地层学：阅读地球历史的书页

板块移动、碰撞，山脉隆起，海平面涨落。 与此同时，在地球各圈层之间重要相互作用的推动下， 化学和物理风化过程将岩石就地分解。 岩石分解后，由重力驱动的侵蚀力在风、水和冰的帮助下， 提供必要的能量和功， 将风化材料移到山下、下游， 进入新的安息之地。 这些风化沉积物的故事千差万别， 大小不一。 许多变量决定了这些沉积物的结果。 纬度、风化的母岩、气候和物理和化学风化的程度、与颗粒相互作用的生命形式等等， 最终决定了沉积层最终讲述的故事。 随着这些层的积累， 讲述的故事画面也是如此。

地层

沉积岩形成地层或层， 很像漂亮的生日蛋糕或故事书中的书页， 地层学是研究该层的记录学科。 这些岩石是由最初沉积在盆地中的沉积物形成的。 盆地是凹陷的海拔区域， 通常被较高海拔的陆地包围。 盆地可以是干燥的陆地， 也可以充满淡水或咸水。 随着时间的推移， 盆地周围的土地受到侵蚀， 由此产生的沉积物开始填满盆地。 从高地的起源点到盆地的沉积点， 这些沉积物会发生很多事情。 各种物理和化学形式的风化都会造成损害。 在它们最终沉积的时刻， 沉积物记录了它们以前作为岩石存在的记忆、它们的运输旅程以及盆地中发生的过程。 这些沉积物大部分都是固体， 以颗粒形式到达。 其中一些以水溶液的形式到达， 成为我们在周围海洋中看到的盐。 其中一些形成于生物体内， 如富含碳的植物组织或动物的骨骼残骸。

根据粒子行进的距离， 一些粒子将保持巨石的大小， 而一些粒子将缩小到微小的粘土片的大小。 颗粒大小或排序的范围是风化和粒子向下移动时能量变化的结果。 有些粒子是圆润的， 有些粒子仍然保留着粗糙的边缘。 一些远离源头的沉积物主要由石英组成， 不太稳定的矿物已经腐烂。 其他沉积物仍将含有未风化的矿物， 如云母和长石。 沉积后，沉积物和岩石将开始经历与当地环境相关的物理和化学过程。 土壤形成将从陆地开始。 在海洋环境中， 将发生与水化学和生物物质相关的化学过程， 补充了早期的运输故事。 这些沉积层随着时间的推移而积累， 成为地层学。

沉积物颗粒的旅程最终以沉积在盆地中而告终。 在整个旅程中，沉积物会停留一段时间， 等待足够有能量的事件将它们进一步推向目的地。 沿着这些无数路径的集体沉积经历创造了如上图所示的不同沉积环境。 地质学家用“相”一词来指代这些不同环境的独特沉积特征“沉积相被定义为沉积物或岩石的一组特征， 可指示当时的沉积环境。 随着条件的变化，实时相会在某个位置迁移或变化。 上图中的所有环境本质上都是动态的。 我们还可以使用均变论假设过去存在过类似的环境， 从而在地质记录中产生与我们在现代岩石中看到的类似特征的岩石。 随着沉积物的沉积和相的迁移，地层就形成了。 地质学家将这种地层称为层。随着代表类似环境的层不断积累和岩化， 它们将作为可绘制的单元（称为地层）流传至今。

所有这些作用最终都发生在沉积盆地中。

盆地

盆地可以看作是一个装满书籍的图书馆， 书籍是堆积的岩层。这些岩层讲述了全球地质变化、区域变化以及盆地本身的变化。 盆地中沉积的沉积物和其他物质以及它们所形成的岩层或地层种类繁多。 这种多样性和分层相当于小说或教科书中的文字。 单个页面是地层或床，页面上故事的典型部分是岩相。 这些页面水平放置，随着时间的推移垂直堆积， 反映了它们发生的顺序（叠加）。 最终，这些页面（床）堆积成书（地层）。 沉积后发生的过程，如岩化、变形以及进一步的风化和侵蚀， 可能会改变这些记录， 类似于古埃及纸莎草纸或书页和封面遭受自然破坏的书籍的损坏。 地层可能会撕裂（断层）、起皱（折叠）， 或者可能会注入较年轻的物质（火成侵入)。 根据上下文，这些修改可能会使整个故事变得混乱或清晰。

