⑴ 地面沉降调查与监测技术方法
一、内容概述
从20世纪60年代开始，上海开始系统地开展地面沉降调查及监测工作，采用的技术方法主要包括钻探、水准测量、基岩标分层标测量、地下水位动态监测等。
目前，上海地面沉降监测的技术方法有：地下水动态监测，一、二等水准测量，基岩标、分层标测量，GPS测量，InSAR测量，自动化监测系统等。
1.地下水动态监测
全市有地下水监测井450口，分别监控潜水和6个不同深度承压含水层地下水位（水质和水温）的变化规律（图1）。
图1 地下水位监测井及监测数据
2.一、二等水准测量
水准测量是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程（图2）。
技术特点：精密水准测量的优点是水准点埋设费用低、水准网布设灵活，能够较迅速地获取较小区域（甚至是人口密集区）的沉降信息；其不足是勘察区域面积较大时，观测周期长，投入人力资源大，人力成本较高，实时性较差。
技术指标：一、二等水准测量按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）执行。
3.基岩标、分层标测量
基岩标和分层标测量是进行地面沉降监测的重要技术手段，是地面沉降分析研究和制定相应措施的基础。
基岩标是埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可以作为地面沉降测量的高程控制点。基岩标作为高程控制测量的基准，可减少传递误差，提高测量精度。分层标是根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中的特殊观测点，是世界上公认的测量松散土层变形量的措施，广泛应用于松散土层的精确变形测量（图3）。技术特点：基岩标的优点是精度最高，能提供所有地面沉降监测研究工作的基准点；其不足主要是建设费用高（一般需要上百万元，甚至几百万元），建设工序较多，质量要求较高，场地落实困难。为此，应根据地面沉降监测的实际需要，基岩标的规划与建设需要详细论证。
图2 水准测量外业现场
图3 上海南浦大桥分层标组
分层标主要用于监测从地面至地下垂向上不同深度、不同土层的压缩变形，变形量记录比较全面、完整，一般与基岩标配合使用，以基岩标、分层标组形式配对规划。其优点是可监测某一特定区域如沉降漏斗或某一点的垂向上不同深度的变形，获得立体空间上的变形量，若配以地面沉降自动化监测系统，将可以获得实时、连续土层的变形量；其主要不足是建设费用高。
技术指标：基岩标作为地面沉降监测基准，精度级别是最高的。
分层标测量分为人工测量、自动化测量两种。根据《地面沉降水准测量规范》，人工测量的精度一般为0.3mm。
4.GPS测量
GPS测量是利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在远离变形区的适当位置，选择或建立一个基准站，在变形区内设置若干个监测点，在基准站和监测点上分别安置GPS接收机，进行连续观测，并将观测数据进行分析和处理（图4）。
图4 GPS 基准站
技术特点：观测时间短，人工作业劳动强度低，观测作业简便，测站间无须通视，布点灵活，可以在任何时间、地点和天气状况下进行全天候连续监测，定位精度高，较高的作业自动化水平等。
技术指标：按照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）中B级网要求，按平均15km边长推算，高差的误差为34mm，实际结果为大地高程变化量精度在5mm左右。
5.InSAR测量
雷达干涉测量技术（InSAR）将合成孔径雷达（SAR）成像原理和干涉测量技术相结合，利用雷达回波信号所携带的相位信息精确测量地表某一点的高程信息及其微小变化。其原理是通过两副天线同时观测（单轨道双天线模式）或两次重复观测（单天线重复轨道模式）来获得同一区域的重复观测数据，即单视复数影像对，这是InSAR进行高程提取或形变监测的数据源。
技术特点：InSAR技术具备可以同时获取点、线、面的沉降量，投入人力资源少等特点，已经显示出用于地面沉降研究的广阔前景和巨大潜力。其不足之处也很明显，主要是目前InSAR技术不是很成熟，尚处研究阶段，距大范围的推广应用还有一段时间。
技术指标：上海地区InSAR监测试验结果表明，InSAR技术在垂向的精度可以达到±3.7mm，目前仍正在进行试验研究中。
6.自动化监测系统
在分层标、水位孔上安装自动化设备，实现分层标土体变形、水位变化自动观测、记录、传输、数据库录入等功能，进一步提高了分层标、水位测量自动化程度（图5，图6）。
图5 地面沉降自动化监测设施原理图
图6 地面沉降监测数据采集、传输系统示意图
技术特点：地面沉降自动化监测系统的优点是精度高、连续、实时、自动记录、自动传输、无人值守且可以任意设置数据采集时间、同时监测不同土层的沉降，有利于从变形量中分离出每个土层的变形量，计算不同土层对总沉降量的贡献，有利于研究地面沉降的原因、机理和机制。地面沉降自动化监测系统主要不足为一次性建设费用较高，因此比较适合选定有代表性的典型区域如沉降漏斗中心、漏斗边缘等。因其高昂的建设费用，目前主要还是用于点状对象的监测上。
技术指标：分层标自动化监测精度平均绝对误差应不大于1mm；地下水位监测精度应为± 0.01m。
二、应用范围及应用实例
（一）应用范围
成果广泛应用于地面沉降监测。
（二）应用实例
1.一、二等水准测量
按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）、《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）的要求，上海地质调查研究院在全市范围内布设了一、二等高程控制网。基于基岩标，从一座基岩标至另外一座基岩标，组成大型高程控制网。
按照覆盖的区域和复测频率，高程控制网分为郊区高程控制网、中心城区（外环线以内区域）高程控制网。郊区高程控制网覆盖了包括崇明岛、横沙岛、长兴岛在内的整个上海区域，复测频率为每5年复测一次，用于全市高程控制数据的更新与发布，在图中绘制了一等水准路线图。二、三等覆盖整个郊区，目前缺少线路走向资料；中心城区（外环线以内区域）高程控制网分布在中心城区，复测频率为每1年复测一次，覆盖范围约1000km2，用于地面沉降分析和研究；两套高程控制网均以基岩标为结点，实现郊区高程控制网、中心城区高程控制网有机的统一和衔接。
2.基岩标、分层标
自开展地面沉降研究以来，高程控制网的基准点问题一直是关键性课题，有效的解决方案就是选择稳定的基岩建立基岩标。上海地质调查研究院长期从事这项工作，特别是经历了“九五”、“十五”、“十一五”等市政府重大课题大规模网点建设项目的实践检验，获得了丰富的施工和管理经验，形成了一套严密的作业流程，熟练地掌握了基岩标施工工艺，取得了基岩标实施工艺专利（专利号：ZL 012394556，证书号：第478596号）。上海地区目前已建设完成了比较完备的地面沉降监测网络，特别是“十一五”地面沉降防治工程开展以来，全市已累计建设了35座地面沉降监测站（16座实现了自动化监测），监测在基岩面以上不同深度土层的变形规律（图7至图9）。
图7 上海世博会会址地面沉降监测站
图8 地面沉降监测站自动化监测设施
3.GPS测量
2001年1月～2010年12月，上海市地质调查研究院共组织GPS一级网监测13次。其中2001年1月～2002年7月时段长为3h或6h，自2002年11月起，时段长由12h逐渐改为24h，并进一步优化了观测方案和数据处理方案，GPS监测地面沉降的精度、可靠性逐渐提高。
4.InSAR测量
图10显示了上海地区InSAR测量得到的2003年至2007年地面沉降速率图。
图9 地面沉降标组数据曲线
图10 上海幅工作区2003～2007年地面沉降D-InSAR监测速率图
三、推广转化方式
地面沉降监测技术的研究、发展、成熟和完善，为专利申报、规程、规范编制出台提供了有力的技术支撑，也为带动长三角地区乃至华北平原、西北汾渭盆地等区域地面沉降监测与防治发挥了引领和示范作用。
通过多年来对基岩标标型设计、施工便利程度、成本、适宜性、可靠性、稳定性等指标的研究，形成了一套成熟的基岩标施工工艺，并申请了专利（ZL J 2 39455.6，证书号：第478596号）。
编制的规程、规范有《地面沉降监测与防治技术规程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沉降监测技术规范》（中国地质调查局）、《地面沉降测量规范》（国土资源部），为进一步规范全国地面沉降监测和防治工作做出了积极贡献。
技术依托单位：上海地质调查研究院
联系人：方正
通讯地址：上海市灵石路930号
邮政编码：200072
联系电话：021-56065720
电子邮件：[email protected]
