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2009-04-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《地球百科全书pdf》,可适用于其他资料领域

引言人和地球人类经过漫长的演化和发展对地球上的资源的依赖程度越来越大。人类从来也没有象今天这样把自己的命运和地球上的资源如此紧密地联系在一起。然而尽管如此大多数人对我们所居住的星球所知甚少甚至不去注意它。其实人们对岩石经风化形成的土壤很感兴趣人们对宝石和稀有矿物的美丽很欣赏我们的大部分能源是由史前时期的植物和动物的遗体形成的煤和石油所提供的。我们的工业严重地依赖于诸如铁、铅、石灰石、粘土等矿物。人们生活所必需的这些自然产物之所以能较容易地获得是由于我们对地球有一定的了解以及将地球科学和地质工程学的基本理论加以运用的结果。对于气势磅礴的科罗拉多大峡谷对于寂静而神秘的巨大洞穴对于巍巍高耸的珠穆朗玛峰对于一泻千里的大河谁不感慨万分、惊叹不已?自然界中的这些壮观景象无论哪一种都是由最基本的地质过程形成的。而这些基本地质过程从地球诞生约亿年前之后不久就开始塑造着地球的面貌直到今天也还在起作用。每个人都应当对我们这个古老而又脆弱的行星这个作为我们家园的行星的复杂多样的环境有较多的了解。地球科学这本百科全书包括了地球科学的各个分支学科其中每一门分支学科都会有助于我们认识作为行星的地球。广义来说这些学科探讨的是地球的组成、地球上的过程、地球的历史以及地球在宇宙空间中所处的环境狭义来说地球科学的各门学科所探讨的是地球上的空气、土地、水以及地球上的植物和动物。直到世纪初地球还一直被认为是自然科学家的研究领域。到这个时候单独的一个人也还能在某种程度上掌握人类所积累的知识。但是随着对地球进行了更多的观察和研究以及地质科学被作为一门科学而从其它自然科学中分出来对于任何一个人来说要掌握在地球科学领域所积累的全部知识就成为一件不可能的事了。紧接着对地球的研究就形成了若干专门的领域地球科学的一些主要分支学科也就逐渐分化出来。然而这些分支学科中的任何一门都没有和母学科完全脱离开而且各学科之间相互存在着联系以及彼此研究领域的相互重叠。今天为了把地球作为一个整体来看待人们试图消除地球科学各分支学科间变化不定的边界的努力越来越加强了。但这并不是要回到年前的所谓的自然科学那种水平上去。当然把每一门学科的最重要的方面综合在一起是理所当然的并且有着深远的意义。例如假如我们要探讨地球的组成的话就需要从各学科综合角度来考虑。如果要问我们的行星是由什么构成的可能会有很多人回答说:“岩石和土壤”。这种回答并不令人奇怪因为大多数人所想到的只是固体的地球。但是固体并不是地球上物质存在的唯一形式。气态物质和液态物质空气和水对于生命和地质过程来说也是基本因素水和空气也象地球的固体表面一样是地球的重要部分。气体、固体和液体这类物质形态通常用大气圈、水圈和固体圈这个术语来表示。大气圈是一个很厚的层它包围着地球为地球上的生命提供着气体。大气圈是气象学家的研究领域。气象学家对大气层本身以及大气层中的所有现象特别是与大气层有关的气候和气象感兴趣。地球科学的另一门分支科学是地质学。地质学家主要是对岩石圈也就是对我们居住的行星的固体的“岩石”部分感兴趣。岩石圈的岩石除了为我们提供了居住的基础还为我们提供了所需要的大量天然资源。水圈是以海洋形式存在的面积辽阔的一层水它覆盖了地球表面几乎%的面积。水圈也是地球的一个重要构成部分如果没有水圈生命也就不会存在了。辽阔的海洋是海洋学家特别感兴趣的。广义的水圈还延续到陆地上包括陆地上的地下水以及沼泽、湖泊和河流。水文学家是研究地球上宝贵的淡水的分布、循环及其组成成分。虽然上述个圈层在组成物质上有明显的不同但是它们彼此的界限却并不很明确。尤其是这个圈层之间存在着相互作用在岩石与空气、水与岩石、空气与水相接触的地方它们的相互作用表现为连续的逐渐过渡带。这个圈层之间的持续不断的相互作用是地球科学家们所非常关心的因为一些重要的变化通常就是发生在这个圈层相互间的接触面上。由于地球为生命提供了充分的空气、水和土壤地球上生存着无以计数的植物和动物。这些数量众多的生物构成了生物圈。生物界也和地球的岩石圈、水圈、大气圈一样是非常重要的。生机勃勃的生物圈与空气、陆地和水进行着错综复杂的相互作用。由于大部分生物都生活在大气圈、水圈和岩石圈相互接触处因此生物圈是一个非常薄的圈层。按理说生物圈似乎是生物学家的研究领域。但是由于地球生物圈长期的持续不停的和非生物圈相互作用使得生物对地球科学家来说也是非常重要的。在地球上有生命存在的多亿年中生物分布于地球上的各个部分。在这一地质历史期间生物圈的有机物与大气圈、水圈和岩石圈相互作用并参与到地球上的许许多多的过程中去。例如我们呼吸的氧的大部分、煤和石油的形成以及许多生物成因的岩石都应归功于生物圈。地球上过去的生命所留下的记录例如化石对于了解我们行星的历史和生命的进化也提供了有价值的线索。地质科学气象学家、海洋学家以及天文学家长期来对我们的行星一直有他们自己的专门兴趣。然而地质学家对于研究地球却有着最大的兴趣。特别重要的是公众也对地球表现出越来越大的兴趣。一些担心的公民越来越关心我们的日益减少的自然资源。地质学家的作用就是寻找自然资源使我们拥有一定量的自然资源。此外由于收集岩石和矿物越来越成为一种普遍的爱好许多各种年龄的人都正在学习有关地球和地球上的矿物的知识。