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第1章 地球系统的组成与起源1

1.1 地球系统的圈层结构2

1.1.1 地球系统的圈层及其构成2

1.1.2 圈层中的环流和圈层界限6

1.2 地球的起源8

1.2.1 宇宙大爆炸和元素起源8

1.2.2 太阳系和地球的形成12

1.2.3 月球的碰撞产生和地球的岩浆海13

1.3 地球圈层的分异16

1.3.1 地核、地幔和地壳的形成16

1.3.2 水圈与大气圈的形成17

1.4 生命和光合作用的起源19

1.4.1 生命起源的证据和理论19

1.4.2 光合作用起源的探索22

1.5 氧化大气圈的形成24

1.5.1 大氧化事件25

1.5.2 硫化氢海洋27

参考文献30

思考题34

推荐阅读35

第2章 地球表层与地幔37

2.1 地壳的形成和板块运动38

2.1.1 洋壳的产生与俯冲39

2.1.2 大陆地壳及其古老性43

2.1.3 大陆增生与“俯冲带加工厂”46

2.1.4 陆壳形成期与形成机制之争48

2.1.5 板块运动起源的假说50

2.2 威尔逊旋回与超级大陆52

2.2.1 联合大陆的聚合与瓦解52

2.2.2 地质历史上的超级大陆55

2.2.3 内大洋与外大洋的演变59

2.3 地幔柱与大火成岩省63

2.3.1 热点与地幔柱63

2.3.2 大火成岩省64

2.4 地幔环流及其两极性67

2.4.1 地幔底部低速区的不均匀性67

2.4.2 地幔环流与地球的东西两极结构71

2.4.3 威尔逊旋回的前因与后果73

2.4.4 西太平洋演变的深部原因76

参考文献79

思考题84

推荐阅读85

第3章 地球系统的水循环87

3.1 水的特性与地球表面过程88

3.2 地球系统中水的赋存93

3.2.1 地球表层水的分布与变化93

3.2.1.1 气态水94

3.2.1.2 液态水97

3.2.1.3 固态水100

3.3.2 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 国际地圈-生物圈计划三十年434

10.2 全球变化的科学问题与争论437

10.2.1 温室效应的历史争论437

10.2.2 围绕全球变化的科学争论441

10.2.3 关于气候工程学的争论443

10.2.4 关于地球未来的争论444

10.3 全球变化与古环境研究446

10.3.1 人类世”——在“古”“今”之间拆墙446

10.3.1.1 “人类世”的提出446

10.3.1.2 “人类世”的争论447

10.3.2 地质时期的全球变化450

10.3.2.1 早新生代的高温期451

10.3.2.2 高温期的全球变化452

10.3.3 地外星球的全球变化453

10.3.3.1 火星上的全球变化453

10.3.3.2 金星的大气圈456

10.3.3.3 外行星卫星上的全球变化457

参考文献460

思考题468

推荐阅读469

第11章 地球表层系统的定量研究471

11.1 从定性到定量：地球科学的演变472

11.1.1 地球科学定量化的起步472

11.1.2 多元统计方法的应用474

11.1.3 地球科学定量化的发展477

11.2 地球表层的观测系统与数据管理478

11.2.1 遥感观测平台478

11.2.2 地面／海洋观测平台480

11.2.3 海底观测平台481

11.2.4 地球内部的观测483

11.2.5 大数据和互联网484

11.3 古环境定量再造与替代性标志486

11.3.1 海水古温度——替代性标志的实例486

11.3.2 替代性标志的应用和错用490

11.3.3 替代性标志的发展前景491

11.4 地球系统的数值模拟492

11.4.1 数值模拟的产生493

11.4.2 数值模拟的类型494

11.4.3 地球系统模式499

11.4.4 数值模拟的前景和局限性502

参考文献504

思考题510

推荐阅读510

第12章 探索地球系统的运行机制513

12.1 地球科学的历程：从现象描述到机理探索514

12.1.1 地球科学的视野514

12.1.2 地球科学的理论探索516

12.1.2.1 地球科学中的定律516

12.1.2.2 19世纪的进化论517

12.1.2.3 20世纪的活动论518

12.1.3 寻求地球系统科学的理论521

12.2 地球系统：理论探索的展望523

12.2.1 行星循环和比较行星学523

12.2.2 能量和熵527

12.2.3 生物圈大电场532

12.3 地球演变：变化历程与运行机制536

12.3.1 从元素起源到生命产生536

12.3.2 生物圈和地圈的协同演化538

12.3.3 地球系统运行机制的探索541

12.3.3.1 跨越时间尺度的现象541

12.3.3.2 穿越空间圈层的交换542

参考文献543

思考题547

推荐阅读548

缩写名词549

索引554