地球科學(xué)導(dǎo)論

1、 地球科學(xué)導(dǎo)論An Introduction to Earth Science 面向21世紀(jì)課程教材簡(jiǎn)介“面向21世紀(jì)課程教材”建設(shè)是我國高校教材的跨世紀(jì)創(chuàng)新工程。 本類教材置于改革和研究基礎(chǔ)之上，內(nèi)容創(chuàng)新，具有顯著的導(dǎo)向性、探索性和適用性。 本類教材具有如下特點(diǎn)： 1。反映了21世紀(jì)對(duì)人才的知識(shí)、能力、素質(zhì)的要求，體現(xiàn)了教育思想、教育觀念、人才培養(yǎng)模式的改革； 2。反映了21世紀(jì)我國高等教育專業(yè)結(jié)構(gòu)、專業(yè)目錄和專業(yè)設(shè)置，體現(xiàn)了主要專業(yè)或?qū)I(yè)群的教學(xué)計(jì)劃和課程結(jié)構(gòu)； 3。反映了21世紀(jì)基礎(chǔ)課程、主干課程的教學(xué)內(nèi)容和體系。緒 論 地球科學(xué)的研究對(duì)象、內(nèi)容和任務(wù) 地球科學(xué)的特點(diǎn)與研究方法 地球科學(xué)

2、與人類可持續(xù)發(fā)展 地球科學(xué)的研究對(duì)象、內(nèi)容和任務(wù) 地球是人類在宇宙中生存、發(fā)展的惟一家園。 地球科學(xué)是研究地球系統(tǒng)并預(yù)測(cè)其未來行為的惟一科學(xué)。 地球科學(xué)的更本任務(wù)在于認(rèn)識(shí)地球， 并利用這種認(rèn)識(shí)保證人類生存和發(fā)展所需要的自然資源，保護(hù)和改善人類的居住環(huán)境。 從這個(gè)意義上說，地球科學(xué)負(fù)有重大歷史責(zé)任，是大有前途的科學(xué)。 第十個(gè)五年計(jì)劃綱要報(bào)告第九屆全國人民代表大會(huì)第四次會(huì)議 選擇我國具有優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域, 加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 力爭(zhēng)在基因組學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、生態(tài)科學(xué)和地球科學(xué)等方面取得新進(jìn)展。 數(shù)、理、化、天、地、生六大基礎(chǔ)自然科學(xué) 地球系統(tǒng) 地球科學(xué)以整體的地球作為研究對(duì)象, 包括自地心至地球外層

3、空間十分廣闊的范圍,是由固體地球、大氣圈、水圈、土壤圈和生物圈（含人類）組成的一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)， 稱為地球系統(tǒng)(Earths System)。 地球系統(tǒng)內(nèi)部存在不同圈層（子系統(tǒng)）之間的相互作用。 地球科學(xué)是一個(gè)龐大的超級(jí)學(xué)科體系群。 地球表層學(xué)與地球系統(tǒng)科學(xué)錢學(xué)森1983年提出地球表層學(xué)，強(qiáng)調(diào)“地球表層(Earths Surface)”（巖石圈頂部至同溫層底部）是巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈的相互交錯(cuò)、滲透部分，是人-地關(guān)系最密切的地理環(huán)境，也是地球圈層結(jié)構(gòu)中的特定部分。本身構(gòu)成地球超級(jí)巨系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)開放的獨(dú)立次級(jí)巨系統(tǒng)。 國際上20世紀(jì)80年代中期起也流行地球系統(tǒng)科學(xué)，強(qiáng)調(diào)地球的整體概念

