地质年代2.ppt

1、第三章 地质年代,胥思勤,地球究竟有多大年纪？是如何计算出来的？地球在形成后的亿万年来，都发生过什么变化，她的历史如何书写？我们又怎样恢复这段漫长的历史呢？,第三章 地质年代,第一节 地质年代学 第二节 地质年代划分,地球年龄测定,地球从原始的太阳星云中积聚形成一个行星到现在的时间。目前对地球年龄的最佳估计值为45.5亿年。 关于地球年龄的问题，有几种不同的概念。地球的天文年龄是指地球开始形成到现在的时间，这个时间同地球起源的假说有密切关系。地球的地质年龄是指地球上地质作用开始之后到现在的时间。从原始地球形成经过早期演化到具有分层结构的地球，估计要经过几亿年，所以地球的地质年龄小于它的天文年龄

2、。,最古老的岩石,古老岩石都出现在大陆内部的结晶基底之中。代表性的岩石属基性和超基性的火成岩。这些岩石由于受到强烈的变质作用已转变为富含绿泥石和角闪石的变质岩，通常我们称为绿岩。如1973年在西格陵兰发现了同位素年龄约38亿年的花岗片麻岩。1979年，巴屯等测定南非波波林带中部的片麻岩年龄约39亿年左右。,加拿大北部的变质岩阿卡斯卡片麻岩是保存完好的古老地球表面的一部分。放射性年代测定表明阿卡斯卡片麻岩有将近40亿年的年龄，从而说明某些大陆物质在地球形成之后几亿年就已经存在了。,最近，科学家在澳大利亚西南部发现了一批最古老的岩石，根据其中所含的锆石矿物晶体的同位素分析结果，表明它们的“年龄”约

3、为43亿至44亿岁，是迄今发现的地球上最古老的岩石样本，根据这一发现可以推论，这些岩石形成时，地球上已经有了大陆和海洋。在地球诞生2亿至3亿年后，可能并不象人们所认为的那样由炽热的岩浆所覆盖，而是已经冷却到了足以形成固体地表和海洋的温度。地球的圈层分异在距今44亿年前可能就已经完成了。目前在中国发现的最古老岩石是冀东地区的花岗片麻岩，其中包体的岩石年龄约为35亿年。,如何测量这些岩石的年龄,任何时钟都是用具有恒定速率的运动来度量时间。计量地球所经历的时间，必须找到一种速率恒定而又量程极大的时钟。 很早以前，人们曾试图用地球上发生的一般物理化学过程来估算地球的年龄，如根据地球表面沉积岩的积累厚度

4、，海水含盐度随时间的增加，地球内部的冷却率等等。但是这些过程的变化速率在地球历史上是不恒定的，因此不可能得到正确的年龄估计。直到1896年放射性元素被发现以后，人们才找到了一种以恒定速率变化的物理过程来测定岩石和地球的年龄。,第一节 地质年代学,地质年代学包括相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。,一相对地质年代学,相对地质年代学的研究对象，包括： 地层、岩石、古生物和古地磁。,1.化石,大约在800多年前，中国学者朱熹(11301200)发现：“尝见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。此事思之至深，有可验者。”,化石,朱熹之后300多年，意大利著名的艺术

5、家、知识渊博的学者达芬奇(Ldavinci，14521519)也作出了自己的判断：亚平宁山脉上发现的海生介壳化石，本是生活在海滨的生物，是河流带来泥土把它们掩埋，并且渗入到它们的内部。他还推论，后来这里的地势升高，所以这些海洋生物的遗体就会出现在山上。,化石,朱熹和达芬奇都看到了，今日的山可以是过去的海，山野间的岩层就是地球历史的遗迹。 生物地层法是利用化石来鉴定地层时代，生物界的演化由简单到复杂，由低级到高级，具有不可逆性和阶段性，在同一时期，生物界大体具有全球一致性，因此，化石是确定相对地质年代的重要手段。,2. 地层,1) 地层层序律-“地层”概念 2) 时间和空间的统一-地层的内涵 3

6、) 现实主义原理(Actualism)-地质学的哲学基础 4）地层学基础,1) 地层层序律-“地层”概念,1669年，出生于哥本哈根的斯泰诺(NSteno，16381686) 总结出岩层之间，存在着如下的规律：岩层在形成后，如未受到强烈地壳运动的影响而颠倒原来位置的话，则应该是先沉积的在下，后沉积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态，延展到远处才渐渐尖灭。这就叫地层层序律。,它使我们能通过那些似乎是杂乱无章的岩层，辨认出地球史册的先后生成次序。岩层在这里有了时间的意义，形成了地质学中的一个重要的基本概念地层。 地层是具有时间意义的岩层或岩层的组合，每一段地层都代表着一定的时间。,1) 地层层

