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第0章 地球科学导论1

0.1 什么是地球科学2

0.2 地球的圈层3

0.2.1 水圈4

0.2.2 大气圈4

0.2.3 生物圈5

0.2.4 岩石圈5

0.3 地球系统7

0.3.1 什么是系统7

0.3.2 各个部分的相互关联8

0.4 地球科学中的时间与空间尺度8

0.5 资源和环境问题10

0.5.1 资源10

0.5.2 环境问题11

0.6 科学探索的本质12

0.6.1 假说12

0.6.2 理论13

0.6.3 科学方法13

概念回顾14

思考题15

第1章 物质成分和矿物组成16

1.1 矿物：组成岩石的基本单元17

1.1.1 矿物的定义17

1.1.2 岩石的定义18

1.2 原子：矿物的结构单元19

1.2.1 质子、中子和电子的属性19

1.2.2 元素：由质子数决定20

1.3 原子结合的原因21

1.3.1 八隅规则与化学键21

1.3.2 离子键：电子转移21

1.3.3 共价键：共用电子22

1.3.4 金属键：电子自由移动23

1.4 矿物的物理性质23

1.4.1 光学性质23

1.4.2 晶体形态和结晶习性24

1.4.3 矿物强度24

1.4.4 密度和比重27

1.4.5 矿物的其他性质27

1.5 矿物分类28

1.5.1 硅酸盐矿物28

1.5.2 常见的浅色硅酸盐30

1.5.3 常见的暗色硅酸盐矿物31

1.5.4 重要的非硅酸盐矿物31

概念回顾33

思考题35

第2章 岩石：固体地球的物质36

2.1 地球系统：岩石循环37

2.1.1 基本循环37

2.1.2 其他途径37

2.2 火成岩：“浴火而生”39

2.2.1 从岩浆到结晶岩39

2.2.2 火成结构能告诉我们什么？40

2.2.3 火成岩的成分41

2.2.4 火成岩的分类41

2.2.5 不同火成岩的成因44

2.3 岩石风化形成沉积物45

2.3.1 机械风化作用46

2.3.2 化学风化作用47

2.4 沉积岩：压实和胶结的沉积物48

2.4.1 沉积岩分类49

2.4.2 沉积物的石化作用53

2.4.3 沉积岩的特征53

2.5 变质岩：由老变新的岩石54

2.5.1 变质作用的动力是什么？55

2.5.2 变质结构57

2.5.3 常见的变质岩石57

概念回顾59

思考题61

第3章 水成地貌63

3.1 地球的外力作用64

3.2 崩塌作用：重力作用的结果64

3.2.1 崩塌作用和地貌形成65

3.2.2 崩塌作用的控制和诱发67

3.2.3 无诱因的滑坡？68

3.3 水循环68

3.4 流动的水69

3.4.1 流域70

3.4.2 河流系统70

3.4.3 水系类型71

3.5 流速72

3.5.1 影响流速的因素73

3.5.2 从上游到下游的变化73

3.6 流水的作用74

3.6.1 河流侵蚀74

3.6.2 河流的搬运作用75

3.6.3 河流的沉积作用76

3.7 河道76

3.7.1 基岩河道76

3.7.2 冲积河道76

3.8 河谷的形态78

3.8.1 基准面和河流侵蚀78

3.8.2 深切河谷79

3.8.3 河谷拓宽80

3.8.4 基准面的变化和深切的河曲81

3.9 沉积地貌81

3.9.1 三角洲81

3.9.2 天然堤坝83

3.10 洪水与防洪83

3.10.1 洪水的成因83

3.10.2 防洪84

3.11 地下水：地表之下的水85

3.11.1 地下水的重要性85

3.11.2 地下水的地质作用86

3.11.3 地下水的分布86

3.11.4 影响地下水存储和运动的因素87

3.11.5 隔水层与含水层88

3.11.6 地下水的运动88

3.12 泉、井和承压系统88

3.12.1 泉89

3.12.2 井90

3.12.3 承压系统90

3.13 地下水的环境问题92

3.13.1 不可再生的地下水资源92

