eng
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ
1
ВВЕДЕНИЕ
1.1
Терминология: возраст и дата
1.2
Естественная радиоактивность - физическая основа датирования.
1.3
Погрешности: разрешение и точность
1.4
Классификация четвертичного периода
2
МАТЕРИАЛЫ
2.1
Вулканические породы
2.1.1
Базальты
2.1.2
Обсидиановые потоки
2.1.3
Тефра
2.1.4
Ксенолиты и обожженные (прокаленные) контакты
2.1.5
Сульфиды полиметаллов
2.2
Импактиты
2.2.1
Тектиты
2.2.2
Импактные стекла
2.2.3
Эжектиты
2.3
Разломные брекчии и псевдотахилиты
2.4
Фульгуриты
2.5
Осадочные породы
2.5.1
Лессы
2.5.2
Пески (эоловые)
2.5.3
Пески (акватические)
2.5.4
Аллювий
2.5.5
Коллювий и делювий
2.5.6
Озерные отложения
2.5.7
Ледниковые отложения
2.5.8
Археологические отложения
2.5.9
Известковые отложения пещер
2.5.10
Травертины
2.5.11
Глубоководные осадки
2.5.12
Морские фосфориты
2.6
Продукты выветривания
2.6.1
Почвы
2.6.2
Каличе и калькрет
2.6.3
Пустынный загар
2.6.4
Корки выветривания и патина
2.6.5
Фронты диффузии
2.7
Неорганические артефакты
2.7.1
Каменные артефакты (общие замечания)
2.7.2
Кремень и кремнистый сланец (Silex)
2.7.3
Обсидиан
2.7.4
Тектитовые стекла
2.7.5
Петроглифы
2.7.6
Строительный раствор
2.7.7
Керамика и кирпичи
2.7.8
Печи, обожженная почва и камни
2.7.9
Искусственные стекла
2.7.10
Витрифицированные форты
2.7.11
Металлургические шлаки
2.7.12
Свинцовые краски и сплавы
2.8
Растительные остатки
2.8.1
Древесина
2.8.2
Древесный уголь
2.8.3
Семена и зерна
2.8.4
Пыльца и споры
2.8.5
Фитолиты
2.8.6
Бумага и текстильные остатки
2.8.7
Торф и сапропель
2.8.8
Органические остатки в сосудах, на каменных орудиях и наскальных рисунках
2.8.9
Вино
2.8.10
Диатомовые водоросли
2.9
Животные остатки
2.9.1
Кости и рога
2.9.2
Зубы
2.9.3
Кораллы
2.9.4
Фораминиферы
2.9.5
Раковины моллюсков
2.9.6
Яичная скорлупа
2.10
Вода и лед
2.10.1
Океаническая вода
2.10.2
Подземные воды
2.10.3
Ледниковый лед
3.
БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ РАДИОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
3.1
Калий-аргоновый метод
3.1.1
Методологическая основа (метод Кассиньоля, аргон-аргоновый метод, лазерный метод,
аргон-аргоновый изохронный метод)
3.1.2
Практические аспекты
3.1.3
Применения (базальт, тефра и туфф, обсидиан, тектиты и импактные стекла)
3.2
Уран-гелиевый метод
3.2.1
Медодологическая основа
3.2.2
Практические аспекты
3.2.3
Применения (кораллы, моллюски, кости, базальт)
4.
УРАНОВЫЕ РЯДЫ
(Радиоактивное равновесие, неравновесие как часы, техника детектирования,
термо-ионизационная масс-спектрометрия, гамма спектрометрия)
4.1
Методы
4.1.1
Торий-230/уран-234
4.1.2
Урановые тренды
4.1.3
Протактиний-231/уран -235
4.1.4
Уран-234/уран-238
4.1.5
Избыточный торий-230 (ионий) и протактиний-231
4.1.6
Свинец-210
4.1.7
Радий-226
4.1.8
Торий-228, радий 228
4.1.9.
Свинец-206,-207,-208/уран, торий
4.2
Практические аспекты
4.3
Применения (глубоководные осадки, кораллы, морские фосфориты вторичные карбонаты.
озерные карбонаты, каличе и калькрет, раковины моллюсков, кости и зубы,
торф, отложения озер и эстуариев, вулканиты, разломы, сульфиды полиметаллов,
свинцовые красители и сплавы)
5.
КОСМОГЕННЫЕ НУКЛИДЫ
(образование в атмосфере, образование in situ, ускорительная масс-спектрометрия)
5.1
Тритий (Водород-3)
5.1.1
Методологическая основа (3H-3He метод)
5.1.2
Практические аспекты
5.1.3
Применения (вода, снег, вино)
5.2
Гелий-3
5.2.1
Методологическая основа (3H-3He метод)
5.2.2
Практические аспекты
5.2.3
Применения (базальты, морены)
5.3
Бериллий-10
5.3.1
Методологическая основа (3H-3He метод)
5.3.2
Практические аспекты
5.3.3
Применения (почвы, озерные и флювиальные осадки, лёссы, глубоководные осадки, вулканиты, ледовые керны, кварц-содержащие породы)
5.4
Радиоуглерод ( 14C)
5.4.1
Методологическая основа (модель Либби, временные вариации начального содержания радиоуглерода, пространственные вариации начального содержания радиоуглерода, конвенциональный 14C возраст, калиброваный 14C возраст, загрязнение, максимальный возраст)
5.4.2
Практические аспекты
5.4.3
Применения (древесина и древесный уголь, семена и зерна, пыльца и споры, фитолиты, торф и сапропель, бумага и ткани, кости и рога, почвы, озерные осадки, натечные известковые пещерные образования и травертин, раковины моллюсков, скорлупа яиц, кораллы и фораминиферы, пустынный загар, строительный раствор, каменные орудия и наскальная живопись, керамика, металлургический шлак, грунтовые воды, керны льда)
5.5
Неон-21
5.5.1
Методологическая основа
5.5.2
Практические аспекты
5.5.3
Применения (базальты, морены)
5.6
Алюминий-26
5.6.1
Методологическая основа
5.6.2
Практические аспекты
5.6.3
Применения (глубоковолные осадки, кварц-содержащие породы)
5.7
Кремний-32
5.7.1
Методологическая основа
5.7.2
Практические аспекты
5.7.3
Применения (ледники, грунтовые воды, глубоководные осадки)
5.8
Хлор-36
5.8.1
Методологическая основа
5.8.2
Практические аспекты
5.8.3
Применения (морены, лавовые потоки, импактиты, ледовые керны, грунтовые воды, эвапориты)
5.9
Аргон-39
5.9.1
Методологическая основа
5.9.2
Практические аспекты
5.9.3
Применения (ледники, океанические воды, грунтовые воды)
5.10
Кальций-41
5.10.1
Методологическая основа
5.10.2
Практические аспекты
5.10.3
Применения (кости, пещерные натечные образования и кальциево-карбонатные конкреции)
5.11
Криптон-81
5.11.1
Медодологическая основа
5.11.2
Практические аспекты
5.11.3
Применения (ледники, грунтовые воды)
6.
ТРЕКИ ЧАСТИЦ
(возраст накопления треков)
6.1
Треки деления
6.1.1
Методологическая основа (возраст по трекам деления, отжиг треков)
6.1.2
Практические аспекты
6.1.3
Применения (базальт, вулканические стекла, тефра, глубоководные вулканиты, импактные стекла,
псевдотахилиты, нагретые обсидиановые артефакты и камни, искусственные стекла)
6.2
Треки альфа частиц (ядер отдачи)
6.2.1
Методологическая основа
6.2.2
Практические аспекты
6.2.3
Применения (керамика, вулканиты)
7.
РАДИАЦИОННАЯ ДОЗИМЕТРИЯ
(радиационные нарушения, естественная доза, переустановка, затухание, мощность дозы, оценка мощности дозы)
7.1
Термолюминесценция
7.1.1
Методологическая основа (явление ТЛ, термическая и оптическая стабильность, естественная доза,
фракции размерности, определение возраста)
7.1.2
Практические аспекты
7.1.3
Приложния (керамика и обожженная глина, обожженные кремни и камни,
витрифицированные фортификационные сооружения, искусственные стекла, шлаки, вулканиты, импактиты,
псевдотахилиты и разломные брекчии, фульгуриты, лёсс, песок дюнный песок, акватический песок,
карбонаты, коллювиальные и аллювиальные алевриты, археологические отложения, фитолиты)
7.2
Оптически стимулируемая люминесценция
7.2.1
Методологическая основа (явление ОСЛ, термическая и оптическая стабильность, оценка качества данных)
7.2.2
Практические аспекты
7.2.3
Применения (дюны, лёсс, акватический песок, коллювиальные и аллювиальные алевриты,
археологические отложения, осиные гнезда, тефра, керамика)
7.
3 Электронный спиновый резонанс
7.3.1
Методологическая основа (явление ЭСР, естественная доза, стабильность, мощность дозы, определение возраста)
7.3.2
Практические аспекты
7.3.3
Применения (известковые отложения пещер, травертин, раковины моллюсков, зубы и кости,
глубоководные отложения, кораллы, кластические осадки, кремни, милонит, вулканиты)
8.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
(кинетика реакции, диффузия)
8.1
Каймы выветривания
8.1.1
Методические основа
8.1.2
Практические аспекты
8.1.3
Применения (кремнистые артефакты, ледниковые обломки)
8.2
Гидратация
8.2.1
Методологическая основа
8.2.2
Практические аспекты
8.2.3
Применения (обсидиан, искусственные стекла)
8.3
Подсчет числа прослоев стекла
8.3.1
Методологическая основа
8.3.2
Практические аспекты
8.3.3
Применения (искусственные стекла)
8.4
Диффузия фтора
8.4.1
Методологические аспекты
8.4.2
Практические аспекты
8.4.3
Применения (каменные артефакты)
8.5
Диффузия кальция
8.5.1
Методологические основа
8.5.2
Практические аспекты
8.5.3
Применения (кирпичи)
8.6
Катионное отношение
8.6.1
Методологические основа
8.6.2
Практические аспекты
8.6.3.
Применения (поверхности пород, морены, петроглифы, каменные артефакты)
8.7
Тест на фтор-уран-азот
8.7.1
Методологические основа (метод фтора, метод фтора, метод азота)
8.7.2
Практические аспекты
8.7.3
Применения (кости и зубы)
8.8
Рацемизация
8.8.1
Методологические основа
8.8.2
Практические аспекты
8.8.3
Применения (кости, зубы, моллюски, скорлупа яиц, фораминиферы,
кораллы, древесина)
9.
ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ
9.1
Методологическая основа (естественная остаточная намагниченность,
вековые палеовариации, временная шкала геомагнитной полярности)
9.2
Практические аспекты
9.3
Применения (вулканиты, печи и обожженая земля, керамика и кирпич, глубоководные отложения, лимнические и флювиальные отложения, лесс, пещерные отложения, известковые отложения пещер, кирпичи из необожженной глины)
10.
ОРБИТА ЗЕМЛИ, КЛИМАТ И ВОЗРАСТ
10.1
Годовые циклы
10.1.1
Хронология ленточных глин (варвохронология)
10.1.2
Дендрохронология
10.1.3
Счет ледовых отложений
10.2
Циклы Миланковича
10.2.1
Астрономическая датировка
10.2.2
Изотопы кислорода
10.2.3
Стратиграфия ледниковых кернов
10.2.4
Анализ пыльцы
ПРИЛОЖЕНИЕ
I. УМС ― ДВИЖУЩАЯ СИЛА СОВРЕМЕННЫХ РАДИОУГЛЕРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. (В. А. ЛЕВЧЕНКО, А. М. СМИТ, У. ЗОППИ, Х. КУА)
1.
