English Deutsch
Новости
Эксперты отвечают

О радиоуглеродном методе датирования. Часть 2

От Редактора: Булат Фаридович Хасанов, специалист по радиоуглеродному анализу, отвечает на вопросы наших Читателей.

olga_a (форум Paleo.ru)
:
Какой материал пригоден для радиоуглеродного анализа и какая должна быть навеска?

Методические основы радиоуглеродного датирования заключаются в том, что 14C образуется в верхних слоях атмосферы и сразу же включается в состав молекул углекислого газа. Следовательно, можно определить возраст только тех объектов, которые так или иначе связаны с атмосферным CO2. Прежде всего, это любые живые организмы. Растения и многие бактерии в процессе фотосинтеза строят из атмосферного углекислого газа сложные органические молекулы, которые служат основой жизни для всех прочих организмов. Это значит, что можно датировать собственно углерод любого живого существа. Следует, однако, учитывать, что за тысячелетия, прошедшие со времени захоронения данного образца когда-то живой материи, весь его углерод мог заместиться другими элементами или полностью разложиться. Это нередко происходит с древними обектами. Понятно, что в таких случаях датировка невозможна.

Биогенный углерод сохраняется в озёрных и болотных отложениях, в пещерах и речных наносах, в археологических памятниках, даже в пустынном загаре – тонкой плёнке, покрывающей поверхность камней. Возраст некоторых объектов неорганического мира также можно определить путём радиоуглеродного датирования. Один такой пример мы уже рассматривали в первой части, приведём ещё несколько. В образцах льда из антарктических и гренландских ледников содержатся пузырьки воздуха, захваченные в момент замерзания воды. Этот воздух соответствует составу атмосферы в момент образования льда. Сейчас активно проводятся разнообразные исследования газов из таких пузырьков. Они уже принесли много интересных результатов. Здесь же упомянем, что возраст некоторых образцов был успешно определён путём датирования углекислого газа. Таким же образом, т. е. измерением активности радиоуглерода CO2, можно определять возраст грунтовых и океанических вод. Это позволило реконструировать изменения количества осадков, выпадавших в Сахаре, исследовать скорость обмена углекислым газом между атмосферой и океаном и т. д.

Что касается навески, то конкретные рекомендации определяются, во-первых,  характером датируемого материала. Содержание углерода в различных биологических объектах сильно колеблется. Например, датировки древесины проводятся в основном по целлюлозе, а костных остатков по коллагену. При этом целлюлоза составляет около 40 % массы древесины, тогда как коллаген – около 20 % массы костей. Во-вторых, сохранность материала зависит от климатических факторов и условий захоронения объекта. Остатки растений и животных, обнаруженные в вечной мерзлоте или в насыщенных водой отложениях, содержат гораздо больше углерода, чем сходные объекты из, скажем, почв средней полосы России. Наконец, в каждой лаборатории свои требования к количеству датируемого материала, так как используемые приборы разные. Из всего сказанного следует, что невозможно кратко описать методику сбора образцов, пригодную для всех случаев. Лучше всего получить рекомендации, адаптированные к условиям конкретной задачи, от сотрудников лаборатории, в которой планируется провести датирование. Общие принципы сбора образцов для радиоуглеродного датирования можно найти во многих публикациях. Из сетевых ресурсов укажем на методическое пособие Алексея Алексеевича Тишкина, размещённое на сайте исторического факультета Алтайского государственного университета по адресу http://www.hist.asu.ru/metod/arch/t1.html.

olga_a: Сколько образцов нужно для валидного анализа?

Радиоуглеродная датировка сама по себе есть вероятностная оценка возраста образца. Результат, который мы получаем из лаборатории, может выглядеть, например, так: 1000 ± 50 лет назад. Это значит, что с вероятностью 67 % радиоуглеродный возраст данного образца составляет от 1050 до 950 лет, с вероятностью 95 % – от 1100 до 900 лет, а с вероятностью 99 % – от 1150 до 850 лет. Выбор уровня достоверности определяется условиями конкретной задачи, т. е. относится уже к сфере интерпретации результатов. Однако следует помнить, что никакой естественнонаучный метод не застрахован от ошибок, и, следовательно, нельзя полностью исключить возможность того, что какие-то измерения возраста окажутся неверными. Проще всего, казалось бы, сделать ещё одну датировку того же материала. Для иллюстрации возникающих при этом сложностей приведу такой пример. Одна из сфер применения радиоуглеродного датирования – реконструкция условий природной среды по данным изучения озёрных или болотных отложений. Определение остатков растений и животных, химический, минералогический и многие другие типы анализов позволяют исследовать изменения климата, растительности и животного мира в окрестностях данного водоёма за время формирования донных осадков. Для этого из озёрных и болотных отложений с помощью специального оборудования отбираются колонки образцов, которые исследуются всеми этими весьма трудоёмкими методами. Очевидно, что полученные результаты должны опираться на абсолютную хронологию, т. е. без радиоуглеродного датирования не обойтись. Но размер колонки ограничен, и учёный вынужден искать компромиссное решение – какое-то количество материала оставить для датирования, а какое-то использовать для других типов анализа, ради которых, собственно, весь проект и затевался! В итоге, наилучшей стратегией оказывается та, в рамках которой проводят единичные датировки отдельных слоёв.

