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文件大小：348.80 MB 地球系统与演变.pdf

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地球系统与演变
国家教材委员会首届“全国优秀教材二等奖”
作者:汪品先 等出版社:科学出版社出版时间:2022年03月

开 本：16开
纸 张：铜版纸
包 装：精装
是否套装：否
国际标准书号ISBN：9787030576040
所属分类：
图书>自然科学>地球科学>自然地理学

内容介绍

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。本书是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，*后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。全书以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。
目录

目录
第1章 地球系统的组成与起源 001
1.1 地球系统的圈层结构 002
1.1.1 地球系统的圈层及其构成 002
1.1.2 圈层中的环流和圈层界限 006
1.2 地球的起源 008
1.2.1 宇宙大爆炸和元素起源 008
1.2.2 太阳系和地球的形成 012
1.2.3 月球的碰撞产生和地球的岩浆海 013
1.3 地球圈层的分异 016
1.3.1 地核、地幔和地壳的形成 016
1.3.2 水圈与大气圈的形成 017
1.4 生命和光合作用的起源 019
1.4.1 生命起源的证据和理论 019
1.4.2 光合作用起源的探索 022
1.5 氧化大气圈的形成 024
1.5.1 大氧化事件 025
1.5.2 硫化氢海洋 027
参考文献 030
思考题 034
推荐阅读 035
第2章 地球表层与地幔 037
2.1 地壳的形成和板块运动 038
2.1.1 洋壳的产生与俯冲 039
2.1.2 大陆地壳及其古老性 043
2.1.3 大陆增生与“俯冲带加工厂” 046
2.1.4 陆壳形成期与形成机制之争 048
2.1.5 板块运动起源的假说 050
2.2 威尔逊旋回与超级大陆 052
2.2.1 联合大陆的聚合与瓦解 052
2.2.2 地质历史上的超级大陆 055
2.2.3 内大洋与外大洋的演变 059
2.3 地幔柱与大火成岩省 063
2.3.1 热点与地幔柱 063
2.3.2 大火成岩省 064
2.4 地幔环流及其两极性 067
2.4.1 地幔底部低速区的不均匀性 067
2.4.2 地幔环流与地球的东西两极结构 071
2.4.3 威尔逊旋回的前因与后果 073
2.4.4 西太平洋演变的深部原因 076
参考文献 079
思考题 084
推荐阅读 085
第3章 地球系统的水循环 087
3.1 水的特性与地球表面过程 088
3.2 地球系统中水的赋存 093
3.2.1 地球表层水的分布与变化 093
3.2.1.1 气态水 094
3.2.1.2 液态水 097
3.2.1.3 固态水 100
3.2.2 地球内部的水与板块运动 104
3.2.2.1 地球内部水的储量与分布 104
3.2.2.2 地球表层与内部的水交换 106
3.2.2.3 板块运动与水 107
3.3 地球表层系统的水循环 109
3.3.1 水循环的全球视野 109
3.3.2 水的三相转换与气候 112
3.3.2.1 气态与液态的转换 112
3.3.2.2 固态与液态的转换 118
3.3.2.3 三相转换的气候意义 124
3.4 追踪水循环的地质标志 125
3.4.1 水文循环中的氢、氧同位素分馏 125
3.4.2 水文循环的其他替代性标志 128
参考文献 131
思考题 138
推荐阅读 139
第4章 地球系统的碳循环 141
