第2章-地球系统与海底科学

第二章地球系统与海底科学海洋科学导论§2.1海与洋§2.2海底地貌§2.3海洋沉积§2.4海底矿物资源第二章海底科学§2.1海与洋海洋的形成地表陆海分布海洋的划分海水起源与演化*海洋的形成§2.1海与洋宇宙大约诞生于150亿年前的“大爆炸(bigbang)”，由大爆炸引起的膨胀现还在继续。大爆炸前的宇宙是个什么样子？为什么会发生大爆炸等问题尚未知。←宇宙诞生海洋的形成§2.1海与洋从现代宇宙中存在的3K黑体放射以及各恒星间距离逐渐扩大等观测事实，可以想象宇宙诞生于热火球，并还在不断膨胀，根据其膨胀速度可以逆推“大爆炸”发生于150亿年前。←宇宙诞生海洋的形成§2.1海与洋宇宙在不断膨胀中，反复交替着许多星体的诞生、消亡。大约在宇宙诞生100亿年后，与其他星体一样，宇宙的一部分星云为万有引力收缩，形成以原始太阳为中心、被称为原始太阳系星云的气体圆盘。气体中的尘埃等经过反复的相互吸引与撞击，在太阳周围形成了水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星这9个行星，其中之一就是我们的地球。←地球诞生地球的诞生与太阳诞生大致为同一时期，根据陨石年代测定，大约在45亿年之前。海洋的形成§2.1海与洋地球形成后，首先发生重力引起的物质分异。尘埃撞击及放射性物质裂变产生高温，使地球内部的各种物质成为液状体，并因重力作用而导致重物质向地心聚集，在地球中心部形成以铁、镍等重金属为主的地核，其上层为橄榄岩等重岩构成的地幔，而花岗岩等较轻物质则在地球表面形成地壳。←海洋诞生地核可分为固态内核和液态外核，地幔也可分为固态下地幔和液态上地幔。水最轻，只能浮于地壳之上。由于地球诞生之初温度相当高，故地表水几乎蒸发，至大气上层形成厚云层而覆盖地球。之后，地球失去了其诞生之初由撞击产生的热能，同时，冷却云中的水分以降水形式注入地表，形成原始海洋。海洋的形成§2.1海与洋原始海洋中和后，大气中的CO2就溶于海水并与海水中的钙反应生成碳酸钙沉淀，其结果是海水呈pH为3-4的弱碱性。这样的一系列反应至少在最初的10亿年里一直发生，而之后的30亿年间，海水构成几乎没什么变化。←海水起源和演化原始海洋因为溶解了当时存在于大气中的盐酸故而推断它曾是强酸性的，后与地表的玄武岩等反应溶出钙、镁、钠、钾等而中和化。海洋的形成§2.1海与洋太阳系中惟独地球拥有海洋是因为地球与太阳距离适当，使得水既不蒸发、也不冰冻，刚好以水的状态得以保存。←地球独拥海洋故只有在距离恒星太阳适当、表面温度在0~100℃之间的行星——地球，才形成了海洋。比地球更近太阳的金星，表面温度高达500℃，水气蒸发并被太阳紫外线分解成氢气和氧气，轻的氢气逃逸于宇宙空间，重的氧气消耗于地表氧化，故金星水分消失殆尽。比地球离太阳更远的火星，表面温度低于-60℃，水分只能以冰的形式存在，并被封存于永久冻土内，也不能形成海洋。海洋的形成§2.1海与洋现在，太阳的热量和亮度还在不断增强，据推测，约50亿年后太阳会膨胀至吞噬掉我们的地球。←地球也将消失月球据此理由似可有海，但实际并无。因为月球个体小、重力小，月球于45亿年前诞生时(与地球同时期)，高温水蒸气不能滞留于月球周围。另外，地球重力能使分子量为18的水滞留于地表，但不能使分子量分别为2、4的氢气和氦气滞留，致使地球诞生初曾大量存在的氢气和氦气都逃逸于宇宙空间。2011年11月5日声明，该局通过开普勒太空望远镜项目证实了太阳系外第一颗类似地球的、可适合居住的行星开普勒-22b。该行星被命名为开普勒-22b(Kepler-22b)，距离地球约600光年之遥，体积是地球的2.4倍，这是目前被证实的从大小和运行轨道来说最接近地球形态的行星，它像地球围绕太阳运转一样每290天环绕着一颗类似于太阳的恒星运转。科学家们表示，该行星表面温度约70华氏度(相当于21℃)，非常适宜生物居住。此外，还可能有液态水，而液态水被科学家视为生命存在的关键指标。该行星处在“可居住带”之中。美国宇航局发现首颗适合居住的类地行星Kepler-22b模拟照片§2.1海与洋地球上海洋相互连通，构成统一的世界大洋；而陆地则相互分离，没有统一的世界大陆。