地球科学概论
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/ 地球科学概论　
主要元素 O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 等的克拉克值高，因而矿种多、分 布广、储量大；②利用方式多，除少数矿种用来提取非金属元素或化合物外， 大多数矿种可以直接利用某些矿物、矿物集合体和岩石的某些物理、化学性 质和工艺特性；③可一矿多用，如膨润土、高岭土等粘土矿物，既可作耐火 材料和陶瓷原料，又可作填充料、涂料等；石灰岩可依据其不同性能，用作 电石、水泥、化工、熔剂、建材等原料。　　尽管非金属矿产的矿种多、分布广，但是对于某些开采、生产技术要求 较高、工艺性质特殊的矿种在世界上的分布也是有局限性的，如硫、磷、钾 盐、宝石等，再如金刚石主要分布在扎伊尔、博茨瓦纳、澳大利亚，重晶石 主要分布在美国、印度和加拿大。　　我国是世界上非金属矿产种类比较齐全的少数国家之一。目前，已探明 储量的非金属矿产约 80 种，产地 4500 多处，其中硫铁矿、石墨、重晶石、 高岭土、叶蜡石、石膏、硅藻土、玻璃原料、大理岩和花岗岩等 20 多种在国 际上占优势。沸石、珍珠岩、硅灰石、粘土等几十种非金属矿产可望成为国 际优势矿产。金刚石、蓝宝石、天然碱和钾盐也有较好的发展前景。（二）矿产资源前景　　第二次世界大战以后，矿产的品种有了显著增加。至 80 年代初期，元素 周期表中可提取利用的元素已由 40 年代的 30 多个增加到 70 多个，工业上利 用的矿物占已知 2500 种矿物的 15％。1976 年世界开采的矿石量已超过 120亿 t，连废石在内，总开采量达 1000 亿 t 以上。近 30 年来，世界矿产开采量的增长速度显著加快，如
年间，铁矿石开采量占 20 世纪以来80 年中总产量的近 55％，钾盐占 67％，铝土矿占近 80％。 在目前的经济技术条件下可以利用的矿产资源量称为储量。实际上，许多矿产都有比储量大得多的资源量。随着找矿工作的继续进行和科学技术的不断进步，一些潜力资源和未经发现资源将转化为储量，而且还会发现很多 新类型矿床与矿产新来源。然而，矿产资源与其他自然资源不同，总体上说是开采后不可再生的有限资源，特别是那些优质、易采的矿产，目前在世界上已经屈指可数；并且 由于矿产资源分布极不均衡，即使是国土面积居世界前列的国家，也不可能 在所有矿产资源上完全自给自足。因此，自 70 年代以来，许多国家为了确保 矿产资源来源稳定而调整制定本国的资源政策和采取相应的措施，例如建立 土地及矿产开发利用的统一法规，分析预测矿产资源形势，加强矿产资源勘 查工作，等等。　　当今世界对矿产品的需求量不断增长，而地表或近地表富矿正在日益减 少，所以就必然要大量利用贫矿、杂矿，开采深部矿、新类型矿床和边远地 区的矿床。近些年来，世界很多矿产储量的增长，在很大程度上是靠降低工 业品位、扩大开采深度和发现矿床新类型取得的。所以，在未来的找矿工作 中，人们将日益重视寻找隐伏矿、深部矿以及一些近地表的大而贫的矿床。 同时，根据新的地质理论和找矿技术以及开采、冶炼等方面的成就，重新评 价已知矿床的储量与研究老矿区潜力，也具有很重要的意义。　　综合开采利用矿床的方法今后将日益普及，目前有些国家伴生产品的增 长速度已经超过主要产品的增长速度。综合利用是钴、银、铋、铼、镉、硒、 碲、锗等矿产的主要来源。如在我国攀枝花铁矿，钒、钛伴生矿产已开始被 利用。　　　　未来人类所需矿产资源相当一部分可能要取自海洋。浩瀚的大洋蕴藏着 极其丰富的矿产资源。滨海砂矿是独居石、钛铁矿、磁铁矿、锆石、磷钇矿 等的重要来源，也是优质硅砂的基地。海底含金属软泥、锰结核与大洋中脊 上的块状硫化物矿床都有可能成为开采对象。海底锰结核含锰约 35％、铁18.5％、镍和铜各 1％左右、钴 0.5％，还含有可供利用的钛、钒、铅、锌等 元素，具有很高的开采价值。估计海底锰结核总量达 3 万亿 t，所含锰、镍、 铜、钴四种金属的总量分别是陆地储量的 200、320、40 和 1000 余倍，而且 现在还以每年增加 1000 万 t 结核的速度在继续堆积着。另外，海底还有大量 的磷酸盐、重晶石、沸石、海绿石、红色粘土（可提供锰、镍、铜、钼、钴 等资源，可能还有铀）等，总量也相当可观。海水中的矿物含量也相当丰富， 含量较高的元素近 60 种。目前 1/3 的商品盐、1/5 的镁、大量的溴来自海水。 减少矿床开采时的损耗，降低开采利用成本，回收利用各种金属或其他 材料，也是解决矿产资源不足的重要途径。总之，一方面要尽可能开源节流， 另一方面，人们也不必要持矿产资源很快就要枯竭的悲观态度。实际上，随 着新的科学理论和技术方法的问世并付诸应用，矿产资源还是大有潜力的。第二节 能源　　能源主要来自煤、石油、天然气和油页岩等不可再生的可燃有机矿产， 也包括生物质能、水能、地热能、风能、潮汐能、太阳能以及核能等。目前 人类所利用的能源 90％以上是煤、石油和天然气，它们是在不同的地质年代 里由动植物残骸等有机质转变形成的。一、煤（一）煤的概念　　煤是一种固态的可燃有机岩，是由植物残骸经过复杂的生物化学、物理 化学以及地球化学变化而形成的。煤不是一种矿物，而是主要由碳、氢、氧、 氮等元素组成的有机成分和少量矿物杂质一起构成的复杂混合物。煤由有机质和无机质两部分构成。有机质主要是 C、H、O、N、S、P 等元素，其中 C 和 H 构成可燃的有机质的主要成分，而 S 和 P 在工业利用上属于 有害元素。无机质包括水分和矿物杂质，它们构成煤的不可燃部分，其中矿 物杂质经燃烧残留下来，称为灰分。灰分超过 45％时就不再称为煤，而称炭 质页岩或油页岩。（二）煤的形成　　煤是在各种地质因素综合作用的情况下形成的。要形成具有工业价值的 煤层，须具备聚煤条件和成煤作用两个基本条件。1.聚煤条件 植物遗体堆积成煤的首要条件是必须有茂盛的植物，保证成煤物质的充分供给；另一个条件是已死亡的植物应与空气隔绝，以免遭受完全氧化、分 解和强烈的微生物作用而被彻底破坏。显然，不是任何地方都具备这样的条 件，一般认为沼泽地区是最适宜的环境。因为沼泽地有充足的水分，不仅有 利于植物生长，而且为植物遗体的保存创造了条件。水体使植物遗体与空气 隔绝，这样就妨碍了喜氧细菌的生存，从而使植物遗体免遭分解破坏，得以不断堆积。2.成煤作用 从植物遗体的堆积到形成煤层的转化过程称为成煤作用。这是一个漫长而复杂的变化过程，通常分为两个阶段（图 10.2）。　　（1）泥炭化和腐泥化作用阶段 高等植物的遗体暴露在空气中，或堆积 在沼泽浅部的多氧条件下，由于大气、氧和喜氧细菌的作用，会遭受一定的 氧化和分解。但随着植物遗体的不断堆积和埋藏深度的增加，则逐渐与空气 隔绝，氧化环境转变为还原环境。在厌氧细菌的作用下，使氧化分解产物之 间及分解产物与植物残体之间发生复杂的生物化学变化，形成多水和富含腐 植酸的腐植质，这就是泥炭。从植物堆积到形成泥炭的作用，叫泥炭化作用。 低等植物藻类和浮游生物死亡后沉到水底，在与空气隔绝的还原环境中，在 厌氧细菌的作用下，富含脂肪和蛋白质的生物遗体分解，最后转变为含水很 多的絮状胶体物质——腐植胶。腐植胶再经脱水、压实即形成富含沥青质的 腐泥。从低等植物及其他生物遗体沉积到形成腐泥的作用，称为腐泥化作用。　　（2）煤化作用阶段 在泥炭和腐泥形成后，随着地壳不断下降，在温度 升高、压力增大的影响下，逐渐转入成煤的第二个阶段，它包括成岩作用和 变质作用两个亚阶段。成岩作用阶段 当泥炭或腐泥被泥砂等沉积物覆盖后，在上覆沉积物的静压力作用下，泥炭、腐泥逐渐失水、压实、固结，挥发分相对减少，含炭 量相对增高，泥炭和腐泥分别逐渐转变成褐煤和腐泥褐煤。这一作用过程， 称为煤的成岩阶段。变质作用阶段 当褐煤层沉降到更深处时，受到继续升高的温度和不断增大的压力的作用，褐煤的内部分子结构、物理性质和化学性质发生变化， 如颜色加深、光泽增强、挥发分减少、含炭量增高等，结果褐煤就逐渐转变 为烟煤、无烟煤。这一变化过程就是煤的变质作用阶段。（三）煤炭资源的分布、开发与利用　　地球上的煤炭资源非常丰富，是能源宝库中十分可贵的物质财富。