地球的年龄和地质年代
相对地质年代
地质历史时期形成的层状岩石或沉积物称为地层(stratum,复数strata,或stratigraphy)。在漫长的地质历史中,生物演化、构造运动、古环境变迁等都会在岩石中留下印记,因此地层就是记录地球演变的史书。要解读这部史书,有三大定律可循。
一、地层层序律(Principle ofstratigraphy)
地层层序律最早由丹麦学者斯第诺(N. Steno)1699年提出,后由英国学者史密斯(WilliamSmith)在地质填图实践中,得到了进一步丰富完善。
斯第诺生于哥本哈根,早年习医,被称为“人体解剖学之父”,在他短暂的48年中,不但详细研究了人体,而且解剖了其它生物,进而对地层中的生物化石也开展了研究。1665年定居意大利,在解释意大利托斯卡纳(Tuscan)地区的地貌和地层成因过程中,提出了地层层序律的思想。
1. 基本原理
地层层序律包含三个基本原理:
(1)原始产状水平原理(Principle of originalhorizontality)
原始的沉积物均为水平或近于水平。该原理意味着,倾斜地层都是后期改造的结果,并不反映原始状态。
(2)叠置原理(Principle of superposition)
较老的地层先形成,位于下部,较新的地层后形成,位于上部,简称下老上新。
如果因后期构造运动,地层倾斜甚至倒转,要设法根据波痕、泥裂、雨痕、虫迹、交错层理等构造来判断地层的顶底,从而恢复其原始层序(图)。
(3)原始侧向连续原理(Principle of lateral continuity)
沿水平方向逐渐消失或过渡到其他成份。意味着同一地点,可以通过沿地层侧向追索的办法,进行不同地层间的对比,若因后期切割破坏了地层的连续性,依然可以依据原始侧向连续的原理,进行横向对比。
2. 讨论
地层层序律具有如下特征:
(1)公理性质,如同两点之间,线段最短,不证自明。
(2)只能用于同一地方。不同地方不能对比。
(3)对沉积物和沉积岩而言,当然,浅变质岩也是适用的。
二、生物层序律(化石层序律)(Principle of faunalsuccession 或 Principle of biostratigraphy)
由英国学者史密斯提出。史密斯被称为为“英国地层学之父”,他家境清贫,几乎没有受过正规教育,但勤奋好学,在参加勘察和修筑运河中,于1815年填制了人类第一张地质图,图名为“ADelineation of the Strata of England and Wales, with Parts ofScotland”,比例尺达到了1/5万,被称为改变世界的地图,图中不同地层用不同色彩表示,全为人手彩绘。随后,于1816-1819等4年间,发表了四部头巨著《地层化石鉴定法》(StrataIdentified by Fossils),书中详细叙述了地层层序律和生物层序律的基本原理和方法。
地层层序律可简单概括为:地层越老,所含的生物越简单,反之亦然;不同时代地层,有不同的化石组合。
化石(fossil)是埋藏在沉积物中的古代生物遗体和遗迹。例如:动、植物的骨骼、牙齿、根、茎、叶,等等;动物的足迹、粪便、蛋,等等也是化石(遗迹化石);其中具有演化快、延续时间短,特征显著,数量多,分布广等特征的化石称为而标准化石(或指向化石)(Indexfossils),例如三叶虫、笔石等为早古生代的标准化石。
如果地球上的现生生物具有如下特征,称为活化石(livingfossil):①解剖上与某古老物种极相似;②该古老物种至少已有几千万—上亿年的历史,并保留着诸多原始特征,而未发生较大的改变,进化缓慢;③现生成员仅有一个或很少的几个种为代表;同时④分布范围极其有限。我国的植物如银杏、水松、珙桐、香果树和动物如大熊猫、中华鲟、扬子鳄等,均是珍贵的活化石。
如果把地层比喻为史书,那么化石就是这部史书中的文字,两者结合在一起,就构成了生物层序律的主要依据。
三、切割律(Principle of cross-cuttingrelationships)
赫顿的《地球学原理》(Theory of the Earth)(1795)和莱尔的《地质学原理》(Principles ofGeology)(1830)等都对切割律进行了解释。
1. 基本原理
切割律的基本内容为:较新的地质体切割较老的地质体。
2. 讨论
(1)地质体可以是断层、节理等破裂和侵入体,也可以是地层和地貌等,例如,断层节理间的切割关系,侵入体间的切割关系,地层的不整合接触关系,沉积物或地貌的填充叠置关系;也可以是各种不同地质体的切割关系,例如断层与不整合接触关系的切割。这些内容将在岩浆岩、断层、地层接触关系等章节分别介绍。
例如图,根据切割律,各地质体的相对新老关系为A(地层)>B(侵入体)>C(地层不整合)>D(侵入体)>E(地层与侵入体的切割)>F(河流下切)。
(2)切割律既适用于宏观,也适用于微观(如显微镜)。
(3)切割律虽然只能确定地质体的相对新老关系,但如果与可进行同位素绝对年龄测定的岩脉相结合,则能够推断绝对年龄。例如,某地层被上下两个不整合限制,其中下不整合切割了岩脉A,上不整合切割了岩脉B,则A、B两岩脉的同位素绝对年龄之间的时间间隔,就是不整合限制的地层的年龄(图)(不整合概念将在地壳变形与地质构造一章中详细讨论)。
通过地层层序律、生物层序律及切割律,可以在全球范围内年里起统一的地层对比表和地质年代对比表。