教师们也把地球科学看成是一门总的科学而把地质学看作是这门总的科学中的一部分。教师们还发现诸如地震、火山、恐龙、冰川这样一些问题是好奇的年青人所特别感兴趣的。因此理所当然这本书中的大部分内容所涉及的都是和地质学有着密切联系的方面。当然从某种意义上说来地质学就是地球科学因为地质学(Geology)这一词是来自希腊词geo和logos前者是地球的意思后者是研究的意思。地质学是研究地球、研究地球的起源和随时间的发展研究地球的组成、形状和大小研究在现在和在过去在地球内部和在地球表面起作用的过程以及研究地球上生物的起源和演化。地质学家作为研究地球的学者进行系统观察和测量以便搜集有关整个地球的相互联系的各个方面的知识。但是他们的目的不是在于把大量的没有联系的事实堆砌在一起而是把所收集到的资料进行分析以便提出某种原理和假说来解释他们的发现。地质学包括了范围广泛的知识领域它的研究领域和其它许多学科发生重叠。例如天文学、化学、物理学和生物学对地质学都起着非常重要的作用。天文学告诉我们有关我们所居住的行星在宇宙空间中的位置以及与其它天体的关系。天文学家们也提出了有关地球和太阳系起源的假说。现在随着空间时代的到来天文学对于地质学来说似乎显得更为重要。把天文学和地质学结合起来的一门新型的地球科学正在出现这样的一门科学被称为天文地质学或行星地质学。天文地质学是把经典地质学的方法用于解释宇宙空间的一些问题。广义天文地质学研究太阳系中的其它固体行星的形状、结构、组成、历史和作用于这些固体星体表面的过程。但是天文地质学在许多方面与经典地质学有所不同。例如包围着地球的厚厚一层大气层所导致的一系列地质过程在月球上就不存在。而形成月球地形的那些过程在地球上却是存在着但是这些过程在地球上所形成的地形形态由于风化作用和侵蚀作用而受到破坏。因此对于月球表面的形态就不能用对待我们地球表面形态那种眼光来研究。化学对于研究地球上的物质来说其重要性是无法估价的因为地球是由岩石和矿物构成的而岩石和矿物又是由化学元素和化合物构成的。专门从事研究岩石的化学组成和岩石所经历的化学变化的地球科学家被称为地球化学家。地球化学家研究的领域位于化学与地质学的边缘。地球化学家不仅对构成地壳的化学元素有兴趣而且还对矿物和岩石中的化学元素以及化学元素在矿物和岩石中的存在方式感兴趣。有关这些方面的知识可以为我们提供寻找有价值矿床的线索。地球化学对于地质年代学研究地球历史时代的一门学科也具有重要意义。物理学在地质科学的许多方面都得到应用。地球物理学也和地球化学一样是一门边缘学科。它是物理学和地质学之间的一门学科运用物理学和地质学的原理和方法。地球物理学主要是研究地磁、重力、地球的电学性质以及其它一些物理特性。专门研究地震的地震学家也是依赖于地球物理的原理和方法。把物理学上的和工程上的技术运用于地球物理和地质研究上是地球物理学的一个重要内容。一些适用的地球物理仪器可以装置在一个地方来测定地磁、重力、放射性以及与地震有关系的岩石变形。在这方面的观测资料对于发现有价值的矿床常常能提供一些线索。为了更多地了解史前时期动植物的特点地球科学家对生物学也发生了兴趣。通过把过去的动植物化石与现在活着的类似的生物进行对比通常能使科学家复原古代动物群和植物群并且对古代动植物生存的环境做出有根据的猜测。为了认识那些对地球表面进行着侵蚀并塑造着地形的地质过程还可以运用地理学的概念。虽然地质学在很大程度上是源自其它学科并且与其它学科在许多方面相重叠但是地质学有自己的独特的特点而不同于其它基础学科。地质学最突出的特点可能就是地质时代的概念因为如果用今天的地质现象来解释过去地质历史时期的事件一个必须考虑的前提条件就是时间因素必须要用地质历史这样的时间尺度来考虑各种地质现象所产生的后果。地质学包括的领域非常广阔因此地质学现在又被分成两大分支。物理地质学是研究地球的组成、结构、发生于地壳之上和地壳内的运动以及研究使地球表面发生变化的地质过程。物理地质学一方面作为地质学的分支另一方面又包括非常广泛的内容。由于地质学家们对地球的物理特性已了解的较多所以在物理地质学中又分出了一些专门的领域。例如矿物学家着眼于矿物构成地壳的基本单位包括由单一化学元素以及由化合物形成的矿物。岩石学家则从事研究岩石岩石则是由大量的矿物组成的。地貌学家研究地球表面的形态探讨各种地形的产生和发展。构造地质学家研究固体地球中的各种类型的岩石的变形。地震学家的兴趣是地震通过对地震的震动进行解释得出了有关地球内部性质的结论。火山学家监测火山的活动测量喷出的熔岩的温度分析火山喷发的气体的成分。冰川学家关心的是冰川冰川的形成、推进、冰蚀作用、冰川的退缩以及退缩的冰川留下的沉积物。地球化学和地球物理学也是专门的领域。地球化学家和地球物理学家用化学的和物理学的基本原理来研究地球。对我们的环境乱加利用以及世界人口的迅速膨胀这两个因素结合在一起对环境地质造成严重威胁。环境地质是所有地球科学家都关心的一个领域。环境地质学着眼于地球资源的保护以及用地质学来解决人类的需要。环境地质学家的主要目的就是使人们认识到在制定未来的计划时需要考虑地质学上的问题。地质学的另一分支就是历史地质学。地质学家通过研究在过去地质历史时期在地理、气候和生命方面发生的巨大变化所留下来的岩石证据或综合的证据来解释地球的历史。古生物学家根据埋藏在地下的化石对史前时期的动物和植物进行描述和分类。古生物学家还根据在地质历史时期各种生物兴衰的线索来探讨表面上看起来似乎不同的一些生物之间的进化关系。