地质公园概论：地质作用与地质年代简介

第二节　地质作用与地质年代

一、导致地球不断变化的作用——地质作用

1.基本概念

在漫长的地球历史中，组成地球的物质不断在变化和重新组合，地球内部构造和地表形态也不断在改造和演变。地球的这种不断的变化，是和作用于地球的自然力密切相关的。我们把作用于地球的自然力使地球的物质组成、内部构造和地表形态发生变化的作用，总称为地质作用。引起地质作用的自然力称为地质营力。

所有地质营力来源于能，力是能的表现。按照能的来源不同，地质作用分为内力地质作用和外力地质作用。内力地质作用是由地球内部的能（简称内能）引起的，主要有地内热能、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能。外力地质作用是由地球以外的能（简称外能）引起的，主要有太阳辐射能、潮汐能、生物能等。

2.地质作用的能源

（1）地内热能。地球本身具有巨大的热能，这是导致地球发生变化的重要能源。目前公认，放射性热能，即由地球内部放射性元素蜕变而产生的热能，是地球热能的主要来源。一种观点认为，地球在由星际物质聚集而成的过程中，在本身重力作用下体积逐渐压缩，产生压缩热，也是地球热能的一种来源。另外，地球内部物质发生化学反应，或者产生结晶作用，也可以释放热，所以化学能和结晶能同样是地球热能的来源。据计算，地球内部每年产生的总热量大于每年经地表散失的总地热流量，这部分剩余的地热能量，是导致火山活动、岩浆活动、地震、变质作用、地壳运动的主要能源，根据岩石圈板块理论，地内热对流是板块运动趋动力的主要能源。

（2）重力能。指地心引力给予物体的位能。在地球表面的所有物体都处于重力场的作用之下。同时，在地球形成和发展过程中，地内物质在地心引力作用下，按不同比重发生分异，即轻者上升、重者下沉，导致物质的总位能释放而转化为热能，这种热能称为重力分异产生的热能，成为地球热能来源之一。

（3）地球旋转能。地球自转对地球表层物质产生离心力和离极力。离心力的大小随纬度而变化，两极为零，赤道最大，故离心力自两极向赤道是逐渐增加的；同时，离心力又可分解为两个分力：一是垂直地面的垂直分力，它和重力作用方向相反，并为重力所抵消；一是过地表相应点沿经向的水平分力（切向分力），这是使地壳表层物质产生由高纬度向低纬度沿水平方向移动的有效分力。离极力是可变形旋转椭球体的转动惯量矩具有使自己取极大值的趋势的力，其方向指向赤道，从而导致地球表层物质向赤道方向移动。

（4）太阳辐射能。太阳不断向地球输送热能，根据计算，一年中整个地球可以由太阳获得5.4×10²⁴J的热量。太阳辐射热是大气圈、水圈和生物圈赖以活动、发育并相互进行物质和能量交换的主要能源，并由此产生了一系列的外营力，如风、流水、冰川、波浪等。

（5）潮汐能。地球在日、月引力作用下使海水产生潮汐现象。潮汐具有强大的机械能，是导致海洋地质作用的重要营力之一。

（6）生物能。由生命活动所产生的能量，无论是植物的生长、动物的活动以及人类大规模的改造自然活动，都会产生改变地球物质和面貌的作用。但归根结底，任何生物能都源于太阳辐射能。

上述各种能源是导致内外地质作用的主要能源。源于内能的内力地质作用主要在地下深处进行，但也常常波及地表，它使岩石圈发生变形、变质或重熔，以至形成新的岩石，或者使岩石圈分裂、融合、变位、漂移，使大地构造格局发生重大变化。源于外能的外力地质作用主要在地表或靠近地表进行，不过也可能延伸至地下相当深处，它使地表岩石组成不断发生变化，使地表形态不断遭受破坏和改造，但外力地质作用几乎均有重力能参与。自从形成地壳以来，进行着的各种地质作用是相对独立的，又是相互依存的，是对立的又是统一的。例如，内力作用形成高山和盆地，而外力作用则把高山削低，把盆地填平；一个地区发生隆起，其相邻地区常会发生拗陷；高山上的矿物岩石受到风化、侵蚀和破坏，而被破坏的物质又被搬运到另外地方堆积下来形成新的矿物岩石，如此等等。地质作用对地球既产生破坏作用，同时也产生建造作用。但在不同时空条件下，它们可能是不平衡发展的，或者是彼此互为消长的。有些地质作用进行得十分迅速，如火山、地震、山崩、泥石流、洪水等，有些地质作用却进行得十分缓慢，往往不为人们感官所察觉，但经过悠久岁月却可产生巨大的地质后果。从地球发展的角度看，地质作用是促使地球不断新陈代谢、汰旧更新的经久不息的动力。

3.地质作用的分类

地质作用的分类如图2-3所列。内力地质作用分为构造运动、岩浆活动、变质作用和地震作用。外力地质作用按照外营力的类型，可以分为河流的地质作用、地下水的地质作用、冰川的地质作用、湖泊和沼泽的地质作用、风的地质作用和海洋的地质作用等；若按其发生的序列则可分为风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和成岩作用。(www.xing528.com)

二、地质年代

地球自形成以来大约经历了46亿年的历史，和月球年龄（据月岩测定）大致相同。研究有关地球历史演化和测定地质事件的年龄与时间序列，称为地质年代学。地质年代包括两种，即相对地质年代和同位素地质年龄。

