第四章 地質(zhì)年代內(nèi)容提要-行星地球.doc

1、第四章 地質(zhì)年代1.相對年代確定的基本原則 研究地球的歷史，需要知道地質(zhì)體的年齡，推算各種地質(zhì)事件發(fā)生的時代，這樣可以把地質(zhì)事件按年代順序進(jìn)行編排。在發(fā)現(xiàn)放射性元素測定地質(zhì)年齡之前，地質(zhì)學(xué)家沒有精確可靠的方法用來測定地球物質(zhì)的年齡，必須依靠相對年齡的方法。 相對年代：由某地質(zhì)體與相鄰已知巖石單位的地質(zhì)體的相對層位的關(guān)系來決定，以最早形成的、第二、第三等形成序順來確定。絕對年齡：是通過某種巖石樣品所含放射性元素衰變來測定的。用距今多少年以前來表示，以百萬年（Ma）為單位。1.1 迭置律丹麥解剖學(xué)家、地質(zhì)學(xué)和牧師Nicolaus Steno (1636-1686)第一個認(rèn)識到出露的沉積巖層的形成歷

2、史有一個次序，他在意大利西部山區(qū)工作時，運用了己成為現(xiàn)在相對地質(zhì)年齡確定方法的最基本的原理迭置律（the law of superposition)來確定地質(zhì)年代，其原理是： 在一個沒有被褶皺或斷層擾亂的巖層中，新的巖層沉積在較老的巖層之上。1669年Nicolaus Steno 正式提出了迭置律這一原則。迭置律也可以用在其它地表的沉積物中，如從火山中噴出的熔巖流、火山灰等巖層。Nicolaus Steno也認(rèn)證了原始水平巖層原則：即 大部分的沉積物以水平狀態(tài)位置沉積，如果被觀察的巖層是水平的，意味著這些巖層沒有受到干擾，仍然保持它們原有的水平狀態(tài)；如果巖層發(fā)生了褶皺或以較陡的角度傾斜，則它們

3、沉積以后受到了地殼運動的影響而形成了現(xiàn)在的褶皺或傾斜巖層。1.2 切割律當(dāng)一條斷層切斷其它的巖層，或當(dāng)巖漿侵入結(jié)晶，則認(rèn)為這一斷層或侵入巖比被影響的巖層要年輕。即：被切割的巖層為老巖層。1.3 包體（Inclusion）有的情況下，包體可以幫助確定巖層形成的相對順序（課堂講）。1.4 不整合地層的接觸關(guān)系有六種：整合接觸、假整合接觸、不整合接觸、沉積接觸、侵入接觸和斷層接觸。整合接觸關(guān)系 ：在沉積過程中，巖層基本沒有受到地殼運動的干擾。不整合接觸關(guān)系：在整個地球歷史中，沉積巖層的沉積被一次又一次地干擾，表示巖層中沉積間斷的記錄。不整合意義：沉積過程的停止侵蝕作用移去原先己經(jīng)形成的巖石然后再重新

4、沉積。不整合面可用來確定地層的相對年代。 不整合是很重要的特征，它代表了地球歷史上具有重要意義的地質(zhì)事件。2.化石史前生物的遺體或遺跡稱化石?；墙忉尩刭|(zhì)歷史的一種重要手段，它可以幫助了解地質(zhì)歷史時期環(huán)境的條件，是重要的時間指示物。2.1疊層石（stromatolite)疊層石是前寒武紀(jì)（67億年前）未變質(zhì)的碳酸鹽沉積中最常見的一種“準(zhǔn)化石”，是原核生物所建造的有機(jī)沉積結(jié)構(gòu)。疊層石是由于藍(lán)藻等低等微生物的生命活動所引起的周期性礦物沉淀、沉積物的捕獲和膠結(jié)作用，從而形成了疊層狀的生物沉積構(gòu)造；從縱剖面看疊層石呈現(xiàn)向上凸起的弧形或錐形疊層狀，如扣放的一疊碗，故名疊層石。晚元古代（20億年前到7億

