⑴ 地面沉降調查與監測技術方法
一、內容概述
從20世紀60年代開始，上海開始系統地開展地面沉降調查及監測工作，採用的技術方法主要包括鑽探、水準測量、基岩標分層標測量、地下水位動態監測等。
目前，上海地面沉降監測的技術方法有：地下水動態監測，一、二等水準測量，基岩標、分層標測量，GPS測量，InSAR測量，自動化監測系統等。
1.地下水動態監測
全市有地下水監測井450口，分別監控潛水和6個不同深度承壓含水層地下水位（水質和水溫）的變化規律（圖1）。
圖1 地下水位監測井及監測數據
2.一、二等水準測量
水準測量是利用水準儀提供的「水平視線」，測量兩點間高差，從而由已知點高程推算出未知點高程（圖2）。
技術特點：精密水準測量的優點是水準點埋設費用低、水準網布設靈活，能夠較迅速地獲取較小區域（甚至是人口密集區）的沉降信息；其不足是勘察區域面積較大時，觀測周期長，投入人力資源大，人力成本較高，實時性較差。
技術指標：一、二等水準測量按照《地面沉降水準測量規范》（DZ/T0154-95）執行。
3.基岩標、分層標測量
基岩標和分層標測量是進行地面沉降監測的重要技術手段，是地面沉降分析研究和制定相應措施的基礎。
基岩標是埋設在地下完整基岩上的特殊觀測點，可以作為地面沉降測量的高程式控制制點。基岩標作為高程式控制制測量的基準，可減少傳遞誤差，提高測量精度。分層標是根據土層的性質，埋設在地下不同深度土層和含砂層中的特殊觀測點，是世界上公認的測量鬆散土層變形量的措施，廣泛應用於鬆散土層的精確變形測量（圖3）。技術特點：基岩標的優點是精度最高，能提供所有地面沉降監測研究工作的基準點；其不足主要是建設費用高（一般需要上百萬元，甚至幾百萬元），建設工序較多，質量要求較高，場地落實困難。為此，應根據地面沉降監測的實際需要，基岩標的規劃與建設需要詳細論證。
圖2 水準測量外業現場
圖3 上海南浦大橋分層標組
分層標主要用於監測從地面至地下垂向上不同深度、不同土層的壓縮變形，變形量記錄比較全面、完整，一般與基岩標配合使用，以基岩標、分層標組形式配對規劃。其優點是可監測某一特定區域如沉降漏斗或某一點的垂向上不同深度的變形，獲得立體空間上的變形量，若配以地面沉降自動化監測系統，將可以獲得實時、連續土層的變形量；其主要不足是建設費用高。
技術指標：基岩標作為地面沉降監測基準，精度級別是最高的。
分層標測量分為人工測量、自動化測量兩種。根據《地面沉降水準測量規范》，人工測量的精度一般為0.3mm。
4.GPS測量
GPS測量是利用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）在遠離變形區的適當位置，選擇或建立一個基準站，在變形區內設置若干個監測點，在基準站和監測點上分別安置GPS接收機，進行連續觀測，並將觀測數據進行分析和處理（圖4）。
圖4 GPS 基準站
技術特點：觀測時間短，人工作業勞動強度低，觀測作業簡便，測站間無須通視，布點靈活，可以在任何時間、地點和天氣狀況下進行全天候連續監測，定位精度高，較高的作業自動化水平等。
技術指標：按照《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T18314-2001）中B級網要求，按平均15km邊長推算，高差的誤差為34mm，實際結果為大地高程變化量精度在5mm左右。
5.InSAR測量
雷達干涉測量技術（InSAR）將合成孔徑雷達（SAR）成像原理和干涉測量技術相結合，利用雷達回波信號所攜帶的相位信息精確測量地表某一點的高程信息及其微小變化。其原理是通過兩副天線同時觀測（單軌道雙天線模式）或兩次重復觀測（單天線重復軌道模式）來獲得同一區域的重復觀測數據，即單視復數影像對，這是InSAR進行高程提取或形變監測的數據源。
技術特點：InSAR技術具備可以同時獲取點、線、面的沉降量，投入人力資源少等特點，已經顯示出用於地面沉降研究的廣闊前景和巨大潛力。其不足之處也很明顯，主要是目前InSAR技術不是很成熟，尚處研究階段，距大范圍的推廣應用還有一段時間。
技術指標：上海地區InSAR監測試驗結果表明，InSAR技術在垂向的精度可以達到±3.7mm，目前仍正在進行試驗研究中。
6.自動化監測系統
在分層標、水位孔上安裝自動化設備，實現分層標土體變形、水位變化自動觀測、記錄、傳輸、資料庫錄入等功能，進一步提高了分層標、水位測量自動化程度（圖5，圖6）。
圖5 地面沉降自動化監測設施原理圖
圖6 地面沉降監測數據採集、傳輸系統示意圖
技術特點：地面沉降自動化監測系統的優點是精度高、連續、實時、自動記錄、自動傳輸、無人值守且可以任意設置數據採集時間、同時監測不同土層的沉降，有利於從變形量中分離出每個土層的變形量，計算不同土層對總沉降量的貢獻，有利於研究地面沉降的原因、機理和機制。地面沉降自動化監測系統主要不足為一次性建設費用較高，因此比較適合選定有代表性的典型區域如沉降漏斗中心、漏斗邊緣等。因其高昂的建設費用，目前主要還是用於點狀對象的監測上。
技術指標：分層標自動化監測精度平均絕對誤差應不大於1mm；地下水位監測精度應為± 0.01m。
二、應用范圍及應用實例
（一）應用范圍
成果廣泛應用於地面沉降監測。
（二）應用實例
1.一、二等水準測量
按照《地面沉降水準測量規范》（DZ/T0154-95）、《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897-2006）的要求，上海地質調查研究院在全市范圍內布設了一、二等高程式控制制網。基於基岩標，從一座基岩標至另外一座基岩標，組成大型高程式控制制網。
按照覆蓋的區域和復測頻率，高程式控制制網分為郊區高程式控制制網、中心城區（外環線以內區域）高程式控制制網。郊區高程式控制制網覆蓋了包括崇明島、橫沙島、長興島在內的整個上海區域，復測頻率為每5年復測一次，用於全市高程式控制制數據的更新與發布，在圖中繪制了一等水準路線圖。二、三等覆蓋整個郊區，目前缺少線路走向資料；中心城區（外環線以內區域）高程式控制制網分布在中心城區，復測頻率為每1年復測一次，覆蓋范圍約1000km2，用於地面沉降分析和研究；兩套高程式控制制網均以基岩標為結點，實現郊區高程式控制制網、中心城區高程式控制制網有機的統一和銜接。
2.基岩標、分層標
自開展地面沉降研究以來，高程式控制制網的基準點問題一直是關鍵性課題，有效的解決方案就是選擇穩定的基岩建立基岩標。上海地質調查研究院長期從事這項工作，特別是經歷了「九五」、「十五」、「十一五」等市政府重大課題大規模網點建設項目的實踐檢驗，獲得了豐富的施工和管理經驗，形成了一套嚴密的作業流程，熟練地掌握了基岩標施工工藝，取得了基岩標實施工藝專利（專利號：ZL 012394556，證書號：第478596號）。上海地區目前已建設完成了比較完備的地面沉降監測網路，特別是「十一五」地面沉降防治工程開展以來，全市已累計建設了35座地面沉降監測站（16座實現了自動化監測），監測在基岩面以上不同深度土層的變形規律（圖7至圖9）。
圖7 上海世博會會址地面沉降監測站
圖8 地面沉降監測站自動化監測設施
3.GPS測量
2001年1月～2010年12月，上海市地質調查研究院共組織GPS一級網監測13次。其中2001年1月～2002年7月時段長為3h或6h，自2002年11月起，時段長由12h逐漸改為24h，並進一步優化了觀測方案和數據處理方案，GPS監測地面沉降的精度、可靠性逐漸提高。
4.InSAR測量
圖10顯示了上海地區InSAR測量得到的2003年至2007年地面沉降速率圖。
圖9 地面沉降標組數據曲線
圖10 上海幅工作區2003～2007年地面沉降D-InSAR監測速率圖
三、推廣轉化方式
地面沉降監測技術的研究、發展、成熟和完善，為專利申報、規程、規范編制出台提供了有力的技術支撐，也為帶動長三角地區乃至華北平原、西北汾渭盆地等區域地面沉降監測與防治發揮了引領和示範作用。
通過多年來對基岩標標型設計、施工便利程度、成本、適宜性、可靠性、穩定性等指標的研究，形成了一套成熟的基岩標施工工藝，並申請了專利（ZL J 2 39455.6，證書號：第478596號）。
編制的規程、規范有《地面沉降監測與防治技術規程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沉降監測技術規范》（中國地質調查局）、《地面沉降測量規范》（國土資源部），為進一步規范全國地面沉降監測和防治工作做出了積極貢獻。
技術依託單位：上海地質調查研究院
聯系人：方正
通訊地址：上海市靈石路930號
郵政編碼：200072
聯系電話：021-56065720
電子郵件：[email protected]
地球物理勘探方法，主要有電法，磁法，重力法，地震法等勘探方法。其中電法勘探利用的是各種岩石礦體的電磁學性質（ 如導電性、導磁性、介電性）和電化學特性的差異，通過對人工或天然電場、電磁場或電化學場的空間分布規律和時間特性的觀測和研究，尋找不同類型有用礦床和查明地質構造及解決地質問題的地球物理勘探方法。磁法勘探主要是通過判斷岩石和其它地質體的磁性異常來研究地質結構和地質資源。重力法是利用組成地殼的各種岩體、礦體間的密度差異所引起的地表的重力加速度值的變化而進行地質勘探的一種方法。地震法是根據地震波在各種介質中的傳播速率不同，通過觀測人工或自然地震波在地殼中的傳播速率來研究地殼中的結構、組成等。總之，地球物理方法幾乎所有方法都有個關鍵字－－異！
