1槽臺運動到大陸漂移CONTENTS第13章現代地學海底擴張到板塊學說213.1課程標準

1.知識目標了解霍爾（美國）、修斯（奧地利）、魏格納（德國）在地學中創新成果。了解地槽地臺的概念和區別。理解大陸漂移說的基本觀點。理解大陸漂移說運動的動力。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。第一節槽臺運動到大陸漂移

霍爾（1811-1898）

一、槽臺學說

基本觀點：地槽早期強烈凹陷，形成海槽；晚期強烈回返，形成山脈，伴隨強烈的巖漿活動和區域變質作用。

1.活動的地槽區

地球表層有海洋和陸地；有山脈和盆地，它們是如何形成的？首先理性回答這個問題的人是美國地質學家霍爾。1859年，霍爾在《北美大陸的地質歷史》中提出了地槽說。

地槽是地殼上巨大而狹長的或盆地狀的沉積很深厚的活動地帶

。

地槽運動示意圖

2.穩定的地臺區發現有些地槽區域具有雙層結構，即下層為褶皺基底，上層為沉積蓋層。蓋層又是如何形成的？首先回答這個問題的人是奧地利地質學家修斯。1885年修斯在《地球的面貌》中提出了地臺說。

地臺是大陸上自形成以后再未遭受強烈褶皺的穩定地區。

休斯

基本觀點：早期地槽結晶基底緩慢下降，接受沉積；晚期緩慢上升，成為陸地。巖漿活動和區域變質作用較弱。

地臺運動剖面示意圖

3.存在問題由于地臺是在地槽的基礎上演變而來的，人們把地槽說和地臺說統稱為槽臺說。

槽臺說認為地殼運動的主要形式是升降運動，山脈的位置始終沒有大的變動，水平運動則是派生或次要的。這種認識具有片面性。

比如，在南極洲發現了大煤田，煤炭儲量約為5000億噸，這個問題用槽臺說如何解釋？

首先解釋這個問題的人是德國氣象學家魏格納，他用大陸漂移的觀點回答了這個問題。大陸漂移說后來成為板塊理論的第一步曲。南極洲礦產分布圖二、大陸漂移說1915年德國學者魏格納出版了《海陸的起源》，提出了大陸漂移說，用地殼的水平運動來解釋地貌和礦產等地質現象的形成問題。

?大陸由較輕的剛性硅鋁層組成，它漂浮在較重的粘性硅鎂層之上。

?石炭紀～二疊紀(距今355-250Ma)，全球只有一個統一大陸（泛大陸）和一個統一海洋（泛大洋）。

?三疊紀(距今250-200Ma)，泛大陸開始分裂和漂移，最后轉變成現今的海陸分布態勢。

?大陸漂移的趨向，一是離極運動；二是向西漂移。

（一）基本觀點

（二）證據

1.地形

大西洋兩岸的地形，好像一張撕成兩半的報紙。把它們重新拼合后，被撕開的一行行文字都能重新拼合起來。1965年美國的布拉德等人用900米等深線作為拼合線，拼合后的誤差小于1%。

大西洋兩岸的地形，好像一張撕成兩半的報紙2.古生物

南半球的幾個大陸（南美洲、非洲南部，澳大利亞、印度、馬達加斯加等）在石炭紀的爬行動物中，有64%的種是共同的。到了三疊紀時，爬行動物中共同的種已經下降到34%。一種生活在二疊紀時期的叫做舌羊齒的植物群，對于南半球的幾個大陸來說是共同的；而在世界其他地方沒有。證明二疊紀時，這幾個大陸是相連的。

南半球幾個大陸漂移前的古生物分布示意圖

3.古氣候

石炭紀~二疊紀時，南半球的幾個大陸雖然現在互不相連，但發現有廣泛的冰川活動遺跡——冰磧物。魏格納認為，南半球各大陸原來都位于南極洲附近，發育冰磧物；后來漂移到現在的位置。

