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地质学发展史
编辑:Suntrans发表时间:2018-07-12


地质学发展史是人类在生产和探索地球奥秘的过程中,逐步认识地球的组成和结构,地球及其生物界演变的规律,特别是地壳和岩石圈运动规律,并为人类合理开发、利用和保护矿产资源保护环境服务的历史。

人们对地球的认识源远流长。在曲折的历史发展过程中,原始朴素的地质知识逐渐形成了地质科学的知识体系。根据地质知识发展的程度,并参照其社会文化背景,可将地质学发展史划分为5个时期。①地质知识积累和地质学萌芽时期(远古~1450),以认识的直观和解释的猜测性为主要特征。②地质学奠基时期(1450~1750),其特征是随着自然科学的诞生,地质知识趋向系统化。对地质现象试作理性解释,并逐步建立了观察和推理方法。③地质学形成时期(1750~1840),一方面地质知识得到较全面的概括和总结,另一方面,人们将地质作用、过程和结果联系起来加以思考,给予解释。地质思想、理论和学说十分活跃,由此初步形成了地质学体系。④地质学发展时期(1840~1910),其特征是地质知识和理论的发展,逐步形成了综合分析方法,初步提出了全球性地质发展史的认识。⑤20世纪的地质学(1910~),这一时期特点是科学技术的发展使新的地质学说、地质学理论不断涌现,地质学分支学科之间日益相互渗透,地质学与地球科学的其他学科相互沟通,形成了全球性地质学体系。

地质知识积累和地质学的萌芽时期

(远古~1450

远古时代人类通过石器的采集和制作,逐步了解了岩石、矿物的某些性质。在经受地震、火山、洪水的灾害并与之斗争的过程中,逐步认识了大自然中的地质现象和过程。这一时期,人们对地球和地质现象的认识是直观的,解释是猜测的、思辨的,体现了朴素的唯物主义自然观。

岩石和矿物知识的积累

最初,古代人类利用岩矿的物理性质,如硬度、解理等制造石器。中国的蓝田人、北京人所用石器大都由硬度较大的石英质矿物和岩石制成。旧石器晚期,出现于山顶洞文化时的钻孔石质饰物,表明人类对岩石、矿物的相对硬度有了一定认识。新石器时期,人类已利用天然宝石类矿物,如玛瑙,叶蜡石等作饰品。陶器的烧制,如仰韶期的彩陶,龙山期的黑陶,说明几千年前人类对粘土的性质又有了一定认识。商、周是中国青铜器鼎盛时期,那时所用的铜矿石主要是自然铜和孔雀石。中国古代用铁的历史可追溯到商代,战国时期,中国步入铁器时代。

中国早期地学典籍记载了许多岩石和矿物知识。《山海经》将矿物分为金、玉、石、土4类,并记述了各自的色泽、特征、产地。约于战国成书的《禹贡》记述了多种金属矿物和非金属矿物。《管子·地数》篇中的“山上有赭者,其下有铁;上有铅者,其下有银”,论述了金属矿产的共生关系。

秦汉以来,人们开始开发和利用石油、天然气、煤和盐。东汉班固(公元32~92)在《汉书·地理志》提到上郡高奴县“有洧水,可?”。?,即燃字。这是中国最早关于石油的记载。中国石油开发最早的是延长油田。“石油”一词首见于北宋沈括所著《梦溪笔谈》。天然气井在古代称为火井。首见于《汉书》的鸿门火井位于现在陕西神木县。张华的《博物志》以及西晋常璩的《华阳国志·蜀志》中都记载了有关四川天然气的资料。

世界其他民族在早期也积累了丰富的岩矿知识。古希腊泰奥弗拉斯托斯的《石头论》是最早的有关岩矿的专门著作。他描述了70多种矿物,将岩石分为石质和粘土两大类,论述了颜色、硬度、结构,可燃性、可溶性等物理性质。古希腊的亚里士多德在《气象学》中讨论了矿物成因。他认为地球内部的干、热的烟气和湿冷的水气相互作用产生各种各样的矿物。

对地质作用的认识

人类在同自然灾害的斗争中获得地质作用知识。印度的吠陀经、希腊的奥非厄斯圣诗、中国的大禹治水传说都表明人类早就认识到流水具有重要的地质作用。中国古代有丰富的地震记录。《竹书纪年》记载的3800多年前的地震是现知世界最早的地震记录。公元132年,中国的张衡发明制造了世界第一台地震仪──候风地动仪。对火山地质作用的观察和描述,最初多在火山活动频繁的地中海等地区。古罗马的斯特拉波提出火山是地球内部爆发力施放的安全阀。意大利的普林尼为研究火山而献身,为世人留下宝贵的文献。

中国古代有关海陆变迁的描述最早见于晋代葛洪所著《神仙传》,其中载有“东海三为桑田”。《诗经·小雅·十月之交》描述了“高岸为谷、深谷为陵”的地壳变动的现象。

古希腊人从远离海洋的高山发现海生贝壳等现象,提出了海陆变迁的观点。色诺芬尼提出,化石是海生动物被大水挟加泥沙冲到陆地而形成。亚里士多德认为“陆地和海洋的分布不是永恒的”,海陆变迁是“按一定规律在一定时期发生的”。

对地球的启蒙认识

古代学者一般持有整体地球观,并重视万物本原的探讨。在中国有“阴阳说”和“五行说”。“阴阳说”源于公元前11世纪的《周易》。“五行说”最早见于文字的是《尚书·洪范》。五行中的“金”是概括了金、银、铜、铁等金属的共同性质而抽象出来的。古希腊的泰勒斯认为自然界的根本元素是水。阿那克西曼德提出水、气、土、火四种元素是组成万物之本。古希腊的原子论学派用原子的旋涡运动来解释地球的形成。毕达哥拉斯学派认为地球、天体、宇宙都呈球形。亚里士多德则从对月食的观察,以及星辰高度向北增加的现象,给予球形大地观以经验证明。古希腊人逐步形成了地球中心思想,尽管阿利斯塔克提出地球每年沿圆周轨道绕日一周的日心说,但由于欧多索克斯、亚里士多德和C.托勒密等人的影响,地心说成为千年之久的正统学说。中国古代有盖天说、浑天说、宣夜说3种对地球观有影响的假说。浑天说在汉代得到很大发展。东汉张衡制造了浑天仪,所著《浑天仪图注》是浑天说的代表作。