Для верификации результатов таких единичных датировок строят модель роста отложения, которая основана на предположении, что вышележащие слои сформировались не раньше нижележащих. Разработан математический аппарат, позволяющий формализовать это предположение и определить погрешность вычислений, а также оценить, выпадают ли отдельные датировки из общего ряда или нет. Конечно, адекватную модель роста отложения можно построить только на достаточно большом количестве измерений возраста. Есть оценки (Telford et al., 2004), по которым их должно быть не меньше 20 для отложений, формировавшихся в течение 10 тысяч лет.

С ограниченностью доступного для датирования материала исследователь сталкивается в большом числе случаев. При этом нельзя упускать из вида, что радиоуглеродное датирование связано с деструкцией объектов, часто существующих в единственном числе, и было бы расточительно игнорировать единичные датировки уникальных материалов. В то же время, мы должны помнить, что научное знание опирается на воспроизводимость результатов. Это заставляет искать методы верификации результатов единичных датировок, адаптированные к условиям конкретной задачи. В тех же случаях, в которых есть возможность проведения повторного анализа, выбор объектов и число датировок определяются контекстом исследования. Так или иначе, отбор образцов для датирования и интерпретация результатов – это такая же важная часть работы археолога, антрополога или специалиста другого профиля, как и анализ собственных материалов.

olga_a: Каков сейчас предельный возраст для радиоуглеродного метода?

В первой части упоминалось, что есть два принципиально различных метода радиоуглеродного датирования. Можно либо измерять радиоактивность 14C в образцах с помощью разнообразно устроенных счётчиков, либо непосредственно определять содержание этого изотопа на ускорительном масс-спектрометре (УМС). Предельный возраст образцов в первом случае обусловлен характеристиками используемой установки – начиная с некоторого значения, активность образца уже достоверно не отличается от фонового излучения. Как бы мы ни защищали счётчики слоями свинца или других металлов, некоторая доля излучения, космического и земного происхождения, всё равно достигает установки. Предельный возраст датировки в каждой лаборатории свой, но нигде не превосходит приблизительно 50 тысяч лет. Теоретический предел любого радиометрического метода составляет 13 периодов полураспада данного изотопа, т. е. около 70 тысяч лет для 14C. В образцах, образовавшихся раньше этого времени, радиоуглерода уже практически нет. Изобретение УМС породило надежды увеличить предельный возраст до его теоретического значения, и работы в этом направлении активно ведутся. Проблема, однако, в том, что в реальных образцах всегда присутствует загрязнение посторонним углеродом. Разнообразные методы очистки, применяющиеся в современных лабораториях, позволяют снизить уровень загрязнения до значений, пренебрежимо малых, когда речь идёт о возрасте меньшем, чем 50 тысяч лет. Но для образцов большего возраста проблема очистки всё ещё окончательно не решена, поэтому, за редкими исключениями, и на УМС предельный возраст радиоуглеродных датировок пока не превышает 50 тысяч лет.

olga_a: Какие поправки нужно вводить для разных отрезков времени и разных регионов?

Прежде всего, обязательно должно учитываться влияние фракционирования изотопов углерода разной массы. Дело в том, что в ходе многих процессов происходит некоторое обогащение или обеднение тяжёлыми изотопами. Так, в процессе фотосинтеза предпочтительнее фиксируется углекислый газ, в состав которого входит 12C, а образующиеся органические соединения оказываются по своему изотопному составу несколько легче, чем атмосферный CO2. Напротив, углекислый газ, растворённый в воде морей и океанов, в среднем тяжелее атмосферного (величина этого сдвига зависит от температуры воды), поэтому водоросли, использующие для фотосинтеза растворённый CO2, обогащены тяжёлыми изотопами углерода по сравнению с наземными растениями. Из-за очень малых абсолютных величин удобно приводить эти отклонения в виде разницы между содержанием данного изотопа в образце и в некотором стандарте и измерять в тысячных долях (промилле). Непосредственно судить о величине изотопного фракционирования радиоуглерода невозможно, так как он подвержен распаду, но на наше счастье есть ещё один изотоп углерода, 13C, который стабилен и фракционируется в том же направлении. Измерения его содержания дают возможность вводить необходимые поправки.

