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海洋科学导论



第一章 绪论

§1.1 地球科学


  海洋是地球系统的重要组成部分,海洋科学属于地球科学体系,为此, 先对地球科学体系作一简略介绍。

1.1.1 地球科学体系


  在苍茫的宇宙之中,迄今只发现地球上有人类繁衍生息,这不能不说是 地球的独特与幸运。地球科学就是以人类之家——地球为研究对象的科学体 系。从不同角度对地球内外不同圈层和范围进行研究而形成的各个学科,则 是地球科学体系的分支和组成部分。由于地球科学系统本身的复杂性,深入 研究其某一部分的学科便不断形成、发展,有的则逐渐分化而成为相对独立 的学科。与此同时,基于地球各部分之间存在的客观联系,特别是不同学科 或方法的互相借鉴、交叉与渗透,遂不断形成一些新的交叉或边缘学科。这 样一来,地球科学便形成了众多的分支及相关学科,组成了一个复杂的科学 体系。目前占优势的观点认为,地球科学主要包括地理学、地质学、大气科 学、海洋科学、水文科学、固体地球物理学,而环境科学和测绘学也与地球 科学有着极为密切的关系。
一、地理学
  是研究地球表面自然现象、人文现象以及它们之间的相互关系和区域分 异的学科。所谓地球表面,通常是指地球的大气圈、岩石圈、水圈、生物圈 和人类圈(又称智能圈)相互交接的界面。广义的地球表面,上自大气圈对流 层顶部,下至岩石圈沉积岩层底部,厚度可达 30~35km。狭义的地球表面, 则指大气圈、岩石圈、水圈的交接面,上限离地面不超过 100m,相当于对流 层近地面摩擦层下部——地面边界层,下限为太阳辐射能可到达的深度;由 于这一深度在陆地不超过地下 30m,在海洋不超过水下 200m,所以狭义的地 球表面的厚度,一般不超过 200~300m,但这却正是生物和人类活动最为集 中也最为活跃的场所。
地理学是一门既古老又年轻的学科,其漫长的发展历程可分为三个时
期,即古代地理学时期——自远古至 18 世纪末;近代地理学时期——自 19 世纪至 20 世纪 50 年代;现代地理学时期——自 20 世纪 60 年代至今。历经 三个时期的延续和发展,地理学形成了众多的分支,也组成了系统的体系。 其主要分支学科有自然地理学、人文地理学、历史地理学、区域地理学、地 图学、地名学、方志学等;20 世纪 60 年代以来,又形成了一些横向的理论 性、应用性和方法性分支学科,如理论地理学、应用地理学和地理数量方法 等。
  需要说明的是,许多研究地球表面某一圈层或某一圈层中部分要素而原 属于地理学范畴的学科,业已分出且进一步发展或与其它学科交叉渗透,从 而形成了相对独立的学科,如大气科学、海洋科学和水文科学等。
二、地质学 是关于地球的物质组成、内部结构、外部特征、各圈层间的相互作用和
演变历史的知识体系。地质学的研究对象,包括地球的内、外圈层,矿物和

岩石,地层和古生物,以及地质构造和地质作用等等。由于观察和研究条件 的限制,在现阶段仍主要是研究岩石圈,此外,也涉及大气圈、水圈、生物 圈以及岩石圈以下更深的部位,甚至也包括某些地外物质。
  从人类对地质现象的观察和描述历史看,地质学堪称悠久,但是作为一 门学科,其成熟则较晚。盖因作为研究对象的地球是如此庞大而又古老,从 不同侧面和范围,以不同观点和方法,不同的学派和不同的时期,都曾有激 烈而又反复的争论。地质学的发展,大致可归结为五个时期,即从远古至 1450 年为地质科学的萌芽时期;1450—1750 年为地质学的奠基时期;1750—1850 年为地质学的形成时期;1850—1910 年为地质学的发展时期;20 世纪则迎来 了地质学新阶段——现代地质学时期,地质学已形成了包含众多分支的理论 体系。
  地质学的分支学科大体可分为两类。第一类是探讨基本事实和原理的基 础学科,由这些基础学科与生产或其它学科结合而形成的学科,则构成了地 质学的第二类分支学科。
  第一类有矿物学、岩石学、矿床地质学、地球化学、动力地质学、构造 地质学、地貌学、地质力学、古生物学、地层学、古地理学、地质年代学和 区域地质学等。此外,还有着眼于天体研究的行星地质学、天文地质学等等。 着眼于地球深部的研究,则是刚刚开拓的新领域。
第二类有水文地质学、工程地质学、环境地质学、灾害地质学、金属矿
产地质学、非金属矿产地质学、石油地质学、煤地质学、找矿勘探地质学和 矿山地质学等。
属于广义地质学或地质科学范畴的,还有地球物理勘探、地球化学勘查、
探矿工程、测绘学、地质资料的航空测量与遥感技术、数学处理方法和计算 机技术等。
三、固体地球物理学
  地球物理学是地质学与物理学之间的边缘学科,它研究的是各种地球物 理场和地球的物理性质、结构、形成及其中发生的各种物理过程。广义的地 球物理学,除研究地球的固体部分外,还包括对水圈和大气圈的研究。因为 海洋科学、水文科学和大气科学业已各自发展成为独立学科,于是,致力于 研究地球固体部分宏观物理学现象的分支,便成为狭义的地球物理学,或直 接称为固体地球物理学。
由于固体地球物理学的问题也是综合性的,所以不能完全按物理学的部
门来分类。于是,相应于地下资源的勘探、自然灾害的预测、地球内部的探 索和地球信息等等的研究,即有勘探地球物理学(或应用地球物理学)和地震 预测、地球内部构造、大地构造等分支学科。
四、大气科学 是研究大气的各种现象及人类活动对它的影响,这些现象的演变规律,
以及如何利用这些规律为人类服务的一门综合性学科。它的研究对象,主要 是覆盖整个地球的大气圈,此外,也研究太阳系其它行星的大气。其研究领 域已经大大超出了通常所称的“气象学”的范围,即大大扩充了传统气象学 的研究内容,并与其它学科之间有越来越多的相互渗透,因而从 20 世纪 60 年代以来,已普遍采用“大气科学”之称谓。
  大气科学也是一门既古老而又年青的学科。自从人类文明的开始,就有 了古代气象经验和知识的积累,直到 16 世纪这段时间,属于大气科学的萌芽
  
时期。17 世纪至 19 世纪,是大气科学在物理学基础上开始建立的时期。19 世纪至 20 世纪 40 年代,是大气科学主要分支学科的形成时期。20 世纪 50 年代以后,则迎来了新技术促进大气科学迅速发展的新时期。
  大气科学有众多分支学科和广泛的研究内容:大气物理学、动力气象学、 天气学、气候学、应用气象学、大气化学、大气探测和人工影响天气等。
五、海洋科学参见 1.1.2 及§1.2 和§1.3。 六、水文科学
  是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这 些规律为人类服务的知识体系。水文科学研究的对象,包括从陆地表面的水 到地下的水,广义地说,也包括从大气中的水到海洋中的水,以及对水圈同 大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系的研究。现代水文科学 还重视研究水资源的利用和人类活动对自然环境的反馈效应。
  水文科学的发展可分为四个时期。从远古至公元 1400 年,为水文科学的 萌芽时期。此后至 1900 年,为水文科学的奠基时期。1900—1950 年,为应 用水文学兴起时期,它以直接为生产和生活提供多方面的服务为特色,而成 为近代水文科学体系中最富生气的一个分支。20 世纪 50 年代以后,水文科 学进入了新的发展时期——现代水文学时期。
传统的水文科学,是按其研究对象划分分支学科的。即主要有河流水文
学,湖泊水文学,沼泽水文学,冰川水文学,雪水文学,水文气象学,地下 水文学,区域水文学和海洋水文学。这些学科又通称为普通水文学或水文学。 与之对应的则是应用水文学,它主要包括工程水文学,农业水文学,森林水 文学,都市水文学,医疗(卫生)水文学等等。新技术的应用也促进并形成了 一些新分支学科,例如遥感水文学,同位素水文学,随机水文学等等。
需要说明的是,以陆地上的水为研究对象的陆地水文学,是水文科学的
主要组成部分。因为以海洋中的水为研究对象的海洋水文学,已归属海洋科 学之中,而对大气中的水的研究,至今还没有形成完全独立的学科。
七、相关学科
  与地球科学紧密联系的学科中,仅就其研究对象和涉及的范围而言,当 首推环境科学及测绘学,因为它们与地球科学最为相近也最为密切。
(一)环境科学
  是在现代社会经济和科学发展过程中形成的一门新兴的综合性科学。环 境科学研究的对象——环境,是对以人类为主体的外部世界而言的,即人类 赖以生存和发展的物质条件的综合体,它包括自然环境和社会环境。就自然 环境而言,与地球科学研究的对象是相合的。就环境科学的分支而言,其“环 境地学”分支,无论就其称谓还是研究对象,显然应属于地球科学的范畴; 其它的分支,有的也与地球科学有着相当密切的联系。所以,有些学者认为 环境科学应属于地球科学的范畴。
  环境科学的分支学科,属自然科学方面的有环境地学、环境生物学、环 境化学、环境物理学、环境医学和环境工程学;属于社会科学方面的有环境 管理学、环境经济、环境法学等。
(二)测绘学 测绘学的任务在于测定地球形状、重力场和地面点的几何位置,直到测
绘各种类型的地图。它既可为地球科学和空间科学提供有关地球内部结构、 地球动态及其外部重力场等方面的信息,又可为国家经济建设和国防建设提