在 80 年代初期，据估计全世界煤炭资源量为 136093 亿 t，其中已探明的可采储量 超过 8000 亿 t。在 80 年代初以前的 200 年间，全世界累计采煤约 1500 多亿 t，这和庞大的可采储量相比，不过是只开采了极小的一部分。按照近十几年 来世界煤炭的年产量估算，再考虑到今后陆续探明的新储量，估计全世界煤 炭至少还可以开采二三百年。　　世界煤炭资源的地理分布是很广泛的，遍及各大洲的许多地区，但又是 不均衡的。总的来说，北半球多于南半球，尤其集中在北半球的中温带和亚 寒带地区。　　北半球北纬 30°～70°之间是世界上最主要的聚煤带，占有世界煤炭资 源量的 70％以上。各大洲相比，北半球的三大洲都比较丰富，其中亚洲煤炭 资源量高达 86500 多亿 t，约占世界的 56％以上；北美洲有 40600 多亿 t， 约占世界的 26％以上；欧洲有 15600 多亿 t，约占世界的 10％以上。南半球 各大洲的煤炭资源都比较少，其中大洋洲资源量有 7800 多亿 t，约占世界的5.1％；非洲有 2100 多亿 t，约占世界的 1.4％；南美洲最少，还占不到世界的 0.4％。另外，南极洲的维多利亚地区及其他地区也发现有煤炭资源，但是人们还难以估算出比较确切的资源量。各个国家相比，全世界约有 80 个国 家和地区拥有煤炭资源。原苏联、美国和中国的煤炭资源最丰富，合计约占 世界资源量的 83％以上。　　世界煤炭资源的地理分布，以两条巨大的聚煤带最为突出，一条横亘欧 亚大陆，西起英国，向东经德国、波兰、原苏联，直到我国的华北地区；另 一条呈东西向绵延于北美洲的中部，包括美国和加拿大的煤田。南半球的煤 炭资源也主要分布在温带地区，比较丰富的有澳大利亚、南非和博茨瓦纳。 世界煤炭资源地理分布的特点，直接影响世界煤炭生产的地理分布。一 般，煤炭资源比较丰富而经济又比较发达的地区，也是煤炭产量较高的地区。 从各大洲来看，欧洲、亚洲和北美洲三洲的煤炭产量，约占世界总量的 90％以上，其中仅欧洲就几乎占了一半。 煤炭的形成具有一定的时限性，并不是地质历史的任何时期都有煤炭形成。地球上的煤田虽然分布普遍、储量丰富，但绝大部分只形成于几个地质 年代中，其中古生代的石炭纪、二叠纪，中生代的侏罗纪，以及新生代的第 三纪，是地史上最主要的聚煤期。　　我国煤炭资源十分丰富，产、储量均居世界前列。我国主要成煤期也是 石炭纪—二叠纪、侏罗纪和第三纪。截至 1983 年底，我国已探明的储量为7400 多亿 t，其中可采储量达 1600 多亿 t。我国煤炭资源主要分布在山西、内蒙古、贵州、宁夏、安徽等省区，其中以山西和内蒙古最多，两者约占全 国探明储量的 60％。我国最著名的煤炭产地有开滦、大同、本溪、淮南、淮 北、抚顺等地。煤是人类最早使用的能源之一。人类知道使用煤炭，已有 2000 多年的历史。如今，煤作为工业动力燃料，广泛用于火力发电、交通运输和冶金等方 面；在许多地区，煤是最重要的民用生活燃料；煤又是重要的化工原料，通 过焦化、加工等过程，可以得到许多重要的化工原料及化工产品，如煤气、 煤焦油、氮肥、农药、塑料、合成纤维等上百种产品；氧化煤、褐煤和泥炭 可以制造腐植酸类肥料；煤燃烧后的煤渣可制耐火砖或煤渣砖，还可作水泥 的配料；有些煤层含有镓、锗、铀等稀有或放射性元素，可供综合利用。可 见合理地开发利用煤炭资源是十分重要的。煤炭作为能源也存在一些不利因素：①煤炭发热量较石油低，运输不便，对其他工业渗透作用不如石油强；②煤的转化技术虽已取得很大进展，但是 大规模利用在经济上不合算；③在煤炭的开采、利用和燃烧过程中，容易造 成对环境的破坏与污染。　　由此可见，极为丰富的煤炭资源是人类的宝贵财富。然而，煤也存在使 用的局限性等不利因素。因此，人类正在不断地研究更有效、更合理地利用 煤炭资源的方法。其中，解决对环境的破坏和污染等有关问题是一个重要的 方面。二、石油和天然气（一）石油和天然气的概念　　石油和天然气是极为重要的能源资源，具有燃烧完全、发热量高、运输 方便等优点。石油还是一种十分重要的化学工业原料。石油化工产品，如橡 胶、塑料、农药、化肥、医药、炸药、染料、合成纤维、合成洗涤剂等已达　　5000 种以上。 石油是以液态形成存在于地下岩石空隙中的可燃有机矿产，是一种成分复杂的碳氢化合物的混合物。天然石油（又称原油）一般是黑绿色、棕色、 黑色或浅黄色的油脂状液体。石油的相对密度介于 0.75～0.98 之间。颜色愈 深，相对密度愈大，相对密度大于 0.9 的称为重质油；反之，颜色浅，相对 密度小于 0.9 的称为轻质油。石油粘度较大，不溶于水，但溶于有机溶液中。 石油具有荧光性，即在紫外光照射下可产生荧光，据此可作为鉴定岩石是否 含油的标志。石油的电阻率极高，在电测井工作中，用作寻找油藏和确定生 油层的依据。石油的化学成分很复杂，主要由多种碳氢化合物混合组成。纯 粹由碳和氢两种元素组成的化合物，叫碳氢化合物，简称为烃。石油除烃类 组成外，还有硫、氯、氧等非烃类物质，它们对石油的质量影响很大。硫在 石油中是一种有害成分，它会腐蚀炼油设备，降低石油产品质量。原油中含 硫量小于 0.5％者为低硫原油，大于 0.5％者为高硫原油。　　天然气通常是指储集在地下岩石空隙中的以烃类为主的可燃气体。它的 基本组成是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷等，还有少量的液态烃类及微量的非烃类组分，如 N2、CO2、H2S 等。天然气无色无味，但含一定量的 H2S 时会有臭味，相对密度在 0.6～1.5 之间。发热量一般在 33.49×106～54.33×106J/m3 之间。天然气易溶于石油中（在高温、高压下，一吨石油可溶解数十 到数百立方米的天然气），从而降低石油的粘度，减小毛细管力，使石油容 易在地层中流动。（二）石油及天然气的成因　　石油和天然气的形成有无机成因说和有机成因说，过去虽有一些争论， 但目前有机成因说已被广泛承认，即认为石油和天然气是由大量有机质转化 而来的。一切有机质均可作为石油的原始物质，包括高等植物在内。有机质 中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等都可转化为石油的物质成分。这些生物遗 体和泥砂一起沉积在海、湖底部，逐渐形成有机质淤泥。沉积物中的有机质 在一定的物理化学因素和地质作用下转化为石油和天然气。石油与天然气形成的地质条件主要取决于：①具有大量的有机物质来源；②有利的还原环境；③促使有机质向油气转化的因素，主要有温度、压 力的影响以及细菌作用等。油气的形成实际上是去氧、加氢、富碳的一种化 学过程，因此，温度和压力是重要因素。随着有机物质的埋深加大，当温度、 压力升高到一定程度时（50～150℃，30～70MPa 或深度 1.5km 以上），就有 大量的烃类物质产生。因而，长期稳定下沉的深坳陷是形成石油的主要有利 条件。浅海特别是潟湖、海湾和三角洲地带的集水盆地及潮湿气候区的广阔 湖盆是有利的生油环境。（三）油气藏的形成　　油气藏是油气聚集的最基本单位，是油气勘探的对象。石油和天然气在 形成初期呈分散状态存在于生油气层中，它们必须经过迁移、聚集才能形成 可供开采的工业油气藏。这就需要具备一定的地质条件，这些条件可概括为 “生、储、盖、圈、运、保”6 个字。　　（1）生油气层 生油气层是具备生油条件并且能生成一定数量油气的岩 层。它富含有机质，是在还原环境下沉积的，其结构细腻、颜色较深，主要 是泥质岩类和碳酸盐岩类两种。生油气层可以是海相的，也可以是陆相的。（2）储油气层 储油气层是能够储存石油和天然气、又能输出油气的岩石。它是具有良好空隙度和渗透率的岩石，通常由砂岩、石灰岩和白云岩及 裂隙发育的页岩、火山岩及变质岩构成储油气层。　　（3）盖层 盖层是指覆盖于储油气层之上、渗透性差、油气不易穿过的 岩层。它起着遮挡作用，以防止油气外逸。页岩、泥岩和蒸发岩等是常见的 盖层。　　（4）圈闭 进入到储集层中的油气，在运移过程中，遇到某种遮挡物， 使其不能继续向前运动，而在储层的这一局部地区聚集起来，这种聚集油气 的场所称为圈闭。