高中地球科學/岩石的相對年齡

1666 年，一位名叫尼古拉斯·斯泰諾的年輕醫生受邀解剖了一條巨大的大白鯊的頭部，這條大白鯊是在義大利佛羅倫薩附近被當地漁民捕獲的。斯泰諾驚奇地發現，鯊魚牙齒與在內陸山脈和丘陵中發現的化石（圖 11.9）非常相似，被稱為“舌頭石”。


圖 11.9：化石鯊魚牙齒（左）和現代鯊魚牙齒（右）。

雖然這在今天看來可能很明顯，但當時大多數人並不相信化石曾經是生物的一部分。原因是在遠離任何海洋的高山上發現了蛤蜊、蝸牛和其他海洋動物的化石，距離海洋有數英里。有兩種思想流派來解釋這些化石。一些宗教作家認為，這些貝殼是在聖經中所述大洪水中被衝上來的。但這種解釋無法解釋為什麼化石不僅在山脈上發現，而且也在山脈內部發現，在從地球深處開採出來的岩石中發現。為了尋找另一種解釋，其他作家提出，這些化石是在岩石中形成的，這是神秘力量的結果。換句話說，化石貝殼、骨頭和牙齒從未是生物的一部分！

斯泰諾有不同的想法。對於斯泰諾來說，化石與現代生物之間的密切相似性是不可忽視的。斯泰諾沒有訴諸超自然力量來解釋化石，而是得出結論，化石曾經是生物的一部分。然後，他試圖解釋為什麼會在遠離任何海洋的岩石中發現化石海貝。正如霸王龍圖 11.10 所示，化石類似於活體生物。

岩層的疊置

斯泰諾首先提出，如果一塊岩石含有海洋動物的化石，那麼這塊岩石是由沉積在海底的沉積物形成的。然後，這些岩石被抬升，形成山脈。基於這些假設，斯泰諾做了一系列非凡的推測，現在被稱為斯泰諾定律。

原始水平性

因為沉積物是在水下沉積的，所以它們會形成平坦的、水平的岩層（圖 11.11）。如果發現沉積岩傾斜，那麼岩層是在形成後傾斜的。

側向連續性

沉積物以連續的薄片形式沉積，跨越了它們沉積的整個水體。當山谷切過沉積岩層時，可以推測山谷兩側的岩石最初是連續的。

疊置

沉積岩層層疊疊地沉積。因此，最年輕的岩層位於頂部，最古老的岩層位於序列的底部。

交叉切割關係

任何切割其他岩層的岩層或地表，都比它擾亂的岩層年輕。例如，如果岩漿侵入體穿過一系列變質岩，那麼侵入體必須比它穿過變質岩年輕（圖 11.12）。

大峽谷為斯泰諾定律提供了很好的例證。圖 11.13 顯示了構成峽谷的眾多水平沉積岩層。這很好地說明了原始水平性原理。最年輕的岩層位於峽谷的頂部，而最古老的岩層位於底部，這是疊置定律所描述的。不同的岩層，例如凱巴布石灰岩，可以在峽谷的廣闊區域內匹配。我們知道這些岩層曾經是相連的，這是側向連續性規則中所描述的。最後，科羅拉多河穿過所有沉積岩層，形成峽谷。根據交叉切割關係原理，河流必須比它穿過所有的岩層年輕。

確定岩石的相對年齡

岩石的相對年齡是指它與其他岩石相比的年齡。如果知道兩層岩石的相對年齡，就可以知道哪一層更老，哪一層更年輕，但不知道這些岩層的年齡是多少年。在某些情況下，確定導致特定地層形成的事件順序非常棘手。以圖 11.14 為例。

交叉切割關係原理指出，斷層或侵入體比它穿過的岩石年輕。標註為“E”的斷層穿過所有三層沉積岩層（A、B 和 C），也穿過侵入體（D）。因此，斷層一定是觀察到的最年輕的地層。侵入體 (D) 穿過三層沉積岩層，因此它一定比這些岩層年輕。

疊置原理指出，最古老的沉積岩單元位於底部，最年輕的岩層位於頂部。基於此，岩層 C 最古老，其次是 B 和 A。因此，事件的完整順序如下

岩層 C 形成。
岩層 B 形成。
岩層 A 形成。
當岩層 A-B-C 存在時，侵入體 D 形成。
侵入體 D 穿過岩層 A-C。
斷層 E 形成，使岩層 A 到 C 和侵入體 D 位移。
風化和侵蝕發生，在岩層 A 頂部形成一層土壤。

