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地質學是關於地球的物質組成、內部構造、外部特徵、各層圈之間的相互作用和演變歷史的知識體系。隨著社會生產力的發展,人類活動對地球的影響越來越大,地質環境對人類的制約作用也越來越明顯。如何合理有效的利用地球資源、維護人類生存的環境,已成為當今世界所共同關注的問題。

1 地質學 -簡介

地質學地質學

地質學是關於地球的物質組成、內部構造、外部特徵、各層圈之間的相互作用和演變歷史的知識體系。隨著社會生產力的發展,人類活動對地球的影響越來越大,地質環境對人類的制約作用也越來越明顯。如何合理有效的利用地球資源、維護人類生存的環境,已成為當今世界所共同關注的問題。

2 地質學 -學科簡介

地質學地質調查

人類生存在地球上,它生活的環境和從事生產所需要的物質資料都離不開地球。遠古時代我們的祖先便試著了解地球,因而有了Geology(地質學)這門學科,它與Geography(地理學)、Geometry(幾何學)、Geomonphology(地貌學)等都是關於大地的論述。

地質學真正成為一門獨立的科學是在18世紀後半葉。隨著認識能力的提高、探測手段的進步和資料知識的豐富,地質學的研究內容也在不斷地擴大和更新。 蒸汽機的使用使採煤量大大增加了,工業革命要求礦業和冶金業迅速發展,推動了大面積的區域地質調查。

至20世紀中期,基礎地質學已形成了三大分支系統,第一是研究地殼的組成和物質成分,第二是研究地殼或地質作用的發展歷史,第三是研究地殼的變動和動力地質作用。應用地質學則形成了兩大分支系統,一是研究各種礦產的生成、運移、富集的規律,可稱經濟地質學,二是直接服務於各種工程建設的工程地質學和水文地質學。簡言之,該階段的地質學研究的對象主要是陸地,揭示的只是地球表層(以上部地殼為主)的發展過程。一系列分支學科的出現標誌著地質學的欣欣向榮。

20世紀60年代開始出現的板塊學說使地質學進入了一個全新的發展時期。地質學的研究內容大大拓寬了,可通俗地用「上天、入地、下海」六個字來比喻,即:海洋、地幔、岩石圈乃至外地核,來自宇宙(地外)的隕石等,都是地質學的研究對象。地質學發展的主要特點,一是由自身的分科走向綜合,二是地質學與其它學科的交叉滲透。由於從全球觀點出發對地質現象進行綜合考察成為地質研究的必由之路,「固體地球科學」一詞有時能更確切地表述原地質學的研究內容。新的地質學分支學科常是基於全球構造格局而集中於某一特定區域而提出的,如大陸邊緣地質學、大陸裂谷地質學、特提斯地質學、岡瓦納地質學等。

近半個世紀來,由於過分加速的城市化和沙漠化,人類的生存環境正受到日益嚴重的威脅,環境地質已成為人們所關注的一個研究領域。人口的急劇增長和資源的過量開採造成若干資源能源迅速枯竭,可持續發展已成了迫在眉睫的問題。在我們跨入新千年時,應用地質學的核心問題是解決資源和環境問題。

1980年,在巴黎召開的第26屆國際地質大會上,法國總統德斯坦和大會主席奧布安都表述了這樣的思想:20世紀末的中心問題是能源和資源,所以地質學是通向21世紀的一個必要條件。相信在21世紀內,地質學會增添許多新的內容,為人類的生存和發展作更大的貢獻。

3 地質學 -歷史沿革

地質學地質現象

人類對地質現象的觀察和描述有著悠久的歷史,但作為一門學科,地質學成熟的較晚。地質學的研究對象是龐大的地球及其悠遠的歷史,這決定了這門學科具有特殊的複雜性。它是在不同學派、不同觀點的爭論中形成和發展起來的。

地質學的萌芽時期(遠古-公元1450年)

