地球科学的发展简史与未来展望

地球科学是一门既古老而又年轻的科学。说其古老，是因为有关地球科学知识的萌芽与积累从人类诞生的那天起就已开始；说其年轻，是因为地球科学的主要学科的真正创立只是最近几个世纪的事情，并且迄今为止，地球科学虽已发展成为一个较为完善的科学体系，但其中仍存在许多重大基础理论问题未获解决，并且还不断地涌现出新的重大科学问题。地球科学的发展历史大致可分为三个阶段，即：古代地球科学知识的萌芽与积累阶段（17世纪以前）、地球科学的主要学科的创立与初步发展阶段（17～19世纪）、地球科学的革命与全面发展阶段（20世纪至今）。现今地球科学正处在一个革故鼎新的关键时期，可以预见，在不远的将来，地球科学将进入一个全新的、更成熟的发展新阶段。

（一）古代地球科学知识的萌芽与积累（17世纪以前）

有关地球科学的知识与人类生活密切相关，其思想的萌芽可以追溯到远古时代。随着人类文明的发展，地球科学知识也得到了不断积累。我国是具有悠久历史的文明古国，其地球科学思想萌芽之早、知识积累之丰富是任何其他国家都不能比拟的，现仅举几例，可见一斑。

《禹贡》、《山海经》、《管子》是成书于春秋战国时代（公元前770～公元前221年）的最早一批有关地理、地质、水文、气象的著作。《禹贡》记载了公元前21世纪大禹治水时候所了解的全国各地的矿产情况和山川地形。《山海经》除记述了山岳、河流、湖泊、沼泽、气候与气象等之外，还记述了岩石（矿石）及矿物（金属与非金属矿物）72种，矿产地440多处，此书把矿产划分为金、玉、石、土四大类，这是世界上最早提出的矿产分类。《管子》一书曾对金属矿床与找矿知识有精辟论述，指出了利用矿物共生组合及“铁帽”等作为找矿标志的科学方法。该书还曾对河流的横向环流、侧蚀作用形成河曲的过程进行了正确分析。

东汉杰出的科学家张衡于公元132年创造了世界上第一台地震仪——候风地动仪，公元138年在洛阳用这台地震仪正确测出了发生在650 km外的陇西地震（图0-5）。

《水经注》是南北朝卓越的地学家郦道元在研究前人著作的基础上，结合自己的实际考察，于公元512～518年编写的著名地学著作。书中涉及地域广泛（包括中国及部分邻区），记述内容包括河流、瀑布、湖泊、风沙、溶洞、火山、地震、山崩、地滑、温泉、陨石、化石、矿物、岩石和矿产等多方面的地质、地理及水文等内容，至今仍有参考价值。

图0-5 张衡的候风地动仪及简要原理

（引自徐邦梁，1994）

宋朝沈括（1031～1095年）所著《梦溪笔谈》是一部百科全书式的光辉著作，其中涉及地球科学领域的包括陨石、地震、矿物、矿床、化石、河流、地下水、海陆变迁、地形测量和制图等多方面。例如，书中论述了流水的侵蚀作用与沉积作用；推断华北平原是由河流自上游搬运泥沙到下游沉积而形成的冲积平原；沈括还根据太行山东麓山崖间所见海生螺蚌化石，推断东距大海千里以外的该地在古代曾经是海滨；他还根据化石推测古地理、古气候的变迁。沈括对化石的正确认识比意大利人达·芬奇所提出的类似观点要早400年；他在分析地质问题时使用的古今类比法比莱伊尔《地质学原理》所应用的“将今论古”的方法要早700多年。沈括还首次使用“石油”这一科学术语，该术语被一直沿用至今。

《徐霞客游记》是明朝徐宏祖（1586～1641年）撰写的一部考察纪实性著作，书中对我国许多地区的岩溶、火山、温泉、水文、地貌及矿物等作了极有价值的记述。

《天工开物》为明代宋应星（1587～1661年？）所著，书中详细记载了非金属矿物的产地、形状及性质；并根据煤的硬度与挥发性提出了世界上较早的煤分类法；特别是第一次系统论述了我国采矿工程技术，对矿藏开采、井下支护、通风、矿井充填、矿石洗选等都有细致描述。

由此可见，我国古代地球科学思想非常活跃，积累了丰富的理论和实践知识，这一领域的研究与成就当居世界前列。但是由于我国封建社会（特别是后期）的闭关自守，重视习文读经，轻视生产技术和自然科学知识，搞文化专制统治，严重阻碍了科学的发展，使近代地球科学的一些主要学科没能在中国这片沃土上诞生。

