
5.4 板块构造论 138
5.4.1 覆盖软流圈的刚性岩石圈 138
5.4.2 地球的主要板块 140
5.4.3 板块边界 140
5.5 离散板块边界和海底扩张 140
5.5.1 洋中脊和海底扩张 140
5.5.2 大陆裂谷 143
5.6 汇聚板块边界与俯冲作用 143
5.6.1 洋－陆汇聚 144
5.6.2 洋－洋汇聚 145
5.6.3 陆－陆汇聚 146
5.7 转换板块边界 147
5.8 检验板块构造模型 149
5.8.1 证据：大洋钻探 149
5.8.2 证据：地幔柱和热点 150
5.8.3 证据：古地磁学 151
5.9 什么驱使板块运动？ 154
5.9.1 驱使板块运动的力 154
5.9.2 板块－地幔对流模型 156
5.10 板块和板块边界如何变化？ 157
5.10.1 泛大陆的裂解 157
5.10.2 未来的板块构造 158
概念回顾：板块构造：一场科学的革命 159
思考题 162
第6章 动荡的地球：地震、地质构造
和造山运动 164
6.1 什么是地震 165
6.1.1 探索地震的成因 166
6.1.2 断层与地震 167
6.2 地震学：地震波研究 169
6.2.1 记录地震的仪器 169
6.3 震源定位 171
6.4 确定地震大小 172
6.4.1 烈度表 173
6.4.2 震级表 173
6.5 地震的破坏作用 176
6.5.1 火灾 179
6.5.2 什么是海啸？ 179
6.6 地震带与板块边界 181
6.7 地球内部 182
6.7.1 地球分层结构的形成 183
6.7.2 探索地球内部：“透视”地球的地震波 183
6.8 地球圈层 184
6.8.1 地壳 184
6.8.2 地幔 184
6.8.3 地核 185
6.9 岩石变形 185
6.9.1 岩石为什么变形 185
6.9.2 岩石变形的类型 185
6.10 褶皱：韧性变形构造 186
6.10.1 背斜和向斜 186
6.10.2 穹窿和盆地 187
6.11 断层：脆性变形构造 188
6.11.1 倾向滑移断层 188
6.12 造山运动 190
6.13 俯冲作用与造山运动 191
6.13.1 岛弧型造山运动 192
6.13.2 安第斯型造山运动 192
6.14 碰撞造山带 193
6.14.1 科迪勒拉型造山运动 193
6.14.2 大陆碰撞：阿尔卑斯型造山
运动 194
概念回顾：动荡的地球：地震、地质构造和造山运动 197
思考题 200
第7章 火山及其他岩浆活动 202
7.1 圣海伦火山和基拉韦厄火山 203
7.2 火山喷发的性质 204
7.2.1 影响黏度的因素 204
7.2.2 宁静式和爆裂式火山喷发 205
7.3 火山喷发期间挤出的物质 206
7.3.1 熔岩流 206
7.3.2 气体 207
7.3.3 火成碎屑物 207
7.4 火山结构 209
7.5 盾状火山 210
7.5.1 莫纳罗亚火山：地球上最大的盾状火山 210
7.5.2 夏威夷基拉韦厄火山：喷发的盾状火山 211
7.6 火山锥 212
7.6.1 帕里库廷火山：各种火山锥的花园 213
7.7 复式火山 213
7.8 火山灾害 214
7.8.1 火山碎屑流：致命的自然力量 215
7.8.2 火山泥流：活跃和不活跃火山锥的火山泥流 216
7.8.3 其他火山灾害 216
7.9 其他火山地貌 218
7.9.1 破火山口 218
7.9.2 裂隙喷发和玄武岩高原 220
7.9.3 火山颈和火山管道 221
7.10 侵入岩浆活动 221
7.10.1 侵入岩体的性质 221
7.10.2 板状侵入岩体：岩墙和岩席 222
7.10.3 块状侵入岩体：岩基、岩株和岩盖 224
7.11 部分熔融和岩浆的成因 224
7.11.1 部分熔融 225
7.11.2 从固态岩石产生岩浆 225
7.11.3 压力降低：减压熔融 225
7.12 板块构造和火山活动 227
7.12.1 汇聚板块边界的火山活动 227
7.12.2 离散板块边界的火山活动 229
7.12.3 板内火山活动 229
概念回顾：火山和其他岩浆活动 230
思考题 233
第8章 地质年代 235
8.1 地质学简史 236
8.1.1 灾变论 236
8.1.2 现代地质学的诞生 237
8.1.3 当代地质学 237
8.2 创建年代表――相对定年原理 237
8.2.1 年代表的重要性 237
8.2.2 绝对年代和相对年代 238
8.2.3 叠加原理 238
8.2.4 原始水平原理 238
8.2.5 穿切关系原理 239
8.2.6 包裹物原理 239
8.2.7 不整合 240
8.2.8 相对定年原理的应用 241
8.3 化石：过去生命的证据 243
8.3.1 化石类型 243
8.3.2 保留化石的条件 244
8.4 岩层对比 244
8.4.1 有限区域内的对比 245
8.4.2 化石对比 245
8.5 放射性测年 247
8.5.1 基本的原子结构回顾 247
8.5.2 放射性 247
8.5.3 半衰期 248
8.5.4 使用不同的同位素 249