人類對岩石、礦物性質的認識可以追溯到遠古時期。在中國,銅礦的開採在兩千多年前已達到可觀的規模;春秋戰國時期成書的《山海經》《禹貢》《管子》中的某些篇章,古希臘泰奧弗拉斯托斯的《石頭論》都是人類對岩礦知識的最早總結。

在開礦及與地震、火山、洪水等自然災害的鬥爭中,人們逐漸認識到地質作用,並進行思辨、猜測性的解釋。中國古代的《詩經》中就記載了「高岸為谷、深谷為陵」的關於地殼變動的認識;古希臘的亞里士多德提出,海陸變遷是按一定的規律在一定的時期發生的;在中世紀時期,沈括對海陸變遷、古氣候變化、化石的性質等都做出了較為正確的解釋,朱熹也比較科學的揭示了化石的成因。

地質學奠基時期(公元1450-公元1750年)

以文藝復興為轉機,人們對地球歷史開始有了科學的解釋。義大利的達·芬奇、丹麥的斯泰諾、英國的伍德沃德、胡克等等,都對化石的成因作了論證。胡克還提出用化石來記述地球歷史;斯泰諾提出地層層序律;在岩石學、礦物學方面,李時珍在《本草綱目》中記載了200多種礦物、岩石和化石;德國的阿格里科拉對礦物、礦脈生成過程和水在成礦過程中的作用的研究,開創了礦物學、礦床學的先河等等。

地質學形成時期(公元1750-公元1840年)

在英國工業革命、法國大革命和啟蒙思想的推動和影響下,科學考察和探險旅行在歐洲興起。旅行和探險使得地殼成為直接研究的對象,使得人們對地球的研究從思辨性猜測,轉變為以野外觀察為主。同時,不同觀點、不同學派的爭論十分活躍,關於地層以及岩石成因的水成論和火成論的爭論在18世紀末變得尖銳起來。

德國的維爾納是水成論的代表,他提出花崗岩和玄武岩都是沉積而成的,並對岩層作了系統的劃分。英國的赫頓提出要用自然過程來揭示地球的歷史,以及地質過程「即看不到開始的痕迹,也沒有結束的前景」的均變論思想。水火之爭促進了地質學從宇宙起源論、自然歷史和古老礦物學中分離出來,並逐漸形成了一門獨立的學科。在中國,出現在17世紀的《徐霞客遊記》也是對自然考察所獲得的超越時代的成果。至1840年,底層劃分的原則和方法已經確立,地質時代和地層系統基本建立起來。

而此時的礦物學沿著形態礦物學和礦物化學方向發展,美國丹納的《礦物學系統》標誌著經典礦物學的成熟;1829年,英國的尼科爾發明了偏光顯微鏡,使得顯微岩石學的迅速發展成為可能;法國博蒙於1829年提出地球冷縮造山的收縮說,對近百年來的構造理論產生重大影響。

這樣,有關地球歷史的古生物學、地層學,有關地殼物質組成的岩石學、礦物學,和有關地殼運動的構造地質理論所組成的地質學體系逐漸形成了。

19世紀上半葉,有關災變論和均變論的爭論,對地質學思想方法產生了歷史性的影響。居維葉是災變論的主要代表,他提出地球歷史上發生過多次災變造成生物滅絕的觀點。英國的萊伊爾是均變論的主要代表,他堅持「自然法則是始終一致」的觀點,並提出以今論古的現實主義方法。在爭論中,地質均變論逐漸成為百餘年來地質學及其研究方法的正統觀點。

地質學的發展時期(公元1840-公元1910年)

隨著工業化的發展,各工業國家都開展了區域地質調查工作,是地質學從區域地質向全球構造發展,並推動了地質學各分支學科的迅速建立和發展。

其中重要的有瑞士阿加西等人對冰川學的研究,以及英國艾里、普拉特提出的地殼均衡理論;有關山脈形成的地槽學說,經過美國的霍爾和丹納的努力最終確立起來;法國的貝特朗提出造山旋迴概念;奧格對地槽類型的劃分使造山理論更加完善;奧地利的休斯和俄國的卡爾賓斯基則對地台作了系統的研究;休斯的《地球的面貌》是19世紀地質學研究的總結,同時休斯用綜合分析的方法,從全球的角度研究地殼運動在時間和空間上的關係,預示了20世紀地質學研究新時期的到來。

