/
Автор: Вагнер Г.А.
Теги: история геология археология историография научный метод
Текст
Предисловие
В последние десятилетия обозначился существенный прогресс в методах
датирования четвертичного периода, который покрывает приблизительно
последние два миллиона лет. С одной стороны, это связано с потребностью
получения достоверных хронологических концепций периода, в котором про-
изошли радикальные изменения в окружающей среде и появился вид Ното.
С другой стороны, развитие технологии и инструментов, например появле-
ние высокочувствительной техники аналитических измерений, привело к
появлению новых подходов в области физического и химического датирова-
ния. Быстрое развитие методологии продолжается и в настоящее время.
Специалистам становится все сложнее разобраться в тонкостях широко-
го спектра хронометрических методов, приложимых к молодым породам и
артефактам. Поэтому моя цель состояла в том, чтобы представить полный
обзор современного состояния этих методов. Книга построена в основном
таким образом, чтобы помочь ученым, у которых могут появиться задачи,
связанные с датированием на рассматриваемом временном интервале, т.е.
геологам, занимающимся четвертичным периодом, и археологам самого ши-
рокого профиля. Поскольку книга стала развитием курса лекций, читаемого
студентам геологических и археологических специальностей в Гейдельберг-
ском университете, она, безусловно, может служить пособием для изучаю-
щих эти дисциплины. Более того, она предназначена всем тем, кто интере-
суется вопросами, связанными с временными записями доисторических эпох
и палеоэкологическими сдвигами ледникового периода. Хронометрические
методы имеют в основном химические или физические основания, а ис-
пользуются для решения вопросов геологии и археологии. Такое мультидис-
ци пл и нар ное сочетание может быть успешным лишь в том случае, если ис-
следователь имеет четкое понимание проблемы и понимание возможностей
методов. И наоборот, кроме знания подходящих к данному типу материала
методик датирования, пользователь должен быть способен к критической
интерпретации данных. Вследствие междисциплинарного характера я пы-
тался изложить предмет как можно более понятно.
Широта проблемы неизбежно приводит к необходимости отбора, кото-
рый, естественно, не может быть сделан полностью удовлетворительно во
всех случаях. Отдельные методики датирования рассмотрены в книге по
однородным группам. Как правило, описание этих групп начинается с опи-
сания физических и химических особенностей. В целях сбалансированнос-
ти изложения сообщаемый объем сведений об отдельных методах находится
в приблизительном соответствии с их важностью. Для углубленного пони-
мания читателем излагаемого материала в книге есть отсылки к подробному
списку литературы. Описание отдельных хронометрических методов следу-
ет жесткой схеме, которая включает вводный обзор, методологические ос-
нования, практические аспекты и представительные примеры приложений.
Предисловие
Кроме того, в книге дополнительно описаны некоторые геологические и
биологические явления, зависящие от климата, которые хотя и не являются
физическими или химическими процессами, тем не менее имеют огромное
значение для хронологии плейстоцена и голоцена. Для справок книгой можно
пользоваться двумя способами. Поскольку методы датирования изложены
по однородным группам, читатель легко может получить информацию о
конкретной технике датирования, ее потенциальных возможностях и огра-
ничениях. Читатель, не знакомый вполне с отдельными техниками датиро-
вания, но заинтересованный в методах датирования конкретного образца
материала, может ознакомиться с вопросом в главе, посвященной материа-
лам. Каждый раздел в этой главе сообщает о методах датирования, применя-
емых к рассматриваемому материалу пород или артефактов, о соответствую-
щих диапазонах возраста, которые исследуются этими методами, и отсылает
читателя к специальным главам, где эти методы описаны подробно.
Я хотел бы воспользоваться возможностью, чтобы выразить свою благо-
дарность профессорам Вольфгангу Гентнеру и Джозефу Зэрингеру, которые
в конце 1960-х годов разбудили мой интерес к области хронометрии. Имен-
но по инициативе Гентнера была основана группа археометрии в Институте
ядерной физики Общества Макса Планка. Наследником этого учреждения
стала Исследовательская лаборатория археометрии (Forshungstelle Archaometry)
Академии наук Гейдельберга, основанная в 1989 году.
Первое издание этой книги было опубликовано в Германии (Verdinand
Enke Verlag, Stuttgart). Доктор Сольвейг Шигль сделал перевод переработан-
ного английского издания. При подготовке книги я получал важные сведе-
ния и полезные комментарии от очень многих людей, и я хотел бы выразить
свою глубокую признательность проф. Карлу Дитриху Адаму, д-ру Рональду
Глейзеру, Кюрсаду Гёгену, д-ру Ульриху Хамбаху, д-ру Раймонду Джонкхи-
ру, Д-РУ Бернду Кромеру, д-ру Андреасу Лангу, д-ру Марко Шпурку, д-ру
Марио Трилоффу, Клеменсу Воде, д-ру Ирмггрудс Вагнер и проф. Людвигу
Цоллеру. Я также хотел бы поблагодарить д-ра Пауля ван ден Боогарда,
Кюрсада Гёгена, д-ра Йетер Гёксу, д-ра Бернда Кромера, Ральфа Куна, д-ра
Андреаса Ланга, проф. Аугусто Мангиги, проф. Джозефа В. Михельса, Уве
Райзера, д-ра Ирмтруду Вагнер и проф. Джона Э. Вестгейта за предостав-
ленные иллюстрации. Многие коллеги и издательства дали любезное разре-
шение на воспроизведение опубликованных иллюстраций из своих работ.
Я всем им глубоко обязан. Я хотел бы также поблагодарить Веронику Трэу-
мер за фотоработы и Дитера Брауна за подбор литературы. Наконец, я хочу
поблагодарить издательство Springer-Verlag и особенно д-ра Вольфганга Эн-
геля за предоставленную возможность подготовить эту книгу.
Гейдельберг, март 1998
Гюнтер А. Вагнер
Предисловие к русскому изданию
С огромным удовольствием пользуюсь предложением доктора М.Л. Горо-
децкого представить читателю русское издание моей книги, посвященной
количественному датированию молодых горных пород и исторических арте-
фактов. Первое издание появилось в 1995 году на немецком языке, а затем в
переработанном виде в 1998 на английском. Настоящее издание практичес-
ки представляет собой перевод последнего издания, с ценным приложением
в виде прекрасных современных обзоров, написанных российскими колле-
гами. Я особенно рад появлению этого издания, поскольку российская на-
ука имеет давние и успешные традиции в геохронологии, за развитием кото-
рых я с радостью следил, благодаря некоторому знанию русского языка, в
течение последних четырех десятилетий.
Идея написать книгу о количественном датировании четвертичного перио-
да впервые пришла мне в голову, когда я читал об этом лекции студентам
геологам и археологам в Гейдельбергском Университете. Кроме того, что чет-
вертичный период, перекрывающий примерно последние два миллиона лет, -
это «наше» время и поэтому представляет для нас особенный интерес, в этот
геологический период произошли грандиозные изменения в природе, широ-
ко известные, как «ледниковая эпоха», и появился на исторической арене
новый вид - Ното. Однако чтобы понять этот увлекательный сценарий, в
первую очередь необходимо знать его временные масштабы. В любой истори-
чески ориентированной дисциплине, такой как геология или археология,
момент времени, когда что-то происходит, является фундаментальным пара-
метром. Записанные события не имеют смысла, пока они не организованы в
хронологическом порядке. Только после того как порядок событий установ-
лен, можно проверять или отвергать причинные связи между явлениями. Кроме
того, твердо установленные хронологические данные позволяют получить све-
дения о длительности и скорости процессов.
При изучении этого предмета в первую очередь ошеломляет стремитель-
ный прогресс, произошедший в хронометрическом датировании за несколь-
ко последних десятилетий. С одной стороны, инструментальные нововведе-
ния, такие как появление высокочувствительных масс-спектрометрических
методов, привели к существенным улучшениям, особенно в плане уменьше-
ния размеров образцов и повышения точности определения возраста. Бур-
ное совершенствование методов постоянно открывает потенциальные воз-
можности для новых приложений. Такое стремительное, захватывающее дух
развитие продолжается и сейчас. С другой стороны, предмет характеризует-
ся необычайно широким междисциплинарным охватом, с привлечением
физики, химии, а также многих аспектов геологии, биологии и археологии.
Большое разнообразие хронометрических методов, применяемых к моло-
дым породам и артефактам не только предъявляет высокие требования к
подготовке студентов, а также их преподавателей, но вызывает все большие
Предисловие к русскому изданию 13
затруднения даже у специалистов. Можно легко потерять ориентиры. По-
этому моя цель состояла в том, чтобы дать наиболее полный обзор состоя-
ния этих методов. Книга по-существу предназначена в помощь ученым и
студентам, интересующимся геологией четвертичного периода и археологи-
ей в самом широком смысле.
Поскольку книга стала развитием курса лекций для студентов геологи-
ческих и археологических специальностей, она построена по систематичес-
кому принципу и начинается с изложения основ. Поэтому она может слу-
жить пособием и на вводном уровне.
Такое мультидисциплинарное сочетание может быть успешным лишь в
том случае, если исследователь имеет четкое понимание проблемы и пони-
мание возможностей методов. И, наоборот, кроме знания подходящих к
данному типу материала методик датирования, пользователь должен быть
способен к критической интерпретации данных. Вследствие междисципли-
нарного характера, я пытался изложить предмет как можно более понятно.
Техническая терминология употреблялась лишь там, где этого требовала
точность передачи. Широта проблемы неизбежно приводит к необходимос-
ти отбора, который, естественно, не может быть сделан полностью удовлет-
ворительно во всех случаях. Отдельные методики датирования рассмотрены
в книге по однородным группам. Отдельные датировочные техники рас-
сматриваются по обобщающим группам. Как правило, описание этих групп
начинается с общего введения физических и химических оснований мето-
дов. В целях сбалансированности изложения, сообщаемый объем сведений
об отдельных методах находится в приблизительном соответствии с их важ-
ностью. Для углубленного понимания читатель отсылается к подробному
списку литературы. Описание отдельных хронометрических методов следует
жесткой схеме, которая включает вводный обзор, методологические основа-
ния, практические аспекты и представительные примеры приложений. Кроме
того, в книге дополнительно описаны некоторые геологические и биологи-
ческие явления, зависящие от климата, которые, хотя и не являются физи-
ческими или химическими процессами, тем не менее, имеют огромное зна-
чение для хронологии плейстоцена и голоцена. Книгой можно пользоваться
двумя способами. Поскольку методы датирования изложены по однород-
ным группам, читатель легко может получить информацию о конкретной
технике датирования, ее потенциальных возможностях и ограничениях. Чи-
татель, не знакомый вполне с отдельными техниками датирования, но заин-
тересованный в методах датировании конкретного образца материала, мо-
жет ознакомиться с вопросом в главе, посвященной материалам. Каждый
раздел в этой главе сообщает о методах датирования, применяемых к рас-
сматриваемому материалу пород или артефактов, о соответствующих диапа-
зонах возраста, которые исследуются этими методами, и отсылает читателя
к специальным главам, где эти методы описаны подробно.
В свете отмеченного выше быстрого развития методов датирования, ес-
тественно поставить вопрос: актуальна ли публикация в 2006 году книги,
14 Предисловие к русскому изданию
написанной в конце 1990-х. Я бы ответил: и да, и нет. Нет, поскольку в ней не
представлены, естественно, более поздние работы, но этот недостаток может
быть легко восполнен с помощью поиска по электронным базам данных,
если знаешь, что искать. Да, поскольку методологические концепции количе-
ственного датирования и материалы остались в основном теми же.
Безусловно, в последние годы появились выдающиеся новые результа-
ты, которые заслуживают упоминания, например, успешное датирование
40Ат /39Аг и U-Th / Не методами плиниевского извержения Везувия, произо-
шедшего в 79 г. н.э. (Renne et al., 1997, Science, 277, p. 1279; Aciego et al.,
2003, EPSL, 216, p. 209). Эти результаты замечательны не только в плане
чрезвычайно чувствительного аналитического детектирования, но также
полным согласием радиометрического возраста с не подлежащей сомнения
исторической датой. Думаю, что этой иллюстрации будет достаточно, хотя
можно было привести множество других интереснейших примеров подоб-
ного рода.
Подводя итог, благодаря быстрому развитию техники количественного
датирования в последние десятилетия, геология четвертичного периода и
доисторическая археология получили в распоряжение надежные и согласо-
ванные временные координаты, основанные, в конечном итоге на принци-
пах астрономии и ядерной физики. Временная шкала биологического и куль-
турного развития человечества, а также природных изменений также хоро-
шо известна. Будущие тенденции развития будут фокусироваться на улуч-
шении временного разрешения и на материалах, пока недоступных для да-
тирования. Количественное датирование и дальше будет оставаться захва-
тывающим полем для исследований.
В заключении я не могу упустить возможность выразить мою благодар-
ность издательству «Техносфера», подготовившему прекрасное по качеству
издание этой книги.
Гейдельберг, апрель 2006 г.
Гюнтер А» Вагнер.
Принятые сокращения
Единицы и обозначения
масса т
г грамм
т тонна
время t
с секунда
мин минута
д день
ч час
год (лет) (1 год « 365,25 д = 31,56 Me; 1 млн лет = 103 тыс. лет = 10* лет1)
длина s
м метр
энергия Е
Дж джоуль (1 Дж = I кг м2 с"2)
эВ электронвольт (1 эВ = 1,602 х 10” Дж)
поглощенная доза излучения D
Гр грэй (1 Гр s 1 Дж кг1)
рад рад (1 рад = Ю-2 Гр)
радиоактивность [7V|
Бк беккерель (1 Бк = 1 распад с *)
магнитная индукция (магнитное поле в веществе) В
Тл тесла (1 Тл = Ю-4 Гс)
обозначения порядка величин (перед единицами)
н (нано) 10‘9
мк (микро) 10 6
м (милли) 10"3
с (санти) 10"2
к (кило) 103
М (мега) 10*
Символы
а коэффициент скорости реакции (= тч) [с-1] или [1/год]
скорость гидратации [мкм2 / тыс. лет]
ц0 частота событий |с_|]
1 В англоязычной литературе встречаются обозначения I Ma = IO3 ка= 10* а. - Прим. ред.
16 Принятые сокращения
(Л] концентрация продукта извлечения
[Я] концентрация продукта реакции
d массовая толща [г см-2]
D коэффициент диффузии [см2 с~‘]
Е энергия активации [эВ]
к постоянная Больцмана (1,381 х 10-23 Дж К"1 = 8,617 х 10-5 эВ К-’)
/ средняя длина пробега [г см2]
Л скорость распада [ 1/год]
К постоянная равновесия реакции
М толщина кольца гидратации
N число атомов
[ZV] активность (= dN/dt) [с-1] или [мин-1]
ND естественная доза [Гр] (Natural Dose)
NDR мощность естественной дозы [мГр/год] (Natural Dose Rate)
Р скорость образования продукта [атомов г‘/год]
р плотность по массе [г см"3] или плотность площади [см-2]
о стандартное отклонение
а стандартное отклонение среднего
t возраст [млн лет], [тыс. лет] или [лет]
/|/2 период полураспада (= 0,693/Л или 0,693/л) [лет]
т среднее время жизни (= 1/Л или 1/а) [лет]
v скорость эрозии [г см2/год| или скорость реакции [1/год]
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Четвертичный период, охватывающий приблизительно последние 2 млн
лет, является особым периодом в истории Земли. Он характеризуется дра-
матическими 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 ка-
кой-то мере вызвана такими серьезными природными потрясениями или
нет? Во время теплого периода, продолжающегося последние 11 500 лет, в
котором мы и живем, появились высокоразвитые цивилизации. Позволит
ли реконструкция древней окружающей среды предсказать развитие клима-
тической и экологической обстановки в будущем? Точные ответы на эти
вопросы не в последнюю очередь зависят от того, насколько успешно суще-
ствующие методы определения возраста позволяют распознать эти процес-
сы в прошлом. В этой области, особенно в последние годы, обозначился
значительный прогресс.
Четвертичная геология и предыстория человечества, как и любая исто-
рическая дисциплина, прежде всего должны упорядочить выявленные фак-
ты в правильном хронологическом порядке. Только тогда эти факты могут
быть осмыслены. Становятся понятными протекающие процессы и взаимо-
связь событий. Классические методы стратиграфии позволяют устанавли-
вать последовательность событий в прошлом на основе изучения литологи-
ческих 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 ос-
новании стратиграфических методов события должны быть сопоставлены с
хронометрической шкалой времени. Хронометрия представляет собой из-
мерение времени путем деления его на равные временные единицы, т.е.
секунды. Секунда (с) определяется как 9192631770 колебаний атома ,33Cs.
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.
18 Глава /. Введение
Рис. 1. Следует различать три различных понятия при стратиграфической клас-
сификации пластов: литостратиграфия основана на изучении литоло-
гических особенностей пластов, биостратиграфия основана на изуче-
нии содержащихся в них ископаемых остатков и храностратиграфия
основана на данных об их возрасте. Лито- и биостратиграфические
подразделения, показанные здесь схематически как зоны, определя-
ются выбором определенного стратотипа в типичном месте его прояв-
ления. Обе границы хронозоны (верхняя и нижняя) являются синхрон-
ными, тогда как границы лито- и биозон могут быть диахронными,
поскольку литология и содержание окаменелостей могут меняться во
времени. Следовательно, лито- и биозоны, установленные для опреде-
ленного места, могут в большей или меньшей степени отклоняться от
хронозоны в других местах. Взаимный наклон линий отражает ско-
рость распространения экологических изменений. Временной интер-
вал, 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.
В течение последних пяти 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 звез-
ды Сириус (по-египетски «Сотис»), незадолго до восхода Солнца. Обычный
(гражданский) египетский год состоял из 365 суток. Дополнительный год,
Глава 1. Введение 19
который должен был компенсировать разницу между обычным и солнечным
годом, равным 365’/4 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 Си-
риуса во время гражданского нового года в 139 г. н.э. египетский календарь
привязан к римскому и, таким образом, к христианскому календарю. Тради-
ционная запись восхода Сириуса в определенный день календаря в седьмом
году правления Сенусерта III датирует это событие 1870 ± 6 г. до н.э. Возник-
новение первой династии можно датировать на основании списков правите-
лей 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 стра-
тиграфически привязана к этим древним календарям.
В течение долгого времени доисторические этапы развития и леднико-
вые периоды, находящиеся за пределами этих исторических астрономичес-
ких календарей, рассматривались как практически неподдающиеся количе-
ственному рассмотрению. С развитием радиоуглеродного метода, появив-
шегося в 1950-е годы, возник обширный банк данных, охватывающий пос-
ледние 30 тыс. лет. На основании ,4С-датировок целый ряд археологических
концепций подвергся революционному пересмотру (Renfrew, 1976). Напри-
мер, как мы теперь знаем, производство керамики в Центральной Европе,
возникшее в определенной связи с переходом человечества к оседлому об-
разу 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 ,4С возраста, безусловно,
способствовало проведение калибровок по годичным кольцам роста деревь-
ев. Вслед за этим в 1950-е годы на сцену выходит К-Аг-метод определения
возраста. Этот метод позволяет датировать горизонты тефры древнее не-
скольких сотен тысяч лет. Существующий зазор между этими двумя метода-
ми, включающий в себя средний палеолит, равно как и значительную часть
раннего палеолита - т.е. средний и верхний плейстоцен, сохранялся в тече-
ние долгого времени. В последние несколько десятилетий были созданы
новые разнообразные методы датирования, которые пытаются заполнить
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 изме-
римым изменениям в исследуемой системе. При этом необходимо знать ха-
рактер временной зависимости отдельных процессов. Еще одним предвари-
тельным условием определения возраста какого-либо геологического или ар-
хеологического события является четкая связь между этим событием и нача-
лом зависящего от времени процесса, т.е. часы должны быть синхронизи-
20 Глава 1. Введение
рованы. В частности, для целей датирования используется радиоактивность,
представляющая собой процесс, явно зависящий от времени. Среди радиоак-
тивных нуклидов выделяют первичные нуклиды, существующие, по крайней
мере, с момента образования Земли; нуклиды, возникшие в рядах радиоак-
тивного распада; и космогенные нуклиды. Кроме того, для хронометрии пред-
ставляют интерес: кинетика химических реакций, вариации магнитного поля
Земли и процессы, вызываемые изменениями климата. Именно такому под-
разделению 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 геологи-
ческих проблем. Следует подчеркнуть, что в этом контексте термин «хроно-
метрия» является более предпочтительным, чем часто используемый термин
«хронология», поскольку хронология относится к связям между стратигра-
фическими свидетельствами существования тех или иных событий и хроно-
метрически 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 аб-
солютного 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 сто-
роны, использование термина методы определения абсолютного возраста в
действительности не совсем верно, поскольку существуют неопределеннос-
ти, связанные с каждым из них. Поэтому в дальнейшем он употребляться не
будет. Вместо этого будут употребляться такие термины, как хронометричес-
кое, численное или количественное датирование. Кроме того, следует разли-
чать методы датирования, независимые от других методов определения воз-
раста, и зависимые. Например, термолюминесцентный метод датирования
является независимым, тогда как археомагнитный метод - зависимый, по-
скольку 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 мето-
да 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 про-
шлом и определенным моментом времени в настоящем. Обычно определя-
I. /. Терминология: возраст и дата 21
емый возраст соотносится с моментом его измерения. Поскольку между
моментом измерения и настоящим моментом существует некоторый проме-
жуток времени, его, строго говоря, следует прибавлять к измеренному зна-
чению возраста, если возраст относится к определенной дате. Это означает,
что с момента измерения и до публикации данных возраст датируемого со-
бытия ежегодно возрастает на один год. Такой подход к определению возра-
ста события, однако, не имеет никакого значения для геохронологии, по-
скольку 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 (Nordlinger Ries) образовался 15,1 ± 0,5 млн лет назад, не-
посредственно 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, ошиб-
ки определения возраста могут быть сопоставимыми или меньше, чем вре-
мя, прошедшее с момента определения возраста. Например, точность утвер-
ждения, что дендрохронология позволяет определять значения возраста в
последние 9928 лет с точностью до I года на основании результатов иссле-
дования дубов южной Германии (Becker et al., 1991), зависит от года измере-
ния последнего древесного кольца, в данном случае это 1990 год. В конце
2002 года эта хронология должна учитывать дополнительные 12 лет, т.е. от-
счет времени начинается уже с периода 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 соответству-
ющей статьи.
Можно избежать этих трудностей, относящихся к малым значениям воз-
раста, если приводить вместо возраста события точно привязанную к кален-
дарю его дату. При этом такая дата становится численно независимой от
господствующей в это время точки зрения. По этой причине, например,
паспорт указывает не точный биологический возраст того или иного чело-
века, а лишь дату его рождения. Эти даты приводятся в виде года «ВС»
(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 этот
подсчет в 1990 или в 1998 году.
До сих лор подразумевалось, что годы, полученные хронометрическими
методами, и солнечные годы равны друг другу по своей длительности. Это
утверждение нельзя применять ко всем методам определения возраста, по-
тому что существуют некоторые их свойства, которые могут сделать это до-
22 Глава I. Введение
пушение несостоятельным. Например, в нС-методе нужно различать радио-
углеродный год и календарный. Основанные на изменении содержания ,4С
в атмосфере радиоуглеродные годы могут, очевидно, быть короче или длин-
нее, чем календарные. Поэтому ,4С значения возраста нуждаются в калиб-
ровке. По договоренности радиоуглеродные значения возраста приводятся
как число лет до настоящего времени. Календарный год, вычисленный с
помощью калибровки из радиоуглеродного года, помечается символом «са1»
и приводится либо как дата «cal AD» (календарный г. н.э.) или «са! ВС»
(календарный г. до н.э.) соответственно, либо как возраст «cal ВР». Пометка
«ВР» (before present - от настоящего времени) определяет «настоящее вре-
мя» как 1950 г. н.э. и часто применяется также (помимо ,4С значений возра-
ста) при упоминании дендрохронологических возрастов и значений возрас-
та, вычисленных по ленточным глинам и по ледовым слоям. Приведение
значения возраста с пометой «до настоящего времени» приводит к недопо-
ниманию, если его некритично применяют к другим методам датирования.
Следует подчеркнуты что термин «до настоящего времени» не означает «на-
стоящее» 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 ме-
тоду. Следовательно, все эти рассуждения оправданны только в случае ,4С
значений возраста и при возрастных сопоставлениях с ними. Приведение
значений возраста, относящихся к действительно настоящему, т.е. «сегод-
няшнему», времени, не было бы удобным, поскольку они будут постоянно
увеличиваться во времени. Ситуация становится особенно конфузной, если
«ВР» 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 темпе-
ратура, давление и химический состав. В этом заключается уникальное пре-
имущество 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 постепен-
но привела к поистине революционным изменениям в геологической и до-
исторической временных шкалах. Сначала в геологии (Holmes, 1937), а за-
тем и в археологии (Renfrew, 1976). В связи с важностью этого явления
L2. Естественная радиоактивность — физическая основа датирования 23
представляется уместным изложить здесь некоторые основы теории радио-
активности.
Природное вещество состоит из химических элементов. Элемент пред-
ставляет собой химическую субстанцию, состоящую из атомов с харак-
терным количеством протонов - атомный номер - в ядре. Например,
все атомы элемента углерода (символ С) имеют 6 протонов. В электри-
чески нейтральном состоянии ядро окружено равным атомному номеру
числом электронов, поскольку обладающие положительным зарядом про-
тоны 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 соот-
ветственно.
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 *£С обладает 6 протонами и 8 нейтронами, и, таким
образом, его массовое число равно 14. Простая запись |4С также вполне
достаточна, поскольку элемент углерод уже был определен как элемент с
атомным номером 6.
Изотопы представляют собой два или более нуклида, относящихся к од-
ному и тому же элементу, т.е. они имеют одинаковое число протонов, но
отличаются друг от друга числом нейтронов. Например, три изотопа углеро-
да ,2С, ЦС и ,4С обладают 6 протонами, но 6, 7 или 8 нейтронами соответ-
ственно. Поскольку изотопы относятся к одному и тому же элементу, они
характеризуются почти одинаковыми химическими, но не физическими свой-
ствами.
Различают нуклиды стабильные и радиоактивные. Радиоактивные нукли-
ды спонтанно распадаются с превращением в нуклиды другого элемента ~
это явление называется радиоактивностью. Другими словами, радиоактив-
ный материнский элемент распадается с образованием дочернего радиоген-
ного нуклида.
Радиоактивность представляет собой статистический процесс. Его ко-
личественное рассмотрение требует достаточно большого количества ра-
диоактивных нуклидов N, поскольку невозможно предсказать то событие,
в котором единственное ядро распадется. Активность dN/dt (измеряемая в
беккерелях Бк [с~‘]) определяется как доля dN нестабильного нуклида N
(с исходным количеством атомов %), распадающегося в течение промежут-
ка времени dt с образованием стабильных дочерних атомов D (=NQ - N):
dN/dt =-ЛА=-1п2/ txflN, (1)
24 Глава /. Введение
где Л (л’1] - константа распада, a txa [л] - период полураспада (= 0,693/А).
Интегрируя это уравнение, получаем (рис. 2):
(2>
и, подставляя (No — D) вместо /V,
= (3>
a (D + 7V) вместо No
Z)/tf=e*-l. (4)
Возраст / [лет] может быть рассчитан (в зависимости от того, что извес-
тно - NOi N или D) с помощью следующих уравнений:
Т = 1/Л In (D/N + 1);
(5)
Отношение нуклидов
Время (в периодах полуросподо)
Рис. 2. Распад радиоактивного материнского нуклида (количество Л) с обра-
зованием радиогенного дочернего нуклида (количество D). Количе-
ство N - нормализованное на его исходное количество - убывает
экспоненциально со временем (выраженным в периодах полураспада
г|/2), тогда как D возрастает точно в той же мере; отношение D/N экс-
поненциально увеличивается.
1.2. Естественная радиоактивность — физическая основа датирования 25
Т = 1/Л In (NJ К).
(6)
Использование радиоактивности для определения возраста заранее пред-
полагает, что ни материнский, ни дочерний нуклид не исчезают и не появля-
ются иначе как в результате самого процесса радиоактивного распада, т.е.,
говоря другими словами, при условии существования закрытой системы.
Различают несколько типов радиоактивного распада (рис. 3), при этом в
некоторых нуклидах, например ^К, одновременно могут сосуществовать два
типа распада (механизм двойного распада):
Рис. 3. Для радиометрического датирования используют четыре типа естествен-
ной радиоактивности: сг-распад, /3-распад, электронный захват и спон-
танное деление (белое: нейтроны, черное: протоны).
26 Глава J. Введение
• Альфа-распад: распад с испусканием а-частицы, представляющей со-
бой ядро 4Не:
”RU -4 2£Th + jHe.
• Бета-распад, распад с испусканием Д-частицы, представляющей со-
бой электрон ё, в то время как нейтрон превращается в протон:
“С-> ’$N + e.
• Электронный захват: распад с захватом внеядерного электрона, вра-
щающегося по самой внутренней электронной орбите (К-оболочка), с пре-
вращением одного протона ядра в нейтрон:
40 К + д 40 Аг
+ е —> «лг.
К аналогичному эффекту приводит fr-распад, при котором испускается
одна /Г-частица, т.е. один позитрон е*:
“А1-» “Mg + ё.
• Спонтанное деление: распад с образованием двух тяжелых нуклидов и
2-3 нейтронов п (например: 2^U -+ ’^Ва + £Кг+Зл).
Большинство типов радиоактивного распада сопровождается испусканием
гамма-лучей (электромагнитное излучение высокой энергии, соответствующее
ядерным переходам) с характерными дискретными линиями (спектром).
Иногда дочерний радиогенный нуклид также нестабилен и, в свою оче-
редь, распадается. Если несколько таких радиоактивных дочерних нуклидов
образуются друг за другом, то формируется цепочка распада, заканчиваю-
щаяся в итоге образованием стабильного конечного звена. Так происходит,
например, в цепи распада, начинающейся с 2MU и заканчивающейся “ФЬ,
включающей в себя несколько ступеней а- или /3-распада. В таких цепочках
распада по прошествии некоторого времени устанавливается равновесие
между скоростью образования и распада промежуточных членов (радиоак-
тивное или вековое равновесие), при котором активность dN/dt всех радиоак-
тивных членов Nb N2, N3 и т.д. становится одинаковой:
Л,/V, = = Xj/Vj = ... и т.д.
В природе встречаются различные виды радиоактивных нуклидов, и мно-
гие из них могут быть использованы для хронометрии (таблица 1). В зависи-
мости от происхождения нуклиды можно подразделить на разные категории,
однако некоторые из них могут образоваться в результате нескольких из этих
процессов:
• Первичное происхождение’, нуклид все еще сохраняется с момента нук-
леосинтеза, и, таким образом, он появился раньше, чем образовалась Земля
(например: *°К). Такие нуклиды, следовательно, имеют очень большие
периоды полураспада.
1.2. Естественная радиоактивность - физическая основа датирования 27
Таблица 1. Нуклиды, используемые в хронометрии четвертичного периода
Элемент Нуклид Происхождение Тил распада Энергия, кэВ Период полураспада
Водород 3Н Космогенное Д' 18,6 12,43 лет
Антропогенное
Гелий эНе Космогенное Стабильный
Бериллий ,0Ве Космогенное Д' 555 1,51 млн лет
Углерод ,4С Космогенное д 158 5730 лет
Неом ”Ne Космогенное Стабильный
Алюминий 34А1 Космогенное,
нуклеогенное 3+ 1170 705 тыс. лет
Кремний “Si Космогенное ft >100 140 лет
Хлор »С1 Космогенное г 714 301 тыс. лет
Аргон “Аг Космогенное ft 565 269 лет
Копий «к Первичное ft- 1330 1397 млн пет
ЭЗ 1460 11930 млн лет
Кольций "Со Космогенное ЭЗ 427 103 тыс. лет
Криптон •’Кг Космогенное ЭЗ 276 210 тыс. лет
Свинец 2ЮрЬ Радиогенное ft 17 22,3 лет
Родий “6Ro Радиогенное а 4784 1,60 тыс. лет
“•Ro Радиогенное ft 39 5,75 лет
Торий «°Th Радиогенное а 4688 75,4 тыс. лет
*»Th Первичное а 4012 14050 млн лет
Протактиний ?з.Ро Радиогенное а 5012 32,8 тыс. пет
Урон гзад Радиогенное а 4775 245 тыс. лет
2»U Первичное а 4400 704 млн лет
23«U Первичное а 4197 4468 млн лет
СД 2 х 105 8,2 х 10’5 лет
а - опьфо; Д’ - электронный бето; Д+ - позитронный бето; ЭЗ - электронный зохвот;
СД - спонтонное деление.
• Радиогенное происхождение: нуклид образуется радиогенным путем в
цепях распада урана и тория (пример: 231 Ра). Эти нуклиды имеют периоды
полураспада менее 250 тыс. лет.
• Космогенное происхождение, нуклид образуется в результате взаимодей-
ствия космического излучения с атмосферой или поверхностью Земли (при-
мер: ,4С). Космогенные нуклиды имеют различные периоды полураспада.
• Антропогенное (техногенное) происхождение, нуклид образуется на атом-
ных электростанциях и при ядерных взрывах (пример: 3Н).
• Нуклеогенное происхождение: нуклид образуется в ядерных реакциях,
индуцированных нейтронами, образующимися в природных (а, п) реакциях
(пример: *A1).
28 Глава I. Введение
1.3. Погрешности: разрешение и точность
Приборы и люди, участвующие в проведении физических эксперимен-
тов, несовершенны. Поэтому каждое измерение обладает некоторой погреш-
ностью. Измеренная величина х представляет собой только некоторое при-
ближение к искомой, истинной величине, являющейся и остающейся неиз-
вестной. Возможное отклонение измеренной величины от ее истинного зна-
чения оценивается через погрешность, или «ошибку* измерения. Погреш-
ность ± ст определяет интервал от (х — ст) до (х + ст) в окрестностях измерен-
ного значения х, так что истинное значение величины х находится с некото-
рой заданной вероятностью внутри этого интервала (доверительного интер-
вала). Погрешность, следовательно, является неотъемлемой и обязательной
составляющей сообщаемых результатов измерений в виде х ± ст. Строго го-
воря, 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 ст, и систе-
матическую at погрешности (рис. 4). Случайная погрешность вызывается
случайными неточностями при снятии показаний с измерительного прибо-
ра и статистическими процессами, такими, например, как радиоактивный
распад. Случайные ошибки выявляются путем повторения измерений одно-
го и того же явления, результаты которых группируются статистически вок-
руг центрального значения. Случайные ошибки характеризуют разрешение
(или воспроизводимость), т.е. высокое разрешение и хорошая воспроизво-
димость предполагают небольшую случайную ошибку. Случайная ошибка
оценивается из статистики единичных наблюдений. С другой стороны, сис-
тематические ошибки могут быть вызваны недостатками измерительной ап-
паратуры, влиянием окружающей среды и неадекватностью персонала, про-
водящего измерения. Всякая систематическая ошибка влияет на отдельные
измерения в одном и том же направлении и с одинаковой степенью и, сле-
довательно, не может быть распознана при повторных наблюдениях. Систе-
матические ошибки обычно бывает трудно идентифицировать и количествен-
но оценить. Они характеризуют достоверность (корректность, правильность,
надежность) измерения. Высокая достоверность предполагает существова-
ние небольших систематических ошибок. Измерение может иметь низкое
разрешение и большую достоверность и, напротив, иметь высокое разреше-
ние и малую достоверность. В
мин точность включает в себя и разрешение, и достоверность (рис. 4), а
общая ошибка измерения вычисляется как*.
ст = Уст,2 4- 3s/. (8)
Смешение понятий «точность», «достоверность» и «разрешение» в хро-
нологической литературе часто вызывает недоразумения. Например, высо
1.3. Погрешности: разрешение и точность 29
кое разрешение некалиброванных, обычных |4С-значений возраста часто оши-
бочно принимается за точность. Но, несмотря на высокое разрешение, эти
значения возраста не являются точными в связи с колебаниями содержания
,4С в атмосфере в прошлом, и они становятся таковыми (точными) только
после введения поправки с учетом дендрохронологических данных (калиб-
ровки)1. Напротив, термолюминесцентные значения возраста обычно быва-
ют достоверными, но по различным физическим причинам имеют низкое
разрешение.
Рис. 4. Следует различать слу-
чайные н систематические
ошибки измерения. Достовер-
ность (или правильность) озна-
чает незначительные системати-
ческие отклонения (внизу). Вы-
сокое разрешение означает хо-
рошую воспроизводимость
(справа). Точность включает в
себя и воспроизводимость, и
правильность. Результат может
быть достоверным, но иметь
плохое разрешение или мало-
достоверным, но иметь хоро-
шую воспроизводимость; одна-
ко в обоих случаях он будет все
же неточным.
Розрешемие (случайно* ошибке)
Ошибки, приводимые при публикации хронометрических данных, чаще
всего представляют собой воспроизводимость, другими словами, ошибка
о. указываемая в публикации, может относиться только к а В некоторых
случаях обсуждаются также и систематические ошибки, но, как указыва-
лось 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 раз-
личные источники ошибок своих измерений. В любом случае следует при-
водить достаточное количество информации, чтобы было ясно, какие из
случайных и систематических ошибок принимались во внимание, а ка-
кие нет. Только для небольшого числа методов датирования существуют
1 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.
Глава L Введение
стандартизированные методики расчета и представления данных об ошиб-
ках измерения. Они существенно облегчают оценку и сопоставление при-
водимых данных.
Вычисление случайной ошибки требует, чтобы переменная х описыва-
лась определенным статистическим распределением. В практике примене-
ния методов датирования наибольшее значение имеет гауссово (нормаль-
ное) распределение. В этом одномодальном распределении случайные на-
блюдения, скажем многократно повторенные определения возраста /, рас-
пределяются симметрично в виде колокола вокруг максимального значения
(рис. 5). Для того чтобы проверить гипотезу о том, что серия реальных дан-
ных соответствует гауссову распределению, применяют критерий z2 (крите-
рий 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 ту-
фов, должны показывать гауссово распределение относительно времени из-
вержения. Если эти туфы дополнительно содержат какую-то часть детрито-
вых зерен циркона со значительно более высокими значениями возраста,
отдельные значения возраста характеризуются бимодальным распределени-
ем. Применение критерия X2 в таком случае выявит несоответствие с одно-
модальным гауссовым распределением.
Рис. 5. Гауссово или нормальное частотное распределение (колоколообразная кри-
вая) случайных событий, например результатов многократных измерений воз-
раста t„ вокруг среднего арифметического значения /. Стандартное откло-
нение а является мерой разброса единичных результатов t,. Истинная вели-
чина / попадает в интервал между 7 - <у и / + а с вероятностью 62,3% и
между t - 2сг и ( + 2<у с вероятностью 95,4%.
В случае гауссова распределения результатов измерений доверительный
интервал (погрешность) в окрестности среднего значениях определяется стан-
дартным отклонением среднего а (строго говоря, а,), выводимым из величи-
U. Погрешности: разрешение и точность 31
ны стандартного отклонения о,. Эта последняя величина является мерой
разброса единичных значений xt. Если измерение повторяется п раз, то х
вычисляется как:
пм
Стандартное отклонение рассчитывается по формуле:
(9)
(Ю)
а стандартное отклонение среднего, как:
(II)
Отношение аг/х носит название относительной ошибки.
Отсчеты случайных дискретных событий, таких как радиоактивный рас-
пад, подчиняются распределению Пуассона. Такое частотное распределение
применяется в случаях, когда вероятность события мала, а число испытаний
п велико. Средняя величина х рассчитывается как:
х = —
И
где N — общее число подсчитываемых событий. Стандартное отклонение аг
равно:
(12)
(13)
стандартное отклонение среднего, как и раньше, равно:
(14)
а относительная ошибка ог/х равна:
_ 1
N JN'
(15)
Как уже указывалось, систематическая ошибка не может быть ни оце-
нена, ни улучшена путем повторения числа измерений. В практике датиро-
вания обычно для характеристики доверительного интервала используют
величину одного стандартного отклонения среднего, т.е. 1а (в большинстве
случаев не 1а, а 1аг) от среднего значения возраста i. В этом случае ожида-
ется, что с вероятностью 68,3% истинное значение возраста находится в
интервале от (г - а) до (г + а), т.е. вероятность того, что истинное значе-
ние находится вне этого интервала, составляет все еще примерно 1/3. Если
удвоить а, то с вероятностью 95,4% ожидается, что истинный возраст нахо-
32 Глава 1. Введение
дится в интервале от (/ — 25) до (1 + 25), а если утроить, то с вероятностью
99,7% в интервале от (г - 35) до (г + 35).
Вместо среднего арифметического х (9) нескольких значений xt часто
предпочитают приводить средневзвешенное значение х„ особенно если от-
дельные значения х( обладают разными стандартными отклонениями а,. Это
делается для того, чтобы придать больший вес значениям xh определенным
с большей точностью. Средневзвешенное значение xw рассчитывается в со-
ответствии с:
X, =Е(х/<т(2)/Е(1/<7,2).
(16)
а его случайная ошибка а^ рассчитывается из отдельных случайных art:
^ = l/E(l/<r2). (17)
и, если можно оценить отдельные систематические ошибки ая, полная сис-
тематическая ошибка 5^ рассчитывается по формуле:
^ = Z(^/<r,2)/E(i/^2).
Таблица 2. Термолюминесцентный возраст средневековой печи из Любека,
Германия
Образец Фракция Возраст tt (лет) Стандартное отклонение (лет) а„ Ц Средний возраст (лет) и ошибка его определения (лет)
К179 Т тонкозернистая 836 ± 35 ± 63 ± 72
Кварц 721 ±43 ±80 ±91 779 (±21 ±70 ±73)
К18ОТ тонкозернистая 733 ± 36 ± 68 ± 77
Кварц 830 ± 85 ± 76 ± 114
При сопоставлении различных значений возраста друг с другом говорят,
что они значимо отличаются друг от друга, если их 2а — доверительные
интервалы не перекрываются.
Пример L Два образца футеровочной обожженной глины, взятые из
средневековых печей в Любеке (Lubeck), были датированы термолюминес-
центным методом, при котором определялся возраст как тонкозернистых
фракций, так и фракций кварца; всего было получено четыре ТЛ-значения
1.4. Классификация четвертичного периода
возраста (Wagner, 1980 с). Приведенные в таблице 2 данные указывают, что
между единичными значениями возраста /, нет значимых различий, поскольку
они согласуются друг с другом в пределах 2а,. Совместная обработка всех
единичных значений возраста с использованием выражений (16)—(18) при-
водит к средневзвешенному значению возраста = 779 лет со случайной
ошибкой ± 21 год (1ат) и систематической ошибкой ± 70 лет (law).
В соответствии с выражением (8) точность определения возраста равна ± 73
года (laj или, выраженная как относительная ошибка (11), ± 9,4%. Значе-
ние 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 вероятно-
стью 68,3% находится в интервале между 1127 и 1273 г. н.э. и с вероятностью
95,4% - между 1054 и 1346 г. н.э.
Пример 2. Подвергавшийся нагреву обсидиановый артефакт (образец 075 Е)
из стоянки Сьерра-Эль-Инга (Sierra El Inga), Эквадор, был датирован тре-
ковым методом (Miller and Wagner, 1981). Всего было обнаружено 70 треков
спонтанного (общее число N) и 2500 треков индуцированного (общее чис-
ло /V) деления. Поскольку частота треков деления подчиняется распределе-
нию Пуассона, относительные ошибки среднего этих подсчетов согласно
выражению (15) равны 12 и 2% соответственно. Возраст, определяемый ме-
тодом треков деления, выводится из соотношения треков спонтанного деле-
ния и индуцированных треков, и, таким образом, ошибка его определения
рассчитывается из этих величин по правилу накопления ошибок, имеюще-
му ту же самую форму, как и (8). Результат равен 2060 лет ± 12,2%
(а,/х) или 2060 ± 250 лет (а,), т.е. с вероятностью 68,3% истинный возраст
нагрева этого артефакта находится в интервале 1810—2310 лет или, выра-
женный в виде даты, между 310 и 170 г. 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 раз-
решение в определении возраста для приложений геологии или археологии
может оказаться за пределами возможностей применяемого метода. Поэто-
му всегда можно посоветовать лицам, заинтересованным в получении воз-
растной 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.
1.4. Классификация четвертичного периода
Четвертичный период охватывает последний период истории Земли дли-
тельностью почти два миллиона лет. По международному соглашению в ка-
честве границы плиоцена и плейстоцена была определена стратотипическая
толща вблизи Кротоне (Crotone) в Калабрии, Италия, залегающая в основа-
34 Глава Г Введение
нин гомогенных аргиллитовых осадков, согласно перекрывающих сапропе-
левый пласт Е (Aquirre and Pasini, 1985). Такое изменение фации осадков
указывает на переход к более холодному климату. По данным магнитостра-
тиграфии, эта граница почти точно совпадает с окончанием подъяруса Ол-
дувай (Olduvai) 1,8 млн лет назад (Hilgen, 1991; McDougall et al., 1992). Сле-
дует отметить, что существует и альтернативная точка зрения, согласно ко-
торой граница плиоцена и плейстоцена относится к первому периоду похо-
лодания 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, назы-
ваемый также «ледниковый период», и голоцен - послеледниковый период,
охватывающий 11,5 тыс. лет (Johnsen et al., 1992; Goslar et al., 1995; Bjork et
al., 1996; Spurk et al., 1998) и продолжающийся до настоящего времени. Плей-
стоцен, в свою очередь, подразделяется на нижний, средний и верхний плей-
стоцен, границы которых определяются переходом Матуяма-Брюнес
(Brunhes) 778 тыс. лет назад (Singer and Pringle, 1996; Tauxe et al., 1996) и
началом стадии 5e на кривой изменения изотопного состава кислорода мор-
ской воды (эквивалент начала земского (Eemian) межледникового периода)
128 тыс. лет назад (Edwards et al., 1986, 1987). Голоцен может быть подразде-
лен 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 про-
изводства различных артефактов. Ранний палеолит охватывает период до
конца предпоследнего оледенения приблизительно 128 тыс. лет назад. Сме-
няющий 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 при-
мерно в 5500 г. до н.э. В этом регионе самые ранние изделия из меди появи-
лись примерно в 4000 г. до н.э., еще в неолите. Бронзовый век в этом реги-
оне начался примерно в 2300 г. до н.э., сменившись железным веком около
850 г. до н.э.
Описанное выше геологическое и археологическое подразделение чет-
вертичного периода представлено в обобщенном виде в таблице 3. Следует
отметить, что последовательность отдельных эпох была установлена стра-
тиграфически и (или) типологически на основании анализа артефактов. Вре-
менные шкалы построены на основании физических, а для последних
12 тыс. лет — главным образом на основании дендрохронологических мето-
дов датирования. Поскольку эпохи, выделяемые стратиграфически или ти-
пологически, могут быть сдвинуты во времени при переходе от одного реги-
она к другому (например, послеледниковый период начался в Центральной
1,4. Классификация четвертичного периода 35
Европе раньше, чем в Скандинавии, а бронзовый век начался в Эгейском
регионе раньше, чем в Центральной Европе), установленная последователь-
ность событий верна лишь для определенных регионов, в данном случае ~
для Центральной Европы.
Глава /. Введение
Подразделение четвертичного периода на основании изучения континен-
тальных осадков является проблематичным, поскольку четвертичные стра-
тиграфические 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 кон-
тинентальных отложений осадки глубоководной части океана образуются
непрерывно во времени и равномерно на большой площади, позволяя про-
водить крупномасштабные стратиграфические корреляции. Существуют две
чрезвычайно важные характеристики, которые позволяют проводить гло-
бальные корреляции глубоководных осадков; это изотопный состав кислоро-
да и направление палеомагнитного поля. Изменяющийся изотопный состав
кислорода раковин фораминифер в этих осадках наследует состав океанс-
кой воды, который отражает глобальные изменения объема льда и, таким
образом, тесно связан с глобальными флуктуациями климата в течение чет-
вертичного периода (разд. 10.2). Изменения направления палеомагнитного
поля, вызванные изменениями полярности магнитного диполя Земли, фик-
сируются 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 четвертич-
ных отложений. Последовательно образующиеся слои осадков (1-5) в
глубоководных участках моря непрерывны, тогда как их хронологичес-
кие эквиваленты на континенте характеризуются временными и про-
странственными перерывами.
ГЛАВА 2
МАТЕРИАЛЫ
В этой главе будут перечислены геологические, археологические и истори-
ческие материалы, которые могут быть датированы с применением методов,
составляющих содержание этой книги. Такое введение позволит читателю
не только ознакомиться с методами, но и практически использовать книгу,
отталкиваясь от интересующих его объектов и их характерных особеннос-
тей. Будет кратко рассмотрена хронологическая значимость отдельных ма-
териалов и указаны методы их датирования, очерчены также их возможнос-
ти и ограничения, особенно возрастные рамки, в которых эти методики
могут быть применены. В последующих главах будет дано детальное описа-
ние методов датирования с указанием оптимальной стратегии отбора проб
для исследования.
2.1. Вулканические породы
В четвертичной геологии огромное значение имеют вулканические породы
(вулканиты). Они образуются во время извержения вулканов под действием
кратковременного нагрева до высоких температур и последующего быстро-
го остывания. Такие условия их образования являются хорошей основой
для хронометрического датирования. Помимо возможности реконструкции
временной последовательности вулканических событий, датирование вул-
канитов имеет большое значение для изучения осадочных толщ, в том слу-
чае если они переслаиваются вулканическими породами. Горизонты туфов
значительной региональной протяженности являются особо важными вре-
менными маркерами для установления тефрохронологических временных
границ горизонтов, содержащих палеолитические находки. Современный
вулканизм географически привязан к определенным поясам, совпадающим
с границами геологических плит.
2.1. L Базальты
Эти тонкозернистые темноцветные вулканические породы образуются в ре-
зультате застывания магмы с температурой 800-1100‘С и в химическом от-
ношении состоят примерно на 50% из SiO2. В минералогическом отноше-
нии базальты содержат преимущественно плагиоклаз и пироксен, в более
редких случаях оливин, рудные минералы железа, санидин, биотит и вулка-
Глава 2. Материалы
ни чес кое стекло, как в основной массе породы, так и в виде вкрапленников.
В зависимости от состава выделяют щелочные и толеитовые базальты. Су-
ществуют переходные формы к вулканическим породам с большим содер-
жанием SiO2 - фонолитам (содержащим ортоклаз, нефелин и др.) и андези-
там (содержащим плагиоклаз, пироксен, биотит, роговую обманку, кварц).
Базальты образуют шлаковые конуса, лавовые поля, потоки и трубки. Боль-
шинство хронометрических методов, которые применяются для датирова-
ния базальтов и связанных с ними пород, определяют время их затвердева-
ния или происходящего непосредственно вслед за этим остывания.
Базальты (> 1 тыс. лет) могут быть датированы с помощью К-Аг-метода
(разд. 3.1). Подходящими для такого рода исследования являются валовые
пробы пород и вкрапленники калиевого полевого шпата. Важным результат
том К-Аг-датирования базальтов является калибровка палеомагнитной вре-
менной шкалы. В связи с достижимой высокой точностью датировки, полу-
ченные К-Аг-методом, образуют основу для создания хронометрических
рамок раннего и среднего плейстоцена. Эксперименты по датированию мо-
лодых базальтов с помощью U-Не-метода (разд. 3.2) показали, что этот ме-
тод приводит к недооценке возраста, обусловленной потерями гелия. Встре-
чающийся иногда в базальтах титанит (> 100 тыс. лет) позволяет применять
для их датирования метод треков деления (разд. 6.1). Кроме того, данная
методика может быть применена для датирования стекол глубоководных
базальтов (древнее нескольких тыс. лет), образующих корки на подушечных
лавах в активных рифтовых зонах срединно-океанических хребтов. Такое
стекло образуется в результате быстрого охлаждения горячей лавы при ее
контакте с холодной водой океана. Если базальты содержат вкрапленники
плагиоклаза, стекла или кварца, можно использовать метод термолюми-
несценции (ТЛ) (разд. 7.1), позволяющий определять возраст в интервале от
1 тыс. лет до нескольких сотен тыс. лет. Молодые вулканические породы,
особенно те, которые образовались в пределах срединно-океанических
хребтов, часто оказываются неравновесными в рядах радиоактивного рас-
пада (избыток дочернего изотопа). Следовательно, в этих случаях могут
быть применены различные разновидности метода датирования по рядам
распада урана - 2WTh / 238U (1 тыс. лет - 300 тыс. лет),2,1 Ра / 23$U (> 1 тыс.
лет - 130 тыс. лет) и 226Ra / 23flTh (< 10 тыс. лет). Возраст поверхностных
излияний базальтов (тыс. лет - млн лет) может быть определен через
определение времени их экспозиции на поверхности с использованием
3Не (разд. 5.2), ,0Ве (разд. 5.3), 2’Ne (разд. 5.5) и “CI (разд. 5 8) при условии,
что с момента затвердевания пород не происходило процессов эрозии. По-
скольку скорость образования космогенных изотопов в результате процес-
сов эрозии или из-за наличия почвенного покрова уменьшается, эти значе-
ния возраста в большинстве случаев являются минимальными. Базальты и
другие вулканические породы содержат относительно много ферромагнит-
ных минералов, которые намагничиваются (термоостаточная намагничен-
ность) при остывании. Таким образом, они могут быть использованы для
2.1. Вулканические породы 39jw
палеомагнитного датирования (глава 9). Эпизодическая природа вулканизма
исключает непрерывную фиксацию параметров магнитного поля. Возраст
базальтовых стекол может быть также оценен по результатам исследования
ореолов гидратации (разд. 8.2) на поверхности породы.
2,1.2. Обсидиановые потоки
Темноокращенное вулканическое стекло обсидиан образуется при быстром
охлаждении расплавов линаритового состава и состоит примерно на J/4 из
SiOj с примесью окислов Al, Na, К, Са, Fe и Mg. Кроме того, обсидиан
содержит также 0,1-0,3% воды. Смоляной камень представляет собой бога-
тое водой (5-9%) вулканическое стекло со смоляным блеском. Пемза пред-
ставляет собой светлоокрашенное пузырчатое стекло. Обсидианы, встреча-
ющиеся в различной геологической обстановке, характеризуются различ-
ным химическим составом; с другой стороны, обсидианы, образовавшиеся
из одного и того же лавового потока, обычно химически однородны. Обси-
диан состоит из оптически изотропного, слегка прозрачного стекловатого
вещества и часто содержит мелкие включения рудных минералов (микроли-
тов) и газовых пузырьков. Обсидиан встречается в виде самостоятельных
лавовых потоков, в виде включений в туфах, а также на поверхности и на
контактах лавовых потоков, т.е. в участках быстрого охлаждения. В геогра-
фическом смысле обсидиан распространен довольно широко. Он был обна-
ружен во всех главных вулканических поясах Земли. Являясь весьма цен-
ным материалом для изготовления доисторических каменных орудий, он
добывался во многих местах (разд. 2.7.3).
Для датирования обсидиановых потоков (> 1 тыс. лет) можно использо-
вать метод треков деления (разд. 6.1). Определенное неудобство при этом
связано с высоким содержанием микролитов и газовых пузырьков. Терми-
ческий отжиг треков деления приводит к заниженным значениям возраста.
Обсидиан (< I млн лет) со свежими поверхностями может быть датирован
методом ореолов гидратации (разд. 8.2). В этом случае, однако, обсидиан
испытывает влияние резких колебаний температуры на поверхности, осо-
бенно в случае его прямого облучения солнцем. Пригодность обсидиана для
исследования с помощью К-Аг-метода (разд. 3.1) ограничивается возмож-
ностью потери аргона. Липаритовые породы (> 10 тыс. лег) могут быть да-
тированы U-Th-Pb-методом (разд. 4.1.9).
2.1,3, Тефра
Рыхлые вулканические выбросы называются «тефра», тогда как сцементи-
рованные носят название «вулканический туф». Вулканическим пеплом на-
зывают пылевидные и мелкозернистые выбросы вулканического материала.
Эксплозивные вулканические извержения приводят к образованию облаков
пепла, которые разносятся ветром на большие расстояния и отлагаются в
40 Глава 2. Материалы
течение коротких промежутков времени. В зависимости от расстояния от
центра извержения различают проксимальные (близкие) и дистальные (уда-
ленные) тефры. Пепловые горизонты, перемежающиеся с осадками, кото-
рые могут быть охарактеризованы петрологически, геохимически и геохро-
нологически, представляют собой прекрасные временные маркеры и обра-
зуют тефрохронологические рамки для осадочных разрезов. В дополнение к
ювенильному вулканическому материалу, такому как стекло, тефра содер-
жит ксенолиты пород, отторгнутых от окружающих пород в месте взрыва.
При отложении или переотложении тефры часто наблюдается примесь бо-
лее древнего детритового материала. Поэтому датирование тефры требует
тщательного отбора материала, характеризующего первичные вулканичес-
кие продукты. При использовании методик датирования, зависящих в том
числе и от размеров зерен, таких как лазерный Аг-Аг-метод и метод треков
деления, могут проявляться различные возрастные компоненты.
Огромное значение для четвертичной геологии имеет К-Аг-метод да-
тирования (разд. 3.1) тефры (> I тыс. лет). Особо интересными в этом
смысле являются разрезы, содержащие помимо палеоклиматических ин-
дикаторов останки ранних гоминид и продукты их труда. Наши представ-
ления о возрасте ранних гоминид в Восточной Африке базируются почти
исключительно на K-Ar-даннЫХ. С помощью лазерной Аг-Аг-методики мож-
но довольно точно определить возраст отдельных кристаллов полевого шпата
(санидина). При условии, что слои пепла (> 10 тыс. лет) содержат обломки
стекла или титанита, они также могут быть датированы методом треков
деления (разд. 6.1). Для проверки того, имеют ли отдельные зерна титанита
вулканическое, ювенильное или детритовое происхождение, помимо ми-
нералогических критериев могут быть с успехом использованы анализы
отдельных зерен (> !05 лет). Чешуйки слюды из туфа (> 1 тыс. лет) могут
быть датированы с помощью метода треков альфа-частиц (ядер отдачи)
(разд. 6.2). Термолюминесцентный метод (ТЛ) (разд. 7.1) имеет большое
потенциальное значение для датирования тонкозернистого стекла из вул-
канического пепла (1 тыс. лет. - 400 тыс. лет), в частности дистальных
отложений, что является необходимым при проведении корреляций, рас-
пространяющихся на большие расстояния. Метод электронного спинового
резонанса (ЭСР) (разд. 7.3) пригоден для датирования полевых шпатов,
кварца и стекла из тефры (10 тыс. лет - I млн лет). Среди вулканических
туфов отложенные в горячем состоянии игнимбриты являются подходя-
щим материалом для палеомагнитного метода датирования (глава 9). Хо-
лодные, т.е. отложившиеся при температурах ниже точки Кюри, туфы
могут быть датированы палеомагнитным методом при условии, что они
приобрели свою характеристическую остаточную намагниченность в ре-
зультате некоторых химических процессов после процессов отложения.
В вулканических породах из активных зон субдукнии содержание *°Ве
(разд. 5.3) несет в себе информацию о балансе масс и скорости магмати-
ческих процессов.
2.2. Импактиты 41
2.1.4. Ксенолиты и обожженные контакты
При вулканических извержениях обломки пород кристаллического основания
иногда попадают в расплав и нагреваются в нем до температуры магмы. Мате-
риал пород, образующих или перекрывающих жерло вулкана, в той или иной
мере испытывает воздействие высоких температур и откалывается, попадая при
этом в магму. При определенных условиях эти породы, выносимые с магмой
на поверхность, могут быть датированы. Если температуры были достаточно
велики, чтобы могла пройти полная дегазация аргона, то для датирования можно
применить К-Аг-метод (> 10 тыс. лег) (разд. 3.1). В этом случае весьма жела-
тельно проверить полноту переустановки хронометрической системы путем да-
тирования отдельных зерен. Поскольку в цирконе, титаните или сфене треки
деления (разд. 6.1) бывают до некоторой степени отожжены, следует провести
анализ единичных зерен с целью их датирования (> 100 тыс. лет). Значения
возраста облучения могут быть определены |0Ве-26А1-методом (разд. 5.3 и 5.6)
для зерен кварца поверхностных пород, которые были быстро вынесены с глу-
бины на поверхность в ходе вулканического извержения (> 10 тыс. лет — 1 млн
лет). Нагревание (> 400’С) уже существовавших пород, обусловленное вулка-
нической активностью, способствует их ТЛ- и ЭСР-датированию (1 тыс. лет -
сотни тыс. лет; разд. 7.1 и 7.3 соответственно). Для этих целей пригодны фрак-
ции кварца и полевых шпатов. Оплавленные контакты, например в почвах под
лавовым потоком, могут быть использованы для ТЛ-датирования; в этом слу-
чае может быть использована тонкозернистая фракция (4—11 мкм).
2.L5. Сульфиды полиметаллов
На активных срединно-океанических хребтах часто обнаруживаются подвод-
ные эксгадяционно-гидротермальные проявления. Горячие растворы несут в
себе значительные концентрации металлов (Си, Pb, Zn, Fe, Au, Ag), экстраги-
рованных из океанической коры. В местах выделения этих растворов отлагают-
ся сульфиды полиметаллов, образующие на дне океана трубы высотой до не-
скольких метров. Эти руды имеют большое экономическое значение. При об-
разовании сульфидных руд изотоп 210РЬ отделяется от своего предшественника
в ряду распада урана 226Ra. Зависящее от времени уменьшение количества избы-
точного 2,0РЬ (разд. 4.1.6) в сульфидной руде может быть использовано для
датирования (несколько лет - 100 лет) рудного процесса. Содержащие барит
выходы гидротерм (1—15 лет) на активных срединно-океанических хребтах могут
быть датированы с помощью ^Th / 228Ra-метода (разд. 4.1.8).
2.2. Импактиты
Крупные метеориты, сталкиваясь с Землей, врезаются в ее поверхность с
почти космической скоростью. Кинетическая энергия, высвобождающаяся
при столкновении, вызывает образование эксплозивных кратеров. Породы,
Глава 2. Материалы
подвергшиеся такому воздействию, испытывают воздействие высоких дав-
лений и температур. При этом они брекчируются, метаморфизуются, рас-
плавляются и испаряются. Видоизмененные при таком соударении породы
называются «импактиты», особенно если они содержат в своем составе стекло.
Датирование импактитов вызывает большой интерес, поскольку представ-
ляется важным знать, насколько часто подобные катастрофы имели место
на Земле в прошлом. Для четвертичного периода известно лишь несколько
таких событий.
2.2.1. Тектиты
Образование тектитов связывают с импактными взаимодействиями Земли с
гигантскими метеоритами, хотя детали процессов их образования до сих
пор остаются неясными. Тектиты - это природные стекла с экстремально
низким содержанием воды, образовавшиеся из полностью расплавленного
вещества при высоких температурах. Они имеют очень разную форму и могут
достигать размера голубиного яйца. Цвет их колеблется от бутылочно-зеле-
ного до темно-коричневого. В химическом отношении они примерно на }/4
состоят из SiO2, а на оставшуюся часть приходятся оксиды Al, Na, К, Са, Fe
и Mg. Тектиты встречаются в четырех полях рассеяния (Северная Америка,
Богемия-Моравия-Лусатия, Кот-д’Ивуар и Юго-Восточная Азия с Австра-
лией). Соотношения с кратером-источником (как, например, между крате-
ром Нёрдлингер Рис (Nordlinger Ries) и Богемско-Моравскими молдавита-
ми) не всегда ясны. Только два самых молодых поля рассеяния (одно -
протягивающееся от Юго-Восточной Азии до Австралии, а другое - в Кот-
д’Ивуаре) попадают в возрастной интервал четвертичного периода. Тектиты
могут быть датированы как К-Аг-методом (разд. 3.1), так и методом треков
деления (разд. 6.1). Оба метода могут быть также использованы для опреде-
ления возраста микротектитов миллиметрового размера в глубоководных
осадках, которые образуют важный стратиграфический маркирующий гори-
зонт в кернах буровых скважин, полученных в пределах полей рассеяния.
2.2.2. Импактные стекла
Импактные, или кратерные, стекла встречаются вблизи места соударения
Земли с метеоритом. Их химический состав напоминает состав исходного
материала породы-мишени. По сравнению с вулканическими стеклами в
случае импактных стекол время пребывания вещества в расплавленном со-
стоянии намного короче. Поэтому они не всегда бывают полностью дегази-
рованы и часто содержат реликты нерасплавленного вещества. В связи с
этим возникают существенные трудности при попытках применения к та-
ким образованиям (> 100 тыс. лет) К-Аг-метода датирования (разд. 3.1).
Импактные стекла некоторых молодых (> 1 тыс. лет) импактных кратеров
были датированы с помощью метода треков деления (разд. 6.1). Как и для
2.4. Фульгуриты 43
вулканических стекол, в ряде случаев в импактитах наблюдаются явления
отжига треков деления. Также потенциально полезным для датирования
импактных стекол является ТЛ-метод (разд. 7.1).
2.2.5. Эжектиты
При соударении с гигантскими метеоритами в породах возникают высокие
давления и температуры, которые уничтожают ТЛ-сигналы в породе, под-
вергшейся такому воздействию. Следовательно, событие соударения может
быть датировано путем измерения интенсивности переустановленной ТЛ
(разд. 7.1). Кроме того, породы, залегавшие ранее в глубинных частях кра-
тера и экранированные от облучения космическими лучами, выбрасыва-
ются на земную поверхность. Возраст облучения эжектитов и пород стенок
кратера, таким образом, определяет время соударения. В этих случаях при-
меняют *С1-метод (разд. 5.8) для карбонатов (1 тыс. лет - I млн лет) и
,0Ве-26А1-метод (разд. 5.3 и 5.6) для кварца (10 тыс. лет - несколько млн лет).
2.3. Разломные брекчии и псевдотахилиты
Возникающие в хрупких породах земной коры напряжения сбрасываются в
результате возникновения разломов. Материал горных пород в пределах раз-
ломных зон испытывает сильное влияние повышенных давлений, что приво-
дит к дроблению и перетиранию (милониты, глинки трения). Определение
возраста пород в пределах таких тектонических зон имеет важное значение
для восстановления истории тектонического развития пород, и в частности
для оценки периодичности возникновения землетрясений в сейсмически ак-
тивных районах. В ЭСР-методе определения возраста (разд. 7.3) милонитов
(1 тыс. лет - 1 млн лет) используется чувствительность ЭСР-сигналов в кварце
к воздействию давлений. Если процесс милонитизации сопровождается силь-
ным увеличением температуры, то образуется стеклоподобная масса горных
пород, так называемый псевдотахилит, известный по результатам изучения
плоскостей скольжения больших горных оползней, например, в Альпах и в
Гималаях. Псевдотахилиты могут быть датированы с помощью метода треков
деления по фазе стекла (> 10 тыс. лет; разд. 6.1) и методом ТЛ (разд. 7.1) по
реликтам кварца и полевого шпата, а также по фазе стекла (1 тыс. лет - 100
тыс. лет). В ходе развития разлома может образовываться богатый ураном ми-
нерал карнотит, отлагающийся на поверхности трещин (10 тыс. лет - 350 тыс.
лет), позволяющий использовать 2J0Th- и 23,Ра-методы датирования (разд. 4.3).
2.4. фульгуриты
При ударе молнии о поверхность Земли, сложенную кварцевым песком, обра-
зуются трубообразные или корнеподобные зоны расплавленных пород, нося-
щие название фульгуритов. Ископаемые фульгуриты представляют интерес для
44 Глава 2. Материалы
геоморфологов и палеоклиматологов. В принципе они могут быть датированы
(1 тыс. лет — 100 тыс. лет) с помощью методов дозиметрии облучения (глава 7).
2.5. Осадочные породы
По способу образования осадочные породы подразделяются на пластичес-
кие или обломочные (возникшие путем механического отложения), хими-
ческие (образовавшиеся в результате химического осаждения) и органичес-
кие (имеющие биогенное происхождение). В зависимости от способа пере-
носа выделяют эоловые (ветровые), акватические (водные) и гляциальные
(ледовые) осадки. Особую группу представляют археологические осадки (от-
ложения), возникшие в результате деятельности человека.
Классические стратиграфические подразделения четвертичного периода
основаны на изучении континентальных разрезов в перигляциальных районах.
В Центральной Европе имеется два таких разреза - один, охватывающий четы-
ре стадии альпийского оледенения: понц (Giinz), миндель (Mindel), рисе (Riss)
и вюрм (Wurm)’, и один, включающий три стадии нордического оледенения:
эльстер (Elster), зааль (Saal) и вейхзель (Weichsel)2. Их взаимные корреляции до
сих пор остаются проблематичными. Главными препятствиями при проведе-
нии таких корреляций являются довольно частые временные перерывы, так же
как и многочисленные фациальные изменения на относительно коротких рас-
стояниях в четвертичных отложениях (рис. 6). Непрерывно отлагавшиеся глу-
боководные осадки выявляют значительно больше климатических циклов по
сравнению с континентальными отложениями и позволяют проводить широ-
кие сопоставления, распространяющиеся на весь Мировой океан. Поэтому же-
лательно выработать стандартное подразделение четвертичного периода на ос-
новании исследования глубоководных осадков и распространить его на конти-
нентальные отложения. Такие корреляции между морскими и континенталь-
ными отложениями вызывают, однако, появление новых трудностей.
Очевидной стратегией переноса морских подразделений рассматривае-
мого периода на континентальные является хроностратиграфия (рис. 1).
Путем возможно наиболее полного и точного хронометрического датирова-
ния морских и континентальных осадочных разрезов можно было бы выра-
ботать взаимно согласованную глобальную хронологию четвертичного пе-
риода. Существенной проблемой является то, что осадки относятся к группе
пород, наиболее трудно поддающихся количественному датированию, од-
нако в последние годы был достигнут значительный прогресс в методологии
хронологических исследований четвертичного периода, продолжающийся и
в настоящее время. Ныне могут быть датированы даже эоловые и акватичес-
' На территории России эта последняя ледниковая эпоха соответствует валдайскому
оледенению, в Америке - висконсинскому. - Прим. ред.
1 Weichsel - немецкое название реки Вислы, поэтому эта стадия иногда называется
вислинским оледенением. - Прим. ред.
2.5. Осадочные породы 45
кие пластические осадки, которые в течение долгого времени рассматрива-
лись как непригодные для геохронологических исследований.
Еще одной явной причиной необходимости датирования четвертичных
осадков является тот факт, что археологические находки извлекаются имен-
но из них, так что возраст осадка может косвенным образом быть использо-
ван при археологических исследованиях.
2.5.1. Лёссы
Лёсс представляет собой эоловые желто-серые пылевые отложения. Размер зе-
рен лёссовых частиц попадает в основном в интервал грубого алеврита (20-63
мкм). В минералогическом отношении доминирующими являются небольшие
зерна кварца и палевого шпата. Лесс образуется в перигляциальных областях и
является указателем на сухой и холодный степной климат. Лёсс широко распро-
странен и образует практически нестратифицированные покровы мощностью до
нескольких метров. Слои лёсса, относящиеся к определенным эпохам оледене-
ния, разделяются пластами межледниковых палеопочв. Корреляция разрезов лёсса
и палеопочв во времени и пространстве относится к специальной области зна-
ния - педостратиграфии. Под воздействием эрозионных процессов такие разре-
зы часто бывают частично нарушенными, в связи с чем они требуют дополни-
тельного хронометрического исследования. Особый интерес для датирования
представляют горизонты лёсса, содержащие в себе археологические находки.
Прекрасной предпосылкой для датирования таких образований является
обширное обеление ТЛ при ветровом переносе частиц (разд. 7.1). В большин-
стве случаев для этих целей используют полиминеральную тонкозернистую фрак-
цию таких отложений. Для последнего ледникового - межледникового цикла,
т.е. для последних 100 тыс. лет, значения ТЛ возраста считаются вполне досто-
верными, однако для более древних лёссов наблюдается систематическая ошибка
недооценки возраста, зависящая от минерального состава лёсса и от приме-
ненной методики измерения. В связи с высокой световой чувствительностью
сигнала для датирования лёсса также применим метод оптически стимулиро-
ванной люминесценции (ОСЯ) (разд. 7.2). Еще одну возможность датировать лёсс
предоставляет метод ЭСР (< I млн лет; разд. 7.3). Содержание ,0Ве (разд. 5.3) в
разрезах лёсс-палеопочва является чувствительным климатическим индикато-
ром и, таким образом, служит косвенным средством датирования лёссовых
профилей. В лёссах часто устанавливается природная остаточная намагничен-
ность, что позволяет датировать их палеомагнитным методом (глава 9), иссле-
дуя инверсии геомагнитного паля и его вековые вариации.
2.5.2. Песок (эоловый)
Дюны представляют собой нанесенные ветром песчаные холмы. В минерало-
гическом отношении они состоят преимущественно из зерен кварца и реже
полевых шпатов размером от 63 мкм до 2 мм. Они встречаются в районах
Глава 2. Материалы
слаборазвитой растительности на морском побережье, по берегам рек, равно
как и в сухих внугриконтинентальных регионах, и, таким образом, являются
важными индикаторами среды. При переходе к более влажному климату дюны
становятся более консолидированными в результате развития растительности,
что приводит к образованию на их поверхности слоя почвы. Факторы, препят-
ствующие развитию растительности, такие как более сухой климат, истребле-
ние лесов или чрезмерно интенсивное развитие пастбищного скотоводства,
способствуют возобновлению процесса образования дюн. Особый интерес в
этом контексте представляют позднеледниковые внутриконтинентальные дюны
верхнерейнского грабена. Они образовались на неплодородных гравийных рав-
нинах по берегам Рейна в конце последнего оледенения. С появлением лесов
на этой территории формирование дюн прекратилось. Доисторическое и исто-
рическое истребление лесов вновь вызвало передвижение дюн, подтверждае-
мое археологическими находками. Таким образом, датирование дюн имеет не
только палеоклиматмческое, но и геоархеологическое значение.
Интенсивное обеление эоловых зерен кварца и полевого шпата является
хорошей предпосылкой для применения люминесцентных методов датирова-
ния (разд. 7.1 и 7.2). При этом используются мономинеральные фракции (в
основном в интервале 100-200 мкм) кварца или калиевого полевого шпата.
Последнее эоловое переотложение зерен песка датируется интервалом от
100 лет до 100 тыс. лет. В последнее время некоторые исследователи обсуж-
дают возможность использования ЭСР-метода (разд. 7.3) датирования дюн.
2.5.5. Пески (акватические)
Песчаные отложения в воде образуются при различных фациальных услови-
ях: флювиальных в реках, гляциофлювиальных под влиянием талой воды у
подножья ледников, лимнических в континентальных озерах, литоральных
в прибрежных районах и морских в условиях открытого моря. Главные ми-
неральные компоненты акватических песков - кварц и полевой шпат. Пес-
ки широко распространены в стратиграфических разрезах четвертичных осад-
ков, поэтому выяснение их возраста весьма желательно. Кроме того, такие
пески могут содержать в себе находки орудий и остатков каменного века.
Вплоть до последнего времени считалось, что пески хронометрически не
датируются. Ситуация улучшилась в связи с развитием люминесцентных ме-
тодик датирования (разд. 7.1 и 7.2), и к настоящему времени уже известно
довольно много полезных возрастных данных (в интервале 100 лет - 100
тыс. лет). Обеление морских песков менее интенсивно по сравнению с эоло-
выми, и оно меньше в случае использования ТЛ-сигнала, чем при использо-
вании ОСЯ. В зависимости от среды акватические пески откладывались при
разных уровнях освещенности (например, пески прибрежного мелководья
отбелены сильнее, чем гляциофлювиальные), поэтому в настоящее время
проводятся соответствующие фундаментальные исследования их пригодно-
сти для люминесцентных методов датирования.