3.13.2 地下水开采引起的地面沉降93

3.13.3 地下水污染93

3.14 地下水的地质作用95

3.14.1 溶洞95

3.14.2 喀斯特地貌96

概念回顾98

思考题100

第4章 冰川与干旱地貌102

4.1 冰川：两个基本循环的一部分103

4.1.1 山岳（阿尔卑斯）冰川103

4.1.2 冰盖104

4.1.3 其他类型的冰川105

4.2 冰川如何移动105

4.2.1 观察并测量冰川的运动106

4.2.2 冰川的估算：增长与消融107

4.3 冰蚀作用108

4.3.1 冰川如何侵蚀108

4.3.2 冰蚀地貌109

4.4 冰川沉积111

4.4.1 冰碛物的类型111

4.4.2 冰碛石、冰水沉积平原和冰碛湖112

4.4.3 鼓丘、蛇丘和冰砾阜114

4.5 冰期冰川的其他作用115

4.6 冰期冰川作用的范围116

4.7 荒原117

4.7.1 干涸土地的分布与成因118

4.7.2 水在干旱气候中的作用120

4.8 盆地和山脉：多山荒漠地貌的演化121

4.9 风蚀作用122

4.9.1 风蚀、膨胀露头和沙漠砾石盖层123

4.9.2 风蚀作用125

4.10 风成沉积125

4.10.1 黄土125

4.10.2 沙丘125

概念回顾127

思考题129

第5章 板块构造论：一场科学的革命131

5.1 从大陆漂移说到板块构造论132

5.2 大陆漂移说：超越时代的一个想法133

5.2.1 证据：大陆拼图133

5.2.2 证据：跨海化石的吻合134

5.2.3 证据：岩石类型和地质特征135

5.2.4 证据：古气候135

5.3 大辩论137

5.4 板块构造论138

5.4.1 覆盖软流圈的刚性岩石圈138

5.4.2 地球的主要板块140

5.4.3 板块边界140

5.5 离散板块边界和海底扩张140

5.5.1 洋中脊和海底扩张140

5.5.2 大陆裂谷143

5.6 汇聚板块边界与俯冲作用143

5.6.1 洋-陆汇聚144

5.6.2 洋-洋汇聚145

5.6.3 陆-陆汇聚146

5.7 转换板块边界147

5.8 检验板块构造模型149

5.8.1 证据：大洋钻探149

5.8.2 证据：地幔柱和热点150

5.8.3 证据：古地磁学151

5.9 什么驱使板块运动？154

5.9.1 驱使板块运动的力154

5.9.2 板块-地幔对流模型156

5.10 板块和板块边界如何变化？157

5.10.1 泛大陆的裂解157

5.10.2 未来的板块构造158

概念回顾159

思考题162

第6章 动荡的地球：地震、地质构造和造山运动164

6.1 什么是地震165

6.1.1 探索地震的成因166

6.1.2 断层与地震167

6.2 地震学：地震波研究169

6.3 震源定位171

6.4 确定地震大小172

6.4.1 烈度表173

6.4.2 震级表173

6.5 地震的破坏作用176

6.5.1 火灾179

6.5.2 什么是海啸？179

6.6 地震带与板块边界181

6.7 地球内部182

6.7.1 地球分层结构的形成183

6.7.2 探索地球内部：“透视”地球的地震波183

6.8 地球圈层184

6.8.1 地壳184

6.8.2 地幔184

6.8.3 地核185

6.9 岩石变形185

6.9.1 岩石为什么变形185

6.9.2 岩石变形的类型185

6.10 褶皱：韧性变形构造186

6.10.1 背斜和向斜186

6.10.2 穹窿和盆地187

6.11 断层：脆性变形构造188

6.11.1 倾向滑移断层188

6.12 造山运动190

6.13 俯冲作用与造山运动191

6.13.1 岛弧型造山运动192

6.13.2 安第斯型造山运动192

6.14 碰撞造山带193

6.14.1 科迪勒拉型造山运动193

6.14.2 大陆碰撞：阿尔卑斯型造山运动194

概念回顾197

思考题200

第7章 火山及其他岩浆活动202

7.1 圣海伦火山和基拉韦厄火山203