地球物理勘探方法，主要有电法，磁法，重力法，地震法等勘探方法。其中电法勘探利用的是各种岩石矿体的电磁学性质（ 如导电性、导磁性、介电性）和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。磁法勘探主要是通过判断岩石和其它地质体的磁性异常来研究地质结构和地质资源。重力法是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。地震法是根据地震波在各种介质中的传播速率不同，通过观测人工或自然地震波在地壳中的传播速率来研究地壳中的结构、组成等。总之，地球物理方法几乎所有方法都有个关键字－－异！
⑶ 地球科学的研究方法
由于地球科学以庞大的地球作为研究对象，并具有很强的实践性和应用性，所以它的研究方法与其他自然科学有较大的差异。它既要借助于数学、物理、化学、生物学及天文学的一些研究方法，同时又有自己的特殊性。
地球科学的研究方法与其研究对象的特点有关，地球作为其研究对象主要有以下特点：
（1）空间的广泛性与微观性
地球是一个庞大的物体，其周长超过4×104 km，表面积超过5×108 km2。因此，无论是研究大气圈、水圈、生物圈以及固体地球，其空间都是十分广大的。这样一个巨大的空间及物体本身由不同尺度或规模的空间和物质体所组成。因此，要研究庞大的地球，就必须研究不同尺度或规模的空间及其物质体，特别是要注重研究微观的空间和物质特征，如不同学科都要研究其相应对象的化学成分、化学元素的特性等。地质学要研究矿物晶体结构，水文学和海洋学要研究水质点的运动等，气象学要研究气体分子的活动等。而且，整个地球系统是一个开放的动力系统，其与宇宙环境（地-月系、太阳系及银河系等）之间总是不断地进行着物质、能量的交换；地球系统中各种自然现象、作用过程的发生、发展和演化与其所处的宇宙环境是分不开的。因此，现代地球科学已开始充分重视宇宙环境对地球系统的影响研究；也就是说研究的空间范围还要超越地球系统，涉及更加宏观的宇宙环境（图0-1）。只有把不同尺度的研究结合起来，把宏观和微观结合起来，才能获得正确的和规律性的认识。
（2）整体性（或系统性）与分异性（或差异性、多元性）
整个地球是一个有机的整体，是由不同层次的、具有紧密联系的子系统组成的统一系统；不仅在空间上地球的内部圈层、外部圈层都表现为连续的整体性，而且地球的各内部圈层之间、内部与外部圈层之间、各外部圈层之间也都是相互作用、相互影响、相互渗透的，某一个圈层或某一个部分的运动与变化，都会不同程度地影响其他部分甚至其他圈层的变化，这也充分表现了它们的有机整体性。然而，地球也是一个非均质体，它的不同的组成部分（或子系统）无论在物质状态还是运动和演变特点上都具有一定的差异，表现出分异性或多元性。例如，不同地区的地理环境、气候环境具有明显的差异，不同地区的水文条件也具有明显差异。固体地球特别是地壳的不同地区或不同组成部分的差异性更为显着，如大陆、海洋、山系、平原等。这种差异性不仅表现在空间和物质组成上，也表现在它们的运动、变化与形成、发展上。
（3）时间的漫长性与瞬间性
据科学测算，目前可追溯的地球年龄长达46亿年。在这漫长的时间里，地球上曾发生过许多重要的自然事件，诸如海陆变迁、山脉形成、生物进化等。这些事件的发生过程多数是极其缓慢的，往往要经过数百万年甚至数千万年才能完成。短暂的人生很难目睹这些事件发生的全过程，而只能观察到事件完成后留下来的结果以及正在发生的事件的某一阶段的情况。但是，有些事件的发生可以在很短的时间内完成。例如，天气现象往往表现为几天、几小时甚至更短的时间，地震、火山爆发等也都发生在极短的时间内。
（4）自然过程的复杂性与有序性
地球演化至今经历了复杂的过程。其中既有物理变化，也有化学变化；既有地表常温、常压状态下的作用过程，也有地下深处高温、高压状态下的作用过程。此外，各种自然过程还会受地区性条件的影响而具有地区的差异性。所以，自然过程是极其复杂的，而且这种过程由于其漫长性和不可逆性，依靠人类的力量很难完全重塑和再现其过程，因而更增添了地球科学研究工作的艰巨性。但是，这些复杂的自然过程并不是杂乱无章的，它们都具有其发生、发展的条件和过程，都具有一定的规律可循，这也正是地球科学工作者的重要研究任务。
研究对象的特点决定了地球科学具有一些独特的研究方法，并且随着科学技术的发展和进步，地球科学的研究方法也会得到不断的补充和推进。现择要简述研究方法如下：
（1）野外调查
空间的广泛性决定了地球科学工作者首先必须到野外去观察自然界，把自然界当做天然的实验室进行研究，而不可能把庞大而复杂的大自然搬到室内来进行研究。野外调查是地球科学工作最基本和最重要的环节，它能获取所研究对象的第一手资料。例如野外地质调查、水系与水文状态调查、自然地理调查、土壤调查、资源与环境调查等。只有有针对性地到现场去认真、细致地收集原始资料，才能为正确地解决地球科学问题提供可能。
（2）仪器观测
仪器观测是地球科学用来获取研究对象的定性和定量资料的重要手段，通过仪器观测可以了解到研究对象的各种物理、化学性质，参量的静态特征和动态变化，为科学的分析、推理提供依据。仪器观测为地球的研究步入科学的轨道提供了条件，例如，16～17世纪气温、气压、湿度等气象仪器的发明与创造，使气象学逐渐发展成为一门完善的学科。现代高精度的常规与高空气象仪器观测仍然是气象学的重要研究基础。同样，仪器观测在水文学、海洋学研究中也占有特殊重要的位置。仪器观测对于现代地球物理学、地质学的地球内部研究，对于土壤学的研究特别是对于环境地学中的各种监测与评价，都具有极其重要的作用。在现场进行的仪器观测也属于第一手资料，除了科学工作者根据不同的研究目的在现场进行各种观测外，人们还常常设立各种定点观测台站，如气象站、水文站、地震台站、环境监测站等，并通过大量的台站建立观测网，以便获得系统的观测资料。
（3）大地测量
这是地球科学中既古老而又发展迅速的一种重要研究方法，它对推动地球科学的发展起了重要作用。早在古埃及和古中国的时代，人们就借助于步测及其他一些简单的测量工具，进行土地规划、地形与地理制图、水利与工程建设等。到了近代，随着测量仪器的进步，逐渐发展成为传统的大地水准测量和大地三角测量。20世纪中叶发展起来的海洋测深技术（声呐）对于海洋学的发展和地质学的革命曾起了决定性的作用。近些年发展起来的激光测距、全球定位系统（GPS）又给地球科学带来了深刻影响。大地测量的方法对于地理学、地质学、海洋学、水文学及土壤学等的研究十分重要。
（4）航空、航天和遥感技术
现代航空、航天和遥感技术极大地推动了地球科学的发展，成为现代地球科学不可缺少或不可忽视的重要研究方法。由于地球的空间广大，要在短时间内获取大区域的资料，特别是大区域的动态变化情况，就必须充分利用航空、航天和遥感技术，如卫星云图、卫星遥感影像、航空照片等。航空、航天和遥感技术对现代气象学的发展和进步起了决定性作用，成为其重要支柱。它们也是现代海洋学、地理学的主要研究手段，而且对于现代地质学、土壤学、水文学、环境地学等也发挥着重要作用。
（5）实验室分析、测试与科学实验
这是地球科学中各门学科均普遍采用的研究方法，主要是从研究对象中取得所需的各种样品或标本，然后在实验室进行分析、测试，以便获取物质成分、结构、物理与化学性质以及形成历史等方面的定性和定量资料，并通过科学实验分析推断其形成、演变过程和发展趋势等。随着科学的发展，地球科学中的实验科学已有相当的进步。但由于自然过程的影响因素复杂，加之时间的漫长性与空间的广泛性以及现代实验技术水平的限制，在地球科学中有时很难进行与自然界一致的真实实验。因此，地球科学上常采取简化影响因素，创造一些特定的物理、化学环境，模拟自然现象的成因、过程和发展规律，这种方法称为模拟实验。模拟实验只能是近似的，实验结果往往与自然过程有一定差距，但它在再造自然现象的过程、验证和探索地球科学规律方面发挥着重要作用。
（6）历史比较法
这是地质学最基本的方法论。时间的漫长性决定了地质学必须用历史的、辩证的方法来进行研究。虽然人类不可能目睹地质事件发生的全过程，但是，可以通过各种地质事件遗留下来的地质现象与结果，利用现今地质作用的规律，反推古代地质事件发生的条件、过程及其特点，这就是所谓的“历史比较法”（或称“将今论古”“现实主义原则”）的原理。这一原理是由英国地质学家莱伊尔（C.Lyell，1791～1875年，现代地质学的创立者）在赫顿（J.Hutton，1726～1797年，苏格兰地质学家，被誉为现代地质学之父）的均变论学说的基础上提出来的（图0-2，图0-3）。莱伊尔明确指出：“现在是了解过去的钥匙。”例如，现代珊瑚只生活在温暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果在古代形成的岩石中发现有珊瑚化石，便可推断这些岩石也是在古代温暖、清洁的浅海环境中形成的（图0-4）；又如，现在的火山喷发能形成一种特殊的岩石——火山岩，如果在一个地区发现有古代火山岩存在，我们就可以推断当时这一地区曾发生过火山喷发作用，等等。历史比较法是一种研究地球发展历史的分析推理方法，它的提出，对现代地质学的发展起到了重要的促进作用。
图0-2 英国地质学家莱伊尔
（C.Lyell，1791～1875年）
图0-3 苏格兰地质学家赫顿
（J.Hutton，1726～1797年）
图0-4 生活在温暖、清洁浅海中的珊瑚
a—现代珊瑚；b—2亿多年前的珊瑚化石
