自然科学发展概要（7）

第七章 探索地球的奥秘

地学是对以我们所生活的地球为研究对象的学科的统称，通常有地理学、地质学、海洋学、大气物理、古生物学等学科。
地理学是研究地球表面自然现象和人文现象以及它们之间的相互关系和区域分异的学科。简单说就是研究人与地理环境关系的学科。
地质学是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史的知识体系。
海洋学是研究海洋中各种现象及其规律和各组成部分之间相互联系与作用的科学。
……
地球是人类的家园，人类自出现以来，一直十分关心赖以生存和发展的地球的状况，从而萌生各种地学概念。
研究地学的目的是为了更好的开发和保护地球表面的自然资源，使人地关系向着有利于人类社会生活和生产的方向发展。
第一节 地理学概述
地球是人类的家，人类一直都十分关心自己赖以生存和发展的地球表面的状况，从而萌生出各种地理概念。随着人类社会的发展，地理知识的积累，逐步形成一门研究地球表面自然现象和人文现象，以及它们之间的相互关系和区域分异的学科。简单地说，地理学就是研究人与地理环境关系的学科，研究的目的是为了更好的开发和保护地球表面的自然资源，协调自然与人类的关系。
1.1地理学的发展历程
地理学是一门即古老又年轻的学科。在其发展过程中，明显的形成了古代地理学、近代地理学和现代地理学三个时期。
自远古至18世纪末，是古代地理学时期，主要以描述性记载地理知识为主，而且这些记载多是片断性的，缺乏理论体系，地理学内部尚未出现学科分化，各国的地理学基本上是在本国封闭的条件下发展起来的。
在早期，以中国和古希腊的成果最显著。中国的《尚书·禹贡》、《管子·地员》、《山海经》、《水经注》等著作，都是世界上比较早的地理学史料。到了后期，欧洲地理大发现涌现出了哥伦布（Gristo foro Colombo 1451-1506）、麦哲伦(Ferdinand Magellan 1480-1521)等地理探险家，他们的发现极大的推动了地理学的发展。
从19世纪初到20世纪50年代，是近代地理学时期。近代地理学形成的标志是德国洪堡德(A.Humboldt)的《宇宙》和李特尔(Carl Ritter)的《地学通论》两书的问世。
洪堡德为自然地理学、植物地理学奠定了基础，以后德国的李希霍芬(Ferdinand von Richthofen)、法国的德马东为自然地理学的发展做出了重要的贡献；美国的戴维斯和德国的彭克分别创立了侵蚀轮回学说和山坡平行后退理论，标志着地貌学的建立；奥地利沃汉恩的《气候学手册》、俄国沃耶伊科夫的《全球气候及俄国气候》、德国柯本的世界气候分类，为气候学奠定了基础；英国的华莱士对世界动物区划分为动物地理学奠定了基础；俄国道库恰耶夫的土壤地带学说为土壤地理学奠定了基础；李特尔和德国的拉采尔建立了人文地理学等等。
从20世纪60年代至今是现代地理学时期。现代地理学是现代科学技术革命的产物，并随着科学技术的进步而发展，其标志是地理数量方法、理论地理学的诞生和计算机制图、地理信息系统、卫星等应用的出现。现代地理学强调地理的统一性、理论化、数量化、行为化和生态化。
随着科学技术的进步、各国各地区经济开发和建设以及环境管理和保护的需要，地理学将成为一门有坚实的理论基础、应用理论的基础性学科，也是一门与生产实际紧密联系的应用性学科，学科的内容和结构也将发生变化。
地理学中方法性学科和技术性学科——地理数量方法、地图学等，将率先获得较多的发展；综合性分支学科、应用性分支学科，如综合自然地理学、城市地理学、旅游地理学、医学地理学、行为地理学、资源地理学、人口地理学等将有较快的发展；地理学中研究人文的趋势将会加强，人文地理学在地理学中的比重将会增大。
1.2地理学的研究对象
地理学研究的是地球表面这个同人类息息相关的地理环境，地理学者曾用地理壳、景观壳、地球表层等术语称呼地球表面。它是地球各个层圈——大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和人类圈相互交接的界面，具有一定的面积和厚度。在地球表面，各种自然现象和人文现象组成一个宏大的地表综合体，它具有以下的特征：
一方面，地球表面是由五个同心圈层组成的整体，它们分别是大气对流层、岩石圈上部、水圈、生物圈和人类圈。
大气对流层主要由气态物质组成，也包括部分液态水和固体颗粒。由于对流层同地面和水面接触，因此大气中各种要素都受到下垫面的强烈影响；
岩石圈上部主要由固体物质组成，包含部分气态、液态物质和微生物，它是生物和人类所依附的场所，也是各种圈层相互影响、相互作用最集中的地方；
水圈主要由液态水组成，以海洋为主还有陆地地表水和地下水。水圈在地球表面物质和能量循环中起着十分重要的作用，它是生物圈和人类圈得以生存和发展的基础；
生物圈是有生命活动的圈层，包括植物、动物和微生物。生物圈同大气对流层、岩石圈上部、水圈相互交错，组成一个巨大的复杂的自然综合体；
人类的出现是地球表面形成和发展过程中的一个重要转折。人类以其特有的智慧和劳动，通过社会生产和生活的各个方面对地球表面施加影响，创造了一个新世界，并发展成为一个新的层圈——人类圈。
上述各层圈所组成的地球表面这个综合体，这是自然历史发展的结果，各层圈的形成在实践上亦有一定的顺序：岩石圈、大气圈和水全是无机的物质，首先出现；有机的生物圈及其相关的土壤，是在无机圈层基础上发展起来的；人类则是生物圈发展到一定阶段的产物。这种发展的动力来自于地球内部和外部力量——太阳能。
另一方面，地球表面是一个不均一的层面，存在着明显的区域分异。造成地球表面不均一和区域分异的主要原因是太阳能在地球表面分布的不均匀性和地球内能分布的不均匀性。人类是在一定的自然地理环境中生存和发展的，因此人类的体制和社会、政治、经济、文化等活动都存在着明显的区域差异。比如人种的差异、生活方式的差异等等。
再有，地球表面也是在不断变化的。在地球表面形成过程中，大陆与海洋的面积和位置几经变迁，气候历经了炎热与寒冷、湿润与干旱的多次交替，生物由海洋发展到陆地，有简单到复杂、由低级到高级……。
自然地理的变化影响人文地理、人文地理也反作用于自然地理。特别是在现代工业化时期，人类的活动是地球表面发生深刻的变化，一方面控制或减轻了某些自然灾害，另一方面诸如森林的砍伐、污染、荒漠化等等情况的出现，破坏了自然生态系统的平衡。随着人口的急剧增加、资源的大量消耗，人类的影响程度还在加剧。
1.3地理学研究的特点
地理学是在研究地球表面的过程中逐渐形成的，并不断完善理论、方法和手段。
作为研究对象的地球表面是一个多种要素相互作用的综合体，这决定了地理学研究的综合性特点。
地理学不限于研究地球表面的各个要素，更重要的是把它作为统一的整体，综合地研究其组成要素及它们的空间组合。它着重于研究各要素之间的相互作用、相互关系以及地表综合体的特征和时、空变化规律。地理学的综合性研究分为不同的层次，层次不同，综合的复杂程度也不同。高层次的综合研究，即人地相关性的研究，是地理学所特有的。
综合性的特点决定了地理学是一个横断学科，它与研究地球表面某一个层圈或某一个层圈中部分要素的学科都有密切的关系，如研究大气的大气物理、研究岩石圈的地质学、研究人类圈的经济学、政治学、心理学等等。地理学从这些学科中吸取有关各种要素的专门知识，反过来又为这些学科提供关于各种要素及与其它现象间联系的知识。
地球表面自然现象和人文现象空间分布不均匀的特点，决定了地理学研究又有区域性的特点。由于不同的地区存在不同的自然现象和人文现象，一种要素在一个地区呈现出的变化规律在另一个地区可能完全不同，因此研究地理区域就要剖析不同区域内部的结构，包括不同要素之间的关系及其在区域整体中的作用，区域之间的联系，以及它们之间发展变化的制约关系。地理区域性研究的内容包括区域内部结构和区际关系两个方面。
地理学的区域研究根据研究对象的范围分为三个尺度：大尺度区域着重探讨全球或全大陆范围内的分异规律和内部结构特征，从而揭示全球或全大陆的总体特征；中尺度区域研究是分析国家或大地区范围内区域总体特征和地域分异规律，以及该地区对大尺度区域分异的作用；小尺度区域是揭示局部地区区域特征和分异规律，以及该地区对中尺度区域分异的作用。
地球表面不断变化的特点，决定了地理学必须用动态的观点进行研究的特点。地理学研究及注重空间的变化，也注意时间的变化。这种变化既有周期性的又有随意性的；有长周期的，也又短周期的。
用动态的观点研究地理学，就要求把现代地理现象作为历史发展的结果和未来发展的起点，研究不同发展时期和不同历史阶段地理现象的规律。现在现代地理学已经有可能对于某些区域的未来发展提出预测，并根据预测结果进行控制和管理，以满足人们对区域发展的要求。因此。时间和空间统一的概念，在地理学研究中越来越受到重视。
地球表面的复杂性决定了地理研究方法的多样性。现代地理研究主要采用野外考察与室内实验、模拟相结合的研究方法。地理学的研究对象是地球表面，关于地球表面的属性和特征的资料主要来自于野外考察，随着航空遥感、气象卫星、地球资源卫星、航天技术的成果广泛应用于地理学研究，提高了野外考察的速度和精度。地理数据的处理、各种地理现象的实验室模拟等也迅速的发展起来，这不仅仅大大提高了工作效率，还促进了地理学的快速发展。
1.4地理学学科体系
1.4.1自然地理学
自然地理学是研究地理环境的特征、结构及其地域分异规律的形成和演化规律的学科，是地理学两个基本学科中的一个。其研究对象是地球表面的自然地理环境，包括大气对流层、水圈、生物圈和岩石圈上部。所属的分支按研究特点分为两组：
一组是综合性的，包括综合自然地理学、古地理学等。
一组是部门性的，包括地貌学、气候学、水文地理学、土壤地理学、生物地理学，还包括新近发展起来的，同其他自然学科结合而成的一些边缘学科，如化学地理学、医药地理学，以及异特殊自然要素为研究对象的学科，如冰川学、冻土学等。
人类的地理知识起源于远古时代。但自然地理这一术语始用于17世纪，至18世纪后半期已广为流行。自然地理学作为地理学中的一门学科，出现在近代地理学形成时期。自然地理学的发展大致可分为知识积累时期、近代时期、现代时期三个阶段。
19世纪中期以前，地理学以地理知识的描述性记载为主，自然地理知识作为地理学的一个重要方面，主要是了解地球表面的自然现象、记录山川形势、游历探索四方奇胜，进行探险、发现活动等。
自然地理学的研究对象是自然地理环境，包括只受到人类间接或轻微影响，而原有自然面貌未发生明显变化的天然环境，和长期受到人类直接影响而使原有自然面貌发生重大变化的人为环境。
自然地理环境是指地球表面，具有一定厚度的圈层，即岩石圈、水圈、大气圈、生物圈相互作用、相互渗透的区间内的一个特殊圈层。它是在太阳辐射能、地球内能和生物能作用下形成的，比地球的其他圈层的特征要复杂得多。在这里各种固体、液体、气体状态的物质同时稳定地存在并且相互渗透。只有在地球的这一部分才具有生物产生和繁衍的条件，并成为生物圈进一步发展的强大因素。人类出现后，又成为人类生活和生产活动的环境。
自然地理学的研究内容随着学科的发展越来越广泛，但主要还是研究各自然地理成分的特征、结构、成因、动态和发展规律；研究各自然地理成分之间的相互关系，彼此之间的物质和能量的循环与转化的动态过程；研究自然地理环境的地域分异规律；研究各个区域的部门自然地理和综合自然地理特征，并进行自然条件和自然资源的评价，为区域开发提供科学依据；研究受人类干扰、控制的人为环境的变化特点、发展趋势、存在的问题，寻求合理利用的途径和整治措施。
随着自然地理学的发展以及与许多自然科学发生联系，形成了众多的分支学科。按研究的特点，自然地理学可分为综合性的和部门性的两组分支学科。
综合性的分支学科有综合自然地理学、区域自然地理学、古地理学和历史自然地理学等。
另外，有普通自然地理学，它是研究自然地理环境的物质组成、结构特征形成和变化规律的学科，也有人认为它是综合自然地理学的分支学科。
部门性的分支学科有地貌学、气候学、水文地理学，土壤地理学、生物地理学、冰川学、冻土学、化学地理学和医学地理学等。
现代自然地理学不断加强定量分析、生态化和应用研究的同时，还注意吸收其他学科的新成就和研究方法，开始进行地理预测研究，并将更加重视全球环境问题。同时，自然地理学研究与人文地理学研究将越来越紧密的联系在一起。
1.4.2人文地理学
人文地理学是研究地球表面人类各种社会经济活动的空间结构和变化，以及与地理环境的关系的学科，是地理学两个基本学科中的另一个。按研究对象可分为社会文化地理学、经济地理学、政治地理学、城市地理学等分支。
人文地理学是探讨各种人文现象的地理分布、扩散和变化，以及人类社会活动的地域结构的形成和发展规律的一门学科，是地理学的两个主要分支学科之一。
“人文”二字与自然地理学的“自然”二字相对应，泛指各种社会、政治、经济和文化现象。人文地理学一般有广义与狭义之分，广义的人文地理学包括社会文化地理学、政治地理学、经济地理学等，狭义的人文地理学则指社会文化地理学。
