地球係統與海底科學
地球的基礎知識
地球的宇宙環境
宇宙是空間、時間無限的物質世界，目前人類觀測到的宇宙範圍叫做總星係，半徑約150億光年。總星係中約有10億個星係。星係有大有小，小者有幾萬顆恒星，大者有上千億顆恒星。太陽所在的星係叫做銀河係。
宇宙是由各種形態的天體和電磁波等物質組成的，天體常常聚集成一個個天體群或集團，通稱為天體係統。天體係統有不同的級別，如地球與繞之運轉的月球、小行星、人造衛星等組成較低級的地-月係統，太陽與繞之運轉的地球及其他行星則組成較高一級的太陽係。
太陽是一顆普通的恒星，是太陽係內唯一發光發熱的最大質量天體，其質量占太陽係總質量的99.8％，對地球和整個太陽係都有著極大影響。行星是環繞恒星運轉而本身不發光的天體。太陽吸引著九大行星(按與太陽由近及遠的距離依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星)、50顆衛星、2000多顆小行星以及600多顆彗星繞其運行(圖2—1)。
九大行星體積大小相差懸殊，最大的木星比最小的水星大73500倍；與地球相比，水星體積相當於地球的0.056，木星則為1313.5。按特征可把九大行星分為兩類：離太陽較近的水星、金星、地球和火星物理性質與地球相似，稱為“類地行星”，它們體積較小、密度較大、衛星較少，表層為固體，重元素較多；離太陽較遠的木星、土星、天王星和海王星的物理特征近似木星，稱為“類木行星”，它們體積大、密度小、衛星較多，無固體表麵，輕元素(特別是氣體元素)較多。冥王星距太陽最遠，其物理性質尚不甚清楚。太陽係目前以冥王星軌道為邊界，直徑為118×108km，太陽發出的光需要5.5小時才能穿出太陽係。
月球是地球唯一的天然衛星，其半徑為1738km，質量為7.35×l022kg，平均密度3.34×103kg/m3。分別相當於地球的27.1%、1.2%、60.6%，距地球38.44×104km。月球上沒有水，大氣也極稀薄，還不到地球海平麵大氣密度的10-12，因此沒有生物，也沒有風雲雨雪等天氣現象。在地月係中，像月球如此之大的衛星是絕無僅有的。地月係的中心天體是地球，地球運動多方麵受著月球的影響，地球上的天文地理現象，如日月食和潮汐，也主要與月球有關。
在無限的宇宙空間中，地球隻不過是滄海之一粟，它處在永不止息的運動中。地球的運動有多種形式，其中最顯著的是自轉和公轉。地球繞著通過地心的地軸的旋轉稱為自轉。地球自轉會產生一係列後果。其中最顯著的是天體的周日視運動，其次是與運動相關的一種慣性力，稱為地轉偏向力或科氏力。一般認為，地球公轉就是地球環繞太陽的運動。事實上，地球公轉既是地球和太陽環繞日地共同質心的運動，也是地球和月球環繞地月共同質心的運動。地球上的潮汐，主要是在月球和地球的相互公轉過程中發生的，沒有公轉也就無所謂潮汐現象。
地球的形狀
地球的形狀一般是指全球靜止海麵的形狀，即一個等位勢麵的形狀。全球靜止海麵是既不考慮地表海陸差異、也不考慮陸、海地勢起伏時的海麵。它在海洋中是不考慮波浪、潮汐和海流的存在、海水完全靜止時的海麵；它在大陸上是靜止海麵向大陸之下延伸的假想“海麵”。兩者總稱大地水準麵，是陸上高程的起算麵。理想的地球形狀就是大地水準麵的形狀。事實上，大地水準麵隻能反映地球的宏觀輪廓，而不能反映地表起伏的細微變化。
假定地球是靜止的，且組成地球的物質密度是均勻的，由於地心引力作用，其形狀應該是正球體。但地球不停地沿地軸自西向東自轉，由此產生的慣性離心力將使地球沿赤道麵向外膨脹，沿地軸向內收縮；又由於地球內部物質密度(不論縱向還是橫向)的不均勻性，結果使地球呈現為不規則的旋轉橢球體。