图2-3　地质作用分类图

根据地球发展历史过程中生物演化和岩层形成的顺序，将地球历史划分为若干自然阶段，称为相对地质年代。19世纪初期，英国地质学家W·史密斯、C·莱伊尔等就开始利用生物地层学的方法划分地质年代。在地球发展过程中，在地表一定地区沉积了许多地层，在地层中常保存下来当时生存过的生物遗体和遗迹，称为化石。在层状岩层的正常序列中，先形成的岩层位于下面，后形成的岩层位于上面，这一原理称为“地层层序律”，是1669年丹麦地质学家N·斯泰诺首先提出来的。同时，保存在地层中的生物化石，由简单到复杂，由低级到高级，表现出清楚的不可逆性和阶段性。1816年，W·史密斯首次提出生物顺序发生的概念，这一概念称为“化石顺序律”。实际上，化石顺序律和地层层序律是一致的，在最古老地层中找不到化石，在较老地层中可以发现低级化石，在较新地层中可以发现高级化石，这种关系称为“生物层序律”。生物的发展过程不是均一的或等速的，而是由缓慢的量变、急速的突变或大量绝灭现象交替出现，而且在同一时期内，生物的总体面貌具有全球的或至少是大区的一致性。因此，根据地层顺序和古生物种类可以把地层划分为若干大小不同的单位。这种划分地层的方法称为生物地层学的方法，生物地层学这一术语是比利时学者L·A·M·J·多洛于1904年首次提出的。从19世纪70年代到20世纪40年代，岩相古地理学和历史大地构造学相继建立，以岩石、构造、地层、古生物等来确定相对地质年代的方法得到广泛利用，促进了相对地质年代学的进一步发展。根据生物地层学等所划分的地层单位，称为年代地层单位，最大的地层单位叫宇，宇下分为界，界又分为系，每个系又分为3个（或2个）统。与此相对应，形成一个宇的时间叫宙，形成一个界的时间叫代，形成一个代的时间叫纪，形成一个统的时间叫世。它们的对应关系如下：

时代地层单位地质时代单位

宇（Eonthem）………………………………宙（Eon）

界（Erathem）………………………………代（Era）

系（System）………………………………纪（Period）

统（Series）…………………………………世（Epoch）

自从放射性元素的发现和同位素概念的提出以来，根据放射性同位素衰裂变测年的技术得到广泛应用，从而为测定矿物或岩石的年龄提供了比较精确的方法。用这种方法所测出的年龄称为同位素地质年龄，也曾叫过绝对地质年龄。同位素年龄测定的基本原理和方法是：当岩浆冷凝矿物结晶时，放射性元素以某种形式进入矿物或岩石中，在封闭体系中放射性元素（母体）将按一定速度蜕变出同位素（子体），并继续衰变和积累。如果岩石中母体元素的衰变常数已经被准确测定出来，衰变最终子体产物是稳定的，只要准确地测定矿物和岩石中放射性母体和子体的含量，即可根据放射性衰变定律计算出矿物或岩石的年龄。其中最常用的方法是根据放射性同位素本身衰变过程而定的方法，亦即以母体同位素衰减或子体同位素增长作为时间的函数而进行测定，由于不同放射性元素的半衰期有长有短，故采用不同放射性元素所适用测定的年龄长短亦不相同。现以铀-铅法为例，U235的半衰期为7亿年，它的最终子体同位素为Pb207和He，1gU235在1年中只有74亿分之1g裂变为Pb204和He，故铀-铅法适宜于测定年龄为二三十亿年的岩石或矿物。此外，还有钾-氩法、铷-锶法，多用于古老岩矿年龄的测定。又如碳14（14C）法，是常用的测定年轻样品年龄的方法，能测到2万～5万年的年龄。除去上述，还有根据放射性射线对周围物质作用的程度而定的方法，如根据矿物中铀自发裂变产生的辐射损伤径迹的数目作为矿物存在时间的函数来计算矿物的年龄，称为裂变径迹法，测定年龄范围一般为数年到几十亿年。

三、地质年代表

自19世纪以来，人们在长期实践中进行了地层的划分和对比工作，并按时代早晚顺序把地质年代进行编年、列制成表。早先进行这样的工作，只是根据生物地层学的方法，进行相对地质年代的划分，相对地质年代反映了地球历史发展的顺序、过程和阶段，包括无机界和生物界的发展阶段。自从同位素年龄测定取得进展以后，对于地质年代的划分起了很重要的作用。因为相对地质年代只能表明地层的先后顺序和发展阶段，而不能指出确切的时间，从而无法确立地质时代无机界和生物界的演化速度。但有了同位素年龄资料，这个问题便解决了。并且，在古老岩层中由于缺少或少有生物化石，对于这样的地层和地质年代的划分经常遇到很大困难，而同位素地质年龄的测定则大大推动了古老地层的划分工作。但是，应该指出，相对地质年代和同位素地质年龄二者是相辅相成的，却不能彼此代替，因为地质年代的研究，不是简单的时间计算，而更重要的是地球历史的自然分期，力求表明地球历史的发展过程和阶段，同位素地质年龄有助于使这一工作达到日益完善的地步。我们把表示地史时期的相对地质年代和相应同位素年代值的表，称为地质年表，或称地质年代表、地质时代表。1913年英国地质学家A·霍姆斯提出第一个定量的（即带有同位素年龄数据的）地质年表，以后又陆续出现不同时间、不同国家、不同学者提出的地质年表。目前比较通用的地质年表见表2-3。

表2-3　地质年代简表