供所需的宝贵资料,例如,有关地球表面自然形态和人工设施的几何分布以 及多种社会信息和自然信息的地理分布等等。
  早在公元前 3 世纪,就已开始孕育了作为测绘学基础的大地测量学。它 的发展,经历了几何大地测量学和物理大地测量学等阶段,现已进入了卫星 大地测量学的新时期。工程测量学则是应工程设计、施工、管理或某些特殊 要求而形成的分支学科。在测绘方法和技术方面,19 世纪仍是实地直接测绘 地形,再经综合取舍而制图。20 世纪则发展形成了航空摄影测量学,创立了 解析摄影测量理论,制成了解析测图仪。现在已发展到航天遥感测量,并借 助计算机实现了测图的完全自动化。地图制图学是研究将测绘结果变为成品
——地图的学问,它研究的内容包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图 印制等等。成品地图的具体类型则甚多。

1.1.2 海洋科学


  海洋科学是研究地球上海洋的自然现象、性质及其变化规律,以及和开 发与利用海洋有关的知识体系。它的研究对象,既有占地球表面近 71%的海 洋,其中包括海洋中的水以及溶解或悬浮于海水中的物质,生存于海洋中的 生物;也有海洋底边界——海洋沉积和海底岩石圈,以及海洋侧边界——河 口、海岸带,还有海洋的上边界——海面上的大气边界层等等。它的研究内 容,既有海水的运动规律、海洋中的物理、化学、生物、地质过程,及其相 互作用的基础理论,也包括海洋资源开发、利用以及有关海洋军事活动所迫 切需要的应用研究。这些研究与力学、物理学、化学、生物学、地质学以及 大气科学、水文科学等均有密切关系,而海洋环境保护和污染监测与治理, 还涉及环境科学、管理科学和法学等等。世界大洋既浩瀚又互相连通,从而 具有统一性与整体性,海洋中各种自然过程相互作用及反馈的复杂性,人为 外加影响的日趋多样性,主要研究方法和手段的相互借鉴相辅而成的共同性 等等,促使海洋科学发展形成为一个综合性很强的科学体系。
一、海洋科学研究的对象及特点
  海洋科学研究的对象是世界海洋及与之密切相关联的大气圈、岩石圈、 生物圈。它们至少有如下的明显特点。
首先是特殊性与复杂性。在太阳系中,除地球之外,尚未发现其它星球
上有海洋。全球海洋的总面积约 3.6×108km2,是陆地面积的 2.5 倍。在总体
积 13.7×108km3 的海水中,水占 96.5%。水与其它液态物质相比,具有许多 独特的物理性质,如极大的比热容、介电常数和溶解能力,极小的粘滞性和 压缩性等。海水由于溶解了多种物质,性质因而更特殊,这不仅影响着海水 自身的理化性质,而且导致海洋生物与陆地生物的诸多迥异。陆地生物几乎 集中栖息于地表上下数十米的范围内,海洋生物的分布则从海面到海底,范 围可达 1 万米。海洋中的近 20 万种动物、1 万多种植物,还有细菌和真菌等, 组成了一个特殊的海洋食物网。再加上与之有关的非生命环境,则形成了一 个有机界与无机界相互作用与联系的复杂系统——海洋生态系统。
  其次,作为一个物理系统,海洋中水—汽—冰三态的转化无时无刻不在 进行,这也是在其它星球上所未发现的。海洋每年蒸发约 44×108t 淡水,可 使大气水分 10~15 天完成一次更新,势必影响海水密度等诸多物理性质的分 布与变化,并进而制约海水的运动以及海洋水团的形成与长消。在固结于旋
  
转地球坐标系中来观察,海水的运动还受制于海面风应力、天体引力、重力 和地球自转偏向力等。诸如此类各种因素的共同作用,必然导致海洋中的各 种物理过程更趋复杂,即不仅有力学、热学等物理类型,而且也有大、中、 小各种空间或时间特征尺度的过程。但是其中的运动过程,则具有特殊的重 要性,因为海水无时无刻不在运动着。
  第三,海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点。地球海洋充满 了各种各样的矛盾,如海陆分布的不均匀、海洋的连通与阻隔。海洋水平尺 度之大逾数万千米,而铅直向尺度之小,平均水深只有 3795m,两者差别实 为悬殊。其它矛盾诸如蒸发与降水,结冰与融冰,海水的增温与降温,下沉 与上升,物质的溶解与析出,沉降与悬浮,淤积与冲刷,海侵与海退,潮位 的涨与落,波浪的生与消,大陆的裂离与聚合,大洋地壳的扩张与潜没,海 洋生态系平衡的维系与破坏等等。它们相反而相成,共同组成了这个复杂的 统一体。当然,这个统一体可以分成许多子系统,而许多子系统之间,如海 洋与大气,海水与海岸、海底,海洋与生物及化学过程等等,大都有相互耦 合关系,并且与全球构造运动以及某些天文因素等密切相关。这些自然过程 通过各种形式的能量或物质循环,相互影响和制约,从而结合在一起构成了 一个全球规模的、多层次的复杂的海洋自然系统。海洋科学的任务,就是借 助现场观测、物理实验和数值实验手段,通过分析、综合、归纳、演绎及科 学抽象等方法,研究这一系统的结构和功能,以便认识海洋,揭示规律,既 可使之服务于人类,又能保证可持续发展。
海洋科学研究也有其显著的特点。首先,它明显地依赖于直接的观测。
这些观测应该是在自然条件下进行长期的,且最好是周密计划的、连续的、 系统而多层次的、有区域代表性的海洋考察。直接观测的资料既为实验研究 和数学研究的模式提供可靠的借鉴,也可对实验和数学方法研究的结果予以 验证。事实上,使用先进的研究船、测试仪器和技术设施所进行的直接观测, 的确推动了海洋科学的发展。特别是 20 世纪 60 年代以来,几乎所有的重大 进展都与此密切相关。
其次是信息论、控制论、系统论等方法在海洋科学研究中越来越显示其
作用。这是因为,实施直接的海洋观测,既艰苦危险、耗资费时,且获取的 信息再多,若相对于海洋整体和全局而言仍属局部和片断,据此而直接研究 海洋现象、过程与动态,显然仍是远远不够的。借助于信息论、控制论、系 统论的观点和方法,对已有的资料信息进行加工,通过系统功能模拟模型进 行研究则是可取的,事实上也取得了较好的结果。
  第三,学科分支细化与相互交叉、渗透并重,而综合与整体化研究的趋 势日趋明显。海洋科学在其发展过程中,学科分支越来越细,研究也随之愈 益深入然而,越深入地研究则发现,各分支学科之间又是相互交叉渗透,彼 此依存和促进的。因而,着眼于整体,从相互耦合与相互联系中去揭示整个 系统的特征与规律的观点与方法论,日趋兴盛发展。现代海洋科学研究及海 洋科学理论体系的整体化,已是大势所趋,普遍认同。
二、海洋科学的分支 海洋科学体系既有基础性科学,也有应用与技术研究,还包括管理与开
发的研究。属于基础性科学的分支学科包括物理海洋学、化学海洋学、生物 海洋学、海洋地质学、环境海洋学、海气相互作用以及区域海洋学等。属于 应用与技术研究的分支有卫星海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、航海海洋

学、海洋声学、光学与遥感探测技术、海洋生物技术、海洋环境预报以及工 程环境海洋学等。管理、开发研究方面的分支有海洋资源、海洋环境功能区 划、海洋法学、海洋监测与环境评价、海洋污染治理、海域管理等。

   §1.2 海洋科学的发展史

依现今较通行的观点,海洋科学的发展史可分为三大阶段。

1.2.1 海洋知识的积累与早期的观测、研究(18 世纪以前)