⑶ 地球科學的研究方法
由於地球科學以龐大的地球作為研究對象，並具有很強的實踐性和應用性，所以它的研究方法與其他自然科學有較大的差異。它既要藉助於數學、物理、化學、生物學及天文學的一些研究方法，同時又有自己的特殊性。
地球科學的研究方法與其研究對象的特點有關，地球作為其研究對象主要有以下特點：
（1）空間的廣泛性與微觀性
地球是一個龐大的物體，其周長超過4×104 km，表面積超過5×108 km2。因此，無論是研究大氣圈、水圈、生物圈以及固體地球，其空間都是十分廣大的。這樣一個巨大的空間及物體本身由不同尺度或規模的空間和物質體所組成。因此，要研究龐大的地球，就必須研究不同尺度或規模的空間及其物質體，特別是要注重研究微觀的空間和物質特徵，如不同學科都要研究其相應對象的化學成分、化學元素的特性等。地質學要研究礦物晶體結構，水文學和海洋學要研究水質點的運動等，氣象學要研究氣體分子的活動等。而且，整個地球系統是一個開放的動力系統，其與宇宙環境（地-月系、太陽系及銀河系等）之間總是不斷地進行著物質、能量的交換；地球系統中各種自然現象、作用過程的發生、發展和演化與其所處的宇宙環境是分不開的。因此，現代地球科學已開始充分重視宇宙環境對地球系統的影響研究；也就是說研究的空間范圍還要超越地球系統，涉及更加宏觀的宇宙環境（圖0-1）。只有把不同尺度的研究結合起來，把宏觀和微觀結合起來，才能獲得正確的和規律性的認識。
（2）整體性（或系統性）與分異性（或差異性、多元性）
整個地球是一個有機的整體，是由不同層次的、具有緊密聯系的子系統組成的統一系統；不僅在空間上地球的內部圈層、外部圈層都表現為連續的整體性，而且地球的各內部圈層之間、內部與外部圈層之間、各外部圈層之間也都是相互作用、相互影響、相互滲透的，某一個圈層或某一個部分的運動與變化，都會不同程度地影響其他部分甚至其他圈層的變化，這也充分表現了它們的有機整體性。然而，地球也是一個非均質體，它的不同的組成部分（或子系統）無論在物質狀態還是運動和演變特點上都具有一定的差異，表現出分異性或多元性。例如，不同地區的地理環境、氣候環境具有明顯的差異，不同地區的水文條件也具有明顯差異。固體地球特別是地殼的不同地區或不同組成部分的差異性更為顯著，如大陸、海洋、山系、平原等。這種差異性不僅表現在空間和物質組成上，也表現在它們的運動、變化與形成、發展上。
（3）時間的漫長性與瞬間性
據科學測算，目前可追溯的地球年齡長達46億年。在這漫長的時間里，地球上曾發生過許多重要的自然事件，諸如海陸變遷、山脈形成、生物進化等。這些事件的發生過程多數是極其緩慢的，往往要經過數百萬年甚至數千萬年才能完成。短暫的人生很難目睹這些事件發生的全過程，而只能觀察到事件完成後留下來的結果以及正在發生的事件的某一階段的情況。但是，有些事件的發生可以在很短的時間內完成。例如，天氣現象往往表現為幾天、幾小時甚至更短的時間，地震、火山爆發等也都發生在極短的時間內。
（4）自然過程的復雜性與有序性
地球演化至今經歷了復雜的過程。其中既有物理變化，也有化學變化；既有地表常溫、常壓狀態下的作用過程，也有地下深處高溫、高壓狀態下的作用過程。此外，各種自然過程還會受地區性條件的影響而具有地區的差異性。所以，自然過程是極其復雜的，而且這種過程由於其漫長性和不可逆性，依靠人類的力量很難完全重塑和再現其過程，因而更增添了地球科學研究工作的艱巨性。但是，這些復雜的自然過程並不是雜亂無章的，它們都具有其發生、發展的條件和過程，都具有一定的規律可循，這也正是地球科學工作者的重要研究任務。
研究對象的特點決定了地球科學具有一些獨特的研究方法，並且隨著科學技術的發展和進步，地球科學的研究方法也會得到不斷的補充和推進。現擇要簡述研究方法如下：
（1）野外調查
空間的廣泛性決定了地球科學工作者首先必須到野外去觀察自然界，把自然界當做天然的實驗室進行研究，而不可能把龐大而復雜的大自然搬到室內來進行研究。野外調查是地球科學工作最基本和最重要的環節，它能獲取所研究對象的第一手資料。例如野外地質調查、水系與水文狀態調查、自然地理調查、土壤調查、資源與環境調查等。只有有針對性地到現場去認真、細致地收集原始資料，才能為正確地解決地球科學問題提供可能。
（2）儀器觀測
儀器觀測是地球科學用來獲取研究對象的定性和定量資料的重要手段，通過儀器觀測可以了解到研究對象的各種物理、化學性質，參量的靜態特徵和動態變化，為科學的分析、推理提供依據。儀器觀測為地球的研究步入科學的軌道提供了條件，例如，16～17世紀氣溫、氣壓、濕度等氣象儀器的發明與創造，使氣象學逐漸發展成為一門完善的學科。現代高精度的常規與高空氣象儀器觀測仍然是氣象學的重要研究基礎。同樣，儀器觀測在水文學、海洋學研究中也佔有特殊重要的位置。儀器觀測對於現代地球物理學、地質學的地球內部研究，對於土壤學的研究特別是對於環境地學中的各種監測與評價，都具有極其重要的作用。在現場進行的儀器觀測也屬於第一手資料，除了科學工作者根據不同的研究目的在現場進行各種觀測外，人們還常常設立各種定點觀測台站，如氣象站、水文站、地震台站、環境監測站等，並通過大量的台站建立觀測網，以便獲得系統的觀測資料。
（3）大地測量
這是地球科學中既古老而又發展迅速的一種重要研究方法，它對推動地球科學的發展起了重要作用。早在古埃及和古中國的時代，人們就藉助於步測及其他一些簡單的測量工具，進行土地規劃、地形與地理制圖、水利與工程建設等。到了近代，隨著測量儀器的進步，逐漸發展成為傳統的大地水準測量和大地三角測量。20世紀中葉發展起來的海洋測深技術（聲吶）對於海洋學的發展和地質學的革命曾起了決定性的作用。近些年發展起來的激光測距、全球定位系統（GPS）又給地球科學帶來了深刻影響。大地測量的方法對於地理學、地質學、海洋學、水文學及土壤學等的研究十分重要。
（4）航空、航天和遙感技術
現代航空、航天和遙感技術極大地推動了地球科學的發展，成為現代地球科學不可缺少或不可忽視的重要研究方法。由於地球的空間廣大，要在短時間內獲取大區域的資料，特別是大區域的動態變化情況，就必須充分利用航空、航天和遙感技術，如衛星雲圖、衛星遙感影像、航空照片等。航空、航天和遙感技術對現代氣象學的發展和進步起了決定性作用，成為其重要支柱。它們也是現代海洋學、地理學的主要研究手段，而且對於現代地質學、土壤學、水文學、環境地學等也發揮著重要作用。
（5）實驗室分析、測試與科學實驗
這是地球科學中各門學科均普遍採用的研究方法，主要是從研究對象中取得所需的各種樣品或標本，然後在實驗室進行分析、測試，以便獲取物質成分、結構、物理與化學性質以及形成歷史等方面的定性和定量資料，並通過科學實驗分析推斷其形成、演變過程和發展趨勢等。隨著科學的發展，地球科學中的實驗科學已有相當的進步。但由於自然過程的影響因素復雜，加之時間的漫長性與空間的廣泛性以及現代實驗技術水平的限制，在地球科學中有時很難進行與自然界一致的真實實驗。因此，地球科學上常採取簡化影響因素，創造一些特定的物理、化學環境，模擬自然現象的成因、過程和發展規律，這種方法稱為模擬實驗。模擬實驗只能是近似的，實驗結果往往與自然過程有一定差距，但它在再造自然現象的過程、驗證和探索地球科學規律方面發揮著重要作用。
（6）歷史比較法
這是地質學最基本的方法論。時間的漫長性決定了地質學必須用歷史的、辯證的方法來進行研究。雖然人類不可能目睹地質事件發生的全過程，但是，可以通過各種地質事件遺留下來的地質現象與結果，利用現今地質作用的規律，反推古代地質事件發生的條件、過程及其特點，這就是所謂的「歷史比較法」（或稱「將今論古」「現實主義原則」）的原理。這一原理是由英國地質學家萊伊爾（C.Lyell，1791～1875年，現代地質學的創立者）在赫頓（J.Hutton，1726～1797年，蘇格蘭地質學家，被譽為現代地質學之父）的均變論學說的基礎上提出來的（圖0-2，圖0-3）。萊伊爾明確指出：「現在是了解過去的鑰匙。」例如，現代珊瑚只生活在溫暖、平靜、水質清潔的淺海環境中，如果在古代形成的岩石中發現有珊瑚化石，便可推斷這些岩石也是在古代溫暖、清潔的淺海環境中形成的（圖0-4）；又如，現在的火山噴發能形成一種特殊的岩石——火山岩，如果在一個地區發現有古代火山岩存在，我們就可以推斷當時這一地區曾發生過火山噴發作用，等等。歷史比較法是一種研究地球發展歷史的分析推理方法，它的提出，對現代地質學的發展起到了重要的促進作用。
圖0-2 英國地質學家萊伊爾
（C.Lyell，1791～1875年）
圖0-3 蘇格蘭地質學家赫頓
（J.Hutton，1726～1797年）
圖0-4 生活在溫暖、清潔淺海中的珊瑚
a—現代珊瑚；b—2億多年前的珊瑚化石
