地球科学的研究方法

由于地球科学以巨大的地球为研究对象,具有很强的实用性和应用性,其研究方法与其他自然科学有很大不同。它既依赖于数学、物理、化学、生物和天文学的一些研究方法,又有其自身的特殊性。

地球科学的研究方法与其研究对象的特征有关,地球作为其研究对象主要具有以下特征:

(1)空间的普适性和微观性

地球是一个巨大的物体,其周长大于4×104 km,表面积大于5×108 km2。所以无论是研究大气圈、水圈、生物圈、固体地球,它的空间都是非常广阔的。如此巨大的空间和物体本身是由不同尺度或尺度的空间和物质体组成的。因此,要研究巨大的地球,就要研究不同尺度或尺度的空间及其物质体,特别是微观空间和物质特征,如不同学科中其对应物体的化学成分和化学元素特征。地质学要研究矿物的晶体结构,水文海洋学要研究水质点的运动,气象学要研究气体分子的活动。而且,整个地球系统是一个开放的动态系统,它与宇宙环境(地月系统、太阳系、星系等)之间总是存在着物质和能量的交换。).地球系统中各种自然现象和过程的发生、发展和演化都与其所处的宇宙环境密不可分。因此,现代地球科学开始充分重视研究宇宙环境对地球系统的影响;也就是说,研究的空间范围超越了地球系统,涉及到更宏观的宇宙环境(图0-1)。只有把不同尺度的研究结合起来,把宏观和微观结合起来,才能得到正确的、规律性的认识。

(2)整体性(或系统性)和多样性(或差异性和多样性)

整个地球是一个有机整体,是由不同层次、密切相关的子系统组成的统一系统;不仅在空间上,地球内外圈是连续的整体,而且地球内外圈之间、内外圈之间、外圈之间是相互作用、相互影响、相互渗透的。一个圆或一个部分的运动和变化,会不同程度地影响其他部分甚至其他圆的变化,充分显示了它们的有机整体性。然而,地球也是一个非各向同性体,其不同组成部分(或子系统)在物质状态、运动和演化特征上存在一定差异,呈现多样性或多元性。比如不同地区的地理环境和气候环境有明显的差异,不同地区的水文条件也有明显的差异。固体地球的差异,尤其是地壳不同部位的差异更显著,比如大陆、海洋、山脉、平原。这种差异不仅表现在空间和物质的构成上,还表现在它们的运动、变化、形成和发展上。

(3)时间的持续性和瞬时性

根据科学计算,目前地球可追溯的年龄长达46亿年。在这漫长的时间里,地球上发生了许多重要的自然事件,如海陆变迁、山脉形成、生物进化等等。这些事件大多极其缓慢,往往需要数百万年甚至数千万年才能完成。短暂的生命很难目睹这些事件的全过程,只能观察事件完成后留下的结果和正在发生的事件的某一阶段。但是,有些事件可以在短时间内完成。比如天气现象往往以天、小时甚至更短的时间表现出来,地震、火山爆发也是在极短的时间内发生。

(4)自然过程的复杂性和有序性。

地球的演化经历了一个复杂的过程。既有物理变化,也有化学变化;既有地表常温常压下的作用过程,也有地下深处高温高压下的作用过程。此外,各种自然过程会受到地域条件的影响,具有地域差异。因此,自然过程极其复杂,而且由于其漫长性和不可逆性,依靠人类的力量很难完全重塑和再现其过程,从而增加了地球科学研究的艰巨性。但是,这些复杂的自然过程并不是混乱的,它们都有发生发展的条件和过程,都有一定的规律可循,这也是地球科学家的重要研究任务。

研究对象的特点决定了地球科学有一些独特的研究方法,并且随着科学技术的发展和进步,地球科学的研究方法会不断得到补充和提升。现将选择的研究方法简述如下:

(1)实地调查

空间的广阔性决定了地球科学家首先要在野外观察自然,把它作为自然实验室来研究,而不可能把庞大复杂的自然搬到室内来研究。野外调查是地球科学工作中最基本、最重要的环节,可以获得研究对象的第一手资料。如野外地质调查、水系及水文状况调查、自然地理调查、土壤调查、资源与环境调查等。只有去现场认真细致地收集原始数据,才能为正确解决地球科学问题提供可能。

(2)仪器观察

仪器观测是地球科学获取研究对象定性和定量数据的重要手段。通过仪器观测,可以了解研究对象的各种物理化学性质、静态特性和参数的动态变化,为科学分析和推理提供依据。仪器观测为地球研究步入科学轨道提供了条件。如16 ~ 17世纪温度、压力、湿度等气象仪器的发明创造,使气象学逐渐发展成为一门完善的学科。现代高精度常规和高空气象仪器观测仍然是气象学的重要研究基础。同样,仪器观测在水文学和海洋学研究中也占有特别重要的地位。仪器观测在现代地球物理和地质学研究中,在土壤学研究中,特别是在环境地学的各种监测和评价中,起着极其重要的作用。实地的仪器观察也属于第一手资料。除了科学家根据不同的研究目的进行各种观测外,人们还经常设立各种定点观测站,如气象站、水文站、地震站、环境监测站等。,并通过大量台站建立观测网络,以便获得系统的观测数据。

