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也不能像研究物理那样，可以单纯依靠在实验室中做实验，而必须靠研究分析地球本身发展过程中所遗留下来的各种记录。
同时，地球具有巨大的空间，在不同地点和不同深度，具有不同的物质基础和外界因素，因而有不同的发展过程。
海洋和大陆、大陆的各个部分、地球表层和深部，都有其不同的发展过程。
因此，既要研究它们的共性，更要研究它们的差异性和相关性，才能全面、深入地找出地球的发展规律。
第二，地质学具有多因素互相制约的复杂性。
它所研究的对象和内容，从小到矿物组成的微观世界到大至整个地球以及宇宙的宏观世界，从矿物岩石等无机界的变化到各种生命出现的演化，从常温常压环境到目前还不能人为模拟的高温高压环境，从各种变化的物理过程、化学过程到生物化学过程，从地球本身各个部分的物质能量转化到地球与外部空间的物质能量转化等等，充满着各种矛盾和相互作用的复杂过程。
任何一种地质过程，都不可能是单一的物理过程和化学过程，地球自诞生以来，不仅形成了光怪陆离的矿物世界、岩石世界、海洋大陆、高山深谷，也出现和演化成了种类繁多的生物世界。
众所周知，目前在实验室中即使合成最简单的生命物质，也是非常不容易。
地球演化到今天，产生出如此面貌，这固然与其具有人类历史所不能比拟的充分时间有关，同时也说明地球演化的地质过程是一个十分复杂的过程。
第三，地质学是来源于实践而又服务于实践的科学。
但地质学必须首先是以地球为大课堂，以大自然为实验室，进行野外调查研究，大量掌握实际资料，进行分析对比归纳，得出初步结论，然后再用以指导生产实践，并不断修正补充和丰富已有的结论。
远在数十万年前的旧石器时代，人类的祖先就是在制造石器的过程中，逐步掌握了一些岩石的特性，后来在铜器时代、铁器时代，人类又在生产活动中逐步掌握了寻找有用矿产的某些规律。
近代以来，由于工矿业的发展，特别是相邻科学和现代技术的进步，又推动了地质学的突飞猛进，不断形成新的理论。
（二）地质学的研究方法
地质学的上述特点决定了地质学的研究方法主要是在实践的基础上，进行推理论证。
推理的基本方法是演绎和归纳。
演绎是由一般原理推出关于特殊情况下的结论。
例如凡是岩石都是地壳发展历史的产物，花岗岩是一种岩石，所以花岗岩是地壳发展历史的产物。
归纳是由一系列具体的事实概括出一般原理。
例如在高山上，发现成层的岩石，岩层中含有海生动物化石，说明高山的前身是海洋，这里曾经发生过海陆的变化。
在地质学研究中，这两种推理方法都能用到，但归纳法则是更基本的方法。
野外调查——为了认识地壳发展的客观规律，了解一个地区的地质构造和矿产分布情况，除了搜集和研究前人资料外，必须进行野外调查研究，积累大量感性资料，分析对比，归纳分类。
通过“实践、认识、再实践、再认识”循环往复的形式，得出反映客观事物本质的结论。
室内实验和模拟实验——室内实验也是进行调查研究的重要手段。
在野外采集的各种样品，都要带回室内进行实验、分析和鉴定，例如岩矿鉴定、岩石定量分析、化石鉴定、同位素年龄测定等。
为了生产的实际需要和探讨某些地质现象的成因和发展规律，有时需要利用已知岩矿的各种参数及物理、化学过程，进行模拟实验。
虽然，这种实验结果的可靠性是相对的，但其重要性却日益增加。
如目前可以制造出人工红宝石、石英、金刚石等，既有实用价值，又有助于了解自然界矿物、岩石、矿床的形成和分布规律。
又如，在室内进行地质力学模拟实验，可以得出各种构造型式的形成条件和展布情况。
历史比较法（现实类比法）——研究地球的历史，重塑地质时代的古地理环境，经常使用这种方法。
