Брайан Фаган - Археология. В начале

Рис. 7.15. Датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии дая радиоуглерода. Сначала ионизированные атомы углерода из образца отправляются в виде пучка в ускоритель. Когда пучок проходит через первый отклоняющий магнит, то более легкие атомы поворачиваются резче, чем тяжелые. Они движутся к внутренней части расходящегося пучка, где фильтр блокирует дальнейшее движение всех заряженных частиц, за исключением тех, чья атомная масса равняется 14. Когда пучок входит в ускоритель, от него отделяются все молекулы с массой 14, которые могут быть неразличимы от атомов углерода-14. Ускоритель разгоняет оставшиеся ионы через второй отклоняющий магнит, еще раз отфильтровывая неуглеродные-14 частицы. Прежде чем достичь чрезвычайно чувствительного детектора, подсчитывающего количество оставшихся ионов, пучок вновь фокусируется. Источник: Брюс Смит. Возникновение земледелия. Bruce Smith, The Emergence of Agriculture. © Bruce D. Smith

Радиоуглеродные даты имеют свои пределы — около 40 000 лет, а это означает, что они пригодны для датирования всех важных событий позднего ледникового периода и более современных времен. Более раннюю предысторию датировать намного труднее, потому что для тех значительных временных периодов, превосходящих ледниковую эпоху, пока отсутствуют надежные методы датирования. Калий-аргоновый метод датирования (от древнейших времен до 50 000 лет назад)

Единственным практически осуществимым методом хронометрической датировки древнейших археологических памятников является калий-аргоновый метод (Дэлримпл и Лэмфер — Dalrymple and Lamphere, 1970). Геологи используют этот радиоактивный метод для датирования возраста земли по породам возрастом от 50 0000 до 2 миллиардов лет.

К счастью, многие древние поселения в Старом Свете находятся в вулканических областях, где в изобилии имеются такие отложения, как потоки лавы и вулканический туф. Первой археологической датой, полученной с помощью этого метода, является ущелье Олдувай в Танзании, где Луис и Мэри Лики в озерном ложе неизвестного возраста обнаружили целый череп австралопитека (Australopithecus boisei), каменные инструменты, кости животных. Образцы лавы из этого памятника были датированы приблизительным возрастом в 1,75 миллиона лет, тем самым была удвоена предполагаемая тогда дата появления первых людей (Tobias, 1971). Каменные отщепы и рубящие инструменты, несомненно сделанные человеком, были найдены в Кооби Фора в Северной Кении, калийная датировка определила возраст этих самых древних человеческих артефактов в 2,6 миллиона лет. Еще более ранней датой приблизительно в 4,5 миллиона лет с помощью того же метода были датированы окаменелости Australopithecus в Арамисе возле Хадара в Эфиопии. Группа ученых из Беркли с помощью нового метода лазерного ядерного синтеза (Суишер и другие — Swisher and others, 1994) датировали слои со следами Homo erectus в Моджокерто в Юго-Восточной Азии в 1,8 миллиона лет. Принципы калий-аргонового метода датировки и методики лазерного ядерного синтеза обсуждаются в соответствующей вставке.

Метод радиоуглеродного датирования основан на том факте, что космическое излучение порождает нейтроны, которые достигают земной атмосферы и вступают в реакцию с азотом. В результате получается углерод-14, изотоп углерода, в ядре которого находится не 6 нейтронов, как обычно, а 8. Из-за этих дополнительных нейтронов ядро становится нестабильным и подвергается постепенному радиоактивному распаду. Вильярд Либб подсчитал, что потребуется 5568 лет для того, чтобы половина углерода-14 распалась в любом объекте, это так называемый период полураспада. Это период сейчас подсчитан более точно и равняется 5730 годам. Либби обнаружил, что нейтроны испускают радиоактивные частицы, когда покидают ядро, и нашел способ для подсчета эмиссий на грамм углерода.