随着时间的推移， 构成这本“书”的地层和岩石的一些材料可能会丢失或改变（侵蚀、变质、二次化学蚀变等）。 有时，甚至整个页面或层都会被删除。 整本书或整个地层可能会被截断， 从而在故事情节中留下空白（不整合）。 地层学家正在努力研究从一开始就不完整的记录， 而且随着地质时间的推移， 记录的数量进一步减少。 不过，这些沉积层所讲述的剩余故事是强大而重要的。 它对于更全面地了解我们星球的历史（包括自己的家园景观）至关重要。 研究这种记录的地质学家被称为地层学家。 他们是地质科学领域的历史学家。

盆地、海平面和居住空间

什么是盆地？

沉积盆地是沉积物堆积的地理洼地。 一些盆地是大陆边缘盆地， 它们位于大陆平台之上。 其他盆地是构造盆地， 位于大陆架断裂之后的大陆边缘周围。 地层学的力量在于它能够帮助科学家了解盆地的总体历史。 盆地有时含水，有时不含水。如果盆地是干涸的， 就像加利福尼亚州的死亡谷一样， 那么对地层序列形成的主要控制就是构造的变化， 例如陆地本身的隆起或下沉。如果盆地与水体相连， 那么水体的周期性上升和下降将记录在盆地沉积的物质中。 气候和天文因素可能导致区域或局部变化， 从而影响水位。冰融化或水的热膨胀是导致盆地海平面上升的变量之一。 这种变化通常不会在一个人的一生中发生。 留下的记录是沉积物的模式。当沉积物变成沉积岩时， 这种模式得以保留， 阅读它是我们了解这个深远时代所蕴含的历史的方式。

原始大陆长期稳定的火成岩和变质岩核心被称为克拉通。 这些克拉通的一部分暴露在地表， 另一部分则被沉积岩层覆盖。 暴露的部分称为盾构。 克拉通被埋藏的部分称为平台。 这些平台上存在盆地， 沉积地层也堆积在上面。

首先，沉积物会堆积成单个层。 最终，分布广泛、在地质学上能够长久存在的层群将被称为地层。 平台构成了地层堆积的大陆区域。 地层的堆叠就像给书添加页面。 一些平台环境以碳酸盐沉积为主， 而另一些则以硅质碎屑沉积为主。

图片描绘了盾构、平台、盆地、最近的造山带（山脉带）和其他特征。 克拉通由盾构和平台区域组成。 蓝色的盆地只是全球众多沉积盆地中的一部分。 无论是现代还是古代，海洋本身都是盆地。

所有盆地的空间都是有限的。 构造变化、全球海平面、当地水位和沉积物堆积之间的相互作用都会影响任何给定盆地内的空间变化。 这种“容纳空间”是盆地内可用于容纳沉积物流入的体积。 这一概念将在“层序地层学”一章中更详细地讨论。 容纳空间不是静态的。 它会随着构造、沉积、水位和全球（海平面）海平面的变化而调整。 随着地球系统随着时间的推移而相互作用， 盆地积累沉积物的能力甚至产生的沉积物量都会波动， 所有盆地都是如此。

盆地类型

不同类型的盆地在不同的构造条件下形成， 每种盆地都有其形成条件的独特特征。 现在让我们来看看在不同构造环境、汇聚边界和沿走滑断层系统形成的沉积盆地。

裂谷盆地

当不同的边界撕裂板块时， 就会形成裂谷盆地。同样，在汇聚俯冲带， 弧后盆地的裂谷作用可以为沉积物开辟容纳空间。 随着裂谷的扩大， 这种盆地的特征会发生显著变化。 裂谷作用形成的盆地出现在大陆边缘和大陆内部。 起初，盆地是大陆内部盆地。这种盆地是内陆盆地。 由于岩石圈变薄，裂谷发展时会发生沉降， 即陆地海拔下降。一旦地形较低的裂谷发展出水体， 沉积环境的性质也会发生变化，结果就是大陆盆地。

在这些地方，地堑在地壳撕裂过程中下沉， 形成盆地。此时，盆地可能完全没有水， 事实上，除非盆地与水体相交或不在潮湿气候下， 否则盆地将保持干燥。

就东非裂谷而言， 裂谷内唯一的水体是由河流注入的湖泊。 此类盆地岩石圈变薄可能导致火山活动。 如下面两幅图所示， 东非裂谷是包含活跃火山活动的大陆内裂谷盆地的绝佳例子。 乞力马扎罗山、肯尼亚山、奥尔多因约伦盖山等著名山脉在这些地区人民的文化传统和神话中占有重要地位。 它们还呈现出一系列有趣的火成岩物质。