根據人造衛星運行軌道分析測算的結果，地球是一個梨形的球體(圖2-2)。與標準橢球體相比，南極大陸凹進24m，北極高出14m，赤道至45°N間向內凹進，赤道至60°S間向外凸出(圖2-2)。第16屆國際大地測量和地球物理協會根據人造地球衛星的測量資料修訂了地球形狀的參數(表2-1)，並推薦由這組參數表示的旋轉橢球體作為大地測量的參考麵。
表2-1表示地球形狀的主要參數
精確的地球形狀和大小，對於大地測量、人造衛星和遠程火箭的運行十分重要。然而，地球的平均半徑6371km，扁率卻隻有3.35×10-3，其形狀與球體極為接近，因此在海洋研究中一般把地球看作正球體。
地球的圈層結構
地球是一個具有同心圈層結構的非均質體，以地球固體表麵為界分為內圈和外圈，它們又可分別再分為幾個圈層，每個圈層都有自己的物質運動特征和物理化學性質。
一、地球外部圈層
地球固體表麵以上，根據物質性狀可以分為大氣圈、水圈和生物圈。大氣圈是包圍著地球的氣體，厚度有幾萬千米，總質量約5136×108t。由於受地心的引力，以地球表麵的大氣最稠密(約有3/4集中在地麵到100km高度範圍內，1/2集中在地麵至10km高度範圍內)，向外逐漸稀薄，過渡為宇宙氣體，故大氣圈無明確的上界。大氣有明顯的可壓縮性，其密度和壓力與溫度成反比，並與高度成反比，以海平麵的密度和壓力最大。根據溫度和密度等大氣物理特征可將大氣圈自下而上分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，其中與人類關係最密切的是對流層和平流層。
水圈是地球表層的水體，占地球總質量的0.024％。其中絕大部分彙集在海洋裏(占總水量的97％)，另一部分分布在陸上河流、湖沼和表層岩石的孔隙中。此外，地球上的水還以固態水(兩極和山地的冰川)或水汽的形式存在，其中冰川約占總水量的2％。陸上江河湖沼的水或直接、或通過水汽、地下水與海洋相通。所以地球上的水體構成了包圍地球的完整圈層——水圈。水圈既獨立存在，又滲透於大氣圈、岩石圈和生物圈中，並在其間不斷循環。水循環是地球外部圈層物質循環最重要的方式之一。
生物圈是地球上生物(包括動物、植物和微生物)生存和活動的範圍。現代地球的大氣圈、水圈和岩石圈構成了一個適宜生命存在的環境。地球獨特的天文條件，加上大氣圈、水圈和生物圈本身等的調節作用，提供了適於生命的各種氣候條件；磁層和大氣層將有害於生命的高能輻射和帶電離子阻擋或吸收；生物通過呼吸或光合作用在大氣中進行著必不可少的氧與二氧化碳的交換；水圈和岩石圈為生物提供著必需的水分和礦物養料等等。這樣，在岩石圈上部、大氣圈下部和水圈的全部，到處都有生命的蹤跡。生物所導致的或以生物活動為中心的物質循環不僅是地球各圈層間物質循環的重要內容，還是各圈層相互聯係的重要紐帶。
在太陽係中，地球是唯一具有水圈和生物圈的行星，其大氣圈也是獨特的。這是地球在得天獨厚的天文條件下不斷演變的結果。大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈在地表附近相互滲透、相互交錯、相互重疊，又使地球上形成了獨特的自然環境和表層物質結構。在地球表層，通過水、生物以及其他各種物質循環進行著彼此間複雜的能量和物質的交換。
二、地球內部圈層結構
