1869年，一位名叫John Wesley Powell的單臂内戰老兵和他的九名同伴出發去探索地球上最偉大的峽谷(Grand Canyon)。在他們的旅程中，看似不可逾越的岩壁阻擋了探險者的步伐，也使他們提出了有關地球和它的曆史的重要問題：峽谷的形成花了多長時間？構成峽谷岩壁的岩石是什麼時候形成的？在這些岩石堆積之前是什麼樣？對這些問題的思考打開了地質年代的大門，即自地球形成以來的時間跨度。

我們對地質年代的現代理解源于19世紀的工作，該工作确立了描述地質特征相對年齡的原則。有了地質年代的概念，沿着一條小道徒步進入大峽谷，就變成了一場穿越通俗作家所說的“深度時間”的旅行。地質上的發現表明，我們星球的曆史在人類曆史開始之前就已經延續了數十億年，這就像天文學上的發現表明，深太空的極限在太陽系邊緣之外延伸了數十億光年一樣深刻地改變了人類對時間和宇宙的看法。

Isaac Newton爵士發現的物理定律，推動了歐洲啟蒙時代的到來。在這個時代，科學家們開始為他們周圍的世界的特征和現象尋求自然而非超自然的解釋。到19世紀50年代，地質學家已經确立了一些原理，這些原理最終為地質年代概念的發展奠定了基礎。

徜徉在蘇格蘭高地的James Hutton (1726–1797)在沉積岩中發現，許多特征與在現代沉積環境中看到的特征相似。例如，一些砂岩層的表面顯示出波紋，就像他在現代海灘上看到的那樣。這些觀察使Hutton推測，古岩石和地貌是經曆了漫長的地質曆史時期所形成，而在該時期中發生的地質作用與現代發生的自然過程是一緻的。

Hutton的思想被稱為均變論原理。這一原理意味着，在現代世界中運行的物理過程在過去也以大緻相同的速率運行。均變論意味着“現在是過去的鑰匙”。Hutton進一步推斷，并不是所有他觀察到的岩石或結構都在同一時間形成的。由于沒有人能看到沉積物首先變成岩石，然後上升成山的整個過程，Hutton得出結論，岩石的産生是非常緩慢的，地球的曆史必須追溯到人類曆史開始很久以前。這個提議，連同其他幾個提議，成為了許多地質學思想的基礎，現代地質學家認為赫頓是“地質學之父”。

3億前的岩石，其中含有保存完好的泥裂。根據均變論的原理，它們與現代泥裂形成的方式相同

與曆史學家一樣，地質學家努力确定産生地質特征組合的事件序列。在一個序列中，一個特征相對于另一個特征的年齡就是它的相對年齡。丹麥科學家Nicolas Steno (1636-1686)，在Hutton均變論原理的基礎上，提出了一套正式的地質原理。英國地質學家查爾斯·萊爾(1797-1875)在他的《Principles of Geology》一書中普及了Steno和Hutton的思想，這是第一本綜合性的地質學教科書。這本書闡明了地質原理(包括均變論)是如何為确定相對年齡提供基礎的。

沉積層在最初沉積時大緻是水平的。由于重力作用，沉積物會在相對平坦的表面上堆積，比如漫灘或海底。如果它們在陡峭的斜坡上堆積，它們就會在被埋藏和岩化之前滑下斜坡。考慮到這一原理，地質學家得出結論，褶皺和傾斜岩層代表了沉積後發生的變形事件。

原始水平狀态，重力導緻泥沙在水平面上累積；Wisconsin的水平岩層

沉積岩的每一層都必須比它下面的那一層年輕。在沉積層序中，最古老的層位于底部，最年輕的層位于頂部。

在一系列地層中，最古老的地層在底部，最年輕的地層在頂部。把沙子倒進玻璃缸就能說明這一點

如果一個地質體切割另一個地質體，被橫切的地質體更古老。例如，如果火成岩岩脈切過一系列沉積層，那麼沉積層一定比岩脈更古老。如果一層沉積物掩埋了岩脈，那麼沉積物一定比岩脈年輕；如果一個斷層穿過并取代了沉積岩層，那麼斷層一定比岩脈年輕。

堤壩比它橫切的河床年輕；深成岩體比被接觸烘烤的圍岩年輕

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

含有包裹體(另一塊岩石的碎片)的岩石一定比包裹體年輕。例如，含玄武岩卵石的礫岩比玄武岩年輕，而含砂岩碎片的玄武岩則一定比砂岩年輕。

礫岩(底部)中的玄武岩卵石一定比礫岩年齡大。玄武岩岩床(頂部)中的砂岩碎片一定比包含它們的玄武岩更古老

地質學家應用上述原則來确定地質特征(岩石、結構、侵蝕特征)的相對年齡，而每一個地質特征都是特定地質事件的結果。地質事件的例子包括沉積，侵蝕，侵入、擠壓和變形(褶皺或斷層)。從相對年代來看，這一系列事件可以揭示該地區的地質曆史。