8.5.5 C14测年 249
8.6 地质年代表 250
8.6.1 年代表的结构 250
8.6.2 前寒武纪 250
8.6.3 术语和地质年代表 251
8.7 确定沉积岩的绝对年代 252
概念回顾：地质年代 253
思考题 254
第9章 海洋：最后的净土 256
9.1 浩瀚的海洋世界 257
9.1.1 海洋地理学 257
9.1.2 对比海洋与大陆 258
9.2 海水的构成 258
9.2.1 盐度 259
9.2.2 海盐的来源 259
9.2.3 影响海水盐度的过程 259
9.3 温度和密度随深度的变化 260
9.3.1 温度变化 261
9.3.2 密度变化 261
9.3.3 海洋分层 262
9.4 新兴的海底图像 263
9.4.1 绘制海底地形图 263
9.4.2 从太空绘制海底地形图 264
9.4.3 海底地貌单元 266
9.5 大陆边缘 266
9.5.1 被动大陆边缘 266
9.5.2 活动大陆边缘 269
9.6 深海盆地的特征 269
9.6.1 深海沟 269
9.6.2 深海平原 269
9.6.3 海底火山结构 270
9.7 洋脊 270
9.7.1 洋脊剖析 270
9.7.2 洋脊抬升的原因 271
9.8 海底沉积物 272
9.8.1 海底沉积物的类型 272
9.8.2 海底沉积物――气候数据宝库 273
概念回顾：海洋：最后的净土 274
思考题 276
第10章 动荡的海洋 278
10.1 海洋的表层环流 279
10.1.1 洋流模式 279
10.1.2 洋流影响气候 281
10.2 上升流和深海环流 282
10.2.1 海岸上升流 282
10.2.2 深海环流 283
10.3 海岸：一个动态界面 284
10.4 波浪 285
10.4.1 波浪的特征 285
10.4.2 圆周运动 286
10.4.3 碎波带的波浪 286
10.5 海滩和海岸的形成过程 287
10.5.1 波浪侵蚀 288
10.5.2 海滩上的泥沙运动 288
10.6 海岸的特点 290
10.6.1 侵蚀的特点 290
10.6.2 沉积特征 291
10.6.3 不断变化的海岸 292
10.7 海岸加固 293
10.7.1 硬加固 294
10.7.2 硬加固的替代方法 295
10.8 美国海岸的比较 296
10.8.1 大西洋和墨西哥湾海岸 296
10.8.2 太平洋海岸 297
10.8.3 海岸分类 298
10.9 潮汐 299
10.9.1 潮汐的成因 300
10.9.2 月潮周期 300
10.9.3 潮汐类型 300
10.9.4 潮汐流 301
概念回顾：动荡的海洋 302
思考题 304
第11章 大气加热 306
11.1 关注大气 307
11.1.1 美国的天气 307
11.1.2 天气和气候 307
11.2 大气的组成 309
11.2.1 主要成分 309
11.2.2 二氧化碳（CO2） 310
11.2.3 变化的成分 310
11.2.4 臭氧减少――一个全球性问题 311
11.3 大气的垂向结构 312
11.3.1 压力变化 312
11.3.2 温度变化 313
11.4 地日关系 315
11.4.1 地球运动 315
11.4.2 四季的成因 315
11.4.3 地球的方向 316
11.4.4 夏至/冬至和春分/秋分 317
11.5 能量、热量和温度 319
11.5.1 热传递方式：传导 319
11.5.2 热传递方式：对流 320
11.5.3 热传递方式：热辐射 320
11.6 大气加热 322
11.6.1 吸收太阳辐射发生了什么？ 322
11.6.2 反射和散射 322
11.6.3 吸收 323
11.6.4 大气层变暖：温室效应 323
1.7 人类活动对全球气候的影响 324
11.7.1 二氧化碳含量增加 324
11.7.2 大气响应 326
11.7.3 一些可能的后果 326
11.8 气温数据 327
11.9 影响气温的因素 329
11.9.1 海陆分布 329
11.9.2 海拔高度 330
11.9.3 地理位置 330
11.9.4 云量和反照率 331
11.10 气温的全球分布 332
概念回顾：加热大气 333
思考题 335
第12章 湿度、云和降水 337
12.1 水的相变 338
12.1.1 冰、液态水和水汽 338
12.1.2 潜热 338
12.2 湿度：空气中的水汽 340
12.2.1 饱和 340
12.2.2 混合比 341
12.2.3 相对湿度 341
12.2.4 露点温度 343
12.2.5 测量湿度 343
12.3 云的形成基础：绝热冷却 344
12.3.1 雾、露和云的形成 344
12.3.2 绝热温度变化 345
12.3.3 绝热冷却和凝结 345
12.4 空气上升过程 346
12.4.1 地形抬升 346
12.4.2 锋面楔入 347
12.4.3 局地对流抬升 347
12.5 天气的形成：大气稳定度 348
12.5.1 稳定度类型 349
12.5.2 稳定度和日常天气 350
12.6 凝结和云的形成 351