Ускорительный масс-спектрометр ANTARES
2.
Примеры применения УМС радиоуглеродного датирования
2.1
Австралийская слоновая птица
2.2
Терракотовая скульптура Донателло
2.3
Корона Карла Великого
2.4
Документы и артефакты, связанные с покорением Перу Испанией
3.
Дальнейшее развитие метода УМС
3.1
Наскальные рисунки Брэдшоу
3.2
Датирование воздуха, захваченного в пузырьках полярного льда
4.
Перспективы развития УМС датирования — на пути к настольной установке
II. ДЕНДРОХРОНОЛОГИЯ И РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ В АРХЕОЛОГИИ (Е.Н. ЧЕРНЫХ, Н.Б. ЧЕРНЫХ)
1.
Вводные замечания
1.1
Базовые источники исторических реконструкций
1.2
Системы отсчета времени
1.3
Хронологические источники в археологии
1.4
Ранний цикл в генеральной историко-археологической периодизации
1.5
Поздний цикл в генеральной историко-археологической периодизации
1.6
Циклы, периоды развития и методы абсолютной хронологии
2.
Дендрохронология
2.1
Кратко об основах метода
2.2
Процедура дендроанализа
2.3
Локальные дендрошкалы
2.4
Календарный возраст дендрошкал
2.5
Археологические объекты и их комплексы
3.
Радиоуглеродное датирование
3.1
Изотопное время и дендрохронология
3.2
Калиброванные датировки
3.3
Пробоотбор: качественный аспект
3.4
Пробоотбор: количественный аспект
3.5
Датировка поселений
3.6
Датировка археологических культур и их общностей
3.7
Хронология металлургических провинций
4.
Вместо заключения
III. КОЛЬЦО ДЕРЕВА, РАДИОУГЛЕРОД И ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ (В. А. ДЕРГАЧЕВ)
Введение
1.1
Кольцо дерева как объект исследования природных процессов
1.2
Как кольцо дерева содержание радиоуглерода в углекислом газе окружающего воздуха
Особенности исследования флуктуаций содержания радиоуглерода
2.1
Образование 14С и его динамический резервуар
2.2
Глобальная скорость образования 14С в периоды высокой и низкой солнечной активности
2.3
Содержание 14С в кольцах деревьев известного возраста и причины ее изменений.
3.
Солнечная активность, радиоуглерод и климат: 200-летний цикл
3.1
Детектирование 200-летнего цикла в изменении содержания 14С
3.2
Детектирование 200-летнего цикла в палеоклиматических данных
3.3
Долговременный тренд в солнечной активности в ХХ веке – проявление 200-летнего солнечного цикла
4.
Крупномасштабные циклические изменения содержания 14С и природные процессы
4.1
Спектральный анализ данных содержания 14С за последние 10 тысяч лет
4.2
2400-летний цикл и палеоклиматические данные
4.3
Резкое изменение климата около 2700-2800 как пример существования 2400-летнего цикла
4.4
Изменение естественного уровня 14С и геомагнитное поле
5.
Заключение
ССЫЛКИ
Предметный указатель
ВВЕДЕНИЕ
Четвертичный период, охватывающий приблизительно последние 2 млн. лет, является особым периодом в истории Земли. Он характеризуется драматическими изменениями окружающей среды. Неоднократно сменяли друг друга холодные и теплые периоды, огромные массы льда, покрывающие обширные регионы северных континентов, таяли и образовывались вновь. Какие факторы вызывали эти колоссальные климатические изменения? На арену истории вышел первобытный человек. Была ли его эволюция в какой-то мере вызвана такими серьезными природными потрясениями или нет? Во время теплого периода, продолжающегося последние 11500 лет, в котором мы и живем, появились высоко развитые цивилизации. Позволит ли реконструкция древней окружающей среды предсказать развитие климатической и экологической обстановки в будущем? Точные ответы на эти вопросы не в последнюю очередь зависят от того, насколько успешно существующие методы определения возраста позволяют распознать эти процессы в прошлом. В этой области, особенно в последние годы, обозначился значительный прогресс.
Четвертичная геология и предыстория человечества, как и любая историческая дисциплина, прежде всего, должны упорядочить выявленные факты в правильном хронологическом порядке. Только тогда эти факты могут быть осмыслены. Становятся понятыми протекающие процессы и взаимосвязь событий. Классические методы стратиграфии позволяют устанавливать последовательность событий в прошлом на основе изучения литологических особенностей и ископаемых остатков в породах. В этом случае могут быть применены методы относительной хронологии, хотя с увеличением пространственного расстояния между событиями, которые должны быть сопоставлены, возрастает ошибка этих определений (Рис.1). Для того чтобы понять суть эволюционных процессов, относительно датированные на основании стратиграфических методов события должны быть сопоставлены с хронометрической шкалой времени. Хронометрия представляет собой измерение времени путем деления его на равные временные единицы, т.е. секунды. Секунда (с) определяется как 9192631770 колебаний атома 133Cs. В четвертичной геологии, равно как и в археологических науках, обычно используют единицу времени год (лет) и кратные ей тыс. лет = 103 лет, реже млн. лет = 106 лет. Год определяется астрономически как период обращения Земли вокруг Солнца.
Рис. 1. Следует различать три различных понятия при стратиграфической классификации пластов: литостратиграфия основана на изучении литологических особенностей пластов, биостратиграфия основана на изучении содержащихся в них ископаемых остатков, и хроностратиграфия основана на данных об их возрасте. Лито- и биостратиграфические подразделения, показанные здесь схематически как зоны, определяются выбором определенного стратотипа в типичном месте его проявления. Обе границы хронозоны (верхняя и нижняя) являются синхронными, тогда как границы лито- и биозон могут быть диахронными, поскольку литология и содержание окаменелостей могут меняться во времени. Следовательно, лито- и биозоны, установленные для определенного места, могут в большей или меньшей степени отклоняться от хронозоны в других местах. Взаимный наклон линий отражает скорость распространения экологических изменений. Временной интервал, представленный лито- или биозоной, может изменяться от места к месту. В принципе это может относиться также и к выделенным на основании изучения различных культур археологическим зонам.
Время
Литозона
Хронозона
Биозона
Типичное место проявления
Расстояние
В течение последних 5 тысячелетий хронометрическое датирование осуществлялось путем традиционных записей астрономических наблюдений. Самый ранний астрономический календарь был использован в древнем Египте. Солнечный календарный год в Египте начинался с первого появления звезды Сириус (по-египетски Сотис), незадолго до восхода Солнца. Обычный (гражданский) египетский год состоял из 365 суток. Дополнительный год, который должен бы был компенсировать разницу между обычным и солнечным годом, равным 365¼ суток, в то время не существовал. В результате, после четырех лет обычный (гражданский) календарь обгонял некоторые сезонные явления (например, разлив Нила), подчинявшиеся солнечному календарю, на одни сутки. По прошествии 1460 лет (Сотический цикл) гражданский и солнечный календари вновь совпадали. Благодаря наблюдению восхода Сириуса во время гражданского Нового Года в 139 г.н.э., египетский календарь привязан к римскому и, таким образом, к христианскому календарю. Традиционная запись восхода Сириуса в определенный день календаря в седьмом году правления Сенусерта III датирует это событие 1870 6 г. до н.э. Возникновение первой династии можно датировать на основании списков правителей Египта 3000 г. до н.э. с ошибкой около 100 лет. В Месопотамии также применяли астрономический календарь, хотя и не со столь раннего времени. Доисторическая хронология Средиземноморья и Европы может быть стратиграфически привязана к этим древним календарям.
В течение долгого времени доисторические этапы развития и ледниковые периоды, находящиеся за пределами этих исторических астрономических календарей, рассматривались как практически неподдающиеся количественному рассмотрению. С развитием радиоуглеродного метода, появившегося в 1950-е годы, возник обширный банк данных, охватывающий последние 30 тыс. лет. На основании 14С датировок целый ряд археологических концепций подвергся революционному пересмотру (Renfrew 1976). Например, как мы теперь знаем, производство керамики в центральной Европе, возникшее в определенной связи с переходом человечества к оседлому образу жизни в неолите, началось не в начале 3-го тысячелетия до н.э., как считали ранее, на основании сравнительной стратиграфии, а уже во 2-й половине 6-го тысячелетия. Получению значений 14С возраста, безусловно, способствовало проведения калибровок по годичным кольцам роста деревьев. Вслед за этим в 1950-е годы на сцену выходит K-Ar метод определения возраста. Этот метод позволяет датировать горизонты тефры древнее нескольких сотен тысяч лет. Существующий зазор между этими двумя методами, включающий в себя средний палеолит, равно как и значительную часть раннего палеолита – т.е. средний и верхний плейстоцен, сохранялся в течение долгого времени. В последние несколько десятилетий были созданы новые разнообразные методы датирования, которые пытаются перекрыть этот временной пробел. Эти новые многообещающие методы в настоящее время находятся в состоянии активного развития.
Для измерения времени можно использовать физические и химические процессы, зависящие от времени, которые приводят к количественно измеримым изменениям в исследуемой системе. При этом необходимо знать характер временной зависимости отдельных процессов. Еще одним предварительным условием определения возраста какого-либо геологического или археологического события является четкая связь между этим событием и началом, зависящего от времени, процесса, т.е. часы должны быть синхронизованы. В частности, для целей датирования используется радиоактивность, представляющая собой процесс, явно зависящий от времени. Среди радиоактивных нуклидов выделяют первичные нуклиды, существующие, по крайней мере, с момента образования Земли; нуклиды, возникшие в рядах радиоактивного распада; и космогенные нуклиды. Кроме того, для хронометрии представляют интерес: кинетика химических реакций, вариации магнитного поля Земли и процессы, вызываемые изменениями климата. Именно такому подразделению зависящих от времени процессов и следует настоящая книга.
Термин археохронометрия относится к целому комплексу физических и химических методов датирования, охватывающих период двух последних миллионов лет и применяющихся для решения археологических и геологических проблем. Следует подчеркнуть, что в этом контексте термин «хронометрия» является более предпочтительным, чем часто используемый термин «хронология», поскольку хронология относится к связям между стратиграфическими свидетельствами существования тех или иных событий и хронометрически устанавливаемыми значениями возраста (Bowen 1978; Harland et al. 1990). Это соотношение выражается формулой:
Стратиграфия хронометрия хронология.
Кроме подразделения, основанного на использовании физических или химических явлений, иногда можно различать методы относительного и абсолютного датирования. При стратиграфическом подходе осуществляется относительное датирование, которое позволяет говорить о том, что данный пласт древнее, имеет тот же возраст или моложе, чем другой. С другой стороны, использование термина методы определения абсолютного возраста в действительности не совсем верно, поскольку существуют неопределенности, связанные с каждым из них. Поэтому в дальнейшем он употребляться не будет. Вместо этого будут употребляться такие термины как хронометрическое, численное или количественное датирование. Кроме того, следует различать методы датирования, не зависимые от других методов определения возраста, и зависимые. Например, термолюминесцентный метод датирования является независимым, тогда как археомагнитный метод – зависимый, поскольку требует калибровки временных вариаций магнитного поля Земли. С другой стороны, существуют методы, которые могут употребляться и как зависимые, и как независимые. Например, в случае гидратационного метода датирования обсидиана скорость гидратации может быть установлена либо экспериментальным путем, либо выведена из известных значений возраста.