  古代人类在生产活动中不断积累了有关海洋的知识,也得出了不少出色 的见解。公元前 7~6 世纪,古希腊的泰勒斯认为大地是浮在茫茫大海之中。 公元前 4 世纪,古希腊的亚里斯多德在《动物志》中已描述和记载了爱琴海
的 170 余种动物。当然,对海洋更多的了解,还是从 15 世纪资本主义兴起之 后。在西方人称为地理大发现时代的 15~16 世纪,意大利人哥伦布于 1492
—1504 年 4 次横渡大西洋到达南美洲;葡萄牙人伽马于 1498 年从大西洋绕 过好望角经印度洋到印度;1519—1522 年葡萄牙人麦哲伦完成了人类第一次 环球航行。此后,1768—1779 年英国人库克 4 次进行海洋探险,首先完成了 环南极航行,并最早进行了科学考察,获取了第一批关于大洋深度、表层水 温、海流及珊瑚礁等资料。
  这一时期的许多科技成就,有的直接推动了航海探险,有的则为海洋科 学分支奠定了基础。前者如 1567 年鲍恩发明计程仪,1569 年墨卡托发明绘 制地图的圆柱投影法,1579 年哈里森制成当时最精确的航海天文钟,1600 年吉伯特发明测定船位纬度的磁倾针等。后者如 1673 年英国人玻意耳发表了 他研究海水浓度的著名论文,1674 年荷兰人列文虎克在荷兰海域最先发现海 洋原生动物,1687 年英国人牛顿用引力定律解释潮汐,1740 年瑞士人贝努利 提出平衡潮学说,1770 年美国人富兰克林发表湾流图,1772 年法国人拉瓦锡 首先测定海水成分,1775 年法国人拉普拉斯首创大洋潮汐动力理论等等。

1.2.2 海洋科学的奠基与形成(19~20 世纪中叶)


  这一时期的特点,既表现在海洋探险逐渐转向为对海洋的综合考察,更 重要的标志是海洋研究的深化、成果的众多和理论体系的形成。
在海洋调查方面,著名的有达尔文随“贝格尔”号 1831—1836 年的环球
探险;英国人罗斯 1839—1843 年的环南极探险;特别是英国“挑战者”号
1872—1876 年的环球航行考察,被认为是现代海洋学研究的真正开始。“挑 战者”号在三大洋和南极海域的几百个站位,进行了多学科综合性的观测, 后继的研究又获得了大量的成果,从而使海洋学得以由传统的地理学领域中 分化出来,逐渐形成为独立的学科。这次考察的巨大成就,又激起了世界性 的海洋调查研究热潮。在各国竞相进行的调查中,德国“流星”号 1925—1927 年的南大西洋调查,因计划周密、仪器新颖、成果丰硕而倍受重视。“流星” 号的成就,又引发挪威、荷兰、英国、美国、苏联等,先后进行环球航行探 险调查。这些大规模的海洋调查,不仅积累了大量的资料,而且也观测到许 多新的海洋现象,还为观测方法本身的革新准备了条件。
  在海洋研究方面,重要成果很多。英国人福布斯在 19 世纪 40~50 年代 出版了海产生物分布图和《欧洲海的自然史》,美国人莫里 1855 年出版《海 洋自然地理学》,英国人达尔文 1859 年出版《物种起源》,它们分别被誉为 海洋生态学、近代海洋学和进化论的经典著作。在海洋化学方面,迪特玛 1884
  
年证实了海水主要溶解成分的恒比关系。在海流研究方面,1903 年桑德斯特 朗和海兰-汉森提出了深海海流的动力计算方法,1905 年埃克曼提出了漂流 理论。海洋地质学方面,默里于 1891 年出版了《深海沉积》一书。特别是斯 韦尔德鲁普、约翰逊和福莱明合著的《海洋》(Theoceans)一书,对此前的海 洋科学的发展和研究给出了全面、系统而深入的总结,被誉为海洋科学建立 的标志。
  专职研究人员增多和专门研究机构的建立,也是海洋科学独立形成的重 要标志。1925 年和 1930 年,美国先后建立了斯克里普斯和伍兹霍尔两个海 洋研究所;1946 年苏联科学院海洋研究所成立;1949 年,英国成立国立海洋 研究所等等,就是典型的例子。

1.2.3 现代海洋科学时期(20 世纪中叶至今)


  第二次世界大战对海洋科学有很大的影响,一方面是“军用”学科迅速 发展,但另一方面,也延缓了“非军用”学科的发展。战后海洋科学又得以 恢复和迅速发展,遂进入现代海洋科学的新时期。
  虽然早在 1902 年就成立了第一个国际海洋科学组织——国际海洋考察 理事会(ICES),但大多数组织,包括政府间组织和民间组织,则成立于二战 之后。政府间组织以 1951 年建立的“世界气象组织”(WMO)和 1960 年成立的 “政府间海洋学委员会(简称海委会 IOC,隶属于联合国教科文组织 UNESCO) 为代表。民间组织如国际物理海洋学协会(IAPO)于 1967 年改为国际海洋物理 科学协会(IAPSO),1957 年成立海洋研究科学委员会(SCOR),1966 年建立国 际生物海洋学协会(IABO);国际地质科学联合会(IUGS)也下设海洋地质学委 员会(CMG)等等。
这一时期,海洋国际合作调查研究更大规模地展开,如国际地球物理年
(IGY,1957—1958),国际印度洋考察(IIOE,1957—1965),国际海洋考察
10 年(IDOE,1971—1980,包括 6 个分计划 31 项活动),热带大西洋国际合 作调查(ICITA,1963—1964),黑潮及邻近水域合作研究(CSK,1965—1977), 全球大气研究计划(GARP,1977—1979,第 1 次全球试验 FGGE 及 4 个副计划), 世界气候研究计划(WCRP,1980—1983,包括 4 个子计划),深海钻探计划 (DSDP,1968—1983)。在 1980 年以后,有关机构又提出了多项为期 10 年的 海洋考察研究计划,如世界大洋环流试验(WOCE),大洋钻探计划(ODP),全球 海洋通量研究(JGOFS),热带大洋及其与全球大气的相互作用(TOGA)及其组成 部分“热带海洋全球大气耦合响应试验(TOGA—COARE)”。1993 年决定实施 的气候变率和可预报性研究计划(CLIVAR),为期 15 年,而 1994 年 11 月正式 生效的《联合国海洋法公约》,则涉及全球海洋的所有方面和问题。
  这期间各国政府对海洋科学研究的投资大幅度地增加,研究船的数量成 倍增长。60 年代以后,专门设计的海洋研究船,性能更好,设备更先进,计 算机、微电子、声学、光学及遥感技术广泛地应用于海洋调查和研究中,如 盐度(电导)-温度-深度仪(CTD)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、锚泊海洋浮 标、气象卫星、海洋卫星、地层剖面仪、侧扫声呐、潜水器、水下实验室、 水下机器人、海底深钻和立体取样的立体观测系统等。
  短短几十年的研究成果早已超出历史的总和,重要的突破屡见不鲜。板 块构造学说被誉为地质学的一次革命。海底热泉的发现,使海洋生物学和海
  
洋地球化学获得新的启示。海洋中尺度涡旋和热盐细微结构的发现与研究, 促进了物理海洋学的新进展。大洋环流理论、海浪谱理论、海洋生态系、热 带大洋和全球大气变化等领域的研究都获得突出的进展与成果,科研论著面 世,令人目不暇接,特别是一些多卷集系列著作,如海尔主编的《海洋》 (TheSea)、莫宁主编的《海洋学》(OkeahoЛoгия)等,堪称为代表性著作。

1.2.4 海洋科学的未来


  当今世界,人口激增,耕地锐减,陆地资源几近枯竭,环境状况渐趋恶 化。众多的有识之士,预见到这些危机,并把目光再次投向海洋。一些国家 相继制订了 21 世纪的海洋发展战略,许多知名的科学家、政治家、异口同声 地称 21 世纪为“海洋科学的新世纪”。联合国及有关国际组织,也更加关注 海洋事务。仅从 1994 年算起就有《联合国海洋法公约》生效,成立国际海底 管理局,建立国际海洋法庭,召开“海洋和海岸带可持续利用大会”,“保 护海洋环境国际会议”和“世界海洋和平大会”,并把 1998 年定为“国际海 洋年”等。何以如此?盖因全世界面临的人口、资源、环境三大问题,几乎 都可以从海洋中寻求出路。如何将上述可能变为现实?海洋科学则是架设在 它们之间的桥梁。海洋科学在历经古代、近代和现代的发展之后,必将迎来 一个更为辉煌的新时代。
  