俯冲相关盆地

在俯冲带， 有三个盆地可以堆积沉积物。 这些盆地包括弧前盆地、弧后盆地和海沟。 海沟盆地是俯冲板块和上覆板块相遇处形成的深水环境。 弧前盆地形成于火山弧和海沟之间。 弧后盆地形成于俯冲带对面，即火山弧的另一侧。 由于涉及构造，弧后盆地往往具有伸展性质。 上文裂谷盆地部分讨论了此类盆地。 在下面的横截面中，环境是海洋岛弧， 弧后盆地已经变薄到足以发展成裂谷盆地。 弧后盆地不必被水淹没， 因为它们也可以出现在陆地上。

俯冲带盆地中的沉积物

海沟盆地的沉积物来自三个来源：水体中产生的沉积物、 上覆板块风化的沉积物以及从俯冲板块刮下的沉积物。 一些沉积物是由生物在水体中产生的，然后雨水落入海沟。 这些沉积物通常是硅质的，但如果深度不太深， 也可能是碳酸盐。其余的沉积物来自陆地， 有时是通过海底物质运动，如浊流。 最后，沉积物被输送到俯冲板块顶部的海沟， 有时会被动地漂流很长的距离。

• 弧前盆地：弧前盆地形成于俯冲带的增生楔和火山弧区域之间， 既可出现在陆地上，也可出现在水下。 前陆盆地的位置取决于俯冲发生在海洋和大陆岩石圈之间， 还是海洋和海洋岩石圈之间。在所有情况下， 盆地都是俯冲板块造成的岩石圈下沉或弯曲的结果。 此类盆地将包含从其边缘的火山山脉风化的硅质碎屑物质、 上覆板块火山喷发期间形成的火山沉积物以及盆地中水中生命形式的生物化学沉积物。 岩屑砂岩在此类盆地中很常见， 因为沉积物在沉积前不会长途跋涉。 南美洲中部安第斯弧前盆地是现代弧前盆地的一个极佳范例。 此处实际上有两个弧前盆地， 即阿塔卡马台地和伊基克阶地。

由于这些地区的构造过程涉及压缩，沉积物经常经历强烈的变质作用， 导致大量二次矿化。 这些变质特征（例如下面的弗朗西斯坎蓝片岩中所含的特征）对于历史背景非常重要。 在变质之前，这些是沉积在盆地中的海底沉积物。 当俯冲发生时， 它们被刮起并改变成现在的形式。 即使岩石不再是沉积岩， 变质本身也是这些沉积物历史的一部分。 这是一个很好的例子， 说明非沉积岩在梳理岩石的故事方面也是重要的参与者。

• 前陆盆地 前陆盆地是俯冲带后弧区的内陆部分。 它们与造山带平行形成。它们是由大规模的地壳增厚和岩石圈上增加的质量下垂造成的。 这一过程称为岩石圈挠曲。 这些盆地的宽度根据下层岩石圈的挠曲能力而变化。 在所有情况下， 流入前陆盆地的主要沉积物流都是从附近的造山带侵蚀而来的物质。 近端或靠近山脉的沉积地层要厚得多， 而远离山脉的沉积地层则较薄。 此类环境中沉积地层的厚度可以提供有关古老盆地深度和横向范围的信息。 研究这些细节有助于沉积学家将相同的原理应用于古老的前陆盆地环境， 从而得到更精确的盆地发展模型。

现代活跃前陆盆地沉积的典型例子有很多， 例如波斯湾就是伊朗扎格罗斯山脉的前陆盆地。 北美各地都有许多古老的前陆盆地。 在阿巴拉契亚山脉的发展过程中， 随后的塔科尼阶、阿卡迪亚和阿勒格尼造山运动留下了连续的前陆盆地沉积记录。 这些沉积物“序列”构成了阿巴拉契亚山脉的山谷和山脊区， 它们的沉积记录在北美东海岸随处可见， 从加拿大沿海到阿拉巴马州北部和佐治亚州。 从寒武纪和奥陶纪“大美洲碳酸盐滩”的石灰岩开始， 这些沉积地层代表了几亿年来数千英尺的沉积。 最近的地层是在二叠纪时期形成的古代超大陆盘古大陆沉积而成的， 构成了阿巴拉契亚山脉以西的山丘。 这些阿巴拉契亚前陆盆地地层含有具有重要经济价值的煤炭和天然气矿藏。 这些矿藏是这些地区曾经存在古代海洋和沼泽的证据。