這一原理的理論基礎是「均變論」。均變論認為，在漫長的地質歷史過程中，地球的演變總是以漸進的方式持續地進行，無論是過去還是現在，其方式和結果都是一致的。但是，現代地質學的研究證明，均變論的觀點是片面和機械的。地球演變的過程是不可逆的，現在並不是過去的簡單重復，而是既具有相似性，又具有前進性。例如，地質學的多方面研究揭示，在地球演變過程中，地表大氣圈、水圈、生物圈的組成、數量、溫壓以及地球或地殼內部的結構、構造等特徵都在發生不斷的變化，與現代的狀況存在不同程度的差異，這些必然會導致當時發生地質作用的方式與過程具有一系列與今天不同的特點。地球演變的過程也並不總是以漸進、均變的形式進行，而是在均變的過程中存在著一些短暫的、劇烈的激變過程。例如，在岩層中常常發現其物質組成及結構構造發生突然性的變化；在古生物演化中也常常發現大量的生物種屬在短期內突然絕滅的現象，如6500萬年前後恐龍全部迅速絕滅等。所以整個地球的發展過程應是一個漸變—激變—漸變的前進式往復發展過程，這也符合量變—質變—量變的哲學規律。
因此，在運用歷史比較法時，必須用歷史的、辯證的、發展的思想作指導，而不是簡單地、機械地「將今論古」，這樣才能得出正確的結論。地質學的「將今論古」分析方法，實際上對於地球科學中的地球物理學、地球化學、地理學、氣象學、水文學、海洋學、土壤學、環境地學等學科的研究均具有重要的借鑒意義。
（7）綜合分析
自然過程的復雜性和不可逆性決定了地球科學必須採用綜合分析的研究方法。在漫長的地球演化過程中，不同時期、不同方式（物理、化學、生物等）、不同環境（地表、地下、空中等）的自然作用給我們留下的是一幅錯綜復雜的結果圖案。要根據這一圖案恢復和解析自然界發展的過程，就必須利用多學科的原理和方法，結合復雜的影響因素，進行綜合分析。這一點與數學、物理、化學等學科利用單純的推導、實驗等方法進行研究是大不一樣的。例如，在地質學中，由於過程和影響因素很復雜，根據某些個別特徵，利用單學科的原理和方法，往往會得出片面甚至錯誤的結論，這就是在地質學研究中經常碰到的「多解性」或「不確定性」問題。所以，只有在綜合各方面研究的基礎上，才能得出統一的、最合乎實際情況的結論。
（8）計算機技術應用
有人說20世紀後半葉以來，人類社會已步入計算機的時代，計算機技術的應用已給各門自然科學帶來了深刻的影響和革命性的變化。對地球科學也是一樣，例如，在現代氣象學、地理學、地質學、地球物理學、海洋學、環境地學等領域中，計算機技術已發揮出巨大的作用，成為不可缺少的研究手段和方法。而且計算機技術正在向地球科學的各個領域滲透。計算機技術的應用，為解決地球科學的研究對象空間廣闊、觀測處理資料量大、模擬形成演變過程復雜等問題帶來了無限的前景。因此，要想提高地球科學的研究水平，必須充分地重視、加強和進一步開拓計算機技術在地學中的應用。
20世紀末期開始在全球范圍內廣泛興起的「數字地球」（Digital Earth）計劃或「數字地球學」研究正是現代計算機技術、信息科學與地球科學相結合的產物。「數字地球」主要是探討運用現代計算機技術、信息科學對整個地球系統進行全方位的定量化、數字化描述的方法，建立相關的「數字地球」資源平台，並服務於地球科學的研究、應用。因此，「數字地球」實質上是地球系統的一種數字化的表示形式，其基本的理論支撐主要包括相互聯系的兩個方面，即與地球科學有關的理論以及與數字化技術有關的理論。比「數字地球」稍早一些興起的「地理信息系統（GIS）」的成功開發與廣泛應用，可以說為推動「數字地球」的興起與發展奠定了良好的基礎；但「數字地球」將涵蓋地球科學的所有研究分支學科或領域（而不僅僅局限於地理學），其涉及的科學內容與數據量是「地理信息系統」所無法比擬的。1998年1月，美國前副總統戈爾在「開放地理信息系統協議（Open GIS Consortium）」年會上首次提出「數字地球」的概念，認為「數字地球」是指一個以地球坐標為依據的、具有多解析度的海量數據和多維顯示的虛擬系統。數字地球的概念一經提出便立刻引起了世界范圍的廣泛關注，並取得了快速發展。數字地球的研究和實現具有十分廣泛的應用前景，如資源與環境的監測與管理，氣候和各種自然災害的預測、預報與防治，土地利用與各種生產、生活的規劃及一些危機事件的處理等；它還為地球科學的教育和多學科的研究工作提供了極好的資源平台，特別是為地球系統科學的層圈相互作用研究、全球變化研究及人類可持續發展研究創造了有利條件。
地球科學研究的工作方法通常具有下列程序：
（1）資料收集
根據所要研究的課題和所要解決的問題，盡可能詳盡、客觀和系統地收集各種有關的數據、樣品和其他資料。資料的來源包括對研究區詳細的野外調查、儀器觀測和收集、分析已有的各種資料和成果等。
（2）歸納、綜合和推論
對所收集的資料進行加工整理、歸納、綜合，並利用地球科學的研究方法和原理，作出符合客觀實際的推論。
（3）推論的驗證
通過生產實踐或科學實驗來證實或檢驗推論是否正確，並在實踐的過程中不斷地修正錯誤，提高認識，總結規律。
地球科學是一門實踐性很強的科學。人們通過不斷地科學實踐，逐漸形成了若干假說和學說。假說是根據某些客觀現象歸納得出的結論，它有待進一步驗證；而學說則是經過了一定的實踐檢驗、在一定的學術領域中形成的理論或主張。假說和學說對推動地球科學的發展起著重要的作用，它們為探索地球科學的客觀規律指出了方向，對實踐起著一定的指導作用，同時在實踐中不斷得到檢驗、補充和修正，使其日趨完善。當然，有些假說和學說也可能在實踐中被拋棄或否定。
⑷ 地表形變InSAR調查與監測技術
一、內容概述
地表形變監測是地質災害防治與預警的基礎工作。我國當前頻發的滑坡、地面沉降、地裂縫、地面塌陷等對人居環境的威脅逐步增大。傳統地面測量手段受制於監測范圍小、點位密度低和施測周期長等不足，對地質災害宏觀特徵及時空演化過程的監測能力有限。自20世紀90年代末期開始，合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術在多類型地表形變監測中得到廣泛的研究和應用，具有快速、准確、精度高、覆蓋范圍廣等優點，改變了以往測量手段點位密度低、工作周期長、施測要求高的不足。
InSAR技術的核心是利用相位觀測值獲取目標的幾何特徵及變化信息。由於干涉相位對微小形變極其敏感，毫米級的形變在干涉相位中都會有所反映，因而利用重復軌觀測獲取的干涉相位，通過差分干涉處理可獲得高精度的形變信息。
自2000年起，在國土資源部、科技部等部門的支持下，航遙中心依託國土資源大調查、國土資源部公益性行業基金、863計劃等項目，開展InSAR技術的理論、方法及應用研究，形成了趨於完善的多尺度、多類型的災害性地表形變InSAR調查與監測技術體系。通過InSAR關鍵技術研究、應用示範、結果驗證和工程化應用等環節的攻關研究，系統解決了低相干、有限數據量條件下InSAR地面沉降信息提取和跨軌道、多圖幅大范圍地面沉降InSAR監測制圖等一系列地表形變InSAR監測工程化應用的核心技術，建立了一套解決大區域性地面沉降同步監測的InSAR方法技術體系。在我國首次系統利用InSAR技術開展了大范圍區域性地面沉降工程化監測，獲得了當前華北平原、長三角、汾渭谷地等地區全覆蓋、高精度的地面沉降監測數據，填補了地面沉降基礎調查數據的空白。工程化應用表明相干目標InSAR時序技術測量成果的精度優於±3～5 mm，在區域性監測中整體方差優於±1 cm，滿足地面沉降監測的需要。InSAR技術的研究和應用提升了我國地表形變，特別是區域性地面沉降監測的工作能力和技術水平，取得了顯著的社會效益和經濟效益。
二、應用范圍及應用實例
研究成果先後應用於地面沉降、滑坡、高鐵沉降、油田地表變形和礦山開采沉陷等多類型地表形變監測。從2004年至今，先後開展了華北平原、長江三角洲地區、汾渭谷地全覆蓋InSAR工程化監測，突破了以往獨立行政區劃對地面沉降監測工作的局限，實現了區域地面沉降InSAR監測成果「一張圖」，填補了我國地面沉降防治與風險管理工作基礎數據的空白。
同時，針對重大工程對地面穩定性的要求，開展了京津、京滬等高速鐵路，南水北調工程東線，西氣東輸工程長三角段等一批重大工程區地面沉降InSAR調查和監測，為重大工程區的地質災害風險管理提供了有效的技術服務。先後開展了三峽庫區滑坡（新灘、樹坪等）、礦山開采沉陷（唐山、兗州等）、油田地表形變（大港、東營等）、城市地裂縫（西安）、地震形變場等多尺度、多類型地表形變監測應用，全面提升了InSAR技術的應用能力和水平。
圖1 華北平原地面沉降區InSAR監測沉降速率圖（2008～2010年）
1.實現我國三大地面沉降區監測全覆蓋
利用InSAR技術開展華北平原、長三角、汾渭谷地大范圍、區域性地面沉降調查與監測，累計范圍超過20×104 km2，首次實現了我國三大沉降區的InSAR監測全覆蓋。
（1）華北平原地面沉降InSAR監測成果
監測范圍14×104 km2，覆蓋北京、天津、石家莊、唐山、鄭州等城市以及黃河三角洲地區（圖1）。監測成果顯示：華北平原以往地面沉降嚴重的主要城市（天津、北京（圖2，圖3）、滄州等），自2004年開始市區沉降速率均有所減緩，普遍小於30mm；主要沉降中心多集中於這些城市的周邊，以各種開發區為主。沉降中心的年沉降速率普遍大於40～50mm，且有不斷擴大的趨勢；各省級行政區交界地帶沉降區呈現連片發展趨勢，沉降速率大、范圍廣；沉降中心與大型基礎設施（鐵路、公路）分布以及區域經濟發展密切相關。