岩層中的不整合面

斯泰諾發現了確定岩床相對年齡的規則，但他不瞭解這些岩層形成需要多長時間。當時，大多數歐洲人認為地球大約有 6000 年的歷史，這個數字是根據聖經中描述的事件估計的時間量得出的。最早質疑這種時間尺度的人之一是一位名叫詹姆斯·赫頓（1726-1797）的蘇格蘭地質學家。赫頓通常被認為是現代地質學之父，他提出了一個名為均變論的哲學：現在是過去的鑰匙。根據均變論，我們今天周圍看到的相同過程也發生在過去。例如，如果侵蝕和沉積現在緩慢發生，那麼它們可能一直緩慢發生。

赫頓發現了一些沉積岩床位於侵蝕表面的地方。這種地層被稱為不整合面，或者說是岩層中的間隙，一些岩石在那裡被侵蝕掉了。赫頓重建了導致這種地層形成的事件序列。例如，請考慮蘇格蘭海岸西卡角著名的不整合面（圖 11.15）。

根據圖 15，至少可以推斷出九個地質事件

一系列沉積岩床沉積在海底。
沉積物硬化成沉積岩。
沉積岩被抬升並傾斜，露出海面。
傾斜的岩層被雨、冰和風侵蝕，形成不規則的表面。
一片海洋覆蓋了被侵蝕的沉積岩層。
新的沉積層沉積下來。
新的岩層硬化成沉積岩。
這些岩層被傾斜。
發生抬升，將新的沉積岩暴露在海面之上。

赫頓意識到，要解釋沉積、岩石形成、抬升和侵蝕的重複過程，從而形成像西卡角那樣的不整合面，需要一個巨大的時間跨度。赫頓認識到，地球的年齡不應該用幾千年來衡量，而應該是用幾百萬年來衡量。

匹配岩層

當岩石相互接觸時，疊加和穿插關係非常有用，但當岩石相距數公里甚至跨越大陸時，就毫無用處。三種線索可以幫助地質學家在很遠的距離內匹配岩層。第一個是，有些沉積岩地層跨越了廣闊的距離，在大型區域內都可以識別。例如，皮埃爾頁岩地層可以在整個大平原上識別，從新墨西哥到北達科他州。英國西南部著名的多佛白崖可以與丹麥和德國的類似白色懸崖相匹配。

第二個線索可能是存在一個關鍵層，即一個特別獨特的岩層，可以在很廣的區域內識別。火山灰流通常可以用作關鍵層，因為它們分佈廣泛且易於識別。可能最著名的關鍵層例子是在白堊紀和第三紀邊界處發現的一層粘土，這是恐龍滅絕的時間（圖 11.16）。這層薄薄的沉積物，只有幾釐米厚，包含高濃度的銥元素。銥在地球上很稀有，但在小行星中很常見。1980 年，由路易斯·阿爾瓦雷斯及其兒子沃爾特領導的一組科學家提出，大約 6600 萬年前，一顆巨大的小行星撞擊了地球，造成了森林大火、酸雨和氣候變化，最終導致恐龍滅絕。

第三種幫助科學家比較不同岩層的線索是標準化石。回想一下，標準化石是指廣泛存在但只存在相對較短時間的生物的遺骸。如果兩個岩層都含有相同型別的標準化石，那麼它們的年齡可能非常接近。

隨著科學家從世界各地收集化石，他們發現不同時代的岩石含有獨特的化石型別。這種模式導致了地質年代尺度的建立，並幫助激發了達爾文的進化論（圖 11.17）。

地質年代尺度的每個代、紀和世都由當時出現的化石來定義。例如，古生代岩石通常含有三葉蟲、腕足類和海百合化石。恐龍骨骼的存在表明岩石來自中生代，而恐龍的具體型別將允許岩石被識別為三疊紀、侏羅紀或白堊紀。新生代也被稱為哺乳動物時代，第四紀代表了人類首次在地球上蔓延的時間。

課文總結

尼古拉斯·斯騰諾在 17 世紀首次提出了允許科學家確定岩石相對年齡的原理。斯騰諾指出，沉積岩是在連續的、水平的岩層中形成的，較年輕的岩層位於較老的岩層之上。一個世紀後，詹姆斯·赫頓發現了穿插關係定律：斷層或岩漿侵入體比它穿過的岩石要年輕。赫頓也是第一個認識到形成不整合面所需的漫長時間的人，不整合面是指沉積岩位於被侵蝕的表面之上的地方。

在比較相隔很遠距離的岩層時，其他方法也發揮了作用。許多沉積岩地層很大，可以在整個區域內識別。被稱為關鍵層的獨特岩層也用於對比岩層。化石，尤其是標準化石，是比較不同岩層最有效的方法。化石隨時間的變化導致了地質年代尺度的發展。