2.5. Осадочные породы
2.5.4. Аллювий
Аллювиальные отложения представляют собой молодые несцементирован-
ные осадки, переносимые и отлагающиеся речными потоками или какими-
либо иными массами подвижных вод. В большинстве случаев они имеют
полиминеральный состав, а по размеру зерен относятся преимущественно к
алевритовой фракции (2—63 мкм). Аллювиальные осадки встречаются на
дне потоков, в поймах рек и в конусах выноса. Они составляют существен-
ную часть плейстоценовых и голоценовых отложений. Зачастую они ассо-
циируют с археологическими слоями. Аллювиальные отложения имеют боль-
шое значение для понимания истории геоморфологического развития. Осо-
бое значение в этом контексте приобретает вопрос об их возрасте.
Помимо радиоуглеродного метода (разд. 5.4), который может применяться
при исследовании включений органических компонентов (< 40 тыс. лет), в
аллювиальных осадках (100 лет - 100 тыс. лет), в случае если минералы дос-
таточно долго или интенсивно подвергались воздействию дневного света при
их транспортировке или отложении, применимы методы люминесцентного
датирования (разд. 7.1 и 7.2). Следует иметь в виду, что условия освещеннос-
ти сильно зависят от фациальных условий осадконакопления и что аллюви-
альные отложения в различной степени пригодны для люминесцентного да-
тирования. Для целей датирования более чувствительный ОСЛ-сигнал явля-
ется обычно более предпочтительным по сравнению с ТЛ-сигналом.
2.5.5. Коллювий и делювий
У основания пологих склонов можно найти массы гетерогенного материала,
отложенного в нижней части склона дождевыми потоками, в результате плос-
костного смыва и при продолжительном оползании склона. Такие отложе-
ния называются коллювием. В зависимости от того, какой материал и про-
цессы вовлечены в его образование, размер зерен коллювия может варьиро-
вать, однако в целом превалируют зерна аргиллитового размера. Деятель-
ность человека, такая как уничтожение лесов и сельское хозяйство, способ-
ствует усилению почвенной эрозии и тем самым вносит существенный вклад
в ускорение образования коллювиальных отложений у оснований склонов.
Коллювиальные отложения свидетельствуют о древних экосистемах и по-
зволяют реконструировать древние, интенсивно разрабатываемые ландшафты,
однако такие исследования требуют достоверного датирования таких отло-
жений. В коллювиальных отложениях довольно часто встречаются археоло-
гические находки. Термин «делювий» применяют для обозначения грубо-
зернистых, не подвергавшихся выветриванию обломков пород, переноси-
мых под действием гравитации механическим путем и накапливающихся на
более крутых склонах.
К органическим компонентам и находкам в коллювиальных отложениях
(< 40 тыс. лет) может применяться радиоуглеродный метод датирования (разд. 5.4).
48 Глава 2. Материалы
Чрезвычайно полезным для датирования тонкозернистых коллювиальных
отложений (100 лет - 100 тыс. лет) в различных геоархеологических услови-
ях оказывается ОСЛ-метод датирования (разд. 7.2). Обломки пород, содер-
жащие полевые шпаты, обнаруживаемые в отложениях делювия оснований
склонов, могли при транспортировке освещаться солнцем, что позволяет
применять ОСЛ-метод датирования их обеленных (и впоследствии защи-
щенных от света) поверхностей. Аллювиальные конусы выноса со стабили-
зированными геоморфологическими поверхностями (тыс. лет - млн лет)
могут быть датированы с помощью космогенных нуклидов |0Ве и %А1 (разд* 5.3
и 5.6 соответственно).
2.5.6. Озерные отложения
Озерные осадки относятся к наиболее важным климатическим индикато-
рам континентального четвертичного периода, особенно в применении к
верхнему плейстоцену и голоцену. Как и в случае глубоководных осадков,
их накопление происходит непрерывно. По общему признанию, период вре-
мени, в течение которого происходит накопление осадков, может достигать
нескольких сотен тысяч лет. Климатические изменения выражаются в вы-
соте уровня воды в озере, в литологии осадков и в данных пыльцевого анали-
за (разд. 10.2.4), используя которые можно сопоставить озерные осадки с
другими отложениями. В перигляциальных районах сезонные изменения
характера осадконакопления могут привести к формированию годичных слоев
ленточных глин. Осадки с ленточными глинами представляют собой бесцен-
ные архивы достоверных климатических данных высокого временного раз-
решения. Кроме того, для целей корреляции может быть использована маг-
нитная восприимчивость (глава 9) пород, поскольку она зависит от количе-
ства ферромагнитных минеральных частиц, которые, в свою очередь, конт-
ролируются окружающей средой. В дополнение к этому спокойные условия
отложения способствуют сохранению в детритовом материале остаточной
намагниченности. В результате быстрого отложения озерные осадки - в от-
личие от глубоководных осадков - несут в себе информацию о вековых
вариациях магнитного поля, благодаря чему они становятся пригодными
для датирования палеомагнитными методами. Известны попытки датирова-
ния кварца из пляжных конгломератов (тыс. лет - млн лет) с помощью
метода ,0Ве (разд. 5.3). Возраст карбоната кальция, осажденного в континен-
тальных озерах, можно определить с помощью методов 2MTh / 2MU (< 350
тыс. лет; разд. 4.1.1), 231 Ра /2J$U (< 150 тыс. лет; разд. 4.1.3) и NC (< 40 тыс.
лет; разд. 5.4). Методы 23OTh / 2}4U и *С1 (разд. 5.8) также используют для
датирования озерных эвапоритов. Определение содержания ,0Ве (разд. 5.3) в
озерных осадках (> 10 тыс. лет) позволяет предсказывать баланс массопере-
носа и возраст отложения осадков. Возможности люминесцентных методик
(разд. 7.1 и 7.2) датирования кластических озерных отложений все еще сис-
тематически не изучены. Если озерные осадки содержат аутогенное органи-
2.5. Осадочные породы
ческое вещество, то они могут быть датированы с помощью нС-метода (< 40
тыс. лет; разд. 5.4).
2.5.7. Ледниковые отложения
Морены, моренные глины, ледниковые обломки и другие принадлежат к
группе осадков, переносимых ледниками. Их датирование имеет существен-
ное значение для четвертичной геологии. Кварц из моренных глыб и других
обработанных ледником образований, которые были защищены от косми-
ческого излучения, пока находились на глубине и не были вынесены на
поверхность в результате деятельности ледника, может быть датирован с
помощью космогенных нуклидов 'Не, |0Ве, 2,Ne и 26А1 (разд. 5.2, 5.3, 5.5 и 5.6,
соответственно) в интервале значений возраста тыс. лет — млн лет. Если
ледник на пути своего движения пересекал обсидиановые потоки, для
датирования передвижений ледника может быть исследована гидратация
(разд. 8.2) в трещинах напряжения в обсидиане, претерпевшем такое воз-
действие (1 тыс. - 100 тыс. лет). В полуаридных высокогорных районах на
булыжниках, находящихся на поверхности морены, могут образовываться
пленки, напоминающие пустынный загар (разд. 2.6.3), что позволяет ис-
пользовать катионный метод датирования (разд. 8.6) эпизодов оледене-
ния (10 тыс. лет - 100 тыс. лет). Измеряя толщину корок выветривания
(разд. 2.6.4 и 8.1) на ледниковых обломках (10 тыс. лет — 1 млн лет), можно
провести относительное датирование активности ледника. В этом случае
для исследований подходят базальты и другие тонкозернистые породы.
2.5.5. Археологические отложения
Под археологическими отложениями понимают осадки, сформировавшиеся
под влиянием деятельности человека. В этом смысле археоосадки рассмат-
риваются как подгруппа геологических осадков, в формирование которых
помимо природных процессов определенный вклад внесен цивилизациями,
а содержащиеся в них артефакты рассматриваются как часть осадка. Архе-
ологические осадки обычно привлекают мало внимания со стороны архео-
логов. Только в самое последнее время их стали все чаще рассматривать в
качестве важного источника информации. Они незаменимы при реконст-
рукции физических и биологических условий среды в местах стоянок чело-
века. Они могут быть полезными и при решении хронологических вопро-
сов, а также играют важную роль при изучении мест стоянок, равно как и
при реконструкции ландшафтов. Отложения <<40 тыс. лет), богатые орга-
ническими компонентами, могут быть датированы с помощью метода |4С
(разд. 5.4). Неорганические отложения, выведенные на освещаемую повер-
хность или на небольшую глубину в результате какой-либо деятельности
человека, например при ходьбе, пригодны для люминесцентного датирова-
ния (разд. 7.1 и 7.2). В связи с высокой светочувствительностью особенно
Глава 2. Материалы
многообещающим при датировании археологических осадков (100 лет - 100
тыс. лет) является метод ОСЛ.
2.5.9. Известковые отложения пещер
При вытекании подземных вод в пещерах б результате удаления из них из-
быточного СО2 происходит образование натечных известковых корок. Обычно
в пещерах потолок, пол, так же как и стены, покрыты сталактитами, сталаг-
митами и натечными тканеподобными образованиями. Известковые осадки
в пещерах состоят главным образом из кальцита, реже арагонита. Избыточ-
ный СО2 подземных вод попадает туда из почвы, где он образуется в резуль-
тате микробиологических процессов. Поэтому натечные известковые обра-
зования формируются преимущественно в условиях влажного и теплого кли-
мата, характерного для межледниковых периодов. Таким образом, они яв-
ляются индикатором палеоклимата. Известковые натеки, помимо химичес-
ких известковистых осадков, часто содержат обломочные компоненты, при-
внесенные в них с водой и ветром. Пещеры и находящиеся в них водяные
источники часто посещаются животными и людьми. Следовательно, такие
места являются наиболее важными палеонтологическими и археологичес-
кими объектами.
Рис. 7. Схематическое изоб-
ражение направления роста
сталагмитов и сталактитов
(показано стрелками). Зоны
роста в сталагмитах более
мощные и более четко выра-
жены, чем в сталактитах. Уча-
стки, наиболее подходящие
для оптимального опробова-
ния, показаны более темным
цветом (Geyh, 1983).
Для геохронолога датирование пещерных осадков, включая археологи-
ческие находки, является важной, но часто крайне трудной задачей. Среди
пещерных натечных образований наиболее пригодными для датирования
являются сталагмиты, поскольку они растут вергикально, образуя отдель-
2.5. Осадочные породы
ные слои, а не радиально, как сталактиты (рис. 7). Кальцитовая составляю-
щая известковых натеков в процессе кристаллизации захватывает примерно
0,1-1 мкг/г урана, так что для целей датирования можно использовать отно-
шение 23OTh /2Э411 (< 350 тыс. лет) и реже (из-за низкого содержания урана)
отношение 23,Ра /235Ы (< 150 тыс. лет) (глава 4). Метод ЭСР (разд. 7.3) по-
зволяет датировать образование натеков (< 0,5 млн лет) и часто применяется
совместно с методом датирования по неравновесиям в рядах распада урана.
ТЛ-метод (разд. 7.1) также представляет определенный интерес в связи с
проблемой датирования известковых натеков (< 1 млн лет). Как и в грунто-
вых водах, в известковых натеках часть углерода заимствуется из атмосфер-
ного и биосферного резервуара, что позволяет использовать ,4С-метод дати-
рования (разд. 5.4; < 40 тыс. лет). Остаточная намагниченность, присущая
пещерным осадкам и известковым налетам, позволяет датировать их палео-
магнитным методом (глава 9).
2.5.10. Травертины
В устьевых частях водных источников, расположенных в известковых тол-
шах, изменения давления и температуры приводят к отложению известко-
вых осадков. Такие натечные террасы, носящие название травертинов или
известковых туфов, образуются преимущественно в условиях влажного кли-
мата. Травертиновые отложения Центральной Европы, которые иногда имеют
весьма значительную мощность, относят к более теплым эпохам четвертич-
ного периода. Важные археологические находки, сделанные на травертино-
вых террасах, такие как в Бельцингслебен (Bilzingsleben), Ваймар-Эринс-
дорф (Weimar-Ehringsdorf) и Штутгарт-Каннштат (Stuttgart-Cannstatt), Гер-
мания, свидетельствуют о том, что такие источники, должно быть, привле-
кали внимание древних людей. Приведенные выше соображения о приме-
нении методов датирования к пещерным натечным формам в равной степе-
ни справедливы и в данном случае.
2.5.1 L Глубоководные осадки
Непрерывно накапливающиеся глубоководные осадки представляют собой
почти идеальный архив истории Земли, описывающий ее прошлое на гораз-
до большем интервале, чем четвертичный период. Вариации изотопного со-
става кислорода в глубоководных осадках (разд. 10.2.2) в совокупности с
данными микропалеонтологии и магнитной стратиграфии, основанной на
инверсиях полярности, образуют основу стратиграфии четвертичных отло-
жений. После привязки к радиометрическим значениям возраста континен-
тальных вулканических пород магнитостратиграфия обеспечивает хрономет-
рические временные маркеры глубоководных стратиграфических систем
четвертичного периода. И наоборот, континентальные разрезы могут быть
привязаны к этой системе через их магнитостратиграфические характерис-
52 Глава 2. Материалы
тики. Пелагические осадки на дне глубоких частей моря состоят из двух
компонентов различного происхождения: терригенной или детритовой со-
ставляющей, т.е. продуктов континентального выветривания, выносимых
ветром и водой в океан, и биогенной составляющей, образующейся в про-
цессах биологического и химического осаждения из морской воды. Биоген-
ная часть состоит главным образом из известковистых и кремнеземистых
морских одноклеточных организмов. В зависимости от состава микрофауны
и микрофлоры выделяют планктонное (верхние несколько метров толши
морской воды) и бентосное (дно океана) происхождение этих остатков.
Наиболее распространенными типами пелагических осадков являются из-
вестковые глобигериновые илы и неизвестковые терригенные глубоковод-
ные глины. Отбор проб таких осадков проводят методами колонкового бу-
рения, при этом могут быть получены керновые пробы длиной до 10 м и
диаметром около 10 см.
Неизвестковистая часть осадков может быть датирована измерением
содержания избыточного 2MTh (< 350 тыс. лет) и 231Ра (< 150 тыс. лет)
(глава 4). Используя керны осадков, можно определить скорость и возраст
их отложения. Эти данные не только служат для хронометрической калиб-
ровки кривой изменения dhO, но и позволяют также выявить процессы
эрозии и нарушения нормального залегания осадков, отражающие выз-
ванные климатическими причинами изменения характера глубоководной
циркуляции воды. Скорость седиментации можно также определить по
содержанию космогенного ,0Ве в глубоководных осадках (> 10 тыс. лет)
(разд. 5.3). Эта же методика применяется и при определении скорости ро-
ста марганцовых конкреций. Такие конкреции, состоящие из гидроксидов
железа и марганца, образуются на дне океана и в связи с повышенным
содержанием в них полиметаллов представляют экономический интерес.
Скорость их образования можно также измерить с помощью 26А1 (> 1 тыс.
лет; разд. 5.6). Для определения скорости отложения недавних осадков ис-
пользуются методы 32Si (< 103лет) и 2,<Pb (< 102 лет) (разд. 5.7 и 4.1.6
соответственно). В глубоководных осадках постоянно фиксируются изме-
нения магнитного поля. Их остаточная намагниченность определяется глав-
ным образом небольшой примесью принесенных ветром частиц, которые
медленно оседают на дно океана и располагаются в толще осадка вдоль
линий напряженности магнитного поля. Инверсии полярности и измене-
ния интенсивности остаточной намагниченности таких осадков использу-
ются для палеомагнитного датирования (глава 9).
2.5.12, Морские фосфориты
Морские фосфориты позволяют расшифровывать протекание различных
палеоокеанографических и палеоклиматических процессов и поэтому зас-
луживают того, чтобы к ним были применены методы датирования. В ходе
образования фосфоритов апатит обогащается ураном, так что для датирова-
2.6. Продукты выветривания 53
ния средне- и нижнеплейстоценовых фосфоритов можно использовать от-
ношения 2MU / n*U, 2,0Th / 234U и 231 Ра / 23SU (глава 4). Однако большин-
ство фосфоритов древнее этого интервала времени.
2.6, Продукты выветривания
Под действием атмосферных и биотических процессов поверхностные уча-
стки пород испытывают физические и химические изменения. Процессы
химического выветривания играют главную роль в условиях влажности и
повышенных температур. Эти процессы достаточно сложны и включают в
себя реакции гидролиза, диффузии, окисления, карбонатизации, ионного
обмена и растворения, часто сопровождаемые и дополняемые биогенной
активностью. Поскольку скорость химических реакций возрастает в услови-
ях влажной и теплой окружающей среды, зоны интенсивного химического
выветривания являются важными палеоклимагическими индикаторами.
В четвертичном периоде такими эпохами усиленного химического выветри-
вания были межледниковые и в меньшей степени межстадийные. Деятель-
ность древнего человека часто ассоциируется с периодами существования
благоприятного климата. Исследование возраста древних процессов вывет-
ривания представляет интерес для палеоклиматологии, стратиграфии и ар-
хеологии.
2.6.1. Почвы
Механическое и химическое разрушение пород при участии живых орга-
низмов приводит к образованию почвенного покрова. Помимо обломков
пород и минералов почвы содержат органические соединения, прежде всего
гумусовые кислоты. Образование почв сильно зависит от климатических
условий и требует нескольких сотен или даже тысяч лет, в течение которых
поверхность порол подвергалась выветриванию. Ископаемые почвы (палео-
почвы) важны для идентификации межледниковых и межстадийных усло-
вий климата. Корреляция почв составляет основу педостратиграфии. В свя-
зи с их значимостью для стратиграфических и климатических исследований
почвы требуют интенсивного хронометрического датирования, которое, од-
нако, трудно провести. Главным препятствием в этом случае является слож-
ность процессов почвообразования.
Палеопочвы содержат углерод в виде различных соединений. Органи-
ческая составляющая почв, представленная гуминовыми кислотами и мик-
роостанками, является, хотя и с определенными ограничениями, подходя-
щим объектом для ,4С-датирования (разд. 5.4) почв (< 40 тыс. лет). Вслед-
ствие сложности процессов педогенеза радиоуглеродные значения возраста,
полученные для гуминовых кислот, могут быть в лучшем случае интерпре-
тированы как средние значения возраста процесса почвообразования. Воз-
раст почвообразования (> 10 тыс. лет) можно также определить, исходя из
Глава 2. Материалы
содержания в них ,0Ве (разд. 5.3). В процессе биотурбации почв зерна квар-
ца и полевого шпата выносягся на поверхность и осветляются, в связи с чем
возраст почвообразования может быть определен люминесцентными метода-
ми (разд. 7.1 и 7.2). Датирование почв, в частности педогенных карбонатов
(разд. 4.3), может быть также проведено методами изучения рядов распада
урана (разд. 4.1.2).
2.6.2. Каличе и калъкрет
В условиях полуаридного климата отложения кальцита, осаждающиеся из
вадозных вод, образуют известковистые горизонты вблизи поверхности по
берегам рек и ручьев; такие образования называются «каличе» или «кальк-
рет». Являясь продуктами вторичного отложения, они цементируют суще-
ствовавший прежде материал, такой как песок, гравий или почва. Залегают
они более или менее параллельно поверхности. При образовании карбоната
кальция происходит преимущественное накопление в нем урана и его отделе-
ние от тория. Это позволяет применять к таким образованиям 23OTh / 2Ми-ме-
тод датирования (разд. 4.1.1). Поскольку углерод в карбонатах кальция
(< 40 тыс. лет), осажденного из грунтовых вод, частично заимствуется из
атмосферного и биосферного резервуаров, к ним применим ,4С-метод дати-
рования (разд. 5.4). Тот факт, что отложение вторичных карбонатов изменя-
ет уровень облучения песчаных зерен, позволяет использовать ТЛ-метод да-
тирования (разд. 7.1.3).
2.6.3. Пустынный загар
На поверхности породы естественного или искусственного происхожде-
ния, в течение долгого времени подверженной влиянию атмосферы в ус-
ловиях аридного или полуаридного климата, под влиянием атмосферных
осадков и при участии микрофлоры постепенно образуется устойчивая
темная пленка. Она известна как пустынный загар и состоит из соедине-
ний железа и марганца. Подобные пустынному загару корки выветрива-
ния были обнаружены также в полупустынных горных районах (разд. 2.5.7).
Возраст пустынного загара представляет собой время облучения поверх-
ности породы, и в пустынных и полупустынных районах он позволяет
говорить о стабилизации поверхности суши и особенно о минимальном
возрасте предгорных равнин, аллювиальных конусов выноса, обломоч-
ных конусов, гравийных террас, эоловых отложений и морен на высоко-
горье. Были предприняты попытки определения возраста таких корок
(I тыс. лет — 100 тыс. лет) на основании измерений отношения катионов
(разд. 8.6). Поскольку пустынный загар, по крайней мере в калифорний-
ской пустыне Мохаве (Mojave), содержит некоторые количества (< 2%)
органических веществ, для его датирования можно применять |4С-метод
(< 40 тыс. лет; разд. 5.4).
2.7. Неорганические артефакты 551}
2.6.4. Корки выветривания и патина
На поверхности обломков тонкозернистых базальтов, а также различных
соединений кремнезема, таких как кремень и кремнистый сланец (черт),
часто возникают корки выветривания, известные также под названием «па-
тина». Измеряя толщину таких корок выветривания (разд. 8.1) на леднико-
вых обломках (1 тыс. лет - < 1 млн лет), можно определить относительное
время активности ледника. Вопрос о том, до какой степени данный метод
применим для определения времени, в течение которого поверхности крем-
ней подвергались процессам выветривания (разд. 2.7.2), остается неясным
до сих пор.
2.6.5. Фронты диффузии
В процессе выветривания различные химические компоненты перемещают-
ся вдоль искусственной или естественной поверхности пород в результате
процессов диффузии, создавая тем самым микроскопические фронты диф-
фузии. Такой фронт отделяет свежий неизмененный материал от химически
измененной корки. Толщина диффузионной корки растет в зависимости от
длительности воздействия процессов выветривания на исследуемую поверх-
ность, что позволяет использовать ее для целей датирования. Возраст повер-
хностей вулканических и искусственных стекол (100 лет - < 10 тыс. лет)
можно определить методом гидратации (разд. 8.2). К поверхностям кремни-
стых пород (1 тыс. лет - < 10 тыс. лет) применялось датирование методом
диффузии фтора (разд. 8.4). Кирпичи с прилипшим к ним строительным
раствором (70 лет - 4 тыс. лет) могут быть использованы для датирования
методом диффузии кальция (разд. 8.5). Последние два метода нуждаются,
однако, в проверке на практике.
2.7. Неорганические артефакты
К числу объектов, наиболее часто обнаруживаемых археологами, относятся
неорганические артефакты. Большинство хронологических схем основано
на их типологической классификации и эволюции, что особенно справед-
ливо в применении к керамике. Существует поэтому настоятельная потреб-
ность в независимом датировании артефактов. Их пригодность для физи-
ческих или химических методов датирования существенно варьируется. Плохо
поддаются датированию металлические изделия. Ситуация с каменными
орудиями значительно улучшилась в последние годы. Более многообещаю-
щими являются все виды объектов, сделанных из обожженной глины, хотя
достижимая при этом точность измерения возраста не всегда удовлетворяет
предъявляемым к таким исследованиям требованиям.
Следует уточнить значение термина возраст. Рассматривая неорганичес-
кие артефакты, следует четко различать возраст образования материала, из
Глава 2. Материалы
которого они сделаны, возраст их изготовления, возраст захоронения и, если
необходимо, возраст других событий, таких как нагревание или осветление.
В зависимости от типа материала и примененной методики удается полу-
чить различные значения возраста даже для одного и того же объекта.
2.7.1. Каменные артефакты (общие замечания)
Каменные орудия относятся к наиболее важным доисторическим находкам.
Их непосредственное датирование особенно желательно для эпохи палеоли-
та, за пределами возрастного интервала, в котором применяется нС-метод.
К сожалению, хронометрическое исследование камня вызывает значитель-
ные затруднения. Исключениями являются артефакты, изготовленные из
кремня и обсидиана, которые будут рассмотрены отдельно. В некоторых
случаях, однако, необходимые возрастные определения возможны. Камен-
ные орудия и черепки, обнаруживаемые среди пепла доисторических очагов
и на пожарищах (> 100 тыс. лет), могли подвергаться сильному нагреву,
стирающему треки деления (разд. 6.1) в апатите, цирконе или титаните, что
позволяет определить возраст нагревания. Возраст нагретых силикатов и
карбонатов (ICO лет - 100 тыс. лет) может быть определен методом люминес-
ценции (разд. 7.1 и 7.2). Этот метод имеет также большой потенциал для
датирования эпизода последнего облучения светом поверхности пород, что
можег быть важным для изучения сооружений и каменных инструментов,
сделанных из мрамора и силикатов. После захоронения каменных орудий и
черепков в почве на их поверхности начинается диффузия фтора (разд. 8.4).
Толщина корок диффузии фтора отражает относительный возраст захороне-
ния. Эта методика может быть применена к поверхностям кремнистых по-
род (I тыс. лет - 100 тыс. лет), таких как вулканические, плутонические
породы и аркозовые песчаники. Каменные артефакты, имеющие на повер-
хности сколов пустынный загар (1 тыс. лет - 100 тыс. лет), могут быть
датированы катионным методом (разд. 8.6). Можно также предполагать воз-
можность датирования каменных орудий путем измерения космогенных нук-
лидов (глава 5), если они были внезапно либо вынесены на поверхность
Земли, либо экранированы от космического излучения.
2.7.2. Кремень и кремнистый сланец (silex)
Термин silex (мн. число silices) применяется д ля обозначения плотных, твердых
пород, состоящих главным образом из кремнезема. Их представителями
являются агаты, халцедоны, кремни, яшмы, кремнистые сланцы, радиоля-
риты, кремнистые шлаки и др. Их классификация, к сожалению не приня-
тая повсеместно, основана на макроскопических и микроструктурных кри-
териях, равно как и на условиях их геологического залегания. С минерало-
гической точки зрения все они представляют собой сложные соединения,
состоящие из скрытокристаллическсго кварца (с размером зерен < 30 мкм)
2.7. Неорганические артефакты
и аморфного кремнезема (> 90% SiO2), смешанных с углеродистыми, орга-
ническими и водными соединениями. Кремень - осадочная горная порода,
встречается главным образом в виде конкреций среди известняков и доло-
митов. Его значительная твердость (6-7 единиц по шкале Мооса) делает
кремень важным исходным материалом для изготовления остроугольных
орудий труда в течение длительного периода времени от нижнего палеолита
до неолита. Систематика культур палеолита основана главным образом на
типологии изготовленных кремневых артефактов. Кремень относится к наи-
более устойчивым археологическим материалам.
Рис. 8. Изготовленный из
кремня артефакт из стоян-
ки Беригуль (Berigoule),
Во клюз (Vaucluse), Фран-
ция, с явно выраженными
кракелюрами. Такой рису-
нок трещиноватости ука-
зывает на сильный нагрев.
При захоронении на поверхности кремня образуется корка выветрива-
ния. или патина, макроскопически отличающаяся от свежих внутренних
частей. Предпринимались попытки использовать толщину корок выветрива-
ния для датирования поверхностей артефактов. Оказалось, что такой подход
весьма проблематичен из-за многообразного влияния на процесс выветри-
вания особенностей почв и химии процессов (Rottlandcr, 1989). Если арте-
факты подвергались нагреванию в доисторическое время (что на самом деле
относится к большей части артефактов, изготовленных из кремня), для да-
тирования в интервале I тыс. лет - 100 тыс. лет могут быть использованы
методы ТЛ и ЭСР (разд. 7.1 и 7.3). Индикаторами нагревания могут быть
тонкий рисунок трещин, так называемых кракелюр (рис. 8), изменение цве-
та, который может иметь белый, красноватый или черный оттенок в зависи-
мости от исходного материала и окислительно-восстановительных условий,
а также трещиноватость (Hahn, 1991). Интенсивность ТЛ- и ЭСР-сигнала
также служит индикатором нагревания. Причиной обилия обожженных крем-
невых артефактов, возможно, является усиление при обжиге способности
кремня к расщеплению (Griffiths et al., 1986).
{^58 Глава 2. Материалы
2.7,3. Обсидиан
Доисторические культуры, имевшие доступ к обсидиану (разд. 2.1.2) либо в
результате непосредственной его добычи, либо в результате торгового обме-
на, широко использовали этот материал, имеющий большую твердость
(7 единиц по шкале Мооса; более твердый, чем хром-никель-содержащая
сталь). Торговля обсидианом распространялась весьма широко, на тысячи
километров от мест его геологических источников. Со времени нижнего па-
леолита он использовался для изготовления ножей, наконечников стрел, скреб-
ков и других острых режущих и колющих изделий. В связи с заметной хруп-
костью изделия из обсидиана легко ломались и становились малопригодны-
ми лля употребления. Следовательно, их чаете можно обнаружить в виде сло-
манных обломков при археологических раскопках. В местах изготовления таких
орудий часто находят многочисленные чешуевидные обломки обсидиана, тогда
как стержневидные находки менее многочисленны (рис. 9).
Рис. 9. Обсидиановый стержень со стоянки Сехитимин/Карс (Sehilemin/KaR),
Восточная Анатолия.
При изготовлении доисторических орудий высеканием из больших кус-
ков образовывались свежие поверхности обсидиана, которые можно датиро-
вать (> 100 лет - 100 тыс. лет) методом гидратации (разд. 8.2). Этот метод
представляется весьма многообещающим, поскольку с его помощью можно
исследовать обширные серии образцов, не тратя на это много денег и време-
ни. В процессе производства по неизвестной причине изделия из обсидиана
и его обломки часто подвергались нагреванию, однако при их использовании
также иногда происходил их случайный или преднамеренный нагрев. При
условии, что такое нагревание было достаточно интенсивным для того, чтобы
отжечь уже существовавшие треки деления (разд. 6.1), такое событие (> 1 тыс.
лет) может быть датировано анализом числа треков, образовавшихся позже.
2.7. Неорганические артефакты 59 Т)
2.7.4. Тектитовые стекла
Иногда (разд. 2.2.1) доисторический человек в качестве материала для изго-
товления колющих и режущих каменных орудий использовал тектиты. Хо-
рошим примером могут служить сделанные из молдавитов орудия, обнару-
женные в верхнепалсолитических слоях на стоянке Виллендорф, Вахау
(Willendorf, Wachau). Австрия. В Индокитае тектиты известны с бронзового
века (Bezborodov, 1975). Обнажавшиеся поверхности таких стеклянных ар-
тефактов (1 тыс. лет — 100 тыс. лет) можно датировать методом гидратации
(разд. 8.2). С другой стороны, подвергавшиеся нагреву орудия, изготовлен-
ные из тектитов, могут быть датированы методом треков деления (разд. 6.1).
2.7.5. Петроглифы
Тонкие корки пустынного загара (разд. 2.6.3) на поверхности пород пре-
красно подходят для изготовления рисунков, сохраняющихся в течение дол-
гого времени. Темный слой слегка нарушался путем гравировки или высе-
кания молотком, в результате чего на поверхности выступали более яркие,
свежие внутренние участки материнской породы. Петроглифы, как называ-
ют наскальные рисунки такого типа, известны в различных культурах, на-
пример, знаменитые петроглифы, расположенные у проходящей вдоль шел-
кового пути каракорумской автострады. При изготовлении этих рисунков
на поверхности обнажались свежие участки пород, на которых вновь обра-
зовывался пустынный загар. Катионный метод (разд. 8.6) позволяет датиро-
вать такой вторично образованный пустынный загар (1 тыс. лет - 100 тыс.
лет) и тем самым эти рисунки на скалах.
2.7.6. Строительный раствор
Строительный раствор изготавливается из известняка (СаСО3). Вначале в
результате обжига известняк разлагается на углекислый газ — СО2 и негаше-
ную известь — СаО. Последняя затем гасится водой с образованием
Са(ОН)2. При высыхании тестообразная гашеная известь реагирует с атмос-
ферным СО2, образуя CaCOj строительного раствора. Эта реакция является
очень важным шагом для |4С-метода датирования (разд. 5.4), поскольку в
строительный раствор при этом попадает современный ему углерод. В стро-
ительном растворе, произведенном таким образом, весь неорганический
углерод берется из атмосферного СО2. При условии, что после затвердева-
ния раствора никакого обмена с углеродом атмосферы не происходит, вре-
мя строительства такого здания можно определить по степени уменьшения
в результате распада количества ,4С в строительном растворе (> 100 лет).
Диффузия кальция из строительного раствора в кирпич может наблюдаться в
виде своеобразного фронта и, таким образом, представляет подходящий метод
определения возраста кирпичной кладки (70 лет — 4 тыс. лет). Для датиро-
({^60 Глава 2. Материалы
вания новообразованного СаСО,в строительном растворе можно использо-
вать, хотя до сих пор это не применялось, методы ТЛ (разд. 7.1) и ЭСР
(разд. 7.3).
2.7.7. Керамика и кирпичи
Технология изготовления керамических изделий имеет почти 10000-летнюю
историю. Высокая хрупкость керамических изделий приводит к тому, что они
быстро выходят из строя, так что вскоре после изготовления их осколки ока-
зываются в земле. Производство керамических изделий подвержено частым
изменениям стиля. Обе эти характеристики - кратковременность существо-
вания и типологическое непостоянство, гак же как и обилие находок череп-
ков керамических изделий. позволяют считать керамику исключительно пен-
ным археологическим объектом для хронологического исследования и неза-
висимого абсолютного хронометрического датирования.
Рис. 10. Доколумбова чаша пос^е того, как из нее была отобрана проба (не-
большое отверстие в темной части дна) ня проверки аугентичности
методом ТЛ. Измерения позволили подтвердить возраст, полученный
на основании изучения стиля этого изделия (около 1000 лет).
2.7. Неорганические артефакты 61
Метод ТЛ (разд. 7.1) позволяет датировать время обжига, т.е. время изго-
товления керамики (> 100 лет). Для этого используют тонкозернистую фрак-
цию и включения кварца. Ясно, что разрешение в 6-10% является недоста-
точным для решения большинства хронологических проблем, однако суще-
ствует много примеров, когда датирование керамики и обожженного кирпича
может дать полноценные и успешные результаты, несмотря на низкую точ-
ность таких определений. Для доказательства истинности предположительно
древнего возраста керамических изделий (рис. 10) хорошо подходит метод
ТЛ. Метод ОСЛ (разд. 7.2) был успешно применен к примеси кварца в кера-
мических черепках (>100 лет), причем при этом была достигнута более высо-
кая точность определения, чем при использовании метода ТЛ. При обнару-
жении остатков мякины и хлебных зерен в керамических изделиях для дати-
рования керамики (> 100 лет) можно использовать ,4С-метод (разд. 5.4). На
практике вследствие низкого содержания органического углерода в керамике
такое применение этого метода возможно только при использовании ускори-
тельной масс-спектрометрии (AMS). Проводились эксперименты по датиро-
ванию керамики методом треков альфа-частиц (ядер отдачи) во включениях
мусковита (разд. 6.2). Керамические глины обжигаются обычно при темпера-
турах 700-800’С, а при их охлаждении до температур ниже точки Кюри пре-
обладающее при этом магнитное поле фиксируется в них в виде термооста-
точной намагниченности. Археомагнитное датирование (глава 9) керамичес-
ких изделий использует величин) и - в тех случаях, когда известно положе-
ние объектов во время обжига, - направление магнитного поля. Определен-
ная таким образом дата соответствует времени изготовления объекта. Высу-
шенные на воздухе и обожженные кирпичи, поверхности которых были по-
крыты содержащим кальций связующим веществом (строительный раствор,
гипс или штукатурка), являются подходящими материалами для применения
метода диффузии кальция (разд. 8.5). Этим способом датируется не сам мате-
риал, а время возведения из него кирпичной кладки.
2.7.8. Печи, обожженная почва и камни
Нагретые глиняные объекты, такие как стены печей, материал их футеровки
(рис. 11), обожженные остатки глины и обожженные горизонты почвы, могут
использоваться для целей датирования таким же образом, как и керамичес-
кие изделия. Особый интерес представляют нагретые камни и остатки
археометаллургических печей, которые во всех иных случаях вряд ли могут
быть датированы. Обычно вид обожженных землистых материалов, похо-
жих на красный кирпич, указывает на высокие температуры в печи. Ис-
пользование ТЛ-метода (разд. 7.1) позволяет определить время последнего
нагревания (> 400°С). В случае обожженных пород используются зерна кварца
и полевого шпата. Тот факт, что печи и очаги в отличие от керамических
черепков часто находятся на своем собственном месте (in situ), т.е. они
сохраняют то же положение, что и при их активном использовании, позво-
Глааа 2. Материалы
ляет применять метод археомагнитного датирования (глава 9). Это позволяет
использовать не только величину термоостаточного намагничивания, но также
его склонение и наклонение. Однако при этом следует удостовериться, что
исследованные пробы действительно испытали воздействие высоких темпе-
ратур обжига (> 50(ГС),
Рис. 11. Печь и материал футеровки на древнеримской вилле вблизи Бад-
Кройцнаха (Bad Kreuznach), Германия. Дата последнего использова-
ния печи для обжига была определена ТЛ-методом (Wagner, 1980b).
2.7.9. Искусственные стекла
Древние стекла имеют широко варьирующийся химический состав, так как
они могли производиться из различного сырья. Большая часть стекол отно-
сится к фуппе щелочно-известковистых. Классическим сырьем, используе-
мым для производства стекла, являются зольные шлаки (поташ) и кварце-
вый песок. Помимо богатых натрием и калием зольных шлаков в древности
для производства стекла уже использовали соду. Высокое содержание щело-
чей приводит к снижению температуры плавления шихты. Различные от-
тенки стекла достигались в результате добавления различных красящих ве-
ществ. Помимо небольшого количества бусин времени Шестой династии
Египта, с середины 2-го тысячелетия до н.э. известны сосуды, изготовлен-
2. 7. Неорганические артефакты
ные из искусственного стекла в Месопотамии (египетские стеклянные сосу-
ды известны с несколько более позднего времени). Технология изготовле-
ния стекла предположительно возникла из методики глазурования. С Ближ-
него Востока искусство изготовления стекол распространилось на район
Средиземноморья. В Северной Италии стеклянные изделия известны с
V века до н.э. Мощное развитие производство стекла получило во время
Римской империи и затем в средневековье.
Рис. 12. Ваза из богемского
стекла 19 века с желто-зеле-
ной люминесценцией в свя-
зи с присутствием в нем при-
мерно 1% окиси урана.
Под влиянием влаги древние стекла испытывают более или менее силь-
ное влияние процессов выветривания. В корках выветривания на поверхнос-
ти стекол (> 100 лет) сохраняются прослои стекла (разд. 8.3), количество кото-
рых, возможно, соответствует длительности его захоронения. Очевидно,
что для таких исследований лучше всего подходят средневековые и современ-
ные стекла. Для определения возраста искусственного стекла (> 10 лет) пред-
принимались также попытки использовать метод гидратации (разд. 8.2).
щГ 64 Глава 2. Материалы
Для датирования искусственных стекол (> 1 тыс. лет) в принципе возможно
применение метода треков деления (разд. 6.1), хотя этот метод является весь-
ма трудоемким, поскольку стекла имеют обычно относительно небольшой
возраст и малое содержание урана. Тем не менее урановое стекло (рис. 12),
производимое в Богемии с середины 19 столетия и содержащее до \% урана,
вполне подходит для определения возраста этим методом.
2.7.10. Витрифицированные форты
В Западной и Южной Европе имеются многочисленные оборонительные
сооружения, известные как витрифицированные форты. Обычно их соору-
жение связывают с кельтскими племенами. Каменные булыжники, из кото-
рых сложены стены фортов, частично расплавлены, и пустоты между ними
заполнены стекловатым шлаком. Предположительно это результат разру-
шительных пожаров, уничтоживших строения, возведенные из камня и де-
рева. Стекловатое вещество, сильно гетерогенное по составу, содержит мно-
гочисленные остатки кристаллических пород; его формирование происхо-
дило при температурах более 100(ГС. Датирование фазы стекла и остатков
нагретых пород может быть проведено ТЛ-методом (разд. 7.1).
2.7.11. Металлургические шлаки
Шлаки зачастую являются единственными остатками, свидетельствующими
об археометаллургической деятельности человека. Они представляют собой
важный источник информации о действительных достижениях пиротехно-
логии. Установление их временной привязки, однако, вызывает серьезные
затруднения, поскольку стратиграфическая ситуация в местах расположе-
ния металлургических производств зачастую бывает нарушена. Находки дре-
весного угля, которые часто встречаются вместе со шлаками, могут быть
датированы |4С-методом (разд. 5.4). При этом необходимо тщательное ис-
следование, чтобы избежать неясности с временным соотношением между
углями и шлаками, поскольку плавление руд могло осуществляться на од-
ном и том же месте в течение долгого времени1. Однако часто мельчайшие
остатки древесного угля бывают заключены внутри самих шлаков, что по-
зволяет датировать древесину, используемую в качестве топлива, с помо-
щью иС-АМБ-метода измерения. С другой стороны, анализ самого матери-
ала шлаков позволяет проводить непосредственное датирование самой ар-
хеометаллургической деятельности. Предпринимались попытки применить
к шлакам ТЛ-метод датирования (разд. 7.1). В принципе для этих целей
может быть использовано стекло, а также фазы фаялита и пироксена, при-
сутствующие в шлаках. К сожалению, опыты датирования компонентов шла-
1 Подробнее о радиоуглеродном датировании металлургических провинций см. ста-
тью Е.Н. Черных и Н.Б. Черных в приложении. - Прим. ред.
2.8. Растительные остатки 65
ков находятся на самой начальной стадии. Более многообещающим являет-
ся ТЛ-датирование нагретых включений кварца или реликтов обожженной
глины, прилипших к шлаку.
2.7.12. Свинцовые краски и сплавы
Вплоть до недавнего времени свинцовые белила (РЬСО3) оставались наиболее
важным белым пигментом, пока в 20 столетии им на смену не пришли тита-
новые белила (ТЮ2). Поэтому современные фальсификаторы старинных про-
изведений живописи сознательно используют свинцовые белила. Чтобы оп-
ределить, имеют ли краски, содержащие свинец и свинцовые сплавы, воз-
раст, превышающий примерно 100 лет, можно использовать радиоактивный
изотоп свинца 2,0РЬ (разд. 4.1.6) - промежуточный член ряда распада 2MU, и
изобличить, таким образом, современных фальсификаторов.
2.8. Растительные остатки
Геологические пласты часто содержат более или менее разложившиеся расти-
тельные остатки, благодаря которым можно сделать заключение о палеокли-
матических и палеоэкологических условиях, существовавших во время их от-
ложения. В некоторых видах осадков, например в торфе, растительный ком-
понент доминирует. Наиболее примечательным материалом растительного
происхождения в культурных слоях является древесный уголь. Остатки расте-
ний обнаруживаются также на древних свалках бытовых отходов в виде остат-
ков пищи в сосудах, в кухонных очагах и пепле. Фрагменты древесины сохра-
няются в деревянных конструкциях и ямах, вырытых для установки столбов.
Остатки растений представляют большой интерес для археологии и истории
архитектуры. Обычно для их датирования используют ,4С-метод (разд. 5.4).
В таких случаях следует иметь в виду, что полученные возрастные данные отно-
сятся к материалу, из которого состоит изученный образец, а не обязательно ко
времени того или иного геологического или археологического события.
2.8.1. Древесина
Древесина состоит из целлюлозы, углеводов и лигнина. При датировани
древесины, особенно древесных стволов, следует иметь в виду, что деревья
представляют собой долгоживущие растения, которые могут расти многие
сотни лет. Каждый год, пока они растут, на них появляются дополнитель-
ные кольца. Ежегодное прибавление колец позволяет при определении их
возраста использовать метод дендрохронологии (разд. 10.1.2). В Центральной
Европе так обычно датируются дубы и сосны (< 12 тыс. лет). Эта методика
требует наличия по крайней мере 100 последовательных колец. В связи с
недостижимой для других методов точностью измерения (до одного года)
этот метод является основой для создания календаря голоцена. Древесина
Глава 2. Материалы
(< 40 тыс. лет) может быть также датирована иС-методом (разд. 5.4). В конце
каждого годового периода роста последнее годичное кольцо изолируется от
дальнейшего обмена с атмосферой, так что мС-возраст каждого кольца опреде-
ляет год его образования. Это явление, известное как «эффект старого дерева»,
может вызвать существенные неопределенности, например, в случае, если не-
обходимо определить возраст сооружения по результатам исследования лесо-
материала, из которого оно было построено. Если в исследуемой древесине
(< 11 тыс. лет) можно наблюдать хотя бы 50 последовательных годичных колец,
то для ее датирования можно применить более точный 14С-метод датирования
по отдельным кольцам, тщательно сопоставляя полученные при этом результа-
ты. Органическое вещество древесины содержит небольшие количества ами-
нокислот, поэтому были предприняты попытки датирования (10 тыс. лет -
100 тыс. лет) древесины методом рацемизации (разд. 8.8).
2.8.2. Древесный уголь
В археологических слоях часто находят древесный уголь. Он хорошо подхо-
дит для определения возраста ,4С-методом (разд. 5.4). Однако эффект старого
дерева (см. выше) может приводить к значительным неопределенностям, если
археологическая сторона исследования определяется только результатами да-
тирования обломков древесного угля. После сжигания более древние внут-
ренние части ствола дерева остаются в виде древесного угля, что может дать
ошибочные значения возраста, на несколько сотен лет более древние, чем в
действительности. Чтобы оценить возможность такого рода ошибки, можно
посоветовать определить, какого рода древесина была использована для изго-
товления угля. Обожженные молодые веточки являются более предпочти-
тельными для МС датирования, чем массивные куски дерева.
2.8.3. Семена и зерна
Семена и зерна злаков, встречающиеся в пластах неолита, не содержащих
керамических предметов, свидетельствуют о развитии сельского хозяйства на
Ближнем Востоке в то время. Точные временные границы начала этой дея-
тельности и хронология ее распространения в другие зоны давно исследуют-
ся с применением 14С-метода (разд. 5.4). Преимуществом таких растительных
материалов является их ежегодная возобновляемость. Применение AMS-ме-
тода позволяет проводить анализ единичных зерен и тем самым делает воз-
можной независимую проверку археологической стратиграфической датировки,
которая могла быть искажена процессами биотурбации.
2.8.4. Пыльца и споры
Цветковые растения производят пыльцу, а мхи и папоротники дают споры.
Такие растительные материалы являются весьма характерными для разных
2.8. Растительные остатки
видов, имеют размеры обычно около 30 мкм и хорошо сохраняются, по-
скольку часто покрыты прочной восковой пленкой, особенно в условиях
восстановительной среды почв. Качественный и количественный анализ
пыльцы и спор (споропыльцевой анализ, разд. 10.2.4), собранных в пределах
одного слоя, отражает растительные комплексы, равно как и климатические
условия окружающей среды. Зависящая от времени запись результатов та-
кого анализа представляется обычно в виде пыльцевых диаграмм. Опреде-
ленные виды пыльцы играют важную роль в биостратиграфии четвертично-
го периода и особенно голоцена. Применение ,4С AMS-метода (разд. 5.4) к
частичкам пыльцы (< 40 тыс. лет) позволяет проводить непосредственное
датирование этих «ископаемых индексов».
2.8.5. Фитолиты
Эти микроскопические минеральные тела производятся растениями в про-
цессе жизнедеятельности для механического поддержания растительных
тканей, особенно в травах. Обычно они состоят из опаловидного кремне-
зема. Они обнаруживаются в природных и культурных осадках в виде ус-
тойчивых к процессам разрушения микроокаменелостей. Фитолиты харак-
теризуются большим разнообразием форм, часто являющихся характерны-
ми для того или иного вида растений. Как и в случае с пыльцой, их иден-
тификация позволяет делать заключение о растительных комплексах, в
частности о выращивании хлебных злаков. Поскольку кремнистые фито-
литы содержат остатки исходной ткани растений, находящиеся внутри них,
они могут быть датированы (< 40 тыс. лет) с помощью ,4С-АМ$-метода
(разд. 5.4). Предпринимались также попытки датирования опалового веще-
ства фитолитов (1 тыс. лет - 100 тыс. лет) с помощью ТЛ-метода (разд. 7.1).
2.8.6. Бумага и текстильные остатки
Растительные волокна текстильных изделий являются подходящим объек-
том для датирования ,4С-методом (разд. 5.4), поскольку сырьем для них яв-
ляются растения, имеющие короткий срок жизни, перерабатываемые в те-
чение нескольких лет после сбора урожая. Следовательно, ,4С-возраст этих
тканей соответствует моменту выработки исследуемого текстиля. При дати-
ровании бумаги следует допустить вероятность того, что при ее производ-
стве могла использоваться макулатура и хлопчатное тряпье. Поэтому в зави-
симости от способа производства бумаги ее ,4С-возраст может быть заметно
завышен.
2.8.7. Торф и сапропель
Эти неконсолидированные отложения растительных остатков указывают на
существование влажных и теплых климатических условий, т.е. межледнико-
шГб8 Глава 2. Материалы
вых и межстадиальных периодов. Кроме того, обилие частиц пыльцы в та-
ких отложениях позволяет делать важные палеоботанические заключения.
К ним непосредственно применим ,4С-метод датирования (< 40 тыс. лет)
(разд. 5.4). Анализ органических соединений осадочных толщ требует тща-
тельного доказательства их одновременного с осадком происхождения. Под-
ходящими материалами при таких исследованиях являются торф и сапро-
пель, однако можно использовать и осадки с меньшим количеством органи-
ческих компонентов. Плейстоценовые мхи (< 350 тыс. лет), находящиеся
вне возрастного интервала, покрываемого ,4С-методом, могут быть датиро-
ваны с помощью 230Th / U-метода (разд. 4.1.1).
2.8,8. Органические остатки в сосудах, на каменных
орудиях и наскальных рисунках
Керамические сосуды и каменные орудия, контактировавшие с органически-
ми материалами в процессе их изготовления или использования, обычно со-
храняют небольшие их следы на своей поверхности. Возможны остатки как
животного (кровь, мышечные волокна, волосы, перья, жиры), так и расти-
тельного (смола, крахмал и остатки растений) происхождения. Органические
материалы обычно довольно устойчивы к вторичным изменениям. Посколь-
ку эти пробы, как правило, невелики, датирование таких органических остат-
ков (< 40 тыс. лет) требует применения ,4C-AMS-метода (разд. 5.4).
2.8.9. Вино
Вино, хранящееся в бочках и бутылках, изолируется от дальнейшего обмена
с биосферой и гидросферой, так что в принципе можно определить возраст
вина по результатам изучения распада трития (разд. 5.1). Но, как и в случае
с грунтовыми водами, применение такого метода осложняется сильным вли-
янием антропогенного фактора, приведшего к заметному увеличению со-
держания трития в атмосфере и гидросфере. Тем не менее для проб вина
можно проследить общее уменьшение содержания трития - равно как и
радиоуглерода, образованного при термоядерных взрывах, начиная с 1960-х
годов. Таким образом, для этого периода времени непрямые определения
возраста изготовления вина представляются вполне возможными.
2.8.10. Диатомовые водоросли
Эти мельчайшие одноклеточные растения развиваются как в морской, так и
в пресной воде. В процессе жизнедеятельности они выделяют опалоподоб-
ные скелеты, которые могут накапливаться в виде осадков. Кремнеземистые
диатомовые илы и диатомиты находят на дне озер и океана. Датирование
таких образований важно для хронологических и палеоклиматических ис-
следований. Известны попытки хронометрического определения возраста
2.9. Животные останки 69
диатомовых водорослей с помощью ТЛ-метода (1 тыс. лет - 100 тыс. лет;
разд. 7.1), 226Яа-метода (< 10 тыс. лет; разд. 4.1.7) и ^Si-метода (50-500 лет;
разд. 5.7).
2,9. Животные останки
Ископаемые останки животных встречаются почти исключительно в виде
частей известковистых или апатитовых скелетов, ассоциированных с боль-
шим или меньшим количеством органического вещества. Они встречаются
как в морских, так и в континентальных четвертичных осадках. Археологи-
ческие слои часто содержат кости и зубы. Заметный интерес вызывает хро-
нометрическое датирование ископаемых останков животных, как в связи с
вопросами хронологии, так и в связи с определением абсолютного возраста
самой находки, например, окаменевших костей гоминид. Помимо окамене-
лостей, зубы могут быть также датированы in vivo.
2.9.1. Кости и рога
Кости живых позвоночных животных примерно на 25-30% состоят из орга-
нического материала, это главным образом протеин коллаген. Неорганичес-
кая составляющая этих костей состоит из карбонат-гидроксиапатита, угле-
родсодержащего фосфата кальция. После смерти и последующего захороне-
ния в осадках начинается процесс гидролитической деградации органических
компонентов. Благодаря довольно высокой пористости костей, неорганичес-
кие компоненты, входящие в их состав, находятся в состоянии химического
обмена с осадочной средой. Эти процессы сильно зависят от древней хими-
ческой и гидрологической среды, так же как и от температуры. Обнаружива-
емые в горизонтах палеолита кости, зачастую представляющие собой остатки
добычи древних охотников, представляют непосредственный интерес для да-
тирования. Кроме того, определение возраста останков человека напрямую
связано с восстановлением истории эволюции гоминид. Поэтому кости пред-
ставляют собой обычный и важный для датирования материал.
В течение долгого времени кости (< 40 тыс. лет) рассматривались как
объект, мало пригодный для нС-датирования (разд. 5.4). Они содержат пре-
имущественно углерод, входящий в состав неорганических соединений, ко-
торый может вступать в реакции обмена с грунтовыми водами. Углерод,
связанный в костях в составе органических соединений, несмотря на про-
цессы диагенеза почти не подвержен процессам обмена. Методика AMS
имеет преимущество по сравнению с методикой измерения 0-активности,
поскольку позволяет исследовать отдельные органические компоненты, а не
недифференцированный коллаген.
Диагенетическое извлечение урана ископаемыми костями, приводящее
к 100-кратному увеличению его концентрации по сравнению с костями in
vivo, происходит после смерти организмов при их захоронении в осадках
70 Глава 2. Материалы
(Millard and Hedges, 1995). Вопрос о том, какому времени соответствует та-
кой вторичный захват урана, является критическим для всех методов дати-
рования, основанных на использовании этого элемента. Наиболее популяр-
ным является представление об относительно быстром увеличении содер-
жания урана, достигающем состояния насыщения (модель раннего захвата).
Для костей (< 350 тыс. дет) из геохимически и биологически неактивных
сухих осадков можно ожидать получение достоверных значений 23OTh/ 2MU
возраста (разд. 4.1.1). Полезно провести проверку 23OTh/ 2MU значений воз-
раста, применив 2ЛРа /2,5С1-метод датирования (< 150 тыс. лет; разд. 4.1.3).
К некоторым костям четвертичного и третичного периодов применялся
U-Не-метод датирования (разд. 3.2). ЭСР-метод датирования (разд. 7.3) в
применении к костям (1 тыс. лет - 100 тыс. лет) все еще находится в стадии
испытаний, и нет никаких сомнений в его меньшей пригодности к костям
по сравнению с зубной эмалью, что объясняется прежде всего относительно
низким содержанием в костях минерального вещества. В результате разви-
тия методов AMS появляется техническая возможность измерять содержа-
ние 4,Са (разд. 5.10) в костях, что может в итоге привести к созданию нового
полезного метода датирования. После отмирания организмов коллаген раз-
лагается с образованием свободных аминокислот, которые могут затем под-
вергнуться процессам рацемизации (разд. 8.8). Возраст костей (от современ-
ных до 1 млн лет) может быть в таком случае определен по степени раце-
мизации. В настоящее время измерение соотношений между фтором—ура-
ном—азотом (разд. 8.7) в костях имеет подчиненное значение. Тем не ме-
нее было проделано более тысячи определений F, U и N в ископаемых и
современных пробах скелетов, в результате чего была установлена их отно-
сительная возрастная последовательность.
2.9.2. Зубы
Датирование зубов позволяет проводить интересные исследования в рамках
среднего и нижнего палеолита, так же как и в четвертичной геологии. Зуб-
ная эмаль состоит почти полностью из гидроксиапатита [Са5(РО4)3(ОН)].
Зубной цемент и дентин содержат больше органического вещества. Как и в
случае костей, почти весь содержащийся в ископаемых зубах уран захвачен
уже после захоронения. Поэтому проблемы, связанные с временнбй при-
вязкой захвата урана для зубов, аналогичны, хотя и не так явно выражены
из-за меньшей их пористости. Зубы, главным образом зубы позвоночных
животных, могут быть датированы по результатам измерения отношений
2MTh / 234U (разд. 4.1.1; < 350 тыс. лет) и 2J,Pa /2,5U (разд. 4.1.3; < 150 тыс. лет).
Следует добавить, что согласованность обоих значений возраста снимает про-
блему неопределенности, связанную с захватом урана из окружающей среды.
Масс-спектрометрическое определение отношения 2MTh / 2MU позволяет да-
тировать как дентиновую, так и эмалевую фракции одних и тех же зубов.
Такая процедура увеличивает достоверность возрастных измерений. Мине-
2.9. Животные останки
рал гидроксиапатит, входящий в состав зубной эмали, может быть датиро-
ван (I тыс. лет - несколько сот тыс. лет) методом ЭСР (разд. 7.3), тогда
как цемент и дентин не подходят для данного метода из-за большего со-
держания в них органического вещества. Метод рацемизации аминокислот
(разд. 8.8) применим к исследованию ископаемых зубов возрастом до
3 млн лет. D-аспарагиновая кислота современных зубов подходит для оп-
ределения возраста отдельных индивидов. Определение содержания фто-
ра-урана~азота (разд. 8.7) в зубах представляет малый интерес.
2.9.3, Кораллы
Эти прикрепленные морские позвоночные живут в тропических океанах на
глубине менее 50 м от поверхности. Дополнительными условиями их суще-
ствования являются чистота и определенная соленость воды. Они обладают
внешними скелетами из карбоната кальция, главным образом арагонита, и
образуют колонии. Рифообразующие кораллы позволяют делать заключе-
ния об изменениях уровня моря и о тектонических движениях. Кораллы
могут быть датированы путем подсчета их ежегодных слоев роста, что позво-
ляет определять точный возраст до 10 тыс. лет. В состав арагонитового ске-
лета кораллов входит уран, но никогда торий или протактиний, следователь-
но, по ним можно измерять возраст до 350 тыс. лет, исследуя равновесия в
рядах распада урана. Перекристаллизация метастабильного арагонита в каль-
цит может вызвать нарушения в радиометрической системе. Для определения
их возраста применяют 2MTh /2MU- (разд. 4.1.1) и, реже, 2ЛРа /235и-методы
(разд. 4.1.3). Путем масс-спектрометрического анализа 230Th /234U отношений
были получены высокоточные возрастные данные, достоверность которых
была подтверждена при их сопоставлении с результатами подсчета годовых
слоев в интервале времени до 10 тыс. лет. В сочетании с |4С-измерениями
(разд. 5.4) с помощью кораллов были получены результаты, имеющие фун-
даментальное значение для восстановления истории климата и циркуляции
вод оксана. Метод ЭСР (разд. 7.3) также успешно применяется для датиро-
вания кораллов (1 тыс. лет - < 1 млн лет), часто в комбинации с методами
датирования по рядам распада урана. Тот факт, что кораллы хорошо удер-
живают гелий и весьма устойчивы к процессам вторичной мобилизации урана,
является наилучшей предпосылкой для применения U-He-метода (< 10 тыс.
лет) датирования (разд. 3.2). Попытки датирования кораллов с помощью
метода рацемизации (разд. 8.8) были лишь частично успешными, поскольку
пока недостаточно ясны особенности геохимического и кинетического по-
ведения аминокислот в таком материале.
2.9.4. Фораминиферы
фораминиферы представляют собой одноклеточные простейшие микроор-
ганизмы с перфорированным скелетом, сложенным главным образом из
шГ72 Глава 2. Материалы
кальцита. Большинство фораминифер представляют собой морские орга-
низмы, планктонные или бентосные. Ископаемые фораминиферы, главным
образом планктонные, рода Globigerina. захороненные в глубоководных осад-
ках, представляют собой прекрасные индикаторы палеоклимата. Помимо
прочего, они сохраняют в своих раковинах изотопный состав кислорода
океанической воды, отражая тем самым изменение объема ледников в тече-
ние четвертичного периода.
Испытывая влияние со стороны климатических факторов, непрерывная
i»O / ,6О-стратиграфия (разд. 10.2.2), основанная на изучении рода Globigerina,
позволяет проводить корреляцию глубоководных осадков в масштабе всего
Земного шара и составляет основу морской четвертичной хронологии. При
формировании кальцитового скелета фораминиферы захватывают из океани-
ческой воды уран, но не торий. Постепенно увеличивающиеся отношения
“ПЪ / 2J4U (< 350 тыс. лет; разд. 4.1.1) и 231 Ра /235U (< 150 тыс. лет; разд. 4.1.3)
могут быть использованы для возрастных определений. Для получения ин-
формации о глубоководной циркуляции воды в океане и ее влиянии на
палеоклимат в течение последних 20 тыс. лет раковины планктонных и бен-
тосных фораминифер (< 50 тыс. лет) датировались ,4С-АМБ-методом
(разд. 5.4). Фораминиферы (< 100 тыс. лет) могут также быть датированы
методом ЭСР (разд. 7.3). Постоянная температура порядка 2-4’С в глубоких
участках моря способствует применению (< 5 тыс. лет) метода рацемизации
(разд. 8.8).
2.9.5. Раковины моллюсков
В течение четвертичного периода самыми многочисленными представите-
лями моллюсков были пелециподы (мидии) и гастроподы (улитки). Их боль-
шое биостратиграфическое значение делает раковины моллюсков особенно
интересным объектом датирования. Они встречаются как в морских, так и в
континентальных отложениях. Их раковины выделяются в процессе жизне-
деятельности из мантии моллюсков. Они состоят из органического веще-
ства (конхиолина), в котором карбонат кальция является одним из основ-
ных компонентов. ,4С-датирование (разд. 5.4) морских моллюсков (< 40 тыс.
лет) проводится почти исключительно по их неорганической составляю-
щей. Раковины континентальных моллюсков, главным образом пресновод-
ных улиток, часто непригодны для *4С-датирования, поскольку одним из
продуктов их питания служил «мертвый» углерод древних известняков.
В процессе своего роста, но главным образом уже после смерти моллюски
захватывают уран своими кальцитовыми или арагонитовыми раковинами.
Этот факт делает раковины как морских, так и озерных моллюсков пригод-
ными для датирования методами 23OTh / 234U (< 350 тыс. лет; разд. 4.1.1) и
231 Ра / 235U (< 150 тыс. лет; разд. 4.1.3). Возможно также применение ЭСР-
метода датирования (разд. 7.3), но не ко всем видам в одинаковой степе-
ни успешно (1 тыс. лет - 100 тыс. лет). Известно небольшое количество
2.10. Вода и лед 73
ТЛ-исследований моллюсков (разд. 7.1). Моллюски (> 10 тыс. лет) так-
же датировались U-Не-методом (разд. 3.2). Раковины моллюсков и улиток
(< 1 млн лет) содержат примерно 0,02% протеинов, образующих тонкие про-
слои между известковистым веществом, и, таким образом, являются подхо-
дящим объектом для датирования методом рацемизации (разд. 8.8).
2.9.6. Яичная скорлупа
Скорлупа яиц, откладываемых нелетающими птицами, такими как афри-
канские страусы или эму, часто встречается в местах палеолитических сто-
янок в Африке. Азии и Австралии. Эти яйца служили источником пищи. Из
их скорлупы изготавливали сосуды для воды и бусы. Помимо археологичес-
кого значения, яичная скорлупа позволяет проводить палеоэкологические
реконструкции. В своем карбонатном веществе она содержит около 3% орга-
нической составляющей. Для целей ,4С-датирования (разд. 5.4) могут быть
использованы как неорганические, так и органические соединения углеро-
да. Органическое вещество, прежде всего протеин, можно также использо-
вать для датирования методом рацемизации (разд. 8.8).
2.10. Вода и лед
2.10.1. Океаническая вода
Характер циркуляции воды в океане оказывает существенное влияние на
климат. Применяя 39Аг-метод (разд. 5.9) можно исследовать процессы пере-
мешивания океанических вод (< 1,2 тыс. лет). Более тонкое понимание про-
цессов циркуляции воды в океане может быть достигнуто с помощью ком-
бинированных измерений концентрации 3Н, *4С, 32Si и иКг (глава 5).
2.10.2. Подземные воды
Наиболее спорным приложением радиоуглеродного метода датирования
(разд. 5.4) является определение возраста подземных вод, поскольку угле-
род, присутствующий в воде, только частично имеет биогенное происхож-
дение, т.е. в конечном счете является космогенным. Кроме того, происхо-
дит постоянный химический обмен между подземными водами, водонос-
ным слоем и другими водными резервуарами. Тем не менее ,4С-анализ все
же может дать информацию о возрасте, происхождении и гидродинамичес-
ких аспектах подземных вод. Определение содержания 3Н (разд- 5.1), т.е.
бомбового грития, образовавшегося в начале 1960-х годов, позволяет, часто
в сочетании с *4С-измерениями, исследовать скорости и направление вод-
ных потоков, равно как и района водосбора, а также возраст современных
подземных вод (< 30 лет). Поверхностные воды, просачивающиеся в почву,
привносят в подземные воды атмосферный ’’Аг (разд. 5.9), позволяя тем
Глава 2 Материалы
самым их датировать (< 1,2 тыс. лет) Более редкими являются исследова-
ния подземных вод с использованием нуклидов 32Si и ”Кг (разд. 5.7 и 5.11
соответстве н но).
2.10.3. Ледниковый лед
Ледниковые отложения, особенно ледяные шапки Гренландии и Антаркти-
ды, образовавшиеся, по крайней мере, в среднем плейстоцене и с тех пор
непрерывно увеличивающиеся в объеме, представляют собой важный архив
атмосферных климатических изменений в течение последних 250 тыс. лег.
Сопоставимые по своей значимости с глубоководными осадками, они несут
в себе длительную запись изменений окружающей среды в четвертичном
периоде, в частности, в континентальных областях. Вместе со снегом, выпа-
дающим на полярные шапки из года в год, в лед попадают частицы пыли и
воздуха, так что в ледниковых отложениях отражаются не только локальные
явления, но и глобальные особенности климата. Рассматриваемый в каче-
стве осадка лед не остается in situ из-за способности к пластическому тече-
нию. Поэтому восстановление истории ледниковых отложений требует гля-
циологического моделирования.
Образцы ледникового материала отбираются в виде ледовых кернов в
скважинах глубиной до 3 км. Ежегодные слои льда, образовавшиеся за пос-
ледние 14 тыс. лет, могут быть непосредственно выделены и подсчитаны на
основании ежегодных изменений 9*0 в этих слоях (разд. 10.1.3) содержания
пыли и кислоты. Датирование более древнего льда может быть проведено с
помощью анализа ,4С (разд. 5.4) в углекислом газе атмосферы, выделенном
из вмороженных в лед пузырьков газа. Содержание трития (разд. 5.1) в
снеговых отложениях (< 50 лет) вокруг Южного полюса характеризуется
сильными сезонными колебаниями. Подсчет максимальных его концентра-
ций позволяет датировать слои снега с точностью в 1 год. При образовании
ледника в состав льда входит атмосферный wAr. ”Аг-возраст (разд. 5.9) оп-
ределяет время уплотнения снега (< 1 тыс. лет). Глетчерный лед (< I тыс. лет
и 50 тыс. лет - I млн лет) датируется также ”Si- и *’Кг-методами (разд. 5.7
и 5.11 соответственно). Изменения климата в четвертичном периоде могут
быть выявлены посредством измерения во льду отношений ”Ю / ,6О и 2Н / ’Н
(разд. 10.2.2 и 10.2.3). Эти изотопные вариации полезны также при проведе-
нии стратиграфических корреляций колонок буровых скважин, равно как и
при их синхронизации с глубоководными осадками. Таким образом, может
быть проведено косвенное датирование ледового керна. Концентрация ,0Ве
в ледовых кернах (разд. 5.3) во многом определяется климатическим факто-
ром и антикоррелирует с отношением **О / ,6О.
ГЛАВА 3
БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ
РАДИОГЕННОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
На образовании радиогенных нуклидов благородных газов основано два хро-
нометрических метода, применяемых в геологии четвертичного периода, -
К-Аг и U-He часы. В К-Аг-методе используется явление радиоактивного
превращения изотопа в изотоп аргона ^Аг, а в U-Не-методе - накопле-
ние радиогенного изотопа гелия 4Не, который образуется в процессе «-рас-
пада элементов уранового и ториевого рядов радиоактивного распада. Бла-
городные газы инертны в химическом отношении и не входят в кристалли-
ческие структуры. Следовательно, в процессе минералообразования дочер-
ние нуклиды (4Не и ^Аг) не участвуют. Таким образом, количество радиоген-
ного компонента, образовавшееся или накопленное в образце, напрямую
связано со временем, прошедшим с момента образования кристалла. При
достаточном нагревании любой благородный газ, содержащийся в этом кри-
сталле, будет полностью удален, возвращая тем самым часы, основанные на
радиогенном образовании благородных газов, в исходное положение. В этом
случае часы датируют время последней дегазации. При этом заранее пред-
полагается, что благородный газ полностью сохранился в минерале после
датируемого события и что за это время никаких потерь не произошло.
На практике такие идеальные условия не всегда выполняются. Минера-
лы могут содержать в дополнение к радиогенному компоненту избыточный, а
также атмосферный компонент дочернего нуклида, которые примешивают-
ся в результате действия других процессов (например, диффузии блаюрод-
ных газов) - иных, чем происходящий in situ распад соответствующего ро-
дительского нуклида. Более того, накладывающееся тепловое воздействие
может не привести к полной дегазации, так что какая-то часть ранее образо-
ванного дочернего нуклида остается в качестве унаследованного компонента
в последующей системе. В том случае, если компоненты, контаминирую-
щие образец, не будут выявлены, возрасг этого образна, определяемый по
дочерним нуклидам благородных газов, окажется завышенным. В этом со-
стоит одна из проблем, связанных с определением возраста четвертичных
образцов, которые отличаются малым количеством дочернего нуклида, об-
разуемого за такой сравнительно короткий промежуток времени. Еще одно
осложнение вносит возможная утечка из минералов благородных газов,
образующихся в результате радиоактивного распада. В случае такого рода
утечки будет иметь место занижение возраста, определяемого по дочерним
нуклидам благородных газов. Потери возрастают с ростом температуры ок-
76 Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
ружаюшей среды. Имеющий меньший по размерам атом, гелий более скло-
нен к утечке, чем аргон. Минералы обладают различной способностью удер-
живать благородные газы. Последние могут также теряться системой в про-
цессе выветривания и вторичного изменения пород; поэтому образцы, под-
вергавшиеся таким процессам, следует отбраковывать и не допускать к гео-
хронологическим исследованиям.
В основу хронометрических исследований положен чувствительный и точ-
ный масс-спектрометрический анализ благородных газов. Масс-спектрометр —
прибор, предназначенный для определения изотопного состава элементов, что
делает его основным инструментом в изотопной хронометрии. В случае анали-
за благородных газов последние сначала выделяются из образца, что осуществ-
ляется путем его нагревания и плавления при температурах до 2000°С в глубо-
ком вакууме. Затем исследуемый благородный газ до его введения в измери-
тельную систему спектрометра необходимо отделить от всех других экстрагиру-
емых газов с помощью многоступенчатой очистки. Атомы вводимого вещества
ионизируются в ионном источнике. Образующиеся ионы фокусируются и ус-
коряются с помощью электростатических линз. При прохождении в магнит-
ном поле ионного луча ионы в зависимости от их массы или, более точно, от
отношения заряда к массе отклоняются в разной степени. Наконец, разделен-
ные по массам ионы регистрируются ионным детектором.
Количественная калибровка спектрометра может осуществляться мето-
дом изотопного разбавления, в котором к очищенному газу примешивается
точно известный объем моноизотопного спайка или газа-трассера и произво-
дится совместный анализ. Количество изотопов благородного газа выражает-
ся в cwJ(STP)/r, где акроним STP представляет собой сокращенную запись
стандартных условий по температуре (О’С) и давлению (1 атм.), к которым
должен быть приведен объем исследуемого газа (при STP 1 моль газа занима-
ет объем 22,4 х 10л см3 и содержит 6,02 х 10” молекул). Измерительная аппа-
ратура является источником атмосферной контаминации, на которую обычно
вносится поправка. По причине очень малой доли радиогенного компонента
в общем сигнале от 4Не или адАг масс-спекгрометрический анализ изотопного
состава благородных газов требует очень высокой точности (< 1%).
3.1. Калий-аргоновый метод
Калий-аргоновый метод в целом включает несколько частных методов оп-
ределения возраста. Наряду с традиционным К-Аг-методом (^Аг / ^К) раз-
работаны аргон-аргоновый (*°Аг / мАг) и лазерный аргон-аргоновый мето-
ды. В основе всех этих методов лежит явление радиоактивного распада изо-
топа калия40К с его превращением в изотоп аргона40Аг; поэтому количество
накопленного в образце радиогенного аргона по отношению к содержанию
калия является мерой возраста этого образца. Разработанные методики от-
личаются способами экстракции, аналитическими процедурами, примени-
мостью, точностью и геологической информативностью.
3.1. Калий-аргоновый метод 77
Распад ^К-^Аг посредством захвата электрона - редкий тип естествен-
ной радиоактивности - процесс, в котором ядро захватывает электрон с
самой внутренней орбиты (рис. 3). Этот тип радиоактивности был впер-
вые теоретически предсказан в 1937 г. фон Вайцзекером (von Weizsacker)
для объяснения высокого содержания атмосферного аргона — около 1%,
который более чем на 99% состоит из изотопа ^Аг. На основании теорети-
ческих представлений о ядерном синтезе можно было ожидать значительно
меньшее содержание изотопа ^Аг. Фон Вайцзекер пришел к выводу, что,
благодаря постулируемому распаду ^К-^Аг, древние калиевые минералы
должны иметь повышенное содержание ‘“Аг. Олдричу и Ниру (Aldrich and
Nier, 1948) удалось подтвердить это предположение с помощью масс-спект-
рометрического анализа. Первые значения К-Аг возраста были получены
для третичных калиевых солей Буггингена (Buggingen) несколькими годами
позже Смитсом и Гентнером (Smits and Gentner, 1950). В настоящее время
K-Ar-метод, область применения которого охватывает возрастной интервал
от зарождения Солнечной системы до голоцена, несомненно, является од-
ним из самых важных хронометрических методов.
Калий, содержание которого на Земле составляет 2,1%, является
восьмым по распространенности элементом земной коры; в больших ко-
личествах он содержится, в частности, в таких породообразующих мине-
ралах, как полевой шпат, роговая обманка и слюда. Такая распростра-
ненность благоприятствует К-Аг-определению возраста природных объек-
тов. Однако для возрастов менее 2 млн лет по причине большого периода
полураспада ^К-^Аг ('-Цх 10*° лет) в образце минерала на фоне атмос-
ферного аргона *°АгжО4 и обычно присутствующего избыточного аргона
образуется очень малое количество радиогенного аргона ^Аг^. Поэтому
в хронометрии четвертичной геологии предпочтительно использовать
богатые калием минералы, такие, например, как санидин. В последнее
время были разработаны высокочувствительные аналитические методи-
ки, позволяющие определять возраст образцов миллиграммовой массы
вплоть до нескольких тысяч лет.
