地球系统与演变

三十年来“全球变化”的研究，把地球科学推上了一个新台阶。地球上的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈连成一个完整的系统，牵一发而动全身，甚至地球内部和表层的物质和能量交换，也在影响着人类享用的环境与资源，而这就是地球系统科学的研究对象。《地球系统与演变》是在二十年教学科研实践基础上编写而成，前五章介绍各圈层的构成与来历，后五章讨论不同时间尺度的地球系统演变，最后两章介绍地球系统科学的研究方法和理论。《地球系统与演变》以圈层间相互作用为主题，重点突出机理追究和问题探讨，不以灌输知识为目的。

目录
第1章 地球系统的组成与起源 001
1.1 地球系统的圈层结构 002
1.1.1 地球系统的圈层及其构成 002
1.1.2 圈层中的环流和圈层界限 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 太阳系和地球的形成 012
1.2.3 月球的碰撞产生和地球的岩浆海 013
1.3 地球圈层的分异 016
1.3.1 地核、地幔和地壳的形成 016
1.3.2 水圈与大气圈的形成 017
1.4 生命和光合作用的起源 019
1.4.1 生命起源的证据和理论 019
1.4.2 光合作用起源的探索 022
1.5 氧化大气圈的形成 024
1.5.1 大氧化事件 025
1.5.2 硫化氢海洋 027
参考文献 030
思考题 034
推荐阅读 035
第2章 地球表层与地幔 037
2.1 地壳的形成和板块运动 038
2.1.1 洋壳的产生与俯冲 039
2.1.2 大陆地壳及其古老性 043
2.1.3 大陆增生与“俯冲带加工厂” 046
2.1.4 陆壳形成期与形成机制之争 048
2.1.5 板块运动起源的假说 050
2.2 威尔逊旋回与超级大陆 052
2.2.1 联合大陆的聚合与瓦解 052
2.2.2 地质历史上的超级大陆 055
2.2.3 内大洋与外大洋的演变 059
2.3 地幔柱与大火成岩省 063
2.3.1 热点与地幔柱 063
2.3.2 大火成岩省 064
2.4 地幔环流及其两极性 067
2.4.1 地幔底部低速区的不均匀性 067
2.4.2 地幔环流与地球的东西两极结构 071
2.4.3 威尔逊旋回的前因与后果 073
2.4.4 西太平洋演变的深部原因 076
参考文献 079
思考题 084
推荐阅读 085
第3章 地球系统的水循环 087
3.1 水的特性与地球表面过程 088
3.2 地球系统中水的赋存 093
3.2.1 地球表层水的分布与变化 093
3.2.1.1 气态水 094
3.2.1.2 液态水 097
3.2.1.3 固态水 100
3.2.2 地球内部的水与板块运动 104
3.2.2.1 地球内部水的储量与分布 104
3.2.2.2 地球表层与内部的水交换 106
3.2.2.3 板块运动与水 107
3.3 地球表层系统的水循环 109
3.3.1 水循环的全球视野 109
3.3.2 水的三相转换与气候 112
3.3.2.1 气态与液态的转换 112
3.3.2.2 固态与液态的转换 118
3.3.2.3 三相转换的气候意义 124
3.4 追踪水循环的地质标志 125
3.4.1 水文循环中的氢、氧同位素分馏 125
3.4.2 水文循环的其他替代性标志 128
参考文献 131
思考题 138
推荐阅读 139
第4章 地球系统的碳循环 141
4.1 引言：温室气体与碳 142
4.2 地球系统各圈层中碳的赋存 143
4.2.1 大气圈 144
4.2.2 陆地生物圈 146
4.2.3 水圈 147
4.2.4 岩石圈与地球深部 148
4.2.5 碳储库与稳定同位素 149
4.3 地球表层系统的碳循环 151
4.3.1 寻找失踪的碳 151
4.3.2 表层海的碳汇与碳源 152
4.3.3 深层海的碳汇与碳源 154
4.3.4 陆地的碳汇与碳源 156
4.3.5 生命过程与水、碳循环 158
4.4 冰与碳：冰期旋回里的碳循环 159
4.4.1 海洋碳泵 160
4.4.2 陆地碳库 162
4.4.3 碳循环的时间尺度 163
4.5 地质碳储库的演变 164
4.5.1 地质碳储库 164
4.5.2 早期地球的碳储库演变 166
4.5.3 显生宙的碳储库演变 168
4.5.3.1 海洋碳同位素变化 168
4.5.3.2 海洋碳酸盐沉积 170
参考文献 173
思考题 178
推荐阅读 179
第5章 生物圈及其演化 181
5.1 重新认识生物圈 182
5.1.1 地球系统里的生物圈 182
5.1.2 微生物——地球生态系统的基础 183
5.1.2.1 微型光合生物 183
5.1.2.2 黑暗食物链和深部生物圈 186
5.1.2.3 微生物与地球系统科学 192
5.1.3 生物的重新分类 195
5.1.3.1 从形态分类到化学分类 195
5.1.3.2 真核生物的演化和分类 197
5.2 生产力与化学过程 202
5.2.1 新陈代谢途径的多样性 202
5.2.2 生源要素的循环 204
5.2.2.1 氮循环和碳循环 204
5.2.2.2 限制性营养元素：磷还是氮 207
5.2.2.3 硫循环和生源要素的耦合 210
5.2.3 生物泵和海洋有机碳 212
