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Trujillo（阿兰?P?特鲁希略）：美国加州帕洛玛学院地球、空间和航空科学系教授，加州大学戴维斯分校地质学学士，北亚利桑那大学地质学硕士。1990年开始任教于帕洛玛学院，1997年获帕洛玛学院优秀教学奖，2005年获帕洛玛学院优秀研究奖。与人合著有《海洋学导论》和《地球和地球科学》等书籍。阿拉斯加和科尔特斯海自然学家，研究方向为海滩过程、海崖侵蚀等，爱好摄影、集沙。 张荣华：中国科学院海洋研究所研究员博士生导师。研究兴趣：热带海气耦合模式 , 热带海洋-大气相互作用 , ENSO数值模拟与预测 , 年代际海洋气候变率 , 海洋反馈过程参数化及其对气候模拟影响。国家“千人计划”特聘专家，研究工作以海洋环流数值模拟为中心，致力于海洋与地球其它分系统（特别是大气、海洋生物和化学）等耦合模式的发展和改进；建立了各种类型的热带海洋-大气耦合模式；并用所发展的模式进行年际年代际气候异常如厄尔尼诺-南方涛动数值模拟和相关物理过程诊断分析等跨学科研究；近年来，创造性地将海洋卫星遥感资料用于气候反馈过程参数化研究，有效地改进了热带海气耦合模式和地球系统模式，取得了国际领先的科研成果。 目錄： 第1章地球简介1 1.1地球上有多少海洋？2 1.1.1四大洋及另一个大洋2 1.1.2海与洋的比较：七海有哪些？3 1.2早期如何进行海洋勘探？5 1.2.1早期历史5 1.2.2中世纪9 1.2.3欧洲人的发现时期10 1.2.4远洋科学的开端11 1.2.5仍将继续的海洋学历史12 1.3科学探索的本质是什么？12 1.3.1观察13 1.3.2假说13 1.3.3检验13 1.3.4理论13 1.3.5理论和真理14 1.4地球和太阳系是如何形成的？15 1.4.1星云假说15 1.4.2原始地球16 1.4.3密度和密度分层17 1.4.4地球的内部结构17 1.5地球上的大气和海洋是如何形成的？20 1.5.1地球大气的起源20 1.5.2地球海洋的起源20 1.6海洋是地球生命的摇篮吗？21 1.6.1氧气对生命的重要性21 1.6.2斯坦利?米勒实验22 1.6.3生物进化与自然选择23 1.6.4植物和动物的进化24 1.7地球有多大年龄？26 1.7.1放射性年龄测定26 1.7.2地质年代表27 基本概念回顾28 第2章板块构造和洋底29 2.1支持大陆漂移的证据有哪些？30 2.1.1大陆的吻合31 2.1.2岩石层序与山脉32 2.1.3冰河时代与其他气候证据32 2.1.4生物分布33 2.1.5大陆漂移的反对意见35 2.2支持板块构造的证据是什么？35 2.2.1地球磁场和古地磁学36 2.2.2海底扩张和海洋盆地特征40 2.2.3海盆的其他证据41 2.2.4理论的接受43 2.3板块边界有哪些特征？44 2.3.1离散边界特征45 2.3.2汇聚型板块边界49 2.3.3转换型板块边界特征53 2.4测试模型：板块构造的应用有哪些？54 2.4.1热点和地幔柱54 2.4.2海山和平顶海山57 2.4.3珊瑚礁的发育57 2.4.4卫星观测的板块运动59 2.5地球过去是怎样变化的，将来又会是什么 样子？60 2.5.1地球的过去：古地理学60 2.5.2未来：一些大胆的预测61 2.6板块构造是如何作为实用模板应用的？62 基本概念回顾65 第3章海洋区域67 3.1测量海洋深度的技术有哪些？68 3.1.1探测技术68 3.1.2回声测深68 3.1.3利用卫星从太空描绘海洋特征70 3.1.4地震反射剖面72 3.2大陆边缘有哪些地貌？73 3.2.1被动大陆边缘与主动大陆边缘73 3.2.2大陆架74 3.2.3大陆坡74 3.2.4海底峡谷和浊流75 3.2.5大陆隆76 3.3深海盆地中有什么地貌特征？78 3.3.1深海平原78 3.3.2深海平原的火山79 3.3.3海沟和火山弧79 3.4大洋中脊有哪些地貌特征？81 3.4.1火山地貌81 3.4.2热液喷口82 3.4.3断裂带和转换断层84 3.4.4大洋岛屿87 基本概念回顾88 第4章海洋沉积物89 4.1如何采集海洋沉积物样品？海洋沉积物 揭示了哪些历史事件？