§1.3 中国的海洋科学


1.3.1 历史的贡献


  在人类早期认识海洋的历史中,中国人民作出了巨大的贡献。公元前 4 世纪时,中国先民已能在所有邻海上航行。早在 2 千多年前,已发明指南针, 且至少在 1500 年前就用于航海,从而使人们更能远离海岸涉足重洋。至汉 朝,中国不仅陆路通西域,海路也通东亚日本、南亚印尼、斯里兰卡和印度, 甚至远达罗马帝国。公元 1405—1433 年,郑和先后率船队七下“西洋”,渡 南海至爪哇,越印度洋到马达加斯加,堪为人类航海史中的空前壮举。12 世 纪时中国的指南针经阿拉伯传入欧洲,又促进了欧洲的远洋航行探险。
  关于海洋知识,早在公元前 11 至前 6 世纪的“诗经”中,已记载“朝宗 于海”,公元前 2 至前 1 世纪,《尔雅》中记有海洋动物和海藻。公元 1 世 纪,王充已明确指出潮汐与月相的相关性。8 世纪窦叔蒙的《海涛志》,进 一步论述了潮汐的日、月、年变化周期,建立了现知世界上最早的潮汐推算 图解表。11 世纪燕肃在《海潮论》中分析了潮汐与日、月的关系,潮汐的月 变化以及钱塘江涌潮的地理因素。在宋代,已开始养殖珍珠贝。《郑和航海 图》中不仅绘有中外岛屿 846 个,而且分出 11 种地貌类型。1596 年屠本峻 撰成区域性海产动物志《闽中海错疏》。蜿蜒于中国东部和东南沿海的海塘, 工程雄伟,堪与长城、大运河相比,而海洋科学知识,则是其根基和后盾。

1.3.2 艰难的历程


  当西方进入海洋科学形成阶段时,中国封建社会的长期苟延,特别是夜 郎自大、闭关锁国政策,严重阻碍了海洋科学的发展。鸦片战争之后,国家 陷入半殖民地状态,海洋科学处境更为艰难,发展甚为缓慢。进入 20 世纪之 后,才陆续成立中国地学会、中国科学社,开始宣传海洋科学知识,开展一 些海洋研究。1922 年海军部设立了海道测量局,开始进行海道测绘。1928 年青岛观象台设立海洋科,1931 年成立中华海产生物学会,1935 年成立太平 洋科学协会海洋学组中国分会,同年 6~10 月,中央研究院动植物研究所组 织了首次青岛至秦皇岛沿线调查。之后,由于日本侵华,战乱迭起,研究工 作大都停顿,只有马廷英、唐世凤等在福建组织了一次海洋考察。抗战胜利 后的 1946 年,山东大学、厦门大学和台湾大学分别创立了海洋研究所,厦门 大学还建立了海洋学系。

1.3.3 美好的前景


  新中国建立后不到 1 年,1950 年 8 月就在青岛设立了中国科学院海洋生 物研究室,1959 年扩建为海洋研究所。1952 年厦门大学海洋系理化部北迁青 岛,与山东大学海洋研究所合并成立了山东大学海洋系。1959 年在青岛建立 山东海洋学院,1988 年更名为青岛海洋大学。1964 年建立了国家海洋局。此 后,特别是 80 年代以来,又陆续建立了一大批海洋科学研究机构,分别隶属 于中国科学院、教育部、海洋局等,业已形成了强有力的科研技术队伍。目 前国内主要研究方向有海洋科学基础理论和应用研究,海洋资源调查、勘探
  
和开发技术研究,海洋仪器设备研制和技术开发研究,海洋工程技术研究, 海洋环境科学研究与服务,海水养殖与渔业研究等等。在物理海洋学、海洋 地质学、海洋生物学、海洋化学、海洋工程、海洋环境保护及预报、海洋调 查、海洋遥感与卫星海洋学等方面,都取得了巨大的进步,不仅缩短了与发 达国家的差距,而且在某些方面已跻身于世界先进之列。
  回顾历史,在“挑战者”号的环球调查 80 多年之后,中国于 1958—1960 年才进行了近海较大规模的综合调查,1976 年第一次赴太平洋中部调查,则 落后了整整 100 年。然而,此后两年,中国就参加了全球大气研究计划中的 中太平洋西部调查。再后则有 1984 年首次派出南极考察队且以后每年派出;
1985 年 2 月建成南极长城站;1986 年加入“南极条约组织”,次年成为南极 研究科学委员会(SCAR)的正式成员国之一;1989 年建成南极中山站;1990 年联合国决定在中国建立“世界海洋资料中心”;1991 年 2 月联合国国际海 底管理局批准中国申请太平洋国际海底矿区 15×104km2;1991 年 11 月中国 首次参加世界大洋环流实验调查;1992 年 11 月—1993 年 3 月参加“TOGA— COARE”的西太平洋强化观测;1992 年完成了历时 7 年的中日黑潮合作调查 研究;1994 年 10 月在天津正式成立国际海洋学院中国业务中心;1995 年又 开始了中日副热带环流合作调查研究;1995 年 5 月中国首次远征北极科学考 察队到达北极点;1996 年 11 月,世界海洋和平大会在北京召开,通过了《北 京海洋宣言》。
依《联合国海洋法公约》与《中华人民共和国领海和毗连区法》等,属
中国管辖的海域面积,相当于陆地国土面积的 1/3。捍卫国家主权,维护海 洋权益,是国人的神圣义务。《中国 21 世纪议程》对海洋领域给予高度重视, 其后制订的《中国海洋 21 世纪议程》,则更全面地阐述了我国海洋未来可持 续发展的战略目标和行动计划。继“七五”、“八五”之后,在“九五”国 家科技攻关计划中,也列入了海洋高技术研究开发的项目。国家委以重任, 人民寄以热望,发展海洋科学,繁荣海洋经济,保护海洋环境,造福子孙后 代,任重而道远,前程似锦。

思考题

1.如何理解地球科学是一个复杂的科学体系?
2.海洋科学的研究对象和特点是什么?
3.海洋科学研究有哪些特点?
4.回顾海洋科学发展历史,你能够得到哪些启示?
5.中国海洋科学发展的前景如何?

第二章 地球系统与海底科学

§2.1 地球的基础知识

2.1.1 地球的宇宙环境


  宇宙是空间、时间无限的物质世界,目前人类观测到的宇宙范围叫做总 星系,半径约 150 亿光年。总星系中约有 10 亿个星系。星系有大有小,小者 有几万颗恒星,大者有上千亿颗恒星。太阳所在的星系叫做银河系。
  宇宙是由各种形态的天体和电磁波等物质组成的,天体常常聚集成一个 个天体群或集团,通称为天体系统。天体系统有不同的级别,如地球与绕之 运转的月球、小行星、人造卫星等组成较低级的地-月系统,太阳与绕之运转 的地球及其他行星则组成较高一级的太阳系。
  太阳是一颗普通的恒星,是太阳系内唯一发光发热的最大质量天体,其 质量占太阳系总质量的 99.8%,对地球和整个太阳系都有着极大影响。行星 是环绕恒星运转而本身不发光的天体。太阳吸引着九大行星(按与太阳由近及 远的距离依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、 冥王星)、50 颗卫星、2000 多颗小行星以及 600 多颗彗星绕其运行(图 2—1)。 九大行星体积大小相差悬殊,最大的木星比最小的水星大 73500 倍;与 地球相比,水星体积相当于地球的 0.056,木星则为 1313.5。按特征可把九 大行星分为两类:离太阳较近的水星、金星、地球和火星物理性质与地球相 似,称为“类地行星”,它们体积较小、密度较大、卫星较少,表层为固体, 重元素较多;离太阳较远的木星、土星、天王星和海王星的物理特征近似木 星,称为“类木行星”,它们体积大、密度小、卫星较多,无固体表面,轻 元素(特别是气体元素)较多。冥王星距太阳最远,其物理性质尚不甚清楚。 太阳系目前以冥王星轨道为边界,直径为 118×108km,太阳发出的光需要 5.5
小时才能穿出太阳系。
  月球是地球唯一的天然卫星,其半径为 1738km,质量为 7.35×l022kg, 平均密度 3.34×103kg/m3。分别相当于地球的 27.1%、1.2%、60.6%,距地球
38.44×104km。月球上没有水,大气也极稀薄,还不到地球海平面大气密度
的 10-12,因此没有生物,也没有风云雨雪等天气现象。在地月系中,像月球 如此之大的卫星是绝无仅有的。地月系的中心天体是地球,地球运动多方面 受着月球的影响,地球上的天文地理现象,如日月食和潮汐,也主要与月球 有关。