4、，將大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈看成是具有有機(jī)聯(lián)系的“地球系統(tǒng)”，把太陽和地心作為兩個(gè)主要的自然驅(qū)動(dòng)器，人類活動(dòng)作為第三促動(dòng)因素。 兩者的共同點(diǎn)：反映了更高層次的學(xué)科間大跨度交叉滲透，是當(dāng)代地球科學(xué)進(jìn)入一個(gè)重大轉(zhuǎn)折期的標(biāo)志。地球系統(tǒng)科學(xué)與傳統(tǒng)地球科學(xué)分支學(xué)科關(guān)系地球系統(tǒng)科學(xué)并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)地球科學(xué)各分支學(xué)科的自身發(fā)展，相反要求它們能更深入精確地研究和提供地球系統(tǒng)各組成部分自身的規(guī)律性知識(shí)。地球科學(xué)的特點(diǎn)與研究方法地球科學(xué)的特點(diǎn)全球性 20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造學(xué)說的出現(xiàn)，首先在固體地球研究中建立了全球觀概念。 全球監(jiān)測(cè)與國際合作 傳統(tǒng)地學(xué)研究方法（鐵錘、羅盤、放大鏡）與先進(jìn)手段（衛(wèi)星遙感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)）

5、相結(jié)合。 國際巖石圈計(jì)劃（ILP)、大洋鉆探計(jì)劃（ODP)、世界氣候計(jì)劃（WCP)等。 中國加入WTO后，參與國際競(jìng)爭(zhēng)是必然趨勢(shì)！ 時(shí)空尺度的極大差異性 幾小時(shí)到幾年時(shí)間尺度變化大氣、海洋、 生物科學(xué)研究范疇。 幾十億年至幾十萬年時(shí)間尺度變化地球和生命起源、板塊構(gòu)造、冰期出現(xiàn)、海陸變遷、成礦作用等。 空間尺度也可有極大的差異。 現(xiàn)實(shí)主義類比研究方法 人們無法進(jìn)入地心采集標(biāo)本、測(cè)量溫度，也無法在實(shí)驗(yàn)室再造地球系統(tǒng)的真實(shí)過程。 “Present is the key of past” (現(xiàn)在是過去的 鑰匙 )成為普遍 遵守的將今論古 研究原則和方法。數(shù)字地球 (Digital Earth) 一種可

6、以嵌入海量（百兆至千兆級(jí)）地理數(shù)據(jù)的、多分辨率的、多維地球表示的，將成為管理地球的重要工具。 是一個(gè)數(shù)字形式的關(guān)于地球的巨系統(tǒng)。 核心思想： 1. 用數(shù)字化手段統(tǒng)一處理地球問題。 2. 最大限度地利用信息資源 。21世紀(jì)的新型地圖市場(chǎng)上可買到電子地圖，電視節(jié)目中可見到虛擬城市。 地質(zhì)學(xué)研究中已出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的古大陸、古海洋再造圖。 全息化（包含盡可能多的信息），定量化（精確到厘米或毫米級(jí)），可視化（三維動(dòng)態(tài)+歷史過程）。 地球科學(xué)與人類可持續(xù)發(fā)展21世紀(jì)人類對(duì)地球的要求 人類進(jìn)入21世紀(jì)面臨的主要問題： 需要居住在一個(gè)寬敞的地球上（人口控制） 需要居住在一個(gè)清潔的地球上（環(huán)境治理） 需要居住在一個(gè)安

7、全的地球上（災(zāi)害防治） 需要居住在一個(gè)富裕的地球上（資源豐富） 全球十大經(jīng)濟(jì)體排名榜 2010年排名 1 美國 2 中國 3 日本 4 德國 5 法國 6 英國 7 巴西 8 意大利 9 印度 10 加拿大2007年世界購買力比率（Purchasing Power Parity,PPP）排名 1 美國 2 中國大陸 3 日本 4 印度 5 德國 6 英國 7 俄羅斯 8 法國 9 巴西 10 意大利中國科技發(fā)展預(yù)測(cè) （據(jù)中國社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略，北京出版社，1997）2010年2030年2050年歷史階段基本工業(yè)化全面工業(yè)化 初步現(xiàn)代化全面現(xiàn)代化 人均國民 收入中下等國家 平均水平中上等國家 水平 中

8、等發(fā)達(dá)國家 平均水平綜合國力第四位第二位第一位GDP(億元）20萬 （實(shí)際已達(dá)到39萬，約5.9萬億美元，8.5%)70萬168萬人口爆炸1960年 世界人口達(dá)到30億（增加10億人用了30年） 1975年 世界人口達(dá)到40億（增加10億人用了15年） 1987年 世界人口達(dá)到50億（增加10億人用了12年） 1999年 世界人口達(dá)到60億（聯(lián)合國人口基金會(huì)測(cè)算） 2030年 預(yù)計(jì)將接近 90億（平均每年新增近一億人口） 2100年前 突破 100億。 其中94%的增長(zhǎng)出現(xiàn)于發(fā)展中國家。法國不少地方出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。 中國人口：西漢末期約0.6億，以后大體穩(wěn)定在1億。 清朝乾隆下達(dá)圣旨：“盛世添丁，

