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地球科学百科全书




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 45 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 19 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 200 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 3 类物质形态通常用大气圈、水圈和固体圈这 3 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 71%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 3 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 3 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 3 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 3 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 30 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。




W.H.马修斯第三

C. S. 小赫尔伯特


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
1980 年 9 月

作者和编辑


编辑 科尼利厄斯 S.小赫尔伯特(Cornelius S.Hurlbut,Jr.) 主编米尔顿·鲁戈夫(Milton Rugoff)
设计 林恩·威廉斯(Lynne Williams)
顾问 编辑 乔戈·扎普勒(Georg Zappler)
作者兼编辑

科尼利厄斯·S.小赫尔伯特(Cornelius S. Hurlbut. Jr)哈佛大学矿物学名誉教授,《Minerals and Man and

承担本书中的学 科:

Dana’s Manual of Mineralogy》一书作者。 矿物学、结晶学、经 济地质学。

威廉·H.马修斯第三(william H. Matthews III)得 克萨斯拉马尔大学地质首席教授,《Invitation to Geology and Fossils : An Introduction to Prehistoric Life.》一书的作者。
罗伯特·L.尼科尔斯(Robert L. Nichols)塔夫茨大 学和东肯塔基大学地质学名誉教授。


詹姆斯·W.斯克汉(James W. Skehan)波士顿学院地 质学教授兼韦斯顿观测站负责人,《Science and the Future of Man》一书的作者之一。



罗伯特·E.博耶(Robert E. Boyer)得克萨斯大学地 质系主任,《Earth Science and Energy》一书作者。

供稿专家
小理查德·A.戴维斯(Richard A. Davis. Jr)南佛 罗里达大学地质系主任,教授,《Principles of

承担本书中的学 科:历史地质学、古 生物
学、地层学。
承担本书中的学 科:地貌学、冰川地 质学、火山学。
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。
承担本书中的学
科: 环境地质、能源。


承担本书中的学 科:

Oceanography》一书作者。 海洋学、海洋地质
学。

迈尔斯·F.哈里斯(Miles F. Harris)美国气象学会,
《 Getting to Know the World Meteorological

承担本书中的学 科:

Organization》一书的作者。 气象学。 玛丽·莫里莎瓦(Marie Morisawa) 纽约州立大学地质
学教授承担本书中 的学科:水文学。

杰弗里·L.沃纳(Jeffrey L. Warner)得克萨斯州豪 斯顿约翰逊空间中心美国宇航局


查尔斯·H.西蒙兹(Charles H. Simonds)得克萨斯 豪斯顿月球科学研究所。
顾问
文森特·曼森(Vincent Manson)美国自然历史博物

承担本书中的学 科:
空间地质学。

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(Susan Rayfie- 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


  1963 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 1798 年,英国物理学家亨利·卡文迪什(Henry Cavendish)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。
  1.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。
2.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 40 公里,在大洋底部,地壳厚度不到 16 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 2900 公里左右。地幔层占地球总体积的 80%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 1255 公里。地球最核心一点的密度非
常大,位于地球最核心处的 1 立方英寸的体积的每一个面所承受的压力为 2 万吨,而这里的温度几乎和太阳表面的温度一样高。
3.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。1911 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。1.人们早已知道,如果 按水深约 1000 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 25000 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。
  2.从 650 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 4 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。
  1.根据大陆漂移理论,在 22500 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。
  2.据认为在大约 13000 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。
  3.在 6500 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。
4.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 5000 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


  1.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 1969 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 7 个大的板块 和至少有 20 个较小的板块。板块的厚度在 50~100 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。
2.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 64000 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。
  1.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。
  2.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。
  3.两个板块以海沟为界。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。
4.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。
5.两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。
6.两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。
  7.两个板块碰撞以后,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。
  8.两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”


  1.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。
  2.火山喷发有 5 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。1902 年,培雷火山就是以这 种方式喷发,摧毁了一座约 3 万人口的城市。
岩石的循环


  1.地壳中的岩石按成因可分为 3 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。
  2.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 3/4 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 20000 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。
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
  5.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。
  6.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。
  7.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。
  8.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。
  