如背斜、穹窿圈闭（图 10.3）和断层与单斜岩层构成的圈 闭等。　　（5）运移指油气在生油气层中形成后，由于压力作用、毛细管作用、扩 散作用等使其进入到有孔隙的储油气层中。一般认为由生油气层运移到储油 气层的油气呈分散状态或胶状。由于重力作用，使油气质点上浮到储油气层 的顶面，但还不能形成大量的集中。要使油气大量集中，就要求储油气层具 有一定的倾角以及构造运动形成的圈闭。这样储油气层中的油、气、水就会 在压力、重力以及水力等因素的作用下继续向岩层上倾方向运移，直至遇到 圈闭时，才能形成各种类型的工业油气藏。（6）保存 已形成的油气藏，在适宜的条件下才能保存至今。构造运动不剧烈、岩浆活动不频繁、变质程度不深等条件，有利于油、气的保存。相 反，断裂（尤其是张性断裂）大量发育、剥蚀深度大、岩浆活动等则是不利 于油、气保存的条件。（四）油气资源的分布、储量、产量形势和前景　　世界油气资源分布具有一定的规律性。从地形看，油、气田大都分布在 比较低洼的地区，如山脉两侧的山前盆地、滨海和近海大陆架以及大陆内盆 地等。世界油气资源分布的一个明显特点是地区上的极不均匀性。石油最丰 富的是沙特阿拉伯、科威特、伊朗、伊拉克等海湾国家。天然气最丰富的是 原苏联、伊朗和美国。目前世界上已有 70 多个国家产油气。油气储量一般是指探明的剩余可采储量，即探明可采储量减去采出量，它决定较近时期的生产能力和增产的限度；而待探明的储量则为油气工业发 展前景提供依据。因此，研究油气储、产形势和资源前景对制定能源政策有 重要意义。自 1950 年以来，无论是石油的探明剩余可采储量，还是石油产量 都有很大增长，储、产形势如表 10.1 所示。表 10.1
年石油储、产形势简表*项
世界探明剩余 可采储量/108t
186
385.4
734
797.4
1274.5
产量/108t
5.2
10.7
23.8
31.76
29.74
储/产比值
35.8
33.5
30.8
25.1
42.85
*产量据“ Oil ＆ Gas Journal ”，储量据“ World Oil ”，引自陈荣书，石油及天然气地质学， 1994 。　　从表 10.1 可知， 年石油产量每 10 年倍增有余，而储量的增 加略低于产量增长速度，储 /产比值由 35.8 降到 30.8； 年探明储 量增加甚少，而产量仍以较快速度增长，在不到 10 年的时间内储/产比值降　　低了 5.7；80 年代以来，供大于求，产量有所下降，而探明储量增长较快， 使储/产比值达到前所未有的高值，一扫 80 年代初期对石油生产前景的悲观 气氛。到 1990 年为止，石油累积产量已超过 900×108t，探明可采储量也增到8t，还有多少石油待发现呢？大多数研究者估计最终可采储量在t 左右，最高可达 t。近几年的油气勘探实践表明，随累 积产量增加，探明可采储量也在增长，估算的待发现的石油储量也在增长。 因此，按目前开采的速度，在未来的 21 世纪内，石油供给是有充分保证的。表 10.2
年天然气储、产形势简表*项
世界探明剩余可采储量/.46
44.98
70.85
96.33
118.16
产量/.468
1.160
1.525
1.776
2.102
储/产比值
15.9
38.8
44.3
54.2
56.2
*产量据“ Oil ＆ Gas Journal ”，储量据“ World Oil ”，引自陈荣书，石油及天然气地质学， 1994 。　　天然气勘探和生产都比石油晚。1960 年以来的储、产形势如表 10.2 所 示。对于天然气最终可采储量的估算，也比石油研究程度低。由于天然气勘 探仍在高速发展中，目前对其最终可采储量的估算，一般偏低。如果按石油 和天然气的最终可采储量的比值为 1∶1 计算，石油储量以 3×1011t 计，天然气储量可达 360×1012m3（按 1t 油=1200m3 气热当量计），剩余天然气按每年 3×1012m3 开采，还可生产 100 余年。另有学者估计，天然气最终可采储量 可达 660×1012m3 以上，则还可以开采 200 多年。我国是世界上油气资源较丰富的国家之一。我国的油、气田主要分布在华北、鄂尔多斯、松辽、四川、新疆等地。著名的有大庆油田、胜利油田等。 近年来，在广大海域及许多大盆地都开展了油气勘探工作，已在渤海、南海 等海域发现了海相油气田；在西部塔里木等大盆地中也取得了良好效果。三、其他能源　　其他能源主要包括核能、地热能、生物质能、水能、风能、潮汐能和太 阳能等。（一）核能　　核能是指核燃料经过核反应所释放出来的能量。铀是目前利用最广的核 资源。核能的利用主要是通过铀等放射性元素的裂变来建立核电站。核能已 成为地壳中除石油、天然气和煤以外最成熟、最重要的能源。核能最显著的 优越性表现为：能量巨大，非常集中；资源丰富，取之不尽；运输量小，地 区适应性强；运转安全可靠，环境整齐清洁等等。　　核能的能量之大，是十分惊人的。据计算，1kg235U 在裂变后可以释放出 相当于 2500t 优质煤或 1000t 石油完全燃烧时放出的能量；如果把 1kg235U的能量转变为电能，则可发出 2500 万 kW·h 的电力。世界核能资源丰富，广泛分布在陆地和海洋。世界陆地上的铀矿总资源量，据估计，大约在 990～2410 万 t 之间，其中以北美洲最多，其次是非洲。铀矿具有放射性，开采条件要求较高，在现有经济技术条件下，已被探明并可以开采的铀资源约有 400万 t。人类已利用的铀资源只占铀总量极小的一部分。 近十几年来，世界的核能开发和利用日益深入。由于核电站在技术上成熟、运行上安全可靠、经济效益高，目前世界上已有近 40 个国家和地区建立 了核电站。核能已广泛用作火箭、飞机、汽车、轮船、潜艇、破冰船等的动 力。我国核能利用起步晚，但发展较快，目前已建成江阴、秦山、大亚湾等 核电站。（二）地热能　　地热能是指能够为人类所利用的地球内部的热资源。地热资源比较丰富 的地热异常区，称为地热区。地热资源可分为 3 种基本类型，即热水型、蒸 汽型和热岩型。有的地热区储有丰富的地下水，它们从周围储热岩体中获取 热量，变成热水，这就是热水型的地热能。地下热水是最常见的地热能，也 是当前技术条件下最容易利用的地热资源。温泉就是天然出露的地下热水， 也就是热水型的地热能。有的地热区岩石中有较大的空隙度，岩石空隙中的 水分在高温作用下呈气体状态，蒸汽温度一般在 150℃以上。这种蒸汽型地 热能比较罕见，但利用价值较高，可以直接作为能源，推动汽轮发电机发电。 有的地区地下水贫乏，而岩石温度很高（在 100℃以上），为热岩型地热能。 利用这种地热能，需要凿井注水，使水同灼热岩体接触，形成热水或蒸汽， 然后引到地面使用。世界上已经开发的地热资源基本上产自现代和近代火山 区及年轻的造山带地区，开采深度小于 2～3km。地热能是一种可再生的能源，又是一种清洁的能源。它的开发利用，对于发展生产、改变能源结构、减少公害等都有重要的意义。地热能的开发和 利用从世界上第一座地热电厂建成距今已有近一个世纪，但是直到近三四十 年来，才引起世界各国的广泛关注。据统计，目前世界上已有 120 多个国家 发现和打出地热泉和地热井 7300 处。地热能的利用领域也在逐步扩大，其中 主要有采暖、发电、育种、温室、水产养殖和医疗卫生等方面。我国位于亚 洲的东部，与环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带都有密切的关系，所 以地热资源十分丰富，最主要分布在云南、西藏、台湾和东南沿海地区。（三）生物质能、水能、风能、潮汐能和太阳能　　生物质能是指用植物或动物的能量作为能源。人类最早利用的能源就是 生物质能，包括燃烧柴草、用牲畜耕地等等。由于世界经济发展和能源生产、 消费的不平衡，至今世界上仍有大约占世界总数 1/4 以上的人口以生物质能 为主要生活能源。对生物质能的利用，一方面必须做到在可再生循环的状态 下加以利用，另一方面要尽量做到综合利用，以便使生物质能发挥更大的效益。　　水能、风能、潮汐能和太阳能也是重要的能源类型，但它们受到一定的 自然地理条件的限制，因而分布有局限性。但是，由于这些能源具有清洁性、 可再生性等优点，因而日益受到人们的广泛关注。