4.1 引言：温室气体与碳 142
4.2 地球系统各圈层中碳的赋存 143
4.2.1 大气圈 144
4.2.2 陆地生物圈 146
4.2.3 水圈 147
4.2.4 岩石圈与地球深部 148
4.2.5 碳储库与稳定同位素 149
4.3 地球表层系统的碳循环 151
4.3.1 寻找失踪的碳 151
4.3.2 表层海的碳汇与碳源 152
4.3.3 深层海的碳汇与碳源 154
4.3.4 陆地的碳汇与碳源 156
4.3.5 生命过程与水、碳循环 158
4.4 冰与碳：冰期旋回里的碳循环 159
4.4.1 海洋碳泵 160
4.4.2 陆地碳库 162
4.4.3 碳循环的时间尺度 163
4.5 地质碳储库的演变 164
4.5.1 地质碳储库 164
4.5.2 早期地球的碳储库演变 166
4.5.3 显生宙的碳储库演变 168
4.5.3.1 海洋碳同位素变化 168
4.5.3.2 海洋碳酸盐沉积 170
参考文献 173
思考题 178
推荐阅读 179
第5章 生物圈及其演化 181
5.1 重新认识生物圈 182
5.1.1 地球系统里的生物圈 182
5.1.2 微生物——地球生态系统的基础 183
5.1.2.1 微型光合生物 183
5.1.2.2 黑暗食物链和深部生物圈 186
5.1.2.3 微生物与地球系统科学 192
5.1.3 生物的重新分类 195
5.1.3.1 从形态分类到化学分类 195
5.1.3.2 真核生物的演化和分类 197
5.2 生产力与化学过程 202
5.2.1 新陈代谢途径的多样性 202
5.2.2 生源要素的循环 204
5.2.2.1 氮循环和碳循环 204
5.2.2.2 限制性营养元素：磷还是氮 207
5.2.2.3 硫循环和生源要素的耦合 210
5.2.3 生物泵和海洋有机碳 212
5.2.3.1 微生物碳泵和溶解有机碳 212
5.2.3.2 两种类型的碳循环 215
5.2.3.3 海洋有机碳库的演变 217
5.3 生物演化与地球系统 219
5.3.1 生物圈的发展 219
5.3.1.1 真核生物和多细胞生物的产生 219
5.3.1.2 底栖动物及其骨骼的出现 221
5.3.1.3 生物圈登陆 224
5.3.2 浮游生物演化与环境 224
参考文献 228
思考题 234
推荐阅读 235
第6章 构造尺度的演变 237
6.1 地球系统演变的时间尺度 238
6.1.1 能量和物质的转移 238
6.1.2 构造运动概念的变更 241
6.1.3 构造运动的时间尺度 244
6.2 海陆分布与环境演变 245
6.2.1 海陆分布的环境影响 245
6.2.2 海道启闭的环境效应 248
6.2.2.1 白令海道开启和北冰洋的演变 249
6.2.2.2 巴拿马和印尼海道关闭与大洋的不对称 253
6.2.2.3 德雷克和塔斯马尼亚海道开启与南极冰盖的形成 257
6.2.3 大陆破裂的环境效应 260
6.3 岩浆活动与环境演变 262
6.3.1 地幔柱与大洋缺氧事件 262
6.3.1.1 白垩纪大火成岩省 262
6.3.1.2 白垩纪缺氧事件 264
6.3.1.3 白垩纪环境变化 266
6.3.2 火山喷发与生物大灭绝 266
6.3.3 海底扩张与海水化学 270
6.4 地形改组与环境演变 274
6.4.1 古高度再造 275
6.4.2 地形和水系 275
6.4.3 剥蚀与沉积 278
参考文献 280
思考题 287
推荐阅读 288
第7章 轨道尺度的演变 291
7.1 地球上的周期性过程 292
7.1.1 循环，周期，韵律 292
7.1.2 冰期旋回及其轨道驱动的发现 294
7.1.3 地球过程中的天文因素 296
7.2 轨道驱动的气候变化 298
7.2.1 轨道参数的周期变化 298
7.2.1.1 斜率 299
7.2.1.2 偏心率与岁差 302
7.2.1.3 轨道参数的不稳定性 305
