1.介绍

1869年，一位名叫John Wesley Powell的单臂内战老兵和他的九名同伴出发去探索地球上最伟大的峡谷(Grand Canyon)。在他们的旅程中，看似不可逾越的岩壁阻挡了探险者的步伐，也使他们提出了有关地球和它的历史的重要问题：峡谷的形成花了多长时间？构成峡谷岩壁的岩石是什么时候形成的？在这些岩石堆积之前是什么样？对这些问题的思考打开了地质年代的大门，即自地球形成以来的时间跨度。

我们对地质年代的现代理解源于19世纪的工作，该工作确立了描述地质特征相对年龄的原则。有了地质年代的概念，沿着一条小道徒步进入大峡谷，就变成了一场穿越通俗作家所说的“深度时间”的旅行。地质上的发现表明，我们星球的历史在人类历史开始之前就已经延续了数十亿年，这就像天文学上的发现表明，深太空的极限在太阳系边缘之外延伸了数十亿光年一样深刻地改变了人类对时间和宇宙的看法。

2.地质原理和相对年龄

Isaac Newton爵士发现的物理定律，推动了欧洲启蒙时代的到来。在这个时代，科学家们开始为他们周围的世界的特征和现象寻求自然而非超自然的解释。到19世纪50年代，地质学家已经确立了一些原理，这些原理最终为地质年代概念的发展奠定了基础。

2.1均变论

徜徉在苏格兰高地的James Hutton (1726–1797)在沉积岩中发现，许多特征与在现代沉积环境中看到的特征相似。例如，一些砂岩层的表面显示出波纹，就像他在现代海滩上看到的那样。这些观察使Hutton推测，古岩石和地貌是经历了漫长的地质历史时期所形成，而在该时期中发生的地质作用与现代发生的自然过程是一致的。

Hutton的思想被称为均变论原理。这一原理意味着，在现代世界中运行的物理过程在过去也以大致相同的速率运行。均变论意味着“现在是过去的钥匙”。Hutton进一步推断，并不是所有他观察到的岩石或结构都在同一时间形成的。由于没有人能看到沉积物首先变成岩石，然后上升成山的整个过程，Hutton得出结论，岩石的产生是非常缓慢的，地球的历史必须追溯到人类历史开始很久以前。这个提议，连同其他几个提议，成为了许多地质学思想的基础，现代地质学家认为赫顿是“地质学之父”。

3亿前的岩石，其中含有保存完好的泥裂。根据均变论的原理，它们与现代泥裂形成的方式相同

2.2确定相对年龄和地质历史

与历史学家一样，地质学家努力确定产生地质特征组合的事件序列。在一个序列中，一个特征相对于另一个特征的年龄就是它的相对年龄。丹麦科学家Nicolas Steno (1636-1686)，在Hutton均变论原理的基础上，提出了一套正式的地质原理。英国地质学家查尔斯·莱尔(1797-1875)在他的《Principles of Geology》一书中普及了Steno和Hutton的思想，这是第一本综合性的地质学教科书。这本书阐明了地质原理(包括均变论)是如何为确定相对年龄提供基础的。

2.2.1原始水平层理原理

沉积层在最初沉积时大致是水平的。由于重力作用，沉积物会在相对平坦的表面上堆积，比如漫滩或海底。如果它们在陡峭的斜坡上堆积，它们就会在被埋藏和岩化之前滑下斜坡。考虑到这一原理，地质学家得出结论，褶皱和倾斜岩层代表了沉积后发生的变形事件。

原始水平状态，重力导致泥沙在水平面上累积；Wisconsin的水平岩层

2.2.2叠覆原理

沉积岩的每一层都必须比它下面的那一层年轻。在沉积层序中，最古老的层位于底部，最年轻的层位于顶部。

在一系列地层中，最古老的地层在底部，最年轻的地层在顶部。把沙子倒进玻璃缸就能说明这一点

2.2.3切割关系原理

如果一个地质体切割另一个地质体，被横切的地质体更古老。例如，如果火成岩岩脉切过一系列沉积层，那么沉积层一定比岩脉更古老。如果一层沉积物掩埋了岩脉，那么沉积物一定比岩脉年轻；如果一个断层穿过并取代了沉积岩层，那么断层一定比岩脉年轻。