地球物理學家對天然地震波傳播方向和速度的研究證明，地球內部物質呈同心圈層結構。在各圈層間都存在著地震波速度變化明顯的界麵(或稱不連續麵)，其中最重要的界麵有莫霍麵(M麵)和古登堡麵(G麵)，它們把地球內部分為地殼、地幔和地核三大圈層。地幔又分為上地幔和下地幔，地核又分為外核和內核。根據地震波橫波速度的變化，地球上部進一步劃分出軟流圈和岩石圈。
地殼是指M麵以上的岩石物質層，其厚度變化很大，從洋底的不足5km直至大陸造山帶的70km以上，平均約15km。地殼是一個不均勻的圈層，根據其結構、物質組成和厚度的差異可以分為大陸性和海洋性地殼兩大類。大陸性地殼較厚，平均厚33km，為雙層結構：上地殼一般叫“矽鋁層”，因物質組成與花崗岩相當，過去曾稱為“花崗岩質層”；下地殼通常叫“矽鎂層”，因物質成分與玄武岩相當，習慣上稱作“玄武岩質層”。海洋性地殼很薄，平均厚度約6km，具有三層結構：上部為沉積層，主要由鬆散至半固結的沉積物組成；中間為基底層或火山岩層，是以玄武岩為主、上部夾有固結沉積岩的混合層；下部為大洋層，很可能是由輝長岩、閃長岩為主，近M麵處由含蛇紋石化橄欖岩組成，它是海洋性地殼的主體。
地幔位於地殼之下，界於M麵與G麵之間，厚度約2800km，質量和體積分別占地球的67.6％和83％，由鐵、鎂、矽酸鹽物質組成，與輝石橄欖岩相當。
地核以G麵與地幔分界，其成分可能相當於鐵隕石，主要是鐵以及含5％～20％的鎳和少量矽、氧。根據地震波的傳播將其分為液態外核和固態內核，其間岩石圈本來是相對於大氣圈、水圈和生物圈而言的，但現在廣泛應用的“岩石圈”是隨著“低速層”(或軟流圈)的發現而確定的一個十分具體的圈層。
根據對地震波在上地幔傳播情況的研究，發現在60～250km深度間地震波速度明顯降低，特別是橫波速度衰減90％以上，說明上地幔存在著速度比上、下層都小的低速層。造成低速層的原因很可能是在此深度上的物質發生部分熔融所致。該層在力學性質上呈軟化的塑性狀態，在緩慢而長期的作用力下會發生塑性變形和緩慢流動。因此，低速層也稱為軟流圈。岩石圈是指軟流圈之上的剛性固體物質層，包括地殼和上地幔頂部的剛性岩層，地殼與地幔間的M麵夾在岩石圈內部。由於岩石圈和軟流圈的過渡帶上未出現化學成分的變化，故岩石圈主要是力學概念，具有力學上的統一性和實在性，它可以對機械應力作出剛性反應。
地球的起源與地質時代
一、地球的起源
地球的起源與太陽係密切相關，自18世紀以來，先後提出過30多種地球起源的假說。有些假說因限於當時的科學水平，不能圓滿解釋太陽係存在的客觀規律，大都相繼退出曆史舞台。但有些假說，如拉普拉斯的“星雲假說”、康德的“微粒假說”、施密特的“俘獲假說”、霍伊爾的“新星雲假說”等，對認識天體形成和演化曾起到了一定積極作用。
要解決地球起源問題，必須圓滿解釋太陽係所具有的主要特征，特別是角動量分配不均問題。同時，立論必須建立在“太陽僅是宇宙間極其尋常的一顆恒星”這樣一個基點上，把地球與整個天體的形成和演化聯係起來，並充分重視近代天體演化上已被證實的客觀存在的幾個基本事實：(1)萬物源於氫；(2)氣塵彌漫於星際空間；(3)恒星在不斷形成與消亡之中。現將當前較流行的太陽係和地球的起源假說綜述如下：
