张掖国家地质公园科普课程-地质学概况
一、什么是地质学
地质学是研究地球及其演变的一门自然科学。主要研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系。
自然科学的基础学科分为数学、物理学、化学、天文学、地学和生物学6大门类，地质学是地学（地球科学）的重要组成部分。
二、地质学的研究对象
地球由内部圈层和外部圈层组成。内部圈层构成固体地球，分为地壳、地幔、地核；外部圈层包括大气圈、水圈、生物圈。现阶段地质学主要研究固体地球的最外层，即岩石圈（地壳和上地幔上部），也涉及水圈、大气圈、生物圈和岩石圈下更深的部位，以及某些地外物质。
岩石圈既是与人类生活和生产密切相关的部分，也是容易直接观测和研究历史最久的部分。对着科学的发展，如卫星、航天、深钻技术、海洋物探、高温高压实验、电子显微镜、计算机、遥感遥测、红外摄影、激光等新技术、新手段的不断应用，地质学的研究范围也不断扩大。从地球表层向深部发展，出现了深部地质学；从大陆向海洋发展，出现了海洋地质学；从地球向外层空间发展，出现了月球地质学、行星地质学、宇宙地质学。
除地质学外，其他涉及地球的学科还有地理学、生物学、气象学、天文学等。它们的区别在于研究的侧重点不同。地质学着重研究地下；地理学着重研究地球表层；生物学研究地球上的有机生命体；气象学研究地球大气圈；天文学则从天体的角度研究地球及其起源。
三、地质学的研究内容与学科划分
地质学主要研究地球的物质组成、构造运动、发展历史和演化规律，并为人类的生存与发展提供必要的地质依据，主要是资源与环境条件的评价。按照研究的内容和性质，地质学可以划分出许多独立的学科。
早期的地质学以研究地壳表层某个地区的岩石为基础，矿物学、岩石学、地层学及古生物学、构造地质学、区域地质学都是在此基础上建立起来的。历史地质学则是概括这些地质实体的发展历史的综合性学科。
地质学与物理学、化学结合而产生的地球物理学、地球化学，是地球科学的重要支柱，也是推动地质学向现代科学水平发展的重要方面。
现代地质学把地球作为一次整体来研究，20世纪60年代出现的板块构造说，就是吸收了地震研究、海洋地质调查和古地碰研究等方面的最新科学成果，较好地解释了全球构造问题。
至20世纪80年代，地质学已发展成为包含有下列分支学科的理论体系。这些分支学科大体可分为两类：一类是探讨基本事实和原理的基础学科；一类是这些基础学科与生产或其他学科结合而形成的学科。
现阶段较为完善的主要有以下分支或学科：
1.矿物学：是研究矿物的化学成分、内部结构、形态、性质、成因、产状，共生组合、变化条件、用途以及它们之间的相互关系的学科。
2.岩石学：是研究岩石的物质成分、结构、构造、形成条件、分布规律、成因、成矿关系以及岩石的演变历史和演变规律的学科。
3.矿床地质学：是研究矿床的特征、成固、分布及其工业意义的学科。
4.地球化学：是研究地球各圈层和各种地质体的化学组成、化学作用和化学演化，探讨化学元素及其同位素的分布、存在形式、共生组合、集中分散及迁移循环的规律的学科。
以地质作用及其留下的形迹为主要研究对象的学科包括下列各分支：
5.动力地质学：是研究各种地质作用，包括引起这些作用的动力在地球各圈层活动的规律的学科。火山地质学、地震地质学、冰川地质学等均属这个学科中有特殊内容的分支。
6.构造地质学：是研究地球岩石圈的构造变形，包括断裂、褶皱等各种构造形迹及不同类型构造单元的分布、形成、演化和发展，是从总体上研究地质体的构造在时间上及空间上的发展规律及成固和动力来源的学科。大地构造学也属于构造地质学范畴。
7.地貌学：是研究地表形态特征及其发生、发展和分布的规律的学科。又称地形学，是地质学与自然地理学之间的边缘学科。
8.地球物理学：是研究各种地球物理场和地球的物理性质、结构、形态及其中发生的各种物理过程的学科，是地质学与物理学之间的边缘科学。地球物理学在狭义上只研究地球的固体部分，又称固体地球物理学；广义的地球物理学还包括对水圈、大气圈的研究。
9.地质力学：是运用力学原理研究地壳构造和地壳运动规律及其起因的学科。
以地质历史为主要研究对象的学科，包括下列分支：
10.古生物学：是研究地球历史上的生物界及其进化过程的学科。主要是对保存在地层中的化石的研究。
