目錄
第1章 地球系統(tǒng)的組成與起源 001
1.1 地球系統(tǒng)的圈層結(jié)構(gòu) 002
1.1.1 地球系統(tǒng)的圈層及其構(gòu)成 002
1.1.2 圈層中的環(huán)流和圈層界限 006
1.2 地球的起源 008
1.2.1 宇宙大爆炸和元素起源 008
1.2.2 太陽系和地球的形成 012
1.2.3 月球的碰撞產(chǎn)生和地球的巖漿海 013
1.3 地球圈層的分異 016
1.3.1 地核、地幔和地殼的形成 016
1.3.2 水圈與大氣圈的形成 017
1.4 生命和光合作用的起源 019
1.4.1 生命起源的證據(jù)和理論 019
1.4.2 光合作用起源的探索 022
1.5 氧化大氣圈的形成 024
1.5.1 大氧化事件 025
1.5.2 硫化氫海洋 027
參考文獻(xiàn) 030
思考題 034
推薦閱讀 035
第2章 地球表層與地幔 037
2.1 地殼的形成和板塊運(yùn)動 038
2.1.1 洋殼的產(chǎn)生與俯沖 039
2.1.2 大陸地殼及其古老性 043
2.1.3 大陸增生與“俯沖帶加工廠” 046
2.1.4 陸殼形成期與形成機(jī)制之爭 048
2.1.5 板塊運(yùn)動起源的假說 050
2.2 威爾遜旋回與超級大陸 052
2.2.1 聯(lián)合大陸的聚合與瓦解 052
2.2.2 地質(zhì)歷史上的超級大陸 055
2.2.3 內(nèi)大洋與外大洋的演變 059
2.3 地幔柱與大火成巖省 063
2.3.1 熱點(diǎn)與地幔柱 063
2.3.2 大火成巖省 064
2.4 地幔環(huán)流及其兩極性 067
2.4.1 地幔底部低速區(qū)的不均勻性 067
2.4.2 地幔環(huán)流與地球的東西兩極結(jié)構(gòu) 071
2.4.3 威爾遜旋回的前因與后果 073
2.4.4 西太平洋演變的深部原因 076
參考文獻(xiàn) 079
思考題 084
推薦閱讀 085
第3章 地球系統(tǒng)的水循環(huán) 087
3.1 水的特性與地球表面過程 088
3.2 地球系統(tǒng)中水的賦存 093
3.2.1 地球表層水的分布與變化 093
3.2.1.1 氣態(tài)水 094
3.2.1.2 液態(tài)水 097
3.2.1.3 固態(tài)水 100
3.2.2 地球內(nèi)部的水與板塊運(yùn)動 104
3.2.2.1 地球內(nèi)部水的儲量與分布 104
3.2.2.2 地球表層與內(nèi)部的水交換 106
3.2.2.3 板塊運(yùn)動與水 107
3.3 地球表層系統(tǒng)的水循環(huán) 109
3.3.1 水循環(huán)的全球視野 109
3.3.2 水的三相轉(zhuǎn)換與氣候 112
3.3.2.1 氣態(tài)與液態(tài)的轉(zhuǎn)換 112
3.3.2.2 固態(tài)與液態(tài)的轉(zhuǎn)換 118
3.3.2.3 三相轉(zhuǎn)換的氣候意義 124
3.4 追蹤水循環(huán)的地質(zhì)標(biāo)志 125
3.4.1 水文循環(huán)中的氫、氧同位素分餾 125
3.4.2 水文循環(huán)的其他替代性標(biāo)志 128
參考文獻(xiàn) 131
思考題 138
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第4章 地球系統(tǒng)的碳循環(huán) 141
4.1 引言：溫室氣體與碳 142
4.2 地球系統(tǒng)各圈層中碳的賦存 143
4.2.1 大氣圈 144
4.2.2 陸地生物圈 146
4.2.3 水圈 147
4.2.4 巖石圈與地球深部 148
4.2.5 碳儲庫與穩(wěn)定同位素 149
4.3 地球表層系統(tǒng)的碳循環(huán) 151
4.3.1 尋找失蹤的碳 151
4.3.2 表層海的碳匯與碳源 152
4.3.3 深層海的碳匯與碳源 154
4.3.4 陸地的碳匯與碳源 156
