环境地学-1绪论

内容介绍第一章绪论Introduction第二章地球环境系统Earthenvironmentalsystem第三章大气圈Atmosphere第四章水圈Hydrosphere第五章岩石圈lithosphere第六章土壤圈Pedosphere第七章生物圈Biosphere第八章智慧圈Noosphere第九章地球环境系统中的自然资源Naturalresources第十章复合系统中各圈层的互动与耦合InteractingandCouplingamongspheresintheComplexSystem第一章绪论第一节环境环境系统环境问题Theenvironment,environmentalsystemandenvironmentalproblems第二节地球科学Geosciences第三节环境地学与环境科学Environmentalsciencesandenvironmentalgeosciences第一节环境、环境系统和环境问题一、发展中的环境概念哲学角度：环境是对中心主体周围的空间事物而言的，中心主体与周围环境两者是既相互依存、相互限制，又相互作用和相互矛盾的统一整体。《中华人民共和国环境保护法》（1979）：本法所指的环境，是指影响人类生存和发展的各种天然和经过人工改造成的自然因素总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。（一）环境的时间概念人类未出现前，环境是相对生物这一主体而言的。现代环境也是过去历史环境的延伸和继续（二）环境的空间概念1.地球环境系统的统一性和整体性从环境科学的角度看，地球环境系统实质是由地表圈层系统与内部（深部）圈层系统共同构成的统一整体系统。所谓人－地复合系统是说这一环境系统除受自然法则的制约和影响外，还受人类社会经济与政治法则的制约和影响。2.地球环境系统是日地空间环境系统的组成部分地球环境实际属于太阳系的一颗行星星球环境。地球、太阳及其行星体系在宇宙空间中复杂的自我运动和相对运动是地球环境变化多种周期韵律性产生的重要原因。地球环境从属于更高级和更为复杂的日地空间环境系统的一个组成部分。人们关注的目光，一方面关注全球环境变化的机理、资源的合理开发和利用，及其控制和管理的途径和措施的研究；另一方面，就是转向地外探测，寻找地外生命和适合于人类居住的其他类地环境。二、人类－地球环境复合系统解析（一）空间框架体系依据地球环境系统物质组成圈层结构及其互动、耦合的相关性1.地球内部环境系统（包括地核、地幔、岩石圈系统）主要研究内容是内部圈层之间发展演化、互动与耦合及其整体性和相关性。2.地表环境系统由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、土壤圈和智慧圈组成的地球表层系统。对地球表层地理综合体的范围的不同划分：a.广义：上限为大气对流层顶部，下限为岩石圈沉积岩顶部，平均厚度为30～35km。b.侠义：大气圈、岩石圈和水圈的交接面，是生物和人类活动最集中的场所。c.钱学森：地理科学研究的对象，其范围大致上至大气对流层、下至岩石圈上部。地球表层为组成地球系统的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈与人类技术文化圈的交界面。d.地球表层学是地球系统科学的侠义内容。e.美国国家航空航天局(NASA)所提出的地球系统体系则是地球系统科学的广义理解。地球表层环境系统与内部环境系统比较相同点：都强调圈层界面过程（物理的、化学的和生物的）的相互作用机制，以及通过模型的建立对未来地球环境系统行为和全球变化进行预测、报警和预报。不同点：a.组成、过程、动力学行为和复杂性与自组织临界性不同b.地球内部系统强调内部圈层对地球整体变化较长时间尺度行为的理解，更侧重固体地球较长时间尺度的历史演化过程的研究。地表系统则侧重于地球近代历史演化过程和短时间尺度的动态变化研究，不仅着眼于地球整体行为和全球变化，也重视区域性演变过程的研究。c.