地球科学研究面面观

地球科学研究面面观
北一女中周家祥
壹、地球科学的重要性与独特性
「地球科学」这个学门，可说是本世纪新兴的科学领域，由于新技术新工具的不断发展，我们对地球和宇宙环境的了解愈来愈多，也愈来愈深入，因而使得地球科学知识产生了惊人的成长。

经过数十年的发展，地球科学已经成为一个具有完整体系的学门了。

许多地球科学研究者怀着一股想要探究、说明和欣赏地球事物的求知欲望而投身这个专业，从这个角度观之，地球科学是纯科学。

不过，它有别于物理与化学之处，在于它兼顾溯往既来，并且常是面对边界不十分明确的观测研究对象。

另一方面，地球是人类生息繁衍的处所，地球科学可对人类生活做出实用的贡献，因此，它是一门应用科学。

我们的经济系统主要依赖取自地球的物质和能源来支撑；我们的生存更须透过保护环境、珍惜资源和减少天然灾害等途径才能延续不绝。

比起其它自然科学，地球科学在内容及方法上，具有更强烈的环境性、统整性及实用性，即使生物中的生态学，其探讨的范围及内容亦远不及地球科学来得广泛而统整；尤其是在人口爆炸、污染严重且资源短缺的现代世界，地球环境的永续利用已成为人类必须认真面对的课题，当今社会中常见到的环境议题，诸如酸雨、空气污染、臭氧洞、水资源与水污染、土地利用、气象预报、气候变迁、地震防制、地质灾害等等，每个社会公民及决策者都必须面对，也因而亟须具备处理这些议题的能力及素养，而这些正是地球科学所能提供的！
不同于传统自然科学，地球科学有其独特的特性，使其不论是在研究方法、研究对象及研究结果的应用上，都有别于其它科学。

美国Ohio 州立大学的V. Mayer 正在极力推广以「地球行星」为主要架构的科学课程计划：Earth Systems Science (Mayer etc., 1992)，他认为，地球科学至少能提出三方面的贡献，是其它自然科学所不能及的(Mayer, 1991)：
(一)哲学方面的贡献：地球科学研究的领域广泛，在时间上可以延伸至数十
亿年以上，在空间上则可扩及整个宇宙，因此能使我们了解自己在宇宙
时空中的地位。

这种对广大宇宙的认知，使人类很难再有借口自我膨胀，因而消除了自我中心主义的思想，油然产生珍惜资源及爱护环境的情操。

(二)方法学方面的贡献：地球科学面对的研究领域，在空间上是充满无数变
因及交互作用的开放系统，在时间上是动辄上百万年的长期变化，大部
份都是无法在实验室中重现的。

因此地球科学的研究方法通常具有历史
性及叙述性，而常运用观察，描述等方式来搜集并呈现信息，在解释真
实自然现象时，这往往是唯一的方法。

(三)概念方面的贡献：地球科学借着最新科技的协助，获得了许多对地球环
境的整合性信息，使得我们首次能将地球视之为一个整体的系统，以这
样的角度来看地球各个次系统发生的变化，以及其间的交互作用，更进
一步，能因此逐渐了解全球变迁的机制，为人类生存的环境寻得永续利
用之道。

国内的学者也有持类似看法者。

李春生及陈培源(民75)曾为文支持魏国彦(民68)的看法，认为地质学有四个最醒目的独特性格：
(一)自然界的地质作用全在开放系统下运作，因此其变量多元繁复。

(二)从广义及终极目地而言是历史的科学。

(三)研究的范围，在空间上可从极大到极小，因此重视推理的「正确性」远
胜于其「精确性」。

(四)重视实用性，关心人类居住的环境及资源的利用。

地质学是地球科学中的一个重要领域，因此它的特性可说是相当具有代表性，而其它领域如气象及海洋等，也的确有着相仿的性格。

总括来说，地球科学的一切独特性，正是缘于其强烈的「环境性」及「实用性」。

（原载「国中数学及自然科学课程教材教法个案研究计划地球科学科研究资料」，台湾师大科学教育中心编印，民83）
贰、地球科学的范畴
地球科学是一门以地球本体，海洋和大气所构成的地球系统为研究对象的科学，包括地球的内部、地表的陆地与海洋，围绕地球的大气及气圈以外的太空等的组成、结构、分布规律、相互关系及其发展变化的科学。