Считается, что с химической точки зрения углерод-14 ведет себя точно так же, как обычный углерод, и вместе с обычным углеродом он входит в реакцию с углекислым газом атмосферы. Скорость процесса соответствует скорости поступления и распада. Так как растительность строит свое собственное органическое вещество посредством фотосинтеза и использования атмосферной двуокиси углерода, то количество радиоуглерода в ней равняется имеющемуся в атмосфере. После того как организм умирает, радиоуглерод больше не участвует в процессе. Радиоуглерод, имеющийся в мертвом организме, продолжает медленно разрушаться, и спустя 5730 лет его останется только половина от первоначального количества, а через 11 000 лет — только четверть, и так далее. Таким образом, если измерить скорость распада углерода по сравнению с азотом, то можно получить представление о возрасте объекта. Первоначальное количество радиоуглерода в объекте настолько мало, что скоро достигается предел возможности обнаружить его. Объекты возрастом более 50 000 лет содержат совсем маленькие количества углерода-14.

Данные, полученные в лаборатории радиоуглеродного датирования для определенного образца, будут иметь такой вид: 3621+180 радиоуглеродных лет до настоящего времени. Цифра 3621 является возможным статистическим возрастом образца (в радиоуглеродных годах) до настоящего времени (за настоящее время принимается 1950 год н. э.). Отметим, что показания даются в радиоуглеродных, а не календарных годах. Для перевода показаний в хронометрическую дату требуются коррекция по годичным кольцам деревьев.

В радиоуглеродном возрасте присутствует дополнение «+180». Это стандартное отклонение, оценка возможной ошибки. Цифра в 180 лет является оценкой 360-летнего диапазона, в котором может находиться дата. В соответствии со статистической теорией имеется два шанса из трех, что корректная дата будет находиться в пределах промежутка одного стандартного отклонения (3441 и 3801). Если мы удвоим отклонение, то будет 19 шансов из 20, что промежуток (3261 и 3981) корректен. Большинство дат, приводимых в этой книге, получены в результате радиоуглеродного датирования и должны восприниматься именно тем, чем они являются на самом деле, — статистическими приближениями.

Точное датирование остатков прошлого остается одним из величайших вызовов археологии отчасти потому, что речь идет о гигантских хронологических шкалах, и также из-за того, что каждый археологический памятник является уникальным и существует очень много стратиграфических и иных переменных, воздействующих на формирование археологических слоев. В специальной литературе много описаний уже хорошо зарекомендовавших себя методов датирования, все еще находящихся в стадии эксперимента. Они или станут частью инструментария археологов, или канут в научное забвение (Айткен — Aitken, 1990). Вот некоторые из самых обычных методов датирования.

Калий является одним из самых распространенных элементов земной коры и имеется почти в каждом минерале. В своем естественном виде калий содержит небольшое количество радиоактивных атомов калия-40. Из каждых 100 распавшихся атомов калия-40 11 превращаются в аргон-40, инертный газ, который при формировании лавы и вулканических пород легко улетучивается из материала благодаря диффузии. По мере кристаллизации вулканических пород содержание аргона-40 падает практически до нуля. Но распад калия-40 будет продолжаться, и период полураспада равняется 1,3 миллиарда лет. С помощью спектрометра можно измерить концентрацию аргона-40, который аккумулировался после образования породы. Так как многие археологические памятники были заселены в тот период, когда имела место значительная вулканическая деятельность, особенно в Восточной Африке, то эти памятники можно датировать, если связать лаву с поселениями человека.

Калий-аргоновые даты были получены по многим вулканическим минералам, из которых самыми стойкими к диффузии аргона являются биотит, мусковит и санидин. Для исключения возможности загрязнения из-за рекристаллизации и других процессов образец породы необходимо подвергнуть микроскопическому исследованию. Образцы дробят для повышения концентрации, обрабатывают фтористоводородной кислотой для удаления атмосферного аргона. Затем из образца удаляются другие газы, газ аргон изолируется и подвергается масс-спектрографическому анализу. Далее, используя содержание аргона-40 и калия-40 и стандартную формулу, подсчитывается возраст образца. Полученная в результате дата имеет большое стандартное отклонение, для раннеплейстоценовых памятников оно составляет порядка четверти миллиона лет.