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地史学

研究地球(主要是地壳和上地幔顶层)发展历史及其规律性的学科,又称历史地质学。地史学是地质学的重要分支学科。20世纪50年代以前,地史学主要是建立地层系统、确立地质时代,研究范围主要限于大陆部分。从60年代以来,地史学的研究范围扩展到大洋海底和地壳深部,研究方法也由涉及更多学科而有较大的改进。地史学的研究内容,主要包括沉积发育史、生物演化史和构造运动中。对地史学的研究可为区域地质调查、矿产普查勘探等工作提供理论依据。 [1]

在18世纪中期,德国的J.G.莱曼(1756)和意大利的G.阿尔杜伊诺(1759)将成层岩石分为原始层、第二层和第三层等。1787年,德国地质矿物学家A.G.维尔纳将地层归纳为原始层、过渡层、覆盖层和冲积层,大致分别相当于前寒武系、古生界、中生界和新生界。19世纪20~80年代,法国的A.布龙尼亚,英国的R.I.莫企逊、W.D.科尼比尔、A.塞奇威克和C.莱伊尔相继把古生代和中生代划分为纪,把第三纪划分为世。美国的J.D.丹纳(1872)和S.F.埃蒙斯(1887)又分别提出了太古代和元古代。大体上形成了较完整的地质时代表,与现代使用的相似(见地质年代学)。

从19世纪初,英国的W.史密斯提出根据化石划分地层的见解以来(见化石顺序律),人们对各地质时代的生物面貌逐渐有所了解。地质时代中代一级的命名古生代、中生代、新生代,就是根据生物界的总体面貌而言。

英国的A.霍姆斯等利用同位素衰变过程的特有稳定性,测定含放射性元素的矿物和岩石的形成年龄,从而确定地层形成年代,使地质时代表有了纪年数据。50年代以前,海水进退和海陆变化的研究不仅只限于大陆地区,而且对海陆分布基本上也局限于固定论的认识。60年代,古地磁的研究和板块学说的提出,使地史学的研究扩展到海洋和地壳深部。

地史学也叫“历史地质学”(Historical geology),是地质学的重要分支学科,它主要研究岩石圈,即地壳和部分上地幔的发展历史及其规律性。其具体研究内容包括沉积(地层)发育史、生物演化和构造运动史。它来源于区域地质调查、填图和矿产普查勘探实践所积累的丰富资料,其研究成果又反过来指导这些工作。

虽然远古人类就有关于地层化石等方面的知识,但地史学学科体系的形成还是主要起源于18-19世纪欧洲的英、法、德、意等国,特别是英、法两国。

18世纪中期,法国的一些地质学家生物学家调查了巴黎盆地的大量化石和地层,他们以特殊的沉积岩和生物化石划分了反映地理环境的海滨相带和深海相带的界线,对巴黎盆地地层层序作了系统研究。后来,又有学者系统研究了维拉雷山脉的地层和化石,提出存在着由老到新的五个层序,这些,成为用化石和沉积物的性质恢复过去环境的地史学的基本方法。

18世纪末、19世纪初,英国的史密斯调查研究了威尔士到泰唔士河广大地区的地层和化石,绘制了大面积地质图、地层剖面图、地层柱状图,用地名命名不同层序,如“伦敦粘土”、“里阿斯层”等。他又出版了专著《用生物化石鉴定地层》,从此奠定了地层学、地史学的基础。在他之后,地质学家们尝试以化石为基本依据,确定地质历史时期的大的时间单位和地层单位,先后建立了志留系和寒武系,又将二者间重复部分单独分出建立奥陶系,以及后来的泥盆系、石炭系和二叠系。“系”代表地层单位,相对应的时间单位是“纪”,于是就有了寒武纪、奥陶纪志留纪泥盆纪石炭纪和二叠纪。

在“纪”的基础上,地质学家们发现还能区分出更大一些的时间单位和地层单位。早在18世纪中期,德国的地质学家莱曼和意大利的地质学家阿尔杜伊诺就提出将成层岩石分为“原始层”、“第二层”和“第三层”。18世纪后期德国地质学家维尔纳归纳了前人的工作,将地层划分为“原始层”、“过渡层”、“覆盖层”和“冲积层”,这些都是比“纪”更笼统、更粗略的大的地层单位的雏形

到了19世纪中期,英国地质学家菲力普斯将寒武、奥陶、志留、泥盆、石炭、二叠几个系合并称为古生界;将三叠、侏罗、白垩三个系合并成为中生界;将第三系与第四系合并称为新生界,从而产生了第一个地层系统表或地质年代的顺序。更古老的地层单位是在美国产生的,地质学家洛根根据对北美大陆大量不含化石的古老结晶岩、片麻岩的研究,建立了“劳伦系”和“休伦系”。后来,地质学家丹纳称劳伦系为“太古界”;地质学家万海斯又称其上的休伦系为“元古界”。

地质历史上的太古界、元古界、古生界、中生界和新生界就是这样产生的,它们是地层单位,与它们相应的就有五个“代”(年代单位),每个“代”都包含着不同的“纪”,以古生物化石作为划分依据。一般说来,太古代和元古代只有很原始的、特征不清的生物;古生代具有古老的、多数现已绝灭的生物;中生代具有中等复杂程度的生物,并与现代生物有若干相似;新生代具有高等生物,并与现代生物大多雷同。 [2]

研究地壳表层岩石的形成年代、生物群的特征以及地层划分与对比。生物演化是古生物学研究的基本内容。地史中的生物演化着重于生物界在地球历史各阶段的盛衰和演替,特别是各生物门类自低级至高级逐步出现和演变衰亡的过程。当然,古生态的研究可以协助确定沉积环境,生物地层的研究一直是确定时代、进行对比的主要手段。自从30年代霍姆斯等测定地层岩石矿物的生成年龄以来,地质年龄测定与生物地层划分相结合,使地质年代表有了具体的年龄值。

研究地层的形成环境及不同环境的空间分布特征。整个地层学系统就是地球历史上沉积作用的物质记录。沉积物的性质反映了物质来源、沉积作用和形成环境的特征。沉积物的分布则反映了剥蚀区和沉积区的轮廓以及海陆分布的特征。把不同时期地层沉积和分布轮廓进行比较,就可得出古地理格局不断发展演变的概念,所以沉积发育史也就是古地理的发展史。

根据地层的沉积类型、物质组分接触关系以及岩浆活动和构造变动等,推断其形成时的构造条件和这些构造条件在地质历史上的时空演变。沉积特征和古地理轮廓的变化实质上是地壳各区段构造运动的反映。构造运动一直是地史研究的重要内容。18世纪末,J.赫顿发现了地层间的不整合现象,并以造山或构造运动予以解释。从那时以来,人们通过地层的不整合关系认识了许多造山运动期和与之相伴生的岩浆侵入及变质作用。根据地层组成的组分和厚度不同,根据构造运动和岩浆活动的程度不同,人们逐步建立了构造活动程度的概念。大陆地区可分出构造上的活动区和稳定区,即传统的地槽区和地台区。两种地区的构造发展特征及其相互关系的研究,就是构造运动史。根据各区构造运动史的不同,将地壳各区段分为不同的构造单元,分出不同的构造阶段,就是历史大地构造分析。历史大地构造分析日益成为地史学研究的重要内容。 [3]

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