南半球幾個大陸漂移前后示意圖冰磧物

4.地質

在巴西北部海岸附近，不僅出露有20億年前的片麻巖體，而且還出露有4～6億年的褶皺帶及分界線，這同西非加納一帶二者的巖石構造及其分界線是對應一致的；

非洲南部從東到西分布著二疊紀的開普山脈，它的向西延伸部分可以在南美洲阿根廷的南部找到。

大西洋兩岸地質構造延伸示意圖

5.動力模式

向西漂移是由于月球的引潮力引起。向赤道漂移是由于地球自轉速度變慢導致的離極力引起。認為地球自轉遵守角動量守恒定律：

C=ωmr2

C為常量，ω為地球自轉的角速度；r為轉動半徑研究表明，地球自形成以來，自轉速度ω不斷變慢，則r變大，赤道的r最大。

東漢王充的《論衡》所述“濤之起也，隨月盛衰”。意思是潮汐的漲落是隨著月亮的圓缺而變化的?，F在認為月球的引潮力是形成潮汐的主因。月球引起潮汐示意圖

地球自西向東自轉，硅鋁層就像潮水一樣向西漂移。利用蛤類的年輪，科學家發現4億多年前的泥盆紀，地球的自轉速度大約每一年有420天。

（三）存在問題

1926年，英國著名地球物理學家杰弗里斯根據地球緯度變化資料計算出硅鋁層底部的粘度遠遠大于漂移所需要的粘度，認為硅鋁層在硅鎂層之上漂浮運動是不可能的。大西洋最窄處的寬度是2400km。計算表明，離極力要使地殼移動1弧度（約111km）需要30億年；而潮汐力對于驅動大陸漂移來說，更是小的不可能。

杰弗里斯通過實驗和計算，否定了大陸漂移說的動力模式。1930年魏格納在格陵蘭考察時遭雪崩不幸遇難，從此大陸漂移說便銷聲匿跡了。

科學回答大陸漂移說動力問題的人是美國地質學家赫斯。思考與練習

1.霍爾（美國）、修斯（奧地利）、魏格納（德國）在地學中有何創新成果？

2.解釋地槽、地臺的概念。

3.簡答大陸漂移說的基本觀點。

4.大陸漂移說運動的動力是什么？1槽臺運動到大陸漂移CONTENTS第13章現代地學海底擴張到板塊學說213.2課程標準

1.知識目標了解赫斯（美國）、勒比雄（法國）、威爾遜（加拿大）在現代地學中的創新成果。

理解海底擴張說的基本觀點；理解板塊邊界的劃分；理解板塊構造的演化過程。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。第二節海底擴張說

一、海底擴張說

1960年美國普林斯頓大學的赫斯(1906—1969)教授發表了《海洋盆地歷史》報告，提出了海底擴張說。

赫斯發現，海底的平頂山，離洋中脊近的較為年輕，山頂離海面較近；離洋中脊遠的，地質年代較久遠，山頂離海面較遠(深)，用海底擴張能解釋這種現象。用“海底擴張”說能夠解釋地殼的水平運動，被人們一度冷落的“大陸漂移”學說又重新受到人們的重視。赫斯(1906—1969)（一）基本觀點

1.全球規模的洋脊系是洋殼生長的地方

地幔物質由洋脊軸部裂縫涌出，冷凝成為新洋殼。

后形成的洋殼將先形成的洋殼從洋脊軸部依次向兩側推開，形成最新的洋殼。

海底洋殼的年齡隨著與洋脊軸距離的增加而增大。海底擴張示意圖

2.海底并不是無限擴張的

當洋殼到達海溝時，就俯沖下沉熔融，重返軟流圈。因此，海溝俯沖帶又稱為消減帶。

海底洋殼每隔2～3億年完全更新一次。由于生長和消亡并存，認為擴張速率與消減速率相等，二者互相補償，地球的總體積或海盆的總容積基本不變。

3.海底擴張起因于地幔對流熱的巖漿從洋中脊涌出，向海溝推擠，在消減帶回熔，這就形成了地幔對流。地幔對流是海底擴張的驅動力。板塊俯沖模式示意圖地幔對流模式圖（二）證據

