地質年代的確立全攻略：均變說、相對定年與絕對定年、半衰期計算及題型解析 | 莫斯利自然科學
在漫長的地球歷史中，沒有任何人見證過恐龍的奔跑，也沒有人類親眼目睹喜馬拉雅山的隆起。然而，地質學家卻能像偵探一樣，單憑幾塊沉積岩與化石，就能準確推算出數億年前的地球大事紀。這把開啟過去時空大門的神祕鑰匙究竟是什麼？
一、 地質年代建立方法與相對絕對定年總表
地質年代分類 | 說明與核心概念 | 判定方法與具體定律 |
相對地質年代 | 利用地層中的化石對比及地層構造，了解地層及構造生成之時間順序先後。 | (1) 疊置定律 (2) 沈積構造 (3) 截切定律 (4) 化石對比 |
絕對地質年代 | 利用岩層中放射性同位素之衰變比例，計算岩層形成之確實時間。 | 放射性同位素定年 |
二、 常見相對定年法與判定原理總表
透過地層之間的物理關係與化石證據，我們可以輕鬆排定地質事件發生的先後順序，詳細內容整理如下表：
判定方法 | 說 明 | 例子（參考地層剖面圖） |
疊置定律 | 地層未受外力作用造成地層翻轉的情況下，先生成的地層在下，後生成的地層在上。 | A 地層在下、B 地層在上，在地層未翻轉狀況下，A 先生成。 |
沈積構造 | 沈積物在沈積時形成的構造。 | B 地層可見交錯層，地層上方陡下方緩，代表此地區地層未發生倒轉。 |
截切定律 | 後發生的地質事件，會破壞先發生的事件，被破壞的地質事件較早生成。 | C 斷層破壞 D 岩脈，故 D 岩脈先生成。 |
化石對比 | 利用化石群比對兩地區地層（標準化石）。 | 斷層兩側 A 地層中可見菊石化石，代表 A 地層為中生代地層。 |
三、 放射性同位素半衰期比例表
放射性同位素（母元素）會隨時間而蛻變成另一種元素（子元素），例如碳-14會衰變成氮-14，而母元素蛻變一半所需的時間，稱為半衰期。母子元素在各個半衰期的含量比例變化如下表：
經歷時間 / 元素 | 原始量 | 一個半衰期 | 二個半衰期 | 三個半衰期 | 四個半衰期 |
母元素占整體比例 | 1 | 1 / 2 | 1 / 4 | 1 / 8 | 1 / 16 |
子元素占整體比例 | 0 | 1 / 2 | 3 / 4 | 7 / 8 | 15 / 16 |
四、 常用的放射性同位素與半衰期及適用物質總表
不同的放射性同位素具有不同的半衰期，科學家會根據定年目標的年代久遠與材質來選擇最合適的同位素，詳細內容整理如下表：
母元素 / 子元素 | 半衰期（年） | 適用礦物及物質 |
鈾-238 / 鉛-206 | 45 億（4.51 x 10⁹） | 鋯石、鈾礦 |
鈾-235 / 鉛-207 | 7 億 | 鋯石、鈾礦 |
鉀-40 / 氬-40 | 13 億（1.30 x 10⁸） | 雲母、角閃石、海綠石、含鉀氫的火成岩及變質岩 |
銣-87 / 鍶-87 | 488 億（4.88 x 10¹⁰） | 雲母、海綠石、正長石、含銣鍔的變質岩及火成岩 |
碳-14 / 氮-14 | 5730（5500） | 貝殼、地下水、海水、皮毛、木頭、木炭、泥炭、骨骼 |
五、 講義精選例題解析：地層剖面順序判定與碳-14 定年計算
【題型一：地層剖面與地質事件先後順序判斷】
【題目 1】 圖中有 5 個事件：(甲)沈積 A 地層；(乙)沈積 B 地層；(丙)斷層 C；(丁)岩脈 D；(戊)侵蝕面 E。若在地層未翻轉的情況下，生成的先後順序為何？
【詳細解析】
步驟 1：應用疊置定律判斷沉積先後。
在下方先有 A 地層沈積，上方後有 B 地層沈積，故順序為 甲 →乙。
步驟 2：應用截切定律判斷岩脈與斷層。
D 岩脈貫穿並破壞了 A 與 B 地層，接著 C 斷層又斷開了 A、B 及 D 岩脈（根據截切定律，被破壞的較早發生），故接著是 丁→ 丙。
步驟 3：判斷侵蝕面。
最上方平整的侵蝕面 E 則是最後將上方結構修平的侵蝕作用，故最後為 戊。
正確排序：甲→乙 →丁→ 丙 →戊。
【題型二：碳-14 放射性同位素定年計算】