1.1 Терминология: возраст и дата
Хронометрический возраст определяется как промежуток времени в годах между определенным геологическим или археологическим событием в прошлом и определенным моментом времени в настоящем. Обычно определяемый возраст соотносится с моментом его измерения. Поскольку между моментом измерения и настоящим моментом существует некоторый промежуток времени, его, строго говоря, следует прибавлять к измеренному значению возраста, если возраст относится к определенной дате. Это означает, что с момента измерения и до публикации данных возраст датируемого события ежегодно возрастает на один год. Такой подход к определению возраста события, однако, не имеет никакого значения для геохронологии, поскольку временной интервал между измерением и настоящим моментом совершенно незначителен по сравнению с ошибкой определения возраста. Например, не имеет значения, стало ли известно, что импактный кратер Нордлингер Рис (Nördlinger Ries) образовался 15,1 0,5 млн. лет назад непосредственно в год публикации этого сообщения (Gentner et al. 1961), или только в 1997 году, с задержкой на 0,000036 млн. лет. В отличие от этого, для более близких к нам периодов времени, охватывающих голоцен с развитием в нем культур нового каменного века и культур обработки металлов, ошибки определения возраста могут быть сопоставимыми или меньше, чем время, прошедшее с момента определения возраста. Например, точность утверждения, что дендрохронология позволяет определять значения возраста в последние 9928 лет с точностью до 1 года на основании результатов исследования дубов южной Германии (Becker et al. 1991), зависит от года измерения последнего древесного кольца, в данном случае это 1990 год. В конце 2002 года эта хронология должна учитывать дополнительные 12 лет, то есть отсчет времени начинается уже 9940 лет назад, по числу годичных колец древесины (7938 колец периода до новой эры и 2002 кольца периода новой эры). В таких случаях не совсем удобно говорить о точном возрасте, который достоверен только по отношению к году публикации соответствующей статьи.
Можно избежать этих трудностей, относящихся к малым значениям возраста, если приводить вместо возраста события точно привязанную к календарю его дату. При этом такая дата становится численно независимой от господствующей в это время точки зрения. По этой причине, например, паспорт не указывает точный биологический возраст того или иного человека, а лишь дату его рождения. Эти даты приводятся в виде года “BC” (Before Christ – до рождества Христова) – года до новой эры или “AD” (Anno Domini – после рождества Христова) – года новой эры. В случае примера с дендрохронологией, приведенного выше, отсчет колец ведется назад в прошлое, до 7938 года до н.э. Следует иметь в виду, что в календаре года 0 не существует, и что отдельное годичное кольцо соответствует точно определенному календарному году, независимо от того, проводился ли этот подсчет в 1990 или в 1998 году.
До сих пор подразумевалось, что годы, полученные хронометрическими методами, и солнечные годы равны друг другу по своей длительности. Это нельзя применять ко всем методам определения возраста, потому что существуют некоторые их свойства, которые могут сделать это допущение несостоятельным. Например, в 14С методе нужно различать радиоуглеродный год и календарный. Основанные на изменении содержания 14С в атмосфере радиоуглеродные годы могут, очевидно, быть короче или длиннее, чем календарные. Поэтому 14С значения возраста нуждаются в калибровке. По договоренности радиоуглеродные значения возраста приводятся как число лет до настоящего времени. Календарный год, вычисленный с помощью калибровки из радиоуглеродного года, помечается символом “cal” и приходится либо как дата “cal AD” (календарный г. н. э.) или “cal BC” (календарный г. до н. э.), соответственно, либо как возраст “cal BP”. Пометка “BP” (before present – от настоящего времени) определяет “настоящее время” как 1950 г.н.э. и часто применяется также (помимо 14С значений возраста) при упоминании дендрохронологических возрастов и значений возраста, вычисленных по ленточным глинам и по ледовым слоям. Приведение значения возраста с пометой «до настоящего времени» приводит к недопониманию, если его некритично применяют к другим методам датирования. Следует подчеркнуть, что термин «до настоящего времени» не означает «настоящее» в своем истинном смысле, а относится к условно принятому в таком качестве 1950 году, примерно соответствующему моменту зарождения современных хронометрических методов. Такое дополнение было принято в связи со специфическими трудностями, присущими радиоуглеродному методу. Следовательно, все эти рассуждения оправданы только в случае 14С значений возраста и при возрастных сопоставлениях с ними. Приведение значений возраста, относящихся к действительно настоящему – т.е. «сегодняшнему» - времени, не было бы удобным, поскольку они будут постоянно увеличиваться во времени. Ситуация становится особенно конфузной, если “BP” без особой нужды относится к иному году, чем 1950, как например к 1990 году в работе Джонсена (Johnsen et al. 1992). Во избежание подобных проблем можно порекомендовать представлять данные о молодом возрасте (12 тыс. лет) в виде календарных дат (до н.э./н.э.).
1.2 Естественная радиоактивность – физическая основа датирования
Физическое явление радиоактивности является основой хронометрических исследований в геологии и археологии. Ее скорость определяется только свойствами ядер и потому не зависит от параметров среды, таких как температура, давление и химический состав. В этом заключается уникальное преимущество таких методов определения возраста по сравнению с другими, зависящими от времени, процессами, используемыми в качестве «часов». Со времени открытия в 1896 году Анри Беккерелем радиоактивность постепенно привела к поистине революционным изменениям в геологической и доисторической временных шкалах. Сначала в геологии (Holmes 1937), а затем и в археологии (Renfrew 1976). В связи с важностью этого явления представляется уместным изложить здесь некоторые основы теории радиоактивности.
Природное вещество состоит из химических элементов. Элемент представляет собой химическую субстанцию, состоящую из атомов с характерным количеством протонов – атомный номер – в ядре. Например, все атомы элемента углерода (символ С) имеют 6 протонов. В электрически нейтральном состоянии ядро окружено равным атомному номеру числом электронов, поскольку обладающие положительным зарядом протоны и отрицательно заряженные электроны компенсируют друг друга. Электроны вращаются вокруг ядра и образуют электронную оболочку. Если в оболочке наблюдается дефицит или избыток электронов, то атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион, соответственно.
Помимо протонов в ядре находятся также нейтроны, которые обладают почти такой же массой как протоны, но не несут электрического заряда. Сумма протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом атома. Массовое число указывается как цифра слева вверху от символа элемента, тогда как атомный номер иногда приводится в виде цифры слева внизу от него. Например, нуклид обладает 6 протонами и 8 нейтронами и, таким образом, его массовое число равно 14. Простая запись 14С также вполне достаточна, поскольку элемент углерод уже был определен как элемент с атомным номером 6.
Изотопы представляют собой два или более нуклида, относящихся к одному и тому же элементу, т.е. они имеют одинаковое число протонов, но отличаются друг от друга числом нейтронов. Например, три изотопа углерода 12С, 13С и 14С обладают 6 протонами, но 6, 7 или 8 нейтронами, соответственно. Поскольку изотопы относятся к одному и тому же элементу, они характеризуются почти одинаковыми химическими, но не физическими свойствами.
Различают нуклиды стабильные и радиоактивные. Радиоактивные нуклиды спонтанно распадаются с превращением в нуклиды другого элемента – это явление называется радиоактивностью. Другими словами, радиоактивный материнский элемент распадается с образованием дочернего радиогенного нуклида.
Радиоактивность представляет собой статистический процесс. Его количественное рассмотрение требует достаточно большого количества радиоактивных нуклидов N, поскольку невозможно предсказать то событие, в котором единственное ядро распадется. Активность dN/dt (измеряемая в Беккерелях Бк [с-1]) определяется, как доля dN нестабильного нуклида N (с исходным количеством атомов N0), распадающегося в течение промежутка времени dt с образованием стабильных дочерних атомов D (=N0 - N)
dN / dt = - N = - ln 2/ t1/2 N, (1)
где [л-1] – константа распада, а t1/2 [л] – период полураспада ( = 0,693/ ).
Интегрируя это уравнение, получаем (рис. 2)
N /N0 = e-t (2)
и, подставляя (N0 – D) вместо N,
D /N0 = 1 - e-t , (3)
а (DN) вместо N0
D /N = et – 1 . (4)
Возраст t [лет] может быть рассчитан (в зависимости от того, что известно – N0, N или D) , с помощью следующих уравнений:
T = 1/ ln (D/N 1) (5)
T = 1/ ln (N0/N) (6)
Использование радиоактивности для определения возраста заранее предполагает, что ни материнский, ни дочерний нуклид не исчезают и не появляются иначе как в результате самого процесса радиоактивного распада, т.е., говоря другими словами, при условии существования закрытой системы.
Рис. 2. Распад радиоактивного материнского нуклида (количество N) с образованием радиогенного дочернего нуклида (количество D). Количество N – нормализованное на его исходное количество N0 – убывает экспоненциально со временем (выраженном в периодах полураспада t1/2), тогда как D возрастает точно в той же мере; отношение D/N экспоненциально увеличивается.
Отношение нуклидов
Время (в периодах полураспада)
Различают несколько типов радиоактивного распада (Рис.3), при этом в некоторых нуклидах, например 40K, одновременно могут сосуществовать два типа распада (механизм двойного распада):
• Альфа-распад: распад с испусканием -частицы, представляющей собой ядро 4He
.
• Бета-распад: распад с испусканием --частицы, представляющей собой электрон e- , в то время как нейтрон превращается в протон
.
• Электронный захват: распад с захватом внеядерного электрона, вращающегося по самой внутренней электронной орбите (K-оболочка), с превращением одного протона ядра в нейтрон
.
К аналогичному эффекту приводит -распад, при котором испускается одна -частица, т.е. один позитрон e
.
• Спонтанное деление: распад с образованием двух тяжелых нуклидов и 2–3 нейтронов n (например: ).
Большинство типов радиоактивного распада сопровождается испусканием гамма–лучей (электромагнитное излучение высокой энергии, соответствующее ядерным переходам) с характерными дискретными линиями (спектром).
Рис. 3. Для радиометрического датирования используют четыре типа естественной радиоактивности: -распад, электронный захват и спонтанное деление (белое: нейтроны, черное: протоны).
-распад
-распад
электронный захват
электрон из K-оболочки
спонтанное деление
Иногда дочерний радиогенный нуклид также нестабилен и в свою очередь распадается. Если несколько таких радиоактивных дочерних нуклидов образуются друг за другом, то формируется цепочка распада, заканчивающаяся в итоге образованием стабильного конечного звена. Так происходит, например, в цепи распада, начинающейся с 238U и заканчивающейся 206Pb, включающей в себя несколько ступеней - или -распада. В таких цепочках распада по прошествии некоторого времени устанавливается равновесие между скоростью образования и распада промежуточных членов (радиоактивное или вековое равновесие), при котором активность dN/dt всех радиоактивных членов N1, N2, N3 и т.д. становится одинаковой:
1N1 = 2N2 = 3 = … и т. д. (7)
В природе встречаются различные виды радиоактивных нуклидов, и многие из них могут быть использованы для хронометрии (Таблица 1). В зависимости от происхождения, нуклиды можно подразделить на разные категории, однако некоторые из них могут образоваться в результате нескольких из этих процессов:
Таблица 1. Нуклиды, используемые в хронометрии четвертичного периода
Элемент Нуклид Происхождение Тип распада Энергия Период
кэВ полураспада
Водород 3Н Космогенное - 18,6 12,43 лет
Антропогенное
Гелий 3Не Космогенное Стабильный
Бериллий 10Ве Космогенное - 555 1,51 млн. лет
Углерод 14С Космогенное - 158 5730 лет
Неон 21Ne Космогенное Стабильный
Алюминий 26Al Космогенное 1170 705 тыс. лет
Кремний 32Si Космогенное - 100 140 лет
Хлор 36Cl Космогенное - 714 301 тыс. лет
Аргон 39Ar Космогенное - 565 269 лет
Калий 40K Первичное - 1330 1397 млн. лет
ЭЗ 1460 11930 млн. лет
Кальций 41Ca Космогенное ЭЗ 427 103 тыс. лет
Криптон 81Kr Космогенное ЭЗ 276 210 тыс. лет
Свинец 210Pb Радиогенное - 17 22,3 лет
Радий 226Ra Радиогенное 4784 1,60 тыс. лет
228Ra Радиогенное - 39 5,75 лет
Торий 230Th Радиогенное 4688 75,4 тыс. лет
232Th Первичное 4012 14050 млн. лет
Протактиний 231Pa Радиогенное 5012 32,8 тыс. лет
Уран 234U Радиогенное 4775 245 тыс. лет
235U Первичное 4400 704 млн. лет
238U Первичное 4197 4468 млн. лет
СД 2105 8,21015 лет
– альфа; - – электронный бета; – позитронный бета; ЭЗ – электронный захват; СД – спонтанное деление.