中世纪的地质学

欧洲在漫长的中世纪时期,由于宗教的禁锢,科学发展缓慢。但在东方的中国和阿拉伯则有较大的进步。阿拉伯学者阿维森纳和比鲁尼认识到岩层中的化石是海陆变迁的证据,化石的形成要经历很长时间。阿拉伯人对于侵蚀、搬运、堆积等地质作用也多有记述。

这一时期,中国对于化石和地层的形成有许多科学的认识。唐代颜真卿,宋代沈括都把山崖中的螺蚌壳视为沧海桑田变化的见证。沈括在《梦溪笔谈》中,对“蛇蜃”、“石笋”、“螺蚌壳”等动、植物化石作了较为正确的解释。宋代朱熹明确指出,岩石“即旧日之土”,化石螺蚌壳“即水中之物”,他认为由于地壳变动“下者变而为高,柔者变而为刚”,对地层和化石形成给予了科学的解释。在杜绾所著的《云林石谱》中,除记述了鱼化石、石燕外,还提出化石是“岁久土凝”而成的论断。他还用“寒热相激”岩爆石飞的道理,科学地解释了“石燕遇雨则飞”的风化剥落现象。

在矿冶事业发展中,人们积累了丰富的找矿经验。南朝梁成书的《地镜图》中记载了“草茎赤秀,下有铅”、“草茎黄秀,下有铜”、“山有葱,下有银”。唐代段成式在《酉阳杂俎》也有类似记载,如“山上有葱,下有银;山上有薤,下有金”等,论述了金属矿床的指示植物和某些金属元素对植物生长的影响。杜绾在《云林石谱》中记载116种岩石矿物,及其产地、采法、产状、品位和物理性质,是当时中国矿物学的代表作。

地质学的奠基时期

14501750

欧洲的文艺复兴运动是一场思想解放运动,它使近代自然科学从神学中解放出来。哥白尼的《天体运行论》(1543)是自然科学脱离神学走上独立的开端。15世纪的地理大发现,开拓了人们的视野。人们要重新认识自然,重新研究地球,并给予地球历史以理性的解释。这一切都为地质科学的发展奠定了基础。

地质哲学思想的初步发展

科学地质学的建立,必须冲破神学的束缚。地球不是上帝创造的,而是物质世界自然发展的结果。法国的R.笛卡尔(1644)曾提出,地球以及其他天体是由以旋转运动为固有性质的原始粒子组成,正是原始粒子的这种旋涡运动使太阳系生成。1749年,法国的G.-L.L.C.de布丰提出地球起源于太阳和彗星碰撞的灾变说。1779年布丰用冷却灼热铁球所需时间来推算地球的年龄,这个年龄的比圣经上所提的大10倍。布丰还明确地将上帝创世的7日改为地球史上的7个“纪”,全面地描述了地球自然发展历史。其后,德国的I.康德和法国的P.S.H.de拉普拉斯先后提出太阳系起源的星云假说,阐明包括地球在内的整个太阳系是逐渐冷凝生成的。

对化石和地层的认识

文艺复兴时期的代表人物达·芬奇将贝类化石和现代贝类进行比较,得出化石是过去生物的遗体的正确结论。在其《笔记》一书的地球和海一章中,反复论述了是地壳运动把含有生物化石的岩层抬升到高处。持有类似观点的还有弗拉卡斯托罗。F.科隆纳区分了化石的保存类型,并将化石分为陆生、海生两大类。在持化石生物成因观点的学者中,不少人将化石与诺亚洪水联系起来。英国的J.伍德沃德在《地球自然历史初探》(1695),提出全球性洪水造成大部分生物死亡,化石就是它们的遗体。18世纪人们普遍接受伍德沃德的洪积说观点。

对地球自然历史,特别是对地层研究做出重要贡献的另一位学者是丹麦的N.斯泰诺。在《天然固体中的坚质体》(1669)一文中,他论述了地层、山脉的形成过程,并提出了地层学的重要原理:①叠置律,地层未经变动时则上新下老;②原始连续律,地层未经变动时则呈横向连续延伸并逐渐尖灭;③原始水平律,地层未经变动时则呈水平产状。英国学者R.胡克提出用化石来记述自然史。通过对龟、菊石等化石的研究,他论证了这种化石产地曾处于温暖气候条件下,从而推断英国曾位于赤道地带附近,提出地轴位置可能曾经发生过变动的科学假设。

岩石学、矿物学和矿床学的发展

社会的发展,增加了对地下资源的需求,也促使人们更加深入地研究和掌握岩矿知识。16世纪初,莱奥纳尔都斯的《石志》论述了矿物200多种。德国的G.阿格里科拉于1556年发表《论金属》一书,叙述了有用矿物、矿脉、矿石的生成过程。1546年,在讨论矿床成因理论中,他阐述了侧分泌成矿思想。在矿物学方面,他以物理性质为根据,对矿物进行了分类,较为完整地记载了当时已知的矿物。阿格里科拉的矿物学和矿床学理论,在欧洲产生了深远的影响。

中国北宋唐慎的《经史证类备急本草》记载许多可作药物的矿物。明代医学家李时珍1578年写成的《本草纲目》,记载的矿物种类较前增加很多,并且更加系统、精确。在《本草纲目》中叙及的矿物、岩石、化石有200多种,按水部、土部、金石部分类,又将金石部细分为金类、玉类、石类、卤石类等。

地质学的形成时期

17501840

从18世纪下半叶到19世纪上半叶,工业革命促进了生产的发展和科学技术的进步。法国大革命以启蒙运动为先导,把矛头指向封建主义。在启蒙思想影响下,在欧洲科学考察和旅行探险盛行。地学研究从对地球的思辨性研究转变为以野外观察分析为主,地壳成为直接观察研究的对象。具有近代意义的geology(地质学)一词是由瑞士学者J.A.德吕克于1793年提出的。他认为,首要的是把地质学从博物学中分出来,地质学要把地球所呈现的现象与其原因结合起来研究。