7、序律-“地层”概念,2) 时间和空间的统一-地层的内涵,地层不仅指成层的沉积岩，而且也包括了一切产出于这段时间的其他岩石。如果没有将时间和空间统一起来认识的观念，就谈不上认识地球的历史。 不同时期形成的地层，依据其所代表的时间长短，可划分为宇、界、系、统、阶等单位，它们与地质时代中的宙、代、纪、世、期的时间上下限相同，即在宙这段时期形成的地层称为宇，在代这段时期形成的地层称为界，以此类推。,3) 现实主义原理(Actualism)-地质学的哲学基础,英国人赫顿(JHutton，17261797)根据自己在野外考察的实际经验和前人的认识，把时空统一的地质思维，形象地表述为“在地球现在的构造中，可

8、以看到世界的废墟(地球论，1785)。他告诉人们，地球上过去的一切变化都是由现存作用的缓慢活动所形成的。后来赫顿的同胞，莱伊尔(CLyell，17971875)用更丰富的事实论证和阐明了这条被概括为“将今论古”，或称现实主义原理(Actualism)，他的巨著地质学原理使地质学真正成为一门科学，登上历史的舞台。,有了地质学这个武器，记录在地球自己身上过去不为人知的历史，一点一点地被揭示出来了。地层中岩石的物质组成状况，即它们的岩性和岩相，也可以告诉我们当初所处的环境。今日河流搬运泥沙入海，是从粗到细，由近及远，先后有序地沉积。据此推知，今天地面上同一地区同一组地层中出现的岩石组成物质由粗到细的

9、变化，正勾画出当时沉积时水的深浅和离岸远近。根据今天的变化，可以在岩层中找到过去留下的痕迹，连当初浪翻湖底、风成沙丘、土地龟裂、雨打沙滩，都有迹可寻。,不足,不过仅仅从岩层本身的性质和位置的上下顺序来解读地球的历史，显然是不够的。因为，并不是任何时候、任何地方都有沉积物在堆积，而且旧的岩层还在受到破坏并被搬走：历史上这种情况很多。因此我们在一个地区看到的地层，不可能留下所有时期形成的完整记录。,4）地层学基础,原生水平定理principle of original horizontality. 垂直叠加定理principle of superposition.,This is in perfe

10、ct world!,Because sedimentary deposition is originally horizontal, any departure from this attitude (such as folding) must have occurred after deposition and is therefore younger than the layers themselves,侧向连续性 Lateral Continuity,Erosinal processes,Sedimentary rocks are deposited as a continuous st

11、ratum (layer) and extend in all directions within a basin of deposition. Should they be absent in places within the basin, there must have been events occuring after deposition (such as erosion) which removed these rocks.,互切关系 Cross-Cutting Relationships,This principle states that rock bodies or eve

12、nts which cut across other events or bodies are younger than what they cut across.,Erosion before layer 4 deposited,互切关系 Cross-Cutting Relationships,不整合接触Unconformities,沉积岩岩层接触关系的一类。与整合接触Conformities相对。有时简称不整合。 由于地壳运动，往往使沉积中断，形成时代不相连续的岩层，这种关系称不整合接触。,平行不整合Parallel Unconformities 角度不整合Angular Unconfor

13、mities 根据两套岩层中间的不整合面上下岩层的产状及其所反映的地壳运动过程，可分为平行不整合Parallel Unconformities（又称假整合，岩层平行，而以岩层缺失区别于整合接触）和角度不整合Angular Unconformities（斜交不整合）。,不整合接触Unconformities,角度不整合Angular Unconformities,3 岩石和矿物,一些具有特殊性岩石或矿产的岩层，可作为确定相对地质年代的标志，如条带状磁铁石英岩只形成于太古宙至元古宙。,古地磁,古地磁法是利用地磁极性正常和倒转的交替，编制地磁极性年代表，可确定相对地质年代。 什么是古地磁？,有关地磁

14、场的种种,地球磁场的起源,关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。 在这些学说中，只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观 测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。,地球磁场示意图,地磁场的形成,地磁场是由外源磁场和内源磁场共同组成的。 外源磁场由太阳磁场、宇宙射线等外部因素影响产生。但外源磁场在地磁场中占的比例极小。 内源磁场由地球本身产生。,在接

15、近地心处，温度达到4000以上，压强最高接近367atm。在那里物质是以等离子态形式存在的。也就是说：我们可以在那里找到大量的、足够多的未被束缚在一起的正、负电荷。由于负离子（电子）的质量、体积、电荷量都相对很小，可认为它们可以在等离子态物质中自由地，几乎不受阻力地穿来穿去。类似自由电子在金属中的情况。所以，我们有理由相信其分布是宏观平衡的。引起“宏观电流”的是大质量的正离子的定向移动。,地磁场的作用,对太阳风的屏蔽 地球磁场与极光 古地磁 地球磁场的反向 地球磁场的变化的应用,对太阳风的屏蔽,在“射向”地球的宇宙射线中，太阳辐射粒子流（太阳风）占主要成分，而太阳风主要成分为氢原子核（质子），