4.3.5 生命過程與水、碳循環(huán) 158
4.4 冰與碳：冰期旋回里的碳循環(huán) 159
4.4.1 海洋碳泵 160
4.4.2 陸地碳庫 162
4.4.3 碳循環(huán)的時間尺度 163
4.5 地質(zhì)碳儲庫的演變 164
4.5.1 地質(zhì)碳儲庫 164
4.5.2 早期地球的碳儲庫演變 166
4.5.3 顯生宙的碳儲庫演變 168
4.5.3.1 海洋碳同位素變化 168
4.5.3.2 海洋碳酸鹽沉積 170
參考文獻(xiàn) 173
思考題 178
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第5章 生物圈及其演化 181
5.1 重新認(rèn)識生物圈 182
5.1.1 地球系統(tǒng)里的生物圈 182
5.1.2 微生物——地球生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ) 183
5.1.2.1 微型光合生物 183
5.1.2.2 黑暗食物鏈和深部生物圈 186
5.1.2.3 微生物與地球系統(tǒng)科學(xué) 192
5.1.3 生物的重新分類 195
5.1.3.1 從形態(tài)分類到化學(xué)分類 195
5.1.3.2 真核生物的演化和分類 197
5.2 生產(chǎn)力與化學(xué)過程 202
5.2.1 新陳代謝途徑的多樣性 202
5.2.2 生源要素的循環(huán) 204
5.2.2.1 氮循環(huán)和碳循環(huán) 204
5.2.2.2 限制性營養(yǎng)元素：磷還是氮 207
5.2.2.3 硫循環(huán)和生源要素的耦合 210
5.2.3 生物泵和海洋有機(jī)碳 212
5.2.3.1 微生物碳泵和溶解有機(jī)碳 212
5.2.3.2 兩種類型的碳循環(huán) 215
5.2.3.3 海洋有機(jī)碳庫的演變 217
5.3 生物演化與地球系統(tǒng) 219
5.3.1 生物圈的發(fā)展 219
5.3.1.1 真核生物和多細(xì)胞生物的產(chǎn)生 219
5.3.1.2 底棲動物及其骨骼的出現(xiàn) 221
5.3.1.3 生物圈登陸 224
5.3.2 浮游生物演化與環(huán)境 224
參考文獻(xiàn) 228
思考題 234
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第6章 構(gòu)造尺度的演變 237
6.1 地球系統(tǒng)演變的時間尺度 238
6.1.1 能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)移 238
6.1.2 構(gòu)造運(yùn)動概念的變更 241
6.1.3 構(gòu)造運(yùn)動的時間尺度 244
6.2 海陸分布與環(huán)境演變 245
6.2.1 海陸分布的環(huán)境影響 245
6.2.2 海道啟閉的環(huán)境效應(yīng) 248
6.2.2.1 白令海道開啟和北冰洋的演變 249
6.2.2.2 巴拿馬和印尼海道關(guān)閉與大洋的不對稱 253
6.2.2.3 德雷克和塔斯馬尼亞海道開啟與南極冰蓋的形成 257
6.2.3 大陸破裂的環(huán)境效應(yīng) 260
6.3 巖漿活動與環(huán)境演變 262
6.3.1 地幔柱與大洋缺氧事件 262
6.3.1.1 白堊紀(jì)大火成巖省 262
6.3.1.2 白堊紀(jì)缺氧事件 264
6.3.1.3 白堊紀(jì)環(huán)境變化 266
6.3.2 火山噴發(fā)與生物大滅絕 266
6.3.3 海底擴(kuò)張與海水化學(xué) 270
6.4 地形改組與環(huán)境演變 274
6.4.1 古高度再造 275
6.4.2 地形和水系 275
6.4.3 剝蝕與沉積 278
參考文獻(xiàn) 280
思考題 287
推薦閱讀 288
第7章 軌道尺度的演變 291
7.1 地球上的周期性過程 292
