地球科学概论

ChenGou

EOE101 Review

树仁24级 / 徐政男 / 课程总评 A(96) / 论文分数：24 / Version : V1.0.0_250208_release

前言

  • 关于本文： 本文是 Sustech 地球科学概论（EOE101）的复习笔记。这是一门相对较简单的通识必修课程，基于高中地理的知识水平和期末考试的应试需求，笔者根据授课PPT归纳了一些可能的重点。因为课程资料使用英文而试卷采用中文，笔记为记录的方便采用了一些不严格的表述。相对常识性的内容如俯冲带岩石结构、海岸地貌形态，与记忆性的内容如数据、元素比重、地质年代表内容等，出于简略的考虑未做记录。本笔记适合修读本课程的同学参考复习，或者高中地理学生拓展知识使用。

  • 关于笔者：有相关问题、需要交流或者勘误，想要联系我？欢迎发送邮件至12412903@mail.sustech.edu.cn，或者微信联系我。本笔记未来可能放到个人 blog 中（建设中）。有学习疑问、个人问题也欢迎联系我！

  • 关于课程学习建议：重视简单的小测，防止被卡绩点；本人是王辰老师，讲课朴实无华，建议选择王蕊嘉老师，讲课因果清晰、重点突出；最后的期末考试十分简单，但是个人感觉较难拿到满分；个人认为无论是临时抱佛脚还是好好听课都很适合的一门课程。

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课程笔记

  • 总领性结构框架图

    • 海洋关联性!https://api2.mubu.com/v3/document_image/f7e61b10-6564-47e2-a6c7-b6ef6cdb9982-5709998.jpg

    • 地理圈关联性

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  • Lecture 2 : Big Bang

    • 宇宙大爆炸假说和宇宙膨胀模型证据支持
      • 黑夜佯谬 Dark Sky Paradox
      • 宇宙红移：速度由红移计算，星系距离由标准主序星(标准烛光法）计算和星系大小，取倒数得出宇宙年龄
      • 宇宙微波背景辐射，说明均一性 omnipresent
      • 宇宙物质的氢氦元素比例

  • Lecture 3 : Origin of Element

    • 元素的产生
      • 中子-负电子-光子-正电子-中子
        • nuclei图，衰变方式，稳定岛理论
      • 宇宙大爆炸冷却模型：物质生成和分配
        • 中子解体衰变成光子，光子核反应形成氢。1-5 号产生于宇宙大爆炸初期
        • 早期物质重力作用聚合后行星内建造更重元素，核聚变
        • 超新星爆炸生成比结合能大于铁Fe56的元素，中子捕获
      • 地球的元素丰度与星云物质类似
      • 月球起源假说：月球：无核，物质相似
        • 捕获
        • 地球解体
        • 分裂
      • 分子的产生：在超新星分配元素后在行星星云中产生
        • 三个因素从原子形成分子
      • 含硅矿物和有机物在星云中存在

  • Lecture 4 : Formation of Solar System

    • 共轨道、黄道面
    • Bode‘s Law 用于预测行星的顺序和太阳距离的关系（接近线性，包括小行星带）
    • 内外层（小行星带）质量体积外层冰气，密度内层岩石金属—靠近内层太阳风，gas volatility
      • 陨石元素丰度和太阳大气相近
    • 金星自转方向不同

  • Lecture 5 : The Age of Universe and Earth

    • 绝对地质年代学
      • 放射性年代法：大气交换衰变
    • 相对地质年代学
      • 沉积岩分层
      • 化石分层
      • 磁地层

  • Lecture 6 : Interior Modification

    • 主要证据：地球密度5.5g，地表岩石2.7g；转动惯量的理论计算——推断地球内部有更重物质
    • 地震波：S waves 横波，折射说（向内部）
    • 地球圈层形成的主要机理假说
      • 基本原理：地球内部压力上升，物质密度上升。外核温度大铁融化，内核压力大，铁变成固体
      • 同质吸积：密度分化/异质吸积：先形成金属内核但是硅酸盐比金属先凝固
      • 形成速度差别：吸积和核心同时发生：地幔同位素比例和地核相同。渐进形成。核幔同位素
      • 不同圈层的元素组成差别，岩石圈
        • 地壳亲岩浆magma，地幔含硅亲岩石元素lithosphere，地核金属元素