9、永不增賦” 新中國成立后： “人多好辦事”。 21世紀(jì)議程1992年6月里約熱內(nèi)盧聯(lián)合國“環(huán)境與發(fā)展”大會(huì)制定 全球各國（占世界98%人口）首腦聚會(huì)，共商： “地球環(huán)境、資源與人類持續(xù)發(fā)展”大事。 中心議題： 在世界人口急劇增長(zhǎng)、給地球生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的沖擊與不堪負(fù)擔(dān)的重壓情況下，尋找人口與地球承載力相適應(yīng)的關(guān)系。 提出口號(hào)：人類要生存，地球要拯救，環(huán)境與發(fā)展必須協(xié)調(diào)。 指明出路：協(xié)調(diào)人類與自然關(guān)系（包括協(xié)調(diào)人類生活和生產(chǎn)的整體水平和方式，使其與地球承載力相適應(yīng)）。 達(dá)到目標(biāo)：既滿足當(dāng)代人需要，又不危害后代人滿足自身需要能力發(fā)展的持續(xù)性發(fā)展。 資源短缺 發(fā)達(dá)國家為了環(huán)保，紛紛封閉礦井（煤 、鉛

10、鋅等) ,停采國內(nèi)石油（美國）大量依靠進(jìn)口（日本）。 中國作為最大的發(fā)展中國家當(dāng)前面臨的嚴(yán)重能源 和水資源問題，富鐵、銅、錳、鉻、貴金屬及磷、鉀 鹽等礦產(chǎn)儲(chǔ)量嚴(yán)重不足。不能完全依靠進(jìn)口。 中國能源供需展望 能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀： 煤 67.1% (CO2 排放量100%)，石油 23.2% (CO2 排放量80%)，水電 6.7%, 天然氣 3% (CO2 排放量57%)。 石油進(jìn)口現(xiàn)狀及趨勢(shì): 2000年進(jìn)口石油已達(dá)6500萬噸（200億美圓），國內(nèi)產(chǎn)量1.61.7億噸。 20032005年進(jìn)口1億噸( 較原計(jì)劃提前）。 2010年進(jìn)口約2.4億噸，國內(nèi)總需求量約4.49億噸, 當(dāng)當(dāng)產(chǎn)量首次超過2億

11、噸，對(duì)外依存度為55%。 2020年預(yù)計(jì)進(jìn)口2.9億噸, 占國內(nèi)需要4.5億噸的2/3，其中80%來自中東。占當(dāng)時(shí)全球石油產(chǎn)量約近1/10。 按國際石油-政治關(guān)系法則: 進(jìn)口石油安全線有兩條, 1.5000萬噸； 2.1億噸。必需有海上運(yùn)輸線的軍事安全力量。涉及馬六甲海峽海上通道以及地緣政治關(guān)系問題。 中國化石能源潛力 石油-估計(jì)潛力 900億噸，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn) 200億噸。那里去 找整裝大油田？需要有基礎(chǔ)理論研究的重大突破！ 先有陸相生油理論，才能在1959年發(fā)現(xiàn)大慶油田。 天然氣-是清潔、高熱能、低成本的城市環(huán)保能源。20 世紀(jì)末伊克昭盟蘇里格( 儲(chǔ)量5000億m3)和新疆 拜城克拉蘇特大型油氣