11.地层学：是研究成层岩石的时空分布规律，包括地层的层序和时代及其地理分布、地层的分类、对比以及它们之间的关系的学科。
12.历史地质学：是研究地球的发展历史和规律，包括地球上生物的进化历史，古沉积相的分析和古地理面貌的复原，以及地壳地质构造和有关地质作用的演变等方面的研究，是一门综合性的学科。
13.古地理学：是研究地球历史上的海陆分布及其他自然地理特征与发展过程的学科。
14.地质年代学：是研究地质历史时期的顺序及其延续的年代数据，地质年代表是其研究的最终成果。
15.区域地质学：综合一个地区的地质调查成果，研究阐明该地区地质的总体特征，探讨各种地质作用的相互关系的学科称为区域地质学。
此外，将地球及其他星球作为一个天体来研究，形成了行星地质学、天文地质学。对地球深部的研究，是刚刚开拓的新领域。
地质学为了开发利用地下资源及改善和利用地球环境，解决人类社会发展中的实际问题，形成了既有理论意义又有生产应用价值的下列各分支学科：
16.水文地质学：是研究地下水的形成、分布和运动的规律，以合理开发地下水、防治地下水的危害，以及利用地下水的化学、物理特征找矿、预报地震和防治地方病、保护环境。
17.工程地质学：是以调查研究和解决各类工程建设中的地质问题为任务，包括评价地基的地质条件，预测工程建设对地质环境的影响，选择最佳场所、路线，为工程设计提供可靠的地质依据。
18.环境地质学：是研究地质环境质量和人类活动与地质环境的相互关系的学科。
19.灾害地质学：是研究地质灾害的发生、分布规律、形成机制和对人类的影响及其预测预防的学科。
20.生态地质学：是研究各种生态问题或生态过程产生的地质学机理、地质作用过程及其背景的一门学科。生态地质学尚处于探索阶段，大多采用植被地理学、地质学、水文地质学的方法和遥感技术研究植物（生物）与地质因子之间的相互作用。今后的理论发展将更侧重于地学与生态学的渗透与融合，在植物（生物）与地质因子之间建立沟通的桥梁，突出两者的协同效应。
21.其他：金属矿产地质学、非金属地质矿产学、石油地质学、煤地质学是把地质学基础理论用于研究这些矿产资源的成因、分布规律等的学科。这些学科具有很强的实用性，同时又有基础研究性质；找矿勘探地质学是综合运用地质学理论和现有的找矿方法、手段寻找矿藏的学科；矿山地质学是以解决矿山开发过程中遇到的地质问题为任务的学科。
还有些自成体系、自有理论、与地质学相辅相成，对地质学的发展有重要作用的技术学科，属于广义的地质学或地质科技的范畴。它们包括：运用物理的、化学的方法去取得野外地质资料的地球物理勘探和地球化学勘查；运用钻探或坑探的手段直接向地下取得地质样品的探矿工程；对各种地质样品进行实验测试的实验室技术；为地质调查提供地形底图并绘制地质图件的测绘学；能在远距离处取得地质资料的航空测量技术和遥感技术以及用于处理地质资料的数学方法和计算机技术等。
随着研究深度的增加，新的分支学科还在不断产生各个学科的联系愈来愈紧密，建立一个更加充实、完整的有关地球的知识体系，是发展的必然趋势。
三、地质学研究的特点和方法
地质学的研究对象及其内容既不同于数学，也不同于物理学和化学，而是具有它自己的特殊性，从而也具有他自己的研究方法。
(一)地质学研究的特点
第一、地质学的研究对象涉及到悠久的时间和广阔的空间。地球自形成以来已经有46亿年的历史，在这样漫长的时间里，地球曾发生过沧海桑田、翻天覆地的重大变化，而其中任何一个变化和事件，任何一粒矿物和一块岩石的形成和演化，往往要经历数百万年甚至数千万年的周期。对这些变化和事件，无法像研究人类历史那样，可以借助文字和文物；也不能像研究物理那样，可以单纯依靠在实验室中做实验，而必须靠研究分析地球本身发展过程中所遗留下来的各种地质记录。
同时，地球具有巨大的空间，在不同地点和不同深度，具有不同的物质基础和外界因素，因而有不同的发展过程。海洋和大陆、大陆的各部分、地球表层和深部，都有其不同的发展过程。因此，既要研究它们的共性，更要研究它们的差异性和相关性，才能全面、深入地找出地球的发展规律。