К-Ar часы датируют события полной дегазации. В четвертичной геоло-
гии такими событиями являются кристаллизация вулканических минералов
и пород, а также разогрев ранее образованных минералов в контакте с вул-
каническими породами. В обоих случаях процесс отвечает времени вулка-
нического извержения. В связи со сказанным важное хронометрическое зна-
чение приобретают широко распространенные слои тефры, К-Аг-датирова-
ние которых позволяет получить великолепные тефрохронологические мет-
ки возраста; последние особенно важны для датирования переслаивающих-
ся с ними осадочных слоев, содержащих останки ранних гоминид. Кроме
того, К-Аг-датирование обеспечивает хронометрическую калибровку изо-
топ но-кислородной кривой и шкалы инверсий магнитного поля Земли.
С помощью аргон-аргонового метода удается определить возраст датируе-
мых объектов с точностью, превышающей 1%.
Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
3.1.1. Методологическая основа
Природный калий состоит из 3 изотопов с известным соотношением их рас-
пространенности: »К (93,2581%), (0,01167%) и 4,К (6,7302%). Изотоп
является радиоактивным, его распад совершается двумя путями (разд. 1.2).
В первом случае в результате захвата электрона образуется изотоп ^Аг, во
втором - в результате 0-эмиссии образуется изотоп ^Са. Отношение веро-
ятностей протекания двух конкурирующих реакций R равно 0,1171.
Полная константа распада Л^К равна 5,543 х Ю’^год"1, константы распада
Л* в реакции захвата электрона и Лд в реакции 0-излучения равны, соответ-
ственно, 0,581 х 10"’° год-1 и 4,962 х 10"10 год'1; при этом Л = 2,+ Лр.
Благородный газ аргон - третий по распространенности газ (0,934%) в
атмосфере, состоит из 3 изотопов - “Аг (0,337%), “Аг (0,063%) и
40Аг (99,600%). Относительно высокая распространенность атмосферного ар-
гона (более точно <°Аг) является следствием образования ^Аг в результате
радиоактивного распада калия в земной коре и мантии и его утечки в атмос-
феру.
При двух фундаментальных допущениях, что, во-первых, на момент пол-
ной последней дегазации в образце не осталось изотопов ^Аг^ и что, во-
вторых, образующийся изотоп ^Аг^ сохраняется в этом образце, К-Аг-воз-
раст / [лет] определяется согласно уравнению:
/ = 1/Л[1 +(1 + \/К) («Аг^ / ^К)]. (19)
Если в это уравнение ввести численные значения Ли Л, количество ^Аг^
выразить в виде [cm3STP], а количество К - в граммах [г], оно примет вид:
t = 1,8041 х lO’In [1 + 142,63 / К)]. (20)
Для возрастов < 2 млн. лет уравнение (20) упрощается в пределах допу-
стимой ошибки в линейное уравнение вида:
t = 2,573 х IO1’ГАг^ / К). (21)
Определение возраста из уравнений (19-21), требующее масс-спектро-
метрического анализа аргона и атомно-абсорбционного определения К, на-
зывается традиционным К-Аг-датированием.
Образцы и оборудование, используемые для анализа аргона, содержат в
качестве контаминанта атмосферный аргон ^Аг^, который, чтобы получить
долю радиогенного изотопа ^Аг^, необходимо вычесть из общего количе-
ства ^Аг. Эта коррекция возможна благодаря тому, что изотопная распрос-
траненность атмосферного аргона известна: (^Аг / “Ar)8tM = 295,5. Соответ-
ственно, определить количество радиогенного аргона ^Аг^ можно по урав-
нению 40 Аг^ - 4ОАг-295,5 “Аг, измерив, помимо wAr, содержание изотопа
/. Калий-аргоновый метод
36Аг. Контаминация атмосферным аргоном может обернуться серьезной про-
блемой, особенно в случае хронометрии геологически молодых образцов,
так как его относительная доля становится очень большой по сравнению с
малым количеством радиогенного компонента.
Как благородный газ, аргон химически инертен. Поэтому он в процессе
минералообразования не входит в кристаллическую решетку и может быть
полностью удален при нагревании. Отсутствие изначального изотопа ^Аг и
начальное отсутствие атмосферного контаминанта являются основанием и
благоприятным условием для применения К-Аг часов. Однако возможны
случаи, когда в образце присутствует неатмосферный чужеродный 40 Аг-ком -
понент, в результате чего возраст оказывается завышенным. Такое загрязне-
ние неатмосферным аргоном может быть связано как с избыточным арго-
ном, который внедрился в минерал под действием иных, чем распад изото-
па WK in situ, процессов (например, диффузии), так и с унаследованным
аргоном, который образовался в результате распада изотопа *°К в зернах
минералов (например, в не полностью дегазированных ксенокристах) ранее
датируемого события (Dalrymple and Lanphere, 1969). Оба компонента: из-
быточный и унаследованный аргон - могут вызвать серьезные затруднения
при определении возраста четвертичных вулканитов. Их необходимо выяв-
лять и учитывать, чго достигается методами изохронного датирования и
датирования по отдельным зернам.
K-Ar-система после датируемого события должна оставаться закрытой.
Частичная потеря аргона приводит к очевидному занижению К-Аг-возрас-
та. Утечка аргона из минералов может происходить непрерывно (например,
при выветривании) или эпизодически (например, при тепловом воздействии).
Минералы обладают различной способностью удерживать аргон. Она умень-
шается с увеличением температуры окружающей среды. В невыветрелых
четвертичных вулканитах, которые после извержения быстро охлаждаются
до температуры земной поверхности и остаются в последующем при низкой
температуре, потеря аргона вулканитами наблюдается лишь в редких случа-
ях. Если потеря аргона имела место, это можно установить и скорректиро-
вать с помощью метода ступенчатого отжига с выходом значений возраста
на стабильное плато.
Чем моложе порода, тем ниже в ней содержание радиогенного аргона и
тем больше вклад источников контаминантного аргона. Поэтому для дати-
рования образцов плейсто- и голоценового возраста разработана специаль-
ная К-Аг-методика, которая позволяет определять малые количества радио-
генного аргона в пробах с высоким содержанием общего аргона.
Метод Кассинъоля. Данный метод является вариантом обычного метода
определения возраста. В этом методе производится определение изотопного
состава аргона без добавления опорного спайка газа мАг (Cassignol and Gillot,
1982; Guillou el al., 1977). Перед каждым измерением масс-спектрометр ка-
либруется с помощью точно известного объема атмосферного аргона так,
80 Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
чтобы парциальное давление трех изотопов аргона могло быть непосред-
ственно определено по интенсивности измеряемых сигналов. Главные пре-
имущества этого метола в более высокой точности измерений и возможно-
сти использовать содержащийся в образце изотоп аргона }8Аг для введения
поправки на контаминацию атмосферным аргоном. Недостатком метода
являются более высокие издержки на анализ. Методика особенно благо-
приятна для датирования очень молодых образцов возрастом вплоть до
нескольких тысяч лет, причем в применении к голоценовым вулканичес-
ким породам и минералам была достигнута точность определения ± 1 тыс.
лет, однако для анализа в этом случае требуется несколько граммов веще-
ства образца.
Аргон-аргоновый метод. w Аг-40 Аг-метод определения возраста отличается
от обычного К-Аг-метода процедурой определения содержания калия
(Merrihue and Turner, 1976). В отличие от химического метода, образец под-
вергается облучению быстрыми нейтронами (энергия нейтронов > 1 МэВ).
В результате ядерной реакции wK(n, p)wAr из главного изотопа калия 39К
образуется изотоп аргона мАг. Содержание искусственного изогона мАг и
изотопа аргона ^Аг вместе с другими естественными изотопами аргона оп-
ределяется затем масс-спектрометрически. Вследствие короткого периода
полураспада39Аг, равного 269 годам, природные образцы его не содержат, и
содержание изотопа *Аг, наведенного нейтронами, пропорционально со-
держанию К, а отношение ^Аг^ / 39Аг пропорционально отношению
^АГрад / «К. Уравнение расчета возраста аналогично уравнению (19):
/ = 1/Л In [ 1 + ГАг^ / 39 Аг) J], (22)
в котором множитель J = (е*' - О/С^Аг^ / 39Аг) выводится из параметров
возрастного монитора (стандарт известного возраста <), который облучается
вместе с датируемым образцом. Опосредованное определение содержания
калия по содержанию изотопа аргона является важным преимуществом это-
го метода по сравнению с традиционным методом К-Аг-датирования:
1. Вместо измерения точных количеств отдельных компонентов опреде-
ляется отношение изотопов аргона, что обеспечивает более высокую точ-
ность возрастных данных.
2. Для измерения требуется только одна аликвота, а не две отдельных -
для определения калия и изотопного анализа аргона - положительный мо-
мент, который приобретает важное значение в случае неоднородности рас-
пределения калия.
3. Образцы, в которых произошла потеря аргона, в общем случае непри-
годны для определения возраста традиционным К-Аг-методом. Этот недо-
статок можно преодолеть с помощью аргон-аргонового метода путем сту-
пенчатого отжига и дифференциальной дегазации образца, сопровождаемой
измерением отношения 40Аг / 39Аг в аргоне, выделяемом на каждой ступени
3.1. Калий-аргоновый метод 81
дегазации. Соответствующие цифры возраста образуют спектр возрастных
дат (рис. 13). В основе этого приема лежит различие в составе аргоновых
фракций, обусловленное спецификой выделения и удержания аргона в об-
разцах. По мере увеличения температуры аргон выделяется из фаз, имею-
щих все большую устойчивость. Графическая форма возрастного спектра
отражает данную закономерность. Для образцов, которые ранее испытали
потерю аргона, этот спектр будет возрастающим, и в конце концов значения
возраста образуют на графике плато, которое интерпретируется как соответ-
ствующее истинному, ненарушенному возрасту. Понижающийся возраст-
ной спектр может указывать на примесь избыточного аргона, косвенно сви-
детельствуя о том, что в данном образце этот компонент кристаллохимичес-
ки относительно слабо связан.
Со
К
1.0
«О’ яо«
- 02
S70*
01
970*
1030е
ЮЗ Т|‘£>
0,4 |31
Q8
WE 10 М
0,51 ± 0,05 млн лет
0,55 ± 0,03 млн лет
[млн
лет]
Цб
0.4
02-
Юдерсдорф, северная каменоломня
20
40
о5 ' ЯГ
мАг (%1
ГОО
о
Рис. 13. Спектр *°Аг / ”Аг возрастов основной массы базальтовой лавы массива
Юдерсдорф (Udersdorf). район Эйфель, Германия, как функция дегаза-
ции аргона в процессе ступенчатого отжига образца (Fuhrmann and Lippoft,
I9S7). Выход на плато рассматривается как признак, указывающий на
вовлечение в анализ фракций образца с ненарушенной К-Аг-системой и
отвечающий правильному возрасту этого образца последний находит-
ся в согласии с возрастом этого образца, определенным традицион-
ным K-Ar-методом. Ячейки в верхней части рисунка показывают темпе-
ратуру и отношение Са/К в дегазированных минеральных фракциях.
Аргон-аргоновый метод требует проведения большого объема аналити-
ческой работы. Еще один недостаток этого метода связан с эффектом отда-
чи из-за излучения на расстояния порядка 0,1 мкм. Эта отдача происходит
82 Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
при испускании протонов новообразованными ядрами ”Аг, что может при-
вести к беспорядочному перераспределению или даже потере изотопа }9Аг.
Также могут возникнуть осложнения, связанные с градиентами потоков
нейтронов и их распределением по энергиям в ядерном реакторе.
Лазерный метод. Этот метод определения возраста (более точно wAr-*°Ar
лазерный метод) является одним из вариантов аргон-аргонового метода оп-
ределения возраста. Нагревание образца производится сфокусированным ла-
зерным лучом. Образец или подвергается нагреванию с последующим плав-
лением - по аналогии с методом ступенчатого отжига и изотопным анали-
зом аргона дегазируемых фракций - или, минуя постепенную дегазацию,
непосредственно плавится, и выделившийся из образца аргон анализирует-
ся (York et а!., 1981). Главное преимущество этого метода, по сравнению с
традиционным К-Аг-методом определения возраста, состоит в возможности
анализировать отдельные зерна массой менее одного миллиграмма. Диск-
ретный анализ зерен в сочетании с изохронным методом (см. ниже) позво-
ляет выявить контаминирующие аргон компоненты, что открывает большие
возможности при датировании молодых вулканитов (рис. 14).
Возрост (лет)
Рис. 14. Плотность вероятности *Аг / ”Аг значений возраста единичных зерен
фенокристов санидина из тефры Лаахер Зее (Laacher See), район Эй-
фель. Германия (van den Bogaard, 1995). Четкий максимум, отвечающий
12,9 тыс. лет, датирует время извержения. Максимумы с большими воз-
растами, соответствующими 25, 55 и 127 тыс. лет, отвечают, вероятно,
более ранним событиям - внедрению и кристаллизации магмы.
3.1. Калий-аргоновый метод
Рис. 15. Изохронная диаграмма в координатах *°Аг / *Аг - wAr / *Аг основ-
ной массы базальтовой лавы из Юдерсдорфа (ср. рис. 13; по Fuhrmann
and Lippolt, 1987). Отрезок, отсекаемый на координатной оси
^Аг / *Аг, отвечает начальному изотопному составу (*°Аг / *Ar)i
нерадиогенного компонента аргона. Наклон прямой линии соот-
ветствует изохронному возрасту г.
Аргон-аргоновый изохронный метод. С целью тестирования К-Аг-систе-
мы на предмет ее контаминации избыточным аргоном часто применяются
изохронные диаграммы1. Суть этого метода сводится к датированию ряда
предположительно когенетичных различных фракций одной и той же по-
роды, отличающихся содержанием калия. На изохронных диаграммах от-
ношение ^Аг / ^Аг наносится как функция отношения / 36Аг (традици-
онный метод определения возраста) или 39Аг / 36Аг (аргон-аргоновый метод
определения возраста; рис. 15). Все параметрические точки отдельных фрак-
ций (подобразцов) ложатся на прямую линию, наклон которой определяет
возраст, а точка ее пересечения с осью 40Аг / *Аг отвечает начальному
отношению ^Аг / ^Аг. Если примесный аргон отсутствует, отрезок, отсе-
каемый изохроной на координатной оси, отвечает атмосферному отноше-
нию 295,5, а если присутствует - то более высокому значению. Также ис-
пользуются диаграммы в координатах *Аг / ^Аг - 39Аг / *>Аг. В этом случае
прямые линии с отрицательным углом наклона определяют системы с фик-
сированным возрастом. Обычно к построению изохронных диаграмм при-
1 Яркой демонстрацией возможности метода изохронных диаграмм в сочетании с
лазерным ^Аг / 3’Аг-методом является пример независимого абсолютного датирова-
ния с высокой точностью исторического извержения Везувия. Это извержение стало
причиной гибели нескольких городов и описано в письмах Плиния Младшего. Из-
меренный в работе 1997 года возраст образцов пемзы из Помпей составил 1925 ± 94
лет, что находится в полном согласии с датой, известной из истории, - 79 г. н.э.
Р. R. Renne et. al., 1997; *Ar / wAr dating into the historical realm: calibration against
Pliny the Younger, Science. 277: 1280—1281). - Прим. ped.
84 Глава 3. Благородные гам радиогенного происхождения
бегают тогда, когда определение возраста проводят лазерным аргон-арго-
новым методом по отдельным зернам. В таких случаях важно проанализи-
ровать достаточно большое количество кристаллов с тем, чтобы разделить
их на ксенокристы (ранние кристаллы, включенные в вулканическую по-
роду), фенокристы (кристаллы, образовавшиеся из расплава до изверже-
ния) и кристаллы, образующиеся в процессе вулканического извержения
(Chen et al., 1996).
3.1.2. Практические аспекты
Из-за опасности потери аргона используемые для датирования образцы по-
роды должны быть свежими и невыветрелыми. Следует также избегать по-
род с признаками гидротермального изменения. Пригодными для определе-
ния возраста являются валовые пробы пород, такие как базальты и кислые
вулканические стекла, а также отдельные кристаллы, особенно калийсодер-
жащие полевые шпаты тефры. Кроме того, в сочетании с Rb-Sr-методом,
^Аг-^Аг-методом исследовался лейцит из среднеплейстоценового туфа Вил-
ла Сени (Villa Seni), Италия (Radicati et al., 1981). Ввиду возможности конта-
минации образцов избыточным аргоном для датирования молодых геологи-
ческих пород К-Аг-методом целесообразно отбирать из одной и той же по-
роды различные минералы; простой отбор валовых проб из одного и того же
лавового потока недостаточен (McDougall et al., 1969).
Размер образцов зависит от датируемых минералов, ожидаемого возрас-
та и метода определения возраста. Образцы четвертичных базальтов обычно
отбирают в виде штуфов. С другой стороны, в случае нахождения в слоях
тефры минералов с высоким содержанием калия, таких как санидин, опре-
деление возраста может быть проведено по отдельным зернам минералов
миллиметрового размера. При подготовке образцов к исследованию приме-
няются традиционные методы минеральной сепарации. Слишком тонкие
отситованные фракции склонны к потере аргона (Flisch, 1986). Для получе-
ния концентратов высокой чистоты оптимальным методом часто оказыва-
ется ручной отбор зерен минералов с помощью бинокулярного микроскопа.
Санидин и плагиоклаз могут быть покрыты слоем глины, которую необхо-
димо удалить плавиковой кислотой. В процессе обработки материал образ-
ца не должен подвергаться воздействию соляной кислоты, поскольку НС1*
с массовыми числами 36 и 38 вносит помехи в масс-спектрометрическое
определение содержания изотопов аргона с теми же массами.
В обычном К-Аг-методе содержание калия чаще всего определяют мето-
дом фотометрии пламени или атомно-абсорбционным методом, иногда хи-
мическим, рентгено-флуоресцентным или нейтронно-активационным ме-
тодами, в редких случаях масс-спектрометрическим методом. При анализе
аргона образец плавится в высоком вакууме при температурах 1300~2000°С,
что приводит к высвобождению аргона вместе с другими газами. После эк-
стракции и очистки аргон вводят в масс-спектрометр. Изотопный состав и
3.1. Калий-аргоновый метод
содержание аргона анализируются в масс-спектрометре методом изотопно-
го разбавления, в котором калиброванное количество спайка газа 3*Лг вво-
дится в масс-спектрометр и измеряется вместе с аргоном, выделяемым из
образца. Поскольку природный аргон содержит крайне малое количество
изотопа 38 Аг и поскольку сигнал от этого изотопа прямо пропорционален
количеству аргона в спайке, количество 40Аг^ может быть вычислено из
отношения ^Аг^ / 38 Аг. Контаминация атмосферным аргоном определяется
из известного для атмосферы соотношения 40Аг / 56Аг и учитывается при
расчете возраста.
В аргон-аргоновом методе определения возраста образец должен быть
облучен (вместе с возрастным монитором) в ядерном реакторе с высокой
плотностью нейтронного потока (примерно 1О,7см*2). В процессе экстрак-
ции аргон последовательно выделяется по мере ступенчатого повышения
температуры вплоть до конечного плавления. После каждой ступени дегаза-
ции газ очищается, измеряется его изотопный состав и вычисляется соот-
ветствующий аргон-аргоновый возраст. В лазерном варианте нагревание
осуществляется лазерным лучом. В качестве возрастного стандарта можно
использовать базальт ВВ-6 возрастом 450 тыс. лет (Jager et al., 1985).
В обычном К-Аг-методе определения возраста может быть достигнута точ-
ность до 2-4%, однако в случае датирования очень молодых геологических
образцов ошибки обычно больше. Согласно Флишу (Flisch, 1986), образец
санидина возрастом 7500 лете 10% калия может быть датирован с точностью
± 10% (1о). Приводимая в литературе точность определения ^Аг / 39Аг возра-
ста по методу «плато» и изохронным методом часто превышает |%. Однако
нужно помнить о разнице между точностью метода и достоверностью ре-
зультатов (разд. 1.3). Погрешность в оценке возраста мониторов едва ли
ниже 1%, и эту погрешность следует иметь в виду при оценке адекватности
результатов, что снижает приводимую точность определения возраста.
3.1.3. Применение
Применение К-Аг метода определения возраста в четвертичной геологии
ограничено вулканическими породами и минералами. Этим методом дати-
руется последняя перестройка К-Аг-системы в процессе извержения, а имен-
но: затвердевание, образование минералов и термическая дегазация. Пря-
мое определение возраста четвертичных осадков K-Ar-методом (в отличие
от более древних глауконитсодержащих осадков) невозможно. Однако, если
осадки переслаиваются со слоями тефры или вулканическими потоками,
К-Аг-датирование вулканитов позволяет установить хронометрические рам-
ки всей стратиграфической толшн в целом.
Базальты. Возраст молодых базальтов обычно определяют К-Аг-мето-
дом по породе в целом. Для этого пригоден только свежий, невыветрелый
материал. По причине слабого удержания аргона стекловатый материал ме-
Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
нее благоприятен по сравнению с кристаллическими компонентами. Образ-
цы базальта должны быть плотными и тонкозернистыми, с тем чтобы мож-
но было отобрать для последующего определения содержания калия и изо-
топного анализа аргона достаточно однородные участки-аликвоты. Для об-
разцов породы с сильно неоднородным распределением калия и большими
вариациями размеров зерен Хорн и Мюллер-Зониус (Hom and Muller-Sohnius,
1988) предложили метод травления, в котором тонкозернистая калийсодер-
жашая матрица удаляется обработкой плавиковой кислотой. Одна из пер-
вых попыток определить возраст базальтовой лавы К-Аг-методом принадле-
жит фон Кенигсвальду и др. (Von Koenigswald et al., 1961), которые изучали
массивный лавовый поток, подстилающий 1-й горизонт Олдувай (Olduvai),
Танзания, и для этого потока получили возраст, равный 1,3 ± 0,1 млн лет,
который, вероятно, занижен по причине потери аргона.
К-Аг-датирование базальтов важно для калибровки шкалы инверсий маг-
нитного поля Земли (разд. 9.1). Астрономическая настройка (разд. 10.2.1)
5,80-хронологии глубоководных осадков показывает, что преобладающую
оценку возраста границы Матуямы-Брюнеса, отвечающую 730 тыс. лет,
следует удревнить примерно до 780 тыс. лет. Для того чтобы с максималь-
но возможной точностью определить K-Ar-методом возраст границы Ма-
туямы-Брюнеса, в кальдере вулкана Халикала (Haleakala) на острове Мауи
(Baksi et al., 1992) было отобрано 4 образца базальтовой лавы из зоны перехо-
да от нормальной к инверсной намагниченности. Далее эти образцы были
подвергнуты ступенчатому отжигу с определением возраста *>Аг / ”Аг-мето-
дом. По методу «плато» для 3 образцов были получены согласующиеся значе-
ния возраста; при этом была выявлена небольшая потеря аргона. Начальное
отношение ‘“Аг / *Аг. определенное по изохронной диаграмме, оказалось не-
сколько выше по сравнению с атмосферным отношением, свидетельствуя тем
самым о контаминации избыточным аргоном. Поэтому за основу был взят
изохронный возраст, который лучше соответствует этапу кристаллизации по
сравнению с возрастом, определяемым по методу «плато». Вычисленный сред-
ний возраст 3 лавовых потоков оказался равным 783 ± 11 тыс. лет, что со-
гласуется с астрономическим возрастом границы. Этот результат был под-
твержден Зингером и Принглом (Singerand Pringle, 1996), которые исследо-
вали 8 образцов лав базальт-андезитового состава, отобранных в различных
районах ~ в Чили, на Таити, в Ла-Пальма и еще раз на острове Мауи из зоны
перехода границы Матуя мы-Брюнеса. Анализам были подвергнуты главным
образом свободные от фенокристов фракции основной массы или образцы
пород с низким содержанием фенокристов. Был применен метод ступенчато-
го отжига с определением изотопного состава 39Аг и последующим пост-
роением изохронных диаграмм. Средневзвешенный возраст анализировавшихся
лав оказался равным 778 ± 1,9 тыс. лет, цитируемая ошибка определения
возраста соответствует 1а.
Когда в 1967 г. в молодых базальтовых потоках из Ляшампа (Laschamp) и
Олби (Olby), Шэн-де-Пюи (Chaine de Puys), Франция, была обнаружена
3. /. Калий-аргоповый метод
обратная магнитная полярность, полагали, что смена знака присуща поро-
дам, K-Ar-возраст которых оценивается самое большее в 20 тыс. лет
(Bonhommet and Zahringer, 1969). Когда последующие исследования базаль-
тов того же самого возраста, но из других районов не смогли подтвердить
этот возраст, возникла необходимость повторного датирования обоих лаво-
вых потоков. Это было сделано Кассиньолем и Жийо (Cassignoll and Gillot,
1982). Возрасты образцов из Ляшампа и Олби, определенные К-Аг-методом
без применения слайков, оказались равны соответственно 44 ± 5 тыс. лет и
49 ± 5 тыс. лет ло породе в целом и 37 ± 5 тыс. лет и 44 ± 5 тыс. лет по
фракциям основной массы пород, выделенным из этих образцов (рис. 16).
Более высокие значения возраста, полученные по породам в целом, были
интерпретированы как завышенные за счет включений ранее образованных
минералов и ксенолитов, в то время как K-Ar-возраст матрицы был расце-
нен как отвечающий времени извержения. Возраст, определенный незави-
симым термолюминесцентным методом по кристаллам кварца, взятым из
обожженного лавой контакта, составил от 32 тыс. до 40 тыс. лет (разд. 7.1.3;
Valladas and Gillot, 1978; Guerin and Valladas, 1980). Следовательно, смена
знака магнитной полярности лавовых потоков Ляшампа произошла, по-ви-
димому, в интервале между 50 тыс. и 30 тыс. лет назад (разд. 9.1).
Рис. 16. Определение воз-
раста лавовых потоков Ля-
шампа и Олби (Овернь,
Франция) с инверсной на-
магниченностью. Данные
K-Ar-метода согласуются с
данными термолюминес-
центного и радиоуглеродно-
го (,4С) методов (Cassignoll
and Gillot, 1982).
Тефра и туф. В хронометрии четвертичного периода особенно большое
значение приобретает К-Аг-метод определения возраста туфогенных гори-
зонтов, которые переслаиваются с осадочными комплексами. В этом случае
датирование K-Ar-мстодом дает бесценные тефрохронологические и стра-
тиграфические метки. Наши знания о ранних гоминидах, их эволюции в
местах обитания и расселении из Африки основываются главным образом
на определении возраста таких разрезов К-Аг методом. Однако слои тефры
в разрезах осадочных пород обычно переотложены и контаминированы бо-
лее древним обломочным минеральным материалом различного происхож-
дения. В таких случаях К-Ar- и Аг-Аг-датировкам и минеральных концент-
88 Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
ратов, содержащих примесь такого обломочного материала, определяется
смешанный возраст, который оказывается древнее возраста вулканического
извержения. По этой причине, а также с целью выявления контаминации
избыточным аргоном и внесения соответствующих поправок необходимо
проводить анализ отдельных кристаллов с тем, чтобы идентифицировать
компоненты различного возраста. Эта задача оптимально решается с помо-
щью лазерного Аг-Аг-метода в применении к отдельным зернам. Подходя-
щими для решения этой задачи минеральными фазами являются главным
образом калийсодержащие полевые шпаты, такие как санидин и плагио-
клаз, а также биотит, роговая обманка и осколки кислого стекла. Благодаря
высокой чувствительности метода удается проанализировать даже отдель-
ные зерна санидина из тефры голоценового возраста (Chen et al., 1996).
Одним из самых известных мест с останками ранних гоминид являет-
ся ущелье Олдувай (Olduvai) в Танзании. Плиоцен-плейстоценовый разрез
озерных, речных и аллювиальных осадков мощностью около 100 м содер-
жит многочисленные горизонты тефры и лавовых потоков. В 1-м горизонте
были обнаружены останки Australopithecus boisei (= «Zinjanthropus») вместе с
каменными орудиями. Слои тефры 1-го горизонта характеризуются нор-
мальной магнитной направленностью, хотя с точки зрения магнитной стра-
тиграфии этот горизонт относится к геохрону Матуяма с обратной полярно-
стью. Они образуют locus typicus субгеохрона Олдувай. Длительные усилия
по определению возраста этого ключевого разреза, предпринимавшиеся на
протяжении трех последних десятилетий, вызвали, помимо методологичес-
кой дискуссии по поводу надежности К-Аг-метода и геохронологических
часов, основанных на трековом методе, разнящиеся взгляды на возраст это-
го горизонта. В конечном счете лазерный Аг-Аг-метод определения возраста
по отдельным зернам позволил установить возраст слоев с достаточной де-
тальностью и надежностью (Walter et al., 1991). Был выявлен ряд разновозра-
стных древних групп полевошпатовых зерен и, кроме того, удалось иденти-
фицировать и отделить молодые компоненты туфа от контаминирующих их
обломков более древнего возраста. Возраст рассчитывался как средневзве-
шенный из нескольких определений по каждому молодому зерну; ошибка
анализа соответствует 1а Полученные значения возраста заключены между
1,798 ± 0,004 (слой туфа 1В) и 1,749 ± 0,007 млн лет (слой туфа 1F) для
верхней части слоев 1-го горизонта, включающих ископаемые гоминиды, и
свидетельствуют о существенных климатических изменениях (рис. 17). Ре-
зультаты, полученные по образцам слоя 1А, также свидетельствуют о том,
что подошва субгеохрона Олдувай имеет возраст 1,98—2,01 млн лет - при-
мерно на 0,1 млн лет древнее, чем считалось ранее.
Самые ранние пока ископаемые гоминиды (Australopithecus afarensis) об-
наружены в Восточной Африке и имеют возраст по крайней мере 3,9 млн
лет. Возраст вышележащего плиоценового туфа Синдери (Cyndery) из Сред-
него Аваша (Middle Awash), Эфиопия, определенный по кристаллам пла-
гиоклаза и обломкам стекла Аг-Аг-методом и, кроме того, трековым мето-
Рис. 17. Четыре ключевых участка 1-го горизонта плиоцен-плейстоценового разреза ущелья Олдувай. Танзания. Мно-
гочисленные слои туфов и лав переслаиваются с озерными, речными и аллювиальными осадками. В этой толще
были обнаружены ранние гоминиды и их орудия (слои с находками помечены символом ОН}. В скобках приводит-
ся возраст (в млн лет), определенный лазерным К-Аг-методом плавления по отдельным кристаллам в составе
туфовых горизонтов. В 1-м горизонте нормальная магнитная полярность N (субгеохрон Олдувай) сочетается с
инверсной полярностью R геохрона Матуямы. (Воспроизводится с разрешения Nature; Waller et al., 1991.)
3.1. Калий-аргоновый метод 89
Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
дом по цирконам, оказался равным 3,8—4,0 млн лет (Hall et aL, 1984). Ла-
зерным Аг-Аг-методом по отдельным зернам были также датированы вит-
рифицированные туфы Гаала (Gaala) из Арамиса, расположенные в том же
районе и залегающие стратиграфически ниже находок гоминид. Несмотря
на преобладание более древних контаминирующих зерен, полевошпатовая
фракция позволила определить возраст, дающий верхний возрастной пре-
дел самых ранних гоминид. Он оказался равным 4,387 ± 0,031 млн лет
(WoldeGabriel el al., 1994). В Южной Эфиопии, в районе Конзо-Гардула
(Conso-Gardula) в плиоцен-плсйстоценовых осадках, включающих несколько
туфовых горизонтов, были обнаружены каменные орудия ашельской куль-
туры (Asfaw et al., 1992). Определенный Аг-Аг-методом по отдельным по-
левошпатовым зернам возраст этих горизонтов относит эти самые ранние
для Африки находки предметы ашельской культуры ко времени, отстоя-
щему от нас на 1,4 млн лет. К самым древним из обнаруженных до сих пор
каменных орудий принадлежат орудия, найденные среди образований па-
леолитового олдувайского индустриального комплекса в Гона (Gona), Эфи-
опия. Эти находки имеют возраст в интервале 2,6-2,5 млн лет, определен-
ный лазерным Аг-Аг-методом по отдельным полевошпатовым зернам и
методами магнитной стратиграфии по подстилающим и перекрывающим
тефровым горизонтам (Semaw et al., 1997).
К-Аг возрастные данные представляют особый интерес для выясне-
ния вопроса о том, когда и как Homo erectus мигрировал из Африки. Самые
ранние останки этого вида в Африке, обнаруженные в районе Кооби Фора
(Koobi Fora), Кения, имеют возраст 1,8 млн лет (McDougal, 1985). В соот-
ветствии с К-Аг геохронологическими данными Homo erectus в Юго-Восточ-
ной Азии появился, по-видимому, практически в ю же самое время. Сви-
шер и др. (Swisher et al., 1994) представили возрастные данные, полученные
лазерным Аг-Аг-методом ступенчатого отжига по роговым обманкам, выде-
ленным из пемзы в местах двух стоянок питекантропа на Яве. Данные ана-
лизов образовали на графике отчетливое плато со средними значениями
возраста 1,81 ± 0,04 и 1,66 ± 0,04 млн лет. Однако стратиграфическое поло-
жение первых находок гоминид по отношению к горизонтам пемзы оста-
лось невыясненным.
Ключевую роль в четвертичной хронометрии и хронологии палеолита
в Центральной Европе играет среднерейнская область с вулканическим по-
лем Эйфель (Eifel) (рис. 18). Многочисленные проявления тефры являются
прекрасными тефрохронологическими маркирующими горизонтами, кото-
рые часто совмещаются с археологическими разрезами. Начиная с первых
попыток (Frechen and Lippolt, 1965), для этого района было выполнено
много определений возраста тефры и базальтовых потоков как традицион-
ным, так и аргон-аргоновым методом (рис. 19). Главные трудности в анализ
вносят потеря аргона, избыточный аргон и контаминация фенокристами и
ксенокристами. Согласно результатам определения возраста К-Аг-методом,
основная вулканическая активность приходится на средний плейстоцен.
Рис. 18. Схематическая карта вулканического поля четвертичного возраста восточной части горного массива Эйфель,
Германия (van den Bogaard and Schminkc, 1990. с любезного разрешения авторов).
J. Л Калий-аргоновый метод 91
Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
Климатические фазы
и морские стадии
по изотопно-кислородным
донным
Разрез Айтеркёпфе
Мехпсимумся
Аглерёдс
Розрез
Теннесберг
Теф
полеопочвы
вулконическин
□люковый конус
Горизонт
тефрового
пепла (теф|
Вулканический
пепловый
конус
Айтеркёпфе
Пепловый
горизонт
Корретсберг
|Корр)
выпадения
пемзы
мафический
пепел
переотложенный
Ибйиа мафический пепел
мутьевые потоки,
rAfivd пожары, сели
рггтггп свалы базальтовых
Рис. 19. Тефростратиграфическая корреляция нескольких важных профилей
четвертичных отложений Восточного Эйфеля (ср. рис. 18). Эти про-
фили включают ряд важных горизонтов с находками предметов куль-
туры палеолита. Корреляция профилей с морскими стадиями
основана на датировании отложений 40Ar-wАг-методом (van den Bogaard
and Schmincke, 1990, с любезного разрешения авторов).
И
отложения
штили xnwWioe
Розрез Воннен
-----Чл?' Тефро Лоахер
pgg - Зее 11 млн лет
Пепловый
горизонт
_ Плейлер
Хуммерих
(ПХ)
ПХ
Тефровый
горизонт
Хкзттенберг
Вулканический
пепловый
конус Воннен
3.2. Уран-гелиевый метод
Последним крупным взрывным извержением, сопровождавшимся образо-
ванием мааров, было извержение Лаахер Зее (Laacher See) со средневзве-
шенным возрастом 12,9 ± 0,56 тыс. лет (рис. 14), определенным изохрон-
ным методом по отдельным зернам санидина (van den Bogaard, 1995). Этот
результат имеет особое значение, поскольку тефра извержения Лаахер Зее
широко распространилась по территории Европы.
Обсидиан. Попытки датирования обсидиана К-Аг-методом (Kaneoka, 1969)
сдерживаются потерей им аргона, которая коррелирует со степенью гидра-
тации риолитовых стекол. Подходящим для анализа материалом являются,
по-видимому, только свежие невыветрелые образцы обсидиана с содержа-
нием воды менее 0,5%, что было продемонстрировано для обсидиана из
Вада Тоге Пасс (Wada Toge Pass), Япония, возраст которого, определенный
К-Аг-методом, оказался равным 0,95 ± 0,10 млн лет. По-видимому, не
представляло трудностей датирование К-Аг-методом риолитового стекла
из четвертичного туфа Бори (Воп), Индия. Наряду со стеклом в этом гори-
зонте были обнаружены артефакты раннеашельской культуры. Возраст ри-
олитового стекла, определенный по фракции 50—100 мкм, оказался рав-
ным 538 ± 47 тыс. лет (Hom et al., 1993).
Тектиты и импактные стекла. Высокотемпературное образование тек-
титов сочетается с их полной дегазацией; поэтому К-Аг часы датируют
возраст столкновения с внеземным телом. В частности, традиционный
К-Аг-метод был использован для определения возраста многочисленных
образцов тектитов, включая образцы четвертичных тектитов Берега Сло-
новой Кости и Австралазийского поля рассеяния тектитов (Schaeffer, 1966).
Кроме того, для определения возраста Австралазийских тектитов был при-
менен 40Аг / ”Аг-метод (Storzer et al., 1984). В целом наблюдается хорошее
согласие между возрастами тектитов, определяемыми К-Ar- и трековым
методами (разд. 6.1.3). Высокое содержание атмосферного аргона, внедряю-
щегося в процессе образования стекла, может создать помехи К-Аг-датиро-
ванию импактных стекол, что имело место, например, при исследовании
образцов, собранных в кратере Дарвин в Тасмании, возраст которых оказал-
ся равным 700 ± 80 тыс, лет (Gentner et al., 1973). К-Аг-возраст импактных
стекол из кратера Босумтви (Bosumtwi), Гана, равный 1,3 ± 0,3 млн лет,
согласуется с возрастом тектитов Берега Слоновой Кости и поддерживает
теорию об их происхождении из этого кратера (Gentner et al., 1964, 1969).
3.2. Уран-гелиевый метод
Когда было обнаружено, что а-частицы, образующиеся в процессе распада
урана и тория, являются ядрами гелия, были предприняты первые попытки
использовать это явление для определения радиометрического возраста. Уже
в 1905 г., спустя всего 9 лет после того, как Беккерель обнаружил явление
(F94 Глаеа 3. Благородные газы радиогенного происхождения
радиоактивности, Штрутт впервые попытался определить радиометричес-
кий возраст минерала, используя содержание накопленного в нем гелия (Stiutt,
1905). Это было началом радиометрической хронометрии, и на протяжении
первой половины 20 столетия U-Не-метод занимал в ней ведущее положе-
ние. Изотопы урана и тория являются материнскими нуклидами рядов ра-
диоактивного распада (ср. рис. 22). В результате радиоактивного распада
они через ряд радиоактивных промежуточных членов превращаются в ста-
бильные изотопы свинца; этот процесс сопровождается испусканием не-
скольких а- и Д-частиц. Так как а-частицы являются ядрами 4Не, они в
итоге превращаются в атомы этого благородного газа. Если все образующи-
еся атомы удерживаются внутри системы, общее количество накопленного
гелия является мерой ее возраста. С урановым рядом радиоактивного распа-
да связан ряд параллельных методов определения возраста (глава 4), кото-
рые также основаны на рядах радиоактивного распада и используют нару-
шения радиоактивного равновесия. Поскольку испускание а-частиц вызы-
вает отдачу излучающих ядер, уран-гелиевый метод связан с трековым ме-
тодом определения возраста, основанном на явлении отдачи при испуска-
нии а-частиц (разд. 6.2).
Распространенность а-распада и возможность аналитического опре-
деления концентрации гелия являются предпосылками привлекательности
уран-гелиевого метода определения возраста. Кроме тоге, должны выпол-
няться дополнительные условия, такие как полное удержание радиогенного
гелия, а также закрытый характер системы в отношении всех других членов
радиоактивных рядов распада. В геологических объектах оба условия часто
не выполняются, о чем было известно уже пионерам хронометрии, и значе-
ния уран-гелиевого возраста оказываются ниже ожидаемых. Однако для чет-
вертичных кораллов и моллюсков были получены обнадеживающие резуль-
таты. Кроме того, был определен возраст костей, базальтов и рудных мине-
ралов. Применимость U-He часов варьируется в зависимости от содержа-
ния урана от 10 тыс. лет до примерно 100 млн лет.
3.2.1. Методологическая основа
Благородный газ гелий состоит из двух изотопов - 5Не и 4Не с атмосферным
соотношением 1,384 х 10"6 (разд. 5.2.1). Высокая доля 4Не обусловлена ра-
диоактивным распадом ядер урана и тория, которые содержатся в земной
коре. Напротив, в мантии Земли изотопный состав гелия характеризуется
первичным соотношением *Не / 4Не около 10м. Радиогенный гелий в зна-
чительной степени диффундирует из земной коры в атмосферу, из которой
он, в свою очередь, может улетать во внеземное пространство. Если гелий в
минералах удерживается, его растущее содержание становится радиометри-
ческими часами.
Природный уран состоит из двух изотопов - 2MU, составляющего 99,3%,
и n$U, на долю которого приходится 0,7%, тогда как торий состоит только
3.2. Уран-гелиевый метод 95 J
из одного изотопа - 232Th. Каждый а-распад в трех радиоактивных рядах,
начинающихся с урана и тория, приводит к образованию одного атома 4Не,
Фактически число ядер гелия, образующихся в каждом полном каскаде реак-
ций распада, равно 8 в ряду 238U, 7 - в ряду 235U и 6 - в ряду 232Th (ср. рис. 22).
Поскольку торий и его радиоактивные продукты распада также приводят к
образованию гелия, то правильнее употреблять термин (U+Th)-He-y а не про-
сто U-Не-метод. Для того, чтобы определить возраст, необходимо количе-
ственно проанализировать содержание не только радиогенного гелия, но и
урана и тория. Очевидно, что для того, чтобы применить этот метод, необхо-
димо знать скорость образования гелия для данного содержания урана и то-
рия. Это не столь простая задача, как может показаться на первый взгляд,
если иметь в виду явление радиоактивного равновесия (разд. 1.2). Равновесие
после возмущения постепенно вновь устанавливается за время около 5 пе-
риодов полураспада дочернего нуклида, а максимальная скорость образова-
ния гелия достигается только при достижении радиоактивного равновесия.
В этом случае скорость образования 4Не для обоих урановых изотопов и
продуктов их распада составляет 12 х 10"8cmj(STP) на мкг U за млн лет, а
для тория - 2,9 х 10"* см3 (STP) на мкг Th за млн лет. По причине низкой
величины природного соотношения 235U / 23RU (—0,007), доля гелия, образу-
ющегося в ряду 23SU, мала. Поскольку в большинстве природных объектов
отношение Th/U варьирует от 3 до 4, наибольший вклад в образование ге-
лия вносит радиоактивный ряд 232Th. Установление равновесия в радиоак-
тивном ряду 23SU контролируется долгоживущими членами - главным обра-
зом 23<U и 23OTh. Чтобы прийти к равновесному состоянию, продуктам рас-
пада уранового ряда требуется около 400 тыс. лет или даже 1,3 млн лет, если
первичное отношение активностей l234U| / |238U] отличается от единицы
(разд. 4.1.4). Поэтому в нарушенных системах образование гелия аппрокси-
мируется сложными математическими функциями (рис. 20), которые требуют
итерационного решения. Очевидно, данная проблема имеет первоочередное
отношение к четвертичным образцам, поскольку их возраст близок к периоду
полураспада. В тех случаях, когда содержание тория пренебрежимо мало, что
имеет место, например, в кораллах, математическая задача упрощается.
Главной проблемой в U-He часах является то, что они стремятся стать
открытой системой. Это находит свое выражение в диффузии гелия, а
также в подвижности урана и продуктов его распада. Потеря образцами
гелия - главная причина обычно наблюдающегося занижения геологи-
ческого возраста. Удержание гелия зависит от минерального состава
(Lippolt and Weigel, 1988). Относительно небольшой по размерам атом
гелия легко мигрирует в кристаллической решетке. По мере роста числа
дефектов, обусловленных радиоактивностью, увеличивается и скорость
диффузии гелия. Если диаметр зерен сопоставим с длиной пробега
а-частицы (~15 мкм), атом гелия чисто по геометрическим причинам мо-
жет вылететь из зерна в поровый раствор, из которого легко улетучивает-
ся в атмосферу.
Рис. 20. График, иллюстрирующий изменение отношения He/U как функции
возраста для различных значений отношения первичных активностей
(2MU / 2MU)0. В течение первых 400 тыс. лет количество продуктов
распада JMTh и ,MU увеличивается до тех пор, пока не будет достигну-
то равновесие. Избыточный ?MU полностью распадается в пределах
1,3 млн лет. Далее гелий генерируется с постоянной скоростью; соот-
ветственно, кривые генерации приобретают линейный и взаимно па-
раллельный характер (воспроизводится с разрешения Science; Fanale
and Schaeffer, 1965).
Подвижность урана и продуктов его распада зависит от их физико-хи-
мического положения в структуре минерала. Связанный уран кристаллохи-
мически относительно устойчив к обмену, тогда как уран во вторичных об-
разованиях более склонен к обмену. Например, фоссилизированные кости
захватывают уран из грунтовых вод. Диагенетическая перекристаллизация
может привести к химическому обмену, как это наблюдается в кораллах,
когда метастабильный арагонит перекристаллизовывается в стабильный каль-
цит. Более того, в каждом акте а-распада остающееся ядро испытывает от-
дачу, приводящую к значительному радиационному нарушению, достигаю-
щему 10~2 мкм; следовательно, по мере распада элементов в радиоактивных
рядах дочерние ядра размещаются во все более нарушенных позициях с ос-
лабленной химической стойкостью и облегченной выщелачиваемостью.
В этом состоит главная причина того, почему в подземных водах отношение
активностей [2J4U ] / [2J8UJ больше единицы. Особенно склонен к диффузии в
пористой основной массе благородный газ радон 222 Rn (tif2 = 3,8 суток).
3.2.2. Практические аспекты
Подходящим материалом для U-Не-датирования являются арагонитовые ис-
копаемые, такие как кораллы и моллюски. Для анализа достаточно всего не-
3.2. Уран-гелиевый метод 97
скольких граммов вещества. Присутствие кальцита указывает на частичную
перекристаллизацию и, следовательно, на опасность возможной потери ге-
лия. Арагонит выделяется с помощью ручной отборки в поле зрения биноку-
лярного микроскопа и очищается от примеси обломочных минералов в ульт-
развуковой ванне. Гелий анализируется масс-спектрометрически с примене-
нием метода изотопного разбавления. Содержание 4Не приводится в 10 8 (СТР)
см3 на г материала образца. Вследствие гораздо более низкого содержания
гелия в атмосфере контаминация образцов атмосферным 4Не значительно
менее опасна, чем контаминация атмосферным аргоном в К-Аг-методе. Кон-
таминация *Не может быть, однако, выявлена и необходимые поправки на
контаминацию внесены путем определения содержания :Не и использования
известного атмосферного соотношения 3Не / 4Не или путем определения ^Ne
и использования атмосферного соотношения 4Не / 20Ne (Bender, 1973). Со-
держание урана и тория может быть определено различными методами, но
обычно определяют масс-спектрометрически с применением метода изо-
топного разбавления или нейтронно-активационным методом. Отноше-
ние 234U / 238U измеряется «-спектрометрически или масс-спектрометричес-
ки. Чтобы определить возможную потерю гелия, необходимо исследовал» струк-
туру, размер зерен и пористость материала образцов, что лучше всего достига-
ется с помощью сканирующего электронного микроскопа. Хотя U-Не-воз-
раст может быть определен с высоким разрешением, его достоверность может
оказаться довольно низкой по причине неизвестного уровня открытости при-
родных систем, что часто приводит к занижению возраста.
3.2.3. Применение
Кораллы. Кораллы в своих арагонитовых скелетах содержат всего несколько
мкг/г урана. Вследствие опасности, связанной с частичной открытостью
системы, арагонит не должен быть перекристаллизован в кальцит. В закры-
той системе арагонит хорошо удерживает гелий и нечувствителен к вторич-
ной мобилизации урана, что делает кораллы пригодными для определения
возраста U-Не-методом. Это было продемонстрировано для плейстоцено-
вых кораллов (Fanale and Schaeffer, 1965). В этом исследовании был обнару-
жен избыточный компонент нерадиогенного гелия, который, по-видимому,
находился в образце с момента его образования и был обусловлен контами-
нацией обломочным материалом. При оценке возраста исследуемых объек-
тов необходимо определять и принимать во внимание отношение 234U / 238U
в морской воде, из которой уран был изначально захвачен в арагонитовую
структуру (рис. 20). Бендеру (Bender, 1973) удалось показать, что U-Не-ме-
тод является надежным методом определения возраста плейстоценовых ко-
раллов, если принимать во внимание возможные потери гелия и радона.
Моллюски. После отмирания и захоронения моллюски захватывают уран
из грунтовых вод и фиксируют его в своих арагонитовых скелетах. В случае,
98 Глава 3. Благородные газы радиогенного происхождения
если захват происходит довольно быстро по сравнению с геологическим воз-
растом ископаемых, к таким объектам применимо датирование U-Не-мето-
дом. Конечно, в этом случае также предполагается, что уран, будучи адсор-
бированным в какой-то момент времени, геохимически неподвижен и что
радиогенный гелий количественно сохраняется в скелетах моллюсков. Фа-
нейлу и Шефферу (Fanale and Schaeffer, 1965) удалось показать, что для
раковин четвертичных моллюсков, отобранных на тектонически поднятых
береговых террасах Калифорнии, такие условия, по-видимому, действительно
выполняются. U-He-возрасты моллюсков из отложений одной и той же тер-
расы, несмотря на варьирующее содержание урана (рис. 21), согласуются
друг с другом в пределах ошибки измерений. Возраст 21-метровой террасы
оказался равным 100 ± 20 тыс. лет, а 375-метровой террасы - 350 ± 50 тыс.
лет. Более того, полученные значения возраста согласуются с данными
2WTh / 2MU-метода. В случае кораллов необходимо принимать во внимание
отношение 2MU / B8U. Прежде чем обобщать эти обнадеживающие результа-
ты, необходимо получить дополнительные опытные данные о надежности
U-Не-метода определения возраста моллюсков.
Рис. 21. U-Не-датирование раковин четвертичных моллюсков мз тектоничес-
ки приподнятых береговых террас Калифорнии. Точки для моллюс-
ков, содержащих различное количество урана, но (догребенных в од-
ной и той же террасе, лежат на соответствующих изохронах. (Воспро-
изводится с разрешения Science; Fanale and Schaeffer, 1965.)
Кости. Надежность U-Не-датирования была также проверена на костях
четвертичного и третичного возраста (Turekian et al., 1970). Измеренный
3.2. Уран-гелиевый метод 99J)
возраст оказался в целом слишком молодым. Фоссилизированные кости зах-
ватывают уран из грунтовых вод и удерживают его в своей пористой ткани.
Отложение урана усиливается в восстановительных условиях, создаваемых
разложением органического вещества костей. В течение этого периода (до
10 тыс. лет) содержание урана в костях возрастает на несколько порядков.
Так как длительность этого периода может быть значительной по отноше-
нию к общему возрасту, в расчете U-He-возраста необходимо исходить из
модели, учитывающей время накопления урана. Более того, адсорбирован-
ный уран и продукты его распада физикохимически очень слабо связаны с
костной тканью и, следовательно, все время склонны к обменным реакциям
с грунтовыми водами. В дополнение ко всем этим неопределенностям поте-
ря гелия, как и радона, делает эту систему еще более открытой. Поэтому
кости следует рассматривать как неподходящий материал для датирования
U-Не-методом.
Базальты. При излиянии базальтов, сопровождающемся их дегазаци-
ей и потерей присутствующего в них гелия, происходит переустановка U-He
часов. После застывания магмы радиоактивный распад содержащихся в ба-
зальте урана и тория сопровождается генерацией гелия, количество которо-
го будет мерой возраста, исчисляемого с момента извержения. В процессе
геохронологических исследований молодых базальтов с островов Мадейра и
Порго-Санта, к которым был применен метод датирования по образцам
породы в целом, Феррейра и др. (Ferreira et al., 1975) обнаружили система-
тическую потерю гелия. U-He-возраст базальтов варьировал от 0,4 до 4,6
млн лет, что значительно ниже К-Аг-возраста тех же образцов. Возможно,
более перспективными для датирования U-He-методом окажутся урансо-
держащие включения минералов*.
’ Следует отметить, что в настоящее время (11-ТЬ)/Не-мстод переживает второе
рождение, при этом особое внимание уделяется титаниту. См., напр., Reiners P.W.,
Farley К.А. Helium diffusion and (U-Th)/Hc thermochronometry of titanite // Geochim.
Cosmochim. Acta, 1999 v. 63, pp. 3845—3859. — Прим. ped.
ГЛАВА 4
УРАНОВЫЕ РЯДЫ
Общий термин «урановые ряды* охватывает несколько тесно связанных ме-
тодов датирования, основанных на радиоактивном неравновесии в рядах
распада двух изотопов урана 238U и 233U. Синонимами являются термины
ряды распада, неравновесие или, в какой-то степени, уран-ториевый метод
датирования. Индивидуальные методы названы по парам дочери и й/роди-
тельский нуклид, например: 23OTh / ^U,231 Ра / 235U и 234U / 238U. Всеохваты-
вающее описание различных методов и их приложения можно найти в сбор-
нике под редакцией Ивановича и Хармона (Ivanovich and Hannon, 1992).
Оба изотопа урана радиоактивны и распадаются по цепи промежуточных
дочерних изотопов до стабильных изотопов свинца. В закрытой системе устанав-
ливается равновесное состояние между всеми радиоактивными нуклидами в ряду
распада. В таком состоянии векового равновесия все радиоактивные нуклиды
обладают равной активностью. Если такая система была нарушена, для восста-
новления векового равновесия требуется время. Момент нарушения может быть
определен по степени установления нового равновесия. В природных процессах
нарушение происходит за счет геохимического фракционирования. Фракциони-
рование преимущественно обусловлено различной растворимостью продуктов
распада и происходит в процессах выветривания, переноса, образования мине-
ралов и при осадкообразовании. В результате появляется возможность датиро-
вания экзогенных геохимических процессов методом урановых серий.
Первые попытки определения возраста по радиоактивному неравновесию
были предприняты достаточно давно, при наблюдении избытка радия и
иония (23OTh) в морских осадках (Joly, 1908; Pettersson, 1937; Piggot and Uny,
1942). С усовершенствованием техники обнаружения в середине 1950-х годов
началось реальное развитие метода датирования по урановым сериям, при
этом главное внимание было обращено на глубоководные осадки, кораллы и
земные карбонаты. Как только стало ясно, что кораллы и глубоководные осадки
сохраняют память об истории климата, метод урановых рядов стал суще-
ственной поддержкой морской четвертичной хронологии. Переход от а-спек-
трометрии к масс-спектральному анализу, который при меньшем (примерно
в 100 раз) размере образца дает большую точность определения возраста
(Edwards et al., 1986, 1987), дал сильнейший толчок к развитию метода урано-
вых рядов. Быстрое развитие метода открывает сегодня новые возможности.
Метод урановых серий может быть использован для датирования во вре-
менном интервале от нескольких лет до примерно I млн лет и, таким обра-
Глава 4. Урановые ряды
зом, покрывает, по существу, весь средний и верхний плейстоцен. Однако,
поскольку характерное время установления векового равновесия зависит от
периода полураспада дочернего нуклида, возрастные пределы отдельных ме-
тодов датирования из этой группы заметно различаются. Верхний предел
периода датирования достигается, когда при возврате системы к равнове-
сию, отличие от равновесного состояния становится необнаружимо. Други-
ми словами, датируемой является система, которая еще не достигла пол-
ного состояния векового равновесия. Как правило, датируемый период гру-
бо равен пяти периодам полураспада. Например, в случае метода 2MTh / 2J4U
(период полураспада 2MTh равен 75,4 тыс. лет) верхний предел датируемого
возраста составляет -350 тыс. лег, при применении более чувствительного
масс-спектрометрического метода анализа вместо метода счета а-частиц
возможность датирования расширяется до -500 тыс. лет, примерно соответ-
ствующих семи периодам полураспада (Edwards et al., 1986, 1987).
Метод урановых серий применим к широкому ряду материалов. Содер-
жание урана не должно быть ниже 0,1 мкг/г. Применительно к морской
среде заслуживают внимания глубоководные осадки, марганцевые конкре-
ции и коралловые рифы. Что касается земных объектов, наибольшего вни-
мания заслуживают вторичные карбонаты пешер и источников. Кроме того,
для датирования также пригодны карбонатные отложения почв, мергели и
карбонатные озерные отложения. Большое значение имеют также ископае-
мые кости, зубы и раковины моллюсков. Наконец, можно датировать тор-
фяники. Такое‘разнообразие пригодного материала для датирования мето-
дом урановых серий привело к тому, что данные, полученные этим методом,
внесли большой вклад как в морскую, так и в континентальную четвертич-
ную хронологию, в частности в хронометрию отложений палеолита.
Точность датирования методом урановых серий определяется не только ана-
литической точностью измерений, поскольку в значительной мере на нее оказы-
вают влияние сложности, возникающие в связи с возможной контаминацией
проб и с раскрытием радиометрических систем. Для того чтобы уменьшить и
учесть подобные влияния, рекомендуется проводить процедуру отборки образ-
цов в присутствии специалиста или, по крайней мере, при консультации с ним.
При благоприятных обстоятельствах, а именно в случае масс-спектрального оп-
ределения 2J0Th / 234U-возраста, может быть достигнута точность лучше 1%.
В большинстве же случаев ошибки измерения возраста значительно больше.
Радиоактивное равновесие. Фундаментальной физической основой метода
датирования по урановым сериям является закон радиоактивного равновесия.
Он наблюдается в рядах распада, начинающихся с урана и тория. Природный
уран состоит из двух радиоактивных изотопов 23*U (99,3%) и 2?JU (0,7%). Эти
материнские нуклиды распадаются на дочерние нуклиды, которые в свою оче-
редь являются радиоактивными, и этот процесс продолжается до тех пор, пока
после длинного каскада распадов не образуются в конце концов стабильные
изотопы свинца соответственно ^РЬ и ЖРЬ (рис. 22). Активность (7V) неста-
Глава 4. Урановые ряды
бильного нуклида (с числом атомов N и константой распада /) определяется
как число атомов dN, распадающихся за время dt, т.е. |/V] = dN/dt = —A/V
(разд. 1.2). Термин радиоактивное равновесие означает состояние, при котором
активности всех радиоактивных членов ряда равны между собой. В этом состоя-
нии для каждого промежуточного члена ряда количество распадающихся атомов
компенсируется числом новообразованных радиогенных атомов за счет распада
его материнского нуклида При этом отношение активностей дочернего D и
материнского N атомов равно единице, т.е. [D] / [/V] = I, и число атомов N каж-
дого нуклида пропорционально его периоду полураспада, т.е. = N/t^ N.
' Г; г яП58 5Л5 n : ♦— Tb-232 14.05 <’n
Xc-228 6.13 м ,
Pb-212 10.6 м % Po-216 0.15 c -— Rn-220 55.6 c Ro-224 3.64 D 'lb-228 J.9 лет
"П-208 3.1 мин « *Bi*2!2 60.6 МИИ
‘pb-208 побип*й >o-212 tone 1
И Ш Tb-23! 25.6 moc. U-235 704
Ac-227 One» , ♦— >*231 32.5 not
Pb-2!1 136.1 мин *— Po-215 1.1 мс < Ro-219 3.9C • Ro-223 11.4 A 'Tb-227 11.7 A
П-207 4.1 мим. ‘Bi-2H 2.15 мин
pb-207 1 | —1 L_
ЯВИВ! Th-234 24.1 A • U-238 4461шж
>0-234 1J МИИ
Pb-2J4 26.6 мин + — Po-218 ЗЛ5 мин Rn-222 ЭЛД •— Ra-226 1620 лет Th-230 75.4 uv — \j-234 246 vr
bi-214 19.6 мин,
Pb-210 S3 лет. « ‘Po-214 162 мкс а-рослод
5.0Д , k-
Pt>-206 псбичный >0-210 136.4 a ‘4
Рис. 22. 232Th, ?,$U и ,WU являются материнскими нуклидами для различных
радиоактивных рядов распада. Они распадаются через промежуточные
дочерние радионуклиды с различными периодами полураспада до ста-
бильных изотопов свинца 2“РЬ,207РЬ и **РЬ. В рядах распада постепен-
но устанавливается равновесие, при котором для каждого промежу-
точного члена ряда выравниваются скорости образования радиогенных
продуктов и радиоактивного распада материнских нуклидов.
Глава 4. Урановые ряды 103
Если уран в минерале прочно связан, продукты распада будут постепен-
но и последовательно накапливаться вплоть до установления равновесия.
Промежуток времени, необходимый для достижения состояния равновесия,
определяется промежуточными дочерними изотопами с наиболее продол-
жительным периодом полураспада: в ряду наиболее долгоживущими
дочерними продуктами являются 234U с периодом полураспада 245 тыс. лет и
воти с периодом полураспада 75,4 тыс. лет, в ряду 235U это 231 Ра с периодом
полураспада 32,3 тыс. лет. Более того, установление равновесного состоя-
ния требует закрытости системы, что означает, что не было ни дополнения,
ни потери материнских или дочерних изотопов. В природе наименее вывет-
релые минералы и породы представляют собой закрытые системы, и радио-
активное равновесие в них сохраняется в результате их больших геологичес-
ких возрастов.
Неравновесие как часы. Состояние равновесия может быть нарушено в
ходе химических (выветривание, осаждение, магматическая дифференциа-
ция), физических (адсорбция) и биологических (образование известковис-
тых скелетов) процессов, при которых материнские или дочерние изотопы
могут быть добавлены или удалены из системы. Различная растворимость
урана и тория особенно эффективно способствует их разделению (в отличие
от тория уран легко растворим, особенно в окислительных условиях). При
таких нарушениях системы происходит более или менее полное фракцио-
нирование материнских и дочерних изотопов (рис. 23). По окончании нару-
шения, например после седиментации и нового закрытия системы, радио-
активное равновесие постепенно снова восстанавливается. Скорость, с ко-
торой устанавливается новое равновесие, зависит от периода полураспада
нуклидов. Так, требуется до крайней мере пять периодов полураспада до-
чернего элемента, прежде чем дочерний изотоп придет в равновесие с мате-
ринским. Эта зависимость процесса от времени позволяет датировать мо-
мент нарушения. Наиболее пригодны для датирования дочери ие/материнс-
кие пары нуклидов, характеризующиеся соотношением N > в то вре-
мя как период полураспада дочернего нуклида должен быть сопоставим с
периодом, который предстоит датировать.
Основными предпосылками для датирования являются:
1. Продолжительность нарушения системы (фракционирование пары
дочерний/материнский нуклид) мала по сравнению с периодом полураспа-
да дочернего изотопа.
2. Первичное содержание дочернего изотопа в момент закрытия систе-
мы ничтожно мало или известно.
3. После нарушения радиоактивная система остается закрытой, таким
образом, все изменения распространенности материнских и дочерних изо-
топов являются исключительно результатом радиоактивного распада.
При условии, что все эти требования соблюдены, общая активность до-
чернего изотопа [ D] в системе может состоять из трех компонентов:
104 Глава 4. Урановые ряды
Рис. 23. Радиометрическая система в состоянии радиоактивного равновесия
имеет соотношение активностей радиоактивного материнского изо-
топа и радиогенного дочернего нуклида |D], равное /D] / |W] = 1.
Радиоактивное равновесие может быть нарушено при процессах хи-
мического, физического или биологического фракционирования, в
результате чего происходит добавка или потеря Н или D. В такой
открытой системе отношение |D] / (TV) увеличивается или уменьша-
ется, т.е. во время, когда система закрывается снова (/ = 0), суще-
ствует либо избыток, либо дефицит дочернего изотопа относительно
материнского, и отсюда (|£>] / |ЛП)0 * I. По окончании этого наруше-
ния, т.е. при закрытии системы, радиоактивное равновесие посте-
пенно восстанавливается. Время закрытия системы может быть дати-
ровано, поскольку восстановление равновесия является функцией
времени, при условии что известно ([Р] / (ЛП>-
[Р] = IA1 + I Ail + 1 Ah
(23)
где [ AI — активность избыточной, распадающейся фракции, уже включен-
ной в систему и не поддержанной материнским изотопом; [DJ - актив-
ность недостающей, накапливающейся дочерней фракции, поддержанной
материнским изотопом; и [Рс] — активность унаследованной, контаминиру-
ющей фракции, которая уже находится в системе и остается в равновесии
(рис. 24). Очень важно рассмотреть эти индивидуальные компоненты раз-
дельно. Поскольку эти составляющие ассоциированы с различными мине-
Глава 4. Урановые ряды 105
ральными фазами, они могут быть разделены путем минералогической и
химической сепарации.
Дочерняя активность [D] изменяется как функция возраста г.
[D] = |De(0)l е'" + [N] (1 - е") + (Д1, (24)
где Л - константа распада дочернего изотопа. Первый член в уравнении (24)
выражает экспоненциально убывающую активность первоначально избы-
точного дочернего компонента Д(0). Второй член описывает экспоненци-
ально увеличивающуюся активность недостающего дочернего изотопа, пока
не установится равновесие с активностью родительского изотопа. Только
два первых члена зависят от времени. Третий член является фиксированной
величиной, которая должна быть учтена. Отношение активностей, за выче-
том контаминации, равное
«Я] - 1А1) / IM = (I А(0)] / IW е-" + ! - еЛ (25)
приближается за несколько периодов полураспада к равновесной величине 1,
что позволяет определить возраст нарушения t.
Активность
Рис. 24. Активность дочернего нуклида [Р] в радиометрической системе, не
достигшей состояния равновесия, состоит из трех компонентов: избы-
точной фракции [DJ, дефицитной фракции 10J, и унаследованной
контаминирующей фракции [DJ. Щ) и |Д,1 убывает или возрастает
соответственно до тех пор, пока не установится состояние равновесия
при уровне активности материнского нуклида |Д] находится в
равновесии с самого начала и остается постоянной.
Методы датирования по урановым сериям могут быть разделены на две
группы в зависимости от того, привело ли нарушение к изменению показа-
106 Глава 4. Урановые ряды
теля активности: [D] / |jV] < I (недостаток дочернего изотопа) или > 1 (избы-
ток дочернего изотопа). Недостаток дочернего изотопа возникает при нару-
шении, когда материнский изотоп внедрен без дочернего, например уран (234U)
без тория (2WTh) в карбонатах, или если имела место потеря дочернего изото-
па. После закрытия системы со временем начинается накопление дочернего
нуклида, пока не установится его равновесие с материнским нуклидом
(рис. 23, нижняя кривая). Избыток дочернего изотопа может возникнуть в
результате захвата в процессе нарушения дочернего вещества в избытке отно-
сительно равновесия, например тория (2MTh) без урана (234U) в глубоководных
осадках. В этом случае концентрация дочернего изотопа будет уменьшаться
вплоть до достижения уровня равновесия (рис. 23, верхняя кривая).
При датировании методом урановых серий используются измерения от-
ношений активности [D] / [7V] или отношений концентраций D/N пар до-
чери их/материнеких изотопов. Обычно анализ активностей или концентра-
ций изотопов не создает трудностей. Однако возрастные определения тре-
буют также, помимо существующих активностей, знания активностей (De(0)]
и [DJ или концентраций Dc(0) и Д, которые непосредственно могут быть
измерены лишь в редких случаях. Поэтому приходится прибегать к оценоч-
ным подходам и моделям. В этом и состоит одна из главных трудностей
метода датирования по урановым сериям, которые будут более детально об-
суждаться ниже, при описании отдельных методов датирования.
Другой слабой стороной датирования методом урановых серий являет-
ся требование к закрытости радиометрической системы на всем протяже-
нии всего времени после нарушения равновесия. Геохимические процес-
сы, которые приводят к нарушению равновесия, создающему предпосыл-
ки для датирования, часто продолжают воздействовать на систему и в даль-
нейшем. Например, потоки грунтовых вод, мигрирующие сквозь поры, могут
вызвать в погребенных костях вторичную мобилизацию материнских и до-
черних изотопов. Подобная неопределенность будет обсуждена более де-
тально ниже.
Методы анализа. Пары материнский/дочерний изотоп обычно анализи-
руются методами а-спектрометрии или масс-спектрометрии как отношение
активностей [D] / |/V] или распространенностей D/N соответственно. Гораз-
до реже применяется у-спектрометрия. Обобщенное описание можно найти
в сборниках Ивановича и Мюррея (Ivanovich and Murray, 1992) и Чена и др.
(Chen et al., 1992).
Датирование требует точного измерения содержания изотопов 2“U, 235U,
2яи, 23OTh, 228Th,231 Ра, 228Ra и 2,0РЬ. Основной интерес представляет не кон-
центрация этих изотопов, а их активности, поэтому измерение активнос-
тей является более предпочтительным. Поскольку все эти изотопы явля-
ются а-излучателями, стандартным является метод а-спектрометрии. Для
проведения «-спектрометрических анализов нужны подготовительные ла-
бораторные исследования. Для оценки различного выхода урана и тория к
Глава 4. Урановые ряды 107
анализируемой пробе добавляется спайк 232U-228Th. Измерения «-активно-
сти проводятся с помощью детектора с поверхностным барьером. Исследу-
емый образец и детектор помешаются в вакуумную камеру во избежание
потерь энергии частиц при столкновении с молекулами воздуха. При стол-
кновении с детектором «-частицы индуцируют в нем электронный сигнал,
пропорциональный их энергии, который после усиления, фиксируется мно-
гоканальным анализатором. Точность измерения зависит от скорости сче-
та, которая в свою очередь зависит от содержания урана, возраста, количе-
ства материала, доступного для анализа, и шумов в детекторе. Для дости-
жения точности в \% требуется 10000 отсчетов, на что могут потребовать-
ся часы, дни или недели.
з
CWS-F-1
КОРАЛЛ
4.89
T-1840°С
4.3x10^ АТОМОВ
230^
232ть
8.6Х104
ИОНОВ В СЕКУНДУ
ВЫКЛЮЧЕНИЕ
ЛУЧА
22*Th
1.4x10®
ИОНОВ
В СЕКУНДУ
2%h
1.2ХЮ3
ИОНОВ В СЕКУНДУ
УА
232 231 230
Массовый момер
229
Рис. 25. Спектр масс тория в коралле, имеющем возраст 845 лет. JMTh и IJ1Th
являются природными изотопами, добавлен э виде спайка. Мас-
штаб изотопов 22ГП1 и ,,JTh уменьшен. (Перепечатано с разрешения
Elsevier Science Ltd.; Edwards et ai., 1986, 1987.)
Термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS). TIMS представляет со-
бой значительно более чувствительный и точный метод обнаружения нук-
лидов, чем счет а-частин (Edwards et al., 1986, 1987). Вместо регистрации
моментов распада непосредственно измеряется содержание нуклидов. Кон-
центрация нуклида N связана с его активностью dN/dt. Очищенный образец
помещается в ионизационной камере на нагреваемый электрод и подверга-
ется термической ионизации. В твердофазном масс-спектрометре высокого
разрешения ионы разделяются по массам (рис. 25) и регистрируются чув-
108 Глава 4. Урановые ряды
ствительным детектором; при этом достижима высокая точность < 1%. Для
измерений достаточно весьма небольшого количества вещества, около 10 нг
на нуклид. Благодаря этим явным преимуществам можно ожидать, что масс-
спектрометрия будет все больше заменять а-спектрометрию в области дати-
рования методом урановых серий.
Гамма-спектрометрия. Гамма-спектрометрия также время от времени
используется для определения активностей нуклидов или некоторых корот-
коживущих дочерних изотопов, находящихся в равновесии (Reyss et al., 1978).
Ее преимущество состоит в том, что метод не приводит к разрушению мате-
риала, что очень важно для ценных образцов. Необработанный образец по-
мещается непосредственно в у-детектор. Основные сложности возникают
из-за геометрии образца, затухания сигнала и энергетического непостоян-
ства фона ^излучения, что создает максимальные трудности. Метод требует
достаточно высокого содержания урана и большого количества исходного
материала. Погрешности этого способа измерения могут быть достаточно
высоки (Latham, 1997). Для анализа некоторых радионуклидов и активнос-
тей использовались также нейтронно-активационный метод анализа и ме-
тод треков (Crawford et al., 1985; Kasuya and Ikeda, 1991).
4.1. Методы
4.1.1. Торий-230/уран-234
Среди различных методов датирования по урановым сериям наиболее часто
и успешно применяется метод торий-230/уран-234 (Barnes et al., 1956). Ме-
тод 2J0Th / 2WU применим к широкому спектру образцов, от морских карбо-
натов и пресноводных карбонатов кальция, костей, зубов, месторождений
торфа до вулканитов. Метод основан на избирательном захвате материнско-
го нуклида 234U при формировании материала, не сопровождающемся одно-
временным захватом радиоактивного дочернего изотопа 23OTh. Поскольку
карбонаты кальция осаждаются из морской воды (например, кораллы) или
из грунтовых вод (например, пещерные натеки и травертины), они при этом
в значительных количествах захватывают уран, который имеет относитель-
но высокую растворимость в воде, но не включают торий. В отличие от
карбонатов ископаемые кости, зубы и раковины моллюсков захватывают
уран из грунтовых вод главным образом после своего образования. Отсюда
бесспорно следует, что требование к закрытости системы в этих материалах
не соблюдается. Модель датирования торфяников исходит из предположе-
ния, что уран адсорбируется органическим веществом из грунтовых вод в
процессе образования торфа, в то время как после образования залегающие
сверху слои исключают дальнейший обмен между торфом и грунтовыми
водами.
Сложности, связанные с этим методом датирования, имеют различную
природу.
4.1. Методы 109
I. В момент своего захвата материнский изотоп 234U не обязательно нахо-
дился в равновесии со своим радиоактивным предшественником “U. Преж-
де всего, в наземных водах отношение 234U / 238U (см. метод 234U / 238U) может
значительно отклоняться от равновесного. Таким образом, необходимо знать
величину отношения 234U / и учитывать ее при расчете возрастов.
2. Требование отсутствия в осадке 2MTh в момент осаждения, диктуемое
моделью, часто не соблюдается. Торий, а следовательно, и изотоп 2MTh может
также попасть в осадок с обломочным материалом. Количество нежелаемого
контаминанта 230ТЪ учитывается и вычитается с помощью квазистабильного
изотопа 232Th, не связанного с урановым распадом. Если (“"Thl / [232Th] > 20,
контаминация торием незначительна и попрака не требуется. Подходящим,
но достаточно трудоемким методом установления и учета первичной конта-
минации 2MTh является анализ фракций, различающихся по химическим или
минералогическим свойствам, с последующим построением изохронной ди-
аграммы в координатах 23OTh/ 232Th - 234U/ 232Th (рис. 26).
3. Система может испытать вторичное открытие как следствие геохимичес-
кой подвижности урана. Возрастные определения по костям, зубам, раковинам
моллюсков и органическим осадкам в значительной степени могут быть затро-
нуты обменом урана с грунтовыми водами. Если известна математическая фун-
кция, описывающая поглощение урана во времени, возрасты могут быть опре-
делены и для открытых систем. К примеру, возможны различные модели зах-
вата урана в костях - ранний, линейный или поздний захват.