在白垩纪北美西部，另一个重要的前陆盆地形成， 被称为西部内陆海道。这条海道不仅保存了当时一些最奇妙的海洋无脊椎动物和爬行动物化石， 还保存了一些当时生活在沿海环境中的标志性和重要的恐龙动物群。

• 走滑盆地 走滑盆地或拉分盆地是由于沿走滑断层的土地被拉开并导致下沉而形成的它们也可以沿着转换边界形成。当剪切力撕裂岩石圈时， 岩石圈块会脱离并相对于周围的陆地下落。 这种横向和对角运动以及相关的沉降不应与前面讨论过的裂谷盆地中的地垒和地堑结构的沉降相混淆。 这种盆地的现代典型例子是加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层带和土耳其北部的北安纳托利亚断层带。 在圣安德烈亚斯区，一个典型的结果是加利福尼亚湾的形成， 它位于巴哈半岛和墨西哥西北部的索诺拉州之间。 该盆地是一系列拉分走滑盆地的结果， 这些盆地实际上导致了足够的沉降， 以至于该地区被大量的水填满，形成狭窄的墨西哥湾航道。 可以看到较小的例子沿着加利福尼亚州弗里蒙特的海沃德断层。

• 走滑盆地沉积物 走滑或拉分盆地中的沉积物通常仅由盆地隆起侧风化的物质组成， 以断层为界。就加利福尼亚湾而言， 沉积物还包括海洋生物沉积物和海岸线过程沉积物。

地层学基本原理

盆地的历史记录在其地层中

在地球 45 亿年的历史中， 岩石圈、水圈、大气层、外大气层和生物圈之间的相互作用不断演变。 这些系统在地球的过去共同演化，随着时间的推移， 这种相互作用的结果也发生了变化。 例如，太古代生物圈的引入对这些系统之间的相互作用产生了重大影响。 这些圈层之间的相互作用及其共同发展的渐进性留下了悠久的岩石记录。 虽然记录不完整， 但这段悠久历史的大部分都以沉积岩的形式记录在盆地中。 沉积在盆地中的沉积物包含过去的证据， 在重力作用下层层堆积。正是这些层构成了地层记录的地层。 这些记录因时间、地理和地质构造情况的不同而不同， 但有一些基本原则，即“岩石语法”， 指导着我们对它们故事的解读。 这些地层学工具相当于罗塞塔石碑的地质科学， 让我们能够窥视过去的世界并翻译我们所发现的东西。

地层和地层学：地球历史的篇章

沉积层称为地层。地层构成了盆地的地层记录。 地层学一词来自拉丁语词根， 字面意思可以翻译为“层状书写”。 风化沉积物被侵蚀成盆地， 并沉积在横向延伸的水平层中。 这些地层形成层理和床。层理床积聚成地层， 即地层学的功能单位。 地层是沉积在相关环境中的地层的集合， 代表着一个集体相。相是具有特定特征的岩石体， 例如石英砂和交错层理结构可能构成曾经是海滩的砂岩。 “原始水平性原则”描述了地层以平坦方向形成的这种趋势。

所有最终凝固成岩层的沉积物最初都是水平放置的。 随着这些水平地层在盆地中堆积， 较新的地层将位于较旧的地层之上。 这被称为“叠加原理”。 这两个原理最初都是为17 世纪意大利的尼古拉斯·斯特诺 (Nicholas Steno) 发现了这些岩石， 这些岩石是他多年观察意大利阿尔卑斯山岩层的结果。 水平和连续较新的岩层不仅保留了它们沉积的环境信息， 还保留了它们在此之前风化的原始岩石信息， 每一层岩层都包含一个详细的故事。

下面的巨型岩层图像非常清晰地展示了这些岩层。 该岩层不再是水平的，但最初是水平的。 它因地质构造活动而倾斜。在此活动之前， 这些交替的砂岩、粉砂岩和页岩层作为多组海底滑坡沉积在深海。 这些被称为“Bouma 序列”， 从巨大的浅褐色砂岩开始， 这些砂岩的颗粒大小逐渐变细。 每个岩层都是一个新的沉积物， 当时是一个新的滑坡。 这张图片中最古老的岩石位于右下方， 最年轻的位于左上方。