• Первичное происхождение: нуклид все еще сохраняется с момента нуклеосинтеза, и, таким образом, он появился раньше, чем образовалась Земля (например: 40K). Такие нуклиды, следовательно, имеют очень большие периоды полураспада.
• Радиогенное происхождение: нуклид образуется радиогенным путем в цепях распада урана и тория (пример: 231Pa). Эти нуклиды имеют периоды полураспада менее 250 тыс. лет.
• Космогенное происхождение: нуклид образуется в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой или поверхностью Земли (пример: 14С). Космогенные нуклиды имеют различные периоды полураспада.
• Антропогенное (техногенное) происхождение: нуклид образуется на атомных электростанциях и при ядерных взрывах (пример: 3Н).
• Нуклеогенное происхождение: нуклид образуется в ядерных реакциях, индуцированных нейтронами, образующимися в природных (, n) реакциях (пример: 26Al).
1.3 Погрешности: разрешение и точность
Приборы и люди, участвующие в проведении физических экспериментов, несовершенны. Поэтому каждое измерение обладает некоторой погрешностью. Измеренная величина x представляет собой только некоторое приближение к искомой, истинной величине, являющейся и остающейся неизвестной. Возможное отклонение измеренной величины от ее истинного значения оценивается через погрешность или “ошибку” измерения. Погрешность определяет интервал от (x- ) до (x + ) в окрестностях измеренного значения x, так что истинное значение величины x находится с некоторой заданной вероятностью внутри этого интервала (доверительного интервала). Погрешность, следовательно, является неотъемлемой и обязательной составляющей сообщаемых результатов измерений в виде х . Строго говоря, возраст без указания ошибки определения имеет нулевую вероятность. Очевидно, не имеет смысла приводить данные о возрасте без указания их погрешности.
Следует различать два вида возможных ошибок: случайную и систематическую погрешности (рис. 4). Случайная погрешность вызывается случайными неточностями при снятии показаний с измерительного прибора и статистическими процессами, такими, например, как радиоактивный распад. Случайные ошибки выявляются путем повторения измерений одного и того же явления, результаты которых группируются статистически вокруг центрального значения. Случайные ошибки характеризуют разрешение (или воспроизводимость), т.е. высокое разрешение и хорошая воспроизводимость предполагают небольшую случайную ошибку. Случайная ошибка оценивается из статистики единичных наблюдений. С другой стороны, систематические ошибки могут быть вызваны недостатками измерительной аппаратуры, влиянием окружающей среды и неадекватностью персонала, проводящего измерения. Всякая систематическая ошибка влияет на отдельные измерения в одном и том же направлении и с одинаковой степенью и, следовательно, не может быть распознана при повторных наблюдениях. Систематические ошибки обычно бывает трудно идентифицировать и количественно оценить. Они характеризуют достоверность (корректность, правильность, надежность) измерения. Высокая достоверность предполагает существование небольших систематических ошибок. Измерение может иметь низкое разрешение и большую достоверность, и, напротив, иметь высокое разрешение и малую достоверность. В обоих случаях результат будет неточным. Термин точность включает в себя и разрешение и достоверность (рис. 4), а общая ошибка измерения вычисляется как
(8)
Смешение понятий точность, достоверность и разрешение в хронологической литературе часто вызывает недоразумения. Например, высокое разрешение некалиброванных, обычных 14С значений возраста часто ошибочно принимается за точность. Но, несмотря на высокое разрешение, эти значения возраста не являются точными в связи с колебаниями содержания 14С в атмосфере в прошлом, и они становятся таковыми (точными) только после введения поправки с учетом дендрохронологических данных (калибровки). [Как показывает приведенный автором пример, иногда систематические ошибки могут быть выявлены и затем либо учтены, либо скомпенсированы. В таком случае они перестают быть неизвестными оцениваемыми погрешностями, входящими в формулу (8), а становятся просто параметрами измерения. – Прим. ред.] Напротив, термолюминесцентные значения возраста обычно бывают достоверными, но по различным физическим причинам имеют низкое разрешение.
Рис. 4. Следует различать случайные и систематические ошибки измерения. Достоверность (или правильность) означает незначительные систематические отклонения (внизу). Высокое разрешение означает хорошую воспроизводимость (справа). Точность включает в себя и воспроизводимость и правильность. Результат может быть достоверным, но иметь плохое разрешение или малодостоверным, но иметь хорошую воспроизводимость; однако, в обоих случаях он будет все же неточным.
Достоверность (систематическая ошибка)
высокая низкая
Разрешение (случайная ошибка)
высокое низкое
Ошибки, приводимые при публикации хронометрических данных, чаще всего представляют собой воспроизводимость, говоря другими словами, ошибка , указываемая в публикации, может относиться только к . В некоторых случаях обсуждаются также и систематические ошибки, но, как указывалось раньше, часто их вряд ли можно правильно оценить. В общем случае о качестве опубликованных аналитических данных можно судить по той степени тщательности, с которой авторы комментируют возможные различные источники ошибок своих измерений. В любом случае следует приводить достаточное количество информации, чтобы было ясно, какие из случайных и систематических ошибок принимались во внимание, а какие нет. Только для небольшого числа методов датирования существуют стандартизированные методики расчета и представления данных об ошибках измерения. Они существенно облегчают оценку и сопоставление приводимых данных.
Вычисление случайной ошибки требует, чтобы переменная x описывалась определенным статистическим распределением. В практике применения методов датирования наибольшее значение имеет гауссово (нормальное) распределение. В этом одномодальном распределении случайные наблюдения, скажем многократно повторенные определения возраста t, распределяются симметрично в виде колокола вокруг максимального значения (рис. 5). Для того чтобы проверить гипотезу о том, что серия реальных данных соответствует гауссову распределения, применяют критерий 2 (критерий хи-квадрат) (напр., Ward and Wilson, 1978). В качестве примера можно указать, что значения возраста, полученные методом треков деления для отдельных когенетичных зерен циркона из одного и того же горизонта туфов, должны показывать гауссово распределение относительно времени извержения. Если эти туфы дополнительно содержат какую-то часть детритовых зерен циркона со значительно более высокими значениями возраста, отдельные значения возраста характеризуются бимодальным распределением. Применение критерия 2 в таком случае выявит несоответствие с одномодальным гауссовым распределением.
Рис. 5. Гауссово или нормальное частотное распределение (колоколообразная кривая) случайных событий, например результатов многократных измерений возраста ti, вокруг среднего арифметического значения . Стандартное отклонение является мерой разброса единичных результатов ti . Истинная величина t попадает в интервал между - и + с вероятностью 68,3 % и между -2 и +2 с вероятностью 95,4 %.
Частота
Возраст
В случае гауссова распределения результатов измерений, доверительный интервал (погрешность) в окрестности среднего значения определяется стандартным отклонением среднего (строго говоря, ), выводимым из величины стандартного отклонения r. Эта последняя величина является мерой разброса единичных значений x¬¬i. Если измерение повторяется n раз, то вычисляется как
. (9)
Стандартное отклонение рассчитывается по формуле
. (10)
А стандартное отклонение среднего как
. (11)
Отношение / носит название относительной ошибки.
Отсчеты случайных дискретных событий, таких как радиоактивный распад, подчиняются распределению Пуассона. Такое частотное распределение применяется в случаях, когда вероятность события мала, а число испытаний n велико. Средняя величина рассчитывается как
. (12)
где N -- общее число подсчитываемых событий. Стандартное отклонение r равно
, (13)
стандартное отклонение среднего, как и раньше, равно
. (14)
а относительная ошибка / равна
(15)
Как уже указывалось, систематическая ошибка не может быть ни оценена, ни улучшена путем повторения числа измерений. В практике датирования обычно для характеристики доверительного интервала используют величину одного стандартного отклонения среднего, т.е. 1 (в большинстве случаев не 1 , а 1 ) от среднего значения возраста . В этом случае ожидается, что с вероятностью 68,3% истинное значение возраста находится в интервале от ( - ) до ( + ), т.е. вероятность того, что истинное значение находится вне этого интервала, составляет все еще примерно 1/3. Если удвоить , то с вероятность 95,4 % ожидается, что истинный возраст находится в интервале от ( -2 ) до ( +2 ), а если утроить, то с вероятностью 99,7 % в интервале от ( -3 ) до ( +3 ).
Вместо среднего арифметического (9) нескольких значений xi часто предпочитают приводить средневзвешенное значение , особенно если отдельные значения xi обладают разными стандартными отклонениями i . Это делается для того, чтобы придать больший вес значениям xi, определенным с большей точностью. Средневзвешенное значение рассчитывается в соответствии с
, (16)
а его случайная ошибка рассчитывается из отдельных случайных ri
, (17)
и, если можно оценить отдельные систематические ошибки si, полная систематическая ошибка рассчитывается по формуле:
(18)
При сопоставлении различных значений возраста друг с другом говорят, что они значимо отличаются друг от друга, если их 2 - доверительные интервалы не перекрываются.
Пример 1. Два образца футеровочной обожженной глины, взятые из средневековых печей в Любеке (Lübeck), были датированы термолюминисцентным методом, при котором определялся возраст как тонкозернистых фракций, так и фракций кварца; всего было получено четыре ТЛ значения возраста (Wagner 1980c). Приведенные в таблице 2 данные указывают, что между единичными значениями возраста ti нет значимых различий, поскольку они согласуются друг с другом в пределах 2r. Совместная обработка всех единичных значений возраста с использованием выражений (16) - (18) приводит к средневзвешенному значению возраста = 779 лет со случайной ошибкой 21 год (1 ) и систематической ошибкой 70 лет (1 ). В соответствии с выражением (8) точность определения возраста равна 73 года (1 ) или, выраженная как относительная ошибка (11), 9,4%. Значение ТЛ возраста этих объектов было получено в 1979 году, так что ТЛ дата равна 1200 73 г. н. э. Истинный возраст постройки этой печи с вероятностью 68,3 % находится в интервале между 1127 и 1273 г.н.э., и с вероятностью 95,4 % между 1054 и 1346 гг. н. э.
Таблица 2. Термолюминесцентный возраст средневековой печи из Любека,
Германия
Образец Фракция Возраст ti Стандартное Средний возраст (лет)
(лет) отклонение (лет) и ошибка его
ri si i определения (лет)
( )
К179 Т тонкозернистая 836 35 63 72
Кварц 721 43 80 91
779 ( 21 70 73)
К180 Т тонкозернистая 733 36 68 77
Кварц 830 85 76 114
Пример 2. Подвергавшийся нагреву обсидиановый артефакт (образец 075 Е) из стоянки Сьерра Эль Инга (Sierra El Inga), Эквадор, был датирован трековым методом (Miller and Wagner 1981). Всего было обнаружено 70 треков спонтанного (общее число N) и 2500 (общее число N) треков индуцированного деления. Поскольку частота треков деления подчиняется распределению Пуассона, относительные ошибки среднего этих подсчетов согласно выражению (15) равны 12 и 2%, соответственно. Возраст, определяемый методом треков деления, выводится из соотношения треков спонтанного деления и индуцированных треков, и, таким образом, ошибка его определения рассчитывается из этих величин по правилу накопления ошибок, имеющему ту же самую форму, как и (8). Результат равен 2060 лет 12,2 % ( / ) или 2060 250 лет ( ), т.е. с вероятностью 68,3 % истинный возраст нагрева этого артефакта находится в интервале 1810–2310 лет или, выраженный в виде даты, между 310 и 170 гг. н. э.