这一原理的理论基础是“均变论”。均变论认为，在漫长的地质历史过程中，地球的演变总是以渐进的方式持续地进行，无论是过去还是现在，其方式和结果都是一致的。但是，现代地质学的研究证明，均变论的观点是片面和机械的。地球演变的过程是不可逆的，现在并不是过去的简单重复，而是既具有相似性，又具有前进性。例如，地质学的多方面研究揭示，在地球演变过程中，地表大气圈、水圈、生物圈的组成、数量、温压以及地球或地壳内部的结构、构造等特征都在发生不断的变化，与现代的状况存在不同程度的差异，这些必然会导致当时发生地质作用的方式与过程具有一系列与今天不同的特点。地球演变的过程也并不总是以渐进、均变的形式进行，而是在均变的过程中存在着一些短暂的、剧烈的激变过程。例如，在岩层中常常发现其物质组成及结构构造发生突然性的变化；在古生物演化中也常常发现大量的生物种属在短期内突然绝灭的现象，如6500万年前后恐龙全部迅速绝灭等。所以整个地球的发展过程应是一个渐变—激变—渐变的前进式往复发展过程，这也符合量变—质变—量变的哲学规律。
因此，在运用历史比较法时，必须用历史的、辩证的、发展的思想作指导，而不是简单地、机械地“将今论古”，这样才能得出正确的结论。地质学的“将今论古”分析方法，实际上对于地球科学中的地球物理学、地球化学、地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科的研究均具有重要的借鉴意义。
（7）综合分析
自然过程的复杂性和不可逆性决定了地球科学必须采用综合分析的研究方法。在漫长的地球演化过程中，不同时期、不同方式（物理、化学、生物等）、不同环境（地表、地下、空中等）的自然作用给我们留下的是一幅错综复杂的结果图案。要根据这一图案恢复和解析自然界发展的过程，就必须利用多学科的原理和方法，结合复杂的影响因素，进行综合分析。这一点与数学、物理、化学等学科利用单纯的推导、实验等方法进行研究是大不一样的。例如，在地质学中，由于过程和影响因素很复杂，根据某些个别特征，利用单学科的原理和方法，往往会得出片面甚至错误的结论，这就是在地质学研究中经常碰到的“多解性”或“不确定性”问题。所以，只有在综合各方面研究的基础上，才能得出统一的、最合乎实际情况的结论。
（8）计算机技术应用
有人说20世纪后半叶以来，人类社会已步入计算机的时代，计算机技术的应用已给各门自然科学带来了深刻的影响和革命性的变化。对地球科学也是一样，例如，在现代气象学、地理学、地质学、地球物理学、海洋学、环境地学等领域中，计算机技术已发挥出巨大的作用，成为不可缺少的研究手段和方法。而且计算机技术正在向地球科学的各个领域渗透。计算机技术的应用，为解决地球科学的研究对象空间广阔、观测处理资料量大、模拟形成演变过程复杂等问题带来了无限的前景。因此，要想提高地球科学的研究水平，必须充分地重视、加强和进一步开拓计算机技术在地学中的应用。
20世纪末期开始在全球范围内广泛兴起的“数字地球”（Digital Earth）计划或“数字地球学”研究正是现代计算机技术、信息科学与地球科学相结合的产物。“数字地球”主要是探讨运用现代计算机技术、信息科学对整个地球系统进行全方位的定量化、数字化描述的方法，建立相关的“数字地球”资源平台，并服务于地球科学的研究、应用。因此，“数字地球”实质上是地球系统的一种数字化的表示形式，其基本的理论支撑主要包括相互联系的两个方面，即与地球科学有关的理论以及与数字化技术有关的理论。比“数字地球”稍早一些兴起的“地理信息系统（GIS）”的成功开发与广泛应用，可以说为推动“数字地球”的兴起与发展奠定了良好的基础；但“数字地球”将涵盖地球科学的所有研究分支学科或领域（而不仅仅局限于地理学），其涉及的科学内容与数据量是“地理信息系统”所无法比拟的。1998年1月，美国前副总统戈尔在“开放地理信息系统协议（Open GIS Consortium）”年会上首次提出“数字地球”的概念，认为“数字地球”是指一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的虚拟系统。数字地球的概念一经提出便立刻引起了世界范围的广泛关注，并取得了快速发展。数字地球的研究和实现具有十分广泛的应用前景，如资源与环境的监测与管理，气候和各种自然灾害的预测、预报与防治，土地利用与各种生产、生活的规划及一些危机事件的处理等；它还为地球科学的教育和多学科的研究工作提供了极好的资源平台，特别是为地球系统科学的层圈相互作用研究、全球变化研究及人类可持续发展研究创造了有利条件。
地球科学研究的工作方法通常具有下列程序：
（1）资料收集
根据所要研究的课题和所要解决的问题，尽可能详尽、客观和系统地收集各种有关的数据、样品和其他资料。资料的来源包括对研究区详细的野外调查、仪器观测和收集、分析已有的各种资料和成果等。
（2）归纳、综合和推论
对所收集的资料进行加工整理、归纳、综合，并利用地球科学的研究方法和原理，作出符合客观实际的推论。
（3）推论的验证
通过生产实践或科学实验来证实或检验推论是否正确，并在实践的过程中不断地修正错误，提高认识，总结规律。
地球科学是一门实践性很强的科学。人们通过不断地科学实践，逐渐形成了若干假说和学说。假说是根据某些客观现象归纳得出的结论，它有待进一步验证；而学说则是经过了一定的实践检验、在一定的学术领域中形成的理论或主张。假说和学说对推动地球科学的发展起着重要的作用，它们为探索地球科学的客观规律指出了方向，对实践起着一定的指导作用，同时在实践中不断得到检验、补充和修正，使其日趋完善。当然，有些假说和学说也可能在实践中被抛弃或否定。
⑷ 地表形变InSAR调查与监测技术
一、内容概述
地表形变监测是地质灾害防治与预警的基础工作。我国当前频发的滑坡、地面沉降、地裂缝、地面塌陷等对人居环境的威胁逐步增大。传统地面测量手段受制于监测范围小、点位密度低和施测周期长等不足，对地质灾害宏观特征及时空演化过程的监测能力有限。自20世纪90年代末期开始，合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术在多类型地表形变监测中得到广泛的研究和应用，具有快速、准确、精度高、覆盖范围广等优点，改变了以往测量手段点位密度低、工作周期长、施测要求高的不足。
InSAR技术的核心是利用相位观测值获取目标的几何特征及变化信息。由于干涉相位对微小形变极其敏感，毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映，因而利用重复轨观测获取的干涉相位，通过差分干涉处理可获得高精度的形变信息。
自2000年起，在国土资源部、科技部等部门的支持下，航遥中心依托国土资源大调查、国土资源部公益性行业基金、863计划等项目，开展InSAR技术的理论、方法及应用研究，形成了趋于完善的多尺度、多类型的灾害性地表形变InSAR调查与监测技术体系。通过InSAR关键技术研究、应用示范、结果验证和工程化应用等环节的攻关研究，系统解决了低相干、有限数据量条件下InSAR地面沉降信息提取和跨轨道、多图幅大范围地面沉降InSAR监测制图等一系列地表形变InSAR监测工程化应用的核心技术，建立了一套解决大区域性地面沉降同步监测的InSAR方法技术体系。在我国首次系统利用InSAR技术开展了大范围区域性地面沉降工程化监测，获得了当前华北平原、长三角、汾渭谷地等地区全覆盖、高精度的地面沉降监测数据，填补了地面沉降基础调查数据的空白。工程化应用表明相干目标InSAR时序技术测量成果的精度优于±3～5 mm，在区域性监测中整体方差优于±1 cm，满足地面沉降监测的需要。InSAR技术的研究和应用提升了我国地表形变，特别是区域性地面沉降监测的工作能力和技术水平，取得了显着的社会效益和经济效益。
二、应用范围及应用实例
研究成果先后应用于地面沉降、滑坡、高铁沉降、油田地表变形和矿山开采沉陷等多类型地表形变监测。从2004年至今，先后开展了华北平原、长江三角洲地区、汾渭谷地全覆盖InSAR工程化监测，突破了以往独立行政区划对地面沉降监测工作的局限，实现了区域地面沉降InSAR监测成果“一张图”，填补了我国地面沉降防治与风险管理工作基础数据的空白。
同时，针对重大工程对地面稳定性的要求，开展了京津、京沪等高速铁路，南水北调工程东线，西气东输工程长三角段等一批重大工程区地面沉降InSAR调查和监测，为重大工程区的地质灾害风险管理提供了有效的技术服务。先后开展了三峡库区滑坡（新滩、树坪等）、矿山开采沉陷（唐山、兖州等）、油田地表形变（大港、东营等）、城市地裂缝（西安）、地震形变场等多尺度、多类型地表形变监测应用，全面提升了InSAR技术的应用能力和水平。
图1 华北平原地面沉降区InSAR监测沉降速率图（2008～2010年）
1.实现我国三大地面沉降区监测全覆盖
利用InSAR技术开展华北平原、长三角、汾渭谷地大范围、区域性地面沉降调查与监测，累计范围超过20×104 km2，首次实现了我国三大沉降区的InSAR监测全覆盖。
（1）华北平原地面沉降InSAR监测成果
监测范围14×104 km2，覆盖北京、天津、石家庄、唐山、郑州等城市以及黄河三角洲地区（图1）。监测成果显示：华北平原以往地面沉降严重的主要城市（天津、北京（图2，图3）、沧州等），自2004年开始市区沉降速率均有所减缓，普遍小于30mm；主要沉降中心多集中于这些城市的周边，以各种开发区为主。沉降中心的年沉降速率普遍大于40～50mm，且有不断扩大的趋势；各省级行政区交界地带沉降区呈现连片发展趋势，沉降速率大、范围广；沉降中心与大型基础设施（铁路、公路）分布以及区域经济发展密切相关。
