北京大学-地史学1章-地层系统和地质年代

第一章地层系统和地质年代§1.1地层的层序1.地层的概念地壳发展过程中所形成的层状岩石总称。具有一定时间和空间涵义的层状岩石自然组合。包括沉积岩、火成岩和变质岩。2.地层层序的建立--地层层序律Principleofsuperposition层状岩石的原始形成序列总是新岩层叠覆在老岩层之上，即“下老上新”。斯丹诺（NicolausSteno,1638-1687）如果将最老到最新的岩石按它们形成的先后顺序排列起来---岩层柱（地层柱），就有可能建立起地球历史的时间框架了。TABCDEFG地层层序的建立1)地层的接触关系2)岩石的原生结构和构造3)化石标志出露地表的岩层常常遭受过构造的变动,发生了倾斜、褶皱、甚至倒转。地层层序的建立1）地层的接触关系:相邻地层之间由于沉积环境的变迁，或经历不同的岩浆构造活动过程而造成它们之间不同的接触关系。整合接触(contormity)不整合接触(unconformity)侵入接触断层接触整合接触(contormity)：没有明显侵蚀间断的两套岩层间的接触关系不整合接触(unconformity)：存在明显侵蚀间断的两套岩层间的接触关系。由于地壳运动，原来的沉积区抬升成陆，先形成的沉积物遭受剥蚀作用，而后被年轻的沉积岩层所覆盖。------海侵超覆平行不整合(parallelunconformity)不整合面上下两套地层产状大体一致角度不整合接触(angularunconformity)不整合面上下两套地层产状不一致地层的沉积旋回：沉积地层（岩层）在形成过程中，受海平面升降变化的影响，其岩性变化在空间和时间上都呈现一定的规律性变化。因此在海平面上升和下降过程中形成有规律的沉积序列：海平面上升时期，海水向大陆方向侵进过程中所形成的沉积序列--海进（或海侵）序列(transgressionsuccess)海平面下降时期，海水从大陆方向后退过程中所形成的沉积序列--海退序列(regressionsuccess)abc海进序列成因示意图随着海平面不断上升，A点的沉积由相对近岸型逐渐变为远岸型。在垂向上，而呈现沉积物“上细下粗”的特点。在横向上，晚期沉积物分布范围大于早期沉积物--超覆(onlap)AAAS1S2S3t1t2t3对A点来说，随着时间的推移，沉积由相对远岸型变为近岸型。在垂向上，沉积物“下细上粗”在横向上，晚期沉积物分布范围小于早期沉积物--退覆(offlap)海退序列成因示意图当一个海进序列紧接一个海退序列时，就形成了地层中沉积物成分、粒度、化石等特征有规律的镜像对称分布的现象---沉积旋回(cycleofsedimentation)。沉积旋回海进序列海退序列非整合接触(nonconformity)火成岩或变质岩与沉积岩之间的不整合接触关系。侵入接触由于岩浆活动，岩浆岩侵入到早已形成的岩层之中所形成的接触关系。可通过烘烤、冷凝现象及捕虏体等特征来识别。断层接触断层切割地层所形成的地层之间的接触关系。2）岩石的原生结构和构造沉积岩：层理（交错层理和粒序层理）、波痕、泥裂、重力模等。火山岩：鸟眼构造（气孔杏仁）、枕状熔岩、烘烤边、氧化顶、风化壳、玻璃壳和熔渣壳、岩性的差别、沉积夹层、火山碎屑夹层等变质岩：变余构造，粒序变化等3)化石标志：贝壳的优势定向、植物的根迹及生物的活动痕迹等TABCDEFG基于上述标志，我们就基本可以确立任何一个露头剖面所代表的一段地层中的岩层及各种地质事件（如岩浆侵入、断层、侵蚀作用等）形成或发生的相对先后顺序。§1.2地层划分和对比1.地层划分和对比的概念根据地层的各种属性（如岩性、化石、不整合面等），按照它们原来的形成顺序进行有机的分割，并将各分割段分别命名，这一过程称为地层划分。将不同地点（横向）划分的地层进行比较，把含有相同或相近地层内容的地层划归为同一时代或同一沉积相的产物，这一过程称为地层对比。