  9.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。
  10.这是在公元前 6000 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。
  11.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。
  12 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。
1.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。
2.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。
3.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 42 万立方公里的水分,其中大部分又降落到海 洋中,只有约 3/10 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 38×15 升(1016 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 29000 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 1 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 2000 万年,大陆将会被流水侵 蚀成低平原。
  1.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。
  2.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 200 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。
  3.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 100 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 1 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 11000 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 1/10。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 80%。如果全世界的冰川都融 化,世界大洋的海面将升高 60 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 1500 米到 120 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 10 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 15 米,深
达 40 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。
  1.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。
  2.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。
  
  3.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。
  1.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 3500 万年前的渐新世时期沉积的砂质粘土和砂岩岩层中。
  2.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 2 米 多高,约有 5 米长,在开阔的平原上蹒跚地走来走去,以树叶和草本为食。
3.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。
4.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,3500 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。
  1.这是大约 5000 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。
  2.这是 25000 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。
3.这是大约 1 亿年前的白垩纪灰岩中钙化的藻礁,表明当时气候温暖。
  4.这是在大约 5000 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。
  5.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 3 万多个昆虫。 这层页岩是大约 3000 万年前在一个浅水湖中沉积的火山灰经压实而形成 的。
  6.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 45000 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。
7.3 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 4 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 1600 公里以上。大气层由 4 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,主要是由氧和氮构成的,云和天气变化都出现在这一层中。 对流层之上是平流层。平流层上界距地面 50 公里高。这一层是稳定的、干燥 的。平流层中有一层臭氧层。臭氧层起着保护作用,挡住了来自宇宙空间的 大部分短波辐射,使地球表面免于受到这些短波辐射的冲击。平流层之上是 电离层。电离层是由若干层能反射无线电波的电导层(D、E、F1、F2)所构 成。极光是电离层中的现象。极光好象是悬挂在极地上空的色彩变幻的帷幔。 大气层的最外一层叫外逸层或逸散层。这一层主要是由氢和氦等较轻的气体 构成。人类对这一层现在还所知甚少。这一层逐渐过渡为星际空间。
  大气层保护地球表面不受许多有害因素的伤害。如从外层空间以极高的 速度飞来的陨石,由于和大气层上层空气的摩擦,温度升高达到白热状态, 通常在距地面 50 公里以上的高度就已化为气体。再如,有许多形式的辐射不 能穿过大气层,但是可见光、红外光(热辐射)、一部分紫外光以及从宇宙 空间中来的无线电波则可以穿过大气层而到达地球表面。
  
A


  Ablation 消融 雪原、冰川、海冰等形态上的雪、粒雪(nēvē)或冰 的损耗。消融是由于下列原因造成的:(1)雨水和暖空气导致融化;(2) 蒸发(evapo- ration);(3)升华,即不经过液态阶段的蒸发,升华作用 在南极大陆起着特别重要的作用,在这里气温太低冰雪不能融化,但是湿度 却很低;(4)风蚀,即雪被风吹走;(5)崩解作用,冰山或较小的冰体从 末端伸入湖泊和海洋中的冰川上破裂脱离的过程。
  Abrasion 磨蚀 风力、流水、波浪和冰川等所携碎屑物对基岩进行的 机械磨损。亦即侵蚀或刻蚀辅之以对岩石的擦划(scratching)和冲蚀
(scouring)。象用砂纸将岩石打磨过一样,给留下平滑、光溜的表面。磨 损也表示碎屑物自身在搬运过程中的磨损,并因而变得越来越小。
Abstraction 袭夺 参见 Piracy(袭夺)条。
  Abyssal Hills 深海丘陵 深海盆地中的低缓的圆丘形的形态。它高 出周围的深海平原的高度可达 1000 米之多,它的底部的宽度可达几公里。深 海丘陵在所有大洋盆地中都有分布,但是在太平洋中分布最普遍,太平洋海 底几乎有一半面积是深海丘陵。在大西洋中脊的外缘,深海丘陵分布也很普 遍。深海丘陵的起源现在还不清楚。大多数海洋地质学家和地球物理学家赞 成火山起源说。但是,深海丘陵也有可能是沉积的物质经过紧实和成岩作用 而形成的。由于深海丘 陵有沉积盖层的覆盖,因此要取得构成深海丘陵的 基岩的样品是很困难的。
Abyssal Plain深海平原 深海中的平坦海底,根据某些作者的定义,
它的坡度小于 1∶1000。深海平原在所有大洋盆地以及许多陆间海如墨西哥 湾、北极海盆和地中海都有广泛分布。在海洋开发的早期,人们认为,从陆 缘向外的整个大洋盆地都是平坦的、单调的平原。现在已经知道,深海平原 所占面积还不到所有大洋盆地面积的一半。
大洋底部的原始地形可能是面积宽广的低矮的深海丘陵。然后,携带着
沉积物的浊流从大陆外缘向外流,导致海底丘陵之间的低地上沉积了细粒物 质。最后,这些沉积物把大洋底部广大面积上的深海丘陵完全给掩埋起来, 就形成了深海平原。
Abyssal Zone 深海带 深度在 2000—6000 米左右的大洋底部,包括
从大陆坡底部以下的所有地区,但不包括深海沟。深海海底也可以定义为大 洋底部,但不包括水温从来不高出 4℃的海沟的那部分洋底。
  深海带的总面积在 5 亿平方公里以上,超过地球表面任何其它地形所占 的面积。由于所处部位非常深,环境条件非常严酷,生活在这里的生物对这 里的环境条件具有特殊的适应性。总的来说,这里的环境条件相当均一。这 里的水温很低(0°—4℃),没有季节变化,盐度是稳定的,为海洋中的平 均盐度,即千分之三十五。海洋深处的压力为海洋表层压力的数千倍。生命 所需要的食物和氧是来自于海洋的上层。冷的水体的下沉是氧的唯一来源, 海洋上层沉落下来的有机体残片是食物的主要来源。
  以前人们曾认为,深海带没有生命。虽然与大陆架地区相比,深海带的 生命是贫乏的,但是就是在深海带的最深处,生命也是很丰富的。已发现在 这里有种类繁多的生物,包括海绵、腔肠动物、各种类型的蠕虫、甲壳动物、 棘皮动物、软体动物和脊椎动物。这里的生物个体都较小,呈呆板的褐黄色。
  