Вернёмся к фотосинтезу. Как часто бывает в биологии, всё не так просто. Существует несколько биохимических путей, в ходе которых синтезируются органические вещества из углекислого газа. Большая часть растений следует по так называемому C3-пути и имеет содержание 13C близкое к -25 ‰ (отрицательное значение говорит о том, что количество этого изотопа в C3-растениях меньше, чем в стандарте). Однако некоторые, преимущественно тропические и пустынные виды, осуществляют фотосинтез другими путями (C4-путь или CAM-путь), в ходе которых обеднение тяжёлыми изотопами углерода происходит в меньшей степени. Содержание 13C лежит у них в интервале от -15 ‰ до -10 ‰. Примерами таких растений являются папирус, сахарный тростник и кукуруза. Как правило, поправка на изотопное фракционирование вводится ещё в радиоуглеродной лаборатории. В англоязычной литературе такие скорректированные даты называются conventional dates. Указанием на то, что поправка сделана, может быть и сообщение о содержании 13C в образце. Однако при работе с ранее опубликованными датами полезно представлять себе масштаб такой коррекции. Отклонению в 1 ‰ от характерного для большинства растений значения содержания 13C -25 ‰ соответствует изменение возраста примерно на 16 лет. Так, радиоуглеродный возраст папируса, содержание 13C которого -15 ‰, должен быть уменьшен примерно на 160 лет.
Изотопный состав углерода животных определяется составом их диеты, в которую могут входить растения с разным содержанием 13C. Кроме этого, некоторое (около 5 ‰) обогащение тяжёлыми изотопами происходит при образовании коллагена костей. У водных организмов обогащение тяжёлыми изотопами углерода происходит в результате фракционирования углекислого газа при растворении в воде. Всё это говорит о том, что каждая радиоуглеродная датировка должна сопровождаться измерением содержания 13C для введения соответствующей поправки. Помимо неё обязательно должна вводиться коррекция на изменение содержания 14C в атмосфере. Эта процедура известна как калибровка и более подробно рассмотрена в первой части. Здесь укажем, что величина этой поправки зависит от возраста датируемого объекта, но одинакова для образцов из разных регионов. Определение её величины требует довольно громоздких расчётов, которые целесообразно проводить в специальных компьютерных программах. Наиболее известны из них OxCal (http://c14.arch.ox.ac.uk/embed.php?File=oxcal.html), Calib 14C (http://calib.qub.ac.uk/calib/) и CalPal (http://www.calpal-online.de/).

Мы рассмотрели поправки, обязательные для всех случаев применения радиоуглеродного анализа, однако есть материалы, требующие дополнительной коррекции. Это организмы, обитающие в водной среде. Рассмотрим сначала датирование морских растений и животных, частично уже разбиравшееся в первой части. Из-за особенностей круговорота углерода в океанах морские организмы имеют так называемый мнимый возраст, т. е. оказываются на несколько сотен лет старше, чем они есть в действительности. Это явление получило название эффекта резервуара (reservoir-effect). Некоторая поддающаяся моделированию составляющая этого мнимого возраста учитывается в процессе калибровки при выборе специально разработанной морской калибровочной кривой. Отметим, что в настоящее время используются две морские кривые, отдельно для северного и южного полушарий – так велика разница в углеродном обмене между ними! Однако помимо глобальной составляющей морской коррекции есть и региональная, обусловленная особенностями локальных условий. Эта величина обозначается как ΔR и измеряется либо посредством параллельных датировок наземных и морских организмов, происходящих из одного контекста, либо с помощью датирования коллекционных объектов с известной датой сбора. В качестве последних чаще всего используются раковины моллюсков. К настоящему времени таких датировок произведено довольно много, а их результаты собраны в базу данных, доступную по адресу http://calib.qub.ac.uk/marine/. Эти-то региональные поправки и следует использовать при калибровке морских организмов. До сих пор неясным остаётся вопрос, как изменяется величина ΔR во времени. Пока, в первом приближении, её считают постоянной.