Как и в физических измерениях при получении абсолютного значения возраста нельзя избежать погрешностей, которые потом становятся частью аналитического исследования. Конечно, исследователь будет всегда стараться контролировать свои ошибки. С другой стороны, требуемое временное разрешение в определении возраста для приложений геологии или археологии может оказаться за пределами возможностей применяемого метода. Поэтому всегда можно посоветовать лицам, заинтересованным в получении возрастной информации, прежде чем проводить отбор проб и отсылать их в лабораторию, вступить в диалог со специалистом в области датирования. Это позволит избежать недопонимания и ненужного возбуждения.
1.3 Классификация четвертичного периода
Четвертичный период охватывает последний период истории Земли длительностью почти два миллиона лет. По международному соглашению в качестве границы плиоцена и плейстоцена была определена стратотипическая толща вблизи Кротоне (Crotone) в Калабрии, Италия, залегающая в основании гомогенных аргиллитовых осадков, согласно перекрывающих сапропелевый пласт Е (Aquirre and Pasini, 1985). Такое изменение фации осадков указывает на переход к более холодному климату. По данным магнитостратиграфии эта граница почти точно совпадает с окончанием подъяруса Олдувай (Olduvai) 1,8 млн. лет назад (Hilgen 1991; McDougall et al. 1992). Следует отметить, что существует и альтернативная точка зрения, согласно которой граница плиоцена и плейстоцена относится к первому периоду похолодания климата, имевшему место неподалеку от перехода Гаусс (Gauss) – Матуяма (Matuyama) 2,6 млн. лет назад (Azzaroli et al.1988; Hilgen 1991; Partridge 1997). Четвертичный период подразделяется на плейстоцен, называемый также ледниковый период, и голоцен – послеледниковый период, охватывающий 11,5 тыс. лет (Johnsen et al. 1992; Goslar et al. 1995; Björk et al. 1996; Spurk et al. 1998) и продолжающийся до настоящего времени. Плейстоцен, в свою очередь, подразделяется на нижний, средний и верхний плейстоцен, границы которых определяются переходом Матуяма – Брюнес (Brunhes) 778 тыс. лет назад (Singer and Pringle 1996; Tauxe et al. 1996) и началом стадии 5е на кривой изменения изотопного состава кислорода морской воды (эквивалент начала эемского (Eemian) межледникового периода) 128 тыс. лет назад (Edwards et al. 1986/87). Голоцен может быть подразделен на основании данных пыльцевого анализа.
В дополнение к этому геологическому подразделению четвертичного периода, основанному на определяемых климатом лито-, педо-, морфо- и биостратиграфических характеристиках отложений, существует возможность археологического подразделения, основанного на материалах и технике производства различных артефактов. Ранний палеолит охватывает период до конца предпоследнего оледенения приблизительно 128 тыс. лет назад. Сменяющий его средний палеолит длился в Европе примерно до 40 тыс. лет назад. Идущий вслед за ним поздний палеолит продолжался до окончания последнего ледникового периода 11,5 тыс. лет назад. И мезолит, и неолит относятся к послеледниковому периоду, в течение которого неолит с его культурой линейно-ленточной керамики начался в центральной Европе примерно в 5500 г. до н. э. В этом регионе самые ранние изделия из меди появились примерно в 4000 г. до н. э., еще в неолите. Бронзовый век в этом регионе начался примерно в 2300 г. до н. э., сменившись железным веком около 850 г. до н. э.
Описанное выше геологическое и археологическое подразделение четвертичного периода представлено в обобщенном виде в таблице 3. Следует отметить, что последовательность отдельных эпох была установлена стратиграфически и/или типологически на основании анализа артефактов. Временные шкалы построены на основании физических, а для последних 12 тыс. лет главным образом на основании дендрохронологических методов датирования. Поскольку эпохи, выделяемые стратиграфически или типологически, могут быть сдвинуты во времени при переходе от одного региона к другому (например, послеледниковый период начался в центральной Европе раньше, чем в Скандинавии, а бронзовый век начался в Эгейском регионе раньше, чем в Центральной Европе), установленная последовательность событий верна лишь для определенных регионов, в данном случае для Центральной Европы.
Таблица 3. Геологическое и археологическое подразделение четвертичного периода в центральной Европе
[первые 3 колонки]
Система Время (млн. лет) Подразделение
Четвертичная Верхний плейстоцен
Третичная Средний плейстоцен
Нижний плейстоцен
Плиоцен
[колонки 4-6]
Время (тыс. лет) Стадия Археологические стадии
голоцен мезолит и неолит
верхний плейстоцен поздний палеолит
вюрм (вейхзель) верхний палеолит
ледниковая магдален
рисс/вюрм (эем) солютрэ
межледниковая граветтий
нижний плейстоцен ориньяк
рисс (зааль) средний палеолит
ледниковая стадия искривленных
наконечников стрел
шательперрон
мустье
микокская
нижний палеолит
ашельская
стадия галечниковых культур,
[колонки 7-9]
Время [тыс. лет] Хронозоны Археологические стадии
поздний голоцен железный век
субатлантическая бронзовый век
средний голоцен неолит
суббореальная мезолит
атлантическая поздний палеолит
ранний голоцен магдален
бореальная
пребореальная
поздний вюрм
поздний дриас
аллерёд
ранний дриас
бёллинг
Подразделение четвертичного периода на основании изучения континентальных осадков является проблематичным, поскольку четвертичные стратиграфические разрезы имеют перерывы во времени и пространстве (рис. 6). К счастью, существует значительно более полная хронология четвертичного периода, основанная на изучении глубоководных осадков. В отличие от континентальных отложений осадки глубоководной части океана образуются непрерывно во времени и равномерно на большой площади, позволяя проводить крупномасштабные стратиграфические корреляции. Существуют две чрезвычайно важных характеристики, которые позволяют проводить глобальные корреляции глубоководных осадков; это изотопный состав кислорода и направление палеомагнитного поля. Изменяющийся изотопный состав кислорода раковин фораминифер в этих осадках наследует состав океанской воды, который отражает глобальные изменения объема льда и, таким образом, тесно связан с глобальными флуктуациями климата в течение четвертичного периода (раздел 10.2). Изменения направления палеомагнитного поля, вызванные изменениями полярности магнитного диполя Земли, фиксируются глубоководными осадками. Поскольку обращения магнитного поля происходят повсеместно и в одно и то же время, палеомагнетизм является замечательным средством стратиграфических исследований (глава 9). Так как континентальные отложения также фиксируют изменения полярности, магнитостратиграфия позволяет увязывать между собой континентальную и глубоководную хронологию.
Рис. 6. Схематическое сопоставление морских и континентальных четвертичных отложений. Последовательно образующиеся слои осадков (1 - 5) в глубоководных участках моря непрерывны, тогда как их хронологические эквиваленты на континенте характеризуются временными и пространственными перерывами.
морские четвертичные отложения
пространственно протяженные,
непрерывные во времени,
континентальные четвертичные отложения
пространственно изолированные,
прерывистые во времени
Четвертичный период, охватывающий приблизительно последние 2 млн. лет, является особым периодом в истории Земли. Он характеризуется драматическими изменениями окружающей среды. Неоднократно сменяли друг друга холодные и теплые периоды, огромные массы льда, покрывающие обширные регионы северных континентов, таяли и образовывались вновь. Какие факторы вызывали эти колоссальные климатические изменения? На арену истории вышел первобытный человек. Была ли его эволюция в какой-то мере вызвана такими серьезными природными потрясениями или нет? Во время теплого периода, продолжающегося последние 11500 лет, в котором мы и живем, появились высоко развитые цивилизации. Позволит ли реконструкция древней окружающей среды предсказать развитие климатической и экологической обстановки в будущем? Точные ответы на эти вопросы не в последнюю очередь зависят от того, насколько успешно существующие методы определения возраста позволяют распознать эти процессы в прошлом. В этой области, особенно в последние годы, обозначился значительный прогресс.
Четвертичная геология и предыстория человечества, как и любая историческая дисциплина, прежде всего, должны упорядочить выявленные факты в правильном хронологическом порядке. Только тогда эти факты могут быть осмыслены. Становятся понятыми протекающие процессы и взаимосвязь событий. Классические методы стратиграфии позволяют устанавливать последовательность событий в прошлом на основе изучения литологических особенностей и ископаемых остатков в породах. В этом случае могут быть применены методы относительной хронологии, хотя с увеличением пространственного расстояния между событиями, которые должны быть сопоставлены, возрастает ошибка этих определений (Рис.1). Для того чтобы понять суть эволюционных процессов, относительно датированные на основании стратиграфических методов события должны быть сопоставлены с хронометрической шкалой времени. Хронометрия представляет собой измерение времени путем деления его на равные временные единицы, т.е. секунды. Секунда (с) определяется как 9192631770 колебаний атома 133Cs. В четвертичной геологии, равно как и в археологических науках, обычно используют единицу времени год (лет) и кратные ей тыс. лет = 103 лет, реже млн. лет = 106 лет. Год определяется астрономически как период обращения Земли вокруг Солнца.
Рис. 1. Следует различать три различных понятия при стратиграфической классификации пластов: литостратиграфия основана на изучении литологических особенностей пластов, биостратиграфия основана на изучении содержащихся в них ископаемых остатков, и хроностратиграфия основана на данных об их возрасте. Лито- и биостратиграфические подразделения, показанные здесь схематически как зоны, определяются выбором определенного стратотипа в типичном месте его проявления. Обе границы хронозоны (верхняя и нижняя) являются синхронными, тогда как границы лито- и биозон могут быть диахронными, поскольку литология и содержание окаменелостей могут меняться во времени. Следовательно, лито- и биозоны, установленные для определенного места, могут в большей или меньшей степени отклоняться от хронозоны в других местах. Взаимный наклон линий отражает скорость распространения экологических изменений. Временной интервал, представленный лито- или биозоной, может изменяться от места к месту. В принципе это может относиться также и к выделенным на основании изучения различных культур археологическим зонам.
Время
Литозона
Хронозона
Биозона
Типичное место проявления
Расстояние
В течение последних 5 тысячелетий хронометрическое датирование осуществлялось путем традиционных записей астрономических наблюдений. Самый ранний астрономический календарь был использован в древнем Египте. Солнечный календарный год в Египте начинался с первого появления звезды Сириус (по-египетски Сотис), незадолго до восхода Солнца. Обычный (гражданский) египетский год состоял из 365 суток. Дополнительный год, который должен бы был компенсировать разницу между обычным и солнечным годом, равным 365¼ суток, в то время не существовал. В результате, после четырех лет обычный (гражданский) календарь обгонял некоторые сезонные явления (например, разлив Нила), подчинявшиеся солнечному календарю, на одни сутки. По прошествии 1460 лет (Сотический цикл) гражданский и солнечный календари вновь совпадали. Благодаря наблюдению восхода Сириуса во время гражданского Нового Года в 139 г.н.э., египетский календарь привязан к римскому и, таким образом, к христианскому календарю. Традиционная запись восхода Сириуса в определенный день календаря в седьмом году правления Сенусерта III датирует это событие 1870 6 г. до н.э. Возникновение первой династии можно датировать на основании списков правителей Египта 3000 г. до н.э. с ошибкой около 100 лет. В Месопотамии также применяли астрономический календарь, хотя и не со столь раннего времени. Доисторическая хронология Средиземноморья и Европы может быть стратиграфически привязана к этим древним календарям.