91 4.1.1海洋沉积物的采集91 4.1.2海洋沉积物揭示的环境条件93 4.1.3古海洋学93 4.2陆源沉积的特征94 4.2.1陆源沉积的起源94 4.2.2陆源沉积的组成94 4.2.3沉积结构96 4.2.4陆源沉积的分布97 4.3生物沉积的特征98 4.3.1生物沉积的来源98 4.3.2生物沉积的组成99 4.3.3生物沉积的分布101 4.4水生沉积的特征106 4.4.1水生沉积的成因106 4.4.2水生沉积的组成及分布106 4.5宇宙沉积的特征108 4.5.1宇宙沉积的来源、组成、分布108 4.6深海及浅海沉积的分布109 4.6.1海洋沉积混合物109 4.6.2浅海沉积109 4.6.3深海沉积110 4.6.4如何根据海底沉积物反映表层海水 状况？111 4.6.5全球海洋沉积物的厚度111 4.7海洋沉积资源112 4.7.1能源资源112 4.7.2其他资源114 基本概念回顾116 第5章水和海水118 5.1为什么水具有如此特殊的化学性质？119 5.1.1原子结构119 5.1.2水分子120 5.2水还具有哪些重要的性质？122 5.2.1水的热力学性质122 5.2.2水的密度126 5.3海水有多咸？129 5.3.1盐度129 5.3.2盐度的测定131 5.3.3纯水和海水的比较131 5.4为什么海水盐度会有变化？132 5.4.1盐度变化132 5.4.2影响海水盐度的因素133 5.4.3海水中溶解性组分的输入与输出135 5.5海水是酸性的还是碱性的？136 5.5.1pH值的范围137 5.5.2碳酸盐的缓冲系统138 5.6海水盐度在表层如何变化？随深度如何 变化？139 5.6.1表层盐度变化139 5.6.2盐度随深度变化140 5.6.3盐跃层141 5.7海水密度随深度如何变化？141 5.7.1影响海水密度的因素141 5.7.2温度和密度随深度变化142 5.7.3温跃层和密度跃层143 5.8用什么方法去除海水中的盐分？144 5.8.1蒸馏法144 5.8.2膜过滤过程145 5.8.3其他海水脱盐方法145 基本概念回顾146 第6章海气的相互作用148 6.1是什么引起了太阳辐射在地球上的 变化？149 6.1.1是什么引起了地球季节循环？149 6.1.2纬度如何影响太阳辐射的分布？151 6.1.3海洋热流152 6.2大气拥有怎样的物理特性？153 6.2.1大气组成153 6.2.2大气中温度的变化153 6.2.3大气中密度的变化154 6.2.4大气中的水蒸气含量154 6.2.5大气压155 6.2.6大气运动155 6.2.7一个例子：不自转的地球155 6.3科里奥利效应是如何影响物体运动的？156 6.3.1例1：旋转木马的参照系156 6.3.2例2：两枚导弹的故事157 6.3.3科里奥利效应随纬度而变化158 6.4全球大气存在怎样的环流形式？159 6.4.1环流160 6.4.2气压160 6.4.3风带160 6.4.4边界160 6.4.5环流圈：是理想的还是真实的？161 6.5海洋上发生什么样的天气和气候形态？163 6.5.1天气与气候163 6.5.2风163 6.5.3风暴和锋面164 6.5.4热带气旋（飓风）166 6.5.5海洋的气候形态172 6.6海冰和冰山是如何形成的？173 6.6.1海冰的形成173 6.6.2冰山的形成174 6.7风中的能量能否作为能源加以利用？176 基本概念回顾177 第7章海洋环流179 7.1海流是如何测量的？180 7.1.1表层流的测量180 7.1.2深层流的测量182 7.2海洋表层流是如何组织的？183 7.2.1表层流的起源183 7.2.2表层流的主要组成184 7.2.3影响海洋表层流的其他因素186 7.2.4洋流与气候189 7.3什么引起上升流和下降流？190 7.3.1表层水辐散190 7.3.2表层水辐合190 7.3.3沿岸上升流和下降流190 7.3.4上升流的其他原因192 7.4各大海盆主要的表层环流形态是什么？192 7.4.1南极环流193 7.4.2大西洋环流193 7.4.3印度洋环流197 7.4.4太平洋环流200 7.5存在哪些深海洋流？