圖2 北京地區2007～2010年累積沉降量
圖3 北京來廣營累積沉降量
（2）長江三角洲地區地面沉降InSAR監測成果
監測面積約6×104km2，覆蓋上海（圖4、圖5）、江蘇蘇錫常與揚泰通、浙江杭嘉湖地區，查明了各地區2006年至今地面沉降的分布狀況，獲取了上海、蘇錫常、杭嘉湖地區的連續監測數據，發現了上海市與浙江交界地帶金山 平湖等多個快速大范圍沉降區，年最大沉降速率達到40～50mm。監測表明：長三角地區整體沉降幅度和范圍小於華北平原地區，地面沉降速率總體趨緩，快速沉降區仍多集中在各地的主要開發區。
圖4 上海地區InSAR 監測累積地面沉降量圖（2003年9 月—2010年9 月）
圖5 華漕鎮累積沉降量圖（2003年9月—2010年9月）
（3）汾渭地區地面沉降InSAR監測成果
圖6 太原盆地地面沉降速率圖（2007～2010年）
以大同-太原-臨汾地區（圖6）、西安市為主要工作區，查明了覆蓋汾渭地區近4×104 km2 范圍的地面沉降發展分布狀況，新發現了榆次、清徐、臨汾等快速沉降區，最大年沉降速率達50～70mm。完成了太原市區（圖7）自2005年以來地面沉降變化過程的連續監測，詳細查明了各主要沉降中心的時空變化特徵。
圖7 太原市主城區主要沉降中心分布圖
2.有效服務高速鐵路沿線等國家重大基礎設施建設
積極服務國家重大基礎設施建設，應用InSAR技術開展高速鐵路沿線地面沉降監測與調查。在國內首次應用歐空局ENVISAT衛星SAR數據（解析度20m）開展了京津高速鐵路全線地面沉降狀況InSAR調查與監測，獲取了沿線5 km范圍內2004年至今各年度的地面沉降監測成果，發現了京津高鐵沿線位於北京和天津地區的2 處主要沉降漏斗（圖8，圖9）。同時，首次利用德國TerraSAR-X高解析度SAR數據（解析度3m）開展了京津高鐵沿線重點沉降區精細監測，獲取了2009年2～10月間連續監測數據，有效服務於鐵道部門對京津高鐵基礎的穩定性評價和對策研究工作。
3.積極開展多類型地質災害監測與工程實踐
在實現區域性地面沉降InSAR監測的基礎上，開展了礦山開采沉陷調查、油田地表變形監測、滑坡活動監測、城市地裂縫探測、地震形變場提取等多尺度、多形式的災害性地表形變場探測與監測，取得了良好效果。以唐山開灤礦區為研究區（圖10 和圖11），開展了煤礦區開采沉陷和礦業城市地面穩定性InSAR監測，證實InSAR技術可及時發現礦山開採的范圍和強度，能夠滿足礦山開采沉陷動態監測需要。目前已廣泛應用於大同、兗州、淮南、徐州、皖北等主要煤礦區。連續監測三峽地區新灘滑坡、鏈子崖滑坡自2002年至今的活動變化，結果顯示新灘滑坡已趨於穩定。開展石油開采誘發地表變形的InSAR監測，查明了大慶、東營等油田地面沉降和抬升狀況。
圖8 京津高鐵全線地面沉降速率圖（2007～2009年）
圖9 京津高鐵沿線2007～2009年地面沉降剖面圖
圖10 開灤礦區開采沉陷InSAR干涉圖（2009年10月07日至2009年10月31日）
InSAR技術在我國主要地面沉降區以及多類型地表形變災害監測工作中的應用實踐顯示了在地質災害監測領域的獨特優勢。「十二五」期間，InSAR技術將在全國地質災害易發區調查、重要經濟區（城市群）建設、主要礦產資源開發區監測、地下水主要開發利用區監測以及重大工程區等領域內緩慢地表形變監測工作中發揮重要作用。立足全國區域性地面沉降監測工作，重點圍繞國家重大基礎設施建設，依託InSAR技術開展大區域地表形變監測，提供地面穩定性監測與風險評價，服務於工程規劃、建設和運營。在礦山、石油、水利等領域的應用，特別是煤礦區開采沉陷和工礦城市地面沉降監測方面的應用需求明顯，將促進InSAR技術成為日常監測手段。
圖11 唐山市老采空區緩慢沉降速率圖（2004～2009）
高分辨雷達衛星及其相關技術的發展將進一步推動地質災害InSAR精細化監測。新一代高分辨雷達衛星，如TerraSAR-X、Cosmo-skymed等將為InSAR技術精細化應用提供豐富的數據源。應用高分辨SAR數據開展高速鐵路、公路、大壩以及大型單體建築等重大工程和基礎設施的精細監測將成為現實。將在國土資源、礦山、交通運輸、水利工程等諸多領域的地質災害調查與監測工作中發揮更為重要的作用。
三、推廣轉化方式
本項研究成果已先後在中國地質調查局開展的《華北平原地面沉降監測與防治》、《長三角地區地面沉降監測與風險管理》、《全國地面沉降監測與防治》等計劃項目中得以推廣應用，並於2011年啟動了《全國地表形變遙感地質調查》工作，旨在應用InSAR技術開展我國中東部的平原、盆地、三角洲地區和海岸帶地區地面沉降、礦山開采沉陷調查與監測，詳細查明目前我國地面沉降的發生狀況，為全國地下水管理、城市規劃、基礎設施建設布局等提供基礎資料。
華北平原和長三角地面沉降InSAR監測成果有效地指導了各地區地面監測網路的布設和建設。通過與北京、天津、上海等各省市地質環境總站聯合，針對各地區關心的重點沉降區開展詳細調查和監測，直接服務於地方需要。此外，為鐵道部第三設計院、煤炭科學研究院唐山分院、山東省魯北工程勘查院、河北省水文地質工程地質4隊等單位和組織提供了技術資料和成果。
2010年6月，中國地質調查局以地質調查要情專報的形式刊發了「InSAR技術在我國地面沉降調查監測工作中應用效果顯著」的通報，介紹InSAR技術研發取得的成果和先進經驗。2011年初，由中國地質調查局主辦，航遙中心承辦，召開了迄今以來全國最大規模的「地表形變InSAR監測技術培訓及研討會」，全國各地質環境監測部門、高校、研究所等機構共計120餘人參加了本次培訓，邀請了來自義大利、德國、加拿大等國家和機構專門從事InSAR技術研發的專家授課，全面介紹InSAR技術及其應用情況，取得了良好的社會效益。
主要推廣轉換方式包括會議交流、技術培訓與技術咨詢。
技術依託單位：中國國土資源航空物探遙感中心
聯系人：葛曉立
通訊地址：北京市海淀區學院路31號航遙中心遙感方法技術研究所
郵政編碼：100083
聯系電話：010-62060051
電子郵件：[email protected]
⑸ 科學家研究地球表面有哪些方法
（1）野外調查 空間的廣泛性決定了地球科學工作者首先必須到野外去觀察自然界，把自然界當作天然的實驗室進行研究，而不可能把龐大而復雜的大自然搬到室內來進行研究。野外調查是地球科學工作最基本和最重要的環節，它能獲取所研究對象的第一手資料。例如野外地質調查、水系與水文狀態調查、自然地理調查、土壤調查、資源與環境調查等。只有針對性地到現場去認真、細致地收集原始資料，才能為正確地解決地球科學問題提供可能。
（2）儀器觀測 儀器觀測是地球科學用來獲取研究對象的定性和定量資料的重要手段，通過儀器觀測可以了解到研究對象的各種物理、化學性質、參量的靜態特徵和動態變化，為科學的分析、推理提供了依據。儀器觀測為地球科學步入科學軌道提供了條件，例如16～17世紀氣溫、氣壓、濕度等氣象儀器的發明與創造，使氣象學逐漸發展成為一門完善的學科。現代高精度的常規與高空氣象儀器觀測仍然是氣象學的重要研究基礎。同樣，儀器觀測在水文學、海洋學研究中也佔有特殊重要的位置。儀器觀測對於現代地球物理學、地質學的地球內部研究，對於土壤學的研究特別是對於環境地學中的各種監測與評價，都具有極其重要的作用。在現場進行的儀器觀測也屬於第一手資料，除了科學工作者根據不同的研究目的在現場進行各種觀測外，人們還常常設立各種定點觀測台站，如氣象站、水文站、地震台站、環境監測站等，並通過大量的台站建立觀測網，以便獲得系統的觀測資料。
（3）大地測量 這是地球科學中既古老而又發展迅速的一種重要研究方法，它在推動地球科學的發展中起了重要作用。早在古埃及和古中國的遠古時代，人們就藉助於步測及其它一些簡單的測量工具，進行土地規劃、地形與地理制圖、水利與工程建設等。到了近代，隨著測量儀器的進步，逐漸發展成為傳統的大地水準測量和大地三角測量。本世紀中葉發展起來的海洋測深技術（聲納）對於海洋學的發展和地質學的革命曾起了決定性的作用。近些年發展起來的激光測距、人造衛星定位系統（GPS）又給地球科學帶來了深刻影響。大地測量的方法對於地理學、地質學、海洋學、水文學及土壤學等的研究十分重要。
（4）航空、航天和遙感技術 現代航空、航天和遙感技術極大地推動了地球科學的發展，成為現代地球科學不可缺少或不可忽視的重要研究方法。由於地球的空間廣大，要在短時間內獲取大區域的資料，特別是大區域的動態變化狀況，就必須充分利用航空、航天和遙感技術，如衛星雲圖、衛星遙感影像、航空照片等。航空、航天和遙感技術對現代氣象學的發展和進步起了決定性作用，成為其重要支柱。它們也是現代海洋學、地理學的主要研究手段，而且對於現代地質學、土壤學、水文學、環境地學等也發揮著重要作用。