著名英国地质学家莱伊尔（CharlesLyell，1797—1875）在19世纪提出“以今证古”的研究方法。
他认为当前正在进行着的各种地质作用和方式，和地质时期是一样的，所不同的只是量的差别。
例如，目前在海洋里沉积着泥沙，泥沙里夹杂着螺蚌壳；
假如在高山地层中发现螺蚌壳化石，就可以判断这高山所在曾经是一片海洋，并可得出结论，地表各处的山脉并不是从来就存在的，而是地壳历史发展的产物。
莱伊尔认为地球上的一切地质记录——巨厚的地层、高大的山脉等，并不是什么剧烈的动力造成的。
各种缓慢的为人所不察觉的地质作用，只要经过漫长的岁月，就可产生惊人的结果。
这种理论被称为均变论（uniformitarianism）。
莱伊尔有一句名言：
“现在是认识过去的钥匙”，意思是我们从现在的已知就可推求过去的未知，根据目前的地质过程和方式就可推断过去的地质过程和方式，从而恢复地质时代的历史。
这种方法也叫做现实主义方法（原则）。
稍早一点，法国地质学家居维叶（G.Cuvier，1769—1832）认为地壳的变化和生物的发展，不是自然界逐渐演化而成的，而是由于发生多次超越现在人类认识范围和经验的短暂而猛烈的激变事件造成的。
例如《圣经》上所说的大洪水，使一切生物遭到毁灭，上帝又来重新“创造”世界。
“灾难—毁灭—再创造”，自然界按照这种过程，生物界不断形成新属种，如此反复，变化不已。
这种观点与均变论正相反，被称为灾变论或激变论（Catastrophism）。
由于它否认生物演化，并带有浓厚的神的色采，所以后来受到批判，逐渐为均变论所代替。
均变论在反对当时灾变论、建立唯物主义的进化观点和研究方法中，曾经起了进步的作用。
但是，莱伊尔只强调缓慢变化的一面，未见到突变的一面；
只谈量变，未谈质变；
只认识古今的一致性，未认识到古今还有差异性。
过去不会和今天完全一样，今天也不会是过去的重演，地球的历史绝不会是简单的重复。
同时，目前许多人认为在地球的长期发展过程中，不能排除曾经发生过若干次灾变或激变事件。
例如，大量陨石的撞击，地磁极的多次反转，地质历史上多次冰川时期的出现等，无疑都会影响地球发展的进程和各种平衡关系。
现代地质学接受了莱伊尔现实主义的合理部分，即以今证古的原理；
同时也注意到地球发展的阶段性和不可逆性，以及在地球发展的不同阶段中自然条件的特殊性，例如大气成分不同、海陆分布形势不同、生物状况不同、地壳运动的方式和强烈程度不同等，因此各种地质作用如风化、侵蚀、搬运、沉积等作用的方式、速度也有差异。
所以研究地球的历史，必须根据具体情况，用历史的、辩证的、综合的思想作指导，而不是简单地、机械地以今证古，这样才能得出正确的结论。
这种方法就是历史比较法或现实类比法。
近年通过对地球的监测获得的许多数据，认为时间是地质事件及其结果的最好过滤器，也就是随着地球的发展和时间的延续，那些意义不大的地质事件及其结果都被筛掉或过滤掉了，从而使人们通过对某些作用结果的观测，比通过对不连续或微弱的信息直接监测地球的一般动力演化，可能更会正确地认识某些地质过程，更正确地研究现在，了解过去，预测未来。
这种观点和莱伊尔的“以今证古”相反，而是“以古证今”，认为“研究过去是了解现在的钥匙（关键）”。
实际上，这些不同观点可以起到互为补充的作用，古和今是一种辩证关系，以今可以证古，将古亦可论今，不可把它们对立起来。
第一章总论
第一节地球概况
一、地球的形状和大小
（一）对地球形状、大小的认识
人类在长期生产实践中，对于地球形状的认识经历了反复曲折的过程。
当初人们确认地球的形状为圆球形，这是一个认识上的进步，有人比喻为第一级近似。