В пресных водоёмах дело обстоит ещё сложнее. Грунтовые воды, питающие данную реку или озеро, содержат углекислый газ, имеющий сложное происхождение. Часть его поступает из атмосферы, а часть получается в результате растворения карбонатов пород, слагающих ложе водоёма. Этот последний совсем не содержит радиоуглерода, так как возраст карбонатных пород составляет миллионы лет. Таким образом, организмы, обитающие в пресных водах, могут быть значительно обеднены 14C и иметь значительный мнимый возраст. Его величина определяется геологическим строением бассейна и гидрологическими характеристиками территории. Так, например, радиоуглеродная датировка судака, пойманного в озере Tissø (Дания), показала, что эта рыба жила 505 ± 35 лет назад! Это явление получило название эффекта жёсткой воды. К сожалению, наличие или отсутствие такого эффекта можно установить только путём изучения данного водоёма, никаких баз данных пока не существует.

Антон (из письма в Редакцию): Сейчас много пишут про метод радиоуглеродного анализа "с ультрафильтрацией", который, вроде бы, позволил уточнить (и удревнить) датировки ряда неандертальских находок. Вы можете об этом рассказать?

Метод ультрафильтрации применяется в ходе радиоуглеродного датирования костных остатков. Кость состоит из волокон белка (коллагена), погружённых в неорганический матрикс. Датировки проводят по белковой составляющей. Пока кость в течение тысяч лет ждёт своего исследователя, коллаген постепенно разрушается и распадается на фрагменты разного размера. Одновременно в костной ткани накапливается посторонний углерод, например гуминовые кислоты, поступающие из почвы. Оказалось, что мелкие частицы коллагена труднее очистить от чужеродного углерода, чем более крупные. Поэтому в последнее время для УМС датировок костей используют только крупную, более чистую фракцию белка. Её как раз и получают в процессе ультрафильтрации. Если кость была сильно загрязнена посторонним углеродом, то различия между датировками по коллагену в целом и только по крупной фракции могут быть довольно большими. Например, в радиоуглеродной лаборатории Оксфорда, где и был впервые опробован этот метод, одна и та же кость шерстистого носорога показала возраст 42 700 ± 2200 в первом случае и 52 500 ± 2800 во втором (Higham et al., 2006). Безусловно, широкое введение в практику радиоуглеродного датирования метода ультрафильтрации в недалёком будущем позволит уточнить хронологию позднего плейстоцена.

Ярослав Смирнов (форум Paleo.ru): Где можно посмотреть таблички содержания 14C в XX-ом - начале XXI-го века, и соответственно, до 50 тыс. лет назад?

Эти материалы находятся в свободном доступе в Интернете. Результаты изучения содержания радиоуглерода в атмосфере за последние 50 тысяч лет обобщены в статье Reimer с соавторами (2009), опубликованной в журнале Radiocarbon (51, 4). В дополнительных материалах к этой статье приведены сами данные (http://www.radiocarbon.org/IntCal09.htm). Они представлены в виде отклонения концентрации 14C в данный год от принятого в радиоуглеродных исследованиях стандарта. Эта величина обозначается как Δ14C и измеряется в тысячных долях (промилле). Там же приведены результаты перевода значений Δ14C в соответствующую поправку, выраженную в годах. Собственно, этот файл представляет собой основу последней версии калибровочной кривой. Предыдущие её версии также доступны (http://c14.arch.ox.ac.uk/embed.php?File=calibration.html#curves). Аналогичные данные для периода с 1950 года по настоящее время доступны на сайте «A compendium of data on global change» по адресу http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/contents.htm

olga_a: Какие лаборатории в СНГ делают радиоуглеродный анализ?

Могу сказать о ситуации в России. К великому сожалению, в настоящее время в России работает всего несколько лабораторий, проводящих радиоуглеродные датировки: три в Санкт-Петербурге, три в Москве и одна в Новосибирске. В Санкт-Петербурге это лаборатория археологической технологии (Институт истории материальной культуры РАН), лаборатория, базирующаяся в отделе эволюционной географии и геохронологии Санкт-Петербургского государственного университета, и лаборатория геохимии окружающей среды им. А. Е. Ферсмана (Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена). В Москве радиоуглеродный анализ проводят в лаборатории геохимии изотопов и геохронологии (Геологический институт РАН), в лаборатории географии и эволюции почв (Институт географии РАН) и в лаборатории биогеоценологии и исторической экологии им. В. Н. Сукачёва (Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН). Наконец, в Новосибирске усилиями трёх институтов Сибирского Отделения РАН (Институт археологии и этнографии, Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера и Институт геологии и минералогии им В. С. Соболева) создан центр коллективного пользования «Геохронология кайнозоя», где, кстати сказать, создана первая и пока единственная в стране установка для ускорительной масс-спектрометрии.

Назад: О радиоуглеродном методе датирования. Часть 1

Интересно

"Нам кажется, что природа любит человека больше, чем капусту, потому что это льстит нашему воображению".

Сирано де Бержерак

Catalog gominid Antropogenez.RU