动力学机制不同，地球内部系统主要强调自然驱动力，地表环境系统能量来源于太阳辐射能，以及人类活动。d.地表环境系统未来行为模型中人类活动是重要驱动因素。3.日－地空间环境系统空间科学家将太阳上层大气、行星际空间、地球空间、地球磁层、电离层和中上层大气构成的整体系统称为日地空间环境系统。磁层、电离层和中上层大气称为地球空间环境（Geospace）（二）、时间框架体系时间框架体系是对地球环境系统过程周期性和时间尺度研究的划分。地球环境系统科学研究对象是在所有时间尺度上的地球环境演变。1.百万年至几十亿年主要指地球环境形成与演化过程的阶段性。2.从几千年到几百万年主要是指固体地球由内能驱动并受外力影响的那些不可抗拒的地球自然环境变化过程。3.从几十年到几百年主要指地表环境系统内运行着两个大类过程：物力气候过程和生物地球化学过程4.从几天到几个季度主要指由太阳日照和年循环调节等所控制的大气现象5.几秒至几小时地球表层环境系统中各圈层之间及其内部组成物质与能量的变化三、人类－地球环境复合系统中的环境问题环境问题或环境危机是相对于环境的中心主体而言，指环境（自然、社会）条件和过程的发展变化，产生了不利于地球生物进化和人类生存和发展的负面影响等问题。（一）生物进化与环境危机1.第一生物进化和环境危机第一生物进化：有机物化学能＋营养物质最原始生物第一环境危机：有机物减少海洋无氧供给2.第二生物进化与环境危机第二生物进化：有机物CO2+H2O化学能＋有机物好氧性自养生物第二环境危机：厌氧性自养生物氧3.第三生物进化与环境危机第三生物进化：好氧性自养生物好氧性异氧生物多细胞植物和动物陆地生物哺乳类灵长类人类第三环境危机：人类破坏环境发酵作用光合作用（二）人类发展历史中的环境问题1.人类历史初期的第一个环境问题原因：可能由于过度采集和狩猎，消灭了居住地区的许多物种，破坏了食物来源解决办法：迁移环境恢复：依靠自组织性加以调整和修复2.“第一次浪潮”及其环境问题原因：以二百多年前蒸汽机的广泛使用为标志的工业革命，使许多国家由农业社会过渡到工业社会。兴起了“第二次浪潮”许多工业化国家盲目增加生产，不惜一切，提高国民生产总值。因此，“第二次浪潮”的兴起和发展使社会取得的每一进步，几乎都是以对资源环境的不断索取、掠夺和破坏为代价的。解决办法：环境治理环境恢复：不能依靠自组织性加以调整和修复3.“第三次浪潮”及其环境问题第三次浪潮是以20世纪80年代开始的电子工程、生物遗传工程等新兴工业为基础兴起的，使工业社会步入到信息社会阶段。其对环境的重要意义:高新技术革命与应用将提高劳动生产率和西亚利用率，从源头上减少污染物的产生和排放量高新技术提高环境保护工作效率，有利于解决“第二次浪潮”产生的环境问题人们对地球环境系统和社会发展的认识水平，产生并提出了可持续发展战略思想。但“第四生物进化和环境危机”还难以预测。二、地球科学？（一）地球科学的概念1.地球科学（Geoscience）是系统研究地球物质的组成、运动、时空演化、相互作用及其形成机制的学问；是研究所有关于地球的科学，包括地球的内部、地表的陆地与海洋，围绕地球的大气及气圈以外的太空等的组成、结构、分布规律、相互关系及其发展变化的科学。广义的地球科学包括了：天文学、太空科学、大气科学、海洋学、固态地球科学及地球科学系统等部门。地球科学是一门与生活环境紧密结合的基础科学，主要包含了地质学geology、地理学geography、气象学meteorology、水文学hydrology和土壤学soilscience等领域。2.地球科学的特点1）宏观与微观；2）整体性与差异性；3）时间的漫长性与瞬间性；4）自然过程的复杂性与规律性。（二）学习地球科学的意义学习地球基础知识，提高全民科学素养。——吴阶平院士使人“胸襟开阔，知识丰富”，“地相的错综，地层的累积，以及古生物进化的痕迹，既可了然如在指掌之上；更能穆然起深远神秘的思想，作人格修养之大助”。——许寿裳1923胡适从哲学的角度，体会到地质学、古生物学在形成正确的时空观上的重要作用。