高中地球科学/岩石的相对年龄

1666 年，一位名叫尼古拉斯·斯泰诺的年轻医生受邀解剖了一条巨大的大白鲨的头部，这条大白鲨是在意大利佛罗伦萨附近被当地渔民捕获的。斯泰诺惊奇地发现，鲨鱼牙齿与在内陆山脉和丘陵中发现的化石（图 11.9）非常相似，被称为“舌头石”。


图 11.9：化石鲨鱼牙齿（左）和现代鲨鱼牙齿（右）。

虽然这在今天看来可能很明显，但当时大多数人并不相信化石曾经是生物的一部分。原因是在远离任何海洋的高山上发现了蛤蜊、蜗牛和其他海洋动物的化石，距离海洋有数英里。有两种思想流派来解释这些化石。一些宗教作家认为，这些贝壳是在圣经中所述大洪水中被冲上来的。但这种解释无法解释为什么化石不仅在山脉上发现，而且也在山脉内部发现，在从地球深处开采出来的岩石中发现。为了寻找另一种解释，其他作家提出，这些化石是在岩石中形成的，这是神秘力量的结果。换句话说，化石贝壳、骨头和牙齿从未是生物的一部分！

斯泰诺有不同的想法。对于斯泰诺来说，化石与现代生物之间的密切相似性是不可忽视的。斯泰诺没有诉诸超自然力量来解释化石，而是得出结论，化石曾经是生物的一部分。然后，他试图解释为什么会在远离任何海洋的岩石中发现化石海贝。正如霸王龙图 11.10 所示，化石类似于活体生物。

岩层的叠置

斯泰诺首先提出，如果一块岩石含有海洋动物的化石，那么这块岩石是由沉积在海底的沉积物形成的。然后，这些岩石被抬升，形成山脉。基于这些假设，斯泰诺做了一系列非凡的推测，现在被称为斯泰诺定律。

原始水平性

因为沉积物是在水下沉积的，所以它们会形成平坦的、水平的岩层（图 11.11）。如果发现沉积岩倾斜，那么岩层是在形成后倾斜的。

侧向连续性

沉积物以连续的薄片形式沉积，跨越了它们沉积的整个水体。当山谷切过沉积岩层时，可以推测山谷两侧的岩石最初是连续的。

叠置

沉积岩层层叠叠地沉积。因此，最年轻的岩层位于顶部，最古老的岩层位于序列的底部。

交叉切割关系

任何切割其他岩层的岩层或地表，都比它扰乱的岩层年轻。例如，如果岩浆侵入体穿过一系列变质岩，那么侵入体必须比它穿过变质岩年轻（图 11.12）。

大峡谷为斯泰诺定律提供了很好的例证。图 11.13 显示了构成峡谷的众多水平沉积岩层。这很好地说明了原始水平性原理。最年轻的岩层位于峡谷的顶部，而最古老的岩层位于底部，这是叠置定律所描述的。不同的岩层，例如凯巴布石灰岩，可以在峡谷的广阔区域内匹配。我们知道这些岩层曾经是相连的，这是侧向连续性规则中所描述的。最后，科罗拉多河穿过所有沉积岩层，形成峡谷。根据交叉切割关系原理，河流必须比它穿过所有的岩层年轻。

确定岩石的相对年龄

岩石的相对年龄是指它与其他岩石相比的年龄。如果知道两层岩石的相对年龄，就可以知道哪一层更老，哪一层更年轻，但不知道这些岩层的年龄是多少年。在某些情况下，确定导致特定地层形成的事件顺序非常棘手。以图 11.14 为例。

交叉切割关系原理指出，断层或侵入体比它穿过的岩石年轻。标注为“E”的断层穿过所有三层沉积岩层（A、B 和 C），也穿过侵入体（D）。因此，断层一定是观察到的最年轻的地层。侵入体 (D) 穿过三层沉积岩层，因此它一定比这些岩层年轻。

叠置原理指出，最古老的沉积岩单元位于底部，最年轻的岩层位于顶部。基于此，岩层 C 最古老，其次是 B 和 A。因此，事件的完整顺序如下

岩层 C 形成。
岩层 B 形成。
岩层 A 形成。
当岩层 A-B-C 存在时，侵入体 D 形成。
侵入体 D 穿过岩层 A-C。
断层 E 形成，使岩层 A 到 C 和侵入体 D 位移。
风化和侵蚀发生，在岩层 A 顶部形成一层土壤。

