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地层、化石及地质年代

与人类发展历史相比,地球的历史漫长而复杂得多。每过一年,大家都要长大一岁。一年,对我们来说是个比较长的时间,可是这在地球的历史上,简直是微不足道的一瞬。地层和化石是记录地球历史的天然地质史书,地层好比书的每一页,化石则是每页中清楚的文字。用现代科学的方法通过对古老岩石、化石的测定,人们可以推算这些地层形成的地质时代。

一、地层

地层是在一定地质时期内所形成的层状堆积物或岩石,包括沉积岩、岩浆岩以及由它们变质而成的变质岩。层层叠叠覆盖在原始地壳上的地层,就是一部地球几十亿年演变发展留下的“石头书”,地球表面的岩层是一层层依次先后沉积下来,先形成的地层在下,后形成的地层在上。这样由它们组成的地层就有了先后顺序,只要未经过强烈的构造变动而发生倒转,地层的顺序总是上新下老。当早期的沉积岩层发生构造变动而出现沉积间断、倾斜倒转、褶皱变形时,后期沉积的岩层与先期岩层间便出现明显的间断面,这个间断面称为“地层的接触关系”。地层的接触关系包括整合接触与不整合接触两种关系,其中不整合接触关系又分为平行不整合和角度不整合。

1、整合接触关系

当地壳处于相对稳定下降情况下,形成连续沉积的岩层,老岩层沉积在下,新岩层在上,不缺失岩层,这种关系称整合接触。

2、不整合接触关系

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。

(1)平行不整合

也叫假整合,是指上、下两套地层的产状平行或基本一致,但有明显的沉积间断。原来沉积的地层因地壳上升为陆地而遭受风化、剥蚀,直到该区再次下降,又被海水浸漫,接受新的沉积。原来沉积的地层和新沉积的地层之间平行一致,但新老地层之间存在一个剥蚀面,这种关系称为平行不整合。

图3-29? 平行不整合形成示意图(据《地史学教程》,1980)

图3-30? 平行不整合地层剖面

(2)角度不整合

在沉积盆地中,原来沉积的地层由于地壳运动的结果,不仅上升为陆地遭受风化剥蚀,而且地层褶皱变形。当地壳再次下降,又被海水浸漫接受新的沉积时,新地层、老地层之间呈现斜交关系,这种接触关系称为角度不整合。

图3-31? 角度不整合形成示意图(据《地史学教程》,1980)

A—地壳抬升造成的大陆剥蚀面;B—地壳重新下降接受新的沉积

图3-32? 角度不整合地层剖面

二、化石

在漫长的地质年代里,地球上曾经生活过无数的生物,这些生物死亡后的遗体或是生活时遗留下来的痕迹,许多被当时的泥沙掩埋起来。在随后的岁月中,这些生物遗体中的有机物质分解殆尽,坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物一起经过石化变成了石头,但是它们原来的形态、结构(甚至一些细微的内部构造)依然保留着。同样,那些生物生活时留下来的痕迹也可以这样保留下来。化石就是指保存在地层中地质历史时期的生物遗体或生物活动所留下的遗迹,包括植物、无脊椎动物、脊椎动物等化石及其遗迹化石。

虽然地球上曾有众多的人们并不知道的生物生存过,但只有少数生物留下了化石。因为形成化石需要满足三个最基本的因素:(1)有机物必须拥有坚硬部分,如壳、骨、牙或木质组织。当然,在非常有利的条件下,即使是非常脆弱的生物,如昆虫或水母也能够变成化石。(2)生物在死后必须立即避免被毁灭。如果一个生物的身体部分地被压碎、腐烂或严重风化,这就可能改变或取消该种生物变成化石的可能性。(3)生物必须被某种能阻碍分解的物质迅速地埋藏起来。而这种掩埋物质的类型通常取决于生物生存的环境。海生动物的遗体通常都能变成化石,这是因为海生动物死亡后沉在海底,被较细粒的沉积物覆盖而不易损坏生物的遗体。因此,化石在沉积岩地层中才可能找到,岩浆岩、变质岩中一般不会有化石,因为火山爆发时温度很高,即便有生物遗体,早已会被烧为灰烬;而变质岩是在高温高压下形成的,也不可能把化石保存下来。