В течение долгого времени доисторические этапы развития и ледниковые периоды, находящиеся за пределами этих исторических астрономических календарей, рассматривались как практически неподдающиеся количественному рассмотрению. С развитием радиоуглеродного метода, появившегося в 1950-е годы, возник обширный банк данных, охватывающий последние 30 тыс. лет. На основании 14С датировок целый ряд археологических концепций подвергся революционному пересмотру (Renfrew 1976). Например, как мы теперь знаем, производство керамики в центральной Европе, возникшее в определенной связи с переходом человечества к оседлому образу жизни в неолите, началось не в начале 3-го тысячелетия до н.э., как считали ранее, на основании сравнительной стратиграфии, а уже во 2-й половине 6-го тысячелетия. Получению значений 14С возраста, безусловно, способствовало проведения калибровок по годичным кольцам роста деревьев. Вслед за этим в 1950-е годы на сцену выходит K-Ar метод определения возраста. Этот метод позволяет датировать горизонты тефры древнее нескольких сотен тысяч лет. Существующий зазор между этими двумя методами, включающий в себя средний палеолит, равно как и значительную часть раннего палеолита – т.е. средний и верхний плейстоцен, сохранялся в течение долгого времени. В последние несколько десятилетий были созданы новые разнообразные методы датирования, которые пытаются перекрыть этот временной пробел. Эти новые многообещающие методы в настоящее время находятся в состоянии активного развития.
Для измерения времени можно использовать физические и химические процессы, зависящие от времени, которые приводят к количественно измеримым изменениям в исследуемой системе. При этом необходимо знать характер временной зависимости отдельных процессов. Еще одним предварительным условием определения возраста какого-либо геологического или археологического события является четкая связь между этим событием и началом, зависящего от времени, процесса, т.е. часы должны быть синхронизованы. В частности, для целей датирования используется радиоактивность, представляющая собой процесс, явно зависящий от времени. Среди радиоактивных нуклидов выделяют первичные нуклиды, существующие, по крайней мере, с момента образования Земли; нуклиды, возникшие в рядах радиоактивного распада; и космогенные нуклиды. Кроме того, для хронометрии представляют интерес: кинетика химических реакций, вариации магнитного поля Земли и процессы, вызываемые изменениями климата. Именно такому подразделению зависящих от времени процессов и следует настоящая книга.
Термин археохронометрия относится к целому комплексу физических и химических методов датирования, охватывающих период двух последних миллионов лет и применяющихся для решения археологических и геологических проблем. Следует подчеркнуть, что в этом контексте термин «хронометрия» является более предпочтительным, чем часто используемый термин «хронология», поскольку хронология относится к связям между стратиграфическими свидетельствами существования тех или иных событий и хронометрически устанавливаемыми значениями возраста (Bowen 1978; Harland et al. 1990). Это соотношение выражается формулой:
Стратиграфия хронометрия хронология.
Кроме подразделения, основанного на использовании физических или химических явлений, иногда можно различать методы относительного и абсолютного датирования. При стратиграфическом подходе осуществляется относительное датирование, которое позволяет говорить о том, что данный пласт древнее, имеет тот же возраст или моложе, чем другой. С другой стороны, использование термина методы определения абсолютного возраста в действительности не совсем верно, поскольку существуют неопределенности, связанные с каждым из них. Поэтому в дальнейшем он употребляться не будет. Вместо этого будут употребляться такие термины как хронометрическое, численное или количественное датирование. Кроме того, следует различать методы датирования, не зависимые от других методов определения возраста, и зависимые. Например, термолюминесцентный метод датирования является независимым, тогда как археомагнитный метод – зависимый, поскольку требует калибровки временных вариаций магнитного поля Земли. С другой стороны, существуют методы, которые могут употребляться и как зависимые, и как независимые. Например, в случае гидратационного метода датирования обсидиана скорость гидратации может быть установлена либо экспериментальным путем, либо выведена из известных значений возраста.
1.1 Терминология: возраст и дата
Хронометрический возраст определяется как промежуток времени в годах между определенным геологическим или археологическим событием в прошлом и определенным моментом времени в настоящем. Обычно определяемый возраст соотносится с моментом его измерения. Поскольку между моментом измерения и настоящим моментом существует некоторый промежуток времени, его, строго говоря, следует прибавлять к измеренному значению возраста, если возраст относится к определенной дате. Это означает, что с момента измерения и до публикации данных возраст датируемого события ежегодно возрастает на один год. Такой подход к определению возраста события, однако, не имеет никакого значения для геохронологии, поскольку временной интервал между измерением и настоящим моментом совершенно незначителен по сравнению с ошибкой определения возраста. Например, не имеет значения, стало ли известно, что импактный кратер Нордлингер Рис (Nördlinger Ries) образовался 15,1 0,5 млн. лет назад непосредственно в год публикации этого сообщения (Gentner et al. 1961), или только в 1997 году, с задержкой на 0,000036 млн. лет. В отличие от этого, для более близких к нам периодов времени, охватывающих голоцен с развитием в нем культур нового каменного века и культур обработки металлов, ошибки определения возраста могут быть сопоставимыми или меньше, чем время, прошедшее с момента определения возраста. Например, точность утверждения, что дендрохронология позволяет определять значения возраста в последние 9928 лет с точностью до 1 года на основании результатов исследования дубов южной Германии (Becker et al. 1991), зависит от года измерения последнего древесного кольца, в данном случае это 1990 год. В конце 2002 года эта хронология должна учитывать дополнительные 12 лет, то есть отсчет времени начинается уже 9940 лет назад, по числу годичных колец древесины (7938 колец периода до новой эры и 2002 кольца периода новой эры). В таких случаях не совсем удобно говорить о точном возрасте, который достоверен только по отношению к году публикации соответствующей статьи.
Можно избежать этих трудностей, относящихся к малым значениям возраста, если приводить вместо возраста события точно привязанную к календарю его дату. При этом такая дата становится численно независимой от господствующей в это время точки зрения. По этой причине, например, паспорт не указывает точный биологический возраст того или иного человека, а лишь дату его рождения. Эти даты приводятся в виде года “BC” (Before Christ – до рождества Христова) – года до новой эры или “AD” (Anno Domini – после рождества Христова) – года новой эры. В случае примера с дендрохронологией, приведенного выше, отсчет колец ведется назад в прошлое, до 7938 года до н.э. Следует иметь в виду, что в календаре года 0 не существует, и что отдельное годичное кольцо соответствует точно определенному календарному году, независимо от того, проводился ли этот подсчет в 1990 или в 1998 году.
До сих пор подразумевалось, что годы, полученные хронометрическими методами, и солнечные годы равны друг другу по своей длительности. Это нельзя применять ко всем методам определения возраста, потому что существуют некоторые их свойства, которые могут сделать это допущение несостоятельным. Например, в 14С методе нужно различать радиоуглеродный год и календарный. Основанные на изменении содержания 14С в атмосфере радиоуглеродные годы могут, очевидно, быть короче или длиннее, чем календарные. Поэтому 14С значения возраста нуждаются в калибровке. По договоренности радиоуглеродные значения возраста приводятся как число лет до настоящего времени. Календарный год, вычисленный с помощью калибровки из радиоуглеродного года, помечается символом “cal” и приходится либо как дата “cal AD” (календарный г. н. э.) или “cal BC” (календарный г. до н. э.), соответственно, либо как возраст “cal BP”. Пометка “BP” (before present – от настоящего времени) определяет “настоящее время” как 1950 г.н.э. и часто применяется также (помимо 14С значений возраста) при упоминании дендрохронологических возрастов и значений возраста, вычисленных по ленточным глинам и по ледовым слоям. Приведение значения возраста с пометой «до настоящего времени» приводит к недопониманию, если его некритично применяют к другим методам датирования. Следует подчеркнуть, что термин «до настоящего времени» не означает «настоящее» в своем истинном смысле, а относится к условно принятому в таком качестве 1950 году, примерно соответствующему моменту зарождения современных хронометрических методов. Такое дополнение было принято в связи со специфическими трудностями, присущими радиоуглеродному методу. Следовательно, все эти рассуждения оправданы только в случае 14С значений возраста и при возрастных сопоставлениях с ними. Приведение значений возраста, относящихся к действительно настоящему – т.е. «сегодняшнему» - времени, не было бы удобным, поскольку они будут постоянно увеличиваться во времени. Ситуация становится особенно конфузной, если “BP” без особой нужды относится к иному году, чем 1950, как например к 1990 году в работе Джонсена (Johnsen et al. 1992). Во избежание подобных проблем можно порекомендовать представлять данные о молодом возрасте (12 тыс. лет) в виде календарных дат (до н.э./н.э.).
1.2 Естественная радиоактивность – физическая основа датирования
Физическое явление радиоактивности является основой хронометрических исследований в геологии и археологии. Ее скорость определяется только свойствами ядер и потому не зависит от параметров среды, таких как температура, давление и химический состав. В этом заключается уникальное преимущество таких методов определения возраста по сравнению с другими, зависящими от времени, процессами, используемыми в качестве «часов». Со времени открытия в 1896 году Анри Беккерелем радиоактивность постепенно привела к поистине революционным изменениям в геологической и доисторической временных шкалах. Сначала в геологии (Holmes 1937), а затем и в археологии (Renfrew 1976). В связи с важностью этого явления представляется уместным изложить здесь некоторые основы теории радиоактивности.
Природное вещество состоит из химических элементов. Элемент представляет собой химическую субстанцию, состоящую из атомов с характерным количеством протонов – атомный номер – в ядре. Например, все атомы элемента углерода (символ С) имеют 6 протонов. В электрически нейтральном состоянии ядро окружено равным атомному номеру числом электронов, поскольку обладающие положительным зарядом протоны и отрицательно заряженные электроны компенсируют друг друга. Электроны вращаются вокруг ядра и образуют электронную оболочку. Если в оболочке наблюдается дефицит или избыток электронов, то атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион, соответственно.
Помимо протонов в ядре находятся также нейтроны, которые обладают почти такой же массой как протоны, но не несут электрического заряда. Сумма протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом атома. Массовое число указывается как цифра слева вверху от символа элемента, тогда как атомный номер иногда приводится в виде цифры слева внизу от него. Например, нуклид обладает 6 протонами и 8 нейтронами и, таким образом, его массовое число равно 14. Простая запись 14С также вполне достаточна, поскольку элемент углерод уже был определен как элемент с атомным номером 6.
Изотопы представляют собой два или более нуклида, относящихся к одному и тому же элементу, т.е. они имеют одинаковое число протонов, но отличаются друг от друга числом нейтронов. Например, три изотопа углерода 12С, 13С и 14С обладают 6 протонами, но 6, 7 или 8 нейтронами, соответственно. Поскольку изотопы относятся к одному и тому же элементу, они характеризуются почти одинаковыми химическими, но не физическими свойствами.
Различают нуклиды стабильные и радиоактивные. Радиоактивные нуклиды спонтанно распадаются с превращением в нуклиды другого элемента – это явление называется радиоактивностью. Другими словами, радиоактивный материнский элемент распадается с образованием дочернего радиогенного нуклида.
Радиоактивность представляет собой статистический процесс. Его количественное рассмотрение требует достаточно большого количества радиоактивных нуклидов N, поскольку невозможно предсказать то событие, в котором единственное ядро распадется. Активность dN/dt (измеряемая в Беккерелях Бк [с-1]) определяется, как доля dN нестабильного нуклида N (с исходным количеством атомов N0), распадающегося в течение промежутка времени dt с образованием стабильных дочерних атомов D (=N0 - N)
dN / dt = - N = - ln 2/ t1/2 N, (1)
где [л-1] – константа распада, а t1/2 [л] – период полураспада ( = 0,693/ ).
