你是否有过这样的疑问：我们是怎样知道几亿年前的气候特征？为什么地球上有海洋而火星和金星上没有？为什么我们能根据岩层解读出地球的历史？如果你曾有过这些疑问，或者与此类似的问题，那么这本《地球机器》便是为你而作。本书作者马瑟兹和韦伯斯特是两位知名的科学家，书中生动展示了目前科学家已知和未知的地球秘密，以及我们的星球是怎样活动的……我们没有机会到地球的每个角落去考察取证，何不借助马瑟兹和韦伯斯特这本论述严谨、图片精美的《地球机器》开始你的发现之旅呢？

本书由美国著名地质学家埃德蒙德·A.马瑟兹和詹姆斯·D.韦伯斯特合著而成，已被翻译成20多种文字，全球销量逾2800万册。书中主要从以下四个方面探究了我们星球的演变：地球是怎样从新生的太阳系的尘埃中诞生的；地球含氧丰富、适宜生命存在的大气是怎样形成的；大陆、山脉和海洋是怎样形成的；地震和火山爆发又是怎样改变地貌的。两位作者用他们丰富的专业知识带领我们进入了一个动态的旅程，横断不同的地质时期，深入到星球内部，让我们去感悟地球46亿年的历史。无论是专家学者，还是普通读者，都能从本书中获得阅读的快感。

第一部 地球是如何演化？

第1章 地球的诞生

从陨石看地球

月球的形成

早期地球的形成

大气和海洋的出现

第2章 地球的年龄

怀疑的起因

有关古老地球革命性观念的出现

放射性和地球的年龄

第3章 大陆的演化

地球：唯一有大陆壳体的行星

大陆和大陆壳体

最初的大陆壳体

大陆的组合

第4章 早期地球上的生命和条件

古代微生物

大气、海洋斑纹状铁矿层和氧的产生

早期的地球暖和吗？

寒武纪动物的出现和生命的剧增

第5章 阅读岩石：大峡谷的故事

沉积岩如何描述古代环境

岩石缺失的证据

大峡谷多少岁？

第二部 为什么会有海洋、大陆和

第6章 地球内部

地核

磁场

地核中的对流和地磁场的起源

地幔

地幔中的对流

第7章 板块构造

大陆漂移：超前的观点

魏格纳的大陆漂移理论

从大陆漂移到板块构造

板块交界区的作用

板块运动和大陆重建

第8章 地球深处的熔岩

夏威夷

基洛亚火山

中洋脊的火山

大熔岩洪流和哥伦比亚河玄武岩

第9章 爆发型大火山

爆发型火山的性质

气体如何驱动火山喷发

维苏威火山：爆发型火山剖析

坦布拉：火山与气候变化

喀拉喀托：震动全球的一次火山喷发

史前火山大喷发

花岗岩

第10章 地震

为什么会发生地震？

怎样测量地震

地震是如何造成破坏的

断层活动及其可能性的估计

短期预报

加利福尼亚圣安德列亚斯断层区

阿拉斯加大地震

第11章 山脉

侵蚀的重要性

岩石褶皱

岩石的变质

第12章 阿尔卑斯山

阿尔卑斯山研究的初始阶段

阿尔卑斯山的形成和结构

第三部　地球的气候是什么引起的，又是什么引起气候变化？

第13章 大气

大气的结构

地球大气循环

地球温室效应：对流层的故事

臭氧：平流层的故事

云层的重要意义

第14章 世界海洋

水的重要性能

海水为什么是成的？

全球海洋传输系统

海洋表面的水流

上涌和下降

厄尔尼诺和拉尼娜现象

第15章 　气候变化的地质记录

气候的强力影响因素

格陵兰冰层的气候记录

过去气候的其他指标

冰的年龄

第四部　地球为什么适宜生存？

第16章 生命存在的条件

水：必不可少的成分

碳循环

地球、金星和火星

地球的无形保护罩

第17章 海渊的冒黑烟体

热液喷发口是如何形成的

热液喷发口上的生物

生命起源于海渊喷发口吗？

热量和水：哪样进，哪样出

第18章 自然资源和成因

盐、黄金和煤的共同之处

来自热液的矿藏

与古老的黑烟体类似的矿石

岩浆矿床

附录 名词解释

一天上午，世界一流陨石专家、美国自然历史博物馆陨石部主任马丁·普林兹俯身对着自己的办公桌，一位助手和一位博士后站在他身后。三个人聚精会神地审视着一块拳头大小的岩石，兴奋地与一位坐在他们对面的头发稍嫌蓬乱的人交谈。其实，普林兹是在谈一笔生意——普林兹想要得到卖方的一样东西。他们所关注的陨石一年前从天而降，偶然落到阿根廷的山上。它坠落时发出的声响震耳欲聋，吓得一位在附近登山的人晕了过去，等那个人清醒过来后，很快就找到了陨石坠落的地方。这是一块被称为玄武岩的无球粒陨石，外壳呈暗棕色，这是在它快速进入地球大气层时表面熔化而形成的。几经辗转，这块陨石最终落到坐在普林兹对面的卖主手中。普林兹非常想要这块陨石，甚至不惜用一块同等价值的陨石与之交换。然而在此之前，要是想让他把藏品割爱，简直是不可能的。