地质考察旅行的兴起

人们对自然界的探索,需要进行实地考察。在中国首开先河的是16世纪明代地理学家徐霞客。他详细考察了中国西南广大岩溶地区的100多个岩溶洞穴,并对钟乳石、石笋等成因做了较为科学的解释。欧洲的地学野外考察开始于18世纪下半叶。这是地质研究方法的一大进步。野外的研究使人们注意到广大地区地形与构造的关系,真正开始解释区域地质的历史。这一时期,著名的地质旅行家有法国的J.盖塔尔和N.德马雷、英国的R.J.米切尔、瑞士的H.B.de索叙尔、德国的J.G.莱曼和P.S.帕拉斯等。盖塔尔对火山地质、矿物分布以及化石、地形的研究做出了重要贡献。他绘制的法国岩矿图是世界第一幅表示矿产资源、岩石组成的地图,因而被誉为“地质调查之父”。米切尔对地表岩层带状分布的原因作了合理的说明,指出是原始水平岩层褶皱后,顶部遭受剥蚀夷平的结果。德马雷对法国、意大利火山地质作了长期考察,发表了许多有关火山地质的专著,并得出玄武岩是火成岩的结论。索叙尔是系统考察阿尔卑斯山脉的第一位地质学家。他对岩层的构造、岩石成因和化石做了多方面的观察,发表了《阿尔卑斯旅行》(1779~1796),为后来阿尔卑斯构造研究打下了坚实基础。帕拉斯曾率队到俄国东部地区进行为期6年的考察探险,又对俄国南部、乌拉尔以及中亚阿尔泰山地区进行了考察。他在《山脉构造的讨论》(1777)一书中,将山脉构造划分为山脉的原生带、山脉的钙质带和山脉的堆积带3部分,并指出从山脉的中央到外侧,岩层年代逐渐变新,倾角愈来愈缓。

水成论和火成论

关于岩石以及岩层成因的水成论和火成论的论战是18世纪后期到19世纪初期的重要事件,在地质学发展史上影响深远。德国的A.G.维尔纳是水成论的主要代表。他长期任教于弗莱堡矿业学院,建立了水成学派。他的《岩层的简明分类和描述》(1787)是水成论观点的代表作。他将萨克逊地区地层分为原生岩、过渡岩、层状岩、冲积岩和火山岩,并相信这一层序在全球普遍适用。他提出结晶岩,如花岗岩,是原始大洋化学沉淀结晶产物,玄武岩也是沉积形成的。原始大洋退却后,即形成灰岩,同时生物开始出现。火山喷发是地下煤层燃烧所致。水成论所论述的不只是岩石成因,更重要的是对地层层序和地质历史所作的解释。

英国的J.赫顿1795年发表了他的经典著作《地球的理论,证据和说明》。赫顿认为结晶岩是地下深处熔融物质上升到地表结晶后形成的。层状岩石是海底沉积物受上部压力和地心热力作用,固结成岩后抬升,形成陆地。赫顿还发现了泥盆系老红砂岩与其下志留系的不整合接触,从而推论地球历史上曾有多次这种造山-夷平-沉积的旋回。因此,他提出自然界过程均一不变,自然现象所表现的事件发生过程在历史时期也曾发生,即著名的均变理论。1802年,赫顿的朋友J.普莱费尔著《赫顿学说的解释》,有力推动了赫顿学说和现实主义思想的传播。

地质学体系的形成

自18世纪末到19世纪初,地质知识体系初步形成。一方面地层和生物化石的研究使地质年代和地层系统逐步建立,为其后更全面的历史地质学的发展奠定了基础;另一方面,随着当时的新技术被采用,结晶学、矿物岩石学的研究和理论的系统性日臻完善,加深了人们对地壳物质组成的认识。在这个基础上,对山脉构造及形成过程也有了进一步的理解。

古生物学和地层学的奠基人是英国的W.史密斯,法国的G.居维叶和J.-B.deM.拉马克。史密斯在土地测量的实际工作中,认识到每一个地层都含有独特的生物化石,发表了《英格兰、威尔士和部分苏格兰地层图》(1815)和《用生物化石鉴定地层》(1816)等著作,提出可以利用化石辨别地层,确立了生物地层研究的原理和方法。居维叶提出器官相关律,即生物体内各个器官共同组成完整的有机体,同时各个部分之间又相互联系的思想,他通过对少数化石骨骼的详细研究,复原和推断已灭绝的巨大四足兽全貌,为准确地鉴定地层提供了科学依据。他与A.龙尼亚合作对巴黎盆地的白垩纪以来的地层和化石进行了系统研究,发表了《巴黎盆地的矿物地理》(1811)、《四足兽化石的研究》(1812)等。拉马克是无脊椎古生物学和进化论思想的奠基人,对巴黎盆地第三纪的瓣腮类进行了深入的研究,著有《无脊椎动物自然史》等。

地质时代和地层系统的建立是研究地球历史的前提和依据。在各国地质学家的努力下,从寒武系到第四系的地层层序在这个时期先后被建立起来。

关于地壳物质组成的研究,自19世纪以来,矿物学向着结晶矿物学和矿物化学方向发展。法国的R.-J.阿维著《结晶学基础》,提出晶体结构模型,并提出晶体的有理指数定律。1815年C.S.魏斯提出晶体坐标轴,并确立了主要的晶系,再经意大利的F.莫斯,德国的J.F.C.赫塞尔的工作,确立了晶体的分类,表明矿物学研究已深入到矿物结构。

矿物化学的研究也有了发展。瑞典的J.J.贝采利乌斯于1814年提出按矿物的化学组成进行分类。德国的E.米切利希在1819、1821年先后发现了矿物的类质同象和同质多象现象。1837年,美国J.D.丹纳的《矿物学系统》出版。该书于1844年再版时,增加了矿物的化学分类。至此,近代矿物学的体系已臻成熟。

岩石学方面,已初步划分出沉积岩、火成岩、变质岩3大类岩石。1829年英国的W.尼科尔发明了偏光显微镜,为岩石学的研究展现了广阔的发展前景。英国的J.霍尔从1790年开始多次进行了熔融体结晶和灰岩转化为大理岩的加热加压实验,开创了岩石学的实验研究。

18世纪野外地质考察使人们对地壳运动认识达到新的水平,有关山脉形成的学说陆续被提出。索叙尔在他的《阿尔卑斯旅行》中描述了褶皱构造。赫顿于1787年、1788年先后发现岩层不整合现象,提出这是大陆变动的结果。德国的L.L.von布赫提出“隆起火山口”学说来解释山脉成因。法国的E.de博蒙1829年提出由于地球冷却收缩,使地壳破裂、挤压、褶皱而形成山脉的收缩说。博蒙这一涉及全球构造的学说是19世纪重要的构造理论之一。

