高中地球科学（纽约州立大学考试）

此文本是为帮助学生准备纽约州立大学考试而编写的。因此，它密切遵循纽约州数学、科学和技术标准。

导论概念

观察和推断

观察基本上意味着观察某件事并记录下它所做的任何事情。例如，你可以密切观察一只飞过的鸟。推断是根据一个人已经知道的东西，并仅仅根据这一点得出结论。假设你看到窗户上有雨 - 你可以从这一点推断出，天空是灰色的。

密度

密度概念是理解地球科学许多方面的基础。密度是一个导出单位。也就是说，物质的密度必须从其他测量值计算（或导出）。密度是通过使用给定样品的质量（克）和体积（毫升或立方厘米）来计算的。质量是使用天平测定的，液体或固体的体积可以使用量筒测定。在本课程中，密度公式在《地球科学参考表》的第 1 页上显示为

D = m/v，其中 D 代表密度；m 代表质量；v 代表体积。一些其他科学和工程学科使用密度公式的略微不同的形式。需要使用密度公式来解决的问题的解决方案应包括相应的公制系统（或 SI）单位。

密度被认为是一种内在属性。也就是说，材料在特定温度和压力下的密度保持不变，无论所考虑的样品大小如何。密度可能有助于识别特定的材料，例如矿物，或者有助于解释或预测材料在与其他材料相互作用或经受温度或压力变化时的行为。

百分比误差

“百分比误差”的概念也称为“与接受值的百分比偏差”，而第二个术语可能更有助于理解在用于计算它的公式中实际确定的内容。地球科学参考表中给出的所有公式都在第 1 页上。

该公式为 (|(接受值-测量值)|/(接受值))*100，有时写为

|(与接受值的差)|/(接受值)*100，或简化为：(与接受值的差)/(接受值)*100。

因为你已经乘以 100，所以该公式将产生一个百分比值，因此你的计算值中应该显示适当的 % 单位。你可以将值报告为正数或负数，这将提供有关你的测量值是“高”还是“低”的信息，但通常报告百分比偏差的绝对值（差值转换为正数）。

百分比误差或百分比偏差的概念与统计学中一些人使用的度量有关，在这种度量中，你确定测量值（或从测量值计算出的值）与被视为“已知”或“接受”的值有多接近。因此，如果与接受值的百分比偏差很高，那么“误差”一词有时会导致人们感到恐慌，认为做错了什么。如果接受值很小，即使你的测量值接近接受值，也可能出现非常高的百分比偏差。也可能，你正在测量的特定事物（例如，矿物样品的质量）的密度可能与“接受”的密度略有不同，因为它包含一些“杂质”（元素组成的变化）。如果你计算出与接受值的百分比偏差值很高，请确保计算正确，但不要改变测量值来降低这个百分比，因为这些值是基于实际观察的！

示例问题

选择题

以下哪个选项代表一个质量为 200 克，体积为 150 立方厘米的金属块的密度？

(A) 3 000 克每立方厘米。 (B) 50 克每立方厘米。 (C) 350 克每立方厘米。 (D) 1.3 克每立方厘米。

简答题

(D) 1.3 克每立方厘米

地球的尺寸

地球的形状

地球是一个扁球体。它在赤道处隆起，在两极处扁平。

其球形形状的证据来自太空拍摄的地球照片，在月食期间看到地球的影子，以及船只似乎随着它们驶向更远的海域而下沉的事实。此外，北极星的高度随着纬度的增加而增加。

地球是扁球体的证据来自太空拍摄的地球照片，以及地球表面重力变化（在两极扁平处更强，在赤道隆起处更弱，此外，重力不是垂直向下拉）。此外，当纬度增加时，北极星的高度不会均匀变化。

地球的最佳模型是地球仪或球体，因为 Yunus 说虽然地球是扁球体，但只是稍微扁平而已。在 Regents 考试中，经常会出现关于地球形状的问题，答案是乒乓球，因为它光滑且圆形。

岩石和矿物

矿物

矿物是天然存在的、无机、晶体固体。

无机物质是指非生物形成的物质，在大多数情况下，这适用于所有矿物，尽管有一些显著的例外。无机分子通常不含碳作为其原子结构中的成分，但同样，也有一些无机矿物是这一一般说法的例外。

如果一种物质具有规则的、重复的原子结构，则称该物质为晶体。每种矿物都有特定的原子结构和化学式，如地球科学参考表第 16 页所示。由这些原子构成的单个分子形成了这种矿物的最基本结构，然后通常与其他相同种类的分子进行化学结合，使矿物变得更大。矿物样品可能是微观的，也可能是非常大的，但所有相同类型的矿物的晶体都具有相同的化学和物理性质，因为它们具有相同的化学成分、化学键类型和矿物分子中各个原子的位置。这一事实表明，无论是大还是小的单个矿物对化学和物理测试的反应相似，这对识别矿物非常有用。

矿物是固体。实际上，有一类物质被称为晶体液体，但它们不符合本课程所需的定义。

岩石和矿物的区别

岩石 - 任何自然形成的矿物物质集合体或块体，构成地球地壳的重要且可观的部分 (AGI)。

矿物 - 天然形成的化学元素或化合物，具有确定的化学成分范围，通常具有特征性的晶体形态 (AGI)。

矿物的性质

硬度

矿物的硬度用几个相对尺度来测量，这些尺度由一种矿物刮擦另一种矿物的表面有多容易来确定。莫氏硬度计有十个等级。#1 滑石，#2 石膏，#3 方解石......到 #10 金刚石，由于其碳原子的内部排列及其四面体形状中的原子键力，它是自然界中最坚硬的物质。

条痕

矿物的条痕是指矿物在非常坚硬的表面（通常是未上釉的瓷板）上刮擦时留下的粉末的颜色。大多数条痕板是白色的，但有些可能是深色的。由于条痕板在莫氏硬度计上的硬度约为 7，因此能够刮擦条痕板的矿物显然不会留下粉末（除了条痕板本身的粉末之外）。通常，我们会根据矿物产生的条痕颜色将它们分组。奇怪的是，许多在较大样品中看起来很闪亮的金属矿物在条痕板上留下深色或有色线条。由于微量的元素可能会导致矿物呈现不同的颜色，但条痕往往保持或多或少的一致，因此我们有时说，粉末状矿物的颜色，或条痕，是识别矿物身份比单独使用颜色更准确的测试。