到18世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这是第二级近似。
为了数学上计算方便，人们用“旋转椭球体”这一几何形体来代表地球的形状。
所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成的球体。
地球因自转而变扁，这符合逻辑和事实，但地球不是流体，所以旋转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。
地球表面有大陆和海洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。
后来通过重力测量采用“大地水准体”（Geoid）这个概念来代表地球的形状（图1-1），这是第三级近似。
大地水准体是指由平均海面所封闭的球体形状。
海面上的重力位各处都是相等的，即海面在重力作用下是一个等位面，把这个等位面延伸通过大陆，就形成一个封闭曲面，这个曲面叫大地水准面。
由于地球表面有71％为海洋所占据，所以在一定程度上讲，大地水准面代表了地球的形状，而且这个面是一个实际存在的面。
但它仍然是介于旋转椭球体和地球真实形状之间的一个中间形态。
近年来，由于人造卫星等空间技术的发展，大大地推动了关于地球形状的深入研究，取得了一些新的数据。
概括说来，有以下几个方面的认识：
（1）大地水准面不是一个稳定的旋转椭球面，而是有地方隆起，有地方凹陷，相差可达100m以上；
（2）地球赤道横截面不是正圆形，而是近似椭圆形，长轴指向西经20°
和东经160°
方向，长短轴之差为430m；
（3）赤道面不是地球的对称面，从包含南北极的垂直于赤道平面的纵剖面来看，其形状与标准椭球体相比较，位于南极的南极大陆比基准面凹进24m；
而位于北极的没有大陆的北冰洋却高出基准面14m。
同时，从赤道到南纬60°
之间高出基准面，而从赤道到北纬45°
之间低于基准面。
用夸大了的比例尺来看，这一形状是一个近似“梨”的形状（图1-2）。
这一认识是到目前为止对于地球认识的一个新阶段。
这种认识说明地球的形状及反映这种形状的内部物质状态还未达到稳定平衡状态。
当然，今后卫星测量还必须结合大地测量、重力测量和天文测量等综合手段，才能获得进一步精确的数据。
（二）地球的形状和大小的最新数据（1975年9月，国际大地测量学和地球物理学联合会第18届年会推荐和1980年公布的部分大地测量常数值，后者带*号）：
地球赤道半经（α）：
6378137m*
地球极半经（с）：
6356752m*
赤道标准重力加速度（γe）：
（978032±
1）×
10-5m/s2
（三）地球的其它数据
地球平均半经：
6371km
子午线周长：
40008.08km
赤道周长：
40075.24km
地球的面积：
51000万km2*
海洋面积：
36100万km2，占地球总面积的70.8％
陆地面积：
14900万km2，占地球总面积的29.2％
地球的体积：
10830亿km3*
地球的质量：
5.976×
1027g*
地球的平均密度：
5.517g/cm3
物体脱离的临界速度：
11.2km/s
赤道上点的线速度：
465m/s
地球沿轨道运动的平均速度：
29.78km/s
大陆最高山峰（珠穆朗玛峰）：
8846.27m
大陆平均高度：
825m海洋最深海沟：
-11034m
海洋平均深度：
-3800m
大陆和海洋的平均高度：
-2448m（即全球表面无起伏，将被2448m厚的海水所覆盖）
从以上数据中，得知地球表面不仅海陆并存，而且地面起伏最大高差近20km。
