地球科学概论（一）：1

地球科学概论
孙立广
中国科技大学地球与空间科学学院
本堂课内容
1,地球科学的目标
2,为什么学习“地球科学概论”
3,地球科学的科学位置与框架
4,应用地球科学
5,地学发展简史
6,地球科学发展趋势
7,中国地球科学的发展现状
8,环境科学
9.,十五, 期间优先资助领域
10,极地科学
1,地球科学的目标
四大起源问题
判断：求知欲与生存的需要
学科建设：在边缘上寻找生长点
“问题地球科学”
2,为什么学习, 地球科学概论,
基本素质的需要
宏观更宏微观更微，“拆 0”与“组
装”
建立科学的思维方式
值得一学吗？认识,关心,重建,拯救
3,地球科学的科学位置与框架
科学的概念
致知在格物，格物而后知玉,
---,礼记,大学,
天演论－严复将 science译为科
学。什么是科学？
什么是科学？
?百科全书：科学是对现实世界规律
的不断深入认识的过程。
?爱因斯坦：设法将我们杂乱无章的
感觉经验加以整理，使之符合逻辑
上前后一致的系统。
?李政道：科学是对自然现象的准确
抽象。
框架
GEO,
PHYSI,CHEMI,
BIO,
物理化学
古
生
物
古
气
候
地球科学框架
固体地球科学：地质学，地球物理
学，地球化学，大地测量学
大气科学：大气物理，大气化学，
大气动力学
海洋科学
土壤科学
环境科学
C.S.H
Composition(组成 ):岩石学,矿物学,
地球化学,同位素地球化学,
Structure(构造 )：地球物理学,构造
地质学,全球构造,
History(历史 )：地史学,古生物学,全
球变化,
4,应用
?矿床学
?工程地质学
?地震地质学
?环境地质学
5,地学发展简史
1735年 Geology-----1790 课堂
水火不相容,Hutton －火成论
Werner －水成论
均变与灾变,C.lyell 1830,地质学原理,
Cuvier (灾变论 )
固定论与活动论,Ъелоусов
Wilson
学术论争
? 学术论争的必要性
? 非学术论争的不必要性
6,地球科学发展趋势
? 全球化趋势,
GIS 数字地球
观测网络 数据共享
层圈无国界 相互关联的整体系统
多学科跨部门的综合研究：国际性研究计划
世界气候研究计划（ WCRP）
国际地圈生物圈计划（ IGBP）
全球环境变化的人类因素计划（ HDP）
国际岩石圈计划（ ILP）
深海钻探计划 /大洋钻探计划（ DSDP/ODP）
全球海洋生态系统动力学研究（ GLOBEC）
世界大洋环流实验计划（ WOCE）
学科之间的交叉,2.7K,质子加速器
界面过程的研究,Sr/Ba,海 -气交换，
水岩，冰上、冰下
0 25 50 75
0.0
0.3
0.6
S
(%
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
8
16
P
2
O
5
(%)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
8
16
Ca
O
(%
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
400
800
Cu
(p
.
p
.
m.
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
300
600
900
Zn (p.p.m
.)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
15
30
45
Se
(p
.
p
.
m.
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
600
1,200
1,800
Sr
(p
.
p
.
m.
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
80
160
240
Ba
(p
.
p
.
m.
)
De p t h (c m)
0 25 50 75
0
4,000
8,000
12,000
F (p.p.m
.)
De p t h (c m)
0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
0,6
0,9
Loadings
F
or F
actor 2
Y ears be fore prese nt
0.4
0.6
0.8
300
600
900
Loadings
Pr
ec
ipit
at
ion
Fo
r Fa
cto
r 1
(m
m
)
0 25 50 75
-24
-16
-8
δ
13
C( ‰
)
De pth(c m)
0 10 20 30 40 50 60 70
0.0
0.2
0.4
0.6
2
4
6
8
B/Ga
Sr/Ba
比值
深度 (c m)
深度
B/
Ga
Sr
/B
a
1￡ ±a 2′ íá 3á oy ?? ￡¨ H F 4 ￡? μ? °3 ?è ?μ ó? ?ˉ 1? á? μ? ?? ?μ
-160.00
-140.00
-120.00
-100.00
-80.00
-60.00
-40.00
-20.00
0.00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
é? ?è ￡¨cm￡ ?