7.2 火山喷发的性质204

7.2.1 影响黏度的因素204

7.2.2 宁静式和爆裂式火山喷发205

7.3 火山喷发期间挤出的物质206

7.3.1 熔岩流206

7.3.2 气体207

7.3.3 火成碎屑物207

7.4 火山结构209

7.5 盾状火山210

7.5.1 莫纳罗亚火山：地球上最大的盾状火山210

7.5.2 夏威夷基拉韦厄火山：喷发的盾状火山211

7.6 火山锥212

7.7 复式火山213

7.8 火山灾害214

7.8.1 火山碎屑流：致命的自然力量215

7.8.2 火山泥流：活跃和不活跃火山锥的火山泥流216

7.8.3 其他火山灾害216

7.9 其他火山地貌218

7.9.1 破火山口218

7.9.2 裂隙喷发和玄武岩高原220

7.9.3 火山颈和火山管道221

7.10 侵入岩浆活动221

7.10.1 侵入岩体的性质221

7.10.2 板状侵入岩体：岩墙和岩席222

7.10.3 块状侵入岩体：岩基、岩株和岩盖224

7.11 部分熔融和岩浆的成因224

7.11.1 部分熔融225

7.11.2 从固态岩石产生岩浆225

7.11.3 压力降低：减压熔融225

7.12 板块构造和火山活动227

7.12.1 汇聚板块边界的火山活动227

7.12.2 离散板块边界的火山活动229

7.12.3 板内火山活动229

概念回顾230

思考题233

第8章 地质年代235

8.1 地质学简史236

8.1.1 灾变论236

8.1.2 现代地质学的诞生237

8.1.3 当代地质学237

8.2 创建年代表——相对定年原理237

8.2.1 年代表的重要性237

8.2.2 绝对年代和相对年代238

8.2.3 叠加原理238

8.2.4 原始水平原理238

8.2.5 穿切关系原理239

8.2.6 包裹物原理239

8.2.7 不整合240

8.2.8 相对定年原理的应用241

8.3 化石：过去生命的证据243

8.3.1 化石类型243

8.3.2 保留化石的条件244

8.4 岩层对比244

8.4.1 有限区域内的对比245

8.4.2 化石对比245

8.5 放射性测年247

8.5.1 基本的原子结构回顾247

8.5.2 放射性247

8.5.3 半衰期248

8.5.4 使用不同的同位素249

8.5.5 C14测年249

8.6 地质年代表250

8.6.1 年代表的结构250

8.6.2 前寒武纪250

8.6.3 术语和地质年代表251

8.7 确定沉积岩的绝对年代252

概念回顾253

思考题254

第9章 海洋：最后的净土256

9.1 浩瀚的海洋世界257

9.1.1 海洋地理学257

9.1.2 对比海洋与大陆258

9.2 海水的构成258

9.2.1 盐度259

9.2.2 海盐的来源259

9.2.3 影响海水盐度的过程259

9.3 温度和密度随深度的变化260

9.3.1 温度变化261

9.3.2 密度变化261

9.3.3 海洋分层262

9.4 新兴的海底图像263

9.4.1 绘制海底地形图263

9.4.2 从太空绘制海底地形图264

9.4.3 海底地貌单元266

9.5 大陆边缘266

9.5.1 被动大陆边缘266

9.5.2 活动大陆边缘269

9.6 深海盆地的特征269

9.6.1 深海沟269

9.6.2 深海平原269

9.6.3 海底火山结构270

9.7 洋脊270

9.7.1 洋脊剖析270

9.7.2 洋脊抬升的原因271

9.8 海底沉积物272

9.8.1 海底沉积物的类型272

9.8.2 海底沉积物——气候数据宝库273

概念回顾274

思考题276

第10章 动荡的海洋278

10.1 海洋的表层环流279

10.1.1 洋流模式279

10.1.2 洋流影响气候281

10.2 上升流和深海环流282

10.2.1 海岸上升流282

10.2.2 深海环流283