堤坝比它横切的河床年轻；深成岩体比被接触烘烤的围岩年轻

2.2.4烘烤接触原理

火成岩侵入“烘烤”(变质)岩壁，因此已烘烤的岩石(包含变质晕)一定比侵入岩更古老。

2.2.5包裹体原理

含有包裹体(另一块岩石的碎片)的岩石一定比包裹体年轻。例如，含玄武岩卵石的砾岩比玄武岩年轻，而含砂岩碎片的玄武岩则一定比砂岩年轻。

砾岩(底部)中的玄武岩卵石一定比砾岩年龄大。玄武岩岩床(顶部)中的砂岩碎片一定比包含它们的玄武岩更古老

地质学家应用上述原则来确定地质特征(岩石、结构、侵蚀特征)的相对年龄，而每一个地质特征都是特定地质事件的结果。地质事件的例子包括沉积，侵蚀，侵入、挤压和变形(褶皱或断层)。从相对年代来看，这一系列事件可以揭示该地区的地质历史。

以下图中描述的地质事件的为例，说明如何确定相对年龄。

根据叠加原理，首先沉积1层，其次沉积2层至8层。我们知道岩床是在5层沉积之后侵入的，因为它含有砂岩的包裹体。花岗岩深成岩体在褶皱之后侵入，并切断了褶皱。之后断层形成，岩墙在断层后侵入，切断了断层。最后，侵蚀形成了现在的地面，它切割了所有其他特征。注意8号岩床已经完全被侵蚀掉了。地质原理可以帮助地质学家解开导致地质特征发展的一系列事件。

沉积层形成-岩床侵入-褶皱形成-花岗岩体侵入-断层发育-岩墙侵入

3.前世记忆：化石和演化

如果你观察沉积岩的层理表面，你可能会发现类似贝壳、骨头、树叶或脚印的形状。研究人员认为这些化石(源自拉丁语单词fossilis，意为挖掘)指现在保存在岩石中的古代生物的残迹或痕迹。

2亿年前砂岩中的骨骼化石

19世纪，随着越来越多标本的发现和收集，古生物学渐发展成为一门科学。古生物学家(生物学家和地质学家从事研究化石记录)最终学会了如何使用化石为基础确定一个沉积岩层相对于另一个沉积岩层的年代，化石已经成为研究地质历史和生命的进化不可或缺的工具。

博物馆里收藏的化石标本；收集标本的古生物学家

3.1化石的形成和保存

当生物死亡并被沉积物或火山灰掩埋，或者当生物在沉积物上留下印记或碎片时，化石就形成了。古生物学家把化石的形成过程称为石化。为了了解一个典型的化石是如何在沉积岩中发展的，让我们跟随一只古老的恐龙沿着泥泞的河岸寻找食物的命运。

在炎热的夏日，恐龙屈服于高温，倒在泥里死去。很快，食腐动物就会剥去骨架上的肉，然后把骨头弄散。但在骨头还没来得及风化掉之前，河水就泛滥了，骨头和恐龙的脚印都被埋在了一层淤泥下面。更多的沉积物将骨头埋得更深，直到最后，包含骨头和脚印的沉积物变成岩石(粉砂岩和页岩)。在粉砂岩和页岩的边界上留下了脚印，而骨头则留在了粉砂岩中。地下水中的矿物质逐渐取代了组成骨头的一些化学物质，直到骨头本身变成岩石。埋在地下的骨头和脚印现在成了化石。一亿年后，隆升和侵蚀暴露了恐龙的坟墓，所以幸运的古生物学家可以挖掘它们。恐龙再次崛起，但这次是在博物馆。