207 7.5.1热盐环流的起源207 7.5.2深层水的来源207 7.5.3全球范围的深层环流209 7.5.4深层水的溶解氧210 7.6海流可以用来发电吗？210 基本概念回顾211 第8章海浪和水动力学213 8.1海浪是如何生成和传播的？214 8.1.1扰动形成海浪214 8.1.2波浪运动215 8.2海浪具有什么特征？216 8.2.1海浪的常用术语216 8.2.2圆形轨道运动217 8.2.3深水浪219 8.2.4浅水浪220 8.2.5过渡浪220 8.3风成浪是如何发展的？221 8.3.1海波的发展221 8.3.2干涉模式225 8.3.3疯狗浪225 8.4海浪在碎浪带是如何变化的？227 8.4.1海浪靠近海滨时的物理变化227 8.4.2碎浪和冲浪运动228 8.4.3海浪的折射229 8.4.4海浪的反射230 8.5海啸是如何形成的？232 8.5.1海岸的影响232 8.5.2海啸的几个例子234 8.5.3海啸预警系统239 8.6海浪的能量是否可作为能源加以利用？240 8.6.1海浪发电厂和海浪农场241 8.6.2全球沿岸的海浪资源242 基本概念回顾242 第9章潮汐244 9.1什么导致了海洋潮汐？245 9.1.1引潮力245 9.1.2潮隆：月球的影响249 9.1.3潮隆：太阳的影响250 9.1.4地球自转与潮汐250 9.2潮汐在月潮周期内如何变化？251 9.2.1月潮周期251 9.2.2复杂的因素253 9.2.3理想潮汐的预测254 9.3海洋中的潮汐是什么样的？255 9.3.1无潮点和等潮线255 9.3.2陆地的影响256 9.3.3其他影响因素257 9.4潮汐有哪些类型？257 9.4.1半日潮模式258 9.4.2混合潮模式258 9.5沿海地区有哪些潮汐现象？259 9.5.1潮汐的极端例子：芬迪湾260 9.5.2沿海潮汐261 9.5.3漩涡：是事实还是虚幻？262 9.5.4银汉鱼：跑到海滩上来做什么？262 9.6潮汐是否可以作为能源来加以利用？264 9.6.1潮汐发电厂264 基本概念回顾266 第10章海岸：海滩和海岸线过程267 10.1沿海地区是如何定义的？268 10.1.1海滩术语268 10.1.2海滩的组成269 10.2海滩上的沙子是怎样运移的？269 10.2.1垂直于海岸线的运移269 10.2.2平行于海岸线的运移270 10.3 內容試閱： 前 言 致学生 欢迎开启非凡之旅。在这一学期的课程中，你将了解海洋在巨大地球系统中的重要作用。 本书主要介绍海洋的基本知识，具体内容包括各学科如地质学、化学、物理学和生物学与海洋的关系。掌握这门课程不要求学生具有任何科学背景。 学完这门课程后，学生要了解海洋的各个组成部分（海底、化学成分、物理成分和生命形式）之间的关联性。此外，由于人类活动会影响地球系统，因此除了解海洋的运行机制外，还要了解海洋与地球其他系统（大气圈、生物圈和水圈）间的相互作用。 本书的内容按如下三个基本方面来组织： 1．概念：由特定事例或现象推出基本思想，例如可用密度的概念来解释海洋的分层现象。 2．过程：给出结果的动作或现象，例如海浪以某个角度冲击海岸会导致沉积物沿岸输运。 3．原理：自然现象或机械过程起作用时所涉及的规则或定律，例如海底扩张认为大陆的地理位置随时间变化。 概念、过程和原理之间穿插了几百张照片、插图和真实事例。了解海洋的运作原理后，应掌握海洋环境的各个方面及它们在地球系统中的作用。 致教师 本书是海洋学课程的教材，适用于无任何数学或科学背景的学生，目的是让学生掌握科学原理与各种海洋现象间的关系。 本书得到了许多学生和教师的审核，适用于海洋学导论课程的教学。2012年，本书因内容、呈现方式、愉悦性和可读性，被教材和学术作者协会评为优秀教材。 讲授本书需要15周或16周时间，学时较少时，教师可选择某些章节和主题来讲授。全书各章自成体系并按如下顺序出现： ? 简介（第1章） ? 海洋地质学（第2～4章，以及第10章、第11章的部分内容） ? 海洋化学（第5章，以及第11章的部分内容） ? 海洋物理学（第6～9章，以及第10章、第11章的部分内容） ? 海洋生物学（第12～15章） 与上一版相比，本版新增了海洋与气候变化一章（第16章），主要介绍人类导致的全球气候变化及其对环境和海洋的影响。 