  在无限的宇宙空间中,地球只不过是沧海之一粟,它处在永不止息的运 动中。地球的运动有多种形式,其中最显著的是自转和公转。地球绕着通过 地心的地轴的旋转称为自转。地球自转会产生一系列后果。其中最显著的是 天体的周日视运动,其次是与运动相关的一种惯性力,称为地转偏向力或科 氏力。一般认为,地球公转就是地球环绕太阳的运动。事实上,地球公转既 是地球和太阳环绕日地共同质心的运动,也是地球和月球环绕地月共同质心 的运动。地球上的潮汐,主要是在月球和地球的相互公转过程中发生的,没 有公转也就无所谓潮汐现象。
  
2.1.2 地球的形状


  地球的形状一般是指全球静止海面的形状,即一个等位势面的形状。全 球静止海面是既不考虑地表海陆差异、也不考虑陆、海地势起伏时的海面。 它在海洋中是不考虑波浪、潮汐和海流的存在、海水完全静止时的海面;它 在大陆上是静止海面向大陆之下延伸的假想“海面”。两者总称大地水准面, 是陆上高程的起算面。理想的地球形状就是大地水准面的形状。事实上,大 地水准面只能反映地球的宏观轮廓,而不能反映地表起伏的细微变化。
  假定地球是静止的,且组成地球的物质密度是均匀的,由于地心引力作 用,其形状应该是正球体。但地球不停地沿地轴自西向东自转,由此产生的 惯性离心力将使地球沿赤道面向外膨胀,沿地轴向内收缩;又由于地球内部 物质密度(不论纵向还是横向)的不均匀性,结果使地球呈现为不规则的旋转 椭球体。
根据人造卫星运行轨道分析测算的结果,地球是一个梨形的球体(图 2-
2)。与标准椭球体相比,南极大陆凹进 24m,北极高出 14m,赤道至 45°N 间向内凹进,赤道至 60°S 间向外凸出(图 2-2)。第 16 届国际大地测量和地 球物理协会根据人造地球卫星的测量资料修订了地球形状的参数(表 2-1), 并推荐由这组参数表示的旋转椭球体作为大地测量的参考面。

表 2-1 表示地球形状的主要参数
赤道半径
a
6378. 104km 赤道周长 2 π a
40075.036km 两极半径
c
6356. 755km 子午线周长 2 π c
39940.670km 平均半径 2 1/3
R=(a c)
6371. 004km 表面积 2
4 π R 2
510064471 .9km 扁率
(a-c)/a
0.0033528 体积 3
4/3 π R 8 3
10832.0 69 × 10 km



精确的地球形状和大小,对于大地测量、人造卫星和远程火箭的运行十
分重要。然而,地球的平均半径 6371km,扁率却只有 3.35×10-3,其形状与 球体极为接近,因此在海洋研究中一般把地球看作正球体。

2.1.3 地球的圈层结构


  地球是一个具有同心圈层结构的非均质体,以地球固体表面为界分为内 圈和外圈,它们又可分别再分为几个圈层,每个圈层都有自己的物质运动特 征和物理化学性质。
一、地球外部圈层 地球固体表面以上,根据物质性状可以分为大气圈、水圈和生物圈。大
气圈是包围着地球的气体,厚度有几万千米,总质量约 5136×108t。由于受 地心的引力,以地球表面的大气最稠密(约有 3/4 集中在地面到 100km 高度范 围内,1/2 集中在地面至 10km 高度范围内),向外逐渐稀薄,过渡为宇宙气 体,故大气圈无明确的上界。大气有明显的可压缩性,其密度和压力与温度 成反比,并与高度成反比,以海平面的密度和压力最大。根据温度和密度等 大气物理特征可将大气圈自下而上分为对流层、平流层、中间层、暖层和散 逸层,其中与人类关系最密切的是对流层和平流层。

  水圈是地球表层的水体,占地球总质量的 0.024%。其中绝大部分汇集 在海洋里(占总水量的 97%),另一部分分布在陆上河流、湖沼和表层岩石的 孔隙中。此外,地球上的水还以固态水(两极和山地的冰川)或水汽的形式存 在,其中冰川约占总水量的 2%。陆上江河湖沼的水或直接、或通过水汽、 地下水与海洋相通。所以地球上的水体构成了包围地球的完整圈层——水 圈。水圈既独立存在,又渗透于大气圈、岩石圈和生物圈中,并在其间不断 循环。水循环是地球外部圈层物质循环最重要的方式之一。
  生物圈是地球上生物(包括动物、植物和微生物)生存和活动的范围。现 代地球的大气圈、水圈和岩石圈构成了一个适宜生命存在的环境。地球独特 的天文条件,加上大气圈、水圈和生物圈本身等的调节作用,提供了适于生 命的各种气候条件;磁层和大气层将有害于生命的高能辐射和带电离子阻挡 或吸收;生物通过呼吸或光合作用在大气中进行着必不可少的氧与二氧化碳 的交换;水圈和岩石圈为生物提供着必需的水分和矿物养料等等。这样,在 岩石圈上部、大气圈下部和水圈的全部,到处都有生命的踪迹。生物所导致 的或以生物活动为中心的物质循环不仅是地球各圈层间物质循环的重要内 容,还是各圈层相互联系的重要纽带。
  在太阳系中,地球是唯一具有水圈和生物圈的行星,其大气圈也是独特 的。这是地球在得天独厚的天文条件下不断演变的结果。大气圈、水圈、生 物圈和岩石圈在地表附近相互渗透、相互交错、相互重叠,又使地球上形成 了独特的自然环境和表层物质结构。在地球表层,通过水、生物以及其他各 种物质循环进行着彼此间复杂的能量和物质的交换。
二、地球内部圈层结构
  地球物理学家对天然地震波传播方向和速度的研究证明,地球内部物质 呈同心圈层结构。在各圈层间都存在着地震波速度变化明显的界面(或称不连 续面),其中最重要的界面有莫霍面(M 面)和古登堡面(G 面),它们把地球内 部分为地壳、地幔和地核三大圈层。地幔又分为上地幔和下地幔,地核又分 为外核和内核(图 2—3)。根据地震波横波速度的变化,地球上部进一步划分 出软流圈和岩石圈(图 2—3)。


  地壳是指 M 面以上的岩石物质层,其厚度变化很大,从洋底的不足 5km 直至大陆造山带的 70km 以上,平均约 15km。地壳是一个不均匀的圈层,根 据其结构、物质组成和厚度的差异可以分为大陆性和海洋性地壳两大类。大 陆性地壳较厚,平均厚 33km,为双层结构:上地壳一般叫“硅铝层”,因物 质组成与花岗岩相当,过去曾称为“花岗岩质层”;下地壳通常叫“硅镁层”, 因物质成分与玄武岩相当,习惯上称作“玄武岩质层”。海洋性地壳很薄, 平均厚度约 6km,具有三层结构:上部为沉积层,主要由松散至半固结的沉 积物组成;中间为基底层或火山岩层,是以玄武岩为主、上部夹有固结沉积 岩的混合层;下部为大洋层,很可能是由辉长岩、闪长岩为主,近 M 面处由 含蛇纹石化橄榄岩组成,它是海洋性地壳的主体。
  地幔位于地壳之下,界于 M 面与 G 面之间,厚度约 2800km,质量和体积 分别占地球的 67.6%和 83%,由铁、镁、硅酸盐物质组成,与辉石橄榄岩相 当。
地核以 G 面与地幔分界,其成分可能相当于铁陨石,主要是铁以及含 5
%~20%的镍和少量硅、氧。根据地震波的传播将其分为液态外核和固态内

核,其间岩石圈本来是相对于大气圈、水圈和生物圈而言的,但现在广泛应 用的“岩石圈”是随着“低速层”(或软流圈)的发现而确定的一个十分具体 的圈层。
  根据对地震波在上地幔传播情况的研究,发现在 60~250km 深度间地震 波速度明显降低,特别是横波速度衰减 90%以上,说明上地幔存在着速度比 上、下层都小的低速层。造成低速层的原因很可能是在此深度上的物质发生 部分熔融所致。该层在力学性质上呈软化的塑性状态,在缓慢而长期的作用 力下会发生塑性变形和缓慢流动。因此,低速层也称为软流圈。岩石圈是指 软流圈之上的刚性固体物质层,包括地壳和上地幔顶部的刚性岩层,地壳与 地幔间的 M 面夹在岩石圈内部。由于岩石圈和软流圈的过渡带上未出现化学 成分的变化,故岩石圈主要是力学概念,具有力学上的统一性和实在性,它 可以对机械应力作出刚性反应。

