地球的起源和演化

前言

本書擇要介紹了人類進(jìn)入21世紀(jì)以后，在地球和行星科學(xué)研究方面所面臨的10個(gè)前沿性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。這些科學(xué)問(wèn)題涵蓋了廣泛的科學(xué)主題。本書共分四篇。第一篇介紹了地球和行星的起源，涉及太陽(yáng)系早期作用過(guò)程的特征、地球形成后最初5億年的環(huán)境以及生命的起源；第二篇探討了正在進(jìn)行的行星作用過(guò)程以及地球深部構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)與地表環(huán)境之間的聯(lián)系，涉及的重要科學(xué)問(wèn)題有地幔對(duì)流、板塊構(gòu)造的起因、地核的形成與演化以及大陸的年齡、結(jié)構(gòu)和演化；第三篇闡述了地球作用過(guò)程、氣候和生命演化之間的聯(lián)系；最后，第四篇討論了與資源開采和災(zāi)害問(wèn)題相關(guān)的內(nèi)在基礎(chǔ)研究，包括地震和火山噴發(fā)的預(yù)測(cè)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院國(guó)家研究委員會(huì)選定了一個(gè)專門的委員會(huì)負(fù)責(zé)對(duì)重大研究問(wèn)題的遴選。專門委員會(huì)舉行首次會(huì)議并確定出重大研究問(wèn)題的初步清單后，將名單公布并征求評(píng)論。專門委員會(huì)考慮了科學(xué)界的反應(yīng)，并在隨后幾個(gè)月中召開了超過(guò)3次的會(huì)議，對(duì)這些研究問(wèn)題進(jìn)行精煉，對(duì)討論的范圍達(dá)成一致并撰寫本書。除了專門委員會(huì)的成員外，還有許多其他科學(xué)家參與了最終書稿的撰寫。我們認(rèn)為，這些研究問(wèn)題是地球科學(xué)研究中最為關(guān)鍵的問(wèn)題，其將在今后20年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)地球科學(xué)界。這些重大科學(xué)問(wèn)題中的一些問(wèn)題，如生命的起源，具有永恒的基礎(chǔ)研究興趣并且不可能在近期內(nèi)得到解決。而另外一些問(wèn)題對(duì)我們的生存環(huán)境而言至關(guān)重要，如氣候變化的控制因素、地球作用過(guò)程與生命之間的內(nèi)在聯(lián)系以及對(duì)流體一巖石相互作用過(guò)程的認(rèn)識(shí)。本書強(qiáng)調(diào)了研究問(wèn)題的跨學(xué)科特征，以及新的觀測(cè)、新的研究工具和創(chuàng)新性研究方法在解答上述問(wèn)題中所扮演的角色。對(duì)我和整個(gè)專門委員會(huì)而言，特別令人高興的是本書即將在中國(guó)出版，在中國(guó)我們都有許多朋友和同行。中國(guó)的地質(zhì)特征為回答本書提出的基礎(chǔ)性研究問(wèn)題提供了豐富的天然實(shí)驗(yàn)室。我們期望，本書有助于集中中國(guó)科學(xué)家的巨大智慧，解決國(guó)家和全球性的重要地球科學(xué)問(wèn)題（如本書第三篇和第四篇提到的）以及本書第一篇和第二篇討論的基礎(chǔ)性和挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

內(nèi)容概要

美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)固體地球科學(xué)重大研究問(wèn)題委員會(huì)，在廣泛研究和征求專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出21世紀(jì)固體地球科學(xué)研究的十大科學(xué)問(wèn)題，并將其歸結(jié)為四大類主題進(jìn)行闡述：“起源”——地球與太陽(yáng)系其他行星的起源，地球的早期歷史，生命起源；“內(nèi)部地球”——地球內(nèi)部的運(yùn)行與地表的現(xiàn)狀，包括地球的物質(zhì)特性及其對(duì)地球過(guò)程的基礎(chǔ)作用；“宜居星球”——?dú)夂蚺c氣候變化，地球—生命相互作用；“災(zāi)害與資源”——地震、火山，以及與地球內(nèi)、地球上的水和其他流體相關(guān)的現(xiàn)代環(huán)境問(wèn)題。    本書對(duì)科學(xué)問(wèn)題的論述深入淺出，適合地球科學(xué)領(lǐng)域的科研、教育和管理工作者以及研究生閱讀。

作者簡(jiǎn)介

作者：（美國(guó)）美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)固體地球科學(xué)重大研究問(wèn)題委員會(huì) 譯者：張志強(qiáng) 鄭軍衛(wèi) 王天送 等