Рис. 26. Изохронная диаграмма в координатах ?MTh / M2Th - J,4U/ 2nTh для
образца контаминированного травертина из стоянки в Тата (Tata),
Венгрия. Пересечение прямой с осью 2WTh / 232Th представляет пер-
вичное отношение (2WTh / B2Th)0 в детритовом компоненте. Возраст
травертина, равный 99,4 ± 0,1 тыс. лет, вычислен из наклона прямой
(с разрешения из Nature; Schwarcz and Skoflek, 1982).
(Fl I 0 Глава 4. Урановые ряды
Вполне пригодны для датирования морские карбонаты кальция, прежде
всего кораллы и оолиты. Однако в случае датирования кораллов необходи-
мо предварительно убедиться, что перекристаллизация в системе арагонит-
кальцит, которая может открыть радиометрическую систему, не происходи-
ла. Менее пригодны для датирования раковины моллюсков, поскольку они
подвержены обмену ураном с окружающей средой. Преимущество следует
отдавать большим и плотным раковинам. Что касается наземных карбона-
тов, пещерных натеков и травертина, то, как было показано, они датируют-
ся хорошо, но часто наследуют детритовый торий. Также пригодны извест-
ковые туфы, мергели неорганического происхождения и пресноводные кар-
бонаты кальция. Определение возраста костей, в частности их наиболее по-
ристых частей, и зубов вследствие обмена ураном с грунтовыми водами со-
пряжено с определенными сложностями. С помощью масс-спектрометра были
определены значения 250Th / 234 L)-возраста образцов кальцита (каждый весом
30 мг) жилы Девиле Хоул (Devils Hole) в Неваде. Были получены возрасты
от 60 тыс. до 560 тыс. лет с погрешностью на уровне 2а лучше 1 тыс. лет
для самого молодого образца и 50 тыс. лет для самого древнего (Ludwig et
al., 1992). Полное согласие с возрастами, полученными из соотношения
у 238JJ для тех же кальцитов, демонстрирует закрытость U-Th-системы
в кальцитах, откладывавшихся ниже уровня воды. Эвапориты при ис-
пользовании образцов из одного и того же месторождения с различным
U-Th-отношением, также могут быть использованы для датирования ме-
тодом 23OTh / 2J4U в сочетании с изохронным методом (Phillips et al., 1993).
Датировка торфяников часто встречает трудности, связанные с присутстви-
ем детритового тория и подвижностью урана.
Возрастные пределы датирования при использовании для определе-
ния отношения 23OTh / 254U «-спектрометрии варьируют от нескольких тыс.
до 350 тыс. лет, при определении этого отношения методом TIMS - от 10
тыс. до 550 тыс. лет. Точность определения возраста уменьшается при умень-
шении содержания урана и увеличении возраста. Точность, которую удается
получить при масс-спектрометрическом датировании, в пять-десять раз выше,
а требуемый размер анализируемого образца на два или три порядка мень-
ше, чем при «-спектрометрическом анализе.
4.1.2. Урановые тренды
Часто радиометрическая система 2J0Th / 2MU в четвертичных осадках и по-
чвах не остается закрытой. Предпринимались попытки превратить эту отри-
цательную особенность в положительную и использовать для определения
возраста зависимость от времени изотопного фракционирования в откры-
той системе. Такой метод открытой системы, основанный на неравновесии
в 23’U-2J4U-23OTh, называется методом урановых трендов (Rosholt et al., 1966).
С помощью этого метода могут быть датированы осадки и почвы, у которых
имеются существенные колебания в минералогических, физических и хи-
4.1. Методы I
мических характеристиках и которые подвержены химическому обмену с
постоянным потоком воды (например, грунтовых вод). Обычно вода содер-
жит некоторое количество растворенного урана, дочерние продукты кото-
рого 234U и 2MTh адсорбируются осадками избирательно, т.е. в различной
степени в различных участках осадка в зависимости от физических свойств
и химического состава материала твердой матрицы. Адсорбция и радиоак-
тивный распад дают начало характерному развитию временного тренда изо-
топного распределения. Пары изотопов ([^Uj-p^U])/ [n’U| и ([23SL)|-P3aTh])/
PJ’U] для нескольких образцов (с различными характеристиками), принад-
лежащих единому осадочному образованию, представляются на диаграмме
U-трендов, на которой возраст вычисляется эмпирически. Сложная корре-
ляция требует калибровки по осадку известного возраста (Rosholt et а!., 1985;
Muhs et al., 1989). Этот метод датирования применялся к аллювиальным,
коллювиальным, а также морским осадкам, содержащим карбонатное веще-
ство, прибрежным террасам, лёссам и ледниковым осадкам возрастом вплоть
до 700 тыс. лет.
4.L3. Протактиний-231/уран-235
Протактиний является геохимическим аналогом тория, и, таким обра-
зом, принцип датирования этим методом (Sackett, I960) аналогичен ме-
тоду 23OTh / 234U. Когда карбонат кальция осаждается из морской или грунто-
вой воды, в него захватывается уран без протактиния и, следовательно, 231 Ра
находится в дефиците относительно его радиоактивного предшественника
235U. Возраст может быть рассчитан на основе роста отношения 23,Pa/23SU.
Трудности, которые были отмечены для датирования методом 23OTh / 234U,
имеют место и в данном случае, за исключением того, что величина активно-
сти отношения 23<U / 23JtU в образце не имеет отношения к этому методу
определения возраста. Временной интервал метода составляет от нескольких
до 150 тыс. лет. Этот метод применяется реже, чем метод 23OTh / 23*U, посколь-
ку, благодаря меньшей распространенности 235U (235U 123SU - 0,0073), нуклиды
235U-uenn распада, находясь в равновесии, обладают меньшей активностью
по сравнению с (|2J3U| / [23eUl = 0,046). Отсюда следует, что этот метод
требует более высоких концентраций урана (> 3 мкг/г). По существу, данный
метод применим к тем же веществам, что и метод 230Th / 234U. Достижение
совпадений по обоим методам указывает на правильность модельных подхо-
дов, поскольку протактиний очень чувствителен к диагенетическим наруше-
ниям системы (Hill, 1979). Метод231 Ра / 235U является важным дополнением к
методу 23()Th/234U. Комбинацией этих двух методов является метод 231 Ра / 230ТЪ
(Rosholt, 1957). Метод термоионизационной масс-спектрометрии был успеш-
но применен при датировании методом 231 Ра / 235 U кораллов Барбадоса и
кальцитов Девиле Хоул (Devils Hole) (Edwards et al., 1997). Помимо того, что
TIMS повышает точность более чем в десять раз по сравнению с методом
a-счета, он также расширяет датируемый интервал времени до 250 тыс. лет.
Глава 4. Урановые ряды
4.1.4. Уран-234/уран-238
Изотоп урана 234U, образующийся при а-распаде из 23JJU через 234Th, нахо-
дится в нарушенной при радиационном излучении за счет a-отдачи крис-
таллической решетке. Поэтому он слабее связан в решетке, чем его предше-
ственник, и, следовательно, более подвержен выщелачиванию при выветри-
вании. За счет этого отношение активностей 2MU / 238U в поверхностных
водах увеличивается, т.е. оно > 1, и достигает 12 (Kronfeld et al., 1994).
В современной океанической воде это отношение составляет 1,144 ± 0,004
(Chen et al., 1986) и несколько выше в морской воде возрастом 150 тыс. лет
(Bard et al., 1991). Как следствие этого, неорганические и биогенные продук-
ты осаждения из таких вод захватывают уран, обогащенный изотопом ^U.
При условии, что первичное отношение 2MU / 23SU известно и достаточно
высоко, уменьшение содержания избыточного изотопа 234 U позволяет опре-
делять возраст до 1 млн лет (Thurber, 1962). Для датирования этим методом
пригодны различные морские образцы, такие как фораминиферы, кораллы
и марганцевые конкреции. При этом следует обращать внимание на сохра-
нение закрытости системы, т.е. на то, что при перекристаллизации арагони-
та в кальцит она не была открыта. В отличие от морской воды отношение
первичных активностей 234U / 23*U в грунтовых водах не известно, что зат-
рудняет датирование пресноводных отложений вторичных известняков. Об-
разцы кальцитов из жилы Девиле Хоул в Неваде, изученные масс-спектро-
метрическим методом, дали 234U / 23*и-возрасты от 390 тыс. до 570 тыс. лет с
точностью на уровне 2<т в 20 тыс. лет. Первичное отношение 234 U / 2MU (2,7)
в этих образцах за длительный период их осаждения претерпело лишь не-
значительные изменения (Ludwig et al., 1992).
4.1.5. Избыточный торий-230 (ионий) и протактиний-231
Эти два метода основаны на осаждении 23OTh и 131 Ра из океанической воды и
их фиксации глубоководными осадками (Petterson, 1937; Sackett, 1960). Бла-
годаря долгому (400 тыс. лет) нахождению урана в океанической воде, ско-
рость образования изотопов 23OTh и 231 Ра является постоянной. Вследствие
того, что торий и протактиний нерастворимы, радиогенные нуклиды 23OTh и
231 Ра быстро адсорбируются осаждающимися частицами осадка и, таким об-
разом, оказываются включенными в глубоководные осадки. При этом они
представляют собой избыточные компоненты 230Th и 231 Ра, не поддержан-
ные материнскими нуклидами, и постепенно распадаются (рис. 24). Из этих
уменьшающихся во времени концентраций 230Th и 2,1 Ра должен быть выч-
тен контаминирующий компонент Dc, унаследованный детритовыми зерна-
ми. Предполагается, что первичные концентрации 230Th и 231 Ра, необходи-
мые для расчета возраста, остаются постоянными во времени, хотя это не
является очевидным, поскольку они зависят не только от скорости образо-
вания в объеме воды. Очевидно, что они зависят также от скорости седи-
4. /. Методы 113
ментации и содержания детритовой фракции в осадке. Включение тория в
осадок может быть оценено по концентрации 230Th (метод 2MTh / 232 Th), что,
однако, предполагает, что оба изотопа тория имеют одинаковое геохими-
ческое и седиментационное поведение. Поскольку избыток 2*Th и 231 Ра умень-
шается во времени, их содержание уменьшается в глубину по колонке осад-
ка. Это позволяет определять скорость осадкообразования, а также возраст
глубоководных осадков и марганцевых конкреций. Поскольку активность231 Ра
ниже, чем 230Th, он реже используется в датировании. Датируемый период
составляет 300 тыс. лет для 2XTh и 150 тыс. лет для 23,Ра. Точность определе-
ния от ± 10 до 20%. Точность определения возраста существенно зависит от
того, насколько полно соблюдаются принятая геохимическая и седиментаци-
онная модели. Метод датирования по совокупному избытку2,1 Ра/ 23OTh имеет
определенные преимущества (Sakett, 1960; Rosholt et al., 1961).
В молодых базальтах из активных зон срединных океанических хребтов
наблюдался избыток 23QTh (5-40%) и п,Ра (100-200%) относительно, соот-
ветственно, материнских нуклидов 23SU и 335U (Goldstein et al., 1993). Радио-
активное неравновесие возникло при частичном плавлении магмы. Если
исходить из того, что источник и процесс образования магмы остаются по
существу неизменными примерно в течение 100 тыс. лет и время суще-
ствования магмы до извержения мало (< 5 тыс. лет), отношения 230Th / 238U
и 23,Ра / 23SU могут быть использованы для датирования времени изверже-
ния базальтов.
4.1.6. Свинец-210
Короткоживущий изотоп 2l0Pb (/|/2 = 22,3 лет) образуется из изотопа благо-
родного газа 222Rn через серию исключительно короткоживущих промежу-
точных членов. 222Rn является продуктом распада радия и уходит с поверх-
ности Земли в атмосферу, где и распадается до 2,0РЬ. Время пребывания
2,0РЬ в тропосфере, прежде чем он захватывается осадками и включается в
осадочные породы на поверхности Земли, составляет дни и месяцы. Если
вклад осадков в определенном месте в течение нескольких полупериодов
полураспада остается постоянным, возраст и скорость отложения могут быть
выведены исходя из распада избыточного 2,0РЬ после вычитания поддержан-
ного радием компонента дегритуса (Goldbei^, 1963). Эта методика чаше при-
меняется для датирования ледников, кораллов, а также отложений эсту-
ариев, озер и торфяников, образованных в течение последних 150 лет (Appleby
and Oldfield, 1992). Точность определения возраста очень сильно зависит от
седиментологических и геохимических ограничений, связанных с первич-
ной активностью и закрытостью системы.
Объекты, содержащие свинец, могут быть также датированы методом
избыточного 2,0Pb (Keischet al., 1967). Часто содержат следы урана, находя-
щегося в равновесии с продуктами распада 222Rn и 2|0РЬ, свинцовые руды.
При выплавлении свинца из руд изотоп 2,0РЬ экстрагируется из руды вместе
114 Глава 4. Урановые ряды
с основным свинцом, в то время как материнские нуклиды не экстрагиру-
ются; вследствие этого выделенный свинец содержит неподдержанный 2|0РЬ,
который распадается в течение нескольких периодов полураспада. Актив-
ность 2,0РЬ может быть использована для различения древнего свинца (> 100
лет), который не радиоактивен, и активного современного свинца в поддел-
ках. Избыток 2,0РЬ в гидротермальных сульфидах, ассоциированных со сре-
динными океаническими хребтами, позволяет датировать время формиро-
вания руд.
4.1.7. Радий-226
Радий является геохимически подвижным элементом и сносится поверхно-
стными водами в океан. Там он обогащает фитопланктон, в первую очередь
диатомы, вследствие чего изотоп радия 226Ra (г1/2 = 1620 лет) не находится в
равновесии с радиоактивными предшественниками (Piggot and Urry, 1942).
Диатомы опускаются на океаническое дно, где уменьшение избыточного
226Ra во времени позволяет определять скорость осадконакопления при воз-
расте осадка < 90 тыс. лет. Главные неопределенности при этом связаны с
первоначальным содержанием и геохимическим фракционированием радия.
Общая активность 226Ra должна быть уменьшена на компонент 226Ra, под-
держанный 230Th в осадке. В большинстве морских осадков содержание 2WTh
уменьшается с глубиной, в то время как содержание 226Ra увеличивается до
достижения равновесия с 2WTh. В связи с этим максимум 2MRa находится в
глубинных областях. Это явление позволяет датировать бариты, которые
образуются в осадках и захватывают из поровых вод неподдержанный 226Ra
вместе с барием. Используя такой подход, была определена скорость осад-
кообразования (2-3 см за тысячу лет) голоценовых морских осадков эквато-
риальной части Тихого океана (Paytan et al., 1996). Магматические процессы
также вызывают фракционирование, что следует из избыточного отноше-
ния 226Ra / 2JSTh (100-400%) в современных базальтах Срединно-океаничес-
ких рифтовых зон, что и позволяет датировать современные вулканиты (Volpe
and Goldstein, 1993; Voltaggio et al., 1995).
4.1.8. Торий-228, радий-228
Этот метод основан на двух радионуклидах, принадлежащих ряду распада 2J2Th.
22*Th является дочерним изотопом 228Ra, его период полураспада составляет
1,9 года, т.е. радиоактивное равновесие достигается уже через 10-15 лет, огра-
ничивая временной интервал датирования этим коротким промежутком вре-
мени, поэтому только самые современные события могут быть датированы этим
методом. Подходящим материалом вследствие близости химических свойств
бария и радия являются образцы, обогащенные барием. В действительности
единственным подходящим для датирования объектом являются содержащие
барит гидротермальные курильщики в активных срединных океанических хребтах
4.2. Практические аспекты
(Reyes et al., 1995). Эти бариты содержат незначительное количество 232Th, так
что, по существу, весь 228Th происходит за счет избыточного 228Ra.
4.1.9. Свинец-206, -207, -208/уран, торий
Помимо использования неравновесия в рядах распада урана и тория, для
датирования использовалось также накопление конечных, стабильных про-
дуктов распада — изотопов свинца 2О6РЬ, М7РЬ, 208РЬ четвертичных пород.
Этот метод известен как U-Th-Pb-метод (Getty and DePaolo, 1995). Метод
основан на распаде 238U, 23SU и 232Th которые в конце концов, через серию
соответствующих рядов распада превращаются в соответствующие указан-
ные изотопы свинца. Метод принадлежит к классическим геохронологичес-
ким методам, позволяющим датировать события вплоть до образования Зем-
ли, 4560 млн лет назад. Основная трудность применения этого метода к
возрастам менее 2 млн лет состоит в обнаружении незначительных коли-
честв радиогенного свинца на фоне масс-фракционирования этого элемен-
та при масс-спектрометрическом анализе его изотопного состава термоио-
низационным методом. Это затруднение разрешается специальной проце-
дурой коррекции. Другая неопределенность вносится возможным отсут-
ствием равновесия в ряду распада, но она представляется не столь важной
ввиду достижимого разрешения. U-Th-Pb-метод был успешно опробован
на риолитах Альдер-Крик (Alder Creek) горного массива Кобб (Cobb), Ка-
лифорния. При анализе альбита, санидина, ильменита и основной массы
был получен изохронный возраст в 1,03 ± 0,10 млн лет, согласующийся с
К-Аг-данными (Getty and DePaulo. 1995).
4.2. Практические аспекты
Радиоактивные системы, которые лежат в основе методов датирования ура-
новых серий, чувствительны к седиментационным, диагенетическим и гео-
химическим процессам. Поэтому понимание этих процессов и правильный
отбор материала являются главным условием для получения надежных гео-
логически значимых возрастов. В общем случае при выборе образцов для
анализа должны учитываться все перечисленные ниже аспекты.
I. Нуклиды, используемые для определения возраста осадков, обычно
состоят из двух компонентов: аутогенного с нарушенным равновесием и
нежелательного, чужеродного (детритового). В отобранном образце должен
максимально преобладать аутогенный компонент (например, это не должен
быть известковый натек, контаминированный глиной).
2. Образец должен быть компактен и максимально недоступен грунто-
вым водам, в противном случае существует риск существования открытой
системы для обмена урана и тория (например, пористые кости должны быть
исключены). Только в случае датирования методом урановых трендов от-
крытое поведение системы предпочтительно.
(^^6 Глава 4. Урановые ряды
3. Необходимо избегать использования образцов со следами диагенети-
ческих изменений или выветривания, поскольку это указывает на откры-
тость системы (так, из-за опасности мобилизации урана первичный араго-
нитовый материал не должен быть перекристаллизован в кальцит).
Информация относительно распространенности урана и размеров об-
разцов для отдельных веществ дана в разд. 4.3.
Метод а-спектрометрии требует предварительного отделения урана и
тория от породы, а также друг от друга, для чего образец необходимо полно-
стью растворить, провести очистку и хроматографическое разделение на
ионно-обменных колонках (Lally, 1992). Подготовительная процедура варь-
ируется в деталях в зависимости от состава вещества. Для определения вы-
хода нуклида в процессе разделения и измерений к раствору образца добав-
ляется так называемые спайки - это точно известные количества искусст-
венных радионуклидов, таких как 232U и 2’*Th. Для того чтобы оценить чуже-
родную контаминацию ураном и торием, нерастворимый осадок, который в
случае карбонатов может представлять собой детритовые силикаты, обраба-
тывается отдельно. U и Th наносятся выпариванием или электролитичес-
ким способом на поверхность дисков из высококачественной стали или пла-
тины, при этом чтобы избежать потери энергии я-частиц, слои должны быть
очень тонкими. Способ подготовки образца для метода TIMS аналогичен,
но для его проведения необходимо гораздо меньше вещества (10 нг выде-
ленных и очищенных нуклидов). Метод TIMS значительно лучше счета
а-частиц благодаря большой чувствительности и точности определения, со-
ставляющей менее 1%.
4.3. Применение
Глубоководные осадки. Осадочные образования дна океана состоят из терри-
генного детритуса и биогенного океанического компонента. Различные нук-
лиды в осадках ведут себя по-разному. Геологически зрелый детритус нахо-
дится в радиоактивном равновесии, а унаследованные им концентрации 238U,
21SU, 23OTh, 232Th и 23$Pa имеют чужеродное происхождение, т.е. не связанное
с геохимическим циклом в океане. За время нахождения во взвешенном
состоянии мелкозернистые частицы дополнительно адсорбируют аутоген-
ные, т.е. заимствованные из океанической воды, компоненты 230Th и 231 Ра. В
отличие от растворимого урана, время пребывания которого в океанической
воде -400 тыс. лет, торий и протактиний прочно привязаны к твердым час-
тицам; таким образом, дочерние изотопы урана 2MTh и 231 Ра достаточно бы-
стро осаждаются (-10 лет) и в адсорбированном виде осаждаются в глинис-
тых частицах на океаническое дно. Они приводят к избытку в глубоковод-
ных осадках 23aTh и 23|Ра, не поддержанному материнскими нуклидами, и
распадаются со временем до достижения уровня равновесия в осадках.
С другой стороны, биогенные карбонаты глубоководных осадков характери-
зуются дефицитом 230Th и 231 Ра. В процессе формирования раковин планк-
4.3. Применение 117
тонных фораминифер их известковые раковины захватывают уран, но никог-
да не включают торий или протактиний. После отмирания раковины медлен-
но опускаются на дно и входят в состав пелагических осадков. Содержание
2MTh и 231 Ра в этих ископаемых фораминиферах постоянно увеличивается до
достижения равновесия с материнскими изотопами урана. Оба типа наруше-
ния равновесия, как избыток, так и дефицит дочерних продуктов, могут на-
блюдаться в осадках в непосредственной близости друг от друга, создавая
сложную временную функцию величины отношения дочернего и материнс-
кого изотопов (рис. 24). В случае, если удается их идентифицировать, они оба
могут быть использованы для датирования глубоководных отложений.
-1,0
Рис. 27. Сравнение вариа-
ций 5*4) и активности 2КГП1
вдоль колонки глубоковод-
ных осадков Индийского
оксана. Профиль 2WTh по
глубине демонстрирует по-
стоянство скорости седи-
ментации. равной 6,1 мм/
тыс. лет в течение после-
дних 300 тыс. лет (Mangini,
1986).
Неизвестковый компонент осадков датируется по избытку изотопов 23OTh
и 231 Ра, для чего требуется 0,5 г глубоководных осадков (Broecker and Van
Donk, 1970; Ku, 1976). Первичная активность определяется исходя из предпо-
ложения о постоянстве скорости образования нуклидов и осадкообразова-
ния. В колонке осадка скорость и возраст отложения могут быть выведены из
уменьшения активности с глубиной (рис. 27), используя как концентрации
нуклидов, так и отношение 23OTh / 23,Ра. По 23OTh и 231 Ра были получены значе-
ния возраста соответственно вплоть до 300 тыс. и 150 тыс. лет. Эти возрасты
сыграли важную роль при временной калибровке построенной по форамини-
118 Глава 4. Урановые ряды
ферам кривой изотопного состава кислорода для одних и тех же колонок
осадков. Постоянная скорость осадкообразования нарушается в результате
эрозии и переотложения глубоководных осадков, что следует из примера, при-
веденного на рис. 27. В случае, если подобное нарушение произошло одно-
временно в нескольких глубоководных колонках, это даст дополнительную
информацию об изменениях глубоководной циркуляции, отражающей кли-
матические изменения. Оба метода применяются также для определения ско-
рости роста марганцевых конкреций (Ku and Broecker, 1967). Избыточное
содержание U0Th и 2,1 Ра в них дает возможность определять скорости роста от
0,001 до 1 мм/тыс. лет (см. разд. 5,3.3). Эйзенхауер и др. (Eisenhauer et al.,
1992), применив к марганцевым коркам Тихого океана анализ 2ХГП1 высокого
разрешения, показали, что скорости их роста зависят от климата: в теплые
периоды корка растет быстрее, чем в холодные (рис. 28).
Рис. 28. Зависимость ско-
рости роста марганцевых
корок Тихого океана от
глубины от их поверхнос-
ти (верхняя диаграмма) и
возраста (нижняя диаг-
рамма). Анализ 230Th вы-
сокого разрешения (0,2
мм) показал, что рост их
связан с межледниковым
периодом (а именно со
стадиями 5 и I по иО/,6О).
Во время периодов оледе-
нения (стадии 8 и 6 по |(|О/
,6О) рост корок прекраща-
ется (с разрешения Elsevier
Science Ltd.; Eisenhauer et
al., 1992).
Биогенный известковый компонент глубоководных осадков может быть
датирован по дефициту 23OTh и 231 Ра. Преобладающие планктонные форами-
ниферы Globigerina сохраняют в известковой раковине изотопный состав
4.3. Применение
кислорода океанической воды и, таким образом, показывают изменение объема
льда в четвертичном периоде (разд. 10.2.2). Отсюда следует желательность
датирования отложений фораминифер. Однако датирование фораминифер
на основе увеличения отношений 23OTh / 234U и 231 Ра / 235U затруднено низки-
ми содержаниями урана 0,1 мкг/г (Henderson and O’Nions, 1995). Развиваю-
щиеся на мелководье и на коралловых рифах водоросли образуют тонкозер-
нистый арагонит с солержанияем урана значительно более высоким, чем было
в фораминиферах, но близким и даже несколько выше, чем в кораллах. Эти
зерна арагонита сносятся со склонов и осаждаются на дне океана вместе с
другими компонентами осадков, в частности с фораминиферами. Благода-
ря относительно высокому содержанию урана и низкому содержанию дет-
ритового тория, этот арагонитовый материал хорошо подходит для датиро-
вания 23OTh / 234U-методом с использованием TIMS (Slowey et al., 1996).
В работе приводятся полученные таким способом возрасты арагонита, а
также данные по изотопному составу кислорода в керне, взятом с хребта,
протягивающегося вдоль склона Малого побережья Багам (Little Bahama
Bank). Для последнего межледникового периода авторы получили возраст
в 120-127 тыс. лет и 189-190 тыс. лет для поздней стадии предпоследнего
межледникового периода.
Кораллы. Кораллы создают известковые (арагонитовые) скелеты из океа-
нической воды, обычно содержащей уран на уровне 2-3 мкг/г, но не содер-
жащей торий и протактиний. Их первичные отношения 23OTh / 23*U порядка
I0’6 эквивалентны возрасту в 8 лет (Eisenhauer et al., 1993). После образова-
ния кальцита карбонат кораллов практически выводится из химического об-
мена. Однако в гумидных условиях арагонит склонен к перекристаллизации в
кальцит. В этом случае система может оказаться открытой, ограничивая воз-
можность определения возраста. Для датирования чаще используется отно-
шение 23OTh / 2MU, в то время как отношения 23flTh / 23*U и 231 Ра / 235 U приме-
няются значительно реже. Для измерения возраста методом TIMS достаточно
0,5-3 г образца, в то время как для «-спектрометрического анализа требуется
по крайней мере 2 г. Надежные возрастные данные по отношениям 230Tli / 234 U
и 23,Ра / 235U, измеренным методом TIMS, с точностью в несколько процен-
тов на уровне 2<у были получены для кораллов вплоть до возраста в 200 тыс.
лет. Ограничивающим фактором для датирования более древних кораллов
является возможная мобилизация урана и тория, а также вариации отноше-
ния 2MU / 2MU в морской воде (Bard et al., 1991; Hamelin et al., 1991; Henderson
et al., 1993). Высокое разрешение при датировании кораллов позволяет как
проводить корреляции колебаний уровня моря с циклами солнечной инсоля-
ции Миланковича (разд. 10.2), так и продлить в прошлое калибровочную
кривую |4С (Bard et al., 19906,1992; см. разд. 5.4.1).
Начиная с первых измерений методом урановых серий возраста корал-
лов Барбадоса (Mesollela et al., 1969), этот остров в Вест-Индии стал класси-
ческим полигоном для исследования эвстатических изменений уровня моря
Глава 4. Урановые ряды
в прошлом. Поскольку современный уровень моря представляет собой наи-
более высокую для межледникового периода отметку, можно найти корал-
лы, отвечающие уровню моря, который был в прошлом ниже на 100 м.
Однако одновременно с опусканием дна происходил тектонический подъем
острова. В связи с этим древний уровень моря находится в данном случае
выше современного. Изучение отношений 230Th / i34U и 251 Ра / BSU на Барба-
досе показало, что в течение последних 200 тыс. лет уровень моря достигал
максимума 195 тыс., 125 тыс., 105 тыс., а также 85 тыс. лет назад (Bard et al.,
1990а; Edwards et al., 1997). Минимальный уровень моря (на 118 м ниже
современного) достигался 19 тыс. лет назад во время максимума оледене-
ния. Помимо этого, точное датирование по отношению 2MTh/ 2J4U методом
TIMS кораллов острова Самба (Sumba), Индонезия, свидетельствует о вы-
соком стоянии уровня моря за последние 350 тыс. лет (Bard et al., 1996а).
Во время последнего отступления ледника 19-18 тыс. лет назад уровень
моря снова начал подниматься в связи с двумя пиками таяния ледников
13 тыс. и 11 тыс. лет назад (рис. 29). Эти данные были получены при дати-
ровании методом урановых серий на TIMS и УМС |4С-методом для корал-
ловых рифов из наиболее тектонически стабильных областей Новой Гвинеи
(Edwards et al., 1993) и Таити (Bard et a)., 1996b). Эволюция уровня моря в
голоцене изучалась на коралловых рифах Аброльхос (Abrolhos) в Западной
Австралии (Eisenhauer et al., 1993). Жу и др. (Zhu et al., 1993) удалось пока-
зать с помощью высокопрецизионных TIMS-данных для этих кораллов, что
максимальный уровень моря в последнем межледниковом периоде сохра-
нялся в интервале 134-116 тыс. лет назад.
При сравнении возрастов, полученных методами 23OTh / 234U и |4С-корал-
лов Новой Гвинеи Эдвардс и др. (Edwards el al., 1993) наблюдали системати-
ческие различия в зависимости от глубины отбора керна (рис. 29). Для об-
разцов, взятых с самой большой глубины, полученные методом |4С значения
возраста на 2 тыс. лет моложе. В интервале от 12 тыс. до 11 тыс. лет (возраст
по 2MTh) это различие в возрасте уменьшается до I тыс. лет. Уменьшающа-
яся разница в возрасте отражает быстрое и резкое уменьшение содержания
,4С в атмосфере (на 15%) и попадает на период медленного подъема уровня
моря. Эдвардс и др. (Edwards et al., 1993) причинно связывают эти явления:
в связи с похолоданием климата в период позднего дриаса таяние леднико-
вых шапок замедлилось, как следствие этого, рост уровня моря проходил
медленнее и при этом увеличивалась соленость океанической воды, следо-
вательно, усиливалась глубоководная циркуляция. При этом воды с глуби-
ны поступали к поверхности, высвобождая в атмосферу древний СО,, сво-
бодный от ,4С.
Морские фосфориты. В процессе образования апатита фосфориты обога-
щаются ураном. При этом содержание недостающих дочерних изотопов 23OTh
и 231 Ра постепенно увеличивается до установления радиоактивного равнове-
сия (Burnett and Veeh, 1992). Отношение 234U / 238U может быть также ис-
4.3. Применение
пользовано для определения возраста. Как было показано О'Брайеном (O’Brien
et al., 1986) для средне- и верхнеплейстоценовых фосфоритов Восточно-Авст-
ралийского континентального шельфа риск возможного открытия геохи-
мической системы апатита может быть исключен, если получаются соответ-
ствия возрастов по отношениям 234U / 238U, 2MTh/ 234U и 23,Ра / 235U.
Рис. 29. Возраст кораллов Новой Гвинеи, определенный методом ^Th / 2MU
и традиционным ,4С-методом. в зависимости от глубины скважины,
изображенной как уровень ископаемого моря. Ширина символов соот-
ветствует ошибкам на уровне 2<т. Кривая возрастов по ,xTh отслежива-
ет польем уровня моря (с разрешения Science; Edwards ct al., 1993).
Вторичные карбонаты. При кристаллизации вторичных карбонатов они
захватывают около 0,1—1 мкг/г урана, но почти не включают торий. После
кристаллизации система остается геохимически закрытой и начинает уста-
навливаться радиоактивное равновесие; таким образом, к ним может быть
применен метод 230Th/ 234U и, реже (из-за низкого содержания урана), метод
231 Ра / a$U. Методологические проблемы возникают из-за первичного 23OTh,
входящего в ториевый контаминант вместе с кластической компонентой
осадка и непостоянной величиной отношения 234U / 238U в грунтовых водах.
Для пористых вторичных карбонатов существует риск вторичной мобилиза-
ции урана. Точность измерения возраста при «-спектрометрическом анализе
обычно составляет 5-10%, при масс-спектрометрическом исследовании - 1%
или лучше.
При отборе образцов предпочтение должно быть отдано белым и про-
зрачным карбонатам по сравнению с карбонатами коричневатой и грязной
Глава 4. Урановые ряды
окраски, поскольку последние контаминированы детритовым компонентом.
Из-за послойного отложения карбонатов, что находит отражение в радиаль-
ном росте сталактитов и сталагмитов (см. рис. 7), возрасты даже близко
расположенных натечных образований могут сильно различаться. Это явле-
ние должно учитываться при отборе образцов. Небольшие образцы (< 1 г),
достаточные для масс-спектрометрического анализа, позволяют проводить
отбор образцов с интервалом в 1 мм, соответствующим 10—40 годам (Dorale
el al., 1992), что приводит к улучшению временного разрешения. Большие
образцы в 10-20 г, необходимые для «-спектрометрического анализа, как
правило, не дают подобного разрешения. Используя высокоточные анализы
на TIMS Бейкер и др. (Baker el al., 1993b) смогли реконструировать годовые
ритмы роста голоценовых сталактитов. Годовые слои роста имеют толщину
в 0,05 мм и видны во флуоресцентном микроскопе. Толщина слоев и интен-
сивность флюоресценции, по аналогии с годовыми кольцами на деревьях,
может, вероятно, дать ценную палеоклиматическую информацию.
Рис. 30. Изохрона в координатах
гэоТЪ / n2Th - 3MU / (возраст
51 ± 3 года) известковой натечной
корки на черепе неандертальского
человека из пещеры Гуагггари в Цен-
тральной Италии. Различные фрак*
ции были получены с помощью
предварительного выщелачивания.
(Перепечатано с разрешения Elsevier
Science Ltd., из Schwarcz, 19X9.)
234U/232Th
При интерпретации возрастов должны учитываться пространственное и
временное соотношение между натечными образцами и интерес, вызван-
ный данной находкой. Так, натечная корка, прикрепленная к поверхности
кости, определяет не возраст кости, а только нижний возрастной предел
(terminus ante quern) ее отложения, в то время как ближайший к кости слой
корки дает значение, наиболее близко соответствующее ее возрасту. С дру-
гой стороны, фрагмент сталактита, оторвавшийся от потолка пещеры и по-
павший в осадок, определяет только максимальный возраст (terminus post
quern) заключающих его осадков. Осложнения, связанные с соотношением
между датированным образцом и объектом, возраст которого желательно
определить, возникли при датировании знаменитого черепа гоминида из
Петралонской пещеры (Petralona cave), расположенной на севере греческого
Халкидского полуострова (Chalkidiki). Этот череп предположительно явля-
ется переходным между Homo erectus и неандертальцем. Противоречивые
4.3. Применение 123 Jj)
оценки его возраста варьировались в диапазоне от 700 тыс. до 160 тыс. лет.
Этот череп был обнаружен прикрепленным к пещере коричневатой извест-
ковой коркой. Вростки цементирующего вещества в черепе были датирова-
ны методом ЭСР- 198 ±40 тыс. лет (Henning et al., 1981; разд. 7.3.3), однако
имеющегося материала было недостаточно для «-спектрометрического ана-
лиза методом 23OTh / 234U. На основании анализа примесных элементов была
доказана одновозрастность инкрустации черепа и формирования верхнего
слоя многослойной кальцитовой корки на дне пещеры. Датирование трех
слоев корки было проведено методом 230Th/ 234U (Latham and Schwarcz,
1992). Верхний слой дал возраст 160 ± 27 тыс. лет, средний и нижний слои —
более 350 тысяч лет каждый. Возраст, полученный методом 2MTh/ 234U, нахо-
дится в хорошем согласии с возрастом, определенным методом ЭСР. На на-
стоящее время, исходя из этих определений, минимальный возраст петралон-
ского черепа может быть принят равным 160-200 тыс. лет. При датировании
петралонского черепа методом И0ТЬ / 234U была внесена поправка на присут-
ствие предполагаемого детритового 230Th. Применение изохронного метода в
координатах 23OTh / 232Th - 2MU / 232Th позволяет определить первичное отно-
шение 23OTh /232Th, что приводит к более высокой точности измеренных воз-
растов. Шварц (Schwarcz, 1989) использовал эту технику для датирования на-
течной корки на черепе классического неандертальского человека из пещеры
Гуаттари (Grotta Guattari) Монте-Цирцео (Monte Circeo), Центральная Ита-
лия. Инкрустация на черепе состоит из более яркого внутреннего и темно-
коричневого внешнего слоев. Внешний слой дал возраст в 16 тыс. лет. Для
нескольких образцов внутреннего слоя, контаминированных детритовой ком-
понентой с различным отношением Th-U, была предварительно проведена
процедура фракционного выщелачивания, после чего был проведен анализ.
Из наклона прямой линии (изохроны), проведенной через эксперименталь-
ные точки на диаграмме в координатах 23OTh / 232Th - 234U / 232Th, был вычис-
лен возраст в 51 ± 3 тыс. лет (рис. 30). Этот возраст согласуется с возрастом,
полученным методом ЭСР для зубов млекопитающих (Grun and Stringer, 1991).
Для извлечения палеоклиматической информации из натечных образований
Бейкер и др. (Baker et al., 1993а) собрали более 500 230Th/ 234Ц-данных для
образцов из Западной и Северной Европы, охватывающих возрастной ин-
тервал от 20 тыс. до 150 тыс. лет. Частота распределения возрастов (рис. 31)
отражает периоды повышенной температуры и влажности.
В качестве примера датирования травертинов методом 230Th / 2J4U заслу-
живают упоминания профили Тюрингии - Веймар-Эринсдорф (Weimar-
Ehringsdori) и Бильцингслебен (Bilzingsleben) с важными находками гомини-
дов (Brunnacker et al., 1983). Эти стоянки упоминались также в связи с дати-
рованием методом ЭСР (разд. 7.3.3). Данные 23OTh / 234Ц-метода показывают,
что комплекс травертинов Веймар-Эринсдорф (рис. 32) образовался в ходе
двух эпизодов: нижний травертин с останками донеандертальского человека
откладывался в течение предпоследнего межледникового периода 200 тыс.
лет назад, а верхний травертин сформировался в течение последнего межлед-
124 Глава 4. Урановые ряды
никового периода 120 тыс. лет назад (Blackwell and Schwarcz, 1986). 230Th/
анализ нижнего травертина методом TIMS дал изохронный возраст 24б~279
тыс. лет (Frank, 1996). Отложения среднеплейстоценовых травертинов в Биль-
цингслебене содержат ранние останки гоминид и артефакты раннего палео-
лита. Общего согласия относительно классификации этих гоминидных ос-
танков (Homo erectus или Homo sapiens} не существует. Именно поэтому такое
большое значение придается их абсолютному датированию. Недавние резуль-
таты определения возраста травертинов Бильцингслебена 2MTh/ 234U-методом
(рис. 33) близки или находятся даже за верхним пределом этого метода, рав-
ным 350 тыс. лет (Schwarcz et al., 1988). Этот возраст рассматривается как
минимальный возраст образования травертинов, а из величины отношения
2MTh / 2MU (1,29 ± 0,10) их максимальный возраст устанавливается на уровне
440 ± 130 тыс. лет. Возраст, полученный методом ЭСР (400 тыс. лет), также
попадает в этот временной интервал; таким образом, временной период обра-
зования травертинов Бильцингслебена, по крайней мере, коррелируется с
9-й стадией изменения 3**0, но скорее со стадиями 11 или даже 13.
Озерные карбонаты. Отложение известковистых карбонатов в озерах мо-
жет быть датировано по изотопным отношениям 2MTh/ 2MU и ^‘Ра / 235U,
если карбонаты унаследовали уран без захвата тория и протактиния и если
после отложения эти элементы не испытали химического обмена. Главным
затруднением обычно является присутствие в озерных осадках кластическо-
го компонента (Lin et al., 1996). Для того чтобы уменьшить контаминацию
23OTh и, если необходимо, внести на нее поправку, проводится предвари-
тельная процедура механической и химической сепарации, а также, для изох-
ронной интерпретации, серийный анализ (Kaufman, 1993). Примером тако-
го подхода может служить изучение раскопок палеолита с ашельскими ору-
диями труда отложений Пан (Pan) в Руидаме (Rooidam), Южная Африка
(Szabo and Butzer, 1979). Хотя для них и были получены стыкующиеся зна-
чения возраста по 2MTh / 234U и 231 Ра / 235U, результаты находятся в противо-
речии с данными стратиграфии, что связано с перекристаллизацией араго-
нита, протекающей одновременно с вторичным открытием системы. С дру-
гой стороны, для эвапоритов плайевых осадков бассейна Квайдам (Qaidam)
в Центральной Азии (Phillips et al., 1993) были получены согласующиеся
23OTh / ^Ы-значения возраста. Существуют примеры успешного датирования
методом 2JnTh / 234U диагенетических минералов в озерных осадках, что де-
монстрируют исследования карбонатов, цеолитов и фосфатов озера Магзди
(Magadi) Восточно-Африканского разлома (Goetz and Hillair-Marcel, 1992).
Каличе и калькрет. При образовании этих вторичных карбонатов уран
входит в их состав охотнее тория, что позволяет применить метод датирова-
ния 230Th/D4U (Ku et al., 1979). Датирование подобных педогенных карбона-
тов в почвах Калифорнии было проведено, например, Кнауссом (Knauss,
1981). Высокое содержание детритовой компоненты в почвах создает необ-
4.3. Применение
ходимость введения поправок на первичный 23OTh. Для влажных почв возни-
кают дополнительные сложности из-за геохимического обмена и постоян-
ной перекристаллизации карбонатов.
Возраст (тыс лет)
Рис. 31. Частота распространения известковых натеков в Западной и Северной
Европе согласно данным по 2MTh / 234U в интервале возрастов 20-150
тыс. лет (по Baker et al., 1993а). Частота распространения демонстриру-
ет четкую корреляцию с климатическими изменениями (температура,
осадкообразование) в течение последнего периода оледенения.
Раковины моллюсков. В период роста кальцитовых или арагонитовых ра-
ковин моллюсков в них попадает весьма малое количество урана (0,1 мкг/г).
Главное обогащение ураном происходит уже post-mortem. Это приводит к
дефициту радиоактивных дочерних изотопов 23OTh и 2ЛРа и, как следствие,
делает этот материал пригодным для датирования методами 23OTh / 234U и
126 Глава 4. Урановые ряды
231 Ра / 235U. Однако требование к закрытости системы оказывается часто нару-
шено из-за вхождения вторичного урана после захоронения раковин. Тем не
менее, если удается учесть время обогащения ураном, датирование в принци-
пе может быть проведено. В зависимости от выбранной модели обогащения
ураном - раннего, линейного или позднего, для одних и тех же отношений
материнский/дочерний изотоп будут получены систематически низкие, сред-
ние или высокие значения возраста. Если наблюдается перекристаллизация
арагонита, возможна мобилизация урана и тория. Это требует осторожности
при использовании возрастов, полученных для раковин моллюсков метода-
ми урановых серий. Ошибки, связанные с открытием систем, могут быть в
основном учтены, если получены согласующиеся возрасты по отношениям
230Th / 2Я0 и 231 Ра / 235U. Рекомендуется также одновременно применять неза-
висимые методы датирования, такие как |4С, ЭСР и метод рацемизации.
Стадии, выделенные по изотопам кислорода
12 3 k 5 6 7 8 9 10 11
верхний травертин
горизонт Паризер
нижний травертин
О ЮО 200 300 Возраст (тыс. лет}
Рис. 32. Полученные по урановым сериям и методом ЭСР значения возраста
травертина из района Веймар-Эринсдорф, Центральная Германия
(Gendin and Stringer. 1991); треугольники - ЭСР-значения возраста;
квадраты - возраст по урановым сериям (Brunnackeret al.. 1983); круж-
ки - возраст по урановым сериям (Blackwell and Schwarcz, 1986).
Этим методом датировались как морские, так и пресноводные ракови-
ны моллюсков. Примером использования метода является датирование ис-
копаемых раковин с террасы калифорнийского побережья Тихого океана в
Санта- Круз (Santa Cruz). Применение рентгено-дифракционного метода по-
казало, что раковины содержат до 97% арагонита, что исключает возможную
перекристаллизацию. Содержание урана в ископаемых раковинах превышает
его содержание в современных раковинах в 10—20 раз, что указывает на захват
урана. Отдельные раковины были датированы обоими методами, 230Th/ 234U и
131 Ра / 23$U (Szabo, 1980). Несмотря на совпадение возрастов, полученных дву-
мя методами, данные для района Ано-Нуэво-Поинт (Ano Nuevo Point) (22 ± 3
тыс. и 19 ± 2 тыс. лет) не могут быть приняты с геологической точки зрения,
хотя причины занижения значений возраста остаются неясными. Для боль-
шой неконтаминированной раковины моллюска голоценового межледнико-
вого периода методом 23OTh / 234U был получен возраст между 350 тыс. и < 370
тыс. лет, подтвержденный методом ЭСР (Samthein et al., 1986).
х ______ -- Brunnacker et al.
5 ^7 (1983)
1.................2^1—
U-серии
ЭСР
o-
o----------------•
средние величины
для зубов 0 *
—|----------1----------1---------1--------r-
100 200 300 400 500
—I
600
Возраст (тыс лет)
Рис. 33. Возраст травертина, определенный по урановым сериям, и возраст
травертина и эмали зубов из Бильцингслебена, Центральная Герма-
ния, определенный методом ЭСР (Schwarcz et al.. 1988); открытые и
залитые круги - ЭСР-значения возраста соответственно для моделей
раннего или линейного вхождения урана в ткань зубов.
Кости и зубы. Такие же или даже большие сложности, чем при датирова-
нии раковин моллюсков, возникают в связи с применением метода урано-
128 Глава 4. Урановые ряды
вых серий к ископаемым костям и зубам. В ходе сложных диагенетических
процессов погребенные кости захватывают уран (Millard and Hedges, 1995).
Определение времени захвата урана является критичным для оценки возра-
ста. Пористый компонент костей особенно склонен к адсорбции урана из
грунтовых вод. До тех пор пока точная временная эволюция захваченного
урана остается неизвестной, точность возрастного определения зависит от
принятой модели. В большинстве случаев предпочтение отдается модели
относительно быстрого роста концентрации урана до состояния насыщения
(модель раннего захвата). Кроме того, радиогенные дочерние изотопы могут
выщелачиваться в процессе химического обмена с грунтовыми водами, что
вызывает дополнительные сложности при датировании. Требуемое количе-
ство вещества составляет 10-20 г.
Если кости получены из сухих осадков, представляющих собой геохими-
чески и биологически неактивную среду, существует большая вероятность
получения достоверных 23ОТЬ / ^О-возрастов, что было продемонстрирова-
но для костей позвоночных верхнего плейстоцена из пещеры Литл-Холи
(Little Holy Cave) в Уэльсе (Rae et al., 1987). Средний возраст по 23OTh/ 3MU
составил 16,5 ± 1,4 тыс. лет, что приблизительно сравнимо с ,4С-возрастом
и возрастом рацемизации, полученными для тех же костей. Как и в случае
раковин моллюсков, возраст, полученный по отношению 23OTh / XMU, следует
контролировать, используя отношение 231 Ра / ”5U, что было продемонстриро-
вано на примере фауны среднего плейстоцена для нижнепалеолитных стоянок
Корнелия (Cornelia) в Южной Африке (возраст по 23OTh / составил 290
(+100, -40) тыс. лет, а по 23,Ра / 235U < 150 тыс. лет) (Szabo, 1979). Для Восточ-
ных Альп Лейтнер-Уайльд и Стефан (Leitner-Wild and Steflan, 1993) смогли
получить соответствующие значения возраста ископаемых костей пещерных
медведей позднего оледенения по отношениям 2WTh / 234U и 231 Ра / 235U, под-
твержденные методом |4С.
Мак-Деннот и др. (McDennott et al., 1993) с помощью масс-спектро-
метрического анализа соотношения 23OTh / 234U в зубах млекопитающих,
найденных на среднеплейстоценовых стоянках Табун, Квафзех и Скхул
(Tabun, Qafzeh, Skhul), Израиль, подтвердили одновременность существо-
вания анатомически современного человека (Homo sapiens sapiens) в Леван-
те ранее 100 ± 5 тыс. лет назад одновременно с неандертальским челове-
ком. Эти данные подтвердили ранее полученные, но менее точные значе-
ния возраста, полученные ТЛ-методом для обожженного флинта и мето-
дом ЭСР для зубов (см. разд. 7.1.3 и 7.3.3 соответственно). Анализы были
выполнены для механически разделенных подобразцов дентина и эмали из
одного и того же зуба весом 50-100 мг. Следует отметить, что возрастные
данные в этом случае согласуются друг с другом, хотя содержания урана в
этих подобразцах резко различаются, что предполагает обогащение ураном
вскоре после отложения с последующей эволюцией в закрытой системе.
Датирование зубов методом 230Th/ 234U в сочетании с ЭСР, ТЛ, ОСЛ и на
основе рацемизации аминокислот внесло определенный вклад в решение
4.3. Применение 129
вопроса о времени появления первых людей в Африке. Это относится к пер-
вым раскопкам середины каменного века в Катанге (Katanga), Заир, для кото-
рых полученные значения возраста оказались древнее 89 (+22, -15) тыс. лет
(Brooks et al., 1995). Для ранних форм Ното sapiens из плейстоценовых
пещерных отложений Джинниушан (Jinniushan) провинции Ляонинг, Ки-
тай, Чен и др. (Chen et al., 1994) получили, датировав методами 2MTh / 2MU
и ЭСР, ископаемые зубы животных, значения возраста около 200 тыс. лет,
что делает их такими же древними, как наиболее поздний китайский Ното
erectus. Эти данные поднимают вопрос о возможном сосуществовании обе-
их форм человека.
Торф. Если необходимо датировать плейстоценовый торф, выходящий за
пределы возможного интервала датирования метода МС, может быть приме-
нен метод 2ХГП\/ ^U. Торф адсорбирует уран (вплоть до 20 мкг/г) из грунто-
вых вод. С другой стороны, торий не растворяется в грунтовых водах, и, сле-
довательно, в момент формирования торфа 2MTh в нем будет отсутствовать.
Таким образом, 23aTh в торфе связан с распадом 234 U и является показателем
возраста торфа. Детритовая компонента торфа вызывает контаминацию то-
рием, задавая первичное содержание 2WTh. Датирование торфа требует со-
блюдения условия закрытости радиометрической системы после ее образова-
ния, т.е. захват урана из окружающей среды не должен происходи ть. Пере-
крывающие осадки приводят к уплотнению торфа и тем самым в основном
предотвращают химический обмен с грунтовыми водами. Для того чтобы умень-
шить влияние вторичного урана, слои торфа должны иметь толщину не менее
10—20 см, и образцы необходимо брать из центральных зон слоя. Например,
23OTh/ 2Ми-возрасты были получены для отложений торфа в районе Тенаги-
Филиппон (Tenagi Phillipon), Северная Греция, и Фенит (Fenit), Ирландия.
Для последнего межледникового периода они составили соответственно 122
тыс. (+15, -14) и 118 (+9, -8) тыс. лет (Heijnisand Van der Plicht, 1992).
Отложения озер и эстуариев. Важными свидетелями изменений окружа-
ющей среды, в частности созданных индустриальным загрязнением, явля-
ются современные осадки эстуариев и озер. Их анализ осуществляется раз-
нообразными геохимическими методами в сочетании с точными возрастны-
ми определениями отдельных слоев осадков. Однако, поскольку под воздей-
ствием физических и биологических агентов происходит постседиментани-
онное перемешивание отложений, желательно получение надежной инфор-
мации о возрасте и скорости осадкообразования таких слоев. Для последних
100-150 лет такая информация может быть получена по избытку изотопа
2,0РЬ. Такая попытка была сделана для осадков эстуария Сабине-Нечес
(Sabine-Neches) в Техасе (Ravichandran et al., 1995), где была установлена
скорость седиментации d 4-5 мм/год. Показателями возраста, наряду с 2,0РЬ,
были также радиоизотопы 2,9Ри и жРи, выброшенные в атмосферу при ис-
пытаниях ядерного оружия в течение 1950-х и в начале 1960-х годов.
^30 Глава 4. Урановые ряды
Вулканиты. В современных вулканитах часто отмечается радиоактивное
неравновесие (Gill et al., 1992). Это вызвано химическим фракционировани-
ем в процессе частичного плавления, поскольку уран, торий и радий имеют
различные коэффициенты распределения между расплавом и минеральной
фазой. Даже если магма находится в радиоактивном равновесии и имеет
однородное распределение отношения 2MTh / 234U, образующиеся из нее твер-
дые фазы находятся в равновесии далеко не всегда. В зависимости от отно-
шения U/Th равновесие между 23SU и а также между 23SU и 231 Ра более
или менее нарушено (Picket and Murell, 1997). Процесс восстановление рав-
новесия, является функцией времени и позволяет датировать четвертичные
вулканиты возрастом до 350 тыс. лет. Используя этот метод, требующий
анализа минеральных фракций, Кондоминь и Аллегр (Condomines and Allegre
1980), смогли датировать отдельные лавовые потоки вулкана Стромболи
(Stromboli) в Италии. Вольтажио и др. (Voltaggio et al., 1994) датировали
нижнеплейстоценовые вулканические породы Альбанской горы (Alban Hills)
в Италии и по отношению 23OTh/ 23*U определили, что их возраст находится
в интервале от 33 тыс. до 11 тыс. лет. Рейд и др. (Reid et al., 1997) примени-
ли ионный микрозонд для определения 23OTh/ 23ttU-возраста отдельных зе-
рен циркона риолитов в кальдере Лонг-Вэлли (Long Valley), Калифорния.
Метод 226Ra / 230Th был описан Вольтажио и др. (Voltaggio et al., 1995) для
датирования калиевых вулканитов острова Вулкано (Vulcano), Италия, ко-
торые оказались моложе 5 тыс. лет. Возраст кристаллизации анортоклаза
современных фонолитов вулкана Эребус (Erebus), Австралия, был опреде-
лен методом 226Ra / ^Th и оказался равным 2380 лет (Reagan et al., 1992).
Метод U-Th-Pb имеет определенные, пока еще до конца тщательно не изу-
ченные возможности для датирования вулканитов плейстоцена.
Избыточные величины отношений 23OTh/ 23*U, 226Ra / 230Th и 231 Pa / 235U в
базальтах активных рифтовых зон срединных океанических хребтов (MORB)
были использованы для определения возраста извержений. Радиоактивное
неравновесие связывают с процессами частичного плавления в верхней ман-
тии. Гольдштейн и др. (Goldstein et al., 1993) провели масс-спектрометричес-
кое исследование базальтов Восточно-Тихоокеанского поднятия и хребта Хуан-
де-Фука (Juan de Fuca) и получили стыкующиеся значения возраста по отно-
шениям 23ОТЬ/ 238U и 231 Ра / 23SU для последних 130 тыс. лет (рис. 34). Размер
образца, необходимого для анализа, составил несколько граммов. Стекла MORB
изучались Вольпе и Гольдштейном (Volpe and Goldstein, 1993) и дали стыкую-
щиеся 226Ra / 230Th и 230Th / 238и-возрасты. Эти результаты позволили авторам
сделать заключение о разрешающей способности метода 226Ra / 23OTh в ± 100
л язя эпизодов вулканизма в возрастном интервале до 10 тыс. лет.
Разломы. Метод определения возраста по урановым сериям был приме-
нен также к разломам. В ходе тектонических движений образуются минера-
лы, которые покрывают поверхности разломов. Один из таких минералов —
карнотит, ванадат урана, исследовался с точки зрения возможности его дати-
рования методами 23ОТЪ/ 2MU и 231 Ра / 235U. Подобные возрасты от 40 тыс. до
260 тыс. лет приводились для различных образцов карнотита из молодых раз-
ломов в районе Ашелиме и Маале-Адумим (Ashelim, Maale Adumim) в Изра-
иле (Kaufman et al., 1995). Для заключения о закрытости системы в карнотите
использовалась информация о совпадении результатов, полученных этими
двумя методами датирования, что наблюдалось почти во всех случаях.
Рис. 34. Стыкующиеся зна-
чения возраста базальтов Во-
сточно-Тихоокеанского под-
нятия (EPR), хребта Хуан-де-
Фука (JDF) и хребта Горда
(Gorda) (с разрешения Elsevier
Science Ltd.; Goldstein et al.,
1993).
Сульфиды полиметаллов. В процессе образования гидротермальных руд,
ассоциированных с активными срединными океаническими хребтами (ку-
рильщики), изотоп 2,0РЬ отделяется от своего радиоактивного предшествен-
ника 226Ra. Датирование рудных формаций возможно по уменьшению во
времени избытка 2,0РЬ в сульфидах. Это было продемонстрировано для хребта
Хуан-де-Фука, где ассоциированные массивные сульфидные руды росли
концентрически в течение нескольких десятилетий со скоростью несколько
см/год (Kim and McMutry, 1991). Обогащенные баритом курильщики, кото-
рые не типичны для срединных океанических хребтов, могут быть датирова-
ны методом 22HTh / 22gRa. Этим методом были получены скорости вертикаль-
ного и радиального роста курильщиков в возрастном пределе 1-15 лет для
гидротермальных руд хребта Хуан-де-Фука (Reyes et al., 1995)
Свинцовые красители и сплавы. С помощью изотопа свинца 210РЬ можно
определить, имеют ли свинецсодержащие красители и сплавы и, следова-
тельно, изделия, включающие эти вещества, возраст больше или меньше
чем примерно 100 лет (Keisch et al., 1907). Это позволяет обнаруживать со-
временные подделки. После выплавления свинца из руды 2,0РЬ больше не
поддержан долгоживущим предшественником 2*Ra. 226Ra представляет со-
бой контаминант, который, за исключением незначительных количеств, не
выплавляется, и, таким образом, через несколько периодов полураспада из-
быточное количество 2,0РЬ распадается до установления нового равновесно-
го уровня. Свинцовые белила (карбонат свинца) были долгое время главной
белой краской, пока ее не вытеснили в XX веке титановые белила (окись
(|^2 Глава 4. Урановые ряды
титана). Поэтому свинцовые белила умышленно используются в современ-
ных подделках. Однако современный свинец можно обнаружить по его
радиоактивности. Кейш (Keisch, 1998) выполнил измерения отношений
лорь / в нескольких подозрительных предметах живописи, среди них
картина «Иисус и его ученики в Эммаусе», обнаруженная в 1937 году Ван
Мигереном (Van Meegeren) и заявленная как подлинное полотно Вермее-
ра, знаменитого художника 17 века. Однако Кейш (Keisch, 1998) доказал,
не оставив никаких сомнений, что эта так называемая работа Вермеера —
подделка 20 века. Для этих исследований было взято около 30 мг свинцо-
вых белил с второстепенной области картины. Подобные исследования
могут быть также полезны для обнаружения подделок других свинецсодер-
жащих предметов искусства, включая свинцовые бронзы.
ГЛАВА 5
КОСМОГЕННЫЕ
НУКЛИДЫ
На Землю постоянно падает поток космических лучей, которые взаимодей-
ствуют с атмосферой и достигают земной поверхности в сильно ослаблен-
ном и измененном виде. Первичное космическое излучение состоит из вы-
сокоэнергичных частиц внеземного происхождения, в основном ядер водо-
рода и гелия. Первичные частицы почти полностью поглощаются в верхних
слоях атмосферы, выше 20 км, реагируя при столкновении в основном с
атомами азота и кислорода. Происходящие ядерные реакции рождают вто-
ричное космическое излучение, состоящее из субатомных частиц более низ-
кой энергии. Эти частицы, в основном протоны, нейтроны и мюоны, в
свою очередь, тоже сталкиваются с ядрами атмосферных газов и гакже за-
медляются, теряя энергию. Некоторая часть космических лучей, тем не ме-
нее, достигает земной поверхности, где практически мгновенно останавли-
вается, поглощаясь в горных породах. Основной тип ядерных реакций, ин-
дуцируемых космическими лучами, составляют реакции расщепления (сры-
ва) ядра мишени, хотя с уменьшением скорости налетающей частицы уве-
личивается вероятность ее захвата (рис. 35).
В этих ядерных реакциях образуются как радиоактивные, так и стабиль-
ные нуклиды. Для задач датировки интересны радиоактивные космогенные
нуклиды 3Н, ,0Ве, |4С, *А1, 3iSi, *С1, 39Аг, 4,Са и 81 Кг, а также стабильные
космогенные изотопы эНе и 2,Ne. Космогенные нуклиды разделяют по мес-
ту образования, отличая произведенные в воздухе {атмосферные или мете-
орные нуклиды) и нуклиды in situ — произведенные непосредственно в не-
скольких верхних метрах горной породы (Lal and Peters, 1967). С увеличени-
ем длины пробега растет доля поглощенных вследствие ядерных реакций
космических лучей. Средняя длина свободного пробега I частицы определяется
как расстояние, на котором количество частиц в потоке уменьшается до
\/е (+36,8%) от первоначального числа, и выражается в весовой толщине
(или толще) [г см-2]. Для вторичных протонов и нейтронов космических
лучей величина / составляет порядка 150 г см"2. Если известна плотность
среды [гсм~3], в которой распространяется излучение, можно непосредственно
найти длину свободного пробега в единицах длины [см]. Например, для
скальных пород с плотностью 2,7 г/см3 величина / будет порядка 55 см.
Поскольку поток космических лучей уменьшается по мере продвижения в
веществе, скорость образования космогенных нуклидов в скальных поверх-
ностях в сотни раз меньше, чем в атмосфере. Чтобы космогенный изотоп
Глава 5. Космогенные нуклиды
мог быть использован в датировании, необходимо точно знать его скорость
образования, что достигается как экспериментальными исследованиями, так
и теоретическими расчетами Результаты обоих подходов хорошо согласу-
ются между собой (Masarik and Reedy, 1995).
Первичные частицы
космических лучэй
Рис. 35. Образование космогенных нуклидов в ядерных реакциях между нук-
лонными компонентами космических лучей и атомами атмосферы и
поверхностей горных пород.
Заряженные частицы первичных космических лучей отклоняются маг-
нитным полем Земли (разд. 9.1). Таким образом, дипольное поле выступает
в виде своего рода магнитной зашиты от космических лучей. В атмосферу
могут войти лишь частицы, двигающиеся вдоль магнитных силовых линий.
Такая ситуация складывается в районе геомагнитных полюсов. На низких
же магнитных широтах, т.е. в районе экватора, магнитное отражение рабо-
тает наиболее эффективно. Снижение интенсивности космических лучей от
полюсов к экватору известно под названием широтного эффекта. Широт-
ный эффект уменьшается в атмосфере с глубиной. Так, на высоте 4 к.и он
Глава 5. Космогенные нуклиды I
составляет около 25%, а на уровне моря остается лишь 7%-ная разница в
скорости образования космогенных изотопов между полярными и эквато-
риальными районами. Быстрое перемешивание в атмосфере еще более сни-
жает влияние широтного эффекта.
В добавление к широтному эффекту при рассмотрении in situ образова-
ния космогенных нуклидов надо учитывать высотный эффект - существен-
ное увеличение скорости образования с высотой. Этот эффект связан с уже
упомянутым падением интенсивности космических лучей при их проник-
новении вглубь атмосферы. Например, скорость образования ,0Ве и 26А1 на
высотах в 1000, 3000 и 5000 м над уровнем моря увеличивается в 2,3, 10 и 31
раз соответственно по сравнению с уровнем моря. Этот эффект можно в
принципе применять для исследования подъема горных хребтов (Lal, 1986).
Возможность образования космогенных нуклидов в земном окружении была
осознана еще в 30-х годах прошлого века (Grosse, 1934), однако эксперимен-
тального подтверждения, которое пришло с обнаружением природного радио-
углерода (Libby, 1946; Anderson et al., 1947). пришлось ждать более 10 лет.
Образование изотопов в атмосфере. Атмосферные космогенные нуклиды
'Н, ,0Ве, **С. “Al, 32Si, *0, wAr и s* Кг образуются в ядерных реакциях косми-
ческих лучей с атмосферными атомами, преимущественно с азотом, кисло-
родом и аргоном. Включаясь в циклы переноса, эти изотопы могут прони-
кать далее и в другие резервуары, а именно в биосферу, гидросферу и литос-
феру. Концентрация радиоактивных космогенных нуклидов в атмосфере
удерживается на некоем уровне Nv соответствующем равновесию между
образованием, распадом и уходом в другие резервуары. В других резервуа-
рах, за исключением поверхностных слоев литосферы, ситуация иная. Кос-
могенные изотопы гам не образуются, а лишь поступают извне и распада-
ются. Когда суммарный приток (сумма по всем притокам и оттокам в другие
резервуары) и распад компенсируют друг друга, поддерживается статичес-
кая равновесная концентрация N* космогенного нуклида. Для этого требу-
ется, чтобы перемешивание в резервуаре было сильным и быстрым по срав-
нению с периодом полураспада изотопа. Затем, если подсистема отделяется
от резервуара и поступление нуклида в нее прекращается (например, со
смертью организма или с отложением осадка), содержание изотопа в ней
начнет убывать за счет радиоактивного распада. Этот процесс имеет строгую
временную зависимость, поэтому, если известно остаточное содержание
изотопа N, можно датировать момент отделения, иначе говоря, найти воз-
раст / (лет) подсистемы (рис. 36), по формуле:
/ = ln(^/V)/A. (26)
В природе такое упрощенное модельное приближение нередко не вы-
полняется. Зачастую наблюдаются и пространственные, и временные вари-
ации начальной концентрации изотопа /Vo в резервуаре, вызываемые изме-
136 Глава 5. Космогенные нуклиды
нениями скоростей образования и поступления, а также неполным или мед-
ленным перемешиванием. С одной стороны, эти вариации могут ограни-
чить применимость космогенных нуклидов для целей датирования, но, с
другой стороны, они несут интересную информацию о геофизических про-
цессах, таких как временные вариации потока космических лучей (Geiss et
al., 1962), магнитного поля Земли, циркуляции атмосферы и океанов. При
использовании космогенных изотопов для датирования грунтовых вод не-
обходимо также помнить о возможном нуклеогенном вкладе в исследуемый
изотоп, который вызывается нейтронами (а, п) от ядерных реакций в ра-
диоактивных природных примесях (Andrews et а!.. 1989). За последние 50 лет
ядерные испытания и ядерная индустрия инжектировали в атмосферу боль-
шое количество некоторых изотопов, например ЭН, ,4С (антропогенный вклад).
Рис. 36, Количество N космогенного нуклида, образованного in situ в верхних
нескольких метрах поверхностных пород, нарастает с увеличением
времени облучения t. Следует отличать линейный рост количества
стабильных нуклидов (прямая А) от экспоненциального насыщения
радиоактивных изотопов (кривая В). Содержание радиоактивного изо-
топа стремится к некоему равновесному уровню Nr Если образец
породы экранирован от космического излучения, содержание нукли-
да W экспоненциально снижается (кривая С). На стадии наработки
изотопа возможно определение времени экспозиции, а после закры-
тия системы в стадии спада возможно определение времени с момен-
та изоляции по радиоактивному распаду.
Образование изотопов непосредственно в образце (in situ) В основных ядер-
ных реакциях космических лучей с атомами кремния непосредственно в
горных породах образуются космогенные нуклиды 3Н, l0Be, 2lNe, ^Al, *С1 и
4,Са. Поскольку для вторичных протонов и нейтронов средняя длина сво-
Глава 5. Космогенные нуклиды 137
бодного пробега составляет около 150 г см-2, эффект существенен лишь у
поверхности, на глубине до нескольких метров. На глубине порядка кило-
метра возможно образование космогенных изотопов из-за взаимодействия с
более проникающими мюонами. Глубинный профиль образования P(d) ха-
рактеризуется скоростью образования Ро [атомов Г* год’1! на поверхности
(т е. Рдля d - 0 г см"2) и средней длиной свободного пробега:
ад = А (27)
Концентрация нуклида [атомов гЦ растет со временем экспозиции (рис- 36)
для стабильных изотопов (3Не) как:
У = Яг, (28)
и для радиоактивных изотопов как:
У —(1-е_Д/). (29)
Если образец был защищен от воздействия космического излучения, а в
некоторый нулевой момент времени был внезапно открыт для воздействия
космических лучей, то время его экспозиции, как следует из уравнения (28)
для стабильных космогенных изотопов, будет:
N/P\ (30)
и для радиоактивных, как следует из уравнения (29):
/=-1п(1 - ЛУ/Р)/Л. (31)
Количество наработанного радиоактивного нуклида постепенно прибли-
жается к равновесному состоянию Уж:
Уж = Р/Л, (32)
которое на практике достигается после примерно пяти периодов полураспа-
да изотопа. Если же поверхность одновременно подвержена выветриванию,
равновесный уровень Nt снижается в зависимости от скорости выветрива-
ния v:
У, = W + v//). (33)
В этом уравнении выветривание увеличивает видимую «скорость распа-
да» на величину v//. Если выветривание не учитывается, то это приводит к
недооценке времени экспозиции образца, которое в таком случае превра-
138 Глава 5. Космогенные нуклиды
щается лишь в оценку этой величины снизу. С другой стороны, скорость
выветривания может сама быть определена с помощью космогенных изо-
топов:
у = /ОД-А).
(34)
Таким образом, образованные in situ космогенные нуклиды несут коли-
чественную информацию не только о возрасте ландшафтных форм, но и о
скорости эволюции ландшафта (Bierman, 1994; Ceding and Craig, 1994). Кос-
могенные изотопы позволяют также оценивать скорость образования нано-
сов (Lal, 1991). Если поверхность породы на какой-то промежуток времени
покрывается снегом, льдом, вулканическим пеплом или другими материа-
лами, это приводит к снижению скорости образования нуклидов, что, в
конечном счете требует введения поправки, соответствующей толщине по-
крывающего слоя.
Если образец, уже достигший равновесного состояния Nv внезапно изо-
лируется от космического излучения, что прекращает дальнейшее образова-
ние космогенного изотопа (рис. 36), его содержание начинает снижаться:
N = ^еЛ
(35)
и момент изоляции может быть датирован аналогично уравнению (26).
Использование в хронометрии космогенных нуклидов, образовавшихся
in situ, может затрудняться примесями и загрязнениями исследуемым изото-
пом, поступающим из других источников:
1) атмосферное образование космогенных нуклидов значительно более про-
дуктивно. Загрязняющая примесь поступает на поверхность с осадками (на-
пример, |0Ве);
2)радиогенное образование (например, JHe);
3) нуклеогенное образование нейтронами из (а, п) реакций природной
радиоактивности (например, 3Не);
4) антропогенное образование (например, ’Н);
5) первичный компонент (существенно лишь для стабильных нуклидов),
сохранившийся с эпохи образования Земли (например, 3Не).
Ускорительная масс-спектрометрия (УМС, A MS). Концентрации космо-
генных нуклидов, в особенности образованных in situ, весьма низки и для
обнаружения требуют наличия очень чувствительной измерительной техни-
ки. До 1970-х годов единственно доступными и подходящими были 0-детек-
торы. Уровень радиоактивности [W] при этом определялся количеством
распадов dN, произошедших за время dt, т.е. fTV] = dN/dt, а не прямым
измерением количества радиоактивного нуклида N. Из выражения [ ЛЧ = KN
очевидно, что определение активности становится весьма неэффективным с
Рис. 37. Основные компоненты ускорительного масс-спектрометра (Hedges and Gowlett, 1986).
Глава 5. Космогенные нуклиды
140 Глава 5. Космогенные нуклиды
уменьшением постоянной распада Л, т.е. для долгоживущих изотопов. На-
пример, если в течение полнедели регистрировать распады ,4С в образце, то
будет обнаружена лишь одна миллионная часть от всех действительно при-
сутствующих атомов иС! Поэтому внедрение ускорительной масс-спектро-
метрии (Bennet el al., 1997; Muller, 1997), в которой напрямую измеряется
количество атомов Л, было большим прогрессом. Появилась возможность
детектировать сверхмалые количества, до 10s атомов, даже на фоне присут-
ствия в образце в 1015 раз большего количества основного изотопа. УМС
позволяет анализировать весьма малые образцы, например измерения |4С
возможны в образцах, содержащих лишь 0,1 мг углерода, т.е. 10м долю от
количества, требующегося Д-счетчикам (Tuniz, 1996)*. Кроме того, сверхчув-
ствительный УМС-метод позволяет также в принципе расширить времен-
ную шкалу применимости хроночасов на космогенных изотопах. Принци-
пиально возможна радиоуглеродная датировка образцов возрастом до 90 тыс.
лет по сравнению с 50 тыс. лет для Д-счетчиков, однако на практике она
пока недостижима из-за хотя и незначительного, но неизбежного загрязне-
ния образца современным углеродом. Аналитическое разрешение для УМС
составляет около 0,3% для ,4С и от 1 до 3% для |0Ве,26А1 и *CI (WcHfli, 1987).
Революция, совершенная УМС в методах анализа, до сих пор еще не рас-
крыла свой полный потенциал в геологии и археологии.
В качестве больших масс-спектрометров в методе УМС используются уско-
рители элементарных частиц (рис. 37). Чтобы атомы могли ускоряться, они
должны нести электрический заряд. Ионизация атомов образца осушесталяет-
ся в ионном источнике. Отрицательные ионы предускоряются и фокусируются
магнитными линзами. В электростатическом поле ускорителя они притягива-
ются к положительному электроду и ускоряются до энергий порядка 10 МэВ.
Подлетая к электроду, отрицательные ионы попадают в стриппер, где теряют
внешние электроны и, превращаясь в положительные, продолжают ускоряться
далее, теперь уже отталкиваясь от положительного электрода. Кроме того, мо-
лекулы, присутствующие в пучке ионов и могущие стать существенной по-
мехой, распадаются в стриппере на атомарные компоненты. Затем ионный
пучок высокой энергии пропускается через магнит, где происходит сепарация
ионов по массам. Легкие ионы отклоняются больше, чем тяжелые. Помещая на
пути расходящегося пучка щелевую диафрагму, можно отбирать лишь ионы
нужной массы и регистрировать детектором только их количество. Детектор
ионов с поверхностным барьером в сочетании с ионизационной камерой мо-
жет различать ионы с одинаковой массой и скоростью, но различными атом-
ными номерами (например, МС и HN). Разрешение УМС часто оказывается
выше уровня примесей и загрязнений, даже после многочисленных процессов
выделения и очистки образца. Таким образом, можно сказать, что аналитичес-
кий потенциал УМС еще не используется в полную силу.
* В настоящее время успешно анализируются УМС-методом образцы, содержащие
лишь 0,01 мг углерода. - Прим. ред.
5. Л Тритий (водород-3)
5.1. Тритий (водород-3)
Тритий - радиоактивный изотоп водород-3 с периодом полураспада 12,43
года - образуется в природе в атмосфере под действием космических лу-
чей. Ядерные испытания в период между 1954 и 1962 годом привели к
образованию большого количества антропогенного трития. Дополнитель-
ным источником техногенного трития сейчас является ядерная индустрия.