颜色

矿物的颜色通常很容易受到多种因素的影响，例如矿物原子结构中微量的杂质。矿物表面的风化也会影响颜色的外观，因此颜色通常不是识别特定矿物像硬度、矿物断裂方式，甚至条痕（粉末状矿物的颜色）那样可靠的方法。

除了颜色之外，矿物还可能具有许多其他光学特性，这些特性可能是特定矿物或矿物组特有的。

解理和断口

矿物断裂的方式主要受其分子内部排列的控制。虽然所有矿物都被认为是晶体，因此在结构上具有重复的原子图案，但有时这些图案中的化学键允许矿物沿着光滑的平面断裂。其他时候，则会产生不均匀的表面。由于矿物断裂的方式是分子图案的表达，我们可以利用这一可见特征推断有关矿物内部结构的性质。此外，矿物断裂的方式是特定矿物的特征性识别特征。断裂矿物可能会产生令人惊讶的结果，因为有些矿物在形成时可能会产生光滑的晶体形状，但断裂却是不均匀的。

当矿物沿着光滑的平面断裂时，它具有称为解理的性质。矿物可以沿着一个解理方向或多个方向断裂。当存在多个解理方向时，我们还想知道不同解理方向之间形成的角度。单个解理方向被推断为延伸到整个样品中，因此不要将矿物样品不同侧上出现的相同解理平面的平行边混淆。一个例子是卤石，它沿 3 个解理方向断裂，每个解理方向相互之间成 90 度角。这种断裂模式会产生一种倾向于立方体的矿物样品形状，但立方体形状的任何两个相对边实际上都在同一个平面上，因此断裂样品的六个边是三个解理方向的结果。使用台式钳等工具慢慢地断裂矿物，并观察解理平面在施加应力时形成，这很有趣，尽管你应该佩戴适当的安全设备，因为有时样品的小碎片会不可预测地飞出！

当矿物断裂不均匀，并且不沿着光滑的平面断裂时，则称其断口。有时断口类型本身就是特征性的，例如石英。石英具有所谓的贝壳状断口。其断裂表面看起来有点像碎玻璃（大多数玻璃都是由石英制成的），而“贝壳状”这个名字来自“贝壳”（就像海贝）这个词，因为这种断口在矿物断裂时会在矿物上形成一个贝壳状凹陷。

了解特定矿物如何断裂，以及它们是否具有某种断口类型或是否具有一个或多个解理方向，是帮助识别矿物或预测特定矿物在断裂时可能表现出的行为的方式之一。与解理和断口相关的矿物有用信息可在地球科学参考表第 16 页找到。

光泽

光泽是指光线从矿物样品表面反射的方式，特别是样品新鲜断裂或未风化的表面。我们在分类中做出的两个主要划分是矿物是否具有金属光泽或非金属光泽。在地球科学参考表第 16 页，唯一列出的可能具有金属或非金属光泽的常见矿物是赤铁矿。像矿物的所有物理性质一样，矿物的光泽是由于其化学成分和原子键的特定方面造成的。

岩石

沉积岩

岩石的分解（风化）会产生更小的颗粒（沉积物）。随着沉积物被运输介质（风或水）从一个地方转移到另一个地方，它们被沉积在盆地（沉积发生的地方）。如果将胶结物质引入这些沉积物，则会发生岩石化（岩石形成），结果将是沉积岩。

常见的胶结物质包括碳酸钙和二氧化硅。

沉积岩 = 岩石风化 + 沉积物运移 + 岩石化。

沉积岩的颗粒大小表明沉积环境。粗粒尺寸表明陆地到浅海环境。颗粒越小，表明我们越靠近深海环境。

常见的沉积岩有砂岩、石灰岩、页岩和粉砂岩。

火成岩

火成岩是由熔融岩石（岩浆）冷却和凝固形成的，无论是否结晶，无论是作为侵入性（深成）岩石在地表以下形成，还是作为喷出性（火山）岩石在地表形成。这种岩浆可以来自地球的地幔或由极端温度和压力变化而熔化的预先存在的岩石。已经描述了超过 700 种类型的火成岩，其中大多数在地球地壳表面以下形成。“火成”一词源于拉丁语 ignis，意思是“火”。

岩浆起源 大陆地壳在大陆下方约 35 公里厚，但在海洋下方平均只有 7-10 公里厚。大陆地壳主要由结晶基底组成；稳定的火成岩和变质岩，如麻粒岩、花岗岩和各种其他侵入岩。洋壳主要由玄武岩、辉长岩和橄榄岩组成。

地壳漂浮在软流圈地幔上，由于板块构造力的作用，软流圈地幔正在对流。地幔延伸到近 3000 公里的深度，是所有岩浆的来源。大多数形成火成岩的岩浆是在地幔上部产生，估计温度在 600 到 1600 °C 之间。

岩石的熔化需要温度、水和压力。地幔在地壳下方一般超过 1000 到 1200 °C，深度在 7 到 70 公里之间。然而，大多数岩浆是在 20 到 50 公里的深度产生的。熔化开始是因为来自地球更深部分的热地幔上涌，靠近行星核心；因为俯冲洋壳在俯冲带释放的水（为降低岩石熔点提供水）；以及因为裂谷造成的减压。

大陆地壳的熔化很少发生，因为它通常是干燥的，并且由抗熔化的矿物和岩石组成，如辉石麻粒岩。但是，来自地幔的热量或来自地幔柱的热量、俯冲相关的压缩和埋藏以及一些裂谷，可以促使大陆地壳熔化。

随着岩浆冷却，矿物以不同的温度（分异结晶）从熔体中结晶出来。在火成岩形成中起重要作用的矿物相对较少。这是因为形成这些矿物的岩浆只富含某些元素：硅、氧、铝、钠、钾、钙、铁和镁。这些是形成硅酸盐矿物的元素，它们占所有火成岩的 90% 以上。

鲍文反应系列对于理解岩浆分异结晶的理想化序列很重要。

火成岩约占地球上部地壳的 95%，但它们的大量存在在地球表面被相对薄但分布广泛的沉积岩和变质岩层所掩盖。

火成岩在地质上很重要，因为

它们的矿物和全球化学成分提供了有关地幔组成的信息，一些火成岩是从地幔中提取出来的，以及允许这种提取的温度和压力条件，以及/或其他熔化的预先存在的岩石；它们的绝对年龄可以通过各种形式的放射性测年获得，因此可以与相邻的地质地层进行比较，从而确定事件的时间顺序；它们的特征通常是特定构造环境的特征，允许构造重建（参见板块构造）；在某些特殊情况下，它们容纳重要的矿床（矿石）：例如，钨、锡和铀通常与花岗岩有关。

