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地质学 (一级学科)

admin 理工 2020-10-14 23:44:26
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地质学

 

(一级学科)

地质学(geology)是研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系,主要研究对象为地球的固体硬壳---地壳或岩石圈。作为研究地球及其演变的一门自然科学,地质学与数学、物理、化学、生物并列为自然科学五大基础学科。
地球自形成以来,经历了约46亿年的演化过程,进行过错综复杂的物理、化学变化,同时还受天文变化的影响,所以各个层圈均在不断演变。约在35亿年前,地球上出现了生命现象,于是生物成为一种地质营力。最晚在距今200~300万年前,开始有人类出现。人类为了生存和发展,一直在努力适应和改变周围的环境。利用坚硬岩石作为用具和工具,从矿石中提取铜、铁等金属,对人类社会的历史产生过划时代的影响。
地质学的产生源于人类社会对石油、煤炭、金属、非金属等矿产资源的需求,由地质学所指导的地质矿产资源勘探是人类社会生存与发展的根本源泉。随着社会生产力的发展,人类活动对地球的影响越来越大,地质环境对人类的制约作用也越来越明显。如何合理有效的利用地球资源、维护人类生存的环境,已成为当今世界所共同关注的问题。因此,地质学研究领域进一步拓展到人地相互作用。
中文名
地质学
外文名
geology
授予学位
理学学士
专业代码
070901
修业年限
4年

 

研究历史


人类对地质现象的观察和描述有着悠久的历史,但作为一门学科,地质学成熟的较晚。地质学的研究对象是
庞大的地球及其悠远的历史,这决定了这门学科具有特殊的复杂性。它是在不同学派、不同观点的争论中形成和发展起来的。

萌芽时期

(远古~公元1450年)
人类对岩石、矿物性质的认识可以追溯到远古时期。在中国,铜矿的开
雅丹地貌
采在两千多年前已达到可观的规模;春秋战国时期成书的《山海经》《禹贡》《管子》中的某些篇章,古希腊泰奥弗拉斯托斯的《石头论》都是人类对岩矿知识的最早总结。
在开矿及与地震、火山、洪水等自然灾害的斗争中,人们逐渐认识到地质作用,并进行思辨、猜测性的解释。我国古代的《诗经》中就记载了“高岸为谷、深谷为陵”的关于地壳变动的认识;古希腊的亚里士多德提出,海陆变迁是按一定的规律在一定的时期发生的;在中世纪时期,沈括对海陆变迁、古气候变化、化石的性质等都做出了较为正确的解释,朱熹也比较科学的揭示了化石的成因。

奠基时期

(公元1450~公元1750年)
文艺复兴为转机,人们对地球历史开始有了科学的解释。意大利的达·芬奇、丹麦的斯泰诺、英国的伍德沃德胡克等等,都对化石的成因作了论证。胡克还提出用化石来记述地球历史;斯泰诺提出地层层序律;在岩石学、矿物学方面,李时珍在《本草纲目》中记载了200多种矿物、岩石和化石;德国的阿格里科拉对矿物、矿脉生成过程和水在成矿过程中的作用的研究,开创了矿物学、矿床学的先河等等。

形成时期

(公元1750~公元1840年)
在英国工业革命、法国大革命启蒙思想的推动和影响下,科学考察和探险旅行在欧洲兴起。旅行和探险使得地壳成为直接研究的对象,使得人们对地球的研究从思辨性猜测,转变为以野外观察为主。同时,不同观点、不同学派的争论十分活跃,关于地层以及岩石成因的水成论火成论的争论在18世纪末变得尖锐起来。
德国的维尔纳是水成论的代表,他提出花岗岩玄武岩都是沉积而成的,并对岩层作了系统的划分。英国的赫顿提出要用自然过程来揭示地球的历史,以及地质过程“即看不到开始的痕迹,也没有结束的前景”的均变论思想。水火之争促进了地质学从宇宙起源论、自然历史和古老矿物学中分离出来,并逐渐形成了一门独立的学科。在中国,出现在17世纪的《徐霞客游记》也是对自然考察所获得的超越时代的成果。至1840年,底层划分的原则和方法已经确立,地质时代和地层系统基本建立起来。
而此时的矿物学沿着形态矿物学和矿物化学方向发展,美国丹纳的《矿物学系统》标志着经典矿物学的成熟;1829年,英国的尼科尔发明了偏光显微镜,使得显微岩石学的迅速发展成为可能;法国博蒙于1829年提出地球冷缩造山的收缩说,对近百年来的构造理论产生重大影响。
这样,有关地球历史的古生物学地层学,有关地壳物质组成的岩石学、矿物学,和有关地壳运动的构造地质理论所组成的地质学体系逐渐形成了。
19世纪上半叶,有关灾变论均变论的争论,对地质学思想方法产生了历史性的影响。居维叶是灾变论的主要代表,他提出地球历史上发生过多次灾变造成生物灭绝的观点。英国的莱伊尔是均变论的主要代表,他坚持“自然法则是始终一致”的观点,并提出以今论古的现实主义方法。在争论中,地质均变论逐渐成为百余年来地质学及其研究方法的正统观点。