地层学的另一个非常关键的方面是了解沉积环境， 这些沉积环境保存在垂直堆叠的地层中， 彼此在地质上接触， 在某一时刻也是横向相邻的沉积环境。 这被称为“沃尔特原理”。盆地不是静止的， 海平面会因各种原因而变化。 随着它们的移动， 在时间上相邻的环境将横向迁移。 随着时间的推移， 它们会堆叠在一起。 最终，这形成了我们在露头处看到的岩石序列， 类似于下图中的蛋糕层。

岩石地层学

岩石地层学这一名称源自希腊语“lithos”， 意为岩石，以及“地层”，意思是层。 所以岩石地层学是研究岩石层的学科。 在岩石地层学中， 我们对构成这些层的沉积物颗粒非常感兴趣， 想知道它们的矿物成分， 想检查它们的形状， 不管它们是圆形的还是非圆形的。 还想知道它们的分类， 它们是包含多种大小的颗粒还是只有一种大小的颗粒。

这些证据部分描述了岩石的“相”， 这使科学家能够确定岩石是如何形成的以及它可能起源于何处。 在地层剖面中，堆叠的地层通常会从底部到顶部变化， 表明环境变化的详细记录。 该记录提供了该盆地沉积物沉积的历史、海平面变化， 并且可以提供关于不同时间尺度上的气候波动的重要见解。

在岩石地层学中， 岩层根据多种因素被置于不同的层级中。 其中最关键的是岩层的横向区域范围。 基本的岩石地层单位称为地层。 要获得这一称号，岩层必须可在整个区域进行测绘。 它必须具有与在该地区各个位置看到的非常相似的特征， 并且与上下层有相似、明显的边界或接触。

地层是野外地质学家在绘制地质图时使用的单位。 地层还有一个已确定的“类型剖面”， 代表为其创建单位标准描述的露头。 它们还与上下地层有接触，这些接触也是可测绘的。 在地层中，较小的子单元称为可以识别出各个成员。 成员是较大地层中岩性不同的层。 在下面的地层柱中，科佩组被分为几个成员。

如果整个区域有足够的地层剖面， 就会出现进一步的模式。 路堑、悬崖面和其他位置是理想的研究区域。 单个岩层可能存在也可能不存在。 它们的厚度和内容可能有所不同。 但这些信息可以帮助重建的不仅仅是一个位置（由一个剖面表示）的历史， 而是整个区域的历史。

化石作为地层学工具：生物地层学

生物地层学是一套利用化石将模式和地层联系起来的工具。 化石有多种形式，既可以是身体化石， 如骨骼部分或印痕，也可以是痕迹化石， 即运动或活动的证据。 通常，这些信息是除了岩石地层信息之外收集的。 生物地层学名称基于地层中存在特定于化石材料的特定诊断特征。

有时，这种化石材料可以追溯到很远的地方， 就像岩石地层一样。 生物地层单位可能因地点而异， 因此这种化石床的追踪不一定是生物地层学的基本目标。 生态系统中的群落因环境而异， 取决于物理和生物条件。水深，温度、盐度和洋流， 以及沉积速率和营养水平都可能导致特定生物的分布非常不均匀。 然而，有些化石更为普遍，例如由于浮游生物的生活习性， 因此随着洋流的传播，它们在更大的区域更常见。

由于所有这些变化，虽然生物地层名称可用于关联地层， 但它们也是了解某个地点古生态历史的非常重要的工具。

指标化石

跨盆地甚至在盆地内部， 化石组合可能会有很大差异。 想象一下现代海洋海岸线， 即使是像北卡罗来纳州外滩这样的屏障岛系统。 在这些地区，有些物种生活在不同的地貌中， 而有些物种的一生都生活在更受限制的区域内。 分布更广、数量众多、化石形成良好的物种可以很好地作为重要间隔的标记。 理想情况下，生物的存在时间很短。 如果满足所有这些标准， 那么该化石就可以作为地层中的标记， 即指标化石，可以在此处找到一些指标化石的优秀示例。