灾变论和均变论

居维叶是灾变论的主要代表。他在《论地球表面的革命》一书中根据岩层不整合面上、下生物群的不同,提出海盆一定经历过革命,并认为自然的进程改变了,没有一种现在还在起作用的因素足以产生古代地质作用的结果。赫顿最早对均变论作了较全面的阐述。英国的C.莱伊尔在《地质学原理》中系统地论证了这一思想。通过对欧美的广泛考察和对陆地升降、河谷形成等地质现象的研究,莱伊尔认为在地球的一切变革中,自然法则是始终一致的。同时,提出用现在仍在起作用的原因来解释地球表面过去的变化的将今论古的现实主义方法。尽管莱伊尔过分强调地质作用古今一致的一面,而忽视发生全球性激变(灾变)的可能性,他的思想方法在地质学理论方面仍占有重要地位,并成为百余年地质学及其研究方法的正统观点。

总之,到19世纪30年代末,地层学的原理和方法、矿物学的系统分类,以及地质年代和地层系统都已基本建立,特别是作为地质科学的基本思想和方法论──均变论已经确立。因此,可以认为到1840年地质学建立的工作已经完成。

地质学的发展时期

18401910

19世纪中叶以后,资本主义进入全盛时期。生产的发展和科学技术的进步,推动了地质学各分支学科的全面发展,新的研究领域不断出现。许多国家成立了地质学学术机构和调查机构。19世纪后期,欧洲一些资本主义强国除在本国开展地质调查外,还普遍在亚、非、拉美等地区进行矿资资源和地质的调查。大规模的区域调查所取得的丰富资料,使得全面的历史地质学及全球地质史的综合研究成为可能,也为全球构造理论的产生创造了条件。

地层学和古生物学

19世纪30年代末期,地层系统表已经基本建立。但是,由于英国的R.I.默企逊和A.塞奇威克(1873)有关寒武系、志留系的长期争论,早古生界地层系统直到1879年才得以确认。最早研究前寒武系的是加拿大的W.E.洛根,太古界、元古界两名词分别于1874年和1893年提出,正式使用则更晚。

19世纪40年代以来,古生物、地层研究成果大量涌现,法国的A.C.多比尼关于有孔虫、H.M.爱德华兹关于珊瑚、英国的T.戴维森关于腕足类、R.欧文关于爬行类、奥地利的E.修斯关于菊石、美国的C.D.沃尔科特关于三叶虫等研究为古生物学奠定了基础。在C.达尔文的《物种起源》和E.H.海克尔的《普通形态学》发表以后,古生物学研究在进化论思想指导下,进入了新的阶段。同时,在地层系统表建立之后,各地区的地层系统陆续确立。其中有洛根和C.R.范海斯关于北美前寒武系的研究,J.霍尔、C.D.沃尔科特等关于北美古生界的研究和J.巴朗德关于中欧古生界研究。在地层对比中最早使用阶(stage)和带(zone)的是法国的A.C.多比尼和德国的A.奥佩尔。地层的精确对比导出了沉积相和相变的概念。德国学者J.瓦尔特于1894年在《历中性科学──地质学导论》一书中提出著名的相对比定律,说明了沉积环境随时间的推移在空间上的变化。

岩石学、矿物学和矿床学

1848年,法国的A.布拉维提出空间点阵理论,成为晶体结构研究的基础。光性矿物学也有了新发现。1877年,法国的F.E.马拉德提出测量矿物光轴角的方法。奥地利的F.J.K.贝克发明了油浸法。1891年,俄国的Е.С.费多罗夫发明了“费氏旋转台”,为鉴定复杂的硅酸盐造岩矿物提供了有效手段。Н.И.柯克沙罗夫等人编撰的《俄国矿物学资料》(11卷,1853~1891)记载矿物400多种。

岩石薄片的制作始于英国。1856年H.C.索比对制作技术加以改进,使显微岩石学得到很大发展。1867年德国的H.P.J.福格尔桑,1873年F.齐克尔和1873年K.H.F.罗森布施分别发表的有关显微镜下岩石矿物学的著作,奠定了显微岩石学的基础。

与此同时,对岩石的化学成分和性质也进行了研究。德国的R.本生于1851年提出酸性岩浆和基性岩浆混合,会产生各种喷发岩,随之出现了有关岩石的酸性、中性、基性的概念和饱和度的概念。德国的C.G.C.比肖夫提出含氧系数,俄国的Ф.Ю.列文生-列星格提出酸性系数。这些概念的提出有助于对岩石的化学性质的认识,并使火成岩的分类有了更为可靠的依据。

16世纪,阿格里科拉就提出了有关矿床成因的观点。1791年,A.G.维尔纳在《矿脉成因的新理论》中,主张矿脉的水成论。赫顿则认为是由于地壳下熔融物质上升到裂隙中形成了矿脉。1835年,丹麦的J.G.福尔卡默提出水溶液将矿物质充填到裂隙中形成矿脉。比肖夫重视地表水的成矿作用,进而发展成侧分泌说。支持侧分泌观点的还有美国的T.S.亨特、C.R.范海斯等。德国的G.桑德伯格尔的《矿脉研究》为侧分泌理论确立了重要地位。

1818年,意大利的S.布赖斯勒克认为地壳下熔融物质中的某些金属元素会由于物理、化学性质、比重、亲和力等因素的不同而相对聚集或者相互分离。这是岩浆分异说的早期表述。1847年本生和1913年美国的W.林格伦提出气化热液矿床理论。美国的J.D.惠特尼于1854年,以后S.F.埃蒙斯都著文讨论了矿床次生富集作用。埃孟斯于1886年还提出接触变质矿床概念。

关于石油矿藏的研究,在19世纪下半叶进展迅速。1859年,美国E.L.德雷克在宾夕法尼亚州打了第一口有经济意义的石油钻井。I.C.怀特提出有利于油藏的构造“背斜说”(1885)。英国的T.T.奥尔德姆于1885年、俄国的Т.В.阿比赫于1863年都提出了类似的观点。1873年,美国的J.S.纽伯里提出生油层、储油层和盖层是石油构造的3个基本要素。

动力地质学

关于地质作用,莱伊尔曾提出无机界两大重要地质营力即火成作用和水成作用。英国的A.盖基在1882年代之以内生作用和外生作用。19世纪后期,动力地质学逐渐形成一系列分支学科,如地貌学、冰川学、地震地质学等。