形态和环境 在发生模式方面，火成岩可以是侵入性的（深成的）或喷出的（火山的）。

侵入性火成岩 侵入性火成岩是由在地球内部冷却和凝固的岩浆形成的。岩浆被预先存在的岩石（称为围岩）包围，冷却速度缓慢，因此这些岩石是粗粒的。这种岩石中的矿物颗粒通常可以用肉眼识别。侵入性岩石也可以根据侵入体的形状和大小及其与侵入其中的其他地层的關係进行分类。典型的侵入性地层有岩基、岩株、岩盖、岩床和岩脉。喷出型通常称为熔岩。

主要山脉的中心核心由侵入性火成岩组成，通常是花岗岩。当被侵蚀暴露后，这些核心（称为岩基）可能占据地表的大片区域。

在地球深处形成的粗粒侵入性火成岩被称为深成岩；在靠近地表形成的侵入性火成岩被称为浅成岩。

喷出性火成岩 喷出性火成岩是在地球表面形成的，是由地幔中的岩石熔化造成的。

熔化的岩石，称为岩浆，由于与周围地幔的密度对比而上升。当它到达地表时，喷发到地表（无论是在水下还是在空气中）的岩浆被称为熔岩。在空气中喷发的火山被称为陆地火山，而在海洋中发生的火山被称为海底火山。黑烟囱和洋中脊玄武岩是海底火山活动的一个例子。

从火山喷发的岩浆的行为取决于其温度和成分，从而导致了高度不同的粘度范围。高温岩浆通常成分为玄武岩，其行为类似于浓油，随着其冷却，类似于糖浆。这形成了绳状熔岩。中等成分的岩浆，如安山岩，往往形成由相互交织的火山灰、凝灰岩和熔岩组成的火山锥，在喷发时可能具有类似于浓稠的冷糖蜜甚至橡胶的粘度。长英质岩浆，如流纹岩，通常在低温下喷发，粘度是玄武岩的 10,000 倍。这些火山很少形成熔岩流，通常会爆炸性地喷发。

长英质和中性岩石在地表喷发时通常会剧烈喷发，爆炸是由岩浆中捕获的气体（如二氧化碳）释放驱动的。这种火山沉积物称为火山碎屑沉积物，包括凝灰岩、集块岩和熔结凝灰岩。细火山灰也会喷发并形成火山灰凝灰岩沉积物，这些沉积物通常可以覆盖广阔的区域。

由于熔岩冷却和结晶速度快，因此它是细粒的。如果冷却速度如此之快，以至于无法形成即使是最小的晶体，那么形成的岩石可能是玻璃（如黑曜岩）。

由于这种细粒结构，区分不同类型的喷出性火成岩比区分不同类型的侵入性火成岩要困难得多。通常，细粒喷出性火成岩的矿物成分只能通过在显微镜下检查岩石的薄片来确定，因此通常只能在野外进行近似分类。

分类 火成岩根据发生模式、结构、化学成分和火成岩体的几何形状进行分类。

对许多不同类型火成岩的分类可以为我们提供有关它们形成条件的重要信息。用于火成岩分类的两个重要变量是粒度，这在很大程度上取决于冷却历史，以及岩石的矿物成分。长石、石英、橄榄石、辉石、角闪石和云母都是火成岩形成中的重要矿物，它们是这些岩石分类的基础。所有其他存在的矿物都被认为是非必需的（称为副矿物）。

在简化的分类中，火成岩类型根据存在的长石类型、石英的存在与否以及在没有长石或石英的岩石中存在的铁或镁矿物类型进行区分。

晶体足够大，肉眼可见的火成岩称为显晶质；晶体太小，肉眼无法看到的称为隐晶质。一般来说，显晶质意味着侵入性起源；隐晶质意味着喷出性起源。

嵌入细粒侵入岩中的晶体被称为斑状结构。当一些晶体在岩浆主体凝固成更细粒的均匀物质之前长大到相当大的尺寸时，就会形成斑状结构。

结构

结构是火山岩命名的重要标准。火山岩的结构，包括颗粒的大小、形状、方位和分布以及颗粒间的关系，将决定岩石被称为凝灰岩、火山碎屑熔岩还是简单熔岩。

然而，结构只是火山岩分类的次要部分，因为大多数情况下需要从具有极细粒基质的岩石或可能由火山灰形成的降落凝灰岩中获取化学信息。

结构标准在侵入岩分类中不太重要，因为大多数矿物可以用肉眼看到，或者至少可以使用手持放大镜、放大镜或显微镜看到。深成岩也往往在结构上变化较小，也不容易获得结构构造。结构术语可用于区分大型岩体不同侵入阶段，例如大型侵入体的斑状边缘、斑岩岩体和次火山岩脉。矿物学分类最常用于分类深成岩，而化学分类更适合用于分类火山岩，并使用斑晶种类作为前缀，例如：“含橄榄石的苦橄岩”或“正长石斑状流纹岩”。

化学分类 火成岩可以根据化学或矿物学参数进行分类

化学 - 总碱 - 二氧化硅含量（TAS图）用于火山岩分类，当模态或矿物学数据不可用时使用

酸性火成岩含有高二氧化硅含量，大于 63% SiO₂（例如流纹岩和英安岩）中性火成岩含有 52 - 63% SiO₂（例如安山岩）基性火成岩二氧化硅含量低，为 45 - 52%，并且通常含有高铁 - 镁含量（例如玄武岩）超基性火成岩二氧化硅含量低于 45%。（例如苦橄岩和科马提岩）碱性火成岩含 5 - 15% 碱（K₂O + Na₂O）含量（例如响岩和粗面岩）注意：酸碱术语在较老的地质文献中使用更为广泛。化学分类也扩展到根据 TAS 图区分化学性质相似的岩石，例如；