地层学家研究的是具有层理的岩石的形成、组成成分以及各成层岩石的先后顺序关系。地层学家通过相关分析把一个地区的地层与另一个地区的地层进行对比并根据地层的证据来确定地质事件在地质年代中的相对位置。古地理学家利用古生物学家和地层学家所收集的资料来编制古地理图以揭示古海和古陆的位置和分布范围。研究天体演化的学者们则着眼于地球历史的最早阶段。天体演化是天文学中的一个专门领域所研究的是宇宙的起源和我们所居住的行星的产生。可见历史地质学中的每一学科在把地球的整个地质历史形成一个整体概念方面各自都起着非常重要的作用。和地球科学的各主要分支一样地质学的各个主要分支也是互相重叠和互相依赖的。物理地质学利用矿物学和岩石学的知识来探测地下的岩石属何类型以及这些岩石是如何形成的。历史地质学家则可能研究这同一种岩石以确定在这种岩石形成之时是哪种生物在生存着并研究这种生物所栖息的环境以及当时的气候特点。由于使稀有元素富集形成有经济价值的矿床要经过一系列复杂的过程所以经济地质学家研究矿物资源的学者在很大程度上要依赖于地球科学的大多数学科。例如石油地质学家在寻找埋藏的石油资源的工作中要依靠物理地质学家和历史地质学家的工作。因此地质学的两大分支物理地质学和历史地质学的相互联系和结合不仅会有助于寻找有价值的矿物而且最终会有助于对地球的构成和地球的历史有更好的了解。当然这一点也是所有地球科学的主要任务和最终目标。为什么把本书作为地球科学百科全书当代科学的一个最突出的特点就是持续不断地积累了大量的新资料。地球科学也象所有科学一样正经历着许多重大的革命性的变化。对于一些老的问题正在用新的概念来解释。由于新的发现某些概念正变得陈旧过时受到修正甚至被完全抛弃。与此同时用于研究地球的老方法正获得了新的用途。由于新的技术正被研究出来因而使得对地球的内部、地球上的空气、水和陆地进行研究成为可能并使人们对地球的基本结构有了更清楚地了解。登月飞行导致对月地关系有了进一步认识。海洋学家增加了我们关于辽阔的世界大洋的知识。气象学家正致力于对受到威胁的地球大气层进行更好地了解以及和其它地球科学家一起致力于保护受到威胁的人类居住环境。大陆漂移、海底扩张以及板块构造等学说已使得有关山地的形成、古代气候以及大陆和海洋盆地的起源等方面的地质思想发生了革命性的变化。这些只不过是激起人们对地球科学产生极大兴趣的少数几个进展而已。革命性的事件接踵而来。毫无疑问我们正面临一场科学革命。科学的飞速发展使得曾经是权威性的著作陈旧过时使另外一些书不断地进行修改。本书正是收录了近年来在地质学、气象学、海洋学和月球科学等方面的大量的惊人的进展。这些接踵而来的事件不仅深刻地影响着人们关于自己所居住的行星的概念而且也深刻地影响着当代所有的科学思想。可能更为重要的是这些事实对于认识我们居住的脆弱的行星及其上面生存的动植物的未来会提供许多启示。这本百科全书向读者提供了有关地球科学各学科的详细情况。然而我们希望这本书还将会作为一个引子引导人们进一步去认识我们的地球、地球在空间上和时间上的位置以及地球科学在我们日常生活中的作用。CS小赫尔伯特WH马修斯第三中译本前言地球科学正面临一场广泛而深刻的变化。首先科学技术的发展为地球科学提供了强有力的手段。特别是空间科学的发展和遥感技术的应用深海研究和对地壳深部钻探技术的发展使今天的地球科学的研究在广度上、高度上和深度上都是以前所无法比拟的。新的科学技术的应用把固体地球、海洋和大气作为一个运动的整体从全球范围来研究地球上的各种现象使原先彼此孤立的研究领域互相联系起来。新的事实不断被发现科学观测资料以前所未有的速度积累在许多重要领域一些基本概念和基本理论受到动摇或改造一些新的概念和新的理论正在不断提出。科学的发展日新月异甚至连专业工作者也会感到“应接不暇”。与此同时由于社会生产力的发展人类对自然界的需求越来越多“资源问题”成为一个越来越迫切的问题。人类不仅需要越来越多的矿物原料、燃料甚至连淡水和土地也成为人类越来越重要的资源。为了解决许多资源日益不敷需要的情况就需要对地球进行更多的了解尤其是多学科的综合研究。例如为了寻找更多的地下资源必须把构造地质学、岩石学和矿床学结合起来应用地球物理和地球化学相结合的新技术和新方法进行构造岩相成矿带的综合研究。另一方面人类的活动正在越来越大的程度上改变着地球上的自然环境给人类自身带来意想不到的不利后果例如环境污染。此外还有自然灾害的预报和防治沙漠和土壤的改造和改良以及地基的稳定性研究等等。所有这些使人类从来也没有象现在这样感到需要对自己居住的星球进行全面深入研究的紧迫感。地球科学也从来没有象现在这样与社会生活的各个方面息息相关受到普遍的注意和重视。本书是一本关于地球科学的百科全书图文并茂文字简练提供了有关地球科学各领域的理论、概念和科学发展史方面的基本情况特别是近十几年来地球科学的进展和成就适应当前科研、生产、文化教育各个方面的需要。地学领域的专业工作者以及一般广大读者都可以从中汲取有用的知识。张文佑年月作者和编辑编辑科尼利厄斯S小赫尔伯特(CorneliusSHurlbutJr)主编米尔顿·鲁戈夫(MiltonRugoff)设计林恩·威廉斯(LynneWilliams)顾问编辑乔戈·扎普勒(GeorgZappler)作者兼编辑承担本书中的学科:科尼利厄斯·S小赫尔伯特(CorneliusSHurlbutJr)哈佛大学矿物学名誉教授《MineralsandManandDana’sManualofMineralogy》一书作者。