对它们的利用，有的已经 有较悠久的历史和可靠的技术性，有的还处于需要进一步研究开发的过程 中。　　综上所述，人类目前所利用的能源主要是不可再生的可燃有机矿产，从 长远来看，这些矿产最终将趋于枯竭。因此，人们要尽可能地开发利用核能 以及可再生的能源。要真正做到广泛地利用核能以及用可再生能源代替不可 再生能源，还需要解决许多经济技术上的问题，还有待于科学技术的进一步　　发展。第三节 土地资源　　土地是人类生存和发展的物质基础，是人类从事一切社会活动的基地， 也是人类进行物质生产必不可少的生产资料和自然资源。由于土地资源极为 重要，因此，一个国家对其利用的广度、深度及合理与否，是这个国家农业 生产规模、国民经济建设乃至整体科学技术水平的反映和标志。特别是近一 二十年来，人口的迅速增长和人类不合理的经济活动使土地资源受到日益严 重的破坏和损失，所以如何保护与合理利用土地资源已成为当前国际上的一 个重要问题。　　“土地”并不等于土壤，而是一个综合的自然地理概念，即地表某一地 段内地质、地貌、气候、水文、土壤、植物等多种自然地理因素组成的自然 综合体。土地具有一定的自然特征，是地球历史发展的产物，同时又是人类 活动的场所和重要的自然资源，具有重要的经济利用价值。土地有两个基本 属性，一是面积，二是质量。后者包括其地理分布、土层厚薄、肥力高低、 水源远近、潜水埋深、地势高低等。在土地资源评价中，土地的地理分布常 常起着很大作用。一、土地资源的基本特征（一）土地具有一定的生产能力　　土地是自然历史发展的产物，具有生产能力。人类通过劳动和经营管理， 在土地上生产出各种各样的粮食、油料、木材、药材等等有机物质产品，创 造出人类所必需的基本物质财富。只要合理地利用和保护土地，其生产能力 是能长期保持甚至逐步提高的，因为土地生产力的高低不但取决于土地自身 的性质，而且还取决于人类的生产和科学技术水平。土地不仅有生产能力，而且特征不同、类型多样的土地能够满足人类的不同要求。性质优良的肥沃土地是理想的农业用地；具有一定平整地面和水 文地质条件的土地为建设新工厂提供有利条件；荒无人烟的大沙漠为原子弹 试验提供损失不大的场所。（二）土地面积是一定的、不可增加的　　地球的表面积是一定的，其中陆地面积也是一定的。虽然在漫长的地质 历史上发生过大规模的海侵和海退，从而使陆地面积有明显的变化，但是相 对于人类在地球上出现的二三百万年而言，陆地面积的变化是不大的。在当 今科学技术高度发达的时代，人类可以采取各种措施来提高土地的生产力， 极个别地方可以增加点土地面积。然而，从根本上说人类是不可能使土地面 积增多的。另外，土地这种生产资料不能用其他生产资料来代替。对于全世 界来讲是这样，对于一个国家或地区来说也是如此。工厂占地多、住房用地 增加，耕作地就会减少。充分认识土地面积的这种有限性是十分重要的，只 有人人都认识到土地资源的珍贵性，才能在实践中更有效地保护土地资源， 特别是耕地资源。（三）土地资源在空间上具有固定不变性土地资源和其他生产资料不同，它具有一定的位置，这个位置是固定的、不能变动的，既不能调拨也不能转移。显然，土地资源具有严格的地域，每 一块土地都处于一定的纬度和高度位置，处于一定的地形部位和气候条件 下。因此，对土地资源的利用和保护必须从具体的自然环境条件出发，对于 农业耕作必须因地制宜、合理安排，才能既保护好土地，又取得良好的收益。（四）土地资源具有时间性或季节性　　由于土地资源具有严格的区域性，因而也具有一定的时间性或季节性。 一定区域内的气候条件通常有明显的季节性变化，这种变化和农业生产有密 切的关系。作物布局、品种选择、种植制度、灌溉施肥、轮作的安排、作物 的收获等都要考虑到土地资源的季节性。如果盲目地进行农业活动，无视土 地资源的季节性，农业就会受到损失，甚至失败。　　按土地与人类经济活动的关系，可以把土地资源大致分为农林牧用地、 城镇工业交通用地和其他土地三种类型。农林牧用地可分为农耕地、林地和 草地，城镇工业交通用地可分为工业、交通和居住用地，而所谓“其他土地” 包括荒山、荒地、沼泽、海滩、沙漠等。各类土地资源在世界上的地理分布 差异很大，各国家各地区土地利用的特点和程度也不尽相同。因此，依照气 候、地貌条件划分土地类型，正确选择宜林、宜农、宜牧地，合理选择工交 用地、城乡居民点用地，对于发展社会生产和保障人民生活具有重要的意义。二、世界土地资源状况　　据统计，在全球 5.10×108km2 的总面积上，包括南极大陆与高山冰川覆 盖的土地在内的全球土地总面积为 1.48×108km2，无冰陆地面积为 1.34×108km2。对于全人类来说，这似乎是一个极其庞大的数字。如 1900 年全世界 人口以 15 亿计，平均每人占有的陆地面积约为 150 亩；1975 年世界人口增 至约 40 亿，平均每人占地 55 亩；按 1987 年的 50 亿世界人口计，平均每人 仍占地 44 亩。这个数字无论从任何意义上说都是能够满足人类需要的。但是，如果考虑土地质量属性，则陆地总面积中有 20％处于极地和高寒地区、20％处于干旱地区、20％处于山地陡坡上、10％岩石裸露缺乏土壤。 以上四项占陆地总面积的 70％，属于不宜利用的区域，可称之为“限制性环 境”；其余 30％才属于“适居地”。全世界总土地面积中，耕地仅占 10.8％，在各种土地利用中所占比例最小，加上林地和草场，接近占世界总土地面积的 2/3。 中国地域辽阔，土地总面积为 960 万 km2，占世界陆地面积的 6.5％，仅次于俄罗斯、加拿大，居世界第 3 位。从地理位置来看，中国位于北纬 4°15′～53°30′之间，地跨寒温带、温带、暖温带、亚热带、热带和赤道带。 由于地处欧亚大陆东岸，东临太平洋，受东南季风影响，使得中国东部地区 与同纬度国家相比，具有气候湿润、水热条件丰富的特点，为农业生产提供 了优越条件。此外，中国是一个多山地的国家，山地、丘陵和高原约占中国 土地面积的 66.1％，其中山地约占 43.5％、丘陵约占 11.7％、高原约占 10.9％。在全国 2000 多个县中，约有 56％位于山地丘陵地区；全国约有 1/3 的 人口、40％的耕地以及绝大部分的森林分布在山区。三、土地资源的利用和保护　　土地资源在历史上曾受到巨大的损失，而且目前仍以很高的速率遭受损 失。据联合国环境署估计，有史以来，地球上已损失了 20 亿公顷适宜耕种的 土地，这比现在全世界耕种的土地还要多；估计目前全球每年损失的农林牧 用地为 500～700 万公顷。造成土地质量下降（或损失）的原因很多，主要是：①人类不合理地使用土地，导致土地贫瘠化，甚至不能耕种。②水和风的侵 蚀。据联合国粮农组织统计，目前水的侵蚀和水涝灾害造成的土地损失大约 占总损失土地的 30％。③土地盐碱化。据统计，全世界有 30％～80％的灌溉 土地受到盐碱化的影响，由此而损失的土地每年达 20～30 万公顷。④化学污 染。由于化肥、化学杀虫剂和除草剂的大量使用以及工业废物的影响，使部 分土壤中有毒物质剧增，土地板结，土壤表层结构和肥力受到破坏，甚至被 迫弃耕。⑤有些草原过度放牧，使牲畜与天然牧场之间的平衡遭到破坏，结 果一些草原变为荒漠或荒漠化土地。⑥城市建筑、交通、采矿、修水库等工 程活动的占用与破坏也使土地损失很大。　　另一方面，人类活动对土地的影响，是在不合理地利用土地时，才会引 起土地退化；如果人类长期的耕种活动能够正确地使用土地，就不会使土地 退化，还可以促使土地向有利于耕种的方面转化，即形成农业土壤。　　如前所述，全世界土地资源的总量是极为庞大的，但人均占有量是有限 的，尤其是耕地、林地和草地。然而，土地是可以更新的资源，具有丰富的 生产潜力，只要对土地资源进行科学合理的开发利用和保护，采取各种有效 措施解决土地利用中存在的各种问题，那么有限的土地资源的潜在生产能力 就会充分发挥出来，成为现实的生产能力。首先，对于土地资源必须因地制宜综合开发利用，注意扬长避短，发挥土地的生产优势。要做到这一点，搞好农业区划工作是基础和前提。农业区 划的主要任务是认真分析农业资源和农业生产的现状，根据国民经济发展的 需要，提出不同地区农业生产发展的合理方向和适当措施，为农业规划和指 导农业生产提供依据。