几乎所有类型的生命在这里都有它的代表。它们的食物主要来自上层的沉落 物。
  深海带的沉积物是颗粒非常均一的细粒物质。这些物质可能是陆源的(来 自于陆地的),或者是浮游生物的钙质甲壳或硅质甲壳所形成的淤泥。深海 带的沉积速度极慢,每 1000 年才堆积 1 厘米左右。
  Accessory Mineral 从属矿物 岩石中含量很少以致在岩石分类时可 以忽略的矿物。
  ACF Diagram ACF 图解 一种三角形图解,用来表示化学成分不同的 岩石经变质作用而产生的矿物组合(变质相)。已设计了几种图解,每种图 解表示出岩石在遭受一定范围的温度和压力影响下所形成的矿物。具有 A、C
和 F 顶角的等边三角形表示多数岩石中发现的最主要的化学组分。A 角表示
岩石中的 Al2O3+Fe2O3%;C 角表示 CaO%;F 角表示 Feo,Mgo,Mno%。由于
岩石中发现的其他化学组分不表示在图解上,在岩石成分被标绘之前,必须 作某些考虑。一个必要条件是 ACF 图解只可以用于二氧化硅足够丰富的岩 石,它不仅形成所有的硅酸盐矿物,而且也形成石英。
  Achondrite 无球粒陨石 一种石陨石,它缺乏球粒陨 石特有的那种 小球粒体。无球粒陨石比球粒陨石更少见。无球粒陨石由紫苏辉石、斜长石、 透辉石、橄榄石和少量的镍铁组成。
Acoustics,Underwater 水下声学 研究声音在水中的传播。声音在
淡水中传播的速度要比在空气中传播快得多(声音在淡水中传播的速度为每
秒 1455 米,在空气中传播为每秒 333 米)。但是在咸水中声音传播的速度增 加到每秒 1550 米,这是因为声音传播的速度受水的含盐度、温度和压力的影 响。如果温度、盐度和压力这三个变量的值增加,都会使声音传播的速度相 应的增加。声音传播的速度在温跃层(Thermocline)达到最大。
研究声波在水中传播的情况对于声纳的使用非常重要。如果水温是均一
的,声音传播速度随深度而增加,导致声波向表面折射或弯曲。然而由于温 跃层的存在,导致形成了一个声波消失带,这是由于位于温跃层的声源发出 的声音,其传播速度在两个方向上减少。因此在海战中,潜水艇沿温跃层运 动,可以避免被侦察出来。
水下声学应用得最广泛的方面可能是用于精确测量海深。根据声波从海
底的反射,可进行最精确的海深测量。因此,不同的海底对于所得到的反射 效果有很大影响:平滑而坚硬的海底所得到的反射效果最好;松软的表面不 规则海底则把声波吸收或散射。
Actinolite 阳起石 阳起石是一种含水的钙、镁和铁的硅酸盐矿物。
是 绿色的纤维状的角闪石,常常出现在结晶片岩里,与绿帘石和绿泥石共 生,阳起石的化学成分与透闪石相似,但是这种钙镁硅酸盐中至少含有 2% 的替代镁的铁。透闪石是白色的,而阳起石因含铁是绿色的。玉石中一种叫 软玉的是一种致密的透闪石—阳起石。参见 Mineral Prop- erties [矿物 性质]条,附录 4。
  Acute Bisectrix 锐角平分线 它是一个晶体中的结晶学方向,它平 分两个光轴之间的锐角,这个角是 2V,即光轴角。
  Adamantine Luster 金刚光泽 金刚光泽是金刚石具有的那种光泽。 Adiabatic Process 绝热过程 在和周围环境之间没 有热量交换或者 没有质量交换的情况下,一个系统的状态的变化。大气层中的许多重要现象
  