7.2.2 气候旋回的轨道驱动 306
7.2.2.1 冰期旋回的轨道驱动 307
7.2.2.2 低纬过程的轨道驱动 309
7.3 地球过程轨道驱动研究的发展 311
7.3.1 地质历史上的轨道周期 311
7.3.1.1 前第四纪的轨道周期 311
7.3.1.2 地质计时的天文标尺 314
7.3.2 轨道驱动的计算和应用 316
7.3.2.1 轨道驱动的计算问题 316
7.3.2.2 轨道驱动的机制研究 317
7.3.3 地球表层过程中的轨道因素 320
7.3.3.1 轨道驱动下的潮汐作用和海洋过程 320
7.3.3.2 轨道周期与内力作用 321
7.3.3.3 地外星球上的轨道周期 322
参考文献 326
思考题 332
推荐阅读 332
第8章 周期转型和气候突变 335
8.1 冰期旋回的多样性与跨冰期变化 336
8.1.1 冰期的多样性 336
8.1.2 间冰期的多样性 338
8.1.3 跨冰期变化 342
8.2 气候周期变化的转型 343
8.2.1 暖室期和冰室期的轨道周期 344
8.2.2 南极冰盖发育中的气候转型 346
8.2.3 北半球冰盖发育中的气候转型 348
8.3 气候环境的突变 352
8.3.1 冰消期的气候突变 352
8.3.1.1 末次冰消期 353
8.3.1.2 历次冰消期的比较 354
8.3.2 火山爆发事件 357
8.3.3 天体撞击事件 360
8.3.3.1 从微陨石到小行星 360
8.3.3.2 白垩纪末撞击事件与生物大灭绝 361
8.3.4 特大洪水事件 362
8.3.5 突发升温事件 366
参考文献 369
思考题 376
推荐阅读 377
第9章 人类尺度的演变 379
9.1 人类尺度环境变化的研究 380
9.1.1 人类尺度演变的记录载体 381
9.1.1.1 冰芯 381
9.1.1.2 纹层，石笋，珊瑚，树轮 383
9.1.2 人类尺度演变的测年方法 385
9.1.3 人类尺度演变的驱动机制 386
9.2 千年尺度演变的发现及其机理探索 387
9.2.1 冰芯记录的千年尺度变化 387
9.2.2 深海记录的千年尺度变化 388
9.2.3 石笋记录的千年尺度变化 391
9.2.4 “大洋传送带” 394
9.3 外因驱动下的人类尺度演变 399
9.3.1 轨道驱动的千年尺度变化 399
9.3.1.1 半岁差和1/4 岁差 399
9.3.1.2 潮汐作用与月球轨道周期 401
9.3.2 太阳活动周期与气候 405
9.3.2.1 太阳活动周期的发现 405
9.3.2.2 气候演变中的太阳活动周期 407
9.4 现代环境的周期变化 410
9.4.1 厄尔尼诺- 南方涛动 410
9.4.2 年际- 年代际尺度的气候涛动 412
参考文献 415
思考题 422
推荐阅读 423
第10章 全球变化与古环境研究 425
10.1 全球变化的提出与研究现状 426
10.1.1 全球变化科学问题的提出 426
10.1.2 全球变化与气候外交 428
10.1.3 全球变化的观测证据 430
10.1.4 全球变化研究的国际合作 433
10.1.4.1 国际研究计划的演进 433
10.1.4.2 国际地圈- 生物圈计划三十年 434
10.2 全球变化的科学问题与争论 437
10.2.1 温室效应的历史争论 437
10.2.2 围绕全球变化的科学争论 441
10.2.3 关于气候工程学的争论 443
10.2.4 关于地球未来的争论 444
10.3 全球变化与古环境研究 446
10.3.1 “人类世”——在“古”“今”之间拆墙 446
10.3.1.1 “人类世”的提出 446
10.3.1.2 “人类世”的争论 447
10.3.2 地质时期的全球变化 450
10.3.2.1 早新生代的高温期 451
10.3.2.2 高温期的全球变化 452
10.3.3 地外星球的全球变化 453
10.3.3.1 火星上的全球变化 453