在很长一段时期内，欧洲许多的大学地理课是由历史学者讲授的，他们十分强调地理学研究，特别是人文地理学的研究与历史学关系密切，而且历史地理学的研究也长期囿于历史人文地理的内容，因此历史地理学曾是人文地理学的重要组成部分。英国的学者达比(Henry Cliffard Darby)等自20世纪30年代以后，开始研究历史自然地理，使历史地理学不仅研究历史时期人文地理现象的变化，也研究历史时期自然地理现象的变迁，从而成为地理学的一门独立分支。
20世纪60年代以来，由于社会经济和科学技术的迅速发展，人文地理学在理论、方法以及研究内容等方面发生了巨大变化。
在人地关系理论方面，已由过去的环境决定论、可能论以及适应论转变为和谐论。在生态学和环境科学发展的影响下，分析并和谐人与环境的关系已成为人文地理学的新课题。
在观察和分析方法方面，数学方法的出现极大的促进了人文地理学的发展。1965年，美国华盛顿大学地理系教授加里森开设研究班，用数学统计方法培养了一批地理学者。其中的英国学者乔利和哈格特在1960年以后把数量方法引进剑桥大学和布里斯托大学地理系，使得这种革新很快在各国地理学者中传播开来，对地理现象分布差异的表述开始从定性向定量阶段发展。
电子计算机的应用，使地理学者能够处理多种变量的复杂计算，对一些空间规律的研究采用新的统计方法和技术手段，进行精确的度量，并用数字形式表达人地关系，说明区域差异及其变化。
第二次世界大战以后，旅游业蓬勃发展，旅游收入对于国民经济收入的重要性日益提高，使得旅游地理学发展很快，成为人文地理学的一个新分支。人类以各种不同的社会集团的形式存在，各集团的不同文化既是社会环境的组成部分，又是人们行为制约的因素。因此，自第二次世界大战后，研究空间中的社会现象和文化差异的社会文化地理学重要性日益提高。同时，许多国家重建城市的需要，新的城市迅速增加、城市规模日益扩大的趋势，促使城市化进程加快，使城市地理学在人文地理学中逐渐居于重要的地位。
传统的人文地理学以小区域研究、经济区划和文化景观类型为其主要论题，现在则转向分析解决现实社会问题为主，涉及国土整治、环境保护、贫穷和饥饿、种族歧视、资源合理利用以及改善人民生活等问题。20世纪中期以来，人文地理学开始面向社会问题，从而在研究中打破各分支学科人为界线，出现新的综合。
总之，21世纪的地理学将是一门在理论化和数量化基础上，进一步综合化、生态化、社会化的理论与应用并举的两栖科学。
1.4.5地理大发现
地理大发现是指15～17世纪，欧洲航海者开辟新航路和“发现”新大陆的通称，它是地理学发展史中的重大事件。
应该说，任何一个文明民族的代表人物首次到达地球表面某个前所未知的部分，或者确定了地表各已知部分之间的空间联系，因而加深人类对地球地理特征的科学认识，促进了地理学的发展，均可以称为地理发现。
在十五世纪之前，只有南极洲这样的无人居住的大陆和某些岛屿、海域为人类所未知。而居住着未开化民族的陆地和岛屿，则只对“文明民族”而言是前所未知的。从各文明古国的产生到十五世纪的漫长时期，各文明民族在古代文化发源地以外的广大区域已完成了许多发现，积累了丰富的地理知识，其中最重要的是形成了大地球形的概念。
1409年，湮没了1000多年的托勒密(Claudius Ptolemaeus)《地理学指南》被译为拉丁文后，大地球形说广泛传播。但是古代学者没有可能直接验证地球的形状，也很少可能精确地测定地球的大小和海洋陆地的分布。15～17世纪，由欧洲通往印度新航路的发现、美洲的发现、环球航行的成功以及其他航海探险活动，圆满地解决了这个问题，使人类对地球的认识产生飞跃。这些事件被通称为地理大发现。
在西欧，葡萄牙首先发起了大规模的航海探险活动。15世纪早期，航海家亨利(Henrigue o Navegador)亲王创办地理研究机构，为取得黄金、象牙和奴隶，组织了多次非洲西岸的探险活动，先后发现了马德拉岛、佛得角群岛，并从直布罗陀沿非洲西海岸到达几内亚湾。
1473年，葡萄牙船只驶过赤道，后达到刚果河口；1487年，迪亚斯的探险队到达非洲南端，发现好望角，并进入印度洋；1497年，以达迦马为首的船队沿迪亚斯航线继续向前，经非洲东岸的莫桑比克、肯尼亚，于1498年到印度西南部的卡利卡特，开辟了从大西洋绕非洲南端到印度的航线，从而打破了阿拉伯人控制印度洋航路的局面。葡萄牙通过新航路，垄断了欧洲对东亚、南亚的贸易，成为海上强国。
与葡萄牙人探寻新航路的同时，西班牙统治者也极力从事海外扩张。哥伦布发现美洲，就是这种扩张的最重要收获。
哥伦布相信大地球形说，认为从欧洲西航可达东方的印度和中国。哥伦布的西航计划得到西班牙国王和王后的支持。1492年，他携带着西班牙国王和王后致中国皇帝的国书，率领船队从帕洛斯港出发，经加那利群岛后向西航行，先后到达巴哈马群岛和古巴、海地等岛。但是，哥伦布误以为巴哈马群岛是印度的辖地，把当地土著居民称为印第安人，并误认为古巴是中国的一个省。
1493～1496、1498～1500和1502～1504年，哥伦布又进行了第二、第三和第四次航行，先后发现了多米尼加、波多黎各、牙买加、特立尼达等岛屿，以及由洪都拉斯到巴拿马的海岸。第三次航行中在帕里亚湾首次登上美洲大陆。哥伦布至死也没意识到，他发现的这些地方并非中国和印度，而是一块新大陆。后来，意大利探险家亚美利哥·韦斯普奇(Vespucci Americo)到达美洲，才认识到这是一个新大陆。
在人们认识到大西洋西岸的陆地并非亚洲，而是一个新大陆后，人们的地理视野扩大了。1513年，西班牙探险家巴尔鲍亚越过巴拿马地峡，看到了西南面的大海，他把这片海域称为“南海”(今太平洋)。
为了到达亚洲，人们努力寻找沟通大西洋和“南海”的海峡，或者象好望角那样的地角。基于这种愿望，葡萄牙航海家麦哲伦在西班牙国王查理一世的支持下，开始了新的航海探险活动。麦哲伦曾经参加葡萄牙远征队，到过非洲、印度、苏门答腊、爪哇、班达群岛和马六甲海峡等地。他相信大地球形说。
1519年麦哲伦率船队，从西班牙的桑卢卡尔港出发，经加那利群岛，到达南美东岸以后，即沿海南下，在南美大陆和火地岛之间，穿过后来以他的名字命名的海峡，进入“南海”。起初向西北，后转向西航。船队在航行中从未遇到风暴，即把该海域称为太平洋。1521年船队到达菲律宾群岛，麦哲伦在与当地土著人的冲突中被杀。1522年麦哲伦船队剩下的“维多利亚”号返回桑卢卡尔港，完成环球航行。
发现新大陆后，欧洲至印度、印度尼西亚、中国和美洲的最有利的通商航路都被西班牙和葡萄牙所占据。荷兰、英国等为发展海上贸易，开始在高纬度地区寻找通往印度和中国的新航路，并探险世界其他地区。
16世纪，荷兰的巴伦支为探寻一条由北方通向中国和印度的航线，曾三次航行北冰洋地区，先后发现熊岛、斯匹次卑尔根岛，并到达新地岛最北端、喀拉海和瓦加奇岛；17世纪初，英国的哈得逊曾屡次探索经北冰洋通向中国的航路；斯霍特于1616年到达美洲南端的合恩角；荷兰的塔斯曼于1642～1643年环航澳大利亚，发现新西兰和塔斯马尼亚岛。
这些航海探险进一步扩大了人类的地理知识，并进行了一些有关洋流、风系等的科学考察以及岛屿和陆地的实测工作。到了18世纪，库克的海洋探险已属于科学考察的范畴。
14、15世纪时，欧洲各国已有资本主义萌芽。15世纪末，葡萄牙、西班牙、荷兰和英国等，迫切要求向海外寻找市场和原料出产地。但是奥斯曼帝国牢固控制了东西方贸易通道，从地中海经埃及出红海，向印度洋的航路又在阿拉伯人手中。在这种情况下，这些国家为了扩展商业和殖民活动，积极鼓励航海事业，开辟新航路。这是促成地理大发现的主要原因。
其次，欧洲商人和航海家对黄金的贪欲是促成地理大发现的另一原因。此外，西班牙和葡萄牙都位于欧洲突出于大西洋中的地区，地理位置也有利于航海业的发展。
地理大发现引起了人们思想上的变革，对地球科学的进步和欧洲资本主义的发展都起了很大促进作用。古代学者关于大地球形的猜测，通过地理大发现，特别是环球航行得到了证实，宗教迷信关于地球形状的种种说法最终被否定；证明了地球上存在着一个统一的世界大洋，海洋与陆地相比较，海洋占据了地球表面的大部分推动了全球海洋和陆地的考察研究；促进了地球科学的进步，也促进了天文学、航海学、天气预报学的发展及造船技术等科学技术的近代化过程；促进了欧洲的资本原始积累和世界市场的出现，开始了殖民掠夺，同时也促进了西欧各国经济的发展。

第二节 地质学概述
地质学是关于地球的物质组成、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。
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应力。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。
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。

2.1地质学发展回顾
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。
2.1.1地质学的萌芽时期（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。
2.1.2地质学奠基时期（公元1450～公元1750年）
以文艺复兴为转机，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。
2.1.3地质学形成时期（公元1750～1840年）
在英国工业革命、法国大革命和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和火成论的争论在18世纪末变得尖锐起来。
德国的维尔纳(Abraham Gottlob Werner)是水成论的代表，他提出花岗岩和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(James Hutton)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(James Dwight Dana)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(Elie de Beaumont)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，有关灾变论和均变论的争论，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(Charles Lyell 1797-1875)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。
2.1.4地质学的发展时期（公元1840～1910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。
2.1.5现代地质学的发展（公元1910至今）
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路壳结构的区别；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。
2.2地质学的研究对象
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和惯性离心力的作用，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。
2.2.1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内周期性重复排列，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、磁铁矿和粘土矿物最最多，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，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。
2.2.2地层和古生物
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。
2.2.3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。
2.3地质学的研究特点
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。
2.4地质学的分支分科
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。
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。 至20世纪80年代，地质学已发展成为包含有十多个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。
此外，将地球及其他星球作为一个天体来研究，形成了行星地质学、天文地质学。对地球深部的研究，是刚刚开拓的新领域。
随着研究深度的增加，新的分支学科还在不断产生各个学科的联系愈来愈紧密，建立一个更加充实、完整的有关地球的知识体系，是发展的必然趋势。
2.5地质学与人类