以下圖中描述的地質事件的為例，說明如何确定相對年齡。

根據疊加原理，首先沉積1層，其次沉積2層至8層。我們知道岩床是在5層沉積之後侵入的，因為它含有砂岩的包裹體。花崗岩深成岩體在褶皺之後侵入，并切斷了褶皺。之後斷層形成，岩牆在斷層後侵入，切斷了斷層。最後，侵蝕形成了現在的地面，它切割了所有其他特征。注意8号岩床已經完全被侵蝕掉了。地質原理可以幫助地質學家解開導緻地質特征發展的一系列事件。

沉積層形成-岩床侵入-褶皺形成-花崗岩體侵入-斷層發育-岩牆侵入

如果你觀察沉積岩的層理表面，你可能會發現類似貝殼、骨頭、樹葉或腳印的形狀。研究人員認為這些化石(源自拉丁語單詞fossilis，意為挖掘)指現在保存在岩石中的古代生物的殘迹或痕迹。

2億年前砂岩中的骨骼化石

19世紀，随着越來越多标本的發現和收集，古生物學漸發展成為一門科學。古生物學家(生物學家和地質學家從事研究化石記錄)最終學會了如何使用化石為基礎确定一個沉積岩層相對于另一個沉積岩層的年代，化石已經成為研究地質曆史和生命的進化不可或缺的工具。

博物館裡收藏的化石标本；收集标本的古生物學家

當生物死亡并被沉積物或火山灰掩埋，或者當生物在沉積物上留下印記或碎片時，化石就形成了。古生物學家把化石的形成過程稱為石化。為了了解一個典型的化石是如何在沉積岩中發展的，讓我們跟随一隻古老的恐龍沿着泥濘的河岸尋找食物的命運。

在炎熱的夏日，恐龍屈服于高溫，倒在泥裡死去。很快，食腐動物就會剝去骨架上的肉，然後把骨頭弄散。但在骨頭還沒來得及風化掉之前，河水就泛濫了，骨頭和恐龍的腳印都被埋在了一層淤泥下面。更多的沉積物将骨頭埋得更深，直到最後，包含骨頭和腳印的沉積物變成岩石(粉砂岩和頁岩)。在粉砂岩和頁岩的邊界上留下了腳印，而骨頭則留在了粉砂岩中。地下水中的礦物質逐漸取代了組成骨頭的一些化學物質，直到骨頭本身變成岩石。埋在地下的骨頭和腳印現在成了化石。一億年後，隆升和侵蝕暴露了恐龍的墳墓，所以幸運的古生物學家可以挖掘它們。恐龍再次崛起，但這次是在博物館。

恐龍化石化的階段

并不是所有的生物體死後都變成化石，事實上，隻有非常小的一部分可以。因為需要特殊的環境，隻有在以下三種環境中的一種或多種條件下，生物才能轉變成化石：

路邊的死松鼠不會變成化石。随着時間的推移，食腐動物會來吃屍體，如果屍體沒有被吃掉，微生物就會寄生在屍體上并逐漸将其消化，或者氧化(與氧氣的化學反應)将其分解成氣體。在缺氧的環境中，屍體被保存的可能性更大。在缺氧的環境中，屍體的氧化過程緩慢，食腐動物并不多，微生物的新陳代謝也非常緩慢。

如果一個生物死于沉積物快速堆積的沉積環境中，那麼它在解體前被埋藏的可能性更大。

沒有耐久的外殼、骨骼或其他堅硬部分的生物通常不會變成化石，因為在大多數沉積條件下，柔軟的肉比堅硬的部分腐爛得早。由于這個原因，古生物學家們發現的牡蛎化石比蜘蛛化石多得多。

通過對現代生物的仔細研究，古生物學家已經能夠估計出生物保存的潛力，即一種生物被埋藏并轉化為化石的可能性。在典型的現代淺海環境中，隻有大約30%的微生物具有很高的保存潛力。但在這些生物中，隻有少數死于沉積環境，在那裡它們變成了化石，所以化石是例外而不是規則。

也許當你想到化石時，你腦海中浮現的要麼是恐龍的骨頭，要麼是岩石中貝殼的印記。事實上，古生物學家根據生物石化的特殊方式來區分許多不同種類的化石。讓我們來看看這些類别的示例。

在一些環境中，整個生物體可能被保存下來。按照地質标準，這些化石中的大多數都相當年輕，它們的年齡為數千年不等。例如，西伯利亞永久凍土(永久凍土)的長毛猛犸象或保存在沙漠洞穴中的木乃伊化石。

西伯利亞永久凍土層發現的1米長的猛犸幼象在37000年前死亡；大約在2億年前嵌在琥珀裡的昆蟲

落在樹皮上的昆蟲可能會被困在樹木産生的粘稠的樹液或樹脂中。這種金黃色的糖漿包裹着昆蟲，随着時間的推移，它會變成琥珀。琥珀可以保存昆蟲4000萬年以上。

骨頭、牙齒和貝殼可由岩石中的耐久礦物組成。一些骨骼、牙齒或貝殼的礦物質不穩定，會随着時間的推移再結晶。但即使發生這種情況，原始物件的形狀也可能保存在岩石中。

加利福尼亞州拉布雷亞瀝青坑中2米高的巨型地懶的骨骼化石；頁岩中蕨類葉子的碳化印記

印記是當軟的或半軟的生物或它們的部分(葉子、昆蟲、無脊椎動物、海綿、羽毛、水母)在沉積物層之間被擠壓時産生的扁平的模子。化學反應最終會去除大部分有機物質，隻在印迹表面留下一層薄薄的碳。