生物区

生物地层学有一套独特的术语。 与年代地层学和岩石地层学不同， 生物地层学没有分层的命名体系。 生物带是基本要素。生物带由其化石分类群的基本特征定义。 生物带有五种类型。 这些包括分布区、间隔区、聚集区、丰度区和谱系区。 由于缺乏层次结构，以及生物地层学命名方式多种多样（通过单个化石或多个化石存在）， 因此单个岩石单元内可能存在重叠的生物带。

地层上，科佩组亚历山大亚段内的化石产地。 该数据是根据对六个地点的研究汇编而成的。 黑色条表示 5-6 个地点的化石产地。 灰色条表示在 3-4 个地点发现的化石。 浅灰色条表示在 1-2 个地点发现的化石。 深灰色至黑色条可视为化石区（范围区）， 可用于生物地层对比。

分布区有两种类型。第一种是分类单元分布区， 是指在地理和时间上 确定存在单个化石分类单元的地层体。 地理分布区可能很窄，也可能很宽， 但由该分类单元在盆地或盆地集合中已知的全部分布区定义。 第二种是共生分布区， 与分类单元分布区的唯一区别在于它们由至少两个分类单元的重叠分布区组成。 由于分布区的地理范围，它可用于跨地点的地层对比。

间隔带是存在于两个确定的地层层位之间的含化石地层。 这些有时被称为范围带。 例如，你不会发现超过 35 万年前的现代人类化石。 我们物种的间隔带仅代表了过去 35 万年。 间隔带以相关分类单元的出现为界， 因此不一定具有相关性。 但是，由于它们由下层和上层层位定义， 因此这些层位可用作地层相关性标记。

谱系区是根据其进化重要性来定义的。 它们是包含分类单元的特定进化分支的区域。 这些非常具体的生物层位， 同样由其出现的下限和上限来定义， 是生物地层学中相对时间相关性的非常可靠的方法。 能够将一个区域内腕足类的特定科或属的存在联系起来是一回事， 但能够使用特定物种定义可关联的时间层位则完全是另一回事。

组合带由地层的上下边界定义， 地层的上下边界由三个或更多化石分类群的存在定义。 这些分类群可能代表古环境内群落的成员， 古环境由它们所在的地层定义。 在一个地区，组合的所有成员不需要都存在才能以这种方式定义， 但大多数成员都应该存在。 单个分类群也可以在组合带上方和下方有更大的范围。

丰度区代表地层中某一特定分类群的丰度显著高于平常。 下图中 Kohrs (2008) 的Triarthrus eatoni区可定义为单一地点范围内的丰度区， 尽管此类区域也可能是相关工具。 这种三叶虫可以在 Kope 组内随处找到， 但在这些地点中的每一个， 都可以找到异常丰富且保存完好的化石库。 作为相关标记，它们标记了一个特别有用的生物层。

丰富区域或缺乏丰富区域：化石储量地、地下水和断层

有些化石的保存方式非常特殊。 异常丰富的化石沉积物被称为lagerstätten， 这是一个德语术语， 字面意思是“储藏地”， 因为这些化石的保存非常完好， 以至于可以再现原始生物的外观。 这些化石有时可以在可追溯到整个地区的层中找到， 它们的异常保存是由风暴事件期间沉积物快速沉积或其他原因造成的。 因此，它们可以用作重要的生物地层标记层。

一般而言，在某个地区可从地层上追溯的层位可能包含只出现在一个地方而不出现在另一个地方的化石。化石在层位或地层中突然大量出现可能代表着所谓的“末期”， 即地层记录中某个物种或群落的突然繁荣。 这些有时可能是重要的事件层位， 可用于跨地区进行对比。 同样，与此相反的是“中断” ， 它代表着化石或群落的消失。 这甚至可能是局部灭绝事件。 同样，这种中断可能是重要的生物地层事件标志。

动物演替原理

由于进化对地球上生命的影响， 生物的出现有着明显的时间顺序。 这种生命顺序始于四十亿年前， 当时单细胞原核微生物出现。 从那时起，起源和灭绝形成并杀死了无数物种， 总是让位于具有基于共同和衍生特征的新适应性的新物种。 化石记录中出现了重要的模式， 使古生物学家能够识别岩石单元属于某个年龄或环境。 例如，众所周知，人类从未与恐龙生活在一起。 人类化石从未被发现与恐龙化石一起、在恐龙化石中或在恐龙化石单元中， 这些化石群相隔至少 6100 万年的时间、沉积物和事件。 如果一块岩石含有恐龙化石， 我们可以判断它至少有 6500 万年的历史但不会超过 2.43 亿年前。 如果它包含人类化石， 具体来说是我们这个物种的化石， 那么它的历史很可能不到 50 万年。