人类是在地球的发展过程中，生物进化达到高等阶段的产物。人的出现有赖于适宜的自然环境，包括地质水文、气候、生物等方面因素。它们互相依赖和制约，经过长期发展，达到了适于人类生存的相对稳定的生态平衡，如果其中任何一种因素发生重大变化，都将破坏这个平衡，而且有可能使环境不再有利于人类。
当人类的活动符合自然界的客观规律时，便可以得到利益，如凿井得水，开山取矿；相反则会蒙受损失，如过量灌溉导致土壤盐碱化。另一方面，自然界的突发事件或缓慢积累起来的重大变化，也可以给人类带来无法逃避的灾害。地质学正在积极研究人类活动引起的地质环境的变化和地质作用造成的对人的危害。
地质学是提高人类认识自然，增进与环境的协调和求得环境改善的科学。地球表层的生物和人类的大量活动，都与地质条件相关。在生产力还不发达的时期，人类活动对地质环境的影响较弱，灾害性地质作用给人类带来的损失也不如今日这样巨大。
在当代的发达国家里，矿业和以矿产品为基本原料的工业，一般要占到整个工业生产总值的60%左右；进行生产所使用的动力，几乎百分之百地取之于地球资源。
20世纪80年代，人类从地下采出石油的数量，较半个世纪前增长一百倍以上。砂石等非金属材料也成为重要的资源被大量开采，它们一年产出的数量，无论就重量或体积均超过了其他工业矿物原料年产量的总和。
如此大量的开采，就使地质学不仅要找出新的矿产资源以维持社会庞大需求，而且还要担当起指导合理开发、保护矿产资源、防治环境恶化等重任。
现代建设的发展，使人口密集、建筑集中，许多工程规模巨大，这对地质环境的依赖和对环境的影响超过人类史上的任何时期。在现代化的工程建设中，不仅要重视地质作用引起的突发事件，还要注意它的长期影响，比如泥沙淤积、地面缓慢升降等。这些都是地质学应该研究解决的问题。
在现代化的社会中，社会的生产和生活组成一个息息相关的整体，电力、煤气、自来水的供应，一刻不可缺少，交通、电讯必须保持畅通，而地震破坏上述设施造成的后果，可以比地震本身直接造成的危害还要严重。不仅地震，其他如山崩、滑坡、泥石流、塌陷、地震海浪冲蚀等可能造成灾害的地质作用，都必须运用地质学去认识和提出防治意见。同时，人们还须遵循地质学的科学指导，避免因人类的活动而触发灾害，导致地质环境的恶化。
因此，地质学与人类的关系不仅仅在于资源的取用，还在于与人类生存和生活环境的诸多方面直接相关。现在地质学已成为人类社会所普遍需要的科学，参照地质学知识制定矿产资源法、海洋法、水法、环境保护法等，就表现了这种密切的关系。
2.6地质学的发展趋势
未来，地质学能观察和研究的范围和领域将日益扩大。在空间上，不但能通过直接或间接的方法逐步深入到岩石圈深部，而且对月球、太阳系部分行星及其卫星的某些地质特征，将有更多的了解。
数学、物理学、化学、生物学、天文学等其他学科的发展和向地质学的进一步渗透，先进技术在地质工作中的使用，同精细、深入的野外地质工作相结合，会使人们有可能对更多的地质现象和规律作出科学的解释进行更深入和本质性的研究。
实验条件将进一步改进，如将实验室中所能达到的温度压力提得更高，模拟更为复杂的多种可变因素的地质作用，并把时间因素也纳入模拟实验之中。
地质学理论不断得到补充、修正，尤其是各大陆所提供的有关不同地质历史时期的新资料将在很大程度上检验、发展板块构造说，进而会产生一些新的理论和学说。
在地质学的服务领域，一个重要方面是开发地球资源，其中有关矿产资源和新能源的研究，仍处于最重要的地位。同时，由于区域成矿研究的需要，将进一步加强区域地质的综合研究，并促进地层学、古生物学、沉积学、构造地质学、地质年代学，以及区域岩浆活动研究、变质地质研究等向新的水平发展。
保障人类良好的生存环境、干旱半干旱地区和沼泽地区的水文地质问题，以及工程地质问题的研究将不断扩大。环境地质学，包括环境地质调查研究，有关的微量测试技术和环境保护的地质措施等的研究日趋重要。
总之，地质学必须加强基础研究，如矿物学、岩石学地层学、古生物学等具有奠基意义的学科的研究，以提高对各种地质体、地质现象及其形成、演化的认识。同时还要充分吸收和利用其他科学技术的新成果，包括社会科学的研究成果，以更全面、本质地认识地球历史和构造，为科学的发展，为人类更合理、有效地开发和利用地球资源，维护生存环境，作出应有的贡献。
2.7地质学的几个问题
2.7.1大陆漂移
大陆漂移的设想早在19世纪初就出现了，最初的提出是为了解释大西洋两岸明显的对应性。直到1915年，德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）的《大陆和海洋的形成》问世，才作为一个科学假说受到广泛重视。在这本不朽的著作中，魏格纳根据拟合大陆的外形、古气候学、古生物学、地质学、古地极迁移等大量证据，提出中生代地球表面存在一个泛大陆（Pangea），这个超极大陆后来分裂，经过二亿多年的漂移形成现在的海洋和陆地。 由于当时受对地球内部构造和动力学的知识局限，大陆漂移和动力学机制得不到物理学上的支持。魏格纳学说的不幸遭遇在于他倡导大陆漂移的同时却认为大洋底的稳定。直到他去世的20年后，抛弃洋底稳定不动的海底扩张学说提出，人们对大陆漂移的兴趣又复萌了。
魏格纳是德国气象学家、地球物理学家，1880年11月1日生于柏林，1930年11月在格陵兰考察冰原时遇难。 魏格纳以倡导大陆漂移学说闻名于世，他在《大陆和海洋的形成》这部不朽的著作中努力恢复地球物理、地理学、气象学及地质学之间的联系——这种联系因各学科的专门化发展被割断——用综合的方法来论证大陆漂移。魏格纳的研究表明科学是一项精美的人类活动，并不是机械地收集客观信息。在人们习惯用流行的理论解释事实时，只有少数杰出的人有勇气打破旧框架提出新理论。但由于当时科学发展水平的限制，大陆漂移由于缺乏合理的动力学机制遭到正统学者的非议。魏格纳的学说成了超越时代的理念。 魏格纳去世30年后，板块构造学说席卷全球，人们终于承认了大陆漂移学说的正确性。由此可见到：一种正确的理论在其初期阶段常常被当作错误抛弃或是被当作与宗教对立的观点被否定，后期阶段则被当作信条来接受。但无论如何，人们至今还纪念魏格纳的，不是他生前冷遇与死后热闹，而是他毕生寻求真理、正视事实、勇于探索和不惜献身的科学精神。
早期的世界地图已清楚地表明非洲和南美洲相对海岸线的“锯齿状拟合”。远在1801年，洪堡（A.Humboldt）及其同时代的著名科学家们已经提出，大西洋两岸的海岸线和岩石都很相似。魏格纳首先提出，应该用深海中的大陆坡边缘进行大陆拟合。凯里（S.W.Carey ）证明，两个大陆的外形在海面以下2000米等深线几乎完全可以拟合。布拉德（E.Bullard）等人借助计算机计算，发现无论用1000米或2000米等深线拟合的结果差别不大。复原拟合工作证明，各大陆可以通过复原形成一个超级大陆，即魏格纳所命名的“泛大陆”。泛大陆是由冈瓦纳大陆（南方各大陆加上印度）和劳亚大陆（北美和欧亚）组成的复合古大陆。
古气候学
魏格纳首次提出大陆漂移观点时，许多证据来自他对古气候的研究。他注意到，各大陆上存在某一地质时期形成的岩石类型出现在现代条件下不该出现的地区：如在极地区分布有古珊瑚礁和热带植物化石；而在赤道地区发现有古代的冰层。运用将今论古的原则，魏格纳把冰川活动的中心放在当时的旋转极附近，而珊瑚礁和蒸发岩分布的地带放在赤道附近，用这种方法确定了各大陆当时的古纬度。对古纬度和现代纬度的比较，魏格纳得出了大陆漂移的结论。
古生物学
魏格纳认为，大陆漂移对现代由海洋分隔的各大陆上动物群和植物群的显著相似性提供了最好的解释。使魏格纳和以后的调查者们获得深刻印象的一些例子有：南美和非洲都能见到的具有类似蝾螈的骨骼构造的淡水爬行动物中龙（Mesosaurus），它不可能游过大洋；大西洋两岸的古生代海相无脊椎动物化石组合很相似；南极洲三叠系中有许多陆生爬行动物的化石在其它大陆上同样存在；二叠纪舌羊齿植物群（一个独特的植物组合）的种子蕨化石，见于南方的各个大陆和印度。古生物学的证据曾引起过人们众说纷纭的争论，迪茨（R.S.Dietz）在1967年就人们争论的证据发表了一篇评论，其中有霍尔登（J.C.Holden）所作的若干饶有趣味的图群。
如今，这些争论都已是历史的陈迹，从这里我们可以见到，以旧框架收集新事实只是徒劳，用旧理论去解释事实又往往导致荒谬。
地质学
南美、非洲、印度和澳大利亚的地层两两相似，使魏格纳获得了深刻的印象。大西洋两岸所共有的地质现象更加证明这两块大陆曾经是连在一起的。 在北大西洋两岸的两块大陆，有一条非常重大的古山系，被称为加里东山脉。如今在大西洋东岸的挪威看到的是山系的西段，这条山系通过爱尔兰以后似乎淹没在大西洋下。可是在加拿大的纽芬兰则有一个古山系仿佛从大西洋里爬上来，它和欧洲的加里东山脉有许多相同之处。这个在北美出现的山系被称之为老阿巴拉契亚山脉。魏格纳认为北美的阿巴拉契亚山脉曾一度和欧洲的加里东山脉相连。如果把大陆拼合在一起，就形成一条连续的山系。
古地磁迁移
岩石中含有磁性矿物，在地球磁场的影响下，岩石形成时就受到磁化，从而保存了它们形成时间和地点的地球磁场方向的古地磁记录。通过对岩石所记录的古磁场的倾向和倾角的测量，可以计算岩石形成时地球磁极的位置。 人们从各个大陆不同时代的地层里测出几千个古磁极的位置，连接任一大陆不同时期的古磁极的线，就是那个大陆的视极移曲线。将各大陆视极移曲线比较，调整的结果表明，在2亿年前的所有大陆曾是一块共同的大陆——泛大陆。
2.7.2海底扩张
50年代的海洋科学园地犹如百花盛开，海洋学家除了海底热流测量外，还进行了海底地形测量。这些资料和地震分布、海底火山和深海沉积的研究结果，被普林斯顿大学的哈雷·赫斯（Harry Hess）综合成海底扩张的模式。 赫斯用地幔对流机制来解释海底的地形标志，他设想大洋中脊是热流上升而使海底裂开的地方，熔融岩浆从这里喷出，推开两边的岩石形成新的海底。赫斯舍弃了早期大陆漂移模型中大陆排开洋底物质进行运动的方式，而认为大陆是被动地受到地壳下部对流作用的推动，好像被放置在一条活动传送带上运动。这一充满想象力的思想于1962年发表在论文《海洋盆地历史》中。赫斯在论文的引文中说“我的这一设想需要很长时间才能得到证实，因此，与其说这是一篇科学论文，倒不如说是一首地球诗篇。”事实上仅时隔一年，弗雷德里克·瓦因（Fredrick Vine）就把海底扩张的思想与海底地磁的新资料圆满结合在一起，奠定了板块构造学说的基础。又过了几年之后，格洛玛·挑战者号（Glomar Challenger）的深海勘探成果圆满地验证了科学家提出的假说。
海底热流值
地球内部是一个巨大的热量库，它的热量主要来源于地球内部放射性元素衰变。热量不断地流出地表，这种微小热量是可测量的，这种热量称为热流，以每秒流过每平方厘米面积上的微卡数HFU来表示。50年代，爱德华.布拉德（Edward Bullard）发明了一种热流探针，这种探针可以下到海底，穿入海底层测量温度梯度。测量的结果令人吃惊，通过太平洋洋壳由地球内部释放的热流比预期值高10倍，几乎与大陆热流相当。而大洋中脊的热流值更高，海沟处则比正常值低，这种热流分布体制表明，热流应是从大洋中脊上升，在海沟处下降。 由温差导致的热应力引起对流是常识，但人们习惯中很难想象地幔内的固态物质也能像液体一样对流。然而实验表明，固态物质在高温高压或长时间的应力作用下，也具有塑性。冰川期后的地壳均衡调整就是固体地球内部蠕变的实例。地球内部的地核温度高于4000摄氏度，赫斯认为高温熔融核心的热发散必将在地幔内导致热对流。
早在本世纪初，人们通过声纳测深发现大西洋中央存在一个宽阔的洋中脊。1956-1960年间，美国和英国的海洋考察队用深部记录仪探索这个海洋中脊系统，发现它不仅正好位于大西洋和印度洋的中央，并且在大洋洲和南极洲之间与太平洋西部的洋中脊相连。科学家发现洋中脊中部为裂谷，而且洋中脊系统的整个脉络都和一些长达数十至数百千米的地表断裂带彼此交错。　
岩石圈不是一个密闭的球壳，地球表面有许多大断层和破裂带。全球表面震中分布表明，地震成带状沿板块边界分布。震源边10~20千米深度的浅源地震主要发生于大洋中脊转换断层和海沟处。是这类浅源最先向人们揭示了大西洋中脊和印度洋中脊的地理分布。这一分布特征后来得到海底测深资料的证实。 围绕太平洋边缘还有大量的深源地震，其深度可达700千米。加利福尼亚理工学院的雨果·本尼奥夫（Benioff）发现这些地震的震源大多局限在一条很窄的带内，从地表以不同的角度向下延伸。这条地震带被称为本尼奥夫带（Benioff Zone）以纪念发现者的功绩。
海底火山和深海沉积
海底扩张的最初证据之一是海底火山的分布与形成原因的解释。熔融的岩浆在大洋中脊喷溢而出，形成海底火山。随时间迁移，地幔对流将火山岛缓缓地从大洋中脊向两侧推开，同时火山岛的年龄从洋中脊向外逐渐变老。 海洋地质学家对海洋沉积物的系统年龄测定结论是沉积物的年龄也像海底火山那样离洋中脊越远年龄越大。距大洋中脊1200千米内，没有发现过老于第三纪的实例。在离东太平洋中脊4000千米内也是如此。
地磁研究