5.2.3.1 微生物碳泵和溶解有机碳 212
5.2.3.2 两种类型的碳循环 215
5.2.3.3 海洋有机碳库的演变 217
5.3 生物演化与地球系统 219
5.3.1 生物圈的发展 219
5.3.1.1 真核生物和多细胞生物的产生 219
5.3.1.2 底栖动物及其骨骼的出现 221
5.3.1.3 生物圈登陆 224
5.3.2 浮游生物演化与环境 224
参考文献 228
思考题 234
推荐阅读 235
第6章 构造尺度的演变 237
6.1 地球系统演变的时间尺度 238
6.1.1 能量和物质的转移 238
6.1.2 构造运动概念的变更 241
6.1.3 构造运动的时间尺度 244
6.2 海陆分布与环境演变 245
6.2.1 海陆分布的环境影响 245
6.2.2 海道启闭的环境效应 248
6.2.2.1 白令海道开启和北冰洋的演变 249
6.2.2.2 巴拿马和印尼海道关闭与大洋的不对称 253
6.2.2.3 德雷克和塔斯马尼亚海道开启与南极冰盖的形成 257
6.2.3 大陆破裂的环境效应 260
6.3 岩浆活动与环境演变 262
6.3.1 地幔柱与大洋缺氧事件 262
6.3.1.1 白垩纪大火成岩省 262
6.3.1.2 白垩纪缺氧事件 264
6.3.1.3 白垩纪环境变化 266
6.3.2 火山喷发与生物大灭绝 266
6.3.3 海底扩张与海水化学 270
6.4 地形改组与环境演变 274
6.4.1 古高度再造 275
6.4.2 地形和水系 275
6.4.3 剥蚀与沉积 278
参考文献 280
思考题 287
推荐阅读 288
第7章 轨道尺度的演变 291
7.1 地球上的周期性过程 292
7.1.1 循环，周期，韵律 292
7.1.2 冰期旋回及其轨道驱动的发现 294
7.1.3 地球过程中的天文因素 296
7.2 轨道驱动的气候变化 298
7.2.1 轨道参数的周期变化 298
7.2.1.1 斜率 299
7.2.1.2 偏心率与岁差 302
7.2.1.3 轨道参数的不稳定性 305
7.2.2 气候旋回的轨道驱动 306
7.2.2.1 冰期旋回的轨道驱动 307
7.2.2.2 低纬过程的轨道驱动 309
7.3 地球过程轨道驱动研究的发展 311
7.3.1 地质历史上的轨道周期 311
7.3.1.1 前第四纪的轨道周期 311
7.3.1.2 地质计时的天文标尺 314
7.3.2 轨道驱动的计算和应用 316
7.3.2.1 轨道驱动的计算问题 316
7.3.2.2 轨道驱动的机制研究 317
7.3.3 地球表层过程中的轨道因素 320
7.3.3.1 轨道驱动下的潮汐作用和海洋过程 320
7.3.3.2 轨道周期与内力作用 321
7.3.3.3 地外星球上的轨道周期 322
参考文献 326
思考题 332
推荐阅读 332
第8章 周期转型和气候突变 335
8.1 冰期旋回的多样性与跨冰期变化 336
8.1.1 冰期的多样性 336
8.1.2 间冰期的多样性 338
8.1.3 跨冰期变化 342
8.2 气候周期变化的转型 343
8.2.1 暖室期和冰室期的轨道周期 344
8.2.2 南极冰盖发育中的气候转型 346
8.2.3 北半球冰盖发育中的气候转型 348
8.3 气候环境的突变 352
8.3.1 冰消期的气候突变 352
8.3.1.1 末次冰消期 353
8.3.1.2 历次冰消期的比较 354
8.3.2 火山爆发事件 357
8.3.3 天体撞击事件 360
8.3.3.1 从微陨石到小行星 360
8.3.3.2 白垩纪末撞击事件与生物大灭绝 361
8.3.4 特大洪水事件 362
8.3.5 突发升温事件 366
参考文献 369
思考题 376
推荐阅读 377
第9章 人类尺度的演变 379
9.1 人类尺度环境变化的研究 380
9.1.1 人类尺度演变的记录载体 381
9.1.1.1 冰芯 381
9.1.1.2 纹层，石笋，珊瑚，树轮 383
9.1.2 人类尺度演变的测年方法 385
9.1.3 人类尺度演变的驱动机制 386
9.2 千年尺度演变的发现及其机理探索 387
9.2.1 冰芯记录的千年尺度变化 387
9.2.2 深海记录的千年尺度变化 388
9.2.3 石笋记录的千年尺度变化 391
9.2.4 “大洋传送带” 394
9.3 外因驱动下的人类尺度演变 399
9.3.1 轨道驱动的千年尺度变化 399
9.3.1.1 半岁差和1/4 岁差 399
9.3.1.2 潮汐作用与月球轨道周期 401
9.3.2 太阳活动周期与气候 405
9.3.2.1 太阳活动周期的发现 405
9.3.2.2 气候演变中的太阳活动周期 407
9.4 现代环境的周期变化 410
9.4.1 厄尔尼诺- 南方涛动 410
9.4.2 年际- 年代际尺度的气候涛动 412
参考文献 415
思考题 422
推荐阅读 423
第10章 全球变化与古环境研究 425
10.1 全球变化的提出与研究现状 426
10.1.1 全球变化科学问题的提出 426
10.1.2 全球变化与气候外交 428
10.1.3 全球变化的观测证据 430
10.1.4 全球变化研究的国际合作 433
10.1.4.1 国际研究计划的演进 433
10.1.4.2 国际地