超钾质；岩石含有摩尔 K₂O/Na₂O >3

过碱质；岩石含有摩尔 K₂O + Na₂O/ Al₂O₃ >1 过铝质；岩石含有摩尔 K₂O + Na₂O/ Al₂O₃ <1

矿物学分类 对于火山岩，矿物学在熔岩分类和命名中很重要。最重要的标准是斑晶种类，其次是基质矿物学。通常，当基质为隐晶质时，必须使用化学分类才能正确识别火山岩。

矿物学成分 - 硅酸盐类与基性类

硅酸盐类岩石，以石英、碱性长石和/或长石类为主：硅酸盐类矿物；这些岩石（例如花岗岩）通常颜色浅，密度低。基性岩石，以基性矿物辉石、橄榄石和钙长石为主；这些岩石（例如玄武岩）通常颜色深，密度高于硅酸盐类岩石。超基性岩石，超过 90% 为基性矿物（例如纯橄岩）对于侵入性、深成岩，通常是显晶质的火成岩，所有矿物至少可以通过显微镜看到，矿物学被用来分类岩石。这通常发生在三元图上，其中三种矿物的相对比例被用来分类岩石。

下表是根据火成岩的成分和产状进行的简单细分。

产状 酸性 中性 基性 超基性 侵入岩 花岗岩 闪长岩 辉长岩 橄榄岩 喷出岩 流纹岩 安山岩 玄武岩 科马提岩

分类示例 花岗岩是一种火成岩，侵入岩（在深处结晶），具有硅酸盐类成分（富含二氧化硅，并且含有超过 10% 的硅酸盐类矿物），并具有显晶质、次自形结构（矿物可以用肉眼看到，其中一些保留了原始的晶体形状）。花岗岩是大陆中最丰富的侵入岩。

词源 火山岩以火神 Vulcan 的名字命名，Vulcan 是罗马火神的名字。侵入岩也称为深成岩，以冥王 Pluto 的名字命名，Pluto 是罗马冥王的名字。

变质岩是由现有岩石在热量、压力或化学物质的作用下发生变化而形成的新岩石。地下深处的高温和压力会将沉积岩和火成岩烘烤和挤压。岩石内部的矿物发生变化，通常变得更硬。这样就形成了新的岩石，称为变质岩。经过数百万年，最靠近地球表面的岩石表层被风化、地壳变化、海洋和河流侵蚀，变质岩就会出现在地表。

动态地球

板块构造

板块构造（源于希腊语“建造和破坏者”，τεκτων，tekton）是一种地质理论，旨在解释大陆漂移现象，目前是该领域大多数科学家接受的理论。在板块构造理论中，地球内部最外层由两层组成：（1）岩石圈，包括（1）地壳，其元素组成如下：氧，46.6%；硅，27.7%；铝，8.1%；铁，5.0%；以及（2）地幔固化的最上层。岩石圈下方是软流层，包括地幔内部的粘性部分。地幔占地球体积的 84%，有时温度可以高达 3700 °C。在地质年代中，地幔就像一种过热且极度粘稠的液体，但应对地震等突然力量，它就像刚性固体一样，可以“像铃铛一样响”。

岩石圈本质上“漂浮”在软流层上。岩石圈被分割成称为构造板块的部分。十个主要板块是：非洲板块、南极洲板块、澳大利亚板块、欧亚板块、北美板块、南美板块、太平洋板块、科科斯板块、纳兹卡板块和印度板块。这些板块（以及数量众多的次要板块）相对于彼此以三种类型的板块边界之一移动：汇聚边界、发散边界和转换边界。地震、火山活动、造山运动和海沟形成发生在板块边界（最显著的是环太平洋火山带）。

板块构造理论起源于两个独立的地质观察：20 世纪初注意到的大陆漂移和 1960 年代注意到的大洋板块扩张。该理论本身是在 1960 年代后期发展起来的，此后几乎被所有科学家普遍接受，并且彻底改变了地球科学（其对各种地质现象的统一和解释能力类似于元素周期表的建立对化学的影响，遗传密码的发现对生物学的影响，以及量子力学对物理学的影响）。

将地球内部划分为岩石圈和软流层，是基于它们的力学差异。岩石圈温度较低，更坚硬，而软流层温度较高，力学强度较低。这种划分不应与地球的化学划分混淆，地球的化学划分从最内层到最外层分为地核、地幔和地壳。板块构造学的主要原理是岩石圈以独立且不同的构造板块的形式存在，它们漂浮在流体状（粘弹性液体）软流层上。软流层的相对流动性使构造板块能够沿不同方向运动。

一块板块与另一块板块相遇，形成板块边界，板块边界通常与地质事件相关联，例如地震，以及山脉、火山和海沟等地形特征的形成。世界上大部分现役火山都位于板块边界，太平洋板块的环太平洋火山带最为活跃和著名。这些边界将在下面详细讨论。

构造板块可以包括大陆地壳或大洋地壳，通常，单个板块同时包含两者。例如，非洲板块包括非洲大陆和部分大西洋和印度洋洋底。在所有情况下，构造板块中共同的一部分是上地幔最上层的固体层，它位于大陆地壳和大洋地壳之下，并且被认为与地壳一起构成岩石圈。

大陆地壳和大洋地壳之间的区别基于构成物质的密度；大洋地壳比大陆地壳密度大，这是由于它们各种元素的比例不同，尤其是硅。与大陆地壳（“硅铝质”）相比，大洋地壳的硅含量更低，而更重的元素（“镁铁质”）含量更高。

因此，海洋地壳通常位于海平面以下（例如，太平洋板块的大部分），而大陆地壳则突出于海平面之上。

板块边界有三种类型，以板块相对于彼此的运动方式为特征。它们与不同类型的表面现象相关联。不同类型的板块边界是

1. 转换边界发生在板块沿转换断层相互滑动或更准确地说磨擦的地方。两块板块的相对运动要么是左旋（左侧朝向观察者），要么是右旋（右侧朝向观察者）。2. 离散边界发生在两块板块相互分离的地方。3. 汇聚边界（或活动边缘）发生在两块板块相互滑向的地方，通常形成俯冲带（如果一块板块移动到另一块板块下方）或造山带（如果两块板块只是碰撞和压缩）。板块边界带发生在更复杂的情况下，三个或更多个板块相遇并表现出上述三种边界类型的混合。

转换（保守）边界

一块板块沿转换断层相对于另一块板块的左右侧运动会导致高度可见的表面效应。由于摩擦，板块不能简单地相互滑动。相反，应力在两块板块中累积，当应力达到超过转换断层两侧岩石滑动点的水平时，累积的势能会以应变或沿断层的运动的形式释放。释放的大量能量是地震的原因，这是转换边界沿线常见的现象。