国外古代地质知识的萌芽与积累主要集中于欧洲。

古希腊学者毕达哥拉斯（约公元前571～公元前497年）、亚里士多德（公元前384～公元前342年）、狄奥弗拉斯特（公元前370～公元前287年）等都曾对火山喷发、地震和尼罗河三角洲的形成进行了观察和解释，并根据岩层中的贝壳化石得出海陆变迁的概念，他们还对部分岩石、矿物作了初步分类和描述，还对一些天气现象作过适当的描述与解释。

古罗马的斯特拉波（Strabo，公元前63～公元20年）著有《地理学》，书中论及了有关化石、海陆变迁、火山、地震、河流的搬运与沉积作用等许多方面的地质问题。老普里尼（Pliny the Elder）于公元77年著出《自然史》，书中曾对矿物进行了专门论述，包括当时使用的各种矿物、建筑用石材、矿石及矿床、采矿及冶金方法等。同时代的西尼卡（Seneca）著有《自然问题》等书，论述了有关地震、地下水和地面水问题，认识到河流对山谷的侵蚀作用。

14～16世纪欧洲的“文艺复兴”运动给地球科学的发展带来了生机，为地球科学的一些主要学科的创立准备了条件。

15世纪末至16世纪初，哥伦布、麦哲伦等相继环球航海成功，证实地球是球形，并对大洋和大陆的轮廓有了初步了解。1530～1540年，哥白尼写成了《天体运动》这一伟大著作，提出了“太阳中心说”。这对该时期的地球科学研究起了重要促进作用。

意大利艺术家达·芬奇（1452～1519年）早年曾领导开凿运河工程，他对化石进行了细致的观察和研究。他认为，现今内陆或高山上发现的海生贝壳化石，是原先生长在海水中的生物，后来埋藏在泥沙中而形成，并由此推测海陆变迁历史。他还明确指出，地球是一本书，这本书早于文字记载，科学的任务就是辨读地球自身的历史痕迹。

德国的阿格里柯拉（Agricola，1494～1555年）一生著有七部地质专著，除了叙述德国采矿业的发展以外，还根据矿物的物理性质对其进行分类，对矿物与金属矿床的形成及相互关系作了论述，并涉及古生物学等问题。后人誉之为“矿物学之父”。

（二）地球科学的主要学科的创立与初步发展（17～19世纪）

对于气象学，从古代到16世纪只限于零碎的定性观察和描述，还谈不到独立的科学。17世纪，由于工业和自然科学的发展，特别是物理学的成就，使较精密的气象仪器相继发明，有关气象学的理论也得到很大提高，使气象学逐步发展成为独立的科学。

意大利物理学家和天文学家伽利略（Galileo）于1593年发明了温度表，意大利物理学家和数学家托里拆利（Torricelli）于1643年发明了气压表。由于有了温度表和气压表等气象仪器，1653年在意大利北部建立了气象观测站，以后许多国家也相继建立气象台站。由于广泛的气象观测，获得了丰富的资料，气象学的研究逐步深入。此后，随着无线电通讯技术的发展，使气象观测结果能很快地传到各地，给予编制和研究天气图以可能性。1860～1865年间天气图迅速发展起来。19世纪末，在小范围内已开始了高空探测的高空气象学。

在地球科学中，地质学的创立具有划时代的意义。欧洲18世纪开始进入产业革命时期，随着生产力的提高和近代工业化的急速发展，对矿产的需求日益增加，因而促进了找矿和地质调查工作，使地质知识与资料迅速积累，逐步形成了系统的地质学理论和研究方法，于是地质学作为一门独立的科学诞生了。

在地质学的创立过程中，学术思想论战曾起到了重要的促进作用。当时的论战是在“火成论”者与“水成论”者之间及“均变论”者与“灾变论”者之间进行的。

“水成论”者认为，组成地壳的所有岩石都是从原始海洋物质中结晶、沉淀形成的，他们否认地壳运动的存在，主张地球从取得现有形态以来没有发生过大的变化。“水成论”者的代表人物是德国弗莱堡矿业学院矿物学教授魏尔纳（A.G.Werner，1750～1817年），他对矿物学的研究有卓越贡献，由于他丰富的知识和口才，使他驰名欧洲，对传播地质学起了重要作用。魏尔纳1775年在弗莱堡开始讲学，“水成论”兴起，由于他的声誉和拥有众多门生及崇拜者，加之教会的支持，使得“水成论”在18世纪后期的欧洲占据统治地位。

