地球科學是壹門既古老而又年輕的科學。說其古老，是因為有關地球科學知識的萌芽與積累從人類誕生的那天起就已開始；說其年輕，是因為地球科學的主要學科的真正創立只是最近幾個世紀的事情，並且迄今為止，地球科學雖已發展成為壹個較為完善的科學體系，但其中仍存在許多重大基礎理論問題未獲解決，並且還不斷地湧現出新的重大科學問題。地球科學的發展歷史大致可分為三個階段，即：古代地球科學知識的萌芽與積累階段（17世紀以前）、地球科學的主要學科的創立與初步發展階段（17～19世紀）、地球科學的革命與全面發展階段（20世紀至今）。現今地球科學正處在壹個革故鼎新的關鍵時期，可以預見，在不遠的將來，地球科學將進入壹個全新的、更成熟的發展新階段。
（壹）古代地球科學知識的萌芽與積累（17世紀以前）
有關地球科學的知識與人類生活密切相關，其思想的萌芽可以追溯到遠古時代。隨著人類文明的發展，地球科學知識也得到了不斷積累。我國是具有悠久歷史的文明古國，其地球科學思想萌芽之早、知識積累之豐富是任何其他國家都不能比擬的，現僅舉幾例，可見壹斑。
《禹貢》、《山海經》、《管子》是成書於春秋戰國時代（公元前770～公元前221年）的最早壹批有關地理、地質、水文、氣象的著作。《禹貢》記載了公元前21世紀大禹治水時候所了解的全國各地的礦產情況和山川地形。《山海經》除記述了山嶽、河流、湖泊、沼澤、氣候與氣象等之外，還記述了巖石（礦石）及礦物（金屬與非金屬礦物）72種，礦產地440多處，此書把礦產劃分為金、玉、石、土四大類，這是世界上最早提出的礦產分類。《管子》壹書曾對金屬礦床與找礦知識有精辟論述，指出了利用礦物***生組合及“鐵帽”等作為找礦標誌的科學方法。該書還曾對河流的橫向環流、側蝕作用形成河曲的過程進行了正確分析。
東漢傑出的科學家張衡於公元132年創造了世界上第壹臺地震儀——候風地動儀，公元138年在洛陽用這臺地震儀正確測出了發生在650 km外的隴西地震（圖0-5）。
《水經註》是南北朝卓越的地學家酈道元在研究前人著作的基礎上，結合自己的實際考察，於公元512～518年編寫的著名地學著作。書中涉及地域廣泛（包括中國及部分鄰區），記述內容包括河流、瀑布、湖泊、風沙、溶洞、火山、地震、山崩、地滑、溫泉、隕石、化石、礦物、巖石和礦產等多方面的地質、地理及水文等內容，至今仍有參考價值。
圖0-5 張衡的候風地動儀及簡要原理
（引自徐邦梁，1994）
宋朝沈括（1031～1095年）所著《夢溪筆談》是壹部百科全書式的光輝著作，其中涉及地球科學領域的包括隕石、地震、礦物、礦床、化石、河流、地下水、海陸變遷、地形測量和制圖等多方面。例如，書中論述了流水的侵蝕作用與沈積作用；推斷華北平原是由河流自上遊搬運泥沙到下遊沈積而形成的沖積平原；沈括還根據太行山東麓山崖間所見海生螺蚌化石，推斷東距大海千裏以外的該地在古代曾經是海濱；他還根據化石推測古地理、古氣候的變遷。沈括對化石的正確認識比意大利人達·芬奇所提出的類似觀點要早400年；他在分析地質問題時使用的古今類比法比萊伊爾《地質學原理》所應用的“將今論古”的方法要早700多年。沈括還首次使用“石油”這壹科學術語，該術語被壹直沿用至今。
《徐霞客遊記》是明朝徐宏祖（1586～1641年）撰寫的壹部考察紀實性著作，書中對我國許多地區的巖溶、火山、溫泉、水文、地貌及礦物等作了極有價值的記述。
《天工開物》為明代宋應星（1587～1661年？）所著，書中詳細記載了非金屬礦物的產地、形狀及性質；並根據煤的硬度與揮發性提出了世界上較早的煤分類法；特別是第壹次系統論述了我國采礦工程技術，對礦藏開采、井下支護、通風、礦井充填、礦石洗選等都有細致描述。
由此可見，我國古代地球科學思想非常活躍，積累了豐富的理論和實踐知識，這壹領域的研究與成就當居世界前列。但是由於我國封建社會（特別是後期）的閉關自守，重視習文讀經，輕視生產技術和自然科學知識，搞文化專制統治，嚴重阻礙了科學的發展，使近代地球科學的壹些主要學科沒能在中國這片沃土上誕生。