2.1.4 地球的起源与地质时代

一、地球的起源
  地球的起源与太阳系密切相关,自 18 世纪以来,先后提出过 30 多种地 球起源的假说。有些假说因限于当时的科学水平,不能圆满解释太阳系存在 的客观规律,大都相继退出历史舞台。但有些假说,如拉普拉斯的“星云假 说”、康德的“微粒假说”、施密特的“俘获假说”、霍伊尔的“新星云假 说”等,对认识天体形成和演化曾起到了一定积极作用。
要解决地球起源问题,必须圆满解释太阳系所具有的主要特征,特别是
角动量分配不均问题。同时,立论必须建立在“太阳仅是宇宙间极其寻常的 一颗恒星”这样一个基点上,把地球与整个天体的形成和演化联系起来,并 充分重视近代天体演化上已被证实的客观存在的几个基本事实:(1)万物源于 氢;(2)气尘弥漫于星际空间;(3)恒星在不断形成与消亡之中。现将当前较 流行的太阳系和地球的起源假说综述如下:
大约在 50~60 亿年前,在银河系所在部位存在一个巨大的气体“尘埃”
星云,叫作太阳云。一开始它就在不稳定地自转,同时在自身引力作用下进 行收缩,使大量物质聚集于中心部分(图 2—4A)。根据旋转体角动量守恒定 律,体积缩小导致自转速度加快,离心力随之加大,太阳云逐渐变扁成圆盘 状。太阳云在收缩过程中,密度、压力加大,导致温度急剧上升,于是产生 氢聚变为氦的核反应。通过向外强烈辐射释放出巨大能量,于是光芒四射的 原始太阳就此产生(图 2—4B)。原始太阳经过一个不稳定阶段,抛射出大量 物质。太阳抛出的物质参加到围绕它旋转的圆盘中去。在围绕太阳旋转的盘 状星云赤道面上,尘埃物质作为气体凝聚的核集结成一个个大小团块,并沿 赤道下沉,形成一圈圈有规律间隔的尘环。环内物质在不均匀引力作用下, 大质点吸引小质点,逐渐聚结成为行星胚胎(图 2—4C),最终形成行星。

表 2-2 地质年代表



相对年代 绝对年龄 (106 年) 生物开始 出现时间 宙(宇) 代(界) 纪(系) 世(统) 植物 动物









显 生 宙 (宇)




新生代(界)Kz
第四纪(系)Q 全新世(统)Qh
更新世(统)Qp

1.5 ± 0.5


37 ± 2





67 ± 3
137 ± 5



195 ± 5



230 ± 10















←被子 植物



←现代人


←古猿










←哺乳类 第 三 纪
(系) R
晚第三纪(系)N 上新世(统)N2
中新世(统)N
1

早第三纪(系)E 渐新世(统)E3
始新世(统)E
2
古新世(统)E
1





中生代(界)Mz
白垩纪(系)K 晚(上)白垩世(统)K
2
早(下)K
1

侏罗纪(系)J 晚(上)J
3
中(中) 侏罗世( 统)J
2
早(下)J
1

三叠纪(系)T 晚(上)T
3
中(中) 三叠世( 统)T
2
早(下)T
1















显生宙 (宇)









古 生 代
(界) Pz

晚 古 生 代
(界) Pz
2
二叠纪(系)P 晚(上)二叠世(统)P
2
早(下)P
1


285 ± 10



350 ± 10





405 ± 10



440 ± 10


500 ± 10





570 ± 15


2500 ±














←裸子 植物





←蕨类 植物







←爬行类





←两栖类


←鱼类
←无颌类






←无脊椎 动物


←菌藻类

石炭纪(系)C 晚(上)C3
中(中)石炭世(统)C
2
早(下)C
1

泥盆纪(系)D 晚(上)D
3
中(中)泥盆世(统)D
2
早(下)D
3

早 古 生 代
(蜀) Pz
1

志留纪(系)S 晚(上)S
3
中(中)志留世(统)S
2
早(下)S
1

奥陶纪(系)O 晚(上)O
3
中(中)奥陶世(统)O
2
早(下)O
1

寒武纪(系)ε 晚(上)ε 3 中(中)寒武世(统)ε 2 早(下)ε 1

隐生宙 (宇) 元古代(界) Pt
震旦纪(系)Z 晚(上)Z2
早(下)震旦世(统)Z
1 太古代(界) (Ar)

(引自兰玉琦等,地球科学概论,杭州:浙江大学出版社,1993)
二、地球的演化与地质年代 原始地球接近于均质体,以后由于内部热作用,导致物质运动并发生重
者下沉、轻者上浮的分异作用,于是形成地核、地幔和地壳,从而具有圈层 结构。广泛的火山活动和巨大陨石冲击时释放的气体,形成了原始大气圈, 其中的水汽冷凝而形成水圈。最后,在有碳、氧、氢和氮化合物存在的情况 下,通过闪电放电或紫外线辐射,或两者兼有的作用,产生愈益复杂的有机 分子,它们再进一步结合为能够自身繁殖的有机分子,最后形成生物圈。
  地球外部出现大气、水、生物三个圈层之后,在地球内力和外力作用下, 地球外部与内部圈层,通过物质和能量的交换相互作用,相互影响,地球内 外都发生了剧烈复杂的运动变化,尤以地球表面表现得最突出:大陆有分合, 海洋有生灭,山川有升降,生物有演进。
  地球自形成以来大约经历了(45~46)×108 年的历史。计算地球年龄的方 法有绝对地质年龄和相对地质年代两种。前者是根据岩石中存在的微量放射 性元素蜕变规律测定出岩石生成的绝对年龄;后者是根据生物的发展和岩层 形成顺序,将地壳历史划分为与生物发展相对应的一些自然段,每一自然段 所代表的时间称为地质时代单位,最大的时代单位叫作宙,宙分为代,代分 为纪,每个纪又可分为若干世。在一定地质时代形成的成层岩石组合称为地 层,地层单位与地质时代单位相对应,从大到小分别为宇、界、系、统。按 时代早晚顺序把地质年代编年称为地质年代表(表 2—2)。
  
§2.2 海与洋


2.2.1 地表海陆分布


  地球表面总面积约 5.1×108km2,分属于陆地和海洋。如以大地水准面为 基准,陆地面积为 1.49×108km2,占地表总面积的 29.2%;海洋面积为 3.61
×108km2,占地表总面积的 70.8%。海陆面积之比为 2.5∶1,可见地表大部 分为海水所覆盖。
  地球上的海洋是相互连通的,构成统一的世界大洋;而陆地是相互分离 的,故没有统一的世界大陆。在地球表面,是海洋包围、分割所有的陆地, 而不是陆地分割海洋。
  地表海陆分布极不均衡。在北半球,陆地占其总面积的 67.5%,在南半 球,陆地占总面积的 32.5%。北半球海洋和陆地的比例分别为 60.7%和 39.3
%,南半球海陆比例分别是 80.9%和 19.1%。如果以经度 0°,北纬 38°的 一点和经度 180°,南纬 47°的一点为两极,把地球分为两个半球,海陆面 积的对比达到最大程度,两者分别称“陆半球”和“水半球”(图 2—5)。陆 半球的中心位于西班牙东南沿海,陆地约占 47%,海洋占 53%;这个半球集 中了全球陆地的 81%,是陆地在一个半球内最大的集中。水半球的中心位于 新西兰的东北沿海,海洋占 89%,陆地占 11%;这个半球集中了全球海洋的
63%,是海洋在一个半球的最大集中。这就是它们分别称为陆半球和水半球
的原因。必须说明,即使在陆半球,海洋面积仍然大于陆地面积。陆半球的 特点,不在于它的陆地面积大于海洋(没有一个半球是这样),而在于它的陆 地面积超过任何一个半球;水半球的特点,也不在于它的海洋面积大于陆地 (任何一个半球都是如此),而在于它的海洋面积比任何一个半球都大。



地球表面是崎岖不平的,我们可以用海陆起伏曲线(图 2—6)表示陆地各高度 带和海洋各深度带在地表的分布面积和所占比例。地球上的海洋,不仅面积 超过陆地,而且它的深度也超过了陆地的高度。深度大于 3000m 的海洋约占 海洋总面积的 75%;而高度不足 1000m 的陆地占其总面积的 71%。海洋的平 均深度达 3795m,而陆地的平均高度却只有 875m,两者形成强烈对比(4.26∶
1)。如果将高低起伏的地表削平,则地球表面将被约 2646m 厚的海水均匀覆
盖。