4 地質學 -研究對象

地質學是研究地球及其演變的一門自然科學。它主要研究地球的組成、構造、發展歷史和演化規律。在當前階段,地質學主要研究固體地球的最外層,即岩石圈(包括地殼和上地幔的上部)。因為這一部分既是與人類生活和生產密切相關的部分,同時也是容易直接觀測和研究歷史最久的部分。但是,隨著科學技術的迅速發展,如衛星、航天、深鑽技術、海洋物探、高溫高壓實驗、電子顯微鏡、計算機、遙感遙測、紅外攝影、激光等新技術、新手段的不斷應用,地質學的研究範圍也不斷擴大。從地球表層向深部發展,出現了深部地質學;從大陸向海洋發展,出現了海洋地質學;從地球向外層空間發展,出現了月球地質學、行星地質學、宇宙地質學。

礦物和岩石

在地球的化學成分中,鐵的含量最高(35%),其他元素依次為氧(30%)、硅(15%)、鎂(13%)等。如果按地殼中所含元素計算,氧最多(46%),其他依次為硅(28%)、鋁(8%)、鐵(6%)、鎂(4%)等。這些元素多形成化合物,少量為單質,它們的天然存在形式即為礦物。

礦物在地殼中常以集合的形態存在,這種集合體可以由一種,也可以由多種礦物組成,這在地質學中被稱為岩石。

地球中的礦物已知的有3300多種,常見的只有20多種,其中又以長石、石英、輝石、閃石、雲母、橄欖石、方解石、磁鐵礦和粘土礦物最最多,除方解石和磁鐵礦外,它們的化學成分都以二氧化硅為主,石英全為二氧化硅組成,其餘則均為硅酸鹽礦物。

由硅酸鹽溶漿凝結而成的火成岩構成了地殼的主體,按體積和重量計都最多。但地面最常見到的則是沉積岩,它是早先形成的岩石破壞后,又經過物理或化學作用在地球表面的低凹部位沉積,經過壓實、膠結再次硬化,形成具有層狀結構特徵的岩石。

在地殼中,在大大高於地表的溫度和壓力作用下,岩石的結構、構造或化學成分發生變化,形成不同於火成岩和沉積岩的變質岩。火成岩、沉積岩、變質岩是地球上岩石的三大類別。火成岩中的玄武岩、花崗岩是地球中最具代表性的岩石,是構成大陸的主要岩石。形成時代最早的花崗岩,年齡達39億年,而玄武岩是構成海洋所覆蓋的地殼的主要物質,均比較「年輕」,一般不超過2億年。

地質學地層和古生物

地層和古生物

地層是以成層的岩石為主體,隨時間推移而在地表低凹處形成的構造,是地質歷史的重要紀錄。狹義的地層專指已固結的成層的岩石,有時也包括尚未固結成岩的鬆散沉積物。依照沉積的先後,早形成的地層居下,晚形成的地層在上,這是地層層序關係的基本原理,稱為地層層序律。

地層在形成以後,由於受到地殼劇烈運動的影響,改變原來的位置,會產生傾斜甚至倒轉,但只要能查明其形成和變形的時間,仍可以恢復其原始的層序。在同一時間,地球上各處環境不同,在不同環境中形成的地層各有特點。在地表的隆起部位,不僅不能形成新的地層,還會因受到剝蝕而使已經形成的地層消失。

因此,地層學是研究各地區地層的劃分,確定地層的順序和相鄰地區地層在時間上的對比關係的專門學科。它是地質學的基礎,也是地質學中最早形成的學科。

古生物是指在地質歷史時期,在地球上生存過的各類生物,一般已經絕滅,它們的少量遺體和遺迹形成化石保存在地層中。通過研究這些化石,可以了解地質歷史上生物的形態、構造和活動情況。

