① 地球內部結構和組成的研究方法
1.地球物理方法
地球物理方法主要是應用深部地球物理探測的多種方法（如地震、重力、大地電磁等），從地球各個圈層的物理性質的角度，獲得地球的物理模型，再應用其他研究結果，將地球物理模型轉化為岩石學模型或者化學成分模型。
2.大洋鑽探和大陸超深鑽
這是人類能夠藉助技術方法直接觸及地球深部獲得實際地質樣品的唯一方法，最早的深部鑽探是在大洋中實現的。20世紀60年代開始的深海鑽探計劃（DSDP,1968～1983年）和後續的國際大洋鑽探計劃（ODP,1985～2003年）直接揭示了大洋岩石圈的性質，驗證了海底擴張和板塊構造學說，使全球板塊構造學說成為20世紀的重大科學成就之一。對於地質構造更為復雜的大陸，更加需要鑽探方法來直接驗證，如20世紀90年代開始實施的國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）。大陸科學鑽探可以分為淺鑽（<2000m）、中深鑽（2000～5000m）、深鑽（5000～8000m）和超深鑽（>8000m），前蘇聯科拉超深鑽井深為12261m，德國KTB超深鑽為9101m，我國江蘇東海的科學鑽探終孔深度為5158m。由於技術的限制，大陸科學鑽探的難度很大。
3.岩石包體
來自於深部的岩漿攜帶的不同尺度的深源包體，在岩漿噴發到地表或者侵入到地殼的淺部，最後被人們觀察和取樣，這是來自於地球深部的物質實體。深源包體包括來自於深部地殼的（如下地殼麻粒岩相、中地殼角閃岩相以及各種片麻岩類等地殼層次的岩石）、上地幔的（尖晶石相、石榴子石相等）各種橄欖岩包體，這些是揭示深部岩石圈的結構和組成的最好證據。
4.岩漿作用反演
基於已有的實驗岩石學和岩石成因的理論，通過地表采樣的岩石系統的岩石學和地球化學研究，可以推測該岩石從下地殼或者上地幔的深部原岩經過部分熔融產生岩漿，岩漿進一步形成和演化的整個過程。岩漿作用反演可以幫助推測地球內部不同圈層的性質。
5.高溫高壓實驗
選擇天然的或者人工合成的樣品，模擬地球內部高溫高壓或者加入流體等條件，在實驗室進行岩石的熔融或者結晶實驗，測定岩石在高溫高壓條件下的各種物理性質（彈性波速度、電導率、密度等）。這是開展岩石成因研究的重要手段，也是將地球物理獲得的地球內部的物理模型轉化為岩石學和地球化學等物質模型的橋梁。
② 地球科學的研究對象和研究內容
人類生活在地球上，衣食住行等一切活動都離不開地球。如人們要靠山川大地獲取生活資料以維持生命，要從地球中開采礦物資源製造生產和生活工具，要了解地球上的自然地理和氣候條件以便發展生產，要與地球上發生的各種自然災害作斗爭。因而，人類在長期的實踐中逐步加深了對地球的認識，並且逐漸形成了一門以地球為研究對象的科學——地球科學（geoscience）。
地球科學簡稱地學，是數學、物理學、化學、天文學、地學、生物學六大基礎自然科學之一。地球科學以地球為研究對象（圖0-1），包括環繞地球周圍的氣體（大氣圈）、地球表面的水體（水圈）、地球表面形態和固體地球本身。至於地球表面的生物體（生物圈），由於其研究內容廣、分支學科較多、研究方法具有特殊性，因而已獨立成一門專門的基礎自然科學——生物學。但生物的起源與演化、生物體與生存的地球環境之間的關系也屬於地球科學的研究范疇。
圖0-1 地球系統（包括各圈層子系統）及其宇宙環境
作為地球科學研究對象的地球，實際上由多個性質不同的圈層組成；從地心到大氣層的最外側，可分為地核（包括內核、過渡層和外核）、地幔（包括下地幔和上地幔）、地殼（或岩石圈）、水圈、生物圈（包括人類圈）和大氣圈等，它們共同組成一個相互依存、相互作用的統一系統，稱為地球系統；地球系統的各個圈層屬於其子系統，子系統還可進一步分為不同的級次。整個地球系統處於不斷地運動、變化過程之中。地球空間以外的地月系、太陽系、銀河系等構成了地球系統的宇宙環境。現代地球科學為了更深入地認識地球系統的運動、變化特徵與規律，已將其研究對象擴展到了地球系統的宇宙環境（圖0-1）。
地球科學是一門理論性和應用性都很強的科學。它不僅承擔著揭示自然界奧秘與規律的科學使命，同時也為生活在地球上的人類如何利用、適應和改造自然提供科學的方法論。隨著生產和科學技術的發展，地球科學的研究內容和領域也在不斷地深入和擴展，逐漸形成了日臻完善的由多學科組成的綜合性學科體系。地球科學目前主要包括地質學、地球物理學、地球化學、地理學、氣象學（或稱大氣科學）、水文學、海洋學、土壤學、環境地學、地球系統科學等學科。其中，地質學由於其研究領域廣博、分支學科較多，並且以研究地球的本質特徵為目的，因而成為地球科學的主要組成部分，以至於人們有時把地質學和地球科學作為同義語使用，其實兩者的含義是有差別的，它們具有包容關系。隨著科學的發展，地球科學還會不斷地誕生新的學科和出現一些邊緣學科。