50年代中期，一批古地磁研究成果的公布，引起科学家们的兴趣，人们发现所研究的岩石有将近一半是正向磁化的，而另一半是反向磁化的。有关地磁场成因的磁性流体力学理论表明地磁场的倒转在物理学上是完全可能的。利用古地磁资料和岩石定年的结合，人们可以通过地磁倒转来确定事件纪年，并将这些结果编制成极性年代表。 岩石磁性研究的进一步深入，研究对象转向深海玄武岩，人们发现深海玄武岩不但有反向磁化现象，而且正反磁化岩石还组成一种很窄而平行的磁异常图案，每一异常宽约30千米，大约向北向延伸1000千米左右。对这种磁异常的解释众说不一，成了悬案。直到1963年，瓦因（F.Vine）和马修斯（D.Matthews）发表了一篇关于磁异常成因的论文，这一篇三页纸长的论文点燃了席卷整个地学界的一场伟大革命的火炬。
哈雷·赫斯
哈雷·赫斯是美国地质学家。著名的海底扩张假说的创立者。
赫斯的地学研究生涯起始于他年青时在美国海军服役的经历。二战期间，赫斯是美国太平洋舰队"约翰逊角"号运输舰上的一名军官。在多次横渡太平洋的过程中，他注意到船上的雷达探测到了海底一连串的圆形山体。这些山体高出洋底约2000米，且都有一个共同的特点，即顶部异常平坦。赫斯认为这些都是沉落于海洋中的火山。不久的勘测也证实了他的设想。但是问题的难点在于如何解释这些山体平顶的特征。战后长期的研究融入了赫斯丰富的想象力。终于在1962年诞生了《海洋盆地的历史》这篇划时代的地球诗篇。在这篇论文中，赫斯正式提出了海底扩张的假说。他的思想复活了魏格纳的大陆漂移学说，并奠定了导致地学革命的板块构造理论的基础。几年之后，他的假说就为格洛玛号的深海勘探所证实。赫斯本人也因之而成为地学史上的一代宗师。 科学没有国界，赫斯的经历同时也印证了中国著名学者胡适的治学诤言：“大胆假设，小心求证”这轻描淡写的八个字，也许正体现了人类对待科学应有的态度。
2.7.3板块构造
在地球科学史上，有两个光辉灿烂的阶段，即18世纪末叶的奠基阶段和20世纪60年代的地学革命。前者构筑了科学地质学的大厦，后者建立了全球动力学的图象。地学革命的历史溯源至半个世纪之前，1912年，魏格纳提出大陆漂移，为此，论战持续了近40年；50年代，因海底调查和古地磁研究的突破性进展又激发了人们的兴趣；1962年，地质诗人赫斯提出了海底扩张的假说；1963年，瓦因-马修斯模型的提出，导致了决定性的发展。但直到1966年，这场地学革命才有了巨大的影响。1966年11月，在纽约戈达德空间研究所的一次“地壳演变”专题讨论会上，一群科学家宣布了地球科学的变革。这些变革的证据在同一月召开的美国地质年会上广泛传播，在1967年4月，在美国地球物理学会上又进行了证明。1968年，拉蒙特观测所的艾萨克斯（Isacks）、奥利弗（Oliver）和塞克斯（Sykes）发表了一篇将地震研究用于被称之为“新全球构造学”的重要评论。剑桥大学的麦肯齐（D.P.Mckenzin）和派克（R.L.Parker），普林斯顿大学的摩根（W.J.Morgan）和拉蒙特观测所的勒皮松（X.Lepichon）于1967和1968年发表了几篇合写的文章，从不同的观点论证了“新全球构造学”。根据这一批论文，板块构造学说意义明确地形成了。 板块构造以恢弘的气势建立新的全球说，用和谐的框架将大量的杂散的专门发现协调组织成一个完整的体系，几乎包含了地球科学的各学科领域：岩石学、矿床学、大地构造、底资源......以及地球上最壮观的景象。
海沟消减带与火山弧
从大洋中脊移开的板块前锋必然会碰到另一个岩石圈板块，于是前者就向后者下面俯冲，称为板块俯冲作用。俯冲作用可以延伸到地下700千米深处，这就是板块俯冲带。俯冲板块的地壳物质因高温而熔化，产生熔融液体，这就是岩浆。这种熔融体比重较小而要觅路上逸。它们侵入到俯冲带之上表层的岩石圈中，冷却下来就形成巨大的花岗岩基。如果条件适当，这些岩浆也会喷出地表，形成火山岩流，这就是火山岛弧。 俯冲带在大洋底的那一部分称之为海沟。
大洋中脊与转换断层
大洋中脊是分离的板块边界（be和fc），上地幔岩浆在这里上涌，形成新的海底，并将两边的岩石推开。由于大洋中脊延绵过长和地壳岩石圈的不均匀性，使得大洋中脊两侧岩石形成差异作用。在图上可见到，fc和be段的洋中脊之间的运动方向不同，造成bc的平移，这就是1965年才由J.T.威尔逊辨认出的一种板块边界类型并称之为转换断层。 根据洋脊考察的成果，结合大陆地质进行分析，人们对洋壳结构获得更完整的认识。大西洋中脊的延长线可与冰岛相连，这里有一个规模巨大的槽状裂谷带纵贯冰岛中部，沿裂谷带的张裂缝分布着喷发玄武质熔岩的盾状火山。在一些深坳谷内可见到呈层状的熔岩，向地下深部转变成无数垂直的玄武质岩脉，称为席状岩墙，这种席状岩墙是从地壳裂缝中挤出的熔岩根部。
火山链和热点
60年代初，威尔逊开始研究太平洋的火山岛。他注意到这些岛屿的分布具有离洋中脊越远年代越老的特征，他还注意到太平洋的很多海底山和火山岛呈线状排列。地质研究已经证明，这些呈链状分布的岛屿和海底山并不是由同期的火山活动引起的。这些现象使威尔逊受到启发，他设想这些火山岛是由于地幔里的“热点”形成的。按照海底扩张理论，洋壳岩石圈在水平方向移动，但热点是不动的。因此在岩石圈板块移动过程中，板块上不同的点将因地幔中称为“热点”的加热而发生部分重熔。 威尔逊的“热点”留在原地不动，太平洋板块从它上面经过并继续移动。较老的火山从“热点”上移开，火山作用渐渐熄灭。火山岛在移动过程中逐渐下沉就形成了沉没的海底火山链。夏威夷群岛——天皇海岭就是实例。
地球上最壮观的景象首推喜马拉雅山脉（Himalayas），它西起阿富汗，东迄缅甸，形成一道大屏障，把印度次大陆与亚洲大陆（或腹地）隔开，主峰珠穆朗玛（Chomolungma）高达8848米，为世界第一高峰。 几千年来，许多民族曾在喜马拉雅山脉之下生活，该地区的神话、宗教、文学、经济都深受这条山脉的影响。旅行家、探险家、登山者及科学家都对喜马拉雅悠然神往。人们心中一直在想：这条山脉为什么会在这里？有此山脉以前这里是什么？山脉年龄有多大？是什么巨大的力量造成？为什么这样高？ 这些问题直到板块构造理论问世后，才由地质学家们给出满意的回答：喜马拉雅山脉曾是印度板块和亚洲大陆之间的古地中海海底的沉积岩。6千万年至2千万年间由于印度板块向亚洲板块推进和挤压，至200万年前出现喜马拉雅山脉，直至今日。
喜玛拉雅山脉
喜玛拉雅山脉耸立于印度河、恒河、雅鲁藏布江等河系的低洼冲积平原上，绵延2400千米，形成一个大弧形隔开印度次大陆及西藏高原，宽度自150-400千米不等。这个崎岖的山脉地带分成几个相连的分段。西瓦里克（又名楚利亚）山脉是印度平原北面的第一段，高915-1220米不等。下喜玛拉雅山脉包括几个起伏连接山巅，高3660-4575米不等。大喜玛拉雅山脉本身较高的山顶是冰川蚀成的山峰，高6400-8848米不等。接着是较矮的西藏陆缘山脉，山势渐低，没入海拔4575米的西藏高原。喜玛拉雅山脉在喀什米尔北部没入巍峨的喀喇昆仑山。喀喇昆仑山一条外喜玛拉雅大山脉，有世界第二高原葵土峰（又名歌德文奥斯胜峰），海拔8610.70米。
珠穆朗玛峰
珠穆朗玛峰被西藏佛教徒称为“圣母峰”（Mount Everest），意即世界的圣母。尼泊尔印度教徒称之为“娑伽摩沓”（Sagarmatha），意即海洋上的极巅。珠穆朗玛高达8848米，峰顶穿透高空射流。猛烈的高空射流强风，横扫珠穆朗玛峰裸露的峰顶。峰上那些波浪状的岩层，证明圣母峰是来自海底。在印度次大陆楔入亚洲之前，这些岩层是古地中海海底的沉积岩。
格洛玛号
海洋科学的发展是二十世纪科学上的伟大成就之一，而“深海钻探”计划是海洋科学的一项登峰造极的成就。美国《格洛玛.挑战者号》是世界上首次执行深海钻探任务的科学考察船。这条船长120米，排水量10，000吨，船中部的钻井机井架高出吃水线达61米。它能在4500米以上的深海中钻探，并能在茫茫大海中连续多天定位，误差不过百米。自1967年8月首次试航，截至1977年7月止，航程达46万千米，踪迹遍及全世界各大洋，共钻探429处，深海海底钻探总进尺达19万米，海底取样长度合计4.9万米。格洛玛号的工作成果是海洋科学研究中的一颗闪光的明珠。 地质学研究方法以观察、归纳为基础。由于地质学研究的对象复杂，时空跨度较大，所以每一个理论的提出都会引起激烈而又漫长的争论。本世纪60年代这场波澜壮观的地学革命之所很快取得成功，这要归功于格洛玛号。如果没有格洛玛号在南大西洋对海底扩张理论进行的检验，板块构造不可能这样快地成为统一全球的理论；如果没有格洛玛号提供的证据，人们也无从知道古地中海曾是一片荒漠和阿特兰梯斯大陆消失的原因。 人们在追溯现代地学史时，不应忘记格洛玛号这位名垂史册的英雄。
深海钻探计划(DSDP)
深海钻探计划(DSDP)的历史始于“莫霍面钻探计划”（Project Moho），目标是钻透洋壳和莫霍面来获取地球的上地幔样品。莫霍面计划由于实施步骤和预算与实际花费等等原因而中止。当时CUSSI号海洋船在墨西哥瓜德鲁普岛(Guadalupe)附近成功地从3.7千米深的海底取上了183份深海沉积物和熔岩样品，于是新的科学口号变为“不要莫霍面，而要更多的钻孔”。 1964年5月，迈阿密大学海洋科学研究所、哥伦比亚大学拉蒙特观测所、加利福尼亚大学斯克里普斯海洋研究所及伍兹霍尔海洋研究所联合组成了海洋学地球深部取样联合机构（Joint Oceangraphic Institutions Deep Earth Sampling），简称为JOIDES，后来华盛顿大学又把这几个单位联合起来。 美国国家基金会接受了JOIDES顾问小组的意见，拨出了1260万美元资助该机构。全球海洋勘探公司仅用40个星期就建造和装备成功了格洛玛.挑战者号。初期18个月的一系列航行在操作上和科学上的成功，使国家科学基金会为支持1970年至1973年的工作而追加了3480万美元。接连取得的成功使1973年以后的经费有了保证，得以使深海钻探计划延续到1975年8月。
海底扩张理论的检验
为了检验海底扩张理论的真实性，深海钻探计划的组织者为格洛玛号安排了第三航次，在大西洋地区南纬30度左右钻一排钻孔。按照瓦因-马修斯的模型，在新海底沿大洋中脊生长时，以较老磁异常为标志的较老海底不断被推向两侧。这样一来，海底年龄=距洋中脊轴的距离/半扩张速率。根据地磁条带宽度推测的洋壳年龄都与每个钻探地点取得的最深沉积物的年龄相符。马克斯威尔（A.E.Maxwell）和七位合作者在1970年发表的“报告”提出，这些结果“为海底扩张和磁性地层学提供了一个重要的试验”。 科学是一种智慧的结果，意味着人类从看上去杂乱无章的自然现象中探求规律的努力；它不但能够提供一种简单的关系来解释表面上看起来互不相关的事实，还应当能预言。瓦因-马修斯模型由于它的简单、直观，以至人们怀疑它的正确性和预测的结果，由于格洛玛号提供的证明，模型得到肯定，避免了地学历史上常有的那种长期争论的局面。
1968年深海钻探第三次在南大西洋的钻探结果证实了海底扩张说
古海荒漠
在深海钻探计划的成果中，最令人惊奇的一个发现，莫过于古地中海在800万年到500万年前曾是一片荒凉的沙漠。1970年8月13日，格洛玛号从里斯本出发，开始了它的第13次航程，目的是进行一次地中海巡游，主要任务之一是查明地中海底部令人迷惑不解的M—反射层。 1970年8月29日凌晨，格洛玛号在西地中海近3000米的深水下取上一段白色大理石似的岩石。这是一段典型的蒸发岩岩心，由硬石膏（anhydrite）和叠层石（stromatolites）组成。第13航次的主任科学家徐靖华根据这次钻探的成果，为人们叙述了古海荒漠的故事：距今1500万年前，地中海一直是从大西洋通往印度洋的开阔海面。其后，沙特阿拉伯和欧洲的板块碰撞切割了地中海与印度洋的联系。约在1000-800万年前，地中海西端的直布罗陀海峡也关闭了，地中海成为大陆包围的内海。海水的蒸发使得地中海逐渐干涸，直至形成一片荒漠。距今550万年直布罗陀海峡重新打开，来自大西洋的海水泻入古地中海，汹涌的海水淹没了这一段历史。直到今天，格洛玛号的钻探研究成果才揭开了这段历史的面目。
M—反射层
1969年，美国伍兹霍尔研究所的考察船“铁索号”装着新发明的连续地震剖面仪，穿过直布罗陀海峡来到地中海。他们发现海峡几百米深处有一层硬地层，它的顶面是一个良好的声波反射层，能不断的将回声送回船上。这次考察的领导人布拉凯特.海尔塞感到迷惑不解，他把这一神秘的、成因不明的硬岩层称为M-层，其顶面称为M-反射层。M是地中海英文缩写。M-反射层的几何形态与地中海的海底地形一致。 首次发现M-反射层时，别尔.瑞安参加了“铁索号”的航行。从那以后，M-反射层的问题一直在他脑际萦绕。当他与许靖华同以主任科学家的身份一同主持深海钻探计划的第13次航次时，才弄明白M-层就是古地中海曾干涸成荒漠时的地表面。
在地中海巴利阿里海盆、第勒尼安海盆以及爱奥尼亚海盆等三个地区获得的M-反射层和海底连续震波剖面图。
阿特兰梯斯的消失
阿特兰梯斯(Atlantis)——那失落的文明，一直是最能引起人们幻想的故事。多少年来，无数的书籍和文章对这块带着全体多才多艺的优秀居民突然消失于海底的陆地作了神话般的描述和猜测。这个神话的最古老的说法源于古希腊哲学家柏拉图(Plato)，他描述阿特兰梯斯是一个相当大的国家，位于直布罗陀(Gibraltar)以西的大洋里。