瑞士地质学家L.卢提麦耶首先对地貌成因作科学分析。美国的J.W.鲍威尔提出侵蚀基准面的概念(1857)。1884年,W.M.戴维斯提出“侵蚀循环”思想,他将河谷发育划分为幼年期、壮年期和老年期3个阶段,最后达到准平原化。这是河流侵蚀与地貌发育关系的总结性表述。德国的A.彭克对各种地形地貌做了大量的分析,并探讨了它们的成因。在W.彭克的著作《地貌形态分析》(1924)中,强调了地壳的构造运动和侵蚀作用对地貌发育的重要影响。

有关地壳运动原因的地壳均衡说主要是根据大地测量资料提出的。1837年,英国的J.赫塞尔从侵蚀-沉积循环角度探讨了地壳的动力均衡问题。19世纪中叶,在印度北部进行重力测量时,发现某些点上的实测值比预计喜马拉雅山引起的偏差值为小。英国的J.H.普拉特由此得出喜马拉雅山密度可能较小的结论,并认为在地下160多公里深处,质量不均得到补偿,称之为均衡补偿面。G.B.艾里于1855年根据浮力原理,认为地势愈高,下部陷入就愈深,陷入深部的部分称为“山根”。美国的C.E.达顿于1889年提出“地壳均衡”一词,作为地壳升降运动的普遍原因。

对历史上的冰川作用的研究始于欧洲。瑞士的I.维内茨、J.de沙彭吉耶都曾根据北欧广泛分布的异地花岗岩块推测历史上曾经有过冰川。冰川学的奠基者瑞士的J.L.R.阿加西先后发表《冰川研究》(1840)、《冰川体系》(1847),论述冰川作用,指出北欧在挽近的地质时期处于冰期。A.彭克和德国的E.布吕克纳将阿尔卑斯冰期划分为贡兹、民德、里斯、玉木冰期。英国的J.克劳尔从天文因素讨论冰期成因,莱伊尔则认为冰期是由于海陆分布变化和陆地抬升造成的。

近代地震的研究从18世纪下半叶开始。英国的米切尔提出地震是由于弹性波在地壳中的传播造成的。德国的K.von泽巴赫提出震源、震中、等震线概念。关于地震成因主要有以A.von洪堡为代表的火山成因说和以修斯为代表的构造成因说。英国的J.米尔恩等研制出近代地震仪。1900年,英国的R.D.奥尔德姆首次用地震仪记录了初至波(P)、次波(S)以及表面波(L)3种地震波。1909年,南斯拉夫的A.莫霍洛维奇从地震波速的变化发现了地下30公里处存在将地壳和地幔分开的界面──莫霍面。其后,奥地利的V.康拉德发现了地壳内硅铝层与硅镁层的界面──康拉德面。1912年,美国B.古登堡发现地幔与地核的界面──古登堡面。1935年,丹麦的I.莱曼确定了液态地核与固态地核的界面。1914年,美国J.巴雷尔将地球外部划分为岩石圈和软流圈。地震波的研究揭示了固体地球所具有的圈层构造。19世纪末,地震分布的研究揭示了环太平洋带和欧亚带两大全球性地震带。

地槽地台学说和全球地质构造的理论综合

山脉的形成是构造地质学与全球构造研究中的中心课题。博蒙于1852年发表的《论山系》中,阐述了横向压力的重要性,并将其作为地壳收缩的证据来解释山脉的形成。美国的H.D.罗杰斯和W.B.罗杰斯兄弟先后发表了《论阿巴拉契亚山系的物理构造》(1843)、《论地壳扰动带的构造规律》(1856),阐明了地壳内部物质的活动与山脉形成的关系。美国的J.霍尔在研究纽约州的古生物地层时,发现阿巴拉契亚山带地层的厚度远大于其西部地区,认为这些线性巨厚沉积带是海底边沉降边接受沉积的结果。其后线性沉积带隆起成山。丹纳于1873年在《论地球收缩的某些效果,兼论山脉的起源和地球内部的性质》一文中,用冷缩说解释山脉的成因。他认为,由于洋壳和陆壳收缩速度不同,所产生的张力差异在大陆边缘最强,因而发育了地壳活动带──地槽。奥地利修斯于1885年提出“陆台”一词,即地台,意指地壳上稳定的、形成后不再遭受重大构造变动的部分。俄国的А.П.卡尔宾斯基于1880年明确提出地台是由结晶基底和沉积盖层组成,并以升降的振荡运动为主。А.Л.巴甫洛夫于1888年提出地台中次一级构造单位──陆向斜。

在欧洲地质构造研究中,突出的成果是发现了阿尔卑斯山脉中的大规模逆掩构造。瑞士的A.von埃希尔于1841年首次发现了较老岩层逆掩到年轻的岩层之上。法国的P.泰尔米埃1891年发现了法国阿尔卑斯山的推覆构造。法国的M.吕容、瑞典的A.E.特内博恩等都对表征地壳水平运动的构造作了重要的研究。修斯的《阿尔卑斯山脉的成因》(1875)中,论述了阿尔卑斯及其东侧的分支山系,指出巨大逆掩构造是整个山系侧向运动的结果,与侏罗山、亚平宁山和喀尔巴阡山存在着历史上的联系。19世纪末,G.G.辛普隆隧道的开凿,提供了基底岩石卷入大规模侧向运动的直接证据。

19世纪末期到20世纪初期,由山脉构造的广泛研究发展为全球构造的探讨。1887年,法国的M.A.贝特朗在《阿尔卑斯山系和欧洲大陆的形成》一文中提出造山旋回的概念,并划分了加里东、海西、阿尔卑斯3个造山旋回。造山旋回的划分具有普遍意义。1990年,G.-é.奥格在《地槽系和大陆区:对海水进退的研究》一文中,把全球划分为较为活动的地槽系和相对稳定的大陆区,认为全球除狭窄的地槽系外,都是大陆区。修斯的《地球的全貌》(1883~1909)巨著是19世纪地质研究的总结。修斯论证了水平运动的重要性,指出倒转褶皱山带是地壳水平运动的证据。他用前陆-褶皱带-后陆模式分析了欧洲构造和火山活动。修斯的另一重要贡献是从全球的角度考虑地壳运动在时间和空间上的联系。根据大陆南端常呈楔状以及山脉均成弧形的现象,他提出,北美、欧洲、北非山系受力来自南方,所以山系弧形向北凸出;亚洲山系受力来自北方,所以山系弧形向南凸出。他还提出古地中海和冈瓦纳古陆的概念。修斯对地壳综合研究的方法以及对全球构造所作的概括,预示着20世纪全球构造研究新时期的到来。