2.2.2 海洋的划分


  地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋。根据海洋要素特点及 形态特征,可将其分为主要部分和附属部分。主要部分为洋,附属部分为海、 海湾和海峡(图 2—7)。洋或称大洋,是海洋的主体部分,一般远离大陆,面 积广阔,约占海洋总面积的 90.3%;深度大,一般大于 2000m;海洋要素如 盐度、温度等不受大陆影响,盐度平均为 35,且年变化小;具有独立的潮汐 系统和强大的洋流系统。
世界大洋通常被分为四大部分,即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋(图
2—7),各大洋的面积、容积和深度如表 2—3 所示。太平洋是面积最大、最

深的大洋,其北侧以白令海峡与北冰洋相接;东边以通过南美洲最南端合恩 角的经线与大西洋分界;西以经过塔斯马尼亚岛的经线(146°51′E)与印度 洋分界。印度洋与大西洋的界线是经过非洲南端厄加勒斯角的经线(20°E)。 大西洋与北冰洋的界线是从斯堪的纳维亚半岛的诺尔辰角经冰岛、过丹麦海 峡至格陵兰岛南端的连线。北冰洋大致以北极为中心,被亚欧和北美洲所环 抱,是世界最小、最浅、最寒冷的大洋。
表 2—3 世界各大洋的面积、容积和深度




名称 包括附属海 不含附属海 面积 容积 深度/m 面积 容积 106km2 % 106km3 % 平均 最大 106km2 % 106km3 % 平均 太平洋 179.679 49.8 723.699 52.8 4028 11034 165.246 45.8 707.555 51.6 4282 大西洋 93.363 25.9 337.699 24.6 3627 9218 82.422 22.8 323.613 23.6 3925 印度洋 74.917 20.7 291.945 21.3 3897 7450 73.443 20.3 291.030 21.3 3963 北冰洋 13.100 3.6 16.980 1.3 1296 5449 5.030 1.4 10.970 0.8 2179 世界海洋 361.059 100 1370.323 100 3795 11034 3260.141 90.3 1333.168 97.3 (资料来源: 1.中国地图出版社,世界地图集, 1995 ; 2.Reader ’ sDigestAtlasoftheWorld , 1991 。)



  太平洋、大西洋和印度洋靠近南极洲的那一片水域,在海洋学上具有特 殊意义。它具有自成体系的环流系统和独特的水团结构,既是世界大洋底层 水团的主要形成区,又对大洋环流起着重要作用。因此,从海洋学(而不是从 地理学)的角度,一般把三大洋在南极洲附近连成一片的水域称为南大洋或南 极海域。联合国教科文组织(UNESCO)下属的政府间海洋学委员会(IOC)在
1970 年的会议上,将南大洋定义为:“从南极大陆到南纬 40°为止的海域,
或从南极大陆起,到亚热带辐合线明显时的连续海域。” 海是海洋的边缘部分,据国际水道测量局的材料,全世界共有 54 个海,
其面积只占世界海洋总面积的 9.7%。海的深度较浅,平均深度一般在 2000m
以内。其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大,并有明显的季节变化。 水色低,透明度小,没有独立的潮汐和洋流系统,潮波多系由大洋传入,但 潮汐涨落往往比大洋显著,海流有自己的环流形式。
按照海所处的位置可将其分为陆间海、内海和边缘海。陆间海是指位于
大陆之间的海,面积和深度都较大,如地中海和加勒比海。内海是伸入大陆 内部的海,面积较小,其水文特征受周围大陆的强烈影响,如渤海和波罗的 海等。陆间海和内海一般只有狭窄的水道与大洋相通,其物理性质和化学成 分与大洋有明显差别。边缘海位于大陆边缘,以半岛、岛屿或群岛与大洋分 隔,但水流交换通畅,如东海、日本海等。
  海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域,一般以入口处海角之 间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻 海洋自由沟通,故其海洋状况与邻接海洋很相似,但在海湾中常出现最大潮 差,如我国杭州湾最大潮差可达 8.9m。
  需要指出的是,由于历史上形成的习惯叫法,有些海和海湾的名称被混 淆了,有的海叫成了湾,如波斯湾、墨西哥湾等;有的湾则被称作海,如阿 拉伯海等。世界上主要的海和海湾如表 2—4 所示,其中面积最大、最深的海
  
是珊瑚海。
表 2—4 世界主要的海和海湾(资料来源同表 2—3)




海或海湾
面积/104km2
容积/104km3 深度/m 平均 最大








太 平 洋 白令海 230.4 368.3 1598 4115 鄂霍次克海 159.0 136.5 777 3372 日本海 101.0 171.3 1752 4036 黄海 40.0 1.7 44 140 东海 77.0 285.0 370 2717 南海 360.0 424.2 1212 5517 爪哇海 48.0 22.0 45 100 苏禄海 34.8 55.3 1591 5119 苏拉威西海 43.5 158.6 3645 8547 班达海 69.5 212.9 3064 7260 珊瑚海 479.1 1147.0 2394 9140 塔斯曼海 230.0 5943 阿拉斯加湾
加利福尼亚湾 132.7
17.7 332.6
14.5 2431
818 5659
3127


海或海湾
面积/104Km2
容积/104Km3 深度/m 平均 最大



印 度 洋 红海 45.0 25.1 558 2514 阿拉伯海 386.0 1007.0 2734 5203 安达曼海 60.2 66.0 1096 4189 帝汶海 61.5 25.0 406 3310 阿拉弗拉海 103.7 20.4 197 3680 波斯湾 24.1 40 102 大澳大利亚湾 48.4 45.9 950 5080 孟加拉湾 217.2 561.6 258 5258



大 西 洋 波罗的海 42.0 3.3 86 459 北海 57.0 5.2 96 433 地中海 250.0 375.4 1498 5092 黑海 42.3 53.7 1271 2245 加勒比海 275.4 686.0 2491 7680 墨西哥湾 154.3 233.2 1512 4023 比斯开湾 19.4 33.2 1715 5311 几内亚湾 153.3 459.2 2996 6363


北 冰 洋 格陵兰海 120.5 174.0 1444 4846 楚科奇海 58.2 5.1 88 160 东西伯利亚海 90.1 5.3 58 155 拉普帖夫海 65.0 33.8 519 3385 喀拉海 88.3 10.4 127 620 巴伦支海 140.5 32.2 229 600 挪威海 138.3 240.8 1742 3970

海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急,特别是潮
流速度大。海流有的上、下分层流入、流出,如直布罗陀海峡等;有的分左、 右侧流入或流出,如渤海海峡等。由于海峡中往往受不同海区水团和环流的 影响,故其海洋状况通常比较复杂。

2.2.3 海水的起源与演化


  海水的形成与地球物质整体演化作用有关。一般认为海水是地球内部物 质排气作用的产物,即水汽和其它气体是通过岩浆活动和火山作用不断从地 球内部排出的。现代火山排出的气体中,水汽往往占 75%以上,据此推测, 地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液 态水,积聚成原始海洋,还有些火山气体溶解于水,从而转移到原始海洋中, 而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。
  在漫长的地球演化过程中,海水因地球排气作用不断累积增长,最初的 原始海洋体积可能有限,深海大洋的形成也要晚些。根据对海洋动物群种属 的多样性分析,至少在寒武纪以前就出现了深海大洋。
海水的化学成分,一是来源于大气圈中或火山排出的可溶性气体,如

CO2,NH3,Cl2,H2S,SO2 等,这样形成的是酸性水;二是来自陆上和海底遭 受侵蚀破坏的岩石,受蚀破坏的岩石为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂
等阳离子。目前海水中阴离子的含量,如Cl- ,F - ,SO2 - ,HCO - 等远
4 3
远超过从岩石中吸取出的数量。因此,海水中盐类的阴离子主要是火山排气 作用的产物,而阳离子则由被侵蚀破坏的岩石产生,其中有很大部分是通过 河流输入海洋的。另外,受蚀的岩石也为海洋提供了部分可溶性盐。
  前寒武纪晚期以来,尽管地球上的海水量继续增加,特别是各种元素和 化合物从陆地或通过火山活动源源不断地输入海洋,然而,海洋生物调节着 海水的成分,促使碳酸盐、二氧化硅和磷酸盐等沉淀下来,硫酸盐、氯化物 的含量相对增加,钙、镁、铁等大量沉淀,钠则明显富集,于是海水的成分 逐渐演变而与现代海水成分相近。根据对动物化石的研究,在显生宙期间, 海水的盐度变化不大。这说明,由于海洋生物的调节作用,世界大洋水的成 分自古生代以来已处于某种平衡状态中。
  总之,大洋海水的体积和盐分的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历 史时期,自古生代(距今约 6×108 年)以来,大洋水的体积和盐度已大体与现 代相近。
  