10.3 海岸：一个动态界面284

10.4 波浪285

10.4.1 波浪的特征285

10.4.2 圆周运动286

10.4.3 碎波带的波浪286

10.5 海滩和海岸的形成过程287

10.5.1 波浪侵蚀288

10.5.2 海滩上的泥沙运动288

10.6 海岸的特点290

10.6.1 侵蚀的特点290

10.6.2 沉积特征291

10.6.3 不断变化的海岸292

10.7 海岸加固293

10.7.1 硬加固294

10.7.2 硬加固的替代方法295

10.8 美国海岸的比较296

10.8.1 大西洋和墨西哥湾海岸296

10.8.2 太平洋海岸297

10.8.3 海岸分类298

10.9 潮汐299

10.9.1 潮汐的成因300

10.9.2 月潮周期300

10.9.3 潮汐类型300

10.9.4 潮汐流301

概念回顾302

思考题304

第11章 大气加热306

11.1 关注大气307

11.1.1 美国的天气307

11.1.2 天气和气候307

11.2 大气的组成309

11.2.1 主要成分309

11.2.2 二氧化碳（CO2）310

11.2.3 变化的成分310

11.2.4 臭氧减少——一个全球性问题311

11.3 大气的垂向结构312

11.3.1 压力变化312

11.3.2 温度变化313

11.4 地日关系315

11.4.1 地球运动315

11.4.2 四季的成因315

11.4.3 地球的方向316

11.4.4 夏至／冬至和春分／秋分317

11.5 能量、热量和温度319

11.5.1 热传递方式：传导319

11.5.2 热传递方式：对流320

11.5.3 热传递方式：热辐射320

11.6 大气加热322

11.6.1 吸收太阳辐射发生了什么？322

11.6.2 反射和散射322

11.6.3 吸收323

11.6.4 大气层变暖：温室效应323

11.7 人类活动对全球气候的影响324

11.7.1 二氧化碳含量增加324

11.7.2 大气响应326

11.7.3 一些可能的后果326

11.8 气温数据327

11.9 影响气温的因素329

11.9.1 海陆分布329

11.9.2 海拔高度330

11.9.3 地理位置330

119.4 云量和反照率331

11.10 气温的全球分布332

概念回顾333

思考题335

第12章 湿度、云和降水337

12.1 水的相变338

12.1.1 冰、液态水和水汽338

12.1.2 潜热338

12.2 湿度：空气中的水汽340

12.2.1 饱和340

12.2.2 混合比341

12.2.3 相对湿度341

12.2.4 露点温度343

12.2.5 测量湿度343

12.3 云的形成基础：绝热冷却344

12.3.1 雾、露和云的形成344

12.3.2 绝热温度变化345

12.3.3 绝热冷却和凝结345

12.4 空气上升过程346

12.4.1 地形抬升346

12.4.2 锋面楔入347

12.4.3 局地对流抬升347

12.5 天气的形成：大气稳定度348

12.5.1 稳定度类型349

12.5.2 稳定度和日常天气350

12.6 凝结和云的形成351

12.7 雾354

12.7.1 冷却雾354

12.7.2 蒸发雾355

12.8 降水的形成357

12.8.1 冷云降水：伯杰龙过程358

12.8.2 暖云降水：碰并过程359

12.9 降水类型359

12.9.1 雨360

12.9.2 雪360

12.9.3 雨夹雪和冻雨360

12.9.4 冰雹360

12.9.5 雾凇361

12.10 降水的观测362

12.10.1 降雪测量362

12.10.2 天气雷达测量降水362

概念回顾363

思考题365

第13章 大气运动367

13.1 了解气压368

13.1.1 观察气压369

13.1.2 测量气压369

13.2 影响风的因素370