广义的地球科学包括了：天文学、太空科学、大气科学、海洋学、固态地球科学及地球科学系统等部门。

地球系统受到贮存于地球内部庞大热能的驱动而发生全球性的板块运动，造成了火山、地震、山脉、裂谷、大陆和海洋等不同的空间和时间尺度的地质现象和产物。

地球系统同时也接收来自太阳的大量辐射热能，引起变化多端的海洋和大气现象。

总之，地球系统是一个由固态、液态、气态和电浆态物质构成，同时被内在和外来热能驱动的复杂系统。

地球科学即是以这个系统的一部分或全部当作实验室的户外科学，不只研究它的现象，也追溯它的历史和预测它的未来。

兹将地球科学的范畴简要整理如下：
一、天文学(Astronomy)
研究关于天文的科学，研究的领域有天文物理、星球结构及演化、星际物质与银河系、天文观测、星系（太阳系、银河系）、天体的起源和演化等。

本世纪又有所谓的「太空科学」(Space Science)兴起，研究关于地球、太阳和星际之间的太空环境中所发生之一切自然及人为的现象。

所涵盖之空间从地面往外延伸，包括高层大气、电离层、磁层、行星际空间乃至于整个太阳系及太阳圈（日磁层），又可区分为三大领域：太空电浆物理、雷达探测、及遥测科学，
有些领域已跨出天文学之外，而涉及大气科学、海洋学及地质学。

此外，对于宇宙形成与演化的研究，在近年来也有独立形成「宇宙学」的趋势。

国内有关天文学的学术单位，各大学物理系所以台大、成大、清大、中大较著名，而中央大学有天文所、太空科学所、太空及遥测研究中心，中研院有天文物理所，中央气象局有天文站，还有台北市立天文科学教育馆。

二、大气科学(Atmospheric Science)
研究关于地球大气圈的科学，包括大气的组成、结构、能量、运动等，并探讨天气、气象及气候等。

(一) 大气物理学(Atmospheric Physics)
讨论大气结构与成分、电磁辐射与声波在大气中的传送，成云致雨所涉及之物理过程，与物理有密切关系者。

(二) 大气动力学(Atmospheric Dynamics)
研究大气运动及时间演变，并着重于流体动力学分析。

(三) 大气化学(Atmospheric Chemistry)
研究大气中化学物质的组成、成分、特性及其相互关系，并探讨化学物质对于大气环境的影响。

(四) 天气学(Synoptic Meteorology)
研究天气的科学，研究大气活动中的天气现象和天气过程的物理本性及其演变规律，并用在从事天气预报的科学。

此外，大气科学还有「大气测计学」、「气候学」、「航海气象学」、「航空气象学」等领域。

国内有关大气科学的学术单位较有名者，台大有大气系所、全球变迁研究中心，中大有大气系及大气物理所，还有中央气象局。

三、海洋学(Oceanography)
研究地球上海洋的科学，包括海洋的物理、化学、生物、地质等学门，主要研究海底地形与地质、海水组成和起源、海水温度、洋流、海洋开发及海洋资源等方面。

(一) 海洋物理学(Physical Oceanography)
研究地球之水圈内的结构、分布、运动情形、成分组成及能量分布特性，也就是研究海洋的物理性质，包括海水的物理特征及海洋学上的要素(如：风、潮汐、洋流、地形、温度、盐度等)之地区性变化与周期性变化。

(二) 海洋化学(Marine Chemistry)
研究海水之化学成分与其分布状态及各种成分的提炼技术，并包括海洋中有机物与无机物的组成与利用、海水污染之分析与防治。

(三) 海洋生物学(Marine Biology)
研究海洋中生物的分类、习性及其与海洋环境的关系。

(四) 海洋地质学(Marine Geology)
研究海洋下地球的地质组成与分布，包括：地形、地质构造、海盆结构、沉积物、海底资源及其演变历史的地球科学，研究的范围包括海滩、大陆棚、大陆斜坡、海洋盆地、中洋脊等。

国内有关海洋学的学术单位较有名者，台大有海洋所，中山有海洋资源系所、海洋环境及工程系所、海下技术所、海洋地质及化学所，海洋大学有海洋科学系所。

四、地质学(Geology)
地质学的研究包含了由古到今地球上的一切地质现象的发生与演变，包括研究地球的来源、结构、组成及演变。

(一) 物理地质学(Physical Geology)
研究地球的物质成分、内部构造、表面现象与其地质作用为主。

矿物学(Mineralogy)：研究矿物的生成、种类、成分及其内部的结构性质。

内容包括结晶学、自然矿物学、叙述矿物学、旋光性矿物学、化学矿物学等。

岩石学(Petrology)：研究组成地壳的岩石之性质、构造、转变及其来源。

通常包括三部分，一为岩理学，此为岩石的分类叙述；一为岩源学，此为研究岩石的来源；另一部份为岩组学，此为研究岩石中矿物粒子的排列和它们的空间关系，经由岩石学研究可了解固态地球演化历史。