（5）實驗室分析、測試與科學實驗 這是地球科學中各門學科均普遍採用的研究方法，主要是從研究對象中取得所需的各種樣品或標本，然後在實驗室進行分析、測試，以便獲取物質成分、結構、物理與化學性質以及形成歷史等方面的定性和定量資料，並通過科學實驗分析和推斷其形成、演變過程、發展趨勢等。隨著科學的發展，地球科學中的實驗科學已有相當的進步。但由於自然過程的影響因素復雜，加之時間的漫長性與空間的廣泛性以及現代實驗技術水平的限制，在地球科學中有時很難進行與自然界一致的真實實驗。因此，地球科學上常採取簡化影響因素、創造一些特定的物理、化學環境，模擬自然現象的成因、過程和發展規律，這種方法稱為模擬實驗。模擬實驗只能是近似的，實驗結果往往與自然過程有一定差距，但它在再造自然現象的過程、驗證和探索地球科學規律方面發揮著重要作用。
（6）歷史比較法 這是地質學最基本的方法論。時間的漫長性決定了地質學必須用歷史的、辯證的方法來進行研究。雖然人類不可能目睹地質事件發生的全過程，但是，可以通過各種地質事件遺留下來的地質現象與結果，利用現今地質作用的規律，反推古代地質事件發生的條件、過程及其特點，這就是所謂的「歷史比較法」（或稱「將今論古」、「現實主義原則」）的原理。這一原理是由英國地質學家萊伊爾（C.Lyell，1791—1875年）在郝屯（J.Hutton，1726—1797年，英國學者）的均變論學說的基礎上提出來的。萊伊爾明確指出：「現在是了解過去的鑰匙」。例如，現代珊瑚只生活在溫暖、平靜、水質清潔的淺海環境中，如果在古代形成的岩石中發現有珊瑚化石，便可推斷這些岩石也是在古代溫暖、清潔的淺海環境中形成的；又如，現在的火山噴發能形成一種特殊的岩石——火山岩，如果在一個地區發現有古代火山岩存在，我們就可以推斷當時這一地區曾發生過火山噴發作用，等等。歷史比較法是一種研究地球發展歷史的分析推理方法，它的提出，對現代地質學的發展起了重要的促進作用。這一原理的理論基礎是「均變論」。均變論認為，在漫長的地質歷史過程中，地球的演變總是以漸進的方式持續地進行，無論是過去還是現在，其方式和結果都是一致的。但是，現代地質學的研究證明，均變論的觀點是片面和機械的。地球演變的過程是不可逆的，現在並不是過去的簡單重復，而是既具有相似性，又具有前進性。例如，地質學的多方面研究揭示，在地球演變過程中，地表大氣圈、水圈、生物圈的組成、數量、溫壓以及地球或地殼內部的結構、構造等特徵都在發生不斷地變化，與現代的狀況存在不同程度的差異，這些必然會導致當時發生的地質作用的方式與過程具有一系列與今天不同的特點。地球演變的過程也並不總是以漸進、均變的形式進行，而是在均變的過程中存在著一些短暫的、劇烈的激變過程。例如，在岩層中常常發現其物質組成及結構構造發生突然性的變化；在古生物演化中也常常發現大量的生物種屬在短期內突然絕滅的現象，如7000萬年前後恐龍全部迅速絕滅等。所以整個地球的發展過程應是一個漸變—激變—漸變的前進式往復發展過程，這也符合量變—質變—量變的哲學規律。因此，在運用歷史比較法時，必須用歷史的、辯證的、發展的思想作指導，而不是簡單地、機械地「將今論古」，這樣才能得出正確的結論。地質學的「將今論古」分析方法，實際上對於地球科學的地球物理學、地理學、氣象學、水文學、海洋學、土壤學、環境地學等幾門學科也均具有一定的借鑒意義。
（7）綜合分析 自然過程的復雜性和不可逆性決定了地球科學必須採用綜合分析的研究方法。在漫長的地球演化過程中，不同時期、不同方式（物理、化學、生物等）、不同環境（地表、地下、空中等）的自然作用給我們留下的是一幅錯蹤復雜的結果圖案。要根據這一圖案恢復和解析自然界發展的過程，就必須利用多學科的原理和方法，結合復雜的影響因素，進行綜合分析。這一點與數、理、化等學科利用單純的推導、實驗等方法進行研究是大不一樣的。例如在地質學中，由於過程和影響因素很復雜，根據某些個別特徵，利用單學科的原理和方法，往往會得出片面甚至錯誤的結論，這就是在地質學研究中經常碰到的「多解性」或「不確定性」問題。所以，只有在綜合各方面研究的基礎上，才能得出統一的、最合乎實際情況的結論。
（8）電子計算機技術應用 有人說20世紀後半葉以來，人類社會已步入電子計算機的時代，電子計算機技術的應用已給各門自然科學帶來了深刻的影響和革命性的變化。對地球科學也是一樣，例如在現代氣象學、地理學、地質學、地球物理學、海洋學、環境地學等領域中，計算機技術已發揮出了巨大的作用，成為不可缺少的研究手段和方法。而且計算機技術正在向地球科學的各個領域中滲透。計算機技術的應用，為解決地球科學的研究對象的空間廣闊、觀測處理資料量大、模擬形成演變過程復雜等等問題帶來了無限的前景。因此，要想提高地球科學的研究水平，必須充分地重視、加強和進一步開拓電子計算機這一方法技術在地學中的應用。
地球科學研究的工作方法通常具有下列程序：
（1）資料收集 根據所要研究的課題和所要解決的問題，盡可能詳盡、客觀和系統地收集各種有關的數據、樣品和其它資料。資料的來源包括對研究區詳細的野外調查、儀器觀測和收集、分析已有的各種資料和成果等。
（2）歸納、綜合和推論 對所收集的資料進行加工整理、歸納、綜合，並利用地球科學的研究方法和原理，作出符合客觀實際的推論。
（3）推論的驗證 通過生產實踐或科學實驗來證實或檢驗推論是否正確，並在實踐的過程中不斷地修正錯誤，提高認識，總結規律。
地球科學是一門實踐性很強的科學。人們通過不斷地科學實踐，逐漸形成了若干假說和學說。假說是根據某些客觀現象歸納得出的結論，它有待進一步驗證；而學說則是經過了一定的實踐檢驗、在一定的學術領域中形成的理論或主張。假說和學說對推動地球科學的發展起著重要的作用，它們為探索地球科學的客觀規律指出了方向，對實踐起著一定的指導作用，同時在實踐中不斷得到檢驗、補充和修正，使其日趨完善。當然，有些假說和學說也可能在實踐中被揚棄或否定。
⑹ 地球內部運動怎樣使地表形態發生變化
地球內部運動----能量巨大，引起地殼運動-----------引起地球外表的地形變化。
地球內部的運動會引起地殼運動,從而形成山脈、高原、裂谷和海溝等地形地貌; 地球表面的變化有時是迅猛激烈的,有時是緩慢不易覺察的。地球內部的運動,其實就是內力作用與地表形態的關系.
內力作用,表現為板塊運動、岩漿活動和變質作用。
板塊運動對地表形態的影響最為廣泛而顯著,她形成的地質構造有褶皺和斷層,結果形成比如喜馬拉雅山脈、安第斯山脈等褶皺山脈.斷層的上升側,形成斷塊山或者陡崖,下沉側往往形成低地或者谷地,比如渭河平原、汾河谷地。
岩漿活動,通過火山噴發後,岩漿凝固,改變地表形態.比如夏威夷群島,就是岩漿凝固後,露出海面而成的。
地殼運動
（crustalmovement）
由內應力引起地殼結構改變、地殼內部物質變位的構造運動叫地殼運動。
地球表層相對於地球本體的運動。通常所說的地殼運動，實際上是指岩石圈相對於軟流圈以下的地球內部的運動。岩石圈下面有一層容易發生塑性變形的較軟的地層，同硬殼狀表層不相同，這就是軟流圈。軟流圈之上的硬殼狀表層包括地殼和上地幔頂部。地殼同上地幔頂部緊密結合形成岩石圈，可以在軟流圈之上運動。
在地球的內力和外力作用下地殼經常所處的運動狀態。地球表面上存在著各種地殼運動的遺跡，如斷層、褶皺、高山、盆地、火山、島弧、洋脊、海溝等；同時，地殼還在不斷的運動中，如大陸漂移、地面上升和沉降以及地震都是這種運動的反映。地殼運動與地球內部物質的運動緊密相聯，它們可以導致地球重力場和地磁場的改變，因而研究地殼運動將可提供地球內部組成、結構、狀態以及演化歷史的種種信息。測量地殼運動的形變速率，對於估計工程建築的穩定性、探討地震預測等都是很重要的手段，對於反演地應力場也是一個重要依據。
對緩慢的地殼運動，可根據地質學（地層學、古生物學、構造地質學等）、地貌學和古地磁學的考察，參考古天文學、古氣候學的資料，進行綜合分析判定。例如，大陸漂移學說是從古生物學、古氣候學找到跡象，又通過古磁極的遷移得以確立的。現在根據同位素年齡的測定和岩石磁化反向的分析，可以進一步認識地殼運動的演化。
對於現代地殼運動，一般採用重復大地測量的方法，如用重復水準測量來研究垂直運動；用三角測量或三邊測量的復測來研究水平運動；用安放在活動斷層上的蠕變計、傾斜儀和伸長儀等做定點連續觀測來監視斷層的運動。20世紀70年代後期，進而利用空間測量技術（激光測月、人造衛星激光測距和甚長基線干涉測量等）監測不同板塊上相距上千公里的兩點間的相對位移（精度可達2～3厘米），用以測定板塊之間的運動。除此以外，還可以利用海岸線的變遷，驗潮站關於海水漲落的記錄等，推斷現代地面的升降運動。
⑺ 地表的變化
三 地表的變化
單元目標
1．了解地球表面的各種形態，了解地球表面是不斷變化的；認識溫度、水、風、生物等各種自然力量對地表改變的作用；知道岩石的風化、搬運、磨圓等地質作用，認識卵石的形成過程；了解人類活動對地表改變所帶來的積極的和消極的影響。
2．嘗試繪制山地地形圖，感悟符號語言的精妙以及它豐富的科學內涵。通過完成水滴和水流對地表的影響、溫度和水對岩石的影響以及岩石磨圓作用等實驗，經歷用簡單的工具對物體進行定量測量，採集數據，並作簡單記錄的科學研究過程，體驗到建立模型是科學研究的一種有效途徑。在實驗和研討過程中，鍛煉縝密的思維能力與合作交流能力，嘗試辯證地、綜合地分析問題，考慮對同一現象做不同的解釋。
3．能從多樣的地表形態中感受大自然的神奇和美麗。通過學習自然因素對地表的作用，形成對自然科學研究的興趣和尊重證據的科學態度，體會到實驗研究的意義。通過學習人類活動對地表的影響，意識到人與自然要和諧相處。