國外古代地質知識的萌芽與積累主要集中於歐洲。
古希臘學者畢達哥拉斯（約公元前571～公元前497年）、亞裏士多德（公元前384～公元前342年）、狄奧弗拉斯特（公元前370～公元前287年）等都曾對火山噴發、地震和尼羅河三角洲的形成進行了觀察和解釋，並根據巖層中的貝殼化石得出海陸變遷的概念，他們還對部分巖石、礦物作了初步分類和描述，還對壹些天氣現象作過適當的描述與解釋。
古羅馬的斯特拉波（Strabo，公元前63～公元20年）著有《地理學》，書中論及了有關化石、海陸變遷、火山、地震、河流的搬運與沈積作用等許多方面的地質問題。老普裏尼（Pliny the Elder）於公元77年著出《自然史》，書中曾對礦物進行了專門論述，包括當時使用的各種礦物、建築用石材、礦石及礦床、采礦及冶金方法等。同時代的西尼卡（Seneca）著有《自然問題》等書，論述了有關地震、地下水和地面水問題，認識到河流對山谷的侵蝕作用。
14～16世紀歐洲的“文藝復興”運動給地球科學的發展帶來了生機，為地球科學的壹些主要學科的創立準備了條件。
15世紀末至16世紀初，哥倫布、麥哲倫等相繼環球航海成功，證實地球是球形，並對大洋和大陸的輪廓有了初步了解。1530～1540年，哥白尼寫成了《天體運動》這壹偉大著作，提出了“太陽中心說”。這對該時期的地球科學研究起了重要促進作用。
意大利藝術家達·芬奇（1452～1519年）早年曾領導開鑿運河工程，他對化石進行了細致的觀察和研究。他認為，現今內陸或高山上發現的海生貝殼化石，是原先生長在海水中的生物，後來埋藏在泥沙中而形成，並由此推測海陸變遷歷史。他還明確指出，地球是壹本書，這本書早於文字記載，科學的任務就是辨讀地球自身的歷史痕跡。
德國的阿格裏柯拉（Agricola，1494～1555年）壹生著有七部地質專著，除了敘述德國采礦業的發展以外，還根據礦物的物理性質對其進行分類，對礦物與金屬礦床的形成及相互關系作了論述，並涉及古生物學等問題。後人譽之為“礦物學之父”。
（二）地球科學的主要學科的創立與初步發展（17～19世紀）
對於氣象學，從古代到16世紀只限於零碎的定性觀察和描述，還談不到獨立的科學。17世紀，由於工業和自然科學的發展，特別是物理學的成就，使較精密的氣象儀器相繼發明，有關氣象學的理論也得到很大提高，使氣象學逐步發展成為獨立的科學。
意大利物理學家和天文學家伽利略（Galileo）於1593年發明了溫度表，意大利物理學家和數學家托裏拆利（Torricelli）於1643年發明了氣壓表。由於有了溫度表和氣壓表等氣象儀器，1653年在意大利北部建立了氣象觀測站，以後許多國家也相繼建立氣象臺站。由於廣泛的氣象觀測，獲得了豐富的資料，氣象學的研究逐步深入。此後，隨著無線電通訊技術的發展，使氣象觀測結果能很快地傳到各地，給予編制和研究天氣圖以可能性。1860～1865年間天氣圖迅速發展起來。19世紀末，在小範圍內已開始了高空探測的高空氣象學。
在地球科學中，地質學的創立具有劃時代的意義。歐洲18世紀開始進入產業革命時期，隨著生產力的提高和近代工業化的急速發展，對礦產的需求日益增加，因而促進了找礦和地質調查工作，使地質知識與資料迅速積累，逐步形成了系統的地質學理論和研究方法，於是地質學作為壹門獨立的科學誕生了。
在地質學的創立過程中，學術思想論戰曾起到了重要的促進作用。當時的論戰是在“火成論”者與“水成論”者之間及“均變論”者與“災變論”者之間進行的。
“水成論”者認為，組成地殼的所有巖石都是從原始海洋物質中結晶、沈澱形成的，他們否認地殼運動的存在，主張地球從取得現有形態以來沒有發生過大的變化。“水成論”者的代表人物是德國弗萊堡礦業學院礦物學教授魏爾納（A.G.Werner，1750～1817年），他對礦物學的研究有卓越貢獻，由於他豐富的知識和口才，使他馳名歐洲，對傳播地質學起了重要作用。魏爾納1775年在弗萊堡開始講學，“水成論”興起，由於他的聲譽和擁有眾多門生及崇拜者，加之教會的支持，使得“水成論”在18世紀後期的歐洲占據統治地位。
