地球科学概论第四章 地质年代与地质作用

第四章地质年代与地质作用第一节地质年代第二节地质作用第一节地质年代一、相对地质年代的确定二、同位素地质年龄的测定三、地质年代表地质年代就是指地球上各种地质事件发生的时代。含两方面含义：其一是指各地质事件发生的先后顺序，称为相对地质年代；其二是指各地质事件发生的距今年龄，由于主要是运用同位素技术，称为同位素地质年龄。这两方面结合构成对地质事件及地球、地壳演变时代的完整认识。一、相对地质年代的确定“岩石是一本书”三条准则：地层层序律化石层序律地质体之间的切割律层状岩石---岩层地质历史上某一时代形成的层状岩石称为地层。地层层序律1669年，出生于哥本哈根的斯特诺(NicolausSteno，1638-1686)总结出在岩层之间，存在着如下的规律：地层形成时的原始产状一般是水平的或近于水平的，并且总是先形成的老地层在下面，后形成的新地层盖在上面，这种正常的地层叠置关系称为地层层序律。地层层序律＝＝“下老上新”图4－1地层层序律示意图A－原始水平层理B－倾斜层理C－倒转地层1、2、3、4－示地层从老到新化石层序律英国运河工程师史密斯(WilliamSmith,1769-1832)，在开凿运河的过程中获得了大批化石，经过他的整理研究发现每一套地层各有其特定的化石他据此制订出世界上第一张最有系统的地层表地质历史上的生物称为古生物，化石是保存在地层中的古代生物遗体和遗迹，它们一般被钙质、硅质等充填或交代(石化)。生物演化律---生物演化的总趋势是从简单到复杂，从低级到高级；以往出现过的生物类型，在以后的演化过程中绝不会重复出现。前一句反映了生物演化的阶段性，后一句反映了生物演化的不可逆性。生物演化律用来确定地层的相对地质年代时就表现为：不同时代的地层中具有不同的古生物化石组合，相同时代的地层中具有相同或相似的古生物化石组合；古生物化石组合的形态、结构愈简单，则地层的时代愈老，反之则愈新。这就是化石层序律或称生物群层序律。图4－2地层对比及综合柱状图地质体之间的切割律---即较新的地质体总是切割或穿插较老的地质体，或者说切割者新、被切割者老。二、同位素年龄相对地质年代表示了地质事件或地层的先后顺序,即使是利用古生物化石组合的方法,也只能了解它们的大致时代。要更确切、更全面地了解地球的发展历史，除了知道各地质事件的先后顺序及大致时代外，还必须定量地知道地质事件究竟发生在距今多少年的时候？延续的时间有多长？地质事件的剧烈程度或作用速率怎样等？卢瑟福(L.Rutherford,1871-1937)1903年提出放射性元素的原子会蜕变，即自行分裂为另外的原子，并在以后的实验中得到证实。放射性元素在自然界中自动地放射出α(粒子)、β(电子)或γ(电磁辐射量子)射线，而蜕变成另一种新元素。并且各种放射性元素都有自已恒定的蜕变速度。衰变速度通常是用半衰期（T1/2）表示的。所谓半衰期是指母体元素的原子数蜕变一半所需要的时间。自然界的矿物和岩石一经形成，其中所含的放射性同位素就开始以恒定的速度蜕变，这就像天然时钟一样记录着它们自身形成的年龄。当知道了某一放射元素的蜕变速度后，就可根据这种矿物晶体中所剩下的该放射性元素(母体同位素)的总量(N)和蜕变产物(子体同位素)的总量(D)的比例计算出来。t=1/（ln（1+D/N））t-时间-蜕变常数=0.639/T1/2D-子体同位素总量N-母体同位素总量N、D之值可用质谱仪测出自然界放射性同位素种类很多，能够用来测定地质年代的必须具备以下条件①具有较长的半衰期，那些在几年或几十年内就蜕变殆尽的同位素是不能使用的；②该同位素在岩石中有足够的含量，可以分离出来并加以测定；③其子体同位素易于富集并保存下来。放射性元素蜕变母体同位素子体同位素半衰期238U--→206Pb+84He45.1亿年235U--→207Pb+74He7.13亿年232Th-→208Pb+64He139亿年87Rb--→87Sr500亿年40K--→40Ar14.7亿年40Ar--→39Ar150Sm-→144Nd14C-14N5692年最古老的岩石与地球的年龄1973年在格陵兰发现的古老岩石，年龄为38亿年1983年在澳大利亚找到几粒年龄为41-42亿年的矿物颗粒。