書籍目錄

中文版序Preface for Chinese Edition譯者序前言致謝摘要第一篇  起源  問(wèn)題1：地球和其他行星是如何形成的？    行星怎樣在恒星周圍形成？    太陽(yáng)系行星如何形成？    隕石就地球的起源顯示了些什么？    地球的化學(xué)組成是什么？    月球是經(jīng)大撞擊形成的嗎？    小結(jié)  問(wèn)題2：地球“黑暗時(shí)期”(地球誕生后的最初5億年)究竟發(fā)生了什么？    地球向目前環(huán)境的轉(zhuǎn)變?nèi)绾伟l(fā)生？    地球如何形成海洋和大氣？    地球金屬核何時(shí)和如何形成？    最早的地殼如何形成和由什么形成？    小結(jié)  問(wèn)題3：生命是如何起源的？    自上而下與自下而上的方法    實(shí)驗(yàn)室線索    生命如何出現(xiàn)？    生命何時(shí)出現(xiàn)？    生命起源不止一次？    什么是生命，而什么又不是生命？    是否存在地外生命？    小結(jié)第二篇  內(nèi)部地球  問(wèn)題4：地球內(nèi)部如何運(yùn)動(dòng)及其如何影響地表？    對(duì)流和熱流    地幔對(duì)流和地球熱演化之間有何關(guān)系？    關(guān)于地幔對(duì)流和熱傳遞，地幔柱告訴了我們什么？    地幔是整體對(duì)流還是分層流動(dòng)？    地球的內(nèi)核何時(shí)形成？    地球磁場(chǎng)隨時(shí)間如何演化？    地幔對(duì)流的化學(xué)結(jié)果是什么？    小結(jié)  問(wèn)題5：地球?yàn)楹螕碛邪鍓K構(gòu)造禾口大陸？    何為板塊構(gòu)造？    為何存在板塊構(gòu)造？    板塊構(gòu)造何時(shí)開始？    什么造成了新板塊邊界的形成？    大陸如何形成？    下伏地幔如何影響大陸形成？    大陸在漫長(zhǎng)的歷史中是如何演化的？    氣候、構(gòu)造和剝蝕是如何造就地貌景觀的？    小結(jié)  問(wèn)題6：物質(zhì)特征如何控制地球演化過(guò)程？    行星內(nèi)部由什么礦物構(gòu)成？    固體地球內(nèi)有多少水？    礦物和流體如何反應(yīng)？    能夠預(yù)測(cè)大范圍、多尺度和極端緩慢的地質(zhì)過(guò)程嗎？    小結(jié)第三篇  宜居星球  問(wèn)題7：什么原因引起氣候變化，氣候變化幅度能有多大？    什么過(guò)程控制了氣候變化？    氣候因何保持在宜人的范圍之內(nèi)？    是什么造成了地質(zhì)年代中異常溫暖和異常寒冷時(shí)期？    是什么觸發(fā)了氣候突變？    可以確定地球過(guò)去的co2歷史嗎？    小結(jié)  問(wèn)題8：生命如何改變地球，地球又如何塑造生命？    生命是如何影響地質(zhì)過(guò)程的？    生命在這個(gè)可居住的地表環(huán)境寄養(yǎng)了多長(zhǎng)時(shí)間？    生物體如何影響大氣和海洋中的充氧作用？    生命和地球之間的其他互相作用    是什么造成生物大滅絕？    什么主宰著生物多樣性的歷史？    小結(jié)第四篇  災(zāi)害與資源  問(wèn)題9：能夠預(yù)測(cè)地震、火山噴發(fā)及其后果嗎？    地震災(zāi)害    地震預(yù)測(cè)：何地、何時(shí)與多大？    預(yù)測(cè)地震何地發(fā)生    預(yù)測(cè)地震何時(shí)發(fā)生？    長(zhǎng)期預(yù)測(cè)    短期預(yù)測(cè)可能嗎？    復(fù)雜性    地震前能夠發(fā)出多少預(yù)警？    強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)    慢地震的作用是什么？    海嘯    火山災(zāi)害    是什么控制了火山噴發(fā)的大小、頻率和方式？    火山噴發(fā)的哪些方面可以預(yù)測(cè)？    小結(jié)  問(wèn)題10：流體流動(dòng)和搬運(yùn)如何影響人類環(huán)境？    流體在地質(zhì)介質(zhì)中如何流動(dòng)？    流體-巖石化學(xué)和生物學(xué)相互作用如何影響流體的流動(dòng)？    熱反應(yīng)和機(jī)械反應(yīng)如何影響流體的流動(dòng)？    地下流體的行為可以預(yù)測(cè)嗎？    多時(shí)間和多長(zhǎng)度尺度對(duì)流體-巖石體系的影響是什么？    地球過(guò)程中水的作用可以預(yù)測(cè)嗎？    可以通過(guò)管理地形來(lái)維持人口和生態(tài)系統(tǒng)嗎？    小結(jié)參考文獻(xiàn)附錄A  委員會(huì)成員簡(jiǎn)介附錄B  縮寫詞和縮略語(yǔ)

章節(jié)摘錄

插圖：有關(guān)地球形成的最具挑戰(zhàn)性和最相關(guān)問(wèn)題之一是，為何我們的星球是太陽(yáng)系中唯一具有豐富的液態(tài)水存在于表面和具有豐富的可以形成有機(jī)質(zhì)形式的碳存在的行星。這一問(wèn)題是一組更加寬泛的問(wèn)題的一部分：為什么太陽(yáng)系內(nèi)行星是巖石的而外行星卻是氣態(tài)的；外行星的增大和軌道演化如何影響內(nèi)太陽(yáng)系；所有最大的行星為何彼此之間如此不同；我們的太陽(yáng)系在銀河系中有多大的代表性。盡管這些問(wèn)題已經(jīng)存在很久了，但是現(xiàn)在才從天文學(xué)、同位素化學(xué)、太陽(yáng)系探索和先進(jìn)計(jì)算模擬提供的新見(jiàn)解中浮現(xiàn)出答案。而且，雖然總的來(lái)說(shuō)我們知道如何形成一顆像地球一樣的星球——從某些星塵開始并使得重力、輻射和熱力學(xué)都起到各自的作用，然而我們的答案通常僅能精煉我們的問(wèn)題。例如，地球化學(xué)組成的細(xì)節(jié)（如地球含有多少可生熱的元素鈾、釷和鉀，含有多少氧和碳以及形成其特殊的稀有氣體和其他微量組分份額的原因）對(duì)建立地球地質(zhì)過(guò)程模型，以及最終了解地球?yàn)楹卧谄浣^大部分歷史中適合生命生存非常重要。

編輯推薦

《地球的起源和演化:變化行星的研究問(wèn)題》由科學(xué)出版社出版。

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