① 地球内部结构和组成的研究方法
1.地球物理方法
地球物理方法主要是应用深部地球物理探测的多种方法（如地震、重力、大地电磁等），从地球各个圈层的物理性质的角度，获得地球的物理模型，再应用其他研究结果，将地球物理模型转化为岩石学模型或者化学成分模型。
2.大洋钻探和大陆超深钻
这是人类能够借助技术方法直接触及地球深部获得实际地质样品的唯一方法，最早的深部钻探是在大洋中实现的。20世纪60年代开始的深海钻探计划（DSDP,1968～1983年）和后续的国际大洋钻探计划（ODP,1985～2003年）直接揭示了大洋岩石圈的性质，验证了海底扩张和板块构造学说，使全球板块构造学说成为20世纪的重大科学成就之一。对于地质构造更为复杂的大陆，更加需要钻探方法来直接验证，如20世纪90年代开始实施的国际大陆科学钻探计划（ICDP）。大陆科学钻探可以分为浅钻（<2000m）、中深钻（2000～5000m）、深钻（5000～8000m）和超深钻（>8000m），前苏联科拉超深钻井深为12261m，德国KTB超深钻为9101m，我国江苏东海的科学钻探终孔深度为5158m。由于技术的限制，大陆科学钻探的难度很大。
3.岩石包体
来自于深部的岩浆携带的不同尺度的深源包体，在岩浆喷发到地表或者侵入到地壳的浅部，最后被人们观察和取样，这是来自于地球深部的物质实体。深源包体包括来自于深部地壳的（如下地壳麻粒岩相、中地壳角闪岩相以及各种片麻岩类等地壳层次的岩石）、上地幔的（尖晶石相、石榴子石相等）各种橄榄岩包体，这些是揭示深部岩石圈的结构和组成的最好证据。
4.岩浆作用反演
基于已有的实验岩石学和岩石成因的理论，通过地表采样的岩石系统的岩石学和地球化学研究，可以推测该岩石从下地壳或者上地幔的深部原岩经过部分熔融产生岩浆，岩浆进一步形成和演化的整个过程。岩浆作用反演可以帮助推测地球内部不同圈层的性质。
5.高温高压实验
选择天然的或者人工合成的样品，模拟地球内部高温高压或者加入流体等条件，在实验室进行岩石的熔融或者结晶实验，测定岩石在高温高压条件下的各种物理性质（弹性波速度、电导率、密度等）。这是开展岩石成因研究的重要手段，也是将地球物理获得的地球内部的物理模型转化为岩石学和地球化学等物质模型的桥梁。
② 地球科学的研究对象和研究内容
人类生活在地球上，衣食住行等一切活动都离不开地球。如人们要靠山川大地获取生活资料以维持生命，要从地球中开采矿物资源制造生产和生活工具，要了解地球上的自然地理和气候条件以便发展生产，要与地球上发生的各种自然灾害作斗争。因而，人类在长期的实践中逐步加深了对地球的认识，并且逐渐形成了一门以地球为研究对象的科学——地球科学（geoscience）。
地球科学简称地学，是数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学六大基础自然科学之一。地球科学以地球为研究对象（图0-1），包括环绕地球周围的气体（大气圈）、地球表面的水体（水圈）、地球表面形态和固体地球本身。至于地球表面的生物体（生物圈），由于其研究内容广、分支学科较多、研究方法具有特殊性，因而已独立成一门专门的基础自然科学——生物学。但生物的起源与演化、生物体与生存的地球环境之间的关系也属于地球科学的研究范畴。
图0-1 地球系统（包括各圈层子系统）及其宇宙环境
作为地球科学研究对象的地球，实际上由多个性质不同的圈层组成；从地心到大气层的最外侧，可分为地核（包括内核、过渡层和外核）、地幔（包括下地幔和上地幔）、地壳（或岩石圈）、水圈、生物圈（包括人类圈）和大气圈等，它们共同组成一个相互依存、相互作用的统一系统，称为地球系统；地球系统的各个圈层属于其子系统，子系统还可进一步分为不同的级次。整个地球系统处于不断地运动、变化过程之中。地球空间以外的地月系、太阳系、银河系等构成了地球系统的宇宙环境。现代地球科学为了更深入地认识地球系统的运动、变化特征与规律，已将其研究对象扩展到了地球系统的宇宙环境（图0-1）。
地球科学是一门理论性和应用性都很强的科学。它不仅承担着揭示自然界奥秘与规律的科学使命，同时也为生活在地球上的人类如何利用、适应和改造自然提供科学的方法论。随着生产和科学技术的发展，地球科学的研究内容和领域也在不断地深入和扩展，逐渐形成了日臻完善的由多学科组成的综合性学科体系。地球科学目前主要包括地质学、地球物理学、地球化学、地理学、气象学（或称大气科学）、水文学、海洋学、土壤学、环境地学、地球系统科学等学科。其中，地质学由于其研究领域广博、分支学科较多，并且以研究地球的本质特征为目的，因而成为地球科学的主要组成部分，以至于人们有时把地质学和地球科学作为同义语使用，其实两者的含义是有差别的，它们具有包容关系。随着科学的发展，地球科学还会不断地诞生新的学科和出现一些边缘学科。
