地球科学的简史和未来展望
(一)古代地球科学知识的萌芽和积累(17世纪以前)
关于地球科学的知识与人类生活息息相关，其思想的萌芽可以追溯到远古时代。随着人类文明的发展，地球科学知识不断积累。中国是一个历史悠久的文明古国，其地球科学思想萌芽早，知识积累也是其他任何国家无法比拟的。现在，我们可以看到几个例子。
《愚公》、《山海经》和《管子》是春秋战国时期(公元前770 ~ 221)最早的地理、地质、水文、气象著作。《龚宇》记载了公元前21世纪大禹治水时中国各地的矿产资源和山川河流。《山海经》不仅描述了山川、河流、湖泊、沼泽、气候和气象，还描述了72种岩石(矿石)和矿物(金属和非金属矿物)以及440多个矿产地。这本书把矿物分为金、玉、石、土四大类，是世界上最早的矿物分类。《管子》一书精辟地论述了金属矿床和找矿的知识，指出了用矿物组合和“铁帽子”作为找矿标志的科学方法。该书还正确地分析了河流横向环流和横向侵蚀形成曲流的过程。
东汉杰出的科学家张衡于132年制造了世界上第一台地动仪——候风地动仪。发生在650公里外的陇西地震，在138(图0-5)用这台地震仪在洛阳正确地探测到了。
《水镜札记》是南北朝时期杰出的地理学家李道元在研究前人著作的基础上，结合自己的实际考察，于512至518年间写成的一部著名的地学著作。这本书涉及的范围很广(包括中国和一些邻近地区)，包括河流、瀑布、湖泊、沙尘暴、洞穴、火山、地震、山崩、滑坡、温泉、陨石、化石、矿物、岩石和矿物等。，至今仍有参考价值。
图0-5张衡的等待地动仪及其简要原理
(引自徐邦亮，1994)
宋代沈括(1031 ~ 1095)写的《孟茜碧潭》是一部百科全书式的辉煌之作，内容包括陨石、地震、矿产、矿床、化石、河流、地下水、海陆变迁、地形测绘等。比如，书中论述了流水的侵蚀和沉淀；推断华北平原是河流从上游向下游输送泥沙形成的冲积平原。沈括还根据太行山东麓山崖间见到的海螺、贻贝化石，推断出这个离海千里的地方在古代曾是海边。他还根据化石推测古地理和古气候的变化。沈括对化石的正确认识，比意大利达芬奇提出的类似观点早了400年。他分析地质问题所用的古今类比方法，比莱尔在《地质学原理》中应用的“由现在论过去”的方法早了700多年。沈括还首次使用了科学术语“油”，一直沿用至今。
《徐霞客游记》是明代徐洪祖(1586 ~ 1641)写的一部纪实作品，对中国许多地区的喀斯特、火山、温泉、水文、地貌、矿产等都作了非常有价值的记述。
《天宫吴凯》为明代宋所作(1587 ~ 1661？)，详细记录了非金属矿物的来源、形状和性质；根据煤的硬度和挥发分，提出了世界上较早的煤的分类。特别是首次系统地论述了我国采矿工程技术，对矿物开采、井下支护、通风、矿山充填和矿石洗选进行了详细描述。
由此可见，中国古代地球科学思想十分活跃，积累了丰富的理论和实践知识，在该领域的研究和成果在世界上名列前茅。但由于中国闭关自守的封建社会(尤其是后期)，重视经学，轻视生产技术和自然科学知识，搞文化专制，严重阻碍了科学的发展，也使现代地球科学的一些主要学科无法在中国这片沃土上诞生。
国外古代地质知识的萌发和积累主要集中在欧洲。
古希腊学者毕达哥拉斯(约公元前571 ~ 497年)、亚里士多德(公元前384 ~ 342年)和戴奥·弗拉斯特(公元前370 ~ 287年)都观察和解释了火山爆发、地震和尼罗河三角洲的形成，并根据岩层中的贝壳化石得出了海陆变迁的概念。他们还对一些岩石和矿物进行了初步研究。
古罗马的斯特拉波(公元前63年-公元20年)撰写了《地理学》，论述了化石、海陆变迁、火山、地震、河流搬运、沉积作用等诸多地质问题。公元77年，普林尼·普林尼(Pliny Prini)撰写了《自然史》，其中专门论述了矿物，包括当时使用的各种矿物、建筑用石头、矿石和矿床、采矿和冶金方法。同时代的塞内卡写了《自然问题》等书，论述了与地震、地下水和地表水有关的问题，认识到了河流对山谷的侵蚀。