1.海底地形聲吶技術發現了海底有海溝、島?。淮笱笾屑?、轉換斷層等地貌。海底洋中脊、轉換斷層分布圖海底海溝、島弧分布圖潛艇探測器示意圖2.海底年齡洋脊軸部巖石年齡新，愈向外愈老，最老的地層不超過三疊紀(距今250-200Ma)。3.轉換斷層整個海底，褶皺并不顯著，斷裂卻十分發育。它常常把洋脊、島弧、海溝、和海底地磁條帶錯開。過去都把它視為一般的平推斷層，1965年威爾遜命名為轉換斷層。轉換斷層形成模式示意圖4.海底磁異常三大洋底磁異常具有明顯的共同特征，即正負磁異常條帶相間排列，與洋脊平行，并以洋脊為軸兩邊對稱。認為這是高溫的地幔物質從洋脊軸部涌出形成新海底冷卻時，溫度降到居里點溫度以下被地球磁場磁化的結果。

（三）存在問題

認為擴張速率與消減速率相等，二者互相補償，地球的總體積或海盆的總容積基本不變。

事實上，海陸的面積是隨著地質年代的增長而不斷變化的。對這一問題的深入研究，誕生了板塊構造說。洋底磁異常剖面示意圖海陸面積此消彼長示意圖二、板塊構造說

1968年法國地球物理學家勒比雄（1937—）在地球物理學研究雜志上發表了《全球板塊運動模式》一文，文中保留了前面理論的精華部分，拋棄了糟粕部分，提出了全球性的板塊構造說。

巖石圈(厚度60–120km)并非是整體一塊，它被許多活動帶分割成大大小小的塊體，這些塊體就是的板塊。全球可劃分為六個大板塊。（一）基本觀點

1.板塊的劃分——六大塊六大板塊平面示意圖

勒比雄地球內部圈層結構示意圖

2.板塊的邊界——三類型

（1）拉張型邊界

又稱離散型邊界，主要以大洋中脊、海嶺為代表。

它是巖石圈板塊的生長場所，也是海底擴張的中心地帶。其主要特征是，巖石圈張裂，巖漿涌出，形成新的洋殼，并伴隨著高熱流值，和淺源地震。大陸裂谷也是拉張型邊界。

（2）

擠壓型邊界

又稱匯聚型邊界或者比尼奧夫帶。主要以海溝-島弧為代表，是板塊相向移動、擠壓、俯沖、消減的地帶。洋中脊拉張型邊界海溝--島弧擠壓型邊界

（3）剪切型邊界

又稱平錯型邊界或者轉換斷層邊界。在這種邊界上，既沒有板塊的新生，也沒有板塊的消亡，只是表現為板塊的平移和錯斷。

這種邊界以轉換斷層為特征。轉換斷層是一種水平錯動在兩端突然終止并改變為另外一種方向和構造類型的斷層。轉換斷層剪切型邊界約翰遜平移斷層示意圖3.板塊的演化——六階段（威爾遜旋回）

（1）胚胎期

地幔活化，引起大陸殼（巖石圈）的破裂，形成大陸裂谷。東非裂谷就是最著名的實例。

（2）幼年期地幔物質上涌、溢出，巖石圈進一步破裂并開始出現洋中脊和狹窄的洋殼盆地。以紅海、亞丁灣為代表。胚胎期幼年期

（3）成年期

洋中脊的進一步延長和擴張，出現了成熟的大洋盆地（最窄處2400km）。大西洋是其典型代表。

（4）衰退期

隨著海底擴張的進行，洋盆一側或者兩側開始出現了海溝，俯沖消減作用開始進行，主動大陸邊緣開始出現，洋盆面積開始縮小，兩側大陸相互靠近，太平洋(東西寬度19000km)即處于這個階段。成年期衰退期（5）殘余期