但若把地球缩小，以3.2m为半径，画一道高1.5cm的圆周线带，则地表的最高点和最低点均可包括在这道圆周线带内；
同时，由于地球扁率只有1/298，无论是旋转椭球体、大地水准体或近似“梨”形体，从宏观上看地球仍然是近似球形的球体。
二、地球的物理性质
（一）地球的密度和重力
地球的质量是根据万有引力定律计算出来的，用地球的质量除以地球的体积，便可得出地球的平均密度是5.517g/cm3，而地壳上部的岩石平均密度是2.65g/cm3，由此推测地球内部必有密度更大的物质。
根据地震资料得知，地球密度是随着深度的加深而增大的，并且在地下若干深度处密度呈跳跃式变化，推测地核部分密度可达13g/cm3左右。
地球的平均密度和水星（5.4）相差不多，月球（3.341）和火星（3.95）的密度都比地球小，其它行星的密度就更小了。
当前很重视和其它星体对比来研究地球。
地球的重力一般是指地球对地表和地内物质的引力。
而万有引力F=m1m2/r2，由此可知，重力与地球质量（m1）和物体质量（m2）的乘积成正比，与地球和物体二者质量中心的直线距离平方（r2）成反比。
地表重力因还受地球自转产生的离心力和各点与地心距离的影响，故各地并不相等，且随海拔和纬度的不同而发生变化。
据计算：
在两极，重力比赤道地区大0.53％，也就是说把在两极重100kg的物体搬到赤道地区时，则变成99.47kg。
通常用单位质量所受的重力，即重力加速度（g）来表示各地的重力大小。
如在赤道的重力为978.0318Gal①，在两极为983.2177Gal。
如果把地球看作一个理想的扁球体（旋转椭球体），并且内部密度无横向变化，所计算出的重力值，称理论重力值。
但由于各地海拔高度、周围地形以及地下岩石密度不同，以致所测出的实际重力值不同于理论值，称为重力异常。
比理论值大的称正异常，比理论值小的称负异常。
存在一些密度较大物质的地区，如铁、铜、铅、锌等金属矿区，就常表现为正异常；
而存在一些密度较小物质的地区，如石油、煤、盐类以及大量地下水等，就常表现为负异常。
异常的大小取决于矿石与周围岩石的密度差、矿体的大小以及矿体的埋藏深度。
根据这个道理可以进行找矿和地质调查，这称为重力勘探，是地球物理勘探方法之一。
但是，利用重力异常研究地质情况，必须对实测重力值进行校正，即必须清除各种因素对实测值的影响。
第一，实测点有一定的海拔高度，海拔越高，距地心距离越大，而高差每增减1m，重力差则为0.3083mGal。
因此，须要一律校正至海平面高度，这种校正只考虑海平面与测点之间高差的影响，而未考虑海平面与测点之间物质的影响，就好象那里是空的一样，所以这种校正称自由空气校正。
经这样校正后的重力值与理论重力值之差，称为自由空气异常；
第二，测点与海平面之间还有岩石（平均密度一般按2.67g/cm3计算）对重力产生影响，测点周围地形也对重力产生影响，因此自由空气校正后的重力值还必须减去这部分岩石和地形对测点所产生的重力值，这种校正称为布格校正，布格校正后的重力值与理论重力值之差称为布格异常。
这种异常应用最广，在文献中所看到的重力异常一般皆指布格重力异常。
图1-3是我国大陆部分布格重力异常图，从图上可以看出有两点值得注意的情况：
（1）青藏高原边缘和大兴安岭及太行山边缘有明显的“重力台阶”，这说明地质情况有很大变化；
（2）丘陵及平原地带重力异常值较小，而青藏高原等地负异常值较大，甚至达到负400—500mGal，这说明高原、高山地带在海平面以下的部分存在着某种补偿作用，从而抵消了高山、高原对重力的影响。
根据这种现象，有人提出“地壳均衡说”，认为山脉是较轻的岩块浮在较重的介质之上，仿佛冰山浮在海水中一样，山越高，它深入下部介质中的深度也越大，这深入的部分通称“山根”。