14 ~ 16世纪欧洲的“文艺复兴”运动给地球科学的发展带来了活力，为地球科学的一些主要学科的建立准备了条件。
15年底到16年初，哥伦布和麦哲伦先后环球航行，证明了地球是球形的，对海洋和大陆的轮廓有了初步的认识。1530年到1540年，哥白尼写出了巨著《天体运行论》，提出了“日心说”。这对这一时期的地球科学研究起到了重要的推动作用。
意大利艺术家达芬奇(1452 ~ 1519)早年领导了运河开凿工程，他对化石进行了细致的观察和研究。他认为今天在内陆或高山发现的海相贝壳化石是最初生长在海水中，后来被沉积物掩埋的生物，并由此推断海陆变迁的历史。他还明确指出，地球是一本书，比文字记录更早，科学的任务是阅读地球本身的历史痕迹。
德国的阿格里科拉(1494 ~ 1555)撰写了7部地质学专著，不仅描述了德国矿业的发展，还根据矿物的物理性质对矿物进行了分类，探讨了矿物与金属矿床的形成和关系，涉及了古生物学等问题。后人称其为“矿物学之父”。
(2)地球科学主要学科的建立和初步发展(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，没有独立的科学。17世纪，由于工业和自然科学的发展，特别是物理学的成就，更加精密的气象仪器相继被发明，气象学的理论得到极大的完善，使气象学逐渐发展成为一门独立的科学。
意大利物理学家和天文学家伽利略在1593年发明了温度计，意大利物理学家和数学家托里拆利在1643年发明了气压计。多亏了温度计、气压计等气象仪器，1653年在意大利北部建立了气象观测站，此后许多国家也建立了气象站。由于广泛的气象观测和丰富的资料，气象学的研究逐步深入。此后，随着无线电通信技术的发展，气象观测结果可以迅速传播到全国各地，使编制和研究天气图成为可能。天气图从1860迅速发展到1865。19年底，小范围高空探测的高空气象已经开始。
在地球科学中，地质学的创立具有划时代的意义。欧洲在18世纪开始进入工业革命。随着生产力的提高和现代工业化的迅速发展，对矿产的需求日益增加，促进了找矿和地质调查工作，使地质知识和资料迅速积累，并逐渐形成了系统的地质理论和研究方法，于是地质学作为一门独立的科学诞生了。
在地质学的建立过程中，学术争论起到了重要的推动作用。当时，争论是在“财神论”和“水论”之间以及“同质论”和“灾变论”之间进行的。
“水说”认为，所有构成地壳的岩石都是由原始海洋物质结晶沉淀而成。他们否认地壳运动的存在，并坚持认为，自从地球获得目前的形式以来，它并没有发生很大的变化。“水论”的代表人物是德国弗赖堡矿业学院矿物学教授魏尔纳(1750 ~ 1817)。他在矿物学研究方面做出了杰出的贡献。由于他丰富的知识和雄辩的口才，他在欧洲享有盛名，在传播地质学方面发挥了重要作用。魏尔纳于1775年开始在弗赖堡讲学，“水城论”兴起。由于他的名声，众多的弟子和崇拜者，以及教会的支持，“水城论”在18世纪后期的欧洲占据了统治地位。
“深成说”的代表是苏格兰地质学家赫顿，他发现花岗岩脉正侵入沉积岩中(具有烘烤和冷凝边缘)，认为除沉积岩外，还有岩浆岩和变质岩，认为地壳不断演化，是缓慢的，过去的变化与现代相似。他正确地论述了三大岩石的成因和地壳运动的影响。赫顿于1785年发表了他的第一篇关于地球理论的论文，提出了“普鲁托主义”，并于1795年重新出版了《地球理论》一书，系统阐述了自己的观点。这本书为地质学的创立奠定了基础。