致谢 本书的修订得到了许多人的帮助，限于篇幅此处不一一列出；同时，本书的出版也得到了许多同事的支持和帮助，这里谨致谢意。特别感谢Patty Deen、Cari Gomes、Adam Petrusek、Rich Yonts。 尽管本书经过了仔细的评阅和校对，但仍会存在错误，敬请读者指正并与我们联系。 海洋专业职业展望 许多人认为海洋职业不外乎是在海洋公园与海洋动物一起游泳，或是在热带海水中潜水研究珊瑚礁。事实上，这种工作机会很少，且竞争者众多。多数海洋学家使用科学来回答海洋的问题： ? 海洋在抑制人类导致的气候变化方面所起的作用是什么？ ? 在海洋生物中能找到哪些类型的自然药物？ ? 海底扩张与构造板块运动有何关联？ ? 海底有哪些经济矿床？ ? 疯狗浪能预测吗？ ? 沿岸输运在海滩沙的分布方面有何作用？ ? 污染物如何影响海洋环境中的生物？ 海洋学领域的职业准备 若立志毕业后从事海洋领域的职业，则要了解以下科学以便奠定基础： ? 海洋地质学。海洋地质学研究海底结构、海底随时间的变化、海底特征的形成、海底沉积物的历史等。 ? 海洋化学。海洋化学研究海水的化学成分和性质、如何从海水中提取化学药品，以及污染物对海水的影响。 ? 海洋物理学。海洋物理学研究海浪、潮汐、洋流，影响天气和气候的海气关系，以及海洋中光与声音的传播。 ? 海洋生物学。海洋生物学研究各种海洋生物、海洋生物间的关系、海洋生物对海洋环境的适应性，以及海洋捕捞的生态平衡。 除以上学科外，还需了解海洋工程、海洋考古学和海洋政策。海洋学是一门跨学科的科学，因为它要运用所有基础学科的知识。有些工作和就业机会需要我们具备所有这些学科的知识。 在海洋学及与海洋学相关领域工作的个人，至少需要具备某门基础学科（如地质学、物理学、化学或生物学）或工程的知识和本科学历。所有这类工作都需要掌握数据。海洋考古学需要有考古学和人类学的背景，海洋政策研究需要具有至少一门社会科学（如法律、经济或政治）的背景。对任何职业而言，都需要有流利读写和严谨思考的能力。今天，还须具备熟练使用计算机和调试计算机系统的能力。海洋学领域的许多工作需要从业者乘船出海作业，因此需要有出海经验。同时，具有机械知识和动手能力会更具优势（如在船上不用上岸就可修复设备的能力）。总之，工作性质不同，对人的要求也不同，如有些工作要求从业者具备听说多门外语的能力，具有潜水证书，能在狭窄空间中长时间工作的体力和耐力，并能克服晕船症。海洋学是一门相对较新的科学，留待我们发现的知识还有很多，因此许多人会以高学位（如硕士或博士）进入这一领域。但作为海洋工程师也大有可为，海洋工程师对学位要求不高，学士学位或具备相应的经验即可。努力就会有回报，希望你能找到合适的工作并取得相应的成就。 海洋学家的工作职责 与海洋相关的就业机会正在且必将继续增多。海洋学家的就业领域包括研究机构、政府部门，以及各类公司，如海洋矿业公司、海洋养殖公司、海洋发电公司等。工作不同，海洋学家的具体职责也不同，但通常具有如下职责： ? 海洋地质学家和地球物理学家勘探海底并对海底地质结构成图。研究岩石和沉积物的物理与化学性质，为地球历史提供有价值的信息。这种工作成果有助于我们了解海洋盆地的形成过程，以及海洋与海底的相互作用。 ? 海洋化学家和海洋地球化学家研究海水的化学组成及其与大气、海底的相互作用。具体工作包括分析海水的成分、海水的淡化，并研究污染的影响。还研究海洋环境中的化学过程，并与海洋生物学家合作研究生命系统。他们对海水的微量化学物质的研究，可帮助我们了解全球的洋流运动形式及海洋对气候的影响。 ? 海洋物理学家研究海洋的温度、密度、海浪运动、潮汐和海流等性质。他们研究影响天气和气候的海气关系、光和声音在海水中的传播，以及海洋与海底、海岸的相互作用。 ? 海洋生物学家和海洋渔业学家研究海洋中的动植物，了解海洋生物的发展方式、彼此间的关系、对环境的适应性及与环境的相互作用，找到海洋捕捞的平衡方法，研究生物对污染的响应。与海洋生物学相关的新领域包括海洋生物技术和分子生物学。海洋生物学是海洋学中最为重要的领域，因此也最具竞争性。 ? 海洋工程师将科技知识应用于实际工作中，工作范围包括设计敏感的设备来测量海洋过程，构建能承受洋流、海浪、潮汐和风暴的结构。