Радиоуглеродное датирование
(период от 40 000 лет назад до 1500 года н. э.)
В 1949 году ученый из Университета Чикаго Уиллард Либби (Willard Libby, 1955) произвел революцию в археологии, изобретя метод радиоуглеродного датирования дерева, кости и других органических материалов возрастом до 40 000 лет. Изобретение Либби явилось прямым продолжением разработки атомной бомбы во время Второй мировой войны. Сначала он опробовал свой метод на органических объектах, возраст которых был известен, например на египетских мумиях, но вскоре он начал производить датировку археологических памятников, которые были заселены на тысячи лет раньше. Сегодня радиоуглеродное датирование, основанное на применении ускорительной масс-спектрометрии (УМС) радиоуглерода, позволяет определять возраст таких маленьких объектов, как крупинка угля внутри патрона инструмента или отдельное зернышко на древней ферме (Гоулетт — Gowlett, 1987; Тэйлор — Taylor et al., 1992). Благодаря радиоуглеродному датированию мы знаем, что земледелие сначала появилось в Юго-Западной Азии приблизительно в 8800 (некалиброванных) годах до н. э., и в качестве доказательства у нас есть датированные зерна.
Калибровки, основанные на годичных кольцах, кораллах и таких геологических явлениях, как айсберги, преобразуют эти радиоуглеродные года в календарные хронологии, для земледелия это 10 000 лет до н. э.
Радиоуглеродное датирование является самым широко используемым методом датирования прошлого периода от 40 000 лет назад до 1500 года н. э. и позволяет получить глобальное радиоуглеродное датирование всемирной предыстории и позднего ледникового периода. С его помощью мы можем измерить скорости изменений культур в разных регионах мира и сравнить хронологию таких основополагающих событий, как возникновение земледелия или появление городских цивилизаций в далеко расположенных друг от друга районах (Смит — B. D. Smith, 1992). Принципы радиоуглеродного датирования обсуждаются в разделе «Практика археологии».
ПРАКТИКА АРХЕОЛОГИИ
ПРИНЦИПЫ ДЕНДРОХРОНОЛОГИИ
Как правило, каждый год деревья дают кольца роста, образуемые камбием (слоем растущих клеток), находящимся между древесиной и корой. Когда начинается сезон роста, большие клетки добавляются к древесине. Эти клетки образуют более толстые стенки и становятся меньше по мере продолжения сезона роста; к концу сезона роста образование клеток вообще прекращается. Такой процесс происходит каждый год, и между древесиной предыдущего сезона, с ее маленькими клетками, и древесиной следующего, с большими клетками, образуется отчетливая линия. Толщина колец может различаться в зависимости от возраста дерева и ежегодных климатических изменений; широкие кольца говорят о хороших годах роста.
Изменения погоды в пределах описываемых областей имеют тенденцию к цикличности. За влажным десятилетием может последовать 50 лет засухи. Всего лишь один сезон может положить конец рекордному сорокалетнему дождливому периоду. Такая цикличность климата отражается в более широких или тонких годичных кольцах, которые повторяются на древесине в пределах ограниченной области. Ученые-дендрохронологи разработали сложные методы корреляции колец разных деревьев таким образом, что можно строить длинные сводные шкалы колец по ряду стволов, и эти последовательности могут охватывать много столетий.
Обычно образцы берутся посредством нарезки полного сечения из старого бревна, находящегося вне строения, с помощью специального бура для получения образцов из бревен, находящихся в строении, или посредством V-образного распила особенно больших бревен. Тонкие или хрупкие образцы перед изучением пропитываются парафином или покрываются шеллаком.
В лаборатории поверхность образца выравнивается до идеальной плоскости. Анализ колец деревьев состоит в записи индивидуальных серий колец и в последующем сравнении их с другими сериями. Сравнение можно проводить на глаз или посредством вычерчивания графика ширины колец в стандартном масштабе таким образом, чтобы одну серию можно было сравнить с другой. Построенные таким образом серии затем можно компьютерным образом сравнить с общей дендрохронологической шкалой данного региона (рис. 7.13).