地理學（geography）主要研究地球表面的各種地形、地理環境及其結構、分布和演變規律，並涉及自然和社會兩個領域之間的相互關系。地理學一般可分為自然地理學和人文地理學兩大組成部分。自然地理學是研究自然地形、地理環境的結構及發生、發展規律的學科，主要包括普通自然地理學、區域自然地理學、地誌學等。人文地理學是研究人和社會與自然地形、地理之間的相互關系的學科，主要包括政治地理學、社會地理學、人口與聚落地理學、經濟地理學、歷史地理學等。
氣象學（meteorology）以地球周圍的大氣圈為研究對象，主要研究大氣的物質組成、各種物理性質、物理現象及其變化規律。其研究內容很廣泛，包括許多分支學科和應用學科；其目的在於揭示大氣中的各種物理現象和物理過程的發生、發展本質，從而掌握並應用它為人類生活和國家經濟建設服務。氣象學的主要分支學科有大氣物理學、天氣學、氣候學、高空氣象學、動力氣象學等；主要的應用學科有衛星氣象學、無線電氣象學、航空氣象學、海洋氣象學、農業氣象學、林業氣象學等。
水文學（hydrology）和海洋學（oceanography）以地球表面分布的水體為研究對象。水文學主要研究地球上江河、湖沼、冰川、地下水以及海洋等各種水體的數量、質量、運動變化與分布規律，以及它們與地理環境、生態系統和人類社會之間的相互影響與相互聯系。海洋學是以海洋作為一個獨立體進行研究的，它實際上是從地球科學的其他幾個分支學科中獨立出來的，這是由於海洋在現代地球科學、人類生存環境和未來社會發展中的地位越來越重要的緣故。海洋學是研究海洋中發生的各種現象和規律及其相互關系的各門學科的總稱，根據研究內容不同可分為物理海洋學、海洋水文學、海洋化學、海洋生物學、海洋氣象學和海洋地質學等。
土壤學（soil science）以地球表面發育的土壤層為研究對象。主要研究土壤的物質組成、結構、類型、分布和形成發展過程。根據具體研究內容和應用領域的不同，土壤學也有一些分支學科，如土壤生物學、土壤地理學、土壤氣候學、土壤物理學、土壤化學、土壤地質學等。
地球物理學（geophysics）是應用物理學的方法研究地球的一門學科，是近代發展起來的地球科學與物理學相結合的一門重要邊緣學科。廣義的地球物理學的研究對象包括固體地球及其表部的水體和周圍的大氣圈。但由於水體和大氣圈的研究都已建立起相應的獨立學科，所以一般所稱的地球物理學是狹義的，其主要研究對象是固體地球，因而也可稱之為固體地球物理學。地球物理學重點研究固體地球的各種物理性質、物理現象及其發生與發展過程、地球的內部構造與組成、地球的起源與演化等。其主要分支學科有地震學、地磁學、重力學、地熱學、地電學、大地測量學、大地構造物理學和應用地球物理學等。其中，應用地球物理學主要是研究地球物理勘探方法及其在地球資源的勘探與開發、地球環境的監測與保護等方面的應用。
地球化學（geochemistry）是應用化學的方法研究地球的一門學科，也是近代發展起來的地球科學與化學相結合的一門邊緣學科。地球化學主要是研究地球及其子系統（含部分宇宙體）的化學組成、化學作用和化學演化的科學。其主要分支學科有元素地球化學、同位素地球化學、岩石地球化學、礦床地球化學、區域地球化學、海洋地球化學、生物地球化學、環境地球化學、宇宙化學、地球化學熱力學等。
地質學（geology）研究的主體對象也是固體地球，當前主要是研究固體地球的表層——地殼或岩石圈。地殼或岩石圈的厚度一般為幾十千米到300 km左右，與地球的半徑（平均約6371 km）相比只是一個很薄的表殼。這一薄殼之所以成為地質學當前研究的主要對象，一方面是出於實際需要，因為這一層與人類的生活、生產及生存直接相關；另一方面是受現時人類能力的限制。人們可以直接觀測和研究地球表層，但現階段人類尚無能力對地下深處進行直接研究。鑽井取樣是目前人們獲取地球較深部物質進行直接研究的唯一途徑，但由於受當前技術水平的限制，鑽井所能達到的深度是有限的。目前世界上最深的鑽井（12.5 km）位於俄羅斯西北部的科拉半島，這一深度尚不足該區大陸地殼厚度的1/2。可以相信，隨著科學技術的發展，地質學研究的對象將不斷向地球的深部（如地幔、地核）擴展。
地質學的研究內容主要包括固體地球（重點是地殼或岩石圈）的物質組成、內部構造和形成演化歷史。按其研究內容和任務的不同，地質學的主要分支學科可簡單列舉如下：
1）研究地球的物質組成方面的學科，如結晶學、礦物學、岩石學等；
2）研究地球的內部構造方面的學科，如構造地質學、構造物理學、區域構造學、地球動力學等；
3）研究地球的形成演化方面的學科，如古生物學、地層學、地史學、古地理學、地貌學及第四紀地質學等；