这种类型的板块边界的典型例子是圣安德烈亚斯断层带，它位于北美西海岸，是该地区高度复杂断层系统的一部分。在这个位置，太平洋板块和北美板块相对于彼此移动，使得太平洋板块相对于北美以西北方向移动。在大约 5000 万年后，加利福尼亚州圣安德烈亚斯断层西侧的部分将成为阿拉斯加附近的一个独立岛屿。

需要注意的是，在像圣安德烈亚斯断层这样的转换带相遇的板块的实际运动方向通常与它们在断层处的相对运动方向不同。例如，通过 GPS 测量的北美板块实际上正在向西南方向移动，几乎垂直于太平洋板块，而太平洋板块实际上正在向西移动，略微超过它沿圣安德烈亚斯断层的西北方向相对运动。[1] 产生的压缩力被更大的断层带中的逆冲断层吸收，形成了加利福尼亚的海岸山脉。这些山脉的明显弯曲（横断山脉）以及南加州的圣安德烈亚斯断层本身可能是大盆地地区的地壳扩张叠加在北美板块的整体运动上的结果。一些地质学家推测，大盆地可能正在形成裂谷，因为这里的地壳正在明显变薄。

离散（建设性）边界

在离散边界，两块板块相互分离，产生的空间被来自下方形成的熔融岩浆的新地壳物质填充。三联点处新的离散边界的起源有时被认为与被称为热点现象有关。在这里，极其巨大的对流单元将大量热的软流圈物质带到地表附近，动能被认为足以将岩石圈撕裂。可能引发了中大西洋海岭系统的热点目前位于冰岛下方，冰岛正在以每世纪几厘米的速度扩张。

离散边界在海洋岩石圈中以海洋海岭系统（包括中大西洋海岭和东太平洋隆起）的裂谷为典型，在大陆岩石圈中以裂谷为典型，例如著名的东非大裂谷。离散边界可以在海洋海岭系统中形成巨大的断层带。扩展通常不均匀，因此在相邻海岭块的扩展速率不同的情况下，会发生巨大的转换断层。这些是断裂带，许多都带有名字，是海底地震的主要来源。海底地图将显示出一种相当奇怪的块状结构模式，这些结构被垂直于海岭轴线的线性特征隔开。如果将断裂带之间的海底视为传送带，将海岭两侧的裂谷带走，那么这种作用就变得清晰了。与当前扩展中心平行的旧海岭的顶峰深度将更古老，更深（由于热收缩和沉降）。

正是从中洋脊，人们发现了迫使人们接受海底扩张假说的关键证据之一。机载地球磁场测量显示出海岭中心两侧对称的磁性反转的奇怪模式。这种模式过于规律，不可能是巧合，因为相反带的宽度非常接近。科学家一直在研究极性反转，并找到了联系。磁性条带直接对应于地球的极性反转。通过测量每个条带中岩石的年龄证实了这一点。条带在时间和空间上为扩展速率和极性反转提供了地图。

至少有一块板块没有与它相关的创造性海岭：加勒比板块。加勒比板块通常被认为起源于太平洋现已灭绝的海岭，但根据 GPS 测量，它仍在运动。该地区的复杂构造是正在进行的研究的主题。

汇聚（破坏性）边界

汇聚边界的性质取决于碰撞板块中岩石圈的类型。当一块致密的海洋板块与一块密度较低的大陆板块碰撞时，海洋板块通常会被推到下面，形成俯冲带。在地表，地形的表现通常是海洋一侧的海洋海沟和大陆一侧的山脉。大陆-海洋俯冲带的一个例子是南美洲西海岸，那里海洋的纳斯卡板块正在俯冲到大陆的南美板块下方。随着俯冲板块的下降，它的温度升高，驱使挥发物（最重要的是水）逸出。当这些水上升到上覆板块的地幔中时，会降低其熔点，从而形成含有大量溶解气体的岩浆。这会导致岩浆喷发到地表，形成沿着大陆架陆内平行延伸的长的火山链。南美洲的大陆脊柱上密集分布着这种类型的火山。在北美，从加利福尼亚的内华达山脉向北延伸的喀斯喀特山脉也属于这种类型。此类火山的特点是安静期和爆发期交替出现，爆发期从带有玻璃火山灰和海绵状火山渣的细粒爆炸性气体排出开始，然后是熔岩流入和再建阶段。整个太平洋边界都被长长的火山带包围，统称为火环。

当两块大陆板块碰撞时，板块要么会褶皱和压缩，要么一块板块会钻入另一块板块下方或（可能）覆盖另一块板块。这两种情况都会形成广阔的山脉。最显着的效应是印度板块北部边缘正在被推到欧亚板块的一部分下方，抬升了它并形成了喜马拉雅山脉和更远处的青藏高原。它还导致亚洲大陆的部分地区在碰撞的两侧向西和向东变形。

当两块具有海洋地壳的板块汇聚时，它们通常会形成岛弧，因为一块板块俯冲到另一块板块下方。岛弧是由火山形成的，火山随着下降板块在下方熔化而通过上覆板块喷发出来。弧形形状是由于地球的球形表面（用刀切橘子皮，注意刀刃形成的弧形）。在这样的弧形前方，有一个深海海沟，那里下降的板块向下倾斜。这种类型的板块汇聚的典型例子是日本和阿拉斯加的阿留申群岛。

如上所述，板块能够移动是因为软流圈的相对弱。公认地幔热量耗散是驱动板块构造的能量来源。地球内部的三维成像（地震层析成像）表明，某种对流正在整个地幔中发生Tanimoto 2000。这种对流与板块运动之间的关系是正在进行的研究和讨论的主题。以某种方式，这种能量必须传递到岩石圈，才能使构造板块移动。基本上有两种力可以做到这一点：摩擦力和重力。