农业区划必须从查明包括土地资源在内的各种农业资 源入手，反过来，农业区划成果又可以为土地资源的合理利用指出方向，为 充分发挥土地资源的潜力提供依据。其次，要大力加强农田基本建设，提高单位面积产量。要花相当大的力量，提高旱涝保收、稳产高产基本农田的比重。解决好旱涝为害的问题，可 以尽量多地使农田成为旱涝保收的稳产高产田。对低产田进行有效的改良， 就相当于增加了大量的耕地。必须针对不同情况，对土地进行合理改造，力 争做到改造、利用和保护密切结合。要坚持用地和养地相结合，使土壤肥力 不致降低，而且有所提高，才能增加农业产量。例如，我国南方水稻种植区 用紫云英等绿肥作物与水稻轮作，北方旱作区用豆类作物和玉米间作等等， 可以保持土壤肥力。要增施有机肥料，多种豆科和绿肥作物，把它们与耗地 作物（玉米、高粱、小麦、水稻等）很好地搭配种植，以保持和提高土壤肥 力。　　第三，必须采取有效措施防止土地退化。土地退化是指耕地、林地和草 地的数量减少和土地的质量降低。数量减少表现为表土丧失、土体毁坏或耕 地的非农业占用；质量下降表现为土地在物理化学和生物学方面的质量降 低。针对土地退化的主要原因，应该采取有效措施，做好水土保待，改良盐 碱地，防止沙漠化和土地污染。　　第四节 水资源　　水是一切生命活动的物质基础，也是人类社会赖以生存发展的最宝贵的 地球资源。　　水是一切生命活动的物质基础，也是人类社会赖以生存发展的最宝贵的 地球资源。一、水资源的概念及特性　　水是地球上分布最广的物质之一，它以气态、液态和固态三种形式存在 于空中、地面与地下，组成一个统一的相互联系的水圈。地球上水的总量约13.86×108km3，其中 97.4％是咸水。淡水仅占总水量的 2.6％，体积约 0.35×108km3，其中 70％左右为固态水，储存在两极和高山上；30％左右为液态 水，包括河水、湖泊淡水和地下淡水等。　　地球上各种形态的水，在太阳辐射热与地球重力的作用下，不断地运动 循环，往复交替。径流是地球上水循环和水量平衡的基本要素，是指降水沿 着地表或地下汇至河流后，向流域出口汇集的全部水流，其中沿着地表流动 的水流称为地表径流，沿着地下岩土空隙流动的称为地下径流。广义上说， 各种水体或各种形态的水对人类都有直接或间接的使用价值，都可视为水资 源。但是限于当前的经济技术条件，对咸水和冰川固态水进行大规模开发利 用还有困难。因此，狭义的水资源是指陆地上可供生产、生活直接利用的江 河、湖沼和地下的淡水资源。如果从长期开发利用所需要的角度来衡量，水 资源仅仅指区域内可以逐年恢复、更新的淡水量（即大致与该区年降水量相 当）。而最能反映水资源数量特征的是地表径流量以及积极参与水循环的浅 层地下径流量，所以在水资源评价中就以这两部分径流量作为水资源量。水资源具有与矿产资源不同的特性：①补给的循环性。水在循环过程中不断得到恢复和更新，但是每年更新的水量是有限的。②变化的复杂性。一 方面是地区分布不均衡，另一方面是变化的不稳定性，从而给开发利用和管 理带来一定的困难。③利用的广泛性。④利与害的两重性。人类生活离不开 水，但过多的水（洪水）又会给人类带来灾难。二、世界及中国水资源的概况世界各大洲的水资源如表 10.3。由表可见，全球陆地平均年降水量为800mm，总共有 119.00×1012m3 的水降落在地上，其中约有 40％即 46.8×1012m3 变成了江河的径流。地下水的年更新量，即每年对地下水的补给量约 占江河径流量的 30％，即 13.32×1012m3。由于地表水资源从动态的角度看， 比地下水要多。因此，也可以用江河年径流量的大小，大致表示一些国家和 地区的水资源的丰富程度。世界上一些国家江河年径流量和按人口计算的人 均水量见表 10.4。由表可看出，全世界按人口平均占有水资源量为每人每年10800m3。水资源总量最丰富的国家是巴西，每年为 5。而人口平 均占有量最多的国家是加拿大，每人每年有 ，比全世界平均数多 12 倍。表 10.3 全世界各大洲水资源概况表
（据朱学愚等， 1987 ）表 10.4 世界一些国家的江河年径流量和人均数值表国家
江河平均年径流量
平均年径流量
人 口
人均年径流量104m3/a
巴西加拿大美国印度尼西亚中国印度日本
51912312202970228113263801780031331714762765410.272.541.8811.858.441.24
3.5511.561.17190000.220.210.34
我国江河径流量，按
年 24 年的平均数来计算，每年为 26380×108m3，水资源总量占世界第 6 位。我国平均年降水量仅 628mm，比世界平 均值 800mm 少 21.5％；平均年径流深度为 276mm（把径流总量除以流域面积所得的水层厚度称为径流深度），比世界平均值 314mm 少 12％；而按 1982 年统计的人口计算 的人均占有径流量为 2642m3/a，仅为世界平均值的 1/4 左右。因此，我国水资源相对比较贫乏，必须十分珍惜有限的水资源。　　我国水资源在空间和时间上分布也很不均一。台湾省是我国降水量最多 的地区之一，其东北部可达 6000mm/a 以上。华南沿海地区水量也较丰沛，可达 mm/a；长江流域为 mm/a；华北和东北为 400～800mm/a；我国西北内陆地区降水很少，一般在 100～200mm/a，个别地区， 如塔里木盆地、吐鲁番盆地还不足 25mm/a，从而造成严重缺水。不同地区的 河流径流量差别也很大。闽浙台等沿海地区平均年降水量高达 1758mm，年径 流深度为 1066mm；而内陆地区平均年降水量只有 154mm，年径流深度仅 32mm。 前者的降水量为后者的 11.4 倍，年径流深度为后者的 33.3 倍。　　由于受季风气候影响，我国降水量和径流量年内的季节性变化明显，年 际变化也很大，并且有少水年和多水年的持续出现。据多年的统计，我国降 水量的丰枯变化周期大约有 30～40 年短周期和 60～80 年长周期。在一年内 降雨也很不平衡，我国大部分地区是冬、春少雨，夏、秋多雨。　　三、水资源的利用　　人可三日无食，不可一日无水。合理地利用好水资源对世界各国都是一 件头等重要的大事。水资源利用中水量、水质是两个重要的因素。　　水量问题是当前世界普遍重视的社会问题。水资源虽然可以通过水循环 得以更新、恢复，但水资源并不是取之不尽、用之不竭的。进入 20 世纪以后， 特别是 50 年代以来，随着社会经济的迅速发展和人口的增长以及城市的发 展，人们对水资源的需求量急剧增长，以致产生供不应求、水源严重不足的 矛盾。根据有关统计资料， 年间，全世界农业用水量由每年 3500×108m3 增长到 2，增加了 5 倍；工业用水量由每年 300×108m3 增大到 ，增长了 20 倍；人均用水量从每年 240m3 增长到 760m3。 预计到本世纪末，世界人口总用水量将达到 6，为本世纪初 4000×108m3 的 15 倍。因此，目前不仅干旱地区的国家严重缺水，即使是湿润地 区的发达国家也面临水资源紧张的问题。水资源不足的一个重要原因是世界 水资源分布很不均衡以及社会经济发展水平互不协调。经济发达、人口集中 的欧洲和亚洲的人均占有的水量仅为南美洲的 1/10 左右，为大洋洲的 1/40 左右。据前几年统计资料，世界上有 43 个国家缺水。我国自建国以来，每年 平均受旱农田面积近 3 亿亩，抗旱是常年任务；以北京、天津、大连、青岛 等为代表的许多大中城市，用水一直很紧张，甚至限制了经济的发展。水资 源的不足影响着人类的生存，制约着经济的发展，大量地耗费水资源还会破 坏生态平衡，因此必须合理地利用水资源。水质是水资源利用中另一个重要因素。生活饮用、农业灌溉、工业生产对水质都有不同的要求。水质的评价一般需考虑色度、pH 值、含盐量、盐分 组成、有益、有害元素的浓度指标等。人类活动对水质有着极大的影响，主 要是向水中倾倒工业废水。据不完全统计，我国废污水年排放量约 72.6×106m3，排入长江的有 29.6×106m3/a，排入海河的约 8.5×106m3/a。大量工 业废水的排入，使得有些水质标准不仅超过了饮用水标准，而且也超过了农 业灌溉的标准。