传统地球物理学主要指固体地球物理学,现代地球物理学的研究延伸到
地球大气层
外部的现象,例如
电离层
电机效应(ionospheric dynamo)、极光放电(auroral electrojets)和
磁层顶
电流系统(
magnetopause
current system),甚至延伸到其他行星及其卫星的
物理性质
。
地球物理学的很多问题与天文学的相似,因为研究对象很少能直接观察,结论应当说主要是根据物理测量的数学解释而得出的。这包括
地球重力场
测量,在陆地和海上用
重力测量仪
,在空间则用
人造卫星
;还包括
行星磁场
的磁力测量;又包括地下地质构造的地震测量,这用地震或人工方法产生的弹性
反射波
和弹性
折射波
来进行(参阅seismic
survey
)。
用地球物理技术来进行的研究,证明在为支持
板块构造学
(plate tectonics)理论提供证据方面是极其有用的。例如,
地震学
资料表明,世界
地震带
标示出了组成地球外壳的巨大
刚性板块
的边界,而
古地磁学
研究的发现,又使得追索
地质历史时期
大陆的漂移成为可能。
地球物理学是地球科学的主要学科之一。用物理学的原理和方法研究
固体地球
、海洋、大气、 近地空间环境的运动、物理状态、物质组成、
作用力
和各种物理过程的一门综合性学科。是物理学、数学、地质学、天文学、化学等诸多学科的交叉学科。广义的地球物理学包括固体地球物理学、大气物理学、海洋物理学、空间物理学等分支学科。狭义的地球物理学指固体地球物理学。
地球物理学学科中的
地震学
和
地磁学
两个领域有着悠久的历史,在这两个方面我国均为先驱。
我国古书籍中就记载有早至公元前20世纪关于极光的现象。东汉
张衡
在公元132年设计制造了世界上最早的
地震仪
——
候风地动仪
。我国约于10世纪就已将
指南针
用于航海。唐僧一行(683-727)、宋
沈括
(1031-1095)均对有关地球物理问题作过研究。地球物理学也是早期
经典物理学
的重要研究内容。牛顿由研究地球和月球的运动而发现了
万有引力
,由此产生了重力学;牛顿以后的许多数学家和物理学家都曾对地球物理学的研究作出过重要贡献,为地球物理学的形成和发展奠定了基础。
地球物理学的发展与科学本身的发展条件和人类生存需要密切相关。
在18、19世纪时地球物理学的一系列问题是物理学中引人注目的领域。20世纪20年代开始利用
地震波
走时理论研究地球内部的分层结构取得突破性进展。30年代兴起的
地球物理勘探
(特别是
地震勘探
),对资源的开发和利用起到了关键作用。40年代,特别是
第二次世界大战
以后发展起来的地壳与上地幔的地震探测极大地深化了人类对
岩石层
(圈)的认识。50年代开始的地震
预测研究
受到世界各国的关注。另外,人类在本世纪初探测到了
电离层
,随后实现了
无线电通信
。50年代末人造卫星发射成功,发现了
辐射带
、
太阳风
和
磁层顶
,空间物理学迅速发展为一门独立学科,为人类航天活动提供环境认识的保证。
近代正在发展的岩石层(圈)地震层析成象,全球与区域的
三维结构
,复杂
地质构造
中地震波理论,地震
震源
的动力学破裂理论,地球内部介质的
不均匀性
和
非线性
特征,热动力机制与演化,环境地球物理,
地震灾害
预测,流体在岩石层(圈)介质中的作用,日地系统整体变化和地球空间环境预报,反演理论与方法等方面的研究,以及大型快速电子
计算机
、航空、海洋和
空间探测
技术的应用,将进一步提高地球物理的研究水平,深化人类对地球物理问题的认识。
地球物理学是一门应用性很强的
基础学科
,它的研究成果有助于增进人类对所生息的地球及其周围
空间环境
的
科学认识
,而且支持着众多的国民经济建设中具有重要意义的
产业部门
或高科技领域。例如,勘探和开发利用石油与天然气、
地热资源
、金属与非金属矿藏,预测与预防(或防治)诸如地震、火山、滑坡及
岩爆
等自然灾害,保护与监测地球
生态环境
,保障目地空间环境中航天
飞行安全
等。今天,地球物理学已成为地球科学中最具活力的学科之一,并且与地质科学有密切联系,其研究成果将对21世纪人类的生存发展产生重要影响。
当代地球物理学面临严峻的挑战,如自然灾害、能源需求急增、
资源短缺
、
环境恶化
、人口增长对土地的压力等均直接威胁着人类的生存与进步,空间开发国际竞争则直接关系到国家安全和利益。地球
物理学家
必须投入研究和解决一系列严峻的挑战性问题,为确保
人类社会
的可持续发展作出贡献。
地球物理学包括
固体地球物理学
和空间物理学两个
二级学科
。
地球物理学用
物理学的原理
和方法,对地球的各种物理