  • Lecture 7 : Plate Tectonics

    • 板块构造学说-大陆漂移学说
      • 岩石先在水平方向形成，然后再受到挤压改变方向。
      • dilemma : force, destroy the crust
    • 岩石的变化-地球磁场随时间的变化
      • 海底扩张的证据：大洋中脊处新洋壳的不断形成和俯冲带旧洋壳的消亡，洋壳年龄。岩石磁性相反、条带状对称，说明海底扩张形成新岩石
    • 板块边界：生长、消亡、滑移/错位
    • 大洋中脊处的火山活动形成海底
    • 洋壳玄武岩密度大，陆壳花岗岩

  • Lecture 8 : Natural Hazards

    • Earthquake

      • 土壤液化：破坏土壤孔隙结构，增强土壤流动性，破坏建筑物地基，建筑物上部阻尼器

    • Volcanoes eruption

      • 硅黏度（流纹岩、安山岩）、气体含量（爆炸性喷发）
      • Stratovolcano复式火山

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    • Tsunami

    • Landslides

    • Tropical Cyclone

    • Droughts

    • Floods

  • Lecture 9 : Origin of Life

    • 生命起源的相关假说：CHO，NSP。

      • 自发生成说：Redi实验封闭鲜肉，Pasteur实验液封曲颈烧瓶煮沸肉汤

      • 共同起源假说证据：

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        • Common energy pathways : CHemosynthesis(热液烟囱), photosynthesis
        • metabolism : 维持生命体征的化学反应
        • 左旋选择性
        • LUCA : Last Universal Common Ancestor

      • 重要步骤：进化产生手性、形成核膜、磷酸脂质双分子层包裹生物大分子形成细胞、无生命分子自我复制

      • ！五个过程！

        • 有机分子形成条件
          • 宇宙分子可以运移到地球上
          • 大气具有还原性：还原性原始大气生成小分子有机物 : Miller-Urey Experiment
          • 与深海热液喷口的类似条件下（高温高压反应活性）
          • 聚合物能在无酶无细胞条件下自发性形成
          • 单体可以脱水缩合
        • 聚合物形成
          • 脱水理论（化学依据）
          • Clay Breeding Ground : 粘土矿物为小分子复制成大分子提供帮助
        • 手性选择：生物体蛋白质左手手性
        • 细胞容器的形成：细胞膜、脂质体、细胞核
        • 繁殖和自然选择

      • 形态学证据：叠层石证明蓝藻形成，地球最早的生命迹象

    • 元素含量的原因与组成：

      • 水溶性反应、化学载体、水的自然丰富性
      • 水的优良性质：内聚力、吸附力、高表面张力、温度密度变化、高比热、优异溶解性
      • 碳的优良性质：自成键形成复杂化合物、丰富结构、多种形态存在形式、存在可溶性与非可溶性变化、多种价态
      • 碳水化合物、蛋白质、脂肪、核酸

  • Lecture 10 : Oxygen Production

    • 原始大气（氢气）的形成地热、太阳风消散，火山喷发形成次生大气，现代大气

    • 氧气平衡：光化学反应吸收、光合作用释放

      • 早期地球生命的证据：微生物化石、叠层石生物遗体、沉积岩的古代有机碳
      • 蓝藻菌的重要作用和真核生物的产生
      • 两种结果：slow, gradual increase, Great Oxidation Event(GOE), Snowball Earth

    • 氧气含量增长的重要证据：元古宙前后期氧化事件Boring Billion，前GOE后NOE，NOE大冰期结束固定细菌出现影响CO循环

    • snowball earth 是

      氧气氧化甲烷，温室效应强度差别

      • 碳同位素Carbon Isotope：生物选择性吸收利用，对比沉积岩中偏好碳同位素笔力比例差别
      • 条带状含铁建造BIF：增加红床，海水氧化环境
      • 硫同位素非质量分馏SMIF：针对火山硫氧化含量。同位素反应速率差异
      • 沉积岩中的Mo钼元素同位素比例