最新的研究资料表明，阿特兰梯斯应该是圣多里尼(Santorini)火山岛，由包括西拉岛(Thera)在内的五个岛屿组成，位于克里特岛(Crete)以北约125千米处。证据来自从岛上发掘的出土文物和对地中海这一地区深海沉积物的勘探结果。公元前1500年圣多里尼火山爆发毁灭迈诺斯文明(Minoan Civilization)，板块构造作用吞没了阿特兰梯斯。地质学家和历史学家共同证明，古希腊的文明是3400年前的一个夏日，从爱琴海一次火山爆发的烈焰与灰烬中诞生出来的。
失落的文明
西方文明在美学、知识、民主等传统方面，无不源于古希腊。然而在公元前1500年，希腊本土居民还处于铜器时代时，当时的迈诺斯文明就已十分先进。100年前，人们对这个文明还一无所知，仅仅是根据古希腊神话和传说中克诺索斯（Knossos）王迈诺斯的名字来命名。迈诺斯文明以克里特岛的十来个城市为中心，而圣多尼里位于其边缘。迈诺斯人使用复杂的文字、有许多体育运动、他们使用抽水厕所、知道把凉风引入室内调节空气、还制作了许多精美的工艺品和壁画、他们的使节和商船遍布古代世界各地。 公元前15世纪末，光芒四射的迈诺斯文明在鼎盛时期突然消失了。考古发掘的结果显示，迈诺斯的城市全都在同一时期遭到摧毁，所有的宏伟宫殿都被破坏无遗。迈诺斯文明的突然消失，作为一个千古之谜，引起无数猜疑，有人说是由于闹革命，有人说是外族入侵，最新的研究表明是地质巨变导致了该文明的消失。
一个石矿的地层显示，火山灰堆积层下面埋着圣多里尼昌盛文明。
最古老的说法
迈诺斯文明和一场火山浩劫的故事，包括阿特兰梯斯的故事，在各种传奇中流传下来，由埃及人留给了柏拉图。他在《泰米亚斯》（Timaeus）一书中写道：“这里发生了猛烈的地震和洪水，在不幸的一天一夜中，全体人一下子陷入地底，阿特兰梯斯岛也以同样的方式消失在大海深处……”根据柏拉图的记述，阿特兰梯斯是一个岛屿王国，面积约207万平方千米，大得地中海也容不下。因此柏拉图认为它位于海克力斯之柱（今日的直布罗陀海峡）以西的大洋里，大西洋就这样被称为阿特兰提。柏拉图还说，阿特兰梯斯是在梭伦（雅典立法人，曾在公元前590年访问埃及，并从埃及祭师那里得知阿特兰梯斯消失的事）以前9000年毁灭的。 考古学家指出，柏拉图的记述犯了个错误，他把埃及数字符号的“一百”误认为“一千”。正确的说，那场浩劫是在梭伦以前900年发生的，正是公元前15世纪，与圣多尼里火山爆发时间相一致。阿特兰梯斯的面积应为20.7万平方千米，与地中海东部诸岛的范围相吻合。
公元前1500年圣多里尼火山爆发
地质学家估计，圣多里尼火山爆发的能量，相当于几百颗氢弹同时爆发。西拉岛残留的陆地掩埋在几十米厚的火山灰之下。火山灰随风飘散广达几十万平方千米，主要落在东南方，那里的海床现在还积着一层火山灰，厚度从几厘米到几十厘米不等。 圣多里尼火山岛底部火山岩浆上升，顶部爆裂，冷海水涌进与炙热的熔岩混在一起，膨胀的水蒸气产生巨大的压力，终于炸掉整个火山岛。火山中空后，外壳崩塌，陷落于海面下几百米深的岩浆房，造成巨大的破火山口。海水大量注入，随之引起海啸。狂涛巨浪以每小时几百千米的速度外冲，一道道近几十米高的水墙接连冲击克里特岛海岸。不到3小时，吞噬了整个埃及三角洲。迈诺斯遭到了灭顶之灾，迈诺斯文明消失了。
西拉岛是昔日圣多里尼岛的部分残余。火山爆发的爆炸力造成陡峭的火山灰斜坡，在此之下埋藏着迈诺斯文明。

第三节 大气科学概述
大气科学是研究大气的各种现象及其演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。大气科学是地球科学的一个组成部分。它的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈，此外也研究太阳系其他行星的大气。
大气圈，特别是地球表面的低层大气，以及和它相关的水圈、岩石圈、生物圈是人类赖以生存的主要环境。如何认识大气中的各种现象，如何及时而又正确地预报未来的天气、气候，并对不利的天气、气候条件进行人工调节和防御，是人类自古以来一直不断探索的领域。
随着科学技术和生产的迅速发展，大气科学在国民经济和社会生活中的巨大作用日益显著，其研究领域已经越出通常所称的气象学的范围。
3.1大气科学简史
大气科学是一门古老的学科，有关天气、气候知识起源于长久的生产劳动和社会生活的经验之中。早在渔猎时代和农业时代，人们就逐渐积累起有关天气、气候变化的知识。中国在公元前2世纪见于《淮南子·天文训》和《逸周书·时训解》的二十四节气和七十二候，就是从生产和生活实践中总结出来的，它又被用来指导农事活动。
17世纪以前，人们对大气以及大气中各种现象的认识是直觉的、经验性的。17～18世纪，由于物理学和化学的发展，温度、气压、风和湿度等测量仪器的陆续发明，氮、氧等元素的相继发现，为人类定量地认识大气的组成、大气的运动等创造了条件。于是，大气科学研究开始由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段。这是大气科学发展进程中的一次飞跃。
1820年，在气压、温度、湿度、风等气象要素的测定和气象观测站网逐步建立的条件下，布兰德斯绘制了历史上第一张天气图，开创了近代天气分析和天气预报方法，为大气科学向理论研究发展开辟了途径。这是大气科学发展史上的又一次飞跃。
1835年科里奥利力的概念和1857年白贝罗提出的风和气压的关系，成为地球大气动力学和天气分析的基石。1920年前后，气象学家皮耶克尼斯，索尔贝格和伯杰龙等提出的锋面、气旋和气团学说，为天气分析和预报1～2天以后的天气变化奠定了理论基础。
1783年，法国查理制成了携带探测气象要素仪器的氢气气球。20世纪30年代无线电探空仪开始普遍使用，这就能够了解大气的铅直结构，真正三度空间的大气科学研究从此开始。根据探空资料绘制的高空天气图，发现了大气长波。1939年气象学家罗斯比提出了长波动力学，并由此引出了位势涡度理论。这不仅使有理论依据的天气预报期限延伸到3～4天，而且为后来的数值天气预报和大气环流的数值模拟开辟了道路。
1946年朗缪尔、谢弗和冯内古特的“播云”试验，探明了在过冷云中播撒固体二氧化碳或碘化银，可以使云中的过冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶数目，促进降水，从此进入了人工影响天气的试验阶段。
20世纪50年代以前，大气科学虽然取得了很大的进展，但因受海洋、沙漠等人烟稀少地区缺乏资料的限制以及计算上的困难，还不能摆脱定性或半定性的研究状态。50年代以后，由于各种新技术特别是电子计算机和气象卫星的采用，大气科学有了突飞猛进的发展。
由于采用气象卫星、气象火箭和激光、微波、红外等遥感探测手段以及各种化学痕量分析手段等新技术，对大气的观测能力增强了，观测空间扩展了。如赤道上空五个地球同步卫星和两个极轨卫星几乎能提供全球大气同时间的情况，不再存在气象资料的空白地区。
气象卫星、新型气象雷达、飞机等探测手段联合应用，为开展各种规模的综合观测试验，为早期发现和追踪台风及生命史短至几小时的小尺度灾害性天气系统，为提高短期和短时预报水平，以及改进中期预报提供了条件。气象卫星在大气层外探测大气，不仅加大了观测范围，而且极大地丰富了观测内容，如广阔洋面的温度、云的微观结构、大气的辐射平衡等。气象卫星已成为现代大气科学发展的支柱之一。
电子计算机的使用，使大气科学研究进入了定量和试验研究的新阶段。大气的各种现象，大至全球的大气环流，小至雨滴的形成过程，都可以依照物理和化学原理以数学形式表达，然而只有用电子计算机才可能进行运算并模拟这些现象的发生、发展和消亡的过程。
此外，科学技术的发展，人类往往需要了解几星期、几个月甚至一年以上大气可能出现的状态。这也需依靠高速计算机获取和处理全球资料，以全球模式来进行天气预报和气候预报。电子计算机是现代大气科学发展的另一个支柱。可以预期下一代甚至再下一代最大的电子计算机将首先用于大气科学。
3.2大气科学的内容
覆盖整个地球的大气，质量约五千三百万亿吨，约占地球总质量的百万分之一。由于地心引力的作用，大气质量的90%聚集在离地表15公里高度以下的大气层内，99.9%在48公里以内。2000公里高度以上，大气极其稀薄，逐渐向星际空间过渡，无明显上界。
大气本身的可压缩性、太阳辐射、地球的形状和它的重力、地球的公转和自转、地球表面的海陆分布和地形起伏、地球的演化和地球生态系统等是造成地球大气特定组分、特定结构和特定运动状态的主要自然条件。人类活动及其对生态因素所起的作用，是影响大气组分、大气结构和大气运动的人为条件。
地球大气的组分以氮、氧、氩为主，它们占大气总体积的99.96%。其他气体含量甚微，有二氧化碳、氪氖、氨、甲烷、氢、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃、孢子、花粉等液态、固态微粒。太阳系的九大行星，都存在大气。
地球大气中的氧气是人类赖以生存的物质基础，氧气的出现及其含量的变化，同地球的形成过程和生物的演化过程密切相关。大气中的水汽来自江河、湖泊和海洋表面的蒸发，植物的散发，以及其他含水物质的蒸发。在夏季湿热处，大气中水汽含量的体积比可达4%，而冬季干寒处(如极地)，则低于0.01%。水汽随着大气温度发生相变，成云致雨，成为淡水的主要资源。
水的相变和水文循环过程不仅把大气圈同水圈、岩石圈、生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化有重要影响。大气中的二氧化碳含量受植物的光合作用、动物的呼吸作用、含碳物质的燃烧以及海水对二氧化碳的吸收作用所影响，化石燃料(如煤。石油、天然气)燃量增加，森林覆盖面积减少的情况下，已观测到二氧化碳含量与年俱增。大气中本来没有或极少存在的如甲烷、一氧化二氮等气体，由于人类活动的影响，近年来它们的含量也迅速增加。这些有温室效应的气体含量的变化对大气温度的重要影响，已成为研究现代气候变化的一个前沿课题。
大气中臭氧的含量极少，即使在离地表20～30公里的浓度最大处，其含量也不到这层大气的十万分之一，然而大气臭氧层能够大量吸收太阳紫外辐射中对生命有害的部分，对人类起着十分重要的保护作用。另外，大气臭氧层的存在，对平流层大气的温度也有重要作用。由于人类活动对高空光化学过程的影响会引起臭氧含量的变化，人类活动对臭氧含量影响的研究，已成为医学界和气象学界共同关注的问题。
地球大气的密度、温度、压力、组分和电磁特性等都随高度而变化，具有多层次的结构特征。大气的密度和压力一般随高度按指数律递减；温度、组分和电磁特性随高度的变化不同，按各自的变化特征可分为若干层次。
地球大气按温度随高度的变化，由地表向上，依次分为对流层、平流层、中层和热层。对流层紧邻地表，其中温度随高度增加而降低，平均每升高1公里约减少6.5℃，至对流层顶温度降到极小值。对流层中的对流运动显著，是热量铅直输送的主要控制因子，云和降水主要发生在这一层。对流层顶的高度在赤道地区约18公里，中纬度地区约12公里，极地地区约8公里。
平流层位于对流层之上，平流层顶高地表约50公里。平流层中的臭氧层吸收太阳紫外辐射，是使这层大气温度随高度增加而上升的主要因子。这层大气温度层结非常稳定，其中的热量输送以辐射传输为主。
中层位于平流层之上，中层顶离地表约85公里，层内温度随高度增加而下降。热层位于中层之上，热层顶离地表约500公里。这层大气由于吸收太阳紫外辐射，温度随高度增加而上升。热层顶以上为外逸层，那里大气已极稀薄，每立方厘米不到一千万个原子(海平面处每立方厘米约一百亿亿个原子)。
地球大气按组分状况可分为匀和层和非匀和层。高地表约35公里高度以下为匀和层，层内的大气组分比例相同，平均分子量为常数。约110公里高度以上为非匀和层，层内大气组分按重力分离后，轻的在上，重的在下，平均分子量随高度增加而减小。离地表95～110公里为匀和层到非匀和层的过渡层。
地球大气按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层。由地表向上到60公里高度为中性层。离地表60公里到 500～1000公里高度为电离层。离地表500—1000公里以上为磁层。电离层能反射无线电波，对电波通信极为重要。磁层是地球大气的最外层，磁层顶是太阳风动能密度和地磁场能密度相平衡的曲面。
地球大气的运动非常复杂。地球的自转和公转运动以及地球自转轴的方向产生了地球上的昼夜交替、四季变化和温度自赤道向两极递减的规律。由于海陆分布和地貌等的不均匀性，地表的温度并不完全按纬圈带分布，而呈现出非带状的不均匀分布。
整个大气圈通过各种机制相互紧密地联系在一起，形成了空间尺度小至几米以下、大至几千公里甚至上万公里，时间尺度短至几秒、长至数十天或更长时间的多种大气运动系统。在影响大气运动的因素中，人为的因素在变化着(如工农业生产引起大气中有温室效应的气体增加，大面积森林砍伐等)，自然的因素也在变化着(如火山爆发等引起辐射能的变化，地球自转轴方向的变化等)。大气的运动也就呈现出既有规律性又有随机性的特点。
大气科学的研究对象——地球大气，无论它的组分，它的结构，还是它的运动，都存在着确定性和不确定性两个方面。这正是大气科学研究复杂性的一面。