场分布
及其变化进行观测,探索地球本体及
近地空间
的介质结构、物质组成、形成和演化,研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。在此基础上为探测
地球内部结构
与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术,为
灾害预报
提供重要依据。已故著名地球物理学家
赵九章
先生是这样形容地球物理学的——“上穷碧落下黄泉、两处茫茫都不见”。
地球物理学的研究内容总体上可以分为应用和理论地球物理两大类。应用地球物理(又称勘探地球物理)的研究范围比较广泛,主要包括能源勘探、金属与非金属勘探、环境与工程探测等。勘探地球物理学利用地球物理学发展起来的方法进行找矿、找油、工程和环境监测以及构造研究等,方法手段包括地震勘探、
电法勘探
、
重力勘探
、
磁法勘探
、
地球物理测井
和
放射性勘探
等,通过先进的地球物理测量仪器,测量来自地下的
地球物理场
信息,对测得的信息进行分析、处理、反演、解释,进而推测地下的结构构造和矿产分布。勘探地球物理学是石油、金属与
非金属矿床
、
地下水资源
及
大型工程
基址等的勘察及探测的主要学科。
地球物理学
是以地球为研究对象的现代应用物理学,这门学科从20世纪初就自成体系。到了20世纪60年代发展极为迅速,地球物理学包含许多分之学科,涉及陆、海、空三域,是天文、物理、数学、化学和地质学之间的一门
边缘学科
。随着时代的发展,地球物理学的
多学科交叉
现象越来越明显,数学、物理、
计算机科学
、天文学等众多学科的发展大大促进了地球物理学的发展。在地球物理学天地里,既可以从事
地磁场起源
、地震发生机理这样的极负挑战性的研究,可以从事油气勘探、
矿产勘探
这样的关系到国家经济建设的
应用性研究
工作,也可以从事大气物理等
交叉学科
的研究工作。通过地球物理学专业培养出来的学生要掌握系统的
数学物理
基础理论和基本知识,有较强的
计算机应用
能力和较高的外语水平,具有扎实的地球物理专业知识和基本的实验技能,受过从事基础研究或应用研究的初步训练,具有较强的
知识更新
能力。
地球物理学
重力学
(
Gravity):
研究关于
地球重力
的科学,研究范围包括地球上的重力现象、重力分布、
重力场
及其他相关性质的研究。
研究地球和
大气圈
之磁性的科学,主要研究有磁性的现象、来源、磁场等方面。
研究地球电场的科学,藉以推导地球内部介质的物性、组成和分布状态。
研究地球热的科学,包括地球的温度、内部的热流、地表
温度分布
的现象及地球热能的来源等。
地球物理探勘学(GeophysicalProspecting):
此为地球物理技术的运用,包括地震、
地电
、重力和地热等方面,可利用在石油、金属与
非金属矿床
、
地下水资源
及工程基址等的探勘及探测上。
地球物理学研究范畴
地球物理学就是以地球为对象的一门应用物理学。这门学科自20世纪之初就已自成体系。到了20世纪六十年代以后,发展极为迅速。它包含许多分支学科,涉及海、陆、空三界,是天文、物理、化学、地质学之间的一门
边缘科学
。作为一个天体来研究地球,地球物理学和
天体物理学
是分不开的;研究地球本身的结构和发展时,地球物理学又和地质学有很密切的联系。但地球物理学所探讨的范围远不止此,它还包括研究地面形状的
大地测量学
,研究海洋运动的
海洋物理学
,研究低空的
气象学
和
大气物理学
,研究高空以至行星际
空间物理
学,研究地球本体的
固体地球物理学
(或叫做地体学),还有一些较小的分支,如
火山学
、
冰川学
、
大地构造物理学
等等。这些学科中,有的又各有独立的分支。
人造卫星
出现后,
地球物理现象
的观测扩展到了
行星际空间
。
行星物理学
是地球物理学的一引伸,但它所要解决的问题,离地球越来越远了。
地球物理学,如果狭义的理解,指的就是固体地球物理学。这一般又可分为两大方面:研究大
尺度现象
和一般原理的叫做普通地球物理学,利用由此发展出来的方法来勘探有用矿床和石油的,叫做
勘探地球物理学
(或物理探矿学)。应用于
工程地质勘探
、
工程检测
的发展为
工程地球物理学
,应用于环境探测和监测及环境保护而形成的环境地球物理学。地球物理学形成了独立的分支学科:
地震学
、重力学、
地电学
、
地磁学
,还有正在发展可能形成
地热学
。
1. 从事地质类专业勘查,以科研工作为主要方向,通过各种
3. 从事工程探测类,通过地球物理方法,探测工程、建筑进行水文工程地质、
城市环境
与建筑基础以及
地下管线
铺设情况的勘查等,通过工程地质、浅层地球物理与岩土力学的理论、