12、田( 儲(chǔ)量2000億m3)的發(fā)現(xiàn) ，對(duì)于西部大開發(fā)決策進(jìn)程起了重要作用。 海底水化甲烷一個(gè)很有前景的待開發(fā)研究領(lǐng)域。 深海底新能源- - 海底水化甲烷 (可燃冰)-深海海底低溫、高壓環(huán)境下形成的一種含有甲烷類分子的透明冰結(jié)晶體。 這種物質(zhì)沉睡于世界各地的海底, 推測(cè)儲(chǔ)藏量是已知天然氣、石油和煤炭蘊(yùn)藏量的23倍。南海海底已發(fā)現(xiàn)巨大的可燃冰帶, 能源總量估計(jì)相當(dāng)于中國石油總量的一半。 北大西洋著名的百慕大魔鬼三角區(qū)可能就是一個(gè)處于 臨界狀態(tài)的可燃冰分布區(qū)。 近地宇宙新能源 開發(fā)月球表面核聚變?cè)?月壤中富含3He 資源,估計(jì)1km3 月壤可提取10100t3He, 總資源量高達(dá)50104 5001

13、04t。 1t3He可獲聚變能大約相當(dāng)101010kWh。 中國1993年的總發(fā)電量約為821010kWh, 相當(dāng)于8t3He即可滿足。 人類登月科考目的與重點(diǎn)。 登月地點(diǎn)的選擇。 世界現(xiàn)狀與中國目標(biāo)。 中國“嫦娥計(jì)劃”登月。中國21世紀(jì)水供求 根據(jù)水利部21世紀(jì)中國水供求分析, 2010年我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)環(huán)境總需水量在中等干旱年為6988億立方米, 供水總量6670億立方米, 缺水318億立方米。 表明我國將開始進(jìn)入嚴(yán)重的缺水期。 2030年左右, 我國人口將達(dá)到16億, 人均占有水資源量比目前減少1/5, 降至1700立方米左右。 21世紀(jì)中葉, GDP要增長(zhǎng)10倍以上, 城市化

14、率將達(dá)到70%, 糧食產(chǎn)量增加1400億公斤。工業(yè)生產(chǎn)、城市生活和農(nóng)業(yè)灌溉的用水都將大幅度增長(zhǎng), 廢污水排放量也將相應(yīng)增長(zhǎng)。北方地區(qū)的水資源形勢(shì)將更加嚴(yán)峻, 節(jié)約用水 和“南水北調(diào)”勢(shì)在必行。 工程院院士提出用核爆炸實(shí)現(xiàn)藏水北調(diào) 下載自 (南方周末 2001-04-01 12:07) 立題: 1.在雅魯藏布江大拐彎處采用核爆炸方法攔河筑壩, 開掘隧道 (2030公里), 使江水穿山而過, 利用大約3000米巨大落差建設(shè)一座世界最大發(fā)電站。獲3800萬千瓦/年發(fā)電量 = 2個(gè)三峽水電站 50個(gè)大型核電站發(fā)電總量。 2.利用電力從雅魯藏布江提水200億立方米, 通過渠道引到青海、新疆和甘肅, 改善

15、占全國47%土地面積, 年降雨量6000米雪山凍土區(qū)無法用數(shù)百萬噸TNT炸約施工)。 2.現(xiàn)代核技術(shù)能設(shè)計(jì)出選用鈾233做核材料, 足夠干凈(干凈度90%), 體積小的核爆炸裝置. 施工單位可以在一年或稍長(zhǎng)一點(diǎn)時(shí)間后安全地進(jìn)入隧道開展后續(xù)作業(yè)。 存在問題:1.目前尚屬理論上的可能性研究, 技術(shù)可行性還需進(jìn)一步分析, 并通過模擬實(shí)驗(yàn)予以論證。 2.國際水道涉及水資源分配及對(duì)下游影響問題。 評(píng)論: 另一個(gè)大問題是如何考慮大拐彎處正是現(xiàn)代強(qiáng)烈地震帶, 1950. 8. 15 發(fā)生過 8.5 級(jí)察隅地震, 是我國有史以來已經(jīng)記錄到最大的三次8.5級(jí)地震之一。 需要有地質(zhì)學(xué)家參與該區(qū)的地殼穩(wěn)定性問題研究