Интегрируя это уравнение, получаем (рис. 2)
N /N0 = e-t (2)
и, подставляя (N0 – D) вместо N,
D /N0 = 1 - e-t , (3)
а (DN) вместо N0
D /N = et – 1 . (4)
Возраст t [лет] может быть рассчитан (в зависимости от того, что известно – N0, N или D) , с помощью следующих уравнений:
T = 1/ ln (D/N 1) (5)
T = 1/ ln (N0/N) (6)
Использование радиоактивности для определения возраста заранее предполагает, что ни материнский, ни дочерний нуклид не исчезают и не появляются иначе как в результате самого процесса радиоактивного распада, т.е., говоря другими словами, при условии существования закрытой системы.
Рис. 2. Распад радиоактивного материнского нуклида (количество N) с образованием радиогенного дочернего нуклида (количество D). Количество N – нормализованное на его исходное количество N0 – убывает экспоненциально со временем (выраженном в периодах полураспада t1/2), тогда как D возрастает точно в той же мере; отношение D/N экспоненциально увеличивается.
Отношение нуклидов
Время (в периодах полураспада)
Различают несколько типов радиоактивного распада (Рис.3), при этом в некоторых нуклидах, например 40K, одновременно могут сосуществовать два типа распада (механизм двойного распада):
• Альфа-распад: распад с испусканием -частицы, представляющей собой ядро 4He
.
• Бета-распад: распад с испусканием --частицы, представляющей собой электрон e- , в то время как нейтрон превращается в протон
.
• Электронный захват: распад с захватом внеядерного электрона, вращающегося по самой внутренней электронной орбите (K-оболочка), с превращением одного протона ядра в нейтрон
.
К аналогичному эффекту приводит -распад, при котором испускается одна -частица, т.е. один позитрон e
.
• Спонтанное деление: распад с образованием двух тяжелых нуклидов и 2–3 нейтронов n (например: ).
Большинство типов радиоактивного распада сопровождается испусканием гамма–лучей (электромагнитное излучение высокой энергии, соответствующее ядерным переходам) с характерными дискретными линиями (спектром).
Рис. 3. Для радиометрического датирования используют четыре типа естественной радиоактивности: -распад, электронный захват и спонтанное деление (белое: нейтроны, черное: протоны).
-распад
-распад
электронный захват
электрон из K-оболочки
спонтанное деление
Иногда дочерний радиогенный нуклид также нестабилен и в свою очередь распадается. Если несколько таких радиоактивных дочерних нуклидов образуются друг за другом, то формируется цепочка распада, заканчивающаяся в итоге образованием стабильного конечного звена. Так происходит, например, в цепи распада, начинающейся с 238U и заканчивающейся 206Pb, включающей в себя несколько ступеней - или -распада. В таких цепочках распада по прошествии некоторого времени устанавливается равновесие между скоростью образования и распада промежуточных членов (радиоактивное или вековое равновесие), при котором активность dN/dt всех радиоактивных членов N1, N2, N3 и т.д. становится одинаковой:
1N1 = 2N2 = 3 = … и т. д. (7)
В природе встречаются различные виды радиоактивных нуклидов, и многие из них могут быть использованы для хронометрии (Таблица 1). В зависимости от происхождения, нуклиды можно подразделить на разные категории, однако некоторые из них могут образоваться в результате нескольких из этих процессов:
Таблица 1. Нуклиды, используемые в хронометрии четвертичного периода
Элемент Нуклид Происхождение Тип распада Энергия Период
кэВ полураспада
Водород 3Н Космогенное - 18,6 12,43 лет
Антропогенное
Гелий 3Не Космогенное Стабильный
Бериллий 10Ве Космогенное - 555 1,51 млн. лет
Углерод 14С Космогенное - 158 5730 лет
Неон 21Ne Космогенное Стабильный
Алюминий 26Al Космогенное 1170 705 тыс. лет
Кремний 32Si Космогенное - 100 140 лет
Хлор 36Cl Космогенное - 714 301 тыс. лет
Аргон 39Ar Космогенное - 565 269 лет
Калий 40K Первичное - 1330 1397 млн. лет
ЭЗ 1460 11930 млн. лет
Кальций 41Ca Космогенное ЭЗ 427 103 тыс. лет
Криптон 81Kr Космогенное ЭЗ 276 210 тыс. лет
Свинец 210Pb Радиогенное - 17 22,3 лет
Радий 226Ra Радиогенное 4784 1,60 тыс. лет
228Ra Радиогенное - 39 5,75 лет
Торий 230Th Радиогенное 4688 75,4 тыс. лет
232Th Первичное 4012 14050 млн. лет
Протактиний 231Pa Радиогенное 5012 32,8 тыс. лет
Уран 234U Радиогенное 4775 245 тыс. лет
235U Первичное 4400 704 млн. лет
238U Первичное 4197 4468 млн. лет
СД 2105 8,21015 лет
– альфа; - – электронный бета; – позитронный бета; ЭЗ – электронный захват; СД – спонтанное деление.
• Первичное происхождение: нуклид все еще сохраняется с момента нуклеосинтеза, и, таким образом, он появился раньше, чем образовалась Земля (например: 40K). Такие нуклиды, следовательно, имеют очень большие периоды полураспада.
• Радиогенное происхождение: нуклид образуется радиогенным путем в цепях распада урана и тория (пример: 231Pa). Эти нуклиды имеют периоды полураспада менее 250 тыс. лет.
• Космогенное происхождение: нуклид образуется в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой или поверхностью Земли (пример: 14С). Космогенные нуклиды имеют различные периоды полураспада.
• Антропогенное (техногенное) происхождение: нуклид образуется на атомных электростанциях и при ядерных взрывах (пример: 3Н).
• Нуклеогенное происхождение: нуклид образуется в ядерных реакциях, индуцированных нейтронами, образующимися в природных (, n) реакциях (пример: 26Al).
1.3 Погрешности: разрешение и точность
Приборы и люди, участвующие в проведении физических экспериментов, несовершенны. Поэтому каждое измерение обладает некоторой погрешностью. Измеренная величина x представляет собой только некоторое приближение к искомой, истинной величине, являющейся и остающейся неизвестной. Возможное отклонение измеренной величины от ее истинного значения оценивается через погрешность или “ошибку” измерения. Погрешность определяет интервал от (x- ) до (x + ) в окрестностях измеренного значения x, так что истинное значение величины x находится с некоторой заданной вероятностью внутри этого интервала (доверительного интервала). Погрешность, следовательно, является неотъемлемой и обязательной составляющей сообщаемых результатов измерений в виде х . Строго говоря, возраст без указания ошибки определения имеет нулевую вероятность. Очевидно, не имеет смысла приводить данные о возрасте без указания их погрешности.
Следует различать два вида возможных ошибок: случайную и систематическую погрешности (рис. 4). Случайная погрешность вызывается случайными неточностями при снятии показаний с измерительного прибора и статистическими процессами, такими, например, как радиоактивный распад. Случайные ошибки выявляются путем повторения измерений одного и того же явления, результаты которых группируются статистически вокруг центрального значения. Случайные ошибки характеризуют разрешение (или воспроизводимость), т.е. высокое разрешение и хорошая воспроизводимость предполагают небольшую случайную ошибку. Случайная ошибка оценивается из статистики единичных наблюдений. С другой стороны, систематические ошибки могут быть вызваны недостатками измерительной аппаратуры, влиянием окружающей среды и неадекватностью персонала, проводящего измерения. Всякая систематическая ошибка влияет на отдельные измерения в одном и том же направлении и с одинаковой степенью и, следовательно, не может быть распознана при повторных наблюдениях. Систематические ошибки обычно бывает трудно идентифицировать и количественно оценить. Они характеризуют достоверность (корректность, правильность, надежность) измерения. Высокая достоверность предполагает существование небольших систематических ошибок. Измерение может иметь низкое разрешение и большую достоверность, и, напротив, иметь высокое разрешение и малую достоверность. В обоих случаях результат будет неточным. Термин точность включает в себя и разрешение и достоверность (рис. 4), а общая ошибка измерения вычисляется как
(8)
Смешение понятий точность, достоверность и разрешение в хронологической литературе часто вызывает недоразумения. Например, высокое разрешение некалиброванных, обычных 14С значений возраста часто ошибочно принимается за точность. Но, несмотря на высокое разрешение, эти значения возраста не являются точными в связи с колебаниями содержания 14С в атмосфере в прошлом, и они становятся таковыми (точными) только после введения поправки с учетом дендрохронологических данных (калибровки). [Как показывает приведенный автором пример, иногда систематические ошибки могут быть выявлены и затем либо учтены, либо скомпенсированы. В таком случае они перестают быть неизвестными оцениваемыми погрешностями, входящими в формулу (8), а становятся просто параметрами измерения. – Прим. ред.] Напротив, термолюминесцентные значения возраста обычно бывают достоверными, но по различным физическим причинам имеют низкое разрешение.
Рис. 4. Следует различать случайные и систематические ошибки измерения. Достоверность (или правильность) означает незначительные систематические отклонения (внизу). Высокое разрешение означает хорошую воспроизводимость (справа). Точность включает в себя и воспроизводимость и правильность. Результат может быть достоверным, но иметь плохое разрешение или малодостоверным, но иметь хорошую воспроизводимость; однако, в обоих случаях он будет все же неточным.
Достоверность (систематическая ошибка)
высокая низкая
Разрешение (случайная ошибка)
высокое низкое
Ошибки, приводимые при публикации хронометрических данных, чаще всего представляют собой воспроизводимость, говоря другими словами, ошибка , указываемая в публикации, может относиться только к . В некоторых случаях обсуждаются также и систематические ошибки, но, как указывалось раньше, часто их вряд ли можно правильно оценить. В общем случае о качестве опубликованных аналитических данных можно судить по той степени тщательности, с которой авторы комментируют возможные различные источники ошибок своих измерений. В любом случае следует приводить достаточное количество информации, чтобы было ясно, какие из случайных и систематических ошибок принимались во внимание, а какие нет. Только для небольшого числа методов датирования существуют стандартизированные методики расчета и представления данных об ошибках измерения. Они существенно облегчают оценку и сопоставление приводимых данных.
Вычисление случайной ошибки требует, чтобы переменная x описывалась определенным статистическим распределением. В практике применения методов датирования наибольшее значение имеет гауссово (нормальное) распределение. В этом одномодальном распределении случайные наблюдения, скажем многократно повторенные определения возраста t, распределяются симметрично в виде колокола вокруг максимального значения (рис. 5). Для того чтобы проверить гипотезу о том, что серия реальных данных соответствует гауссову распределения, применяют критерий 2 (критерий хи-квадрат) (напр., Ward and Wilson, 1978). В качестве примера можно указать, что значения возраста, полученные методом треков деления для отдельных когенетичных зерен циркона из одного и того же горизонта туфов, должны показывать гауссово распределение относительно времени извержения. Если эти туфы дополнительно содержат какую-то часть детритовых зерен циркона со значительно более высокими значениями возраста, отдельные значения возраста характеризуются бимодальным распределением. Применение критерия 2 в таком случае выявит несоответствие с одномодальным гауссовым распределением.
Рис. 5. Гауссово или нормальное частотное распределение (колоколообразная кривая) случайных событий, например результатов многократных измерений возраста ti, вокруг среднего арифметического значения . Стандартное отклонение является мерой разброса единичных результатов ti . Истинная величина t попадает в интервал между - и + с вероятностью 68,3 % и между -2 и +2 с вероятностью 95,4 %.