單元結構
課題 主要活動 課時建議
1.多樣的地表形態 1.認識地表形態及表示它們的地形圖。
2.畫山的地表形態平面圖。
3.搜集能夠改變地表形態的事物的資料，貼在教師的信息發布欄中。
2課時
2.自然因素對地表的作用 1.研究水滴的力量
2.研究水流的作用
*3.了解除水以外的其他自然因素對地表形態的影響
*4.研究種子萌發和生長的力量
2課時
3.卵石的形成 1.推測卵石形成的原因
2.研究溫度對岩石的影響
3.研究水對岩石的影響
4.研究石塊如何變成卵形
2課時
4.人類活動對地表的影響 1.了解開鑿運河對地表的影響
2.認識修梯田和水庫對地表的影響
3.城市化對地表的影響
2課時
1. 多樣的地表形態
教學目標
1．了解地球表面的各種形態，認識地形圖中表示地表形態的符號。
2．嘗試繪制山地地形圖，感悟符號語言的精妙以及它豐富的科學內涵。
3．能從多樣的地表形態中感受大自然的神奇和美麗。
內容設計
本課安排三個教學活動。首先是認識各種地表形態和表示它們的符號，感受大自然的神奇和美麗。然後通過親手繪制山地地形圖的活動，感悟符號語言的精妙以及它豐富的科學內涵。最後引導學生思考造成地表形態多樣性的原因，並動手搜集資料、整理資料，最終交流和分析資料，找出改變地表形態的兩大因素：自然因素和人為因素，為後面的學習奠定基礎。
教學准備
活動1：中國地形圖
活動2：黏土或橡皮泥、水槽、藍色墨水、硬塑料薄膜、水彩筆
活動3：卡片紙
活動1.認識地表形態及表示它們的地形圖
內容說明
教材由兩組插圖構成：第一組為各種地貌的實物圖——平原、高山、峽谷、海洋、丘陵和盆地等，第二組為與之相應的地圖上的表現形式。希望學生在觀察認識實物圖的基礎上，首先了解地球表面的形態有哪些，再進一步認識地圖上是如何表現這些地表形態的，增強識圖的能力。
地表形態有三種主要類型：平原、山地和高原。
平原是由平坦或微起伏的低地勢組成的一種地表形態。平原常出現在大陸邊緣和大陸內部。沿著海岸線分布的平原叫濱海平原，遠離海岸線的則稱為內陸平原。
山地是一種高海拔高地勢的地表形態。山地是山脈的一部分。山脈是形狀、結構和年代緊密聯系的山群。山地基座至少有數平方千米的面積，但其頂峰卻會聚於一點。山地常有陡坡。
海拔較高、地面起伏不大的地表形態叫高原。高原頂部很少是平坦的。
教學建議
認識各種地表形態。
建議教師先讓學生說一說他們所知道的地表形態有哪些，了解學生的先前知識和經驗，喚起學生對這部分知識內容的學習興趣。再利用教材插圖，組織學生仔細觀察，認識各種典型的地表形態，並描述各種地形的主要特徵。
認識地形圖。
通過上一環節的學習，學生已經知道地球表面的形態是起伏多變的。那麼，怎樣在一張平展的紙上表現出這種變化呢？教師可以先讓學生嘗試自己設計符號表示出各種地形，之後再出示標准地形圖讓學生辨認，對號入座，完成教材41頁中的活動。最後建議出示「中國地形圖」，一方面復習表示各種地形的符號，另一方面通過看地形圖了解我國地形的主要特點，增強對我國國土的認識和了解，鍛煉識圖能力。
活動2.畫山的地表形態平面圖
內容說明
這是一個「動手做」活動。旨在為學生創設一個做中學的機會，讓他們在模擬繪制山地地形圖的活動中感悟符號語言的精妙以及它豐富的科學內涵，例如「等高線」及其疏密程度所代表的科學含義。
教學建議
准備好黏土或橡皮泥、水槽、藍色墨水、硬塑料薄膜、水彩筆等活動材料。
2、組織學生看教材42頁插圖和文字說明，熟悉活動流程。分組活動前教師自己或請一個小組的學生向全班演示一遍操作過程。
學生分組模擬繪制山的地表形態平面圖。
4、對照小山模型和自己繪制的地形圖，分析平面圖所傳達的各種信息。就像教材中提示的那樣：哪裡是陡坡？哪裡是緩坡？哪裡是最高點？
*5、進一步研究：查找資料，了解其他地形圖的畫法和科學道理。
活動3.搜集能夠改變地表形態的事物的資料，貼在教師的信息發布欄中
內容說明
這是介於第1課和第2課之間的一個過渡性活動。是在學生認識各種地表形態之後，引導他們思考造成地表形態多樣性的原因。
教材插圖提示教師在這部分教學中可以採用信息發布欄的活動形式。信息發布欄中的插圖則暗含了改變地表形態的兩大類因素：自然因素和人為因素。
教學建議
因為內容少，不能構成一個完整的課時。建議教師提前布置學生查找資料，並要求他們採用文字記錄或繪制簡圖等形式整理資料，課堂上只是交流和分析資料，放在活動1、活動2之後，佔用一小段時間，三個活動共同構成一個80分鍾教學單元（即兩節課連排）。
在分析資料的教學環節，建議教師准備一些小卡片，根據學生的發言提煉出「火山」、「河流」、「風」、「植物」、「建築」、「水庫」等詞彙寫在卡片上，然後放在實物投影上或利用小磁貼將卡片貼在黑板上，以方便學生分類。
2. 自然因素對地表的作用
教學目標
1．認識水、風、生物等各種自然力量對地表改變的作用；了解地球表面是不斷變化的。
2．通過完成水滴和水流對地表的影響的兩個實驗，經歷用簡單的工具對物體進行定量測量，採集數據，並作簡單記錄的科學研究過程，體驗到建立模型是科學研究的一種有效途徑。在實驗和研討過程中，鍛煉縝密的思維能力與合作交流能力。
3．通過學習自然因素對地表的作用，形成對自然科學研究的興趣和尊重證據的科學態度，意識到人與自然要和諧相處。
內容設計
圍繞著「自然因素對地表的作用」，本課由4個活動組成。活動1和活動2研究的是水對地表形態的影響。活動1研究水滴的力量，模擬的是垂直下落的雨水對地表的影響。活動2研究水流的作用，通過實驗模擬在地表流動的水（可以理解為河流）對不同情況的地表——山地、平原、峽谷、草地會產生怎樣的影響。活動3、活動4是選學內容，進一步了解除水以外的其他自然因素對地表形態的影響。其中教材著重表現的是風和生物對地表的影響。
教學准備
活動1：黑色手工紙、麵粉、滴管、燒杯、水、米尺
活動2：托盤、沙子、碎石、草皮（可以用草繩碎屑和泥沙代替）、水、噴壺
*活動3：各種由於風化和侵蝕作用產生的特殊的地貌的圖片：如風蝕形成的風蝕柱、風蝕蘑菇，流水侵蝕形成的峽谷（長江三峽）、溶洞等。
*活動4：1個紙杯、30ml熟石膏、15ml自來水、3顆菜豆、小棒、1張紙巾
活動1. 研究水滴的力量
內容說明
這個實驗是模擬自然界中的降水對地表形態產生的影響。關鍵是調節水滴下落的高度，通過麵粉濺落范圍的變化感受下落水滴的力量的變化。實驗室條件下水滴下落的高度遠遠低於自然界中的雨滴下落的高度，由此推斷雨水對地表強大的沖擊力，天長日久，形成「滴水穿石」等改變地貌的現象。
教學建議
1、考察校園。教師課前仔細察看校園環境，找一找有沒有類似「滴水穿石」的現象存在。
2、創設情境，引發質疑。如果校園中有類似「滴水穿石」的現象，把學生帶到現場觀察，質疑：「這個凹坑（或孔、洞）是怎樣產生的？」如果校園中沒有適合教學的素材，就利用教材44頁插圖引發質疑。
3、學生分組完成水滴——麵粉實驗。為追求實驗的嚴密性，需注意以下兩點：①水滴的大小盡可能保持不變；②每一次實驗都要記錄下兩個數據：水滴下落的高度和麵粉濺落的范圍直徑。
分析數據得出結論：水滴位置越高，下落時所產生的沖擊力越大。
推斷雨水的力量很大，對「滴水穿石」現象做出科學的解釋。
活動2. 研究水流的作用
內容說明
學生在前面的科學學習中已經知道「水流有力量」。那麼這種力量在流經地表的江河中是怎樣表現的呢？
流水的侵蝕作用十分強大而普遍。流動的水體有很大的沖擊力，它一方面沖刷侵蝕著地表岩石，另一方面可挾帶著碎屑摩擦岩石，使岩石遭到破壞。全球約90%陸地表面受流水侵蝕作用的影響。溝谷和河流的流水沖刷使得谷底和河床不斷加深加寬，大的江河在山區，由於水流急、動能大，能將高山切割成峽谷。如我國著名的長江三峽、金沙江虎跳峽、黃河三門峽等都是河流切割而成的。坡面上的水流，沖刷著整個坡面，使之趨於破碎。例如我國黃土高原，土層松厚，植被破壞嚴重，高原面受流水侵蝕作用，形成千溝萬壑的地表形態。
流水特別是河流，是陸地上最主要的搬運動力。其搬運物質的來源是流水侵蝕作用的產物。流水的搬運能力與流速有關：流速大，搬運能力大；流速小，搬運能力小。流速相同，則粗大的、比重大的碎屑物質搬運得較近，細小的、比重小的碎屑物質搬運得比較遠。因此岩石碎屑物質在流水搬運過程中進行著明顯的分異作用，即碎屑物質順著搬運方向逐漸變小。此外，碎屑物質在流水搬運過程中還進行著自身碰撞、摩擦，失去稜角變圓的作用，叫磨圓作用。其磨圓的程度與搬運距離的遠近有關。一般來說，搬運距離遠，則磨圓度較好。由於分異作用和磨圓作用，河流搬運的碎屑物質，其大小和磨圓程度在河流的不同河段具有明顯的差異。河流上游的碎屑物質比較粗大，磨圓度較差，多為帶稜角的礫石；河流中下游的碎屑物質顆粒較小，磨圓度較好，多呈圓形或次圓形的卵石和泥沙。流水常以推移、懸浮、溶解等多種方式進行搬運。其搬運的能力十分驚人。每年從大陸搬運到海洋里的泥沙約有2.2*1011t，輸送到海洋里的溶解物質約為2.73*109t。