地理学（geography）主要研究地球表面的各种地形、地理环境及其结构、分布和演变规律，并涉及自然和社会两个领域之间的相互关系。地理学一般可分为自然地理学和人文地理学两大组成部分。自然地理学是研究自然地形、地理环境的结构及发生、发展规律的学科，主要包括普通自然地理学、区域自然地理学、地志学等。人文地理学是研究人和社会与自然地形、地理之间的相互关系的学科，主要包括政治地理学、社会地理学、人口与聚落地理学、经济地理学、历史地理学等。
气象学（meteorology）以地球周围的大气圈为研究对象，主要研究大气的物质组成、各种物理性质、物理现象及其变化规律。其研究内容很广泛，包括许多分支学科和应用学科；其目的在于揭示大气中的各种物理现象和物理过程的发生、发展本质，从而掌握并应用它为人类生活和国家经济建设服务。气象学的主要分支学科有大气物理学、天气学、气候学、高空气象学、动力气象学等；主要的应用学科有卫星气象学、无线电气象学、航空气象学、海洋气象学、农业气象学、林业气象学等。
水文学（hydrology）和海洋学（oceanography）以地球表面分布的水体为研究对象。水文学主要研究地球上江河、湖沼、冰川、地下水以及海洋等各种水体的数量、质量、运动变化与分布规律，以及它们与地理环境、生态系统和人类社会之间的相互影响与相互联系。海洋学是以海洋作为一个独立体进行研究的，它实际上是从地球科学的其他几个分支学科中独立出来的，这是由于海洋在现代地球科学、人类生存环境和未来社会发展中的地位越来越重要的缘故。海洋学是研究海洋中发生的各种现象和规律及其相互关系的各门学科的总称，根据研究内容不同可分为物理海洋学、海洋水文学、海洋化学、海洋生物学、海洋气象学和海洋地质学等。
土壤学（soil science）以地球表面发育的土壤层为研究对象。主要研究土壤的物质组成、结构、类型、分布和形成发展过程。根据具体研究内容和应用领域的不同，土壤学也有一些分支学科，如土壤生物学、土壤地理学、土壤气候学、土壤物理学、土壤化学、土壤地质学等。
地球物理学（geophysics）是应用物理学的方法研究地球的一门学科，是近代发展起来的地球科学与物理学相结合的一门重要边缘学科。广义的地球物理学的研究对象包括固体地球及其表部的水体和周围的大气圈。但由于水体和大气圈的研究都已建立起相应的独立学科，所以一般所称的地球物理学是狭义的，其主要研究对象是固体地球，因而也可称之为固体地球物理学。地球物理学重点研究固体地球的各种物理性质、物理现象及其发生与发展过程、地球的内部构造与组成、地球的起源与演化等。其主要分支学科有地震学、地磁学、重力学、地热学、地电学、大地测量学、大地构造物理学和应用地球物理学等。其中，应用地球物理学主要是研究地球物理勘探方法及其在地球资源的勘探与开发、地球环境的监测与保护等方面的应用。
地球化学（geochemistry）是应用化学的方法研究地球的一门学科，也是近代发展起来的地球科学与化学相结合的一门边缘学科。地球化学主要是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学。其主要分支学科有元素地球化学、同位素地球化学、岩石地球化学、矿床地球化学、区域地球化学、海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、宇宙化学、地球化学热力学等。
地质学（geology）研究的主体对象也是固体地球，当前主要是研究固体地球的表层——地壳或岩石圈。地壳或岩石圈的厚度一般为几十千米到300 km左右，与地球的半径（平均约6371 km）相比只是一个很薄的表壳。这一薄壳之所以成为地质学当前研究的主要对象，一方面是出于实际需要，因为这一层与人类的生活、生产及生存直接相关；另一方面是受现时人类能力的限制。人们可以直接观测和研究地球表层，但现阶段人类尚无能力对地下深处进行直接研究。钻井取样是目前人们获取地球较深部物质进行直接研究的唯一途径，但由于受当前技术水平的限制，钻井所能达到的深度是有限的。目前世界上最深的钻井（12.5 km）位于俄罗斯西北部的科拉半岛，这一深度尚不足该区大陆地壳厚度的1/2。可以相信，随着科学技术的发展，地质学研究的对象将不断向地球的深部（如地幔、地核）扩展。
地质学的研究内容主要包括固体地球（重点是地壳或岩石圈）的物质组成、内部构造和形成演化历史。按其研究内容和任务的不同，地质学的主要分支学科可简单列举如下：
1）研究地球的物质组成方面的学科，如结晶学、矿物学、岩石学等；
2）研究地球的内部构造方面的学科，如构造地质学、构造物理学、区域构造学、地球动力学等；
3）研究地球的形成演化方面的学科，如古生物学、地层学、地史学、古地理学、地貌学及第四纪地质学等；