19世纪后半叶至20世纪初,中国正处在从闭关自守到被迫向西方开放的时期,当时出版少量地质文献都是西方地学教材的译本。一些西方学者在中国进行了地质调查和探险,出版了关于中国地质的著作。如美国R.庞佩利著有《中国、蒙古与日本之地质研究》(1866);德国的F.von李希霍芬著有《中国》,这是第一部较为系统的有关中国地质的著作;美国的B.威利斯著有《中国的研究》。李希霍芬和威利斯的工作为以后中国地质的研究奠定了初步基础。此外,还有匈牙利L.von洛茨、瑞典的斯文·海定、俄国的В.А.奥布鲁切夫都曾考察研究过中国一些区域的地质情况。在1910年以前,中国学者编写的地质文献有虞和钦的《中国地质之构造》(1903)、鲁迅的《中国地质略论》(1903)和顾琅的《中国矿产志》(1906)等。

20世纪地质学的发展

1910~)

从20世纪20年代到60年代,社会生产力和科学技术有了全面稳定的发展。地质学的基础学科,如地层学、古生物学、岩石学、矿物学和构造地质学都向纵深发展,并开拓许多新的研究领域。社会和工业的发展使得石油地质学、水文地质学和工程地质学都形成独立的分支学科。地质学各分支学科间的相互渗透和新技术方法的应用导致了新的边缘学科出现,如地球化学、古地磁学、海洋地质学、地质年代学等。多学科的综合研究和新领域的研究成果使得全面的地球史的总结成为可能。特别是60年代发生的科学技术革命、国际间大规模的考察和探测,导致了以地球物理学与地质学相结合为特征的地学革命。新技术的广泛采用以及数学、物理学、化学等基础自然科学与地质学的结合,促进了地质研究从定性到定量的过渡,并向微观和宏观两个方向纵深发展。板块构造学的出现,新地球观的形成,使得地质学进入了一个新的发展阶段。

地质学各分支学科的发展

在古生物学和地层学方面,这一阶段的特征是古生物学为新兴的石油地质研究服务,发展了微体古生物学。同时,它与生物史,地球史的研究相结合,发展了理论古生物学、古生态学。古生物学在50年代不断有一些大型系统专著问世,如R.C.莫雷主编的多卷集《古无脊椎动物》(1952~1962)等,说明古生物学各门类的不断丰富和普遍提高。早在1911年,J.A.阿登开始用微体化石进行地层对比,随着石油地质研究的发展,微体古生物学日益受到重视。美国的J.A.库什曼的《有孔虫》(1928)专著可视为先导。其他如牙形石,孢子花粉等的研究也有重要进展。中国李四光对?科壳部构造研究之详(1928)居于当时的前列。1947年F.格莱斯纳出版了微体古生物总结性专著。前寒武纪的生物化石报道很早,常见的叠层石的性质却一直难以确定。1933年,英国的M.布莱克认为它是潮间带蓝绿藻类形成的纹层,几十年后得到证实。格莱斯纳于1948年报道了澳大利亚前寒武纪末期的伊底卡拉裸露动物,证实了高级动物在前寒武纪的存在。在理论古生物学方面,美国的G.G.辛普森在《进化的主要特征》(1913)专著中总结了生物演化的系谱和方式。N.D.纽厄尔则研究、统计了古生物门类在地史中大规模的灭绝和新生,回顾了历史上生物演化的过程。苏联学者在古生态学方面做出了重要贡献。Н.Н.雅科夫列夫最早研究珊瑚类和腕足类的古生态,其后,Р.Ф.盖克尔对俄罗斯地台泥盆纪古生态的系统研究,提出了地层同时异向对比原则。

在地层学方面,美国A.W.葛利普于1913年出版的《地层学原理》中,把地球的气圈、水圈、生物圈、岩石圈等作为地球的整体,讨论各圈层之间的相互影响和关系;并引入沉积旋回的概念,强调了岩相横变在地层对比中的重要性,使地层研究的理论和方法得到重要的发展。C.舒克特于1910年发表了《北美古地理》,总结了显生宙以来北美海陆分布的重要变化。他们的工作推动了地层学和古地理学的发展。

地层学研究还表现在地层工作规范的制订和地质年表的完善。30年代的美国地层规范(1933)不承认岩相横变与地层时代界限的关系,主张单一地层划分的原则。H.D.赫德伯格等对此提出批评。到40年代末,地层的岩性与时代双重划分概念才得以建立。1976年,赫德伯格的《国际地层指南》进一步提出多重地层划分的概念,得到普遍的支持。中国1961年公布的《地层规范草案》主张单一地层划分,1980年公布的《中国地层指南》接受了地层多重划分的概念。

地质年代学一词是美国H.S.威廉斯于1893年提出的。19世纪末放射性元素被发现之后,英国的E.卢瑟福、F.索迪确立了元素放射性蜕变原理。美国的B.B.博尔特伍德(1907)、英国的A.霍姆斯(1911)先后应用含铀矿物U/Pb比测量矿物的年龄,1913年,霍姆斯发表了专著《地球的年龄》。30~50年代,逐步出现了同位素地质测年的钾-氩法、铷-锶法、碳-14法等。70年代,出现了钐-钕法。1947年,霍姆斯首先建立显生宙地质时代表,其后几经修正,补充了前寒武纪部分,最后形成1989年的国际地质科学联合会颁布的全球地层表。

中国近代地质工作是从1912年政府部门设立地质科开始的。早期以鉴定化石、建立各区地层系统和开展区域填图为首要任务。从20~50年代,孙云铸、许杰对早古生代地层及三叶虫、笔石等化石,李四光、赵亚曾、田奇?、俞建章、黄汲清对晚古生代地层及腹足类、珊瑚等化石,尹赞勋、斯行健、潘钟祥等对中生代地层及软体类和植物化石,杨钟健、裴文中对新生代地层和脊椎动物及人类化石都做了大量的研究工作,取得了显著成就。其他国家外籍学者中,美国的葛利普、法国的德日进、瑞典的安特生在中国地层、古生物和区域地质研究中也作出了重要贡献。