隨著俯沖消減作用的進行，兩側大陸相互靠近，其間僅殘留一個狹窄的海盆，地中海即處于這個階段。

（6）消亡期

最后兩側大陸直接碰撞拼合，海域完全消失，轉化為高峻山系。橫亙歐亞大陸的阿爾卑斯-喜馬拉雅山脈就是最好的代表，它是歐亞板塊與印度板塊碰撞接觸的地帶，是一條很長的地縫合線。消亡期殘余期

（二）動力來源——地幔對流

后來發現，軟流圈不僅海洋的巖石圈下有，大陸的巖石圈下面也有，屬于全球性的巖漿圈層。

在海溝島弧形成以前，地幔對流一方面導致海底擴張，另一方面導致大陸相背漂移。在海溝-島弧形成以后，地幔對流一方面導致海底擴張，另一方面導致大陸相向漂移。

這樣，大陸漂移說就復活了。

地幔對流示意圖

（三）存在問題

板塊構造說能夠解釋大陸漂移和海底擴張的問題；能夠解釋板塊邊緣地震、火山等地質現象的成因問題；能夠解釋環太平洋和地中海–喜馬拉雅金屬成礦帶等問題，是全球性的大地構造理論。

但是，發現板塊構造說還存在若干問題。1993年，美國石油地質學家梅耶霍夫發現板塊構造有許多嚴重缺陷。

比如在大西洋中脊附近的鮑爾德山，發現全部由16.9億年～15.5億年的花崗巖構成。在大西洋中脊已查明了數百個這類花崗巖產地。

全球地震帶、火山帶分布示意圖思考與練習

1.赫斯（美國）、勒比雄（法國）、威爾遜（加拿大）在現代地學中有何創新成果？2.海底擴張說的基本觀點是什么？3.板塊的邊界是如何劃分的？4.板塊構造是如何演化的？1系統論和信息論CONTENTS第14章系統科學控制論和耗散結構214.1課程標準

1.知識目標識記貝塔朗菲（奧地利）、申農（美國）在系統科學中創新成果。識記系統、要素、環境、信息的概念。理解系統方法所遵循的原則。掌握系統方法、信息方法。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

一、系統論20世紀40年代產生的系統論、信息論、控制論（老三論），60、70年代出現的耗散結構、超循環論、協同學（新三論）等。這些學科分屬不同的科學領域，它們卻以各自的方式擁有一個共同的研究對象，即“系統”。系統科學是以系統存在和發展的規律為研究對象的學科體系，是方法論。

（一）產生與發展

20世紀20年代，奧地利學者貝塔朗菲在研究理論生物學時，用機體論批判并取代當時廣為流傳的機械論，形成有機體系統概念，建立機體論生物學。1968年，貝塔朗菲出版了《一般系統論——基礎、發展、應用》一書，標志著這門學科已到了成熟的地步。廣義的系統論除了一般系統論，還有系統方法和系統工程。它產生于20世紀40年代。

第一節系統論和信息論

（二）基本概念1.系統

系統是由相互聯系、相互作用的元素（要素）按照一定的結構組成的有特定功能的有機整體。

要點：任何系統必須有兩個以上的要素構成。

系統諸要素之間、要素與系統整體之間的相互聯系、作用，形成了特定的結構。

要素彼此之間聯系形成為一個統一的有機整體。

系統作為一個整體對環境表現出特定的功能。

孤立系統：系統與環境之間無物質、能量、信息交換.封閉系統：系統只與環境交換能量而不交換物質。開放系統：系統與環境交換物質、能量、信息。系統開放系統2.要素是組成系統的各個單元、各個部分。3.結構要素在系統內部恒定的分布和排列。4.環境指與系統組成要素發生相互作用而又不屬于這個系統的所有事物的總和。5.功能系統與外界（環境）作用產生影響和效力的能力。功能以結構為基礎，功能是結構的表現。

生態系統

（三）基本原則

1.整體性原則整體的功能大于各部分之和。該原則要求我們把研究的對象系統如實地作為一個整體來對待，通過努力使系統結構合理、系統內外協同作用增強，從而提高整體的效益。