Атмосферный тритий реагирует с кислородом с образованием воды и с
осадками включается в ее природный круговорот. Если объект изолирован
от поступлений свежего изотопа, то радиоактивный распад 3Н позволяет
датировать образцы воды и льда. Однако в большинстве случаев тритиевая
система является открытой, так что появляется необходимость в опреде-
ленных модельных приближениях. Малый период полураспада позволяет
проводить датировки не далее чем на 60 лет в прошлое. Первые попытки
датирования по тритию были сделаны в 1950-х годах (Kaufman and Libby,
1954). В наши дни, из-за загрязнения антропогенным тритием, космоген-
ный 3Н для датирования не имеет практически никакого значения. Однако
всплеск антропогенного трития от ядерных испытаний применяется как
сигнал-трассер для исследования гидрологического цикла. Еще одним ва-
риантом датирования воды по тритию является 3Н - 3Не-метод, в котором в
качестве хронометра используется накопление дочернего продукта распада
трития - гелия-3 (Jenkins et al., 1972).
5. LL Методологическая основа
Водород является одним из двух основных составляющих гидросферы. При-
родный водород представлен, если не рассматривать космогенный 3Н, ста-
бильными изотопами *Н (99,985%) и 2Н (0,015%). Тритий радиоактивен и
превращается в 3Не с испусканием электрона. В природе тритий в основном
образуется в стратосфере под действием космических лучей в реакциях рас-
щепления ядер азота и кислорода. Средняя скорость образования изотопа
составляет 0,25 3Н атомов см‘2 с"1. После окисления тритий включается в
круговорот воды в виде 3Н2О. Из-за широтного эффекта отношение 3Н/Н в
осадках также варьируется от 25 х 10_|* на высоких географических широтах
до 4 х 10~** в районе экватора. Доля трития в осадках увеличивается с про-
движением от побережья вглубь суши (континентальный эффект), что свя-
зано с падением доли океанической обедненной тритием воды в атмосфер-
ных осадках. Наблюдались также сезонные вариации трития с повышенным
его содержанием в летних осадках (Brown, 1970). Все эти пространственные
и временные вариации, естественно, затрудняют использование трития для
целей датировок.
Модель тритиевого датирования предполагает постоянное начальное
содержание трития в атмосферных осадках, что позволяет датировать воз-
раст с момента образования объема воды или льда. Однако датирование в
Глава 5. Космогенные нуклиды
рамках этой упрощенной модели затрудняется не только вариациями на-
чального содержания 3Н, поведением гидрологических объектов как от-
крытых систем, а также загрязнением антропогенным тритием. Такая уп-
рощенная датировка могла бы быть успешной, в лучшем случае, лишь для
образцов из эпохи до ядерных испытаний. Инжекция бомбового трития в
природные циклы водного обмена в конце 1950-х — начале 1960-х годов
привела к увеличению содержания изотопа зачастую на порядки. После
прекращения испытаний в трех средах в 1962 году это пиковое содержание
3Не за счет распада снизилось. Пик в содержании трития используется как
трассер для определения путей и временных масштабов обмена в гидроло-
гических системах (Munnich, 1968). Выбросы трития объектами ядерной
индустрии к настоящему времени уже превзошли вклад бомбового трития
(Herbert, 1990).
3Н - 3Не-метод. Газы, растворенные в приповерхностном слое воды, на-
ходятся в постоянном обмене с атмосферой, поддерживая, таким образом,
отношение 3Не / 4Не равным атмосферному - 1,384 х 10'6. С погружением
массы воды в ней начинается накопление 3Не, образованного распадом 3Н.
Соответственно, из содержания радиогенного 3Не, а также 4Не и 3Н может
быть рассчитан возраст t [лет] погруженной массы воды:
г= 17,9 In [I + (3Не - 1,384 х 10 “Не) / 3Н[. (36)
Такие данные, представленные в виде глубинных профилей, пред-
ставляют интерес для исследования динамики океанов, почвенных вод
и озер за последние 50 лет. При определении возраста предполагается
наличие закрытой системы, что если и возможно, то лишь на коротких
промежутках времени (несколько лет). Перемешивание и дегазация на-
рушают эту упрощенную датировочную модель и сильно затрудняют
обработку данных.
5.1,2. Практические аспекты
Пробы воды отбираются в бутыли, обычно объемом в 1-2 л. Бутыли
плотно закупориваются, чтобы предотвратить изотопный обмен с воз-
духом. Содержание трития обычно определяют радиометрически, на ус-
тановках с жидким сцинтиллятором. При этом вначале проводят элект-
ролитическое обогащение трития. Затем в образец вводится сцинтилли-
рующая добавка. Акты Д-распада вызывают вспышки света сцинтилля-
тора, которые регистрируются фотоумножителем. В зависимости от тре-
буемой точности время счета составляет от нескольких часов до дней.
Для малых образцов используются аналитические методы с большей чув-
ствительностью, такие как газовые пропорциональные счетчики, масс-
спектрометрия и УМС.
5. Л Тритий (водород-3)
5.1.3. Применение
Вода. В настоящее время космогенный 3Н не применяется для датирования
воды из-за сильнейшего загрязнения тритием от ядерных испытаний (конец
1950-х - начало 1960-х годов) и ядерной индустрии. Содержание же трития
в водах старше ядерной эпохи, т.е. старше 50 лет, слишком мало из-за его
радиоактивного распада. С другой стороны, бомбовый тритий, часто в ком-
бинации с бомбовым радиоуглеродом, позволяет проводить многие гидро-
динамические исследования молодых грунтовых вод, например определе-
ние скорости, направления и области образования. После пребывания в
атмосфере, за время порядка одного года бомбовый тритий с осадками про-
никает в почву (Sonntag, 1980). Продвижение к источнику может занять до
нескольких лет, в зависимости от типа почвы и глубины водоносного гори-
зонта. Так, например, Зигенталсру и др. (Siegenthaler et al., 1970) удалось
получить оценку возраста вод в 13 лет для источников Фунтенен (Funtenen),
в районе Меринген (Meiringen), Швейцария, используя разницу в содержа-
нии 3Н в притекающих осадках и воде источника (рис. 38). Обычно 3Н ана-
лиз оказывается более важным для исследования гидродинамики и гидроге-
неза источников, а не для прямого определения возраста вод.
Рис. 38. Содержание трития (в тритиевых единицах TU = 10"“ ’Н/Н) в воде
источника Фунтенен, Швейцария (Oeschger and Schotterer, 1986). Дан-
ные находятся в хорошем согласии с моделями возраста на основе со-
держания ’Н в атмосферных осадках по области водосбора источника.
Для исследования вертикальных перемещений и перемешивания вод в
океанах и озерах применяют 3Н- и 3Н - 3Не-методы, часто в сочетании и
желательно с построением глубинных профилей. Например, определение
Глава 5. Космогенные нуклиды
возраста вод озера Эри (Eirie) методом 3Н - 3Не дало несколько дней для
поверхностного слоя и 100 дней для глубинных слоев (Torgersen et al., 1977).
Для таких коротких промежутков времени предположение о закрытости си-
стемы 3Н - 3Не вполне надежно, и, следовательно, время с момента после-
днего обмена с поверхностью может быть определено напрямую. Циркуля-
ция воды в океанах происходит значительно медленнее, что приводит к за-
метному перемешиванию, дегазации и потерям гелия. Все это требует зна-
чительных и сложных модельных расчетов при обработке глубинных про-
филей измерений в океанах (Jouzel, 1989).
Снег. Содержание трития в снеге, выпадающем в районе Южного полю-
са, подвержено сезонной вариации. Пик трития приходится на зиму, когда
над полярными районами исчезает тропопауза и стратосферный тритий сво-
бодно проникает в тропосферу (Jouzel, 1989). Таким образом, годовые слои
снега могут быть точно датированы, вплоть до 1950 года, простым подсче-
том максимумов содержания трития.
Вино. Вино, сохраняемое в закупоренных бутылях или бочках, исключа-
ется из дальнейшего обмена с биосферой и гидросферой. Возраст этого со-
бытия, весьма характерного именно для производства вина, может быть
определен по распаду трития. Однако многократное возрастание уровня три-
тия из-за ядерных испытаний, как и в случае исследования грунтовых вод,
мешает применению 3Н-хронометра. Общее снижение уровня бомбового
трития и бомбового радиоуглерода, как было показано на примере австрий-
ских вин Щёнхофером (Schonhofer, 1989), хорошо регистрируется в винах
последовательных урожаев. Этот факт может быть использован для незави-
симых оценок возраста вина и подтверждения указанной даты урожая.
5.2. Гелий-3
Космогенный 3Не образуется напрямую in situ в горных породах на повер-
хности Земли. В отличие от других космогенных нуклидов, используемых
для датирования, 3Не не радиоактивен. Его содержание в скальных поро-
дах растет пропорционально времени экспозиции космическим лучам. Если
скорость образования известна, то время (экспозиция), проведенное образ-
цом на поверхности, можно определить измеряя накопленный космоген-
ный 3Не. Поскольку ядра 3Не не распадаются и, соответственно, не дости-
гают некоего равновесного содержания, период, в пределах которого воз-
можна датировка по 3Не, очень велик — от 250 лет до порядка 1 млн лет.
3Не-метод подходит для определения времени экспозиции и скорости раз-
рушения оливин- и кварцсодсржаших пород.
Первое измерение космогенного 3Не в земных породах было проведено
Курцем (Kurz, 1986а) на плейстоценовых базальтах вулкана Халеакала
(Haleakala), Гавайи. С тех пор было предпринято несколько многообешаю-
5.2. Гелий-3
щих попыток разработки метода в применении к датированию молодых вул-
канических пород и морен. Тем не менее все еще сохраняются трудности,
обусловленные недостаточной информацией о скорости образования ’Не,
что требует проведения измерений в независимо датированных образцах, а
также о временных вариациях скорости образования ’Не в прошлом.
5.2.1. Методологическая основа
Инертный газ гелий в природе представлен изотопами ’Не и 4Не, причем
оба изотопа стабильны. Значительно более распространенный 4Не (практи-
чески 100%) образуется радиогенно, в а-распадах (а-частица и есть ядро
4Не) урановых и ториевых рядов (разд. 3.2, глава 4), в то время как ’Не
образуется и радиогенным путем как продукт распада трития, и как космо-
генный изотоп под действием космических лучей. В добавление к радиоген-
ному и космогенному существуют еще два источника ’Не — нуклеогенный и
первичный ’Не. Нуклеогенный гелий-3 образуется в ядерных реакциях под
действием нейтронов, например 6Li(n, а)’Н с дальнейшим распадом в ’Не.
И, конечно, оба изотопа гелия присутствуют на Земле в качестве первич-
ного гелия со времени ее образования. Все эти разнообразные источники
гелия различаются по своему изотопному соотношению. Природный ге-
лий представляет собой смесь, образованную из различных источников,
и его изотопный состав варьируется, отражая различные отношения по-
ступающих смешивающихся компонентов. Так, в мантии Земли отноше-
ние ’Не / 4Не варьируется в пределах от нескольких единиц на 10"4 до
1,3 х IO*5 (Craig and Lupton, 1976). Это изотопное отношение все еще
остается близким к отношению в первичном гелии 3 х 10'4 (Geiss et al.,
1972), так как мантия Земли обеднена ураном и торием и, следовательно,
радиогенным гелием. Напротив, земная кора содержит больше урана и
тория, соответственно значительный радиогенный компонент 4Не пони-
жает отношение ’Не / 4Не для земной коры до около 2 х 10 ’ (Mamyrin
and Tolsikhin, 1984). Будучи инертным газом, гелий не вступает в хими-
ческие связи и свободно диффундирует из коры в атмосферу. Атмосфер-
ное соотношение ’Не / 4Не составляет 1,384 х 10~*.
Наиболее важным каналом образования космогенного ’Не in situ в тон-
ком поверхностном слое (< 2 м) пород являются ядерные реакции расщеп-
ления тяжелых ядер, таких как О, Si, Mg и Fe. Захват тепловых нейтронов
ядром 6Li в реакции 6Li(n, а)’Н с последующим распадом ’Н в ’Не может
также вносить определенный вклад, особенно в случае присутствия в поро-
дах лития. В результате этих космогенных процессов отношение ’Не / 4Не
достигает 0,1, т.е. на много порядков выше, чем в мантии, атмосфере и
земной коре.
Скорость образования ’Не удалось определить на датированных радио-
углеродным методом потоках лавы гавайских вулканов Хуалалаи (Hualalai)
и Мауна-Лоа (Mauna Loa) (Kurz, 1986b; Kurz et al., 1990). О полном отсут-
ствии выветривания с момента отвердения свидетельствует идеально сохра-
нившаяся поверхностная структура лавового потока. Таким образом, на уровне
моря и широте 37’ скорость космогенного образования 'Нес(0) оказалась
равна 125 ± 30 3Не атомов г-1 год-1, что весьма много для космогенных
нуклидов. С углублением под поверхность скорость образования, как и ожи-
далось, экспоненциально уменьшается. Как следует из уравнения (27), если
учесть влияние высоты места и глубины под поверхностью, то исправленная
скорость образования 3Hec(t/) описывается формулой:
3Hec(d) = 3Нес(0)е ,ow/, (37)
где d [г см-2] - толща вещества, пройденного космическими лучами (1030 г
см’2 — уровень моря, < 1030 г см’2 - выше уровня моря, > 1030 г см 2 - для
подпочвенных образцов на уровне моря). Нерешенной задачей остаются
временные вариации образования 3Не, которые, по-видимому, укладывают-
ся в диапазон ± 30%.
Помимо космогенного гелия, базальты часто содержат некое количество
исходного гелия с определенным изотопным отношением (3Не / 4Не),. Это
исходный гелий магматического происхождения и в оливине содержится в
основном во включениях жидкости. При механическом разрушении образ-
ца в вакууме выделяется лишь исходный гелий, полностью же и космоген-
ный и исходный гелий выделяются лишь при плавлении образца. Гелий,
выделяющийся на этих двух стадиях, собирается и анализируется раздельно.
Поскольку количество космогенного 4Не пренебрежимо мало по сравнению
с исходным 4Не„ из количества 4Нет, выделившегося при плавлении образ-
ца можно рассчитать содержание исходного 3Не, по формуле (Kurz, 1986b):
'Не, = 4Hem ('Не / 4Не),. (38)
Для нахождения содержания космогенного 'Не€ из полного количества
3Нет надо вычесть количество исходного 3Не;
3Нес = 3Hem - 4Нет (3Не / 4He)t. (39)
Изотопный состав гелия, как и всех друшх благородных газов, может быть
определен с высокой чувствительностью масс-спектрометрически. Проведенный
параллельно анализ изотопов неона показал, что космогенный 'Не достаточно
хорошо удерживается в оливине (Anthony and Poths, 1992). Эго, вроде бы, отно-
сится и к кристаллам кварца достаточного размера (> 0,5 мм), по крайней мере,
для экспозиций меньше 100 тыс. лет и антарктических температур (Brook et al.,
1995). В то же время мелкокристаллический кварц плохо удерживает гелий, осо-
бенно в условиях жаркого климата (Trull et al., 1995). Надежность определений
'Не возраста зависит всецело от независимых определений скорости образова-
ния 'Не. Более того, следует помнить и о возможных временных ее вариациях.
5.2. Гелий-3
5.2.2. Практические вопросы
Для датирования по ’Не подходят и оливин-, и кварцсодержащие породы.
Образцы отбираются с небольшой (несколько см) измеряемой глубины.
Весьма важно убедиться в отсутствии выветривания на поверхности, что
может быть определено по различным критериям, например хорошей со-
хранности структуры потока или коры охлаждения на базальтовых потоках.
Из измельченной породы выделяют оливин и клинопироксен (частицы раз-
мером 0,2-0,4 мм) или кристаллы кварца (> 0,5 мм). Анализ гелия проводит-
ся методом газовой масс-спектрометрии. На первом этапе частицы измельча-
ются в вакууме для высвобождения исходного магматического гелия, и изме-
рения, после определенной очистки, его изотопного состава (’Не / •’Не),. За-
тем образец последовательно ступенчато нагревается до плавления, и выс-
вобождающийся гелий также анализируется. Чувствительность масс-спект-
рометрического определения гелия-3 - высока, порядка 10$ атомов. В опре-
деленных случаях, в особенности для кварца, может потребоваться поправ-
ка на присутствие нуклеогенного ’Не (Trull et al., 1995).
5.2. J. Применение
Базальты. Курцем и др. (Kurz et al., 1990) была проанализирована на содер-
жание космогенного ’Не серия базальтовых потоков гавайских вулканов
Хуалалаи (Hualalai) и Мауна-Лоа (Mauna Loa), имеющих возрасты от 600 лет
до 14 тыс. лет, независимо определенные по ,4С. Образцы отбирались из
верхних 4-6 см потока лавы. Для уверенности в отсутствии выветривания с
момента затвердения лавы выбирались места с полностью сохраненной струк-
турой потока, лежащие на сухой, подветренной стороне вулканических скло-
нов. Для анализа ’Не выделялся оливин. Была показана корреляция содер-
жания ’Нес, приведенного к уровню моря, с возрастами образцов по радио-
углероду (рис. 39). Разброс данных частью вызван выветриванием, а частью
временным покрытием пород почвами или вулканическим пеплом. Потери
гелия вследствие диффузии для оливина исключены. Все эти процессы при-
водят к снижению содержания ’Нес. Но, несмотря даже на эти неопределен-
ности, данные демонстрируют, что временные вариации скорости образова-
ния ’Нес в последние 10 тыс. лет были заметно ниже на промежутке от 7 тыс.
до 2 тыс. лет, чем до и после того. Этот минимум связывают с увеличением
напряженности геомагнитного дипольного поля в тот период.
Надежность датирования по ’Не была продемонстрирована на молодых
базальтовых потоках вулканического поля Потрилло (Potrillo) на юге штата
Нью-Мексико (Anthony and Poths, 1992). Образцы были взяты из верхних
3 см под поверхностью, на которой сохранилась начальная структура пото-
ка, кольца и кора охлаждения, что указывает на отсутствие выветривания.
Был отобран оливин с небольшой примесью клинопироксена. Изотопное
отношение для исходного гелия в базальтах (’Не / 4Не)( было в восемь раз
Глава 5. Космогенные нуклиды
выше атмосферного. Скорость образования 3Нес, равная 434 атомов г1 год-1
для 39’ N и высоты 1445 м над уровнем моря, была пересчитана на действи-
тельное положение образца (32,2* N, 1284-1387 м над уровнем моря и глу-
бину залегания образцов — 3-6 см). Для отдельных потоков лавы были по-
лучены значения возраста от 15,5 ± 2 тыс. до 85 ± 7 тыс. лет. Результаты
показали хорошую воспроизводимость и согласие с определениями возраста
по К-Аг и с геологическим возрастом. Еще одним примером является дати-
ровка срока поверхностной экспозиции темных вулканических пород вул-
кана Пито-де-ла-Фурнэ (Piton de la Fournaise), Реюньон (R6union)
(Staudacher and Allegre, 1993). В добавление к 3Не-методу исследователи
также применили 2,№-метод (разд. 5.5). Оба метода дали согласующиеся
даты 62 ± 4 тыс. и 3,4 ± I тыс. лет для двух фаз извержения, с промежуточ-
ным обрушением кальдеры 23,8 ± 2 тыс. лет назад.
Калиброванный радиоуглеродный возраст (лет)
Рис. 39. Содержание космогенного 3Нес, пересчитанное на уровень моря, в
базальтовых потоках на Гавайских островах коррелирует с возраста-
ми извержений, определенными по |4С. Эрозия или покрытие почвой
уменьшают содержание 3Нсе. Светлыми кружками показаны образ-
цы, для которых предполагалось наличие эрозии или покрытие поч-
вой, а также имеющие недостоверный возраст (Kurz et al., 1990; с
разрешения Elsevier Science Ltd.).
Морены. ’He можно применить также для датирования ледниковых отло-
жений, включающих валуны кварц- или оливинсодержащих пород. Это было
продемонстрировано использованием ’Не в комбинации с ,0Ве и 26А1 для
датирования четвертичных отложений в проливе МакМёрдо (McMurdo),
Антарктида (Brook et al., 1995). На вершине морены были взяты образцы из
крупнейших обломков кварцсодержаших гранитов, метаморфитов, песча-
ников, а также оливинсодержащих базальтов. Предполагалось, что обломки
из этой зоны не испытывали никаких перемещений после отложения. Об-
разцы были взяты с глубины от 2 до 6 см. Измеренное содержание 3Не в
5.3. Бериллий-J0 149
кварце потребовало определенной коррекции для учета нуклеогенной при-
меси. Для более древнего и более молодого отложения были получены
четко различающие эти два эпизода, усредненные возрасты экспозиции
252 ± 62 тыс. и 39 ± 8 тыс. лет соответственно. Результаты были подтвер-
ждены определениями по ,0Ве и 26А1.
5.3. Бериллий-10
Радиоактивный космогенный изотоп бериллий-10 (радиобериллий) образуется
под действием космических лучей в атмосфере, а также in situ в поверхностных
породах. Атмосферный |0Ве адсорбируется на аэрозоли, выпадает с осадками
на поверхность Земли, где и включается в различные отложения. Снижение
содержания ,0Ве за счет радиоактивного распада может служить мерой возрас-
тов осадконакопления на шкале от 1 тыс. до 10 млн лет. In situ 10Ве используется
для датирования экспозиции кварц- и оливинсодержащих пород.
История радиобериллиевого метода началась несколько десятилетий на-
зад (Arnold, 1956; Amin et al., 1966). Огромный прогресс был достигнут с вне-
дрением сверхчувствительных УМС-методов определения ,0Ве. Как инстру-
мент датировки |0Ве был впервые применен для исследования глубоководных
океанических осадков и марганцевых конкреций, однако вариации началь-
ного содержания ограничивали его применение. Неудовлетворительное и по
сей день понимание экзогенной системы бериллия сдерживает его широкое
применение в исследовании континентальных осадочных пород. Получение
определенной полуколичестной информации о возрастах почв и осадочных
процессов все же вполне возможно. Климатическимодулированный сигнал
|0Ве в осадочных образованиях и ледниках позволяет выносить суждения об
изменениях палеоклимата. И наоборот, профиль ,0Ве в лёссовых разрезах и
кернах льда позволяет проводить стратиграфическую датировку этих после-
довательностей (,0Ве-стратиграфия). Образованный in situ 10Ве становится важ-
нейшим инструментом для датирования экспозиции и исследования скорос-
тей гео морфных процессов. Для этих задач анализ ,0Ве часто комбинируют с
измерениями космогенного МА1 (,0Ве - ^АЬметод) и *С1.
5.3.1. Методологическая основа
Бериллий - малораспространенный элемент. Его среднее геохимическое
содержание в земной коре — 2,5 мкг/г. Природный бериллий состоит, если
не считать космогенных изотопов 7Ве (/1Д = 53,2 дня) и |0Ве, лишь из ста-
бильного изотопа 9Ве. ,0Ве радиоактивен и распадается до ,0В с периодом
Д-полураспада /|/2 =1,51 млн лет. В атмосфере |0Ве образуется в основном
быстрыми нейтронами в реакциях расщепления ядер азота и кислорода.
Сорбируясь на мельчайшие частицы пыли, ,0Ве пребывает в атмосфере до
года, прежде чем выпадает с дождем или снегом на земную поверхность и
включается в осадочные образования. Содержание ,0Ве в дождевой воде со-
150 Глава 5. Космогенные нуклиды
ставляет ЮМ О4 |0Ве атомов г-1. Средняя глобальная скорость выпадения
составляет ~1,2 х 10б ,йВе атомов см’2 год-1. Две трети атмосферного берил-
лия-10 уходят в океан, где связываются с твердыми частицами. Проведя
около 1 тыс. лет в толще воды, ,0Ве попадает в глубоководные осадки. Ос-
тавшаяся треть атмосферного ,0Ве уходит на поверхность континентов, где
и захватывается почвами и мелкодисперсными осадочными породами.
Скорость выпадения |0Ве в океанических осадках сильно варьируется в
зависимости от состояния окружающей среды (Monaghan et al., 1985, 1986;
Lao et al., 1992). Если предположить, что начальная концентрация бериллия
No при осаждении не изменяется во времени, то возраст глубоководных от-
ложений можно определить по содержанию N в них остаточного ,0Ве, со-
гласно формуле (2). Поскольку очевидно, что No зависит от скорости осад-
конакопления г, удобно представлять уменьшение отношения N/No в лога-
рифмических координатах, в зависимости от глубины d в осадочном керне:
Рис. 40. Глубинный профиль содержания ,0Ве в осадочном керне из северных
областей Тихого океана (Mangini. 1986). На таком графике, где кон-
центрация 10Ве показана в логарифмическом масштабе, а глубина - в
линейном, наклон кривой определяется скоростью осадконакопле-
ния в образце.
Наклон прямой (А/г), таким образом, обратно пропорционален верти-
кальной скорости осадконакопления г (рис. 40). "Ве-датирование по такой
простой модели часто сталкивается с трудностями, поскольку Nq изменяется
5.3. Бериллий-10 I
во времени. Скорость образования |0Ве определяется потоком космических
лучей и его модуляцией магнитными полями Солнца и Земли. Поскольку
время жизни бериллия в атмосфере мало, все вариации |0Ве быстро трансли-
руются в другие континентальные и морские резервуары (Lao et al., 1992).
Выпадение ,0Ве подвержено влиянию климата. Кроме того, начальное содер-
жание бериллия зависит от литологических, седиментологических и педоло-
гических особенностей места. Еще одну проблему представляет примесь ,0Ве,
выносимого с продуктами континентального выветривания. Несмотря на эти
трудности, существует много успешных исследований скоростей глубинного
океанического осадконакопления и скоростей роста марганцевых конкреций.
Бериллиевый метод значительно более сложен в применении к континен-
тальным отложениям. Скорость осадконакопления сильно варьируется и мо-
жет прерываться выветриванием. Загрязнение детритовым выветренным ,0Ве
является скорее правилом, чем исключением. Был предпринят ряд попыток
датирования почвенных образований на стабильных основаниях в предполо-
жении, что концентрация ,0Ве растет со временем за счет его постоянного
поступления из атмосферы, достигая, в конце концов, радиоактивного равно-
весия. Трудно судить, насколько такая модель реалистична. Более обещаю-
щими выглядят попытки использовать ,0Ве в почвах и осадочных породах для
исследования связанных с этим экзогенных процессов.
Скорость образования ,0Ве под действием космических лучей в реакциях
расщепления ядер кислорода и кремния в поверхностных слоях горных по-
род на много порядков ниже, чем скорость образования бериллия в атмос-
фере. Но в отличие от атмосферного бериллия-10, переносимого и сорбиру-
емого в почвах и осадках, этот in situ ,0Ве не участвует в экзогенном цикле.
Он нарабатывается в силикатных минералах, в особенности в кварце, в по-
верхностном слое несколько метров толщиной, и, следовательно, отлично
подходит для датирования экспозиций.
5.3.2. Практические аспекты
Из-за различных методологических проблем датирование осадочных пород
и почв по ,0Ве еще далеко не является устоявшейся процедурой и поэтому
обычно включает проведение сопутствующих исследований. Метод более
надежен применительно к датированию поверхностных экспозиций, хотя
здесь тоже сохраняются некоторые нерешенные вопросы. При отборе об-
разцов для датирования экспозиции берутся образцы с измеренной глубины
в пределах верхних -10 см от невыветрелой горизонтальной скальной по-
верхности, чтобы исключить необходимость геометрических поправок1. По-
скольку концентрации |0Ве в минералах и осадках очень низки, УМС-из-
1 Введение геометрических поправок, иначе называемое «приведение к горизонту» —
отработанная и надежная процедура, поэтому при желании можно датировать не
только горизонтальные поверхности. - Прим. ред.
152 Глава 5. Космогенные нуклиды
мерения полностью вытеснили использование Д-счетчиков. Для УМС-анализа
достаточный размер образцов: < I г для глубоководных отложений, > 10 мг -
для марганцевых конкреций и лёссов, -10-20 г — для кварца и оливина.
В осадках ,0Ве преимущественно находится в глинистой фракции. После
просеивания образцы растворяются и химически осаждается мешающая ана-
лизу примесь железа. Бериллий выделяется методами ионного обмена и в
виде окиси анализируется в спектрометре. Предел обнаружения для УМС
составляет -5 х 10~,s для отношения ,0Ве / 9Ве или *5 х Ю5 атомов ,0Ве.
Время, уходящее на УМС-анализ образца |0Ве, составляет обычно -0,5 часа
при достигаемой точности около 2—5%. Данные измерений обычно пред-
ставляются в виде числа атомов ,0Ве (г1).
5.3.3. Применение
Почвы. Концентрация ,0Ве в почвах высока, до 1(У атомов Г*. Это объясняется
следующей моделью. Эволюция почв протекает длительное время, в течение
которого подстилающая порода подвергается химическому выветриванию.
Выпадающий атмосферный 10Ве накапливается, преимущественно в глинис-
той почвенной фракции. Доля этой фракции за время эволюции почвы растет,
а вместе с ней растет и содержание |0Ве, пока не достигает равновесия за счет
радиоактивного распада и выветривания почвы. Если известна скорость выпа-
дения |0Ве из атмосферы в данном месте, такая прямолинейная модель должна
позволить определение возраста почвы, а также скорости ее выветривания
(Monaghan et al., 1983; Pavich et al., 1986). Хотя время удержания ,0Be в почве,
казалось бы, превосходит его период полураспада, ,0Ве-методом пока не удава-
лось получить надежные данные о возрасте и эрозии почв. В основном это
происходит из-за того, что в почвах ,0Ве ведет себя как открытая система, в
частности переносится вниз по профилю растворами с кислой реакцией. Мало
известно также о сложной экзогенной системе бериллия. Несмотря на эти
ограничения, измерения ,0Вс дают, по крайней мере, качественную информа-
цию об образовании и эрозии почв, что было, например, продемонстрировано
в североамериканском Пьемонте (North American Piedmont), где из-за разру-
шительной сельскохозяйственной практики, начиная с 1700-х годов, огромные
массы почв подверглись эрозии и переносу (Brown, 1987). Этот регион характе-
ризуется увеличенным ,0Ве-индексом, т.е. отношением атомов |0Ве, покидаю-
щих область, к количеству приходящих. Чтобы обойти проблему подвижности
в почвах, Барг и др. (Barg et al., 1997) для анализа отбирали аутогенные мине-
ральные фракции почвенного В-горизонта, такие как глины и окиси железа.
Предполагалось, что эти минералы образуют закрытую систему. Результаты,
полученные для ряда почвенных профилей из умеренных и тропических зон,
указывают на справедливость в этом случае закрытой модели для 10Ве.
Озерные и флювиальные осадки. Содержание ,0Ве в материале этих отло-
жений отличается большим разбросом, от < 107 до 109 атомов г-'. Этот раз-
5.3. Бериллий-10 153
брос определяется различными источниками поступления ,0Ве. Двумя ос-
новными составляющими являются детритовый |0Ве, выветрившийся из почв,
окружающих источники, и атмосферный |0Ве, приходящий с атмосферными
осадками. Детритовая составляющая несет информацию о транспортном
балансе потоков, а атмосферная - о возрасте и скорости отложения. Тем не
менее на практике разделение этих двух составляющих вряд ли возможно
(Morris, 1991).
Рис. 41. Содержание |0Ве (левая шкала) как функция возраста отложения в
лёссовом профиле из Люочуань, провинция Шаанкси (Luochuan,
Shaanxi), Китай. Содежание ,0Ве меняется от низких значений в лёс-
сах (L) к высоким в палеопочвах (S) и демонстрирует отрицательную
корреляцию с морской кривой #‘О (правая шкала). Это указывает на
приток |0Ве, контролирующийся климатическими вариациями (Shen
et al., 1992; с разрешения Elsevier Science Ltd.).
Лёссы. Профили содержания |0Ве в лёссовых палеопочвенных последо-
вательностях являются чувствительным климатическим индикатором и, со-
ответственно, могут быть напрямую использованы для датирования лёссо-
вых профилей, как было показано (Shen et al., 1992) на образцах с лёссового
плато Люочуань (Luochuan), Китай, провинция Шаанкси (Shaanxi). Было
отобрано большое количество образцов вдоль профиля 55-метровой глуби-
ны, покрывающего плейстоцен, включая границу Матуяма-Брюнес. Для
УМС-анализа отобрали и подготовили по 3 г лёссового материала на обра-
зец. Исследование карбонатных гранул основания слоев палеопочв подтверди-
(|Ц54 Глава 5. Космогенные нуклиды
до несущественное влияние растворения карбонатов на миграцию бериллия-
10. Концентрация '°Ве в профиле менялась от 0,5 х I08 до 6.5 х 10* атомов г1,
причем низкие значения приходились на лёссы, а высокие - на палеопоч-
вы. Этот эффект отражает различные скорости осадконакопления для быс-
тро накапливаемых гляциальных лёссов и, в промежутках, межледниковых
палеопочв, значительно большее время аккумулирующих атмосферный |0Ве.
Очевидно, что кривая содержания ,0Ве определяется климатическими изме-
нениями. Ее форма подобна морской кривой '«О / |6О (разд. 10.2). После
состыковки сопоставлением особенно характерных вариаций на обеих кри-
вых путем растягивания и сжатия лёссовой шкалы глубин была получена
отличная корреляция между обоими профилями (рис. 41). Этот факт не
только важен для доказательства глобального характера четвертичных вари-
аций климата, но и позволяет перенести океаническую ,8О / |6О хронологи-
ческую шкалу на континентальные лёссовые профили с точностью, вероят-
но. не хуже 5-10 тыс. лет. На основании других лёссовых пал еопоч венных
последовательностей Китайского лёссового плато (Chinese Loess Plateau) кри-
вая была продлена в прошлое на 5 млн лет (Gu et al., 1996). Исследуя
лёссовый профиль Люочуань (Luochuan). Биер и др. (Beer et al., 1993) обна-
ружили корреляцию между содержанием ,0Ве и магнитной восприимчивос-
тью материала — еще одной стратиграфической характеристикой.
Глубоководные осадки. Выпадающий с атмосферными осадками в океан
,0Ве пребывает в толще воды -I тыс. лет - срок, примерно равный времени
перемешивания океана, и затем, сорбированный на частицы, оседает на
дно. Кроме этого аутогенного компонента в глубоководных осадках может
также присутствовать и детритовый ,0Ве из континентальных почв. Датиро-
вочная модель требует постоянства поступления '“Be в осадки. Это предпо-
ложение довольно часто нарушается изменяющимися литологическими ус-
ловиями (в основном содержанием глин), скоростью осадконакопления и
донными течениями. Для датирования важна лишь аутогенная фракция '“Be.
Разделить аутогенную и детритовую фракцию непросто. Для этого предлага-
лось применять промывание гидроксидом натрия NaOH (Wang et al., 1996).
Рассуждения в данном случае аналогичны тем, что приведены для метода
избытка 23OTh (разд. 4.1.5). Оба метода часто применяются совместно для
исследования глубоководных отложений. Если построить на логарифмичес-
кой шкале зависимость содержания rtBe от глубины в керне, измерения
ложатся на прямую, наклон которой дает скорость осадконакопления. Из-
менение наклона указывает на изменение осадконакопления, как показы-
вает пример керна с севера Тихого океана на рис. 40 (Mangini, 1985). Наибо-
лее высокая скорость осадконакопления 1,9 мм/тыс. лет в течение после-
дних 1,3 млн лет отражает увеличенное поступление обломочного материала
в океан, вызванного оледенением в Северном полушарии. Растущие на дне
океана марганцевые конкреции включают в свой состав ,0Ве из морской
воды. Это дает возможность определять возраст и скорость роста конкреций
5.3. Бериллий-10 ISS J)
(Mangini, 1985). Использование сверхчувствительной УМС для измерения
содержания ,0Ве позволяет определять возраст до 15 млн лет. В арктических
глубоководных кернах Эйзенхауэр и др. (Eisenhauer et al., 1990, 1995) обна-
ружили вариации содержания |0Ве, зависящие от климатических условий.
Содержание ,0Ве выше в межледниковых осадках по сравнению с гляниаль-
ными. Форма кривой содержания |0Ве коррелирует как с вариациями 5**0,
так и с вариациями 2J0Th. Поскольку содержание карбонатов в арктических
глубоководных осадках низко и, соответственно, непригодно для построе-
ния стратиграфии, вариации ,0Ве ('° Be-стратиграфия} весьма важны для ус-
тановления хронологии такого рода отложений.
Рис. 42. Глубоководные марганцевые конкреции захватывают "'Be из морской
волы. Соответственно, по распаду 10Ве можно определить как их воз-
раст, так и скорость роста. На фотографии показан срез марганцевой
конкреции из южной части Тихого океана с глубины 5600 м (Segl el
al.. 1984).
Вулканические породы. 10Ве, который образуется in situ в оливине, можно
использовать для датирования экспозиции вулканических пород. Шепард и
др. (Shepard et al., 1995) сделали это для потока базальтовой лавы Черная
Скала (Black Rock) вулканического поля Лунный Кратер (Lunar Crater), штат
Невада. Были отобраны вкрапления оливина с глубины 5-8 см под горизон-
156 Глава 5. Космогенные нуклиды
тальной поверхностью, все еще сохраняющей начальную структуру лавового
потока. Полученное среднее по трем образцам - 43,8 ±11,4 тыс. лет -
находится в согласии с датированием экспозиции цельной породы по ^Cl,
равным 33,9 ± 6,7 тыс. лет, но на порядок моложе К-Аг-датировки. Что
касается последней, то на ее возможную ошибочность указывало избыточ-
ное содержание аргона в образцах.
Атмосферный ,0Ве также находит применение при исследовании вулка-
нических пород. В зонах активной субдукмии геологически молодые глубо-
ководные осадки вместе с подстилающей океанической корой уносятся в
верхнюю мантию и частично переплавляются. Эти расплавы могут поднять-
ся обратно на земную поверхность и извергнуться в виде лавы. Поскольку
содержание ,0Ве в океанической коре много меньше, чем в глубоководных
осадках, можно использовать |0Ве в лаве как трассер. Предпринимались по-
пытки извлечь информацию о балансе масс и временных масштабах пере-
плавления по содержанию ,0Ве в вулканических породах чилийских Андов
(Sigmarsson et al., 1990). Однако, если не учитывать неоднородность осажде-
ния ,0Ве в Тихом океане, такой подход может столкнуться с трудностями
(Lao et al., 1992).
Керны льда. Керны из скважин, пробуренных в ледяных покровах Гренлан-
дии и Антарктиды, покрывают весь климатический цикл за последние 150 тыс.
лет1. Содержание ,0Ве во ладу сильно варьируется, демонстрируя отрицатель-
ную корреляцию с содержанием ”0 (разд. 1.2.3). Кривые |0Ве в различных
кернах льда согласуются между собой, даже в планетарном масштабе (Веет et
al., 1987). пВе, выпадающий на поверхность ледника, во время холодных и
сухих периодов меньше разбавляется снегом, что приводит к увеличению его
концентрации. Например, содержание ,0Ве во время малого ледникового пери-
ода (XVII-XVIИ века н.э.), обусловленного Маундеровским минимумом сол-
нечной активности, на 40-100% больше (Beer et al., 1985)1 2 3. Значительно боль-
шее увеличение (200-300%) наблюдается в переходной зоне от последнего оле-
денения к голоцену -11,5 тыс. лет назад (Yiou et al., 1985). Чтобы избавиться от
сильного климатического сигнала в содержании |0Ве во льду, который, очевид-
но, мешает датированию, делались попытки проводить совместный его анализ
с изотопом *С1 — “We - *С1-метод (эффективный период полураспада - 370
тыс. лет), однако без особого успеха (Elmore et al., 1987).
Кварцсодержащие породы. Образующийся in situ космогенный ,0Ве мож-
но использовать для датирования экспозиции и изучения выветривания раз-
1 К настоящему времени извлечены керны, покрывающие уже три последних климати-
ческих цикла -400 тыс. лет в прошлое. - Прим. ред.
3 Увеличение концентрации “°Ве во время минимума Маундера вызвано в основном
увеличением скорости образования изотопа за счет снижения модулирующего действия
Солнца и увеличения падающего на Землю потока космических лучей. - Прим ред.
5.4. Радиоуглерод (,4С) 157
личных кварцсодержаших пород (Nishiizumi et al., 1986). Кварц образует
геохимически закрытую систему, и, таким образом, ,0Ве in situ не загрязня-
ется примесью атмосферного ,0Ве. Поскольку содержание in situ ,0Ве весьма
невелико, для анализа требуется 10-30 г кварца. Часто комбинируют анализ
,0Ве с “AI (,0Ве - мА1-метод, разд. 5.6). В геоморфологии метод нашел широ-
кий спектр применений. Как пример приведем датирование таяния ледника
в горах Сьерра-Невада (Sierra Nevada), Калифорния, по ,0Ве-анализу сгла-
женных ледником гранитных поверхностей (Nishiizumi et al., 1989). В этом
случае ,0Ве-хронометр запускается, когда исчезает покрывающий породы и
экранирующий их от космических лучей лед. Возраст падения метеоритов
может быть определен датированием по |0Ве-экспозиции выброшенных с
большой глубины при ударе обломков, как было продемонстрировано на
примере метеоритного кратера в Аризоне (разд. 5.6.3 и 5.8.3). Датировка
экспозиции гранитных валунов по ,0Ве и “А1 использовалась для оценки
времени образования конусов выноса в горах Сьерра-Невада, которое, в
свою очередь, связано с частотой землетрясений (Bierman et al., 1995). Ана-
лиз содержания ,0Ве и “А1 в кварце Аллан-Хиллз (Allan Hills), Антарктида, и
Анза-Боррего (Anza Borrego), Калифорния, позволил определить скорость
выветривания, которая оказалась равной соответственно 0,2 и 20 м млн лет-1
(Nishiizumi et al., 1986). ,0Ве - “Al-метод показал, что скорость разрушения
гранитных куполов в Южной Австралии очень низка, менее 0,7 м млн лет"1
(Bierman and Turner, 1995; разд. 5.6.3). Анализ содержания ,0Ве в кварце
подстилающей породы, почв, мест с отрицательным балансом масс и флю-
виальных отложений бассейна реки Икакос (Icacos), Пуэрто-Рико, опреде-
лил среднюю за долгое время скорость выветривания, равную -43 м млн
лет"1 (Brown et al., 1995). При исследовании истории изменения уровней
плейстоценовых озер датирование применялось к кварцу, выделенному из
метаморфических кварцитов и фельзитовых пород на высоте от 3 до 160 м над
уровнем моря в Долине Смерти (Death Valley), Калифорния, включенных в
последовательность пляжных конгломератов (Trull et al., 1995). Однако по-
лученные ,0Ве возрасты, между 17 тыс. и 135 тыс. лет, не находятся в система-
тической связи с уровнями террас, что указывает на то, что из-за позднего
переноса содержание |0Ве не точно отражает его наработку в данном месте
взятия образца. Следовательно, определения возраста могут в этом случае
служить лишь верхним пределом периода экспозиции в текущем месте.
5.4. Радиоуглерод (,4С)
Углерод является основой всех живых организмов. Один из его изотопов,
известный как радиоуглерод |4С, — радиоактивен, однако постоянно возоб-
новляется под действием космических лучей в атмосфере, и, таким образом,
его содержание поддерживается на некоем равновесном уровне. Из атмос-
феры |4С посредством обмена переходит в биосферу и гидросферу. Если
обмен посрывается, содержание радиоуглерода в системе начинает посте-
^Ц58 Глава 5. Космогенные нуклиды
пенно убывать, что и позволяет датировать в диапазоне от 300 лет до 40-50
тыс. лет различные останки органического происхождения, такие, напри-
мер, как дерево и кости, а кроме того, лед, грунтовые и океанические воды.
Анализируя хронологическую информацию, которую позволяет получить
радиоуглерод, надо помнить, что между датированным моментом образова-
ния органического материала и его использованием человеком, или захоро-
нением в осадках, может пройти значительный промежуток времени. Дру-
гими словами, радиоуглеродная дата часто представляет некий terminus post
quern (предел после этого), т.е. верхний предел, дня интересующего события.
Содержание ,4С определяют с помощью счетчиков радиоактивности или
ускорительной масс-спектрометрии. Специализированная аппаратура позво-
ляет при использовании счетчиков, в зависимости от размеров образца и
уровня загрязнения молодым радиоуглеродом, датировать образцы, имею-
щие возраст до ~40 тыс. лет. Радиоактивность более древних образцов слиш-
ком мала и неотличима от фоновой радиации. Специальные приемы изо-
топного обогащения позволяют при благоприятных условиях определить воз-
раст до 75 тыс. лет. Для высокоточного измерения радиоактивности требу-
ются относительно большие образцы, что для археологических объектов не
всегда возможно. С освоением УМС появились надежды, что предел дати-
рования с помощью ,4С будет вскоре доведен до 75 тыс. лет. Хотя в принци-
пе эта цель достижима, неизбежное и неотделимое загрязнение современ-
ным углеродом ограничивает на практике интервал УМС- и ‘^-датирова-
ния последними 40-50 тыс. лет, а в благоприятных условиях - 60 тыс. лет
(Tuniz, 1996). Важным преимуществом УМ С-метода является короткое вре-
мя измерения, а также значительно меньшие размеры необходимого для
анализа образца, допускающие, например, работу с отдельными зернами
злаков. Появилась также возможность селективно исследовать образцы с
углеродными компонентами разных возрастов, что позволило значительно
расширить области применения.
Возможное присутствие радиоуглерода в атмосфере обсуждалось еще в
1930-х годах, однако лишь в 1947 г. его существование было доказано экспе-
риментально (Anderson et al., 1947). В 1949 г. Арнольд и Либби (Arnold and
Libby, 1949) впервые сообщили о датировании с помощью 14С, что явилось
плодом систематической научной разработки направления (Libby, 1952). Это
достижение было отмечено присуждением Либби в 1960 г. Нобелевской пре-
мии по химии. С улучшением в 1950-х годах точности измерений и накоп-
лением массива данных стало очевидно, что |4С-возрасты обычно оказыва-
лись меньше независимо определенных возрастов, в частности для истори-
чески датированных объектов египетского Древнего Царства. Поскольку
возможность неточности египетской хронологии полностью отмести было
нельзя, была начата обширная программа измерений содержания ,4С в ден-
дрохронологически датируемых кольцах древних остистых сосен, растущих
в Белых Горах (White Mountains) в Калифорнии. Результаты этих исследова-
ний подтвердили расхождение датировок (de Vries, 1958). Нерегулярный ха-
5.4. Радиоуглерод (,4С)
рактер расхождений, обнаруженный Зюссом (Suess, 1965) привел к введе-
нию процедуры калибровки радиоуглеродных дат. К настоящему времени
калибровочные кривые, основанные на годичных кольцах деревьев, прости-
раются в прошлое на 12 тыс. лет, больший интервал (до 30 тыс. лет), хотя и
с меньшей точностью, перекрывают кривые, построенные по кораллам, да-
тируемым по урановым рядам (Stuiver et al., 1993).
Среди физических методов, применяемых в археологии, геологии чет-
вертичного периода и палеоботанике, радиоуглеродный метод является наи-
более известным и широко распространенным. Сложности геофизического
и геохимического характера в радиоуглеродной обменной системе Земли,
которые за прошедшие 40 лет неоднократно вызывали недоразумения и не-
понимание, к настоящему моменту практически полностью прояснены и
контролируются. Гибкость и точность |4С-метода, усиленная дендрохроно-
логической калибровкой, сделала радиоуглерод неотъемлемым инструмен-
том определения возраста. Его применение совершило революцию в архео-
логии и доисторической хронологии (Renfrew, 1976).
5.4.1, Методологическая основа
Современный природный углерод представлен тремя изотопами. Из них два
стабильны - ,2С (98,89%) и ,3С (1,11%), а радиоактивный |4С, который при-
сутствует в следовых количествах как примесь (около 10~12), подвержен
Д-распаду со временем = 5730 лет. В основном ,4С образуется в стратос-
фере на высотах в 12—15 км при столкновении вторичных нейтронов от
космических лучей с ядрами азота в реакции l4N(n, р)’4С. Средняя глобаль-
ная скорость образования составляет 7,5 кг лет-1, однако она подвержена
существенным вариациям, как по широте, так и во времени. Общее количе-
ство ,4С на Земле составляет '75 т. Образование радиоуглерода in situ на
поверхности горных пород пренебрежимо мало (Zito et al., 1980).
Модель Либби. Содержание ,4С поддерживается на некотором равновес-
ном уровне балансом между атмосферным космогенным образованием и
радиоактивным распадом. С химической точки зрения ,4С ведет себя анало-
гично двум другим изотопам углерода. Он соединяется с кислородом с обра-
зованием углекислого газа и диффундирует в нижние слои атмосферы в
виде радиоактивного ,4СО2. Образовавшийся ,4С равномерно распределяет-
ся по всей атмосфере за время около 5 лет. В настоящее время содержание
СО2 в атмосфере составляет около 0,03%. За несколько лет радиоуглерод,
благодаря фотосинтезу растений, проникает в биосферу и пищевые цепи, a
также через образование карбонатов в гидросферу и далее в виде СаСО} в
морские и континентальные отложения. На рис.43 показан углеродный цикл
обмена через различные резервуары. Основной объем обменного углерода
содержится в океане — около 94%, а в атмосфере лишь 2%. В предположе-
нии, что скорость перемешивания |4С, время нахождения в резервуарах
160 Глава 5. Космогенные нуклиды
и время обмена между резервуарами короче периода полураспада, можно
ожидать, что равновесная концентрация 14С везде такая же, как и в атмос-
фере. Надо отметить, что это предположение выполняется не для всех ре-
зервуаров.
Рис. 43. Цикл углерода в природе. Между большими природными резервуара-
ми “ атмосферой, гидросферой и биосферой идет постоянный обмен
углеродом. Различные резервуары содержат различные доли (в %) от
общего количества углерода, вовлеченного в обмен. Указано также
среднее время жизни атома углерода в резервуарах. Литосфера в об-
мене участвует чрезвычайно медленно (по сравнению с временем по-
лураспада МС), поэтому и играет второстепенную роль.
До тех пор пока организмы участвуют в цикле обмена, в них также под-
держивается равновесная концентрация ,4С. Со смертью организма он вы-
водится из цикла, и поступление 14С прекращается. С этого момента началь-
ная концентрация ,4С0 начинает снижаться за счет радиоактивного распада.
Согласно модели Либби радиоуглеродный возраст t [л] при концентрации
оставшегося в образце ,4С рассчитывается как:
/ = 8033 In (|4С0 / ,4С), (41)
т.е. снижение ,4С на I % примерно соответствует увеличению возраста на 80 лет.
Полученные по этой модели 14С-возрасты оказались слишком низкими,
что указывает на неверность модельных предположений о временном и про-
странственном постоянстве начальной концентрации l4C (de Vries, 1958).
Вариация концентрации во времени очевидна из наблюдаемого расхожде-
5.4. Радиоуглерод С* С)
ния между радиоуглеродными и календарными годами (рис. 44). Эта вариа-
ция ,4С наблюдается практически синхронно по всей земной поверхности
из-за быстрого перемешивания в атмосфере.
cal ВС
Рис. 44. Расхождение между конвенциональными радиоуглеродными и кален-
дарными годами за последние 12 тыс. лет по измерениям в кольцах
деревьев (В.Кготег). На этом временном интервале радиоуглеродный
возраст оказывается обычно меньше, вплоть до -2000 лет. Это рас -
хождение объясняется долгопсриодическими вариациями начального
отношения ,4С/С.
Временные вариации начального содержания радиоуглерода. Различают долго-
и короткопериодические вариации |4С, а также естественные и антропоген-
ные вариации. Традиционно считалось, что долгопериодические вариации
,,4С имеют амплитуду -10% и период около 20 тыс. лет. Данные древесных
колец свидетельствуют о снижении начального содержания ,4С за последние
11 тыс. лет на -10%, поскольку радиоуглеродный возраст 10 тыс. лет образ-
цов ниже календарного примерно на 1 тыс. лет. Очевидно, что полупериод
10 тыс. лет являлся просто следствием величины временного промежутка*
для которого имелись дендроданные. Сейчас такая упрощенная модель си-
нусоидальной долгопериодической вариации содержания ,4С считается ус-
таревшей. Сравнение УМС ,4С-измерений с ТИМС (термоионизационная
162 Глава 5. Космогенные нуклиды
масс-спектрометрия) определениями возраста кораллов позднего ледниковья
по урановым рядам (разд. 4.3) демонстрирует, что расхождение между радио-
углеродными и солнечными (календарными) годами для 20-тысячелетних ко-
раллов увеличивается в прошлое еще больше, до 3,5 тыс. лет (рис. 45). Таким
образом, концентрация ,4С в атмосфере в то время была до 40% - выше, чем
в наши дни (Bard et al., 1990b, 1992). Значительное уменьшение на 15%
произошло в конце климатической стадии позднего дриаса (Younger Dryas)
(Edwards et al., 1993). Обсуждались различные причины дслгопериодических
вариаций МС. Наиболее важную роль обычно отводят магнитному полю Зем-
ли. Увеличение дипольного момента приводит к более сильному отклоне-
нию и отражению космических лучей и, таким образом, к снижению обра-
зования радиоуглерода. На содержание радиоуглерода также влияет климат,
в частности увеличение притока пресной талой воды в Северную Атланти-
ку, что заметно влияет на океаническую циркуляцию и, следовательно, на
баланс между океаном и атмосферой. Такие климатические изменения вы-
зывают высвобождение в атмосферу «древнего» углекислого газа из глубин-
ных вод океана. Как следствие, концентрация НС в атмосфере оказывается
разбавленной. Этот сценарий усиленного перемешивания и обмена с океа-
ном рассматривается в качестве объяснения резкого снижения атмосферно-
го ,4С в позднем дриасе (Goslar et al., 1995: Bjork et al., 1996). Еще одной
причиной долголериодических вариаций 14С называют вариации первично-
го потока космических лучей.
Рис. 45. Расхождение между
возрастом кораллов с Барбадо-
са на интервале 30-10 тыс. лет,
определенное по урановым
цепочкам и ,4С (г1/3 = 5730 лет).
Крестики показывают дендро-
возрасты и возрасты ленточных
глин, приведенные для сравне-
ния. Если считать, что урано-
вые возрасты соответствуют ка-
лендарным, что для голоцена
доказывается их согласием с
дендровозрастами и возрастами
ленточных глин, то определе-
ния по ,4С оказываются зани-
женными, вплоть до 3500 лет.
Этот результат имеет важней-
Возрост по урановым гдоочком |лет)
шее значение для установления
временной эволюции начального отношения >4С/С и коррекции возрастов в рас-
сматриваемом временном промежутке (Bard et al., 1990b; с разрешения Macmillan
Magazines Ltd,).
Рис. 46. Соответствие между конвенциональным НС-возрастом (в годах до
1950) и календарными годами (до 1950), определеннее по древесным
кольцам (каждые 10 колец = I образец НС) ели Дугласа для периода
1500-1950 гг. н.э. Ширина кривой соответствует удвоенной счетной
ошибке измерения. В случае согласия возрастов кривая должна была
бы пройти вдоль прямой 1:1. Слишком большие ,4С-возрасты начи-
ная с 1830 года, вызваны индустриальным сжиганием ископаемых уг-
леродных топлив. Слишком низкие |4С-возрасты в промежутке 1630—
1750 гг. вызваны минимумом активности солнечных пятен (минимум
Маундера), что проявлялось в увеличении образования |4С (Stuiver,
1978; с разрешения Macmillan Magazines Ltd.).
На графике радиоуглеродного возраста в зависимости от календарных лет
наблюдаются и нерегулярные вариации продолжительностью в 100-200 лет и
амплитудой до 2%. Эти вариации ,4С средней продолжительности (осцилляции,
колебания Зюсса) антикоррелируют с изменениями солнечной активности, так
как солнечные магнитные поля модулируют поток космических лучей. Когда
солнечная активность высока, поток космических лучей и, следовательно, ско-
рость образования ”С уменьшаются (эффект де Фриза). Усиление солнечной
164 Глава 5. Космогенные нуклиды
активности обычно сопровождается улучшением климата (Suess, 1979), и на-
оборот. Например, хорошо документированный минимум солнечной активно-
сти Маундера совпал с малым ледниковым периодом XVH-XV111 веков и со-
провождался увеличением содержания атмосферного НС на 2% (рис. 46). Кро-
ме этих вариаций существует также и 11-ти летний цикл образования радиоуг-
лерода. Амплитуда этой короткопериодической вариации, связанной с 11-лет-
ним периодом солнечных пятен, составляет около 1,4% (Stuiver, 1993).
Одним из последствий индустриализации, начавшейся в середине XIX
века, был выброс в атмосферу большого количества «мертвого», т.е. не
содержащего ИС, углекислого газа СО? от сжигания ископаемых топлив,
вначале угля, а затем и нефти. Это разбавление концентрации атмосфер-
ного ИС на ~0,03% в год известно как эффект Зюсса. С 1850-х по 1950-е
годы концентрация ,4С в атмосфере снизилась на 3%, что означает, что
радиоуглеродный возраст кольца дерева из 1950 года будет превосходить
его истинный возраст на 240 лет, если основываться на начальном содер-
жании НС в доиндустриальный период. Соответственно, этот эффект не
позволяет датировать образцы моложе 1850 года.
Ядерные испытания в атмосфере в период 1950-1964 годов временно
привели почти к удвоению содержания ,4С в атмосфере (бомб-эффект),
оно все еще на -20% выше нормы и в наше время1. Хотя такие увеличен-
ные концентрации и составляют определенную проблему для датировок,
увеличивая риск загрязнений, бомб-пик в радиоуглероде можно использо-
вать как искусственный трассер для метеорологических и гидрологических
процессов (Levin et ak, 1992), в том числе и для их датировок1 2.
Пространственные вариации начального содержания радиоуглерода. Кроме
временных вариаций также существует пространственная неоднородность в
материалах и резервуарах, участвующих в углеродном цикле. Различают изо-
топное фракционирование и резервуарные эффекты.
Изотопы одного и того же элемента химически ведут себя идентично, но
имеют различные кинетические скорости реакций из-за различия масс. Это
явление для большинства элементов незначительно. Однако для легких эле-
ментов, таких как >тлерод, это не так. Относительная разница масс (т.е.
разность масс, отнесенная к массовому номеру) между изотопами в этом
случае достаточно велика, чтобы вызвать в химических реакциях заметное
изотопное фракционирование. Так, например, фотосинтез обогащает легкий
,2С относительно более тяжелого |3С, а последний, в свою очередь, относи-
тельно еще более тяжелого ,4С. Таким образом, углерод в растениях оказы-
вается изотопно легче, чем в атмосфере. Поскольку разница в массе между
12С и ,3С составляет одну единицу, а между ,2С и ,4С - две единицы, изотоп-
ное фракционирование ,4С относительно ,2С примерно в два раза больше,
чем ,3С относительно ,2С. Изотопное фракционирование образца обознача-
1 В 2003 г. превышение составляло -14%. - Прим. ред.
2 См. Levchenko et al., 1996. В Прил. I. - Прим. ред.
54. Радиоуглерод (,4С) 165
ется греческой буквой 5. Для пары ,3С / ПС величина З'С означает отклоне-
ние в промилле [%о] образца «Р* от стандарта *S» (PDB белемнит) и рассчи-
тывается по формуле:
<5»3С = 1000 [(‘3С / ,2С)р - |('3С / ,2C)S] / I('3C / |2C)s. (42)
------* 6”С
-32 -24 -16 -8 0 *4 %®
Стандарт PDB (по определению)
Морской НСО) ---
Морские карбонаты 1
Атмосферный СО} .....—
Первичные карбонаты гочвы ।
Вторичные карбонаты почвы
Почвенные воды HCOj —
Поверхностные воды НСОЭ
Поверхностные воды CoCOj '
---- Кукуруза, тростник (C4I
м Костный животный коллаген
— 1 Морской Органике
” Наземные растения (СЗ)
Деревья, древесный уголь
" Торф, гумус
-100 о 100 200 * 300 ' 400 л*
Рис. 47. Изотопное фракционирование 13С, представленное в виде д3С (в %о,
верхняя шкала), для различных резервуаров и веществ, нормализо-
ванное на стандарт PDB. При расчете конвенционального радиоугле-
родного возраста измеренное значение 5”С приводится к значению
для древесины (~25%о). Соответствующая поправка возраста приве-
дена на нижней шкале (Mook and Waterbolk, 1992).
По определению 5*3С для PDB-стандарта равна 0%о. На рис. 47 показа-
ны некоторые типичные значения £*3С для ряда резервуаров и материалов.
Изотопное фракционирование подразумевает, что радиоуглеродный возраст
образцов с тем же календарным возрастом, но различными значениями ^3С
(|^66 Глава 5. Космогенные нуклиды
окажется тоже различным, с отклонением в 16 лет на каждый 1%о
Очевидно, что с увеличением 5°С радиоуглеродный возраст уменьшается,
т.е. наблюдается омоложение. Такое искажение возраста, естественно, тре-
бует введения поправок. В соответствии с международным соглашением (кон-
венцией) радиоуглеродный (конвенциональный, или нормализованный) воз-
раст рассчитывается с приведением значения 5*3С к норме для древесины
(-25%о). Содержание радиоуглерода |4Сс, поправленное на изотопное фрак-
ционирование, рассчитывается из количества измеренного ,4Ст по формуле:
,4Сс = ,4Ст [ I - 2(5°С + 25)/1000]. (43)
Коэффициент 2 учитывает удвоение изотопного фракционирования для
,4С по сравнению с ,3С. Например, для образца с 5”С = -15%о получаем
,4Сс = 0,980 |4СГО для поправленного содержания, что означает, что в соответ-
ствии с формулой (41) такое изотопное фракционирование увеличивает ра-
диоуглеродный возраст на 160 лет. Для большинства материалов коррекция
возраста на изотопное фракционирование не превосходит 80 лет, однако
для морских карбонатов и организмов может достигать и несколько сот лет.
Поскольку изотопное фракционирование углерода зависит от условий про-
текания химических реакций, в первую очередь от температуры, такие из-
мерения используются для исследования палеоклимата.
Резервуарный эффект относится к вариациям изотопного состава углеро-
да внутри резервуара, из которого организм черпает свой углерод. К про-
странственным вариациям могут приводить различные причины. Если угле-
род находится в пределах одного и того же резервуара достаточно долго и
быстрое (по сравнению с периодом полураспада г|/2) перемешивание или
обмен с другими резервуарами отсутствует, то концентрация ,4С будет сни-
жаться («старение» углерода). Примесь «старого» углерода также снижает
концентрацию ,4С. Резервуарные эффекты приводят к увеличению возрас-
та, их оценка вызывает определенные трудности (Olsson, 1979).
Поверхность океана постоянно обменивается углекислым газом с атмос-
ферой, поэтому поверхностные воды имеют атмосферное отношение
|4С / |2С. Напротив, глубинная циркуляция океана протекает медленно, с
характерным временем ~2 тыс. лет. Глубинные воды не обмениваются с
атмосферой, и, следовательно, содержание ,4С в них постоянно уменьшает-
ся. Радиоуглеродный возраст глубинных океанических вод достигает 1,7 тыс.
лет (морской резервуарный эффект). Когда эти «старые» воды выходят на
поверхность, они смешиваются с «молодым» поверхностным слоем. Поэто-
му воды в зонах апвелинга имеют кажущийся ,4С-возраст порядка 400 лет.
Поскольку перемешивание определяется местными условиями, такими как
форма побережья, течение и ветер, кажущийся ,4С-возраст морской воды
меняется от места к месту и во времени (Stuiver and Braziunas, 1993). При
постройке своих тел и скелетов морские организмы, если не считать фрак-
ционирования при метаболизме, переносят в них изотопное отношение
5.4. Радиоуглерод С) 167
,4С / 2С морской воды. Как следствие этого, морские раковины, форами-
ниферы и кораллы могут иметь ,4С-возраст. превышающий истинный. Одна
из возможностей для учета этого эффекта заключается в измерении содер-
жания ,4С у современных организмов (однако старше 1950 года во избежа-
ние бомб-эффекта) из того же исследуемого района. Хотя, к счастью, резер-
вуарный эффект (завышение радиоуглеродного возраста на ”400 лет) н эф-
фект изотопного фракционирования (занижение мС-возраста, см. рис. 47)
для многих прибрежных областей в какой-то мере компенсируют друг дру-
га, оба явления надо учитывать независимо.
Еще один резервуарный эффект наблюдается в атмосфере между Се-
верным и Южным полушариями (эффект Северного-Южного полушария).
|4С-датировка годовых колец деревьев одного и того же возраста показала,
что в Южном полушарии ,4С-возраст оказывается систематически больше
на '30 лет (Lerman et al., 1970). Эффект объясняется тем, что поверхность
океанов в Южном полушарии больше, и, таким образом, «современный»
атмосферный СО? оказывается более разбавленным «старым» океаническим
СО2. Несмотря на быстрое атмосферное перемешивание внутри полушарий,
обмен между ними вблизи экватора затруднен из-за того, что основные вет-
ры в этой зоне дуют в противоположных направлениях.
В богатых карбонатами почвах и грунтовых водах наблюдается эффект
жесткой воды (Deevey et al., 1954). При перемещении по карбонатным по-
чвам и водоносным горизонтам грунтовые воды растворяют геологический
«древний» углерод, который разбавляет имеющийся в них «современный»
органогенный углерод. Такое смешивание обеих углеродных фракций при-
водит к увеличению ,4С-возраста грунтовых вод. Попадая в реки и озера, эта
обедненная 14С вода смешивается в разных отношениях с «молодыми» по-
верхностными водами. Таким образом, организмы» например пресновод-
ные моллюски и растения, живущие в этой среде, могут демонстрировать
увеличение ,4С-возраста вплоть до нескольких сотен лет. Эффект жесткой
воды также наблюдается в эстуариях. Коррекция на эффект жесткой воды
весьма затруднена из-за его большой региональной и временной изменчи-
вости. «Мертвый» углерод также может высвобождаться при разложении
известняков гуминовыми кислотами, что приводит к снижению доли ,4С в
почвенном СО2 и в известковых образованиях (Geyh, 1970). Газы, выделяе-
мые вулканами, содержат СО2, приходящий из глубин земной коры и, сле-
довательно, свободный от радиоуглерода. Примесь таких газов в атмосфере
приводит к локальному снижению атмосферного радиоуглеродного изотоп-
ного отношения, что для растений, произрастающих вблизи скважин и га-
зовых источников, приводит к завышению |4С-возрастов (Bruns et al., 1980).
Когда дело доходит до определения возраста, все эти временные и про-
странственные вариации концентрации ,4С нарушают адекватность модели
Либби о постоянстве начального содержания ,4С0. Для корректного радиоуг-
леродного датирования необходимо для каждого индивидуального образца
знать его действительную начальную концентрацию ,4С0. Хотя простран-
^QL68 Глава 5. Космогенные нуклиды
ственные вариации *'С, в особенности вызываемые резервуарным эффек-
том, не могут быть количественно определены в общем случае, они подда-
ются качественной оценке. Учет временных вариаций НС кажется более труд-
ным, поскольку возраст образца и, соответственно, вариация МС для этого
периода заранее не известны. Чтобы разрешить возникающую дилемму и
получить правильные датировки, процесс разбивают на два этапа, отличая
два типа мС-возраста — конвенциональный (возраст по соглашению, договор-
ной) и калиброванный1. Конвенциональный возраст рассчитывается на осно-
ве определенной модели. Результат приводится в 14 С (радиоуглеродных) го-
дах. На следующем шаге этот радиоуглеродный конвенциональный возраст
конвергируется в хронометрически корректные годы с помощью процедуры
калибровки. Калиброванный возраст приводится в календарных годах.
Конвенциональный ,4С-возраст. Конвенциональный (договорной) мС-воз-
раст рассчитывается по следующим правилам.
1. Даты отсчитываются от 1950 г. н.э., что выражается отметкой ВР(before
present — до настоящего времени, от современности) после указанного числа
лет. Именно эта запись и указывает на то, что мы имеем дело с конвенцио-
нальным ,4С-возрастом. Например, конвенциональный нС-возраст 1820 ВР
означает, что возраст образца - 1820 радиоуглеродных лет, отсчитанных на-
зад от 1950 года. Часто наблюдается недопонимание того факта, что договор-
ная «современность» вовсе не означает, что дата отсчитывается именно от
сегодняшнего дня. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать отметку
ВР только в договоренном определенном смысле.
2. Принимается, что начальная активность ,4Со (отношение ИС / 12С) была
постоянной во времени и равной некой установленной величине относи-
тельно первичного стандарта NBS (Национальное бюро стандартов) - ща-
велевой кислоты или же точно определенного вторичного стандарта. Фак-
тически стандарты определяют начальный уровень иСо для древесины в
момент времени / = 0.
3. При расчете конвенционального возраста используется «период полу-
распада Либби», равный 5568 годам, хотя известно, что он примерно на 3%
ниже реального. Эта величина была выбрана, чтобы сохранить возможность
прямого сравнения последующих измерений со сделанными ранее опреде-
лениями ‘‘С-возраста.
Коррекция изотопного фракционирования производится по форму-
ле (43), т.е. основывается на приведении к £”С в —25%о (величина для
древесины).
Вполне очевидно, что конвенциональный радиоуглеродный возраст бу-
дет систематически оказываться на 3% меньше и что вариации начального
1 Это можно сделать потому, что вносимые описанными эффектами поправки обыч-
но являются относительно малыми. При этом конвенциональный и калиброванный
возраст являются, соответственно, первым и вторым приближением к истинному
возрасту. - Прим. ред.
5.4. Радиоуглерод ("С) 169
содержания иС0 во внимание не принимаются. Эти ошибки, вносимые со-
глашением, устраняются процедурой калибровки. Погрешность, указывае-
мая для конвенционального радиоуглеродного возраста, обычно представ-
ляет одну стандартную ошибку 1 а (разд. 1.3).
Калиброваный 14С-возраст. Процедура калибровки осуществляет преоб-
разование конвенционального ,4С-возраста в календарные даты. Для этой
процедуры используются принятые научным сообществом кривые и про-
граммы, основанные на высокоточных радиоуглеродных измерениях денд-
рохронологически датированных последовательностей годовых колец дере-
вьев. Калибровочные кривые постоянно уточняются и пополняются (Kromer
et al., 1986; Stuiver and Kra, 1986; Becker and Kromer. 1990; Becker, 1992;
Kromer and Becker, 1992; Stuiver et al., 1993). Для отличия калиброванного
,4С-возраста от конвенционального радиоуглеродного (ВР) калиброванные
даты указывают в нотации «са! г. до н.э.»/ «са! г. н.э.» (cal ВС/AD), а для
возраста - «са! [тыс. лет( ВР» (календарных лет (тысяч лет( до 1950 г. н.э.)
Запись «са!» отличает календарные калиброванные НС годы от обычных ис-
торических дат, записываемых просто как «г. до н.э.»/«г. н.э.» (BC/AD).
На калибровочной диаграмме (рис. 48) по оси х откладывают известный из
дендрохронологии календарный возраст, устанавливаемый для образцов древе-
сины, содержащей последовательность годовых колец прироста (разд. 10.1.2).
Для образцов древесины, содержащих заданное число последовательных колец
(обычно 20, 10 или одно годовое кольцо) с высокой точностью определяется
конвенциональный мС-возраст, который затем откладывается по оси у. В
случае более чем одного годового кольца в образце, радиоуглеродный воз-
раст указывается для среднего значения календарных дат выборки. Такая
операция была проделана для всей непрерывной дендрохронологической
последовательности, покрывающей примерно 12 тыс. лет. Соединенные точки
графика образуют калибровочную кривую. Считается, что значение х извес-
тно с точностью до года. Значения по оси у имеют экспериментальную
ошибку (ошибку ,4С-измерения), показанную например на рис. 46 в виде
полосы шириной 1 ас. Эта ошибка для калибровочной кривой с шагом 20
лет от 1950 г. н.э. до 6000 года до н.э. в среднем составляет ± 13 лет (Stuiver
and Pearson, 1993). Калибровочные кривые для голоцена основаны на раз-
личных видах деревьев из разных областей, в первую очередь на калифор-
нийской остистой сосне (Pinus aristata) и европейском дубе (Quercus sp.).
Очень хорошее согласие между этими кривыми, построенными по образцам
деревьев из Северного полушария, является серьезным подтверждением их
общей надежности. Для продолжения кривой в пребореальный период ис-
пользовались также европейские сосны (Pinus) (Becker and Kromer, 1990).
Что касается разрешения калибровочных кривых, то следует отличать кри-
вые высокого разрешения, построенные по образцам колец прироста одно-
го года (Stuiver, 1993), от сглаженных кривых, основанных на образцах, вклю-
чающих несколько годовых колец. Обычно используют кривые с шагом 20
лет (например, Stuiver and Pearson, 1993), а для образцов из материала
Глава 5. Космогенные нуклиды
с малым временем активной жизни (< 10 лет) - с шагом 10 лет (например,
Stuiver and Becker, 1993), так как они имеют меньшие аналитические по-
грешности.
Рис. 48. Калибровочная кривая с шагом по 20 лет для конвенциональных ,4С-
возрастов; часть (1-е тысячелетие до н.э.) высокоточной кривой для
периода от 1950 г. н.э. до 6000 г. до н.э. Кривая основана на дендрох-
ронологически датированных образцах, причем каждый |4С-образец
представлял собой 20 последовательных годичных древесных колец.
Ошибка 1 сте для кривой составляет в среднем 12,9 лет. В промежутке
750-420 it. до н.э. из-за формы кривой можно ожидать затруднений
и многозначности в калибровке. Пунктирная линия отмечает 1 : 1
соответствие возрастов.
Все эти кривые демонстрируют две важные особенности. Во-первых, кон-
венциональный |4С возраст не согласуется с дендрохронологическими датами.
Конвенциональный радиоуглеродный возраст обычно меньше, и этот тренд уве-
личивается при движении в прошлое (рис. 44 и 45). Во-вторых, такое поведение
не систематично, а стохастично. Из-за осцилляций Зюсса иногда |4С-возраст
5.4. Радиоуглерод (“С) 171
снижается при увеличении календарного возраста (рис. 46 и 48). Как след*
ствие первой особенности кривых, расхождение между конвенциональным
,4С-возрастом и календарными датами в первом приближении различно для
разных периодов. Для последних двух тысяч лет конвенциональные 14С-воз-
расты лежат в пределах ± 250 лет от календарных дат. Для более ранних пери-
одов конвенциональный радиоуглеродный возраст всегда меньше календар-
ного: для промежутка 2000-7300 cal ВР расхождение увеличивается до 800
лет, а для 8000-11200 cal ВР - даже до 1200 лет. Чем глубже в прошлое, тем
больше трудностей встречают построения калибровочных кривых, в первую
очередь из-за недостатка вследствие климатических причин дубов и сосен в
средних широтах Северного полушария, гае, собственно, и были построены ка-
либровочные кривые. Для более ранних периодов существует возможность ис-
пользовать кораллы, чей возраст независимо определяется датированием по ура-
новым рядам с помощью ТИМС. Для образцов кораллов возрастом 12330 лет
(2*гП1-возраст, отнесенный к 1950 г. н.э.) мС-возраст оказывается ухе на 2130 лет
меньше (Edwards et al., 1993). Расхождение увеличивается до 3,5 тыс. лет, - во
время максимума оледенения 20 тыс. лет назад (рис. 45) и, по другим датирован-
ным образцам возрастом 35 тыс. лет даже до 5 тыс. лет (Vogel, 1983; Bard et al.,
1990b; Stuiver. 1990) и до 7 тыс. лет 40 тыс. лет назад (Guyodo and Valet, 1996).