据统计，至 80 年代中期全球每年被污染的淡水量高达 7000×108m3，发展中国家 70％的居民以及工业发达国家的相当一部分居民饮用水 不合标准。另外，污染严重的水，为了不使其对环境产生危害又要用 10 倍的 清洁水稀释，从而进一步加剧了水资源的供需矛盾。防止水污染、保护好水 资源成了水资源利用的当务之急。　　可见水资源供需矛盾是当今世界各国面临的重大问题，已成为制约国民 经济发展的因素。因此，近几十年来，很多国家都十分重视水资源研究，考 虑如何合理开发与综合利用并且保护好水资源，包括估算地区或流域水资源 量、研究水利系统最优开发方案、制定水资源政策、提倡节约用水、预测未 来需水量、预计人类活动对环境和水循环的影响、研究开发新水源（例如回 收工业用水、处理污水、淡化海水、跨流域调水、拖运南极冰山）等等。作 为地质或水文地质工作者，更侧重于地下水的研究。地下水是一种十分宝贵 的资源。要充分地认识地下水的形成及运动、分布规律，合理地开发利用地 下水，就必须具备一般的水文学知识和一定的地质基础知识。第五节 生物资源地球上的生物都可以直接或间接地为人类所利用，是人类生存和发展必不可少的物质，因此生物也是一种自然资源。生物资源根据其属性可分为植 物资源、动物资源和人口资源。一、植物资源　　地球上的植物资源是相当丰富的。现已鉴定的植物约 40 万种，其中高等 植物大约 25 万种，较低等植物有 15 万种，这与地球上现在实际存在的数目 还有一定差距。据估计，仅就高等植物尚未描述的就可能有约 3 万种。　　森林是生物资源最丰富或最主要的保存场所。但随着人类活动能力的增 强，全世界的森林覆盖面积不断地下降。在人类大规模砍伐以前，世界上的森林和林地覆盖面积曾达 60 亿 hm2（即公顷），而到了 1954 年下降为大约40 亿 hm2，总体减少了 1/3。近几十年来，这种下降速度具有明显增快的趋 势。在
年间，中美洲森林和林地面积下降了 38％，非洲下降了23％。就世界各地而言，亚洲和非洲的森林覆盖面积较低，分别占总土地面 积的 26％和 24％；而拉丁美洲和欧洲较高，分别占总土地面积的 46％和 37％。我国植物种类丰富。据调查，我国有高等植物 3 万多种，其中木本植物约 7000 多种，占世界被子植物木本属的 95％。其中不少是珍稀物种，如银 杉、珙桐、银杏、金钱松等。我国目前的林地面积为 18.3 亿亩，森林覆盖率 仅为 12.7％，远低于 22％的世界平均值，若按人口则平均不足 2 亩。由此可 见，我国的植物资源形势是十分严峻的，必须大力开展植树造林，逐渐增加 植物资源储备。二、动物资源　　目前世界上已确定的 170 万种生物中约 130 万种为动物。据估计，实际 存在的种类还远大于这个数字（表 10.5）。动物资源最丰富的是热带和温带 的国家，那里生态环境结构复杂，动物种类多而且量大。如巴西哺乳动物就达 413 种，扎伊尔为 409 种，墨西哥为 440 种。而高寒及荒漠地区动物资源贫乏，如西撒哈拉只有 15 种哺乳动物，格陵兰只有 26 种。表 10.5 世界上动物种类数量简表种类
确定种类
估计种类
种类
确定种类
估计种类
哺乳动物鸟类爬行动物
4170871590006000
两栖动物鱼类无脊椎动物
3125210000230004004000
（据《世界资源报告》， 1986 ）　　中国的陆栖脊椎动物有 1800 多种，其中爬行类 300 余种、鸟类 1100 多 种、兽类 400 多种，占世界陆栖脊椎动物种数的 10％。淡水鱼已见记载的近600 种，海鱼 1500 余种，也占世界鱼类总数的 10％左右。此外，我国还有许 多世界特有的珍贵动物，如大熊猫、金丝猴、扬子鳄、白鳍豚等。由于人类活动的加强以及动物自身的演化规律，近 2 000 年以来约有110 多种兽类和 130 多种鸟类绝灭了。其中约 1/3 是 19 世纪以前消失的、1/3是 19 世纪绝种的、1/3 是近 50 年以来灭亡的。据统计，目前世界上有 1000 多种脊椎动物处于绝灭的危险之中。一些珍贵的动物，如大猩猩、巨型食蚁 兽、北极熊、大熊猫、金丝猴等都濒临绝灭。三、人口资源　　人类是自然界生物长期演化的结果。人类既大量地消耗地球上的自然资 源，同时又具有生产和创造物质财富的能力。因此，人口也是一种资源。　　人类的出现只不过几百万年的历史，然而，其发展的速度是非常惊人的， 超过了任何一种生物。公元前 8000 年，世界人口只有 5 000 万，但到 1650 年就达到了 5 亿。近代以来，人口增长更加迅速，1850 年世界人口为 10 亿，1950 年为 25 亿，1987 年已超过了 50 亿。预计到 1999 年 6 月可达 60 亿。人 口这样的极速发展对整个地球环境及各种资源都产生了很大的压力。　　世界各国的人口增长情况也很不一致，这主要受政治、经济、宗教、科 学技术等各方面的影响。在
年的 35 年间，发达国家人口增长仅为 4.1％，而第三世界国家人口增长竟高达 117％，其中以非洲和拉丁美洲的增长率最高。预计
年间，一些发达国家的人口有下降的趋势，但 一些非发达国家的人口可望进一步增长。预期非洲的人口从目前占世界总人 口的 11.5％增长到 20％。人口过多会大大地制约经济的发展以及人类生活水 平的提高，同时使自然资源大量地消耗和环境进一步恶化。世界上的资源是 有限的，有些科学家对世界生物资源进行过计算，其结果是世界上的生物资 源量只能养活 100 亿人。所以，必须控制人口的迅速增长，使人、资源、环 境达到和谐的关系。第十一章 地球的环境　　地球上一切生物的生存和发展都离不开空间和物质基础，简单来说这种 空间和物质所构成的一个系统就是环境（environment）。因此，环境既有空 间的概念，也有物质组成的概念。在现代环境科学中，把环境定义为以某个 事物为中心的周围的一切事物。显然，环境的存在是以一个中心事物为对象 的，它不仅随中心事物性质的改变而改变，也会随中心事物的消失而消失。 因此，中心事物与周围事物这一对矛盾的统一体，就构成了环境。　　我们通常说的环境，是以人类为中心事物的。因为研究环境的目的在于 如何使人类与周围事物协调发展，为人类提供一个更美好的生存空间。因此， 一般把人类环境定义为以人为中心事物的周围一切生物和非生物的、经济基 础和上层建筑的综合体。人类环境（human environment）通常可划分为人 类的自然环境（简称自然环境）和人类的社会环境（简称社会环境）。其中， 自然环境是指人类在地球上赖以生存和发展的必要的物质基础，是人类周围 各种自然因素的总和，如阳光、空气、土地、能源等等。　　自然环境是人类生存和发展的决定性因素，人类的一切生命活动和生产 活动都离不开自然环境。地球给人类所提供的自然环境（简称地球的环境） 正是当代地球科学所研究的重要内容之一，它直接关系到人类社会未来的可 持续发展问题。地球的环境是一个很复杂的系统，它包括大气环境、水环境、 生态环境、地质环境和地理环境等。人类所生存的地表是这些环境相互影响、 相互作用和相互制约形成的一个综合体。第一节 地球的大气环境 一、大气圈的主要作用　　地球的外部被一层厚厚（几千公里）的大气包裹着，就像人穿上一件外 衣一样。它不仅保护着地球，尤其是地球上的生物，而且为地球表层生命提 供生存所必需的 O2 及其他气体，同时在为地球表层创造一个温、湿适宜的环 境中起着重要作用。（一）阻挡紫外线　　入射到地球上的辐射来自太阳和宇宙中的其他星体，其中以太阳辐射量 最多，而来自宇宙其他星体的辐射量只相当于太阳辐射量的亿分之一。太阳 辐射的能量主要集中在可见光（波长 0.4～0.76μm），但也有少量的紫外线（波长小于 0.4μm）和红外线（波长大于 0.76μm）（图 11.1）。若人体或 一些动植物过多地受紫外线照射是有害的。　　当太阳辐射穿过大气圈时，大气中的一些物质对太阳辐射的不同波长会 产生选择性吸收（见图 11.1）。可见光部分被吸收的很少，而紫外线和红外 线则被大量地吸收，且主要发生在暖层和平流层。当太阳辐射穿过暖层时， 波长小于 0.175μm 的紫外线被该层氧原子吸收，因此氧也呈高度电离的状 态。