沉积学(Sedimentology)：研究沉积岩及沉积作用的地质科学，包括沉积岩的岩石性质、组成物、沉积作用、沉积构造、沉积环境和沉积岩相等。

地形学(Geomorphology)：研究地球表面的形貌、分类、性质、来源及其演变，并以地质及气候为基础，了解地形作用及地形变化过程的科学。

构造地质学(Structural Geology)：研究岩石及地层的排列、空间位置的变化、其发生的原因及内部构造的地质学科，特别着重于构造的描述及解释等。

主要适用于中尺度到小尺度的范围。

地体构造学(Geotectonics)：研究地壳现在结构及过去演变的科学，其针对一个广大地区内所有的地质构造资料加以综合及深入的分析，地球科学家先后采用地槽及板块两种模式来解释区域地体构造。

地体动力学(Geodynamics)：此为讨论地球内部的力及作用的科学。

尤其是针对地球深部的地质变化所引起的岩石圈的变形与移动等进行探讨。

(二)历史地质学(Historical Geology)
研究地球表面过去地质时间内所有的事件、现象与变迁。

古生物学(Paleontology)：研究地质年代的生物界及其演化的科学，其研究范围不仅限于各地质时期的古生物本身，并且包括各时期地层中所保存的一切与生物活动有关的资料。

地层学(Stratigraphy)：研究地层的层系及其发生的顺序、性质、分布、对比及其与时间及古环境间的关系。

地史学(Historical Geology)：研究地球从远古到现今的自然变迁及生物的演化，利用地层学、古生物学及地球化学等的知识，来推论地球表面各不同区域的各种地质变动现象及其发生年代与演变过程的科学。

(三) 应用地质学(Applied Geology)
着重一切与人类利益及实用方面相关的地质问题之研究，系地质学各个不同学科（例如：矿物学、岩石学、矿床学、古生物学、地层学、构造地质学、地形学、地球物理学及地球化学等）在资源、工程、水文及军事问题上的应用。

工程地质学(Engineering Geology)：地质学在土木、水利、建筑及采矿工程上的应用。

其研究范围包括：地质材料（土壤、岩石及水）的特性描述（characterization），地质构造的测绘与分析，土体及岩体受自然环境（地质应力、地下水及风化等因素）的影响及特性的变化，及其与工程因素（开挖、荷重及排水等）间的相互影响。

水文地质学(Hydrogeology)：地质学在地下水资源及相关地表水问题的应用。

其研究范围包括：地层的水文及水质的特性描述，地下水产状
（occurrence）与分布、及地下水资源开发与利用等。

资源地质学(Resources Geology)：地质学在矿产及能源开发上的应用。

其研究范围包括：金属、非金属矿、化石燃料及核燃料的产状与分布，矿床成因，矿业经济及矿产开发利用等。

此又称为经济地质学(Economic Geology)。

环境地质学(Environmental Geology)：地质学在自然环境、资源利用及地质灾害防治上的应用。

其研究范围包括：地质灾害分析与防治，工程建设、土地利用、资源开发与自然环境的协调，及环境管理等。

测勘学(Exploration)：此学科基本上是上述四个学科的支持。

测勘方法包括：遥测与航照判释、地表探勘与地质图测绘、钻井方法、开挖方法、地球物理方法及地球化学方法等。

其研究范围主要在于既有方法的改进，新方法的开发，及在所支持学科中的应用研究。

宝石学(Gemology)：此为岩石学、矿物学等学科的应用。

宝石主要是指具有特殊性、稀少性、观赏及高经济价值的岩石、矿物，而宝石学研究的领域包括：宝石的生成、分类、性质、切割及琢磨、真伪及经济价值的鉴定等方面。

(四) 地球物理学(Geophysics)
研究地球的各种物理性质，包括地球内部及表面的组成及各种自然作用与变化规律。

整体而言，地球物理学是利用物理方法研究地球或其它行星的科学，其领域又可区分以下的类别：
地震学(Seismology)：研究地震、地震波及其在地球的内部传播等与地震有关的科学。

地震学是用来研究地球内部结构的一门重要科学。

重力学(Gravity)：研究关于地球重力的科学，研究范围包括地球上的重力现象、重力分布、重力场及其它相关性质的研究。

地磁学(Geomagnetism)：研究地球和大气圈之磁性的科学，主要研究有磁性的现象、来源、磁场等方面。

地电学(Geoelectricity)：研究地球电场的科学，藉以推导地球内部介质的物性、组成和分布状态。

地热学(Geothermometry)：研究地球热的科学，包括地球的温度、内部的热流、地表温度分布的现象及地球热能的来源等。

地球物理探勘学(Geophysical Prospecting)：此为地球物理技术的运用，包括地震、地电、重力和地热等方面，可利用在石油、金属与非金属矿床、地下水资源及工程基址等的探勘及探测上。

(五)地球化学(Geochemistry)
利用化学的方法研究地球中元素的含量、分布及化学变化的地质科学，其范畴可归纳以下各类别：
同位素地球化学(Isotope geochemistry)：研究地球中放射性及稳定性同位素的科学，包括同位素的性质、位置、地质环境中的含量等，藉此可作地质时间定年、元素来源与机制之推测及地质变迁讨论等应用。

