地質年代學

研究岩層形成的年代順序及測定其年齡值的學科。地史學的一個分支。它與地層學、古生物學、構造地質學、礦物學、地球化學等密切相關。對地質年代學的研究可制定更準確的地質年表。地質年代學包括相對地質年代學和同位素地質年代學兩大分支。

相對地質年代學的研究對象，包括地層、岩石、古生物和古地磁。依據地層層序律，先形成的岩層位於下面，後形成的岩層位於上面，這可判定岩層形成的早晚；一些具有特殊性岩石或礦產的岩層 ，可作為確定相對地質年代的標誌，如條帶狀磁鐵石英岩只形成於太古宙至元古宙；生物地層法是利用化石來鑑定地層時代 ， 生物界的演化由簡單到複雜，由低級到高級，具有不可逆性和階段性，在同一時期，生物界大體具有全球一致性，因此，化石是確定相對地質年代的重要手段；古地磁法是利用地磁極性正常和倒轉的交替，編制地磁極性年代表，可確定相對地質年代。

同位素地質年代學，又稱絕對地質年代學。當岩漿冷凝，礦物、岩石結晶或重結晶時，放射性元素以某些形式進入礦物或岩石，在封閉體系中，放射性母體或子體同位素持續衰變和積累。只要準確地測定礦物和岩石中放射性母體和子體的含量，即可根據放射性衰變定律計算出岩石和礦物的年齡。 ^[1] 

19世紀初期，英國的W.史密斯首先提出化石順序律，為地質年代表的建立奠定了基礎。30年代，C.萊伊爾最早使用生物地層學的研究方法，50年代，德國的A.奧佩爾提出了化石帶的概念，從而開創了劃分生物地層的途徑。從19世紀70年代到20世紀40年代，巖相古地理和歷史大地構造學的建立，以岩石、地層、古生物方法確定相對的地質年代方法被廣泛應用，形成相對地質年代學。放射性的發現和同位素概念的提出，放射性同位素衰裂變定年技術的應用，為測定岩石、礦物年齡提供了精確的方法，從而形成了一門獨立的分支學科──同位素地質年代學。20世紀40年代以來，測定地質年齡的鈾-鉛法、鉀-氬法和銣-鍶法的建立和完善,使同位素年代學進入了一個全新階段。 ^[2] 

同位素年齡測定的原理和方法：當岩漿冷凝，礦物、岩石結晶或重結晶時，放射性元素以某種形式進入礦物或岩石，在封閉體系中，放射性母體或子體同位素持續衰變和積累。只要準確地測定礦物和岩石中放射性母體和子體的含量，即可根據放射性衰變定律計算出岩石和礦物的年齡。運用這種方法的前提是：母體元素的衰變常數已被準確測定；衰變最終子體產物是穩定的；已知放射性母體和子體元素同位素組成及相對丰度；有精確測定母體和子體同位素的分析技術；岩石、礦物形成後始終保持封閉系統。 ^[1] 

放射性同位素本身衰變過程而定的方法

即以母體同位素衰減或子體同位素增長作為時間的函數而測定。這一方法又分為3類：

a.測定天然物質中放射性母體及穩定子體產物的同位素比值來計算年齡，主要有鉀－氬法、鈾-鉛法、銣－鍶法、氬-40-氬-39法、釤－釹法、鑭-鈰法、錸－鋨法和鑥-鉿法等。