5、年前）是地史上疊層石最繁盛的時期，其分布廣泛、形態(tài)多樣。后生動物出現(xiàn)（7億年前）以后疊層石驟然衰落。古生代寒武紀(jì)至泥盆紀(jì)（5.9-3.6億年）疊層石數(shù)量和分布范圍有限，但仍不難見到。泥盆紀(jì)以后疊層石只是殘存了?，F(xiàn)代海相疊層石分布在澳大利亞、中美洲、中東等地的少數(shù)地區(qū)的特殊環(huán)境中。通常疊層石產(chǎn)出于灰?guī)r和白云巖中，有些疊層石發(fā)育在燧石、磷酸鹽巖（膠磷礦）中，而由磁鐵礦和赤鐵礦構(gòu)成的疊層石以及錳疊層石也頗為常見。2.2 生物保存為化石的條件生活在地質(zhì)歷史時期的生物有機(jī)體僅僅只有很少的一部分能夠被保存下來，那么什么環(huán)境條件下生物才能保存成為化石？保存化石的二條必不可少的條件：（1）快速埋藏；（2）生物

6、要有堅硬的部分。當(dāng)然軟體化石還是存在的，但這類化石是非常稀少的。3. 地層對比不同地區(qū)相近地質(zhì)年代的巖層必定能夠相配對，像這樣的研究工作稱地層對比。通過地層的對比，可以了解關(guān)于一個地區(qū)地質(zhì)歷史的更多的信息，如美國Colorado 高原三處地點的地層對比顯示它們巖層沉積序列。沒有一個單獨的地點能呈現(xiàn)完全完整的地層序列，但地層對比顯示了更完整的地層沉積記錄。如果在二個距離分隔較遠(yuǎn)，或在二個大陸之間進(jìn)行地層對比，地質(zhì)學(xué)必須依據(jù)化石來進(jìn)行判斷。3.1 化石與地層對比生物層序律：（1） 生物演化是從簡單到復(fù)雜，從低級到高級進(jìn)化和發(fā)展的。 （2）地層年代越新，其中所含的古生物化石就越進(jìn)步、越復(fù)雜。（3）不

7、同時期的地層中含有不同類型的化石及其化石組合。（4）相同時期、相同地理環(huán)境下所形成的地層不論相距多遠(yuǎn)，都含有相同化石或化石組合。例外：舌形貝從5億多年前即己在海洋中出現(xiàn)，至今仍然存在。類似這樣的化石就沒有指示意義。3.2 標(biāo)準(zhǔn)化石有指示意義的化石應(yīng)具備下列條件：演化快、延續(xù)時間短、特征顯著、數(shù)量多、分布廣等特點，這種化石稱為標(biāo)準(zhǔn)化石。根據(jù)生物化石組合來確定巖層的年代比單一化石確定年代更可靠。用地層層序律（迭置律）和生物層序律結(jié)合使用就能系統(tǒng)地劃分和對比全球范圍內(nèi)的所有地層，恢復(fù)整個沉積地層的形成序律，為生物演化的各個階段和全過程找到依據(jù)?；€是非常重要的環(huán)境指示物。例如：石灰?guī)r中有蚌類生物殼

8、的存在，則說明曾經(jīng)這個地區(qū)是淺海相環(huán)境（因為現(xiàn)在蚌類生物存在于淺海中）。用現(xiàn)有生物的知識可以推斷（將今論古）：(1) 具有厚殼類的生物化石能夠抗拒風(fēng)浪，必定曾經(jīng)生活在靠近海岸邊；(2) 具有薄的、脆弱的殼類生物可能預(yù)示著它們存在于遠(yuǎn)離海岸的、較深的水域。因此通過鑒定化石，古海岸線的位置就能夠大致地推斷出來。 化石還可以指示當(dāng)時水域的溫度?，F(xiàn)在珊瑚生活在溫暖的淺海水域，如在石灰?guī)r中存在類似的珊瑚化石，則可以推斷當(dāng)時的海洋環(huán)境?；梢詭椭覀兘议_地球復(fù)雜的歷史故事。4. 同位素年齡測定 1896年貝克勒爾（A.H.Becquerel）觀察了含鈾礦物（如瀝青鈾礦）能使封閉的照相底片感光，這是X射線