从陨石看地球

世界上有数百位研究陨石的科学家，普林兹就是其中的一位。他收藏了大量的陨石，其中有许多都是通过类似的交换方式获得的。像普林兹这样的科学家为什么要研究陨石呢？一些研究博物馆为什么要收藏陨石呢？这是因为陨石能够告诉我们太阳系是怎样形成的。自那个初始阶段以来，许多陨石基本上完好无损地留在围绕太阳不停运行的轨道上。这些陨石为我们提供了数千亿年前星系活动的历史资料，这段时间正是最初的固态物质在新生的太阳系上形成到地球从这些固体碎片中出现之间的时期。陨石和从月球上落下的一些岩石，成了这个起始阶段的唯一档案。地球没有为我们提供有关其形成的信息，我们找不到可以回溯到其初始期的岩石。目前，在地球上找到的最古老的岩石只有40亿年的历史。在岩石档案中，地球存在最初的50亿年的历史记录为零。因为地球表面始终不断因板块构造运动而遭到破坏和变更，而它的像蛋壳一样的外层又非常坚硬。

相对于太阳系演化这个巨大之谜而言，地球小得微不足道。虽然科学家们对遥远过去所发生的事件的观点不一，但大多数人都相信，太阳系开始时是一团由气体分子和小颗粒组成的旋转着的密集云团，是一颗已不存在的恒星的残骸。整个云团慢慢地在旋转中分离，形成一个密集的中心区，云团中间的温度极高，足以把所有的固态物质汽化，这些物质便在中心区四周构成了一个旋转着的扁平盘状物。这些物质中的大多数都留在中心区，然后再次分离，最终形成了太阳系。在这个现在被称为太阳星云的盘状物中，旋转着的气体冷却后凝固成固态细粒。这些物质再次结合，变成了行星。

我们在组建行星“地球馆”时，曾要求普林兹提供几块能说明太阳演化过程的陨石。他从博物馆的藏品中选出3块给了我们。其中，有一块是可以揭示太阳系最早阶段的陨石，名为阿棱德碳球粒陨石。阿棱德是北墨西哥的一个小村子，陨石坠落在该村子附近，因而取名为阿棱德陨石。碳球粒陨石是指这种陨石中含有一定比例的碳，状如胡椒粉，呈细珠球形。球粒陨石是微粒的密集体。陨石中的球粒由普通但怪异的共生镁铁硅矿石组成，可能是在太阳星云闪一发热活动中形成的。陨石球粒存在于含有多种矿物细粒和有机混合物的脉石中。这些脉石还有另外一些不明物质，其中夹杂着的白色物体主要成分是铝和钙，名为铝钙夹杂物(CAls)。CAls在高温下固化，因而必然是太阳星云在温度还是极高时形成的最早的一些固体。测定CAls的产生年代可用放射测年法。放射测年法这种技术可以根据放射性元素衰变产物的含量来确定物体的年代。放射测年法确定：陨石球粒已有45.66亿年的历史了，是太阳系中已知的最古老的物质。

阿棱德陨石之所以重要还有一些其他原因。首先，该陨石和其他碳陨石球粒的成分与太阳可见的外层成分类似(氢、氦和其他一些气态元素除外)，所以，它们可能是人类可以得到的太阳星云复杂的成分中最好的样本。由于它们在成分上十分相近，我们可以利用碳陨石球粒推断出太阳系的早期活动情况；其次，阿棱德陨石含有一些坚实的细粒，经历了太阳星云形成时的活动过程而存活下来。其中有些典型的细粒，直径只有数百万毫米到数亿分之一毫米，含有钻石、碳化硅、石墨和刚玉(氧化铝)。这些微粒中碳的各种不同的同位素和其他元素的比例与在太阳系中形成的物质的比例截然不同，所以人们都相信这些细粒是太阳系出现前存在的古老恒星的残存物。

随着太阳星云冷却，镁铁矿石——地球最常见的物质——开始生成。这种物质大多数冷凝下来，与如今水星、金星、地球和火星占据的地带上的初始太阳近似。据我们所知，它们全都是多岩石的，确切地说，都是行星，因为它们是由含硅酸盐的岩石构成的。P3-5

我们在这里所讲的都是有关地球如何“运作”的故事，是有关地球知识的综合读物，虽不能说包罗万象，也称不上是系统性的叙述，但力图对地球做全面的阐述。本书是为那些想要探讨地球在一些自然活动，如地震、火山喷发、飓风等的影响下是如何运作的人而写；也是为老师们而写——他们需要对这一学科有更深入的了解，以便向学生更清楚地解释该学科的一些基本概念；更是为学生而写——为他们打开探求该学科的、有别于教科书的另一扇窗口。事实上，只要是为雄伟的高山和辽阔的海洋所陶醉的人，只要是对自己来自何方感兴趣的人，本书也为他们而写。