图2 北京地区2007～2010年累积沉降量
图3 北京来广营累积沉降量
（2）长江三角洲地区地面沉降InSAR监测成果
监测面积约6×104km2，覆盖上海（图4、图5）、江苏苏锡常与扬泰通、浙江杭嘉湖地区，查明了各地区2006年至今地面沉降的分布状况，获取了上海、苏锡常、杭嘉湖地区的连续监测数据，发现了上海市与浙江交界地带金山 平湖等多个快速大范围沉降区，年最大沉降速率达到40～50mm。监测表明：长三角地区整体沉降幅度和范围小于华北平原地区，地面沉降速率总体趋缓，快速沉降区仍多集中在各地的主要开发区。
图4 上海地区InSAR 监测累积地面沉降量图（2003年9 月—2010年9 月）
图5 华漕镇累积沉降量图（2003年9月—2010年9月）
（3）汾渭地区地面沉降InSAR监测成果
图6 太原盆地地面沉降速率图（2007～2010年）
以大同-太原-临汾地区（图6）、西安市为主要工作区，查明了覆盖汾渭地区近4×104 km2 范围的地面沉降发展分布状况，新发现了榆次、清徐、临汾等快速沉降区，最大年沉降速率达50～70mm。完成了太原市区（图7）自2005年以来地面沉降变化过程的连续监测，详细查明了各主要沉降中心的时空变化特征。
图7 太原市主城区主要沉降中心分布图
2.有效服务高速铁路沿线等国家重大基础设施建设
积极服务国家重大基础设施建设，应用InSAR技术开展高速铁路沿线地面沉降监测与调查。在国内首次应用欧空局ENVISAT卫星SAR数据（分辨率20m）开展了京津高速铁路全线地面沉降状况InSAR调查与监测，获取了沿线5 km范围内2004年至今各年度的地面沉降监测成果，发现了京津高铁沿线位于北京和天津地区的2 处主要沉降漏斗（图8，图9）。同时，首次利用德国TerraSAR-X高分辨率SAR数据（分辨率3m）开展了京津高铁沿线重点沉降区精细监测，获取了2009年2～10月间连续监测数据，有效服务于铁道部门对京津高铁基础的稳定性评价和对策研究工作。
3.积极开展多类型地质灾害监测与工程实践
在实现区域性地面沉降InSAR监测的基础上，开展了矿山开采沉陷调查、油田地表变形监测、滑坡活动监测、城市地裂缝探测、地震形变场提取等多尺度、多形式的灾害性地表形变场探测与监测，取得了良好效果。以唐山开滦矿区为研究区（图10 和图11），开展了煤矿区开采沉陷和矿业城市地面稳定性InSAR监测，证实InSAR技术可及时发现矿山开采的范围和强度，能够满足矿山开采沉陷动态监测需要。目前已广泛应用于大同、兖州、淮南、徐州、皖北等主要煤矿区。连续监测三峡地区新滩滑坡、链子崖滑坡自2002年至今的活动变化，结果显示新滩滑坡已趋于稳定。开展石油开采诱发地表变形的InSAR监测，查明了大庆、东营等油田地面沉降和抬升状况。
图8 京津高铁全线地面沉降速率图（2007～2009年）
图9 京津高铁沿线2007～2009年地面沉降剖面图
图10 开滦矿区开采沉陷InSAR干涉图（2009年10月07日至2009年10月31日）
InSAR技术在我国主要地面沉降区以及多类型地表形变灾害监测工作中的应用实践显示了在地质灾害监测领域的独特优势。“十二五”期间，InSAR技术将在全国地质灾害易发区调查、重要经济区（城市群）建设、主要矿产资源开发区监测、地下水主要开发利用区监测以及重大工程区等领域内缓慢地表形变监测工作中发挥重要作用。立足全国区域性地面沉降监测工作，重点围绕国家重大基础设施建设，依托InSAR技术开展大区域地表形变监测，提供地面稳定性监测与风险评价，服务于工程规划、建设和运营。在矿山、石油、水利等领域的应用，特别是煤矿区开采沉陷和工矿城市地面沉降监测方面的应用需求明显，将促进InSAR技术成为日常监测手段。
图11 唐山市老采空区缓慢沉降速率图（2004～2009）
高分辨雷达卫星及其相关技术的发展将进一步推动地质灾害InSAR精细化监测。新一代高分辨雷达卫星，如TerraSAR-X、Cosmo-skymed等将为InSAR技术精细化应用提供丰富的数据源。应用高分辨SAR数据开展高速铁路、公路、大坝以及大型单体建筑等重大工程和基础设施的精细监测将成为现实。将在国土资源、矿山、交通运输、水利工程等诸多领域的地质灾害调查与监测工作中发挥更为重要的作用。
三、推广转化方式
本项研究成果已先后在中国地质调查局开展的《华北平原地面沉降监测与防治》、《长三角地区地面沉降监测与风险管理》、《全国地面沉降监测与防治》等计划项目中得以推广应用，并于2011年启动了《全国地表形变遥感地质调查》工作，旨在应用InSAR技术开展我国中东部的平原、盆地、三角洲地区和海岸带地区地面沉降、矿山开采沉陷调查与监测，详细查明目前我国地面沉降的发生状况，为全国地下水管理、城市规划、基础设施建设布局等提供基础资料。
华北平原和长三角地面沉降InSAR监测成果有效地指导了各地区地面监测网络的布设和建设。通过与北京、天津、上海等各省市地质环境总站联合，针对各地区关心的重点沉降区开展详细调查和监测，直接服务于地方需要。此外，为铁道部第三设计院、煤炭科学研究院唐山分院、山东省鲁北工程勘查院、河北省水文地质工程地质4队等单位和组织提供了技术资料和成果。
2010年6月，中国地质调查局以地质调查要情专报的形式刊发了“InSAR技术在我国地面沉降调查监测工作中应用效果显着”的通报，介绍InSAR技术研发取得的成果和先进经验。2011年初，由中国地质调查局主办，航遥中心承办，召开了迄今以来全国最大规模的“地表形变InSAR监测技术培训及研讨会”，全国各地质环境监测部门、高校、研究所等机构共计120余人参加了本次培训，邀请了来自意大利、德国、加拿大等国家和机构专门从事InSAR技术研发的专家授课，全面介绍InSAR技术及其应用情况，取得了良好的社会效益。
主要推广转换方式包括会议交流、技术培训与技术咨询。
技术依托单位：中国国土资源航空物探遥感中心
联系人：葛晓立
通讯地址：北京市海淀区学院路31号航遥中心遥感方法技术研究所
邮政编码：100083
联系电话：010-62060051
电子邮件：[email protected]
⑸ 科学家研究地球表面有哪些方法
（1）野外调查 空间的广泛性决定了地球科学工作者首先必须到野外去观察自然界，把自然界当作天然的实验室进行研究，而不可能把庞大而复杂的大自然搬到室内来进行研究。野外调查是地球科学工作最基本和最重要的环节，它能获取所研究对象的第一手资料。例如野外地质调查、水系与水文状态调查、自然地理调查、土壤调查、资源与环境调查等。只有针对性地到现场去认真、细致地收集原始资料，才能为正确地解决地球科学问题提供可能。
（2）仪器观测 仪器观测是地球科学用来获取研究对象的定性和定量资料的重要手段，通过仪器观测可以了解到研究对象的各种物理、化学性质、参量的静态特征和动态变化，为科学的分析、推理提供了依据。仪器观测为地球科学步入科学轨道提供了条件，例如16～17世纪气温、气压、湿度等气象仪器的发明与创造，使气象学逐渐发展成为一门完善的学科。现代高精度的常规与高空气象仪器观测仍然是气象学的重要研究基础。同样，仪器观测在水文学、海洋学研究中也占有特殊重要的位置。仪器观测对于现代地球物理学、地质学的地球内部研究，对于土壤学的研究特别是对于环境地学中的各种监测与评价，都具有极其重要的作用。在现场进行的仪器观测也属于第一手资料，除了科学工作者根据不同的研究目的在现场进行各种观测外，人们还常常设立各种定点观测台站，如气象站、水文站、地震台站、环境监测站等，并通过大量的台站建立观测网，以便获得系统的观测资料。
（3）大地测量 这是地球科学中既古老而又发展迅速的一种重要研究方法，它在推动地球科学的发展中起了重要作用。早在古埃及和古中国的远古时代，人们就借助于步测及其它一些简单的测量工具，进行土地规划、地形与地理制图、水利与工程建设等。到了近代，随着测量仪器的进步，逐渐发展成为传统的大地水准测量和大地三角测量。本世纪中叶发展起来的海洋测深技术（声纳）对于海洋学的发展和地质学的革命曾起了决定性的作用。近些年发展起来的激光测距、人造卫星定位系统（GPS）又给地球科学带来了深刻影响。大地测量的方法对于地理学、地质学、海洋学、水文学及土壤学等的研究十分重要。
（4）航空、航天和遥感技术 现代航空、航天和遥感技术极大地推动了地球科学的发展，成为现代地球科学不可缺少或不可忽视的重要研究方法。由于地球的空间广大，要在短时间内获取大区域的资料，特别是大区域的动态变化状况，就必须充分利用航空、航天和遥感技术，如卫星云图、卫星遥感影像、航空照片等。航空、航天和遥感技术对现代气象学的发展和进步起了决定性作用，成为其重要支柱。它们也是现代海洋学、地理学的主要研究手段，而且对于现代地质学、土壤学、水文学、环境地学等也发挥着重要作用。