16、, 對(duì)于最后決策有重要意義。 環(huán)境惡化 近年10城市民意調(diào)查（3243人）： 49% 關(guān)注環(huán)境問題，占首位。 中國的68%河流已經(jīng)污染，1.7億人飲用受 污染的水， 酸雨分布區(qū)已占國土面積40%， 垃圾占地面積超過 5104 km2。 污染造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 000億元/年。 中國酸雨分布區(qū) 20世紀(jì)80年代以來南極臭氧洞 不斷加大 美國對(duì)控制溫室氣體排放量國際協(xié)議的態(tài)度- 美國的二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等溫室氣體的排放量占全球總排放量的四分之一，歐盟公開指出美國是全球變暖的“禍?zhǔn)住薄?從參議員戈?duì)柕臑l臨失衡的地球（全球暢銷書），到副總統(tǒng)戈?duì)柕难孕胁灰?，再到總統(tǒng)小布什的公開推翻前政府作出的國際

17、承諾。德國明鏡周刊諷刺美國是 “生態(tài)流氓國家”。 對(duì)地球生態(tài)環(huán)境最危險(xiǎn)的威脅,也許不在于這些威脅本身,而在于人類對(duì)它的認(rèn)識(shí)。 人類文明已經(jīng)具備了毀滅自己的能力。 災(zāi)害頻發(fā) 干旱導(dǎo)致我國平均每年減產(chǎn)糧食損失997億元，從經(jīng)濟(jì)損失方面占各類災(zāi)害之首。 1998年長(zhǎng)江流域洪澇災(zāi)害損失2600億元,受災(zāi)人口2.33億。 地震災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，迄今不易對(duì)三大要素(何時(shí)、何地、級(jí)別）作出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。 1997年美國Science權(quán)威性刊物上發(fā)表的專業(yè)人士論文認(rèn)為：地震“根本無法預(yù)測(cè)”是“一件毫無希望的工作”。 1967年邢臺(tái)地震（6.8-7.2級(jí)）后，李四光力排眾議提出加強(qiáng)布署地震臺(tái)站監(jiān)測(cè)地殼內(nèi)部地應(yīng)力分布狀態(tài)

18、開展預(yù)報(bào)。 1975年人類歷史上首次成功預(yù)報(bào)了7.3級(jí)的海城地震。（為此美國專門派出代表團(tuán)來華“取經(jīng)”）。 但1976年7.8級(jí)的唐山地震（死亡人口二十余萬）為何未能避免？ 1967年邢臺(tái)地震 唐山大地震前有預(yù)報(bào)嗎？ （引自：冀朝鑄從“洋娃娃”到外交官，北京大學(xué)出版社，2000） 1976年7月28日，唐山發(fā)生大地震， 那時(shí)江青一伙正發(fā)動(dòng)“批鄧反擊右傾翻案風(fēng)”的運(yùn)動(dòng)，不允許任何事阻饒這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。因此當(dāng)?shù)卣鹁謭?bào)告說唐山可能發(fā)生大地震時(shí)，所有警告大家做好準(zhǔn)備的嘗試都被阻止 然而，在唐山郊區(qū)的一個(gè)小鎮(zhèn)，那里的震級(jí)和唐山一樣，卻沒有人死亡，只有少數(shù)人受傷。因?yàn)楫?dāng)?shù)卣焕聿巧厦骊P(guān)于繼續(xù)批鄧不得終止的要求

19、，通告全鎮(zhèn)人民預(yù)防地震，采取在戶外過夜等防范措施。汶川地震今后30年最重要的十大科研課題日本文部科學(xué)省最近公布的“技術(shù)預(yù)測(cè)調(diào)查” 第一條 數(shù)日前預(yù)測(cè)是否發(fā)生 里氏7級(jí)以上大地震的技術(shù)。 引自：2001年8月3日北京出版的晨報(bào)第2版To students 知識(shí)爆炸 全世界每1分鐘就有1種新書刊印。 每小時(shí)就有3 300多件發(fā)明創(chuàng)造專利進(jìn)行登記。 每天就有13 000多篇科學(xué)論文面世?？茖W(xué)巨匠耐人尋味的話 發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，如果一個(gè)人掌握他的科學(xué)的基礎(chǔ)理論，并學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他一定能找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來，他一定會(huì)更好進(jìn)步和變化 愛因斯坦 東西方人才培養(yǎng)傳統(tǒng)比較 中國 Solidly drilled（嚴(yán)格堅(jiān)實(shí)的訓(xùn)練） Comparatively narrow focused