Александр Олейников - Геологические часы
С помощью углеродного метода можно определить время исторических событий, возраст древних построек, манускриптов, домашней утвари. Изучив разрез почвы на местах поселений первобытного человека, можно восстановить и проследить во времени историю жизни наших предков. Остатки золы древних кострищ, кости домашних животных и примитивные производственные орудия точно указывают сроки, когда человек покидал обжитые места. Костяные инструменты, наскальные рисунки, наконечники колющего оружия рассказывают о продолжительности стоянок.
Остатки костей, найденные вместе с кремневыми орудиями, позволили установить протяженность каменного века. А обнаруженные в еще более древних слоях скелеты неандертальцев дали возможность судить о начальных этапах эволюции человечества.
Но обо всем этом можно было узнать только по тем слоям, возраст которых не превышал 100 тыс. лет. В более ранних отложениях крайне редко удавалось найти древесный уголь - наилучший материал для радиоуглеродных определений, а если уголь и обнаруживали, то содержание радиоактивного изотопа углерода было в нем настолько низким, что не поддавалось измерению.
Углеродный метод завоевал множество сторонников. Кроме обширных коллекций, составленных при археологических раскопках, изучаются также многочисленные материалы, собранные геологами. Анализируются деревья погибших лесов, образцы торфа, раковины океанических животных. Проводятся и специальные контрольные опыты: определяется возраст деревянных изделий и древнейших погребений, которые уже датированы папирусами и летописями. Все эти исследования показывают, что цифры, полученные в лаборатории, обычно соответствуют истинному времени исторических событий.
Радиоуглеродный метод прочно вошел в практику геохронологических исследований. Первоначально с его помощью удавалось более или менее достоверно датировать только те отложения, возраст которых не превышал 20 тыс. лет. Сегодня же в массовом масштабе проводятся анализы, позволяющие осуществлять датирование в пределах последних 50-60 тыс. лет. А разработанные приемы обогащения проб радиоуглеродом и использование высокоточной техники открывают перед этим методом еще более широкие перспективы и разрешают изучать события, произошедшие до 70 тыс. лет назад. Определился и верхний предел действия метода - около 1000 лет; объекты моложе этого возраста дают слишком большие погрешности.
Для анализа обычно требуется довольно много исходного материала: древесного угля - не менее 10 г, скелетного вещества животных или древесины - несколько десятков граммов, торфа и гумуса - более 100 г. Исследователи работают над тем, чтобы массу анализируемых навесок можно было уменьшить. И есть все основания полагать, что эти старания увенчаются успехом.
Поскольку при использовании радиоуглеродного метода приходится анализировать очень малые количества изотопа, предъявляются высокие требования к отбору образцов, подлежащих изучению. Во избежание загрязнения органикой образцы можно брать только пинцетом или шпателем. Запрещается прикасаться к ним руками, заворачивать в вату или бумагу, пересыпать стружкой и опилками, обрабатывать какими бы то ни было химикатами. Хранить образцы можно только в многослойных мешках или специальных капсулах из неорганических материалов.
Принцип лабораторного изучения образцов достаточно прост: нужно точно измерить бета-активность радиоуглерода. Для этих измерений пользуются счетчиками Гейгера или устройствами, фиксирующими сцинтилляцию - световые вспышки, возникающие при прохождении быстрых заряженных частиц через некоторые вещества. Радиоактивный углерод пробы можно поместить в счетчик в виде твердого, газообразного (например, в виде углекислого газа) или жидкого вещества. В последнее время обычно предпочитают третий из этих способов, используя в качестве сцинтилля-тора бензол. Для защиты счетчика от проникновения внешнего гамма-излучения устанавливают экраны из железа, ртути, свинца или парафина. Чтобы учесть влияние рассеянного космического излучения, вокруг счетчика размещают соответствующие регистрирующие приборы. Остается выделить, усилить и зарегистрировать импульсы от электронов, испускаемых при распаде радиоактивного углерода, а затем сравнить их с результатами, полученными на современном эталонном объекте.