细分领域包括声学、机器人、电气、机械、建筑、化学工程和造船。这些工程师通常具有高度专业的计算机技术。 ? 海洋考古学家系统地恢复和研究海洋证据，如沉船地点、建筑和海底人类遗迹。海洋考古学家使用先进技术来定位水下考古遗迹。 ? 海洋政策专家利用海洋学、社会科学、法律等知识，制订合理开发海洋和沿岸资源的方针与政策。 海洋学家的其他工作领域包括海洋新闻工作者、教师和水族馆负责人等。 就业信息来源 就业信息来源可在大学关于海洋学的目录中找到。网上的就业信息来源包括： ? 海洋科学职业：美国国家海洋和大气管理局海洋学院提供的工作机会指南，网址为http： marinecareers.net。 ? 加州大学海洋研究所提供的就业信息，网址为www.siommg.ucsd.eduslices。 ? 海洋世界教育部门提供的动物园工作指南，网址为www.seaworld.orginfobooks zoocareers home.html。 ? 科学和工程职业：美国国家科学院提供的学生就业指南，网址为www.nap.eduopenbook. php?record_id=5129。 其他海洋学就业网上信息包括： ? 海洋学会，网址为www.tos.orgresourcescareer_profiles.html。 ? 美国海军网站，网址为www.oc.nps.educareers.html。 ? 斯克里普斯海洋研究所的网站，其中列出了海洋学、海洋生物学等方面的信息，网址为http：ocean.peterbrueggeman.comcareer.html。 ? 帕洛玛学院海洋学职业网站，网址为www.palomar.eduoceanographylinksCareers.html。 ? 纽约州立大学石溪分校生物科学系，其中列出了许多海洋实验室和研究机构，网址为http：life.bio.sunysb.edumarinebiomblabs.html。 ? 伍兹霍尔海洋研究所的网站，它致力于女性海洋学家的成就，包括女性科学家的独特性，网址为www.womenoceanographers.org。 Alan P. Trujillo Harold V. Thurman 学习目标： 4.1 了解海洋沉积物的沉积过程及其揭示的历史事件。 4.2 描述陆源沉积的特征。 4.3 描述生物沉积的特征。 4.4 描述水生沉积的特征。 4.5 描述宇宙沉积的特征。 4.6 讨论远洋沉积、浅海沉积在全球的分布状况。 4.7 列举海洋沉积中储藏的各种资源。 为什么海洋研究者对沉积物深感兴趣？尽管海洋沉积物看似简单，与被侵蚀的颗粒、粉尘碎屑以及其他从水中沉淀出来并在洋底堆积的颗粒类似（见图4.1），但它揭示了大量的地球历史。就像我们现在所了解的那样，在研究过去海洋生物地理分布、全球气候变化甚至全球生物灭绝事件时，沉积物均能提供十分有用的线索。值得注意的是，不同于地球上的其他物质，沉积物是在洋底经过长时间积累形成的，其包含了近于连续的时间序列。实际上，海洋沉积物就像地球上最大的博物馆，它将数百万年的地球历史，呈现在我们面前。 随着时间的推移，沉积物会发生成岩作用（变成岩石）而形成沉积岩。陆地上出露的岩石，有一半以上是沉积岩，它们是在古海洋环境中沉积，并通过板块构造过程抬升至陆地形成的。让人惊讶的是，即使是大陆上最高的山峰（离海洋很远）也含有海洋生物化石，这表明，这些岩石在地质历史时期均源于洋底。比如，世界最高山脉的顶点（喜马拉雅山脉的珠穆朗玛峰）由灰岩组成，而灰岩是一种形成于海底的岩石类型。 沉积物中的颗粒来自岩石碎屑、生物体、溶于水中的矿物以及外太空。沉积物的矿物组成及结构（颗粒的大小和形状）是判断沉积物来源的线索。 表4.1对本章的知识进行了梳理，表中根据海洋沉积物的类型、组成、来源、主要分布位置，对其进行了分类。本章以一个简短的讨论开篇，对沉积物的沉积过程及沉积物对地球历史的揭示等问题进行探讨。学习本章的剩余内容时，要注意所讨论的四种主要沉积物类型（表4.1中的第一列），然后仔细了解表4.1中每种沉积物类型的组成（第二列）、来源（第三列）、和主要分布区域（第四列），同时要把海洋沉积物的混合物、沉积物分布考虑在内。最后介绍沉积物所提供的资源。

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