“火成论”者的代表是苏格兰地质学家赫顿，他发现花岗岩脉穿插在沉积岩中呈侵入接触关系（有烘烤及冷凝边），认为除沉积岩外，还有岩浆岩和变质岩，并认为地壳处于不断的演变之中，这一过程是缓慢的，过去发生的变化和现代进行的演变过程是类似的。他较正确地论述了三大岩类的成因及地壳运动的影响。赫顿1785年发表最初的《地球理论》论文，提出“火成论”，1795年重新发表《地球理论》著作，系统论述了自己的观点。该书为地质学的创立奠定了基础。

自此，“水成论”与“火成论”的论战愈演愈烈，随着人们了解到更多的地质现象，到19世纪初，“水成论”观点逐渐被抛弃，“火成论”取得了胜利。

“灾变论”者的代表是法国学者居维叶（D.G.Cuvier，1769～1832年），他在研究巴黎盆地地层中的生物化石时发现，在相隔很近的岩层中动植物化石群的种属有显著差异，曾经一度出现的古生物种属，后来竟完全绝灭而代之以新的种属；他还看到较老岩层发生褶皱，上面盖以水平的沉积岩层。于是他便认为地壳曾经发生巨大变革，产生世界规模的大灾变，致使地形改变、生物灭绝，以后在一定的时间内又重新创造出新的动植物来；地球上曾经历了多次这样的大灾变和再创造过程；最后一次大灾变发生在五六千年以前，并造就了地球的现今面貌和生物特征。居维叶的“灾变论”强调地质发展过程中的突变阶段，虽有合理成分，但他否认地球的渐近发展过程，并把其演变历史归结为古今没有联系的一系列不可知的突然事件。居维叶的重复创造与不可知的观点，特别是最后一次灾变的时间与圣经中论述的“大洪水期”和“诺亚方舟”神话一致，因而受到了教会的欢迎，得到广泛传播。

与“灾变论”针锋相对的是生物进化论和地质学的“均变论”。法国学者拉马克（Lamark，1744～1829年）在研究巴黎盆地第三纪古生物化石时，发现生物的种与种之间有过渡关系，某些种属是由另一种属发展而来的，并有由低级种属向高级种属演变的规律。他认为生物进化过程是极其漫长的，它与地球的演变历史同时进行。英国地质学家莱伊尔继承了赫顿的思想，经过与“灾变论”的多次论战，在结合前人成果及大量实际资料的基础上，于1830年出版的《地质学原理》第一册中明确提出了地质学的现实主义原则（即“将今论古”），指出地球的发展历史是漫长的，解释地球的历史用不着求助于上帝和灾变，那些看来非常微弱的地质动力，经过长期缓慢的作用过程，就能使地球面貌发生巨大变化。这就是“均变论”的主要思想。

随着《地质学原理》一书的问世，“均变论”的思想逐渐取代了“灾变论”，现实主义原则也成为了地质学方法论的一条基本原则。但是“均变论”强调“古今一致”与渐近发展的同时，本身又存在忽视在地壳发展过程中有飞速发展阶段（突变）的片面性。

莱伊尔的《地质学原理》（共三册）是一部划时代的著作，它确定了地质科学的概念，总结了地质科学的研究方法，初步建立了地质科学的体系，是地质科学创立的标志。自此以后，地质科学进入初步发展时期，到19世纪末已获得了很大进展。在研究地壳的物质组成方面，用显微镜研究岩石和矿物的方法得到充分发展，地球化学的工作也逐渐开展起来。

在研究地壳的演化历史方面，逐渐建立起了比较完善的相对地质年代表。北美学者霍尔、丹纳根据对美国东部造山带的研究，提出了“地槽”学说，对地质学研究产生了深远的影响。在地质学的应用方面，矿床学进一步发展，并诞生出了石油地质学。地震地质学、工程地质学等也开始逐渐发展起来。

17世纪德国地理学家瓦陵尼阿士（1622～1650年）的《普通地理学》开始介绍哥白尼、伽利略的“太阳中心说”，提出专论地理学和通论地理学的区别。前者描述特定地区，后者阐述一般原理。18世纪末至19世纪初，德国洪堡德（1769～1859年）与李特尔（1779～1859年）奠定了近代地理学的基础。

