“固体地球物理学、测绘学、空间科学”简介、含义、起源、历史与发展

固体地球物理学solidearthgeophysics用物理学的方法和观点研究固体地球的运动、状态、组成、作用力和各种物理过程的一门学科。所谓固体地球是相对于大气和海洋而言的。其实地球本体之内，也并非全部是固体，例如地球核的外层就处于液态，但它仍属于固体地球物理学的研究范围。地球物理学这个词，自20世纪初才正式为人采用，但它的内容也包括不少从很久以前就延续下来的科学课题。约到了50年代，由于这门学科的飞跃发展，又进一步分为大气物理学、海洋物理学、宇宙地球物理学和固体地球物理学。它们都是地球物理学的分支，虽各有自己的研究领域，但因总的研究对象是地球，有些问题是跨越学科的，日地关系就是一例。固体地球物理学发展到现阶段已经是一门内容广泛的应用学科，包括地震预测，勘探地下资源，监测地下爆炸，研究地球内部的动力等等。目前这门学科可分为若干分支学科。大地测量学固体地球物理学中最老的学科之一。它是研究地球的形状和地面上各地点的空间位置和几何关系的一门学科。从大尺度来看，地面不是平的，甚至不是一个简单的规则曲面，而铅垂线的方向也并不总同真实地面垂直。于是测定远距离地点的方位和高程便不是一个简单的问题，而早已形成一个专门的学科。由于铅垂线的方向决定于重力，所以大地测量学和重力学是分不开的，后者是专门研究地球重力场的分布和成因的一门学科。地球重力场决定于地下物质的分布。重力学除同大地测量学有密切关系外，也同地质构造和矿产分布有关。重力分布是阐明地质构造和勘探有用矿床的一种重要数据。地震学固体地球物理学的主要支柱，应用极广。地震学不仅研究天然地震，而且利用由天然地震或人工地震所产生的地震波，来研究地球内部的结构或其他信息，特别是储油构造。地震勘探法主要是利用人工地震的地震波，现在已成为石油勘探最重要的方法之一。除此之外，地震观测还是监视地下核爆炸唯一有效的方法。在取得地球内部信息方面，地震学走在地学各学科的最前列，其潜力也是最大的。地磁学也是一门古老的学科。中国在战国时期就已知道磁石的吸铁性和指极性；11世纪以前已发现地磁偏角；约在9世纪至10世纪的时候就已将磁针用于航海。不过对于地磁场的最早解释则是由英国人吉伯(W.G.il-bert)在1600年提出的。然而只是到了1839年，德国数学家C.F.高斯用球谐分析的方法阐明了地磁场的基本特征，地磁学才真正得到系统的发展。地磁学是阐明地球磁场的形态、成因和应用的一门学科。对于解释地质构造，勘探磁性矿床和石油都有一定的作用。由于地面磁场受空间电流影响极大，地磁学同天电学有时是不可分割的。它们都是固体地球物理学同大气物理学或宇宙地球物理学之间的边缘学科。地磁场有一部分来自岩石的磁性，后者是岩石被地磁场磁化后所形成的。由于地壳的变动，岩石磁化的方向可能同现代地磁场的方向不一致，因此可以利用这一现象来探讨地壳的运动。50年代兴起的古地磁学正是以此为内容的一个学科，它是地磁学的一个分支。地电学研究地球物质的电性变化和地内电流分布的一门学科。用于找矿，电法勘探已是一种内容丰富而又有效的技术；但用于解释地球内部的情况，地电学还不能给出精确的结论，还有待进一步的发展。地热学研究地球内部热源和温度分布，以及地球发展的热历史的一个学科。近年来，由于地下热能的开发和利用，地热学得到很大的推动，地热地球物理勘探已成为物理勘探的方法之一。和地热学密切相关的还有同位素年代学，这在解释地质现象中有极广泛的应用。此外，固体潮和地球自由振荡是两个重要的地球物理课题，前者现正发展成为学科，后者常和地震波一起讨论，做为研究地球内部构造的一个重要方法。上述各学科基本上是根据某种地球物理场来划分的，例如重力场、地磁场、弹性场、温度场、放射性场等等。各学科所用的方法和理论各成体系。不过一个重大的地球物理问题，常常不是以某一种地球物理场为特征，而往往涉及多种地球物理场。用这个观点划分，就有：地球内部物理学，它是研究地球内部的各种物理过程（包括结构和物质组成）的一门学科。