9、產(chǎn)生的作用。證明了鈾能自然衰變，它以粒子和電磁輻射的形式放出能量（即放射性），放射性衰變成為地質(zhì)學(xué)家確定地球及巖石形成時代的重要手段。 4.1 三種放射性線放射性元素產(chǎn)生三種放射線：alpha , beta 和 gamma。（1）alpha粒子：每一個alpha粒子由二個質(zhì)子和二個中子組成（和He原子有相同的原子核結(jié)構(gòu)）。每一個粒子從原子核中被放射出來即意味著（a）同位素質(zhì)量按4遞減，（b）原子數(shù)按2遞減。（2）beta射線是一種高速電子，從原子核釋放出來，原子核質(zhì)量不變，因為電子沒有質(zhì)量；但原子數(shù)增加1。 （3）Gamma 就是X射線，原子核捕獲一個電子后，原子核質(zhì)量不變，但原子數(shù)減小1。4

10、.2 放射性元素衰變當(dāng)放射性元素的原子核放出alpha射線，則這個原子就變成一種較輕的元素，這個過程稱放射性元素的衰變。衰變會一直進(jìn)行，直到衰變成沒有放射性的穩(wěn)定元素。 238U206Pb+8+6- 235U206Pb+7+4- 232Th208Pb+6+4- 鉛是穩(wěn)定元素。4.3 半衰期（Half-life）假定在整個地球歷史中，每一種放射性元素都有自身的蛻變速率，這個速率是一個常數(shù)。放射性母體核素的數(shù)目衰減到原有數(shù)目的一半所需的時間稱半衰期（T1/2）。如 238U的半衰期是45億年（4.5 billion years）。 4.4 同位素年齡的基本原理放射性同位素不管其衰變方式如何，它們的

11、數(shù)量隨著時間的減少都服從于指數(shù)定律： N = N0 e-ltN0t=0時母體同位素的原子數(shù)；N時間t時存在的母體同位素的原子數(shù)；e自然底數(shù)，e=2.71828 ；l衰變常數(shù)，它表示一個放射性原子核在單位時間內(nèi)衰變的幾率，它與半衰期T的關(guān)系為 T=0.693/ l放射性同位素年齡計算公式： t= 1/l ln （N。- N）/ N +1 t=1/l lnD/N+1D蛻變成子體同位素的含量（N。- N）。只要采用先進(jìn)的化學(xué)分離技術(shù)和質(zhì)譜同位素分析手段測定D/N，就可以計算地質(zhì)體的同位素年齡。4.5 幾種同位素年齡鈾（U）鉛(Pb) 、銣（Rb）鍶（Sr）、鉀（K）氬（Ar）、放射性碳 C14。（1

12、） 鈾（U） 鉛(Pb)法原生鈾礦物很少在沉積巖和變質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)，也不是所有的火成巖中都含有原生鈾礦物。238U半衰期較大，因此，鈾鉛適用于火成巖石的年齡大于10million年的巖石。（2）銣(Rb) 鍶(Sr)法87Rb的半衰期約為4.9 bilion年，它衰變成Sr。銣存在于火成巖中的長石和云母礦物中，有時238U和87Rb同時存在于一種巖石中。鈾（U） 鉛(Pb)法和 銣(Rb) 鍶(Sr)法這二種同位素年齡可以進(jìn)行對比。（3）鉀（K）氬（Ar）40K的半衰期約為1.3 bilion(十億)年。鉀氬法有許多優(yōu)點，鉀和鈾、銣不同，它是一種非常常見的礦物，火成巖和變質(zhì)巖中都含有合適的礦物可以