第二、地质现象具有多因素互相制约的复杂性。地质学所研究的对象和内容，从小到矿物组成的微观世界，到大至整个地球以及宇宙的宏观世界，从矿物岩石等无机界的变化到各种生命出现的演化，从常温常压环境到目前还不能人为模拟的高温高压环境，从各种变化的物理过程、化学过程到生物化学过程，从地球本身各个部分的物质能量转化到地球与外部空间的物质能量交换等等，充满着各种矛盾和相互作用的复杂过程。任何一种地质过程，都不可能是单一的物理过程或化学过程，地球自诞生以来，不仅形成了多姿多彩的矿物世界、岩石世界、海洋大陆、高山深谷，也出现和演化成了种类繁多的生物世界。众所周知，目前在实验室中即使合成最简单的生命物质，也是非常不容易的。地球演化到今天，产生出如此面貌，这固然与其具有人类历史所不能比拟的充分时间有关，同时也说明地球演化的地质过程是一个十分复杂的过程。
第三、地质学是来源于实践而又服务于实践的科学。但地质学必须首先是以地球为大课堂，以大自然为实验室，进行野外调查研究，大量掌握实际资料，进行分析对比归纳，得出初步结论，然后再用以指导生产实践，并不断修正补充和丰富已有的结论。远在数十万年前的旧石器时代，人类的祖先就是在制造石器的过程中，逐步掌握了一些岩石的特性，后来在铜器时代、铁器时代，人类又在生产活动中逐步掌握了寻找有用矿产的某些规律。近代以来，由于工矿业的发展，特别是相邻科学和现代技术的进步，又推动了地质学的突飞猛进，不断形成新的理论。
(二)地质学的研究方法
地质学研究的上述特点决定了地质学的研究方法主要是在实践的基础上，进行推理论证。推理的基本方法是演绎和归纳。演绎是由一般原理推出关于特殊情况下的结论。例如凡是岩石都是地壳发展历史的产物，花岗岩是一种岩石，所以花岗岩是地壳发展历史的产物。归纳是由一系列具体的事实概括出一般原理。例如在高山上，发现成层的岩石，岩层中含有海生动物化石，说明高山的前身是海洋，这里曾经发生过海陆的变化。在地质学研究中，这两种推理方法都能用到，但归纳法则是更基本的方法。
1.野外调查
为了认识地壳发展的客观规律，了解一个地区的地质构造和矿产分布情况，除了搜集和研究前人的资料外，必须进行野外调查研究和地质测量，积累大量资料，分析对比，归纳分类。通过“实践、认识、再实践、再认识”循环往复的形式，得出反映客观事物本质的结论。
2.室内实验和模拟实验
室内实验也是进行调查研究的重要手段。在野外采集的各种样品，都要带回室内进行实验、分析和鉴定，例如岩矿鉴定、岩石定量分析、化石鉴定、同位素年龄测定等。为了生产的实际需要和探讨某些地质现象的成因和发展规律，有时需要利用已知岩矿的各种参数及物理、化学过程，进行模拟实验。虽然，这种实验结果的可靠性是相对的，但其重要性却日益增加。如目前可以制造出人工红宝石、石英、金刚石等，既有实用价值，又有助于了解自然界矿物、岩石、矿床的形成和分布规律。又如，在室内进行地质力学模拟实验，可以得出各种构造类型的形成条件和展布情况。
3.历史比较法(现实类比法)
研究地球的历史，重塑地质时代的古地理环境，经常使用这种方法。著名英国地质学家莱伊尔( Charles Lyell,1797—1875)在19世纪提出“以今证古”的研究方法。他认为当前正在进行着的各种地质作用和方式，和地质时期是一样的，所不同的只是量的差别。例如，目前在海洋里沉积的泥沙，其中夹杂着螺蚌壳，假如在高山地层中发现海生螺蚌壳化石，就可以判断这座高山所在曾经是一片海洋， 并可得出结论，地表各处的山脉并不是从来就存在的，而是地壳历史发展的产物。莱伊尔认为地球上的一切地质记录——巨厚的地层、高大的山脉等，并不是什么剧烈的动力造成的。各种缓慢的为人难以察觉的地质作用，只要经过漫长的岁月，就可产生惊人的结果。这种理论被称为均变论( Uinoitianim)。莱伊尔有一句名言:“现在是认识过去的钥匙”，意思是我们从现在的已知就可推求过去的未知，根据目前的地质过程和方式就可推断过去的地质过程和方式，从而恢复地质时代的历史。这种方法也叫做现实主义方法(原则)。
稍早一点，法国地质学家居维叶(G Cuvier, ,1769- 1832)认为地壳的变化和生物的发展，不是自然界逐渐演化而成的，而是由于发生多次超越现在人类认识范围和经验的短暂而猛烈的剧变事件造成的。例如《圣经》上所说的大洪水，使一切生物遭到毁灭，上帝又来重新“创造”世界。“灾难一毁灭一再创造”，自然界按照这种过程，生物界不断形成新属种，如此反复，变化不已。这种观点与均变论正相反，被称为灾变论或剧变论( Catastro-phism)。由于它否认生物演化，并带有浓厚的神学色彩，所以后来受到批判，逐渐为均变论所代替。均变论在反对当时灾变论、建立唯物主义的进化观点和研究方法中，曾经起了进步的作用。