摩擦 地幔牵引 软流圈中的对流电流通过软流圈传递；运动是由软流圈与岩石圈之间的摩擦驱动的。海沟吸入 局部对流电流对俯冲带中海洋海沟的板块施加向下摩擦拉力。

重力 海岭推动力 板块运动是由中洋脊处板块的海拔较高驱动的。基本上东西向下滑动。较高的海拔是由地幔中上涌的热物质的相对低密度造成的。真正产生运动的力是上涌和驱动它的能量源。这是一个误称，因为没有任何东西在推动，而且沿海岭以张性特征为主。此外，用它来解释大陆裂解也很难。板片下拉 板块运动是由冷而致密的板块在海沟处沉入地幔的重量驱动的。有相当多的证据表明，对流正在地幔中以某种规模发生。中洋脊处的物质上涌几乎肯定是对流的一部分。一些早期的板块构造模型设想板块像传送带一样骑在对流单元之上。然而，今天大多数工作的科学家认为，软流圈不够强，无法通过摩擦直接引起运动。板片下拉被广泛认为是直接作用于板块的最强力。最近的模型表明，海沟吸入也起着重要作用。然而，应该注意的是，例如，北美板块没有被俯冲到任何地方，但它正在运动。同样，非洲、欧亚和南极板块也是如此。板块运动的总体驱动力及其能量来源仍然是正在进行的研究的争论话题。月球拖曳 在 2006 年 1 月至 2 月出版的美国地质学会期刊《公报》上发表的一项研究中，一个由意大利和美国科学家组成的团队认为，世界构造板块向西运动的一部分原因是月球的潮汐吸引力。他们说，随着地球在月球下方向东自转，月球的重力会稍微将地球表面的地层向西拉回。这也可能解释了为什么金星和火星没有板块构造，因为金星没有月球，而火星的卫星太小，对火星的潮汐影响微不足道。[2] 然而，这不是一个新的论点。它最初是由板块构造假说的“之父”阿尔弗雷德·魏格纳提出的。它受到物理学家哈罗德·杰弗里斯的质疑，他计算出所需的潮汐摩擦强度早就应该很快使地球自转停止。人们可能还会注意到，许多板块实际上正在向北和向东移动，而不是向西。

板块运动使用全球定位系统 (GPS) 直接测量。

大陆漂移 有关此主题的更多详细信息，请参阅大陆漂移。大陆漂移是在 19 世纪后期和 20 世纪初期提出的关于构造的众多想法之一。该理论已被板块构造取代，并且概念和数据已被纳入板块构造中。

到 1915 年，阿尔弗雷德·魏格纳在他的《大陆与海洋的起源》一书第一版中，开始提出有关大陆漂移的严肃论点。在这本书中，他指出南美洲东海岸和非洲西海岸看起来曾经连接在一起。魏格纳并不是第一个注意到这一点的人（弗朗西斯·培根、本杰明·富兰克林和斯奈德-佩莱格里尼都先于他），但他却是第一个利用大量的化石、古地形和气候证据来支持这一简单观察的人。然而，他的观点并没有得到许多地质学家的重视，他们指出没有明显的机制来解释大陆漂移。具体来说，他们不明白大陆岩石是如何穿透构成洋壳的密度更高的岩石的。

1947 年，由莫里斯·尤因领导的一个科学家团队，利用伍兹霍尔海洋研究所的研究船“亚特兰蒂斯号”和一系列仪器，证实了大西洋中部存在一个隆起，并发现沉积物层下海底的岩层由玄武岩构成，而不是大陆上常见的花岗岩。他们还发现，洋壳比大陆壳薄得多。所有这些新发现都引发了重要而引人入胜的问题。 [3]

从 1950 年代开始，科学家们使用从二战期间用于探测潜艇的空中设备改造成的磁性仪器（磁力计），开始识别出跨越海底的奇特磁性变化。这一发现虽然出乎意料，但并不完全令人惊讶，因为众所周知，玄武岩——构成海底的富含铁的火山岩——含有一种强磁性矿物（磁铁矿），可以局部扭曲罗盘读数。这种扭曲早在 18 世纪后期就被冰岛水手所认识。更重要的是，由于磁铁矿的存在赋予了玄武岩可测量的磁性，这些新发现的磁性变化为研究深海海底提供了另一种方法。当新形成的岩石冷却时，这些磁性材料记录了当时地球的磁场。

随着 1950 年代更多海底被绘制出来，磁性变化被证明并非随机或孤立事件，而是显示出可识别的模式。当这些磁性模式被绘制在更广阔的区域时，海底呈现出斑马状图案。磁性不同的岩石条带交替排列在洋中脊两侧：一条条带具有正常极性，相邻的条带具有反向极性。由这些正常和反向极化岩石交替带定义的总体模式被称为磁条带。

当不同大陆顶端的岩石地层非常相似时，这表明这些岩石是在相同的方式下形成的，这意味着它们最初是连在一起的。例如，苏格兰的部分地区包含的岩石与北美东部发现的岩石非常相似。此外，欧洲的喀里多尼亚山脉和北美部分阿巴拉契亚山脉在结构和岩性上非常相似。

漂浮的大陆 普遍的概念是，大陆下方存在着静态的层状结构。早期的观察表明，虽然大陆上存在花岗岩，但海底似乎是由密度更大的玄武岩构成的。很明显，大陆岩石下方有一层玄武岩。

然而，根据秘鲁安第斯山脉铅垂线偏转的异常现象，皮埃尔·布格推断，密度较小的山脉必须在下方密度更大的层中向下延伸。一个世纪后，乔治·B·艾里在研究喜马拉雅引力时证实了山脉有“根”的概念，地震研究检测到相应的密度变化。

到了 1950 年代中期，山根是紧握在周围的玄武岩中，还是像冰山一样漂浮，这个问题仍然没有得到解决。

板块构造理论 1960 年代取得了重大进展，这得益于许多发现，最值得注意的是中大西洋海岭。最引人注目的是 1962 年美国地质学家哈里·赫斯发表的一篇论文（罗伯特·S·迪茨在一年之前就曾在《自然》杂志上发表了同样的想法。然而，优先权属于赫斯，因为他早在 1960 年就分发了其 1962 年文章的未发表手稿）。赫斯认为，不是大陆穿过洋壳移动（如大陆漂移所暗示的那样），而是海洋盆地及其相邻的大陆一起在一个相同的壳体单元或板块上移动。同年，美国地质调查局的罗伯特·R·科茨描述了阿留申群岛岛弧俯冲的主要特征。他的论文虽然当时鲜为人知（甚至遭到嘲笑），但后来被称为“开创性”和“有先见之明”。1967 年，杰森·摩根提出，地球表面由 12 个刚性板块组成，这些板块相对于彼此移动。两个月后，即 1968 年，泽维尔·勒皮雄发表了一个完整的模型，该模型基于 6 个主要板块及其相对运动。