13.2.1 科里奥利力372

13.2.2 地面摩擦力373

13.3 高压与低压375

13.3.1 气旋风和反气旋风375

13.3.2 与高压和低压相关的天气376

13.4 大气环流377

13.4.1 地球不自转时的环流377

13.4.2 理想的全球环流377

13.4.3 大陆的影响378

13.4.4 西风带379

13.5 局地风380

13.5.1 陆风和海风380

13.5.2 山风和谷风380

13.5.3 钦诺克风和圣塔安娜风381

13.6 风的观测382

13.7 全球降水分布383

概念回顾384

思考题386

第14章 天气模式与恶劣天气387

14.1 气团388

14.1.1 气团是什么？388

14.1.2 气团的发源地388

14.1.3 与气团相关的天气389

14.2 锋面391

14.2.1 暖锋391

14.2.2 冷锋392

14.2.3 静止锋和锢囚锋393

14.3 中纬度气旋394

14.3.1 理想的中纬度气旋天气395

14.3.2 高空气流的作用396

14.4 雷暴397

14.4.1 名称的含义397

14.4.2 雷暴的形成398

14.4.3 雷暴发展的各个阶段399

14.5 龙卷风400

14.5.1 龙卷风的形成和发展401

14.5.2 龙卷风的破坏性403

14.5.3 龙卷风预报404

14.6 飓风405

14.6.1 飓风概况406

14.6.2 飓风的形成与消亡407

14.6.3 飓风的破坏性408

14.6.4 飓风跟踪410

概念回顾411

思考题413

第15章 太阳系的特点415

15.1 古代天文学416

15.1.1 天文学的黄金时代416

15.1.2 托勒密模型417

15.2 现代天文学的诞生419

15.2.1 哥白尼419

15.2.2 第谷420

15.2.3 开普勒420

15.2.4 伽利略422

15.2.5 牛顿424

15.3 太阳系概述425

15.3.1 星云说：太阳系的形成425

15.3.2 行星：内部结构和大气层427

15.3.3 行星碰撞429

15.4 地球的卫星——月球：古老地体的碎片430

15.5 类地行星433

15.5.1 水星：最靠内的行星433

15.5.2 金星：神秘的行星434

15.5.3 火星：红色的行星435

15.6 类木行星437

15.6.1 木星：天体的主宰437

15.6.2 土星：优雅的行星439

15.6.3 天王星和海王星：双胞胎441

15.7 太阳系中的小型天体442

15.7.1 小行星：剩下的星子443

15.7.2 彗星：“脏雪球”444

15.7.3 彗星的范围：柯伊伯带和奥尔特云带445

15.7.4 流星：地球的造访者445

15.7.5 矮行星447

概念回顾448

思考题450

第16章 系外宇宙452

16.1 宇宙453

16.1.1 宇宙有多大？453

16.1.2 宇宙简史454

16.2 星际物质：星星的温床455

16.2.1 亮星云455

16.2.2 暗星云457

16.3 星体分类：赫罗图457

16.4 恒星演化459

16.4.1 恒星的诞生459

16.4.2 原恒星阶段460

16.4.3 主序星阶段460

16.4.4 红巨星阶段460

16.4.5 燃尽和消亡阶段460

16.5 恒星残骸462

16.5.1 白矮星462

16.5.2 中子星462

16.5.3 黑洞463

16.6 星系和星团464

16.6.1 星系分类464

16.6.2 星团466

16.6.3 星团碰撞466

16.7 大爆炸理论467

16.7.1 宇宙扩张的证据467

16.7.2 大爆炸理论的预言468

16.7.3 宇宙的命运是什么？468

概念回顾468

思考题470

附录A 公制和英制单位的换算472

附录B 地球的网格系统474

附录C 相对湿度和露点温度对照表476

附录D 恒星的性质478

词汇表482