中国鞍山白家坟发现有38亿年的岩石。中国迁西太平寨发现有38~37亿年的岩石。南美洲圭亚那的古老角闪岩的年龄为41亿a、非洲阿扎尼亚的片麻岩的年龄为38亿a等；这些都说明地球的真正年龄应在40亿a以上。对地球上各种陨石的年龄测定，惊奇地发现(无论是石陨石还是铁陨石，无论它们是何时落到地球上的)都具有相同的年龄，大致在46亿a左右，从太阳系内天体形成的统一性考虑，可以认为地球的年龄应与陨石相同。月球上岩石的年龄值一般为31亿～46亿a现在一般认为地球的形成年龄约为46亿a。最古老的岩石与地球的年龄三、地质年代表地球的生物界、无机界演化具自然阶段性。以地球演化的自然阶段性为依据，配合同位素地质年龄的测定，对漫长的地质历史进行系统性的编年与划分，编制出的在全球范围内能普遍参照对比的年代表即地质年代表。地质年代单位的划分是以生物界及无机界的演化阶段为依据的。这种阶段的延续时间常常在百万年、千万年甚至数亿年以上，并且常常是大的阶段中又套着小的阶段，小的又包含着更小的阶段。根据这种阶段的级次关系，地质年代表中划分出了相应的不同级别的地质年代单位，其中最主要的有宙、代、纪、世四级年代单位。“宙”是最大一级的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，整个地质历史从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙4个宙，每个宙的演化时间均在5亿年以上。“代”是仅次于“宙”的地质年代单位，往往反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在5000万年以上。“纪”是次于“代”的地质年代单位，它往往反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。每个纪的演化时间在200万年以上。“世”是次于“纪”的地质年代单位，它往往反映了生物界中“科”“属”的一定变化。每个纪一般分为早、中、晚3个世或早、晚2个世。但在新生代的古近纪、新近纪和第四纪中，世的名称比较特殊。与上述四级地质年代单位：宙、代、纪、世相对应的年代地层单位为：宇、界、系、统，它们是在各级地质年代单位的时间内所形成的地层。地区性岩石地层单位：群、组、段随着科学的发展和地质研究程度的深入，地质年代表也在不断的更新、补充和完善。表4.2地质年代表相对地质年代生物宙(宇)代(界)纪(系)世(统)同位素年龄Ma植物动物全新世Qh第四纪(系)Q更新世(统)Qp上新世N21.8（2.6）新近纪(系)N中新世(统)N1渐新世E323始新世E2新生代︵界︶Kz古近纪(系)E古新世(统)E1哺乳动物晚(上)K265.5白垩纪(系)K早(下)白垩世(统)K1被子植物晚(上)J3145.5中(中)J2侏罗纪(系)J早(下)侏罗世(统)J1晚(上)T3199.6中(中)T2中生代︵界︶Mz三叠纪(系)T早(下)三叠世(统)T1爬行动物︵恐龙︶251裸子植物二叠纪(系)P晚(上)中(中)早(下)二叠世(统)P3P2P1晚(上)C2299古爬行动物石炭纪(系)C早(下)石炭世(统)C1晚(上)D3359两栖动物中(中)D2晚古生代︵界︶Pz泥盆纪(系)D早(下)泥盆世(统)D1鱼晚(上)S3416中(中)S2志留纪(系)S早(下)志留世(统)S1孢子植物晚(上)O3444中(中)O2奥陶纪(系)O早(下)奥陶世(统)O1晚(上)∈3488中(中)∈2显生宙︵宇︶PH古生代︵界︶Pz早古生代︵界︶Pz寒武纪(系)∈早(下)寒武世(统)∈1藻类海生无脊椎动物晚(上)Z2542震旦纪(系)Z早(下)震旦世(统)Z1海生小壳动物南华纪(系)Nh晚(上)早(下)南华世(统)Nh2Nh1680850新元古代(界)Pt3青白口纪(系)Qb晚(上)早(下)青白口世(统)Qb2Qb11000蓟县纪(系)Jx晚(上)早(下)蓟县世(统)Jx2Jx11400中元古代(界)Pt2长城纪(系)Ch晚(上)早(下)长城世(统)Ch2Ch11800元古宙︵宇︶PT古元古代(界)Pt12500太古宙(宇)AR菌藻类海生低等多细胞动物4000冥古宙(宇)HD4600此表主要综合国际地层表（国际地层委员会，2008）和中国区域地层（地质年代）表（中国地层委员会，2001）编制。