发展时期


中国地质学家李四光
(公元1840~公元1910年)
随着工业化的发展,各工业国家都开展了区域地质调查工作,是地质学从区域地质向全球构造发展,并推动了地质学各分支学科的迅速建立和发展。
其中重要的有瑞士阿加西等人对冰川学的研究,以及英国艾里普拉特提出的地壳均衡理论;有关山脉形成的地槽学说,经过美国的霍尔和丹纳的努力最终确立起来;法国的贝特朗提出造山旋回概念;奥格对地槽类型的划分使造山理论更加完善;奥地利的休斯和俄国的卡尔宾斯基则对地台作了系统的研究;休斯的《地球的面貌》是19世纪地质学研究的总结,同时休斯用综合分析的方法,从全球的角度研究地壳运动在时间和空间上的关系,预示了20世纪地质学研究新时期的到来。

现代地质学


(公元1889年10月26日-1971年4月29日)
进入20世纪以来,社会和工业的发展,使得石油地质学、水文地质学和工程地质学陆续形成独立的分支学
科。在地质学各基础学科稳步发展的同时,由于各分支学科的相互渗透,数学、物理、化学等基础科学与地质学的结合,新技术方法的采用,导致了一系列边缘学科的出现。
地震波的研究揭示了固体地球的圈层构造以及洋壳与陆壳结构的区别;高温高压岩石实验研究,为人们认识地壳深处地质过程提供了较为可靠的依据。所有这些都促进了地质学研究从定性到定量的过渡,并向微观和宏观两个方向发展。
20世纪50~60年代,全球范围大规模的考察和探测,使地质学研究从浅部转向深部,从大陆转向海洋,海洋地质学有了迅速发展。同时古地磁学地热学重力测量都有重大进展,为新的全球构造理论的产生提供了科学依据。在这个基础上,德国的魏格纳于1915年提出的与传统海陆固定论相悖离的大陆漂移说得以复活。
20世纪60年代初,美国的赫斯、迪茨提出的海底扩展理论较好地说明了漂移的机制。加拿大的威尔逊提出转换断层,并创用板块一词。60年代中期美国的摩根、法国的勒皮雄等提出板块构造说,用以说明全球构造运动的基本理论,它标志着新地球观的形成,使现代地质学研究进入一个新阶段。