大气圈以外，还存在着水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈这些圈层组成一个综合系统。大气圈中发生的各种变化都受其他圈层的影响；反之，大气圈也影响着其他圈层的变化。研究大气运动的能源，大气中的物质循环、能量转换和变化过程，大气环流及天气、气候的分布和变化，都必须考虑大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间的相互影响和相互作用。
大气圈不是孤立的，在空间和时间上具有宽广尺度谱的各种大气现象也不是孤立的。它们种类繁多，相互叠加又相互影响。即使同一类现象，其结构也不尽相同。影响这些大气现象的因素非常复杂，人类至今还很难在实验室内用人工控制的方法对它们进行完整的实验和研究。只能以大自然为实验室，组织从局地到全球的气象观测网，运用多种观测手段对大气现象进行长期的连续的观测，特别是定量的观测，以获取资料；对有关气候现象还需搜集地质考查、考古发掘和历史文献等资料。
大气科学家们通过对大量资料的分析和综合，提炼出量与量之间的定性的或定量的关系，归纳出典型现象的模式特征，如锋面、气旋、大气长波等。在模式的基础上运用已知的物理学和化学的基本原理，以及数学工具和计算技术进行理论上的演绎和模拟，导出新的结论。理论模式是否合理，还需回到大自然的实验室中进行检验，有些理论模式还有待于新的观测资料加以证实。
全球大气在不停地运动着，而且是一个整体。为掌握大气运动变化快、范围广、形式多的特征，就必须对大气进行连续的、高频率的、全球性的观测。全球数以万计的为天气预报进行观测的气象站，要在相同的时间、用接近相同的仪器和观测方法，在全球各地进行同步观测；由气象卫星、气象雷达等探测手段观测的大量资料，凡用于天气预报业务的资料还要作同步处理。
这些资料都要在观测完毕后的短短数十分钟内迅速集中到世界气象中心和各国的气象中心。再加上为数更多的水文气象站的观测资料。资料的范围之大、数量之多、传递之快是惊人的，这是自然科学中的奇观。这一切只有通过国际间的密切合作才能实现。
3.3大气科学与其它学科的关系
大气科学在很长的历史发展过程中，先是以气候学、天气学、大气的热力学和动力学问题，以及大气中的物理现象(如电象、光象、声象)和比较一般的化学现象等为主要研究内容，传统称之为“气象学”。随着现代科学技术在气象学中的应用，其研究范畴日益扩展，因而从20世纪60年代以来，“大气科学”术语的应用日益广泛，它大大扩充了传统气象学的研究内容。
近年来，由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要性，要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈层变化过程的研究。因此，大气科学的研究内容越来越广泛，与其他学科之间的相互渗透也越来越深入。
比如：研究大气运动，需同流体力学、热力学、数学密切合作；研究太阳辐射以及太阳扰动在大气中引起的各种机制，需同高层大气物理学、太阳物理学和空间物理学密切合作；研究水分循环、海洋和大气的相互作用，需同水文科学海洋科学密切合作；研究地球大气的演化、地球气候的演变，需同地球化学、地质学、冰川学、海洋科学、生物学和生态学密切合作；研究大气化学、大气污染，需同化学、物理学、生物学和生态学密切合作；研究大气问题的数值模拟、数值天气预报等，需同计算数学等密切合作；研究大气探测的手段和方法，需同有关的技术科学密切合作；在大气探测、天气预报等自动化的进程中，大气科学还不断同信息理论、系统工程等科学技术领域密切合作。在相互合作和相互渗透的过程中，大气科学不断汲取其他学科的养料；大气科学特定的要求又不断为其他学科开辟新的研究前沿，不断丰富着其他学科的内容。
现在，大气科学已发展成一门分支众多的科学。如大气遥感、雷达气象学和卫星气象学等分支；大气物理学下的大气边界层物理、平流层和中层大气物理学，以及大气光学、大气声学、大气电学和大气辐射学等；同大气物理学同时发展起来的，还有大气化学；天气学和动力气象学则相互渗透而形成天气动力气象学，其应用学科数值天气预报也发展成了独立的分支；由于对极地、热带和高原地区情况的研究日益深入，而出现极地气象学、热带气象学和高原气象学；气候学也出现了动力气候学、气候变化等分支。
由于大气科学广泛应用于生产、生活和科研等各种领域，许多边缘学科如海洋气象学、水文气象学、农业气象学、森林气象学、生物气象学、航空气象学、建筑气象学和医疗气象学等相继出现，在气象业务工作自动化进程中，大气科学不断地从信息理论、系统工程、计算机技术和计算数学等科学技术领域中获得新的实验手段和理论方法；同时，也不断地用自己的成就丰富着这些领域。
大气科学的迅猛发展正方兴未艾。随着世界气候计划及其他专项计划的执行，在常规观测系统的基础上，将更多地运用气象卫星、海洋观测卫星、多普勒雷达和各种特殊装备的飞机等多种探测手段，以及新的大气化学观测和分析方法，进行各种特殊项目的观测，如海面高度、太阳常数、云和辐射的反馈、近海面风力、土壤湿度、碳循环等。
总之。人类生产和生活的发展，将不断提出新的问题和要求，推动大气科学新理论和新分支的发展。大气科学新的发展，必将不断提高它为生产和生活服务的能力，如提高天气和气候预报的准确率、为开发利用气象资源和制定经济政策提供更加可靠的科学依据等，其经济效益和社会效益将不可估量。

第四节 海洋学概述
海洋科学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发利用海洋有关的知识体系。它的研究对象是占地球表面71%的海洋，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈，以及海面上的大气边界层和河口海岸带等。
海洋科学的研究领域十分广泛，其主要内容包括对海洋的物理、化学、生物和地质过程的基础研究，海洋资源开发利用，以及海上军事活动等的应用研究。
由于海洋本身的整体性、海洋中各种自然过程相互作用的复杂性和主要研究方法、手段的共同性而统一起来，使海洋科学成为一门综合性很强的科学。
4.1海洋
在太阳系的行星中，地球处于“得天独厚”的位置。地球的大小和质量、地球与太阳的距离、地球的绕日运行轨道以及自转周期等因素相互的作用和良好配合，使得地球表面大部分区域的平均温度适中(约15℃)，以致它的表面同时存在着三种状态(液态、固态和气态)的水，且绝大部分是以液态海水的形式形成一个全球规模的含盐水体——世界大洋。因此，我们的地球又称为“水的行星”。
全球海洋总面积约3.6亿平方公里，约占地表总面积的71%。全球海洋的平均深度约3800米，最大深度11034米。全球海洋的容积约为13.7亿立方公里，占地球总水量的97%以上。如果地球的地壳是一个平坦光滑的球面，那么就会是一个表面被2600多米深的海水所覆盖的“水球”。
世界海洋每年约有50.5万立方公里的海水在太阳辐射作用下被蒸发，向大气供应87.5%的水汽。从海洋或陆地蒸发的水汽上升凝结后，又作为雨或雪降落在海洋和陆地上。陆地上每年约有4.7万立方公里的水在重力的作用下，或沿地面注入河流，或渗入土壤形成地下水，最终注入海洋，从而构成了地球上周而复始的水文循环。
海水是—种含有多种溶解盐类的水溶液。在海水中，水占96.5%左右，其余则主要是各种各样的溶解盐类和矿物，还有来自大气中的氧、二氧化碳和氮等溶解气体。世界海洋的平均含盐量约2.5%，而世界大洋的总盐量约为4.8亿亿吨。假若将全球海水里的盐分全部提炼出来，均匀地铺在地球表面上，便会形成厚约40米的盐层。
目前在海水中已发现的化学元素超出80种。组成海水的化学元素，除了构成水的氢和氧以外，绝大部分呈离子状态，主要有氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、氟等11种，它们占海水中全部溶解元素含量的99%；其余的元素含量甚微，称为海水微量元素。
溶解于海水中的氧、二氧化碳等气体，以及磷、氮、硅等营养盐元素，对海洋生物的生存极为重要。海水中的溶解物质不仅影响着海水的物理化学特征，而且也为海洋生物提供了营养物质和生态环境。
海洋对于生命具有特别重要的意义。海水中主要元素的含量和组成，与许多低等动物的体液几乎一致，而一些陆地高等动物，甚至人的血清所含的元素成分也与海水类似。研究证明，地球上的生命起源于海洋，而且绝大多数的动物生活在海洋中。在陆地上，生物集中栖息在地表上下数十米的范围内，可是在海洋中，生物栖息范围可深达一万米。因此，研究生命起源的学者把海洋称作“生命的摇篮”。
海洋作为地球水圈的重要组成部分，同大气圈、岩石圈以及生物圈相互依存，相互作用，成为控制地球表面的环境和生命特征的一个基本环节。
由于水具有很高的热容量，因此世界海洋是大气中水汽和热量的重要来源，并参与整个地表物质和能量平衡过程，成为地球上太阳辐射能的一个巨大的储存器。在同一纬度上，由于海陆反射率的固有差异，海面单位面积所吸收的太阳辐射能约比陆地多25～50%。因此，全球大洋表层海水的年平均温度要比全球陆地上的平均温度约高10℃。
由于太阳辐射能在地球表面上分布的固有差异，赤道附近的水温显著地高于高纬度海区，因此，在海洋中导致暖流从赤道流向高纬度、寒流从高纬度流向赤道的大尺度循环。从而引起能量重新分布，使得赤道地区和两极的气候不致过分悬殊。
海面蒸发产生的大量水汽，可被大气环流及其他局部空气运动携带至数千公里以外，重新凝结成雨雪降落到所有大陆的表面，成为地球表面淡水的源泉。由此可见，海洋对全球天气和气候的形成，以至地球表面形态的塑造都有深远的影响。
海洋中的动物约16～20万种，植物一万多种。海洋中的生物，如同整个生物圈中的生物一样，绝大多数直接地或间接地依赖于光合作用而生存。海洋生物由海洋光合植物、食植性动物和食肉性动物逐级依赖和制约，组成了海洋食物链。
海洋作为一个物理系统，其中发生着各种不同类型和不同尺度的海水运动和过程，对于海洋中的生物、化学和地质过程有着显著的影响。海水运动按其成因，大致分为：海水密度变化产生的“热盐”运动，如海面蒸发、冷却和结冰，以及海水混合等；海面风应力驱动形成的风生运动，如风海流和风生环流等；天体引力作用产生的潮汐运动；海水运动速度切变产生的湍流运动；各种扰动产生的波动，如风浪、惯性波和行星波等。
海洋是生物的生存环境，海水运动等物理过程会导致生物环境的改变。因此，不同的流系、水团具有不同的生物区系和不同的生物群落。海水运动或波动是海洋中的溶解物质、悬浮物和海底沉积物搬运的重要动力因素，因此，海洋中化学元素的分布和海洋沉积，以及海岸地貌的塑造过程都是不能脱离海洋动力环境的。反过来，海水的运动状况也与特定的地理环境、化学环境有关。这就是海洋自然环境的统一性的具体表现。
大洋地壳作为全球地壳的一个结构单元，具有不同于大陆地壳的一系列特点。陆壳较轻、较厚，比较古老；洋壳较重、较薄(缺失花岗岩层)，相对年轻。在地壳的均衡作用下，陆壳质轻而浮起，洋壳质重而深陷。地球之所以存在着如此深广的海洋，是与洋壳的物质组成有关的。
由于海水的覆盖，海底地壳是难以直接观察的。近半个世纪以来，深海考察发现了海洋中有深度超过万米的海沟，长达上千公里的断裂带以及众多的海山：而给人印象最深的是存在着一条环绕全球、纵贯大洋盆地、延伸达80000公里的水下山脉体系。这条水下山脉纵贯大西洋和印度洋的洋盆中部，所以称为大洋中脊。在大洋中脊顶部发育有一条被断裂带错开的纵向的大裂谷，称为中央裂谷。
20世纪70年代以来，海洋学者乘坐潜水器考察大洋中脊和裂谷，发现从裂谷底喷涌出来的热泉。原来，冷海水沿裂隙渗入炽热的新生洋壳内部，变成热海水，热海水和洋壳玄武岩之间发生强烈的化学反应。玄武岩中的铁、锰、铜、锌等被淋滤出来进入热海水，从而喷出富含金属的热泉。由河流带入海洋中的镁、硫酸根，在上述过程中也大部分被中脊轴部的洋壳所吸收。据估计，沿着八万公里长的大洋中脊只需800～1000万年，与世界海洋等量的海水就可以经过脊轴洋壳循环一遍。这对于海水化学成分的演化，产生了十分深远的影响。
总之，海洋中发生的各种自然过程，在不同程度上同大气圈、岩石圈和生物圈都有耦合关系，并且同全球构造运动以及某些天文因素密切相关，这些自然过程本身也相互制约，彼此间通过各种形式的物质和能量循环结合在一起，构成一个具有全球规模的、多层次的海洋自然系统。正是这样一个系统，决定着海洋中各种过程的存在条件，制约着它们的发展方向。
海洋科学研究的目的，就在于通过观察、实验、比较、分析、综合、归纳、该绎以及科学抽象方法，去揭示这个系统的结构和功能，认识海洋中各种自然现象和过程的发展规律，并利用这些规律为人类服务。
4.2世界海洋研究史
人类研究海洋的历史非常悠久，从海洋科学发展的历程看，可以划分为三个历史时期。
4.2.1海洋知识的累积时期(从史前到18世纪末)
海洋学知识的是在海洋生产实践和航海探险中开始累积的。在中国，5000年前就出现了独木舟，3000年前就出现了木帆船。公元前200～公元100年，中国沿海航线已经畅通，并开辟了通过朝鲜半岛到达日本诸岛，绕过中南半岛到达印度和斯里兰卡等航线。据文献记载，公元12世纪初中国人已把指南针应用于航海。