“火成論”者的代表是蘇格蘭地質學家赫頓，他發現花崗巖脈穿插在沈積巖中呈侵入接觸關系（有烘烤及冷凝邊），認為除沈積巖外，還有巖漿巖和變質巖，並認為地殼處於不斷的演變之中，這壹過程是緩慢的，過去發生的變化和現代進行的演變過程是類似的。他較正確地論述了三大巖類的成因及地殼運動的影響。赫頓1785年發表最初的《地球理論》論文，提出“火成論”，1795年重新發表《地球理論》著作，系統論述了自己的觀點。該書為地質學的創立奠定了基礎。
自此，“水成論”與“火成論”的論戰愈演愈烈，隨著人們了解到更多的地質現象，到19世紀初，“水成論”觀點逐漸被拋棄，“火成論”取得了勝利。
“災變論”者的代表是法國學者居維葉（D.G.Cuvier，1769～1832年），他在研究巴黎盆地地層中的生物化石時發現，在相隔很近的巖層中動植物化石群的種屬有顯著差異，曾經壹度出現的古生物種屬，後來竟完全絕滅而代之以新的種屬；他還看到較老巖層發生褶皺，上面蓋以水平的沈積巖層。於是他便認為地殼曾經發生巨大變革，產生世界規模的大災變，致使地形改變、生物滅絕，以後在壹定的時間內又重新創造出新的動植物來；地球上曾經歷了多次這樣的大災變和再創造過程；最後壹次大災變發生在五六千年以前，並造就了地球的現今面貌和生物特征。居維葉的“災變論”強調地質發展過程中的突變階段，雖有合理成分，但他否認地球的漸近發展過程，並把其演變歷史歸結為古今沒有聯系的壹系列不可知的突然事件。居維葉的重復創造與不可知的觀點，特別是最後壹次災變的時間與聖經中論述的“大洪水期”和“諾亞方舟”神話壹致，因而受到了教會的歡迎，得到廣泛傳播。
與“災變論”針鋒相對的是生物進化論和地質學的“均變論”。法國學者拉馬克（Lamark，1744～1829年）在研究巴黎盆地第三紀古生物化石時，發現生物的種與種之間有過渡關系，某些種屬是由另壹種屬發展而來的，並有由低級種屬向高級種屬演變的規律。他認為生物進化過程是極其漫長的，它與地球的演變歷史同時進行。英國地質學家萊伊爾繼承了赫頓的思想，經過與“災變論”的多次論戰，在結合前人成果及大量實際資料的基礎上，於1830年出版的《地質學原理》第壹冊中明確提出了地質學的現實主義原則（即“將今論古”），指出地球的發展歷史是漫長的，解釋地球的歷史用不著求助於上帝和災變，那些看來非常微弱的地質動力，經過長期緩慢的作用過程，就能使地球面貌發生巨大變化。這就是“均變論”的主要思想。
隨著《地質學原理》壹書的問世，“均變論”的思想逐漸取代了“災變論”，現實主義原則也成為了地質學方法論的壹條基本原則。但是“均變論”強調“古今壹致”與漸近發展的同時，本身又存在忽視在地殼發展過程中有飛速發展階段（突變）的片面性。
萊伊爾的《地質學原理》（***三冊）是壹部劃時代的著作，它確定了地質科學的概念，總結了地質科學的研究方法，初步建立了地質科學的體系，是地質科學創立的標誌。自此以後，地質科學進入初步發展時期，到19世紀末已獲得了很大進展。在研究地殼的物質組成方面，用顯微鏡研究巖石和礦物的方法得到充分發展，地球化學的工作也逐漸開展起來。
在研究地殼的演化歷史方面，逐漸建立起了比較完善的相對地質年代表。北美學者霍爾、丹納根據對美國東部造山帶的研究，提出了“地槽”學說，對地質學研究產生了深遠的影響。在地質學的應用方面，礦床學進壹步發展，並誕生出了石油地質學。地震地質學、工程地質學等也開始逐漸發展起來。
17世紀德國地理學家瓦陵尼阿士（1622～1650年）的《普通地理學》開始介紹哥白尼、伽利略的“太陽中心說”，提出專論地理學和通論地理學的區別。前者描述特定地區，後者闡述壹般原理。18世紀末至19世紀初，德國洪堡德（1769～1859年）與李特爾（1779～1859年）奠定了近代地理學的基礎。