地层划分上述地层露头剖面可根据不整合面划分为两个大的阶段（I、II），反映了该地区地层发育经历的两个构造演化阶段；II阶段又可根据岩性变化划分为4个次级阶段（①-④），反映了沉积环境变化的阶段性；③又可根据含化石的不同再细分两个更次级的阶段，反映生物演化的阶段性地层划分2．地层划分对比方法地层划分：构造面，岩性变化和化石的变化等对比的方式：可以直接追溯对比和间接比较对比。按地层对比时采用的属性特征或对比标志的性质可分为：—岩石地层学和生物地层学地层划分对比方法岩石地层学根据岩石的成分，结构构造、物理化学性质的不同进行地层划分对比的方法。岩性法：一定的沉积环境中形成一定的沉积体（岩性），且有一定的时空展布，根据岩性的时空变化进行地层划分对比的方法称为岩性法。标志层法：某些特殊环境中形成厚度不大的特殊沉积体，且具有一定的时空展布，被称为标志层，利用这些特殊岩层（标志层）进行地层划分对比的方法称为标志层法如：冰碛层、火山灰层等。沉积旋回法：由于环境变化造成沉积物由粗到细或由细到粗的规律组合，这一现象称为沉积旋回，利用沉积旋回进行地层划分对比的方法为沉积旋回法。在地层对比中，岩石学方法（无论是岩性法还是沉积旋回法）只能在具有相同地质发育历史的地区，即同一大地构造背景控制的沉积盆地内使用。岩性法优点是直观和方便，缺点是适用范围有限。只能在局部地区（同一沉积盆地中的相同沉积相）使用。沉积旋回法可适用于整个盆地范围。在同一个沉积盆地范围内，尽管不同地点某一时段内形成的岩石有所差异（沉积相不同），但它们的沉积旋回变化是同步的。岩石地层学ABCDEFGabcdefg？A地点B地点T依据地层层序律可以在不同地区建立的各自的地层柱。但是不同地区地层柱之间岩层的形成先后顺序又是如何确定的？斯密斯(WilliamSmith，1769-1839)和生物层序律（Principleofbiologicsuccession）•时代相同的岩层含有相同或相似的化石生物群；•时代不同的岩层中含有不同的化石生物群；•时代愈老的化石生物群与现代生物群面貌差别愈大；•时代愈年轻的化石生物群与现代生物群的面貌差别愈小在不同地区的地层中建立等时性的关系建立在生物层序律基础之上，根据地层中生物化石的异同进行地层划分对比的地层学研究方法。生物层序律的理论基础是生物进化的不可逆性：愈古老地层中生物化石愈原始、愈低级；愈新的地层中生物化石愈先进、愈高级。相同时代的地层含有相同（或相似）的化石或化石组合。生物地层学生物地层学任何一种生物在地质历史中都只出现一次，并有其特定的分布时限两个地区的地层可通过它们所含的相同或相似的化石或化石组合建立起地层对比的关系。生物地层学实际工作中有两种对比方法：标准化石法：分布时限短，地理分布广，特征明显的化石化石组合分析法：对地层中所有的化石进行系统的分析研究，根据生物化石各门类、各属种组合的不同进行地层的划分和对比的方法。未知地区的地层可通过所含化石与已知地区地层对比，而知道地层的时代或层位。同理，陆相地层与海相地层可以通过同时期既含有陆生植物化石也含有海洋无脊椎动物化石的海陆过渡类型地层建立起对比关系。生物地层学生物地层学标准化石法的优缺点：简便易行，适合野外调查和初步的大致对比；有时会由于先驱或孑遗的情况造成对比的不精确；对比适用范围相对局限。单一生物分布的局限性化石组合法的优缺点：提高对比的精确度。避免了单一生物先驱和孑遗产生的误差；对比适用范围相对广泛不便于野外工作采用生物地层学方法可以实现不同沉积盆地之间的地层对比电测井曲线地层对比的原理示意图3）地球物理学方法：a.利用与岩性有关的物理、化学性质，如电导率、放射性、声波等参数进行地层对比的方法。实际是岩石学方法的外延。如电测井对比，地震剖面对比地球物理学方法地震剖面对比原理示意图地震反射剖面b.古地磁极性对比地球磁场的磁极在地质历史中曾多次发生反转，这种变化记录在岩石之中。每一次极性反转事件都是全球性的等时事件，因此这种方法实际上时间对比。通过测定岩石的地磁强度变化确定古地磁的极性变化。