研究对象

地球与大气

地质学的研究对象是地球。地球包括固体地球及其外部的大气。
地质学与地理学的研究对象及其区别
固体地球包括最外层的地壳、中间的地幔地核三个主要的层圈。目前,主要是研究固体地球的上层,即地壳和地幔的上部。
地球的平均半径为6371公里。其核心可能是以铁、镍为主的金属,称为地核,半径约3400公里。在地核之外,是厚度近2900公里的地幔。地幔之外是薄厚不一的地壳,已知最厚处为75公里,最薄处仅5公里左右,平均厚度约35公里。
地核的内层是固体,也有科学家认为是在强大压力下原子壳层已被破坏的超固体。外层是具有液体性质的物质,还推测有电流在其中运动,被认为是地球磁场的本原。外层的厚度约为2220公里。
地幔下部是含有较多金属硫化物和氧化物的非晶体固体物质;地幔上部成份与橄榄岩大致相当;与地壳相接部分和地壳均具有刚硬的性质,合称为岩石圈,厚度约为60~120公里;在岩石圈之下为一层具有可塑性、可以缓慢流动、厚度约为100公里的软流圈。
地壳表面的海洋、湖泊、河流等水体约占地表总面积的74%。成液态的地表水与冻结在两极地区和高山上的冰川,以及土壤、岩石中的地下水,组成地球的水圈
地球的外层是大气圈。大气主要集中于高度不超过16公里的近地面中,成份以氮和氧为主。离地越远,大气越稀薄,而且成份也有变化。在100公里外,大气逐渐不能保持分子状态,而以带电粒子的形态出现,其稀薄程度超过人造的真空。带电粒子受到地球磁场的控制,形成能够阻挡来自太阳和宇宙带电粒子流冲击的电磁层。
地球的水圈和大气圈通过水的蒸发、凝结、降水和气体的溶解、挥发等方式互相渗透和影响。固体的地球界面上下,是大气和水活动的场所。岩石圈的物质也不断运动,并通过火山喷发的形式进入水圈和大气圈。地球各圈层的相互作用不断改变着地球的面貌。
地球的这些圈层,是由于其组成物质的重力差异作用而逐渐形成的。地球上的任何质点均受到地球引力惯性离心力的作用,这两种力的合力就是重力。地球表面重力吸住了大气和水,并对他们的运动产生了影响。

矿物和岩石


在地球的化学成分中,铁的含量最高(35%),其他元素依次为氧(30%)、硅(15%)、镁(13%)等。如果按地壳中所含元素计算,氧最多(46%),其他依次为硅(28%)、铝(8%)、铁(6%)、镁(4%)等。这些元素多形成化合物,少量为单质,它们的天然存在形式即为矿物。
矿物具有确定的或在一定范围内变化的化学成分和物理特征。组成矿物的元素,如果其原子多是按一定的形式在三维空间周期性重复排列,并具有自己的结构,那么就是晶体。晶体在外界条件适合的时候,其形态多表现为规则的几何多面体,但这种情况很少。
矿物在地壳中常以集合的形态存在,这种集合体可以由一种,也可以由多种矿物组成,这在地质学中被称为岩石。
地球中的矿物已知的有3300多种,常见的只有20多种,其中又以长石石英、辉石、闪石、云母、橄榄石、方解石、磁铁矿粘土矿物最最多,除方解石和磁铁矿外,它们的化学成分都以二氧化硅为主,石英全为二氧化硅组成,其余则均为硅酸盐矿物。
由硅酸盐溶浆凝结而成的火成岩构成了地壳的主体,按体积和重量计都最多。但地面最常见到的则是沉积岩(水成岩),它是早先形成的岩石破坏后,又经过物理或化学作用在地球表面的低凹部位沉积,经过压实、胶结再次硬化,形成具有层状结构特征的岩石。
在地壳中,在大大高于地表的温度和压力作用下,岩石的结构、构造或化学成分发生变化,形成不同于火成岩和沉积岩的变质岩。火成岩、沉积岩、变质岩是地球上岩石的三大类别。火成岩中的玄武岩、花岗岩是地球中最具代表性的岩石,是构成大陆的主要岩石。形成时代最早的花岗岩,年龄达39亿年,而玄武岩是构成海洋所覆盖的地壳的主要物质,均比较“年轻”,一般不超过2亿年。

地层和古生物化石


地层是以成层的岩石为主体,随时间推移而在地表低凹处形成的构造,是地质历史的重要纪录。狭义的地层专指已固结的成层的岩石,有时也包括尚未固结成岩的松散沉积物。依照沉积的先后,早形成的地层居下,晚形成的地层在上,这是地层层序关系的基本原理,称为地层层序律
地层在形成以后,由于受到地壳剧烈运动的影响,改变原来的位置,会产生倾斜甚至倒转,但只要能查明其形成和变形的时间,仍可以恢复其原始的层序。在同一时间,地球上各处环境不同,在不同环境中形成的地层各有特点。在地表的隆起部位,不仅不能形成新的地层,还会因受到剥蚀而使已经形成的地层消失。
因此,地层学是研究各地区地层的划分,确定地层的顺序和相邻地区地层在时间上的对比关系的专门学科。它是地质学的基础,也是地质学中最早形成的学科。
古生物是指在地质历史时期,在地球上生存过的各类生物,一般已经绝灭,它们的少量遗体和遗迹形成化石保存在地层中。通过研究这些化石,可以了解地质历史上生物的形态、构造和活动情况。
对各种古生物进行分类,可以认识生物的演化关系;依据地层中所含化石,可以断定地层的层序,生物演化的不可逆性和阶段性,使这种判断具有可靠的根据;古生物的分布和生活习性,还反映出当时地理环境的特点。古生物的研究是地质学也是生物学的重要组成部分。