大約在50～60億年前，在銀河係所在部位存在一個巨大的氣體“塵埃”星雲，叫作太陽雲。一開始它就在不穩定地自轉，同時在自身引力作用下進行收縮，使大量物質聚集於中心部分(圖2—4A)。根據旋轉體角動量守恒定律，體積縮小導致自轉速度加快，離心力隨之加大，太陽雲逐漸變扁成圓盤狀。太陽雲在收縮過程中，密度、壓力加大，導致溫度急劇上升，於是產生氫聚變為氦的核反應。通過向外強烈輻射釋放出巨大能量，於是光芒四射的原始太陽就此產生(圖2—4B)。原始太陽經過一個不穩定階段，拋射出大量物質。太陽拋出的物質參加到圍繞它旋轉的圓盤中去。在圍繞太陽旋轉的盤狀星雲赤道麵上，塵埃物質作為氣體凝聚的核集結成一個個大小團塊，並沿赤道下沉，形成一圈圈有規律間隔的塵環。環內物質在不均勻引力作用下，大質點吸引小質點，逐漸聚結成為行星胚胎(圖2—4C)，最終形成行星。
表2-2地質年代表
二、地球的演化與地質年代
原始地球接近於均質體，以後由於內部熱作用，導致物質運動並發生重者下沉、輕者上浮的分異作用，於是形成地核、地幔和地殼，從而具有圈層結構。廣泛的火山活動和巨大隕石衝擊時釋放的氣體，形成了原始大氣圈，其中的水汽冷凝而形成水圈。最後，在有碳、氧、氫和氮化合物存在的情況下，通過閃電放電或紫外線輻射，或兩者兼有的作用，產生愈益複雜的有機分子，它們再進一步結合為能夠自身繁殖的有機分子，最後形成生物圈。
地球外部出現大氣、水、生物三個圈層之後，在地球內力和外力作用下，地球外部與內部圈層，通過物質和能量的交換相互作用，相互影響，地球內外都發生了劇烈複雜的運動變化，尤以地球表麵表現得最突出：大陸有分合，海洋有生滅，山川有升降，生物有演進。
地球自形成以來大約經曆了(45～46)×108年的曆史。計算地球年齡的方法有絕對地質年齡和相對地質年代兩種。前者是根據岩石中存在的微量放射性元素蛻變規律測定出岩石生成的絕對年齡；後者是根據生物的發展和岩層形成順序，將地殼曆史劃分為與生物發展相對應的一些自然段，每一自然段所代表的時間稱為地質時代單位，最大的時代單位叫作宙，宙分為代，代分為紀，每個紀又可分為若幹世。在一定地質時代形成的成層岩石組合稱為地層，地層單位與地質時代單位相對應，從大到小分別為宇、界、係、統。按時代早晚順序把地質年代編年稱為地質年代表(表2—2)。
海與洋
地表海陸分布
地球表麵總麵積約5.1×108km2，分屬於陸地和海洋。如以大地水準麵為基準，陸地麵積為1.49×108km2，占地表總麵積的29.2％；海洋麵積為3.61×108km2，占地表總麵積的70.8％。海陸麵積之比為2.5∶1，可見地表大部分為海水所覆蓋。
地球上的海洋是相互連通的，構成統一的世界大洋；而陸地是相互分離的，故沒有統一的世界大陸。在地球表麵，是海洋包圍、分割所有的陸地，而不是陸地分割海洋。
地表海陸分布極不均衡。在北半球，陸地占其總麵積的67.5％，在南半球，陸地占總麵積的32.5％。北半球海洋和陸地的比例分別為60.7％和39.3％，南半球海陸比例分別是80.9％和19.1％。如果以經度0°，北緯38°的一點和經度180°，南緯47°的一點為兩極，把地球分為兩個半球，海陸麵積的對比達到最大程度，兩者分別稱“陸半球”和“水半球”。陸半球的中心位於西班牙東南沿海，陸地約占47％，海洋占53％；這個半球集中了全球陸地的81％，是陸地在一個半球內最大的集中。水半球的中心位於新西蘭的東北沿海，海洋占89％，陸地占11％；這個半球集中了全球海洋的63％，是海洋在一個半球的最大集中。這就是它們分別稱為陸半球和水半球的原因。必須說明，即使在陸半球，海洋麵積仍然大於陸地麵積。陸半球的特點，不在於它的陸地麵積大於海洋(沒有一個半球是這樣)，而在於它的陸地麵積超過任何一個半球；水半球的特點，也不在於它的海洋麵積大於陸地(任何一個半球都是如此)，而在於它的海洋麵積比任何一個半球都大。