此后，“水城论”与“财阀论”的争论愈演愈烈。随着人们对地质现象的了解越来越多，到19世纪初，“水城论”逐渐被抛弃，“财神论”获胜。
“灾变论”的代表是法国学者居·叶巍(1769 ~ 1832)。他在研究巴黎盆地地层中的生物化石时，发现在紧密分离的岩层中，动植物化石群的种属存在显著差异。曾经出现的古生物物种彻底灭绝，被新的物种取代。他还看到较老的岩石被折叠起来，上面覆盖着水平的沉积岩。于是他认为地壳发生了巨大的变化，产生了世界范围的大灾变，导致了地形变化和生物灭绝，后来在一定时期内重新创造了新的动植物；地球已经经历了许多这样的大灾难和再创造过程；最后一次大灾变发生在五六千年前，造就了地球现在的样子和生物特征。巨的“突变理论”强调地质发展过程中的突变阶段。虽然有合理的成分，但他否定了地球的渐进发展，将地球的演化历史归结于一系列与古今无关的不可知的突发事件。居叶巍的反复创造和不可知的观点，尤其是最后一次大灾难发生的时间，与《圣经》中讨论的“大洪水时期”和“诺亚方舟”的神话相吻合，因此受到教会的欢迎并广为流传。
与“突变论”相反的，是生物进化论和地质学的“均一论”。法国学者拉马克(1744 ~ 1829)发现，物种之间存在过渡关系，有些物种是由另一个物种发展而来，存在从低等物种向高等物种进化的规律。他认为生物进化的过程极其漫长，而且是和地球的进化历史同时进行的。英国地质学家莱尔继承了赫顿的思想。经过与“突变理论”的多次争论，在前人成果和大量实际资料的基础上，他在1830年出版的《地质学原理》第一卷中明确提出了地质实在论原理，指出地球的发展历史是漫长的，没有必要求助于上帝和突变来解释地球的历史。这是“均等化理论”的主要思想。
随着《地质学原理》的出版，“变分法”的思想逐渐取代了突变理论，实在论原则成为地质学方法论的一个基本原则。但“变异论”强调“古今一致”和渐进发展，但也有忽视地壳发展过程中快速发展阶段(突变)的片面性。
莱尔的《地质学原理》(三卷本)是一部划时代的著作，它界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，是地质科学建立的标志。从此，地质科学进入了初步发展时期，到19年底取得了长足的进步。在地壳物质组成的研究中，用显微镜研究岩石和矿物的方法已经充分发展，地球化学工作也逐渐开展起来。
在研究地壳演化历史中，逐渐建立了相对完善的相对地质年代表。北美学者霍尔和达纳在研究美国东部造山带的基础上，提出了“地槽”理论，对地质研究产生了深远的影响。在地质学的应用中，矿床学进一步发展，石油地质学诞生了。地震地质学和工程地质学也开始逐渐发展起来。
17世纪，德国地理学家瓦林尼亚斯(1622 ~ 1650)开始介绍哥白尼和伽利略的“太阳中心论”，提出专题地理学和普通地理学的区别。前者描述具体领域，后者阐述一般原则。18年底到19年初，洪堡(1769 ~ 1859)和里特(1779 ~ 1859)奠定了现代地理学的基础。
洪堡的代表作是《宇宙:世界本质简述》，共五卷。他首先通过计算气象要素的平均值来研究气候，提出了等温线的概念。1817年，他绘制了第一张世界年平均气温分布图，提出了大陆东西两端的气候差异，海洋性气候和大陆性气候类型。他观测了地形上升100 m时气温垂直下降0.6℃，研究了气候与植物分布和类型的关系，提出了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。他首先用地形剖面和地理比较来研究地理现象的规律性，奠定了自然地理学特别是气候学和植物地理学的一般原理。
里特通过地域描述和地面现象的综合比较，研究地理环境对人类活动的影响。他强调地理学要关注人与土地的关系，提出了比较地理学的概念。1817年里特地理学第一卷出版，1859 * * * 19年出版。