4）研究地质学的应用方面的学科，可分为两个方面：其一是研究地下资源方面的分科，如矿床学、石油地质学、煤田地质学、水文地质学等；其二是研究地质与人类生活环境及灾害防护方面的分科，如工程地质学、环境地质学、地震地质学等。
此外，人们为了更好地研究上述地质学的各个方面，不断地吸收和借鉴其他一些学科的先进理论、方法和技术，用以促进和深化地质学的各项研究，于是逐渐形成了一系列的边缘学科，如数学地质、同位素地质学、天文地质学、遥感地质学及实验地质学等，这些边缘学科在现代地质学各领域的研究中发挥着极其重要的作用。
环境地学（environmental geoscience）是地球科学和环境科学相结合形成的一门边缘性学科。主要缘于20世纪中叶以来，由于世界各国工业、农业、军事、航天、交通等产业的飞速发展，给地球的自然环境带来了巨大的影响，这种影响有些是直接的（如污染问题）、有些是间接的（如气候变化），已经严重地影响到地球的自然生态和人类的生存与发展，因而受到全人类的广泛关注。环境地学主要研究地球自然环境的组成、结构、形成、演变以及环境的破坏、污染、防止、保护、改良与评价等。根据地球科学中各学科所研究的侧重点不同，又可分为环境地质学、环境地理学、环境气象学、环境水文学、环境海洋学、环境土壤学等。
地球系统科学（earth system science）主要是地球科学在20世纪后期以来逐渐兴起和发展的一门综合性边缘分支学科。地球系统科学把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、地壳（或岩石圈）、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈（包括人类社会）等所组成的统一系统；重点研究地球各组成部分（即子系统）之间的相互作用、宇宙环境对地球系统的作用与地球系统的动力学过程，地球系统不同时空尺度的演化与全球变化等；其目的是了解整个地球系统的过去、现在及未来的行为，服务于人类社会的可持续发展（图0-1）。
地球系统科学强调用系统论的观点来考虑问题，用系统的方法来描述问题、解析问题，最后作出科学的预测。一些学者进一步将地球系统科学的这种系统方法论诠释为整体观（各子系统的统一性与相关性）、全球观（全球尺度）、动态演化观、复杂性观、相互作用观（子系统之间的相互作用）、行星地球-宇宙观（宇宙环境的影响）、学科交叉与综合观等。虽然地球系统科学的某些领域的研究已取得了许多重要进展（如地球系统的动力学、全球变化科学、数字地球学等），但我们必须认识到其目前尚处于创立与发展过程中，有关地球系统科学研究的方法论、研究领域与研究内容、分支学科等都尚未形成完整的体系，仍处在探索与发展之中。
③ 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。
④ 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。
⑤ 地球科学的主要研究方法有哪些
系统方法
在地理学中的广泛应用是从20世纪50年代开始的。由于系统论的出现而产生了地理系统概念。地理学位于自然科学和社会科学的交接点上，由许多相对独立而又相互联系的一些分支学科所组成，因此综合研究地理系统显得尤其重要。系统方法为这种研究提供了重要手段。
模拟方法
种类很多，地理学多应用数学和物理模拟。它的意义在于条理化、简化、概括所研究的事物和过程，以深入探明其本质和活动规律。目前在地理学中已建立了很多模型，如自然综合体、生产综合体、城市、土地利用、人口分布、运输流等。但也不是所有的事物和过程都能用模型加以确切的表示，甚至有时建立模型时的简化会歪曲事物和过程的本来面目，故在建立模型时应加以注意。
数学方法
第二次世界大战以后开始引进地理学研究。庞大复杂的研究对象和简单的研究方法及手段成为地理学发展缓慢的一个重要原因。引用数学、物理等学科的精确方法和新技术成为地理学界的愿望和长期努力的目标。数学方法可使地理学变得比较严谨、精确和完善。数学严密的公理体系、数学思维和数学结构，对于地理学具有理论和实践意义。地理学利用它们来解释地理现象及其变化，用定量指标来表达地理结构，提高了地理学研究的严谨性、系统性和精确度，并由此产生了地理数量方法。电子计算机的应用使大量的地理信息能及时、准确地得到处理。利用电子计算机整理资料，要求地理资料规范化、数值化，但目前地理学的数字资料还不够充分、精确度不高。因此，采用数学方法并不意味着可以轻视传统方法，两者是互为补充、相辅相成的。
遥感方法
1961年苏联人造地球卫星拍摄了地球表面像片。现在卫星图像已经成为地理学研究的一个很普及的工具。遥感方法从根本上改变了过去的地理考察方法和凭借人力的简单观察，在广度和深度上扩大了视野，获得的地理信息数量大大增加。