地表陆海分布地球表面总面积约5.1×108km2，分属于陆地和海洋。以大地水准面为基准，陆地占29.2％，海洋占70.8％，地表大部分为海水所覆盖。地表海陆分布极不均衡，北半球陆地占67.5％，南半球占32.5％。海洋不仅面积超过陆地，其深度也超过陆地高度。3000m以上深海洋占其总面积的75％；而高度不足1000m的陆地占其总面积的71％。海洋平均深度达3795m，而陆地平均高度只有875m。如果将高低起伏的地表削平，则地球表面将被约2646m厚的海水均匀覆盖。§2.1海与洋海洋的划分(大)洋，远离大陆，面积广阔，占海洋总面积的90.3％；深度大，一般大于2000m；海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。根据海洋要素特点及形态特征，可分为主要部分——洋和附属部分海、海湾和海峡。第二章海底科学各大洋的基本形态数据大洋名称面积(kkm2)体积(kkm3)平均深度(m)最大深度(m)太平洋178,684707,1003,95711,034大西洋91,655329,7003,5979,218印度洋76,174282,6003,7119,074北冰洋14,78816,7001,1315,449世界大洋通常被分为四大部分，即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。太平洋面积最大、最深；北冰洋最小、最浅、最寒冷。第二章海底科学四大洋地理位置§2.1海与洋南大洋：“从南极大陆到南纬40°为止的海域，或从南极大陆起，到亚热带辐合线明显时的连续海域”。具有自成体系的环流系统和独特的水团结构，既是世界大洋底层水团的主要形成区，又对大洋环流起着重要作用。在海洋学上具有特殊意义。§2.1海与洋海是海洋的边缘部分，全世界共有54个海，其面积占世界海洋总面积的9.7％。海的深度较浅，平均在2000m以内。其温度和盐度等海洋要素受大陆影响很大，有明显的季节变化。水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。§2.1海与洋内海指伸入大陆内部的海，面积较小，水文特征受周围大陆强烈影响，如渤海和波罗的海等。按海的位置可分为陆间海、内海和边缘海。边缘海位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔，但水流交换通畅，如东海、日本海等。陆间海指位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海。陆间海和内海一般只有狭窄的水道与大洋相通，其物理性质和化学成分与大洋有明显差别。§2.1海与洋海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域，一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通，故其海洋状况与邻接海洋很相似，但在海湾中常出现最大潮差，如我国杭州湾最大潮差可达8.9m。由于习惯叫法，有些海和海湾的名称被混淆了，有的海叫成了湾，如波斯湾、墨西哥湾等；有的湾则被称作海，如阿拉伯海等。海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急，特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出，如直布罗陀海峡等；有的分左、右侧流入或流出，如渤海海峡等。BACK第二章海底科学§2.2海底地貌海岸带大陆边缘大洋底海底构造诸学说*§2.2海底地貌第二章海底科学§2.2海底地貌§2.2海底地貌世界海岸线全长44×104km，是陆地和海洋的分界线。海岸带由于潮位变化和风引起的增-减水作用，海岸线是变动的。水位升高时淹没、水位降低时露出的狭长地带即海岸带。世界上约2/3人口居住在狭长的沿海地带，海岸带的地貌形态及其变化对人类的生活和经济活动具有重大意义。§2.2海底地貌海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。