地質年代與地質作用
地質年代
研究地球及地殼的發展演化曆史是地質學的重要任務之一。在長達46億年的漫長地質曆史中，地球上經曆了一係列的地質事件，如生物的大規模興盛與滅絕、強烈的構造運動、岩漿活動、海陸變遷等。地球的發展演變曆史正是由這些地質事件所構成的。所以，要研究地球或地殼的曆史，其中最重要、最基礎的工作是必須確定這些地質事件的發生年代。
地質年代（geologictime）就是指地球上各種地質事件發生的時代。它包含兩方麵含義：其一是指各地質事件發生的先後順序，稱為相對地質年代；其二是指各地質事件發生的距今年齡，由於主要是運用同位素技術，稱為同位素地質年齡。這兩方麵結合，才構成對地質事件及地球、地殼演變時代的完整認識，地質年代表正是在此基礎上建立起來的。
一、相對地質年代的確定
岩石是地質曆史演化的產物，也是地質曆史的記錄者，無論是生物演變曆史、構造運動曆史、古地理變遷曆史等都會在岩石中打下自己的烙印。因此，研究地質年代必須研究岩石中所包含的年代信息。確定岩石的相對地質年代的方法通常是依靠下述三條準則。
（一）地層層序律
地質曆史上某一時代形成的層狀岩石稱為地層（stratum）。它主要包括沉積岩、火山岩以及由它們經受一定變質的淺變質岩。這種層狀岩石最初一般是以逐層堆積或沉積的方式形成的，所以，地層形成時的原始產狀一般是水平的或近於水平的，並且總是先形成的老地層在下麵，後形成的新地層蓋在上麵，這種正常的地層疊置關係稱為地層層序律（圖4.1）。它是確定同一地區地層相對地質年代的基本方法。當地層因構造運動發生傾斜但未倒轉時，地層層序律仍然適用，這時傾斜麵以上的地層新，傾斜麵以下的地層老。當地層經劇烈的構造運動，層序發生倒轉時，上下關係則正好顛倒。
（二）化石層序律
地層層序律隻能確定同一地區相互疊置在一起的地層的新老關係，要對比不同地區的地層之間的新老關係時就顯得無能為力了，這時，地質學上常常利用保存在地層中的生物化石來確定。
地質曆史上的生物稱為古生物，化石（fossil）是保存在地層中的古代生物遺體和遺跡，它們一般被鈣質、矽質等充填或交代（石化）。18～19世紀，古生物學家與地質學家通過對不同地質曆史時期的古生物化石的詳細研究，終於得出了對生物演化的規律性認識——生物演化律，即生物演化的總趨勢是從簡單到複雜，從低級到高級；以往出現過的生物類型，在以後的演化過程中絕不會重複出現。前一句反映了生物演化的階段性，後一句反映了生物演化的不可逆性。這一規律用來確定地層的相對地質年代時就表現為：不同時代的地層中具有不同的古生物化石組合，相同時代的地層中具有相同或相似的古生物化石組合；古生物化石組合的形態、結構愈簡單，則地層的時代愈老，反之則愈新。這就是化石層序律或稱生物群層序律。利用化石層序律不僅可以確定地層的先後順序，而且還可以確定地層形成的大致時代。圖4.2是利用化石層序律對比甲、乙、丙3個地區的地層新老關係的例子，通過對比可建立統一的綜合地層層序圖。
（三）地質體之間的切割律
上述兩條準則主要適用於確定沉積岩或層狀岩石的相對新老關係，但對於呈塊狀產出的岩漿岩或變質岩則難以運用，因為它們不成層，也不含化石。但是，這些塊狀岩石常常與層狀岩石之間以及它們相互之間存在著相互穿插、切割的關係，這時，它們之間的新老關係依地質體之間的切割律來判定，即較新的地質體總是切割或穿插較老的地質體，或者說切割者新、被切割者老。如圖4.3，顯示了幾個地質體之間的切割及其新老關係。
二、同位素地質年齡的測定
相對地質年代隻表示了地質事件或地層的先後順序，即使是利用古生物化石組合的方法，也隻能了解它們的大致時代。要更確切、更全麵地了解地球的發展史，除了知道各種地質事件的先後順序及大致時代外，必須定量地知道地質事件究竟發生在距今多少年的時候？延續的時間有多長？地質事件的劇烈程度或作用速率怎樣？以及地球形成的確切年齡、地球或地殼發展演化的細節等等。所以，以年為單位來測定絕對地質年齡長期以來深受地質學界的重視。