（5）实验室分析、测试与科学实验 这是地球科学中各门学科均普遍采用的研究方法，主要是从研究对象中取得所需的各种样品或标本，然后在实验室进行分析、测试，以便获取物质成分、结构、物理与化学性质以及形成历史等方面的定性和定量资料，并通过科学实验分析和推断其形成、演变过程、发展趋势等。随着科学的发展，地球科学中的实验科学已有相当的进步。但由于自然过程的影响因素复杂，加之时间的漫长性与空间的广泛性以及现代实验技术水平的限制，在地球科学中有时很难进行与自然界一致的真实实验。因此，地球科学上常采取简化影响因素、创造一些特定的物理、化学环境，模拟自然现象的成因、过程和发展规律，这种方法称为模拟实验。模拟实验只能是近似的，实验结果往往与自然过程有一定差距，但它在再造自然现象的过程、验证和探索地球科学规律方面发挥着重要作用。
（6）历史比较法 这是地质学最基本的方法论。时间的漫长性决定了地质学必须用历史的、辩证的方法来进行研究。虽然人类不可能目睹地质事件发生的全过程，但是，可以通过各种地质事件遗留下来的地质现象与结果，利用现今地质作用的规律，反推古代地质事件发生的条件、过程及其特点，这就是所谓的“历史比较法”（或称“将今论古”、“现实主义原则”）的原理。这一原理是由英国地质学家莱伊尔（C.Lyell，1791—1875年）在郝屯（J.Hutton，1726—1797年，英国学者）的均变论学说的基础上提出来的。莱伊尔明确指出：“现在是了解过去的钥匙”。例如，现代珊瑚只生活在温暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果在古代形成的岩石中发现有珊瑚化石，便可推断这些岩石也是在古代温暖、清洁的浅海环境中形成的；又如，现在的火山喷发能形成一种特殊的岩石——火山岩，如果在一个地区发现有古代火山岩存在，我们就可以推断当时这一地区曾发生过火山喷发作用，等等。历史比较法是一种研究地球发展历史的分析推理方法，它的提出，对现代地质学的发展起了重要的促进作用。这一原理的理论基础是“均变论”。均变论认为，在漫长的地质历史过程中，地球的演变总是以渐进的方式持续地进行，无论是过去还是现在，其方式和结果都是一致的。但是，现代地质学的研究证明，均变论的观点是片面和机械的。地球演变的过程是不可逆的，现在并不是过去的简单重复，而是既具有相似性，又具有前进性。例如，地质学的多方面研究揭示，在地球演变过程中，地表大气圈、水圈、生物圈的组成、数量、温压以及地球或地壳内部的结构、构造等特征都在发生不断地变化，与现代的状况存在不同程度的差异，这些必然会导致当时发生的地质作用的方式与过程具有一系列与今天不同的特点。地球演变的过程也并不总是以渐进、均变的形式进行，而是在均变的过程中存在着一些短暂的、剧烈的激变过程。例如，在岩层中常常发现其物质组成及结构构造发生突然性的变化；在古生物演化中也常常发现大量的生物种属在短期内突然绝灭的现象，如7000万年前后恐龙全部迅速绝灭等。所以整个地球的发展过程应是一个渐变—激变—渐变的前进式往复发展过程，这也符合量变—质变—量变的哲学规律。因此，在运用历史比较法时，必须用历史的、辩证的、发展的思想作指导，而不是简单地、机械地“将今论古”，这样才能得出正确的结论。地质学的“将今论古”分析方法，实际上对于地球科学的地球物理学、地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等几门学科也均具有一定的借鉴意义。
（7）综合分析 自然过程的复杂性和不可逆性决定了地球科学必须采用综合分析的研究方法。在漫长的地球演化过程中，不同时期、不同方式（物理、化学、生物等）、不同环境（地表、地下、空中等）的自然作用给我们留下的是一幅错踪复杂的结果图案。要根据这一图案恢复和解析自然界发展的过程，就必须利用多学科的原理和方法，结合复杂的影响因素，进行综合分析。这一点与数、理、化等学科利用单纯的推导、实验等方法进行研究是大不一样的。例如在地质学中，由于过程和影响因素很复杂，根据某些个别特征，利用单学科的原理和方法，往往会得出片面甚至错误的结论，这就是在地质学研究中经常碰到的“多解性”或“不确定性”问题。所以，只有在综合各方面研究的基础上，才能得出统一的、最合乎实际情况的结论。
（8）电子计算机技术应用 有人说20世纪后半叶以来，人类社会已步入电子计算机的时代，电子计算机技术的应用已给各门自然科学带来了深刻的影响和革命性的变化。对地球科学也是一样，例如在现代气象学、地理学、地质学、地球物理学、海洋学、环境地学等领域中，计算机技术已发挥出了巨大的作用，成为不可缺少的研究手段和方法。而且计算机技术正在向地球科学的各个领域中渗透。计算机技术的应用，为解决地球科学的研究对象的空间广阔、观测处理资料量大、模拟形成演变过程复杂等等问题带来了无限的前景。因此，要想提高地球科学的研究水平，必须充分地重视、加强和进一步开拓电子计算机这一方法技术在地学中的应用。
地球科学研究的工作方法通常具有下列程序：
（1）资料收集 根据所要研究的课题和所要解决的问题，尽可能详尽、客观和系统地收集各种有关的数据、样品和其它资料。资料的来源包括对研究区详细的野外调查、仪器观测和收集、分析已有的各种资料和成果等。
（2）归纳、综合和推论 对所收集的资料进行加工整理、归纳、综合，并利用地球科学的研究方法和原理，作出符合客观实际的推论。
（3）推论的验证 通过生产实践或科学实验来证实或检验推论是否正确，并在实践的过程中不断地修正错误，提高认识，总结规律。
地球科学是一门实践性很强的科学。人们通过不断地科学实践，逐渐形成了若干假说和学说。假说是根据某些客观现象归纳得出的结论，它有待进一步验证；而学说则是经过了一定的实践检验、在一定的学术领域中形成的理论或主张。假说和学说对推动地球科学的发展起着重要的作用，它们为探索地球科学的客观规律指出了方向，对实践起着一定的指导作用，同时在实践中不断得到检验、补充和修正，使其日趋完善。当然，有些假说和学说也可能在实践中被扬弃或否定。
⑹ 地球内部运动怎样使地表形态发生变化
地球内部运动----能量巨大，引起地壳运动-----------引起地球外表的地形变化。
地球内部的运动会引起地壳运动,从而形成山脉、高原、裂谷和海沟等地形地貌; 地球表面的变化有时是迅猛激烈的,有时是缓慢不易觉察的。地球内部的运动,其实就是内力作用与地表形态的关系.
内力作用,表现为板块运动、岩浆活动和变质作用。
板块运动对地表形态的影响最为广泛而显着,她形成的地质构造有褶皱和断层,结果形成比如喜马拉雅山脉、安第斯山脉等褶皱山脉.断层的上升侧,形成断块山或者陡崖,下沉侧往往形成低地或者谷地,比如渭河平原、汾河谷地。
岩浆活动,通过火山喷发后,岩浆凝固,改变地表形态.比如夏威夷群岛,就是岩浆凝固后,露出海面而成的。
地壳运动
（crustalmovement）
由内应力引起地壳结构改变、地壳内部物质变位的构造运动叫地壳运动。
地球表层相对于地球本体的运动。通常所说的地壳运动，实际上是指岩石圈相对于软流圈以下的地球内部的运动。岩石圈下面有一层容易发生塑性变形的较软的地层，同硬壳状表层不相同，这就是软流圈。软流圈之上的硬壳状表层包括地壳和上地幔顶部。地壳同上地幔顶部紧密结合形成岩石圈，可以在软流圈之上运动。
在地球的内力和外力作用下地壳经常所处的运动状态。地球表面上存在着各种地壳运动的遗迹，如断层、褶皱、高山、盆地、火山、岛弧、洋脊、海沟等；同时，地壳还在不断的运动中，如大陆漂移、地面上升和沉降以及地震都是这种运动的反映。地壳运动与地球内部物质的运动紧密相联，它们可以导致地球重力场和地磁场的改变，因而研究地壳运动将可提供地球内部组成、结构、状态以及演化历史的种种信息。测量地壳运动的形变速率，对于估计工程建筑的稳定性、探讨地震预测等都是很重要的手段，对于反演地应力场也是一个重要依据。
对缓慢的地壳运动，可根据地质学（地层学、古生物学、构造地质学等）、地貌学和古地磁学的考察，参考古天文学、古气候学的资料，进行综合分析判定。例如，大陆漂移学说是从古生物学、古气候学找到迹象，又通过古磁极的迁移得以确立的。现在根据同位素年龄的测定和岩石磁化反向的分析，可以进一步认识地壳运动的演化。
对于现代地壳运动，一般采用重复大地测量的方法，如用重复水准测量来研究垂直运动；用三角测量或三边测量的复测来研究水平运动；用安放在活动断层上的蠕变计、倾斜仪和伸长仪等做定点连续观测来监视断层的运动。20世纪70年代后期，进而利用空间测量技术（激光测月、人造卫星激光测距和甚长基线干涉测量等）监测不同板块上相距上千公里的两点间的相对位移（精度可达2～3厘米），用以测定板块之间的运动。除此以外，还可以利用海岸线的变迁，验潮站关于海水涨落的记录等，推断现代地面的升降运动。
⑺ 地表的变化
三 地表的变化
单元目标
1．了解地球表面的各种形态，了解地球表面是不断变化的；认识温度、水、风、生物等各种自然力量对地表改变的作用；知道岩石的风化、搬运、磨圆等地质作用，认识卵石的形成过程；了解人类活动对地表改变所带来的积极的和消极的影响。
2．尝试绘制山地地形图，感悟符号语言的精妙以及它丰富的科学内涵。通过完成水滴和水流对地表的影响、温度和水对岩石的影响以及岩石磨圆作用等实验，经历用简单的工具对物体进行定量测量，采集数据，并作简单记录的科学研究过程，体验到建立模型是科学研究的一种有效途径。在实验和研讨过程中，锻炼缜密的思维能力与合作交流能力，尝试辩证地、综合地分析问题，考虑对同一现象做不同的解释。