年代地层学

一些沉积物会同时沉积在盆地内， 但沉积环境不同。同样， 在地质时间的任何给定点， 地球上的多个盆地都会根据区域构造和气候条件积累沉积物。 年代地层学或基于时间的地层学提供了一种关联原本看似不相关的单元的方法。 年代地层学利用生物地层学和数值年代测定法， 利用显著的化石层和其他独特特征（如火山灰沉积物）来限制盆地内的沉积时间。

年代地层学根据从岩石中抽样矿物计算出的放射性测年将地层置于不同的等级中， 而不是仅仅依靠岩石的物理特征。 这种标记的常见例子有火山灰层、岩浆侵入体和锆石晶体包裹体。 在全球范围内，国际地层委员会 (ICS) 已经根据商定的全球年代地层学创建了一个时间表。 这个时间表上的每个边界都由 GSSP（全球层型剖面和点）标记。

GSSP 是一个年代地层的“典型地点”， 其中的边界被标记为整个地质界的典范。 全球年代地层名称可能与这些时间段的区域名称不同。 在地球科学中，将区域名称应用于岩石和时间单位已有悠久的传统。 地质年代标尺上的许多名称， 如寒武纪和泥盆纪，都源自欧洲地区。 有时，旧的地区名称会被其他名称取代。 在科学家中，更地区化的名称成为通用地质术语的一部分， 而他们对全球名称的熟悉程度可能要低得多。 例如，辛辛那提系列是美国东部对全球上奥陶纪系列的当地名称。 辛辛那提统是美国东部地区对全球上奥陶纪统的当地名称。 辛辛那提统是美国东部地区对全球上奥陶纪统的当地名称。

年代地层名称大致相当于岩性名称。 下表显示了各种岩性单元及其年代地层对应名称。

磁性地层学

与其他地层学工具一样， 磁性地层学依靠岩石的特殊性质来建立不同距离的地层关联。 磁性地层学所检查的记录是沉积时记录的地球磁场倾角和偏角， 也称为正极性和反极性。这包括关联磁极反转时间， 即地球磁极反转的时间， 其中“地理南极”变为“磁北极”， 反之亦然。 磁性地层学不考虑岩性或化石含量， 而是依靠沉积时沉积物中的矿物质或火山喷发期间沉积的火山灰中的矿物质， 从而可以应用一组不同的关联。

磁性地层“区域”或磁区是地层剖面中来自同一时期的具有共同极性的部分， 在这些区域内，有时可以识别出“磁性年代”， 从而可以对此类区域内的特定时刻进行数值测定。 此类区域和年代如果可以进行远距离追踪， 则可以提供有关该地点和地区某一时期的独特信息， 同时也可以补充年代地层学、岩石地层学和生物地层学提供的工具， 以描述岩石记录或填补它们留下的知识空白。

许多重要的 GSSP 都以磁区边界为标志。 第四系更新世系列（1.8ma 和 2.58ma）和新近系上新世系列（3.6 Ma 和 5.33 Ma）所有重要的已批准 GSSP 边界标记都以地层记录中的磁极性变化为标志。 这些边界标志着地球磁场极性的全球变化， 如含铁矿物所见。例如， 更新世格拉西亚阶的 GSSP 标志着上新世的结束和更新世系统的开始。 这个磁边界是在意大利卡拉布里亚的一个露头上描述的， 它位于一个旧农场附近主干道旁。在这个田园风光中， 在单元的石灰泥中， 存在着一个磁异常， 标志着地球磁场的重要逆转。 你可能采集了这块岩石样本却永远看不到它， 因为这样的边界是肉眼看不到的， 只能通过磁力计才能看到。 不过，这种反转应该在全球范围内记录下来， 它代表了两个地层单元之间的重要边界。

测量地层剖面

为了使用岩石地层学、生物地层学等提供的地层工具， 必须测量地层的剖面。这项关键工作主要在野外进行。 地层学家计划一次野外考察， 首先研究从该地区的地质图、学术和地质调查出版物中收集的相关背景信息。 直接探索由人为或自然过程创建的全新地层剖面， 例如为新道路在山坡上开凿的地层或由洪水引起的新溪流， 也是检查地层的极好方法。一旦完成初步的图书馆或野外工作， 就可以开始详细的野外工作。 这包括测量剖面、摄影、样本收集和素描。 有时，剖面以米为单位测量，有时以厘米或更细的单位测量， 取决于正在考虑的研究问题。