3.目的性原則建立一個系統要達到什么目的必須明白無誤，否則無法判定所采取的方法和手段是否正確。

2.關聯制約原則該原則要求我們在研究系統時，不僅要研究構成系統的要素的性質，還要研究要素之間聯系的方式、相互關聯和制約的性質。

4.最優化原則是指在一定環境條件下，通過采取各種有效手段使系統達到最佳狀態而費力最小。對于一些大而復雜的系統，先對子系統進行局部優化，再協調各子系統的關系，使之從整體上達到所要求的整體目標。（四）系統方法

就是從系統的觀點出發，始終注意要素之間、要素與整體、整體與外部環境的相互聯系、相互作用,綜合地、精確地考察對象，以達到最佳地處理問題的一種方法。例如：霍爾的三維結構方法

思路要清晰，三思而后行二、信息論1948年，美國應用數學家申農在《貝爾系統技術雜志》上發表重要論文《通信的數學理論》，標志著信息論的誕生。1949年，申農又發表另一重要論文《在噪聲中的通信》。在這些論文里，申農提出了通信系統模型、度量信息的數學公式以及編碼定理和其他一些技術性問題的解決方案。

目前，由信息論、控制論、人工智能、計算機和系統工程等方面的內容組成的信息科學正在飛速發展。

（一）產生與發展

1.信息狹義的信息是指具有新的內容、新知識的消息（如書信、情報、指令等）。廣義的信息是指系統內部建立聯系的特殊形式，是系統確定程度（即特殊程度、組織程度或者有序程度）的標記。通信科學中的信息，就是指消息，它是通信的內容。通信者通過通信獲取信息，可以消除某種知識上的不確定性。

（二）基本概念2.信息量在自然界和人類社會中，我們把現象歸納為三類：一類是在一定條件下必然要發生的現象，稱為必然事件。第二類是在一定條件下，必然不會發生的現象，稱為不可能事件。第三類是在相同條件下可能發生，也可能不發生的現象，稱為隨機事件。概率就是用來表示事件發生的可能性大小的一個量，記作P。

事件A發生的概率為有利于事件A發生的基本事件數（m）與總的基本事件數（n）之比。

即P（A）=m／n。例如：袋中有5個白球，3個黑球，那么摸到白球這一事件A的概率為有利于事件A發生的基本事件5個白球與總的基本事件數8之比，因此事件

A發生的概率為5／8。

用概率來定量地描述信息量。

信息量的多少取決于消息所講事件發生的可能性大小。如果所講事件發生的可能性小，則消除它的不確定性要多些，信息量也就多些。即：概率小的事件、信息量多。

在實際運用中，信息量常用概率的負對數來表示。

I﹦－㏒a

P1/P2

；

P1/P2

表示概率。

信息量最常用的單位規定為：

以2為底的對數，單位是比特。

例如：一個口袋中有1個紅球，7個白球，求摸到紅球的信息量？I1﹦-㏒21/8=-(㏒2

20–㏒2

23)=3例如：一個口袋中有4個紅球，4個白球，求摸到紅球的信息量？I2﹦-㏒24/8=-(㏒222–㏒223)=1

（三）信息方法

申農在1948年提出的通信系統模型。所謂信息方法，就是運用信息的觀點，把系統看作是借助于信息的獲取、傳送、加工、處理而實現其有目的性運動的一種研究方法。例如，線上授課，用的就是信息方法。老師的聲音和圖像的信息經過計算機輸入—存儲—處理—輸出的結果。1.通信系統模型2.信息方法這種方法的特點是用信息概念作為分析和處理問題的基礎，完全撇開對象的具體運動形態，把系統的運動過程抽象為信息的轉換過程，把系統有目的的運動抽象為如下的變換過程，即：