岩层中的不整合面

斯泰诺发现了确定岩床相对年龄的规则，但他不了解这些岩层形成需要多长时间。当时，大多数欧洲人认为地球大约有 6000 年的历史，这个数字是根据圣经中描述的事件估计的时间量得出的。最早质疑这种时间尺度的人之一是一位名叫詹姆斯·赫顿（1726-1797）的苏格兰地质学家。赫顿通常被认为是现代地质学之父，他提出了一个名为均变论的哲学：现在是过去的钥匙。根据均变论，我们今天周围看到的相同过程也发生在过去。例如，如果侵蚀和沉积现在缓慢发生，那么它们可能一直缓慢发生。

赫顿发现了一些沉积岩床位于侵蚀表面的地方。这种地层被称为不整合面，或者说是岩层中的间隙，一些岩石在那里被侵蚀掉了。赫顿重建了导致这种地层形成的事件序列。例如，请考虑苏格兰海岸西卡角著名的不整合面（图 11.15）。

根据图 15，至少可以推断出九个地质事件

一系列沉积岩床沉积在海底。
沉积物硬化成沉积岩。
沉积岩被抬升并倾斜，露出海面。
倾斜的岩层被雨、冰和风侵蚀，形成不规则的表面。
一片海洋覆盖了被侵蚀的沉积岩层。
新的沉积层沉积下来。
新的岩层硬化成沉积岩。
这些岩层被倾斜。
发生抬升，将新的沉积岩暴露在海面之上。

赫顿意识到，要解释沉积、岩石形成、抬升和侵蚀的重复过程，从而形成像西卡角那样的不整合面，需要一个巨大的时间跨度。赫顿认识到，地球的年龄不应该用几千年来衡量，而应该是用几百万年来衡量。

匹配岩层

当岩石相互接触时，叠加和穿插关系非常有用，但当岩石相距数公里甚至跨越大陆时，就毫无用处。三种线索可以帮助地质学家在很远的距离内匹配岩层。第一个是，有些沉积岩地层跨越了广阔的距离，在大型区域内都可以识别。例如，皮埃尔页岩地层可以在整个大平原上识别，从新墨西哥到北达科他州。英国西南部著名的多佛白崖可以与丹麦和德国的类似白色悬崖相匹配。

第二个线索可能是存在一个关键层，即一个特别独特的岩层，可以在很广的区域内识别。火山灰流通常可以用作关键层，因为它们分布广泛且易于识别。可能最著名的关键层例子是在白垩纪和第三纪边界处发现的一层粘土，这是恐龙灭绝的时间（图 11.16）。这层薄薄的沉积物，只有几厘米厚，包含高浓度的铱元素。铱在地球上很稀有，但在小行星中很常见。1980 年，由路易斯·阿尔瓦雷斯及其儿子沃尔特领导的一组科学家提出，大约 6600 万年前，一颗巨大的小行星撞击了地球，造成了森林大火、酸雨和气候变化，最终导致恐龙灭绝。

第三种帮助科学家比较不同岩层的线索是标准化石。回想一下，标准化石是指广泛存在但只存在相对较短时间的生物的遗骸。如果两个岩层都含有相同类型的标准化石，那么它们的年龄可能非常接近。

随着科学家从世界各地收集化石，他们发现不同时代的岩石含有独特的化石类型。这种模式导致了地质年代尺度的创建，并帮助激发了达尔文的进化论（图 11.17）。

地质年代尺度的每个代、纪和世都由当时出现的化石来定义。例如，古生代岩石通常含有三叶虫、腕足类和海百合化石。恐龙骨骼的存在表明岩石来自中生代，而恐龙的具体类型将允许岩石被识别为三叠纪、侏罗纪或白垩纪。新生代也被称为哺乳动物时代，第四纪代表了人类首次在地球上蔓延的时间。

课文总结

尼古拉斯·斯腾诺在 17 世纪首次提出了允许科学家确定岩石相对年龄的原理。斯腾诺指出，沉积岩是在连续的、水平的岩层中形成的，较年轻的岩层位于较老的岩层之上。一个世纪后，詹姆斯·赫顿发现了穿插关系定律：断层或岩浆侵入体比它穿过的岩石要年轻。赫顿也是第一个认识到形成不整合面所需的漫长时间的人，不整合面是指沉积岩位于被侵蚀的表面之上的地方。

在比较相隔很远距离的岩层时，其他方法也发挥了作用。许多沉积岩地层很大，可以在整个区域内识别。被称为关键层的独特岩层也用于对比岩层。化石，尤其是标准化石，是比较不同岩层最有效的方法。化石随时间的变化导致了地质年代尺度的发展。