4）研究地質學的應用方面的學科，可分為兩個方面：其一是研究地下資源方面的分科，如礦床學、石油地質學、煤田地質學、水文地質學等；其二是研究地質與人類生活環境及災害防護方面的分科，如工程地質學、環境地質學、地震地質學等。
此外，人們為了更好地研究上述地質學的各個方面，不斷地吸收和借鑒其他一些學科的先進理論、方法和技術，用以促進和深化地質學的各項研究，於是逐漸形成了一系列的邊緣學科，如數學地質、同位素地質學、天文地質學、遙感地質學及實驗地質學等，這些邊緣學科在現代地質學各領域的研究中發揮著極其重要的作用。
環境地學（environmental geoscience）是地球科學和環境科學相結合形成的一門邊緣性學科。主要緣於20世紀中葉以來，由於世界各國工業、農業、軍事、航天、交通等產業的飛速發展，給地球的自然環境帶來了巨大的影響，這種影響有些是直接的（如污染問題）、有些是間接的（如氣候變化），已經嚴重地影響到地球的自然生態和人類的生存與發展，因而受到全人類的廣泛關注。環境地學主要研究地球自然環境的組成、結構、形成、演變以及環境的破壞、污染、防止、保護、改良與評價等。根據地球科學中各學科所研究的側重點不同，又可分為環境地質學、環境地理學、環境氣象學、環境水文學、環境海洋學、環境土壤學等。
地球系統科學（earth system science）主要是地球科學在20世紀後期以來逐漸興起和發展的一門綜合性邊緣分支學科。地球系統科學把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、地殼（或岩石圈）、土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈（包括人類社會）等所組成的統一系統；重點研究地球各組成部分（即子系統）之間的相互作用、宇宙環境對地球系統的作用與地球系統的動力學過程，地球系統不同時空尺度的演化與全球變化等；其目的是了解整個地球系統的過去、現在及未來的行為，服務於人類社會的可持續發展（圖0-1）。
地球系統科學強調用系統論的觀點來考慮問題，用系統的方法來描述問題、解析問題，最後作出科學的預測。一些學者進一步將地球系統科學的這種系統方法論詮釋為整體觀（各子系統的統一性與相關性）、全球觀（全球尺度）、動態演化觀、復雜性觀、相互作用觀（子系統之間的相互作用）、行星地球-宇宙觀（宇宙環境的影響）、學科交叉與綜合觀等。雖然地球系統科學的某些領域的研究已取得了許多重要進展（如地球系統的動力學、全球變化科學、數字地球學等），但我們必須認識到其目前尚處於創立與發展過程中，有關地球系統科學研究的方法論、研究領域與研究內容、分支學科等都尚未形成完整的體系，仍處在探索與發展之中。
③ 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。
④ 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。
⑤ 地球科學的主要研究方法有哪些
系統方法
在地理學中的廣泛應用是從20世紀50年代開始的。由於系統論的出現而產生了地理系統概念。地理學位於自然科學和社會科學的交接點上，由許多相對獨立而又相互聯系的一些分支學科所組成，因此綜合研究地理系統顯得尤其重要。系統方法為這種研究提供了重要手段。
模擬方法
種類很多，地理學多應用數學和物理模擬。它的意義在於條理化、簡化、概括所研究的事物和過程，以深入探明其本質和活動規律。目前在地理學中已建立了很多模型，如自然綜合體、生產綜合體、城市、土地利用、人口分布、運輸流等。但也不是所有的事物和過程都能用模型加以確切的表示，甚至有時建立模型時的簡化會歪曲事物和過程的本來面目，故在建立模型時應加以注意。
數學方法
第二次世界大戰以後開始引進地理學研究。龐大復雜的研究對象和簡單的研究方法及手段成為地理學發展緩慢的一個重要原因。引用數學、物理等學科的精確方法和新技術成為地理學界的願望和長期努力的目標。數學方法可使地理學變得比較嚴謹、精確和完善。數學嚴密的公理體系、數學思維和數學結構，對於地理學具有理論和實踐意義。地理學利用它們來解釋地理現象及其變化，用定量指標來表達地理結構，提高了地理學研究的嚴謹性、系統性和精確度，並由此產生了地理數量方法。電子計算機的應用使大量的地理信息能及時、准確地得到處理。利用電子計算機整理資料，要求地理資料規范化、數值化，但目前地理學的數字資料還不夠充分、精確度不高。因此，採用數學方法並不意味著可以輕視傳統方法，兩者是互為補充、相輔相成的。
遙感方法
1961年蘇聯人造地球衛星拍攝了地球表面像片。現在衛星圖像已經成為地理學研究的一個很普及的工具。遙感方法從根本上改變了過去的地理考察方法和憑借人力的簡單觀察，在廣度和深度上擴大了視野，獲得的地理信息數量大大增加。