历史时间可以根据极性变化分为极性正向期和极性反向期这种方法目前只适用于5Ma以来的沉积连续的地层。古地磁方法ln(1+DPt1)4）同位素年龄对比：利用放射性同位素的衰变现象测定岩石、矿物的年龄进行地层对比。5）地球化学方法：一些特殊的地质事件如火山喷发、陨石撞击等会对沉积环境地球化学特征产生明显的影响，而在地质记录中表现为一些元素和同位素的异常；周期性的气候变化则会使一些元素或同位素在沉积物中的丰度发生波动。地质记录中这些元素和/或同位素的异常波动在特定的情况下可以用于地层对比。O、C、Sr等同位素，Ni、Ir、Ce、La等元素。地层对比方法这种方法目前尚无法独立使用，尚须借助其他方法。地球化学方法6）层序地层学方法：以海平面升降旋回的不同阶段的把地层划分成若干个体系域进行地层划分对比低水位体系域（F1-R）：最大海平面下降及其后缓慢上升时期形成的沉积。海侵体系域（R-H）：从低水位体系域之上的最初海泛面开始到出现最大海侵面期间形成的沉积。高水位体系域（H-F）：从最大海侵面到开始海退时期形成的沉积。Time上升翼下降翼F1FR凝缩断（H）：时间上介于海侵体系域和高水位体系域之间，在陆棚中下部至盆地等地形成的特殊沉积。层序地层学方法H地层划分、对比的结果就产生了一个地区甚至全球的地层系统。地层系统的组成有两个要素：a.地层单位；b.地层单位的级别关系地层单位的类型：a.物质性地层单位：反映地层的物质属性特征，如岩性，生物化石等。b.非物质性地层单位：反映地层的非物质属性特征---时间。§1.3地层系统和地层单位岩石地层单位(rock-timeunit)生物地层单位(biostratigraphicunit)年代地层单位1岩石地层单位以地层中的岩石内容和特征所划分的地层单位。群(group)组(formation)段(member)层(bed)群：由明显一致的相同岩性或成因相同的两个或两个以上的岩性组构成地质体，称为群，群与群之间有明显的沉积间断或不整合。组：一种岩性或成因一致的一组岩性组成的地质体称为组。是岩石地层单位的基本单位。段：一种岩性或一类岩性明显区别于同组的其它岩性的地质体可以命名为段。是组的一部分。但组不一定都要分为段。层：是一种岩性明显与其它岩性不同的地质体可以命名为层。是岩石地层的最小单位。岩石地层单位的特点--穿时性和地方性：岩性界面不一定是等时面。自然界中，沉积岩层的沉积作用方式是随沉积环境及沉积作用的不同而变化。地层的沉积作用方式分为垂向加积和侧向加积。地层单位在大洋和大型湖泊的中心地区，沉积作用是通过垂向加积进行的，其岩性界面具有等时性。在河流和三角洲等环境中，沉积作用是通过侧向加积进行的，其岩性界面是穿时的。在海侵或海退过程中，滨浅海环境中的沉积作用也是通过侧向加积进行的。地层单位2.生物地层单位（biostratigraphicunit）以地层中的化石内容和特征所划分出的地层单位。生物地层单位的基本单位是生物带(biogeniczone)或化石带。常用的生物带(biogeniczone)有3种类型：a.组合带(assemblagezone)：几类生物或某类生物的几个属种在地层的特殊自然组合。b.延限带(rangezone)：某一种生物的延续范围。c.顶峰带(acmezone)：某类生物的繁盛。生物地层单位生物地层单位之间不含化石的层段称为间隔带(intervalzone)。生物地层单位的特点：生物带无等级和从属关系不是普遍建立的地层单位。为年代地层单位服务地层单位abc地层单位3.年代地层单位（time-strataunit）、地质年代单位(timeunit)和地质年代系统（1）年代地层单位反映地层时间属性的地层单位，而不是地层的物质属性。地层的时间属性是如何确定？或者说，年代地层单位的时代是如何确定的呢？为什么生物化石能够确定地层的时代？依据地层层序律，以及地层的接触和穿插关系我们可以确定一个地区地层形成的相对顺序，但