大地构造物理学，约在30年代，这门学科只讨论岩石和矿物形成的物理条件和过程，但近年来这个词的涵义已扩大到同固体地球物理学几乎同义。地球动力学，原来是研究地球内部的作用力及其导致的变化过程的一门学科，但现在实际上与大地构造物理学很难区别。大地构造物理学、地球动力学与地球内部物理学不同之处，是前者较侧重地质因素，而后者则侧重物理因素，但实际差别是微乎其微的。应用地球物理学，即勘探地球物理学，它研究所有的地球物理勘探方法。测绘学(卷名：固体地球物理学测绘学空间科学)geodesyandcartography研究测定和推算地面点的几何位置、地球形状及地球重力场，据此测量地球表面自然形态和人工设施的几何分布，并结合某些社会信息和自然信息的地理分布，编制全球和局部地区各种比例尺的地图和专题地图的理论和技术的学科。它包括测量和制图两项主要内容。有的国家称它为测量学，有的称为测量与制图学。在中国称为测绘学。测绘学的应用范围很广。在城乡建设规划、国土资源的合理利用、农林牧渔业的发展、环境保护以及地籍管理等工作中，必须进行土地测量和测绘各种类型、各种比例尺的地图，以供规划和管理使用。在地质勘探、矿产开发、水利、交通等国民经济建设中，则必须进行控制测量、矿山测量和线路测量，并测绘大比例尺地图，以供地质普查和各种建筑物设计施工用。在国防建设中，除了为军事行动提供军用地图外，还要为保证火炮射击的迅速定位和导弹等武器发射的准确性，提供精确的地心坐标和精确的地球重力场数据。在研究地球运动状态方面，测绘学提供大地构造运动和地球动力学的几何信息，结合地球物理的研究成果，解决地球内部运动机制问题。研究内容测绘学的主要研究对象是地球及其表面的各种形态。为此，首先要研究和测定地球的形状、大小及其重力场，并在此基础上建立一个统一的坐标系统，用以表示地表任一点在地球上的准确几何位置。地球的外形非常近似于一个椭球，在测绘学中即用一个同地球外形极为接近的旋转椭球来代表地球，称为地球椭球。地面上任一点的几何位置即用这点在地球椭球面上的经纬度和点的高程表示。测绘学中研究测定地球形状及地球重力场，地球椭球参数，以及地面点的几何位置的理论和方法的这一分支学科称为大地测量学。有了大量地面点的平面坐标和高程，就可以此为基础进行地表形态的测绘工作。其中包括地表的各种自然形态，如水系、地貌、土壤和植被的分布;也包括人类社会活动所产生的各种人工形态，如境界线、居民地、交通线和各种建筑物的位置。由于地表形态的测绘工作是分别在面积不大的测区内进行的，在同一测区内可以既不考虑地球曲率，也不顾及地球重力场的微小影响。研究这种理论和技术的分支学科称为普通测量学。测绘地表形态，特别是测绘大面积的地表，可以采用摄影方法或电磁波成像的方法，以获得地表形态的信息。然后根据摄影测量的理论和方法，将获得的地表形态信息以模拟的或解析的方式进行处理，使转变为各种比例尺的地形原图或形成地理数据库。这就形成了又一门分支学科──摄影测量学。各项经济建设和国防工程建设的规划设计、施工和部分建筑物建成后的运营管理中，都需要一定的测绘资料或利用测绘手段来指导工程的进行，监视建筑物的变形。这些测绘工作往往要根据具体工程的要求，采取专门的测量方法，有时需要特定的高精密度或使用特种测量仪器。研究解决这些问题的理论和技术的分支学科，就是工程测量学。海洋环境中进行的测绘工作，同陆地测量有很大的区别。例如：测量工作主要在船上进行，并且大多采用声学或无线电方法；所以，海面上的定位、海底控制网的建立、海面形态和海底地形测量、海洋重力测量以及海图编制等都不同于陆地的同类工作。此外，海图同陆地的地图在用途上也不尽相同。由此，在测绘学中又形成一个专门学科，称为海洋测绘。测图过程所得到的成果只是地形原图或海图的原图，还要经过编绘、整饰和制印，或增加某些专门要素，才能形成各种比例尺的地形图或海图以及各种专题地图。为此，必须进行地图投影、地图编制、地图整饰和地图制印等项工作。研究这方面的理论和技术的分支学科称为地图制图学。发展简史测绘学有着悠久的历史。