岩石風化侵蝕的產物，在外力的搬運途中，由於流速的降低，冰川的融化以及其他因素的影響，可以導致物質的逐漸沉積，這種作用稱為沉積作用。在沉積過程中，顆粒大、比重大的物質先沉積，顆粒小、比重小的物質後沉積，形成了礫石、沙、粉沙、粘土等顆粒大小不同的沉積物。流水攜帶著泥沙流動時，由於流速降低，泥沙大量沉積，形成多種沉積地形。一般來說，在河流上游，流速大，動能也大，侵蝕作用強烈，沉積作用弱。中下游地區沉積作用較強，常常形成沖擊平原。
教材表現的是用沙子、碎石等在托盤上堆起土堆、平原、峽谷、草地等造型，用噴壺灑水，觀察草皮、沙子、碎石和水的運動變化。需要注意的是：實驗用的沙子要提前用水浸潤潮濕，否則不好造型，噴灑的水也會被沙子吸收，形不成「水流」。
教學建議
1、學習情境創設。可能的話，建議教師搜集一些江河流動的影像資料，實驗活動前播放給學生看，讓他們對水流的力量有一些感性認識。
2、結合影像資料和學生已有經驗啟發學生思考：雨水和融化的雪水在匯集、流動的過程中會對地表產生哪些作用？
3、模擬水流實驗。
（1）組織學生討論：怎樣做出山地、平原、峽谷、草地等各種造型？
（2）為保證實驗的科學性，操作中應注意哪些問題？（噴灑水的高度、水流的大小必須保持一致）
（3）提示學生及時記錄觀察到的現象，注意保持環境衛生。
（4）學生分組實驗
4、交流研討，得出結論：水流可以產生沖刷、搬運和沉積作用，改變地表形態。
5、聯系現實生活中由水流造就的地貌：三峽、黃土高原，長江三角洲等，進一步理解水的沖刷、搬運和沉積作用。
*活動3.了解除水以外的其他自然因素對地表形態的影響
內容說明
這是選學內容。包括暗河、風沙、生物三種自然因素對地表形態的影響。
河水、地下水對岩石有化學侵蝕作用。石灰岩受到含有二氧化碳的流水的溶解和沖刷作用會形成溶洞、地下河等奇特的岩溶地形。如我國雲南、廣西等地這樣的地貌比較多。
在我國西部乾旱地區，風的侵蝕作用佔主導地位。風可以吹揚起岩石的碎屑和地表的沙粒，並挾帶著沙粒和岩石碎屑磨蝕岩石。久而久之，岩石就被磨蝕而破壞。特別在沙漠地區，地表疏鬆，風力很大，風蝕作用更為顯著。
地表岩石在生物活動的影響下發生破壞的作用叫生物風化作用。它一方面使岩石發生機械破碎，如植物根部對岩石的穿透、擠壓，動物對岩石的穿孔和搬運等；另一方面使岩石發生化學分解，如植物根可分泌有機酸或吸收岩石中某些成分，使岩石遭到破壞。生物風化還有成土作用，腐爛的植物和動物與岩石碎屑混在一起，混合物就被稱為土壤。
自然因素對地表形態的影響主要表現形式有：風化作用、侵蝕作用、搬運作用、沉積作用和固結成岩作用。它們是相互聯系的統一過程，形成一個磨損和重建地球表面的循環。
教學建議
1、組織學生討論暗河對地貌的影響，了解水的化學侵蝕作用。如果課時允許，可以做個小實驗。
2、認識風蝕作用。可以藉助圖片和影像資料，讓學生感受風沙的侵蝕，如風蝕柱、風蝕蘑菇等。還可以聯想在大風、沙塵暴等天氣里人體肌膚的感受。
3、認識生物風化作用。在活動3中主要是通過圖片初步了解，活動4 將通過實驗感知。
*活動4.研究種子萌發和生長的力量
內容說明
這是活動3的延伸。因為可以獨立構成一個教學活動，所以提煉出來形成本課最後一個活動。在這個活動中，學生將看到種子萌發的力量將石膏頂得裂開，從而模擬自然界中的植物對岩石的穿透和擠壓。具體實驗步驟如下：
將石膏放在紙杯中，再加入15毫升水，用攪棒混合。
往杯子中放入3顆豆子，使其四分之一露出石膏表面。
將紙巾對折，用水浸濕，覆蓋在石膏表面上。
把紙杯放在不易受干擾的地方約一周，每天把紙巾拿出來，觀察記錄石膏表面的樣子。
時不時把紙巾浸濕，保持濕潤。
教學建議
這個實驗能在課上完成的只有前3個步驟，所需時間不多。因此教師要在一周的時間里隨時提醒學生往紙巾上灑水，以保持種子的濕潤，保證它能萌發。為防止種子本身存在問題，建議實驗中至少放3粒種子。
3. 卵石的形成
教學目標
1．認識溫度、水等自然因素對岩石的影響；知道岩石的風化、搬運、磨圓等地質作用，認識卵石的形成過程。
2．通過完成溫度和水對岩石的影響以及岩石磨圓作用的實驗，經歷控制溫度等條件模擬自然環境，探尋事物變化原因的科學研究過程，體驗到模擬實驗是科學研究的一種有效途徑。在實驗和研討過程中，鍛煉縝密的思維能力與合作交流能力。
3．通過實驗研究卵石形成的原因，形成對地質科學研究的興趣和重視實證的科學態度，體會到實驗研究的意義。
內容設計
這一課是通過研究卵石的形成過程，綜合認識自然因素對地表造成的影響。按照提出問題——推測——實驗研究——得出結論的科學探究過程共編排4個活動。
活動1首先是通過文字給出問題：「從河流的上游到下游，河道里的石頭有什麼變化？其中有什麼規律？」然後給出河流上、中、下游的圖片，觀察後對「河道中卵石的來源、演變過程以及有哪些自然因素起了作用」作出推測。活動2和活動3分別就溫度和水對岩石的影響進行實驗研究，活動4是個需要定量測量的實驗，研究石塊如何變成卵形，認識磨圓作用。最後綜合活動2、活動3和活動4的研究，得出結論：風化和侵蝕作用使岩石分解，滾落到河道中的岩石在河水的搬運過程中，受到水的沖刷和石頭間的相互摩擦、碰撞，稜角消失，變成了表面光滑的卵石。
教學准備
活動1：反映河道中的石頭變化的圖片、照片
活動2：鑷子、酒精燈、冷水、1小塊石頭（板岩、頁岩或風化花崗岩）、護目鏡
活動3：石膏、冰箱、水
活動4： 80小塊石灰石、帶蓋的大小一樣的塑料瓶4個（容積約500ml）、水300ml、醋300ml、天平、毛巾或紙巾
活動1. 推測卵石形成的原因
內容說明
教材插圖表現的是河流上游、中游和下游中石塊的變化，並且用簡單的文字啟發學生思考：河道中的卵石是從哪裡來的？它們是怎樣變成卵圓形的？在卵石的形成過程中，有哪些自然因素起了作用？在學習了第2課「自然因素對地表的作用」之後，學生應該會從水的沖刷作用、搬運作用、沉積作用和生物風化作用等方面的影響作出推測。
教學建議
1、學生參與的教學准備。現在的學生大多有豐富的野外旅遊的經歷。教師一定注意充分調動學生已有的對岩石自然形態的認知，可以發動他們搜集自己在野外拍攝的、畫面中有河流和岩石的照片，回憶畫面中的景點處於河流的上游、中游、還是下游？觀察畫面中岩石的形態特點，分析其形成的原因。
2、引導觀察和比較。出示有關一條河流的一組照片（選取典型的上、中、下游的畫面），試著讓學生排序，引導他們發現岩石形態的變化。
3、引發思考，作出推測。利用教材插圖，組織學生分析推測卵石形成的原因，並記錄在教材預留的橫線上。
活動2. 研究溫度對岩石的影響
內容說明
溫度變化可使岩石膨脹和收縮。由於岩石是熱的不良導體，岩石表層和內部受熱不均，使得岩石表層熱脹冷縮變化大，內部變化小。久而久之，岩石便層層剝離而破碎了。為了使學生更直觀地認識這個問題，這部分內容安排了一個實驗，模擬溫度變化對岩石的破壞作用。教學時，選用板岩、頁岩或風化花崗岩做實驗，效果較好。
教學建議
1、組織學生觀察：河流上游兩旁的岩石有什麼特點？（有很多縱橫交錯的裂縫，有的石塊搖搖欲墜。）
2、分組實驗：用鑷子夾住一小塊岩石在酒精燈上燒一會兒，然後立即把它放到冷水裡。如此反復幾次，觀察岩石有什麼變化？（岩石表面出現裂縫，甚至一塊塊往下掉碎屑。）
3、分析討論：岩石表面為什麼會出現裂縫？（由於冷熱的作用，岩石脹縮不均而產生裂縫，就像冷玻璃杯用熱水一燙會炸裂一樣。）
4、小結：自然界中的岩石，也像實驗中這塊岩石一樣，經常受到冷熱的影響。白天，岩石被太陽曬得很熱；夜裡，岩石又變得很涼；夏天，岩石被曬得很熱，冬季岩石又變得很涼。日子久了，岩石各部分脹縮不均，內部結構就受到破壞，產生裂縫。
活動3. 研究水對岩石的影響
內容說明
岩石裂隙中的水，當溫度下降時結成冰，體積增大，因而對岩石的縫壁產生壓力，使裂隙擴大；當溫度回升時，冰融化成水向下滲透。這樣不斷的結冰融冰，最後把岩石劈開崩碎。
教學建議
該活動在課堂教學比較難以實現。一是因為實驗室一般不具備冰箱， 二是因為水冷凍和融化都需要較長時間，還要反復幾次操作，40分鍾難以完成。因此建議教師課前自己動手實驗，最好把自己實驗的過程用錄像、照相等方式記錄下來，課堂上給學生講解操作過程，展示實驗過程的圖像資料和最終結果，並提議學生回家後在家長的幫助下親自實驗。
活動4. 研究石塊如何變成卵形
內容說明
這個內容是按照猜想——實驗的思路編寫的。實驗材料可以是稜角明顯的石灰岩碎塊，也可以用碎磚頭塊代替。通過實驗可以發現：這些碎石塊由於水的沖刷和相互摩擦、碰撞，稜角消失了，變成了表面光滑的近似球形的卵石。
實驗的設計包括搖動與否、水與醋的對比兩種變數。搖動與否與搖動的力度實際上模擬的是水流的強度，水與醋的對比反映的是水質對岩石破壞程度的影響。水流動越快，對岩石的沖擊力越大，岩石間的碰撞和摩擦也就越劇烈；水中含有酸性物質，對岩石的侵蝕越厲害，破壞越嚴重。這兩種因素都會加劇岩石的磨圓作用。這是學生第一次接觸兩個變數的科學實驗，教師要注意引導學生分析清楚自變數和因變數，控制好實驗條件，保證實驗的科學性和准確性。
教學建議
1、猜測：河道中的石頭是怎樣變成光滑的卵石的？
2、分組實驗：按照教材中介紹的步驟操作。
天平的使用學生過去沒有學習過，這里需要教師講解。特別要強調以下幾點：（1）使用之前指針調零；（2）被稱量物體的質量不要超過最大量程；（3）天平有兩個托盤，左邊的放物體，右邊的放砝碼，即左物右碼；（4）數據讀取的方法：砝碼和游碼數值相加。