在地壳物质组成研究方面,矿物学、岩石学、地球化学都有了前所未有的发展。自从1895年德国的伦琴发现了X射线,人们开始用它研究晶体结构。英国的W.H.布喇格和W.L.布喇格父子的工作奠定了X射线结晶学的基础。挪威的V.M.戈尔德施密特用X射线分析研究出75种元素200种化合物的晶体结构,将结晶学推向新阶段。

在岩石学方面,20世纪初,美国的C.W.克罗斯、J.P.伊丁斯、L.V.皮尔森和H.S.华盛顿提出了根据标准矿物的重量百分比对火成岩进行分类的CIPW法。瑞士的P.尼格里结合化学分析,将重量百分比换算为原子百分数,提出标准分子值法。

关于岩浆岩的研究,美国的N.L.鲍温提出岩浆反应系列,得到广泛的引用。奥地利的B.桑德尔研究岩浆岩岩体构造与显微镜下矿物排列方式的联系,于1930年发表了《岩组学》一书,标志着岩组学这一岩石学分支学科的形成。

花岗岩的成因是20世纪地质学界争论问题之一。芬兰的J.J.塞德霍姆用“混合岩”命名介于花岗岩与片麻岩之间的岩石,并于1934年发表专著论述芬兰的古老混合岩。英国的H.H.里德在40~50年代陆续著文讨论花岗岩的成因,使花岗岩变质成因说得到愈来愈多的支持。

在变质岩方面,由于K.H.F.罗森布施、瑞士的J.U.格鲁本曼和P.尼格里的工作,变质岩被划分为区域变质、接触变质、热变质、动力变质等类型。1920年,芬兰的P.F.埃斯克拉将矿物相概念引入到变质岩分类中,提出重要的变质相概念。

葛利普(1913)、F.J.裴蒂庄(1938)对沉积岩提出了系统的特征和成因分类。

20世纪以来,化学的理论和方法被系统地引入到地质学中,并逐渐形成地球化学这门学科。美国的F.W.克拉克收集了岩石圈、水圈、气圈的化学分析值,出版了《地球化学数据》(1908)、《地球化学新数据》(1924)等专著,对地壳成分的研究有广泛的影响。戈尔德施密特从1929年起对地球化学元素的分布、分类及其迁移进行了研究,区分了亲铁元素、亲石元素、亲气元素、亲生物元素等。在苏联,А.Е.费尔斯曼在30年代对伟晶岩进行了系统研究,提出了地球化学元素迁移过程的循环概念。В.И.维尔纳茨基将地球化学定义为研究地球元素历史的科学,强调对地球化学元素迁移研究的重要性。

矿床学的系统研究开始于20世纪。前苏联Ю.А.毕利宾,50年代提出成矿区和成矿期的概念,还编制了全苏地槽期内生矿产演化图。美国的W.林格伦于1913年提出著名的矿床分类系统,长期以来受到重视并广泛引用。德国H.施奈德勋对矿床的次生富集作用做了大量研究,《早期结晶金属矿床》(1958)是这方面的系统论著。

中国有关岩石矿物和矿床学的研究,早期有章鸿钊所著《石雅》(1921,1927)、翁文灏所著《中国矿产志略》(1919)。其后有谢家荣所著《中国的矿床时代与矿产区域》(1937)。

应用地质学科在20世纪也有了很大发展。在水文地质学方面,水在岩层孔隙中的渗流规律在19世纪中叶即已发现。美国的O.E.迈因策尔对地下水的开采补给作了广泛的理论研究,著有《美国地下水的赋存及其成因研究》(1923)。他是水文地质学奠基人之一。苏联的Г.Н.卡明斯基在30年代研究地下水动力学,涉及区域水文地质和工程地质,他的地下动态分析和渗漏计算方法有重要的实用意义。

在石油地质学方面,前苏联的И.М.古勃金提出石油生成、储集、运移和油田形成等一系列观点,著有《石油学》。美国的A.I.莱复生于1954年出版的《石油地质》,加拿大的K.K.兰德斯于1959年发表的《石油地质》,使石油地质研究日臻完善。

中国的石油地质学研究开始于30年代。潘钟祥最早提出陆相生油的观点(1941)。50年代李四光、黄汲清、谢家荣先后根据构造和沉积理论,提出中国成油条件和油田分布规律,为油田的发现和开发作出了重要贡献。

煤地质学沿着两个方向发展,一是与沉积和地层有关的煤盆地质学;一是煤岩学研究。英国的M.C.斯托普丝在30年代将煤的显微组分与共生岩石组合联系起来,在煤岩学方面做了开拓性工作。中国谢家荣在30年代提出了中国特有煤岩类型。

在构造地质和大地构造,特别是涉及全球构造研究方面,19世纪霍尔、丹纳提出地槽学说,经C.舒克特、德国的W.H.施蒂勒(1936、1940)、美国的G.M.凯依进一步研究,区分出地槽的不同类型,并讨论了其发育历史。施蒂勒提出的优地槽和冒地槽类型、沉积的和岩浆活动的序列特征,以及造山带的概念,在构造地质学中有着重要影响。20世纪30年代,前苏联的B.B.别洛乌索夫和Н.С.沙茨基分别提出了“地槽回返”的概念。60年代,J.奥布万对地槽学说进行了回顾和总结。

在20世纪20~30年代,中国地质学家,如翁文灏、丁文江、李四光都对造山运动作了研究。李四光用地球自转速度变化解释地表大规模构造运动的成因,这是中国学者首次对全球构造作出自己的解释。李四光概括分析了东亚不同的构造型式和构造体系。在《中国地质学》专著中,进一步厘定了不同的构造体系及其形成机制,在40年代正式提出地质力学的学科体系及学术观点。50年代以后,地质力学在构造理论和矿山、油田构造应用方面都取得了重要的成果。40年代,黄汲清发表了关于中国主要构造单位的专著(1945),全面论述了中国的大地构造分区和构造发展史,提出多旋回造山观点,具有广泛的影响。张文佑50年代以断裂构造体系为指导,编制了第一幅1:400万中国大地构造图,其理论体系在80年代发展成为断块学说。

大陆漂移说

对地球构造史的研究必然会同全球构造和大陆的历史演变联系起来。修斯和奥格都对全球构造作过概括和总结。20世纪初,地球冷缩说仍占统治地位,海陆固定论是正统的观点。但活动论已经开始兴起。固定论同活动论的争论成为20世纪地质学界重要事件之一。