—信息—輸入—存儲—處理—輸出—信息—

把系統的運動過程抽象為信息的轉換過程

思考與練習

1.貝塔朗菲（奧地利）、申農（美國）在系統科學中有何創新成果？2.解釋系統、要素、環境、信息的概念。

3.簡答系統方法所遵循的原則。

4.簡答并舉例說明系統方法、信息方法。1系統論和信息論CONTENTS第14章系統科學控制論和耗散結構214.2課程標準

1.知識目標識記維納（美國）、普里高津（比利時）在系統科學中的創新成果。理解并舉例說明反饋方法、功能模擬方法、黑箱方法。理解耗散結構及的形成條件。

了解研究耗散結構的意義。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。一、控制論（一）產生與發展1948年，維納的《控制論》一書的出版，標志著控制論的誕生?？刂普摰陌l展，大致分為三個時期：

第一個時期，在20世紀40年代末和50年代，是經典控制論時期。

人們在工業生產等方面，開始采用各種自動調節器、電子設備等，著重研究單機自動化或局部自動化。

第二個時期，在60年代，是現代控制論時期。

隨著導彈系統、人造衛星、航天系統等科學技術的迅速發展，研究從單變量控制轉到多變量控制，從自動調節轉到最優控制。第三個時期，在20世紀70年代到現在，是大系統理論時期。

不僅發展了工程控制論，還產生了生物控制論、經濟控制論、人工智能等。無人機的研制和發展。

第二節控制論和耗散結構（二）基本概念

1.控制控制指的是一種帶有目的性的因果聯系，即產生原因系統（施控系統）對產生結果系統（受控系統）有目的的影響干預?？刂埔话惆齻€基本要素：施控主體、受控客體和傳遞控制作用的特定方式或途徑。

2.反饋反饋就是系統輸出的全部或一部分，通過一定的通道反送回輸入端，從而對系統的再輸入和再輸出施加影響的過程。開環控制和閉環控制示意圖門廳反饋裝置

（三）基本方法1.反饋方法是運用反饋概念來分析和處理問題的方法。用維納的話說，就是“根據過去的操作情況去調整未來的行為”。例如，蝙蝠捉蚊子等。2.功能模擬方法

就是以功能和行為的相似為基礎，用模型模仿原型的功能和行為的方法。蝙蝠是利用“超聲波”在夜間導航的。它的喉頭發出一種超過人的耳朵所能聽到的高頻聲波，這種聲波沿著直線傳播，一碰到物上體就迅速返回來，它們用耳朵接收了這種返回來的超聲波，使它門能作出準確的判斷，引導它們飛行。功能模擬方法示意圖3.黑箱方法是指當不知道或根本無法知道一個系統的內部結構時，根據對系統輸入和輸出變化的觀察，來探索系統的構造和機理的一種方法。中醫看病是應用黑箱方法的典型。偵探破案用的是黑箱方法中醫看病用的是黑箱方法

二、耗散結構耗散結構理論通過對非平衡系統自組織過程的刻畫，從一個側面科學地說明了系統從無序向有序轉化的具體機制。1969年，比利時科學家普里高津(1917～2003)提出的耗散結構理論，回答了系統演化的方向和演化的機制問題，解決了長期以來存在的熱力學和進化論之間的矛盾。并因此獲得1977年諾貝爾化學獎。普里高津(1917—2003)

（一）耗散結構機制

克勞修斯于1865年發表一篇論文，提出了“熵”的概念：將不能做功的隨機和無序狀態的能定義為熵，S=Q/T。

在封閉系統中，有兩物體，它們的溫度分別為T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的時間內，有dQ的熱量從T1傳到T2，因為T1﹥T2

，則有：

dQ/T2-dQ/T1﹥0

這就導致了熵的增加。即：

孤立系統的熵總是會自發地趨于極大。按照耗散結構理論的解釋，一個系統內的熵是由兩部分組成的。其一是系統自身因不可逆過程引起的熵(dis)，它永遠是正的；其二是系統與環境交換物質和能量引起的熵(des)，它可正可負。

所以系統的熵變化

ds=dis+des，

它是可正可負的。系統開放，有可能能引進負熵流

對于孤立系統來說，因為它不與環境交換物質與能量，所以des=0。

這樣ds=dis+des≥0

即孤立系統只能從有序走向無序，表現出退化的趨勢。