洪堡德的代表作是《宇宙：世界的自然描述概略》，共五卷。他最早采用计算气象要素平均值的方法研究气候，提出等温线的概念，1817年绘制出第一幅世界年平均温度分布图，提出大陆东西两端的气候差异和海洋性气候、大陆性气候类型。他观测了地势升高100 m气温下降0.6 ℃的垂直递减现象，研究气候与植物分布、类型的关系，提出平原植物分布的水平地带性和山地植物分布的垂直地带性。他最早运用地形剖面图和地理比较法研究地理现象的规律性，奠定了自然地理学特别是气候学与植物地理学的一般原理。

李特尔通过区域描述和地面现象综合比较，研究地理环境对人类活动的影响。他强调地理学要以人地关系为主旨，提出比较地理学的概念。1817年李特尔的《地理学》第一卷出版，到1859年共出版19卷。

此后，地理学得到了进一步发展。德国地理学界比较著名的学者和学派有拉采尔的“地理环境论”、赫特纳的“地理学方法论”等。法国比较重要的地理学派有维达尔·白兰士和白吕纳的“人地相关论”等。美国著名的地理学说有戴维斯（W.M.Davis，1899）的“地貌侵蚀循环说”，该学说主张陆地自然面貌是由侵蚀造成，认为地表形态是连续的，又有阶段的，是地球内部结构与外部营力的结合。他把河流发育分成青年期、壮年期和老年期，地壳上升使河流复活。他的学说奠定了自然地理分析的基础。

（三）地球科学的革命与全面发展（20世纪至今）

20世纪以来是现代地球科学发展的新时期，在这一时期，传统的地球科学发生了一系列的革命，其中影响最为深远的是固体地球科学（包含地质学和地球物理学等）的革命。

固体地球科学的革命主要是大地构造理论上围绕活动论与固定论发生的思想革命。传统的地质观念认为，大陆及海洋只在原来的位置上作垂直升降运动，其相对位置未发生显著变化，故被称为“固定论”，“地槽”“地台”说是其典型代表。“活动论”者认为，大陆曾有过长距离的水平运动，大陆和海洋的相对位置是不断变化的。代表“活动论”的大地构造学说是“大陆漂移—海底扩张—板块构造学说”。经过近半个世纪的争论，到20世纪60年代末期，以现代地质及地球物理研究成果为基础的板块构造学说取得了决定性的胜利，并由此推动了地质学与地球物理学领域的一场深刻革命。

与此同时，随着科学技术的进步，20世纪以来的地质学获得了前所未有的全面发展。高温高压实验技术、同位素地质年龄测定技术、电子计算机、电子显微镜、大陆超深钻与深海钻探技术等给地质学的发展以极大的推动作用，使地质学逐步由定性描述与分析向半定量、定量分析与研究发展。地球物理、地球化学方法在研究地球及地壳的物质组成、结构构造及运动特征方面取得了丰硕成果，成为推动地质学发展的强大动力。航天技术在地质学上的应用取得了重大成就，以航天技术为基础的新兴的天文地质学显示出旺盛的生命力。这些研究将为人类最终了解地球起源与演化、解决许多重大地质问题发挥重要作用。

地质学的应用是促进地质学发展的动力，20世纪以来除传统的矿床学不断发展，提出了许多新理论之外，石油地质学的发展尤其令人瞩目。水文地质、工程地质、地震地质等的研究也发展迅速。特别是20世纪中期以来，环境地质研究的重要性越来越引起人们的注意，正在向纵深方向发展。

20世纪以来在地理学上也发生了重要的革命，特别是研究方法与手段上的革命，通常称为地理学的计量革命。20世纪50年代，地理学开始采用现代数学方法分析地理问题。1955年，美国华盛顿大学地理系在加里逊主持下开设第一个应用数理统计研究班，推动计量地理学发展。1963年，伯顿提出“计量革命”口号，使这一趋势推向欧洲和全球。地理学计量革命的实质是用现代数学方法和计算机，运用模型和模拟，使地理学的理论精确化，计算快速化，从传统的定性分析向定性和定量分析相结合过渡。20世纪60年代以来，在计量革命的推动下，人们把地理环境和区域看作是一个系统，大量地应用计算机、遥感、遥测等新方法，对系统及其相互作用进行模式化、公式化，用数字、图像等定量表达人地关系，说明区域差异与变化，从而对地理环境的演化进行科学预测，以期达到人地关系的最优化。这就是“地理信息系统（GIS）”的成功开发与广泛应用。这样，使地理学由以前的现象描述发展到科学解释和定量预测的新阶段。与此同时，由于社会的需要，应用性的地理分支学科大量涌现，如工程地理学、环境地理学、资源地理学、应用景观学等。