我们在讲述问题时尽量少用生僻的科学术语，多用那些常见的实例，用通俗易懂的语言多讲些地球的功能，以及地球在漫长而复杂的地质年代的历程，以满足读者的阅读需求。书中提及了五大问题，这些问题往往给人错觉，以为非常容易理解，但我们发现，真正认真回答起来却并非如此。

第一个问题是：地球是如何演化而来的？牵涉的内容有地球的起源、科学家是如何通过对陨石和月球上岩石样本的研究推断出它的起始状态、地球的演化过程，以及各大陆、海洋大气、生命和富含氧气的大气生成后，生命又是如何影响这一行星演化的。

第二个问题是：我们怎样去“阅读”岩石？通过对岩石的研究，我们得到的是对地球及其历史最基本的了解。地球史中的很长一段时期还是很难理解的，所以读者自然而然就会问：地质学家怎么只通过研究岩石就可以得出这个答案，他们又是如何学会了计算地质时代的？我们把第一、二个问题合在一起，放在《地球是如何演化的？》这一部分中讲述。

第三个问题涉及当我们远距离观察地球时所见到的景象：为什么会有海洋、盆地、大陆和山脉？要回答这个问题，就必须研究地球动态的内部。地球不断翻腾的液态外核使这个行星有了磁场这一保护层。金属核和壳体之间有一个2900千米厚的地幔，也在不断运动中。虽然地幔大部分是固态岩石，但温度很高，像油灰，属黏状物质，在相当长的时间内都处于流动状态。地幔流动时，就使地球壳体开裂，形成板块，并使这些板块和嵌入其间的大陆和弯曲的表面周围的海床移动，这个过程便是板块构造。板块构造运动非常缓慢，其更新过程达数百万年之久。通过研究地震和火山，我们对板块构造有了比较深入的了解，所以这也成为我们地球故事中的一部分内容。最后，我们还要谈谈板块的碰撞，从而了解山脉形成的复杂过程。

第四个问题是：地球气候的形成和变化的原因是什么？要了解如今的气候系统的作用(以及未来气候的变化，以便人类调节大气)，中心的内容是了解过去气候是如何变化的及变化的主要原因。这是一个极其复杂的课题。许多因素(大气的构成、海洋的环流、地球运行和轨道特点的变化、各大陆的位置等)的相互作用都会影响气候，能够使其发生非线性变化。过去气候变化的一些记录主要凭观察岩石的记录得出，其中包括冰芯(不十分严格地说，冰也可以看做是岩石)。

最后一个问题看似与其他几个大问题并无关联，那就是：为什么地球适合生存？正确的答案是地球在太阳系中所处的位置、地球上存在液态水以及这一行星庞大的结构。事实上这一问题与上述问题关系密切，因为我们这一行星的特殊环境和生存其间的生命状态都是由固态的地球、海洋和大气，以及生物圈(构成了一切生物)的相互作用所决定的，若是没有这一切，就没有板块构造，也就没有生命——至少地球表面上没有这一切。至于人类，正因为地球上有适合发展的资源才适合人类生存。因此，我们决定描述一下那些导致成为矿产的元素的积累和聚集的总过程。

本书四个部分在不同程度上可各自成篇，所以阅读时可以不分先后。书中的内容取材广泛，观点均来自长期参与调查研究工作的科学家们，希望读者能与我们一同发现我们这颗行星上的奇迹。

埃德蒙德·A.马瑟兹

詹姆斯·D.韦伯斯特

作为人类赖以生存的家园，地球与我们休戚相关。地球这部大机器是如何运转的，它带给了人类社会怎样的影响，将来会使我们的生活发生哪些变化……很多诸如此类关于地球的问题，不仅仅是地理学家需要研究的，同时也是我们每个生活在地球上的人都应该和必须有所了解的，因为——人类是地球之子，地球的过去、现在和未来都直接作用于我们每一个人。

——美国国家地理学会

配合着实地勘探的生动故事，马瑟兹和韦伯斯特解释了为什么地球上会有生命存在，为什么一块小得不能再小的石子儿竟然是研究山体构成的关键，以及科学家们是怎样从自然提供的微妙线索中解读出地球的演变过程。同时，书中还配有大量的彩色照片和插图，便于读者更直观、更容易地理解本书。

——英国皇家学会《自然科学会报》

你是否有过这样的疑问：我们是怎样知道几亿年前的气候特征？为什么地球上有海洋而火星和金星上没有？为什么我们能根据岩层解读出地球的历史？如果你曾有过这些疑问，或者与此类似的问题，那么这本《地球机器》便是为你而作。本书作者马瑟兹和韦伯斯特是两位知名的科学家，书中生动展示了目前科学家已知和未知的地球秘密，以及我们的星球是怎样活动的……我们没有机会到地球的每个角落去考察取证，何不借助马瑟兹和韦伯斯特这本论述严谨、图片精美的《地球机器》开始你的发现之旅呢？

——布莱恩·斯盖勒耶鲁大学地质学和地球物理学尤金·希金斯教授，《蓝色星球》作者