实验研究
和工程实践及其信息综合集成,认识
地球表层
物质、结构、状态及其在自然和工程作用下变形破坏机理与过程,评价工程岩土体的稳定性及其
环境效应
,寻求相应的
工程技术
与处理措施,保证重大工程的安全构筑与运行,实施工程建设与环境保护、改善相互协调。
主要实践性
教学环节
:包括主要课程的实验和实习、野外地质实习、毕业实习等,一般安排6周~12周。
地球物理学专业的主干学科概况
尽管关于地球物理学的研究具有数百年的悠久历史(关于
地球磁场
起源于地球内部的文献发表于1600年),但作为一个独立的学科却只有100多年 的历史。1898年,德国
哥廷根大学
设立了世界上第一个地球物理学教授职位,并成立了世界上第一个地球
物理研究所
。在这里,著名地球物理学家 Wiechert开设了一系列关于地球物理观测仪器的课程,培养出了如Gutenberg、Gaiger等一批闻名世界的地球物理学家。
中国的地球物理学是经过了几代人的艰苦努力而发展起来的。1952年,根据新中国经济建设对
矿产资源
的需求,
北京地质学院
(现改为
中国地质
大 学)和长春地质学院(现合并到
吉林大学
)相继成立了地球物理系。从此,一个正规的地球物理
教育体系
逐渐地建立了起来。1956年,
成都地质学院
(现改名为 成都理工大学)宣告成立,其勘探地球物理系在1958年开始招生。上述3所地质学院当时均隶属于
地质矿产部
,其地球物理学
课程设置
侧重于地球
物理方法
在固 体矿产、石油和天然气勘探及工程勘探中的应用(应用或勘探地球物理)。这3所学校为新中国培养了大约15000名地球物理工程师和
应用地球物理学
专家。
与上述各地质学院不同,新中国的综合性大学和研究机构侧重于地球物理学理论的研究与教学。1956年北京大学设置了地球物理学课程,1958年成立地球物理系;中国科学技术大学在1959年设立地球物理系;云南大学在20世纪60年代初开设地球物理学课程。综合性大学40多年来为我国固体地球物 理学、航天、通讯和
太空科学
领域培养了许多优秀的骨干人才,教学科研水平受到国内外同行的肯定,是我国培养固体地球物理学和
空间科学
人才的重要基地。
在20世纪50年代末和60年代初,随着
固体矿产
和
碳氢化合物
能源勘探任务的增加,国家对应用(勘探)地球物理学人才的
需求量
也极大地上升了。 为了满足国家的需要,当时隶属于不同部委的大约10所
大学和学院
招收地球物理学或应用地球物理学生,这些学生主要是地球物理专门化的学生。因此,地球物理 学毕业生急剧增加。
1966年"文化大革命"开始,所有地质(矿业)学院和综合性大学基本上停止招生,直到1972年复课。1972年到1976年,地球物理学教育是非学位教育,学制从4年改为3年。
表1 1997年授予地球物理学学士学位高校一览表
学校名称
|
隶属关系
|
授予学士学位情况
|
备 注
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|
教育部
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理学学士
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|
中国科学院
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理学学士
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教育部
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理学学士
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|
中国地震局
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理学学士
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教育部
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工学学士
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教育部
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工学学士
