Transcript 地質時間
地質時間 地質時間 • 指自從地球生成開始，直到現在的這段時間。 • 測定地質時間可分為： Absolute time Relative time The assessment of absolute time • There are many methods to assess the absolute time of the geologic events. • However, only some of them are much more reliable. • For examples, Radiometric dating • 1906年英國物理學家Ernst Rutherford 認為可利用放 射性礦物來決定岩石的年齡，並訂出一個含鈾礦物的 年代。 • 同年美國化學家B. B. Boltwood也在耶魯大學做了同樣 的定年工作。 • 1913年F. Soddy闡明同位素性質，說明同位素是同一 元素，但具有不同原子量的元素，並改良放射性定年 法，自此獲得較準確的定年結果。 Radiometric dating--原理 • 許多具有放射性能的元素並不安定，可以自動分裂，變為其 他較輕的安定元素，這名為放射性蛻變(radioactive disintergrating or decay)，其有三種蛻變方式，其分裂時該 元素的原子核內，會放出高能量的粒子和以電磁波方式放射 出來的能，稱為gamma rays。蛻變方式如下： • α蛻變，放出α粒子，由原子核中放出一個氦原子，由兩個 中子和兩個質子組成，使原來的原子變為另一個較輕的新原 子，因新原子少了兩個中子和兩個質子，故原子序少二，質 量數少四，如U238變為Th234：U92238 Th90234 24 • β蛻變，放出β粒子，使原子核中一個中子失去一個電子而 放射出來，原來這個中子就變為質子，這樣能使新原子中減 少一個中子，增加一個質子，質量數不變，但原子序加一， 如Rb87變為Sr87： Rb3787 Sr3887 • 捕獲電子蛻變(electron capture decay)，這是原子核中的一 個質子從軌道中捉到一個電子合成一個中子，這樣的新元素 增加一個中子，而減少一個質子，原子序少一，但質量數不 變，如K40變為Ar40： K1940 e Ar1840 Radiometric dating--原理 • 在放射性元素蛻變的過程中，老的未變元素稱為母元素 (parent element)，蛻變後所成的新元素稱為子元素 (daughter element)，兩者互成一對，子元素可能是母元 素的同位素(isotope element)，也可能是另外一種不同的 元素。 • 放射性同位素經自動分裂或蛻變後，其元素所含的原子數 目會逐漸減少；有些蛻變過一次，就變成了安定元素，有 些則須經蛻變多次，而每一元素的蛻變速度不同，因 此…… • 半衰期(half-life)—某一元素蛻變為原來質量或原子的一半 時，所需要的時間。不同的放射性元素的半衰期皆不相同。 • 所以，已知母元素的含量、半衰期，以及蛻變後子元素的 含量，就可以算出這一元素含有之礦物的絕對年齡。 • 可用在地質上的放射性同位素有： • 鈾-238/鉛-206；鈾-235/鉛-207；釷-232/鉛-208；銣-87/ 鍶-87；鉀-40/氬-40；碳-14/氮-14 Carbon-14 dating • 其本身乃為不具放射性的元素，但因其他粒子的衝擊， 而具有放射性。 • 1940年美國W. F. Libby所發展。 • 碳-14會退成氮-14，其形成的原因是因高能核子所組 成的宇宙射線，在高空中和氣體分子撞擊，使其原子 核放出中子，此中子衝擊高空中的氮-14同位素，去掉 其原子核中的一個質子，就形成碳-14。 • 當碳-14形成後，立即與氧合成為二氧化碳，下沉到地 表或溶解在水中。並被植物形光合作用吸收固定下來， 進一步隨著生物鏈的關係，分布在各動植物體內，當 動植物死亡後，碳-14便不再累積，開始衰變。 • 碳-14衰變期為5730年，因此適合於第四紀的地層與考 古學研究的定年上。 放射性元素定年方法 母元素/子元素 半衰期 定年期限(年) 可用礦物或材料 鈾238/鉛206 4.51×109 107至4.6×109 鋯石或瀝青鈾礦 ( Pitchblende Uraninite) 鈾235/鉛207 0.71×109 107至4.6×109 鋯石或瀝青鈾礦 104至4.6×109 白雲母、黑雲母、 角閃石、火山岩 全岩、海綠石 鉀40/氬40 1.30×109 銣87/鍶87 4.7×1010 107至4.6×109 碳14/氮14 5730±30 0至50000 白雲母、黑雲母、 海綠石、正長石、 變質岩全岩 木頭、木炭、泥 炭、骨骼、地下 水、貝殼、海水、 毛皮 分裂跡法(核飛跡法，Fission track method) • 利用反應爐測定標本中的鈾含量，而非同位素的質譜 儀(mass spectrometer)。 • 原理： 一般鈾原子中所含的鈾-238可自動分裂成兩個大小相 等的原子核，在分裂時所放出來粒子可以損毀一小部 分含有這鈾原子礦物的結晶構造； 如果利用酸腐蝕處理，在高倍數的顯微鏡底下，便可 觀察到已損毀和未損毀的部分，而前者已損毀部分便 稱為分裂跡。 普通一個含1ppm鈾的礦物，每一百萬年可在每平方公 厘的面積上產生約四個分裂跡，因此由顯微鏡底下所 見的分裂跡多少，就可以算出這礦物的年代。 地磁地層學(magnetostrtigraphy) • 利用地球磁極每隔一定時間有倒轉現象(geomagnetic reversal)，以比對地層年代的方法。 • 一般火成岩和沉積岩中的磁性礦物都會保持一個磁場 紀錄，指出它們造成的時間和地點內磁極的排列方向。 • 由於地磁倒轉是全球性的，若詳細的調查各地區磁極 的紀錄和年代的關係，則根據岩石中測得正反磁場的 資料按地層的老幼順序，可列出一張地球磁極時間表 (magnetic polarity time scale)，以作為時間比對，確 定地層的年代。 The assessment of relative dating • 相對年代的應用較絕對年代測定方法要早，主要是決 定一連串和地質有關的事情發生的先後順序。 • 地層的相對年代的判定有若干定律： 疊置定律(law of superposition) 1669年Nicholas Steno提出。 在沒有受過變動的沉積岩層中，老的地層在底部，新 的地層在上部，一層層疊覆上去，形成層序 (sequence)。 有兩個假設條件：原來的沉積地層是水平的(original horizontality)；原來沉跡的地層可以不斷的在橫的方向 上連續和延展(original lateral continuity)到相當大的範 圍。 The assessment of relative dating 化石連續定律(law of faunal succession) 英國人William Smith所創立。 不同年代的地層含有不同的化石群。若不同地區的地 層含有相同的化石群，則可證明這些地層屬於相同年 代。 化石群的出現具有上下先後順序關係，而化石的出現 和生物的演化順序有關。 因此老的地層含有老的化石，新的地層含有的化石和 現有的物種會越相像。 The assessment of relative dating 切割關係定律(the principle of crosscutting relations) 地層的時間老幼關係可以其彼此間切割的關係來解答， 例如斷層和火成岩體的年代，都比受其所切割地層的 年代為新。 包裹體定律(the principle of inclusions) 在火成岩體中，老的岩石經常成為包裹體，被包在新 的岩漿所成的侵入體內。 礫岩的年代要比它所組成的礫石的年代為幼。 The correlation of stratification • 地層的對比可分為化石對比(paleontological correlation)和岩性對比(physical correlation)兩種。 • 常用的方法有四：(1)岩性(2)地層層序(3)化石或化石群 (4)連續追蹤地層的延展或界線。 • 例如： 見板圖! 標準地質柱狀剖面(standard geologic column) • 採用地質疊置定律和化石連續定律，再以地層中所含的化 石作相對年代的指準，可將世界各地所見的沉積岩層按其 年代老幼排成一張標準地質柱狀剖面圖。 • 該剖面圖是根據所有已知地層中所含的化石，和其他可表 示相對年代的證據，把這些地層依照年代先後順序排列起 來的垂直住狀圖。可表示地層的上下順序和生成的先後順 序。 • 地層柱狀圖中的地層單位有大小等級之分，最大的地層單 位為「界」，「界」以下分「系」，「系」以下又分為 「統」，「統」以下再分為「階」。 • 根據此標準地層柱狀圖，可劃分出地質時間表(geologic time scale)。最大的單位為「代」，「代」以下分為 「紀」，「紀」之下又可分為「世」，「世」可再分為 「期」。 • 所以地層研究上有兩種單位：時間單位、地層單位。兩者 前面採同一名詞，但是後面的單位名稱不同。 地層單位表 時間單位 代Era (新生代) 紀Period (第三紀) 世Epoch (上新世) 期Age (保德期) 地層單位 界Erathem (新生界) 系System (第三系) 統Series (上新統) 階Stage (保德階) 地質時間表 • 在地質時間中，在「代」上還有一個較大的單位名叫 「元」(Eon)，和其相當的時間地層單位稱為「宇」 (Eonothem)；現有兩個「元」： • 隱生元(Cryptozoic Eon) 即先寒武紀，為寒武紀以前的地質年代，佔所有地質 年代的85%，約有40億年的時間。 隱生是沒有生物的意思，本時期的岩層中缺少化石可 以決定其相對年代。 主要是依賴放射性定年來決定地層年代的新舊和彼此 間的關係。 • 顯生元(Phanerozoic Eon) 佔全部地質年代的15%，約有六億年。 本時期岩層已有化石，可以決定其相對年代。