16、在地球轨道上，太阳风速度约为500公里/秒。 带电粒子进入地磁场受到洛仑兹力的作用而被偏转，进而使地球免于受到大部分的太阳风的直射。,另：太阳风磁场对地球磁场也有一种作用，好象要把地球磁场从地球上吹走似的 在地球的向日面，地球磁场向太空伸延到10个地球半径的地方在10个地球半径处的外面还发现了一个其外缘由激波构成的磁化区激波系太阳风的微粒与地球磁场相激发的产物、激波类似于抛掷石块干河面所溅起的波浪。或者船桨击破水面时所产生的波浪激波以外的磁场则属于太阳系 在地球的背日面，地球的磁场形成了一个“磁尾”在该方向25个地球半径的地方仍可测到地球磁场磁尾的长度大概绵延40个地球半径左右磁尾北部的磁力线

17、指向地球也就是说，如果把指南针放在这里的话，其北端将指向地球磁尾，南部的磁力线则背向地球磁尾内这两种磁性完全相反的部分之间的界面称为中性面，中性面上的磁场强度即使不为零也是微乎其微的外绕有磁扰区的磁尾的形状同彗尾形状极为相似,地球磁场与极光,产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。 又因为其朝向磁极下落，所以极光

18、多出现在南北极。,古地磁,又称自然剩磁。各地质时代的岩石常有一定的磁性，指示其生成时期的磁极方向。岩浆岩中带磁性矿物所表示的磁性，称热剩磁；沉积岩中带磁性物质所表示的磁性，称沉积剩磁。利用古地磁可了解地球的长期变化，测定一个板块上的地极游移及一个地区的磁极倒向，并用以对比岩石形成的时代。,古地磁是指人类史前（地质年代）和史期的地磁场。古地磁场的研究以岩石磁性的测量为基础。 现代地磁场的记录不超过400年,这在很大程度上限制了人们对地球基本磁场和长期变化规律的认识。地壳各处的岩石含有或多或少的各种磁性矿物，在冷却或沉积过程中被地磁场磁化，记录下岩石形成时期地磁场的方向和强度，其中一部分磁性稳定的

19、岩石，在漫长的地质时期，完整地保留了这种记录。同理，古砖、古瓷器、炉灶等原始焙烧物在它冷却时也被当时的地磁场磁化，于是记录了人类史期的地磁场。这些珍贵资料扩大了人们对地磁场变化的认识。,古地磁的测量,岩石和原始焙烧物在其形成后的漫长时期，由于各种物理、化学作用，难免产生次生磁化。清除岩石的次生磁化,保留稳定的原生磁化,这项工作叫做磁清洗。由于古地磁场的方向和强度很难测定得很精确，所以，只有利用大量标本的测量结果进行统计，才可能取得较好的结果。 古地磁场方向：当标本的产状(走向、倾向、倾角)已知时，由标本剩磁方向的测定可以得到标本产地的古地磁场的偏角和倾角。在地心偶极子的假定下，由古偏角和古倾角

20、即可确定古地磁极的位置。,古地磁场的倒转,布容 (B.Brunhes)1906年从法国熔岩中发现了磁化方向与现代地磁场方向相反的岩石。随后在其他地方也观测到同样的事实。60年代以前存在着岩石自发反向磁化和地磁场本身倒转两种观点的争论。随着反向磁化岩石的普遍发现和实验室工作的进展，到了60年代古地磁场倒转的观点已为人们普遍接受。地磁场倒转给地磁场起源和核内动力学的理论提出了一个重要的约束条件。,地球磁场的反向（倒转）,根据古地磁研究，地磁的正负极性交替改变多次，在过去的七千六百万年中，已确定发生过170余次，每次反向时，地磁场强度在数千年间减弱至零，然后向反向极性方向增强，维持数万至数百万年后又

21、再发生极性反向。 地球磁场正反交替每一时期延续约数十万年，称之为一个世（epoch）。,二.绝对地质年代学（同位素地质年代学 ）,放射性同位素基础,放射性的发现,1896年,放射性,贝克尔 1903年 放射性衰变理论 E.Rutherford and F.Soddy 1905年, 衰变律, E.Von Schweidler 1913年,同位素概念,放射性,放射性是指原子核自发地放射各种射线（粒子）的现象。在磁场中研究放射性的性质时，发现射线是由、 3种射线组成。射线是高速运动的粒子流,粒子由两个质子和两个中子组成,实际上就是He。射线是高速运动的电子流。射线是波长很短的电磁波。,放射性同位素,

22、能自发地放射各种射线的同位素称为放射性同位素。 放射性同位素放射出 或射线而发生核转变的过程称放射性衰变，衰变前的放射性同位素为母体，衰变过程中产生的新同位素叫子体。,中子数,质子数,Radioactive parent instable,Radiogenic daughter stable,Radioactive decay,The law of radioactive decay,The decay rate is dependent only on the nature and energy state of the nuclide. It is independent of the past history of the nucleus, and essentially independent of external influences such as temperature, pressure, etc.,where is called the decay constant.,Half-Life =,在放射性衰变过程中放射性母体同位素的原子数衰减到原子数目的一半所需的时间称为半衰期，记作 T1/2。,N0表示时间t=0时放射性同位素的初始原子数，N表示经过t 时间以后剩下的未衰变母体原子数,为衰变常数。,经任何时间由母体衰变的子体原子数为 D=N0