Однако для калибровки основную трудность составляет не этот долговременный
тренд, а колебания Зюсса На калибровочной кривой они могут проявлять себя в
виде попятных ветвей, когда конвенциональный радиоуглеродный возраст умень-
шается с ростом истинного, в противоположность общему тренду совместного
увеличения обоих возрастов. В случае попадания на такие ветви преобразование
конвенционального ,4С-возраста в календарный может давать несколько отве-
тов. Другими словами, одному конвенциональному мС-возрасту будут соответ-
ствовать несколько возможных калиброванных дат, как показано на рис. 49.
Кспедюрные годы (до н \/н.
Рис. 49. Схематическое представление калибровочной техники интерцепта (пе-
ресечения). Определяются точки пересечения калибровочной кри-
вой с прямыми, соответствующими значениям радиоуглеродного
возраста t + а и г - ст. Промежуток между граничными значениями
пересечения принимается за доверительный интервал калиброван-
ного возраста. Точки пересечения с кривой могут образовать один
или несколько интервалов калиброванного возраста (Boman, 1990).
(nf 172 Глава 5. Космогенные нуклиды
Процедура калибровки конвенционального возраста t ± от осуществляет-
ся следующим образом: вначале, если необходимо, вводятся резервуарные
поправки и затем через соответствующее значение t на оси у проводится
горизонтальная прямая, параллельная оси х. Точка пересечения этой линии
с калибровочной кривой дает значение х соответствующей калиброванной
календарной даты (Pearson, 1987). Однако эта простая процедура не учиты-
вает связанную с возрастом погрешность ± д. Нерегулярная, математически
не параметризуемая форма калибровочной кривой представляет сложности
для преобразования погрешности. После преобразования изначальное нор-
мальное (гауссово) распределение конвенционального возраста перестает быть
таковым. Соответственно, калиброванный возраст часто оказывается не в
середине его области погрешности, величина которой, в свою очередь, сильно
зависит от формы соответствующей части калибровочной кривой. Для пре-
одоления этого затруднения используют два подхода: технику интерцепта
(пересечения) и вероятностную технику (Bowman, 1990). В технике интер-
цепта (рис. 49) начинают с объединения погрешности калибровочной кри-
вой ст с разрешением конвенционального возраста образца стг в общую ошибку
а = • Пересечения с калибровочной кривой верхней t + а и нижней
t - а границ интервала ошибок принимаются как границы вероятностного
интервала калиброванного возраста, т.е. для интервала 1а калиброванный
возраст с вероятностью 68,3% лежит внутри этих границ, хотя не обязатель-
но по центру. При такой процедуре теряется информация, заключенная в
нормальном распределении погрешностей, так что центральное положение
калиброванного возраста не более вероятно, чем любой другой в получен-
ном интервале. Вероятностная техника (рис. 50) со своей стороны пытается
компенсировать потерю этой информации и преобразовать гауссово рас-
пределение в распределение вероятностей калиброванного возраста. В на-
стоящее время для этой операции разработаны различные компьютерные
процедуры. В основе таких процедур лежит основной принцип - разбиение
нормального распределения на малые интервалы, преобразование в калиб-
рованный возраст отдельно каждого интервала, а затем сложение в один
общий результат с построением вероятностной гистограммы или кривой.
Например, в одном из вариантов этого подхода, называемом «двухмерная
дисперсионная калибровка» (Street et al., 1994), для каждого календарного
года находится соответствующий интервал конвенциональных возрастов ме-
тодом пересечения с калибровочной кривой, вероятность которого вычис-
ляется из гауссова распределения.
Для каждого данного конвенционального |4С-возраста t ± ст величина
интервала калиброванного возраста зависит от наклона калибровочной кри-
вой: чем круче наклон, тем меньше интервал. Соответственно, менее удач-
ными являются пологие участки на кривой, когда конвенциональный ,4С-
возраст медленно изменяется с увеличением календарной даты. Существу-
ют также интервалы (плато, ступеньки), когда конвенциональный '^-воз-
раст совсем не растет с увеличением календарного возраста. Основными
5.4. Радиоуглерод (”С) 173
такими периодами являются: 10450-9250, 6900-6700, 4200-4000, 3350-3050,
2850-2600 и 800-400 cal ВР. Внутри этих периодов возрасты образцов ра-
диоуглеродным датированием неразличимы.
Рис. 50. Схематическое пред-
ставление вероятностной тех-
ники калибровки. Распределе-
ние Гаусса конвенционально-
го радиоуглеродного возраста
у калибровочной кривой
трансформируется в распреде-
ление вероятностей (здесь
представлено гистограммой)
калиброванного возраста. Для
этой операции в распоряже-
нии имеются различные ма-
тематические процедуры
(Bowman, 1990).
Специфической техникой калибровки является метод сопоставления флук-
туаций (wiggle-matching) (Pearson, 1986). Он обладает высокой точностью (до
± 10 лет), однако весьма трудоемок. Он применяется в основном к образцам
древесины с сохранившимися как минимум 50 последовательными годовы-
ми кольцами. В основе метода лежит использование характерного и отличи-
тельного вида временных вариаций конвенционального |4С-возраста, состав-
ляющих тонкую структуру (флуктуации - wiggles) калибровочной кривой.
Другими словами, различные участки калибровочной кривой демонстрируют
отличающиеся и характерные последовательности, и форму флуктуаций —
«сигнатуру флуктуаций». Для целей датирования определяется форма и ха-
рактер флуктуаций, зафиксированных в образце, путем нахождения ,4С-воз-
раста отдельных годовых колец. Затем флуктуации сопоставляются (синхро-
низируются) с соответствующими им флуктуациями мастер-кривой высо-
кого разрешения и, таким образом, получают жесткую временную фикса-
цию (рис. 51). Метод синхронизации флуктуаций также подходит для дати-
рования осадков с годовыми слоями, таких как ленточные глины (разд. 10.1.1),
если они содержат ископаемые объекты, к которым можно применить УМС
Глава 5. Космогенные нуклиды
|4С-датирование (Goslar et al., 1995). Аналогичный подход реализуется и при
археологической стыковке флуктуаций (Weninger, 1986). В этом случае «сиг-
натура» ,4С-возрастов строится по стратифицированной последовательнос-
ти органических остатков короткоживущих организмов.
| Троя D5 365 | | -----UW-i0~]
850 900 950 1000 1050 1100 <150
4500
4400
4300
Q.
4200
4100
”-3000 -2950 -2900 -2850 -2800 -2750 -2700”
cal ВС
Рис. 51. Калибровка методом стыковки флуктуаций (wiggle-matching) для об-
разца древесного угля с сохранившейся последовательностью годо-
вых колец (нумерация относительная; верхняя шкала) из Трои I эпо-
хи ранней бронзы (Korfmann and Kromer, 1993). Форма флуктуаций
нС-возраста в 10 последовательных годовых кольцах была состыкова-
на с мастер-кривой высокого разрешения. Для последнего датиро-
ванного кольца получена дата 2790 ± 15 лет до н.э. Поскольку сохра-
нилось 91 последовательное кольцо, для даты порубки можно устано-
вить предел сверху, равный 2699 ± 15 лет до н.з. Так как кора и луб
отсутствуют, реальную дату порубки можно оценочно поместить при-
мерно на 30 лет позже этого предела.
Загрязнение. Как и в случае других радиохронометрических систем, ра-
диоуглеродная система должна в идеальном случае оставаться закрытой, т.е.
углерод не должен покидать образец или поступать в него. Очевидно, что
|4С-возраст увеличивается загрязнением «мертвым» углеродом и уменьшает-
ся загрязнением современным углеродом. «Мертвый» углерод может при-
вноситься геологически древними карбонатами, как это обсуждалось в свя-
5.4. Радиоуглерод (“С) 175jj)
зи с эффектом жесткой воды. Обычные случаи загрязнения молодым угле-
родом связаны с присутствием корешков, инфильтрацией гуминовых кис-
лот и биотурбацией (биоперемешиванием). Загрязнение может быть внесе-
но и при неверно организованном хранении и обработке образца. Особенно
чувствительны к загрязнениям старые образцы с малым содержанием ,4С.
Так, загрязнение в 1% современного углерода снижает ,4С-возраст на 10, 200
и 7000 лет для образцов возрастом соответственно в I, 10 и 40 тыс. лет
(Geyh, 1983; Mook and Streurman, 1983). Чем меньше количество ,4С и чем
старше образец, тем выше опасность загрязнения современным углеродом.
Именно по этой причине интервал радиоуглеродного датирования ограни-
чен в прошлом наличием неизбежных загрязнений, а не инструментальны-
ми возможностями |4С-детекторов.
Максимальный возраст. Считается, что верхний предел датирования (мак-
симальный возраст) достигнут, когда измеренная на Д-счетчике ,4С-актив-
ность | ,4С] старого образца не может быть статистически надежно отделена
(обычно применяют критерий двух стандартных отклонений 25) от фонового
счета ||4С]и. Достижимый максимальный возраст варьируется для разных ла-
бораториях и составляет обычно от 35 тыс. до 65 тыс. лет (с разбросом ± 4
тыс. лет), в зависимости от продолжительности, фонового счета и аппарату-
ры, используемой для измерений. Когда активность неотличима от фона,
т.е. ([,4С] - [|4С]и) £ 25, тогда считается, что возраст образца больше или равен
некому максимальному возрасту, который обозначается символом «>» перед
значением. К примеру, если возраст указан как > 47 ± 4 тыс. лет (47 ± 4 тыс.
лет является максимальным возрастом для данной конкретной лаборатории),
это означает, что возраст образца составляет по крайней мере 43 тыс. лет и
что максимальный возраст конкретной лаборатории является минимальным
для образца. Техника УМС за счет низкого инструментального фона имеет
перспективы увеличения максимально достижимого возраста, однако пока
ограничением является неизбежное, пусть и малое, загрязнение образца.
5.4.2. Практические аспекты
Количество образца, необходимое для проведения |4С-датирования, зависит
от содержания в нем углерода, уровня его сохранности, степени загрязне-
ния и инструментальной техники детектирования. Для 14С Д-счетчиков, как
на газонаполненных, так и на жидких сцинтилляторах, обычно необходимо
5-10 г углерода. Миниатюрные газонаполненные счетчики работают и с
несколькими десятками милиграммов углерода. Техника УМС требует об-
разцы порядка миллиграмма (и меньше). Указанные количества относятся к
углероду, а не к весу образца. Для последнего вес может быть и больше в
несколько раз, в зависимости от содержания в нем углерода.
При отборе образцов следует также принимать во внимание продолжи-
тельность периода их образования. Например, для торфа или дерева период
(^^6 Глава 5. Космогенные нуклиды
роста достигает сотен лет и может оказаться больше, чем точность измере-
ния. В таком случае ,4С-датирование даст усредненный возраст образца,
который, может быть, и не связан с интересующим событием.
Поскольку загрязнение посторонним углеродом затрудняет получение
надежного |4С-возраста, лучше избегать образцов с признаками посторон-
него влияния, таких как наличие выветривания, корней, инфильтрации
гуминовых кислот и вторичной перекристаллизации. Такие признаки, а
также данные о содержании влаги, уровне и возможных изменениях грун-
товых вод, жесткости воды и, наконец, масштабная схема образца и его
положения должны документироваться и передаваться в лабораторию. При
упаковке и хранении образца необходимо избегать загрязнения бумагой,
тканями и другими биогенными материалами. Лучше всего подходят стек-
лянные и алюминиевые контейнеры. Появление и рост плесени при дли-
тельном хранении устраняются предварительной сушкой (но без нагрева-
ния!) образца. Лучше всего хранить образцы в темноте, сухости и в охлаж-
денном состоянии. Влажные образцы дерева и торфа лучше всего как мож-
но скорее доставить в лабораторию как они есть. Совершенно очевидно,
что образцы не должны подвергаться никакому воздействию органических
растворителей и связующих. С другой стороны, обработка чистой водой
вреда не приносит.
В лаборатории из образца удаляют все видимые макроостатки, такие как
корешки, побеги или насекомые. Затем с помощью химической обработки
стараются удалить углеродные загрязнения (древние карбонаты кальция воз-
действием разбавленной HCI, а молодые гуминовые кислоты - воздействи-
ем NaOH) и обогатить аутогенную углеродную фракцию образца (Mook and
Waterbolk, 1985; Taylor, 1987а; Hedges and van Klinken, 1992). Например, для
кости аутогенной фракцией, подходящей для |4С-датирования, является бе-
лок коллаген. Радиоуглеродный анализ фракций с разной степенью очистки
может дать важную информацию о типе и уровне присутствующего загряз-
нения. Выделенный и очищенный углерод сжигается и переводится в угле-
кислый газ СО2, который напрямую используется в газонаполненных счет-
чиках. Для жидкостных сцинтилляционных счетчиков и УМС СО2 перево-
дится соответственно в бензол и графит.
Для детектирования ,4С используют два различных подхода: счетчики
Д-распада и счет атомов на УМС-установках. В 1 г современного углерода
содержится 5,9 х 1010 атомов ,4С. После 50 тыс. лет остается лишь 1,4 х 10*
атомов, а после 100 тыс. лет - лишь 3,2 х 105 атомов. 5,9 х 1010 атомов дают
13,5 Д-распадов в минуту. Следовательно, для достижения точности в 1%
счет образца должен вестись около половины дня (10 000 Д-распадов). Для
образца возрастом 50 тыс. лет для достижения такой точности потребуется
8 месяцев счета. Техника УМС, с другой стороны, позволяет детектировать
до I04 атомов ,4С при отношении ,4С / ,2С до Ю*16 всего лишь за один час.
Измерения активности осуществляются с помощью газонаполненных
пропорциональных счетчиков (Kromer and Miinnich, 1992) или счетчиков
5.4. Радиоуглерод (НС)
с жидким сцинтиллятором (Polach, 1992). Для обеих методик очень важ-
но снижение фоновой радиации. Кроме космических лучей существен-
ный вклад в нее дает естественная радиоактивность урана, тория и калия.
Эти элементы могут присутствовать как в стенах зданий, так и в самой
инструментальной аппаратуре. Снижение фонового уровня достигается
выбором подходящих строительных материалов, защитой счетчика экра-
нами из выдержанного старого свинца и стали, размещением вокруг де-
тектора счетчика антисовпадений. Чтобы еще более снизить вклад кос-
мических лучей, лаборатории помещают под землю. Для газовых счетчи-
ков обычно используют несколько литров углекислого газа, изредка ме-
тана или этилена. Очевидно, что продолжительность счета зависит от
активности образца. Для регистрации по крайней мере 10 000 отсчетов
обычно достаточно несколько дней. Удвоение времени счета или разме-
ров образца приводит к улучшению точности измерения лишь в 41 раз.
Применение мини-счетчиков (Harbottle et al., 1992) позволило существенно
уменьшить размер необходимого образца, однако потребовало и соответ-
ственного увеличения времени счета, вплоть до нескольких месяцев. Для
жидкостных сцинтилляционных счетчиков углерод образца трансформи-
руется в бензол. В жидкость добавляется сцинтиллирующая добавка, и
вспышки света, индуцируемые Д-частинами, фиксируются двумя фото-
умножителями (Otlet and Polach, 1990). Рутинная точность определения
возраста для обоих методов составляет £ 40 лет, а для более молодых
образцов < 12 лет.
Предел детектирования можно снизить с помощью метода изотопного
обогащения |4С, отодвигая, таким образом, датировочную границу до ~75
тыс. лет (Grootes, 1978; Stuiver et al., 1978). Для этой методики, называемой
термодиффузией, требуется 10—150 г углерода. Эффективность и величина
обогащения ,4С определяется экспериментально по масс-спектрометричес-
кому измерению идущего одновременно обогащения |8О, Тем не менее, в
свете того, что в образцах возрастом 50-75 тыс. лет от начального содержа-
ния радиоуглерода ,4С0 осталась лишь доля в IO_J- ЮЛ присутствие даже
самой незначительной примеси современного углерода уменьшает теорети-
чески достижимый возрастной предел.
Метод УМС не имеет проблем с фоновой радиацией. Однако неизбежно
привносимое при обработке образца загрязнение ограничивает на практике
определяемый возраст пределом в 50-60 тыс. лет. Малые размеры необхо-
димого образца (0,1-1 мг углерода) позволяют применять УМС при анализе
редких, дорогих или сверхмалых образцов. В частности, возможен индиви-
дуальный анализ определенных специфических фракций, а также различ-
ных фракций, выделенных из одного образца. Поскольку процесс УМС
,4С-анализа гораздо быстрее, чем при использовании Д-счетчиков, датиро-
вочные возможности лабораторий для УМС при сохранении точности —
выше (Beukens, 1992). При этом, правда, надо всегда помнить и о значитель-
но больших расходах на эксплуатацию ускорителя.
wf 178 Глава 5. Космогенные нуклиды
Лаборатории обычно сообщают значение конвенционального радиоугле-
родного возраста [,4С лет ВР. до нашего времени] и аналитическую погреш-
ность в виде ± 15г или ± 2о„ а также часто дополняют это данными об изо-
топном фракционировании. Многие определения возраста публикуются в листе
дат в журнале Radiocarbon («Радиоуглерод»). Каждая лаборатория идентифи-
цируется символом, а образец - номером. Например, Гейдельбергская радио-
углеродная лаборатория в «Heidelberger Akademie der Wissenschaften» соощает
свои даты в виде: HD-8844-8816 (уголь) 1580 ± 35 ВР (= 15;), 3”С = -23,99%о.
Для проведения процедуры калибровки, включая и анализ ошибок, суще-
ствуют разнообразные программы для персональных компьютеров (см., на-
пример, van der Plicht et al., 1990; Stuiver and Reimer, 1993).
5.4.3. Применение
Радиоуглеродный метод широко применяется в археологии и геологии
четвертичного периода для датирования различных материалов. С разви-
тием техники УМС сфера его применения еще более расширилась. Сле-
дует упомянуть важный момент, связанный с интерпретацией радиоугле-
родных дат. Получаемый ,4С-возраст не всегда напрямую связан с возра-
стом исследуемого события. Для биогенных образцов, включенных в осад-
ки, их |4С возраст связан с моментом смерти организма, а не с моментом
отложения в осадке. В этом случае смысл получаемого возраста зависит
от вопроса: что нас интересует, возраст образца или возраст сопутствую-
щих событий? Поскольку смерть организма обычно происходит до захо-
ронения, радиоуглеродный возраст определяет верхний предел, terminus
post quern, события осадконакопления, ничего не говоря нам о временном
промежутке между смертью и захоронением. С другой стороны, ,4С-воз-
раст некоего норного животного или корня будет меньше возраста оса-
дочного образования, т.е. даст нижний предел возраста, или terminus ante
quern (предел перед этим). Этот пример хорошо демонстрирует, что необ-
ходимо четко различать аналитическое определение возраста образца и
нуждающееся в датировке археологическое или геологическое событие.
Хотя эти соображения и относятся вообще ко всем методам датирования,
в особенности необходимо об этом помнить при использовании радиоуг-
леродного датирования с высоким разрешением. Необдуманный подход
потребителя к интерпретации ,4С-дат нередко приводил к путанице, ко-
торой можно бы было легко избежать.
Древесина и древесный уголь. Эти материалы являются предпочтительны-
ми для радиоуглеродного датирования, поскольку уровень их загрязненнос-
ти обычно низок, а если загрязнения и присутствуют, то легко удаляются.
Древесина состоит из целлюлозы, других углеводов и лигнина. Для ,4С-да-
тирования пригодны побеги и ветви, стволы и корни деревьев и кустарни-
ков. При датировании стволов надо помнить, что деревья являются долго-
5.4. Радиоуглерод (н С) 179
живущими растениями, и срок их жизни может составлять до нескольких
сотен лет. В период роста каждый год добавляется одно кольцо прироста.
С окончанием вегетативного периода вновь сформированное кольцо пре-
кращает обмен с атмосферным иС-резервуаром, таким образом, ,4С-возраст
единичною кольца датирует год его роста. Если стоит задача определить год
посадки дерева, необходимо отбирать образец из центра ствола, а если инте-
ресен год порубки, образец отбирается из последнего кольца непосредственно
под корой. Такое увеличение цС-возраста от центра ствола к коре создает
иногда так называемую проблему старого дерева. Это явление может иногда
приводить к существенным погрешностям, когда возникает необходимость
радиоуглеродного датирования археологического окружения по остаткам дре-
весною угля или сооружения по строительной древесине. В таком случае
определяемая ,4С-дата даст верхний предел возраста, terminus post quern, ар-
хеологического окружения. В случае древесного угля необходимо помнить,
что при сгорании предпочтительно будут сохраняться внутренние более ста-
рые части ствола, и, соответственно, их мС-возраст может превосходить воз-
раст погребения и захоронения на сотни лет (Warner, 1990). Лишь в исклю-
чительных случаях удается обнаружить последнее перед гибелью дерева кольцо
прироста. Эффект старого дерева можно обойти, отбором более короткожи-
вущего материала, такого как побеги и молодые ветви, которые можно от-
личить по полному срезу, содержащему лишь несколько колец. Чтобы полу-
чить определенную информацию о возможной величине эффекта старого
дерева, всегда полезно определить вид дерева, представленного в образцах
древесины или древесного угля. Поскольку обычно образец, из практичес-
ких соображений, включает несколько последовательных древесных колец,
радиоуглеродный анализ даст в ответ некое среднее арифметическое, а не
обязательно истинное среднее значение их возрастов. Высокоточное ,4С-
датирование последовательностей годовых колец потребовало настойчивых
и последовательных усилий. Результаты таких измерений по дендрохроно-
логически датированным образцам позволили построить надежные калиб-
ровочные кривые (рис. 44).
Маннинг и Венингер (Manning and Weninger, 1992) подвергли анализу
хронологию эгейской поздней бронзы, используя датирование ,4С-образцов
дерева, а также короткоживущих материалов, таких как побеги и семена, из
Пилоса (Pylos), Микен (Mycenae), Мидии (Midea), Лефканди (Lefkandi), Азин
(Asine) и Кастанаса (Kastanas). Даты были получены с помощью компьютер-
ной вероятностной синхронизации флуктуаций (wiggle-matching). Результа-
ты подтвердили общепринятую археологическую хронологию позднеэллад-
ского и протогеометрического периодов (рис. 52). Проводимая в настоящее
время программа сопоставления с радиоуглеродной калибровочной кривой
с датированием синхронизацией флуктуаций образцов древесины из важ-
нейших археологических мест Анатолии обещает существенное уточнение
хронологии доисторического периода Восточного Средиземноморья (Kuniholm
et al., 1996).
Глава 5. Космогенные нуклиды
CJZZZZZL^
Киосс, LMII, дерево
Кносс, LMII, зерно
Пилос, ромний-средний LHIIIB, дерево
Пилос, поздний LHIIIB, дерево
Микены, LHIIIB, дерево
Мидия, конец LHIIIB,
инжир
Мыс Гелидония, 12/13 вв. до из.
Лефконди, рониий LHIIIC, дерево
Азины, Протогеометрический, дерево
I I--------1 1 I В I---1
-2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 Колендорные годы (до н.э.}
Стандартно» Т~В~Т^И * I Е| М |я|
орхеоисторическоя хронология и 1 If II
LHIII Субии- Геометрический
сенаим
Спорный промежуток
Рис. 52. Сравнение калиброванных возрастов и археологичсскиих датировок
для позднеэлладского и протогеометрического периодов в эгейском
ареале (Manning and Weninger, 1992). Отрезки показывают 95% (пол-
ная длина) и 68% (штриховка) доверительные интервалы полученных
возрастов. Археологические датировки (черные отрезки) в целом под-
тверждаются радиоуглеродными измерениями. Для образцов долго-
живущих деревьев по сравнению с короткоживущим растительным
материалом хорошо заметен эффект старого дерева.
Стуивер и др. (Stuiver et al., 1978) с помощью изотопного обогащения
датировали образец древесины интерстадии раннего Висконсина (Wisconsin)
(период позднего оледенения в Северной Америке). Для интерстадии Св. Пьера
(St. Pierre) был получен нС-возраст в 74,7 (+2,7/-2,0) тыс. лет ВР. Радио-
углеродные датировки образцов древесины и торфа в комбинации с палино-
логическими исследованиями позволили восстановить температурную ис-
торию последнего оледенения в Северной Америке, которая во многих ас-
пектах может быть сопоставлена с подобными кривыми для Северо-Запад-
ной Европы (рис. 53). Наступление ледников можно датировать по погре-
бенным стволам деревьев, сохранившимся и обнаруживаемым под морена-
ми (Holzhauser, 1984; Geyh et al., 1985). Сильные землетрясения, сопровож-
давшиеся оседанием побережья, можно датировать по остаткам лесов, по-
гребенным под грязевыми террасами, образованными цунами. Так, подоб-
ное ,4С-датирование погребенных пней вдоль тихоокеанского побережья
штата Вашингтон (Washington), США, установило, что последнее сильное
землетрясение здесь было в 1680-1720-е годы н.э. (Atwater et al., 1991).
0 IOOOO 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Конвенциональный иС*8Озрост (ВР)
Рис. 53. Радиоуглеродная хронология последнего оледенения по древесине и торфу. С помощью изо-
топного обогащения получены возрасты вплоть до 75 тыс. лет в прошлое. Палеоклиматичсские
кривые для Северо-Западной Европы и Северной Америки, построенные по радиоуглеродным
датировкам и палинологическим исследованиям, хорошо коррелируют между собой (Stuiver et
al., 1978; с разрешения American Association for the Advancement of Science).
5.4. Радиоуглерод C*C) 181
182 Глава 5. Космогенные нуклиды
жавшего ориньякские (Aurignacian) артефакты, были отобраны образцы дре-
весного угля (62-233 мг). После удаления корешков и обработки разбавлен-
ной НС1 и затем NaOH, образцы весом по 5 мг анализировались методом
УМС. Средний возраст трех образцов дал 38,7 ± 1,9 тыс. лет ВР, что под-
твердилось добавочными УМС-измерениями (39,6 ± 1,5 тыс. лет ВР, Hedges
et al., 1994) и датированием зубной эмали и дентина по ЭСР (36,2 ± 4,1 тыс.
лет, Rink et al., 1996). Такой ранний возраст начала верхнего палеолита
согласуется с определенным с помощью УМС радиоуглеродным возрастом
(38,5 ± 1,0 тыс. лет ВР) того же культурного горизонта пещеры Л’Арбреда
(I’Arbreda cave), Каталония, Испания, но заметно старше самых ранних дат
ориньякской культуры к северу от Пиренеев. Надо отметить, что все эти
результаты представляют собой конвенциональный |4С-возраст, поскольку
для столь раннего периода процедура калибровки еще не установлена.
Семена и зерна. Присутствие семян и зерен в бескерамических неолити-
ческих слоях говорит о развитии сельского хозяйства на Ближнем Востоке.
Определение с помощью иС-датирования временных рамок начала окульту-
ривания растений и его распространения на другие регионы является дав-
ней задачей. В бес керамическом неолитическом горизонте А поселения
Иерихон (Jericho) были найдены зерна злаков. Их ,4С-возраст оказался рав-
ным -10 тыс. лет (Hopf, 1969). Найденные зерна с большим ,4С-возрастом,
как оказалось, принадлежали неокультуренным, диким формам растений
(Henry, 1992). Техника УМС позволяет датировать единичные зерна, что
позволяет провести проверку их соответствия стратиграфической последо-
вательности (Wendorf, 1987). Так, в Египте в слое возрастом 17 тыс. лет
были обнаружены зерна злаков и косточки фиников, однако УМС-датиро-
вание показало, что их возраст составляет лишь несколько столетий (Hedges
and Gowlett, 1986). Очевидно, что они попали в более глубокие слои за счет
биотурбации, такой как деятельность грызунов, червей, муравьев или чело-
века. На основании широкомасштабного датирования зерен и других корот-
коживущих материалов (Glaser 1991, 1996) была построена шкала и опреде-
лены пути наступления неолита в Европе. Неолитическая система хозяй-
ства, распространяясь из Анатолии между -6500 и -6300 cal ВР, проникла в
Европу и быстро распространилась на северо-запад в район Карпат на тер-
ритории Венгрии. Затем, задержавшись там примерно на 800 лет, лишь в
-5500 cal ВР продолжила быстрое распространение на Северо-Западную и
Центральную Европу.
Определение возраста зерен и других короткоживущих образцов с помо-
щью ,4С играет значительную роль в датировании произошедшего в эпоху
поздней бронзы извержения вулкана Тера (Санторин). Этот возраст важен
для хронологии бронзового века всего Восточного Средиземноморья. Архе-
ологическое датирование помещает извержение в позднеминойскую фазу
IA (LMIA). По традиционной хронологии, построенной на основе синхро-
низации стилей керамики в торговле между эгейской и египетской культу-
5.4. Радиоуглерод (HC) I83JJ
рами, период LMIA приходится на первую половину XV в. до н.э. Тем не
менее были представлены археологические свидетельства, предполагающие
более раннюю, примерно на один век, датировку этого события (Manning
1990). Если предположить, что аномальные кольца деревьев («морозные коль-
ца») Северной Америки и Ирландии (La Marche and Hirschboek, 1984; Baillie
and Munro, 1988) и кислотный слой в гренландском керне льда (Hammer et
al., 1987) связаны с ухудшением глобального климата и загрязнением атмос-
феры, вызванным катастрофическим извержением Теры, что вполне веро-
ятно, хотя пока и не доказано, то извержение произошло в районе 1630 года
до н.э., т.е. приблизительно на полтора века раньше традиционной даты.
Чтобы получить независимую временную привязку события, была проведе-
на радиоуглеродная датировка короткоживущего растительного материала
из вулканического горизонта, покрывающего позднеминойское поселение
Акротири (Akrotiri) на острове Тера. Калиброванные возрасты образцов лег-
ли в интервале от конца XVIII до середины XVI века до н.э., концентриру-
ясь возле XVII века до н.э. XV век не попадает в интервал, даже при его
увеличении до 2о (95%). Этот результат говорит о необходимости пересмот-
ра эгейской хронологии поздней бронзы.
Пыльца и споры. Установление пыльцевых зон весьма важно для постро-
ения биостратиграфии и истории вегетации четвертичного периода, и в осо-
бенности голоцена. Применение к пыльце УМС-анализа позволяет прово-
дить прямую хронометрию этих микроостатков, вместо исследования всего
вмещающего осадка. Возможности этого подхода были продемонстрирова-
ны при анализе пыльцы разнообразных видов деревьев в раннеголоценовых
осадках озера Майк (Mike Lake), Северная Америка (Brown et al., 1989).
Пыльца была выделена из осадка одновременно с удалением углеродсодер-
жащих загрязнений. Для УМС-анализа было достаточно 200-500 частиц
пыльцы ели или эквивалентное количество пыльцы других видов. Все УМС
,4С возрасты пыльцы оказались меньше ,4С-возрастов, полученных с помо-
щью Д-счетчика для органики вмещающего осадка. Более того, данные по
пыльце демонстрировали лучшее согласие между собой и другими незави-
симыми определениями. В отличие от более надежных радиоуглеродных да-
тировок пыльцы, биотурбация и загрязнения приводят к значительным ошиб-
кам в определении возраста осадков. С помощью УМС была успешно дати-
рована пыльца, выделенная из осиных гнезд в скальных гротах северной
Австралии (Roberts et al., 1997).
Фитолиты. Эти окварцованные окаменелости, имеющие характерную
растительную форму, весьма важны для восстановления прошлых экосис-
тем. Окварцованные фитолиты содержат внутри малые остатки (-1%) ис-
ходного растительного материала. Кремнезем герметично закупоривает зак-
люченный органический материал и изолирует его от окружающей почвы,
устраняя таким образом внешние примеси. Техника УМС открыла возмож-
|jM84 Глава 5. Космогенные нуклиды
ность анализа такого органического содержимого, позволяя датировать фи-
толиты напрямую. После очистки фитолитов от мелкодисперсной фракции
осадочной породы органический материал выделяется путем довольно слож-
ной химической процедуры (Mullholland and Prior, 1993). УМС радиоугле-
родное датирование фитолитов, собранных в Вегасе (Vegas), Эквадор, под-
твердило бескерамический возраст (> 5780 ВР) вмещающих культурных слоев.
Формации, содержащие маис, имели возрасты между 7170 ВР и 5780 ВР, что
доказывает появление этого окультуренного растения в Юго-Западном Эк-
вадоре в поздний бескерамический период (Prior and Pipemo, 1996).
Торф и сапропель. Органические осадки можно напрямую датировать с
помощью НС. Надежное датирование, тем не менее, предполагает, что ис-
следуется только органика, современная осадку. Подходящими осадочными
образованиями являются торф и сапропель, а также некоторые другие с
меньшим органическим содержанием. Загрязнение современным углеродом
возможно за счет корней и инфильтрации гуминовых кислот. Известны так-
же случаи завышения получаемого возраста из-за переотложения органи-
ческого материала и карбонатов, подвергшихся воздействию жесткой воды
(Mathewes and Westgate, 1980). Преимущество УМС состоит в возможности
раздельного исследования микрообразцов ископаемых остатков, вместо всей
массы осадка (Tomqvist et al., 1990). Грутес (Grootes, 1978) исследовал с ис-
пользованием изотопного обогащения ранне- и средневейхзельские торфя-
ники профилей Голландии и Северной Германии. Привлекая палинологи-
ческие исследования, ему удалось восстановить палеоклимат северо-запада
Европы до 75 тыс. лет в прошлое (рис. 53) и, в частности, датировать три
ранние вейхзельские интерсталии - Амерсфоорт, Брёруп и Оддераде
(Amersfoort, Brdrup, Odderade). Воиллард и Мук (Woillard and Mook, 1982)
датировали с применением изотопного обогащения осадки возрастом до
70 тыс. лет с растительной пыльцой (разд. 10.2.4) профиля Гранд-Пиль, Вогезы
(Grand Pile, Vosges), играющего ключевую роль в восстановлении климата
Центральной Европы от последнего межледниковья до наших дней. Приме-
ром УМС-датирования осадков с низким содержанием органики является
исследование отложений озера Цюрих (Lake of Zurich). Радиоуглеродное
датирование в комбинации с седиментологическими исследованиями, по-
зволило восстановить эволюцию озера в позднее ледниковье и пост-ледни-
ковье (Lister et al., 1990).
Бумага и ткани. При датировании по ,4С бумаги необходимо обращать
внимание на то, что при ее изготовлении часто использовались старые ма-
териалы (например, макулатура и изношенная одежда). Радиоуглеродный
возраст, в зависимости от характера изготовления бумаги, может оказаться
больше на несколько столетий. Соответственно, прежде чем проводить ра-
диоуглеродное датирование, необходимо внимательно исследовать технику
производства конкретного образца (Burleigh and Baynes-Cope, 1983). Пре-
5.4. Радиоуглерод ("С)
восходно подходят для датирования растительные волокна тканей. Их ис-
ходный материал является короткоживущим, перерабатывается в течение
лишь нескольких лет после сбора, так что радиоуглеродный возраст будет в
пределах ошибок соответствовать году производства ткани. Однако надо быть
осторожным и учитывать различное изотопное фракционирование разных
видов растений, что требует установления типа растительного материала,
использованного при производстве ткани, и определения его <5,3С.
С внедрением УМС резко снизился размер образца, требующегося для ана-
лиза, что впервые позволило привлечь радиоуглеродный метод для исследо-
вания особо ценных объектов, например Туринской Плащаницы. Многие
люди верят, что именно этой плащаницей было обернуто тело Христа после
снятия с креста. С исторической точки зрения следы Туринской Плащани-
цы надежно прослеживаются в прошлое лишь до средневековой Франции,
что неоднократно порождало сомнения в аутентичности артефакта. От пла-
щаницы, размеры которой составляют 4,5 на 1,1 м, для радиоуглеродного
анализа была отрезана полоска ткани (-10 х 70 мм). Из этой полоски были
приготовлены три лоскута (образец 1), каждый по -50 мг, и разосланы в три
различные радиоуглеродные лаборатории (Damon et al., 1989). В качестве кон-
трольных, кроме того, датировались еще три образца, чей возраст был извес-
тен из независимых источников (образец 2: белье из Нубии, ХП/ХП1 века
н.э.; образец 3: белье из Египта, начало II века н.э.; образец 4: волокно из
средневековой ризы, Франция, 1290—1310 годы н.э.). Поскольку загрязнение
образцов было весьма вероятно, все три лаборатории делили образцы на доли
и применяли различные механические и химические способы очистки. Ра-
диоуглеродные конвенциональные возрасты образцов с &*С коррекцией пред-
ставлены в таблице 4. Измерения всех трех лабораторий согласуются между
собой в пределах ошибки 1а. Полученные даты после калибровки соответ-
ствуют известным возрастам контрольных образцов. Для Туринской Плаща-
ницы средний по трем лабораториям конвенциональный радиоуглеродный
возраст оказался равен 691 ± 31 лет ВР, что после калибровки дает 1273-1288
cal ВР, или для 95% доверительного интервала - 1262—1384 cal ВР. Этот ре-
зультат исчерпывающе свидетельствует о средневековом происхождении Ту-
ринской Плащаницы (Damon et al., 1989). Кузнецов и др. (Kouznetsov et al,
1996) попытались оспорить надежность результата, основываясь на возмож-
ной карбоксилации Туринской Плащаницы во время пожаров и включении в
материал молодого ,4С, что могло омолодить и радиоуглеродный возраст.
Однако эта возможность была отклонена Джуллом и др. (Jull et al. 1996) как
необоснованная, в том числе и экспериментально.
Кости и рога. Кости довольно долго считались проблемным материалом
для ,4С-датирования. Их неорганическая фракция (карбонат-гидроксиапа-
тит) в результате обмена ионами с грунтовыми водами, облегченного пори-
стостью образца, включает в итоге два компонента - первичный и вторич-
ный. Как результат, определения возраста по неорганической фракции не-
Глава 5. Космогенные нуклиды
надежны. Тем не менее при благоприятных условиях в сухом климате на-
дежный ,4С-возраст можно получать, как продемонстрировал анализ чело-
веческих костей из захоронений в Сахаре (Saliege et al., 1995), и по карбо-
натгидроксиапатиту. Отсутствие углеродного обмена было доказано тем, что
в карбонатгидроксиапатите сохранилось исходное отношение ,3С / ,2С Кро-
ме этого основного компонента кости также содержат несколько процентов
органического углерода, более устойчивого к обмену, даже в присутствии
диагенетической метаморфозы. Органический компонент костей состоит из
различных белков, вместе называемых коллагеном. Коллаген химически вы-
деляется из образца как нерастворимый в кислотах остаток. Вместо анализа
всего коллагена лучше провести его разделение на фракции и датировать их
раздельно с помощью УМС (Taylor, 1987b; Hedges and van Klinken, 1992).
Примером такого подхода является датирование позднеледниковой кости
мамонта из Домебо (Domebo) (Stafford et al., 1987) с хроматографическим
выделением 15 органических фракций и их раздельным анализом (рис. 54).
,4С-возраст всех фракций оказался несколько меньше возраста образца де-
рева (11490 ± 450 лет ВР) из того же субстрата. Такое очевидное омоложение
произошло из-за загрязнения образца гуминовыми кислотами, которые сами
имели радиоуглеродный возраст около 5000 лет. Дня УМС-анализа доста-
точно всего лишь нескольких граммов костного материала. С помощью УМС
были также успешно датированы верхнепалеолитические и мезолитические
артефакты из оленьих рогов (Smith and Bonsall, 1990). УМС 14С-датирование
костей внесло важный вклад в разрешение давнего вопроса о том, когда
человек впервые проник на Североамериканский континент. Ранние рабо-
ты по ,4С-датированию с помощью Д-счетчиков, а также датирование по
урановым рядам распада и рацемизации аминокислот давали возрасты в
интервале от 17 тыс. до 70 тыс. лет. Однако УМС-датирование специфичес-
ких аминокислот, выделенных из того же костного материала, показало, что
наиболее ранний возраст составляет лишь 7 тыс. лет (Taylor, 1991). ,4С-дати-
рование древесного угля из раскопанных древних поселений на Аляске по-
зволило к настоящему времени отодвинуть палеоиндейцев в прошлое на
13-13,5 са! тыс. лет ВР (Kunz and Reanier, 1994).
Таблица 4. Конвенциональные возрасты и калиброванные даты Туринской
Плащаницы (образец 1) и трех контрольных образное
УМС-лоборатория Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4
Аризона 646 ± 31 ВР 927 ± 32 ВР 1995 ± 46 ВР 722 ± 43 ВР
Оксфорд 750 л 30 ВР 940 ± 30 ВР 1980 ± 35 ВР 755 ± 30 ВР
Цюрих 676 ± 24 ВР 941. ± 23 ВР 1940 ± 30 ВР 685 ± 34 ВР
Среднее 691 ± 31 ВР 937 i 16 ВР 1964 ± 20 ВР 724 ± 20 ВР
Калиброванная дота (col. нэ.) 1273-1288 1032-1048 11-64 1268-1278
1089-П19
1142-1154
5.4. Радиоуглерод (NC)
UC годы ВР
Рис. 54. УМС радиоуглеродное датирование коллагеновых фракций поздне-
ледниковой кости мамонта из Домебо (по Stafford et al., 1987). Получен-
ные возрасты заметно (до 2 тыс. лет) моложе, чем сопутствующий обра-
зец дерева из того же субстрата. Такое омоложение объясняется зшряз-
нснием гуминовыми кислотами, чей возраст был равен ~5 тыс. лет.
Радиоуглеродное датирование костного материала из захоронений ран-
ней бронзы в Зингене (Singen) и области Некар (Neckar), Германия, в ком-
бинации с дендрохронологией привело к переоценке времени начала эпохи
ранней бронзы в Центральной Европе (Becker et al., 1989). Согласно тради-
ционной историко-археологической датировке это начало традиционно по-
мещалось на границу XVIII-XVII веков до н.э. Коллаген выделялся из 22
образцов костей с достаточно высоким его содержанием (8,5—17,4%). По-
Грешность в 1одля калиброванных возрастов образцов из Зингена составила
± 35-40 лет, а для образцов из района Некар, которые были в два раза
больше по массе и времени счета, она была ± 25-35 лет. Калиброванные
даты представлены на рис. 55. Наиболее древние даты ложатся на XXII1-
XXIV века, однако большиство попадало в интервал 2100-2000 гг. до н.э.
(Синген) и 1950-1750 гг. до н.э. (район Некар). Таким образом, ‘^-возрас-
ты образцов из Зингена отодвинули начало эпохи ранней бронзы в XXIII
век до н.э., что имеет большое значение для истории развития технологии
оловянной бронзы в Центральной Европе. Еще одним следствием получен-
ных дат является то, что продолжительность эпохи ранней бронзы в Цент-
ральной Европе составляет около 700 лет, что заметно больше предыдущих
оценок. Дополнительным примером датирования костей по ,4С может слу-
188 Глава 5. Космогенные нуклиды
жить изучение стоянки среднего неолита Кюннинг-Унтериберг (Kiinzing-
Untemberg), Германия (Petrasch and Kromer, 1989), где были обнаружены
многочисленные кости животного происхождения в осадочном заполнении
канав глубиной до 4 м. Чтобы получить информацию о продолжительности
и механизме заполнения канав, применялось радиоуглеродное датирование.
Для этого отбиралось по шесть образцов костей из самого нижнего и верх-
него слоев осадочного заполнения. Коллагеновая фракция костей была от-
носительно высока (4 и 11 %). Поскольку ожидалось, что различие возраста
между верхним и нижним слоями будет невелико, применялись особо высо-
коточные измерения с образцами удвоенной массы и увеличенным време-
нем 0-счета (I неделя), что дало типичную погрешность ± 35 лет (1а). Кон-
венциональные возрасты верхних и нижних образцов отличались весьма не-
значительно: 5910-5840 ВР для нижней группы и 5850-5650 ВР для верх-
ней. Результаты после калибровки и статистического анализа показали, что
канавы использовались и постоянно подновлялись в период продолжитель-
ностью около 60 лет между 4840-ми и 4780-ми гг. до н.э. Наконец, после
того как канавы оказались заброшены, они, в период с 4740-х по 4590-е гг.
до н.э. медленно (0,3 см в год) заполнялись коллювиальными отложениями.
Почвы. Палеопочвы содержат различные углеродные фракции, в основ-
ном в виде аллогенных карбонатов, корней, причем оба компонента необ-
ходимо удалять при проведении анализа, и в виде аутогенных органических
соединений. Эти последние состоят из растворимой в NaOH фракции гуми-
новых кислот и нерастворимых в NaOH микроостатков; обе эти фракции
можно применять для ,4С-датирования. Радиоуглеродный возраст гумино-
вых кислот нельзя напрямую интерпретировать как средний возраст по-
чвенного образования, поскольку педогенез - весьма сложный процесс.
Интерпретация обычно требует построения определенной педологической
модели. Более того, древние почвы могут быть загрязнены более молодыми
гуминовыми кислотами из верхних горизонтов (Scharpenseel and Schififmann,
1977; Headet al., 1988). Псдогенетическая интерпретация может сильно вы-
играть, если провести датирование для фракции как, растворимой в NaOH,
так и нерастворимой в нем, и сопоставить результаты между собой (Geyh et
al., 1985). Интерпретация датировок почвенных карбонатов из-за их весьма
сложного генезиса также непроста. Их радиоуглеродный возраст скорее оп-
ределяется временем их образования, а не временем образования почвы
(Netterberg, 1978).
Озерные осадки. Озерные осадки представляют собой важный архив флук-
туаций климата в прошлом и, следовательно, нуждаются в надежной хроно-
метрии. Если осадки содержат органическое вещество, то, как и для ухе
обсуждавшегося сапропеля, ,4С-датирование можно применять непосред-
ственно. Макроостатки, включенные в массу осадка, такие как орехи, кожу-
ра фруктов или листья, представляют собой превосходный материал для
5.4. Радиоуглерод (,4C) I89jj]
УМС ,4С-датирования. Такие остатки являются короткоживущим материалом
и не испытывают эффекта жесткой воды. Радиоуглеродное датирование макро-
остатков в слоистых осадках озера Госс и аз (Gosciaz), Польша, позволило
синхронизировать флуктуации (wiggle-matching) с мастер-хронологией по не-
мецким дубам. Дата границы климатических стадий поздний дриас/пребореал,
определенная этим методом, оказалась равной 11440 ± 120 cal ВР (Goslar et aL.
1995). Аналогичным образом Бьёрк и др. (Bjork et al.. 1996), используя ленточ-
ные глины Южной Швеции, поместили эту границу на 11450-11390 ± 80 cal
ВР (пересмотрено на 11500 ± 20 cal ВР, Spunk et al., 1998).
1800 1600 cal ВС
Hd-9155 Grab 69
Hd-9157 Grab 70
Hd-9117 Grab 19
Hd-10691 Grab 82
Hd-9116 Grab 7
Hd-10692 Grab 63
Hd-9129 Grab 74
Hd-9145 Grab 68
Hd-9115 Grab 79
Hd-9147 Grab 80
Hd-11872 Gerlingen Grab 2
Hd-11855 Gerlingen Grab 1/1
Hd-11881 бег 1ingen Grab 3
Hd-11871 Gerlingen Grab 1/2
Hd-11791 Reeseck-Hochberg
W-11774 Endersb.Grab 1
• .Hd-11828 Tailf.Gr.2/2
MM Hd-11827 lailf .2/1
H Hd-11811 Tailf.1/2
ъмм Hd-11794 Tailf .1/1
MM Hd-11854 Tailf.Gr.3
Рис. 55. Калиброванный ,4С-возраст образцов костей из захоронений эпохи
ранней бронзы в Юго-Западной Германии. Каждый прямоугольник пред-
ставляет один образец. Высота прямоугольника показывает вероятность
возраста в данном временном отрезке (Becker et al., 1989).
(j|^0 Глава 5. Космогенные нуклиды
Делались также и попытки радиоуглеродного датирования карбонат*
ной фракции озерных отложений. При исследовании плейстоценового озера
Лахонтан (Lahontan) в Неваде были показаны специфические трудности
этого подхода (Lin et al., 1996). На древних поднятых береговых линиях
отбирались образцы известкового туфа, возможно осажденною водорос-
лями. Использовалась техника lwTh / :34U изохроны (разд. 4.1.1), а также
УМС ’4С-датирование. Радиоуглеродные калиброванные возрасты, без по-
правки на резервуарный эффект, легли в интервале от 12 тыс. до 20 тыс. лет
и оказались в основном ниже соответствующих D0Th / 2Ми-возрастов вплоть
до 2,3 тыс. лет. Оценить эффект жесткой воды и, соответственно, резервуар-
ный возраст плейстоценового озера весьма затруднительно, тем не менее
такая коррекция еще больше увеличивает расхождение между результатами
двух методов. Наиболее вероятно, что расхождения связаны с современны-
ми загрязнениями и/или осаждением вторичных кальцитов.
Натечные известковые пещерные образования и травертин. Поскольку вто-
ричные известковые образования получают свои карбонаты из грунтовых вод,
имеются определенные методологические аналогии между изучением этих
объектов и ,4С-датированием грунтовых вод. И в том и в другом случае лишь
часть всех карбонатов имеет атмосферное или биосферное происхождение.
В соответствии с карбонатным/бикарбонатным химизмом грунтовых вод осталь-
ная часть поступает из геологически древних известняков (см. формулу (44)).
Следовательно, уже в момент их осаждения резервуарный возраст известко-
вых образований может достигать несколько тысяч лет, в зависимости от до-
лей обоих компонентов. Из всех пещерных образований лучше всего для да-
тирования подходят сталагмиты, поскольку они послойно растут вверх, а не
радиально, как сталактиты (рис. 7). Скорости роста сталагмитов в голоцене,
по измерениям ,4С, оказались порядка 0,1 мм в год, но были существенно
ниже в предыдущие интерстааии (Geyh and Franke, 1970). Радиоуглеродный
возраст может, однако, и недооценивать истинный по причине изотопного
обмена с влагой, перекристаллизации и вторичного карбонатного отложения
в порах (Geyh and Henning, 1986). При датировании травертина надо помнить,
что грунтовые воды могут также иметь большой ,4С-возраст уже в момент
осаждения карбоната. При образовании травергина важную роль играют сине-
зеленые водоросли (Srdoc et al., 1989). Другой подход к датированию травер-
тина связан с использованием его органических фракций. Микробные маты,
образующиеся в травертине, состоят в основном из бактерий, диатомей, сине-
зеленых водорослей и бриофитов, а также содержат захваченную пыльцу и
споры. Этот новый подход был с успехом испытан при |4С-датировании тра-
вертина, отложенного в каналах доколумбовой эпохи в долине Техуакан
(Tehuacan), Пуэбло, Мексика (Winsborougn et al., 1996).
Раковины моллюсков. Раковины моллюсков состоят из органической мат-
рицы (конхиолин), в которую в качестве основного компонента инкорпори-
5.4. Радиоуглерод ("Q
рован карбонат кальция. В основном ,4С-датирование раковин использует
именно эту неорганическую фракцию. Начальное содержание радиоуглеро-
да ,4С0 в карбонате морских моллюсков, помимо изотопного фракциониро-
вания, определяется его содержанием в морской воде во время роста орга-
низма. Лучше всего для ,4С-датирования подходят компактные известковые
раковины с хорошо сохранившейся текстурой. Следует избегать раковин со
следами перекристаллизации и реакций обмена с грунтовыми водами.
Обычно радиоуглеродный анализ применяют к ископаемым морским
раковинам, раковинам с поднятых береговых линий и террас с целью опре-
деления флуктуаций уровня моря или характера поднятия. Одно из таких
исследований проводилось вдоль береговых линий Вудфиорда (Woodfiord)
на Шпицбергене (Bruckner and Halfar, 1994). Радиоуглеродные даты раковин
вдоль береговых линий на высоте 2—39 м над уровнем моря, после вычита-
ния 400 лет на резервуарный эффект и калибровки, показали, что регион
испытывал гляциоизостатическое возвратное поднятие в последней фазе
вейхзельского периода и в раннем голоцене. Радиоуглеродные датировки
раковин морских моллюсков представляют также интерес и для археологии.
Доисторические прибрежные поселения оставили многочисленные свалки
раковин. Кроме чисто археологического значения, эти свалки являются также
и индикаторами уровня моря и климатических вариаций, поскольку нахо-
дятся вблизи береговой черты. На ,4С-датирование карбоната раковин вли-
яет морской резервуарный эффект и вторичные обменные реакции. Для до-
исторических свалок раковин в Омане (Uerpmann, 1990) наблюдалось сис-
тематическое расхождение между ,4С-возрастом карбоната раковин и воз-
растом сопутствующего древесного угля. После резервуарной коррекции
(-800 лет) и поправки на изотопное фракционирование ,4С-датирование по-
местило эти прибрежные поселения в Омане в неолит и эпоху бронзы. Радио-
углеродное датирование раковин неморских моллюсков, в основном сухопут-
ных и пресноводных улиток, зачастую проблематично, поскольку эти орга-
низмы получают с пищей древний углерод из известняков. Современные пре-
сноводные улитки, в зависимости от их окружения и питания, имеют резер-
вуарный возраст от нескольких сотен до тысячи лет (Evin et al., 1980).
Скорлупа яиц. Скорлупа яиц птиц содержит углерод, как в карбонатной
матрице, так и в виде органических соединений. С точки зрения ,4С-датиро-
вания использование органического компонента более естественно, поскольку
белки, его составляющие, непосредственно происходят из биосферного
резервуара. Более того, он лучше подчиняется приближению закрытой сис-
темы. Тем не менее и карбонатный компонент тоже вполне подходит для
,4С-датирования. Эксперименты с контрольным питанием показали, что
содержание ,4С в карбонатной фракции отражает его содержание в пище и
атмосфере (Long et al., 1983). Усвоение «древних» карбонатов незначитель-
но. Естественно, надо принимать во внимание изотопное фракционирова-
ние в педологических и биохимических процессах.
Кораллы и фораминиферы. Фоссилизованные кораллы служат важным
указателем флуктуаций уровня моря. Для датирования их известкового ске-
лета хорошо подходит МС УМС-метод. Учет резервуарного эффекта поверх-
ностных океанических вод в общем случае осуществляется вычитанием 400
лет из конвенционального возраста. С помощью датирования образцов из
более чем 100-метрового керна, пробуренного на рифе на Барбадосе, было
реконструировано поднятие уровня моря начиная с 18200 ВР, достигавшее в
максимуме 131 м (Failbanks, 1989). Приведенное параллельно датирование по
масс-спектрометрическим измерениям 230Th / 2WU в тех же самых образцах
дало на 3500 лет больший возраст. Из сравнения обоих возрастов (рис. 45)
была сделана попытка удлинить калибровочную ,4С-кривую в прошлое за
дендроучасток (последние 12 тыс. лет) до 20 тыс. лет (Bard et al., 1990b,
1992). Аналогичные исследования проводились и на рифах Абролхосских
(Abrolhos) островов, Австралия (Eisenhauer et al., 1993), и на полуострове
Хьюон (Huon), Папуа-Новая Гвинея (рис. 29; Edwards et al., 1993). Радиоуг-
леродное УМС-датирование по отдельным видам форамииифер, проведен-
ное совместно с изотопным анализом кислорода, микропалеонтологически-
ми и седиментологическими исследованиями, позволило восстановить по-
зднегляциальный и голоценовый палеоклимат (Bond et al., 1992; Duplessy et
al., 1992). Планктонные и донные фораминиферы исследовались с помо-
щью УМС с целью установления причинной связи между глубинной океа-
нической циркуляцией и палеоклиматом в последние 20 тыс. лет (Andree et
al., 1984а). Для образца в 8 мг требовалось от 30 до 1000 одиночных ракушек
(в зависимости от вида), которые отбирались вручную из керна глубоковод-
ных осадков. В данном исследовании временное разрешение возраста об-
разцов было ограничено биотурбацией.
Пустынный загар. Каменные поверхности, находящиеся в условиях пус-
тынного и полупустынного климата и подверженные длительному контакту
с атмосферой, покрываются тонкой патиной, известной как скальный гля-
нец или пустынный загар. Пустынный загар в основном состоит из железо-
марганцевых окислов и глинозема. Помимо известных методов катионного
анализа (разд. 8.6), была сделана попытка датировать пустынный загар по
радиоуглероду. Пустынный загар, по крайней мере образующийся в пусты-
не Мохаве (Mojave), Калифорния, содержит некоторое количество (< 2%)
органических веществ, что позволяет применить УМС-метод. Предполага-
ется, что органический углерод, содержащийся в наиболее внутреннем, са-
мом древнем слое, сохранился со времени начала формирования слоя, и с
тех пор не вступал в обмен с атмосферой и биосферой. Поскольку толщина
патины невелика (обычно < 100 мкм), даже для очень чувствительного ме-
тода УМС требуется отбирать образец с больших поверхностей (несколько
тысяч см2) (Dorn et al., 1986, 1989). После весьма трудоемкого механическо-
го отделения от поверхности породы самого нижнего слоя патины с помо-
щью химической обработки из него выделяется углерод органического проис-
5.4. Радиоуглерод (,4С) I93jj)
хождения. Возможность ,4С-датировки пустынного загара была продемонст-
рирована на образцах из пустынь Аризоны и Калифорнии, для которых были
получены радиоуглеродные даты в пределах от 175 ± 45 до 42900 ± 3200 ВР
(Dorn et al., 1986, 1989). Такие результаты, с одной стороны, весьма полезны
для изучения морфогенеза засушливых регионов, а с другой стороны, они
могут обеспечить калибровку метода катионного датирования. Столь же ус-
пешно были датированы образцы корки выветривания с валунов морен по-
лупустынных районов Восточной Сьерра-Невады (Sierra Nevada) (Dorn et
al., 1987). Радиоуглеродное УМС-датирование морены Тиога (Tioga) дало
даты 19050 ± 420 лет и 13170 ± 200 лет ВР. Однако, к сожалению, здесь не
может быть исключена возможность определенного «омоложения» образцов
за счет загрязнения молодым органическим углеродом. С такой же пробле-
мой возможного загрязнения столкнулись и при исследовании палеоиндей-
ских петроглифов в нижнем течении реки Колорадо, юго-запад Северной
Америки (von Werlhof et al., 1995).
Строительный раствор. Для получения строительного раствора извест-
няк СаСО3 подвергают обжигу, что приводит к удалению СО2 с образовани-
ем негашеной извести СаО; затем она гасится водой с получением гашеной
извести Са(ОН)2. Гашеная известь схватывается и твердеет на воздухе, взаи-
модействуя с атмосферным углекислым газом СО2 с обратным образовани-
ем СаСО3 - известкового строительного раствора. Эта последняя реакция
является определяющей для ‘*С-датирования, поскольку в ней связывается
«молодой», современный датируемому событию, атмосферный углерод. У
раствора, образованного по этой простой модели, весь неорганический уг-
лерод происходит из захвата атмосферного углекислого газа. Если после схва-
тывания и затвердевания обмен с атмосферой более не происходит, то дати-
рование раствора должно дать дату строительства, при котором использова-
лась известь. Однако есть два момента, которые могут существенно иска-
зить эту простую модель. Во-первых, обжиг может оказаться не полным, так
что в раствор попадет углерод «древнего» карбоната, что приведет к завыше-
нию радиоуглеродного возраста, что и наблюдалось при датировании изве-
сткового пола в неолитической культовой постройке бескерамического пе-
риода в Невали-Кори (Nevali Cori), Турция (Reller et al., 1992). Во-вторых,
при производстве известкового раствора могут добавляться материалы, не-
сущие «древний» углерод. Неудивительно, таким образом, что датирование
строительного раствора не всегда надежно. Более того, в зависимости от
длины диффузионного пути СО2 сквозь стену наблюдается различное изо-
топное фракционирование, что требует измерений #3С. Как пример датиро-
вания строительного раствора можно привести исследование францисканс-
кого монастыря Кёкар (Kokar) на острове Аланд (Aland), Финляндия
(Gustavsson et al., 1990). Для датирования были отобраны по три образца
раствора из трапезной и южного здания. Значения 6”С были в пределах от
15,0 до 21,2%о. Радиоуглеродные результаты дали соответственно две даты
строительства - 1225-1270 и 1260-1280 cal гг. н.э. Эти даты на 100-150 лет
больше, чем определения по старейшим археологическим находкам. Для
датирования построек можно также использовать включения древесного угля
в строительном растворе, что было показано при датировании раннесредне-
вековых церквей Ирландии (Berger, 1990).
Каменные орудия и наскальная живопись. Когда в процессе производства
или использования каменные орудия вступают в контакт с органическим
веществом, на их поверхности остаются следы органики животного (кровь,
мышечные волокна, волосы и шерсть, перья и жирные кислоты) или расти-
тельного происхождения (смолы, крахмал, волокна). Все эти остатки весьма
устойчивы к вторичным метаморфозам. Следы крови могут, к примеру, со-
храняться до 10s—106 лет. Следовательно, изготовление и использование та-
ких орудий можно напрямую датировать с помощью радиоуглерода. Есте-
ственно, в данном случае годится лишь техника УМС, так как объем мате-
риала чрезвычайно мал (Nelson et а!., 1986).
Наскальная живопись палеолита обычно содержит органические веще-
ства, например древесный уголь, карбонизированный растительный мате-
риал, пигменты, растительные волокна, кровь, жирные кислоты и пчели-
ный воск (Nelson et al., 1995), что позволяет применять ,4С-датирование.
Датирование наскальной живописи из Лаури-Крик (Laurie Creek), Север-
ная Австралия, содержащей в пигменте человеческую кровь, дало возраст
20 320 (+31OO/-23OO) ВР (Loy, 1991). Недавно открытые наскальные изоб-
ражения из Шове-Понт д’Арк (Chauvet-Pont d’Arc), Франция, датирован-
ные по микровключениям в изображения древесного угля, дали 14С-возраст
-31000 ВР (Clottes et al., 1995); эти изображения относятся, таким образом,
к наиболее древним обнаруженным экземплярам наскальной живописи.
Туниц (Tuniz, 1996) сообщал об успешном УМС радиоуглеродном датирова-
нии с помощью лазерного сжигания индивидуальных последовательных слоев,
содержащих частички древесного угля, выделенных в 2-миллиметровом по-
верхностном наросте, покрывающем наскальный рисунок в Северной Авст-
ралии. При этом наблюдалось уменьшение возраста при переходе от самого
внутреннего к самому внешнему слою нароста.
Керамика. Доисторические хронологии базируются в основном на класси-
фикации типологического развития керамики. Для жесткой временной при-
вязки такой хорошо разработанной относительной шкалы желательны абсо-
лютные непосредственные хронометрические определения материала кера-
мики. Кроме метода ТЛ (разд. 7.1.3) Д1я этой цели можно применять и радио-
углеродный метод. Поскольку количество органики, находимое в образцах
керамики, очень мало, датирование по ,4С стало практически возможно лишь
с внедрением техники УМС, работающей с образцами, содержащими около
миллиграмма углерода. Тем не менее в некоторых редких случаях применя-
лись и Д-счетчики (Bollong et al., 1993). Подходящим материалом для датиро-
5.4. Радиоуглерод (НС)
вания являются пригоревшие остатки пиши в кухонной посуде, органические
клеи на трещинах, растительные включения, например мякина и семена. Ра-
ботоспособность этого подхода была успешно продемонстрирована на кера-
мике неолита и железного века из археологических раскопок в Швейцарии
при сравнении с независимыми определениями возраста (Bill et al., 1984).
Металлургический шлак. Зачастую шлаки являются единственными обна-
руживаемыми остатками плавок металлов в древности. Они дают важную
информацию об истории развития металлургии. Однако датирование шлаков,
за исключением случаев, когда их находят в стратиграфически надежно опре-
деляемых отложениях, часто вызывает затруднение. Древесный уголь, кото-
рый использовался в качестве топлива и тоже часто обнаруживается на местах
плавок, ввиду его неясной ассоциации с контекстом, приходится исключить
как объект датирования, поскольку выплавка и переработка металлов на од-
ном и том же месте часто продолжалась в течение веков. Эту проблему можно
обойти, если в шлаке находят микроскопические включения древесного угля,
к которым можно применить метод УМС. Например, датирование частички
древесного угля весом 0,4 мг, обнаруженной в медном шлаке из Трентино
(Trentino), Италия, относимом к эпохе поздней бронзы, дало согласующийся
с археологией возраст 2780 ± 30 ВР (Bill et al., 1984).
Грунтовые воды. Определение возраста грунтовых вод относится к наи-
более проблемным приложениям радиоуглерода. Углеродное содержание
грунтовой воды представляет собой смесь двух компонентов: доли, проис-
ходящей из биосферы и атмосферы, содержащей ,4С, и доли, происходящей
из геологических карбонатов, которая либо не содержит ,4С, либо включает
крайне малое его количество. В зависимости от долей компонентов в смеси
современные грунтовые воды имеют различное начальное содержание нСо.
Более того, масса грунтовой воды не ведет себя как геохимически закрытая
система. Вода постоянно обменивается с минералами водоносного горизон-
та и может смешиваться с другими, посторонними массами вод. Несмотря
на эти сложности, радиоуглеродное датирование грунтовых вод во многих
случаях дает вполне разумные гидрологические результаты. Радиоуглерод-
ный анализ грунтовых вод все же в первую очередь используется не для
датирования, а скорее для выяснения происхождения и движения грунто-
вых вод. Это предполагает введение некоторой гидрологической модели и
модельных ограничений (Fontes, 1992; Geyh, 1992).
Углерод в грунтовой воде присутствует в виде свободной угольной кис-
лоты и бикарбоната кальция (рис. 56). Дождевая вода проникает в верхний
слой почвы и смешивается там с биогенным СО2 с образованием угольной
кислоты. Угольная кислота растворяет залегающие в земле ископаемые кар-
бонаты в соответствии с равновесной реакцией:
СО2 + CaCOj + Н2О Са(НСО3)2. (44)
196 Глава 5. Космогенные нуклиды
| Атмосферный СО; |
Ассймиляция ||f~~
Выход гозо Дождь
Поверхность
почвы
Рис. 56. Схематический путь
поступления углерода из ат-
мосферы в грунтовые воды.
(Miinnich, 1968.)
|п<^с6Н^^Г1Ч с°с°~ I
: Грунтовые вода_-
24 32
40 48
,4С-еозрост грунтовых вод (лет ВР)
Рис. 57. Частотное распределение ,4С-возраста артезианских грунтовых вод в
Сахаре (Sonntag, 1980). Распределение отражает изменение климата в
регионе во время последнего оледенения и голоцена. Обновление грун-
товых вод 20—14 тыс. лет назад сильно сократилось с усилением за-
сушливости климата.
Рис. 58. Изохроны радиоуглеродного возраста грунтовых вод в водоносном
горизонте мезозойских песчаников (Burgsandstein), Франкеналб
(Frankenalb), Южная Германия (Andres and Geyh, 1972). Возрастной
разрыв между 20-11 тыс. лет вызван подавлением обновления грун-
товых вод в условиях вечной мерзлоты во время максимума оледене-
ния. В период голоцена (< 11,5 тыс. лет) возобновилось постоянное
обновление грунтовых вод, причем примерно в три раза быстрее, чем
25-20 тыс. лет назад (шкала в км).
Древние карбонаты, в которых радиоуглерод весь или почти весь рас-
пался, разбавляют иС-сигнал молодого биогенного компонента. Таким об-
разом, даже современные грунтовые воды уже имеют резервуарный ,<4С-воз-
раст до нескольких тысяч лет. Изотопный обмен между грунтовой водой,
несущей |4С, и радиоуглеродно «мертвым» известняком водоносного гори-
зонта еще более увеличивает этот кажущийся мС-возраст. Развитие таких
вторичных реакций можно оценить с помощью сопутствующего анализа ВС
198 Глава 5. Космогенные нуклиды
(Munnich, 1968), поскольку значения 5°С для растений и известняков весь-
ма различаются (рис. 47).
Обширное исследование грунтовых вод Сахары (Sonntag, 1980) показа-
ло, что глубинные, часто артезианские, воды были образованы во время
продолжительной влажной фазы 50-20 тыс. лет назад (рис. 57). Во время
этого плювиального периода, соответствующего последнему оледенению, как
следует из параллельных измерений 3D и 5”О, в Сахаре в достаточном коли-
честве выпадали зимние дожди, которые поступали с западным атмосфер-
ным переносом. Эти данные показывают, что вследствие континентального
эффекта с продвижением на восток, все далее от атлантического побережья,
дождь становился изотопно легче. В интервале 20-14 тыс. лет назад, во
время окончания последнего оледенения, образование грунтовых вод резко
сократилось в связи с приходом в Сахару аридного климата. В то же самое
время, хотя и по другой причине, как показало исследование водоносного
горизонта в кеуперовских песчаниках, Южный Франкснальб (Frankenalb).
Германия (Andres and Geyh, 1972), снизилось образование грунтовых вод в
перигляциальных (прилегающих к областям оледенения) районах Централь-
ной Европы. Распределение ,4С-возраста (рис. 58) показывает, что во время
максимума оледенения, когда на поверхности образовались вечномерзлые
грунты, приток грунтовых вод практически прекратился.
Керны льда. В период роста ледника в него вместе с выпадающим снегом
и пылью захватывается воздух. С уплотнением ледовой матрицы воздух ока-
зывается наглухо закупоренным в маленьких пузырьках и, таким образом,
изолируется от дальнейшего обмена с атмосферой. Углекислый газ, содержа-
щийся в воздухе, позволяет в этом случае привлечь радиоуглеродное датиро-
вание. Предполагается, что этот метод датирует момент изоляции системы от
атмосферы - момент окончательной закупорки воздушных пузырьков1. Лед
может также содержать загрязняющий углерод в виде карбонатной континен-
тальной пыли или органического материала2. Поскольку 1 кг льда содержит
-15 мкг углерода в виде СО2, для измерения содержания методом Д-счета
требуется около 1 тонны льда, даже при использовании наиболее чувстви-
тельной аппаратуры (Oeschger et al., 1966). Однако для УМС достаточно лишь
120-140 мкг углерода, что означает лишь 10 кг льда3. Этим способом было
осуществлено датирование льда из гренландского керна Дай 3 (Dye 3). После
калибровки найденные возрасты хорошо согласовались с возрастами льда,
определенными по подсчету годовых слоев (Andree et al., 1984b).
1 Следует помнить, что этот момент может существенно отстоять от момента выпаде-
ния снега на поверхность ледника, вплоть на нескольких сотен лет. — Прим. ред.
J Во многих случаях основной проблемой становится ,4С, образующийся во льду in
situ под действием космических лучей. См., например. Smith et al., 2000. - Прим. ред.
* В настоящее время исследования ведутся на уровне 10-20 мкг углерода, что озна-
чает лишь ~1 кг льда и, естественно, более высокое разрешение. См, Levchenko et al.,
1997. - Прим. ред.
5.5. Неон-21 199
5.5. Неон-21
Изотоп 2,Ne инертного газа неона образуется in situ в горных породах под
действием космических лучей. Как и космогенный ’Не, 21 Ne стабилен, в
отличие от других космогенных нуклидов, используемых для датирования.
Поэтому оба метода, ’Не и 2lNe, очень похожи и часто применяются вместе.
Содержание 2’Ne растет пропорционально продолжительности облучения.
Таким образом, если скорость образования 21 Ne известна, время экспози-
ции можно установить, измеряя количество космогенного 2’Nc. ?1Ne-мето-
дом можно определять времена поверхностной экспозиции (от 1 тыс. лет до
нескольких млн лет), а также скорости выветривания базальтов и пород,
богатых кварцем. Впервые космогенный 2lNe в земных породах был обнару-
жен Марти и Крэйгом (Marti and Craig, 1987). К настоящему времени рабо-
тоспособность и возможности метода были убедительно продемонстрирова-
ны в ряде работ. Однако недостаток информации о скорости образования
2,Ne все еще представляет существенное препятствие для широкого приме-
нения метода.
5.5.1. Методологическая основа
На Земле инертный газ неон встречается в атмосфере и твердых породах.
Он состоит из изотопов “Ne,21 Ne и “Ne, атмосферное содержание кото-
рых, соответственно, равно 90,5, 0,3 и 9,2%. Все три изотопа стабильны.
При образовании Земли неон уже присутствовал в виде первичного неона.
Все три изотопа образуются также космическими лучами в твердых поро-
дах у земной поверхности. Эти породы будут содержать неон, представля-
ющий из себя смесь трех компонентов, а именно космогенный и атмос-
ферный неон, а также первичный неон, приходящий из мантии. В кварце
также наблюдается нуклеогенный 2lNe, образующийся в реакции (а, п) на
атомах О и F (Niedermann et al., 1994). Поскольку все эти три компонента
отличаются по своим изотопным отношениям, будет меняться и изотоп-
ный состав их смеси.
Наиболее важным процессом образования изотопа in situ в поверхност-
ных (< 2 м глубины) породах является расщепление тяжелых ядер, таких как
О, Si, Mg и Fe, быстрыми нейтронами. Поскольку эти элементы обычно
встречаются в кварце, оливине и клинопироксене, с точки зрения определе-
ния космогенного 2,Ne особый интерес представляют кварцитовые и тем-
ные, как базальт, породы (Graf et al., 1991). Скорость образования космо-
генного 21 Ne определяется через скорость образования ’Не (разд. 5.2.1) и
отношение скоростей образования ’Не / 21 Ne. Последнее сильно зависит от
химического состава мишени, например, для кварца оно равно 4,5, а для
оливина - 3,5 (Staudacher and Allegre 1991, 1993). Необходимо также прини-
мать во внимание эффекты экранирования вышележащими породами, гео-
магнитную широту и высоту над уровнем моря. Нерешенной проблемой,
(^200 Глава 5. Космогенные нуклиды
в особенности для образцов с короткой экспозицией менее 10 тыс. лет, яв-
ляется вопрос вариации скорости образования 21 Ne. Как и в случае других
космогенных нуклидов, на действительную скорость образования влияет
выветривание и эффекты затенения поверхности.
Поскольку со временем экспозиции коррелирует лишь космогенный 2lNe,
измеренный в образце неон надо разделить на компоненты, используя зна-
ния об их изотопном составе (Staudacher and Ailegre, 1991). У космогенного
неона, как установлено из изучения метеоритов, отношения (20Ne / “Ne^ и
(2,Ne / 22Ne)c составляют, соответственно, 0,84 и 0,96. У атмосферного неона
соответствующие отношения равны 9,8 и 0,03, а неон из верхней мантии
(MORB-неон) имеет соотношения 13,4 и 0,07. В приповерхностных образ-
цах кварца обнаруживают космогенный и атмосферный неон, в то время
как в базальте встречается также неон из мантии.
5.5.2. Практические аспекты
Для датирования базальтовых потоков отбирают образцы массой -1 кг с
малой (несколько см) и четко определенной глубины под поверхностью.
Как уже упоминалось в связи с 3Не-методом, необходимо, чтобы поверх-
ность не подвергалась выветриванию, на что указывает сохранившаяся струк-
тура потока и корка охлаждения. Из молотого базальта вначале магнитной
сепарацией, а затем и вручную выделяют зерна оливина и клинопироксена
размером 0.5-1,6 мм. После очистки зерна сплавляются, а выделяющийся
неон анализируется на масс-спектрометре. Измерения неона можно прово-
дить совместно с гелием. Что касается характеристик удержания в кристал-
ле, в особенности в кварце, то для неона опасность диффузионных потерь
меньше, чем для гелия (Graf et at, 1991).