内乡县境内变质岩、岩浆岩分布较为广泛,具有较高科学价值的化石发现得不多,除了夏馆—七里坪一带和庙山水库附近上白垩统红层中发现有恐龙蛋、恐龙骨骼及古无脊椎动物等古生物化石以外,公园范围内的下古生界二郎坪群地层中曾发现一些古生物化石。在内乡湍源大庙组(Pz1d)顶部硅质岩夹层中,1989年王乃文采获放射虫和浮游植物化石,其中放射虫有7属14种;另外,在内乡岞山曲一带古生界地层中发现有三叶虫、珊瑚等古生物化石,对于探讨豫西南古地理环境有重要意义。

图3-33? 内乡石堂山一带发现的珊瑚化石

化石可以确定地层形成的相对时代,也可以提供当时环境的信息。换句话说,地层和化石,不仅是江、河、湖、海的忠实记录,告诉我们生物发展演化的规律,还可以让我们了解地球经历的沧海桑田,海陆变迁的事实。古生物化石不同于文物,它是重要的地质遗迹,是我国宝贵的、不可再生的自然遗产。

三、地质年代

地质年代是指地质体形成或地质事件发生的时代,它能反映地质事件发生的时间和顺序,地质年代有相对地质年代和绝对地质年代之分。地质年代把地壳全部历史划分成若干自然阶段或时期,类似人类历史中的朝代顺序,主要是依据地层顺序、生物演化阶段和地壳运动的阶段性划分。

图3-34? 地质年代表

地球从形成到现在已有46亿年的历史,覆盖在地壳上的地层有老有新,具有时间的概念,地质学将地质年代划分为宙、代、纪、世、期五个单位。整个地壳历史划分为看不到或者很难见到生物的隐生宙和可看到一定量生命的显生宙两大阶段。隐生宙的上限为地球的起源,其下限年代却不是一个绝对准确的数字,一般说来可推至6亿年前,也有推至5.7亿年前的。从6亿或5.7亿年以后到现在就被称作是显生宙。隐生宙包括太古代、元古代,显生宙又划分为古生代、中生代、新生代。代之下又可划分若干纪,如中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪。每个纪又分为二个或三个世,世下分若干期,世以上的划分与名称是国际性的,是世界统一的,世以下的划分与名称是按各地区实际情况来决定。

与地质时代各单位相对应的地层单位分别为:宇、界、系、统、阶。例如寒武纪是时代单位,寒武纪所沉积的地层就叫寒武系。同理,古生代沉积的地层叫古生界。

1、相对地质年代

相对地质年代是指地层的生成顺序和相对的新老关系。它只表示地质历史的相对顺序和发展阶段,不表示各个地质时代单位的长短。主要方法有地层层序律与化石层序律。

地层层序率是确定同一地区地层相对地质年代的基本方法。丹麦医生斯坦诺根据意大利北部山脉的野外观察,于1669年提出:年代较老的地层在下,年代较新的地层叠覆在上。当地层因为构造运动发生倾斜但未倒转时,地层层序率仍然适用,这时倾斜面以上的地层新,倾斜面以下的地层老。当地层经剧烈的构造运动,层序发生倒转时,上下关系正好颠倒。

英国地质学家史密斯提出“化石层序律”把地质年代与生物演化阶段联系起来,即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、结构越简单,则地层的时代越老,反之则越新。这样人们就知道,在不同时代的地层中含有不同的化石,同样,如果得到了这些化石后也可以推断产出这些化石的地层年代,假如我们在某个地方采集到三叶虫化石,我们可以肯定地说,这个地区的地层年代是古生代,而且还可以根据三叶虫的属种进一步确定是生活在古生代的某一段具体时间,比如是寒武纪还是奥陶纪。

图3-35? 化石层序律示意图

2、绝对地质年代

绝对地质年代指通过对岩石中放射性同位素含量的测定,根据其衰变规律而计算出该岩石的年龄。它是以绝对的天文单位“年”来表达地质时间的方法,绝对地质年代学可以用来确定地质事件发生、延续和结束的时间。

目前较常见也较准确的测年方法是放射性同位素法。其中主要有铀-铅(U-Pb)法、钾-氩(K-Ar)法、氩-氩(Ar-Ar)法、铷-锶(Rb-Sr)法、钐-钕(Sm-Nd)法、碳法、裂变径迹法等,根据所测定地质体的情况和放射性同位素的不同半衰期选用合适的方法可以获得比较理想的结果。