都和绝热变化有关。例如,在大气层的下层通常存在着温度随高度而递减, 主要就是由于空气绝热混合的结果。导致水蒸汽凝结、云和雨形成的降温作 用,主要是由于空气上升时温度下降的结果;晴朗的、干燥的天气通常是与 空气下沉引起的增温变干作用有关。上升空气的降温作用和下沉空气的增温 作用主要是由于空气的绝热膨胀和绝热压缩的结果。如果一个受到增温作用 或降温作用的系统通过辐射和传导与周围发生热量交换,那么就称之为非绝 热过程(diabaticprocess)。
  如果将装在一个容器内的气体压缩,而且该气体没有通过容器壁而损失 热量和得到热量,那么,这个气体就经历了绝热过程并且增温。该气体所增 加的热能等于压缩该气体所消耗的能量。在用自行车气筒用力打气时,筒内 空气温度升高,就是压缩变热的一个熟悉的例子。当一团气体在没有获得热 量也没有失去热量的情况下使其膨胀,该气体便绝热降温,所转化的热能等 于该气体在膨胀过程中克服周围的压力所做的功。从自行车轮胎的气门冲出 来的空气是冷的,就是由于膨胀导致降温的一个证据。
  大气层中某一高度上的气压是和位于该高度之上的空气柱的总质量成比 例的。因此,气压也和空气密度一样,是随着高度的增加而减小。当一团空 气上升时,由于周围压力不断减小,它的体积膨胀并降温。相反,当空气下 沉时,因周围大气压力不断增加而受到挤压,便绝热增温。若一团空气不含 有液态水,那么它在大气中上升时,以每一千米温度下降 9.8℃的干绝热速 率降温;若该空气做下沉运动,那么它将以同样速率增温。然而,如果上升 空气为水蒸汽所饱和,而且,随着空气的上升。水蒸汽的凝结作用一直继续 着,那么,这时降温的速率要小于干绝热速率,因为水蒸汽的凝结释放出的 潜热补充到该系统中。当下沉的空气含有能使空气中的水蒸汽一直保持着饱 和状态的液态水,那么,它的增温速率亦小于干绝热速率。
当一层很厚的含有水蒸汽的空气在大规模环流的作用下,迅速地翻过一
个山脉,那么,这团空气在上升过程中,在还没有出现凝结作用以前,一直 是以干绝热速率降温,在出现凝结作用以后,就以饱和水蒸汽的绝热速率降 温。如果出现了降水,那么空气在山脉的背风坡下沉时,它所含有的水量比 在迎风坡上升时少。含水量减少了的空气在下沉时就以干绝热速率增温,常 常下沉到很低的高度形成干热风。这种风是许多山区所特有的。在阿尔卑斯 山区,这种风被称为焚风,这个名称是大多数气象学家所熟悉的;在落基山 脉,这种风被称为钦诺克风。虽然空气在下降过程中可以通过辐射而散失热 量,但因为焚风通常是和气旋相联系的,气旋则能使一厚层空气在较短时间 内迅速翻过山脉,这样,与空气在迅速下沉过程中的增温相比,由辐射作用 所导致温度的下降是很小的。
绝热过程
  1.这是瑞士福里(La Fouly)地区的阿尔卑斯山.湿润空气在上升过程中 体积膨胀、降温、水汽凝结形成云。
  2.表示翻越山地的空气在上升和下沉过程中温度绝热变化的几个位置 点。
  3.含有水蒸汽的一团空气沿着山的一侧上升时,在水蒸汽没有发生凝结 以前,一直以干绝热速率降温,温度变化如图上的 A 点和 B 点之间,温度下 降的速度为每公里 9.8℃。这样,上升 2 公里后,气温就从 20℃降到 0.4℃。 当水蒸汽发生凝结以后,(在 B 点),如果空气继续上升,降温的速率就变
  