5.5.5. Применение
Базальт. Для датирования базальтов по 21Ne из образцов выделяют оливин,
как, например, поступали Стаудакер и Аллегре (Staudacher and Allegro, 1993),
исследуя базальты с острова Реюньон (Reunion). Известно, что у вулкана
Пито-де-ла-Фурнэ (Piton de la Foumaise) на этом острове было четыре из-
вержения и три промежуточных обрушения кальдеры. Образцы были взяты
из базальтовых потоков последних двух извержений и стенки кальдеры пос-
ле последнего обрушения на высоте *2330 метров над уровнем моря. Образ-
цы отбирались из верхних 10 см от поверхности. Скорость образования в
базальтовом оливине на высоте 2330 м и южной широте 2Г (Реюньон) со-
ставляет 169 атомов Г* год4 (Sarda et al., 1993). Для оливина из кальдеры
скорость была геометрически скорректирована с учетом крутого наклона
стены к горизонту (75*). Возрасты фаз извержения по 2JNe оказались равны-
ми соответственно 62 ± 4 и 3,4 ± 1 тыс. лет. Возраст более раннего события
подтверждается радиоуглеродным датированием. Промежуточное обруше-
5.6. Алюминий-26
ние кальдеры произошло 23,8 ± 2 тыс. лет назад. Этот возраст является
оценкой снизу, так как на таком крутом склоне могли происходить ран-
ние обвалы, обнажившие, таким образом, новую поверхность. Возрасты
по 21 Ne были в согласии с определениями для тех же оливиновых фрак-
ций по JHe. Для одного из базальтовых потоков наблюдалось системати-
ческое отличие возраста по К-Аг и по 2,Ne, причем возраст по 21 Ne ока-
зывался меньше на 13%. Это различие объясняется выветриванием со
средней скоростью 3,5 ± 1,7 мкм год 1 (Sarda et al., 1993).
5.6. Алюминий-26
Космогенный МА1 образуется в атмосфере, а также in situ в горных породах.
Атмосферный *А1 сорбируется на аэрозолях и вместе с ними вымывается на
поверхность Земли, где включается в осадки. Распад *A1 может служить
часами для измерения времени с момента отложения осадка. В противопо-
ложность этому, содержание “A! in situ в поверхностных породах нарастает
со временем и может служить для датирования поверхностной экспозиции
и исследования скорости выветривания. Метод алюминия-26 работает на
интервале от 1 тыс. лет до нескольких млн лет. Этот метод начал применять-
ся в 1960-е годы (Lal and Peters, 1967; Tanaka et al., 1968). Появление высо-
кочувствительной УМС сильно увеличило возможности метода (Raisbeck et
al., 1983). Его применяют для датирования кернов льда, глубоководных от-
ложений и поверхностных кварцсодержащих пород. Метод алюминия-26
очень похож на метод бериллия-10. Трудности метода, вызываемые вариа-
циями начального содержания *А1 и скорости его образования, обходят его
сочетанием с измерением |0Ве, что известно под названием ,0Ве ~ хА!-метод.
5.6.1. Методологическая основа
Содержание алюминия в земной коре составляет 8,1%. Алюминий - третий
по распространенности элемент после кислорода и кремния. Природный
алюминий, кроме космогенного “Al, состоит из единственного стабильного
изотопа 27А1.26А1 радиоактивен и превращается с tm - 705 тыс. лет в 26Mg по
механизму /F-распада с эмиссией у.
26А1 образуется в атмосфере в основном в реакциях расщепления ядер
аргона. Скорость образования МА1 из-за геомагнитного экранирования кос-
мических лучей сильно зависит от географической широты и меняется вме-
сте с временными вариациями геомагнитного диполя. С геохимической точки
зрения экзогенный цикл 26А1 аналогичен циклу ,0Ве, поскольку оба изотопа
связываются и переносятся аэрозолями. “А1 выпадает на поверхность Земли
вместе с атмосферными осадками и попадает в океанические и континен-
тальные осадочные породы. Содержание в осадках, где он оказывается
преимущественно связанным с самой мелкодисперсной фракцией, состав-
ляет (0,5-50) х Ю’ атомов 26А1 г’. Отношение скоростей образования в
^^02 Глава 5. Космогенные нуклиды
атмосфере (ОД / ,0Ве) практически постоянно, несмотря на их временные и
пространственные вариации, и равно -4 х 10~\ Если начальная концентра-
ция 26А1о в момент отложения осадка постоянна, то возрасты слоев в глубо-
ководном керне можно определить, измеряя текущее остаточное содержа-
ние ОД (уравнение (2)). Для датирования глубоководных кернов этим мето-
дом требуется, как и в случае ‘°Ве, чтобы скорость осадконакопления оста-
валась постоянной, что проявляется в виде прямых линий на графиках зави-
симости логарифма концентрации ОД в образцах от глубины в керне (урав-
нение (40)). Временные вариации скорости образования атмосферного ОДо
существенно осложняют его применение для датирования осадков. Поскольку
,0Ве подвержен тем же вариациям и в той же мере, весьма выгодно исполь-
зовать оба нуклида вместе (метод ,0Ве -ОД).
ОД образуется in situ в реакциях мюонного захвата и расщепления ядер
кремния в нескольких верхних метрах горной породы. Скорость образования
на несколько порядков ниже атмосферной. In situ “Al в соответствии с уравне-
ниями (31) и (34) можно использовать д ля определения времени экспозиции и
скорости выветривания. Обычно анализ ОД комбинируется с анализом |рВе,
чтобы устранить влияние временных и пространственных вариаций скоростей
образования (по широте, высоте и масс-экранировке). Отношение скоростей
образования ОД и >0Ве в кварце равно 6,1 (Nishiizumi et al., 1989). Если космо-
генное образование по тем или иным причинам прекращается, то это отноше-
ние убывает с характерным временем полураспада, равным 1,3 млн лет, что
позволяет использовать этот подход в пределах от 10 тыс. лет до 10 млн лет.
5.6.2. Практические аспекты
Как и в случае ‘°Ве, УМС-анализ ОД полностью вытеснил Д-счетчики. Для
УМС-анализа ОД достаточно лишь нескольких граммов образца. Алюми-
ний для измерения выделяется из образца химическими методами. УМС
анализ 26А1 очень трудоемок, на грани достижимого, поскольку требуется
точно измерять отношения вплоть до 10"15. Достижимое разрешение состав-
ляет обычно 5-10%. Применение ОД-метода, к сожалению, ограничивается
высоким содержанием алюминия (27А1) во многих породах и минералах. Ес-
тественно, наиболее удачными будут минералы с низким содержанием алю-
миния, но богатые кремнием, например кварц.
5.6.3. Применение
Глубоководные осадки. Применить ОД для датирования глубоководных осад-
ков напрямую не удается из-за временных вариаций его начального содер-
жания. Чтобы обойти эту проблему, проводились совместные измерения
ОД и ,0Ве (Reyss et al., 1976). Гуичард и др. (Guichard et al., 1978) из анализа
содержания ОД определили скорость роста марганцевой конкреции, кото-
рая оказалась равной 2,3 ± 1,0 мм млн ле'Г1, что согласуется с данными по ,0Ве.
5.7. Кремний-32 203
Ванг и др. (Wang et al., 1996) выделяли аутогенный алюминий и бериллий из
богатых опалами осадков северной части Тихого океана промыванием об-
разцов в NaOH, что позволило более эффективно определить содержание
космогенных фракций “А1 и 10Ве.
Кеарцсодержащие породы. Кварц геологически широко распространен,
достаточно чист химически и содержит порядка 100 мкг алюминия на грамм,
стоек к выветриванию, т.е. не загрязняется атмосферным “А1. Такие свой-
ства кварца создают прекрасные предпосылки для его датирования методом
“AI. Анализ “AJ в кварце обычно проводят вместе с анализом содержания
,0Ве (разд. 5.3.3) - метод wBe - “Al. Метод подходит для определения време-
ни экспозиции пород, внезапно оказавшихся на поверхности, например за
счет таких процессов, как воздействие ледников, вулканические изверже*
ния или метеоритные удары. По ,0Ве - “Al-анализу кварца, выделенного из
материала, выброшенного при ударе в Аризонском метеоритном кратере
(Meteor Crater, Arizona), было определено время экспозиции, равное 49,2 ± 1.7
тыс. лет (Nishiizumi et al., 1991), что хорошо согласуется с определениями по
“С! (рис. 59) и ТЛ-возрастом (разд. 5.8.3 и 7.1.3). Анализ “А1 был также
использован для датирования отполированных ледником гранитах в горах
Сьерра-Невада (Sierra Nevada) (Nishiizumi et al., 1989). Измерение содер-
жания “Al и ,0Be в кварце пород гор-останцев в Южной Австралии по-
зволило установить скорость выветривания, которая оказалась очень низ-
кой - 0,7 ± 0,1 м млн лет-1 за последние 0,5 млн лет, что подтвердило
древность и геоморфное развитие этих загадочных образований (Bierman
and Turner, 1995). Как уже упоминалось в связи с ’°Ве, установленные с
помощью ,0Ве - “Al-анализа времена экспозиции гранитных валунов в ко-
нусах выноса показали, что период повторяемости землетрясений в разломе
долины Овенс (Owens Valley), Калифорния, составляет 5,8-8,0 тыс. лет
(Bierman et al. 1995). Однако стоит отметить, что заметный избыток “А1 по
отношению к ,0Ве в некоторых породах за счет нуклеогенного образования
“А1 может помешать определению времен экспозиции (Brook et al., 1995).
5.7. Кремний-32
Радиоактивный изотоп MSi образуется в атмосфере под действием косми-
ческих лучей и выпадает затем на поверхность Земли с атмосферными осад-
ками. Имея период полураспада 140 лет, он позволяет проводить датирова-
ние в интервале от 50 до 500 лет и в принципе перекрывает разрыв между
тритиевым и радиоуглеродным методом. Первые попытки датирования по
KSi относятся к 1960-м годам (Lal et al., 1960). Датирование по 32Si применя-
лось для океанических осадков и ледников, изредка для грунтовых вод. Од-
нако неточность знания периода полураспада, а также весьма сложная при-
родная химия кремния в сочетании с очень низким природным отношени-
ем 32Si / Si ограничивает его применение.
Глава 5. Космогенные нуклиды
,0Ве - ’*А1-возрост (тыс. лет)
Рис. 59. Возраст экспозиции по **0 и |гоВс - *А1 обломков, выброшенных из
Аризонского метеоритного кратера. Оба метода дают согласующийся
возраст обнажения, вызванного ударом метеорита (49,7 ± 0,85 тыс.
лет и 49,2 ± 1,7 тыс. лет соответственно). Более ранний возраст одного
из образцов (М-9) объясняется поверхностной эрозией за счет вывет-
ривания. (Nishiizumi et al., 1991а; с разрешения Elsevier Science Ltd.)
5.7.1. Методологическая основа
Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре
и состоит, не считая космогенного 32Si, из трех изотопов 28Si (92,2%), "Si
(4,7%) и ’“Si (3,1%). Изотоп 32Si радиоактивен и с помощью /3-распада (с
эмиссией низкоэнергетичной —100 КэВ Д-частицы) превращается в радио-
активный нуклид 32Р (Д-эмиттер, 1,7 МэВ). Долгое время период полураспа-
да 32Si был известен довольно грубо, с оценками в пределах от 100 до 700 лет,
но недавно было получено более точное значение 140 ± 6 лет (Morgenstern et
al., 1996).
В природе 32Si образуется в верхних слоях атмосферы под действием кос-
мических лучей в реакции расщепления ядер аргона ^A^n, p2a)32Si. На зем-
лю он выпадает в осадках, либо в виде раствора кремниевой кислоты, либо
в виде сорбата на аэрозолях. Включаясь в гидрологический цикл, 32Si попа-
дает в ледники, пресноводные озера, грунтовые воды, а также моря. На-
чальная концентрация 32Sr подвержена сильным вариациям, как во времени,
так и в пространстве (Morgenstem et al., 1996). В выпадениях 32Si наблюда-
ются также сезонные вариации. Из-за широтного эффекта наиболее высо-
кая скорость образования изотопа наблюдается в Антарктиде. Однако кон-
центрация в выпадающем снеге заметно меньше, чем в дожде. Наблюдались
также вариации, связанные с солнечной активностью и ядерными испыта-
5.7. Кремний-32 205
ниями. Среднее за год содержание 32Si в атмосферных осадках в Централь-
ной Европе оценивается в 3,0 мБк м-3 (Franke et al., 1986).
В закрытых системах, особенно хорошо реализуемых в ледниках, на-
чальный 32Si постепенно распадается, что позволяет по измеренному ос-
таточному содержанию датировать время с момента выпадения. Напро-
тив, массы воды редко ведут себя как закрытая система и подвержены
перемешиванию. Более того, сложная геохимия кремния и обменные
процессы затрудняют применение такой упрощенной датировочной мо-
дели.
5.7.2. Практические аспекты
Для анализа на 32Si с помощью Д-счетчиков необходима 1 т воды или льда.
Химическая процедура выделения кремния из такого большого количества
воды очень трудоемка (Franke et al., 1986). Для морских осадков, где
32Si находится в биогенной кремнеземной фракции, достаточно около 600 г
образца. Активность 32Si определяется косвенно по Д-активности его до-
чернего изотопа 32Р, который через 2-3 месяца достигает радиоактивного
равновесия с 32Si. Процедура выделения фосфора была описана в (Delmas,
1989). Используя технику УМС, которая позволяет детектировать отноше-
ния 32Si / Si вплоть до 4 х 10"5 (Heinermeier et al., 1987; Morgenstern et al.,
1996), можно значительно уменьшить требуемый размер образца.
5.7.3. Применение
Ледники. В ледники 32Si попадает вместе с выпадающим снегом. Если началь-
ная концентрация 32Si известна и система остается закрытой, то возраст льда
можно получить напрямую. Клаузен и др. (Clausen et al., 1967) по уменьшаю-
щейся концентрации 32Si вдоль ледника Хинтерайсфернер (Hintereisfemer) в
Аварии определили, что средняя скорость его течения равна 6,6 м в год. Эта
величина была рассчитана для периода полураспада tl/2 = 500 лет. Для tm -
- 140 лет она будет 23,6 м в год. Содержание 32Si исследовалось в гренландс-
ких кернах скважин Дай 3 (Dye 3) и Кэмп-Сснчури (Camp Century) (Clausen,
1973). Поскольку возраст льда определяется независимым образом, была сде-
лана попытка определить период полураспада 32Si по скорости уменьшения
его активности с глубиной, которая дала значения от 200 до 300 лет.
Грунтовые воды. С поверхностными водами 32Si проникает в грунтовые
воды. Если нет дальнейшего обмена, то постепенно снижающаяся концен-
трация 32Si указывает на возраст образования грунтовой воды. Измерения в
Индии продемонстрировали, что концентрация 32Si в грунтовых водах умень-
шается вдоль потока (Lal et al., 1970). Гидрологические интерпретации дан-
ных по 32Si затрудняются неточным знанием его начального содержания,
скорости перемешивания различных масс воды, обменных процессов в во-
206 Глава 5. Космогенные нуклиды
доноском горизонте и биогенного влияния. В карстовых водах наблюдалось
резкое снижение концентрации 32Si за счет геохимических процессов
(Morgenstern et al., 1995).
Глубоководные осадки. Диатомы и радиолярии строят свои кремнийорга-
нические скелеты из кремния, растворенного в морской воде. После смерти
они оседают на дно, где попадают в осадки. Поскольку дальнейший обмен с
морской водой прекращается, активность ^Si начинает снижаться. Пред-
принимались попытки использовать это явление для определения скорости
осадконакопления глубоководных отложений, в частности в связи с датиро-
ванием по 23OTh (Kharkar et al., 1969) и 2,0Pb (De Master and Cochran, 1982).
Было отмечено, что совпадение по порядку величины между периодом по-
лураспада 32Si и скоростями океанического перемешивания делает этот изо-
топ в принципе пригодным для исследования циркуляции в океане
(Lai et al., 1976).
5.8. Хлор-36
Радиоактивный *0 является космогенным нуклидом, образующимся как в
атмосфере, так и в поверхностных слоях горных пород. Атмосферный кос-
могенный *С1 быстро выпадает на землю с атмосферными осадками и вклю-
чается в гидрологический цикл. Таким образом, его можно использовать
для датирования вод и льда. Образованный in situ космогенный *С1 позво-
ляет датировать время экспозиции поверхностей и оценивать скорости вы-
ветривания и разрушения. Период полураспада изотопа, равный 301 тыс.
лет позволяет работать на интервале от тыс. лет до млн лет, а для кальцита
даже от 100 лет. С помощью этого изотопа можно определять скорости де-
нудации карстовых поверхностей от 1 мкм в год до I мм в год. Метод хлора-
36 берет начало в работах 1950-х годов (Davis and Schaeffer, 1955). Высоко-
чувствительная техника УМС расширила потенциальные возможности ме-
тода применительно к геологии. Как следствие, начиная с середины 1980-х
годов количество анализов с помощью МС1 в различных породах заметно
увеличилось (Phillips et al., 1986b).
5.8.1. Методологическая основа
Среднее содержание хлора в земной коре - 180 мкг г‘. Природный хлор
состоит, за исключением космогенного *С1, из стабильных изотопов 35С1
(75,77%) и 37С1 (24,23%). *С1 радиоактивен и распадается с излучением элек-
трона, превращаясь в *Аг. Атмосферное образование *С1 в основном идет
по реакции 36Аг(п, р) *С1. Время жизни космогенного “CI в атмосфере со-
ставляет около 2 недель, после чего он выпадает на поверхность вместе с
осадками в растворенном виде или в сухом виде адсорбированным на аэро-
золях. Такое короткое время пребывания в атмосфере недостаточно для гло-
бального перемешивания, поэтому широтный эффект в образовании “С1
проявляется и в атмосферных осадках. Кроме того, наблюдается континен-
тальный эффект: доля “CI в атмосферных осадках увеличивается при дви-
жении вглубь континента за счет уменьшения разбавления океаническими
аэрозолями, обедненными “С1. Растворенный “CI далее проникает в грун-
товые воды (Bentley et al., 1986). Если начальная концентрация изотопа из-
вестна, а система остается закрытой, возраст образования грунтовых вод
может быть определен по остаточному содержанию “С1. Однако вследствие
сильных региональных вариаций сначала необходимо определить начальное
содержание “CI в молодых водах для каждого конкретного региона. Также
необходимо учитывать временные вариации начального содержания “CI.
Исследования фоссилизованной мочи крыс показали, что начальное отно-
шение “Cl / CI за последние 40 тыс. лет, возможно, снизилось на 50%
(Plummer et al., 1997). Необходимо также уделять внимание опасности заг-
рязнения образцов хлором-36, образованным при ядерных испытаниях
1950-х - начала 1960-х годов. Датирование грунтовых вод может быть, кро-
ме того, затруднено присутствием нуклеогенного “CI, образованного в во-
доносном горизонте захватом нейтронов ядрами ,5С1. Нейтроны будет при
этом поставлять радиогенная реакция (а, п).
Космогенный “С1 образуется также в нескольких первых метрах горной
породы, в основном в реакциях расщепления ядер ^Са и 39К, на больших
глубинах до ~ 100 м доминирует мюонный захват ядрами ^-Са. Скорость об-
разования “Cl in situ демонстрирует ярко выраженные широтный и высот-
ный эффекты (Zreda et al., 1991). Скорость образования “Cl в кальциевом
полевом шпате (на уровне моря и широте 39°) составляет 48,8 ± 3,4 атомов
(г Са)‘‘ в год за счет реакций расщепления и 4,8 ± 1,2 атомов (г Са)1 в год
за счет мюонного захвата (Stone et al., 1996). Нарастание концентрации “Cl
в породах вплоть до равновесного уровня (рис. 36) можно, согласно уравне-
нию (31), использовать для датирования экспозиции. Для этого особенно
подходят геологические явления, при которых скрытые породы внезапно
обнажаются для экспозиции космическими лучами, такие, например, как
удар метеорита, вулканизм, деятельность ледников. Для систем, находящих-
ся в радиационном равновесии, изотоп можно использовать для оценки
скорости выветривания. Не надо забывать, что кроме космогенного “С1 в
образце может присутствовать в малых количествах и нуклеогенный “CI,
вклад которого должен учитываться отдельно.
5.8.2. Практические аспекты
Образцы для датирования экспозиции надо отбирать с небольшой (< I м),
постоянной и точно зафиксированной глубины. Желательны невыветрелые
поверхности, но если скорость выветривания известна, она может быть уч-
тена в расчетах. Во избежание эффектов экранировки почвой, снежным
покровом или вулканическим пеплом предпочтительны поверхности с не-
Глава 5. Космогенные нуклиды
большим скатом. Для датирования по *С1 из-за высокого содержания каль-
ция больше всего подходят кальцит и кальциевый полевой шпат.
Анализ содержания *С1 производится методами УМС. Для УМС требует-
ся ~Ю мг С1, что соответствует 10-100 г породы или нескольким литрам
воды. Загрязнение атмосферным (метеорным) *С1 удаляется путем интенсив-
ного промывания измельченных образцов породы. После нескольких стадий
химической очистки выделенный хлор осаждается для УМС-измерений в виде
AgCI (Phillips et al., 1986b; Zreda et al., 1991). Преимуществом УМС-анализа на
*С1 по сравнению, например, с “AI является малая геохимическая распрост-
раненность хлора и, следовательно, высокие отношения “Cl / CI. Предел об-
наружения *С1 / С1 в настоящее время ~10"15, и достигаемая погрешность
составляет примерно ± 10% на уровне ~5 х I04 атомов г-’ (Stone et al., 1996).
5.8.3. Применение
Морены. При движении ледники извлекают и переоткладывают в морены
обломки горных пород, экспонируя космическим лучам ранее экраниро-
ванные поверхности. При отступлении и таянии льда экспозиции подверга-
ются поверхности, отполированные ледником. Так запускается "CI-хроно-
метр, позволяющий датировать как наступление ледников по валунам в мо-
ренах, так и их отступление датированием отшлифованных ледником по-
верхностей. ^Cl-датирование морен позволило установить хронологию лед-
никовых отложений каньона Блади (Bloody Canyon) в горах Сьерра Невада
(Sierra Nevada), Калифорния (Phillips et al., 1990). В этом месте последова-
тельные оледенения оставили след в виде нескольких морфологически раз-
личных морен. Образцы отбирались из верхних 5 см самых крупных валунов
верхнего слоя каждой из морен. При этом у валунов было меньше возможно-
сти подвергнуться эрозионному переотложению и покрытию снегом. *С1-воз-
расты показали, что эпизоды оледенения происходили около 200, 145, 115, 65,
24 и 21 тыс. лет назад. Эти эпизоды коррелируют с пиками глобального накоп-
ления льда, определенными по океанической кривой ,8О / ,6О (рис. 60). Дати-
рование морен по *С1 показало также (Phillips et al. 1996), что наступление
поаднеплейстоценовых ледников в горах Сьерра-Невада происходило 49 ± 2,
31 ± 1, 25 ± 1, 19 ± I и 16 ± I тыс. лет назад, одновременно с образованием
большого количества айсбергов в Северной Атлантике. Эти события извес-
тны как события Хейнрика (Heinrich events). При определении возраста учи-
тывалась скорость выветривания поверхности породы, равная 5 мм/тыс. лет,
а также прогрессирующее обнажение валунов морены за счет эрозии почвы.
По отшлифованным ледником мраморам было датировано оледенение пе-
ревала Тиога (Tioga Pass) (Stone et al., 1996). При сравнении мраморов с
находящимися рядом кварцитами, также отшлифованными ледником, было
установлено, что потери мрамора из-за выветривания составляют 1-1,5 см.
Исходя из этого в расчетах использовалась скорость выветривания, равная
1 мкм в год. Усредненный возраст по *С1 для трех поверхностей оказался
равен 14,9 ± 0,5 тыс. лет. Поскольку при вычислениях не учитывалось не-
большое экранирование снежным покровом в зимний период, этот возраст
отступления ледника может быть слегка занижен.
ю
J
о
I5
о
X
о , ____________, . , . ,
О 50 100 150 200
Возраст (тыс лет)
Рис. 60. Возраст экспозиции по “С! наступлений ледника. Mb (Бассейн Моно),
Тао (Старое Тахоэ), Тау (Молодое Тахоэ), 77 (Тиога) - морены лед-
ника каньона Блади (Bloody) в горах Сьерра-Невада, Калифорния.
Возраст по “О экспозиции валунов в моренах, соответствующих пяти
наступлениям ледника, отложенный против соответствующих длин
ледника, коррелирует с максимумами оледенения в океанической кри-
вой б’Ю (Phillips et al., 1990; с разрешения American Association for the
Advancement of Science).
Лавовые потоки. При извержениях вулканов лава поступает на поверхность,
затвердевает и попадает под облучение космических лучей. Поэтому концент-
рация “CI в застывшей лаве позволяет датировать извержение. Филипс и др.
(Phillips et al., 1986b) измеряли отношение “Cl / Cl в лавовых потоках на западе
Северной Америки и сравнивали результаты с возрастами, определенными
К-Аг-методом. Измеренное отношение нарастало с возрастом в согласии с мо-
дельными приближениями (рис. 61). Аналогичные исследования проводились
и для лавовых потоков Мауна-Кеа (Mauna Кеа), Гавайи (Zreda et al., 1991).
Датирование по “Cl было проведено для 11 образцов базальтов лавовых пото-
ков, отобранных на глубине 5 см от поверхности, а также для вулканических
бомб из вулканического центра Колодцы Латропа (Lathrop Wells), Невада (Zreda
et al., 1993). Полученный возраст был равен 81 ± 7,9 тыс. лет. Для образцов,
отобранных с верхних частей гребней сжатия, потребовалась коррекция возра-
ста с учетом геометрии поверхности. Возраст четырех образцов из базальтового
лавового потока Блэк-Рок (Black Rock) вулканического поля Лунный Кратер
(Lunar Crater) в Неваде оказался равен 33,9 ± 6,7 тыс. лет (Shepaid et al., 1995),
что согласуется с бериллиевым возрастом (разд. 5.3). Найденные по “С1 возра-
сты экспозиции потока, имеющего возраст 600 тыс. лет (К-Ar), к северу от
маара (кратерного озера) Лунного Кратера, лежат в интервале от 120 тыс. до 560
тыс. лет и находятся в согласии со средней скоростью эрозии -3 мм/тыс. лет.
210 Глава 5. Космогенные нуклиды
Рис. 61. Содержание *С1, образованного in situ в поверхности лавовых пото-
ков, коррелирует с К-Аг-возрастом. Аналитические данные подтвер-
ждают экспоненциальный характер роста содержания *С1, что следу-
ет из модели (рис. 36). (Phillips et al., 1986b; с разрешения American
Association for the Advancement of Science).
Импактиты (ударные образования). При ударах гигантских метеоритов
на поверхность выбрасываются огромные массы горных пород, где они сра-
зу попадают под облучение космических лучей. Таким образом, накоплен-
ный в выброшенном материале и в стенках кратера космогенный *С1 может
датировать момент удара. *С1-анализ четырех доломитовых валунов, выбро-
шенных из Аризонского метеоритного кратера, дал средний возраст 49,7 ± 0,85
тыс. лет (рис.59), что находится в согласии с возрастом по *А1 / ,0Ве, равным
49,2 ± 1,7 (разд. 5.6.3) и термолюминесцентным возрастом 49 ± 3 тыс. лет
(разд. 7.1.3). Этот возраст был также позднее косвенно подтвержден радио-
углеродным датированием древнейшего образца пустынного загара, обнару-
женного ниже предела обнаружения (Phillips et al., 1991).
Керны льда. Период полураспада *С1 делает его потенциально пригод-
ным для датирования льда ранних циклов оледенения (Dansgaard, 1981).
Атмосферный космогенный *С1 попадает в лед вместе с выпадающим сне-
гом. Для хлора лед представляет собой закрытую систему. Если известно
начальное отношение %С1 / С1, то распад *С1 позволяет датировать время
образования льда. Серьезной проблемой является вариация начального от-
ношения *С1 / С1, как во времени, так и в пространстве. Чтобы эту труд-
ность обойти, было предложено объединить анализ на МС1 с юВе в виде
метода 10Be - МС1 (с эффективным периодом полураспада, равным 370 тыс.
лет) в предположении, что начальные концентрации обоих нуклидов варьи-
руются одинаково, так что их отношение останется постоянным. Однако
попытки испытать этот метод на образцах льда из гренландского керна Кэмп-
Сенчури (Camp Century) оказались безуспешными (Elmore et al., 1987).
Грунтовые воды. Космогенный нуклид ИЛ хорошо подходит для дати-
рования грунтовых вод ввиду высокой скорости его поступления из атмос-
феры и растворимости в воде. Его рабочий временной промежуток почти
на 2 млн лет больше, чем для радиоуглерода. Согласно датировочной мо-
дели закрытой системы отношение *С1 / С1 должно уменьшаться с увели-
чением возраста грунтовой воды, т.е. вдоль по потоку. Плавное уменьше-
ние отношения *С1 / CI с расстоянием вдоль потока наблюдалось в водо-
носном горизонте Молочная Река — Милк Ривер (Milk River), Канада. Воз-
расты по %С1 постепенно увеличивались до 2 млн лет, что указывало на
очень медленную скорость течения (Phillips et al., 1986). Перемешивание
различных масс воды и геохимический обмен в водоносном горизонте обыч-
но ограничивают количественную интерпретацию экспериментальных дан-
ных (Fabryka-Martin et al., 1987). Тем не менее *С1 остается важным гидро-
логическим трассером (Yechieli et al., 1996). В присутствии гранитов дати-
рование воды может быть затруднено загрязнением нуклеогенным *С1. При
исследовании гидрологических систем в качестве трассера, имеющего же-
сткую временную привязку, можно использовать бомбовый пик МС1 конца
1950-х - начала 1960-х годов (Bentley, 1982).
Эвапориты (пересыхающее образования). Соляные озера являются важными
архивами палеоклиматической информации, так как уровень воды, соленость
и осадочные отложения в них весьма чувствительны к климатическим флукту-
ациям. Включение космогенного *С1 в отложения позволяет их датировать.
Источником *С1 является как атмосферное, так и in situ образование *С1, при-
чем *С1 in situ связан с выветриванием пород и почвы. Метод датирования по
*С1 был испытан на керне отложений озера Сирлес (Searles), Калифорния (Phillips
et al., 1983). Измеренное в пяти образцах галита (соли) отношение *С1 / С1
уменьшалось с глубиной. В предположении начального отношения *С1 / CI,
равного 56 х 1045, это дало возрасты от 10 тыс. до 922 тыс. лет, что согласуется
с определениями по ,4С и "‘Th, а также с магнитостратиграфией. Тем не менее,
как показали исследования в бассейне Кайдам (Qaidam), Китай, предположе-
ние о постоянстве начального отношения *С1 / С1 не подтверждается (Phillips
et al., 1993). Поскольку растворимость хлоридов весьма высока, датирование
212 Глава 5. Космогенные нуклиды
эвапоритов по МС1 возможно лишь в аридных регионах, где оригинальные
соляные осадки не испытывают переотложения.
5.9. Аргон-39
Космогенный изотоп59Аг образуется в атмосфере и вместе с атмосферными осад-
ками поступает в поверхностные воды и льды. Будучи захваченным в массе льда
или воды, не испытывающей дальнейшего обмена, *Ar позволяет датировать
момент последнего газообмена с атмосферой. Период полураспада 39Аг позволя-
ет проводить датирование в интервале от нескольких десятилетий до тысячи лет,
что перекрывает разрыв между тритиевым и радиоуглеродным методами. Пер-
вые методические разработки по датированию земных образцов по ^Аг относят-
ся к 1960-м годам (Loosli and Oescher, 1968). Метод аргона-39 в основном исполь-
зуют для датирования ледников, океанических и фунтовых вод.
5.9.1. Методологическая основа
Инертный газ аргон является третьим по важности элементом, составляю-
щим атмосферу и представлен, за исключением космогенного 39Аг, тремя изо-
топами - *Аг,38Аг и *>Ar (разд. 3.1.1).39Аг радиоактивен и распадается с пери-
одом полураспада, равным 269 лет, с Д-эмиссией в даК. В природе космогенный
39Аг образуется в стратосфере в основном захватом нейтрона ядром *Аг в реак-
ции ^Arfn, 2п)39Аг. Другими источниками образования 39Аг в атмосфере мож-
но пренебречь. Аргон, как инертный газ, не образует химических соедине-
ний. Из-за быстрого перемешивания в атмосфере существует постоянное рав-
новесное отношение 39Аг / Аг. Возможно, что за последние 1000 лет атмос-
ферное отношение 39Аг / Аг испытывало вариации до 7%, однако для задач
датирования это практически несущественно (Loosli, 1983). Вследствие быст-
рого обмена аргона в атмосфере и гидросфере, то же самое равновесное отно-
шение ”Аг / Аг сохраняется в атмосферных осадках и поверхностных водах.
В фунтовых водах возможен также нуклеогенный 39Аг, образующийся в поро-
дах в результате захвата (а, п)-нейтронов в реакции MK(n, р)39Аг (Forster et al.,
1992). Аргон захватывается выпадающим снегом и растворяется в поверхност-
ном слое океана и в фунтовых водах. Затем, прекратив обмен с атмосферой,39Аг
распадается, что и может служить радиометрическим хронометром. Если систе-
ма сохраняется закрытой, то по количеству остаточного *Аг можно датировать
время образования льда или массы воды (уравнение (26)). Однако на практике
такое упрощенное поведение гидрологических систем встречается редко.
5.9.2. Практические аспекты
Для изотопного исследования аргон, растворенный в воде или захваченный в
массе льда, сначала экстрагируют. Его отделяют от кислорода, азота и других
примесей. Для анализа на ”Аг требуется 0,3-2 л очищенного аргона, что со-
5.9. Аргон-39 2I3JJ
ответствует нескольким м3 льда или воды. Содержание ”Аг определяется по
его Д-активности с помощью газовых пропорциональных счетчиков. Поскольку
специфическая активность ”Аг очень низка (примерно в 70 раз ниже специ-
фической активности радиоуглерода современных образцов), для исследова-
ния необходимы лаборатории с предельно низким уровнем фона. Измерение
образца аргона порядка 2 л занимает время до нескольких недель. Следует
остерегаться загрязнения образца современным воздухом. Такое загрязнение
может быть обнаружено по присутствию техногенного 8$Кг и, если необходи-
мо, учтено и скорректировано в расчетах (Loosli, 1983).
5.9.3. Применение
Ледники. При образовании льда в ледниках захватывается воздух, а с ним,
соответственно, и радиоактивный 39Аг. В слое выпавшего снега воздух все
еще находится в равновесии с атмосферой. С ростом толщины слоя снег
уплотняется, и система связанных между собой пор и канальцев, запол-
ненных воздухом, образует в конце концов захваченные во льду пузырьки
воздуха. В этот момент происходит изоляция 39Аг от обмена с атмосферой
и запускается радиометрический хронометр. Следовательно, 39Аг датирует
не момент выпадения снега, а момент уплотнения и закрытия пор, захвата
воздушных пузырьков. Удалось показать, что в гренландском керне Крет
(Сг&е) изоляция системы 39Аг происходит на глубине 70 м от поверхности
ледника (рис. 62) (Loosli, 1983). Из-за этого явления в исследуемом керне,
охватывающем последнее тысячелетие, наблюдался систематический сдвиг
на 250 лет между возрастами, определенными по 39Аг и независимо опреде-
ленными прямым пересчетом слоев льда возрастами, датирующими мо-
мент выпадения снега.
Океанические воды. Циркуляция в океане оказывает сильное влияние на
климат. Поскольку период полураспада ’’Аг весьма близок к характерным
временам циркуляции (I тыс. лет), этот нуклид очень хорошо подходит для
океанографических исследований. Дополнительным преимуществом космо-
генного ”Аг является то, что у него нет, в отличие от 3Н и ,4С, антропоген-
ного компонента. Вода, находящаяся у поверхности, вступает в газообмен с
атмосферой, где в нее проникает современный ’’Аг. Когда масса воды по-
гружается, газообмен прекращается и содержание ”Аг начинает снижаться.
У океанических вод в зонах апвелинга, например, в проливе МакМёрдо
(McMundo), Антарктида, наблюдается сильно пониженная активность ”Аг.
Дополнительную информацию о характере океанической циркуляции мож-
но получить, комбинируя анализ по ”Аг с исследованием содержания дру-
гих изотопов: 3Н, ,4С и g5Kr (Smethie et al., 1986).
Грунтовые воды. Вместе с водой с поверхности, проникающей в почву,
39Аг попадает в грунтовые воды. В закрытых водоносных горизонтах вода
214 Глава 5. Космогенные нуклиды
изолирована от обмена с атмосферой, что приводит к уменьшению активно-
сти 39Аг. Следовательно, по остаточной активности ”Аг можно определить
время с момента прекращения обмена в предположении, что система оста-
валась закрытой и не происходило перемешивания с другими массами воды.
К сожалению, в природе такие модельные приближения реализуются не
часто. Снижение активности *Аг вдоль по течению водоносного горизонта
наблюдалось для грунтовых вод Франкеналб (Frankenalb), Германия (Loosli,
1983). При сравнении с радиоуглеродными возрастами тех же образцов ока-
залось, что все возрасты по ”Аг были меньше. Это расхождение не удается
объяснить лишь перемешиванием различных масс воды. Наиболее вероят-
ной причиной является искажение возрастов по ”Аг за счет примеси нукле-
огенного 39Аг, образующегося в породах и захватываемого грунтовыми вода-
ми, особенно если в гидрологической системе присутствуют богатые калием
породы, такие как граниты (Forster et al., 1992). В любом случае, датирова-
ние по 39Аг дает предел снизу для возраста образования грунтовой воды, в то
время как ,4С чаше дает предел сверху (разд. 5.4.3).
Возрсст {лет)
Рис. 62. Зависимость возраста по ”Аг от глубины в керне льда Крет (Cr€te),
Гренландия. Для сравнения пунктирная линия показывает возраст, оп-
ределенный по 5”О. Наблюдаемый систематический сдвиг на 250 лет
после выпадения снега между двумя методами объясняется тем, что
изоляция пузырьков воздуха происходит на глубине 70 м от поверх-
ности ледника (Loosli, 1983; с разрешения Elsevier Science Lid.).
5.10. Кальций-41 215
5.10. Кальций-41
Космогенный 4,Са образуется под действием космических лучей in situ в
слое горных пород глубиной несколько метров. Оттуда он проникает в гид-
росферу и биосферу. Если материал, содержащий кальций, перемещается с
поверхности вглубь, где оказывается экранированным от космических лу-
чей, концентрация 4,Са начинает снижаться и радиометрический возраст
может быть определен измерением количества остаточного 4,Са. В принци-
пе возможно датирование костей, известковых отложений и конкреций.
Период полураспада 4|Са, равный ~ 103 тыс. лет, позволяет применять его в
интервале 20-500 тыс. лет. Метод был предложен довольно давно (Raisbeck
and Yiou, 1979), однако так и не получил заметного практического примене-
ния. Для этого все еще необходимо преодолеть ряд серьезных затруднений,
таких как детектирование 4|Са, сильные вариации начального отношения
4|Са / Са и сложное геохимическое поведение системы 4,Са (Fink et al., 1990).
5.10.1. Методологическая основа
Содержание кальция, пятого по распространенности элемента в земной коре,
составляет 3,6%. Природный кальций образован шестью изотопами: “Са
(96,94%), 42Са (0,65%), 43Са (0,14%), “Са (2,08%), “Са (0,0033%) и “Са
(0,185%). Кальций геохимически очень мобилен, т.е. в зависимости от тем-
пературы и pH легко участвует в обмене между карбонатами пород и грунто-
выми водами. Растворение и отложение карбоната кальция — это обычное
явление для грунтовых вод. С точки зрения биохимии кальций является
важнейшей составляющей костей и скелета.
Космогенный 4,Са в основном образуется захватом тепловых нейтро-
нов ядром “Са в реакции “Са(п, у)4,Са в приповерхностных породах, со-
держащих кальций (рис. 63). 4,Са через электронный захват распадается в
41 К. В приповерхностной зоне отношение 4,Са / “Са достигает равновесия
между образованием и распадом после -500 лет. При среднем потоке ней-
тронов 3 х 10_J нейтронов см'2 с'1 равновесное отношение 4,Са / “Са в
верхнем метре породы составляет -10-14.
Космогенный 4,Са участвует в геохимическом и биохимическом циклах
обмена кальция и таким образом проникает в карбонатные осадки и кости.
Пока эти процессы происходят около земной поверхности, в материале под-
держивается равновесное отношение 4|Са / “Са, но как только кальций-
содержащий объект перемещается с поверхности в глубину (> 3 м), это от-
ношение начинает снижаться. По содержанию остаточного 4|Са можно да-
тировать момент начала экранировки исследуемого материала от космичес-
ких лучей, т.е. осадочное захоронение костей, образование пещерных нате-
ков, а также отложение костей и известняковых фрагментов в пещерах. Од-
нако для этого необходимо знание начального отношения 4,Са / “Са в объекте,
а также уверенность в закрытости 4|Са / “Са-системы после экранировки.
216 Глава 5. Космогенные нуклиды
В какой степени выполняются эти условия, критические для пригодности
метода датирования по 4|Са, пока неизвестно. Кроме того, период полурас-
пада 4,Са известен с невысокой точностью. Кроме датирования моментов
отложения образцов, 4|Са-хронометр можно использовать для датирования
экспозиции поверхностей. Когда богатые кальцием породы неожиданно
попадают на поверхность, в них начинает накапливаться космогенный 4|Са,
что позволяет датировать экспозиции вплоть до нескольких сотен тысяч лет.
В карстовых ландшафтах и местностях, богатых кальциевым полевым шпа-
том, с помощью 4|Са можно также проводить опенки скоростей эрозии и
разрушения формаций (Fink et al., 1990).
Рис. 63. Датнровочная модель для метода nCa (Taylor et al., 1989). Космоген-
ный *'Са образуется захватом нейтронов ядром *Са в верхних не-
скольких метрах поверхностных пород, и концентрация нарастает, пока
не достигается равновесие между образованием и радиоактивным рас-
падом. Изотоп 4|Са включается в геохимический и биохимический об-
менные циклы кальция и таким образом проникает во вторичные кар-
бонаты и костный материал. При экранировке образца от космических
лучей (> 3 м пол поверхностью) запускается 4,Са-хронометр.
5.10.2. Применение
Кости, пещерные натечные образования и кальциево-карбонатные конкреции.
Только с появлением УМС появилась возможность детектировать с доста-
ЧУ
5.11. Криптон-81
точной чувствительностью отношения 4,Са/40Са на уровне 10_,4-10_|5 (Raisbeck
and Yiou, 1980). Удалось провести измерения 4,Са / wCa в современных костях
и известняках с поверхности и с глубины 11 м, причем потребовалось изотоп-
ное обогащение кальция перед измерениями (Taylor et al., 1989). Разброс от-
ношения 4|Са / ^Са в современных костях составил два порядка величины и
до семи раз - для различных видов с одного и того же места (Fink et al., 1990).
Такая высокая изменчивость, вероятно, вызвана некими местными фактора-
ми и, естественно, влияет на определения точки нуля для 4|Са-хронометра.
Чтобы довести метод 4,Са до практического применения для датирования
плейстоценового костного материала, известковых натеков и конкреций, тре-
буются дальнейшие методологические разработки и исследования как по де-
тектированию 4|Са, так и по циклу кальция в природе.
5.11. Криптон-81
Космогенный 81 Кг образуется в атмосфере и оттуда с атмосферными осадка-
ми попадает в поверхностные воды. Распад 81 Кг, изолированного в грунто-
вых водах или ледниках от дальнейшего обмена с атмосферой, позволяет
датировать эти материалы. При периоде полураспада в 210 тыс. лет датиро-
вание возможно от 50 тыс. лет до 1 млн лет. Разработка метода датирования
земных образцов по 8|Кг началась в 1960-е годы (Loosli and Oeschger, 1968)
как ответвление 39Аг-метода. Другой радиоактивный изотоп криптона, 85Кг с
г(/2 = 10,8 лет, образуется в атомных реакторах, откуда попадает в атмосферу,
а также в малых количествах генерируется нуклеогенным путем в подпоч-
венных породах (Loosli et al., 1989). Этот изотоп также можно использовать
для датирования, в основном в гидрологии, где он дополняет исследования
по 3Н (Salvamoser, 1982).
5.11.1. Методологическая основа
Инертный газ криптон в атмосфере присутствует в следовых (10*9) количе-
ствах. За исключением радиоактивных изотопов 81 Кг и 8$Кг, он состоит из
стабильных изотопов:78Кг (0,4%), wKr (2,2%), иКг (11,6%), 83Кг (11,5%), мКг
(57%) и “Кг (17.3%).81 Кг радиоактивен - захватом электрона он превраща-
ется в 81 Вг. 81 Кг образуется в атмосфере космическими лучами в реакциях
захвата нейтронов и расщеплением ядер стабильных изотопов криптона.
Как инертный газ криптон химически неактивен. Быстрое атмосферное пе-
ремешивание приводит к гомогенизации космогенного криптона, поэтому в
атмосфере наблюдается равновесное отношение 81 Кг / Кг, равное 5 х )0-13.
Атмосферные осадки переносят это отношение в молодые грунтовые воды,
которые, при растворимости криптона в 9,2 х 10-5 см3 криптона на литр
воды, содержат лишь 1300 атомов 81 Кг на литр (Lehnamm et al., 1985).
Когда обмен с атмосферой прерывается, захваченный 81 Кг начинает
распадаться. Соответственно, в предположении о сохранении закрытости
218 Глава 5. Космогенные нуклиды
8,Кг-системы (уравнение (26)) по количеству остаточного 81 Кг можно да-
тировать момент изоляции. Рассчитанный в этом предположении воз-
раст должен датировать момент образования грунтовой воды или льда в
леднике. Временные вариации скорости образования 81 Кг с характерны-
ми временами < 10s л не влияют на датирование, поскольку они меньше
периода полураспада изотопа 8'Кг и нивелируются атмосферой.
5.11.2. Практические аспекты
Криптон вместе с другими инертными газами выделяют из нескольких лит-
ров воды или льда и отделяют от кислорода, азота и других примесей. Разде-
ление криптона и других инертных газов проводится методом газовой хро-
матографии. После изотопного обогащения содержание 81 Кг определяется с
помощью резонансной ионизационной спектроскопии (Chen et al., 1984;
Lehmann et al., 1985). Следует избегать загрязнения образца современным
воздухом, что может быть обнаружено по присутствию 85Кг (Loosli, 1983).
5.11.3. Применение
Ледники. Метод криптона-81 потенциально очень интересен для датирова-
ния кернов полярных льдов. Этот метод открывает возможность исследо-
вать историю их накопления в среднем плейстоцене вплоть до нескольких
сотен тысяч лет в прошлое.
Грунтовые воды. С поверхностными водами растворенный 81 Кг проника-
ет в грунтовые воды. Пока грунтовые воды находятся в контакте с атмосфе-
рой, в них поддерживается равновесная концентрация 81 Кг. В закрытых во-
доносных слоях вода изолируется от обмена с атмосферой, что ведет к по-
степенному снижению концентрации 81 Кг. Поскольку его период полурас-
пада относительно велик,81 Кг подходит лишь для датирования очень древ-
них грунтовых вод. Возможность датирования грунтовых вод по 81 Кг была
продемонстрирована на примере водоносного горизонта в песчаниках око-
ло Цюриха, Швейцария (Lehmann et al., 1985).
ГЛАВА 6
ТРЕКИ ЧАСТИЦ
Существуют два метода датирования, основанные на изучении треков ядер-
ных частиц: датирование по трекам деления и датирование по трекам а-
частиц (ядрам отдачи). При делении ядер и а-распаде осколки ядра приоб-
ретают высокую кинетическую энергию. В результате взаимодействия этих
частиц с атомами твердого тела вдоль траектории частиц остается след, со-
стоящий из радиационных повреждений, — скрытый трек частицы. Таким
образом можно зарегистрировать отдельное событие распада. Треки частиц
могут регистрироваться во многих минералах и стеклах. Они формируются
при спонтанном делении ядер 38 U. Два тяжелых осколка ядра оставляют
трек деления длиной 10-20 мкм. Треки отдачи а-распада формируются при
а-распаде урана, тория и продуктов радиоактивного распада этих элемен-
тов. Оставленное а-частицей ядро смещается на несколько сотых долей
мкм. Диаметр скрытых треков частиц доходит до нескольких тысячных
долей мкм.
Треки частиц можно наблюдать непосредственно с помощью просвечи-
вающего электронного микроскопа. Диаметр скрытых треков можно увели-
чить в 1000 раз травлением за счет неповрежденного материала до размеров,
различимых с помощью оптического микроскопа. Процесс травления зави-
сит от состава и структуры твердого тела - детектора, подвергаемого травле-
нию, свойств треков и условий травления (Wagner and van den Haute, 1992).
Для получения количественных данных при датировании очень важным фак-
тором является эффективность травления, так как при этом могут прояв-
ляться не все треки, пересекающие поверхность. Травлению подвергаются
не только треки, но также и неповрежденный материал, поэтому протрав-
ливаемая поверхность понижается. В результате треки, которые имеют угол
наклона к поверхности меньше критического, не выявляются. Критический
угол зависит от детектора и от условий травления. Кроме того, хотя при
последовательном травлении детектора открываются новые треки, перетрав-
ленные треки могут теряться. Поэтому плотность протравленных греков на
единицу площади поверхности зависит от времени травления (рис. 64), и
для точных определений возраста требуются определенные оптимальные
условия травления.
Возраст накопления треков. Предположим, что сохранились все треки,
начиная с момента образования образца, т.е. что система остается закрытой.
Тогда общее количество накопленных треков является мерой возраста об-
220 Глава 6. Треки частиц
разца. В схемах радиометрических часов» в которых радиоактивные мате-
ринские ядра распадаются на радиогенные дочерние нуклиды, треки частиц
представляют дочерние нуклиды. Значение возраста относится к моменту
формирования минерала или к последнему нагреву, сопровождавшемуся
полным уничтожением ранее существовавших треков. Число треков изме-
ряется как поверхностная плотность треков (см'2). Для подсчета протрав-
ленных треков деления, имеющих микронные размеры, используется пет-
рографический микроскоп с сильным увеличением (рис. 65). Для подсчета
треков отдачи а-распада требуется контрастный фазоинтерференционный
или электронный сканирующий микроскоп.
Рис. 64. Зависимость плотности тре-
ков деления от времени травления.
(Wagner and van den Haute 1992):
1. видимые треки не развиты; 2. от-
крытие поверхностных треков; 3. рас-
крытие добавленных объемных треков;
устанавливается равновесие между пе-
ретравленными и новотравленными
треками, что проявляется в появлении
плато. Оптимальные условия травле-
ния находятся в заштрихованной об-
ласти.
Исходная предпосылка для датирования, заключающаяся в том, что все
треки, однажды образовавшись, сохраняются, часто не выполняется, и по-
этому возраст оказывается слишком низким по отношению к формирова-
нию образца. Можно наблюдать частичную или даже полную потерю тре-
ков. Постепенное исчезновение треков происходит при повышенных тем-
пературах - это явление известно как отжиг треков. По своим свойствам по
отношению к отжигу различные материалы, регистрирующие треки, сильно
отличаются. Для того чтобы проверить, подвергались ли треки частичному
отжигу, проводится измерение размеров треков деления. Эта процедура эф-
фективно выполняется с помощью систем анализа изображений (рис. 65).
Если все ранее образованные треки подвергались отжигу, то трековый воз-
раст датирует момент нагрева.
Датирование по трекам частиц требует зиания концентрации материнс-
ких ядер — это уран в случае треков деления и уран и торий в случае треков
отдачи а-распада. Эти элементы в принципе могут быть проанализированы
особо, но это привело бы к появлению в процедуре датирования источника
дополнительных систематических ошибок. Полезным оказывается измере-
ние урана по трекам индуцированного деления 235U после облучения тепло-
выми нейтронами и тория с помощью треков индуцированного деления 232Th
6.1. Треки деления 221
после облучения образца быстрыми нейтронами. Это означает двойное об-
лучение для случая датирования по трекам отдачи а-распада — сначала
тепловыми нейтронами для определения урана, а затем быстрыми нейтро-
нами для определения тория (Wagner, 1980а). Количественный анализ вы-
полняется с помощью эталонных материалов, обычно стекол, добавляемых
при нейтронном облучении. Метод определения урана и тория с помощью
индуцированного деления ядер имеет дополнительное преимущество, зак-
лючающееся в том, что при этом получается информация о микроскопичес-
ком распределении урана и тория как раз для того места, где подсчитывают-
ся ископаемые треки. Такой микроанализ дает возможность датировки от-
дельных зерен минерала.
КОНФИГУРАЦИЯ СИСТЕМЫ
Рис. 65. Оборудование, требующееся для измерения треков частиц. Кроме
подсчета частиц измеряются также размеры треков, чтобы получить
информацию о степени их отжига.
6.1. Треки деления
Метод треков деления основан на явлении спонтанного деления урана -
редком типе естественной радиоактивности. История датирования по тре-
кам деления начинается с того времени, когда было открыто, что тяжелые
осколки деления ядра оставляют в минералах и стекле наблюдаемые с по-
мощью микроскопа треки деления, которые можно подвергнуть травлению
(Price and Walker 1962, 1963). Так как с помощью треков можно обнаружить
единичные события деления, метод треков деления, несмотря на большой
период полураспада для спонтанного деления 2”U (8,2 х 10’* лет), может
быть применен и для измерения относительно коротких промежутков вре-
Глава 6. Треки частиц
мени в прошлом (106лет). Возможность датирования методом треков деле-
ния для диапазона молодых возрастов требует весьма высоких концентра-
ций урана. Если принять в качестве предварительного условия, что удель-
ная плотность треков должна быть равна 10 трекам на см2, то для того
чтобы точно определить возраст порядка 105 лет, концентрация урана дол-
жна составлять по крайней мерс I мкг/г. Для определения меньших воз-
растов необходимы более высокие концентрации урана, и при благопри-
ятных обстоятельствах нижний предел датирования может достигать диа-
пазона археологических возрастов (несколько тысяч лет). Зависимость между
плотностью треков деления, содержанием урана и возрастом приведена на
рис. 66.
Возрост (лет)
Рис. 66. Соотношение между диапазоном возраста, который может быть опре-
делен с помощью треков деления, и содержанием урана в образце.
Плотности подсчитываемых треков < 102 см'2 требуют большого вре-
мени для подсчета, а плотности > 107 см 1 не разрешаются при под-
счете с помощью оптического микроскопа (Wagner, 1976).
10*
10s
Принципы и применение метода датирования по трекам деления были
подробно описаны (Wagner and van den Haute, 1992). Наиболее часто ис-
пользуемым в диапазоне молодых возрастов минералом, благодаря высоко-
му содержанию в нем урана, является циркон. Акцессорный циркон присут-
ствует в вулканических породах. Особый интерес представляют вулканичес-
6.1. Треки деления 223
кие пеплы, которые заключены в осадках, таких как четвертичные серии.
Эти осадки могут быть датированы с помошью треков деления, включая
те, которые содержат останки гоминид и палеолитические орудия. Вулка-
нические экструзивные породы могут нагревать области контакта пород до
температур, при которых треки деления в цирконе, титаните и апатите
отжигаются, и, таким образом, происходит повторный запуск часов на ос-
нове треков деления. Аналогично могут быть датированы обжиг керамики
и нагрев камней человеком в том случае, если эти объекты содержат мине-
ралы с высоким содержанием урана. Для датирования методом треков де-
ления часто используются вулканические стекла, такие как обсидиан и
пемза. Обсидиановые орудия часто подвергались нагреву, и это важно для
применения данного метода в археологии. В дополнение к датировкам сте-
кол естественного происхождения с помошью метода треков может быть
осуществлена датировка стекла, изготовленного человеком. Благодаря не-
давнему происхождению этого стекла содержание урана в нем должно быть
чрезвычайно высоким, как это имеет место, например, для урановых сте-
кол XIX и XX века.
Точность определения возраста молодых образцов определяется числом
подсчитанных треков деления, которое, в свою очередь, зависит от плотно-
сти треков и доступной области подсчета. Подсчет с помощью микроскопа
на площади 1 см2 требует нескольких часов. Для того чтобы добиться точно-
сти 10%, необходимо учесть по крайней мере 100 треков (разд. 1.3). Эта цель
может оказаться нереальной из-за ограниченного размера образца, особен-
но в случае зерен минералов и осколков стекла.
6.1. L Методологическая основа
Естественный уран состоит из двух изотопов с известным отношением их
распространенности: 23*U (99,3%) и 235U (0,7%). Оба изотопа распадаются с
испусканием а-частицы и являются материнскими нуклидами длинных це-
пей распада (рис. 22). Изотоп помимо a-активности может еще распа-
даться посредством спонтанного деления ядра. Скорость распада при спон-
танном делении в 106 раз меньше, чем при а-распаде. При делении ядро
урана расщепляется на два неравных тяжелых осколка деления и 2—3 нейт-
рона (рис. 3). В каждом событии деления высвобождается энергия -200 МэВ,
проявляющаяся в основном в виде кинетической энергии осколков деле-
ния, которые разлетаются в противоположных направлениях. Эти осколки
тратят свою энергию на ионизацию окружающего вещества и оставляют
вдоль своего пути зону радиационных повреждений. Обе зоны вместе фор-
мируют прямой трек деления длиной 10—20 мкм и диаметром несколько
тысячных долей мкм.
Скрытые треки деления с помощью травления увеличиваются до тех пор,
пока они не станут видимыми в оптический микроскоп (рис. 67), применя-
емый при осуществлении датирования по трекам деления. Для того чтобы
.Т 224 Глава 6. Треки частиц
протравить грек, заключенный внутри твердого тела, можно рассечь обра-
зен и вывести трек на полированную поверхность или плоскость спайности
так, чтобы обеспечить доступ травящего раствора к материалу, имеющему
радиационные повреждения (рис. 68). Такие треки называются поверхност-
ными треками. Результатом такой подготовки поверхности является то, что
в твердом теле остается только часть полной длины трека. Если требуется
протравить полную длину трека, то необходимо разыскать объемный трек.
заключенный в твердом теле. Для травления таких треков нужны первичные
каналы, такие как поверхностные треки, или плоскости спайности, по кото-
рым может быть обеспечен доступ травящего раствора.
Рис, 67. Фрагмент стекла (протравленный в течение 110 с при температуре
23*С в 24% HF) из туфов острова Бэнкс (Banks Island), Канада, с
предварительно отожженными треками деления (в течение 90 дней
при температуре 100°С). (С разрешения J. Westgate.)
Возраст по трекам деления. Если треки деления сохранились, то их коли-
чество отражает возраст образца. Необходимо знать концентрацию урана,
так как от нее зависит число треков. Для анализа урана используется явле-
ние деления 235U, индуцированное с помощью тепловых нейтронов. Собы-
тия индуцированного деления 235U должны быть четко дифференцированы
от событий спонтанного деления 23I,U. Оба типа деления дают в результате
деления физически идентичные треки. Число треков индуцированного де-
ления 235U зависит от содержания урана и интегральной плотности потока
нейтронов.
Рис. 68. Схематическое пред-
ставление травленых поверхно-
стных треков и объемных тре-
ков. Поверхностные треки пе-
ресечены полированной повер-
хностью, обеспечивающей, та-
ким образом, непосредствен-
ный доступ травящего раство-
ра. Объемные треки, представ-
ляющие полную длину трека,
доступны для травящего раство-
ра только через первичные тре-
ки или плоскости спайности.
Скрытая длина
Спроецированная
длина
Поверхность
Датирование по трекам деления сводится к подсчету числа треков спон-
танного деления 2MU до облучения нейтронами и к подсчету треков индуци-
рованного деления nsU после облучения. Возраст t [лет] вычисляется по
формуле:
t = 1/А, In [ 1 + (рУд) (ЛА) (Ф I <т)1, (45)
где pt и р, - плотности, соответственно, треков спонтанного и индуциро-
ванного деления [см‘2]; ф — интегральная плотность потока тепловых нейт-
ронов [см-2]; Л» и Л - постоянные полного распада [1,55125 х 10 ’° год4] и
спонтанного деления [8,46 х 1047 год4] 2MU; 1 равно отношению 2i$U / 238U
[7,2527 х 104]; or - сечение реакции для тепловых нейтронов [580,2 х 1С‘24см2].
Существует несколько альтернативных процедур при проведении датиро-
вания по трекам деления. Необходимо проводить различие между физически
независимыми измерениями возраста и калибровкой с помощью стандартов
возраста. Возможен выбор между способом подсчета треков и способом внеш-
него детектора, а также другими технологическими вариантами. Выбор опти-
мального способа определяется типом и размером образца и однородностью
распределения урана (Gleadow, 1981). Независимое определение возраста осу-
ществляется в соответствии с уравнением (45). Методика, использующая стан-
дарты возраста и эталонные стекла, известна как ^-калибровка (Harford and
Green, 1983). При использовании способа подсчета треков образец делится на
две почти равные аликвоты. В первой аликвоте производится травление тре-
ков спонтанного деления и их подсчет. Во второй аликвоте производится
полный отжиг треков спонтанного деления, затем после облучения нейтро-
нами и травления производится подсчет треков индуцированного деления.
Этот способ требует однородного распределения урана, но обладает тем пре-
226 Глава 6. Треки частиц
имуществом, что оба типа треков деления записаны в одном и том же матери-
але при одних и тех же условиях эксперимента. Способ внешнего детектора
предполагает регистрацию треков спонтанного деления и треков индуциро-
ванного деления в различных материалах. После травления треков спонтан-
ного деления на поверхности образца эта поверхность покрывается для облу-
чения нейтронами внешним детектором, в котором появляются треки инду-
цированного деления. Обычно для этой цели используются листы мусковита,
не содержащие уран, и поликарбонатная фольга. После облучения детектор
удаляется и травится. Треки спонтанного деления подсчитываются на срезе
образца, в то время как треки индуцированного деления подсчитываются на
поверхности детектора. Способ внешнего детектора имеет то преимущество,
что треки спонтанного деления и индуцированного деления берут начало в
одной микрообласти внутри образца, значит, таким способом могут быть да-
тированы образцы с неоднородным распределением урана и единичные зер-
на. Так как образец и детектор имеют различные эффективности травления, а
также из-за того, что геометрию регистрации треков в образце и детекторе
трудно выразить в количественной форме, способ внешнего детектора нужда-
ется в калибровке с помощью стандартов возраста.
Таблица 5. Характеристики отжига треков деления: приведены значения температу-
ры (в *С) для различной продолжительности нагрева, при котором плот-
ность треков уменьшается до половины первоначальной величины.
Мотериол 1 ч 1 гол 107лет ЦУлет 10* ле т Ссылка
Титанит 610 490 440 390 350 Noeser ond Foul (1969)
600 480 430 380 340 Nagpaul et al. (1974)
Циркон 700 550 480 420 370 Fleischer el al. (1965)
700 520 450 390 340 Krishnaswami et al. (1974)
Апатит 336 220 174 138 108 Wagner (1968)
330 220 175 140 110 Noeser and Foul (1969)
323 227 186 153 123 Wott ond Durrani (1985)
Обсидиан 390 245 190 145 ПО Suzuki (1970)
450 260 210 160 115 Suzuki (1973)
Базальтовое 275 200 160 130 100 Aumento (1969)
стекло 170 90 60 30 10 Macdugoll (1976)
235 124 84 51 24 Storzer ond Selo (1978)
Австралит Урановое стекло 360 220 210 140 160 110 120 88 Slorzer and Wagner (1969) Wagner el ol. (1975)
Отжиг треков. Скрытые треки деления находятся, как и другие типы ради-
ационных повреждений, в метастабильном состоянии. Со временем они посте-
пенно исчезают. Это исчезновение значительно ускоряется при повышенных
температурах. Такой процесс релаксации известен как отжиг треков. Так как
отжиг треков уменьшает очевидный возраст, он имеет фундаментальное значе-
6. 7. Треки деления 227
ние для системы датирования по трекам деления. Феномен исчезновения тре-
ков может быть изучен с помощью лабораторных экспериментов. Минералы и
стекла с установленной плотностью треков подвергаются воздействию различ-
ных температур в течение различных промежутков времени. По степени на-
блюдаемого исчезновения треков выводятся законы кинетики отжига, и затем
они экстраполируются на долговременные геологические условия. Подобные
исследования показали, что стабильность треков деления сравнительно высока
в титаните и цирконе, но низка в апатите. Что касается стекол, то для них
стабильность падает с уменьшением содержания кремния (таблица 5).
Рис. 69. Экспериментально ус-
тановленная для различных сте-
кол в процессе последователь*
кого отжига корреляция между
плотностью треков и их разме-
рами. Подобные кривые ис-
пользуются для коррекции за-
ниженного возраста по трекам
деления (Gentner et al.. 1969).
Отжиг треков представляет собой непрерывный процесс. Частичный отжиг
происходит в широком диапазоне температур. Полное исчезновение треков
переустанавливает часы, основанные на треках деления, что дает возможность
датировать событие разогрева. Частичный отжиг приводит к более или менее
заниженным значениям возраста, которые должны быть скорректированы.
Преимуществом метода является то, что треки деления, подвергшиеся частич-
ному отжигу, могут быть распознаны по их меньшему размеру. Для этого
измеряется длина или диаметр протравленного трека, соответственно, в мине-
ралах или стеклах. Для корректировки уменьшенных возрастов, определенных
по трекам деления, может быть использована экспериментально установлен-
ная корреляция между уменьшением плотности треков и их размера с увеличе-
нием степени отжига (рис. 69). При проведении процедуры коррекции размера
трека (Storzer and Wagner, 1969) сравниваются друг с другом размеры треков
спонтанного деления и треков индуцированного деления, и любая разница в
размерах принимается во внимание. Альтернативная операция коррекции плато
(Storaer and Poupeau. 1973) основывается на том факте, что частично отожжен-
228 Глава 6. Треки частиц
ные треки спонтанного деления более устойчивы к последующему отжигу, чем
треки индуцированного деления. Постепенный отжиг продолжается до тех пор,
пока оба вида треков не начинают демонстрировать одинаковое поведение при
отжиге. На это указывает появление плато в кажущемся возрасте по трекам деле-
ния, который и принимается в качестве скорректированного возраста (рис. 70).
Рис. 70. Коррекция данных, полученных для перлита Монте-Арки, Сарди-
ния, проведенная методом плато. Два подобразца, один с треками
спонтанного деления (р,), а другой - с треками индуцированного
деления (д), подвергнуты последовательному отжигу. После каждой
ступени измеряются плотности треков (нижняя диаграмма) и диамет-
ры треков (верхняя диаграмма) и вычисляется возраст (верхняя диаг-
рамма). Значение возраста достигает плато, когда оба вида греков
демонстрируют одинаковое поведение при отжиге. Возраст плато
принят отвечающим истинному значению возраста 4,67 ± 0,45 млн
лет. (С разрешения Elsevier Science Ltd.; Arias et al., 1981 j
6.1, Треки деления 229
6.1.2. Практические аспекты
Так как ожидаемые плотности треков для археологических и четвертичных
геологических образцов низки, отбираемый материал должен обладать дос-
таточными размерами, чтобы предоставить для подсчета треков необходи-
мые по площади области. При использовании обсидиана трудностей не воз-
никает, однако осколки стекол из вулканического пепла и пористая пемза
часто имеют размеры менее 1 мм. Еще меньшие размеры имеют акцессор-
ные минералы, обычно менее 0,1 мм, что является нижней границей при-
емлемого размера. В подобных случаях для выделения минералов необходи-
мо собрать достаточное количество образцов. Возможные загрязнения в
выделенных фракциях при анализе треков деления не являются столь кри-
тическими, как в случаях других методов датирования, так как отдельные
обломки или зерна исследуются с помощью микроскопа и зерна-контами-
нанты могут быть отделены. В тех случаях, когда применяется методика
измерения отдельных зерен, как, например, для цирконов, выделенных из
тефры (Seward and Kohn, 1997), следует анализировать минимум 15, а пред-
почтительнее 20 кристаллов. Статистическая обработка данных измерений,
такая как радиальный график, статистика /-квадрат и дисперсия, помогает
установить присутствие посторонних обломочных зерен. Образцы закреп-
ляются в эпоксидной смоле и полируются. Для облучения нейтронами тре-
буется область в реакторе с равномерным распределением температуры и
гомогенным потоком нейтронов (De Corte et al., 1991). Такому условию удов-
летворяет лишь небольшая часть исследовательских реакторов. Травление
треков спонтанного и индуцированного деления требуется проводить при
определенных условиях (таблица 6).
Таблица 6. Обычно используемые условия травления
Мотериал Грань Тоовящий раствор Температура ’С Длительность
Апатит Призма 5% HNO3 20 1 МИИ
Тлтонит 50% NaOH 120 30 мин - 1ч
Hf:2HCI.3HNO3:6H3O 20 1-25 мин
Циркон Призма КОН:NaOH. эвтектика 220 4-100 Ч
Призма 6KOH:14NoOH:lliOH 200 2,5-4.5 ч
Призма HF:H2SO4 165 1-10 ч
Обсидиан 16% HF 23 5~7 мин
Какую из вышеупомянутых альтернативных процедур следует применить
для датирования конкретных молодых образцов? Подсчет треков обычно
применяется для стекла и апатита с однородным распределением урана.
230 Глава 6. Треки частиц
Способ внешнего детектора из-за неравномерного распределения в них ура-
на рекомендуется для цирконов, титанита и для зерен и обломков детрито-
вого происхождения. Этот способ требует наличия стандартов возраста, для
чего обычно используется циркон из туфов каньона Фиш (Fish Canyon) и
эталонные стекла (Hurford, 1990). При использовании способа подсчета тре-
ков нейтронный поток регистрируется с помощью калиброванных эталон-
ных стекол или металлических мониторов (van den Haute, 1988).
Для того чтобы можно было судить об аналитическом качестве опубли-
кованных данных, их численное представление должно содержать техничес-
кую информацию (Naescr el al.. 1979; Hurford, 1990). Приводимая оценка
ошибки измерения возраста обычно характеризует только воспроизводи-
мость анализа. Основные систематические ошибки могут быть обусловлены
неправильным измерением потока нейтронов, выбором константы распада
и калибровки возраста (Wagner and Van den Haute, 1992).
6.1.3. Применение
С помощью треков деления датируются как процессы формирования иссле-
дуемых объектов, так и эпизоды их вторичного разогрева. Эти возможности
проиллюстрированы на рис. 71. Датирование процессов формирования тре-
бует, чтобы в образце сохранились все треки деления. Для датирования
событий нагрева образец в прошлом должен был подвергаться существен-
ному нагреву, так чтобы при этом все предыдущие треки были уничтожены.
Температура, необходимая для полного отжига, зависит от материала образ-
ца и продолжительности нагрева (таблица 5). Неполный отжиг приводит к
получению смешанных возрастов, значения которых, очевидно, лежат меж-
ду моментами образования и нагрева и не имеют непосредственного значе-
ния. Частичный отжиг может быть обнаружен с помощью анализа размеров
треков деления. Такая процедура превращает способ датирования по трекам
деления в надежный инструмент хронометрии. До настоящего времени да-
тирование по трекам деления имеет ограниченное применение в археологии
и четвертичной геологии, что, вероятно, является следствием трудоемкости
процедуры подсчета треков.
Базальты. Присутствие цирконов в базальтах и туфах позволяет осуще-
ствлять датирование вулканических извержений. Датирование по трекам
деления может быть также применено к ксенолитам, содержащимся в вул-
канических породах и подвергавшимся достаточному нагреву. Эти инород-
ные включения происходят из кристаллического основания и могут содер-
жать циркон, титанит и апатит. Такие включения циркона встречаются в
области Эйфель (Eifel), Германия. Темно-красные кристаллы циркона раз-
мером 3,5 мм с содержанием урана 1040 мкг г* и иглоподобные цирконы
длиной 10 мм с содержанием урана 182 мкг г*‘ из верхнего потока лавы
Нидермендиг (Niedermendig) дают средний возраст 158 ± 10 тыс. лет. Два
6.1. Треки деления
циркона размером в несколько мм с содержаниями урана 455 и 356 мкг г*
из зельберги гового туфа из Вер (Wehr) дают возраст 446 ± 39 тыс. лет (Wagner
and Storeer, 1970). Эти значения возраста датируют вулканические события в
среднем плейстоцене и могут быть связаны с помощью тефрохронологии с
важными палеолитическими стоянками в этом регионе.
Рис. 71. Интерпретация возрастов, полученных по трекам деления, зави-
сит от термической истории, выводимой из измерений размеров
трека. Схематически показаны четыре случая: а - оба типа тре-
ков обладают идентичным распределением по размерам — в этом
случае данный способ датирования дает возраст формирования
образца; Ь, с - треки спонтанного деления меньше, чем треки
индуцированного деления, что указывает на недавний или древ-
ний отжиг, — датирование по трекам деления дает смешанный
возраст; d - наблюдается мало треков спонтанного деления, при-
чем распределение их размеров одинаково с распределением раз-
меров треков индуцированного деления — в этом случае возраст,
определенный по трекам деления, датирует событие вторичного
нагрева, при котором были полностью уничтожены вес предыду-
щие треки (Wagner, 1973).
^232 Глава 6. Треки частиц
Вулканические стекла. Обсидиан имеет гомогенную компактную струк-
туру, а также высокое содержание урана - до 20 мкг г-1, и поэтому является
прекрасным материалом для датирования по трекам деления. Однако частое
присутствие в стеклянной матрице мельчайших микролитов и пузырьков
может привести к искажению результатов. При травлении они образуют
ямки, сходные с ямками травления треков деления, что может приводить к
ошибкам. Подсчет треков становится особенно трудным при высокой плот-
ности таких ложных треков. Другой трудностью является частое явление
естественного исчезновения треков. Как уже обсуждалось, влияние этого
явления распознается с помощью анализа размеров треков, и если оно на-
блюдается, то требуется коррекция возраста. Можно привести много при-
меров успешного применения способа датирования четвертичных обсидиа-
нов по трекам деления. Среди них датирование обсидианов Средиземномо-
рья и Анатолии (Bigazzi et а!., 1971; Wagner et al., 1976; Bigazzi et al., 1996).
Например, обсидиановый поток (13,8 мкг г’ U) в Габелотто (Gabelotto) на
Липарских островах, Италия, дает возраст 8,6 ± 1,5 тыс. лет, при этом кажу-
щийся возраст 6,4 тыс. лет должен быть скорректирован вследствие наблю-
даемого уменьшения диаметра треков спонтанного деления. Такая неболь-
шая степень частичного исчезновения треков не обязательно указывает на
существование отдельного термического события. Частичное исчезновение
может быть вызвано температурами окружающей поверхности. Иногда ксе-
нолитовые включения в вулканитах несут спекшиеся стеклянные каемки,
которые можно датировать, как, например, в Калеме из района Эйфель (Eifel)
в Германии. После коррекции данных, полученных методом треков деления
для стеклянных осколков размером 3-5 мм, проведенной способом плато,
было получено значение возраста 420 ± 60 тыс. лет.
Тефра. Датирование по трекам деления играет большую роль в датиро-
вании вулканических пеплов. При этом используются осколки вулканичес-
кого стекла, циркон и, в меньшей степени, апатит и титанит. Преимущество
циркона перед стеклом заключается в большой устойчивости в нем треков
деления. Однако при использовании тяжелых минералов необходимо иметь
в виду проблему различных источников, так как слои пепла, как осадочное
отложение, могут содержать детритовые компоненты. Отделение первичных
вулканических зерен и обломков зерен и фрагментов, имеющих детритовое
происхождение, осуществляется, помимо минералогических наблюдений, с
помощью датирования по трекам деления отдельных зерен и их статисти-
ческой обработки (Seward and Kohn, 1997).