水文地球化学(Hydrogeochemistry)：研究地表水及地下水之化学性质的科学，主要讨论化学特性、水的性质及区域地质之间的相互关系。

结晶地球化学(Crystal geochemistry)：研究结晶体中之化学成份、内部构造及物理性质的科学。

有机地球化学(Organic geochemistry)：研究自然界在地质作用影响下有机物的组成、分布、来源及演变等的科学。

岩石地球化学(Petrogeochemistry)：研究岩石的化学组成，包含其成分的来源、含量、分布、种类及化学变化的地球科学。

国内有关地质学的学术单位较有名者，台大有地质系所及地理系所，中大有地科系、地球物理所、应用地质所，成大有地科系所，中正有地震及应用地物所，中研院有地球科学所。

五、地球系统科学(Earth System)
地球系统科学是研究大气圈、海洋圈、地圈、生物圈及人文圈的相互关系及结合各科的知识来促进人类福祉，并造成永续发展目标的科学。

（改写自中央大学应用地质所「地科教室」网站）
参、二十一世纪的地球科学研究趋势
现在让我们探讨一下二十一世纪与地球科学有关的可能境况：
(一) 资源枯竭
最新的估计指出，世界石油产能将于2020年达到最高峰（每天约9000万桶）。

到2100年即趋于完全枯竭。

在此同时，人类又需要面临石油需求大幅成长的局面。

据统计以巴西、中国、印度和印度尼西亚等四个人口众多的开发中国家为例，目前每人每年消费的能源，铝、铜、钢铁等资源约为美国的一半，只要他们的国民所得增加到目前美国国民所得的四分之一，则消费的资源将高达美国的2.5倍。

这还未包含人口增加的因素。

由此可见，二十一世纪能源和其它资源供需情势将非常紧张。

更令人不安的是，届时有70％的石油供应将来自局势不稳定的中东地区。

面对这样的前景，地球科学者可发展出新的探勘石油和替代能源，如地热的理论和方法。

前者可由最近已渐成熟的三维震测法成功应用于已知油田的精测实例得到鼓舞。

(二)环境恶化
二十一世纪的人类面临环境难题，包括固体废弃物的处理，如垃圾和放射性废弃物、水污染和空气污染的防治与净化，甚至于人为导致全球变迁的对策，如温室效应的加剧、臭氧洞、热带雨林的消失等等。

与此有关的环境地质和水文地质将扮演主要角色，提供地球科学知识与数据作为依据。

另外，由于人口增加，都市化脚步加快，使原本地质条件较差的边际土地如洪水平原，山坡地，海岸低洼地带等相继开发利用，一旦有台风或地震就难免造成生命财产的损失。

这使得工程地质、地震及气象防灾科技益形重要，地狭人稠的台湾尤其不容轻忽，地球科学者更是责无旁贷。

上述重大问题到底有没有希望解决呢？由于牵涉到的科技和人文因素十分复杂，因此很难有直截了当的答案。

然而，从地球科学的观点，答案则是非常清楚，那就是：地球科学知识和监测技术将是解答的关键因素之一。

最近美国地质学会会长摩尔斯博士曾公开呼吁：「地球科学应成为二十一世纪的主轴科学」，在二十一世纪初期，人类很有可能对各种大气、海洋、地震及地质现象，能做到实时测报，甚至于预报或预警的境界，以保障人类的生活与生存；同时对于资源的探勘与开发也将会有更多的突破与发现，这些都是地球科学成为主轴科学的发展前景。

最近的几项发展增强了乐观的展望。

其一是地理信息的普及化。

地球科学信息可以透过这种科技自然、迅速、有效的传到使用者的面前，地球科学者对提供这类信息应该当仁不让。

其二，是卫星遥测技术的应用。

全世界各国已陆续发射数十颗以观测地球为主要任务的卫星，我国也发射了「中华卫星」。

这些卫星将提供大量高分辨率的影像数据，作为地球科学研究应用和监测的依据。

而在地面上，各先进国家无不增设各种监测系统，我国也有类似设备，如中央气象局密集设置的实时气象测站、实时地震监测网等。

（改写自中央大学应用地质所「地科教室」网站）
下一世纪的地球科学研究展望一、新工具不断出新
(一) 各种遥测技术
(二) 更快、更精确
(三) 信息流通与共享
二、朝向时、空尺度的极限迈进
(一) 更短、更小的尺度
(二) 更长、更大的研究尺度
三、跨领域的整合性研究
(一) 全球变迁议题
(二) 天然灾害的测报与防制
(三) 古生物与地史学
(四) 行星地质学
四、研究无国界
五、地科知识的普及化与平民化。