矿物学、结晶学、经济地质学。威廉·H马修斯第三(williamHMatthewsIII)得克萨斯拉马尔大学地质首席教授《InvitationtoGeologyandFossils:AnIntroductiontoPrehistoricLife》一书的作者。承担本书中的学科:历史地质学、古生物学、地层学。罗伯特·L尼科尔斯(RobertLNichols)塔夫茨大学和东肯塔基大学地质学名誉教授。承担本书中的学科:地貌学、冰川地质学、火山学。詹姆斯·W斯克汉(JamesWSkehan)波士顿学院地质学教授兼韦斯顿观测站负责人《ScienceandtheFutureofMan》一书的作者之一。承担本书中的学科:构造地质学、地球物理学、大地构造学、岩石学。罗伯特·E博耶(RobertEBoyer)得克萨斯大学地质系主任《EarthScienceandEnergy》一书作者。承担本书中的学科:环境地质、能源。供稿专家承担本书中的学科:小理查德·A戴维斯(RichardADavisJr)南佛罗里达大学地质系主任教授《PrinciplesofOceanography》一书作者。海洋学、海洋地质学。承担本书中的学科:迈尔斯·F哈里斯(MilesFHarris)美国气象学会《GettingtoKnowtheWorldMeteorologicalOrganization》一书的作者。气象学。玛丽·莫里莎瓦(MarieMorisawa)纽约州立大学地质学教授承担本书中的学科:水文学。承担本书中的学科:杰弗里·L沃纳(JeffreyLWarner)得克萨斯州豪斯顿约翰逊空间中心美国宇航局空间地质学。查尔斯·H西蒙兹(CharlesHSimonds)得克萨斯豪斯顿月球科学研究所。顾问文森特·曼森(VincentManson)美国自然历史博物馆矿物学部负责人。本书中图片的选择和文字说明:苏珊·雷菲尔德(SusanRayfie-ld)本书包括的学科结晶学:研究晶体的生长、结构、物理性质和分类。经济地质学:研究人类所利用的地质资源:燃料、矿物和水。环境地质学:运用地质学原理来解决人类居住的自然环境中所存在的问题。地球化学:研究化学元素在矿物、岩石、土壤、水和大气层中的分布。地貌学:研究地形的特点、地形的形成和演变以及地形的分类。地球物理学:运用物理学原理来研究作为行星的地球。冰川地质学:研究冰川和冰原、冰蚀作用和冰川的堆积作用所造成的后果以及所形成的地形形态。历史地质学:研究地球从它诞生之时直到现在的演化以及在这一期间地球上的环境的演化。水文学:研究陆地上的水的性质、分布及循环。水文学的研究又分为两大方面:地表流水和地下水。海洋地质学:海洋学的一个分支。研究大洋底部以及海洋与陆地的交界地带的特点。气象学:研究地球的大气层。矿物学:研究矿物的形成、分布、性质和分类。海洋学:研究海和洋的化学的、生物的、物理的和地质的特点。古生物学:根据化石来研究过去地质时期的生物。岩石学:研究岩石的形成、历史、分布和结构。沉积岩石学:研究沉积岩及其形成过程。地层学:研究各个地层的排列顺序、相互之间的关系和分布以及研究各个地层在地质历史上的意义。空间地质学:研究太阳系中的固体物质和气体包括研究其它行星的外貌特征以及作用于地球表面的来自地球以外的现象和物体。构造地质学:研究岩石间相互关系及岩石发生形变的历史。大地构造学:研究地壳中各种构造形态的起源、历史和分类。大地构造学和构造地质学相类似但所着眼的构造形态的规模要大得多。火山学:研究火山现象及其原因。地球科学百科全书地球科学插页图版一个岛屿的诞生年在冰岛附近的海域一个喷发熔岩和蒸汽的火山岛从海底冒出海面。这个被命名为Surtsey的火山岛是大西洋中脊的露出海面的为数有限的几处之一。该火山岛提供了一个新的活生生的证据表明地壳处于不停顿的运动之中。地球的剖面古代人类所想象的地球内部是一片漆黑的空间或者想象为充满着水或火的一个空间。后来在年英国物理学家亨利·卡文迪什(HenryCavendish)进行了一系列实验来“称量”地球的重量。这是人类进行测定地球重量的第一次尝试。实验结果使他认识到地球的核心必定是由比地球表面比重大的物质所构成。此后人们又根据地震波在地球内部传播路程上发生的弯曲而对地球的内部有较多的了解。地震波有两种:一种是在通过密度较大的物质时速度加快另一种波在遇到液体或气体以后就消失了。通过对这两种类型的波进行的研究科学家们得出结论认为地球是由一些同心层所组成这些层是:地壳、地幔、液体的外核和固体的内核。地壳是固体地球的外层。地壳是一层较薄的岩石壳在陆地上地壳的厚度达公里在大洋底部地壳厚度不到公里。地壳是由两部分构成的:一是构成大陆的巨大的花岗岩块体一是位于花岗岩块体下面的比重较大的玄武岩连续层。地幔层下限的深度约为公里左右。地幔层占地球总体积的%以上。据认为地幔层是由火成岩构成的。地核的外层是熔融的铁镍物质包围着地球的内核。地球的内核也是由铁镍物质构成的。地球内核的半径小于公里。地球最核心一点的密度非常大位于地球最核心处的立方英寸的体积的每一个面所承受的压力为万吨而这里的温度几乎和太阳表面的温度一样高。地球上部几层的放大的剖面。最外层的地层被人们认为是漂浮在密度较大的、具有塑性的物质的上面。由此人们又认为地壳连同地幔的最上部构成了一个硬壳被称为岩石圈。岩石圈的下面是被称为软流圈的柔软层。在软流圈中温度非常高压力非常大岩石象糖蜜一样进行流动。