對各種古生物進行分類,可以認識生物的演化關係;依據地層中所含化石,可以斷定地層的層序,生物演化的不可逆性和階段性,使這種判斷具有可靠的根據;古生物的分佈和生活習性,還反映出當時地理環境的特點。古生物的研究是地質學也是生物學的重要組成部分。

地質構造和地質作用

地球表層的岩層和岩體,在形成過程及形成以後,都會受到各種地質作用力的影響,有的大體上保持了形成時的原始狀態,有的則產生了形變。它們具有複雜的空間組合形態,即各種地質構造。斷裂和褶皺是地質構造的兩種最基本形式。

地球的岩石圈,已經並還在發生著全球規模的板塊運動。板塊構造學是二十世紀地質學對地質構造及地質作用的新認識。其基本內容是,岩石圈是地球中最剛硬的部分,它飄浮在地幔中具有塑性、局部熔融、密度較大的軟流圈之上。岩石圈中存在著許多很深很大的斷裂,這些斷裂把岩石圈分割成被稱為板塊的巨大塊體,全球可分為六大板塊。

一般認為,主要是地球內部熱的不均勻分佈引起了物質對流運動,使岩石圈破裂成為板塊。板塊形成後繼續運動,發生分離、碰撞等事件。地幔中的熔融物質沿板塊間的拉張斷裂帶擠入,並不斷向斷裂兩側擴展,形成新的洋殼,而部分板塊則隨著載荷它的軟流圈物質向下移動而消失於地幔之中。

板塊運動被認為是使地殼表層發生位置移動,出現斷裂、褶皺以及引起地震、岩漿活動和岩石變質等地質作用的總原因,這些地質作用總稱為內力地質作用。內力地質作用改變著地殼的構造,同時為地貌的形成打下基礎。

地質作用強烈地影響著氣候以及水資源與土壤的分佈,創造出了適於人類生存的環境。這種良好環境的出現,是地球大氣圈、水圈和岩石圈演化到一定階段的產物。地球形成的初期,大氣圈和水圈的成分、質量都和現代大不相同。例如,大氣曾經歷以二氧化碳為主的階段,海水是約在10億年前才具有今天的含鹽度,生物最早出現在地球形成約10億年以後等等。

地質作用也會給人帶來危害,如地震、火山爆發、洪水泛濫等。人類無力改變地質作用的規律,但可以認識和運用這些規律,使之向有利於人的方向發展,防患於未然。如預報、預防地質災害的發生,就有可能減輕損失。中國在古代就有「束水攻沙」,引黃河水灌溉淤田壓鹼等經驗,是利用河流的地質作用取得成功的例子。

5 地質學 -地質學形成時期

(公元1750~公元1840年) 
  在英國工業革命、法國大革命和啟蒙思想的推動和影響下,科學考察和探險旅行在歐洲興起。旅行和探險使得地殼成為直接研究的對象,使得人們對地球的研究從思辨性猜測,轉變為以野外觀察為主。同時,不同觀點、不同學派的爭論十分活躍,關於地層以及岩石成因的水成論和火成論的爭論在18世紀末變得尖銳起來。 
  德國的維爾納是水成論的代表,他提出花崗岩和玄武岩都是沉積而成的,並對岩層作了系統的劃分。英國的赫頓提出要用自然過程來揭示地球的歷史,以及地質過程「即看不到開始的痕迹,也沒有結束的前景」的均變論思想。水火之爭促進了地質學從宇宙起源論、自然歷史和古老礦物學中分離出來,並逐漸形成了一門獨立的學科。在中國,出現在17世紀的《徐霞客遊記》也是對自然考察所獲得的超越時代的成果。至1840年,底層劃分的原則和方法已經確立,地質時代和地層系統基本建立起來。 
  而此時的礦物學沿著形態礦物學和礦物化學方向發展,美國丹納的《礦物學系統》標誌著經典礦物學的成熟;1829年,英國的尼科爾發明了偏光顯微鏡,使得顯微岩石學的迅速發展成為可能;法國博蒙於1829年提出地球冷縮造山的收縮說,對近百年來的構造理論產生重大影響。 
  這樣,有關地球歷史的古生物學、地層學,有關地殼物質組成的岩石學、礦物學,和有關地殼運動的構造地質理論所組成的地質學體系逐漸形成了。 
  19世紀上半葉,有關災變論和均變論的爭論,對地質學思想方法產生了歷史性的影響。居維葉是災變論的主要代表,他提出地球歷史上發生過多次災變造成生物滅絕的觀點。英國的萊伊爾是均變論的主要代表,他堅持「自然法則是始終一致」的觀點,並提出以今論古的現實主義方法。在爭論中,地質均變論逐漸成為百餘年來地質學及其研究方法的正統觀點。 