20世纪以来气象学的革命性变化更加突出。在20世纪的前50年，气象观测开始由传统的地面观测向高空发展，主要以风筝、气球等为高空观测工具，其所达到的高度是有限的。20世纪50年代以后，由于观测系统有了激光、雷达、人造地球卫星等新技术与新手段，大大地推进了气象学的发展。大规模的综合遥测、遥感，使得几小时的短期灾害性天气预报不再是纯预报问题，而变成了对实况的跟踪与真实预报。计算机的大量利用，使得对大气现象定量地进行数值模拟成为现实。这些研究的进步也大大促进了气象学基础理论的发展。

地球科学的全面、飞速发展，还使得20世纪以来诞生了一些新兴的分支学科，如地球物理学、地球化学、海洋学、环境地学、地球系统科学等。海洋学与环境地学都与人类现今的生活、生存及未来的发展有着极其紧密的联系，因而受到科学工作者及整个社会的高度重视，它们在地球科学中的地位也愈来愈重要。20世纪后期，随着地球科学综合性、系统性研究的深入，地球系统科学这一分支学科逐渐兴起和发展起来。地球系统科学把地球看成为一个由多个层圈子系统组成的统一、复合系统，强调用系统论的观点综合性、整体性研究整个地球系统（包括各子系统）的过去、现在及未来的行为。

（四）地球科学的发展展望

21世纪将是人类社会发展史上的一个巨大变革时代。现今地球科学的发展正在进入一个建立新知识体系的重大转折时期。

长期以来，地球科学在社会中的作用主要是通过研究地球，指导寻找矿产、能源和各种自然资源，以保证人类和社会发展对资源的需求；而对于自然环境方面的应用则处于从属的地位。由此建立起来的地球科学知识体系可概括为“资源型”的知识体系。但是，随着社会发展，当代社会正面临着人口、资源、灾害和环境方面的挑战，它直接威胁着今后社会的进步和人类的生存条件。在这些挑战面前，地球科学除要解决能源和矿产问题外，还必须帮助解决当今社会生活中面临的许多重大问题：减轻自然和人为灾害、寻找和保证充足干净的水源、安全处理有毒有害和放射性废物以及为合理利用自然资源、为环境污染的综合治理、为保护生态环境、为国土整治和农业发展等等提供地学知识和服务。所有这一切，都将促使地球科学从“资源时代”进入“环境时代”和“社会综合应用时代”。因而要求其社会功能由“资源型”拓宽到“社会型”。与此相适应，地球科学的主要任务和目标都将会发生相应变化。例如，1993年美国国家研究理事会发表了指导美国地球科学发展的战略报告，即《固体地球科学与社会》报告。该报告明确指出，固体地球科学今后的主要任务是：①了解全球系统所涉及的过程，特别注意地球系统各组成部分之间的联系和相互作用；②提供充足的自然资源（水、矿产和燃料）；③减轻地质灾害；④调节全球和区域的环境变化。这份报告强调，地球科学研究的目标是了解整个地球系统过去、现在和未来的行为，以保证人类社会持续发展的条件。

地球系统科学的兴起正是地球科学为适应上述新形势而发展的结果。由于地球系统科学与地球的环境、资源、全球变化和人类可持续发展研究等结合紧密，代表着地球科学新的研究前缘和学科生长点，因而受到广大的科学工作者及全社会的极大关注。地球系统科学目前所涉及的重点研究内容主要有地球系统的相互作用与动力学、全球变化、数字地球、地球系统科学与人类可持续发展的关系等。地球系统科学研究已取得了许多重要进展，可以预见，其研究的深度、广度和应用前景将是不可估量的。

当然，地球系统科学并不能代替传统地球科学各分支学科的研究与发展，相反要求它们能更深入精确地研究和提供地球系统各组成部分自身的特征与规律性认识，以便进行系统分析和综合。因此，从某种意义上说，地球系统科学与地球科学各分支学科之间的关系是一种全局与局部、整体与部分的关系。

由上可见，未来的地球科学将成为关系到人类生存和社会发展的科学。地球科学的前景是光明的，它在社会发展中和在自然科学中的地位将会更加提高。因此，一些科学家大胆预言：“21世纪将是地球科学的世纪”。