恐龙化石化的阶段

并不是所有的生物体死后都变成化石，事实上，只有非常小的一部分可以。因为需要特殊的环境，只有在以下三种环境中的一种或多种条件下，生物才能转变成化石：

3.1.1缺氧环境下的死亡

路边的死松鼠不会变成化石。随着时间的推移，食腐动物会来吃尸体，如果尸体没有被吃掉，微生物就会寄生在尸体上并逐渐将其消化，或者氧化(与氧气的化学反应)将其分解成气体。在缺氧的环境中，尸体被保存的可能性更大。在缺氧的环境中，尸体的氧化过程缓慢，食腐动物并不多，微生物的新陈代谢也非常缓慢。

3.1.2快速埋藏

如果一个生物死于沉积物快速堆积的沉积环境中，那么它在解体前被埋藏的可能性更大。

3.1.3坚硬部分的存在

没有耐久的外壳、骨骼或其他坚硬部分的生物通常不会变成化石，因为在大多数沉积条件下，柔软的肉比坚硬的部分腐烂得早。由于这个原因，古生物学家们发现的牡蛎化石比蜘蛛化石多得多。

通过对现代生物的仔细研究，古生物学家已经能够估计出生物保存的潜力，即一种生物被埋藏并转化为化石的可能性。在典型的现代浅海环境中，只有大约30%的微生物具有很高的保存潜力。但在这些生物中，只有少数死于沉积环境，在那里它们变成了化石，所以化石是例外而不是规则。

3.2许多不同种类的化石

也许当你想到化石时，你脑海中浮现的要么是恐龙的骨头，要么是岩石中贝壳的印记。事实上，古生物学家根据生物石化的特殊方式来区分许多不同种类的化石。让我们来看看这些类别的示例。

3.2.1冰冻或干燥的尸体化石

在一些环境中，整个生物体可能被保存下来。按照地质标准，这些化石中的大多数都相当年轻，它们的年龄为数千年不等。例如，西伯利亚永久冻土(永久冻土)的长毛猛犸象或保存在沙漠洞穴中的木乃伊化石。

西伯利亚永久冻土层发现的1米长的猛犸幼象在37000年前死亡；大约在2亿年前嵌在琥珀里的昆虫

3.2.2保存在琥珀或焦油中的尸体化石

落在树皮上的昆虫可能会被困在树木产生的粘稠的树液或树脂中。这种金黄色的糖浆包裹着昆虫，随着时间的推移，它会变成琥珀。琥珀可以保存昆虫4000万年以上。

3.2.3保存或替换的骨头、牙齿和贝壳

骨头、牙齿和贝壳可由岩石中的耐久矿物组成。一些骨骼、牙齿或贝壳的矿物质不稳定，会随着时间的推移再结晶。但即使发生这种情况，原始物件的形状也可能保存在岩石中。

加利福尼亚州拉布雷亚沥青坑中2米高的巨型地懒的骨骼化石；页岩中蕨类叶子的碳化印记

3.2.4身体的碳化印记

印记是当软的或半软的生物或它们的部分(叶子、昆虫、无脊椎动物、海绵、羽毛、水母)在沉积物层之间被挤压时产生的扁平的模子。化学反应最终会去除大部分有机物质，只在印迹表面留下一层薄薄的碳。

3.2.5模具和铸件

当沉积物在贝壳或物体周围压实时，它与物体的形状一致。如果外壳后来由于风化和溶解消失，留下的空洞形成模具。如果沉积物随后充填，那么沉积物会形成贝壳的形状。产生的铸型从相邻岩层的表面突出。通常只有坚硬的部分才能变成模具或铸件。柔软部分的形状很少能被保存下来，形成了特殊的化石。