这种论点现已为许多证据所证实。
（二）地磁
地球周围形成一个巨大的地磁场。
早在公元前3世纪战国时期，我国就已利用磁性发明了指南仪器——司南。
后来人们还发现地磁极与地理极的位置是不一致的。
地球磁场同置于地球中心的一个大条形磁铁（条形磁铁与地轴呈11.5°
相交）所产生的偶极磁场相类似（图1-4）。
条形磁铁的北极指向地球的南磁极，条形磁铁的南极指向地球的北磁极。
其磁力线是从南磁极出发进入北磁极的。
当然事实上地球内部并无这样一个条形磁铁。
为了确定地表任何一点的地磁场，需要进行磁场强度测量。
如图1-5所示，箭头代表向量，其长度代表磁场强度（磁场强度单位为奥斯特Oe），它在水平面上的投影为水平强度，它的垂直分量为垂直强度，图中θ角称磁偏角，α称磁倾角。
磁偏角也就是地磁子午线与地理子午线的夹角，以指北针为准，偏东为正，偏西为负。
磁倾角即磁针与各处水平面的夹角，常随纬度而变化，在两磁极α角为90°
，在磁赤道则为0°
，以指北针为准，下倾者为正，上仰者为负。
概括而言，地磁具有以下特点：
（1）地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化，如表1-1，磁极有向西缓慢移动的趋势。
（2）地面上每一点都可从理论上计算出它的磁偏角和磁倾角。
如磁偏角和磁倾角与理论值
不符时，叫做地磁异常。
局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。
属于地球物理勘探方法之一的磁法勘探就是据此寻找地磁异常区，从而发现隐伏地下的高磁性矿床。
此外通过研究在亿、万年前所形成的岩石中保存下来的剩余磁性的方向和强度，来判断地球磁场方向的变化，称古地磁学。
它可以配合其它方法探索地球岩石圈构造发展的历史。
表1-1近代地磁极位置
（3）根据人造卫星在地球外层空间探测发现，地球磁场的磁力线并不像图1-4所示那样规则，而是由于太阳风的影响，地球的磁场被压缩在一个固定区域内，这个区域叫磁层（图1-6）。
磁层像一个头朝太阳的彗星，磁层顶部朝向太阳，距离地球有10个地球半径远，而尾部可以拖到几百个地球半径那么远。
磁层可以使地球上生物免受宇宙射线和粒子袭击的危害。
（4）关于地球磁场形成的原因，曾有种种推测：
很早人们认为地球的地核部分为具有磁性的镍铁物质，从而形成地球磁场。
但是，地内温度高达几千摄氏度，远远超过铁磁性矿物的居里点①，不可能产生磁场。
目前所知，仅仅在20km范围内的岩石圈部分可以具有铁磁性，但它所产生的磁场强度不可能达到地磁场强度的数量级。
还有人认为巨大质量物体的转动可以导致电磁效应，这种看法也被否定了。
目前倾向于这种认识：
地核的外核部分为液态的金属铁镍物质，是一种导电流体，在地球旋转过程中，产生感应自激，形成地球磁场。
又因在地球转动过程中，流体地核比固体地幔略有滞后，因此产生地球磁场逐渐向西漂移。
但这些假说有待于继续研究证实。
（三）地热
地球内部储存着巨大的热能，这就是常说的地热。
地壳表层的温度常随外界温度而有日变化和年受化，但从地表向下到达一定深度，具温度不随外界温度而变化，这一深度叫常温层。
它的深度因地而异，在我国北方，温度具有年变化的深度大约在30m左右。
在年常温层以下，地温随深度而增加，此增温规律可以用地热增温级或地热梯度表示。
所谓地热增温级是在年常温层以下，温度每升高1℃时所增加的深度，单位是m/℃，例如，大庆的地热增温级为20m/℃，北京房山为50m/℃。
地热增温级的平均数值是33m/℃。