b.測定放射性母體同位素本身現有和原有的含量，根據兩者比值計算出天然物體的形成年齡,如碳－14法、釷－230法和鐳-226法等。

c.測定由於放射性衰變引起的子體同位素組成的變化，如普通鉛法等。這些方法中，以鉀-氬法、銣-鍶法和鈾-鉛法研究最多、應用最廣。鉀-氬法可用於幾萬年至幾十億年地質體的測定，特別是中、新生代的火山岩和侵入岩。它測定的對象包括雲母類礦物、高温長石、角閃石、輝石、沉積海綠石、伊利石及火山岩全巖（玄武岩）等含鉀礦物。鈾－鉛法和銣－鍶法主要應用於前寒武紀至中生代，特別是前寒武紀岩石、礦物年齡測定。適合鈾-鉛法的對象有鋯石、獨居石、磷灰石、榍石、晶質鈾礦、瀝青鈾礦等礦物。適合銣－鍶法測定的有化學封閉系統的火成岩和變質岩、沉積頁岩和雲母、長石等礦物。碳-14法是測定年輕樣品年齡的一種重要方法,能測到2～5萬年的年齡,引入加速器質譜技術後,測定範圍可擴大到6～10萬年。碳－14法可與鉀-氬法相接並進行對比，主要用於晚第四紀及對人類學、考古學中某些化石和歷史文物的鑑定。其測定對象甚廣，包括木炭、木頭、泥炭、各種植物的餘骸、各種生物、碳酸鹽類和原生無機碳酸鹽、土壤等。釷-230法和鐳-226法是不平衡鈾系法中的兩種方法。釷-230法測定範圍為0.3～0.4萬年，鐳-226法用於大於1萬年的樣品。它們都用於海湖相沉積速率和年齡的測定，測定對象是海相粘土、石鐘乳類、碳酸鹽巖、骨化石、貝殼、泥炭、錳結核等。 ^[2] 

放射性射線對周圍物質作用程度而定的方法

如根據 α射線和裂變碎片對周圍物質的次生作用來確定物質形成的年齡，主要有裂變徑跡法、熱釋光法、多色暈法和氧法。裂變徑跡法是根據礦物中鈾自發裂變產生的輻射損傷徑跡的數目作為礦物存在時間的函數來計算礦物的年齡。該法測試技術簡單，測定年齡範圍大，一般為100萬年至2億年，這一數值與鉀－氬法基本一致。裂變徑跡法適用的礦物有云母類、角閃石類、榍石、磷灰石、鋯石和火山玻璃等。熱釋光法與岩石中放射性物質輻射能量有關，它在測定年青岩石、礦物年齡方面能起較大作用。

此外，還有根據地質體中某些物理變化特徵來確定其地質年齡的方法：①氨基酸降解法、雙折射比較色散法等；②根據沉積岩中紋泥層測算沉積時間長度；③根據古生物生長節律（古生物鐘）來測算其生存的地質時間長度等。

確定相對地質年代的方法

主要包括地質、岩石、古生物和古地磁的方法。根據地層層序律確定地層新老關係的方法，開始於18世紀末期。一些具有特殊性或特殊礦產的岩層,可作為確定相對地質年代的標誌,例如條帶狀磁鐵石英岩只形成於太古宙至元古宙，煤（包括石煤）僅出現於前寒武紀以後。生物地層法是利用化石來鑑定地層時代。利用化石來劃分地質時代是可靠的，因為生物界的矛盾發展具有特殊的規律，表現出清楚的不可逆性和階段性。生物界的演化，由簡單到複雜，由低級到高級，不可能出現完全重複。這個過程也不是均一的或等速的，而是由緩慢的量變與突變或生物大量絕滅的急速質變交替出現所組成。在同一時期內，生物的總體面貌大體具有全球的一致性，至少在大區內具有一致性。因此，化石是確定相對地質年代的主要手段，並據此對地質年代進行劃分。時間對比圖解法是利用化石總延續時限來顯示沉積岩地層序列上的時間控制，此法包括一種圖像標繪，根據兩個剖面上共有化石的最早出現和最終消失的順序（即延限），以及各剖面上岩石堆積速率，來顯示出相似年代的兩個岩層剖面間的最佳時間對比。此外，根據岩層穿切關係原理能夠簡易地判別岩層相對的新老關係，被穿切的地層總是老於後期穿切的地質體。不整合面存在時，在正常情況下，不整合面以上的地層總晚於其下的地層序列。

古地磁法是利用地磁極性正常和倒轉的交替，藉助於已知地層時代和同位素年齡數據，編出地磁極性年代表，它是進行磁性地層工作的標尺。 ^[1] 

隨着基礎理論研究和測試技術的發展，地質年代學在地質學中的廣泛應用，它已成為地球科學中重要的基礎學科,而且對各種具體對象（沉積岩、基性、超基性岩）的年齡測定有所突破。大區域地質年代學的深入研究和全球性地質資料的對比，將揭示地球演化史中重大事件出現的規律，對地球科學的發展作出更大貢獻。 ^[1]