但是，莱伊尔只强调缓慢变化的一面，未见到突变的一面；只谈量变，未谈质变；只认识到古今的一致性，未认识到古今还有差异性。过去不会和今天完全一-样， 今天也不会是过去的重演，地球的历史绝不会是简单的重复。同时，目前许多人认为在地球的长期发展过程中，不能排除曾经发生过若干次灾变或剧变事件。例如，大量陨石的撞击，地磁极的多次反转，地质历史上多次冰川时期的出现等，无疑都会影响地球发展的进程和各种平衡关系。
现代地质学接受了莱伊尔现实主义的合理部分，即以今证古的原理，同时也注意到地球发展的阶段性和不可逆性，以及在地球发展的不同阶段中自然条件的特殊性，例如大气成分不同、海陆分布形式不同、生物状况不同、地壳运动的方式和强烈程度不同等，因此各种地质作用如风化、侵蚀、搬运、沉积等作用的方式、速度也有差异。所以研究地球的历史，必须根据具体情况，用历史的、辩证的、综合的思想作指导，而不是简单地、机械地以今证古，才能得出正确的结论。这种方法就是历史比较法或现实类比法。
近年通过对地球的监测获得的许多数据，认为时间是地质事件及其结果的最好过滤器，也就是随着地球的发展和时间的延续，那些意义不大的地质事件及其结果都被筛掉或过滤掉了，从而使人们通过对某些作用结果的观测，比通过对不连续或微弱的信息直接监测地球的一般动力演化，可能会更正确地认识某些地质过程，更正确地研究现在，了解过去，预测未来。这种观点和莱伊尔的“以今证古”相反，而是“以古证今”，认为“研究过去是了解现在的钥匙(关键)”。实际上，这些不同观点可以起到互为补充的作用，古和今是一种辩证关系，以今可以证古，将古亦可论今，不可把它们对立起来。
四、地质学研究的目的
任何一门学科，其价值与生命力就在于能够满足人类的需求——包括物质需求与精神需求。地质学也不例外。为人类服务就是地质学的最终目的。至于地质学可以在哪些方面为人类服务，从学科研究的角度可以概括为理论与实践两个方面。
地质学理论研究的目的就是要正确地认识地球和地球的发展历史。它一方面满足人类认识自然，欣赏自然的精神需求，另一方面也是满足人类物质需求的前提与基础。
人类出现在地球上已经有300多万年的历史。从最初利用岩石制造工具，人类便开始了对地球的探索，此后不断积累、丰富、修正关于地球的知识，直至建立系统的地质学科学体系。但时至今日，关于地球仍有许多尚未解开之谜，比如：地震活动的规律、地球深部的物质与能量运动、各圈层之间的相互影响等等。地质学的理论研究就是逐步逼近正确、全面地认识地球的过程。此外，关于地球的起源、生命的起源等自然科学的基本理论问题，也离不开地质学的研究。
地质学研究的实践目的，就是在正确认识地球的基础上，指导人类寻找并合理开发利用矿产、地下水、油气等资源与能源，查明与防治地质灾害，为改善人类生存的地质环境服务。
人类对矿产资源的开发利用，是一个随着知识积累、技术进步不断扩展的过程。旧石器时代，人类主要利用坚硬的岩石打制石器——从大型粗笨的石球、石核，到小巧精致的石刀、箭镞。新石器时代，人类学会用黏土烧制陶器，用玉石制造饰品。进人青铜器时代、铁器时代，人类对多种金属矿产资源的利用已经相当普遍。伴随工业革命和工业现代化的技术发展，人类对各种矿产资源开发利用的能力迅速提高。在现代世界人口增长与消费膨胀的推动下，一方面人类对矿产资源开发、利用的种类和数量日益增加，有些资源甚至出现短缺的状况，另一方面资源的开发与消耗也造成环境的破坏与污染。因此，地质学不仅负有继续找出新的矿产资源以维持社会巨大需求的使命，而且还要担当起指导合理开发、保护矿产资源、防治环境恶化等重任。
地质灾害是天然地质过程与人类活动发生冲突而产生的。现代人类社会的发展已经达到空前的规模，人类活动几乎遍布整个地球，特别是人口密集、建筑集中的大城市，大大增加了地震、火山爆发、山崩、滑坡、泥石流、塌陷、海浪冲蚀、泥沙淤积、地面升降等地质作用造成人身或财产损失的机会。地质学的任务之一就是调查地质灾害的种类、性质与分布规律，为制定减灾防灾对策提供依据。
此外，特定地质条件下，土壤和地下水中所含的某些元素缺少或过多会危害人体的健康，而某些微量元素的存在对人体健康则是有益的。减轻或消除地质环境的负面影响，发挥地质环境的有利一面，也是地质学应用研究的重要方面。