地热增温级的倒数叫地热梯度，即每深100m所增加的温度，单位是℃/100m。
地热梯度的平均数值是3℃/100m。
地热增温的规律只适用于地壳部分或岩石圈（图1-7）。
据地球物理资料推断，整个地球的平均温度约为2000℃。
地热的主要来源是由放射性元素衰变而产生的，如铀（U238，U235）、钍（Th232）、钾（K40）等（表1-2）。
这些放射性元素衰变析出的总热能值，现有各种不同的估计，根据侯德封等1973年资料，至少为2.14×
1021J/a。
此外，也有一部分热能可能是由构造变动的机械能、化学能、重力能和地球旋转能等转换而来的。
还有人认为地热是地球形成时残余下来的，这就是所谓“残余热说”。
表1—2各类岩石放射性元素含量（1/106）及生热率
地球内的热能可以通过不同形式进行释放，如火山喷发、热水活动以及构造运动等都是消耗地热的形式。
但地热释放最经常和持续的形式是地球内部热能从地球深部向地表的传输，这种现象称为大地热流。
地球通过大地热流放热的现象是十分普遍的，只是单位面积（1cm2）的放热量很小，平均每秒钟只有6.15×
10-6J。
热流量的单位为4.1868×
10-6J/cm2·
s，通称地热流量单位（HFU）。
虽然地表单位面积的每秒热流量很小，但整个地球表面在一年中的放热总量可以达到9.63×
1020-1.09×
1021J，这个数字相当于燃烧300多亿吨煤放出的热量。
可见地球本身是一个庞大的热库。
地热流量或地热流值（Q）的计算公式是岩石导热率（K）和垂直地热梯度（dT/dZ）的乘积，即Q=K（dT/dZ），式中T代表温度，Z代表深度。
一般是在室内测定岩心标本的导热率，在钻井中测量地热梯度，两个数值相乘，即得出地热流值。
但用钻井岩心标本测定导热率存在很大困难，例如岩心标本离开它原来的位置，其温度、湿度和所受的压力等自然状态有了很大变化，有时岩心发生破裂，或者岩心取自松散岩层，凡此等等，都会使测量的数值产生很大误差。
近年来研究成功一种地热流原位测定的仪器，特别适用于测量海底淤积层的导热率，大大推动了海洋地热流测定进度。
到20世纪80年代末，全球地热值已测得1万多个，其中有2/3的数值是测自海洋。
对全球热流量的研究得到一些有意义的结果：
（1）近年对全球地热流值的统计数字表明：
全球平均地热流值为1.47±
0.74HFU，大陆平均地热流值为1.46±
0.46HFU，海洋为1.47±
0.79HFU，大陆和海洋平均地热流值几乎相等。
（2）但地热流值的分布却具有明显的时空差异。
以海洋而论，在洋中脊最高，为1.90±
1.48HFU，海盆地区为1.27±
0.53HFU，而距离洋中脊最远的海沟其平均值最低，只有1.16±
0.70HFU。
（3）从岩石的新老或大地构造活动阶段来看，从古到新，地热流值表现为由低到高的趋向。
如最古老的前寒纪地块为0.91±
0.02HFU，早古生代加里东褶皱带为1.11±
0.07HFU，晚古生代海西褶皱带为1.24±
0.03HFU，中生代褶皱带为1.42±
0.06HFU，新生代喜马拉雅褶皱带为1.75±
0.06HFU。
（4）研究还表明，地热流值与岩石圈厚度有关。
岩石圈越薄，则地热流值越大；
反之，则越小。
因此根据地热流值的大小可以推算出岩石圈的厚度，其推算结果与根据地震波推算的结果大体相符。
地热流所带出的热能是很分散的，目前只有在一定地质条件下富集起来的地热能，才能当作资源看待。
在大陆地区，地热流值大于2HFU，一般被认为是具有良好地热资源
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