距今4000～5000年前，居住在地中海地区的美索不达米亚、埃及和希腊克里特岛的居民，已具有一些海洋知识。公元前2000～前1000年左右，腓尼基人曾利用太阳和行星的位置确定方位，开辟了从直布罗陀海峡远航大西洋的航线，发现了加那利群岛。
公元前6世纪，腓尼基人通过红海，进行了环非洲的航行。公元前五世纪，出现了以地中海为中心的地图。公元8世纪到11世纪之间，挪威人曾越过大西洋，发现了格陵兰和纽芬兰，并在那里从事渔业活动。
由于航线的开辟和航海活动的发展，促进了人们对海洋现象的认识，其中突出的是对潮汐现象及其成因的认识。公元前四世纪，古希腊科学家亚里士多德在《气象学》中记载了潮汐现象；古希腊皮西亚斯记录了大潮与小潮，发现了潮汐主要起因于月球；公元前2世纪，巴比伦的赛留卡斯在波斯湾对潮汐进行观察，并与地中海(几乎无潮汐)进行了比较，还发现波斯湾日潮不相等现象。公元前一世纪，古希腊波西东尼斯在加的斯观察潮汐，发现潮差受月球相位的影响。
公元一世纪，中国的王充明确地指出潮汐同月相的相关性；公元八世纪，中国的窦叔蒙在《海涛志》中，不仅指出了潮汐和月相的相关性，而且论述了海洋潮汐变化逐日、逐月、逐年的周期性，建立了现知世界上最早根据月球位置推算出每月和每天高、低潮的图解表；公元11世纪，中国的燕肃在《海潮论》中分析了潮汐与太阳和月球的关系，潮汐的月变化以及形成钱塘江涌潮的地理因素等。
海洋生物知识随着航海也积累起来，如公元前300多年，亚里士多德在《动物志》中记载了爱琴海170多种动物；公元前2～前1世纪，中国的《尔雅》除记有海洋动物外，还有海藻的记载。
古代海洋探险的另一大贡献是证实地球的形状。公元前五世纪，巴门尼德宣称地球是圆的。公元前250年左右，厄拉多塞尼计算出地球的圆周长为39690公里，与地球的实际周长十分接近，并画出了地球的经纬线，提出了绕地球航海一周的想法。
公元2世纪中叶，托勒密就在地图上绘有海洋，并指出大西洋和印度洋同地中海一样，是闭合的大洋，并认为地球东西两点彼此十分接近，如果向西航行，则可以抵达东端。这一观念在1300多年后，启发了哥伦布的向西远航的设想。
公元9～14世纪，欧洲经历了将近600年的黑暗时代，航海探险活动处于低潮，对海洋的认识也处于停滞状态；而阿拉伯国家和中国广泛地利用季风远航到东非、东南亚和印度等地，海洋知识得到了进一步的发展。
15世纪起，欧洲资本主义的产生和发展，刺激了海洋航海探险活动的开展和高涨，此后直至时7世纪，是人类历史上的海洋探险时代，史称“地理大发现”时期。其代表人物有哥伦布、达伽马、麦哲伦等。在后期的海洋探险中，科学考察的成分逐渐增多。
16世纪，荷兰的巴伦支为探寻由北方通向中国和印度的航线，曾在北冰洋地区作了三次航行；17世纪初，英国哈得孙曾屡次探索经北冰洋通向中国的航路；斯霍特于1616年到达美洲南端的合恩角；荷兰塔斯曼于1642～1643年环航澳大利亚，到达新西兰和塔斯马尼亚。这些航海在扩大、丰富海洋地理知识的同时，也或多或少做了一些有关洋流、风系等的科学考察工作，但直到英国库克的航海探险，才真正拉开海洋科学考察的序幕。
库克从1768年开始直至1779年去世，曾四次跨越大洋进行海洋地理考察。在1772～1775年间，他首先完成了环南极航行，探索了南极冰圈的范围。库克是继哥伦布之后在地理学上发现最多的人，南半球的海陆轮廓很大部分都是由他发现的；他还在海上精确地测量经纬度，取得了大量表层水温、海流、大洋测深及珊瑚礁等科学考察资料。
这一时期，海洋学方面的成果还有1497年，意大利卡博特航行到纽芬兰，发现拉布拉多寒流；1513年，西班牙阿拉米诺斯发现墨西哥湾流；1595年，荷兰范·林斯霍特编成最早的航海志，叙述了大西洋的风和海流；1686年，英国哈雷系统地研究了主要风系与主要海流的关系，后又阐述了海洋蒸发现象；1770年，美国富兰克林制作并出版了墨西哥湾流图；1799年，德国洪堡德发现了秘鲁海流等。
在海洋潮汐研究方面。1687年，英国牛顿用引力定律对潮汐性质作了精辟解释；1740年，瑞士伯努利提出平衡潮学说；1775年，法国拉普拉斯创立潮汐动力学理论等。
在海洋生物研究方面。1551年，法国贝隆等人解剖了海豚并进行了一系列的研究；1596年，中国的屠本睃撰写出海洋水产动物志《闽中海错疏》；1674年，荷兰列文虎克最先发现海洋原生动物；1685年，英国利斯特出版《贝类学大纲》；1754和1758年，瑞典林奈出版了《植物种志》和《自然系统》，为动、植物分类学奠定了科学基础。
在海图方面。有中国的《郑和航海图》；哥伦布部下科萨绘制的美洲海图；1521年出现了与现代海陆分布相近的世界海图；1569年墨卡托发明正轴等角圆柱投影制图法，奠定航海制图基础；1737年出现了海底等深线图；1744年陈伦炯在《海国见闻录》中附有一张中国沿海全图等。
在海水盐度和蒸发方面。1670年，英国玻意耳在研究海水中盐度与密度关系基础上发表《海水盐度的观测和实验》，开创海洋化学的研究；1772年，法国拉瓦锡首先测定了海水成分，发现水是氢和氧的化合物。
这一时期也先后发明了一些仪器和工具，如自记最低温度深海水温计、测深器、采水器和最低最高温度计等。　
4.2.2海洋学建立和发展时期(19～20世纪50年代)
这个时期，世界性的海洋考察活动日益增多，海洋学领域的研究在深度和广度上都获得了较大发展，并独立发展成为一门学科。这个时期可以分为两个大的发展阶段：“挑战者”号阶段和“流星”号阶段。
“挑战者”号阶段通常也称为“挑战者”号时代，它包括整个19世纪。在“挑战者”号之前的19世纪初到1872年，航海考察已不同于第一个时期的航海探险，明确以海洋科学考察为主，但往往以个体单学科的考察为主。
1831～1836年，英国科学家、生物进化论者达尔文参加了英国“贝格尔”号环球探险，经历了大西洋、印度洋和太平洋，历时五年。这次考察所获得的资料，由“贝格尔”号船长罗伊和达尔文整理编纂成《贝格尔号航海报告》。
1839～1843年英国的罗斯进行了南极海域探险，在南纬27°16'、西经17°29'海域测得2425英寻(约4438米)的深度，创造了当时深海测深的记录；同时，罗斯在南极海域的深海生物取样中，发现了与北大西洋相同的海底生物，从而提出大洋的底层水具有相同特性的结论；罗斯还发现了南磁极。
1842～1847年，美国海军上尉莫里系统研究了大洋的风和海流，并根据记录绘制成海图，出版了《海洋自然地理学》，为人们提供了第一部海洋学经典著作；他还于1854年出版了第一幅北大西洋海盆的水深图，为铺设大西洋海底电缆提供了科学依据。
英国海洋生物学创始人福布斯对西欧、南欧、北非等海域的生物进行了多次考察和研究，第一次提出海洋生物分布的分带概念：认为深度越大，生物越少，550米以下为无生物带。1836年，爱伦贝格发现欧洲大陆的许多岩石中都含有硅藻、海绵和放射虫等海洋生物残骸，认为生物大量沉积海底是形成这些沉积岩的原因，指出这样的沉积物现在还在形成。
不过影响最大的还是“挑战者”号的科学考察活动，在英国皇家学会的支持下，汤姆孙率领“挑战者”号于1872年12月启航，至1876年5月返航，三年半的时间，共航行12万多公里。在太平洋、大西洋、印度洋和南极海数百个站位进行了测深、测温、采水、取样、拖网等，采集到大量海洋生物标本、底质标本以及海水样品。这次航海采集到很多深海珍奇动物标本，包括夏威夷群岛北方海域5500米以下的动物，测得太平洋马里亚纳海沟的深度数据(8180米)。
1949～1958年，前苏联“勇士”号主要在太平洋考察。“勇士”号在考察中进行了测深，更正了远东近海和太平洋水深图，还发现了一些断裂带、海底山脉、海山等。在马里亚纳海沟发现了世界最深的查林杰海渊为11034米；在千岛-勘察加海沟发现了深海渊(10382米)；在考察中取得了40米长的海底柱状样品，分析研究了长达1000万年的地质史；发现了深层水在不断流动，并在1000～3000米的深度上测量到速度高达30厘米/秒的强大层流；弄清了深海水强烈的垂直混合和数公里规模的浮游生物的垂直移动。调查结果表明，在一万米以深的最深海沟处，也有许多种生物存在。1959年以后，“勇士”号还在印度洋从事考察。
在这个阶段从事海洋考察活动的还有美国卡内基号、鹦鹉螺号、贝尔德号、地平线号，挪威莫德号，德国高斯号，丹麦丹纳-I和丹纳-II号，法国法兰西人号和帕斯号，英国发现-I、发现-II号、斯科列斯比号、挑战者-8号，苏联西比利亚科夫号和谢多夫号破冰船、罗蒙诺索夫号、鄂毕号等。　
4.2.3现代海洋科学时期(20世纪50年代以来)
20世纪50年代后期以来，海洋调查研究工作进入了一个全新的历史时期。1957年国际科学联合会理事会下属的海洋研究科学委员会，和1960年联合国教科文组织的政府间海洋学委员会建立后，积极组织和协调各国的海洋考察，开展各会员国之间及与其他世界组织的学术交流，制订各海区中长期海洋研究计划，有力地促进了世界海洋考察、研究的发展。
直到20世纪60年代初，传统的海洋调查船基本是由旧军舰、商船或货船改装成的。但到了60年代中期以后，各国开始设计建造了专以海洋研究为目的的调查船，为海洋科学研究提供理想的平台。
为开展对深海的研究，海洋学家们还设计出各种海洋调查潜水器、水下实验室，使人们有可能下潜到深海亲自观测和取样，最有代表性的潜水器是美国“阿尔文”号，它曾多次下潜到几千米深的海底热泉口进行观测。
为研究海洋历史需钻取海底岩心，在20世纪20年代只能钻取一米，30年代为5.6米，70年代就可获得200～300米未扰动的连续沉积岩心，从而使海洋调查研究的能力由海面深入到海底和海底以下。同时，研究海洋的手段扩大到太空。在60年代初，利用气象卫星开始从太空监测海洋。
1978年美国发射专用海洋卫星，所收集到的大量海洋资料，至今仍有价值。这样在70年代，海洋调查已由过去的单一调查船，扩大到空中飞机、卫星、海面研究船、浮标、水下潜水器、海底实验室、海底深钻和取样的立体观测系统。
另外，许多新技术，如电子计算机技术、红外技术、微波技术、声学技术、激光技术、遥感遥测技术和深潜的海洋观测仪器，如盐温深测量仪、抛弃式温深计、电磁海流计、声学海流计、精密回声测深仪，侧扫声呐、水下摄影机和地球物理调查仪器等，使海洋调查研究的能力取得了长足的进步，从而促进了海洋科学的迅速发展。
1957年，海洋研究科学委员会(SCOR)和1960年政府间海洋学委员会(IOC)的成立，促进了海洋科学的迅速发展。美国的深潜器“的里雅斯特2”号1960年曾深潜到10919米的海洋深处，美国核潜艇“鹦鹉螺”号1950年从冰下穿越北极，表明海洋的任何部分都能为人类所征服。但是，1963年美国潜艇“脱粒机”号和1960年“蝎子”号失事，全体乘员丧生，又从反面证明海洋环境仍然是难以掌握的。事实上，从技术的角度来说，人类要在深海海底上行走比在月球上漫步还要困难。
现代海洋学对于具体的海洋自然现象或特定海区的研究，普遍地从传统的静态定性描述和简单的因果分析向着动态定量分析发展，重视基础理论、现场实验和功能模拟研究。
海洋科学各分支学科之间、海洋科学和相邻基础科学之间的相互结合、相互渗透，并逐步形成了一系列跨学科的有高度综合性的研究课题。例如，海洋-大气相互作用和长期气候预报、海洋生态系统、海洋中的物质循环和转化、洋底构造以及有关海洋与地球的起源，海洋生命起源这样一些根本问题。
深海钻探和海洋地球物理探测技术的发展，使海洋科学(特别是海洋地质学)以及地球科学的研究方法和理论出现新的突破。例如，被誉为20世纪地球科学最重大成就之一的板块构造理论，主要就是通过对海洋地质和地球物理探测成果的研究建立起来的。
20世纪60年代以来海洋科学中所有的重大进展都同新的观测仪器、研究手段和方法的研制成功，以及广泛而密切的国际合作有关。例如，卓有成效的海洋观测，数据传输、处理系统的应用，航天遥感、遥测技术和水声技术的应用，国际地球物理年、国际印度洋考察、黑潮及邻近水域的合作研究、国际海洋考察十年、全球大气研究计划大西洋热带实验、深海钻探计划，以及世界(海洋科学)资料中心的建立等国际性海洋科学合作研究。
4.3海洋学研究的特点
海洋科学具有明显的区域性特征，即使是同一区域，海洋、水文、化学要素及生物分布也是互相各异、多层次性的。因此，很难在实验室里对各类海洋现象和过程，以及它们之间的相互作用进行精细的实验，也不能只靠数学分析和数学模拟来进行研究，而是要充分利用科学设备在自然条件下进行观察研究。
直接的观察研究，既为实验室研究和数学研究的模式提供确切的可靠资料，又可以验证实验室和数学方法研究结论的可靠性。因此，在自然条件下进行长期的、周密的、系统的海洋考察是海洋科学研究的基本方法。
在海洋科学研究中，海洋观测仪器和技术设备起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。海水深而广，具有大密度和流动性，给人们的直接观测带来极大困难。从海面向下大约每增加10米，压力就要增加一个大气压，在万米深处，海水的压力作用可以把潜水钢球的直径压缩几个厘米，人类很难在这样大的深处活动。既使在海洋上层，海水处于不断的流动和波动状态，依靠一个点上的观测资料，也很难说明面上的情况。因此，只有大力发展海洋观测仪器和技术设备，才能取得所需要的大量海洋资料，以推动海洋科学的发展。