7.1.1 循環(huán)，周期，韻律 292
7.1.2 冰期旋回及其軌道驅(qū)動的發(fā)現(xiàn) 294
7.1.3 地球過程中的天文因素 296
7.2 軌道驅(qū)動的氣候變化 298
7.2.1 軌道參數(shù)的周期變化 298
7.2.1.1 斜率 299
7.2.1.2 偏心率與歲差 302
7.2.1.3 軌道參數(shù)的不穩(wěn)定性 305
7.2.2 氣候旋回的軌道驅(qū)動 306
7.2.2.1 冰期旋回的軌道驅(qū)動 307
7.2.2.2 低緯過程的軌道驅(qū)動 309
7.3 地球過程軌道驅(qū)動研究的發(fā)展 311
7.3.1 地質(zhì)歷史上的軌道周期 311
7.3.1.1 前第四紀(jì)的軌道周期 311
7.3.1.2 地質(zhì)計時的天文標(biāo)尺 314
7.3.2 軌道驅(qū)動的計算和應(yīng)用 316
7.3.2.1 軌道驅(qū)動的計算問題 316
7.3.2.2 軌道驅(qū)動的機(jī)制研究 317
7.3.3 地球表層過程中的軌道因素 320
7.3.3.1 軌道驅(qū)動下的潮汐作用和海洋過程 320
7.3.3.2 軌道周期與內(nèi)力作用 321
7.3.3.3 地外星球上的軌道周期 322
參考文獻(xiàn) 326
思考題 332
推薦閱讀 332
第8章 周期轉(zhuǎn)型和氣候突變 335
8.1 冰期旋回的多樣性與跨冰期變化 336
8.1.1 冰期的多樣性 336
8.1.2 間冰期的多樣性 338
8.1.3 跨冰期變化 342
8.2 氣候周期變化的轉(zhuǎn)型 343
8.2.1 暖室期和冰室期的軌道周期 344
8.2.2 南極冰蓋發(fā)育中的氣候轉(zhuǎn)型 346
8.2.3 北半球冰蓋發(fā)育中的氣候轉(zhuǎn)型 348
8.3 氣候環(huán)境的突變 352
8.3.1 冰消期的氣候突變 352
8.3.1.1 末次冰消期 353
8.3.1.2 歷次冰消期的比較 354
8.3.2 火山爆發(fā)事件 357
8.3.3 天體撞擊事件 360
8.3.3.1 從微隕石到小行星 360
8.3.3.2 白堊紀(jì)末撞擊事件與生物大滅絕 361
8.3.4 特大洪水事件 362
8.3.5 突發(fā)升溫事件 366
參考文獻(xiàn) 369
思考題 376
推薦閱讀 377
第9章 人類尺度的演變 379
9.1 人類尺度環(huán)境變化的研究 380
9.1.1 人類尺度演變的記錄載體 381
9.1.1.1 冰芯 381
9.1.1.2 紋層，石筍，珊瑚，樹輪 383
9.1.2 人類尺度演變的測年方法 385
9.1.3 人類尺度演變的驅(qū)動機(jī)制 386
9.2 千年尺度演變的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)理探索 387
9.2.1 冰芯記錄的千年尺度變化 387
9.2.2 深海記錄的千年尺度變化 388
9.2.3 石筍記錄的千年尺度變化 391
9.2.4 “大洋傳送帶” 394
9.3 外因驅(qū)動下的人類尺度演變 399
9.3.1 軌道驅(qū)動的千年尺度變化 399
9.3.1.1 半歲差和1/4 歲差 399
9.3.1.2 潮汐作用與月球軌道周期 401
9.3.2 太陽活動周期與氣候 405
9.3.2.1 太陽活動周期的發(fā)現(xiàn) 405
9.3.2.2 氣候演變中的太陽活動周期 407
9.4 現(xiàn)代環(huán)境的周期變化 410
9.4.1 厄爾尼諾- 南方濤動 410
9.4.2 年際- 年代際尺度的氣候濤動 412
參考文獻(xiàn) 415
思考題 422
推薦閱讀 423
第10章 全球變化與古環(huán)境研究 425
10.1 全球變化的提出與研究現(xiàn)狀 426
10.1.1 全球變化科學(xué)問題的提出 426
10.1.2 全球變化與氣候外交 428
10.1.3 全球變化的觀測證據(jù) 430
10.1.4 全球變化研究的國際合作 433