地壳和地幔之间的界面被称为莫霍洛维奇不连续面或莫霍面。地壳是由两层组成的:最上层又称为大陆性地壳是由含硅和铝很多的花岗岩构成的被称为硅铝层。在这一层之下是大洋性地壳主要是由玄武岩构成的而玄武岩则含硅和镁很多因此这一层又被称为硅镁层。漂移着的大陆地理学家早就认为假如各个大陆能够移动彼此就会象锯齿那样咬合在一起。年德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳提出“大陆漂移”的理论认为各个大陆以前曾经是一个整体大陆后来破裂成几部分并经过千百万年的漂移而处于它们今天的各自的位置。魏格纳的理论遭到群起而攻之一直受到歧视直到第二次世界大战后情况才发生变化。人们早已知道如果按水深约米的大陆坡的轮廓进行比较那么非洲和南美洲就会很好地拼合在一起。此外放射性同位数测定表明非洲西侧的一些岩层可与南美洲东岸的岩层进行对比。此外人们还发现一种生存在万年以前的二叠纪时期的小爬行类中龙的化石只是分布在南美洲和非洲的某些地区(见插页图)。人们认为这种小动物不可能横越过数千公里的大洋它们原先必定是生存在一个共同的淡水环境中。从公里的高空拍的照片左边的阿拉伯半岛正在缓慢的与非洲脱离开。这两个陆地之间是红海。红海的海底有一个活动裂谷把海底劈开使红海逐渐变宽最终会形成一个新的大洋。一个古超级大陆的解体这幅图表示从二叠纪到现在各个大陆的推测的位置。箭头表示各个大陆的移动方向。根据大陆漂移理论在万年前地球上只有一个大陆联合古陆被一个整体的大洋所包围。据认为在大约万年前的侏罗纪末联合古陆破裂成南北两块北面的一块被称为劳亚古陆南面的一块被称为冈瓦纳古陆。这时在现在的非洲和南美洲之间出现一条裂谷这就是大西洋的开始。后来成为印度的那部分陆地当时也正在离开巨大的冈瓦纳古陆。在万年前的古新世澳洲大陆还是南极大陆的一部分但大多数其它陆块都已彼此分开并具有了它们今天的外形。后来澳洲大陆也与南极大陆分离开而劳亚古陆则破裂成北美大陆和欧亚大陆。印度向北漂移与欧亚大陆相碰撞使喜马拉雅山崛起。据认为从现在起再过万年世界地图又将发生变化:澳洲大陆将向北移动大西洋和印度洋将继续变宽旧金山大断层以西的那部分加里福尼亚地区将和北美大陆分离开并向阿留申深海沟缓缓移去。运动着的地壳许多世纪以来人们把地壳看成是僵硬的陆地就好象是水泥中的石块那样镶嵌在地壳中。但是在年从大洋底部取得的岩心揭示了新的海底物质从巨大的裂谷系统中涌出并向两侧移动凝结形成新的地壳。这个过程称为海底扩张。地壳的板块(它们的边界用粗黑线表示)象巨大的木筏携带着大陆和大洋盆地一起移动。据认为整个地壳分为个大的板块和至少有个较小的板块。板块的厚度在~公里之间。并不是所有板块都是与大陆边缘相接。某些板块既有花岗岩地壳也有大洋性地壳。大部分陆块是由花岗岩地壳组成而大洋底部是由大洋性地壳组成。科学家们已经知道作为“地壳活动带”标志的地震活动和火山活动大多数都是发生在板块之间的交界处的狭窄地带内。板块之间互相挤压碰撞会产生冲击波和形成新的山脉。其中最不稳定的一个地区就是太平洋边缘的环太平洋带。在太平洋边缘的这一不稳定地带板块的边缘向地壳以下的深处俯冲下去。这一地带又被称为“火山环”。可能是由于磨擦作用以及所产生的大量的热造成了地震和火山的喷发。海底山脉好象篮球球皮的缝合线一样穿过全球所有大洋盆地蜿蜒伸延长达公里。沿着海底山脉的脊部是一条裂谷。熔融的物质通过裂谷从地球内部涌出来并向两侧运动被称之为海底扩张。一系列深断裂或者又被称为转换断层横切过海底山脉把海底山脉分割成若干短而直的地段。板块的运动由于地球板块沿着地球表面移动互相挤压、碰撞或彼此分开缓慢地却极为深刻地改变着地球的面貌。在上面的剖面图中箭头表示的是板块移动的方向。宽广的凹地标志着两个板块向外扩展或彼此分离做辐散运动。火红的熔融物质通过板块之间的狭窄裂缝从地球内部涌出并冷却把大陆性板块向两边推开并形成新的大洋洋底。留下的呈条带状分布的地磁的记录揭示了在板块移动期间地磁场的方向。另一种类型的彼此辐散运动的板块边界。这种边界是古老的大洋盆地底部发生破裂大洋性板块彼此分离运动而形成。而这个古老的大洋盆地原先则是由一个大陆破裂而形成。两个板块以海沟为界。这是两个彼此辐合运动的板块的边界。一个板块在这里向下做俯冲运动然后板块破坏。另一个板块在岛弧附近慢慢向海沟中移动。岛弧与陆地之间还有一个海盆如日本和夏威夷即是。板块之间互相挤压和碰撞所产生的巨大热量和摩擦作用导致强烈的地震和猛烈的火山喷发。彼此辐合运动的两个板块之间的另一种类型的边界。这种边界是大洋性板块向大陆性板块下面插入运动而形成的。这种边界所造成的结果是使得大陆性板块的前缘部分发生褶皱导致大面积山地的崛起。当下沉的板块沉入到炽热的地幔层中熔融后巨大的压力又迫使它以火山的形式回到地表面。在美洲西侧就存在这种过程导致安第斯山脉的隆起以及造成智利和秘鲁的地震。两个大陆性板块也会发生碰撞导致在两个大陆的边缘地带的陆地形成规模巨大的褶皱。印度板块就是这样。在数百万年前印度板块向北移动插入到亚洲板块的下面发生规模巨大的碰撞导致喜马拉雅山脉的崛起。两个大陆性板块相碰撞有时会使海底沉积物隆起形成新的大陆性地壳。两个板块碰撞以后可能会有一个新的裂谷形成例如红海中的裂谷使两个大陆性板块之间的距离越来越宽最终会形成一个大洋。两个板块之间的距离周期性地变宽和变窄导致大洋也周期性地扩大和缩小。大西洋就可能出现过类似情况。这幅图表示的是大西洋的现阶段的情况。