第1讲 什么是现代地质学
1.1 什么是地质学
“现代地质学”是相对于“经典地质学”和“近代地质学”而言的。经典地质学和近代地质学又被笼统地称为“传统地质学”（图1-1）。
在《中国大百科全书》（第三版）中有一个条目，题为“地质学发展简史”（王鸿帧和杨静一撰，王清晨修订），其中把地质学的发展历程分为5个时期：①地质学萌芽时期（远古～1450年），以认识的直观性和解释的猜测性为主要特征；②地质学奠基时期（1450～1750年），其特征是随着自然科学的诞生，地质知识趋向系统化；对地质现象试作理性解释，并逐步建立了观察和推理方法；③地质学形成时期（1750～1840年），这一时期的特点是地质知识得到较全面的概括和总结，人们将地质作用、过程和结果联系起来加以思考，给予解释，地质思想十分活跃，初步形成了地质学体系；④地质学发展时期（1840～1945年），其特征是工业发展的需要促进了区域地质调查，地质学分支学科迅速建立，推动了地质知识积累，地质学理论方法体系得到全面发展；⑤现代地质学时期（1945年以来），以广泛应用现代化新技术、多学科交叉融合和全球性研究视野为特征，形成全新的现代地质学知识体系。
图1-1 现代地质学是地质学发展的全新阶段
地质学的发展是社会生产力不断进步的结果。远古时期，人类开始使用和改进以石器为主的生产工具，于是出现了“萌芽地质学”。欧洲文艺复兴运动代表了资产阶级反封建的新文化运动，带来了一场近代自然科学的大革命，“经典地质学”应运而生，与自然科学同步发展。第二次工业革命促进了工业先进国家的区域地质调查工作，地质学涌现出新的分支学科，地质学理论方法体系得以建立，进入了“近代地质学”的发展阶段。第二次世界大战之后，社会生产力有了稳定发展的环境，形成了全新的“现代地质学”知识体系。
经过20世纪60年代的地球科学大革命，地质学已经从近代地质学中彻底脱胎换骨。现代地质学相对于近代地质学既有继承，也有批判，更有发展，但没有改变地质学的基本内涵。地质学的英文是geology，这个词是从希腊语来的，由希腊文γη（地）和λóγoσ（学说）组成。译成英文，geo-就是“earth”（大地、地球），-logy 是“science”（科学），也就是说，地质学是研究地球的科学。
为什么要研究地球？一开始，不为什么，没有什么缘故，人类就是好奇，好奇是人类的天性，好奇是产生一切知识的原动力。
当地质学发展到一定阶段后人们才知道，我们人类生活在地球上，而人类又是在地球演变过程中的阶段性产物。地球的年龄已经有大约46亿年了，我们人类的年龄从智人算起，不过30万年，从能人（原始人类）算起，也不过250万年，大约相当于地球年龄的1/228。迪拜塔，也就是哈利法塔，有162层，高828m，是迄今为止人类在地球上建起的*高大厦。如果把迪拜塔的高度比作地球的年龄，我们来看一看地球上生命出现的时间（图1-2）。你从迪拜塔的底层向上爬，当你爬到第36层酒店时，地球上出现了能进行光合作用的藻类；当你爬到第138层机械间时，地球上出现了早期蠕虫，大型多细胞动物开始演化；当你爬到第142层世界上*高的夜总会时，地球发生了寒武纪生物大爆发事件；当你爬到第160层的广播传送间时，地球上的恐龙灭绝了；当你爬到迪拜塔的第162层，也就是顶层塔尖时，古人类出现在地球上，如果你要想看到现代人类祖先的出现，你还需要顺着塔尖向上爬到接近*顶端的地方。现在，你可以想象到人类在地球上的出现有多么晚了吧？
人类是幸运的，当我们诞生时，地球上已经有了大量的石油天然气和矿产资源。这些能源和矿产资源都是很早的时候在地下形成的，支撑了人类生存的需要，使人类有本钱去当地球的“啃老族”。不过，自从第一次工业革命以来，人类对各种地下资源的需求量越来越大，开采速度越来越快，到今天，不少矿种的储量已经告急，直接威胁到人类自己的生存。这些地下资源会不会有开采完的那一天？要寻找剩余的地下资源，必须要了解：这些资源是怎么形成的？剩余资源分布在地下什么地方？要回答这些问题，必须学习地质学。因为这些地下自然资源都是在地质作用过程中形成的，寻找足够的地下自然资源既是人类可持续发展的需要，也是地质学家的历史使命。1980年，第26届国际地质大会在巴黎举行，当时的法国总统德斯坦到会祝贺，大力赞扬了地质学家，说他们将是解决21世纪世界能源和矿产资源问题的“关键人物”。
图1-2 人类很晚才出现在地球上
地质学是一门自然科学。按照《中国大百科全书》的精细定义，“地质学是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史的知识体系。”
地质学研究已经告诉我们，化学元素在地球上只有少数是呈单质产出的，多数都形成化合物，天然形成的单质或化合物被称为“矿物”。矿物在地壳中常成集合体产出，这些天然产出的矿物集合体被称为“岩石”。一层层沉积形成的岩石被称为“地层”，地球不同演化阶段生活的生物会在地层中留下实体或活动踪迹，成为“化石”。在地下深处还存在着一些熔融状态的岩石，被称为“岩浆”，冷凝后就形成“岩浆岩”等。所有这些天然形成过程和产物都是地质学的研究对象。