°3?
è
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Hg(10-9g/g)
·ê ′? °3? è Hg
6,地球科学发展趋势 (续 )
?研究功能－社会服务（研究功能的动
力）,找矿，社会型，环境型，气象计划
?关键区域：南北极，青藏高原，黄土高
原，洋脊，地幔热柱，大陆架和大陆内
部的碰撞带
?典型现象：厄尔尼诺，酸雨，臭氧空洞，
海平面变化，洋底锰结核，黄土，温室
效应 CO2 280-353ppm (1800-1990)
N2O 285-315ppbv (1800-1999)
CH4 0.7-1.72ppm (1800-1990)
6,地球科学发展趋势 (续 )
?从数值模拟向预测发展
?高新技术的应用, 遥感，深部探测
?非线性应用,0.618在地学上的局限性
?微观地球科学：电镜，隧道电子显微镜，
分子生物学，纳米科学，同步辐射加速器，
质子加速器。
地球科学的革命 —— 板块构造有待微观地
球科学的发展：分子古生物学，结构矿物学，
纳米环境地球化学，元素和同位素地球化学等。
6,地球科学发展趋势 (续 )
? 行星科学，月球地质学与空间发展计划
?协调人与自然关系：环境地质，环境地
球化学，环境工程地质
三门峡大坝的警示作用
15.3亿吨（ 1960），淹地 25万顷,50亿吨
（ 1962）黄万里 ----小人物：温善章（ 1956）
758事件
板桥,石漫滩水库,6亿 m3
7,中国地球科学的发展现状
8,环境科学
环境科学的研究对象是与人类活动
有关的自然环境质量的变化，环境科学
是探讨人类社会生态与自然生态的相互
作用与平衡的科学。
自 然 科 学
社 会 科 学
技 术 科 学
数学,物理
学,化学,天文学,
地学,生物学
经 法 管 政 教 社 史 心 情 统 济 学 理 治 育 会 学 理 报
计
学 学 学 学 学 学 学
学
给 动 公 土 机 矿 电 材 医 排 力 共 木 械 业 子 料学
水 工 卫 工 工 工 技 科
工 程 生 程 程 程 术 学
程 工
程
环 境 科 学
环环 环环环 环环环 环 环环环环 环
境境 境境境 境境境 境 境境境境 境
物化 地生医 经法管 教 科心情统 工
理学 学物学 济学理 育 学理报计 程
学 学 学 学 学 史学学学 学
环环 环污环 环 环
境境 境染境 境 境
声分 地生毒 经 系
学析 质态理 济 统
化学 学学生 工
学 态 程
学
9,地球科学的优先发展领域
(1) 全球变化及其区域响应
(2) 地球环境与生命过程
(3) 天气、气候系统的物理动力学
(4) 大陆动力学
(5) 区域可持续发展
(6) 日地空间环境与空间天气
⑺ 地球系统探测新原理与新技术
10,极地科学
全球变化
海平面变化；
气候与生态演变；
-325
-320
-315
-310
0 500 1000 1500 2000 2500
A
0 500 1000 1500 2000 2500
B
海豹数量
海冰面积
距今年龄 (年 )
增多
1500年海豹数量与环境演变
海豹数量
海冰面积
增多
企鹅生态模型
A
B
a
b
c
Seacoast
Passage
Passage
|á
C B
D
E
A A
|á
|á
（ a）
（ b）
（ c）
Dark black clay with many liv ing mosses
The lark clay and grav el debris with
little moss relict
Black sediments impacted by penguin droppings with little moss relict The moss humus
Black organic mud with grav el debris
f rom the nesting sites
The mud impacted by penguin
droppings with much moss relict
Hardy sedimentary lay er f rom penguin droppings with little moss relict The grav el debris f rom the nesting sites with the clay and much moss relict
α
AD3 G AD4
d
b
AD4
0cm
10cm
29cm
23cm
4cm
2 4 6 8 10
P 2 O 5 ( % )
250 350 450 550
S r ( p p m )
400 1200 2000
F ( p p m )
0
5
10
15
20
25
30
50 100 150 200
Z n (p p p m )
de
pt
h￡¨
cm
￡?