早在19世紀，人們就已開始探索絕對年齡的計算方法。例如，有人曾根據沉積岩的厚度和沉積作用的大致速率來估算地球的年齡；還有人設想海水是由淡變成的，然後根據現代海洋中的總含鹽量與流水每年從陸地帶入海洋的鹽量來估算地球的年齡等等。這些方法顯然都是很原始的和不準確的，其結果當然也毫無意義。19世紀末，放射性同位素的發現，為測定岩石的絕對年齡提供了科學方法，這種方法主要是利用放射性同位素的蛻變規律，因此被稱為同位素地質年齡測定法。
放射性元素在自然界中自動地放射出α（粒子）、β（電子）或γ（電磁輻射量子）射線，而蛻變成另一種新元素，並且各種放射性元素都有自己恒定的蛻變速度。同位素的衰變速度通常是用半衰期（T1/2）表示的。所謂半衰期，是指母體元素的原子數蛻變一半所需要的時間。例如，鐳的半衰期為1622年，如果開始有10g鐳，經過1622年後就隻剩下5g；再經過1622年僅隻有2.5g……依此類推。因此，自然界的礦物和岩石一經形成，其中所含有的放射性同位素就開始以恒定的速度蛻變，這就像天然的時鍾一樣，記錄著它們自身形成的年齡。當知道了某一放射元素的蛻變速度（T1/2）後，那麼含有這一元素的礦物晶體自形成以來所經曆的時間（t），就可根據這種礦物晶體中所剩下的放射性元素（母體同位素）的總量（N）和蛻變產物（子體同位素）的總量（D）的比例計算出來。其公式如下：
式中λ為蛻變常數，與蛻變速度（T1/2）有關。關係式為λ=0.639/T1/2，通常是在實驗室中測定；N、D值可用質譜儀測出。
自然界放射性同位素種類很多，能夠用來測定地質年代的必須具備以下條件：
①具有較長的半衰期，那些在幾年或幾十年內就蛻變殆盡的同位素是不能使用的；
②該同位素在岩石中有足夠的含量，可以分離出來並加以測定：
③其子體同位素易於富集並保存下來。
表4.1用於測定地質年代的放射性同位素
通常用來測定地質年代的放射性同位素見表4.1所列。從表中可看出，銣—鍶法、鈾（釷）—鉛法（包括3種同位素）主要用以測定較古老岩石的地質年齡；鉀—氬法的有效範圍大，幾乎可以適用於絕大部分地質時間，而且由於鉀是常見元素，許多常見礦物中都富含鉀，因而使鉀—氬法的測定難度降低、精確度提高，所以鉀-氬法應用最為廣泛；14C法由於其同位素的半衰期短，它一般隻適用於5萬a以來的年齡測定。另外，近年來開發的釤-釹法和40Ar-39Ar法以其準確度提高、分辨率增強，顯示了其優越性，可以用來補充上述方法的一些不足。
同位素測年技術為解決地球和地殼的形成年齡帶來了希望。首先，人們著手於對地球表麵最古老的岩石進行了年齡測定，獲得了地球形成年齡的下限值為40億a左右，如南美洲圭亞那的古老角閃岩的年齡為（41.30±1.7）億a、格陵蘭的古老片麻岩的年齡為36億～40億a、非洲阿紮尼亞的片麻岩的年齡為（38.7±1.1）億a等等，這些都說明地球的真正年齡應在40億a以上。其次，人們通過對地球上所發現的各種隕石的年齡測定，驚奇地發現各種隕石（無論是石隕石還是鐵隕石，無論它們是何時落到地球上的）都具有相同的年齡，大致在46億a左右，從太陽係內天體形成的統一性考慮，可以認為地球的年齡應與隕石相同。最後，取自月球表麵的岩石的年齡測定，又進一步為地球的年齡提供了佐證，月球上岩石的年齡值一般為31億～46億a。綜上所述，現在一般認為地球的形成年齡約為46億a。
三、地質年代表
19世紀以來，地質學家和古生物學家，通過對全球各個地區新老不同的地層進行對比研究，特別是對其中所含的古生物化石的對比研究，逐漸認識到地球和地殼在整個發展進程中，生物界的演化及無機界的演化均表現出明顯的自然階段性。於是，他們以地球演化的這種自然階段性為依據，配合同位素地質年齡的測定，對漫長的地質曆史進行了係統性的編年與劃分，編製出一個在全球範圍內能普遍參照對比的年代表，即地質年代表（表4.2）。地質年代表的建立是地質學研究的重要成果，它為推進地質學的發展起到了重要作用，成為現代地質學必不可少的重要基礎。