【題目 2】 下表為三種放射性同位素之半衰期時間表，右下圖為碳－14母、子元素隨時間含量變化趨勢（考慮純放射性母元素），甲、乙曲線為元素含量變化圖，依據此圖表回答第 1～4 題。
放射性同位素（母元素／子元素） | 半衰期（年） |
鈾－238／鉛－206 | 4.51×10⁹ |
鉀－40／氬－40 | 1.30×10⁸ |
碳－14／氮－14 | 5500 |
銣－87／鍶－87 | 4.88×10¹⁰ |
二、題目與解析
【第1 題】判斷母元素與子元素
圖中甲、乙曲線，同一時間下含量總和均固定為 1，甲、乙曲線各別代表之元素為下列何者？
選項 | (A) | (B) | (C) | (D) | (E) |
甲曲線 | 碳－14 | 碳－14 | 氮－14 | 氮－14 | 以上皆非 |
乙曲線 | 碳－14 | 氮－14 | 碳－14 | 氮－14 |
正確答案： (C)
解析：
放射性母元素會隨著時間逐漸衰變，因此含量會愈來愈少；衰變後形成的子元素則會逐漸累積，含量隨時間增加。
因此，遞增的甲曲線代表氮－14，遞減的乙曲線代表碳－14，答案為 (C)。
【第 2題】選擇適合的定年方法
依據上表若要測定長毛象化石年代，已知其長毛象化石年代約 2 萬至 5 萬年前，則使用何種同位素定年最適合？
(A) 鈾－238／鉛－206(B) 鉀－40／氬－40(C) 碳－14／氮－14(D) 銣－87／鍶－87(E) 以上都適合
正確答案： (C)
解析：
碳－14的半衰期為 5500 年，適合用來推估數萬年內生物遺骸的年代。長毛象化石的年代約為 2 萬至 5 萬年前，落在碳－14定年的適用範圍內，因此選擇碳－14／氮－14最合適。
【第 3題】利用半衰期計算地質年代
使用碳－14／氮－14 放射性同位素定年某礦物之絕對地質年代，若其中碳－14 與氮－14 含量比為 1：7，則關於此礦物的生成年代，下列敘述何者正確？
（碳－14 初始含量為 1，氮－14 初始含量為 0）
(A) 5500 年前(B) 11000 年前(C) 16500 年前(D) 22000 年前(E) 33000 年前
正確答案： (C)
解析：
碳－14與氮－14的含量比為 1：7，表示目前剩下的碳－14占原始總量的 1／8。
碳－14每經過一個半衰期，剩餘量就減少為原來的一半：
經過 1 個半衰期：剩餘 1／2
經過 2 個半衰期：剩餘 1／4
經過 3 個半衰期：剩餘 1／8
因此，經過 3 個半衰期。
5500 × 3 ＝ 16500 年
【第4題】利用剩餘比例計算年代
使用碳－14／氮－14 放射性同位素定年某礦物之絕對地質年代，若碳－14 初始含量為 1，已知某礦物中碳－14 含量衰變成 30%，則此礦物生成年代為下列何者？
(A) 9500 年前(B) 13000 年前(C) 4100 年前(D) 20000 年前(E) 30000 年前
正確答案： (A)
解析：
碳－14衰變後，剩餘含量為原始量的 30%，可利用半衰期公式估算經過的時間。
0.5ⁿ ＝ 0.3
n ＝ log₂(1／0.3) ≈ 1.74
經過時間：
5500 × 1.74 ≈ 9570 年
最接近的選項為 9500 年。
六、 莫斯利重點整理
均變說的核心精神： 地質學之父詹姆斯·赫登提出「均變說」，強調「今天是開啟過去的一把鑰匙」。意指現今在地球上發生的地質作用（如侵蝕、沈積、火山活動），過去也以相同的物理化學規律在發生，這是建立地質年代的基石。
相對定年 vs. 絕對定年的互補：
相對定年（如疊置定律、截切定律、化石對比）只能告訴我們事件發生的「先後順序」，無法得知確切年份。
絕對定年（如放射性同位素定年）利用母子元素衰變比例，能精算出具體的「絕對年齡」。
半衰期計算口訣： 每經過一個半衰期，母元素減半（1 →1/2 → 1/4→ 1/8 → 1/16...），而碳-14 定年法因半衰期較短（約 5500 年），最常應用於數萬年以內的考古與第四紀地質研究中。