洪堡德的代表作是《宇宙：世界的自然描述概略》，***五卷。他最早采用計算氣象要素平均值的方法研究氣候，提出等溫線的概念，1817年繪制出第壹幅世界年平均溫度分布圖，提出大陸東西兩端的氣候差異和海洋性氣候、大陸性氣候類型。他觀測了地勢升高100 m氣溫下降0.6 ℃的垂直遞減現象，研究氣候與植物分布、類型的關系，提出平原植物分布的水平地帶性和山地植物分布的垂直地帶性。他最早運用地形剖面圖和地理比較法研究地理現象的規律性，奠定了自然地理學特別是氣候學與植物地理學的壹般原理。
李特爾通過區域描述和地面現象綜合比較，研究地理環境對人類活動的影響。他強調地理學要以人地關系為主旨，提出比較地理學的概念。1817年李特爾的《地理學》第壹卷出版，到1859年***出版19卷。
此後，地理學得到了進壹步發展。德國地理學界比較著名的學者和學派有拉采爾的“地理環境論”、赫特納的“地理學方法論”等。法國比較重要的地理學派有維達爾·白蘭士和白呂納的“人地相關論”等。美國著名的地理學說有戴維斯（W.M.Davis，1899）的“地貌侵蝕循環說”，該學說主張陸地自然面貌是由侵蝕造成，認為地表形態是連續的，又有階段的，是地球內部結構與外部營力的結合。他把河流發育分成青年期、壯年期和老年期，地殼上升使河流復活。他的學說奠定了自然地理分析的基礎。
（三）地球科學的革命與全面發展（20世紀至今）
20世紀以來是現代地球科學發展的新時期，在這壹時期，傳統的地球科學發生了壹系列的革命，其中影響最為深遠的是固體地球科學（包含地質學和地球物理學等）的革命。
固體地球科學的革命主要是大地構造理論上圍繞活動論與固定論發生的思想革命。傳統的地質觀念認為，大陸及海洋只在原來的位置上作垂直升降運動，其相對位置未發生顯著變化，故被稱為“固定論”，“地槽”“地臺”說是其典型代表。“活動論”者認為，大陸曾有過長距離的水平運動，大陸和海洋的相對位置是不斷變化的。代表“活動論”的大地構造學說是“大陸漂移—海底擴張—板塊構造學說”。經過近半個世紀的爭論，到20世紀60年代末期，以現代地質及地球物理研究成果為基礎的板塊構造學說取得了決定性的勝利，並由此推動了地質學與地球物理學領域的壹場深刻革命。
與此同時，隨著科學技術的進步，20世紀以來的地質學獲得了前所未有的全面發展。高溫高壓實驗技術、同位素地質年齡測定技術、電子計算機、電子顯微鏡、大陸超深鉆與深海鉆探技術等給地質學的發展以極大的推動作用，使地質學逐步由定性描述與分析向半定量、定量分析與研究發展。地球物理、地球化學方法在研究地球及地殼的物質組成、結構構造及運動特征方面取得了豐碩成果，成為推動地質學發展的強大動力。航天技術在地質學上的應用取得了重大成就，以航天技術為基礎的新興的天文地質學顯示出旺盛的生命力。這些研究將為人類最終了解地球起源與演化、解決許多重大地質問題發揮重要作用。
地質學的應用是促進地質學發展的動力，20世紀以來除傳統的礦床學不斷發展，提出了許多新理論之外，石油地質學的發展尤其令人矚目。水文地質、工程地質、地震地質等的研究也發展迅速。特別是20世紀中期以來，環境地質研究的重要性越來越引起人們的註意，正在向縱深方向發展。
20世紀以來在地理學上也發生了重要的革命，特別是研究方法與手段上的革命，通常稱為地理學的計量革命。20世紀50年代，地理學開始采用現代數學方法分析地理問題。1955年，美國華盛頓大學地理系在加裏遜主持下開設第壹個應用數理統計研究班，推動計量地理學發展。1963年，伯頓提出“計量革命”口號，使這壹趨勢推向歐洲和全球。地理學計量革命的實質是用現代數學方法和計算機，運用模型和模擬，使地理學的理論精確化，計算快速化，從傳統的定性分析向定性和定量分析相結合過渡。20世紀60年代以來，在計量革命的推動下，人們把地理環境和區域看作是壹個系統，大量地應用計算機、遙感、遙測等新方法，對系統及其相互作用進行模式化、公式化，用數字、圖像等定量表達人地關系，說明區域差異與變化，從而對地理環境的演化進行科學預測，以期達到人地關系的最優化。這就是“地理信息系統（GIS）”的成功開發與廣泛應用。這樣，使地理學由以前的現象描述發展到科學解釋和定量預測的新階段。與此同時，由於社會的需要，應用性的地理分支學科大量湧現，如工程地理學、環境地理學、資源地理學、應用景觀學等。