从那以后，地理学得到了进一步的发展。拉策的“地理环境论”和赫特纳的“地理方法论”是德国地理学的知名学者和流派。法国比较重要的地理学派是维达尔·布兰代斯和布鲁纳的“人地相关论”。美国著名的地理学理论是W.M.Davis (1899)提出的“地貌侵蚀旋回理论”，认为陆地的自然景观是由侵蚀造成的，地表形态是连续的、阶段性的，是地球内部结构和外力的结合。他把河流的发展分为青年期、成熟期和老年期，地壳的上升使河流复活。他的理论奠定了自然地理分析的基础。
(3)地球科学的革命和全面发展(20世纪至今)
20世纪以来，是现代地球科学发展的新时期。在此期间，传统地球科学发生了一系列革命，其中固体地球科学(包括地质学和地球物理学)的革命影响最为深远。
固体地球科学的革命主要是围绕大地构造理论中的活动论和固定论的思想革命。传统的地质学概念认为，大陆和海洋只是在原来的位置上垂直运动，它们的相对位置没有发生显著变化，因此被称为“固定论”，“地槽”和“地台”是其典型代表。“活动论”认为，大陆曾经有过漫长的水平运动，大陆与海洋的相对位置在不断变化。代表“活动论”的大地构造理论是“大陆漂移-海底扩张-板块构造论”。经过近半个世纪的争论，到20世纪60年代末，基于现代地质学和地球物理学研究成果的板块构造理论取得了决定性的胜利，推动了地质学和地球物理学领域的一场深刻革命。
同时，随着科学技术的进步，20世纪以来地质学取得了前所未有的全面发展。高温高压实验技术、同位素地质测年技术、电子计算机、电子显微镜、大陆超深钻探和深海钻探技术极大地推动了地质学的发展，地质学逐渐从定性的描述和分析转向半定量和定量的分析和研究。地球物理和地球化学方法在研究地球和地壳的物质成分、结构和运动特征方面取得了巨大成就，成为地质学发展的强大动力。空间技术在地质学中的应用取得了巨大成就，以空间技术为基础的新兴天文地质学显示出强大的生命力。这些研究将对了解地球的起源和演化，解决许多重大地质问题起到重要作用。
地质学的应用是推动地质学发展的动力。20世纪以来，除了传统的矿床学不断发展之外，许多新的理论被提出，石油地质学的发展尤为显著。水文地质、工程地质和地震地质的研究也发展迅速。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重视，并向纵深发展。
20世纪以来，地理学也发生了重要的革命，特别是在研究方法和手段上，通常被称为地理学的计量革命。20世纪50年代，地理学开始运用现代数学方法分析地理问题。65438-0955年，华盛顿大学地理系在加里森的主持下开设了第一个应用数理统计研究班，促进了计量地理学的发展。1963年，伯顿提出了“测量革命”的口号，将这股潮流推向了欧洲和世界。地理学计量革命的实质是利用现代数学方法和计算机、模型和模拟，使地理学理论精确、快速，从传统的定性分析过渡到定性和定量分析相结合。20世纪60年代以来，在计量革命的推动下，人们将地理环境和区域视为一个系统，应用计算机、遥感、遥测等大量新方法对系统及其相互作用进行建模和公式化，用数字和图像定量表达人地关系，解释区域差异和变化，从而科学预测地理环境的演变，实现人地关系的优化。这是地理信息系统的成功发展和广泛应用。这样，地理学从以前的现象描述发展到了科学解释和定量预测的新阶段。同时，由于社会的需要，出现了大量的应用地理学分支学科，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变得更加突出。20世纪前50年，气象观测开始从传统的地面观测向高空发展，主要使用风筝、气球等高空观测工具，达到的高度有限。自20世纪50年代以来，观测系统配备了激光、雷达和人造地球卫星等新技术和手段，极大地促进了气象学的发展。大规模的综合遥测、遥感，使得几个小时的短期灾害性天气预报不再是单纯的预报问题，而是实实在在的跟踪、实实在在的预报。随着计算机的广泛使用，大气现象的定量数值模拟已经成为现实。这些研究的进展也极大地促进了气象学基础理论的发展。