10.3.3.2 金星的大气圈 456
10.3.3.3 外行星卫星上的全球变化 457
参考文献 460
思考题 468
推荐阅读 469
第11章 地球表层系统的定量研究 471
11.1 从定性到定量：地球科学的演变 472
11.1.1 地球科学定量化的起步 472
11.1.2 多元统计方法的应用 474
11.1.3 地球科学定量化的发展 477
11.2 地球表层的观测系统与数据管理 478
11.2.1 遥感观测平台 478
11.2.2 地面/ 海洋观测平台 480
11.2.3 海底观测平台 481
11.2.4 地球内部的观测 483
11.2.5 大数据和互联网 484
11.3 古环境定量再造与替代性标志 486
11.3.1 海水古温度——替代性标志的实例 486
11.3.2 替代性标志的应用和错用 490
11.3.3 替代性标志的发展前景 491
11.4 地球系统的数值模拟 492
11.4.1 数值模拟的产生 493
11.4.2 数值模拟的类型 494
11.4.3 地球系统模式 499
11.4.4 数值模拟的前景和局限性 502
参考文献 504
思考题 510
推荐阅读 510
第12章 探索地球系统的运行机制 513
12.1 地球科学的历程：从现象描述到机理探索 514
12.1.1 地球科学的视野 514
12.1.2 地球科学的理论探索 516
12.1.2.1 地球科学中的定律 516
12.1.2.2 19 世纪的进化论 517
12.1.2.3 20 世纪的活动论 518
12.1.3 寻求地球系统科学的理论 521
12.2 地球系统：理论探索的展望 523
12.2.1 行星循环和比较行星学 523
12.2.2 能量和熵 527
12.2.3 生物圈大电场 532
12.3 地球演变：变化历程与运行机制 536
12.3.1 从元素起源到生命产生 536
12.3.2 生物圈和地圈的协同演化 538
12.3.3 地球系统运行机制的探索 541
12.3.3.1 跨越时间尺度的现象 541
12.3.3.2 穿越空间圈层的交换 542
参考文献 543
思考题 547
推荐阅读 548
缩写名词 549
索引 554
在线试读

地球系统与演变
第1章 地球系统的组成与起源
理解地球系统的今天、预测它的明天，都需要知道它的昨天和前天。研究地球系统的演变、揭示其中的规律，先得了解地球系统的组成。本章从圈层结构和地球起源的简介入手，对地球的早期演化进行讨论，作为后面章节的引论。
1.1 地球系统的圈层结构
1.1.1 地球系统的圈层及其构成
在太阳系的各个行星中，地球的圈层*多。水星、火星、金星和地球四颗内行星，固态部分的圈层结构比较相近，都有铁质的地核、石质的地幔和地壳（图1-1）；而流态的部分却相差悬殊，只有地球才有水圈。金星、地球和火星都有大气圈，但火星的大气极为稀薄，大气压力只相当于地球上的0.007。金星的大气圈又太稠，大气压力比地球上高90倍。这种差别，既说明地球的特殊性，又反映出行星演化的阶段性。太阳系内行星形成的起点相近，而演化的结果只有地球至今保持了变化的活力和结构的多样性。比如火星在30亿年前曾经有过辉煌，有过火山和水圈的活动，形成过沉积岩。但是到地球太古宙晚期的时候，火星的这些活动都已经停止，即便几百万年前偶尔还有火山活动，至今偶尔还有流水的踪迹，却已经回天乏力，剩下一片荒凉。
图1-1 内行星与月球圈层结构的比较
地球的各个圈层中，人类历来只接触大气圈、水圈和岩石圈，常常将这三者叫做“表层系统”，甚至提倡建立“地球表层学”。这三者确实是传统地球科学的研究对象，通过“系统”的名称强调其间的相互关系，客观上是自然地理学的进一步发展。但是随着科学向地球内部推进，这种划分也受到挑战：岩石圈的下部本身就属于地幔，将“表层系统”的下界划在地幔的内部，非常不利于对地球表面过程的理解。其实站在人类的角度看，以我们所居住的地面为界，下面有地核、地幔和地壳，上面有水圈和大气圈，这就是地球所谓的“内圈层”和“外圈层”（图1-2）。