3．能从多样的地表形态中感受大自然的神奇和美丽。通过学习自然因素对地表的作用，形成对自然科学研究的兴趣和尊重证据的科学态度，体会到实验研究的意义。通过学习人类活动对地表的影响，意识到人与自然要和谐相处。
单元结构
课题 主要活动 课时建议
1.多样的地表形态 1.认识地表形态及表示它们的地形图。
2.画山的地表形态平面图。
3.搜集能够改变地表形态的事物的资料，贴在教师的信息发布栏中。
2课时
2.自然因素对地表的作用 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对地表形态的影响
*4.研究种子萌发和生长的力量
2课时
3.卵石的形成 1.推测卵石形成的原因
2.研究温度对岩石的影响
3.研究水对岩石的影响
4.研究石块如何变成卵形
2课时
4.人类活动对地表的影响 1.了解开凿运河对地表的影响
2.认识修梯田和水库对地表的影响
3.城市化对地表的影响
2课时
1. 多样的地表形态
教学目标
1．了解地球表面的各种形态，认识地形图中表示地表形态的符号。
2．尝试绘制山地地形图，感悟符号语言的精妙以及它丰富的科学内涵。
3．能从多样的地表形态中感受大自然的神奇和美丽。
内容设计
本课安排三个教学活动。首先是认识各种地表形态和表示它们的符号，感受大自然的神奇和美丽。然后通过亲手绘制山地地形图的活动，感悟符号语言的精妙以及它丰富的科学内涵。最后引导学生思考造成地表形态多样性的原因，并动手搜集资料、整理资料，最终交流和分析资料，找出改变地表形态的两大因素：自然因素和人为因素，为后面的学习奠定基础。
教学准备
活动1：中国地形图
活动2：黏土或橡皮泥、水槽、蓝色墨水、硬塑料薄膜、水彩笔
活动3：卡片纸
活动1.认识地表形态及表示它们的地形图
内容说明
教材由两组插图构成：第一组为各种地貌的实物图——平原、高山、峡谷、海洋、丘陵和盆地等，第二组为与之相应的地图上的表现形式。希望学生在观察认识实物图的基础上，首先了解地球表面的形态有哪些，再进一步认识地图上是如何表现这些地表形态的，增强识图的能力。
地表形态有三种主要类型：平原、山地和高原。
平原是由平坦或微起伏的低地势组成的一种地表形态。平原常出现在大陆边缘和大陆内部。沿着海岸线分布的平原叫滨海平原，远离海岸线的则称为内陆平原。
山地是一种高海拔高地势的地表形态。山地是山脉的一部分。山脉是形状、结构和年代紧密联系的山群。山地基座至少有数平方千米的面积，但其顶峰却会聚于一点。山地常有陡坡。
海拔较高、地面起伏不大的地表形态叫高原。高原顶部很少是平坦的。
教学建议
认识各种地表形态。
建议教师先让学生说一说他们所知道的地表形态有哪些，了解学生的先前知识和经验，唤起学生对这部分知识内容的学习兴趣。再利用教材插图，组织学生仔细观察，认识各种典型的地表形态，并描述各种地形的主要特征。
认识地形图。
通过上一环节的学习，学生已经知道地球表面的形态是起伏多变的。那么，怎样在一张平展的纸上表现出这种变化呢？教师可以先让学生尝试自己设计符号表示出各种地形，之后再出示标准地形图让学生辨认，对号入座，完成教材41页中的活动。最后建议出示“中国地形图”，一方面复习表示各种地形的符号，另一方面通过看地形图了解我国地形的主要特点，增强对我国国土的认识和了解，锻炼识图能力。
活动2.画山的地表形态平面图
内容说明
这是一个“动手做”活动。旨在为学生创设一个做中学的机会，让他们在模拟绘制山地地形图的活动中感悟符号语言的精妙以及它丰富的科学内涵，例如“等高线”及其疏密程度所代表的科学含义。
教学建议
准备好黏土或橡皮泥、水槽、蓝色墨水、硬塑料薄膜、水彩笔等活动材料。
2、组织学生看教材42页插图和文字说明，熟悉活动流程。分组活动前教师自己或请一个小组的学生向全班演示一遍操作过程。
学生分组模拟绘制山的地表形态平面图。
4、对照小山模型和自己绘制的地形图，分析平面图所传达的各种信息。就像教材中提示的那样：哪里是陡坡？哪里是缓坡？哪里是最高点？
*5、进一步研究：查找资料，了解其他地形图的画法和科学道理。
活动3.搜集能够改变地表形态的事物的资料，贴在教师的信息发布栏中
内容说明
这是介于第1课和第2课之间的一个过渡性活动。是在学生认识各种地表形态之后，引导他们思考造成地表形态多样性的原因。
教材插图提示教师在这部分教学中可以采用信息发布栏的活动形式。信息发布栏中的插图则暗含了改变地表形态的两大类因素：自然因素和人为因素。
教学建议
因为内容少，不能构成一个完整的课时。建议教师提前布置学生查找资料，并要求他们采用文字记录或绘制简图等形式整理资料，课堂上只是交流和分析资料，放在活动1、活动2之后，占用一小段时间，三个活动共同构成一个80分钟教学单元（即两节课连排）。
在分析资料的教学环节，建议教师准备一些小卡片，根据学生的发言提炼出“火山”、“河流”、“风”、“植物”、“建筑”、“水库”等词汇写在卡片上，然后放在实物投影上或利用小磁贴将卡片贴在黑板上，以方便学生分类。
2. 自然因素对地表的作用
教学目标
1．认识水、风、生物等各种自然力量对地表改变的作用；了解地球表面是不断变化的。
2．通过完成水滴和水流对地表的影响的两个实验，经历用简单的工具对物体进行定量测量，采集数据，并作简单记录的科学研究过程，体验到建立模型是科学研究的一种有效途径。在实验和研讨过程中，锻炼缜密的思维能力与合作交流能力。
3．通过学习自然因素对地表的作用，形成对自然科学研究的兴趣和尊重证据的科学态度，意识到人与自然要和谐相处。
内容设计
围绕着“自然因素对地表的作用”，本课由4个活动组成。活动1和活动2研究的是水对地表形态的影响。活动1研究水滴的力量，模拟的是垂直下落的雨水对地表的影响。活动2研究水流的作用，通过实验模拟在地表流动的水（可以理解为河流）对不同情况的地表——山地、平原、峡谷、草地会产生怎样的影响。活动3、活动4是选学内容，进一步了解除水以外的其他自然因素对地表形态的影响。其中教材着重表现的是风和生物对地表的影响。
教学准备
活动1：黑色手工纸、面粉、滴管、烧杯、水、米尺
活动2：托盘、沙子、碎石、草皮（可以用草绳碎屑和泥沙代替）、水、喷壶
*活动3：各种由于风化和侵蚀作用产生的特殊的地貌的图片：如风蚀形成的风蚀柱、风蚀蘑菇，流水侵蚀形成的峡谷（长江三峡）、溶洞等。
*活动4：1个纸杯、30ml熟石膏、15ml自来水、3颗菜豆、小棒、1张纸巾
活动1. 研究水滴的力量
内容说明
这个实验是模拟自然界中的降水对地表形态产生的影响。关键是调节水滴下落的高度，通过面粉溅落范围的变化感受下落水滴的力量的变化。实验室条件下水滴下落的高度远远低于自然界中的雨滴下落的高度，由此推断雨水对地表强大的冲击力，天长日久，形成“滴水穿石”等改变地貌的现象。
教学建议
1、考察校园。教师课前仔细察看校园环境，找一找有没有类似“滴水穿石”的现象存在。
2、创设情境，引发质疑。如果校园中有类似“滴水穿石”的现象，把学生带到现场观察，质疑：“这个凹坑（或孔、洞）是怎样产生的？”如果校园中没有适合教学的素材，就利用教材44页插图引发质疑。
3、学生分组完成水滴——面粉实验。为追求实验的严密性，需注意以下两点：①水滴的大小尽可能保持不变；②每一次实验都要记录下两个数据：水滴下落的高度和面粉溅落的范围直径。
分析数据得出结论：水滴位置越高，下落时所产生的冲击力越大。
推断雨水的力量很大，对“滴水穿石”现象做出科学的解释。
活动2. 研究水流的作用
内容说明
学生在前面的科学学习中已经知道“水流有力量”。那么这种力量在流经地表的江河中是怎样表现的呢？
流水的侵蚀作用十分强大而普遍。流动的水体有很大的冲击力，它一方面冲刷侵蚀着地表岩石，另一方面可挟带着碎屑摩擦岩石，使岩石遭到破坏。全球约90%陆地表面受流水侵蚀作用的影响。沟谷和河流的流水冲刷使得谷底和河床不断加深加宽，大的江河在山区，由于水流急、动能大，能将高山切割成峡谷。如我国着名的长江三峡、金沙江虎跳峡、黄河三门峡等都是河流切割而成的。坡面上的水流，冲刷着整个坡面，使之趋于破碎。例如我国黄土高原，土层松厚，植被破坏严重，高原面受流水侵蚀作用，形成千沟万壑的地表形态。
流水特别是河流，是陆地上最主要的搬运动力。其搬运物质的来源是流水侵蚀作用的产物。流水的搬运能力与流速有关：流速大，搬运能力大；流速小，搬运能力小。流速相同，则粗大的、比重大的碎屑物质搬运得较近，细小的、比重小的碎屑物质搬运得比较远。因此岩石碎屑物质在流水搬运过程中进行着明显的分异作用，即碎屑物质顺着搬运方向逐渐变小。此外，碎屑物质在流水搬运过程中还进行着自身碰撞、摩擦，失去棱角变圆的作用，叫磨圆作用。其磨圆的程度与搬运距离的远近有关。一般来说，搬运距离远，则磨圆度较好。由于分异作用和磨圆作用，河流搬运的碎屑物质，其大小和磨圆程度在河流的不同河段具有明显的差异。河流上游的碎屑物质比较粗大，磨圆度较差，多为带棱角的砾石；河流中下游的碎屑物质颗粒较小，磨圆度较好，多呈圆形或次圆形的卵石和泥沙。流水常以推移、悬浮、溶解等多种方式进行搬运。其搬运的能力十分惊人。每年从大陆搬运到海洋里的泥沙约有2.2*1011t，输送到海洋里的溶解物质约为2.73*109t。