3 6 9
S e ( p p m )
60 160 260
C u ( p p m )
0cm
10cm
19cm
AD3
a
1 2 3 4 5
P 2 O 5 ( % )
350 450 550
S r ( p p m )
300 1100 1900
F ( p p m )
0
4
8
12
16
20
80 120 160 200
Z n ( p p m )
de
pt
h￡¨
cm
￡?
1 2 3 4
S e ( p p m )
120 180 240
C u ( p p m )
0c m
11cm
54cm
27cm
35cm
48cm
c
G
0
10
20
30
40
50
0 2 4
P 2 O 5 ￡¨ % ￡?
d
e
p
th
￡¨
cm
￡?
2 4 6 8
C a O ￡¨ % ￡?
0 200 400 600
Sr ￡¨ ppm ￡?
0 2000 4000
F ￡¨ ppm ￡?
5 0, 0 1 3 0, 0 2 1 0, 0
Zn ￡¨ ppm ￡?
5 0, 0 3 0 0, 0 5 5 0, 0
Cu ￡¨ ppm ￡?
Abandoned penguin rookery
Active penguin rookery
Ancient penguin active area
Modern penguin active area Ancient tundra vegetation
Modern tundra vegetation
The mud of penguin droppings The clay w ith rotten mosses Black clay impacted by penguin droppings w ith little moss relict
BL1
BL3
BL4
d
a
0
5
10
15
20
25
0 400 800
F ￡¨ ppm ￡?
de
pt
h
￡¨
cm
￡?
1000 2000 3000
S ￡¨ ppm ￡?
20 70 120
Zn ￡¨ ppm ￡?
2 3 4 5 6
C a O ￡¨ % ￡?
150 200 250
S r ( p p m )
0 c m
5 c m
2 4 c m
1 4 c m
BL1
BL3
b
1 2 3
P 2 O 5 ￡¨ % ￡?
100 140 180
Ba ￡¨ ppm ￡?
100 140 180
Sr ￡¨ ppm ￡?
0
2
4
6
8
10
12
14
16
90 170 250
F ￡¨ ppm ￡?
de
pt
h￡¨
cm
￡?
30 50
Zn ￡¨ ppm ￡?
80 100 120
Cu ￡¨ ppm ￡?
0cm
3cm
10cm
14cm
BL4
c
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12
Se ￡¨ ppm ￡?
de
pt
h￡¨
cm
￡?
20 70 120 170
Zn ￡¨ ppm ￡?
900 2400 3900
S ￡¨ ppm ￡?
300 1100 1900
F ￡¨ ppm ￡?
200 400 600
Sr ￡¨ ppm ￡?
1 2 3 4 5
P 2 O 5 ￡¨ ppm ￡?
0cm
3cm
23cm
人类活动污染记录
0
0.5
1
0500100015002000
A.D.
Con.(%)
2
4
6
8
10
0 500 1000 1500 2000
Years B.P.
Cal.Hg
Y2
(ng g
-1
)
500
1000
1500
2000
Hg(ng g
-1
)
0
10
20
30
40
50
Cal.Hg
HF4
(ng g
-1
)
R o m e f a l l
R o m e ￡| H a n p e r,
I s l a m i c / S u i T,
C h r i s t i a n / I n c a s
N e w W o r l d
I n d, W a r
S i l v e r e x h,
￠ù
M o d e r n
a
b
c
d
Black death
南极海豹毛中的古文明记录
pl um e mu sc le bra in liver dro p,fat egg
0
2
4
6
8
H
C
H
s(ng/g
)
a
① ②
②
②
⑥
⑤
plume d ro p, m u s c l e b ra i n l i v e r egg blood fa t
0
10
20
30
100
150
200
250
300
350
400
D
D
T
s
(n
g/
g)
①
②
② ②
③
④
⑤
b
南极生物粪中的 666,DDT(Environmental Pollution,2003,in press)
羽毛 肌肉 大脑 肝 粪 脂肪 蛋 羽毛 粪 肌肉大脑 肝 蛋 血液 脂肪
北极湖泊记
录的 DDT
南极地质状况与矿产探查
北极研究