地质构造和地质作用

地球表层的岩层和岩体,在形成过程及形成以后,都会受到各种地质作用力的影响,有的大体上保持了形成时的原始状态,有的则产生了形变。它们具有复杂的空间组合形态,即各种地质构造。断裂和褶皱是地质构造的两种最基本形式。
地球的岩石圈,已经并还在发生着全球规模的板块运动板块构造学是二十世纪地质学对地质构造及地质作用的新认识。其基本内容是,岩石圈是地球中最刚硬的部分,它飘浮在地幔中具有塑性、局部熔融、密度较大的软流圈之上。岩石圈中存在着许多很深很大的断裂,这些断裂把岩石圈分割成被称为板块的巨大块体,全球可分为六大板块
一般认为,主要是地球内部热的不均匀分布引起了物质对流运动,使岩石圈破裂成为板块。板块形成后继续运动,发生分离、碰撞等事件。地幔中的熔融物质沿板块间的拉张断裂带挤入,并不断向断裂两侧扩展,形成新的洋壳,而部分板块则随着载荷它的软流圈物质向下移动而消失于地幔之中。
板块运动被认为是使地壳表层发生位置移动,出现断裂、褶皱以及引起地震、岩浆活动和岩石变质等地质作用的总原因,这些地质作用总称为内力地质作用。内力地质作用改变着地壳的构造,同时为地貌的形成打下基础。
地质作用强烈地影响着气候以及水资源与土壤的分布,创造出了适于人类生存的环境。这种良好环境的出现,是地球大气圈水圈和岩石圈演化到一定阶段的产物。地球形成的初期,大气圈和水圈的成分、质量都和现代大不相同。例如,大气曾经历以二氧化碳为主的阶段,海水是约在10亿年前才具有今天的含盐度,生物最早出现在地球形成约10亿年以后等等。
地质作用也会给人带来危害,如地震、火山爆发、洪水泛滥等。人类无力改变地质作用的规律,但可以认识和运用这些规律,使之向有利于人的方向发展,防患于未然。如预报、预防地质灾害的发生,就有可能减轻损失。中国在古代就有“束水攻沙”,引黄河水灌溉淤田压碱等经验,是利用河流的地质作用取得成功的例子。

研究方法

地壳是一个极其复杂的研究对象,不但具有复杂的物质成分,不同的化学性质物理性质和各式各样的结构方式,而且在漫长的时间和广大的空间内,又都受到了一系列物理作用、化学作用甚至生物作用等综合的地质作用影响,不断地发生着错综复杂的物理和化学变化。
这些作用以及它们所呈现的各种地质现象之间,存在着互相制约、互相联系、互相转化的关系。它们的发生、发展和演化的规律,除具有普遍的特点之外,还常有一定的时间变异性和区域特殊性,因而不同地区具有不同的地质特征,蕴藏着不同种类、成分和规模的矿产。
地质学的另一特点是把空间与时间统一起来研究。现在能观察到的地球历史发展记录,主要保存在表层岩石内,按时间顺序层层堆积的地层中。由不同时代岩浆凝结而成的火成岩体,以及由早先形成的岩层岩体演变而成的变质建造,不同时期留下的构造变形遗迹等,是了解地球历史的基本材料。由于经过长期复杂的变动,这些史料已变得凌乱和有缺失,这是地质学研究的难点。
地壳中除了保存着各种地质变化的遗迹之外,还有记载着生物的演化和同位素的蜕变等其他科学方面的珍贵史料,它是地球的一系列复杂运动的结果,而这种运动现在还在进行着。对于地表以下较大深度的地质现象和地质作用,目前还只能通过地球物理等探测技术,来进行间接的推测和研究。
同物理、化学等基础科学比较,地质学研究具有较强的地域性、历史性和综合性。只有根据足够的实际资料,特别是根据足以充分说明空间和时间变化因素的丰富资料总结出来的地质学理论,才能有较广泛的适用性。
地质学的这些特点,决定了一般的地质研究必须通过一定比重的野外实际调查,配合相应的室内研究。野外调查和室内研究,构成一次观察、记录(包括制图)采样、初步综合、试验分析、总结提高以至复查验证的完整的地质研究过程。地质学研究在实质上都是对其研究对象的一次综合性调查研究过程。
随着生产和科学技术的发展,20世纪中叶以来地质学的研究中引入了大量的新技术、新方法,如不同的地球物理勘探方法、地球化学勘察方法、科学深钻技术、同位素地质方法、航空以及遥感地质方法、现代电子计算机技术、高温高压模拟试验等的采用。
物理、化学等基础科学新的成就的引用,地球物理、地球化学、数学地质、宇宙地质学等地质科学中边缘学科的进一步发展,推动了地质学的发展,同时使地质学的方法不断地革新。