(3)大地测量

这是地球科学中一种古老而又迅速发展的重要研究方法,对地球科学的发展起到了重要的推动作用。早在古埃及和中国时代,人们就借助步测等简单的测量工具进行土地规划、地形地理测绘、水利工程建设。到了近代,随着测量仪器的进步,逐渐发展为传统的大地水准测量和大地三角测量。20世纪中期发展起来的海洋探测技术(声纳)对海洋学的发展和地质学的革命起了决定性的作用。近年来发展起来的激光测距和全球定位系统(GPS)给地球科学带来了深远的影响。大地测量方法对于地理学、地质学、海洋学、水文学和土壤学的研究非常重要。

(4)航空、航天和遥感技术

现代航空、航天和遥感技术极大地推动了地球科学的发展,成为现代地球科学中不可或缺的重要研究手段。由于地球空间广阔,需要充分利用航空、航天、遥感技术,如卫星云图、卫星遥感影像、航拍照片等,在短时间内获取大区域的信息,特别是大区域的动态变化。航空、航天和遥感技术对现代气象学的发展和进步起了决定性作用,成为其重要支柱。它们也是现代海洋学和地理学的主要研究方法,在现代地质学、土壤学、水文学和环境地学中也起着重要的作用。

(5)实验室分析、测试和科学实验

这是地球科学各学科普遍采用的一种研究方法。它主要是从研究对象中获取各种样品或标本,然后在实验室进行分析测试,从而获得物质的成分、结构、理化性质和形成历史等定性和定量信息,通过科学的实验分析推断其形成、演化过程和发展趋势。随着科学的发展,地球科学中的实验科学取得了长足的进步。然而,由于自然过程影响因素复杂、时间长、空间广,以及现代实验技术的限制,在地球科学中有时很难开展与自然相符的真实实验。因此,在地球科学中,我们往往简化影响因素,创造一些特定的物理化学环境,模拟自然现象的成因、过程和发展规律。这种方法叫做模拟实验。模拟实验只能是近似的,实验结果往往与自然过程有一定差距,但对再现自然现象的过程,验证和探索地球科学规律有重要作用。

(6)历史比较法

这是地质学最基本的方法论。漫长的时间决定了地质学必须用历史的和辩证的方法来研究。虽然人类不可能目睹地质事件的全过程,但我们可以利用各种地质事件遗留下来的地质现象和结果以及现今地质作用的规律来推断古代地质事件的条件、过程和特征。这就是所谓“历史比较法”的原则(或“现实主义原则”)。这个原理是由英国地质学家C·莱尔(1791 ~ 1875,现代地质学的创始人)在赫顿(J·赫顿,1726 ~ 1797,苏格兰地质学家,被称为。莱尔明确指出:“现在是理解过去的关键。”例如,现代珊瑚只生活在温暖、平静和清洁的浅海环境中。如果在古代形成的岩石中发现珊瑚化石,可以推断这些岩石也是在古代温暖清洁的浅海环境中形成的(图0-4);再比如现在的火山爆发可以形成一种特殊的岩石——火山岩。如果在一个地区发现了古火山岩,就可以推断当时这个地区发生过火山喷发,等等。历史比较法是研究地球发展史的一种分析推理方法,它的提出对现代地质学的发展起到了重要的推动作用。

图0-2英国地质学家莱尔

(C .莱尔,1791 ~ 1875)

图0-3苏格兰地质学家赫顿

(赫顿,1726 ~ 1797)

图0-4生活在温暖清洁的浅水中的珊瑚

a-现代珊瑚;两亿多年前的珊瑚化石

这一原则的理论基础是“变分法”。变分法认为,在漫长的地质历史中,地球的演化总是以渐进的方式进行的,其方式和结果无论过去还是现在都是一致的。然而,现代地质学的研究证明,变异理论的观点是片面的、机械的。地球的进化是不可逆的,现在不是过去的简单重复,而是既相似又进步。例如,地质学中的许多研究揭示,地球演化过程中,地表大气圈、水圈和生物圈的组成、数量、温度和压力,以及地球或地壳的内部结构和构造都在不断变化,不同程度地不同于现代情况,这必然导致当时地质作用方式和过程的一系列不同特征。地球的演化并不总是采取渐变和匀速变化的形式,而是在匀速变化的过程中存在一些短暂而剧烈的变化。例如,在岩层中经常发现物质成分和结构的突然变化;在古生物学的进化过程中,经常会发现大量生物物种在短时间内突然灭绝,比如6500万年前左右恐龙的快速灭绝。因此,整个地球的发展过程应该是一个渐变—激变—渐变的递进往复发展过程,这也符合量变—质变—量变的哲学规律。