冥古宙冥古宙(46-40亿年)具有“开天劈地”之意，是地球发展的初期阶段或称天文阶段，目前在地球表面尚未见到或确证这一时期形成的大量岩石(只有零星发现的少量残余岩石)，这可能是由于该时期的地表岩石绝大部分已被后期改造的缘故。生物未起源。由于该时期的物质记录罕见，一些学者主张将其归并于太古宙（如国际地层表，2004），但国际地层委员会2008年推出的国际地层与地质年代表重新恢复了该地质年代单位。太古宙(40-25亿年)是已有大量岩石记录的最古老地质年代，这一时期的岩石一般是变质程度很高的变质岩。生物已起源，这一时期的生物仅有极原始的海生菌藻类。元古宙(25-5.42亿年)为较古老的地质年代，这一时期的岩石记录已十分普遍，元古宙包括古元古代、中元古代和新元古代3个代。该时期的纪一级年代单位尚未全球统一。其中，中元古代和新元古代在我国被分为5个纪，由老到新依次为：长城纪、蓟县纪、青白口纪、南华纪、震旦纪。表4.2地质年代表相对地质年代生物宙(宇)代(界)纪(系)世(统)同位素年龄Ma植物动物全新世Qh第四纪(系)Q更新世(统)Qp上新世N21.8（2.6）新近纪(系)N中新世(统)N1渐新世E323始新世E2新生代︵界︶Kz古近纪(系)E古新世(统)E1哺乳动物晚(上)K265.5白垩纪(系)K早(下)白垩世(统)K1被子植物晚(上)J3145.5中(中)J2侏罗纪(系)J早(下)侏罗世(统)J1晚(上)T3199.6中(中)T2中生代︵界︶Mz三叠纪(系)T早(下)三叠世(统)T1爬行动物︵恐龙︶251裸子植物二叠纪(系)P晚(上)中(中)早(下)二叠世(统)P3P2P1晚(上)C2299古爬行动物石炭纪(系)C早(下)石炭世(统)C1晚(上)D3359两栖动物中(中)D2晚古生代︵界︶Pz泥盆纪(系)D早(下)泥盆世(统)D1鱼晚(上)S3416中(中)S2志留纪(系)S早(下)志留世(统)S1孢子植物晚(上)O3444中(中)O2奥陶纪(系)O早(下)奥陶世(统)O1晚(上)∈3488中(中)∈2显生宙︵宇︶PH古生代︵界︶Pz早古生代︵界︶Pz寒武纪(系)∈早(下)寒武世(统)∈1藻类海生无脊椎动物晚(上)Z2542震旦纪(系)Z早(下)震旦世(统)Z1海生小壳动物南华纪(系)Nh晚(上)早(下)南华世(统)Nh2Nh1680850新元古代(界)Pt3青白口纪(系)Qb晚(上)早(下)青白口世(统)Qb2Qb11000蓟县纪(系)Jx晚(上)早(下)蓟县世(统)Jx2Jx11400中元古代(界)Pt2长城纪(系)Ch晚(上)早(下)长城世(统)Ch2Ch11800元古宙︵宇︶PT古元古代(界)Pt12500太古宙(宇)AR菌藻类海生低等多细胞动物4000冥古宙(宇)HD4600此表主要综合国际地层表（国际地层委员会，2008）和中国区域地层（地质年代）表（中国地层委员会，2001）编制。元古宙的菌藻类生物元古宙的生物主要为各种原始的海生菌藻类，包括蓝藻、绿藻、红藻及一些细菌，还有少量海生的海绵动物、水母及蠕虫等。新元古代震旦纪在海洋中开始出现一些具有硬壳的小型动物（即小壳动物），以澳大利亚的“埃迪卡拉动物群”为典型代表。显生宙(5.42亿年-今)是开始出现大量较高等生物以来的阶段，它包括地球最近5.42亿年的历史，其中又分为古生代、中生代和新生代。表4.2地质年代表相对地质年代生物宙(宇)代(界)纪(系)世(统)同位素年龄Ma植物动物全新世Qh第四纪(系)Q更新世(统)Qp上新世N21.8（2.6）新近纪(系)N中新世(统)N1渐新世E323始新世