磁条带的解释

海底磁条带。磁条带的发现以及条带对称地围绕着洋中脊的顶部表明两者之间存在某种关系。1961 年，科学家们开始推测，洋中脊标志着结构薄弱区域，在那里海底沿着脊峰纵向被撕裂成两半。来自地球深处的全新岩浆很容易通过这些薄弱区域上升，最终沿着脊峰喷发，形成新的洋壳。这一过程后来被称为海底扩张，经过数百万年的持续作用，形成了 50,000 公里长的洋中脊系统。这一假设得到了多方面的证据支持

1. 在或接近脊峰的地方，岩石非常年轻，并且随着远离脊峰而逐渐变老；2. 脊峰上最年轻的岩石始终具有当今（正常）极性；3. 平行于脊峰的岩石条带交替呈现磁极性（正常-反向-正常等），这表明地球的磁场已经翻转了许多次。

通过解释斑马状磁条带和洋中脊系统的形成，海底扩张假说迅速获得了支持者，并代表着板块构造理论发展中的又一个重大进步。此外，洋壳现在被视为地球磁场反转历史的自然“录音带”。

俯冲的发现 海底扩张的一个重要后果是，新的地壳正在不断地在洋脊形成。这一观点受到了一些科学家的青睐，他们声称，大陆的移动可以通过地球自形成以来大幅度增大来解释。然而，这种被称为“地球膨胀理论”的假说并不令人满意，因为其支持者无法提供任何令人信服的地质机制来产生如此巨大、突然的膨胀。大多数地质学家认为，地球自 46 亿年前形成以来，在大小上几乎没有变化，这引发了一个关键问题：如何在不增加地球体积的情况下，沿着洋脊不断添加新的地壳？

这个问题特别引起普林斯顿大学地质学家兼海军预备役少将哈里·赫斯以及美国海岸和大地测量局科学家、第一个创造“海底扩张”这一术语的罗伯特·S·迪茨的兴趣。迪茨和赫斯是少数真正理解海底扩张的广泛意义的人。赫斯认为，如果地球的壳体沿着洋脊正在扩张，那么它一定会在其他地方收缩。他认为，新的洋壳像传送带一样不断地从脊峰扩散出去。数百万年后，洋壳最终沉入海沟——环绕太平洋盆地边缘的非常深、狭窄的峡谷。根据赫斯的观点，大西洋正在扩张，而太平洋正在收缩。当旧的洋壳在海沟被消耗时，新的岩浆上升并在扩张脊峰处喷发，形成新的地壳。实际上，海洋盆地始终处于“循环”状态，新的地壳形成和旧的洋壳岩石圈破坏同时发生。因此，赫斯的观点很好地解释了为什么地球不会随着海底扩张而变大，为什么海底沉积物堆积如此之少，以及为什么海洋岩石比大陆岩石年轻得多。

地震测绘 在 20 世纪，地震仪器技术的改进以及全球范围内的地震记录仪器（地震仪）的广泛使用使科学家们了解到，地震往往集中在某些地区，最显著的是沿海沟和扩张脊。到 1920 年代后期，地震学家开始识别出几个与海沟平行的突出地震带，这些地震带通常与水平方向成 40-60° 角，并延伸到地球内部数百公里。这些区域后来被称为瓦达蒂-贝尼奥夫带，或简称为贝尼奥夫带，以纪念首先识别出它们的两位地震学家——日本的渡边清夫和美国的休·贝尼奥夫。随着全球标准化地震仪网络 (WWSSN) 的建立，以监测 1963 年禁止地面核武器试验条约的遵守情况，全球地震学研究在 1960 年代取得了重大进展。来自 WWSSN 仪器的改进数据使地震学家能够精确地绘制出全球地震集中区域。

地质学范式转变 大陆漂移和海底扩张理论（板块构造的两个关键要素）的接受可以与天文学中的哥白尼革命相提并论（参见尼古拉·哥白尼）。仅仅几年时间，地球物理学，特别是地质学就发生了革命性的变化。这种对比非常惊人：就像哥白尼革命之前的地球中心说虽然高度描述性，但仍然无法解释天体运动一样，板块构造之前的地球科学理论描述了观察到的现象，但难以提供任何基本机制。问题在于“如何”。在接受板块构造之前，特别是地质学陷入了“哥白尼革命前”的束缚之中。

然而，与天文学相比，地质学的革命来得更为突然。那些在几十年内被任何有声望的科学期刊所拒绝的理论，在 1960 年代和 1970 年代的短短几年内就被热烈地接受了。在此之前，任何地质描述都高度描述性。所有的岩石都被描述了，并且给出了关于它们为什么在那里，有时是极其详细的原因。这些描述仍然有效。然而，这些原因在今天听起来很像哥白尼革命之前的地球中心说。

人们只需要阅读板块构造之前的关于阿尔卑斯山脉或喜马拉雅山脉形成原因的描述，就能看到这种区别。为了回答诸如“为什么在多洛米蒂山脉，明显是海洋起源的岩石会出现在海拔数千米的地方？”或者“阿尔卑斯山脉凸凹边缘是如何形成的？”之类的“如何”问题，任何真正的洞察力都被复杂性所掩盖，而这种复杂性归结为技术术语，缺乏对潜在机制的深刻洞察力。

有了板块构造理论，答案很快就找到了，或者通往答案的道路变得清晰起来。碰撞的板块具有将海底抬升到稀薄的大气层中的力量。当人们理解了会聚板块处俯冲过程时，奇怪地位于岛弧或大陆附近的海洋海沟及其相关火山的原因就变得清晰了。

谜团不再是谜团。复杂而含糊的答案的森林被一扫而空。为什么非洲和南美洲部分地区的地理地质存在惊人的相似之处？为什么非洲和南美洲看起来像是两个应该拼在一起的拼图碎片？看看一些板块构造学说出现之前的复杂解释。为了简单起见，以及为了解释更多内容，请看板块构造学说。一个巨大的裂谷，类似于非洲东北部的东非大裂谷，将一个大陆一分为二，最终形成了大西洋，而且这些力量仍在中大西洋海脊发挥作用。

我们继承了一些旧的术语，但其背后的概念和天文学中的“地球在运动”一样激进而简单。

气象学

测量天气 - 天气变量

温度

物质分子能量的测量。更活跃的分子相互碰撞，产生摩擦，因此会变暖或变热。较冷的物质活动性较低，其分子不会相互摩擦，因此放出的热量较少。温度用多种单位测量，但最常用的是摄氏度、华氏度、开尔文或 BTU。温度用温度计测量。