小,以饱和水蒸汽的绝热速率即每上升 1 公里温度下降 6.5℃的速率降温。 这样,B 点和 C 点之间,高度相差 1 公里,气温下降了 6.5℃,即从 0.4℃降 到—6.1℃。在 C 点,空气开始沿着山地的背风坡下沉,而温度开始升高。常 常在山顶处有降水发生,结果使空气在下沉时温度以干绝热速率增加(每公
里 9.8℃)这样从 C 点到 D 点高度相差 3 公里,温度升高 29.4℃,而它在上 升过程中温度统共下降 26.1℃,这样总的温度变化就升高 3.3℃。
  Adularia 冰长石 冰长石是一种无色的、透明至半透明的正长石的变 种。它通常以完好晶体的形式出现在岩脉里。它们虽属单斜晶系,但却出现 斜方的对称。
  Aerolite 石陨石 以硅酸盐矿物(silicate minerals)为主要成分 的石质陨石。
  Aftershock 余震 主震之后接连发生的地震。余震一般在地球内部发 生主震的同一地方发生。通常的情况是一个主震发生以后,紧跟着有一系列 余震,其强度都比主震小。余震的持续时间可达几天甚至几个月。
  Agate 玛瑙 玛瑙是一种细粒的石英变种,它由颜色上和透明度上有差 异的玉髓层交替而组成。常以空洞充填物的形式产出。单个的环带是同心地 排列的,并与空洞壁的形状相同。在不规则的空洞中形成的玛瑙囊的横切面 上,可表现出各种不寻常的特点,根据这些特点将玛瑙分别称之为:堡垒玛 瑙,美景玛瑙,星状玛瑙,睛玛瑙和角砾状玛瑙。玛瑙的本色变化范围从带 不同程度的灰白色到黑色,比较罕见的是浅红色、浅棕色、浅蓝色、浅绿色 或浅紫色。地衣状玛瑙是一种灰色到白色的半透明的玉髓,它包含有形状像 地衣的黑色的氧化锰和棕色的氧化铁。
玛瑙广泛地用作宝石和装饰品,当它们用作宝石和装饰品时,往往是经
过人工染色的。虽然其晶体结构与粗粒的结晶质的石英相同,但是玉髓的纤 维状性质允许它吸附染料。这种玛瑙首先切成所要的形状,然后浸泡在不同 的化学颜料或染料溶液中,溶液浸透玛瑙,并使其具有鲜艳的和持久的颜色。 尽管吸附可能是不均匀的,因为有些条带就比其他条带有更多的孔隙。
Age 期 是地质时间单位世的次级划分,也是现行采用的最小正式时间
单 。在期的时间内形成的岩层称为阶。
  Agglomerate 集块岩 一种火成碎屑岩,由火山岩碎块和凝灰岩为基质 固结而成。火山岩碎块有许多直径大于 32 毫米的圆块。集块岩没有明显的分 层,通常位于火山颈中。圆度较好的岩块为火山弹,圆度不好的石块可能是 由于有棱角的石块在火山喷发时磨擦的结果。由于大的石块不可能被抛到离 火山口很远的地方,所以集块岩的分布范围是有限的。集块岩和火山角砾岩 是完全不同的,前者是有许多圆的石块,而后者则是由许多角砾岩组成。
  Agglutinate 粘合集块岩 一种火成碎屑岩,主要是由从火山口喷出 的液体熔岩凝结而形成的岩块构成的。凝块在落地时有很大的塑性,后来的 凝块在凝固时能和先落地的凝块粘在一起。一块粘合集块岩通常是由熔岩喷 泉和熔岩帘形成的。参见 Spatter Cone[寄生熔岩锥,溅落熔岩锥]条。
  Aggradation(或 Alluviation)加积(滞积) 河水搬运过程中携 带物质的沉积。当搬运介质无力将碎屑物质往下搬运时,就将其堆积在河床、 坡麓或河漫滩上。
  原因各种各样。比如河流的坡降小了,泥沙多了,泥沙的粒径粗了,流 量减了,等等。加积率变化很大。
  