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教育部
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工学学士
|
|
|
地质矿产部
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工学学士
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|
|
地质矿产部
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工学学士
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地质矿产部
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工学学士
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|
|
地质矿产部
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工学学士
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|
|
地质矿产部
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工学学士
|
|
河北地质大学
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地质矿产部
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工学学士
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|
|
教育部
|
工学学士
|
|
|
煤炭工业部
|
工学学士
|
|
|
石油天然气公司
|
工学学士
|
|
|
石油天然气公司
|
工学学士
|
|
|
石油天然气公司
|
工学学士
|
|
|
冶金工业部
|
工学学士
|
|
|
核工业部
|
工学学士
|
|
|
教育部
|
工学学士
|
|
随着国家
经济体制改革
的发展,在20世纪90年代地学所涉及的勘探行业开始萎缩。由此而带来的后果是毕业生就业市场变得饱和。在这种形势的逼迫 下,原来的"专业"院校纷纷扩展自己的办学领域,地质矿产部所属的地质学院多数改换了校名。地球物理
教育事业
处于历史上最困难的时期。
1998年教育部颁布实施新修订的《
普通高等学校本科专业目录
》。在这一《专业目录》中,开设了40余年的应用地球物理专业与勘察工程、水文地 质与工程地质(部分)、
应用地球化学
(部分)等专业合并,统称为"勘查技术与工程"。在这个新专业中,勘查(探)地球物理(应用地球物理)仅
被作为
一种技 术方法而不是一个专业,这直接影响了地球
物理学
专业的发展。新《专业目录》公布后,有关高校为了地球物理学的
学科专业
建设,同时也为了满足社会经济发展对 地球物理专业人才的需要,在1998年以后纷纷设立了地球物理学专业。到目前为止,开设地球物理学专业的高校已达到10所(见表2),其中大部分学校的地 球物理学专业是在原勘探地球物理(应用地球物理)的基础上发展起来的。虽然其课程设置各具特色,但尚未形成地球物理学的规范
课程体系
。
表2 2009年开设地球物理学专业高校一览表
学校名称
|
隶属关系
|
授予学士学位情况
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备注
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教育部
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理学学士
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中国科学院
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理学学士
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教育部
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理学学士