搖動的時間最好課前教師先實驗一下，保證搖之後絕大多數石塊變圓。還要注意的是，第二次稱量岩石質量之前，一定用紙巾或毛巾將岩石擦乾。數據的准確性對實驗結論有很大影響，因此實驗要嚴格控制變數。
3、組織研討：石塊的稜角哪裡去了？怎樣解釋這種現象？根據實驗結果推想，河道中的石塊是怎樣變成卵圓形的？
4、小結：河道中的岩石在河水的搬運過程中，受到水的沖刷和石頭間的相互摩擦、碰撞，稜角消失，變成了表面光滑的卵石。
5、綜合各種因素，分析卵石是怎樣形成的？（風化和侵蝕作用使岩石分解，滾落到河道中的岩石在河水的搬運過程中，受到水的沖刷和石頭間的相互摩擦、碰撞，稜角消失，變成了表面光滑的卵石。）
4. 人類活動對地表的影響
教學目標
1．認識到開鑿運河、修建梯田、水庫是人類的偉大創舉；了解它們之所以產生的歷史文化背景，以及地表在人類這些活動的影響下不斷發生改變所帶來的積極的和消極的影響。
2．嘗試辯證地、綜合地分析問題，考慮對同一現象做不同的解釋。
3．認識到人類對地表形態的影響，既有有利的一面，也有消極的一面，或者從當前看有利，從長遠看則不利。人類必須認識自然規律，並按自然規律辦事，使地表形態向著有利於人類生產和生活的方向改變。
內容設計
在漫長的地質歷史中，從人類出現至今僅短短的二、三百萬年，但人類已經大大改變了地表的形態。如我國廣大的平原地區，地表已大多被人工改造成農田、道路、房屋等。隨著人類社會的進步和生產力水平的提高，人類對地表形態的影響也越來越廣泛而深刻。
本課由3個活動構成：1、了解開鑿運河對地表的影響。2、認識修建梯田和水庫對地表的影響。3、城市化對地表的影響。運河、梯田、水庫、城市建築都屬於大型工程，對地表形態的改變是最直接的，也是顯而易見的。其實還有一些人類活動對地表形態有較大的影響，例如開采礦產、填海造路、綠化沙漠等，只是這些離學生的生活比較遙遠，所以沒有在教材里表現。教師可以根據本地區人們生產和生活的特點增加此類相應的學習內容。
通過以上三個活動，希望學生能夠認識到，人類對地表形態的影響，既有有利的一面，也有消極的一面，或者從當前看有利，從長遠看則不利。如我國黃河流域，由於人類活動破壞了植被，水土流失嚴重，黃土高原被侵蝕得千溝萬壑。因此，人類必須認識自然規律，並按自然規律辦事，使地表形態向著有利於人類生產和生活的方向改變。
教學准備
活動1：有關運河的歷史資料
活動2：有關梯田、水庫的歷史資料
活動3：所在城市變遷的歷史資料
活動1. 了解開鑿運河對地表的影響
內容說明
京杭大運河，是中國古代一項偉大的水利工程，也是世界上開鑿最早，里程最長的大運河。它南起浙江杭州，北至北京通縣北關，全長1794公里，貫通六省市，流經錢塘江、長江、淮河、黃河、海河五大水系。一千多年來,一直是我國南北交通的大動脈,促進了商業、文化、服務等各行各業的興旺發達。
蘇伊士運河(Suez Canal)位於埃及境內，扼歐、亞、非三洲交通要道，從1859年開鑿到1869年峻工，全長175公里。它溝通了紅海與地中海，使大西洋、地中海與印度洋聯結起來，大大縮短了東西方航程。與繞道非洲好望角相比，從歐洲大西洋沿岸各國到印度洋縮短5500—8009公里；從地中海各國到印度洋縮短8000—10000公里；對黑海沿岸來說，則縮短了12000公里，它是一條在國際航運中具有重要戰略意義的水道。
教材選取這兩條中外最著名的運河，考慮到它們最有代表性，查找資料也相對容易一些。希望學生了解運河產生的歷史文化背景，了解它在改變地表形態方面所表現出來的積極意義。
教學建議
1、搜集資料：師生課前查找有關運河的圖文資料。
分析研討：開挖運河對地表造成怎樣的影響？
開挖運河對地表的影響主要有：改變地貌；改變地表水流的分布
教師注意維持課堂討論沿著「對地表造成怎樣的影響」這條主線進行，切忌話題的偏離和雜亂無章。適當的時候藉助學生發言中所涉及到的人文、歷史方面的信息資料，過渡到下一教學環節。
3、認識運河的歷史、文化、政治和經濟意義。
學生根據自查資料講述、交流，教師適當梳理和補充。
活動2. 認識修梯田和水庫對地表的影響
內容說明
教材分三個層次展開：1、首先展現的是修建梯田和水庫對人類的積極意義：使人類得到更多的糧食和充足的水源。2、進而引導學生思考：修建梯田和水庫使地表發生了怎樣的變化？如修建梯田：首先從外觀上，山上原生植物被採伐，人們將山坡改造成梯狀。再進一步分析，缺少植物的防風固沙作用，容易造成水土流失。因此，現在不少地方都在「退耕還林」。修建水庫更
⑻ 氣候變化的地溫研究方法
早在1923年，美國地質學家（Lane E C）提出地表溫度變化的信息向地下傳播以瞬態變化的形式疊加在穩定的地溫場上。1934年Hotchkiss W O和Ingersoll L R第一次利用鑽孔溫度測井數據計算了地表溫度。隨著全球變化日益突出，1990年美國地球物理學會（AGU）秋季年會專門組織「從鑽孔溫度推斷氣候變化」的專題討論會；1991年國際大地測量及地球物理聯合會（IUGG）20屆大會上也專門組織了討論會。國際熱流委員會組建了全球變化工作委員會，推動其發展。
長周期的地表溫度變化通過岩石的熱傳導，傳入地下一定深度，成為地表氣溫變化的信息儲存庫。所以，鑽孔地溫測井資料是研究地表溫度變化歷史的理論基礎。
如果不考慮地表溫度變化，則在時間t=t0時，原始地溫隨深度變化為一條直線，並有相應的地表溫度t0（見圖7.1.1），而地溫梯度為一常數g0。由於地表氣溫變化，假定氣溫升高，由t0變為t1並一直延續至今即t=t1。則在地表層不太深的范圍內，原始地溫疊加有地表氣溫，總的溫度變化成曲線，如圖7.1.1中虛線所示，並可顯示出相應的地溫梯度。根據這樣的原理，現今根據鑽孔地溫測量，獲得地下不同深度處的地溫和地溫梯度等相關數據，根據熱傳導微分方程，即可求出該處在t0到t1時間，地表氣溫上升幅度（即Δt=t1-t0）。
為計算方便，假定地層為無限大水平層狀均勻介質，其導熱率為k（z）；岩石單位體積熱容量為ρc（z）；岩石放射性生熱率為φ（z）。則有地表溫度影響的地下任意深度（z）任一時刻（t）的溫度為濃度和時間的函數t（z，t），可以認為是地溫穩態溫度T地（z）和地表氣溫瞬態變化疊加的函數T表（z，t）兩部分組成，即
環境地球物理學概論
式（7.1.1）即為式（2.7.11）熱傳導微分方程的一個形式。
如果z=0處，T地（0）=t0；由式（2.7.1）地熱流密度表達式中，當z→∞時，-k（z）=qb 為背景大地熱流密度。則式（7.1.1）和式（2.7.13）相似，變為泊松方程
圖7.1.1 地溫變化示意圖
環境地球物理學概論
表示該溫度為穩態場。即為地熱背景溫度場。
式（7.1.1）中T表（z，t）為熱傳導的傅里葉微分方程：
環境地球物理學概論
邊界條件為
環境地球物理學概論
初始條件為：T表（z，0）=0，式中TS（t）為地表溫度的瞬態分量。
總的地表氣溫隨時間變化為
環境地球物理學概論
也就是在鑽孔測量資料中去除穩態的大地熱流密度，餘下的為瞬態地表氣溫變化溫度。
圖7.1.2（a）是上海氣象台1880～1980年平均氣溫記錄，可以看出有逐年升高趨勢。圖7.1.2（b）是根據氣象模型計算的地表層溫度隨深度變化曲線，可以清楚看出地表層一定深度范圍內有溫度變化。理論計算表明，深度500 m左右的地溫變化能反映近100 a以來的氣溫變化。
全球變化研究表明，在過去1個世紀中氣溫大約增高0.6℃。表明溫室氣體使全球變暖。許多研究在全球不同地區，得到基本相同數量級的結論。大致在0.3～0.8℃范圍，美國Lachenbruch等人，在阿拉斯加北部對大量鑽孔溫度數據進行研究，結論是該地區過去近100 a來氣溫增高2～4℃；捷克地球物理研究所所長（Cermak）博士研究古巴30多個鑽孔測溫資料，指出過去200～300 a間氣溫增高2～3℃，加拿大魁北克大學教授Mareschal等研究加拿大中東部大量鑽孔測溫資料報道該區過去100～200 a氣溫增高1～2℃，此外還報道有加拿大北部極地百年變化（3℃/100 a）；美國西部（0.6℃/100 a）；中北部（0.5～2℃/100 a）；南美［2～3℃/（50～150）a］。
圖7.1.2 氣溫及地表層溫度變化
利用四川攀西地區兩個鑽孔（ZK106，ZK202）測溫資料進行反演計算得出該地區古氣溫變化，與上海氣象台記錄的氣溫對比，如圖7.1.3所示。因鑽孔上部有裂隙水活動，有的數據難以使用（只能剔除）。兩個相距200 km的鑽孔測溫數據表明，該地區在1600～1920年期間地表氣溫升高1℃，而且這一結果與上海氣象台的實際紀錄（圖中細線）相一致。圖7.1.3中內鑲圖為上海台記錄與鑽孔資料反演結果對比的放大圖。
圖7.1.3 四川攀西地區氣溫變化
理論計算表明，地表氣溫變化影響地下溫度變化，大約每10 a向下深入30～40 m，每百年深入100～150 m。利用地溫變化反演古氣溫變化可達幾個世紀。
有些地區的地溫資料研究結果的結論是氣溫降低。經研究在加拿大地區氣溫增高起始時間大約是1890年，而在500 a前曾經歷過氣溫下降的變冷時期，這與同位素δ18O研究結果相一致。
由地溫變化推斷氣溫變化是一項難度很大的工作，干擾因素也比較多，需要仔細的研究資料。