20世紀以來氣象學的革命性變化更加突出。在20世紀的前50年，氣象觀測開始由傳統的地面觀測向高空發展，主要以風箏、氣球等為高空觀測工具，其所達到的高度是有限的。20世紀50年代以後，由於觀測系統有了激光、雷達、人造地球衛星等新技術與新手段，大大地推進了氣象學的發展。大規模的綜合遙測、遙感，使得幾小時的短期災害性天氣預報不再是純預報問題，而變成了對實況的跟蹤與真實預報。計算機的大量利用，使得對大氣現象定量地進行數值模擬成為現實。這些研究的進步也大大促進了氣象學基礎理論的發展。
地球科學的全面、飛速發展，還使得20世紀以來誕生了壹些新興的分支學科，如地球物理學、地球化學、海洋學、環境地學、地球系統科學等。海洋學與環境地學都與人類現今的生活、生存及未來的發展有著極其緊密的聯系，因而受到科學工作者及整個社會的高度重視，它們在地球科學中的地位也愈來愈重要。20世紀後期，隨著地球科學綜合性、系統性研究的深入，地球系統科學這壹分支學科逐漸興起和發展起來。地球系統科學把地球看成為壹個由多個層圈子系統組成的統壹、復合系統，強調用系統論的觀點綜合性、整體性研究整個地球系統（包括各子系統）的過去、現在及未來的行為。
（四）地球科學的發展展望
21世紀將是人類社會發展史上的壹個巨大變革時代。現今地球科學的發展正在進入壹個建立新知識體系的重大轉折時期。
長期以來，地球科學在社會中的作用主要是通過研究地球，指導尋找礦產、能源和各種自然資源，以保證人類和社會發展對資源的需求；而對於自然環境方面的應用則處於從屬的地位。由此建立起來的地球科學知識體系可概括為“資源型”的知識體系。但是，隨著社會發展，當代社會正面臨著人口、資源、災害和環境方面的挑戰，它直接威脅著今後社會的進步和人類的生存條件。在這些挑戰面前，地球科學除要解決能源和礦產問題外，還必須幫助解決當今社會生活中面臨的許多重大問題：減輕自然和人為災害、尋找和保證充足幹凈的水源、安全處理有毒有害和放射性廢物以及為合理利用自然資源、為環境汙染的綜合治理、為保護生態環境、為國土整治和農業發展等等提供地學知識和服務。所有這壹切，都將促使地球科學從“資源時代”進入“環境時代”和“社會綜合應用時代”。因而要求其社會功能由“資源型”拓寬到“社會型”。與此相適應，地球科學的主要任務和目標都將會發生相應變化。例如，1993年美國國家研究理事會發表了指導美國地球科學發展的戰略報告，即《固體地球科學與社會》報告。該報告明確指出，固體地球科學今後的主要任務是：①了解全球系統所涉及的過程，特別註意地球系統各組成部分之間的聯系和相互作用；②提供充足的自然資源（水、礦產和燃料）；③減輕地質災害；④調節全球和區域的環境變化。這份報告強調，地球科學研究的目標是了解整個地球系統過去、現在和未來的行為，以保證人類社會持續發展的條件。
地球系統科學的興起正是地球科學為適應上述新形勢而發展的結果。由於地球系統科學與地球的環境、資源、全球變化和人類可持續發展研究等結合緊密，代表著地球科學新的研究前緣和學科生長點，因而受到廣大的科學工作者及全社會的極大關註。地球系統科學目前所涉及的重點研究內容主要有地球系統的相互作用與動力學、全球變化、數字地球、地球系統科學與人類可持續發展的關系等。地球系統科學研究已取得了許多重要進展，可以預見，其研究的深度、廣度和應用前景將是不可估量的。
當然，地球系統科學並不能代替傳統地球科學各分支學科的研究與發展，相反要求它們能更深入精確地研究和提供地球系統各組成部分自身的特征與規律性認識，以便進行系統分析和綜合。因此，從某種意義上說，地球系統科學與地球科學各分支學科之間的關系是壹種全局與局部、整體與部分的關系。
由上可見，未來的地球科學將成為關系到人類生存和社會發展的科學。地球科學的前景是光明的，它在社會發展中和在自然科學中的地位將會更加提高。因此，壹些科學家大膽預言：“21世紀將是地球科學的世紀”。