岩石风化侵蚀的产物，在外力的搬运途中，由于流速的降低，冰川的融化以及其他因素的影响，可以导致物质的逐渐沉积，这种作用称为沉积作用。在沉积过程中，颗粒大、比重大的物质先沉积，颗粒小、比重小的物质后沉积，形成了砾石、沙、粉沙、粘土等颗粒大小不同的沉积物。流水携带着泥沙流动时，由于流速降低，泥沙大量沉积，形成多种沉积地形。一般来说，在河流上游，流速大，动能也大，侵蚀作用强烈，沉积作用弱。中下游地区沉积作用较强，常常形成冲击平原。
教材表现的是用沙子、碎石等在托盘上堆起土堆、平原、峡谷、草地等造型，用喷壶洒水，观察草皮、沙子、碎石和水的运动变化。需要注意的是：实验用的沙子要提前用水浸润潮湿，否则不好造型，喷洒的水也会被沙子吸收，形不成“水流”。
教学建议
1、学习情境创设。可能的话，建议教师搜集一些江河流动的影像资料，实验活动前播放给学生看，让他们对水流的力量有一些感性认识。
2、结合影像资料和学生已有经验启发学生思考：雨水和融化的雪水在汇集、流动的过程中会对地表产生哪些作用？
3、模拟水流实验。
（1）组织学生讨论：怎样做出山地、平原、峡谷、草地等各种造型？
（2）为保证实验的科学性，操作中应注意哪些问题？（喷洒水的高度、水流的大小必须保持一致）
（3）提示学生及时记录观察到的现象，注意保持环境卫生。
（4）学生分组实验
4、交流研讨，得出结论：水流可以产生冲刷、搬运和沉积作用，改变地表形态。
5、联系现实生活中由水流造就的地貌：三峡、黄土高原，长江三角洲等，进一步理解水的冲刷、搬运和沉积作用。
*活动3.了解除水以外的其他自然因素对地表形态的影响
内容说明
这是选学内容。包括暗河、风沙、生物三种自然因素对地表形态的影响。
河水、地下水对岩石有化学侵蚀作用。石灰岩受到含有二氧化碳的流水的溶解和冲刷作用会形成溶洞、地下河等奇特的岩溶地形。如我国云南、广西等地这样的地貌比较多。
在我国西部干旱地区，风的侵蚀作用占主导地位。风可以吹扬起岩石的碎屑和地表的沙粒，并挟带着沙粒和岩石碎屑磨蚀岩石。久而久之，岩石就被磨蚀而破坏。特别在沙漠地区，地表疏松，风力很大，风蚀作用更为显着。
地表岩石在生物活动的影响下发生破坏的作用叫生物风化作用。它一方面使岩石发生机械破碎，如植物根部对岩石的穿透、挤压，动物对岩石的穿孔和搬运等；另一方面使岩石发生化学分解，如植物根可分泌有机酸或吸收岩石中某些成分，使岩石遭到破坏。生物风化还有成土作用，腐烂的植物和动物与岩石碎屑混在一起，混合物就被称为土壤。
自然因素对地表形态的影响主要表现形式有：风化作用、侵蚀作用、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用。它们是相互联系的统一过程，形成一个磨损和重建地球表面的循环。
教学建议
1、组织学生讨论暗河对地貌的影响，了解水的化学侵蚀作用。如果课时允许，可以做个小实验。
2、认识风蚀作用。可以借助图片和影像资料，让学生感受风沙的侵蚀，如风蚀柱、风蚀蘑菇等。还可以联想在大风、沙尘暴等天气里人体肌肤的感受。
3、认识生物风化作用。在活动3中主要是通过图片初步了解，活动4 将通过实验感知。
*活动4.研究种子萌发和生长的力量
内容说明
这是活动3的延伸。因为可以独立构成一个教学活动，所以提炼出来形成本课最后一个活动。在这个活动中，学生将看到种子萌发的力量将石膏顶得裂开，从而模拟自然界中的植物对岩石的穿透和挤压。具体实验步骤如下：
将石膏放在纸杯中，再加入15毫升水，用搅棒混合。
往杯子中放入3颗豆子，使其四分之一露出石膏表面。
将纸巾对折，用水浸湿，覆盖在石膏表面上。
把纸杯放在不易受干扰的地方约一周，每天把纸巾拿出来，观察记录石膏表面的样子。
时不时把纸巾浸湿，保持湿润。
教学建议
这个实验能在课上完成的只有前3个步骤，所需时间不多。因此教师要在一周的时间里随时提醒学生往纸巾上洒水，以保持种子的湿润，保证它能萌发。为防止种子本身存在问题，建议实验中至少放3粒种子。
3. 卵石的形成
教学目标
1．认识温度、水等自然因素对岩石的影响；知道岩石的风化、搬运、磨圆等地质作用，认识卵石的形成过程。
2．通过完成温度和水对岩石的影响以及岩石磨圆作用的实验，经历控制温度等条件模拟自然环境，探寻事物变化原因的科学研究过程，体验到模拟实验是科学研究的一种有效途径。在实验和研讨过程中，锻炼缜密的思维能力与合作交流能力。
3．通过实验研究卵石形成的原因，形成对地质科学研究的兴趣和重视实证的科学态度，体会到实验研究的意义。
内容设计
这一课是通过研究卵石的形成过程，综合认识自然因素对地表造成的影响。按照提出问题——推测——实验研究——得出结论的科学探究过程共编排4个活动。
活动1首先是通过文字给出问题：“从河流的上游到下游，河道里的石头有什么变化？其中有什么规律？”然后给出河流上、中、下游的图片，观察后对“河道中卵石的来源、演变过程以及有哪些自然因素起了作用”作出推测。活动2和活动3分别就温度和水对岩石的影响进行实验研究，活动4是个需要定量测量的实验，研究石块如何变成卵形，认识磨圆作用。最后综合活动2、活动3和活动4的研究，得出结论：风化和侵蚀作用使岩石分解，滚落到河道中的岩石在河水的搬运过程中，受到水的冲刷和石头间的相互摩擦、碰撞，棱角消失，变成了表面光滑的卵石。
教学准备
活动1：反映河道中的石头变化的图片、照片
活动2：镊子、酒精灯、冷水、1小块石头（板岩、页岩或风化花岗岩）、护目镜
活动3：石膏、冰箱、水
活动4： 80小块石灰石、带盖的大小一样的塑料瓶4个（容积约500ml）、水300ml、醋300ml、天平、毛巾或纸巾
活动1. 推测卵石形成的原因
内容说明
教材插图表现的是河流上游、中游和下游中石块的变化，并且用简单的文字启发学生思考：河道中的卵石是从哪里来的？它们是怎样变成卵圆形的？在卵石的形成过程中，有哪些自然因素起了作用？在学习了第2课“自然因素对地表的作用”之后，学生应该会从水的冲刷作用、搬运作用、沉积作用和生物风化作用等方面的影响作出推测。
教学建议
1、学生参与的教学准备。现在的学生大多有丰富的野外旅游的经历。教师一定注意充分调动学生已有的对岩石自然形态的认知，可以发动他们搜集自己在野外拍摄的、画面中有河流和岩石的照片，回忆画面中的景点处于河流的上游、中游、还是下游？观察画面中岩石的形态特点，分析其形成的原因。
2、引导观察和比较。出示有关一条河流的一组照片（选取典型的上、中、下游的画面），试着让学生排序，引导他们发现岩石形态的变化。
3、引发思考，作出推测。利用教材插图，组织学生分析推测卵石形成的原因，并记录在教材预留的横线上。
活动2. 研究温度对岩石的影响
内容说明
温度变化可使岩石膨胀和收缩。由于岩石是热的不良导体，岩石表层和内部受热不均，使得岩石表层热胀冷缩变化大，内部变化小。久而久之，岩石便层层剥离而破碎了。为了使学生更直观地认识这个问题，这部分内容安排了一个实验，模拟温度变化对岩石的破坏作用。教学时，选用板岩、页岩或风化花岗岩做实验，效果较好。
教学建议
1、组织学生观察：河流上游两旁的岩石有什么特点？（有很多纵横交错的裂缝，有的石块摇摇欲坠。）
2、分组实验：用镊子夹住一小块岩石在酒精灯上烧一会儿，然后立即把它放到冷水里。如此反复几次，观察岩石有什么变化？（岩石表面出现裂缝，甚至一块块往下掉碎屑。）
3、分析讨论：岩石表面为什么会出现裂缝？（由于冷热的作用，岩石胀缩不均而产生裂缝，就像冷玻璃杯用热水一烫会炸裂一样。）
4、小结：自然界中的岩石，也像实验中这块岩石一样，经常受到冷热的影响。白天，岩石被太阳晒得很热；夜里，岩石又变得很凉；夏天，岩石被晒得很热，冬季岩石又变得很凉。日子久了，岩石各部分胀缩不均，内部结构就受到破坏，产生裂缝。
活动3. 研究水对岩石的影响
内容说明
岩石裂隙中的水，当温度下降时结成冰，体积增大，因而对岩石的缝壁产生压力，使裂隙扩大；当温度回升时，冰融化成水向下渗透。这样不断的结冰融冰，最后把岩石劈开崩碎。
教学建议
该活动在课堂教学比较难以实现。一是因为实验室一般不具备冰箱， 二是因为水冷冻和融化都需要较长时间，还要反复几次操作，40分钟难以完成。因此建议教师课前自己动手实验，最好把自己实验的过程用录像、照相等方式记录下来，课堂上给学生讲解操作过程，展示实验过程的图像资料和最终结果，并提议学生回家后在家长的帮助下亲自实验。
活动4. 研究石块如何变成卵形
内容说明
这个内容是按照猜想——实验的思路编写的。实验材料可以是棱角明显的石灰岩碎块，也可以用碎砖头块代替。通过实验可以发现：这些碎石块由于水的冲刷和相互摩擦、碰撞，棱角消失了，变成了表面光滑的近似球形的卵石。
实验的设计包括摇动与否、水与醋的对比两种变量。摇动与否与摇动的力度实际上模拟的是水流的强度，水与醋的对比反映的是水质对岩石破坏程度的影响。水流动越快，对岩石的冲击力越大，岩石间的碰撞和摩擦也就越剧烈；水中含有酸性物质，对岩石的侵蚀越厉害，破坏越严重。这两种因素都会加剧岩石的磨圆作用。这是学生第一次接触两个变量的科学实验，教师要注意引导学生分析清楚自变量和因变量，控制好实验条件，保证实验的科学性和准确性。
教学建议
1、猜测：河道中的石头是怎样变成光滑的卵石的？
2、分组实验：按照教材中介绍的步骤操作。
天平的使用学生过去没有学习过，这里需要教师讲解。特别要强调以下几点：（1）使用之前指针调零；（2）被称量物体的质量不要超过最大量程；（3）天平有两个托盘，左边的放物体，右边的放砝码，即左物右码；（4）数据读取的方法：砝码和游码数值相加。