主干课程

人类对地质的认识,首先是从被视为静止物体的矿物和岩石的研究开始的。通过保存在地层中的古生物化石的研究,提出了古生物学的理论与方法,并运用于划分地层,把历史的观念引入了地质学。
除了地质学以外涉及地球科学的还有地理学(geography)、生物学(biology)、气象学(meteorology)、天文学(astronomy)等。地质学着重研究地下,地理学着重研究地表,生物学着重研究地表有机界,气象学着重研究

地球的大气圈,天文学着重研究天体并从天体的角度研究地球及地球的起源。地球,包括固体地球及环绕着它并与其密切联系,相互影响的水、生物与大气,是一个复杂的天体,需要从不同的侧面对它加以研究,研究成果都有着密切的联系。
天文学的成果,特别是科学的天体演化假说的提出,使人类对地球的现状和历史演变的认识,提高到能够建立一个比较合乎逻辑的完整体系的程度。继天文学、生物学之后,物理学和化学的成果也为地质学的创立和发展提供了条件,使地质学发展成为自然科学的一大支柱。
早期的地质学以研究地壳表层某个地区的岩石为基础,矿物学、岩石学、地层学及古生物学、构造地质学区域地质学都是在此基础上建立起来的。历史地质学则是概括这些地质实体的发展历史的综合性学科。
地质学与物理学、化学结合而产生的地球物理学、地球化学,是地球科学的重要支柱,也是推动地质学向现代科学水平发展的重要方面。
现代地质学把地球作为一次整体来研究,20世纪60年代出现的板块构造说,就是吸收了地震研究、海洋地质调查和古地碰研究等方面的最新科学成果,较好地解释了全球构造问题。

学科分支

至20世纪80年代,地质学已发展成为包含有下列分支学科的理论体系。这些分支学科大体可分为两类:一类是探讨基本事实和原理的基础学科;一类是这些基础学科与生产或其他学科结合而形成的学科。

矿物学


是研究矿物的化学成分、内部结构、形态、性质、成因、产状,共生组合、变化条件、用途以及它们之间的相互关系的学科。

岩石学


是研究岩石的物质成分、结构、构造、形成条件、分布规律、成因、成矿关系以及岩石的演变历史和演变规律的学科。

矿床地质学


是研究人类可利用的矿产资源聚集体-矿床的特征、成因、分布规律及其工业意义的学科。

地球化学

是研究地球各圈层和各种地质体的化学组成、化学作用和化学演化,探讨化学元素及其同位素的分布、存在形式、共生组合、集中分散及迁移循环的规律的学科。
以地质作用及其留下的形迹为主要研究对象的学科包括下列各分支。

动力地质学

是研究各种地质作用,包括引起这些作用的动力在地球各圈层活动的规律的学科。火山地质学、地震地质学、冰川地质学等均属这个学科中有特殊内容的分支。

构造地质学


是研究地球岩石圈的构造变形,包括断裂、褶皱等各种构造形迹及不同类型构造单元的分布、形成、演化和发展,是从总体上研究地质体的构造在时间上及空间上的发展规律及成固和动力来源的学科。大地构造学也属于构造地质学范畴。

地貌学


地质学
是研究地表形态特征及其发生、发展和分布的规律的学科。又称地形学,是地质学与自然地理学之间的边缘学科。
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