人类站在地面上谈论“天高地厚”，如果只指大气圈而且不包括没有明确外界的外逸层，那么“天高”可以算700 km；“地厚”是明确的，固体地球的半径是6370 km。两者相加，构成7000 多千米半径的星球，这就是地球系统。地球系统内部的物质按重力分异，重的在下、轻的在上，构成了地球的圈层。各个圈层的厚度和密度如附注1 所示。地球圈层密度变化*大的有两处：一处在地幔和地核之间，密度相差一个数量级；更大的差异在大气圈和地壳之间，差三个数量级。下面将要讲到，地幔与地核的分异、大气和大洋的产生，是地球圈层形成过程中*为重大的变化。
图1-2 地球的圈层结构 ( 图片来自维基百科，经编辑修改)
地球每个圈层的内部都有分层。地核主要由铁、镍元素组成，其密度高达9.7~16 g/cm3，使得地球整体密度超过5.5 g/cm3，成为太阳系里密度*大的行星。地核分内、外两部分，推测内核呈固态、外核呈液态。外核的温度在4000 ℃以上，内核超过5000 ℃，和太阳表面一样高。地幔由铁镁的硅酸盐组成，分上下两部分，上地幔400 km 厚，下地幔2200 km 厚，两者间有300 km 左右的过渡层。上地幔顶部和地壳合在一起组成板片参加板块运动，是地质学研究构造运动的对象，称为岩石圈，厚度在100 km 上下；在其下面的300 km 厚的上地幔称作软流圈，呈塑性状态能够黏滞变形，与上覆的岩石圈不同。在地幔中段的过渡带，地震波速突然增大，这里也是*深震源之所在。下地幔压力增大、地震波速加快，底层受地核物质的直接影响，称为D” 层，在地幔循环中起着重要作用。人们比较熟悉的是地壳，玄武岩质的洋壳和花岗岩质的陆壳厚度、结构都不相同（图1-3A）。洋壳在大洋中脊产生，上涌岩浆形成的玄武岩洋壳一边冷却一边向两边扩张，*后在板块俯冲带隐没，返回地幔（图1-3B）。但是这些板块运动的基本概念只是指的洋壳，不能用于大陆。陆壳成因更加复杂，我们将在第2章里进一步讨论。
水圈和大气圈内部，也都有明显的分层结构。从温度看，海洋有温跃层将上部的混合层与下部的海水主体分开；从光线和生物分布看，海洋可分为真光带、弱光带、半深海与深海，以及水深6000 m 之下的深渊带（Hadal Zone）。大气圈和我们关系*为密切的是离地面10~20 km 以内的对流层和向上直到 50 km 左右的平流层。前者是地球表面水文循环的场所，后者是臭氧层分布的位置。地面以上50~85 km 的中间层，是烧毁流星的高空，再向上直到700~800 km 的电离层，是在太阳高能辐射和宇宙线激励下，发生电离、产生极光的高空，并且温度上升，亦称为“热层”。更高的逃逸层只有稀少的粒子分布，密度比地表大气低十几个量级，与地外太空并无明显的界限（图1-4），地球的大气也从这里向太空逸散，好在这种过程相当缓慢：每秒钟全球总共散失将近3000 g 氢和50 g 氦（Catling and Zahnle，2009）。
地球的每一个圈层都有不止一门学科在研究，而地球系统科学的特点就在于穿越界限“上穷碧落下黄泉”，把各圈层串起来研究。当然，地球还可以分出更多的圈层。水圈的一部分结冰呈固态存在，有时候单独分出来称为冰圈。地壳顶层的土壤层，有时候也被称作土壤圈以强调其特色和重要性。其实谈论*多的圈层，应该是分布在地球表层与内部之间的“生物圈”，但是现在知道生物不但分布在整个水圈和地面，还可以渗透到地壳和大气圈的内部，不能看作地球结构的独立组成部分。
图1-4 大气圈内的分层
1.1.2 圈层中的环流和圈层界限
地球每个圈层都有自己三维空间里的环流，通常采用示意图表达。大气圈对流层里早已识别出各种方向的环流，如经圈方向的哈德雷环流、纬圈方向的沃克环流，这些环流反映了地球表层水汽循环的强度，决定着对流层顶的高度（图1-5A）。水圈里*大规模的环流，是大洋的温盐环流，其中研究*多的是大西洋的经向环流，决定着全大洋化学和生物环境的变化（图1-5B）。地幔环流从岩石圈到核幔边界，在地球表面的表现就是板块运动和地幔柱形成的“大型火成岩省”，是地球表层构造运动和岩浆活动的根源（图1-5C）。