6 地質學 -研究特點

地質學地殼運動

地殼是一個極其複雜的研究對象,不但具有複雜的物質成分,不同的化學性質、物理性質和各式各樣的結構方式,而且在漫長的時間和廣大的空間內,又都受到了一系列物理作用、化學作用甚至生物作用等綜合的地質作用影響,不斷地發生著錯綜複雜的物理和化學變化。

這些作用以及它們所呈現的各種地質現象之間,存在著互相制約、互相聯繫、互相轉化的關係。它們的發生、發展和演化的規律,除具有普遍的特點之外,還常有一定的時間變異性和區域特殊性,因而不同地區具有不同的地質特徵,蘊藏著不同種類、成分和規模的礦產。

地質學的另一特點是把空間與時間統一起來研究。現在能觀察到的地球歷史發展記錄,主要保存在表層岩石內,按時間順序層層堆積的地層中。由不同時代岩漿凝結而成的火成岩體,以及由早先形成的岩層岩體演變而成的變質建造,不同時期留下的構造變形遺迹等,是了解地球歷史的基本材料。由於經過長期複雜的變動,這些史料已變得凌亂和有缺失,這是地質學研究的難點。

地殼中除了保存著各種地質變化的遺迹之外,還有記載著生物的演化和同位素的蛻變等其他科學方面的珍貴史料,它是地球的一系列複雜運動的結果,而這種運動現在還在進行著。對於地表以下較大深度的地質現象和地質作用,通過地球物理等探測技術,來進行間接的推測和研究。

7 地質學 -分支分科

地質學構造地質學

早期的地質學以研究地殼表層某個地區的岩石為基礎,礦物學、岩石學、地層學及古生物學、構造地質學、區域地質學都是在此基礎上建立起來的。歷史地質學則是概括這些地質實體的發展歷史的綜合性學科。

地質學與物理學、化學結合而產生的地球物理學、地球化學,是地球科學的重要支柱,也是推動地質學向現代科學水平發展的重要方面。

還有些自成體系、自有理論、與地質學相輔相成,對地質學的發展有重要作用的技術學科,屬於廣義的地質學或地質科技的範疇。它們包括:運用物理的、化學的方法去取得野外地質資料的地球物理勘探和地球化學勘查;運用鑽探或坑探的手段直接向地下取得地質樣品的探礦工程;對各種地質樣品進行實驗測試的實驗室技術;為地質調查提供地形底圖並繪製地質圖件的測繪學;能在遠距離處取得地質資料的航空測量技術和遙感技術以及用於處理地質資料的數學方法和計算機技術等。

隨著研究深度的增加,新的分支學科還在不斷產生各個學科的聯繫愈來愈緊密,建立一個更加充實、完整的有關地球的知識體系,是發展的必然趨勢。

8 地質學 -人類關係

地質學泥石流

地質學是提高人類認識自然,增進與環境的協調和求得環境改善的科學。地球表層的生物和人類的大量活動,都與地質條件相關。在生產力還不發達的時期,人類活動對地質環境的影響較弱,災害性地質作用給人類帶來的損失也不如今日這樣巨大。