Рис. 7.13. Построение древесно-кольцевой хронологии. А — шурф, взятый из живого дерева после сезона роста в 1939 году; B-J — образцы, взятые из старых домов и последовательно более старых руин. Источник: Брозуелл Д. Р. и Хиггз Э. Наука в археологии. Adapted from D. R. Brothwell and Eric Higgs, eds. Science in Archaeology. London: Thames and Hudson, 1961
Когда Либби первоначально сформулировал радиоуглеродный метод, то он сделал ложное предположение. Он утверждал, что концентрация радиоуглерода в атмосфере остается постоянной во времени, то есть доисторический объекты, будь они живы, содержали бы такое же количество радиоуглерода, что и живые объекты сегодня. Однако изменения силы магнитного поля земли и варьирование солнечной активности в значительной степени влияют на концентрацию радиоуглерода в атмосфере и в живых объектах. Например, 6000 лет назад образцы подвергались действию большей концентрации радиоуглерода, чем живые организмы сегодня. К счастью, радиоуглеродные даты периода от 10 000 лет назад до 1950 года н. э. возможно откорректировать посредством точных дат, полученных в результате датирования по годовым кольцам (Stuiver and others, 1998). Расхождение между углеродными и калиброванными датами может быть значительным. Вот пример: радиоуглеродный возраст в 1007 лет до н. э. соответствует калиброванной дате 1267 года до н. э. (стандартные отклонения здесь опускаются) (см. рис. 7.14).
Рис. 7.14. Калибровочная таблица для радиоуглеродных дат
Более ранние даты до сих пор остаются некалиброванными, хотя недавно ученые использовали новую высокоточную методику, основанную на разложении урана в торий, для датировки окаменевших кораллов возле острова Барбадос в Карибском море и других отложений в южной части Тихого океана (Струвер и другие — Stuiver and others, 1998). Они сравнили эти данные с результатами радиоуглеродного метода и пришли к выводу, что радиоуглеродные даты между 10 000 и 25 000 лет назад могут быть на 3500 лет меньше. Новые исследования кораллов в соединении с данными по кернам льда и по образцам из океанических глубин начинают давать калибровку для радиоуглеродных возрастов в 25 000 лет назад, удревняя их до 28 000 лет в калиброванных датах.
На заре радиоуглеродного датирования для определения одной даты требовалась горсть угля или другого органического материала. Сегодня ускорительная масс-спектрометрия позволяет производить радиоуглеродное датирование непосредственным подсчетом атомов углерода-14 (рис. 7.15). При ускорительном датировании различаются углерод-14 и углерод-12 и другие изотопы по их массе и энергетическим характеристикам, при этом требуются мельчайшие органические образцы, такие как зерно. Требуемые для датировки объекты могут быть настолько малы, что становится возможным датировать, например, отдельное годовое кольцо, фрагмент растения или артефакт. Такая технология дала возможность археологам Брюсу Смиту и Эндрю Муру (Bruce Smith, 1992 and Andrew Moore, 2000) датировать отдельные початки маиса и фрагменты зерна пшеницы, что, конечно, даст более точные даты возникновения земледелия, чем образцы, отражающие весь слой заселения.
Рис. 7.15. Датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии дая радиоуглерода. Сначала ионизированные атомы углерода из образца отправляются в виде пучка в ускоритель. Когда пучок проходит через первый отклоняющий магнит, то более легкие атомы поворачиваются резче, чем тяжелые. Они движутся к внутренней части расходящегося пучка, где фильтр блокирует дальнейшее движение всех заряженных частиц, за исключением тех, чья атомная масса равняется 14. Когда пучок входит в ускоритель, от него отделяются все молекулы с массой 14, которые могут быть неразличимы от атомов углерода-14. Ускоритель разгоняет оставшиеся ионы через второй отклоняющий магнит, еще раз отфильтровывая неуглеродные-14 частицы. Прежде чем достичь чрезвычайно чувствительного детектора, подсчитывающего количество оставшихся ионов, пучок вновь фокусируется. Источник: Брюс Смит. Возникновение земледелия. Bruce Smith, The Emergence of Agriculture. © Bruce D. Smith
Радиоуглеродные даты имеют свои пределы — около 40 000 лет, а это означает, что они пригодны для датирования всех важных событий позднего ледникового периода и более современных времен. Более раннюю предысторию датировать намного труднее, потому что для тех значительных временных периодов, превосходящих ледниковую эпоху, пока отсутствуют надежные методы датирования. Калий-аргоновый метод датирования (от древнейших времен до 50 000 лет назад)
Единственным практически осуществимым методом хронометрической датировки древнейших археологических памятников является калий-аргоновый метод (Дэлримпл и Лэмфер — Dalrymple and Lamphere, 1970). Геологи используют этот радиоактивный метод для датирования возраста земли по породам возрастом от 50 0000 до 2 миллиардов лет.