摇动的时间最好课前教师先实验一下，保证摇之后绝大多数石块变圆。还要注意的是，第二次称量岩石质量之前，一定用纸巾或毛巾将岩石擦干。数据的准确性对实验结论有很大影响，因此实验要严格控制变量。
3、组织研讨：石块的棱角哪里去了？怎样解释这种现象？根据实验结果推想，河道中的石块是怎样变成卵圆形的？
4、小结：河道中的岩石在河水的搬运过程中，受到水的冲刷和石头间的相互摩擦、碰撞，棱角消失，变成了表面光滑的卵石。
5、综合各种因素，分析卵石是怎样形成的？（风化和侵蚀作用使岩石分解，滚落到河道中的岩石在河水的搬运过程中，受到水的冲刷和石头间的相互摩擦、碰撞，棱角消失，变成了表面光滑的卵石。）
4. 人类活动对地表的影响
教学目标
1．认识到开凿运河、修建梯田、水库是人类的伟大创举；了解它们之所以产生的历史文化背景，以及地表在人类这些活动的影响下不断发生改变所带来的积极的和消极的影响。
2．尝试辩证地、综合地分析问题，考虑对同一现象做不同的解释。
3．认识到人类对地表形态的影响，既有有利的一面，也有消极的一面，或者从当前看有利，从长远看则不利。人类必须认识自然规律，并按自然规律办事，使地表形态向着有利于人类生产和生活的方向改变。
内容设计
在漫长的地质历史中，从人类出现至今仅短短的二、三百万年，但人类已经大大改变了地表的形态。如我国广大的平原地区，地表已大多被人工改造成农田、道路、房屋等。随着人类社会的进步和生产力水平的提高，人类对地表形态的影响也越来越广泛而深刻。
本课由3个活动构成：1、了解开凿运河对地表的影响。2、认识修建梯田和水库对地表的影响。3、城市化对地表的影响。运河、梯田、水库、城市建筑都属于大型工程，对地表形态的改变是最直接的，也是显而易见的。其实还有一些人类活动对地表形态有较大的影响，例如开采矿产、填海造路、绿化沙漠等，只是这些离学生的生活比较遥远，所以没有在教材里表现。教师可以根据本地区人们生产和生活的特点增加此类相应的学习内容。
通过以上三个活动，希望学生能够认识到，人类对地表形态的影响，既有有利的一面，也有消极的一面，或者从当前看有利，从长远看则不利。如我国黄河流域，由于人类活动破坏了植被，水土流失严重，黄土高原被侵蚀得千沟万壑。因此，人类必须认识自然规律，并按自然规律办事，使地表形态向着有利于人类生产和生活的方向改变。
教学准备
活动1：有关运河的历史资料
活动2：有关梯田、水库的历史资料
活动3：所在城市变迁的历史资料
活动1. 了解开凿运河对地表的影响
内容说明
京杭大运河，是中国古代一项伟大的水利工程，也是世界上开凿最早，里程最长的大运河。它南起浙江杭州，北至北京通县北关，全长1794公里，贯通六省市，流经钱塘江、长江、淮河、黄河、海河五大水系。一千多年来,一直是我国南北交通的大动脉,促进了商业、文化、服务等各行各业的兴旺发达。
苏伊士运河(Suez Canal)位于埃及境内，扼欧、亚、非三洲交通要道，从1859年开凿到1869年峻工，全长175公里。它沟通了红海与地中海，使大西洋、地中海与印度洋联结起来，大大缩短了东西方航程。与绕道非洲好望角相比，从欧洲大西洋沿岸各国到印度洋缩短5500—8009公里；从地中海各国到印度洋缩短8000—10000公里；对黑海沿岸来说，则缩短了12000公里，它是一条在国际航运中具有重要战略意义的水道。
教材选取这两条中外最着名的运河，考虑到它们最有代表性，查找资料也相对容易一些。希望学生了解运河产生的历史文化背景，了解它在改变地表形态方面所表现出来的积极意义。
教学建议
1、搜集资料：师生课前查找有关运河的图文资料。
分析研讨：开挖运河对地表造成怎样的影响？
开挖运河对地表的影响主要有：改变地貌；改变地表水流的分布
教师注意维持课堂讨论沿着“对地表造成怎样的影响”这条主线进行，切忌话题的偏离和杂乱无章。适当的时候借助学生发言中所涉及到的人文、历史方面的信息资料，过渡到下一教学环节。
3、认识运河的历史、文化、政治和经济意义。
学生根据自查资料讲述、交流，教师适当梳理和补充。
活动2. 认识修梯田和水库对地表的影响
内容说明
教材分三个层次展开：1、首先展现的是修建梯田和水库对人类的积极意义：使人类得到更多的粮食和充足的水源。2、进而引导学生思考：修建梯田和水库使地表发生了怎样的变化？如修建梯田：首先从外观上，山上原生植物被采伐，人们将山坡改造成梯状。再进一步分析，缺少植物的防风固沙作用，容易造成水土流失。因此，现在不少地方都在“退耕还林”。修建水库更
⑻ 气候变化的地温研究方法
早在1923年，美国地质学家（Lane E C）提出地表温度变化的信息向地下传播以瞬态变化的形式叠加在稳定的地温场上。1934年Hotchkiss W O和Ingersoll L R第一次利用钻孔温度测井数据计算了地表温度。随着全球变化日益突出，1990年美国地球物理学会（AGU）秋季年会专门组织“从钻孔温度推断气候变化”的专题讨论会；1991年国际大地测量及地球物理联合会（IUGG）20届大会上也专门组织了讨论会。国际热流委员会组建了全球变化工作委员会，推动其发展。
长周期的地表温度变化通过岩石的热传导，传入地下一定深度，成为地表气温变化的信息储存库。所以，钻孔地温测井资料是研究地表温度变化历史的理论基础。
如果不考虑地表温度变化，则在时间t=t0时，原始地温随深度变化为一条直线，并有相应的地表温度t0（见图7.1.1），而地温梯度为一常数g0。由于地表气温变化，假定气温升高，由t0变为t1并一直延续至今即t=t1。则在地表层不太深的范围内，原始地温叠加有地表气温，总的温度变化成曲线，如图7.1.1中虚线所示，并可显示出相应的地温梯度。根据这样的原理，现今根据钻孔地温测量，获得地下不同深度处的地温和地温梯度等相关数据，根据热传导微分方程，即可求出该处在t0到t1时间，地表气温上升幅度（即Δt=t1-t0）。
为计算方便，假定地层为无限大水平层状均匀介质，其导热率为k（z）；岩石单位体积热容量为ρc（z）；岩石放射性生热率为φ（z）。则有地表温度影响的地下任意深度（z）任一时刻（t）的温度为浓度和时间的函数t（z，t），可以认为是地温稳态温度T地（z）和地表气温瞬态变化叠加的函数T表（z，t）两部分组成，即
环境地球物理学概论
式（7.1.1）即为式（2.7.11）热传导微分方程的一个形式。
如果z=0处，T地（0）=t0；由式（2.7.1）地热流密度表达式中，当z→∞时，-k（z）=qb 为背景大地热流密度。则式（7.1.1）和式（2.7.13）相似，变为泊松方程
图7.1.1 地温变化示意图
环境地球物理学概论
表示该温度为稳态场。即为地热背景温度场。
式（7.1.1）中T表（z，t）为热传导的傅里叶微分方程：
环境地球物理学概论
边界条件为
环境地球物理学概论
初始条件为：T表（z，0）=0，式中TS（t）为地表温度的瞬态分量。
总的地表气温随时间变化为
环境地球物理学概论
也就是在钻孔测量资料中去除稳态的大地热流密度，余下的为瞬态地表气温变化温度。
图7.1.2（a）是上海气象台1880～1980年平均气温记录，可以看出有逐年升高趋势。图7.1.2（b）是根据气象模型计算的地表层温度随深度变化曲线，可以清楚看出地表层一定深度范围内有温度变化。理论计算表明，深度500 m左右的地温变化能反映近100 a以来的气温变化。
全球变化研究表明，在过去1个世纪中气温大约增高0.6℃。表明温室气体使全球变暖。许多研究在全球不同地区，得到基本相同数量级的结论。大致在0.3～0.8℃范围，美国Lachenbruch等人，在阿拉斯加北部对大量钻孔温度数据进行研究，结论是该地区过去近100 a来气温增高2～4℃；捷克地球物理研究所所长（Cermak）博士研究古巴30多个钻孔测温资料，指出过去200～300 a间气温增高2～3℃，加拿大魁北克大学教授Mareschal等研究加拿大中东部大量钻孔测温资料报道该区过去100～200 a气温增高1～2℃，此外还报道有加拿大北部极地百年变化（3℃/100 a）；美国西部（0.6℃/100 a）；中北部（0.5～2℃/100 a）；南美［2～3℃/（50～150）a］。
图7.1.2 气温及地表层温度变化
利用四川攀西地区两个钻孔（ZK106，ZK202）测温资料进行反演计算得出该地区古气温变化，与上海气象台记录的气温对比，如图7.1.3所示。因钻孔上部有裂隙水活动，有的数据难以使用（只能剔除）。两个相距200 km的钻孔测温数据表明，该地区在1600～1920年期间地表气温升高1℃，而且这一结果与上海气象台的实际纪录（图中细线）相一致。图7.1.3中内镶图为上海台记录与钻孔资料反演结果对比的放大图。
图7.1.3 四川攀西地区气温变化
理论计算表明，地表气温变化影响地下温度变化，大约每10 a向下深入30～40 m，每百年深入100～150 m。利用地温变化反演古气温变化可达几个世纪。
有些地区的地温资料研究结果的结论是气温降低。经研究在加拿大地区气温增高起始时间大约是1890年，而在500 a前曾经历过气温下降的变冷时期，这与同位素δ18O研究结果相一致。
由地温变化推断气温变化是一项难度很大的工作，干扰因素也比较多，需要仔细的研究资料。