因此,在运用历史比较法时,一定要以历史的、辩证的、发展的思想为指导,而不能简单机械地“从现在论过去”,这样才能得出正确的结论。事实上,地质学中“由今论古”的分析方法,对于地球科学中的地球物理、地球化学、地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科的研究,都具有重要的借鉴意义。

(7)综合分析

自然过程的复杂性和不可逆性决定了地球科学必须采用综合分析的研究方法。在地球演化的漫长过程中,不同时期、不同方式(物理、化学、生物等)的自然效应。)和不同的环境(地表、地下、空气等。)留给我们一个复杂的结果模式。为了按照这种模式还原和分析自然界的发展过程,需要运用多学科的原理和方法,结合复杂的影响因素进行综合分析。这和数学、物理、化学等学科单纯靠演绎和实验来学习是很不一样的。比如在地质学中,由于过程和影响因素非常复杂,根据某些个体特征,运用单一学科的原理和方法,往往会得出片面甚至错误的结论,这就是地质学研究中经常遇到的“多解”或“不确定性”问题。所以,只有在综合各方面研究的基础上,才能得出一个统一的、最实际的结论。

(8)计算机技术的应用

有人说,从20世纪下半叶开始,人类社会进入了计算机时代,计算机技术的应用给各种自然科学带来了深刻的影响和革命性的变化。地球科学也是如此。例如,在现代气象学、地理学、地质学、地球物理学、海洋学、环境地球科学等领域,计算机技术发挥了巨大的作用,成为不可或缺的研究手段和方法。而且,计算机技术正在渗透到地球科学的各个领域。计算机技术的应用为解决地球科学中研究对象空间广阔、观测和处理数据量大、模拟形成和演化过程复杂等问题带来了无限前景。因此,为了提高地球科学的研究水平,我们必须充分重视、加强和进一步发展计算机技术在地球科学中的应用。

20世纪末开始在世界范围内广泛兴起的“数字地球”项目或“数字地球”研究,是现代计算机技术、信息科学和地球科学相结合的产物。“数字地球”主要探讨利用现代计算机技术和信息科学对整个地球系统进行全方位定量化、数字化描述的方法,建立相关的“数字地球”资源平台,服务于地球科学的研究和应用。因此,“数字地球”本质上是地球系统的数字化表示,其基本理论支撑主要包括两个相互联系的方面,即与地球科学相关的理论和与数字技术相关的理论。比数字地球更早兴起的地理信息系统的成功开发和广泛应用,可以说为数字地球的兴起和发展奠定了良好的基础。但“数字地球”将涵盖地球科学的所有研究分支或领域(不仅仅是地理学),所涉及的科学内容和数据是“地理信息系统”无法比拟的。1998 65438+10月,美国前副总统戈尔在“开放GIS联盟”年会上首次提出了“数字地球”的概念,认为“数字地球”是指基于地球坐标的多分辨率海量数据和多维显示的虚拟系统。数字地球的概念一提出,立即引起了全世界的关注,并取得了快速发展。数字地球的研究和实现具有非常广阔的应用前景,如资源和环境的监测和管理,气候和各种自然灾害的预测、预报和预防,土地利用和各种生产生活的规划,以及一些危机事件的处理等。也为地球科学教育和多学科研究提供了优秀的资源平台,特别是为地球系统科学中的圈层相互作用、全球变化和人类可持续发展的研究创造了有利条件。

地球科学研究的工作方法通常有以下程序:

(1)数据收集

根据要研究的课题和要解决的问题,尽可能详细、客观、系统地收集各种相关数据、样本等资料。数据来源包括详细的现场调查、仪器观察和收集、现有数据和结果的分析等。

(2)归纳、综合和推理

运用地球科学的研究方法和原理,对收集到的数据进行加工、归纳和综合,做出符合客观实际的推断。

(3)推理的验证

通过生产实践或科学实验验证或检验推论是否正确,并在实践过程中不断修正错误,提高认识,总结规律。

地球科学是一门实用科学。通过不断的科学实践,人们逐渐形成了许多假说和理论。假设是基于一些客观现象得出的结论,需要进一步验证;理论是经过实践检验并在某一学术领域形成的理论或命题。假说和理论对地球科学的发展起着重要的推动作用。它们为探索地球科学的客观规律指明了方向,在实践中起到了一定的指导作用。同时在实践中不断检验、补充、修正,使之越来越完善。当然,一些假设和理论也可能在实践中被抛弃或否定。