  • Lecture 11 : Ocean Introduction

    • 海洋的数据认知
      • 全球海洋占比0.7，深海占比0.5（passive margin为界限)，Pacific Ocean 大于陆地占比。地球唯一液态水-合适的日地距离。分为四个principal ocean + Southern/Antarctic ocean
      • Morphology : 平均陆地高度740m, 平均海洋深度3734m, 中位深度4093m
      • 产生0.5氧气，海平面上涨15cm
      • 海洋开发资源益处：矿物、油气、生物食物-领海基线等等规定
    • 海底地形测量历程
      • ADCP：轮船的多波束声呐测线数据
      • ARGO float drifting, 卫星通信。工作原理，deepsea drifting
      • Air-Sea Interaction Meteorology(ASIMET) 浮标基座
      • CTD : Conductivity, thermal, deep (温盐深仪）
      • Gravity Corer: 钻取岩芯，recover sediment core海底
      • Multi-beam Echo Souder : 测量水深
      • Magnetometer：测量海底磁场
      • Ocean Bottom Seismometer : underwater earthquakes
      • satellite-based remote sensing：特殊传感器遥感大尺度海洋现象
      • Ocean general circulation models ( OGCMs) 热力环流模型描述动态变化
    • 综合海洋起源说：水彗星+脱气

  • Lecture 12 : Marine Geology

    • 海洋地球物理：作为观测场所的原因和优势

    • Marine Geophysics

      • 海洋岩石圈与大洋中脊的演化

        • 厚度增加的原因：沉积堆积俯冲

        • 下沉的原因

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        • 大洋中脊增生的过程

          • 离散边界拉破板块形成地壳薄弱地带，洋中脊熔融主要是减压熔融而不是高温
          • 解释大洋中脊分段的过程：板块扩张过程速度不一样，张裂
          • 海洋洋壳年代越老越深
          • 俯冲带系统

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        • 碳循环过程：化学沉降、海洋沉积、俯冲进入岩石圈、火山喷发返回
        • 水循环过程：含水矿物的形成和脱水化，热液烟囱的排放（或热液喷口）
        • 俯冲带是元素循环活跃区，长度大致等同大洋中脊
        • 岩石循环（高中内容）

      • 海山：热点热柱模型（火山活点）

        • 形成机制

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      • 被动大陆边缘

        • 研究原因：有古老沉积物在远古抬升形成
        • 大陆和海洋地壳的因抬升产生的连续区域被称为passive margin

  • Lecture 13 : Physical Ocean

    • Marine Physics（非重点）

      • 水-盐-温-密曲线，相图等物理性质

        • 密度跃层：促进垂直和水平混合

      • Ocean water movement

        • waves, tides, ocean circulation(time scales), currents

          • 物质运移、海水混合、河口演变

        • shallow wave motion pattern

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        • 平衡潮理论：引力和向心力平衡

        • Dynamic Tide Theory（动态形成演化）

          • 大陆形状限制
          • 科里奥利力的偏转

        • Thermalhaline circulationL The conveyor Belt

          • 温度和盐度的驱动过程和形成机制
          • 绕极翻转流
          • 长期时间尺度，稳定大水团运动

  • Lecture 14 : Chemical Ocean

    • 海洋起源假说：无统一模型

      • 过程机理：重力压缩地球组成物质-放射性元素衰变加热内核-内核物质融化分层释放水气等形成原始大气-原始大气冷却使得水蒸气
      • 其他假说：氘富含，固体物质是水库碳库
        • 地球内核排出水蒸气
        • 高挥发性彗星

    • 海水成分

      • Conductivity-Temperature-depth Sampler, DMSO-DMSP
      • 典型盐度35ppt，死海340ppt。表面弱碱性8.1,
        • 碳酸盐缓冲
      • 常见元素含量：Cl, Na, SO4-, Mg, Ca, K
        • 常见的生物利用渠道：Zn制造酶，无氧呼吸载体Fe
      • 有机物质DOC(Dissolved)POC(particulate)动物残体等