Радиоуглеродный метод открыл широкие возможности для датирования новейших отложений. Результаты работ позволяют не только устанавливать возраст отдельных находок, но и судить о закономерностях изменения географической обстановки, оценивать скорость циркуляции морских течений, прослеживать последовательность появления различных растительных сообществ. Этим методом был определен возраст всех фаз последнего оледенения, установлено время образования речных террас и других форм современного рельефа. Стало возможно узнавать возраст органических остатков. Удалось установить, в частности, время жизни мамонта, найденного в ледниковых отложениях Таймыра; оказалось, что он жил 12 тыс. лет назад.
Рассматриваемый метод позволяет сопоставить между собой отложения, сформировавшиеся в различных климатических зонах. Впервые представилась возможность определять возраст разрозненных фрагментов, принадлежащих скелетам организмов или изделиям древнего производства. В руках исследователей появился ключ к восстановлению истории по следам жизни.
Но результаты оценки возраста радиоуглеродным методом могут быть существенно искажены вследствие процессов гниения, поступления гуминовых кислот из грунтовых вод, а также привноса углерода, содержащегося в современных водах и атмосфере. Для анализа поэтому следует стремиться использовать только такой материал, который не подвергся этим воздействиям. Однако сколь бы тщательно ни подбирались исследуемые образцы, гарантировать отсутствие влияния подобных процессов невозможно.
К тому же пришлось задуматься еще над одной проблемой. Интенсивность излучений, пронизывающих атмосферу, изменяется в зависимости от многих космических причин. Стало быть, количество образующегося радиоактивного изотопа углерода должно колебаться во времени. Необходимо найти способ, который позволял бы это учитывать.
Кроме того, с тех пор как прогресс покрыл Землю густой сетью транспортных дорог и промышленных предприятий, в атмосферу непрерывно выбрасывается огромное количество углерода. Он образуется при сжигании древесного топлива, каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и продуктов их переработки. Какое влияние оказывает этот источник атмосферного углерода на повышение содержания радиоактивного изотопа? Для того чтобы добиться определения истинного возраста, придется рассчитывать сложные поправки, которые отражали бы изменение состава атмосферы на протяжении последнего тысячелетия.
Эти неясности наряду с некоторыми затруднениями технического характера породили сомнения в точности многих прежних определений, выполненных углеродным методом.
Однако несмотря на все сложности, радиоактивный изотоп углерода продолжает успешно использоваться в геохронологии и нередко помогает специалистам устанавливать возраст интересующих их отложений и событий сравнительно недавнего прошлого.
Трудоемки и сложны методы изотопного датирования. Поэтому не раз возникала мысль: нельзя ли подойти к изучению возраста Земли с каких-либо иных, принципиально отличных позиций?
Пришлось вновь пересмотреть старые, полузабытые гипотезы, заново проанализировать многие геологические события, обобщить сведения, собранные наукой о Земле за последние десятилетия. И вот заговорили о природных явлениях, которые, на первый взгляд, казалось бы, не имеют непосредственного отношения к проблеме абсолютного лето-счисления.
ДРЕВНИЕ КОМПАСЫ
О магнитных свойствах горных пород и шкале геомагнитной полярности
С 50-х годов нынешнего столетия для определения возраста земных слоев стали использовать еще одну группу методов, которая к настоящему времени развилась в новую отрасль геологических знаний - палеомагнитологию.
Известно, что многие минералы и горные породы, содержащие железо и железо-титановые соединения, обладают свойством, известным под названием ферромагнетизм. При устранении намагничивающего поля эти вещества сохраняют некоторую остаточную намагниченность. Процесс намагничивания идет тем легче, чем выше температура, и даже в слабом магнитном поле возникает большая намагниченность, которая закрепляется - «замораживается» - при охлаждении вещества. Такая намагниченность называется термоостаточной. Измеряя при помощи точной аппаратуры магнитные характеристики пород, включающих ферромагнитные частицы, можно установить напряженность магнитного поля Земли, магнитные наклонение и склонение, которые были свойственны исследуемому пункту в то или иное время.