現代建設的發展,使人口密集、建築集中,許多工程規模巨大,這對地質環境的依賴和對環境的影響超過人類史上的任何時期。在現代化的工程建設中,不僅要重視地質作用引起的突發事件,還要注意它的長期影響,比如泥沙淤積、地面緩慢升降等。這些都是地質學應該研究解決的問題。

在現代化的社會中,社會的生產和生活組成一個息息相關的整體,電力、煤氣、自來水的供應,一刻不可缺少,交通、電訊必須保持暢通,而地震破壞上述設施造成的後果,可以比地震本身直接造成的危害還要嚴重。不僅地震,其他如山崩、滑坡、泥石流、塌陷、地震海浪沖蝕等可能造成災害的地質作用,都必須運用地質學去認識和提出防治意見。同時,人們還須遵循地質學的科學指導,避免因人類的活動而觸發災害,導致地質環境的惡化。

9 地質學 -發展趨勢

地質學天文學

進入20世紀以來,社會和工業的發展,使得石油地質學、水文地質學和工程地質學陸續形成獨立的分支學科。在地質學各基礎學科穩步發展的同時,由於各分支學科的相互滲透,數學、物理、化學等基礎科學與地質學的結合,新技術方法的採用,導致了一系列邊緣學科的出現。

地震波的研究揭示了固體地球的圈層構造以及洋殼與路殼結構的區別;高溫高壓岩石實驗研究,為人們認識地殼深處地質過程提供了較為可靠的依據。所有這些都促進了地質學研究從定性到定量的過渡,並向微觀和宏觀兩個方向發展。

20世紀50-60年代,全球範圍大規模的考察和探測,使地質學研究從淺部轉向深部,從大陸轉向海洋,海洋地質學有了迅速發展。同時古地磁學、地熱學、重力測量都有重大進展,為新的全球構造理論的產生提供了科學依據。在這個基礎上,德國的魏格納於1915年提出的與傳統海陸固定論相悖離的大陸漂移說得以復活。

20世紀60年代初,美國的赫斯、迪茨提出的海底擴展理論較好地說明了漂移的機制。加拿大的威爾遜提出轉換斷層,並創用板塊一詞。60年代中期美國的摩根、法國的勒皮雄等提出板塊構造說,用以說明全球構造運動的基本理論,它標誌著新地球觀的形成,使現代地質學研究進入一個新階段。

未來,地質學能觀察和研究的範圍和領域將日益擴大。在空間上,不但能通過直接或間接的方法逐步深入到岩石圈深部,而且對月球、太陽系部分行星及其衛星的某些地質特徵,將有更多的了解。數學、物理學、化學、生物學、天文學等其他學科的發展和向地質學的進一步滲透,先進技術在地質工作中的使用,同精細、深入的野外地質工作相結合,會使人們有可能對更多的地質現象和規律作出科學的解釋進行更深入和本質性的研究。

實驗條件將進一步改進,如將實驗室中所能達到的溫度壓力提得更高,模擬更為複雜的多種可變因素的地質作用,並把時間因素也納入模擬實驗之中。地質學理論不斷得到補充、修正,尤其是各大陸所提供的有關不同地質歷史時期的新資料將在很大程度上檢驗、發展板塊構造說,進而會產生一些新的理論和學說。

在地質學的服務領域,一個重要方面是開發地球資源,其中有關礦產資源和新能源的研究,仍處於最重要的地位。同時,由於區域成礦研究的需要,將進一步加強區域地質的綜合研究,並促進地層學、古生物學、沉積學、構造地質學、地質年代學,以及區域岩漿活動研究、變質地質研究等向新的水平發展。保障人類良好的生存環境、乾旱半乾旱地區和沼澤地區的水文地質問題,以及工程地質問題的研究將不斷擴大。環境地質學,包括環境地質調查研究,有關的微量測試技術和環境保護的地質措施等的研究日趨重要。

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