當沉積物在貝殼或物體周圍壓實時，它與物體的形狀一緻。如果外殼後來由于風化和溶解消失，留下的空洞形成模具。如果沉積物随後充填，那麼沉積物會形成貝殼的形狀。産生的鑄型從相鄰岩層的表面突出。通常隻有堅硬的部分才能變成模具或鑄件。柔軟部分的形狀很少能被保存下來，形成了特殊的化石。

無脊椎動物的堅硬部分，最有可能被保存下來；始祖鳥，來自一億五千萬年前德國的Solnhofen石灰岩

礦化是指礦物從滲入多孔材料(如木頭或骨頭)孔隙的地下水中沉澱的過程。例如，石化木材通過木材的礦化形成，它将木材轉變成燧石。

取代了原始木材的燧石非常堅硬，在周圍的岩石被侵蝕掉之後，燧石還保留着；恐龍腳印是一種痕迹化石

痕迹化石包括足迹、進食痕迹、洞穴和生物在沉積物中留下的糞便(糞化石)。

生物由複雜的有機化學物質組成。随着地質時間的推移，這些化學物質中的大多數會分解，形成不同且獨特的化學物質。一種從生物中提取并保存在岩石中的特殊化學物質被稱為化學化石或生物标記。

古生物學家還發現，根據化石的大小來區分不同的化石是有用的。巨化石是大到肉眼可見的化石。但一些岩石和沉積物中也含有大量的微化石，隻能用顯微鏡觀察。微化石包括浮遊生物、細菌和花粉的殘留物等。

由浮遊生物殼形成的非常微小的化石稱為微化石

古生物學家用生物學家給現代生物分類的原則來給化石分類。對化石進行分類并沒有什麼神奇的。你可以通過觀察化石的形态，來識别常見化石。

常見的無脊椎動物化石

如果化石是完整的，并且有獨特的特征，這個過程可能很簡單，但是如果它被打碎成碎片或者部分丢失了，識别就會是一個挑戰。許多化石生物與現代生物相似，所以對它們進行分類相對容易。

河床表面看起來像白色圓圈的化石形成于4億年前，是海百合的碎片

例如，蛤化石看起來像蛤，而不像蝸牛。要把化石更具體地分類到屬或種的層次，鑒定可能包括識别諸如其外殼表面脊的數量這樣的細節。并不是所有的化石都像已知的生物體，确定它們的分類學關系可能是一個挑戰。因此，建造一個博物館展覽，描繪化石生物體活着時的樣子需要想象力。

一幅藝術家描繪的化石生物體活着時的樣子，這些繪畫是基于在加拿大Burgess頁岩中發現的化石

在18世紀，古生物學家認識到并不是所有的化石都是現存物種的遺迹。但他們默認由于這個世界還沒有被完全探索過，所有的化石都代表了生活在這個星球上某個地方的物種。到了19世紀，情況變得很清楚，這種解釋不可能是真的，因為探險家們在任何地方都沒有發現像乳齒象或恐龍這樣的巨型動物。基于這一認識，法國古生物學家Georges Cuvier (1769-1832)認為，一些化石物種已經滅絕，也就是說，這些物種的所有個體都已經死亡。我們今天認為滅絕現象是理所當然的，因為我們已經看到在曆史時期，許多動物滅絕，但在Cuvier的時代，他的建議是革命性的。

在18世紀後期英國進入工業革命，工廠需要煤來驅動蒸汽機，也需要一種廉價的運輸原材料和制成品的手段。投資者決定建造一個運河網，他們雇傭了一位名叫William Smith (1769-1839)的工程師來調查發掘工作。挖掘運河把被植被覆蓋的基岩暴露了出來。史密斯學會了識别不同的沉積岩層和化石組合。他還認識到，一種特殊的組合隻能在有限的地層序列中找到，而不能在上面或下面找到。換句話說，一旦一種化石物種在一系列地層的某個水平線上消失，它就再也不會在更高的層次上出現。滅絕是永遠的。

Smith的觀察已經在世界各地數以百萬計的地點被重複，并作為化石層序律被編入法典。為了了解這一原理請查看下圖。

地層層序率

底部的第1層包含A，層2包含A和B，層3包含B，層4含有C，以此類推。從這些數據中，我們可以推斷出每個物種的分布範圍，即該物種化石出現的時間間隔。在上圖中，化石從最古老到最年輕的順序是A、B、C、D、E、F。注意，一個物種的範圍可能與其他物種的範圍重疊。

一旦确定了幾種化石的相對年齡，這些化石就可以用來确定包含它們的地層的相對年齡。例如，如果一個岩層中含有化石A，地質學家就可以說這個岩層比含有化石F的岩層更古老，即使這兩個岩層并沒有在同一地區出現。

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