Частота
Возраст
В случае гауссова распределения результатов измерений, доверительный интервал (погрешность) в окрестности среднего значения определяется стандартным отклонением среднего (строго говоря, ), выводимым из величины стандартного отклонения r. Эта последняя величина является мерой разброса единичных значений x¬¬i. Если измерение повторяется n раз, то вычисляется как
. (9)
Стандартное отклонение рассчитывается по формуле
. (10)
А стандартное отклонение среднего как
. (11)
Отношение / носит название относительной ошибки.
Отсчеты случайных дискретных событий, таких как радиоактивный распад, подчиняются распределению Пуассона. Такое частотное распределение применяется в случаях, когда вероятность события мала, а число испытаний n велико. Средняя величина рассчитывается как
. (12)
где N -- общее число подсчитываемых событий. Стандартное отклонение r равно
, (13)
стандартное отклонение среднего, как и раньше, равно
. (14)
а относительная ошибка / равна
(15)
Как уже указывалось, систематическая ошибка не может быть ни оценена, ни улучшена путем повторения числа измерений. В практике датирования обычно для характеристики доверительного интервала используют величину одного стандартного отклонения среднего, т.е. 1 (в большинстве случаев не 1 , а 1 ) от среднего значения возраста . В этом случае ожидается, что с вероятностью 68,3% истинное значение возраста находится в интервале от ( - ) до ( + ), т.е. вероятность того, что истинное значение находится вне этого интервала, составляет все еще примерно 1/3. Если удвоить , то с вероятность 95,4 % ожидается, что истинный возраст находится в интервале от ( -2 ) до ( +2 ), а если утроить, то с вероятностью 99,7 % в интервале от ( -3 ) до ( +3 ).
Вместо среднего арифметического (9) нескольких значений xi часто предпочитают приводить средневзвешенное значение , особенно если отдельные значения xi обладают разными стандартными отклонениями i . Это делается для того, чтобы придать больший вес значениям xi, определенным с большей точностью. Средневзвешенное значение рассчитывается в соответствии с
, (16)
а его случайная ошибка рассчитывается из отдельных случайных ri
, (17)
и, если можно оценить отдельные систематические ошибки si, полная систематическая ошибка рассчитывается по формуле:
(18)
При сопоставлении различных значений возраста друг с другом говорят, что они значимо отличаются друг от друга, если их 2 - доверительные интервалы не перекрываются.
Пример 1. Два образца футеровочной обожженной глины, взятые из средневековых печей в Любеке (Lübeck), были датированы термолюминисцентным методом, при котором определялся возраст как тонкозернистых фракций, так и фракций кварца; всего было получено четыре ТЛ значения возраста (Wagner 1980c). Приведенные в таблице 2 данные указывают, что между единичными значениями возраста ti нет значимых различий, поскольку они согласуются друг с другом в пределах 2r. Совместная обработка всех единичных значений возраста с использованием выражений (16) - (18) приводит к средневзвешенному значению возраста = 779 лет со случайной ошибкой 21 год (1 ) и систематической ошибкой 70 лет (1 ). В соответствии с выражением (8) точность определения возраста равна 73 года (1 ) или, выраженная как относительная ошибка (11), 9,4%. Значение ТЛ возраста этих объектов было получено в 1979 году, так что ТЛ дата равна 1200 73 г. н. э. Истинный возраст постройки этой печи с вероятностью 68,3 % находится в интервале между 1127 и 1273 г.н.э., и с вероятностью 95,4 % между 1054 и 1346 гг. н. э.
Таблица 2. Термолюминесцентный возраст средневековой печи из Любека,
Германия
Образец Фракция Возраст ti Стандартное Средний возраст (лет)
(лет) отклонение (лет) и ошибка его
ri si i определения (лет)
( )
К179 Т тонкозернистая 836 35 63 72
Кварц 721 43 80 91
779 ( 21 70 73)
К180 Т тонкозернистая 733 36 68 77
Кварц 830 85 76 114
Пример 2. Подвергавшийся нагреву обсидиановый артефакт (образец 075 Е) из стоянки Сьерра Эль Инга (Sierra El Inga), Эквадор, был датирован трековым методом (Miller and Wagner 1981). Всего было обнаружено 70 треков спонтанного (общее число N) и 2500 (общее число N) треков индуцированного деления. Поскольку частота треков деления подчиняется распределению Пуассона, относительные ошибки среднего этих подсчетов согласно выражению (15) равны 12 и 2%, соответственно. Возраст, определяемый методом треков деления, выводится из соотношения треков спонтанного деления и индуцированных треков, и, таким образом, ошибка его определения рассчитывается из этих величин по правилу накопления ошибок, имеющему ту же самую форму, как и (8). Результат равен 2060 лет 12,2 % ( / ) или 2060 250 лет ( ), т.е. с вероятностью 68,3 % истинный возраст нагрева этого артефакта находится в интервале 1810–2310 лет или, выраженный в виде даты, между 310 и 170 гг. н. э.
Как и в физических измерениях при получении абсолютного значения возраста нельзя избежать погрешностей, которые потом становятся частью аналитического исследования. Конечно, исследователь будет всегда стараться контролировать свои ошибки. С другой стороны, требуемое временное разрешение в определении возраста для приложений геологии или археологии может оказаться за пределами возможностей применяемого метода. Поэтому всегда можно посоветовать лицам, заинтересованным в получении возрастной информации, прежде чем проводить отбор проб и отсылать их в лабораторию, вступить в диалог со специалистом в области датирования. Это позволит избежать недопонимания и ненужного возбуждения.
1.3 Классификация четвертичного периода
Четвертичный период охватывает последний период истории Земли длительностью почти два миллиона лет. По международному соглашению в качестве границы плиоцена и плейстоцена была определена стратотипическая толща вблизи Кротоне (Crotone) в Калабрии, Италия, залегающая в основании гомогенных аргиллитовых осадков, согласно перекрывающих сапропелевый пласт Е (Aquirre and Pasini, 1985). Такое изменение фации осадков указывает на переход к более холодному климату. По данным магнитостратиграфии эта граница почти точно совпадает с окончанием подъяруса Олдувай (Olduvai) 1,8 млн. лет назад (Hilgen 1991; McDougall et al. 1992). Следует отметить, что существует и альтернативная точка зрения, согласно которой граница плиоцена и плейстоцена относится к первому периоду похолодания климата, имевшему место неподалеку от перехода Гаусс (Gauss) – Матуяма (Matuyama) 2,6 млн. лет назад (Azzaroli et al.1988; Hilgen 1991; Partridge 1997). Четвертичный период подразделяется на плейстоцен, называемый также ледниковый период, и голоцен – послеледниковый период, охватывающий 11,5 тыс. лет (Johnsen et al. 1992; Goslar et al. 1995; Björk et al. 1996; Spurk et al. 1998) и продолжающийся до настоящего времени. Плейстоцен, в свою очередь, подразделяется на нижний, средний и верхний плейстоцен, границы которых определяются переходом Матуяма – Брюнес (Brunhes) 778 тыс. лет назад (Singer and Pringle 1996; Tauxe et al. 1996) и началом стадии 5е на кривой изменения изотопного состава кислорода морской воды (эквивалент начала эемского (Eemian) межледникового периода) 128 тыс. лет назад (Edwards et al. 1986/87). Голоцен может быть подразделен на основании данных пыльцевого анализа.
В дополнение к этому геологическому подразделению четвертичного периода, основанному на определяемых климатом лито-, педо-, морфо- и биостратиграфических характеристиках отложений, существует возможность археологического подразделения, основанного на материалах и технике производства различных артефактов. Ранний палеолит охватывает период до конца предпоследнего оледенения приблизительно 128 тыс. лет назад. Сменяющий его средний палеолит длился в Европе примерно до 40 тыс. лет назад. Идущий вслед за ним поздний палеолит продолжался до окончания последнего ледникового периода 11,5 тыс. лет назад. И мезолит, и неолит относятся к послеледниковому периоду, в течение которого неолит с его культурой линейно-ленточной керамики начался в центральной Европе примерно в 5500 г. до н. э. В этом регионе самые ранние изделия из меди появились примерно в 4000 г. до н. э., еще в неолите. Бронзовый век в этом регионе начался примерно в 2300 г. до н. э., сменившись железным веком около 850 г. до н. э.
Описанное выше геологическое и археологическое подразделение четвертичного периода представлено в обобщенном виде в таблице 3. Следует отметить, что последовательность отдельных эпох была установлена стратиграфически и/или типологически на основании анализа артефактов. Временные шкалы построены на основании физических, а для последних 12 тыс. лет главным образом на основании дендрохронологических методов датирования. Поскольку эпохи, выделяемые стратиграфически или типологически, могут быть сдвинуты во времени при переходе от одного региона к другому (например, послеледниковый период начался в центральной Европе раньше, чем в Скандинавии, а бронзовый век начался в Эгейском регионе раньше, чем в Центральной Европе), установленная последовательность событий верна лишь для определенных регионов, в данном случае для Центральной Европы.
Таблица 3. Геологическое и археологическое подразделение четвертичного периода в центральной Европе
[первые 3 колонки]
Система Время (млн. лет) Подразделение
Четвертичная Верхний плейстоцен
Третичная Средний плейстоцен
Нижний плейстоцен
Плиоцен
[колонки 4-6]
Время (тыс. лет) Стадия Археологические стадии
голоцен мезолит и неолит
верхний плейстоцен поздний палеолит
вюрм (вейхзель) верхний палеолит
ледниковая магдален
рисс/вюрм (эем) солютрэ
межледниковая граветтий
нижний плейстоцен ориньяк
рисс (зааль) средний палеолит
ледниковая стадия искривленных
наконечников стрел
шательперрон
мустье
микокская
нижний палеолит
ашельская
стадия галечниковых культур,
[колонки 7-9]
Время [тыс. лет] Хронозоны Археологические стадии
поздний голоцен железный век
субатлантическая бронзовый век
средний голоцен неолит
суббореальная мезолит
атлантическая поздний палеолит
ранний голоцен магдален
бореальная
пребореальная
поздний вюрм
поздний дриас
аллерёд
ранний дриас
бёллинг
Подразделение четвертичного периода на основании изучения континентальных осадков является проблематичным, поскольку четвертичные стратиграфические разрезы имеют перерывы во времени и пространстве (рис. 6). К счастью, существует значительно более полная хронология четвертичного периода, основанная на изучении глубоководных осадков. В отличие от континентальных отложений осадки глубоководной части океана образуются непрерывно во времени и равномерно на большой площади, позволяя проводить крупномасштабные стратиграфические корреляции. Существуют две чрезвычайно важных характеристики, которые позволяют проводить глобальные корреляции глубоководных осадков; это изотопный состав кислорода и направление палеомагнитного поля. Изменяющийся изотопный состав кислорода раковин фораминифер в этих осадках наследует состав океанской воды, который отражает глобальные изменения объема льда и, таким образом, тесно связан с глобальными флуктуациями климата в течение четвертичного периода (раздел 10.2). Изменения направления палеомагнитного поля, вызванные изменениями полярности магнитного диполя Земли, фиксируются глубоководными осадками. Поскольку обращения магнитного поля происходят повсеместно и в одно и то же время, палеомагнетизм является замечательным средством стратиграфических исследований (глава 9). Так как континентальные отложения также фиксируют изменения полярности, магнитостратиграфия позволяет увязывать между собой континентальную и глубоководную хронологию.
Рис. 6. Схематическое сопоставление морских и континентальных четвертичных отложений. Последовательно образующиеся слои осадков (1 - 5) в глубоководных участках моря непрерывны, тогда как их хронологические эквиваленты на континенте характеризуются временными и пространственными перерывами.
морские четвертичные отложения
пространственно протяженные,
непрерывные во времени,
континентальные четвертичные отложения
пространственно изолированные,
прерывистые во времени