20世纪以来，地球科学的全面快速发展也导致了一些新的分支学科的诞生，如地球物理学、地球化学、海洋学、环境地球科学、地球系统科学等。海洋学和环境地球科学与人类的生活、生存和未来发展密切相关，因此受到科学家和全社会的高度重视，在地球科学中的地位越来越重要。20世纪后期，随着地球科学全面系统研究的深入，地球系统科学这一分支逐渐产生和发展起来。地球系统科学把地球看作是由多个层次和圈层组成的统一复合系统，强调用系统论的观点对整个地球系统(包括子系统)的过去、现在和未来的行为进行全面的、整体的研究。
(4)地球科学的发展前景
21世纪将是人类社会发展史上的大变革时代。当今，地球科学的发展正进入建立新的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；然而，自然环境的应用处于从属地位。这样建立起来的地球科学知识体系，可以概括为一个“基于资源”的知识体系。然而，随着社会的发展，当代社会正面临着人口、资源、灾害和环境的挑战，这些挑战直接威胁着未来的社会进步和人类的生存状况。面对这些挑战，地球科学不仅要解决能源和矿产问题，还要帮助解决当今社会生活中的许多重大问题:减少自然和人为灾害，寻找和确保充足和清洁的水源，安全处理有毒、有害和放射性废物，为合理利用自然资源、综合治理环境污染、保护生态环境、土地改良和农业发展提供地球科学知识和服务。这些都将推动地球科学从资源时代进入环境时代和综合社会应用时代。因此，要求其社会功能从“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也将发生相应的变化。例如，1993年，美国国家研究委员会发表了一份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。报告明确指出，未来固体地球科学的主要任务是:①了解全球系统所涉及的过程，特别关注地球系统各组成部分之间的关系和相互作用；②提供充足的自然资源(水、矿物和燃料)；③减轻地质灾害；④调节全球和区域环境变化。这份报告强调，地球科学研究的目标是了解整个地球系统的过去、现在和未来的行为，从而保证人类社会可持续发展的条件。
地球系统科学的兴起是地球科学发展适应上述新形势的结果。由于地球系统科学与地球环境、资源、全球变化和人类可持续发展的研究紧密结合，代表了地球科学新的研究前沿和学科生长点，因而受到了广大科学工作者和全社会的高度关注。目前，地球系统科学涉及的重点研究内容主要包括地球系统的相互作用和动力学、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许多重要进展，可以预见其研究的深度、广度和应用前景将不可估量。
当然，地球系统科学不能取代传统地球科学各个分支的研究和发展。相反，它要求他们研究和提供对地球系统各组成部分的特征和规律的更深入和准确的了解，以便进行系统的分析和综合。因此，从某种意义上说，地球系统科学与地球科学各分支的关系是整体与部分、整体与部分的关系。
由上可见，未来的地球科学将成为一门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，它在社会发展和自然科学中的地位将进一步提高。因此，有科学家大胆预言“21世纪将是地球科学的世纪”。