美国的F.B.泰勒根据欧亚大陆第三纪山脉多呈弧形向南弯曲的现象,于1910年提出地球旋转产生的离极力导致大陆向南挤压和运移的思想。活动论的主要代表是德国的A.L.魏格纳。魏格纳发表了《大陆的起源》(1912)和《海陆的起源》(1915),系统、全面地阐述了大陆漂移思想。他指出,地球冷缩说不能解释山脉分布格局,均衡学说又否定了大陆原地沉入海洋的可能性。他用大量的古生物证据,特别是中龙(Mesosaurus)和舌羊齿(Glossopteris)的分布,以及古气候的证据等,论证了古生代末联合古陆的存在及其在中新生代的解体和漂移,用以解释大西洋两岸的轮廓、地形、地层、地质、构造、古生物群的相似性。但他未能提出令人信服的大陆漂移力源和机制,引起了强烈反对。大陆漂移说在20~40年代进入低潮。但活动论的支持者仍在探讨研究大陆漂移理论。英国的J.乔利在1925年提出“放射性热循环说”、霍姆斯于1928年提出“地幔对流说”,南非的A.L.杜多瓦于1937年提出“大陆船说”。瑞士的E.阿尔冈、美国的R.A.戴利等也表达了活动论的观点。所有这些,都为60年代活动论的再次兴起准备了条件。

地质学的新阶段及板块构造学说

20世纪60年代发生的地学革命,特别是板块构造学说的兴起及其对一系列地质分支学科的影响,使整个地质学和地球观发生了深刻的变化,这个变化在继续发展。60年代以来,出现了地质学发展的新阶段。

以板块构造学说为中心的地学革命引发和推动了许多地质学科的革新。20世纪60年代以前是板块学说的准备时期。板块学说是以活动论和大陆漂移说为前提,以海底地质和古地磁的发现为前导的。20世纪初,英国J.默里等已做出了大西洋洋底地貌图。美国R.A.戴利和荷兰的P.H.奎年先后发现和研究了深海浊流沉积。F.P.谢泼德(1948,1962)总结了海底地质和地貌。50年代美国B.C.希曾出版了《海底》一书,提出洋脊和全球裂谷系的观念。50年代英国的P.M.S.布莱克特和S.K.朗科恩发现了古磁极随时代发生系统位移的现象,有力地支持了大陆漂移说。40年代H.贝尼奥夫研究了深源地震分布带,发现了自洋向陆约45°的贝尼奥夫带倾斜面。1964年E.C.布拉德用计算机拼合出联合大陆图。所有这些都为板块学说的提出准备了条件。

60年代是板块学说的建立期。60年代初,美国的H.H.赫斯根据洋底磁条带、环太平洋岛弧,海沟及其与火山、地震活动的关系以及洋脊系统及其裂谷的属性,提出了海底扩张理论。1965年英国的E.J.瓦因等对海底磁异常条带成因作出了合理的解释。1965年J.T.威尔逊提出转换断层的概念,并首次使用板块(plate)一词,再经W.J.摩根和X.勒皮雄的补充,形成了完整的板块构造学说。它将地球表面分为若干个大小不等的板块,其边界或为新地壳形成的洋底隆起,或为地壳削减的海沟,或为地壳不增不减的转换断层,板块下界大致为约100公里深的地幔低速层,构成软流圈的顶界,其上则称岩石圈。

板块学说提出后,70年代掀起对许多主要地质问题重新评价和解释的高潮,大陆上的盆地沉积、岩浆活动、造山带以及古生物地理等,特别是古板块的边界和古大陆再造等方面,成为地质学重要的研究内容。美国C.L.德雷克首先注意到大陆边缘地质。英国J.F.杜威注意把地槽造山带与板块学说的结合,研究了欧美各大造山带。日本上田诚也提出了太平洋型的造山带,都城秋穗研究了日本板块,提出岛弧火山岩序列。英国A.海勒姆把古生物地理同板块构造联系起来。最后,美国的A.M.齐格勒和C.R.斯科泰塞根据古地磁、古气候等资料做出了古大陆系列再造图。K.C.康迪以板块观点对全球构造作了综合论述。在80年代,他根据北美西部大陆边缘构造的研究,提出了地体概念,以原本不相连接的地体拼合增生,解释复杂的造山带,使板块构造取得进一步的发展。

地学革命和新概念的建立还表现在生物史和地球史的认识方面。60年代纽厄尔分析了生物界在地质时期的大量绝灭问题。在生物演化方面,渐变与突变的关系及其相对重要性一直存在争论。70年代美国的N.埃尔德雷奇和S.J.古尔德提出了间断平衡论,以突变和渐变的相互交替说明生物演化的总过程。德国的O.H.申德沃尔夫于1963年提出新灾变论,用地球以外的因素解释生物大量绝灭事件。地球以外因素的周期性规律也被用以解释地史发展中的旋回和阶段划分现象。

80年代同位素测年技术不断取得古老的岩矿年龄值,将地质史的研究推向远古,引发了人们研究地球早期历史的兴趣。化石处理技术、地球物理探测和岩矿实验技术的提高,开拓了深部地质的研究领域,也为探讨地球早期生物界及环境条件提供了手段。美国的J.W.肖普夫对前寒武纪的生物界进行了总结,英国的B.F.温德利和加拿大的A.M.古德温对早期大陆地壳的发展作了综合的探讨,特别对高级变质区和花岗岩-绿岩带作了研究。德国的A.罗吕纳着重讨论了板块机制应用于早期地质的问题,认为与现代可相类比的板块运动大约开始于晚元古代。

在中国70年代尹赞勋和李春昱介绍和引进了板块构造学说。在黄汲清的指导下,任纪舜等结合板块构造观点编制了1:400万中国大地构造图。李春昱等以板块理论为指导,编制了1:800万亚洲大地构造图。80年代,张文佑以断块学说为主,吸收板块思想,编制了1:500万中国海陆大地构造图。1986年杨遵仪、程裕淇、王鸿祯合著《中国地质》,在系统论述地层和岩浆活动的基础上,以活动论板块观点和阶段论的观点解释了中国地质构造发展史。

从70年代以来,中国地质学者积极参加了国际合作对比计划和岩石圈计划的学术活动,在青藏地质和前寒武纪地质的研究方面取得了重要成果,推动了中国地质科学与国际地质科学共同前进。


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