露点

空气中 H₂O 分子发生凝结的温度。

相对湿度

空气中 H₂O 分子所占的百分比，与可能存在的最大值（绝对湿度）相比。可以使用湿度计或湿度计测量相对湿度。选择题

一名学生用甩线湿度计测量湿球温度为 10°C，干球温度为 16°C。露点是多少？（1）10°C （3）6°C （2）45°C （4）4°C

气压

空气由分子组成。大部分空气由氮气组成：N₂（78%）。还有一些氧气：O₂（21%），以及少量二氧化碳：CO₂和其他气体。空气分子运动非常快。当空气分子撞击表面时，它们会施加一种称为压力的力。

想象一下，你身处一片空气海洋的底部。你所测量的气压是由所有这些空气的重量造成的。

气压使用气压计测量，单位为毫巴（mb）。

风速

风速的测量值。通常以英里/小时（mph）或公里/小时（km/h）为单位测量。测量风速的工具称为风速计。

风向

风玫瑰图上风吹来的方向。测量风向的工具是风向标。

极端天气

雷暴

这可能是最常见的风暴，它们是在发生大规模对流时形成的，将温暖潮湿的空气向上吸入对流层较冷的部分。这可能发生在锋面附近，因为局部地形（例如山脉），以及因为温暖的空气团在温暖的陆地上升。水分转化为深厚的积云和积雨云，其温暖的空气形成了上升气流。当空气上升到足够高的高度，甚至可能到达对流层顶时，它会冷却，开始下降，形成下沉气流。

这种巨大的空气分子混合会将水滴（在尘埃或花粉等小颗粒上成核）和电荷散布到云中。请记住，水分子是极性的，这意味着它们具有分离的电荷。这意味着它们可以轻松携带电粒子。风将冰滴和水滴分离，水滴往往带有正电荷。空气中和地面的负电荷与云对齐，并随云移动。当它们相遇时，例如在树木或悬崖的高处，就会发生放电，从而产生闪电。能量的超高温灼烧会迅速加热周围的空气，产生响亮的冲击波，即雷声。

水滴通常会合并，形成越来越大的水滴，直到它们重到足以降落为雨。如果水滴反复被带到冰点，每次都会添加新的水层，直到它也重到足以降落，就会形成冰雹。

示例问题

选择题

一名学生用甩线湿度计测量湿球温度为 10°C，干球温度为 16°C。露点是多少？（1）10°C （3）6°C （2）45°C （4）4°C

气候和水循环

水文循环

降水

蒸发

渗透

径流

地球历史

示例问题

问题 # 1

地球的形状最有可能与什么有关？

• a) 梨
• b) 椭圆形
• c) 乒乓球
• d) 以上皆非

答案应该是 c) 乒乓球

问题 # 2

没有褶皱的层，哪一层是最古老的？

• a) 最顶层
• b) 中间层
• c) 最底层
• d) 所有层都是同一年代的

答案应该是 c) 最底层

简答题

3. 我们如何找到经过的半衰期数？

天文学

天文学是研究地球大气层以外或“之上”存在的物质和能量系统的学科。它还包括这些物质和能量系统的历史以及可能的未来行为。地球来源于周围的物质和能量，并持续受到太空事件的影响。

太阳系和行星简介

太阳系由太阳及其周围所有环绕它的天体组成。

它有行星，即围绕太阳运行并绕轴旋转的球形天体。行星分为类地行星，包括水星、金星、地球和火星，由固体组成；还有类木行星，包括木星、土星、天王星和海王星，由气体组成。许多行星都有围绕它们运行的卫星。

小行星是主要是非球形的天体，围绕太阳运行。它们主要位于火星和木星之间的小行星带。

彗星是由冰、尘埃和气体组成的天体。它们以非常椭圆的轨道围绕太阳运行。当它们靠近太阳时，部分融化，导致它们出现“尾巴”。

陨石是围绕太阳运行的小型岩石状物质。当它们进入地球大气层时，它们会燃烧，被称为流星或流星雨。如果它们撞击地球，它们会留下陨石坑。

天体运动的模式

太阳的每日路径

太阳从东向西移动。在冬季，它从东南方升起和落下，其视运动路径在天空中的位置较低。在夏季，它从东北方升起和落下，其视运动路径在天空中的位置较高。

地球的公转

地球的公转导致了季节，大约需要 365.25 天才能完成。

轨道是由重力（即两种物质之间的吸引力）和惯性之间的平衡维持的。轨道的形状略呈椭圆形，其中一个焦点是太阳。这导致地球在 1 月份最靠近太阳，在 7 月份最远离太阳，太阳的视直径在 7 月份更大。但这 *不是* 造成季节的原因。

示例问题

简答题

答案应该是：乒乓球

地质学学业水平考试学习技巧

理解变量之间的关系

在科学中，我们使用句子或图表来展示事物之间是如何相互影响的。例如，我们可以说，你做的功课越多，你的成绩就越高。

另一种说法是…

As the homework you do increases, your grade will also increase

描述关系的句子通常遵循以下格式…

1.  They begin with the words, "As the"
2.  They include the first variable (in this case, "number of pieces of homework you do")
3.  The first variable is followed by the word, "increase(s)" or "decrease(s)"
4.  Then you put the second variable (in this case, "your grade".
5.  The second variable is followed by the word, "increase(s)" or "decrease(s)"

使用上面的说明，写出描述以下关系的句子…

• 1. 孩子的年龄和身高。
• 2. 两餐之间的间隔时间和你的饥饿程度。

这些关系也可以用图表来表示。

外部链接

• 地球科学参考表
• 以往地质学学业水平考试试卷及评分标准存档
• 帮助有特殊需求学生的资源
• 物理环境：地球科学（地质学学业水平考试）核心课程
• 地质学学业水平考试核心课程在线版 - 这项资源主要是为教师设计的，但它构成了本文信息的基础，也同样适用于学生。

地球科学需要很多常识性的思考，例如，如果你仔细想想，你就可以在没有学习的情况下了解它，这是有道理的。例如，如果你想弄清楚哪个岩层先形成，并且有一块侵入体，如果你仔细想想，你就会知道侵入体不可能先形成，因为它没有可以侵入的东西，所以岩层必须先沉积下来。