地球科学已成为保障人类生存的科学。发展与普及地球科学关系到全人类的生存和繁荣昌盛。——郝诒纯院士1.理论意义当代自然科学一些重大理论问题的最终解决离不开地球科学的研究，如天体演化、生命的起源、克隆羊、西北大学地质系舒德干教授的“生命大爆炸”等等。2.实际意义a.在寻找、开发、利用自然资源中有重要作用，如李四光部长发现大庆油田，张伯声院士发现河南巩县小关铝土矿、平顶山煤矿等等；b.预测预报各类自然灾害，如地震、西安地裂缝、滑坡、沙漠化、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象等等；c.保护和改善自然环境，如温室效应，大气、水资源污染等等。d.建立科学的世界观，破除迷信（三）、发展简史与展望1.古代地球科学知识的萌芽与积累(1７世纪以前）1）中国《禹贡》、《山海经》、《管子》是成书于春秋战国时代（公元前770-221年)的最早的有关地理、地质、水文、气象的著作。《水经注》——著名地学著作（512-518）。《梦溪笔谈》——百科全书式的著作（沈括，1031-1095）。包括陨石、地震、矿物、矿床、化石、河流、地下水、海陆变迁、地形测量、制图等。如：流水的侵蚀和沉积作用华北平原的形成太行山东麓山崖间的海生螺蚌化石的成因根据化石推测古地理、古气候的变迁---早于意大利人达·芬奇的观点400年古今类比法--早于莱伊尔《地质学原理》应用的“将今论古”法早700余年首次使用“石油”科学术语，延用至今《徐霞客游记》——考察纪实型著作《天工开物》——矿床及其开采方法的专著我国古代地球科学思想、理论、实践、成就当局世界前列。2）国外古代地质知识的萌芽与积累主要集中在欧洲(1)古希腊学者:毕达哥拉斯(约公元前571-497年)亚里士多德(公元前384-342年)(2)古罗马:斯特拉波(Strabo,公元前63-公元20年)——《地理学》论及化石、海陆升降、火山、地震、河流的搬运与沉积作用等。老普里尼（PlinytheElder）——《自然史》（77年）对矿物进行专门论述，包括当时使用的各种矿物、建筑用石材、矿石及矿床、采矿及冶金方法等。西尼卡（Seneca）——《自然问题》论述了地震、地下水和地面水问题，认识到河流对山谷的侵蚀作用。（3）14-16世纪的“文艺复兴”时期：哥伦布、麦哲伦等（14-16世纪）相继环球航海成功——地球是球形、对大陆和大洋的轮廓有了初步的了解。哥白尼——《天体运动》（1530-1540年）——“太阳中心说”——对该时期的地球科学研究起了重要作用。达·芬奇（1452-1519年）——由化石观察研究海陆变迁。阿格里柯拉（Agricola,1494-1555年）——七部地质专著——“矿物学之父”2、地球科学的主要学科的创立与初步发展(1７-19世纪）——地质学的诞生德国矿物学教授魏尔纳（A.G.Werner,1750-1817）水成论——国学者郝屯（J.Hutton,1726-1797）火成论——《地球理论》——法国学者居维业（D.G.Cuvier,1769-1832）灾变论——法国学者拉马克（Lamark，1744-1829）均变论——英国地质学家莱伊尔（C.Lyell，1791-1875）——《地质学原理》（共三卷）（1880）——划时代的著作北美学者霍尔、丹纳——“地槽”学说3.地球科学的革命与全面发展（20世纪至今）1）“固定论”与“活动论”之争2）中国的五大构造学派3）大陆漂移-海底扩张-板块构造4）“地幔对流”5）“根”-“柱”构造6）“系统地球科学”7）地学交叉学科的兴起8）各种高新技术的应用4、地球科学的发展展望·应用各种高新技术向纵深、交叉、系统型发展。·由“资源型”转向“社会性”·保证人类社会的可持续发展第三节环境地学一、环境地学的发展历史环境地学成为一门独立的科学是近20年的事情，但是它的孕育过程却是源远流长的。18世纪，地理环境决定论德国地理学家F.拉策尔《人类地理学》美国E.C.森普尔《地理环境之影响》19世纪后期，可能论代替控制论法国人文地理学家V.布拉什J.布吕纳《