12.6.1 云的分类 351
12.7 雾 354
12.7.1 冷却雾 354
12.7.2 蒸发雾 355
12.8 降水的形成 357
12.8.1 冷云降水：伯杰龙过程 358
12.8.2 暖云降水：碰并过程 359
12.9 降水类型 359
12.9.1 雨 360
12.9.2 雪 360
12.9.3 雨夹雪和冻雨 360
12.9.4 冰雹 360
12.9.5 雾凇 361
12.10 降水的观测 362
12.10.1 降雪测量 362
12.10.2 天气雷达测量降水 362
概念回顾：湿度、云和降水 363
思考题 365
第13章 大气运动 367
13.1 了解气压 368
13.1.1 观察气压 369
13.1.2 测量气压 369
13.2 影响风的因素 370
13.2.1 科里奥利力 372
13.2.2 地面摩擦力 373
13.3 高压与低压 375
13.3.1 气旋风和反气旋风 375
13.3.2 与高压和低压相关的
天气 376
13.4 大气环流 377
13.4.1 地球不自转时的环流 377
13.4.2 理想的全球环流 377
13.4.3 大陆的影响 378
13.4.4 西风带 379
13.5 局地风 380
13.5.1 陆风和海风 380
13.5.2 山风和谷风 380
13.5.3 钦诺克风和圣塔安娜风 381
13.6 风的观测 382
13.7 全球降水分布 383
概念回顾：大气运动 384
思考题 386
第14章 天气模式与恶劣天气 387
14.1 气团 388
14.1.1 气团是什么？ 388
14.1.2 气团的发源地 388
14.1.3 与气团相关的天气 389
14.2 锋面 391
14.2.1 暖锋 391
14.2.2 冷锋 392
14.2.3 静止锋和锢囚锋 393
14.3 中纬度气旋 394
14.3.1 理想的中纬度气旋天气 395
14.3.2 高空气流的作用 396
14.4 雷暴 397
14.4.1 名称的含义 397
14.4.2 雷暴的形成 398
14.4.3 雷暴发展的各个阶段 399
14.5 龙卷风 400
14.5.1 龙卷风的形成和发展 401
14.5.2 龙卷风的破坏性 403
14.5.3 龙卷风预报 404
14.6 飓风 405
14.6.1 飓风概况 406
14.6.2 飓风的形成与消亡 407
14.6.3 飓风的破坏性 408
14.6.4 飓风跟踪 410
概念回顾：天气模式和恶劣天气 411
思考题 413
第15章 太阳系的特点 415
15.1 古代天文学 416
15.1.1 天文学的黄金时代 416
15.1.2 托勒密模型 417
15.2 现代天文学的诞生 419
15.2.1 哥白尼 419
15.2.2 第谷 420
15.2.3 开普勒 420
15.2.4 伽利略 422
15.2.5 牛顿 424
15.3 太阳系概述 425
15.3.1 星云说：太阳系的形成 425
15.3.2 行星：内部结构和大气层 427
15.3.3 行星碰撞 429
15.4 地球的卫星――月球：古老
地体的碎片 430
15.4.1 月球的成因 430
15.5 类地行星 433
15.5.1 水星：最靠内的行星 433
15.5.2 金星：神秘的行星 434
15.5.3 火星：红色的行星 435
15.6 类木行星 437
15.6.1 木星：天体的主宰 437
15.6.2 土星：优雅的行星 439
15.6.3 天王星和海王星：双胞胎 441
15.7 太阳系中的小型天体 442
15.7.1 小行星：剩下的星子 443
15.7.2 彗星：“脏雪球” 444
15.7.3 彗星的范围：柯伊伯带
和奥尔特云带 445
15.7.4 流星：地球的造访者 445
15.7.5 矮行星 447
概念回顾：太阳系的性质 448
思考题 450
第16章 系外宇宙 452
16.1 宇宙 453
16.1.1 宇宙有多大？ 453
16.1.2 宇宙简史 454
16.2 星际物质：星星的温床 455
16.2.1 亮星云 455
16.2.2 暗星云 457
16.3 星体分类：赫罗图 457
16.4 恒星演化 459
16.4.1 恒星的诞生 459
16.4.2 原恒星阶段 460
16.4.3 主序星阶段 460
16.4.4 红巨星阶段 460
16.4.5 燃尽和消亡阶段 460
16.5 恒星残骸 462
16.5.1 白矮星 462
16.5.2 中子星 462
16.5.3 黑洞 463
16.6 星系和星团 464
16.6.1 星系分类 464
16.6.2 星团 466
16.6.3 星团碰撞 466
16.7 大爆炸理论 467
16.7.1 宇宙扩张的证据 467
16.7.2 大爆炸理论的预言 468
16.7.3 宇宙的命运是什么？ 468
概念回顾：系外宇宙 468
思考题 470
附录A 公制和英制单位的换算 472
附录B 地球的网格系统 474
附录C 相对湿度和露点温度对照表 476
附录D 恒星的性质 478
词汇表 482