从地球中冒出的“火”火山和熔岩流是不断改变地球表面的强有力因素。当岩浆从地球内部穿过地壳到达地表面时便凝固形成火山和熔岩流。许多火山锥是由熔岩流和凝灰岩与角砾岩互层混合构成。如果中央火山孔被堵塞那么岩浆和气体就可能从火山锥的侧面的裂缝冲出来形成寄生火山锥。某些火山例如墨西哥的帕里库廷(Paricutin)火山是由喷发出的石块、火山渣和火山灰构成的。在某些火山地区在地下很浅的地方温度就很高使地下水达到沸点。这种热的地下水到达地表就是温泉。在另外一些地区沸腾的水和蒸汽间歇性的喷发形成间歇泉或者仅仅喷出气体形成喷气孔。大部分岩浆都不能到达地表面而是作为侵入岩体在地壳内冷却和结晶。当岩浆被挤入到水平的岩层之间时就会形成岩床(岩磐)。岩磐长可达数公里、厚可达数百米。蘑菇形的侵入体被称为岩盖。这种侵入体是粘稠的岩浆侵入到两个岩层之间并把它上面的岩层顶起来形成拱形而形成的。如果岩浆被挤入到早就形成了的岩石裂缝中就会形成岩墙。如果岩墙周围的较软的岩石被侵蚀掉岩墙就常常会形成一道非常突出的墙立于地表。如果岩浆源本身发生凝固那么就形成岩基岩基延伸的范围常达数千公里。规模较小的岩基被称为岩株。火山喷发有种基本类型。冰岛式或裂隙式喷发熔岩在裂隙两侧形成面积广大的熔岩原。斯特隆波里式喷发这是取自西西里岛西北面的斯特隆波里岛的名称。这种喷发的特点是熔岩从火山口中象喷火似的喷出来。夏威夷式火山例如冒纳罗亚山这种火山的特点是熔岩比较平静的向外涌出。熔岩经常填塞了破火山口形成“沸腾湖”似的形态。维苏威式喷发或火山式喷发。这种喷发的特点是比以上几种都要猛烈得多。维苏威火山以及其它这一类的火山就是以猛烈的壮观的喷发为特点喷发出来的火山碎屑物堆积在火山口周围形成火山锥。培雷式火山喷发取名于西印度群岛的培雷火山。这种类型的喷发也是非常猛烈的其特点是过热气体和细粒火山灰形成巨大的火烧云而且还有粗粒火山灰的喷发粗粒火山灰则以极大的速度沿火山的山坡冲下去。年培雷火山就是以这种方式喷发摧毁了一座约万人口的城市。岩石的循环地壳中的岩石按成因可分为种类型:火成岩、沉积岩和变质岩。每一种岩石都有自己独特的结构和特点一般是很容易加以识别的。所有的岩石都一刻不停地进行着循环性地变化。当炽热的岩浆从地球内部喷出后便冷却并凝固成火成岩暴露在地表面受到风、水、冰的作用岩石破碎了并受到侵蚀最终被冲到大海中形成一层层沉积岩。当沉积岩沉入到地下的压力很大、温度很高的地方就会发生重结晶作用变成变质岩。如果变质岩继续下沉到更深的地方那么更高的温度就会把它熔化变成岩浆。熔融的岩浆受到挤压向上运动冷却又形成火成岩。如果熔融的岩浆在地下冷却凝固形成的火成岩被称为侵入岩。如果熔融的岩浆到达地表后冷却凝固形成的火成岩称为喷出岩。正如小箭头所表示的岩石的这一复杂循环在任一环节上都可能受到干扰。有的沉积岩可能从来也不会到达地表也不会受到风化作用而是直接转变成沉积岩。如果沉积岩或变质岩受到抬升作用并再一次受到侵蚀作用那么在岩石的循环中又可能出现另外一些小循环。沉积岩(如砂岩和石灰岩一类的岩石)覆盖着地球陆地表面的将近的面积。沉积岩是由风化产物形成的具有层理的沉积物。由于上面沉积新的沉积物老的沉积物便被压得紧实。同时由于地下水的循环带来了氧化硅、氧化铁以及其它矿物把沉积物胶结起来。砂岩主要是由石英颗粒组成的。大多数石灰岩是由从海水中沉淀下来的钙的颗粒物组成。变质岩(如中图的大理岩和片岩)是形成于地球内部非常深的地方。在这里高温和高压再加上有化学活性的液体和蒸汽的存在改变了原始岩石的成分。大理岩通常是由灰岩变质而形成大多数片岩则是由页岩变质而形成的。片岩如果进一步受到变质作用还会变成片麻岩。火成岩(如下图的花岗岩和玄武岩)是液体岩浆经结晶的颗粒互相结合在一起而形成的。火成岩根据组成岩石的颗粒的等级以及所含有的矿物进行分类。如花岗岩是粗颗粒的岩石流纹岩则是细颗粒的岩石。这两种岩石基本上都是由正长石、长石和石英所组成是由含硅很丰富的岩浆结晶而成。玄武岩是细颗粒岩石与玄武岩相对应的粗颗粒岩石是辉长岩。这两种岩石都是由含硅很低的岩浆形成的都是由斜长石化长石和含铁锰的矿物组成。侵蚀作用和堆积作用矿物:天然宝石矿物有多种以上。大多数矿物都是由细小的、不易觉察的颗粒所组成的。但是有些矿物在颜色、形状和结构方面都非常漂亮。矿物通常都是由几种元素构成的但是有少数化学元素如金、银、铜等本身就是矿物。所有矿物内部的原子都是有秩序的常常表现为几何形的晶格结构和排列。晶体可由熔融的液体、溶液和蒸汽状态的原子围绕一个核心一层层地生长而成。许多晶体都是非常细小的但是某些晶体却有数十米之大。孔雀石的不光滑的表面显示出它的呈放射状的丝或纤维结构。孔雀石分布于苏联、扎伊尔、西南非洲和美国西南部。孔雀石常呈铜绿色是由二氧化碳和水的作用而形成的。微斜长石是长石组矿物的一个成员。有时被当作宝石的天河石就是一种绿色的微斜长石。分布较普遍的白微斜长石和灰微斜长石用于生产陶瓷釉。磷灰石(Apatite)的英文词是来自希腊语意思是“欺骗”由于这种矿物的外形和颜色使古希腊的矿物学家们容易与其它矿物相混淆。磷灰石存在于石英矿、长石矿和铁矿之中。黄铜矿为含铜较多的一种原生铜矿是由黄铜晶体构成的。黄铜矿常常被误认为是金子。方铅矿通常与锌、铜、银的矿物共生。许多世纪以来人们一直从方铅矿中获得铅。图中的立方形方铅矿晶体是与琥珀色的萤石共生的。这是从科罗拉多银矿中采得的标本粉红色的菱锰矿附着在石英之上。这是从塔斯马尼亚采集的褐铁矿标本。由于桔红色针状的铬铁矿晶体的纵横交错使标本形成中空。