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教育部
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理学学士
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教育部
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理学学士
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|
教育部
|
理学学士
|
|
|
教育部
|
理学学士
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|
|
教育部
|
理学学士
|
|
|
教育部
|
理学学士
|
|
|
教育部
|
理学学士
|
|
|
教育部
|
理学学士
|
|
|
教育部
|
理学学士
|
|
成都理工大学
|
四川省
|
理学学士
|
|
|
广西壮族自治区
|
理学学士
|
|
东北石油大学
|
黑龙江省
|
理学学士
|
|
防灾科技学院
|
国家地震局
|
理学学士
|
|
注:[1]原长春科技大学于2000年并入新吉林大学。[2]原西安工程学院于2000年并入新长安大学。[3]原
桂林工学院
;[4]原武汉测绘科技大学并入
武汉大学
后设
的一个学科。
地球物理学是在20世纪发展起来的重要边缘学科之一。在
碳氢
能源与
固体矿产资源
的勘探与开发、地质灾害的预防与监测、地球环境保护和
污染监测
等 方面发挥着越来越大的作用。在历史上,地球物理学的发展主要体现在三个方面:(1)不断改进仪器性能和观测技术,提高
数据采集
精度;(2)不断改进数据处 理和
解释方法
,提高信息处理、提取和解释的精度;(3)不断提出新的物理参数,扩大信息来源和
信息量
。
在科教兴国和可持续发展的战略框架下,地球物理学面临着新的挑战和时代赋予的机遇,在地球内部圈层结构,物质-能量的交换和耦合及深层要素等前沿领域有着艰巨的攻关任务。为了深化对地球本体的认识,为资源、灾害、环境和
全球变化
提供地球深层
物质运动
要素,并对其潜在前景进行预测,作为高等学校, 既要参加国内外科研攻关,更重要的是培养高层次的地球物理学人才,为中国地球物理学的发展提供人才保证。
专家研究认为,"科学技术发展到今天,越来越显示出科学技术化、
技术科学化
的趋势。当今和
未来技术
的主体是高度科学化的技术,而当今和未来的科 学是高度技术化的科学[1]。地球物理学的发展也是如此。勘探地球物理技术的发展离不开地球物理学理论研究的进步,更需要数学、物理学、电子科学和计算机 科学的最新成就。同样,地球物理学理论研究也不可能没有勘探地球物理学所提供的
技术支持
。
但作为地球物理学教育,情况并非完全如此。我们刊登本文是,在地球物理学教育中存在着严重的理、工科分离问题。能否处理好这方面的关系,既是关系到地球物 理学教育的关键问题,也是地球物理学
学科建设
的一个重要方面。地球物理学教育的
发展趋势
应该是培养基础研究型、应用研究型复合性人才,同时应具有处理一定 层次技术问题的能力。各高校根据自己的实际情况选择侧重于地球物理学工科和地球物理学理科,或者是理工结合。
本
一级学科
中,全国具有“博士一级”授权的高校共7所,2012年第三次
教育部学科评估
有6所参评;还有部分具有“博士二级”授权和硕士授权的高校参加了评估;参评高校共计7所。 注:以下得分相同的高校按学校代码
顺序排列
。
地球物理学
地球物理学是一门介于物理学、地质学、
大气科学
、
海洋科学
和天文学之间的边缘学科。它的主要研究对象是人类生息的地球及其周围空间。它用物理学的原理和方法,通过利用先进的电子和信息技术、
航空航天技术
和空间探测技术对各种地球物理场进行观测,来探索地球内部及其周围空间、近地太空的介质结构、物质组成、形成和演化,研究与其相关的各种
自然现象
及其变化规律。在此基础上优化和改善人类生存和活动环境,防御及减轻地球与空间灾害对人类的影响,为探测和开发国民经济中急需的能源及资源提供
新理论
、新方法和新技术。而
空间物理
则以
太阳系
特别是日地空间
物理环境
作为主要研究对象。地球物理学是一门应用性很强的基础学科,它的研究成果不仅有助于增进人类地球及其
空间环境
的科学认识,为
太空时代
的
人类活动
提供了必要的基础。今天,地球物理学已成为
地球科学
中最具活力的学科之一,其研究成果将对21世纪人类的生存发展、
太空环境
的充分利用产生重要影响。