地质学还告诉我们，地球的内部可以分为地壳、地幔、外地核和内地核等四个圈层，地壳和地幔顶层的刚硬部分构成了“岩石圈”，岩石圈底下是一层具有塑性、可以缓慢流动的“软流圈”。地球的外部包绕着水圈和大气圈，在岩石圈和水圈、大气圈的交接带有生物圈。地球各圈层在不断地相互作用着，引发了各种地质作用，改变着地球的面貌，这些圈层结构和它们的演化历史及作用过程同样是地质学的研究对象。
地球在不断演化着，关于地球的知识体系也在不断发展。研究自然科学发展史的专家们指出，20世纪爆发了四大自然科学理论革命，分别建立了四大理论模型，它们是：物理学中的夸克模型，生物学中的DNA双螺旋模型，宇宙学中的大爆炸模型和地质学中的板块构造模型。板块构造理论模型已经成为现代地质学的标志。有人把以板块构造理论为标志的现代地质学叫作“新地质学”，而把以前的近代地质学和经典地质学叫作“旧地质学”。那么，现代地质学有什么特点呢？或者说，新地质学和旧地质学有什么区别呢？
1.2 现代地质学有了新的地球观
1.2.1 关于地球的结构
在近代地质学中，人们已经根据地震波传播速度的差异把地球分成地壳、地幔、外地核和内地核等四个圈层。1909年，克罗地亚地球物理学家A.莫霍洛维奇（Andrija Mohorovicic）发现在地下30～60km 深处存在一个地震波速度突增的界面，他把这个界面作为地壳与地幔的界面。后人以他的名字命名这个界面，称为“Moho（莫霍面）”。1914年，德国地球物理学家B.古登堡（Beno Gutenberg）发现在2900km 深处存在一个地震波速突降的间断面，指出这就是地核与地幔的边界，后人把这个界面称为“古登堡面”。1936年，丹麦地震学家I.莱曼（Inge Lehmann）发现，在被认为是液态的地核中存在着一个前人没有注意到的地震波速间断面，表明地核具有双层结构，外核为液态，内核为固态，内、外地核的分界面在地下约5200 km 深处，后人把这个界面称为“莱曼面”①。
现代地质学在对地球圈层结构的认识方面有了长足进展。根据地震波在地球内部传播速度的精细观测，对地球的结构进行了精细的划分，于1980年建立了“初步地球参考模型（PREM）”。在这一模型中，把地壳和地幔顶部的坚硬部分划分为“岩石圈”，而把岩石圈之下的上地幔上部划分出一个“软流圈”。
实际上，B.古登堡已经于1926年发现了地表之下约100 km 深处的上地幔中存在着一个地震波低速层，他认为这种低波速现象可能表明有一部分上地幔呈熔融状态，地震波低速层中可能有对流现象，于是就把它称为“软流圈”。不过，古登堡对软流圈的发现在当时并没有引起人们的特别关注，只是在现代地质学中软流圈才被纳入板块构造理论中。
现代地质学从行星演化角度审视地球，认识到地球今天的结构是长期演化中的一个阶段性结果。对太阳系类地行星的比较分析表明，它们的结构大致相同，都有一个铁质“核”，外层是硅酸盐“幔”，表层是刚性的“壳”，都有陨石坑和火山。如果以地球去类比，可以把这些圈层分别称为“地”核、“地”幔和“地”壳。不过，它们地幔对流活动的形式和规模很不相同。我们的地球正值壮年，结构处于金星和火星、水星之间，既有地幔对流，也有岩石圈板块运动。金星的地壳很薄，地幔对流非常活跃，表现为地幔柱和团絮状地幔流形式，很像40亿年前诞生不久的少年地球的结构。火星和水星的刚性外壳很厚，如果可以叫“岩石圈”的话，已经没有了像地球岩石圈板块那样的大规模运动，岩石圈的变形以脆性断裂活动和极慢的蠕变为特征，岩石圈下面的地幔对流很不活跃，只有地幔柱活动，引起岩浆喷发。这可能就是地球将来演化到老年时的结构。
1.2.2 关于地球的成分
受时代和技术发展的限制，人们*早只是对位于地球*外层的地壳有所认知。例如，美国科学家F.克拉克（F. W. Clark）于1889年根据采自世界各地的五千多块岩石样品的化学分析数据，计算出地壳中50种元素的平均质量百分比。后人把这一百分比值称为“克拉克值”。
如果说，在传统地质学中地壳的成分可以靠直接观测，那么，对地球内部的成分只能靠猜测和推测。I.牛顿（Isaac Newton）早在1687年就提出了万有引力定律，然而，由于确定不了引力常数，人们没办法确定地球的质量。H.卡文迪什（Henry Cavendish）于1798年测定了引力常数，进而计算出地球的密度是5.448g/cm3。E.维歇特（Emil Wiechert）见到身边的岩石密度都不大，例如，花岗岩的密度是2.7 g/cm3，玄武岩的密度是2.9 g/cm3。他猜想，地球内部一定有密度在
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