无脊椎动物的坚硬部分，最有可能被保存下来；始祖鸟，来自一亿五千万年前德国的Solnhofen石灰岩

3.2.6矿化生物

矿化是指矿物从渗入多孔材料(如木头或骨头)孔隙的地下水中沉淀的过程。例如，石化木材通过木材的矿化形成，它将木材转变成燧石。

取代了原始木材的燧石非常坚硬，在周围的岩石被侵蚀掉之后，燧石还保留着；恐龙脚印是一种痕迹化石

3.2.7痕迹化石

痕迹化石包括足迹、进食痕迹、洞穴和生物在沉积物中留下的粪便(粪化石)。

3.7.8化学化石

生物由复杂的有机化学物质组成。随着地质时间的推移，这些化学物质中的大多数会分解，形成不同且独特的化学物质。一种从生物中提取并保存在岩石中的特殊化学物质被称为化学化石或生物标记。

古生物学家还发现，根据化石的大小来区分不同的化石是有用的。巨化石是大到肉眼可见的化石。但一些岩石和沉积物中也含有大量的微化石，只能用显微镜观察。微化石包括浮游生物、细菌和花粉的残留物等。

由浮游生物壳形成的非常微小的化石称为微化石

3.3化石的分类

古生物学家用生物学家给现代生物分类的原则来给化石分类。对化石进行分类并没有什么神奇的。你可以通过观察化石的形态，来识别常见化石。

常见的无脊椎动物化石

如果化石是完整的，并且有独特的特征，这个过程可能很简单，但是如果它被打碎成碎片或者部分丢失了，识别就会是一个挑战。许多化石生物与现代生物相似，所以对它们进行分类相对容易。

河床表面看起来像白色圆圈的化石形成于4亿年前，是海百合的碎片

例如，蛤化石看起来像蛤，而不像蜗牛。要把化石更具体地分类到属或种的层次，鉴定可能包括识别诸如其外壳表面脊的数量这样的细节。并不是所有的化石都像已知的生物体，确定它们的分类学关系可能是一个挑战。因此，建造一个博物馆展览，描绘化石生物体活着时的样子需要想象力。

一幅艺术家描绘的化石生物体活着时的样子，这些绘画是基于在加拿大Burgess页岩中发现的化石

3.4灭绝的概念

在18世纪，古生物学家认识到并不是所有的化石都是现存物种的遗迹。但他们默认由于这个世界还没有被完全探索过，所有的化石都代表了生活在这个星球上某个地方的物种。到了19世纪，情况变得很清楚，这种解释不可能是真的，因为探险家们在任何地方都没有发现像乳齿象或恐龙这样的巨型动物。基于这一认识，法国古生物学家Georges Cuvier (1769-1832)认为，一些化石物种已经灭绝，也就是说，这些物种的所有个体都已经死亡。我们今天认为灭绝现象是理所当然的，因为我们已经看到在历史时期，许多动物灭绝，但在Cuvier的时代，他的建议是革命性的。

3.5用化石来确定相对年龄：化石层序

在18世纪后期英国进入工业革命，工厂需要煤来驱动蒸汽机，也需要一种廉价的运输原材料和制成品的手段。投资者决定建造一个运河网，他们雇佣了一位名叫William Smith (1769-1839)的工程师来调查发掘工作。挖掘运河把被植被覆盖的基岩暴露了出来。史密斯学会了识别不同的沉积岩层和化石组合。他还认识到，一种特殊的组合只能在有限的地层序列中找到，而不能在上面或下面找到。换句话说，一旦一种化石物种在一系列地层的某个水平线上消失，它就再也不会在更高的层次上出现。灭绝是永远的。

Smith的观察已经在世界各地数以百万计的地点被重复，并作为化石层序律被编入法典。为了了解这一原理请查看下图。

地层层序率

底部的第1层包含A，层2包含A和B，层3包含B，层4含有C，以此类推。从这些数据中，我们可以推断出每个物种的分布范围，即该物种化石出现的时间间隔。在上图中，化石从最古老到最年轻的顺序是A、B、C、D、E、F。注意，一个物种的范围可能与其他物种的范围重叠。

一旦确定了几种化石的相对年龄，这些化石就可以用来确定包含它们的地层的相对年龄。例如，如果一个岩层中含有化石A，地质学家就可以说这个岩层比含有化石F的岩层更古老，即使这两个岩层并没有在同一地区出现。