这种罕见的晶体是由溶有铬的溶液与铅的矿物进行反应而形成的。方解石是一种分布较普遍的碳酸盐矿物。这种矿物由于颜色的变化和晶体形态的变化而有众多的变种。图中的琥珀色的方解石晶体是与赤铁矿共生的。紫水晶(Amethyst)是石英的一种。它之呈紫颜色是由于含有少量的铁的缘故。Amethyst一词是来自希腊语“不醉”的意思古代希腊人认为紫水晶可以使人们不醉。这是在公元前年的一个铜矿中发现的天然铜。铜可能是人类最早使用的金属。铜现在基本上都是用作电导体是从含铜矿物如黄铜矿中提炼出来的。透石膏是一种透明的石膏晶体。大多数石膏是海水蒸发后沉淀下来的颗粒细小的沉积岩。葡萄石通常是由许多晶亮的、排列紧密的浅绿色晶体构成的。葡萄石通常存在于玄武岩洞中与沸石共存。改变陆地形态的各种力陆地上规模最大的形态山脉、峡谷、高原似乎是永存的不可改变的。但实际上水、冰、风和风化作用一刻也不停顿地破坏着地球表面的现有形态并形成新的形态。流水是最强有力的侵蚀力量。它使崎岖不平的地形轮廓变得平滑它侵蚀着河谷加深着峡谷每年把千百万吨的沉积物带到海里。地壳的岩石也一刻不停地受到风化作用的进攻。风化作用是一种物理的和化学的破坏过程是由于冰冻作用、降水和温度变化导致的对暴露在地表面的岩石进行作用的过程。虽然风是地质营力中起作用最小的一种它却能把细粒物质带到遥远的地方。当携带着沙子的风在力量减弱而把沙子沉落下来后就形成了沙丘。沙丘看起来似乎是静止不动的但是实际上由于沙子不断地被风从迎风坡吹到背风坡沙丘处于不断地移动之中。由于沙丘的移动使得沙丘这种形态甚至能出现在山坡上。在有的地方由于沙丘的移动埋掉了森林和村庄。布里斯峡谷的大自然雕刻的石柱。这是石灰岩高原由于水沿着岩石的垂直节理进行侵蚀和物质在重力作用下的移动而形成的残留物。红颜色是岩石中的氧化铁造成的。犹他州国家保护的天然拱桥。这种巧妙的拱门有着复杂的历史是由许多地质营力作用的结果其中最主要的作用力是各种侵蚀作用。敞口洞的形成是由于这一部位的岩石抗风化作用和抗侵蚀作用的能力较弱的缘故。沙丘的形状主要取决于风的强度和方向。这张图片是撒哈拉的贩盐商队穿过非洲的尼日尔共和国的特奈尔沙漠的象大海中的波涛一样起伏的沙海。水的作用流水在改变陆地面貌方面所起的作用比其它侵蚀因素加在一起所起的作用还要大。大气层每年吸收万立方公里的水分其中大部分又降落到海洋中只有约以雨、雪、雹的形式降落到陆地上。降落到陆地上的水的大部分被蒸发掉或以地下水的形式排走但是还有约×升(加仑)的水从地面流走塑造出峡谷和河谷形成宽广的洪积平原和三角洲并把千百万吨的沉积物带到大海中。地下水是经过土壤、基岩中的节理和洞穴渗到地下的水。有时地下水在靠近潜水面附近能形成流水通道和贮水窖地下水位下降后流水通道和贮水窖中的水就流走了形成了洞穴。在海岸地带风暴形成的海浪能以每平方米公斤的巨大力量冲击着海岸。在某些地方海岸后退的速度一年超过米。流水的侵蚀作用如果不被大陆的周期性隆起所抵消那么大约有万年大陆将会被流水侵蚀成低平原。这是阿拉斯加的一个河谷中的河曲。由于河流持续不断地在凸出部位的外侧进行侵蚀以及在凸出部位的内侧进行堆积使河曲不断地移动。新墨西哥州的卡尔斯巴德洞穴。这个洞穴形成于第三纪时期。在潜水面附近石灰岩逐渐被溶解然后由于大面积抬升并发生下切作用造成地下水位下降。这个巨大的洞穴位于地下米以上的深度。从上面悬垂下来的钟乳石和从中国式戏院的底部突出起来的石笋是由含碳酸氢钙的水滴沉淀而形成的。马耳他岛的海蚀拱。这种形态是由于海浪和海流对一个狭窄的海岬两侧进行侵蚀而形成的。当海蚀拱崩塌就会形成脱离了海岸的海蚀柱。冰川大约在万年以前北半球的很大一部分覆盖着大片冰原有的地方达英里厚除了一些很高的山脉的顶部整个大地都被埋在下面。大约在年前地球上的气候慢慢地变暖露出了经过冰川改造的地形由于冰川的磨刮大地呈现出一片没有植物生长的、光秃的景观。现在冰川覆盖着地球陆地表面的不到。冰川现在依然是一个强有力的地质营力。冰川雕刻着山峰威胁着河谷挖凿出湖盆把刨凿出来的石块带到其它地方。冰川还蓄存着地球淡水的%。如果全世界的冰川都融化世界大洋的海面将升高米。冰川的一种类型是大陆冰川。这种冰川覆盖着格陵兰和南极大陆的大部分。另一种类型的冰川是山谷冰川这是从山脉高处的雪原流下来的冰河。山谷冰川的长度从米到公里。最长的冰川在阿拉斯加的南部。冰川的运动主要取决于地面的坡度和冰的厚度。有的冰川一天只向前蠕动几厘米有的冰川一天可移动米。冰川和河流一样在中心部位速度最快而在两侧的边缘地带速度减慢。冰川底部的速度比冰川表面的速度慢得多。冰川的这种不均衡运动形成巨大的冰裂缝。有的冰裂缝宽达米深达米以上。在温带地区冰川向下移动所能达到的海拔高度取决于融化作用和蒸发作用能把冰川摧毁的高度。从位于斜坡上的冰川终点流出的溶融的水流通常由于含有所谓冰川泥的细粒岩石粉末而呈现乳状的蓝色或绿色。如果冰川的前缘是稳定的大量的石块就会在这里堆积起来形成冰碛。在极地地区冰川注入到大海中并破裂成大块的冰形成冰山。加利福尼亚州的约斯密特国家公园中的极为光滑的花岗岩表明运动着的冰川所具有的磨蚀力量。在有的地方冰川底部的石块从基岩上擦过去留下了长而深的擦痕。加拿大育空地区克留恩国家公园中的斯蒂勒冰川。该冰川在丛山中为自己掘凿出一条路径来。冰川表面上的黑色条带是冰碛是冰川刨蚀它两侧的谷壁而掉到冰川上的石块。约斯密特国家公园中的满布巨砾的原野。这些巨砾是由冰川带来的被称为漂砾。有的巨砾是冰川从数公里以外挖掘来的。