而余下部分的紫外线（波长为 0.175～0.4μm），在穿过平流层时，又 被该层的臭氧吸收掉 99％以上。所以，真正达到地表的紫外线是很少的。正 由于暖层和平流层对太阳辐射紫外线的大量吸收，才使地球上的动物和人类 能生活在这把保护“伞”之下。　　（二）保温作用　　大气圈不仅阻挡了大量来自太阳和宇宙中的紫外线，同时还起到保温作 用。正由于大气圈的存在，才使地面的平均温度为 14℃。起保温作用的气体 通常称温室气体，主要有二氧化碳（CO2）、水汽（H2O）和甲烷（CH4）。这些气体对太阳辐射的吸收不同于氧气和臭氧。二氧化碳仅对红外区波长为4.3μm 附近的辐射吸收较强。水汽虽然在可见光和红外区都有吸收带，但吸 收最强的是在红外区（波长 0.93～2.85μm）。这些波段的辐射在太阳辐射 中占得很少，而主要是可见光。因此，在太阳辐射穿过大气圈时，被这些气 体吸收的辐射是很少的。　　到达地面的太阳辐射，有一部分被地面的物体所吸收。这些吸收太阳辐 射的物体，又依据物体的温度不断发出辐射，这种辐射属长波辐射。大气中 的水汽、二氧化碳等气体对来自地面的长波辐射吸收率很高（75％～95％）， 这样就把一部分的太阳能残留在低层大气中。由于大气本身也存在辐射，会 把热量不断向高空传递，只要大气中这些温室气体的含量变化不大时，大气 吸收的辐射能量与大气本身放出的辐射能量基本保持平衡。因此，也就保持 地面的平均温度变化很小或基本不变了。（三）调节能量分配和改造地面性质　　大气时刻处在运动之中，大气运动的根本性原因是大气吸收太阳辐射和 地面辐射量多少造成的。大气吸收辐射能越多，气压就越低，那么位于高压 区的气体就向低压区运动。由于地球是一个球体，太阳辐射量随纬度有规则 地变化。因此，在大气的环流下，把热量从低纬度运送到高纬度地区，不断 调节着能量的分配。而来自高纬度地区的气体，对低纬度地区又起到降温的 作用。运动的大气对大气中的一些物质（尤其污染物）有扩散的作用，是使城市污染空气稀释和扩散，降低大气污染的重要途径之一。接近地面的运动大 气，对地表的形态及地面性质有着重要的改造作用。大气吹蚀地表，形成各 种风成地貌。在南、北纬 30°左右的位置上，由于受到吹向赤道的干热空气 的影响，在这个带上形成干燥少雨的沙漠景观。二、气候带　　一个地区的天气常是变化无常的，而气候则相对稳定一些。所谓的天气 是指各种气象要素和天气现象的短时间综合状况；而气候则是指一个地区多 年平均天气状况的综合。一个地区的气候通常用气温、降水量、风和湿度等 要素来表示的，而影响一个地区的气候的因子很多，如太阳辐射、大气环流、 地面性质等。因此，在全球几乎找不到气候完全相同的两个地区。但如果对 气象要素和影响因子舍其小异、取其大同，是可以把世界气候分成若干个气 候带的（图 11.2）。　　热带气候带 位于南、北回归线之间，该带的总体特征是：终年高温， 最冷月平均气温在 10～18℃以上；四季不显；受太阳辐射和大气环流的影 响；降水量有旱季和雨季变化，且总降雨量从赤道附近向两侧逐渐减少。热 带气候带包括赤道多雨气候、热带海洋性气候、热带季风气候、热带半干旱　　和干旱气候。　　温带气候带 可分为北温带气候带和南温带气候带，但气候特点相似。 该带的总特征是：四季分明，最冷月的平均气温在 15～18℃以下；年总降雨 量比低纬度带气候带少，海洋性气候偏潮湿，大陆性气候偏干旱。温带气候 带包括副热带干旱与半干旱气候、副热带季风气候、副热带湿润气候、副热 带干燥气候、温带海洋性气候、温带季风气候、温带大陆性湿润气候、温带 干旱与半干旱气候。　　寒带气候带 位于极圈以北（北半球）或以南（南半球）的地域，气温 低，无夏季，降雨少，蒸发弱，无干旱景观，有大片沼泽和冻土发育，有极 昼或极夜现象。该带包括副极地大陆性气候、极地长寒气候。三、气象灾害　　所谓气象灾害是指由气象要素变化而引起的自然灾害。常见的气象灾害 有台风、龙卷风、旱涝、霜冻、酷热等。（一）台风　　台风是形成在热带海洋上的强大而深厚的热带气旋，风速可达 20～50 m/s，大者可达 110m/s。通常把形成于西太平洋地区的热带气旋称台风；东 太平洋和大西洋地区称飓风；印度洋地区称热带风暴；南半球称热带气旋。 热带气旋按强度一般分为 4 级，中心最大风速在 7 级以下者，称热带低压；8～9 级者为热带风暴；10～12 级者称强热带风暴；等于或大于 12 级者称台风。　　台风的范围通常在 600～1000 km，最大的可达 2 000 km。台风环 流伸展的垂直高度可达 12～16 km。台风主要发生在南、北纬 5°～20° 海水温度较高的洋面上，全球台风发源地主要有 8 个海区（图 11.3）。台风 在海面上形成后，就随着气流的运动而发生迁移登陆，登陆后的台风随着向 陆地的伸入逐渐减弱至消失。　　北半球的台风多发生在夏秋季节，而南半球则发生在 1～3 月。台风的破 坏力极大，我国东部沿海，尤其是东海和南海沿岸地带受台风影响最为严重。（二）龙卷风　　龙卷是积雨云中伸展出来的漏斗状的涡旋云柱，龙卷伸展到地面时引起 强烈的旋风，称为龙卷风。龙卷有时悬挂在空中，有时延伸到地面。出现在 陆地上的，称陆龙卷；出现在海面上的，称海龙卷。　　龙卷风的特点是持续时间短、活动范围小（直径从几十米到几百米）、 中心气压极低、风速快（100～200 m/s）。龙卷风具有极大的破坏力，能把 人、畜、物卷入至空中带到它处。一般认为龙卷风的形成与积雨云中强烈升 降气流有关。　　龙卷是一种强的中、小尺度的天气系统，在台风内的龙卷有时很多，例 如美洲五次飓风内有 115 个龙卷。
年在我国共产生 23 个龙卷 台风。 1956 年 9 月 24 日在厦门登陆的龙卷台风，从长江口出海时，在嘉 兴和上海出现了龙卷，把黄浦江边一只 11 万 kg 重的油桶吹到空中近 17 m 高，掷到 100 多 m 以外的地方。　　从世界范围来看，龙卷主要发生在中纬度（20°～50°）地区。美国是 龙卷出现最多的国家，平均每年出现 500 次左右；澳大利亚、日本次之。我　　国主要出现在华南、华东一带。（三）旱涝灾害　　旱是指降雨量偏低正常值（平均值），而涝是指降雨量高于正常值，至 于降雨量偏离正常值多少才能算旱或涝，还没有一个定量的概念，但是旱或 涝肯定能造成灾害。我国是一个多旱涝的国家，几乎每年都有旱涝灾害发生。 从全国来看，较大旱涝的发生周期约为 3 年。大旱年“赤地千里，川竭井枯， 百谷无成，野无寸草”；大涝年“平地行舟，河谷尽没”。我国南北方旱涝 发生的时间有点差别，南方以春涝秋旱为特征，而北方则是夏涝冬春旱为特 点。旱或涝都给人们的生活、生产以及生命带来严重的影响。1931 年，长江 的洪水灾害，造成了自沙市以下沿江城市全部被淹，武汉市受淹达百日之久， 受灾人数达 2 855 万人，
14.5 万人死亡，经济损失达 13.5 亿元（银元）。 旱涝的发生是受多种因素影响的，其中大气环流、海水温异常变化、太 阳活动、地球自转等因素较为重要，而我国的旱涝主要受西太平洋副热带高 压的影响。旱涝在时间上具有交替出现的现象，而且具有一定的周期，如华 北地区的旱涝具有 5 年、10～11 年、35～40 年、100 年的周期，掌握旱涝发生的周期，对进行抗旱防灾是有指导意义的。（四）霜冻　　霜冻是指在春、秋农作物生长季节里，由于温度骤降到 0℃以下，致使 农作物受到危害，甚至死亡。由于我国大部分地处温带和副热带地区，该区 地形复杂，大气型式多变，日夜温差较大，是极易发生霜冻的。每年秋季发 生的第一次霜冻叫初霜冻，它影响农作物的抽穗、扬花和成熟；春季发生的 最后一次霜冻叫终霜冻，其危害主要影响春播、出苗和越冬作物的反青。我 国每年都遭受不同程度霜冻的危害，如 1972 年 8 月中、下旬北方出现了一场 早霜冻，比历年出现的最早霜冻提前了 10～20 天，致使 5 个省份受到严重冻 害；90 年代初我国华东地区的一次霜冻，使浙江、江西、江苏等地的桔子树 被冻死，造成了巨大的经济损失。四、大气污染（一）大气污染的概念　　大气污染是指大气中一些物质的含量远远超过正常本底含量，对人体、 动物、植物和物体产生不良影响的大气状况。