10.1.4.1 國際研究計劃的演進(jìn) 433
10.1.4.2 國際地圈- 生物圈計劃三十年 434
10.2 全球變化的科學(xué)問題與爭論 437
10.2.1 溫室效應(yīng)的歷史爭論 437
10.2.2 圍繞全球變化的科學(xué)爭論 441
10.2.3 關(guān)于氣候工程學(xué)的爭論 443
10.2.4 關(guān)于地球未來的爭論 444
10.3 全球變化與古環(huán)境研究 446
10.3.1 “人類世”——在“古”“今”之間拆墻 446
10.3.1.1 “人類世”的提出 446
10.3.1.2 “人類世”的爭論 447
10.3.2 地質(zhì)時期的全球變化 450
10.3.2.1 早新生代的高溫期 451
10.3.2.2 高溫期的全球變化 452
10.3.3 地外星球的全球變化 453
10.3.3.1 火星上的全球變化 453
10.3.3.2 金星的大氣圈 456
10.3.3.3 外行星衛(wèi)星上的全球變化 457
參考文獻(xiàn) 460
思考題 468
推薦閱讀 469
第11章 地球表層系統(tǒng)的定量研究 471
11.1 從定性到定量：地球科學(xué)的演變 472
11.1.1 地球科學(xué)定量化的起步 472
11.1.2 多元統(tǒng)計方法的應(yīng)用 474
11.1.3 地球科學(xué)定量化的發(fā)展 477
11.2 地球表層的觀測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理 478
11.2.1 遙感觀測平臺 478
11.2.2 地面/ 海洋觀測平臺 480
11.2.3 海底觀測平臺 481
11.2.4 地球內(nèi)部的觀測 483
11.2.5 大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng) 484
11.3 古環(huán)境定量再造與替代性標(biāo)志 486
11.3.1 海水古溫度——替代性標(biāo)志的實(shí)例 486
11.3.2 替代性標(biāo)志的應(yīng)用和錯用 490
11.3.3 替代性標(biāo)志的發(fā)展前景 491
11.4 地球系統(tǒng)的數(shù)值模擬 492
11.4.1 數(shù)值模擬的產(chǎn)生 493
11.4.2 數(shù)值模擬的類型 494
11.4.3 地球系統(tǒng)模式 499
11.4.4 數(shù)值模擬的前景和局限性 502
參考文獻(xiàn) 504
思考題 510
推薦閱讀 510
第12章 探索地球系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制 513
12.1 地球科學(xué)的歷程：從現(xiàn)象描述到機(jī)理探索 514
12.1.1 地球科學(xué)的視野 514
12.1.2 地球科學(xué)的理論探索 516
12.1.2.1 地球科學(xué)中的定律 516
12.1.2.2 19 世紀(jì)的進(jìn)化論 517
12.1.2.3 20 世紀(jì)的活動論 518
12.1.3 尋求地球系統(tǒng)科學(xué)的理論 521
12.2 地球系統(tǒng)：理論探索的展望 523
12.2.1 行星循環(huán)和比較行星學(xué) 523
12.2.2 能量和熵 527
12.2.3 生物圈大電場 532
12.3 地球演變：變化歷程與運(yùn)行機(jī)制 536
12.3.1 從元素起源到生命產(chǎn)生 536
12.3.2 生物圈和地圈的協(xié)同演化 538
12.3.3 地球系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的探索 541
12.3.3.1 跨越時間尺度的現(xiàn)象 541
12.3.3.2 穿越空間圈層的交換 542
參考文獻(xiàn) 543
思考題 547
推薦閱讀 548
縮寫名詞 549
索引 554