冰川退却后这些巨砾就被留在这里。复原过去古生物学家的重要职责就是根据化石碎片来复原过去的生命。这些岩层是经历了千百万年沉积下来的。其中每一层都可能保存有过去的植物和动物以及有关这一漫长时期内气候的基本状况的记录。上部的岩层是新的。下部较老的岩层可能会保存有比较原始的生命形态的记录。科学家们利用放射性年代测定技术可以测定出数十亿年以前的岩石的年代。在北美洲发现的陆地上最大的哺乳动物雷兽的骨骼如图所示是在南达科他州的劣地地区发现的这里是世界上化石最多的一个地区。雷兽的骨骼保存在大约万年前的渐新世时期沉积的砂质粘土和砂岩岩层中。雷兽的骨骼在挖掘出来以后要清洗干净涂上一层保护剂、编号然后装入野外袋中。回到室内再把骨骼拼接起来。骨骼的形状和大小可以告诉我们有关动物生活方式的许多方面。牙齿是动物身体上的最坚硬部分牙齿可以告诉我们动物吃什么以及如何捕食。眼睛、耳朵、鼻子的位置和形状可以根据颅骨上的窝坑来确定。脚的结构可以告诉我们动物如何行走。关节可以表明动物的大小脊柱和肋骨可以告诉我们有关它的体重。根据骨骼人们知道了雷兽是巨大的、非常重的、行动不方便的一种动物很象现在的犀牛。它有一个长长的角从前颅伸出去。它站立起来有米多高约有米长在开阔的平原上蹒跚地走来走去以树叶和草本为食。仅仅根据骨骼不能给出动物外形的精确图形。肌肉的多少以及象峰之类这样的突出部分也会大大改变身体的形状。但是骨骼对于复原动物的外形是关键性的。图中的骨骼上的精巧的突起和斑块状粗糙面(用线条表示的)是肌肉附着在骨头上的部位。肩椎上的几根长刺表明这是为强有力的肌肉附着之用的而雷兽的头部是靠这强有力的肌肉抬起来的。没有任何证据表明这种动物身上长毛。最后一步是复原雷兽生存的环境。在发掘点附近火山灰中碳化的化石树叶表明万年前属于亚热带气候。棕榈树非常繁盛大地是一片沼泽化平原地面散布着活火山。为什么在这比较温和的气候时期雷兽却绝灭了直到现在这仍是个不解之谜。但古生物学家们推测可能是由于它的牙齿仍未特化经受不了环境的变化出现的硬草对它的牙齿的磨损。化石记录化石(Fossil)一词来自拉丁语是“挖掘”的意思。化石这一词最初是指史前时期植物和动物的遗体以及岩石和矿物。由于化石化的过程通常很慢结果只有动物遗体的坚硬部分如骨骼、牙齿、壳才能保存下来。偶尔有时候岩层固结作用的速度很快使有机体的较柔软部分也得以保存下来。非常著名的例子就是在巴伐利亚的侏罗纪灰岩的露天采石场中发现的始祖鸟最早出现的一种鸟的化石就是根据保存很好的羽毛而识别出来的。在琥珀(化石化的松香)、冰和冻土中也发现了动物的遗体。但是大多数化石是以其它方式保存下来的。最普遍的一个过程就是矿化过程。所谓矿化过程就是当生物遗体处于水中溶于水中的矿物向生物遗体中渗透生物体最终可能完全被矿化质取代。植物通常是通过碳化过程而达到化石化的。所谓碳化过程就是细菌把有机化合物分解把植物遗体变成一层碳的薄膜而残留下来。再如蠕虫的腔孔和动物的足迹也可以作为化石记录的一部分。这是大约万年前的枫树叶子在粉砂岩的岩层中被挤压成薄薄的一层碳膜保存了它的轮廓和脆弱的纹理。这是万年前的一种小爬行动物中龙。当时在河流和池塘中大量存在着。中龙用它那长着针状牙齿的颚来捕食鱼类。这是大约亿年前的白垩纪灰岩中钙化的藻礁表明当时气候温暖。这是在大约万年前始新世时期的河堤上留下的昆虫和鸟的足迹。当淤泥固结以后足迹也就保存下来了。这是在科罗拉多州弗洛里森特的露出地表的页岩中发现的昆虫与蜘蛛的化石。这里以昆虫化石谷而闻名于世界。这个画面中共有万多个昆虫。这层页岩是大约万年前在一个浅水湖中沉积的火山灰经压实而形成的。这种很罕见的海盘车(星鱼)皮化石发现于犹他州西南部的一个丘陵上。它栖居于万年前奥陶纪时期的热带海域。它的肢体上的凹沟两侧的管足使这种棘皮动物能在海底移动。亿年前宾夕法尼亚纪期间海洋中有大量的无脊椎动物其中就有图上的这种腕足动物。当时许多陆地上有沼泽地、三角洲其上覆有浅水。生物谱系树无论植物还是动物都可以根据结构分为若干大类或分类。虽然化石记录是不完备的但足可以使我们据此提出有关一些最重要类群的总的演化图式。在这一幅图上表示了主要动物类群之间的相互关系。虚线表示化石记录的缺失每个柱的宽度表示种的数量。竖的直线所分开的各个部分表示在这一部分中的动物类群可能是由共同的祖先演化而来的。左面的垂直方向表示的时间单位是地质时代各个地质时代是根据一定的岩石建造而确立的。在前寒武纪时期出现了最早的生物可能有藻类、菌类和软体动物。在寒武纪时期出现了腕足类动物、软体动物和甲壳类动物。寒武纪时期三叶虫很普遍。在奥陶纪时期珊瑚和三叶虫非常丰富并出现了最早的鱼类。在志留纪时期陆地上出现了植物和蝎形节肢动物。泥盆纪被称为“鱼的时代”但是也有早期的昆虫和两栖类出现。在石炭纪时期两栖类和能飞的昆虫繁盛起来并出现了早期的爬行类。在二叠纪时期爬行类和植物都多样化起来。到了三叠纪时期出现了恐龙和早期的哺乳类。在侏罗纪时期水生爬行类主宰着海洋会飞的爬行类很普遍并出现了早期的鸟类同时现代哺乳类动物处于优势地位以及有骨鱼数量众多。在第四纪期间包括直到今天在这一期间内次冰川的推进使北半球的很大一部分覆盖着冰并且出现了人。天穹地球大气层向上延伸的高度达公里以上。大气层由层构成每一层的物质成分、温度和密度都不相同。贴近地球表面的一层是对流层。对流层是很薄的一层主要是由

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