  尼罗河每年给河谷加积的厚度为 9 毫米,而底格里斯—幼发拉底河的年 沉积厚度为 18 毫米。美国西部半干旱地区,年沉积厚度可达 40 毫米。人的 活动对加积率也会有所影响。比如美国加利福尼亚州的水力采矿,可以使当 地河流的加积率提高一倍。
  A-horizon A 层 参见 Horizons,A-,B-,和 C-[A 层,B 层,C 层] 条。
  Air 空气 构成地球大气层的各种气体的混合物。纯净的空气被认为是 不包括气态的污染物质和其它污染物,也不包括悬浮的尘埃扣液态的或固态 水的质点。所谓干燥的空气就是能携带全部水蒸汽移动的空气。某些气体在 近海面处的纯净的、干燥的空气中保持着比较稳定的量。除了这些稳定的或 “恒定”的气体,大气层中还有一些变化着的气体。某些可变气体是自然界 本身产生的,但是有一些可变气体可以看作是污染的结果,是由于工业生产 或人类的其它活动而进入大气层中的。从气象学角度来说,最重要的可变气 体是水蒸汽、二氧化碳和臭氧。
  太阳系各元素的丰度表明,地球的原始大气层应该与今天的大气层完全 不同。地球原始大气层主要是由氢、氦和水蒸汽组成。氢和氦这样的较轻气 体,过去在逃逸,今天仍然在从大气层中逃逸,它们先是通过向上散逸到空 气密度很小的地方,在这里,有一定比例的分子不能遇到其它分子的碰撞, 并能逃脱地球引力场的作用。据认为,大部分水蒸汽和二氧化碳是地球内部 和地壳中的岩浆活动和变质作用释放出来而进入大气层中,也就是作为“多 余的挥发物”释放出来。水蒸汽凝聚形成了海洋,而二氧化碳则参与生命过 程以及作为石灰岩的组成部分而沉积下来。地球上的石灰岩含有巨量的碳酸 盐,人们因此认为,地球原始大气层中二氧化碳的密度是非常大的。今天的 大气层中存在着的大量的氮,其来源还不完全明瞭,但可能也是从岩石中释 放出来进入大气层中。由于氮具有惰性,还一直保持着元素的形式存在着; 由于它重,不能通过扩散而逃逸。现在在地球大气层中存在着的大量的氧, 某些科学家认为是水蒸汽在光的作用下经过光化学分解而形成;另外一些科 学家认为只是在最初氧还稀少的时候,是由光化学作用形成的,而现在大量 存在的氧是由植物光合作用形成的。
虽然在地质时期大气层中的气体发生了非常巨大的变化,但是在所有实
际工作中,可以把某些气体看做是稳定的。这类气体包括氮、氧、氩、氖、 氦、氪、氙、氢、一氧化二氮。在地球上距地面一百公里高度的大气层内任 何一点,这些气体的比例几乎都没有变化。这些稳定的气体保持着固定的比 例说明,在距地面 100 公里的高度内都存在着由空气的扰动运动所进行的机 械混合作用。如果没有混合作用,那么,随着高度的增加,重的气体比轻的 气体减少的更快,结果就会形成分层现象。卫星观测表明,在 100 公里以上, 气体开始出现分层现象。假设今天大气层中的氧是在过去一亿年内形成的, 那么,每 100 年中氧的变化只是现在大气层中氧的百万分之一;测量表明, 大气层中氧的含量的确有变化,在过去 60 年中,大气层中氧含量的变化小于
0.010%另一方面,造成空气污染的那些气体的变化是非常大的。 然而,与那些稳定的、无害的气体相比,造成空气污染的那些气体的含
量却是非常少的,通常用百万分之几来表示。其中最值得注意的有一氧化碳、 二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮和臭氧。这些气体在空间上和时间上的变化 是非常迅速的:在一小时内会发生百分之十以上的变化,在一个城市的不同
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