海岸带§2.2海底地貌水下岸坡海滩海岸低潮平面高潮平面海岸带海岸是高潮线以上的陆上地带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，又称潮上带。水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相当于1/2波长的水深处，通常约10～20m。海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，又称潮间带。§2.2海底地貌中国海岸带和海涂资源综合调查《简明规程》将中国海岸分为河口岸、基岩岸、砂砾质岸、淤泥质岸、珊瑚礁岸和红树林岸等六种基本类型。海岸带海岸发育过程受多种因素影响，交叉作用十分复杂，故海岸形态也错综复杂，国内外至今没有一个统一的海岸分类标准。§2.2海底地貌稳定型大陆边缘没有活火山和地震，由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成。大陆边缘大陆边缘：大陆与大洋之间的过渡带，按构造分稳定型和活动型。§2.2海底地貌大陆架亦称陆架、大陆浅滩、陆棚。“邻接海岸但在领海范围以外深度达200m或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”，以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。应强调它是大陆向海洋的自然延伸，最显著特点是坡度平缓，平均仅7’。大陆边缘东海大陆架最大宽度500km，外缘深度130~150m。§2.2海底地貌大陆坡：分开大陆和大洋的全球性巨大斜坡，其上限为大陆架外缘(陆架坡折)。坡度较陡，但不同海区差别大，平均4°17’(包括活动型大陆坡)。水深难定，200-2000m。§2.2海底地貌大陆隆：即大陆裾、大陆基，是自大陆坡麓缓慢倾向洋底的扇形地，水深2000-5000m。大陆隆沉积物厚度巨大、贫氧状态、富含有机质，压力大，具备生成油气条件，可能是海底油气资源的远景区。§2.2海底地貌§2.2海底地貌活动型大陆边缘：与现代板块的汇聚型边界相一致，是全球最强烈的构造活动带，集中分布在太平洋东西两侧。其最大特征是强烈而频繁的地震和火山活动。造成海沟。§2.2海底地貌大洋底：处于大陆边缘之间，是大洋的主体，由大洋中脊和大洋盆地两大单元构成。大洋底§2.2海底地貌大洋中脊：即中央海岭，指贯穿四大洋、成因相同、特征相似的海底山脉系列，全长65kkm、顶部水深2~3km、高出盆地1~3km，有的露出海面成为岛屿，面积占洋底的32.8%，是世界上规模最巨大的环球山系。大洋盆地：大洋中脊坡麓与大陆边缘之间的广阔洋底，约占世界海洋面积的1/2。大洋盆地中的一些隆起进一步把大洋盆地分割成许多次一级盆地，大洋盆地一般水深4~6km，局部超过6km。§2.2海底地貌大洋盆地中还有星罗棋布的海山，绝大多数为火山成因，相对高度小于1000m者称海丘、大于1000m者称海山。相对平坦区称为深海平原，为不断的沉积作用所致，原先并不平。§2.2海底地貌上世纪60年代诞生于海洋地质领域的海底扩张-板块构造学说，以活动论观点为主导，对奠基于大陆的传统地质学理论提出了挑战，引发了一场“地球科学革命”，影响所及，不仅改变了地球科学的结构，还改变了地球科学人员的思维方式。目前，板块构造理论已影响到地球科学的几乎所有领域，是研究海底构造的理论核心和指导思想。海底构造学说板块构造学说是多学科相互交叉、渗透发展起来的全球构造学理论，它吸取了魏格纳大陆漂移说的精髓——活动论思想，以海底扩张说为基础，经过Wilson(1965)、Morgan(1968)、LePichon(1968)等一大批科学家的综合而确立的。板块构造学说是大陆漂移和海底扩张的引伸和发展。§2.2海底地貌创始人魏格纳，从大西洋两岸的弯曲形态受到启发，于1912年提出了大陆漂移的见解，1915年著成《海陆的起源》，全面系统地论述了大陆漂移问题。海底构造学说←大陆漂移§2.2海底地貌概要：地球上所有大陆在中生代以前是统一的联合古陆，或称泛大陆(Pangaea)，其周围是围绕泛大陆的全球统一海洋——泛大洋。中生代以后，联合古陆解体、分裂，其