数据是相对于已知基准以一定的时间间隔记录的， 通过绘制地层柱可以得出详细的地层。 无论测量方法如何，从一个地点到另一个地点使用一致的技术对于提供可靠的地层模型至关重要， 该模型可用于得出有关数据的结论并生成要测试的预测。 从一个站点到另一个站点使用一致的技术对于提供可靠的地层模型至关重要， 该模型可用于得出有关数据的结论并生成要测试的预测。

从一个站点到另一个站点使用一致的技术对于提供可靠的地层模型至关重要， 该模型可用于得出有关数据的结论并生成要测试的预测。

测量多个尺度的剖面非常重要。 沉积时，沉积单元的厚度比经过数百万年的压实和岩化后的厚度要厚得多。 沉积速率会随时间而变化， 而压实是开始从地层记录中的特定页面中删除一些原始信息的一种次要影响。 虽然单元的原始厚度可能只是推测， 但通常可以得出一个很好的估计值。 这可以让我们了解侵蚀率、气候和沉积时起作用的其他因素。 由于压实也会导致埋藏，而埋藏会导致加热， 因此我们可以从化石和其他沉积学证据中获得有关这些次要过程的信息。

对岩石单元或整个地层柱内的细层进行分析可称为微地层学。 在这些分析尺度上，从亚毫米到可能高达一米的尺度， 可以描述在相当小的时间尺度内发生的环境事件和过程。 西弗吉尼亚州的 Tonoloway 地层保存了由周期性蒸发事件形成的交替石膏壳包。 虽然我们不能绝对确定每层石灰岩和石膏壳所涉及的时间尺度， 但我们可以推测，这种沉积可能代表几天到几年的时间间隔， 或者可能是一年中的季节性变化， 其他微地层证据可以帮助进一步限制这一点。

西弗吉尼亚州托诺洛韦组志留纪潮滩碳酸盐岩（包括盐铸体）的微地层记录。 我们能从如此精细的分层中学到什么？ 我们能从这里经过压实和岩化后厚度不超过 2-3 毫米的沉积物包裹中读出什么？

研究地层分层通常以较大的尺度进行， 通过描述厚度从几分米到几千米的地层来描述。 这些较大的沉积模式可以代表几百万到几千万年的时间。 提供更广泛、更大的视角来观察盆地在更大时间跨度内发生的事件， 可以更深入地了解整个盆地的行为。 这些行为包括能够研究正在发生的构造过程或各种尺度上的海平面的重大变化。 随着盆地空间的波动，最终盆地被填充， 这种大规模记录提供了沉积如何发生的故事。 同样重要的是， 这个故事为开发山脉构造变化模型、古地理变化、或古代气候的变化。

地层学不仅仅是地球上的事物……

甚至在火星上，机器人也会拍照并测量陨石坑地层！ 随着人类和机器人探索进一步深入太阳系， 我们越来越多地发现地层原理在地球之外的应用。 火星是我们太阳系中未来可能发现水的地方之一， 无论是过去还是现在，寻找水一直都很重要。 近年来，在盖尔陨石坑等地的陨石坑壁的层状硅酸盐（粘土矿物）层中发现了水的证据。 虽然仅仅存在水本身并不能表明生命曾经存在， 但它确实有助于满足要求。从地层学的角度来看， 水的存在意味着沉积物通过溪流从高地冲刷到盆地中。

火星盖尔陨石坑的“Shaler”露头， 拍摄于第 0309 个火星日， 由火星科学实验室（好奇号）拍摄。 该露头包含页岩沉积物，位于非常典型的层状地层中， 可能代表古老的湖床。这些可以用不同的尺度来测量。 在露头顶部附近，出现了一块颜色较深的岩石， 可能是熔岩流中的玄武岩。

毫无疑问， 我们在地球上发现的非常有用和信息丰富的地层学原理将不再继续揭示我们自己星球过去的新见解。 但是，随着我们更深入地研究火星等地的地质历史， 地层学的见解将如何帮助我们讲述这颗星球及其各个地点的独特故事？