大气污染既可因人类活动造成， 也可由自然因素引起。但随着人口的剧增及工业化和城市化的快速发展，人 类活动成为造成大气污染的主要原因。（二）大气污染源及污染物　　大气污染源有人为源和自然源。自然源如森林大火、火山喷发、地震等 释放出来的各种气体、烟尘、粉尘等。这些污染源一般都超出了人类所能控 制的范围。　　人为污染源是人类生产和生活过程中所排放的污染大气的物质。又可分 为工业企业污染源、家庭炉灶及取暖设备排放源和交通污染源。这些污染源排放的污染物主要有烟尘、SO2、CO、NOx、SO、H2S、CO2、铅尘、有机化合物等。据统计，世界每年排入大气的有害气体就达 6.14 亿 t、CO2 达 64 亿 t（1997年）。目前，城市里最主要的污染源是汽车，它不仅具有排污源低、分散等 特点，而且污染物也很复杂。据 1998 年的统计，北京每年由汽车排出的铅就达 2 800t，大气中的 NOx 主要来自汽车。北京市的大气污染状况已使她列入 全球十大严重大气污染城市之内。（三）大气污染的危害　　大气污染的危害是多方面的，首先是对人体产生直接的危害。人体会随 着呼吸有害有毒气体的增多，出现慢性中毒、急性中毒和致癌作用。长期呼 吸浓度较低的有害气体，将产生慢性疾病，如交通警较园艺工人易患支气管 炎、肺病。如污染空气中有害气体浓度很高，人将会出现急性中毒乃至死亡，如 1952 年英国伦敦烟雾事件，就造成了近 4 000 人死亡。大气中的某些有 机化合物还能致癌。因此，大气污染对动物、植物、水体生态环境都有危害。 大气污染的另一个后果是产生“温室效应”。出现温室效应的主要原因是人类排放大量的 CO2。正如前述，CO2 能吸收较多的来自地面的长波辐射，把大量的热量截留在低层大气中，使近地面的温度升高。据研究，若大气中CO2 含量增加 10％，气温就相应升高 0.3℃。 年间，由于全球燃料消耗迅速增加，大气中的 CO2 含量也快速增加，地面的平均气温升高了近0.4℃。1994 年，大气中 CO2 的含量达 358.8×10-6，较 1970 年增加了 33.3×10-6，较工业革命前上升了 78.8×10-6，预计到 2000 年，将增到 379×10-6。 受“温室效应”的影响，将会导致两极冰川融化、海平面上升、气候带北移、 地理景观变化、虫灾增加等现象。可见“温室效应”将危及全人类。大气污染还将造成酸雨。酸雨是指 pH 值低于 5.6 的大气降水，主要是大气污染物 SO2 和 NOx 引起的。它对人体、物体、水体以及动植物都有影响。1939年，记录到第一次偏酸性降雨的 pH 值为 5.9，到 50 年代酸雨的 pH 值就降到了 3～5，最低达 2.1。我国东部地区的酸雨比较严重，主要是四川、贵州、 广西、湖南、湖北等省。pH 值小于 5.6 的降雨面积已从 1985 年的 175×104km2， 扩大到 1993 年的 280×104km2。自从 1974 年美国学者罗兰德提出大气圈平流层的臭氧（O3）量正在减少的观点以来，臭氧量的减少越来越受到关注。导致臭氧量减少的原因是人类 排放了大量的消耗臭氧的物质（四氯化碳、氟氯烃、一氧化二氮、甲烷等）。 这些物质经上升气流送到高空，与臭氧发生反应，形成氧气和其它氧化物， 使臭氧量减少。平流层中臭氧的减少，将导致到达地面的紫外线增多，这将 会严重威胁人体健康，也使生物遭受危害、农作物减产等。（四）大气环境的保护与治理1.减少或控制大气污染物的排放 大气污染是由污染源排放污染物造成的，控制大气污染物的来源是控制大气污染的关键。减少或控制大气污染物的排放量一般有两种方法，即浓度 控制和总量控制。浓度控制是使排出废气中的有毒和有害成分降低到规定标 准以下，这对于控制污染源密集度低和污染程度较轻的地区是一种基本手 段。总量控制是对整个地区排放的污染物总量加以限定，从而达到改善大气 环境的手段，这对于污染严重和污染源较集中的地区是一种有效的方法。　　为了实现大气污染的控制，可根据污染源和污染物的特性，采取不同的 具体措施，如改变能源结构、进行技术革新、改进生产工艺等等，使大气污 染控制到最低限度。随着科学技术的发展，一些新型的无污染能源有望得到 利用，这将会完全改善大气质量。2.合理的城市和工业布局及规划　　为了控制大气污染，改善生存环境，一座城市的建设必须有一个长远的 规划。从环境保护角度出发，在城市规划和布局上应从这几方面考虑：①地 理因素。在一些易形成逆温层的谷地和盆地地区，不宜把工业区建在这些地 方。②风向。一个城市工厂应布置在盛行风的下风向，而居民区则建在上风 向。③工业区不宜集中。因污染物排放量过大将影响被稀释和扩散的速度。3.发展植树绿化 植树绿化不仅可以美化环境，而且还可吸滤各种毒气、截留粉尘、净化空气，起到保护大气环境的作用。因此，应把植树绿化作为改善大气质量的 一种基本途径。五、大气环境变迁　　自地球形成以来，大气环境一直处于变化之中。既有物质成分的变化， 也有气温冷暖和干湿的交替变化。大气环境变化的时间尺度有长有短，有的 可长达几亿年的变化周期，而有的只有几年或几天的变化周期。　　在气候冷暖的变化过程中，我们一般把地球上气候极其寒冷（比现今年 平均温度可低 8～12℃）、高纬冰川和高山冰川扩展的阶段称冰期。两个冰 期之间气候相对温暖（与现代的气温接近或高一些）的阶段称间冰期。冰期 只占地球历史的 1/10 时间，而绝大部分时期为间冰期。总体来说，地球的大 气环境主要是处于温暖的阶段中的（图 11.4）。在太古宙的晚期，地球上就 出现了寒冷的气候，开始发育冰川。在元古宙，有过多次冷暖的交替波动。 到新元古代的震旦纪时期，全球发育了第一次规模较大的冰川活动，通常称 为第一次大冰期。当时我国南方地区就发育了冰川。此后，地球经历了长达3.3 亿年的温暖时期。在晚古生代（石炭纪至二叠纪），地球又进入第二次大冰期，这次以南半球发育大量冰川为特征。在整个中生代，全球的气候都 比较温暖，有的地区显得干燥。全球性的第三次大冰期发生在第四纪。我们 现在就处于这次大冰期中。　　虽然第四纪是处在整体寒冷气候的背景下，但在期间还存在着次一级冷 暖气候波动，这种波动的频率和幅度较前几个时期都大（图 11.5）。根据冰 碛物、深海沉积物、冰心、黄土等研究，又可划出多个次一级的冰期和间冰 期，如在欧洲的阿尔卑斯山地区从早到晚可分为拜伯冰期、多脑冰期、民德 冰期、里斯冰期和雨木冰期，中国的东部地区可划分为鄱阳冰期、大姑冰期、 庐山冰期和大理冰期。　　近百余年来，由于有了大量的气温观测记录，这为研究区域和全球的气 温变化提供了更为确实可靠的资料。由这些资料得到的总的气温变化趋势 是：从 19 世纪末到本世纪 40 年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象； 本世纪 40 年代到 60 年代，世界气候有变冷的趋势；进入 70 年代后，世界气 候又趋变暖，到 80 年代后气温增暖的形势更为突出。据威尔森（H.Wilson） 和汉森（J.Hansen）研究，全球年平均气温从
年 60 年中增加 0.5℃，
年降低了 0.2℃，然后从
年又增暖了 0.5℃（图11.6）。　　导致气候变化的因素是多样的，包括太阳辐射的变化、地球轨道要素的 改变、太阳活动、地形变化、大气环流等等。事实上，气候变化往往是诸多 因子共同作用的结果。未来气候变化可能有两种趋势。其一是由于化石燃料 的使用，使大量 CO2 进入空气中，由于 CO2 阻止了地面经太阳辐射加温后以长 波（红外）辐射形式散发返回空间的热量，使地表增温。由此，到下个世纪 中叶气温将明显升高，届时极地冰川融化，将带来一系列的环境问题。其二 是现在气候正逐渐变冷，来自 CO2 的影响可能使气候变冷的趋势减弱，但不 能阻止目前正在形成中的冰期。在研究现代气候变化时，特别要注意人类活 动对气候的影响。由于人口的急速增长，自然资源受到严重破坏，导致了沙 漠化、水土流失和气候反常，也带来了城市气候问题。因此必须综合分析研 究才能掌握气候变化规律，推测未来气候的变化，更好地为生产建设和人类 生活服务。
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