К счастью, многие древние поселения в Старом Свете находятся в вулканических областях, где в изобилии имеются такие отложения, как потоки лавы и вулканический туф. Первой археологической датой, полученной с помощью этого метода, является ущелье Олдувай в Танзании, где Луис и Мэри Лики в озерном ложе неизвестного возраста обнаружили целый череп австралопитека (Australopithecus boisei), каменные инструменты, кости животных. Образцы лавы из этого памятника были датированы приблизительным возрастом в 1,75 миллиона лет, тем самым была удвоена предполагаемая тогда дата появления первых людей (Tobias, 1971). Каменные отщепы и рубящие инструменты, несомненно сделанные человеком, были найдены в Кооби Фора в Северной Кении, калийная датировка определила возраст этих самых древних человеческих артефактов в 2,6 миллиона лет. Еще более ранней датой приблизительно в 4,5 миллиона лет с помощью того же метода были датированы окаменелости Australopithecus в Арамисе возле Хадара в Эфиопии. Группа ученых из Беркли с помощью нового метода лазерного ядерного синтеза (Суишер и другие — Swisher and others, 1994) датировали слои со следами Homo erectus в Моджокерто в Юго-Восточной Азии в 1,8 миллиона лет. Принципы калий-аргонового метода датировки и методики лазерного ядерного синтеза обсуждаются в соответствующей вставке.
ПРАКТИКА АРХЕОЛОГИИ
ПРИНЦИПЫ РАДИОУГЛЕРОДНОГО ДАТИРОВАНИЯ
Метод радиоуглеродного датирования основан на том факте, что космическое излучение порождает нейтроны, которые достигают земной атмосферы и вступают в реакцию с азотом. В результате получается углерод-14, изотоп углерода, в ядре которого находится не 6 нейтронов, как обычно, а 8. Из-за этих дополнительных нейтронов ядро становится нестабильным и подвергается постепенному радиоактивному распаду. Вильярд Либб подсчитал, что потребуется 5568 лет для того, чтобы половина углерода-14 распалась в любом объекте, это так называемый период полураспада. Это период сейчас подсчитан более точно и равняется 5730 годам. Либби обнаружил, что нейтроны испускают радиоактивные частицы, когда покидают ядро, и нашел способ для подсчета эмиссий на грамм углерода.
Считается, что с химической точки зрения углерод-14 ведет себя точно так же, как обычный углерод, и вместе с обычным углеродом он входит в реакцию с углекислым газом атмосферы. Скорость процесса соответствует скорости поступления и распада. Так как растительность строит свое собственное органическое вещество посредством фотосинтеза и использования атмосферной двуокиси углерода, то количество радиоуглерода в ней равняется имеющемуся в атмосфере. После того как организм умирает, радиоуглерод больше не участвует в процессе. Радиоуглерод, имеющийся в мертвом организме, продолжает медленно разрушаться, и спустя 5730 лет его останется только половина от первоначального количества, а через 11 000 лет — только четверть, и так далее. Таким образом, если измерить скорость распада углерода по сравнению с азотом, то можно получить представление о возрасте объекта. Первоначальное количество радиоуглерода в объекте настолько мало, что скоро достигается предел возможности обнаружить его. Объекты возрастом более 50 000 лет содержат совсем маленькие количества углерода-14.
Данные, полученные в лаборатории радиоуглеродного датирования для определенного образца, будут иметь такой вид: 3621+180 радиоуглеродных лет до настоящего времени. Цифра 3621 является возможным статистическим возрастом образца (в радиоуглеродных годах) до настоящего времени (за настоящее время принимается 1950 год н. э.). Отметим, что показания даются в радиоуглеродных, а не календарных годах. Для перевода показаний в хронометрическую дату требуются коррекция по годичным кольцам деревьев.
В радиоуглеродном возрасте присутствует дополнение «+180». Это стандартное отклонение, оценка возможной ошибки. Цифра в 180 лет является оценкой 360-летнего диапазона, в котором может находиться дата. В соответствии со статистической теорией имеется два шанса из трех, что корректная дата будет находиться в пределах промежутка одного стандартного отклонения (3441 и 3801). Если мы удвоим отклонение, то будет 19 шансов из 20, что промежуток (3261 и 3981) корректен. Большинство дат, приводимых в этой книге, получены в результате радиоуглеродного датирования и должны восприниматься именно тем, чем они являются на самом деле, — статистическими приближениями.