    • 海洋地理化学过程

      • 热液烟囱

        • 火山降水和热液烟囱主要带来氯离子，阳离子钠来自淡水（大陆岩石风化），火山灰富含硫
        • 蒸发-降水水量平衡

      • 海洋二氧化碳来源与消失

        • 大气二氧化碳，海洋生物呼吸作用，有机物质氧化
        • 光合作用，化学岩石自养生物（吸收游离二氧化碳），碳酸盐沉积
        • 垂直keeling curve（表层光合作用，中间层生物吸收，底层生物减少）

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  • Lecture 16 : Climate Change & Global Warming

    • 水圈、地理圈、冰圈、地理圈、人类圈
    • 气候强迫：黑雪，温室气体。负值的有悬浮物和底层云
    • 全球海平面上升：通过潮汐测量。海洋热膨胀，山地冰川融化，北极格陵兰冰川融化
    • 海气相互作用：风压，摩擦，蒸发降水

  • Lecture 17 : Carbon and Water Cycle

    • 主要的碳库：地幔、岩石圈、生物圈、水圈、大气圈
    • 生物碳中死亡植物远大于活
    • 生物碳的消失过程：被食用、燃烧、分解、沉积
    • 碳泵：carbonate, biological, physical
    • 碳平衡过程：
      • 火山喷发、地幔排出
      • silicate weathering(硅风化) ，光合作用有机吸收，carbonate chemical 沉积，有机碳沉积，海洋溶解
    • 气候反馈过程
      • 正强化，冰反射形成雪球地球
      • 负反馈自稳态：二氧化碳增强气候活跃度，强化硅风化降低二氧化碳。或者是增强化学反应活性增强光合作用
    • 水循环的动力：重力和太阳辐射，水体更新周期（大气8d，土壤水分2m，冰川湖泊20y）
    • 大气中含有的水质量：3km高度以内
    • Tropical Clone, Atmospheric Rivers
      • 海气相互作用，中纬西风大洋东岸
      • 携带大量水蒸气，南极地区大气河时间，传输热量，中纬度地区暴雨

  • Lecture 18 : Air Pollution and Global Warming

    • 两极冰川融化不会导致全球均匀的海平面上升，冰川泡在海里面，而不是冰盖

  • Lecture 20 : Energy and Natural Resources

    • 油气形成过程
      • 矿源岩：厌氧沉积、
      • 熟化作用
      • 初次二次运移
      • 储存岩：多孔储存容量、可渗透流动
      • 围闭和盖层：阻止流失
      • 成藏时限

模拟题目部分

模拟试题1（徐政男）

  1. 为什么海洋岩石圈的厚度增加

  2. 海水酸化的机制、影响，以及为什么近年来引起人们的重视

  3. 描述洪水、干旱、滑坡的形成原因

  4. 描述地热能和太阳能的优势和劣势，各讲两点

  5. 解释气候强迫和气候反馈的含义，并各举一例

  6. 介绍主流月球起源假说，并说明证据（引力比例，大碰撞矿物成分）

  7. 介绍碳汇的主要途径

  8. 介绍海洋盐分的来源机制

  9. 简述生命起源的主要五个过程

  10. 介绍水的优良性质

  11. 介绍元素起源过程

模拟题目（李嘉忆）

  1. 解释地球内部各圈层主要性质

  2. 介绍地球大气的形成和演变过程

  3. 介绍地理系统正反馈和负反馈的含义并给出例子

  4. 地理传感器的分辨率分为哪些方便（多指的是卫星遥感）（时间分辨率：返回原地需要的时间、空间分辨率：像素对应面积、电磁分辨率：能辨别的最小电磁变化量）

  5. 介绍油气的形成过程和必要条件（漏成熟过程mutation）

  6. 介绍一下臭氧困境

  7. 介绍热盐循环的动力和机制

  8. 阐述板块构造理论（海底在洋中脊处生成，洋壳生成与消亡、陆壳永不俯冲）

  9. 简述地球氧气来源

注：加粗部分是与考题重合部分