§2.3 海底的地貌形态


2.3.1 海岸带


  世界海岸线全长 44×104km,它是陆地和海洋的分界线。由于潮位变化 和风引起的增水—减水作用,海岸线是变动的。水位升高便被淹没,水位降 低便露出的狭长地带即是海岸带。目前,世界上约有 2/3 的人口居住在狭长 的沿海地带,海岸带的地貌形态及其变化对人类的生活和经济活动具有重大 意义。
  海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用 下形成的。现代海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分(图 2—8)。海 岸是高潮线以上狭窄的陆上地带,大部分时间裸露于海水面之上,仅在特大 高潮或暴风浪时才被淹没,又称潮上带。海滩是高低潮之间的地带,高潮时 被水淹没,低潮时露出水面,又称潮间带。水下岸坡是低潮线以下直到波浪 作用所能到达的海底部分,又称潮下带,其下限相当于 1/2 波长的水深处, 通常约 10~20m。



  海岸发育过程受多种因素影响,交叉作用十分复杂,故海岸形态也错综 复杂,国内外至今没有一个统一的海岸分类标准。中国海岸带和海涂资源综 合调查《简明规程》将中国海岸分为河口岸、基岩岸、砂砾质岸、淤泥质岸、 珊瑚礁岸和红树林岸等六种基本类型。

2.3.2 大陆边缘


  大陆边缘是大陆与大洋之间的过渡带,按构造活动性分为稳定型和活动 型两大类。


一、稳定型大陆边缘 稳定型大陆边缘没有活火山,也极少地震活动,反映了近代在构造上是
稳定的,以大西洋两侧的美洲和欧洲、非洲大陆边缘比较典型,故也称大西
洋型大陆边缘,此外也广泛出现在印度洋和北冰洋周围。稳定型大陆边缘由 大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成(图 2—9)。
  大陆架简称陆架,亦称大陆浅滩或陆棚。根据 1958 年国际海洋法会议通 过的《大陆架公约》,大陆架定义为“邻接海岸但在领海范围以外深度达 200m 或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底 土”,以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。依自然科学 的观点,大陆架则是大陆周围被海水淹没的浅水地带,是大陆向海洋底的自 然延伸。其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方 为止。坡度陡然增加的地方称为陆架坡折或陆架外缘,因此陆架外缘线不是 某一特定深度。大陆架最显著的特点是坡度平缓,平均坡度只有 0°07′, 其内侧比外侧更缓。大陆架的宽度与深度变化较大,如北冰洋陆架宽度可超
过 1000km;其深度取决于陆架坡折处的深度,如北冰洋的西伯利亚和阿拉斯 加陆架宽达 700km 以上,外缘深度不足 75m,但其东面的加拿大岸外陆架宽

约 200km,陆架外缘深度却超过 500m。东海大陆架是世界较宽的大陆架之一, 最大宽度达 500km 以上,其外缘深度 130~150m。在漫长的地质时期中,大 陆架曾屡经沧桑,如第四纪冰期的末次亚冰期,全球海面平均下降 130m 左 右。冰后期气候转暖,海平面又逐渐回升,距今约 6000 年,海平面与现代接 近。海面下降时大陆架成为陆地,海面上升时成为海底。现代大陆架是经过 陆上和海洋各种营力交替作用的地区,并留下这些作用产生的地貌形态。大 陆架表面常见的地形主要有:(1)沉没的海岸阶地;(2)中、低纬地带沉溺的 河谷和高纬地带沉溺的冰川谷;(3)海底平坦面,如大西洋陆架上可划分出
6~9 级海底平坦面;(4)水下沙丘、丘状起伏和冰碛滩等微地貌形态。 大陆坡是一个分开大陆和大洋的全球性巨大斜坡,其上限是大陆架外缘
(陆架坡折),下限水深变化较大。大陆坡的坡度一般较陡,但不同海区差别 很大,Sherpard(1973)计算的世界大陆坡的平均坡度为 4°17′。稳定型陆 缘的大陆坡一般宽度大、坡度小,如大西洋为 3°05′,印度洋为 2°55′, 坡度均小于世界平均值;但全球陆坡最陡的海域却分布在稳定型陆缘,如斯 里兰卡岸外陆坡达 35°~45°。多数大陆坡的表面崎岖不平,其上发育有复 杂的次一级地貌形态,最主要的是海底峡谷和深海平坦面。海底峡谷是陆坡 上一种奇特的侵蚀地形,它形如深邃的凹槽切蚀于大陆坡上,横剖面通常为 不规则的“V”型,下切深度数百米甚至上千米,谷壁最陡 40°以上,与陆 上河谷极为相似。关于海底峡谷的成因目前还有争论,多数人认为是由于浊 流侵蚀作用所致,它是把陆源物质从陆架输送到坡麓及深海区的重要通道。 深海平坦面是大陆坡表面坡度接近水平(<0°30′)的面,宽数百米至数千 米,长数十千米。大西洋大陆坡上可识别出三个较大的平坦面,水深分别是
550m,1650m 和 2950m,呈阶梯分布。其成因可能是陆坡发育过程中岩性差异
侵蚀或夷平面断陷所致。 大陆隆又叫大陆裾或大陆基,是自大陆坡坡麓缓缓倾向洋底的扇形地,
位于水深 2000~5000m 处。它跨越陆坡坡麓和大洋底,是由沉积物堆积而成
的沉积体。大陆隆表面坡度平缓,沉积物厚度巨大,常以深海扇的形式出现。 大陆隆的巨厚沉积是在贫氧的底层水中堆积的,富含有机质,具备生成油气 的条件。地震探查证实富含沙层的大陆隆很可能是海底油气资源的远景区。
二、活动型大陆边缘
  活动型大陆边缘与现代板块的汇聚型边界相一致,是全球最强烈的构造 活动带,集中分布在太平洋东西两侧,故又称太平洋型大陆边缘。太平洋型 大陆边缘的最大特征是具有强烈而频繁的地震(释放的能量占全世界的80%) 和火山(活火山占全世界 80%以上)活动,有环太平洋地震带和太平洋火环之 称。
  太平洋型大陆边缘又可进一步分为岛弧亚型和安第斯亚型两类,两者都 以深邃的海沟与大洋底分界(图 2—10)。海沟是由于板块的俯冲作用而形成 的深水(>6000m)狭长洼地,往往作为俯冲带的标志。海沟长数百至数千千 米,宽数千米至数十千米,横剖面呈不对称的“V”形,一般是陆侧坡陡而洋 侧坡缓。全球已识别的海沟 20 多条,绝大多数分布在太平洋周缘,其中深度 超过万米的 6 条海沟也全部在太平洋(表 2—5)。

表 2-5 全球沟-弧体系

海沟名称
太平洋 最大水深/m 最深部的位置 海沟长度/km 平均宽 千岛-勘察加海沟 10542 44 ° 15 ′ N , 150 ° 34 ′ E 2200 120 日本海沟 8412 36 ° 04 ′ N , 142 ° 41 ′ E 800 100 伊豆-小笠原海沟 10554 29 ° 06 ′ N , 142 ° 54 ′ E 850 90 马里亚纳海沟 10920 11 ° 21 ′ N , 142 ° 12 ′ E 2550 70 雅浦(西加罗林)海沟 8527 8 ° 33 ′ N , 138 ° 03 ′ E 700 40 帛琉海沟 8138 7 ° 42 ′ N , 135 ° 05 ′ E 4000 40 琉球海沟 7881 26 ° 20 ′ N , 129 ° 40 ′ E 1350 60 菲律宾(棉兰老)海沟 10497 10 ° 25 ′ N , 126 ° 40E 1400 60 西美拉尼西亚海沟 6534 1100 60 东美拉尼西亚(勇士)海沟 6150 10 ° 27 ′ S , 170 ° 17 ′ E 550 60 新不列颠海沟 8320 5 ° 52 ′ S , 152 ° 21 ′ E 750 40 布干维尔(北所罗门)海沟 9140 6 ° 35 ′ S , 153 ° 56 ′ E 500 50 圣克里斯特瓦尔(南所罗门)海沟 8310 800 40 北赫布里底(托里斯)海沟 9165 500 70 南赫布里底海沟 7570 20 ° 37 ′ S , 168 ° 37 ′ W 1200 50 汤加海沟 10882 23 ° 15 ′ S , 174 ° 45 ′ W 1400 55 克马德克海沟 10047 31 ° 53 ′ S , 177 ° 21 ′ W 1500 60 阿留申海沟 7822 51 ° 13 ′ N , 174 ° 48 ′ W 3700 50 中美(危地马拉、阿卡普尔科)海
沟 6662 14 ° 02 ′ N , 93 ° 39 ′ W 2800 40 秘鲁海沟 6262 1800 100 智利(阿塔卡马)海沟 8064 23 ° 18 ′ N , 71 ° 21 ′ W 3400 100 大西洋
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