古代的测绘技术起源于水利和农业。古埃及尼罗河每年洪水泛滥，淹没了土地界线，水退以后需要重新划界，从而开始了测量工作。公元前2世纪，中国司马迁在《史记·夏本纪》中叙述了禹受命治理洪水的情况：“左准绳，右规矩，载四时，以开九州、通九道、陂九泽、度九山”。说明在公元前很久，中国人为了治水，已经会使用简单的测量工具了。测绘学的研究对象是地球，人类对地球形状认识的逐步深化，要求对地球形状和大小进行精确的测定，因而促进了测绘学的发展。地图制图是测量的必然结果，所以地图的演变及其制作方法的进步是测绘学发展的重要方面。测绘学是一门技术性较强的学科，它的形成和发展在很大程度上依赖于测绘方法和仪器工具的创造和变革。从原始的测绘技术，发展到近代的测绘学，其过程可由下列3个方面来说明。人类对地球形状的认识过程人类对地球形状的科学认识，是从公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯(Pytha-goras)最早提出地是球形的概念开始的。两世纪后，亚里士多德(Aristotle)作了进一步论证，支持这一学说，称为地圆说。又一世纪后，亚历山大的埃拉托斯特尼(Era-tosthenes)采用在两地观测日影的办法，首次推算出地球子午圈的周长，以此证实了地圆说。这也是测量地球大小的“弧度测量”方法的初始形式。世界上有记载的实测弧度测量，最早是中国唐代开元十二年(724)南宫说在张遂（一行）的指导下在今河南省境内进行的，根据测量结果推算出了纬度1度的子午弧长。17世纪末，英国牛顿（I.Newton）和荷兰的惠更斯(C.Huygens)首次从力学的观点探讨地球形状，提出地球是两极略扁的椭球体，称为地扁说。1735～1741年间，法国科学院派遣测量队在南美洲的秘鲁和北欧的拉普兰进行弧度测量，证明牛顿等的地扁说是正确的。1743年法国A.C.克莱洛证明了地球椭球的几何扁率同重力扁率之间存在着简单的关系。这一发现，使人们对地球形状的认识又进了一步，从而为根据重力数据研究地球形状奠定了基础。19世纪初，随着测量精度的提高，通过对各处弧度测量结果的研究，发现测量所依据的垂线方向同地球椭球面的法线方向之间的差异不能忽略。因此法国的P.S.拉普拉斯和德国的C.F.高斯相继指出，地球形状不能用旋转椭球来代表。1849年SirG.G.斯托克斯提出利用地面重力观测资料确定地球形状的理论。1873年，利斯廷(J.B.Listing)创用“大地水准面”一词，以该面代表地球形状。自那时起，弧度测量的任务，不仅是确定地球椭球的大小，而且还包括求出各处垂线方向相对于地球椭球面法线的偏差，用以研究大地水准面的形状。1945年，苏联的M.C.莫洛坚斯基创立了直接研究地球自然表面形状的理论，并提出“似大地水准面”的概念，从而回避了长期无法解决的重力归算问题。人类对地球形状的认识和测定，经过了球—椭球—大地水准面3个阶段，花去了约二千五、六百年的时间，随着对地球形状和大小的认识和测定的愈益精确，测绘工作中精密计算地面点的平面坐标和高程逐步有了可靠的科学依据，同时也不断丰富了测绘学的理论。地图制图的演变地图的出现可追溯到上古时代，那时由于人类从事生产和军事等活动，就产生了对地图的需要。考古工作者曾经控掘到公元前25世纪至前3世纪画在或刻在陶片、铜板或其他材料上的地图。这些原始地图只是根据文字记述或见闻绘成的略图，不讲求比例尺和方位，可靠性很差。据文字记载，中国春秋战国时期地图已用于地政、军事和墓葬等方面。例如《管子·地图篇》记述:“凡兵主者必先审知地图。公元前3世纪，埃拉托斯特尼最先在地图上绘制经纬线。1973年，在中国湖南省长沙马王堆汉墓中发现的绘制在帛上的地图，是公元前168年之前制作的。这些地图虽是根据已有资料和见闻绘制的，但它已注意到比例尺和方位，讲求一定的精度。公元2世纪，古希腊的C.托勒密所著《地理学指南》一书，提出了地图投影问题。100多年后，中国西晋的裴秀总结出“制图六体”的制图原则，从此地图制图有了标准，提高了地图的可