13、用這種方法確定年齡。那些不能用鈾和銣測定年齡的巖石，就有可能用鉀氬法確定年齡。有些情況下，鉀氬法可以用來確定年齡50，000年巖石。（4）放射性14C法用14C法可以測定年齡約從1，000至小于60，000年老的巖石。所有的植物和動物細(xì)胞都含有碳。普通碳的原子質(zhì)量是12，放射性碳的原子質(zhì)量為14，放射性14C由大氣層中宇宙射線沖擊14N而產(chǎn)生的。14C的半衰期約為5，700年。14C與氧結(jié)合形成二氧化碳；二氧化碳被生物吸收到組織、外殼和骨骼。當(dāng)生物活著的時，放射性同位素14C與穩(wěn)定同位素12C的比例保持平衡。 雖然14C有一部分衰變?yōu)?2C，但新的14C不斷補充進(jìn)去，使14C與12C的比例仍保

14、持平衡。當(dāng)生物死后，14C由于衰變而含量不斷減少。 如果要知道史前人類所用木制工具的年齡，只用測定木頭中14C和普通12C含量比，就能計算出工具的年齡。14C測定法被古人類學(xué)家、考古學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家廣泛采用，用這種方法可測定炭片、木頭、谷物、蜂臘、頭發(fā)、纖維、泥炭、生物殼、象牙、骨頭等物的年齡。 科學(xué)家己經(jīng)發(fā)現(xiàn)被埋在冰期沉積物中的植物和動物，通過放射性14C測定，認(rèn)為最后的冰期年齡約11，000年前。5. 樹年代學(xué) 樹的生長紋和樹年代學(xué)的研究，能提供一塊木頭的絕對年齡。一般情況下，每一圈代表一個年輪，年輪的厚度在很大程度上取決于當(dāng)年的溫度和雨量。年輪不僅可以提供年代，而且還有氣候的記錄。每顆樹的

15、年輪圖并不一樣，因此一顆樹的年輪可以與其它樹的年輪進(jìn)行比較，比較它們的年輪間隔形式。假若有一個已用14C法標(biāo)定過的標(biāo)準(zhǔn)樹年輪，其他的樹可與之進(jìn)行比較，即比較它們的年輪間隔形式，從而定出其他樹的年齡。6. 紋泥(季候泥) 紋泥存在于任何水體中形成的沉積物中。最清晰地出現(xiàn)在冰期沉積物中，紋泥可以幫助確定冰蓋撤退期間事件發(fā)生的時代。典型的紋泥沉積物形成于冰川邊緣的湖泊中。若將其中一層紋泥用放射性碳測定后，即可算出其他紋層的年齡，便可恢復(fù)湖泊的歷史。紋泥由泥質(zhì)明、暗層交替組成，淡色較粗粒的層和較暗的細(xì)粒層組成，這代表一年的沉積：（1）亮色層比較粗，形成于春天和夏天。河流攜帶的粗沉積物同溶解于湖里的氧同時下沉。（2）暗色層較細(xì)，形成于冬季期間湖水結(jié)冰時，水流速度減慢，只有細(xì)的淤泥和粘土沉積。沉積物里的有機(jī)質(zhì)也停滯的湖底不受氧化。 和樹年輪一樣，每一年的紋泥也各不相同的，一個湖泊的紋泥可以和其它湖泊的紋泥進(jìn)行比較。通過對比，最晚冰期的年齡約為 15，000年，而14C法測定的為 11，000年 。7. 地質(zhì)年代單位及地層單位的劃分地質(zhì)年代單位的劃分是以生物界及無機(jī)界的演化階段為依據(jù)的，這種階段的延續(xù)時間常在百萬年、千萬年甚至數(shù)億年以上，常常是