20世纪60年代以来，海洋科学的发展表明，几乎所有主要的重大进展都和新的观察实验仪器、装备的建造，新的技术的发明和应用，观察实验的精度，以及数据处理能力的提高有紧密关系。例如，浮标观测技术、航天遥感技术和计算技术的应用，促成了关于海洋环流结构、海-气相互作用、中尺度涡旋、锋区、上升流、内波和海洋表面现象等理论和数值模型的建立；回声测深、深海钻探、放射性同位素和古地磁的年龄测定、海底地震和地热测量等新技术的兴起和发展，对海底扩张说和板块构造说的建立作出了重要贡献。
海洋科学的观察主要是在自然条件下进行的，因而受到自然条件的限制。各种海洋现象和过程，有的“时过境迁”，有的“浩瀚无际”，有的因时间尺度太长，短时间的观测资料不足以揭示其历史演变规律。加之其中各种作用相互交叉、随机起伏，因此在自然条件下的观察只能获得关于海况的一些片断的、局部的信息。即使获得某一海区近百年的海况和海洋生物种群动态的观测序列，那也只是整个海洋生态环境和生物种群动态总体中的一个小小的样本。
所以在海洋科学研究中比较着重于从信息论、控制论和系统论的观点，研究海洋现象和过程的行为与动态，并根据已有的信息，通过系统功能模拟模型进行研究，对未来海况作出预测。
如同自然科学中的其他学科一样，海洋科学的各个基础分支学科不仅互相联系，互相依存，而且互相渗透，不断萌生出许多新的分支学科，如海洋地球化学、海洋生物化学、海洋生物地理学、古海洋学等。
另一方面，海洋科学的研究，特别是在早期，具有明显的自然地理学方向，着重于从自然地理的地带性和区域性的角度研究海洋现象的区域组合和相互联系，以揭示区域特点、区域环境质量、区域差异和关系，形成了区域海洋学。
由于现代科学技术发展很快，海洋资源开发技术与日俱新，因此需要专门研究如何把基础理论研究成果应用到实践中去，解决生产技术问题。这样，在海洋科学研究中就逐渐分化出一系列技术性很强的应用学科和专业技术研究领域。
如海洋工程，它始于为海岸带开发服务的海岸工程。到了20世纪后半期，世界人口和经济迅速增长，人类对蛋白质和能源的需求量也急剧增加，因此海洋工程又增加了深海采矿、经济生物的增养殖、海水淡化和综合利用、海洋能的开发利用、海洋水下工程、海洋空间开发等内容。
海洋科学研究成果的应用，由于服务对象不同，还相应地形成一些相对独立的应用性学科，如海洋水文气象预报、航海海洋学、渔场海洋学、军事海洋学等。
但是，如同其他自然科学研究一样，任何学科分类和体系都不是最终的封闭系统，随着对海洋研究的深化和扩展，海洋科学的学科分类和体系将不断地有所更新和发展。

第五节 水文学概述
水文科学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。
地球表层的水由地球内部逸出，经过约35亿年的积聚和演变，逐渐形成今天的水圈。水圈的形成不仅改变了岩石圈的面貌，使大气圈中的现象变得复杂多样，而且导致生物圈的出现。因此，水的出现和水圈的形成，是地球自然历史中最重大的事件。
水文科学的研究领域十分宽广。从大气中的水到海洋中的水，从陆地表面的水到地下水，都是水文科学的研究对象；水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系，也是水文科学的研究领域；水文科学不仅研究水量，而且研究水质，不仅研究现时水情的瞬息动态，而且探求全球水的生命史，预测它未来的变化趋势。
陆地上的水量虽然只约占全球总水量的3.5%，但淡水几乎都分布在陆地。整个人类生活在陆地，最复杂的水文过程也发生在陆地，因此对陆地上的水的研究尤其受到人们的重视。陆地水文学是水文科学的主要组成部分。有关海洋和大气中的水文知识，现已分别归入海洋学和大气科学的范畴里了。
5.1水文学的研究对象
地球上现有约13.9亿立方公里的水，它以液态、固态和气态分布于地面、地下和大气中，形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地下水和大气水等水体，构成一个浩瀚的水圈。水圈处于永不停息的运动状态，水圈中各种水体通过蒸发、水汽输送、降水、地面径流和地下径流等水文过程紧密联系，相互转化，不断更新，形成一个庞大的动态系统。
在这个系统中，海水在太阳辐射下蒸发成水汽升入大气，被气流带至陆地上空，在一定的天气条件下，形成降水落到地面。降落的水一部分重新蒸发返回大气，另一部分在重力作用下，或沿地面形成地面径流，或渗入地下，形成地下径流，通过河流汇入湖泊，或注入海洋。从海洋或陆地蒸发的水汽上升凝结，在重力作用下直接降落在海洋或陆地上。
水的这种周而复始不断转化、迁移和交替的现象称水文循环。不过，上述只是全球水文循环轮廓的几笔速写，而水文循环的实际情况要复杂得多。在地面以上平均约11公里的大气对流层顶至地面以下1～2公里深处的广大空间，无处不存在水文循环的行踪。
不同纬度带的大气环流使一些地区成为蒸发大于降水的水汽源地，而使另一些地区成为降水大于蒸发的水汽富集区；不同规模的跨流域调水工程能够改变地面径流的路径，全球任何一个地区或水体都存在着各具特色的区域水文循环系统，各种时间尺度和空间尺度的水文循环系统彼此联系着、制约着，构成了全球水文循环系统。
全球每年约有577000立方公里的水参加水文循环。水文循环的内因，是水在自然条件下能进行液态、气态和固态三相转换的物理特性，而推动如此巨大水文循环系统的能量，是太阳的辐射能和水在地球引力场所具有的势能。
水文循环是自然界最重要的物质循环，它成云致雨，影响着一个地区的气候和生态，塑造地貌和实现地球化学物质的迁移，像链条一样连结着全球的生命，为人类提供不断再生的淡水资源和水能资源。水文循环使我们生活的星球变得生机勃勃。倘若没有水和水文循环，我们的星球会像月球一样，是一幅没有生命，寂静荒漠的图景。
水在循环过程中的存在和运动的各种形态，如蒸发、降水、河流和湖泊中的水位涨落、冰情变化、冰川进退、地下水的运动和水质变化等，统称水文现象。水文现象在各种自然因素和人类活动影响下，在空间分布或时间变化上都显得十分复杂。
水文现象的时间变化过程存在着有周期而又不重复的性质，一般称为“准周期”性质。例如，潮汐河口的水位存在以半个或一个太阴日为周期的日变化；河流每年出现水量丰沛的汛期和水量较少的枯季；通过长期观测可以看到，河流、湖泊的水量存在着连续丰水年与连续枯水年的交替，表现出多年变化。
形成这种周期变化的基本原因，是地球的公转和自转、地球和月球的相对运动，还包括太阳活动，如太阳黑子的周期性运动的影响。它们导致太阳辐射的变化和季节的交替，使水文现象也出现相应的周期变化。当然，水文现象还受众多其他因素的影响，这些因素自身在时间上也不断地变化，并且相互作用和相互影响着。
人类探索除水害、兴水利的历史，犹如人类的文明史那样悠久。在生产实践中，特别在与水旱灾害的斗争中，人类不断观测各种水文现象，思考和研究它们的规律，积累起关于水的丰富知识，逐渐形成、并不断发展了水文科学。
在尼罗河、幼发拉底河、恒河和黄河这些古老文化发祥地的遗迹中，我们可以看到这一时期已经开始了原始的水文观测。最早的水位观测是在中国和埃及开始的。
约公元前22世纪，中国传说中的大禹治水，已“随山刊木”(立木于河中)，观测河水涨落。此后，战国时李冰设于都江堰的“石人”，隋代的石刻水则，宋代的水则碑等，表明水位观测不断进步。
最早的雨量观测于公元前四世纪首先在印度出现，中国于公元前3世纪的秦代已开始有呈报雨量的制度，到了公元1247年，已有了较科学的雨量器和雨深计算方法，并开始用“竹笼验雪”以计算平地降雪深度。明代刘天和在治理黄河工作中，已采用手制“乘沙量水器”测定河水中泥沙的数量。
20世纪50年代以来，社会生产规模空前扩大，科学技术进入了新的发展时期，并正在出现新的技术革命，人类改造自然的能力迅速增强，人与水的关系已经由古代的趋利避害，和近代较低水平的兴利除害，发展到了现代较高水平的兴利除害的新阶段。这个新阶段赋予水文科学以新的动力和新的特色。
首先，由于人类对水资源的突出需求，水文科学的研究领域正在向着为水资源最优开发利用的方向发展，以期为客观评价、合理开发、充分利用和保护水资源提供科学依据；
其次，大规模的人类活动对自然水体，进而对自然环境正在产生多方面的影响。研究和评价人类活动的水文效应和这种效应的环境意义，揭示人类活动影响下水文现象的规律，进而探讨水文分析的新方法和新途径，防止人类活动对水文循环的影响朝着不利于人类生存环境的方向发展，这一切正在成为水文科学面临的新课题。
另外，现代科学技术使获取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了长足的进步。例如，遥感技术的应用，使同时观测大范围内的宏观水文现象成为可能；核技术的应用使人们能够获得微观水文信息；水文模拟方法、水文随机分析方法、水文系统分析方法，使人们研究水文现象的能力发展到新的水平；尤其是电子计算机的应用，使水文科学从水文观测到基本规律的研究，由人力和机械操作，发展到以电子计算机为核心的自动化。
水文科学和其他科学之间的边缘科学正在不断兴起，学科间的空隙逐渐得到填补。同时，人们开始看到，水已成为影响社会发展的重要因素。水在表现它的自然属性的同时，它的社会属性也日益表现出来，并逐渐为人们所认识。因此，水文科学将有可能发展成为具有自然科学和社会科学双重性质的一门综合性科学。
5.2水文学的研究特点
水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带，是水的各种运动、变化形式的总和，是水文科学研究的主要对象和核心内容；而在水文循环过程中，水文现象所表现出的特点，决定了水文科学研究的特点。
首先， 水文科学把各种水文现象作为一个整体，并把它们同大气圈、岩石圈、生物圈和人类活动对它们的影响结合起来进行研究。例如，在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变化时，既要考虑流域周围大气中水汽输送，也要考虑流域上空大气中水分含量的变化；既要考虑降水，也要考虑蒸发；既要考虑流域的地面径流，也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下水的交换，而且还要考虑流域内水利工程，以及其他人类活动的影响。
其次，水文科学主要根据已有的水文资料，预测或预估水文情势未来状况，直接为人类的生活和生产服务。例如，提供洪水预报和各种水情预报，对旱涝灾害的发生作出中长期预测，为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水作出概率预估等。
水文科学主要靠建立从局部到全球的水文观测站网，通过对自然界业已发生的水文现象的观测进行分析和研究。各种水文实验，除少数在实验室内进行以外，主要是在自然界中，例如在实验流域中进行。
在水文科学研究中广泛采用成因分析和统计分析的方法，并使二者尽量结合起来。成因分析主要以物理学原理为基础，通常建立某种形式的确定性模型，以研究水文现象发展演变过程中的确定性规律。统计分析法以概率论为基础，通常建立某种概率模型(纯随机模型)，探讨水文现象的统计规律。
由于水在人类生存和社会发展中的重要作用，所以水文科学不单纯是一门基础科学，也是一门广泛为生产和生活服务的应用科学。
因为水文循环使水圈、大气圈和岩石圈紧密联系，所以，水文科学又与地球科学体系中的大气科学、地质学和自然地理学等的关系密切。

【参考文献】
[1] 发展、地理学与经济理论，保罗·克鲁格曼，中国人民大学出版社，2000。
[2] 景观生态学原理及应用，傅伯杰等，科学出版社，2001。
[3] 人类地理学概论，曾昭璇等，科学出版社，1999。
[4] 中国沿海地区21世纪持续发展，陆大道主编，湖北科技出版社，1997。
[5] 地理学：发展与创新，陆大道主编，科学出版社，1999。
[6] 人文地理学问题，[法]阿.德芒戎，商务印书馆，1999。
[7] 地理学与地理学家，R.J.Johnston，商务印书馆，1999。
[8] 经济地理学，李小建等，高教出版社，1999。
[9] 人文地理学，王恩涌等，高教出版社，2000。
[10]地球科学导论，刘本培、蔡运龙等，高教出版社，2000。
[11] 地球科学概论，陶世龙、万天丰、程捷，地质出版社，1999。

参考网址：
http://www.flash.net/stefanhi/geodci.html
http://trhy.topcool.net/
http://geoweb.363.net/kepu.htm
http://www.astron.sh.cn/
http://www.ikepu.com.cn/geography/geography-index.htm
http://gsca.nrcan.gc.ca/index_e.php

思考题：
1、地球科学的研究对象、内容和任务是什么？为什么经强调地球的整体系统观点？
2、地球科学的研究方法有什么特点？
3、地球科学对于当前人—地关系面临的现状有何作为？
4、当前地球科学关注那些前沿领域？
5、从人类探索地球奥秘的历史中可以得到哪些启示？