Потенциальные возможности и ограничения метода треков деления в
тефрохронологии могут быть продемонстрированы на примере туфа KBS с
восточной части озера Туркана (Turkana), Кения. Плиоплейстоценовый раз-
рез осадков формации Кооби-Фора (Koobi Fora) содержит несколько туфо-
вых горизонтов. Туф главным образом состоит из фрагментов стекла и круп-
ной гальки пемзы и имеет признаки переотложения. Этот туф представляет
6.1. Треки деления 233 jj)
особый интерес, так как он заключает в себе каменные орудия и включен в
гоминидосодержащие слои. К-Аг-датировки туфа KBS вызвали дискуссию в
70-х годах между сторонниками больших возрастов (2,61 ± 0,26 млн. лет,
Fitch and Miller, 1970) и сторонниками более низких возрастов (1,82 ± 0,04
млн лет, Curtis et al., 1975). Для независимой проверки было выполнено
датирование по трекам деления с использованием циркона. Вначале по
кристаллам циркона, выделенным из гальки пемзы, был получен возраст
2,44 ± 0,08 млн лет (Harford et al., 1976), который, казалось, поддерживает
более высокие K-Ar-датировки. Нежелание принимать такое высокое зна-
чение привело к новой попытке датирования по трекам деления. Снова был
взят циркон из пемзы, но на этот раз был получен результат 1,87 ± 0,04 млн
лет (Gleadow, 1980), находящийся в согласии с более низким К-Аг-возрас-
том (1,88 ± 0,02 млн лет, McDougall, 1985). Кроме методологических аспек-
тов, главными причинами переоценки в предыдущих датировках являются
детритовые зерна древних цирконов и ложные треки в виде иглообразных
включений в кристаллах цирконов.
Исследование каменных артефактов Ривата (Riwat), Северный Пакис-
тан, представляет большой интерес с точки зрения первого появления рода
Ното за пределами Африки (Denell et al., 1988). В конгломератах неогена и
четвертичной группы Сивалик (Siwalik group) были найдены несколько ору-
дий, сделанных из кварцита. Слой, содержащий орудия, расположен на-
клонно в силу складчатости и несогласно перекрыт другими осадками, ко-
торые содержат вулканический пепел. Цирконы, выделенные из этого туфа,
дают трековый возраст 1,60 ± 0,18 млн лет (Johnson et al., 1982). Этот возраст
представляет нижнюю опенку возраста артефактов. На основе палеомагнит-
ных измерений, а также исходя из тектонического и стратиграфического
положения горизонта с артефактами было даже высказано предположение о
возрасте 2,0 ± 0,2 млн лет (Rendell et al., 1987), который подразумевает более
или менее одновременное присутствие Homo habilis в Восточной Африке и
Южной Азии.
В противоположность циркону стекловидные компоненты в слоях пепла
имеют в основном первичное вулканическое происхождение. Постоянный
процесс отжига треков в стеклах всегда требует анализа размеров треков
деления и соответствующей коррекции возраста. Другие трудности вызва-
ны очень малыми размерами стеклянных обломков, пузырьками и мик-
ролитами. Размер обломков должен составлять по крайней мере 100 мкм
(рис. 67). Скорректированные значения возраста, полученные по трекам
деления для фрагментов стекол из тефры, внесли большой вклад в четвер-
тичную хроностратиграфию. Туф из Валле-Рикка (Valle Ricca), Латинум,
Италия, по стратиграфическим данным находится в песчаной глине на
плиоплейстоценовой границе, и для него получены следующие значения
возраста: скорректированное на размер треков значение 2,13 ± 0,27 млн
лет и скорректированное по плато значение 2,03 ± 0,26 млн лет (Arias et
al., 1981). Важным маркером ледникового периода на Аляске является теф-
Глава 6. Треки частиц
ровый горизонт Олд-Кроу (Old Crow), который имеет протяженность свы-
ше 1000 км. Применение коррекции по плато для этого горизонта дает
результат 149 ± 13 тыс. лет, что означает, что этот туф должен быть поме-
шен в предпоследний ледниковый период, а не в последний, как предпо-
лагалось до сих пор (Westgate, 1988).
Рис. 72. Возрасты базальтовых стекол срединного атлантического хребта на
37* с.ш. Значения возраста расположены в зависимости от расстоя-
ния места отбора проб от оси хребта. Данные указывают на асиммет-
ричный, эпизодический спрединг дна океана (Storzer and Selo, 1976).
Глубоководные вулканиты. Магмы, вытесненные на океанское дно вдоль
срединных океанических хребтов, охлаждаются при соприкосновении с хо-
лодной океанической водой, оставляя на подушечных лавах стекловидную
корку. Эти каемки могут быть датированы с помощью треков деления
(Fleischer et al., 1968). Базальтовый химический состав этих объектов пред-
полагает низкую концентрацию урана, менее 1 мкг г’, и низкую термичес-
кую стабильность треков. Даже при температуре 4’С, преобладающей у мор-
ского дна, наблюдается отжиг треков деления. Это видно из анализа разме-
ров треков (Selo and Storzer, 1981), поэтому может потребоваться коррекция
возраста. В силу низкого содержания урана на I см2 часто можно обнару-
жить всего лишь несколько треков спонтанного деления. Несмотря на эти
ограничения, для глубоководных стекол срединного атлантического хребта
были получены значения возраста ниже 10 тыс. лет (Storzer and Selo, 1976).
Эти значения возраста увеличиваются с увеличением расстояния от оси хреб-
6.1. Треки деления 235
та, указывая на эпизодический и асимметричный спрединг (рис. 72). Полу-
ченные значения скорости спред ин га дна океана соответствуют значениям,
полученным из палеомагнитных исследований.
Импактные стекла. Для датирования по трекам деления хорошо подхо-
дят тектиты и стекла из метеоритных кратеров. Они были в числе первых
материалов, для датирования которых был использован этот метод (Fleischer
and Price, 1964). Кратерные стекла в основном неоднородны и часто содер-
жат нерасплавленные реликты породы, которые затрудняют датирование
по трекам деления. Подобно вулканическим стеклам импактные стекла
часто претерпевают отжиг треков, что было впервые отмечено для австра-
литов (рис. 73). С помощью треков деления было датировано большое ко*
личество ударных кратеров, и среди них кратер Хенбери (Henbury) в Авст-
ралии - 4,2 ± 1,9 тыс. лет, кратер Босумтви (Bosumtwi) в Гане - после
коррекции возраста 1,04 ± 0,11 млн лет (Storzer and Wagner, 1977; Koeberi el
al., 1997) и кратер Салтпан (Saltpan) в Южной Африке - 220 ± 25 тыс. лет
(Koeberi et al., 1994). На четвертичный период также падает формирование
Юго-Восточно-Азиатско-Австралийских тектитов 700 ± 100 тыс. лет и тек-
титов Берега Слоновой Кости 1,01 ± 0,10 млн лет (Gentner et al., 1969). Эти
поля рассеяния тектитов простираются в лежащий рядом океан, в котором
они проявляются как микротектиты в глубоководных осадках. Временная
корреляция между морскими микротектитами и соответствующими конти-
нентальными тектитами была установлена посредством датирования по тре-
кам деления (Gentner et al., 1970). Совпадение возраста по трекам деления
кратера Босумтви и тектитов Берега Слоновой Кости является важным сви-
детельством в пользу земного происхождения тектитов.
Рис. 73. Распределение по раз-
мерам треков спонтанного де-
ления и треков индуцирован-
ного деления в австралите.
Уменьшенный размер треков
спонтанного деления является
показателем отжига треков
(Storzer and Wagner. 1969).
Диаметр ямок травления |1 деление “ 0,85 мкм)
236 Глава 6. Треки частиц
Псевдотахилиты. Стекловидная фаза псевдотахилитов, если она в ос-
новном свободна от пузырьков и минеральных включений, может быть да-
тирована с помощью треков деления. Метод был применен к пемзоподоб-
ному кефельситу из послеледникового оползня около Кёфельса (Kofels),
Австрия. Возраст, равный 8 ± 6 тыс. лет (Storzenen et ah, 1971), был опреде-
лен по осколкам стекла размером 40-90 мкм, Этот возраст согласуется с
возрастом, полученным ,4С-методом, равным 8710 ± 150 тыс. лет, опреде-
ленным по дереву, перекрытому оползнем. Большая ошибка возраста, опре-
деленного по трекам деления, обусловлена предельно малым (всего два) чис-
лом отсчетов треков спонтанного деления. Для более старых псевдотахили-
тов ожидается лучшая точность.
Нагретые обсидиановые артефакты и камни. Анализ инструментов из
Обсидиана методом треков спонтанного деления обнаруживает, что в про-
цессе изготовления по неизвестной причине необработанные материалы
подвергались тепловой обработке. Температура достигала 400’С, что приво-
дит к частичной или полной потере треков деления. Возможно также, что
инструменты были нагреты в процессе использования. Отжиг треков деле-
ния наблюдался в обсидиановых артефактах различных культур. На эква-
дорском участке Эль-Инга (El Inga), недалеко от Кито, было найдено боль-
шое количество обсидиановых чешуек и осколков инструментов. Три че-
шуйки, сделанные из обсидиана из одного источника, имеющие содержа-
ние урана 11 мкг г*, дали следующие значения возраста 1,1 ± 0,07 млн лет,
150 ± II тыс. лет и 2,06 ± 0,27 тыс. лет (Miller and Wagner, 1981). Анализ
размеров треков трех отдельных образцов выявил среднее, сильное и нуле-
вое уменьшение соответственно, что указывает на то, что треки деления
были частично, но в разной степени отожжены в первых двух образцах и
полностью отожжены в третьем. После коррекции частично заниженных
данных был получен возраст, равный 1,72 ± 0,09 млн лет, датирующий гео-
логический источник обсидиана. Инструменты были изготовлены из этого
необработанного материала 2060 ± 270 лет назад, при этом материал нагре-
вался до различных температур вплоть до 400’С.
Обожженные камни и глины, а также пепел в доисторических ку-
хонных очагах и горящих отложениях могли нагреваться в достаточной
степени, чтобы обнулить записи треков деления в апатите, цирконе и
титаните. Подобный случай встретился при исследовании впервые об-
наруженной стоянки Пекинского человека, Homo erectus pekinensis, в Джо-
укодьяне (Zhoukoudian), недалеко от Пекина. Из слоев пепла 10 и 4 было
отобрано несколько сотен зерен титанита размером от 50 до 300 мкм.
В качестве критерия для разделения между полным и частичным отжи-
гом треков деления было использовано распределение треков деления
по длине. Всего около 100 зерен показали полное обнуление и дали
средний возраст 462 ± 45 тыс. лет для слоя 10 и 306 ± 56 тыс. лет для
слоя 4 (Guo et al., 1991).
6.2. Треки а-частиц (ядер отдачи) 237jj)
Искусственные стекла. Большинство искусственных стекол из-за их
молодого возраста, низкого содержания урана и, соответственно, низ-
кой плотности треков, хотя принципиально и могут быть датированы по
трекам деления, вряд ли могут служить объектом такого исследования.
Примером тому могут служить осколки стекла, извлеченные из строи-
тельного раствора римских тер.м в Шасеноне (Chassenon), Франция. Кон-
центрация урана в них составляет 3 мкг г”‘. После 100 часов подсчета
треков и повторной переполировки было просканировано 25 см2 и найде-
но 29 треков спонтанного деления. Полученный возраст равен 150 ± 350
лет н.э. и хорошо согласуется с историческими данными, но вряд ли
можно считать такую попытку стоящей трудов из-за большой аналити-
ческой неопределенности. Такие попытки могут быть предприняты толь-
ко в тех случаях, когда независимая информация о возрасте недоступна.
Противоположная ситуация имеет место в случае стекол с высоким со-
держанием урана в случае так называемых урановых стекол. Эти стекла
изготовлялись, начиная с середины XIX века, сначала в Богемии, а по-
зднее также и в других частях мира (рис. 12). Высокая концентрация
урана, до нескольких процентов, позволяет их датировать с большой
точностью (Brill, 1965).
6.2. Треки а-частиц (ядер отдачи)
В отличие от метода треков деления, в котором подсчитываются подверг-
нутые травлению треки частиц спонтанного деления, данный способ оп-
ределения возраста основывается на использовании протравленных треков
а-распада. При попытке выявить травлением треки спонтанного деления в
слюде Huang и Walker (1967) наблюдали фон, состоящий из многочислен-
ных неглубоких ямок травления. Число этих ямок коррелирует с числом
треков деления. Этот и другие факты позволили интерпретировать эти ямки
как треки отдачи а-распада, что открыло возможность использования эти
треков для датирования. Так как а-распад урана является гораздо более
частым событием, чем спонтанное деление, датирование посредством тре-
ков отдачи а-распада должно быть гораздо более чувствительным методом,
позволяя даже датирование образцов возрастом несколько сотен лет. Не-
смотря на принципиальную пригодность для датирования образцов в архе-
ологическом диапазоне, этот метод до сих пор находится в зачаточном
состоянии и не имеет надежной физической модели. Применение этого
метода до сих пор ограничено слюдой. Достоверность метода была проде-
монстрирована для включений слюды в керамику и молодые вулканичес-
кие породы. Другими потенциальными объектами датирования являются
содержащие слюду нагретые камни и кухонные очаги. Методологические
проблемы состоят в том, что успешное применение метода датирования по
трекам отдачи а-распада требует калибровки по материалам известного
возраста.
238 Глава 6. Треки частиц
6.2.1. Методологическая основа
При а-распаде тяжелых атомных ядер выделяется энергия в несколько МэВ,
преимущественно в виде кинетической энергии а-частиц. Остающиеся тя-
желые ядра испытывают отдачу в соответствии с законом сохранения им-
пульса. Энергии ядер отдачи и а-частиц обратно пропорциональны отноше-
нию их масс, и, таким образом, энергия ядер отдачи при а-распаде в цепоч-
ках радиоактивного распада урана и тория составляет ~2% от обшей энергии
распада, т.е. несколько десятков - 100 кэВ на отдачу. Пробег ядер отдачи в
твердых телах составляет несколько сотых долей микрона. Эти ядра теряют
свою энергию при взаимодействии с атомами решетки, преимущественно в
атомных столкновениях, что приводит к повреждению структуры твердого
тела. При травлении в зонах повреждений развиваются неглубокие ямки трав-
ления, треки отдачи а-распада, которые заметны при использовании фазово-
контрастного оптического (рис. 74) или сканирующего электронного микро-
скопа. В противоположность ядрам отдачи а-частицы не оставляют треков,
которые можно выявить травлением. Несмотря на значительные усилия, тре-
ки отдачи а-распада наблюдались только на плоскостях спайности в слюде -
явление, которое, вероятно, связано с относительно низкой скоростью трав-
ления перпендикулярно этим поверхностям.
Рис. 74. Протравленные (10 мин в 40%-ной плавиковой кислоте при комнат-
ной температуре) треки отдачи «-распада в четвертичных биотитах из
Баузе!!бсрга (Bausenberg). ЛаахерЗее (Laacher See) (оба в вулканичес-
ком поле Эйфель) и Эйзенбуль (Eiscnbuhl) (Запад Чехии) (К. Gugcn).
Важными естественными источниками а-частин являются 23SU, 23?U, 2J2Th,
а также некоторые из их дочерних ядер в цепочках распада (рис. 22). Всего
8 а-частиц испускаются в ряду распада, начинающегося с 25SU и заканчива-
6.2. Треки а~частиц (ядер отдачи) 239
юшегося 206РЬ, 7 а-частиц испускаются в ряду распада, начинающегося с
2,5U и заканчивающегося 207РЬ- и 6 а-частиц испускаются в ряду распада,
начинающегося с 23?Th и заканчивающегося ЖРЬ.
В каждом из этих каскадов распадов остающиеся ядра испытывают по-
вторные отдачи, по 0,02 мкм на отскок. Так как направления отдельных
отскоков произвольны, ядра отдачи перемещаются по зигзагообразному пути
(рис. 75). Вместо линейного трека формируется кластер радиационных по-
вреждений диаметром несколько сотых долей мкм, который представляет
собой один «трек отдачи а-распада». Ддя численной модели датирования
важно знать, достаточно ли одного события отдачи для формирования тре-
ка, который можно протравить, или необходимо несколько последователь-
ных а-распадов. Как показывают результаты наблюдений (Hashemi-Nezhad
and Durrani, 1931), достаточно одного события, по крайней мере для биоти-
та. Другая трудность заключается в том, что ядра в цепочках распада из-за
диффузии могут утрачиваться, в особенности радон, так что позднейшие
события а-распада происходят в месте, отличном от того, где происходили
более ранние события, другими словами, при каждом распаде урана форми-
руется более одного трека.
Рис. 75. Путь ядра отдачи от положения О до положения Е, как результат
5 последовательных а-раепадов. (С разрешения Elsevier Science Ltd.;
Hashemi-Nezhad and Durrani. 1981.)
Треки а-распада co временем накапливаются, и их число становится
мерой возраста образца. Связь между возрастом и плотностью треков
а-распада оказывается более сложной по сравнению с треками деления.
В молодых образцах с возрастами в диапазоне времен полураспадов а-ак-
тивных ядер, в особенности 75 тыс. лет для 2WTh, радиоактивное равновесие
может еще не установиться, т.е. a-активность и скорость формирования
треков увеличиваются. Для датирования по трекам а-распада требуется зна-
ние концентрации материнских ядер урана и тория. Определение этих эле-
ментов по индуцированному делению, получаемому с помощью тепловых и
быстрых нейтронов, дает возможность получить информацию также и об их
микроскопическом распределении.
240 Глава 6. Треки частиц
При отсутствии вклада в число треков а-распада со стороны тория сле-
дует ожидать фиксированного отношения между треками а-распада и тре-
ками деления. В слюдах различного возраста это отношение наблюдалось
равным -3500 (Huang and Walker, 1967), что приблизительно соответствует
теории. При оценке этого отношения необходимо иметь в виду, что а-рас-
пад урана является в 2 х 10* раз более быстрым процессом, чем спонтанное
деление, но длина треков а-распада и в связи с этим вероятность их пересе-
чения протравленной плоскостью в 10’ ниже, чем для треков деления. По-
добно трекам деления треки а-распада исчезают. Существует совсем немно-
го данных относительно стабильности треков а-распада в слюде при повы-
шенных температурах. В одной из работ (Hashemi-Nezhad and Durrani, 1981)
сообщается, что продолжительность полного отжига треков а-распада в био-
тите по крайней мере на порядок короче, чем для треков деления.
6.2.2. Практические аспекты
Слюда - единственный минерал, кажущийся подходящим для использования
при датировании по трекам а-распада, является обычным компонентом раз-
личных пород и артефактов, и это облегчает экспериментальное проведение
датирования по трекам а-распада. Так как треки выявляются на плоскостях
спайности, операции шлифования и полирования не требуются. Благодаря
высокой плотности треков чешуйки слюды размером менее 1 мм являются
достаточными. При этом могут быть датированы отдельные чешуйки. Чтобы
свести к минимуму выщелачивание и осаждение урана из этого минерала при
воздействии на него мигрирующих веществ, необходимо использовать для ана-
лиза только внутренние поверхности «книжек» слюды. Подходящим травящим
раствором является концентрированная плавиковая кислота при комнатной
температуре, для мусковита -2 ч, для биотита - 1 мин. Поскольку было уста-
новлено, что плотность треков для определенного биотита сильно зависит от
времени травления, необходимо удовлетворять определенным критериям экс-
перимента (Gogen and Wagner, 1998, неопубликованные данные). Очень мел-
кие треки в чешуйках слюды требуют для обнаружения треков фазово-контра-
стного, интерференционного или сканирующего электронного микроскопа. При
подсчете треков желательно избегать обломков и краев, поскольку эти участки
часто имеют признаки вторичных изменений, например повышенную концен-
трацию урана. Для анализа урана и тория оптимальной является методика двой-
ного облучения, тепловыми и быстрыми нейтронами, так как она позволяет
выявить распределение этих элементов на той же поверхности, на которой
производится подсчет треков (Wagner, 1980а).
6.2.3. Применение
Керамика. Предпринимались попытки датировать включения мусковита мил-
лиметрового размера в гончарных изделиях доколумбового времени (Garrison
6.2. Треки а-частиц (ядер отдачи) 241J)
et al., 1978; Wolfman and Rolniak, 1978). Исследованные объекты происходи-
ли из различных палеоиндейских культур двух последних тысячелетий, при-
чем возраст большинства из них был известен независимо. Предполагалось,
что слюдяные добавки были достаточно сильно нагреты при изготовлении
керамики, чтобы произошел полный отжиг треков а-распада, и трековые
часы при этом были обнулены. После выделения и травления пластинок
слюды была получена линейная корреляция между плотностью треков
а-распада, в особенности после нормировки на содержание урана, и извес-
тным возрастом (рис. 76). Корреляция, возможно, была бы лучше, если бы
был учтен и торий. Полученная линейная зависимость возраста является
ободряющим результатом для дальнейшего развития метода по крайней мере,
в диапазоне молодых возрастов вплоть до нескольких тысяч лет.
Возраст
Рис. 76. Корреляция между плотностью треков а-распада в слюдяных добав-
ках и известным возрастом в различных керамических изделиях
(Wolfman and Rolniak, 1978). Обжиг керамики приводит к отжигу ра-
нее существовавших треков а-распада и переустановке часов. Плот-
ность треков нормализована на плотность треков индуцированного
деления, т.е. на содержание урана.
Вулканиты. Биотит является обычной составной частью молодых вулка-
нических пород. Особенно важным оказывается его присутствие в слоях
тефры, которые, в свою очередь, представляют большой интерес как стра-
тиграфические горизонты — маркеры. Для того чтобы исследовать эту воз-
можность, был выделен биотит из вулканитов нижнего и среднего плейсто-
|^М2 Глава 6. Треки частиц
цена области Эйфель (Eifel), Германия (Unger, 1993). Пластинки слюды мил-
лиметрового размера исследовались с помощью фазово-контрастного мик-
роскопа. Плотность треков а-распада была нормализована на содержание
урана, определенное по трекам индуцированного деления на тех же поверх-
ностях. Была получена линейная корреляция между плотностью треков
а-распада и известным возрастом образцов пород в диапазоне 10 тыс. лет -
0,5 млн лет. Обоснованность этой линейной зависимости была подтвержде-
на с помощью дополнительных образцов из области Эйфель (рис. 77). Даже
отдельные маленькие чешуйки биотита размером 300 мкм, выделенные из
слоя тефры, показали достаточно большое для точного анализа число тре-
ков. В настоящее время представляется, что метод еще слишком сложен для
получения физически независимых значений возраста. Однако подтверж-
денная линейная зависимость между значениями возраста и количеством
треков является обнадеживающим основанием для успешного развития да-
тирования по трекам а-распада в качестве методики, опирающейся на ка-
либровку возраста.
Возрост (тыс. лет)
Рис. 77. Корреляция между плотностью размещения треков а-распада в био-
тите — нормализована на концентрацию урана I мкг г* - и получен-
ными независимо значениями возраста пород области Эйфель, Гер-
мания (К. Gogcn).
ГЛАВА 7
РАДИАЦИОННАЯ
ДОЗИМЕТРИЯ
Три дозиметрических метода датирования ~ термолюминесценция (ТЛ), опти-
чески стимулированная люминесценция (ОСЛ) и электронный спиновый резонанс
(ЭСР) - основаны на зависящем от времени накоплении радиационных нару-
шений в минералах. Следовательно, они имеют много общих свойств. Друг от
друга их в основном отличает используемое для обнаружения радиационных
нарушений физическое явление. Каждое из этих явлений имеет свои специфи-
ческие особенности, позволяющие использовать их для датирования.
В природе постоянно присутствует небольшой уровень ионизирующего
излучения, связанного с естественной радиоактивностью и космическим
излучением. Взаимодействие между этим излучением и атомами минералов
приводит к постепенно усиливающимся радиационным нарушениям. Сте-
пень радиационных нарушений является мерой естественной дозы облуче-
ния (Natural Dose - ND), которую минерал получил с тех пор, когда он был
образован или его хронометрическая система была запущена в последний
раз. Минерал в этом случае используется как природный дозиметр облуче-
ния. Если естественная доза облучения «прочитана* посредством измере-
ний методом ТЛ, ОСЛ или ЭСР и при условии, что известна мощность
естественной дозы (Natural Dose Rate - NDR) NDR, т.е. доза в единицу вре-
мени, возраст t рассчитывается из уравнения:
t=ND/NDR. (46)
В физике термин доза D, строго говоря, энергетическая доза, означает
поглощенную лучистую энергию на единицу массы. Она измеряется в Грэ-
ях (раньше единицей дозы был рад, который все еще часто встречается,
100 рад = I Гр). Мощность дозы измеряется в Гр/сек. Для естественной
мощности дозы более удобно использовать мГр/год или Гр/тыс. лет, что
эквивалентно.
Радиационные дозиметрические методы охватывают диапазон возрастов
от 102 до 106 лет. Нижний предел, по существу, определяется чувствительно-
стью обнаружения сигналов ТЛ, ОСЛ или ЭСР и мощностью дозы, в то
время как верхний предел зависит главным образом от характеристик насы-
щения и стабильности сигналов.
Ниже сначала приведены некоторые вступительные замечания о радиа-
ционных нарушениях и о терминах «естественная доза* и «мощность дозы»,
244 Глава 7. Радиационная дозиметрия
которые имеют фундаментальное значение для всех трех радиационных до-
зиметрических методов датирования. Затем особенности каждого из мето-
дов датирования рассматриваются отдельно в разделах, относящихся к ин-
дивидуальным методам.
Радиационные нарушения. Радиационные нарушения, с которыми свя-
заны явления люминесценции и электронного спинового резонанса, на-
блюдаются в диэлектрических твердых телах, содержащих дефекты крис-
таллической решетки, нарушающие регулярный порядок в структуре кри-
сталла. В реальной кристаллической структуре проявляются микроско-
пические и атомные дефекты. Поэтому в реальном кристалле имеются
большие или меньшие отклонения от совершенной кристаллической струк-
туры. Первичные дефекты приобретаются минералом во время его фор-
мирования, в то время как вторичные дефекты появляются на более
поздней стадии.
В этом контексте следует рассматривать только атомные дефекты кри-
сталлической решетки. Различают три категории атомных дефектов решет-
ки; вакансии, примеси и дефекты типа Шоттки-Френкеля. Вакансии пред-
ставляют собой незанятые позиции в решетке. Химические примеси могут
или занимать место нормально размещенных атомов, или внедряться в ме-
жузловые позиции решетки. Дефекты типа Шоттки-Френкеля относятся к
дефектной паре, состоящей из вакансии и соответствующего атома в межуз-
ловом пространстве. В отличие от правильно занятых позиций решетки атом-
ные дефекты обычно характеризуются дефицитами положительного или от-
рицательного заряда, которые действуют как ловушки для свободных заря-
дов, перемещающихся по решетке. Концентрация дефектов в кварце и по-
левых шпатах составляет примерно от 10'* до I0’7.
В природе кристаллы подвергаются воздействию более или менее
сильного ионизирующего излучения. При взаимодействии радиации, со-
стоящей преимущественно из энергетически эффективных а- и Д-час-
тиц, а также фотонов (у-лучей), с атомами твердых тел, атомам переда-
ется энергия излучения. При этом протекают разнообразные процессы,
включая ионизацию и рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект и эф-
фект образования электронно-позитронных пар, которые в конце кон-
цов завершаются образованием свободных электронов и выделением теп-
ла. Электроны (отрицательный заряд), освободившиеся от атомов, ос-
тавляют позади себя пустые места, называемые дырками (положитель-
ный заряд). Эти свободные заряды двигаются по кристаллической ре-
шетке. Дырки очень быстро захватываются дырочными ловушками, пред-
ставляющими собой дефекты с дефицитом положительного заряда в кри-
сталле. Электроны движутся по кристаллу до тех пор, пока не встречают
захваченную дырку и рекомбинируют или пока не будут пойманы элек-
тронными ловушками, которые являются дефектами решетки с дефици-
том отрицательного заряда (рис. 78). Дефекты, занятые зарядами, на-
зываются центрами.
Глава 7. Радиационная дозиметрия
Идеальной структуре SiO?
Реальной структура SiO7 Ионизация и возбуждение
£si“
О о1*
,* О-вакансия
о С
ф А1”
Рис. 78. Механизм люминесценции, схематично показанный для структуры
кварца. Атомные дефекты, изображенные как вакансия О2' и ион
АР*, замещающий Si4*, связаны с дефицитами заряда, которые слу-
жат ловушками для свободных зарядов. Ионизация приводит к обра-
зованию электронов и электронных дырок, которые могут переме-
щаться по кристаллической решетке, пока они не будут захвачены,
электрон - вакансией Оь, а дырка - дефектом АР*. В возбужденном
состоянии система метастабильна. Тепловое или оптическое возбуж-
дение высвобождает захваченные электроны, которые рекомбиниру-
ют с центром АР*, вызывая люминесценцию.
Явления ТЛ, ОСЛ и ЭСР вызываются этими центрами, однако одни и те
же центры не обязательно ответственны за все эти различные явления. Воп-
рос о том, могут ли индивидуальные сигналы ТЛ, ОСЛ и ЭСР быть связаны
с одними и теми же центрами, остается все еще в значительной степени
открытым. По мере увеличения времени облучения концентрации различ-
ных центров увеличиваются до достижения состояния насыщения, при ко-
тором будут заняты все доступные дефекты. Предположение о постоянном
конечном числе дефектов приводит к экспоненциальной зависимости фун-
кции насыщения. Интенсивность /сигналов ТЛ, ОСЛ или ЭСР, каждый из
Глава 7. Радиационная дозиметрия
которых пропорционален числу центров, возрастает как функция времени
облучения t при мощности дозы (Dose Rate - DR):
l = SDRx> (1 — e_</r-),
(47)
где 5 соответствует чувствительности, при которой / вырастает на единичную
дозу D (S = 1/D), ат, - время, требуемое для заполнения (1 - еч) = 63,2%
доступных ловушек. При интенсивности сигнала /s достигается состояние
насыщения (рис. 79). Здесь следует принять во внимание, что во время об-
лучения имеет место не только внедрение в первичные дефекты, но и обра-
зование также вторичных нарушений структуры. Это нарушает экспоненци-
альный характер функции. Возникновение таких вторичных дефектов пред-
положительно связано главным образом с а-частицами отдачи (разд. 6.2).
Рис. 79. Линейный рост и экспоненциальное насыщение сигнала / (ТЛ, ОСЛ
или ЭСР) в зависимости от времени облучения / для данной чувстви-
тельности 5 и мощности дозы DR. В состоянии насыщения сигнал
принимает значение насыщения /у. Одновременное насыщение и тер-
мическое затухание сигнала (со средним временем жизни сигнала г,)
приводит к росту сигнала / с кажущимся средним временем жизни т,
достигающего в конце концов состояния теплового равновесия при
интенсивности
Чувствительность 5 одинакова для Д- и у-излучения, но отличается от
чувствительности для a-излучения. Болес высокая ионизационная способ-
ность на единицу длины трека а-частицы производит излишек свободных
Глава 7. Радиационная дозиметрия 24^)
зарядов, и поэтому вероятность того, что эти заряды найдут незанятые де-
фекты, меньше, чем в случае Д- или /-радиации. Отношение чувствительно-
стей SJSfi — так называемый a-фактор, обычно равно около 0,1.
Концентрация центров измеряется методами ТЛ, ОСЛ и/или ЭСР. Что-
бы вызвать ТЛ- и ОСЛ-излучение, кристаллу должна быть передана соот-
ветствующая дополнительная тепловая или оптическая энергия возбужде-
ния. Во время измерения люминесценции ловушки освобождаются и, таким
образом, действующие центры разрушаются. Для метода ЭСР характерна
иная ситуация — в этом методе центры ЭСР определяются in situ с помощью
микроволнового облучения, а концентрация центров не изменяется во вре-
мя измерения. Именно с этой особенностью метода ЭСР связаны его мето-
дологические преимущества.
Рис. 80. Определение естественной дозы ND по сигналу / (ТЛ, ОСЛ или ЭСР). Ме-
тодика добавок требует добавочного искусственного облучения в допол-
нение к сигналу естественной дозы 1„. Естественная доза NDO> находится
с помощью обратной экстраполяции кривой роста до ее пересечения NP
с осью дозы; если необходимо, т.е. в случае отклонения от линейности в
более низком диапазоне доз, к этой величине надо прибавить поправку
на пересечение D& В методике регенерации сигнал 1„ термически или
оптически стирается и впоследствии восстанавливается с помощью ис-
кусственного облучения. Доза, требуемая для восстановления дает ес-
тественную дозу ND„ причем ND, равняется при условии, что не
было никакого изменения чувствительности.
Естественная доза. Естественную дозу облучения 7VZ), полученную об-
разцом со времени его формирования или переустановки его хронометри-
ческой системы, следует оценивать по интенсивности вызванных облучени-
ем сигналов ТЛ, ОСЛ или ЭСР. Для этого образец облучается некоторыми
дозами, которые или добавляются к их естественной дозе, или генерируют-
Глава 7. Радиационная дозиметрия
ся вновь после искусственной переустановки часов. Вслед за тем измеряют
соответствующие сигналы и строят кривую роста добавочного или регене-
рированного облучения (рис. 80). Обычно в качестве источников использу-
ют калиброванный wCo или n7Cs для у-излучения, wSr для Д-излучения и
24|Аш для «-излучения.
Рис. 81. Неоднозначность определения ND в методике добавок. Для построе-
ния линии регрессии требуется знание математической функции роста
сигнала. В представленном здесь примере набор данных слишком мал,
чтобы можно было провести различие между линейным и экспонен-
циальным ростом насыщения. Обе функции соответствуют точкам дан-
ных, однако они привадят к сильно различающимся значениям ND,
полученным путем различных экстраполяций (Barabas, 1989).
Из кривой добавочного роста путем обратной ее экстраполяции на ось
дозы оценивают ND. Однако это требует знания математической функции
роста сигнала с увеличением дозы облучения. Желательно, чтобы сигнал
имел линейную зависимость от дозы, однако кривая экспоненциального ро-
ста показывает квазилинейный рост только в начале, а затем, по мере умень-
шения концентрации незанятых дефектов, кривая асимптотически прибли-
жается к значению насыщения Is. К сожалению, большинство наблюдаемых
кривых роста математически более сложны и физически труднообъяснимы.
В более низком диапазоне доз обычно наблюдается отклонение от линейно-
сти. Предварительное объяснение физики этого явления рассматривает эф-
фекты мощности дозы, создание новых дефектов и конкуренцию захвата
заряда различными ловушками. С помощью соответствующего набора дан-
ных могут быть математически построены различные линии регрессии (ли-
нейная, экспоненциальная или полиномиальная), и, следовательно, соот-
Глава 7. Радиационная дозиметрия 249
ветствующие экстраполяции ND могут значительно отличаться друг от друга
(рис. 81). Чтобы получить наиболее близкую функцию, полезно строить кри-
вую роста по максимально расширенному диапазону дозы.
Что касается восстановленных кривых роста, ND оценивают с помощью
той искусственной дозы, которая точно воссоздает интенсивность естествен-
ного сигнала (рис. 80). Таким образом, очевидная возможность оценки ND,
особенно если наблюдается нелинейный рост сигнала, часто оказывается
затруднена из-за изменений чувствительности, вызванных процессом пере-
запуска хронометрической системы. На искусственно нагретых или подвер-
гнутых действию света образцах наблюдается увеличение или, более редко,
уменьшение чувствительности, что можно объяснить в терминах физики
твердого тела перераспределением зарядов. В случае увеличения чувстви-
тельности доза восстановления, воспроизводящая естественный сигнал, за-
нижает значение ND.
Рис. 82. Для датировки с помошью радиационной дозиметрии требуется, что-
бы в прошлом происходили определенные события, приводящие к
полной переустановке природного дозиметра. Кроме собственно об-
разования минералов это возможно, если минералы испытывали на-
грев, воздействие света или давления. Эго позволяет датировать раз-
личные геологические и археологические события.
Так как чувствительность к a-излучению отличается от чувствительнос-
ти к Д- или /-излучению, общее уравнение вычисления возраста (46) долж-
но быть преобразовано:
t = EDp/(a NDa + ND^,
(48)
Глава 7. Радиационная дозиметрия
где эквивалентная доза (EDP) есть искусственная доза Д-облучения, которая
дает значение сигнала ТЛ, ОСЛ или ЭСР, равное естественному. Оценка
мощности дозы ND требует отдельного рассмотрения ее а-вклада NDa, ум-
ноженного на некий коэффициент а, и остающегося вклада NDfir, состоя-
щего из Д-, у- и космического излучения.
Переустановка хронометрической системы. Подлежащие датированию
минералы обычно бывают намного старше, чем возрастной диапазон, пере-
крываемый этими радиационными дозиметрическими часами (последние
10s или, в лучшем случае, 106лет). Однако накопленные этими минералами
радиационные нарушения могут быть уничтожены некоторыми особыми со-
бытиями. Частичная или даже полная переустановка сигналов ТЛ, ОСЛ или
ЭСР может быть вызвана нагревом, воздействием света или давления. Сле-
довательно, с помощью этой методики можно датировать последнее собы-
тие, приведшее к переустановке хронометрической системы в образцах (кроме
современных минеральных образований, таких как пещерные натечные об-
разования), — нагрев, действие света или давления (рис. 82). Таким же обра-
зом могут быть датированы вулканические и археологические события, свя-
занные с нагреванием. При датировании осадков используется возможность
того, что в процессе осаждения система могла подвергаться отбеливанию.
Чувствительность сигнала ЭСР к давлению позволяет определять возраст
тектонических разломов.
Затухание силы сигнала. Существенным для всех радиационных дози-
метрических методов датирования является то, что центры, вовлеченные в
генерацию сигнала, устойчивы во всем рассматриваемом возрастном диапа-
зоне. Как и при любом другом типе радиационных дефектов, центры ТЛ,
ОСЛ и ЭСР подвержены постепенному уменьшению силы сигнала, и кине-
тика этого изменения по существу зависит от температуры. В первом при-
ближении термоустойчивость какого-либо специфического центра при тем-
пературе окружающей среды Т может быть описана с помощью среднего
времени жизни т2, в течение которого начальная концентрация центров убы-
вает в е раз. В соответствии с уравнением Аррениуса применима следующая
формула:
т2 * 1/о0 eE,'k п. (49)
где ап — частотный коэффициент |с’’]; Е - энергия активации [эВ]; к ~
постоянная Больцмана и Т— абсолютная температура (К].
Помимо характеристики насыщения, верхний возрастной предел при-
менимости этих часов ограничен средним временем жизни г2. Значение т2
определяется из экспериментов по отжигу и экстраполируется впослед-
ствии на обычные низкие температуры среды. При условии, что происхо-
дит одновременное радиационно-индуцированное накопление (47) и тер-
мически-индуцированный распад центров, сигнал / растет в соответствии
с выражением:
I = S ND t (\ -е"'),
(50)
Глава 7. Радиационная дозиметрия
где т= г, Тз/Ст, + т2). Наконец, когда скорость заполнения ловушек уравнове-
шивается скоростью утечек, достигается тепловое равновесие при интен-
сивности 1Е = /5 г/Т| (рис. 79). Следовательно, из-за явлений насышения и
равновесия измеренный возраст tm занижает реальный возраст t согласно:
т(1 -еП
(51)
Следовательно, несоответствие между t„ и t с ростом возраста непрерывно
увеличивается, т.е. часы замедляются. Измеренный возраст асимптотически
приближается к предельному значению т (рис. 83). При допущении 10%
отклонения - tm от / должно выполняться условие tm< т/5, а в случае 5%
отклонения даже tm < т/10. Поскольку в данном случае рассматриваются в
основном приповерхностные отложения с обычными температурами, боль-
шинство центров имеет оценку г в несколько млн лет и более, так что дати-
руемый возрастной диапазон, возможно, охватывает интервал до несколь-
ких тыс. лет. В литературе имеются примеры попыток устранить занижение
возраста, вызванное затуханием сигнала (Mejdahl, 1988).
Рис. 83. Явления насышения
и теплового равновесия при-
водят к увеличению разности
между найденным кажущим-
ся возрастом и истинным
возрастом Л причем асим-
птотически приближается к
предельному значению т.
Мощность дозы. Кроме оценки естественной дозы ND, для вычисления
возраста согласно уравнению (46) необходимо определить естественную мощ-
ность дозы NDR. Уровень ионизирующего излучения на поверхности Земли
определяется в основном естественной радиоактивностью и в меньшей сте-
пени влиянием космических лучей. Значительные трудности могут возник-
нуть вследствие нространственных и временных флуктуаций мощности дозы
(Aitken, 1985). Эти осложнения обсуждаются далее. В любом случае, кроме
микродозиметрических исследований образца требуются непосредственные
измерения мощности дозы на месте, где был отобран образец.
Основными радионуклидами, которые вносят вклад в естественную
мощность дозы, являются ?32Th, 23SU, 2Д5О, их дочерние продукты, а также
252 Глава 7. Радиационная дозиметрия
*°К и 87Rb. Эти нуклиды испускают а-, 0* и /-излучение, каждое из кото-
рых обладает различной проникающей способностью, которая в силика-
тах составляет, соответственно, порядка единиц 10“2, 10° и 102 мм (рис. 84).
До своей остановки а- и 0-частицы на пути движения, как и фотоны,
испытывают энергетические потери из-за взаимодействия с атомами ре-
шетки. Для понимания дозиметрического метода очень важны следую-
щие два факта. Прежде всего, эмиссия и энергетическое поглощение из-
лучения происходят не в одном и том же месте. Во-вторых, энергия час-
тиц уменьшается вдоль пути в широком диапазоне энергий частиц от
начального значения до нуля.
Рис. 84. Соотношения между диапазонами
а-, 0- и /-излучений и величиной зерна да-
тируемых минералов. Для лучшей оценки
дозиметрического вклада от различных ти-
пов излучения следует выбирать зерна, раз-
мер которых лежит между указанными ди-
апазонами.
Если радионуклиды равномерно распределены по образцу, а размер пробы
в значительной степени превышает диапазон проникающего излучения, мощ-
ность дозы оценивается непосредственно. Внутри тела существует однород-
ное поле излучения, и лучистая энергия, испускаемая внутри тела, равна
поглощенной энергии; следовательно, мощность дозы поддается количе-
ственному описанию. В дозиметрии для описания этой ситуации использу-
ется термин квазибесконечная матрица (рис. 85).
Глава 7. Радиационная дозиметрия
Рис. 85. Соотношения между размером
области Нс гомогенной мощностью дозы
и диапазоном излучения R. Ддя датиро-
вания требуется наличие однородного ра-
диационного поля. Если Н » R (вверху),
в пределах Н преобладает квазибесконеч-
ное, гомогенное поле излучения. Если
Н « R(e середине), в результате эффектов
ослабления и из-за геометрических соот-
ношений создается неоднородное поле
излучения. Если Н «R (внизу), гомоген-
ное поле излучения существует в каждой
точке этой области.
Идеальные условия однородности и размера пробы редко реализуются в
случаях, когда необходимо провести датирование. Неоднородное распреде-
ление радионуклидов, которое часто проявляется в очень разных масшта-
бах, является скорее правилом, чем исключением, в природе. Зональные
кристаллы могут обладать сильно выраженными неоднородностями на не-
больших участках порядка нескольких I0"3 мм. Различные минералы часто
имеют значительные вариации радиоактивности. Обычно различаются ра-
диоактивности образца и вещества вмещающего образец осадка. Не только
образец, но и вмещающая его осадочная порода могут быть неоднородны-
Глава 7. Радиационная дозиметрия
ми. Из*за геометрических эффектов существуют градиенты мощности дозы
вблизи поверхности раздела между смежными материалами различной ра-
диоактивности (рис. 86). Эти градиенты имеют примерно те же размеры,
что и диапазоны проникновения излучения, и еще более усложняют энер-
гетические спектры радиации.
Рис. 86. Изменение мощности у-дозы на границах слоев (слои плотностью 2,0
г/см’ с содержанием воды 0,25) с радиоактивностью в слое 2 вдвое
большей, чем в слоях / и J; 100% соответствуют квази-бесконечному
толстому слою 2. Градиенты мощности дозы имеют величину поряд-
ка проникающей способности у-диапазона (Aitken, 1985).
Термин гомогенность в дозиметрии должен быть определен более точно.
Неоднородность меньшая, чем диапазон проникновения соответствующего
излучения, не будет являться неоднородностью в терминах мощности дозы.
Глава 7. Радиационная дозиметрия ISy!)1
Однако, если величина неоднородности имеет тот же самый порядок, что
и проникающая способность, это приведет к существенной пространствен-
ной вариации мощности дозы (рис. 85). Таким образом, следует всегда
связывать гомогенность и диапазон излучения. Из-за большой разницы в
проникающей способности а-, Д- и у-излучения, проба, в которой присут-
ствуют радиоактивные неоднородности порядка 30 мкм, неоднородны по
отношению к a-излучению (рис. 84), но могут быть гомогенны в отноше-
нии Д- и /-излучения. Образец, например зуб мамонта, с микроскопичес-
кими вариациями содержания урана является неоднородным в терминах
а- и Д-излучения, но может быть гомогенным по отношению к /-излуче-
нию. При оценке мощности дозы для данного образца определенного раз-
мера должны отдельно рассматриваться внутренний компонент и внешний,
обусловленный влиянием окружающей среды. Размер образца, например
моллюска размером несколько сантиметров, часто бывает намного меньше
диапазона проникновения /-излучения, но все же значительно больше та-
кового для Д-излучения. Для такого образца /-компонент мощности дозы
проистекает почти исключительно из окружающей среды, в то время как
а- и Д-компоненты являются внутренними. Для еще меньших образцов,
например для отдельных пластинок зубной эмали размером в несколько
сотен мкм, лишь a-компонент является внутренним, в то время как Д- и
/-компоненты - внешние.
Для нахождения возраста требуется материал с постоянной и поддаю-
щейся определению мощностью дозы. Осложнения возникают, если масш-
табы радиоактивных неоднородностей и диапазонов излучения попадают в
один и тот же интервал. Если размер радиоактивной неоднородности явно
больше или меньше диапазона проникающей способности излучения, мощ-
ность дозы однородна и измерима. Следовательно, целесообразно выби-
рать такие размеры зерен или размеры пробы, которые попадают в интервал
между рассматриваемыми диапазонами. Тонкозернистые фракции 2—10 мкм
выпадают из группы проб с гомогенной мощностью дозы для всех трех
типов излучения. Крупнозернистые фракции около 100-200 мкм велики
по сравнению с диапазоном а-частиц, но малы по сравнению с диапазона-
ми Д- и /-частиц. Еще одним предпочтительным интервалом размеров яв-
ляется диапазон в несколько см, который является большим по сравнению
с а- и Д-диапазонами, но малым по сравнению с /-диапазоном. Подготовка
пробы должна проводиться таким образом, чтобы выделить такие благопри-
ятные субпробы с определимой и гомогенной мощностью дозы. Если это
нельзя сделать, необходимо проводить соответствующую коррекцию.
Кроме того, оценка мощности дозы осложняется влагой, содержащейся
в поровом пространстве образца. Осадки могут содержать до 50 массовых
процентов воды. По сравнению с силикатами вода имеет значительно более
высокие коэффициенты поглощения а-, Д- и у-лучей на единицу массы, но
ничтожную радиоактивность, следовательно, она в большей или меньшей
степени уменьшает мощность дозы, что следует учитывать, производя по-
256 Глава 7. Радиационная дозиметрия
правки. Для этого необходимо определить влажность образца и окружаю-
щей его среды (Aitken, 1985).
Должна быть известна локальная интенсивность космических лучей. Хотя
их вклад в полную мощность дозы составляет в большинстве случаев лишь
несколько процентов, точное значение может значительно варьироваться.
Это значение увеличивается с географической широтой и, что более важно,
с высотой местности над уровнем моря. Существенным параметром также
является глубина залегания образца под поверхностью (рис. 87).
1
>1, т
X * 1
100 200 300 400
Моссовоя толщина (г/сллг)
Рис. 87. Мощность дозы космического облучения как функция глубины от
поверхности породы, выраженной в единицах массовой тол ши (мас-
се столба породы на единицу площади) (Prescott и Hutton, 1988; с
разрешения Elsevier Science Ltd.).
Определение возраста в соответствии с уравнением (46) подразумевает
постоянство составляющих мощности дозы в образце и в окружающей среде
в течение всего времени существования образца; в ином случае ежегодная
доза, измеренная сегодня, не является ее оценкой в прошлом, что неизбеж-
но приведет к ошибке определения возраста. Если имело место изменение
мощности дозы, существенна не только величина изменения, но также и
время, когда оно случилось. Чем раньше произошло изменение мощности
дозы, тем меньше конечная систематическая ошибка расчетного возраста.
Временные вариации мощности дозы могут быть вызваны изменениями влаж-
ности, уменьшением пористости из-за уплотнения, непостоянством содер-
жания радионуклидов, неравновесиями в цепочках распада и изменениями
мощности вышезалегающих слоев. В какой мере эти факторы влияли на
палеодозу, оценить трудно, если вообще возможно, так как процессы, суще-
ственные для мощности дозы, скорее всего, давно завершились и нам неиз-
вестны. Для распознавания этих вариаций и их учета при вычислении воз-
Глава 7. Радиационная дозиметрия
раста требуются неимоверные усилия. Часто сделать ничего нельзя, и оста-
ется только оценить возможные вариации и математически ввести поправку
на них в оценку ошибки возраста.
Определение влажности образцов производится непосредственно во время
их сбора. Однако, влажность подвержена сезонным и вековым изменени-
ям. Последние обычно связаны с изменением климата. Например, если в
поровом объеме образца было определено содержание воды 80%, то диапа-
зон вариаций этой величины можно оценить в ± 20% и принять во внима-
ние при определении обшей ошибки. Иногда более длиннопериодныс из-
менения влажности можно вывести из гидрогеологических, педологических
и палеоклиматических наблюдений. Как и любое уменьшение влажности,
уплотнение порового пространства также ведет к увеличению мощности дозы.
Например, в случае уплотнения лёссов эффекты уплотнения можно выя-
вить по результатам изучения осадков; однако, вопрос о том, когда про-
изошло это уплотнение, остается открытым. Вызванное палеоклимагичес-
кими изменениями осаждение карбонатов в поровом пространстве грунтов
и осадков может увеличивать мощность дозы (Singhvi et al., 1996).
Ископаемые зубы, кости, раковины и кораллы обладают значительно
более высоким содержанием урана, чем при жизни. Минерализованные ткани
после смерти организмов и захоронения постепенно поглощают уран из
грунтовой воды, увеличивая его содержание во много раз. Коэффициенты
обогащения 1000 и более не являются исключением и приводят к большому
увеличению мощности дозы. Для определения возраста, однако, требуется
знание временной функции увеличения мощности дозы. Так как эта вре-
менная зависимость точно не известна, приходится использовать модели.
Альтернативными моделями является модель раннего захвата урана, т.е. та,
которая предполагает, что поглощение имело место вскоре после смерти
организма, и модель, предполагающая линейное накопление урана. Иногда
делается предположение о недавнем поглощении урана.
Другие причины временных изменений мощности дозы связаны с суще-
ствованием рядов радиоактивного распада, начинающихся с урана и тория.
Самое позднее за 105 лет — в зависимости от периода полураспада дочернего
нуклида — достигается состояние радиоактивного равновесия с установив-
шимися относительными пропорциями радиоактивных нуклидов. Степень
установившегося вновь радиоактивного равновесия является, в свою оче-
редь, основанием для методов датирования, основанных на исследовании
рядов распада урана (глава 4). При формировании четвертичных известко-
вых пород, например кавернозных туфов, уран связывается предпочтитель-
нее, чем его дочерние продукты. Со временем радиоактивные дочерние про-
дукты постепенно накапливаются вплоть до достижения состояния радио-
активного равновесия. Связанное с этим увеличение мощности дозы можно
математически учесть. В цепочке радиоактивных распадов, начинающейся с
”*11, существуют несколько подвижных дочерних нуклидов. Прежде всего
примечателен изотоп инертного газа 222Rn, так как его период полураспада
wf 258 Глава 7. Радиационная дозиметрия
3,8 дня велик по сравнению со временем диффузии. Если имеется утечка
радона из образца, следующие члены цепи не будут вносить такой большой
вклад в мощность дозы, как они это делали в равновесном состоянии. Поте-
ри радона могут меняться с влажностью грунта. Радий является геохимичес-
ки подвижным элементом и чувствительно реагирует на изменения значе-
ния pH подземных вод. Изменения мощности дозы вследствие подвижнос-
ти 226Ra и 222Rn могут быть верифицированы с помощью а- или /-спектро-
метрии.
Оценка мощности дозы. Для опенки мощности дозы имеется целый ряд
методов. Пригодность метода зависит от того, что должно быть измерено, от
внутреннего вклада в мощность дозы, происходящего главным образом от
а- и Д-излучения, или от внешнего вклада /-излучения и космических лу-
чей. Неточные значения мощности дозы вносят большие систематические
ошибки в определяемый возраст, поэтому имеет смысл объединять несколь-
ко методов.
Если известно содержание урана, тория, калия и рубидия в образце и
вмещающей его среде, мощность дозы может быть рассчитана при условии
существования радиоактивного равновесия в рядах распада урана и тория.
Для этого существуют переводные коэффициенты (табл. 7). Они позволяют
рассчитывать мощность дозы на единицу концентрации для квазибесконеч-
иой матрицы.
Таблица 7. Мощность дозы для радиоактивных элементов (Nambi and Aitken. 1986)
Элемент Концентрация Мощность ДОЗЫ (мГр/год)
Альфа Бета Гамма
Урон 1 мкг/г 2,78? 0,147 0,1136
Торий 1 мкг/г 0,739 0,0286 0,0521
Калий 1 % 0,8740 0,243
Рубидий 100 мкг/г 0.0486
Из аналитических методов для U, Th, К главным образом используются
нейтронная активация или /-спектрометрия, а для для К и Rb — атомная
абсорбция. В то же время, анализ треков деления U и Th позволяет полу-
чить картину (рис. 88) микроскопического распределения этих элементов
(Wagner, 1980а). Все эти методы относительно трудоемки. В полученные
значения мощности дозы должны быть введены различные поправки, свя-
занные с эффектом затухания. Вклад космических лучей оценивается в со-
ответствии с глубиной залегания, высотой над уровнем моря и широтой
точки отбора проб (Prescott and Hutton, 1994); обычно этот вклад составляет
около 0,20 мГр/год, и он должен быть добавлен к другим компонентам.
Естественная a-активность измеряется на образце толщиной < 50 мкм
с помошью сцинтилляционного счетчика а-частиц на кристалле ZnS. Этот
простой метод вполне подходит для определения мощности дозы, так как
Глава 7. Радиационная дозиметрия
259
он до некоторой степени учитывает существующее неравновесное состоя-
ние. Чю касается Д- и ^вкладов, этот метод имеет ограниченное использо-
вание, так как требуется знание U ДИ-отношений, оценить которые можно
попытаться с помощью парного счета. Для доказательства утечки радона
можно использовать «-активность (Aitken, 1978). Для проверки радиоактив-
ного равновесия (Mangini et al., 1983) можно применить экспериментально
трудоемкие а-спектрометрические измерения.
Рис. 88. Микроскопическое рас-
пределение урана в керамике,
выявленное с помощью индуци-
рованных треков деления. Кла-
стер треков деления вызван
включением циркона, обога-
щенного ураном, в относитель-
но бедной ураном матрице.
Счет ft-излучения позволяет напрямую определять естественную Д-ак-
тивность образца, из которой можно вывести мощность /3-дозы. При этом
четко оценивается радиоактивное равновесие. Этот метод не годится для
оценки а- и /-вкладов. С точки зрения подготовки пробы такой метод явля-
ется прямым, однако для него требуется счетчик Гейгера-Мюллера (Botter-
Jensen and Mejdahl, 1988).
Энергетический спектр естественного /-излучения U, Th и К оценива-
ется средствами у-спектрометрии. Для /-спектрометрии высокого разре-
шения с использованием /-датчиков в лаборатории требуется приблизи-
тельно 30 г пробы. Кроме элементного количественного анализа, эта мето-
дика позволяет провести проверку радиоактивного равновесия (Murray and
Aitken, 1988). Nal-детекторы имеют меньшее разрешение, но более чув-
^260 Глава 7. Радиационная дозиметрия
ствительны и превосходно подходят для определения мощности дозы в
условиях окружающей среды, где также используются сцинтилляционные
счетчики на кристалле ZnS. Для получения надежных результатов, учиты-
вающих вклад космической радиации и поправки на содержание воды,
обычно бывает достаточно измерений длительностью меньше I ч. Для из-
мерений требуется дорогостоящая аппаратура, но накладные расходы не-
значительны.
7.1. Термолюминесценция
Термолюминесценция (ТЛ) - это избыток ♦холодного» света в свечении
нагретого непроводящего твердого тела. Она вызывается радиационными
нарушениями, накопленными в кристаллической решетке. Ее интенсивность
зависит от дозы облучения и, таким образом, представляет собой инстру-
мент для определения возраста. Роберт Бойль наблюдал термолюминесцен-
цию более 300 лет назад, а около 100 лет назад Видеман и Шмидт (Wiedemann
and Schmidt, 1895) обнаружили, что термолюминесценция вызывается иони-
зирующим излучением. Идея использования минералов в качестве естествен-
ных ТЛ-дозиметров для определения их возраста принадлежит Дэниелсу и
др. (Daniels et al., 1953).
Из трех радиационно-дозиметрических методов датирования ТЛ-дати-
рование, безусловно, является наиболее известным и наиболее развитым
методом. Первыми археологическими материалами, на которых был прове-
рен новый метод, были керамика и кирпичи (Grogler et al., 1958). С тех пор
этот метод утвердился в области археологии и геологии. В течение 1960-х и
1970-х годов его главным применением было датирование керамики. Как
только стало очевидно, что эта методика подходит также для определения
возраста осадков, ТЛ-метод в 1980-е получил дополнительный стимул для
развития. Состояние исследований в середине 1980-х всесторонне описано
Айткеном (Aitken, 1985).
ТЛ датирование покрывает широкий возрастной диапазон - от несколь-
ких сотен до примерно 1 млн лет, т.е. выходит далеко за пределы метода МС.
Это позволяет делать временные оценки довольно разных событий. Для та-
ких объектов, как пещерные натечные образования, металлургические шла-
ки, вулканический материал, данный метод датирует их кристаллизацию и
затвердевание, т.е., событие их формирования. В случае нагретых и обрабо-
танных огнем объектов типа керамики, кирпичей, каминов, каменных ору-
дий и обожженных контактов датируется последний случай нагревания.
Оптическое отбеливание сигнала ТЛ позволяет датировать эоловые и реч-
ные отложения, которые подвергаются действию дневного света во время
транспортировки и осаждения.
Несмотря на то что ТЛ-метод уже в значительной степени развит и мно-
гократно успешно применялся, его нельзя признать рутинным. Остается
потребность в фундаментальных исследованиях, особенно для больших воз-
7. /. Термолюминесценция 261
растов, направленных на улучшение точности. Погрешность определения
возраста достигает в большинстве случаев приблизительно 10%, но в отдель-
ных случаях может быть значительно уменьшена. По сравнению с точнос-
тью ,4С-возраста эта неопределенность представляется довольно большой.
Однако за пределами 10 тыс. лет в возрастном диапазоне, в котором об-
щепринятые кривые коррекции ,4С-значений возраста пока не доступны,
ТЛ-метод способен конкурировать по точности с радиоуглеродом. Для пос-
леднего тысячелетия значения возраста, полученные методом ТЛ, в боль-
шинстве случаев даже превосходят по точности ,4С-значения из-за большой
неопределенности последних.
7.1.1. Методологическая основа
Явление ТЛ. Для термолюминесценции необходимо существование дефек-
тов в кристалле. Эти дефекты служат ловушками для положительных и от-
рицательных зарядов, возникающих под действием ионизирующего излуче-
ния в атомах структурной решетки. Таким образом, во время облучения
твердое тело кроме тепловой энергии может принимать и сохранять лучис-
тую энергию. Эта фаза, при которой твердое тело приобретает латентную
ТЛ, называют фазой возбуждения. Под действием тепла или света нетепло-
вая часть энергии, содержащаяся в твердом теле, может излучаться в виде
люминесценции (фаза стимуляции). В зависимости от типа воздействия на
твердое тело различают термически стимулированную люминесценцию, обыч-
но называемую термолюминесценцией, и оптически стимулированную лю-
минесценцию.
Отдельные фазы, вызывающие явление ТЛ, могут быть проиллюстри-
рованы с помощью модели энергетических уровней (рис. 89). В этой моде-
ли электрически изолированный кристалл характеризуется занятой вален-
тной зоной и пустой зоной проводимости с энергетически запрещенной
зоной между ними. Эта зона населяется дефектами с дефицитом заряда
(рис. 78). Ионизирующее излучение отделяет электроны от материнских
атомов в валентной зоне и переводит их в зону проводимости. Из зоны
проводимости, где они могут свободно диффундировать, большинство элек-
тронов быстро возвращаются к основному состоянию, но некоторые из
них захватываются в дефектах с дефицитом отрицательного заряда (элект-
ронные ловушки). Остающиеся дырки будут пойманы в дефектах кристал-
ла с дефицитом положительного заряда (дырочные ловушки). Захваченные
электроны остаются в метастабильном состоянии до тех пор, пока они не
будут удалены тепловым возбуждением. Два явления люминесценции -
ТЛ и ОСЛ — различаются типом возбуждения захваченных электронов.
Тепловое возбуждение вызывается нагревом, тогда как оптическое возбуж-
дение вызывается воздействием света. В зоне проводимости электроны ре-
комбинируют с дырочными центрами (центрами люминесценции) с ис-
пусканием люминесцентного излучения (рис. 90). Кроме люминесцентной
;|162
Глава 7. Радиационная дозиметрия
излучательной рекомбинации происходит также нелюминесцентная реком-
бинация. Глубина электронных ловушек определяет величину энергии ак-
тивации, необходимую для высвобождения электронов из ловушек. При
постепенном нагревании твердых тел последовательно освобождаются ло-
вушки с различной глубиной — сначала мелкие, потом более глубокие.
Регистрация интенсивности ТЛ-излучения как функции температуры на-
грева дает кривую свечения (рис. 91).
Зона проводимости
Диффузия
Электронные ловушки _____
Электрой
Дырочные ловушки
Валентная зона
Рис. 89. Модель энергетической зоны люминесценции: а - основное состоя-
ние с пустыми ловушками зарядов; Ь - ионизирующее излучение
отделяет электрон от его материнского атома и поднимает его в зону
проводимости, откуда он впоследствии может быть захвачен; остаю-
щийся положительный заряд (электронно-дырочный) захватывается
дырочной ловушкой; с - метастабильное состояние с занятыми ло-
вушками заряда; d ~ электрон высвобождается из своей ловушки при
тепловом или оптическом возбуждении и рекомбинирует с дыроч-
ным центром (центром люминесценции) с испусканием люминес-
центного излучения (ТЛ/ОСЛ).
г
Таким образом, температурная кривая свечения отражает термическую
стабильность вовлеченных электронных ловушек. Цвет испускаемой ТЛ оп-
ределяется типом центра люминесценции, на котором происходит рекомби-
нация (рис. 90). Следовательно, спектр ТЛ-излучения дает информацию о
характере этих центров. Чтобы получить полную информацию о центрах
люминесцентного излучения, производится регистрация спектра (рис. 92),
7.1.
Термолюминесценция 26^^
для чего используются фильтры, монохроматоры и ПЗС-камеры. Интенсив-
ность сигнала ТЛ зависит не только от концентрации освобожденных элек-
тронов, но и от вероятности, с которой эти электроны находят центры
люминесценции. Чувствительность метода ТЛ поэтому, по существу, опре-
деляется концентрацией центров люминесценции, и любые изменения, воз-
действующие на эти центры, например радиация, нагрев или облучение све-
том, проявляются в виде изменения чувствительности ТЛ.
Ряс. 90. Стабильность и цвет сигнала ТЛ. Стабильность зависит от энергии
активации Е электронных ловушек. Неглубокая ловушка (Ех) осво-
бождается при более низкой температуре кривой свечения, чем глу-
бокая ловушка (£). Длина волны, т.е. цвет люминесцентного излуче-
ния, определяется типом центра люминесценции {L, и £н).
264 Глава 7. Радиационная дозиметрия
Рис. 91. Кривая ТЛ-свечения тонкозернистой фракции средневекового кера-
мического объекта. График интенсивности ТЛ как функции темпера-
туры нагрева (ЕТЛ: ТЛ после естественной дозы; КТЛ: ТЛ после пере-
установки ЕТЛ и получения искусственной дозы; ЕТЛ + 930 рад: ТЛ
после дополнительного облучения образца 9,3 Гр Д-излучения; кривая
плато, служащая для проверки стабильности, представляет собой от-
ношение (ЕТЛ + 9 30 рад - ЕТЛ) / ЕТЛ; TS: фон).
Рис. 92. Трехмерный ТЛ-спекгр мик-
роклина из Питкайн (Pitcain), штат
Нью-Йорк, облученного 0-дозой 2200
Гр, полученный с помощью ПЗС-ка-
меры после 4-месячной выдержки при
23*С (Krbetschek et al., 1996).
7. /. Термолюминесценция 265
Термическая и оптическая стабильность. Если твердое тело с занятыми
электронными ловушками, способное испускать термолюминесцентное из-
лучение, подвергнуть нагреванию или освещению, некоторая часть электро-
нов, в зависимости от уровня активации, может покинуть свои ловушки. Ла-
тентный сигнал ТЛ частично или полностью пропадает. В принципе этот
эффект желателен, так как это ведет к переустановке ТЛ-системы и, следова-
тельно, создает предпосылку для датирования событий нагрева или отбелива-
ния сигнала. С другой стороны, это может ослабить ТЛ-сигнал слишком сильно,
приводя к слишком молодым значениям ТЛ-возраста.
Сигнал ТЛ стирается при достаточно продолжительном и/или интен-
сивном нагревании. Отжиг сигнала ТЛ подчиняется законам кинетики в
соответствии с уравнением Аррениуса (49). Сигнал ТЛ, появляющийся
при заданной температуре кривой свечения, может быть охарактеризован
в соответствии со своей термической стабильностью через удельную энер-
гию активации и частотный коэффициент, которые выводятся из резуль-
татов эксперимента. Из этих параметров для данной температуры можно
получить соответствующее среднее время жизни. Одного часа отжига при
температуре 500*С достаточно, чтобы полностью перезапустить (обнулить)
ТЛ-систему. Более низкие температуры отжига воздействуют, соответствен-
но, на более низкочастотные области кривой свечения. При часто встречаю-
щихся окружающих температурах поверхности около 20°С, но на геологи-
чески длительных временах, сигналы ТЛ, появляющиеся при температурах
кривой свечения вплоть до ~28(ГС, обычно затухают. При температурах кри-
вой свечения ниже 200“С естественно индуцированная, латентная ТЛ уже
полностью разрушается и, следовательно, сигнал не появляется вообще. По-
скольку при температурах кривой свечения выше 280°С не известно априо-
ри, содержит ли еще измеренный сигнал ТЛ термически непостоянные ком-
поненты, требуется проверка стабильности сигнала и предварительная теп-
ловая обработка пробы (разд. 7.1.2). Долговременное ослабление сигналов
ТЛ является главной причиной ограничения сверху возрастного диапазона,
поддающегося датировке методом ТЛ.
Воздействие света, отбеливание, также постепенно ослабляет латентный
сигнал ТЛ. В отличие от отжига отбеливание полностью не стирает ТЛ-сиг-
нал даже при увеличенной продолжительности экспонирования на свету,
так что при этом остается неисчезающий остаток. Степень ослабления ТЛ
зависит от интенсивности света. На солнечном свету отбеливание сигнала
ТЛ, за исключением неисчезающего остатка, происходит через 10-20 ч. При
пасмурной погоде отбеливание дневным светом менее эффективно. Еще
меньший отбеливающий эффект наблюдается под слоем воды, особенно если
световой поток дополнительно ослаблен взвешенными твердыми частицами
(Ditlefsen, 1992; Rendell et al., 1994). При таких условиях возможно лишь
частичное отбеливание. Различные ТЛ-сигналы от одного и того же минера-
ла обладают различной светочувствительностью. Например, ТЛ-сигнал, по-
являющийся в кварце при температуре кривой свечения 325’С, особенно
Глава 7. Радиационная дозиметрия
чувствителен к отбеливанию. При переходе от одного минерала к другому
есть и различия, например сигнал ТЛ в полевых шпатах в большей мере
подвержен отбеливанию по сравнению с кварцем. Кроме того, на отбелива-
ние влияет спектральный состав света. Особенно эффективными являются
коротковолновые компоненты видимого света и ультрафиолетовые компо-
ненты. В целом, явление отбеливания сигналов ТЛ весьма необычно сложно
и еще недостаточно исследовано. Существование неотбеленного остатка го-
ворит о том, что только часть ТЛ-центров чувствительна к свету. Физичес-
кое понимание явления отбеливания усложняется в связи с тем, что энер-
гии, требуемые для теплового и оптического возбуждения одинаковых сиг-
налов ТЛ, в общем, не соответствуют друг другу. Мак-Кивер (McKeever,
1991) объясняет сравнительно высокие оптические энергии активации в случае
кварца моделью, в которой во время отбеливания электроны высвобожда-
ются из глубоких энергетических ловушек, на которые термическое возбуж-
дение не действует.
Явление, имеющее отношение к отбеливанию - термолюминесценция при
фотопереносе (ТЛФП). Под ТЛФП понимается усиление определенных сиг-
налов ТЛ после экспонирования на свету'. Возможным объяснением этого
явления является то, что не все электроны, которые высвобождаются из
глубоких ловушек оптическим возбуждением и переходят в зону проводи-
мости, рекомбинируют. Напротив, некоторые из них повторно захватыва-
ются, что приводит при последующем тепловом возбуждении к возникнове-
нию ТЛФП. Предпринимались попытки использовать это явление для да-
тирования керамики (Bowman, 1979), лёсса (Wallner et al., 1990) и речных
песков (Murray, 1996).
Очень неприятным явлением при датировании представляется эффект
аномального затухания (Wintie, 1973). Такое уменьшение сигнала ТЛ нельзя
объяснить отжигом в соответствии с законами кинетики. Оно объясняется
прямыми переходами между соседними центрами. Аномальное затухание
сигнала наблюдается, хотя и не всегда, в полевых шпатах, цирконе и апати-
те и проявляется в том, что недавно облученные образцы показывают явное
уменьшение термически стабильной ТЛ в течение первых недель после об-
лучения при хранении в темноте при комнатной температуре. Так как ано-
мальное затухание может значительно уменьшить ТЛ-возраст, необходимо
проверять исследуемый материал на возможность именно такого его пове-
дения.
Естественная доза. Естественная доза облучения ND, полученная образ-
цом, начиная с момента его формирования или последней переустановки
(обнуления) системы, определяется из естественного сигнала ТЛ и завися-
щего от дозы роста ТЛ. Для этого применяются как методика добавок, так и
методика восстановления (рис. ВО). В более низких диапазонах дозы (< 50
Гр) сигнал ТЛ в основном квазилинейно увеличивается с дозой. Прямые
линии дополнительного роста ТЛ оптимально подходят для экстраполяции
естественной дозы молодых образцов (< 10 тыс. лет). При работе по методи-
7.1. Термолюминесценция
ке восстановления при дозах в несколько Гр часто наблюдается более быст-
рое, чем линейное (супралинейное), возрастание интенсивности ТЛ — вна-
чале кривая интенсивности резко поднимается вверх, а потом постепенно
становится все более пологой, переходя в прямую линию. Для нахождения
ND это отклонение от линейности, как коррекцию пересечения Д, добавляют
к NH, полученному по методике добавок. При более высоких дозах (> 50 Гр)
возникают осложнения типа насыщения и достижения теплового равнове-
сия, которые вызывают сублинейное выполаживание кривой роста ТЛ. Но
иногда наблюдается также и возобновленное увеличение крутизны линии
роста интенсивности ТЛ (Packman and Grtin, 1992). Эквивалентную дозу
можно надежно экстраполировать только в случае, если набор эксперимен-
тальных данных можно математически описать физически обоснованной
функцией. Если этот подход безуспешен, ТЛ-систему искусственно переус-
танавливают при помощи нагрева или отбеливания. При помощи облуче-
ния различными дозами оценивают дозу, которая точно восстанавливает
естественный сигнал ТЛ (восстанавливающая доза ND,) (рис. 80). Эта мето-
дика, однако, требует, чтобы чувствительность восстановленной и есте-
ственной ТЛ была одинаковой.
Явление изменения чувствительности ТЛ можно на самом деле исполь-
зовать для датирования; эта методика получила название методики пред-
дозы (предварительного облучения). Эффект преддозы заключается в увеличе-
нии чувствительности пика ТЛ в кварце при I Ю°С, которое наблюдается
после его радиационного облучения, сопровождаемого быстрым нагревани-
ем до 500-600‘С. Изменение чувствительности в зависимости от преддозы
является основой для определения возраста. Возможности и ограничения
эффекта пред-дозы для датирования недавно были подытожены Байлифом
(Bailiff, 1994). По-сушеству, этот эффект может быть использован при дати-
ровании керамических изделий последних двух тысячелетий.
Если методом ТЛ нужно датировать осадочные отложения, следует об-
ратить внимание на то, что естественный сигнал /„состоит из двух компо-
нентов. Первым является начальный сигнал /0, который уже присутствовал
во время отложения осадков, а другой, зависящий от времени сигнал /„
был индуцирован начиная с момента осаждения. Для определения возрас-
та важен лишь сигнал /0 и поэтому требуется знать величину /0
(рис. 93). В зависимости от внешних условий осаждения /0 представляет
частичную степень отбеливания или неотбеленный остаток (полное отбе-
ливание). В то время как для эоловых отложений можно предположить их
полное отбеливание, это, конечно, необязательно должно происходить с
речными, озерными и ледниковыми отложениями. Чтобы определить на-
чальный сигнал /0, сигнал /„ экспериментально отбеливается искусствен-
ным или естественным солнечным светом. В зависимости от типа осадка
различают методику частичного отбеливания и методику полного отбели-
вания. Следует подчеркнуть, что неопределенности в определении /0 в слу-
чае частично отбеленных отложений представляют существенный источ-
268 Глава 7. Радиационная дозиметрия
ник ошибки при датировании методом ТЛ. По этой причине для датирова-
ния предпочтительны полностью отбеленные эоловые отложения типа лёс-
сов и дюновых песков.
Рис. 93. Датирование осадков
требует знания начального
компонента /0, который должен
вычитаться из естественного
ТЛ-сигнала 1Я. В зависимости
от типа осадков /0 может пред-
ставлять частичное или полное
естественное отбеливание. Что-
бы моделировать естественные
условия, в лаборатории исполь-
зуются методы частичного или
полного отбеливания, обычно
посредством солнечных ламп
(SL). Лабораторное пере отбе-
ли ванне несет опасность завы-
шения ND и, следовательно,
получения завышенных значе-
ний ТЛ-возраста,
Размерные фракции. Обычно для датирования методом ТЛ используются тон-
козернистые (2-10 мкм) и крупнозернистые (100-200 мкм) фракции (рис. 84).
Использование мелкозернистых фракций, которые обычно обладают полимине-
ральным составом, неудобно из-за неприменимости методов разделения мине-
ралов. Однако, применяя методы разделения минералов, можно получить моно-
минеральные крупнозернистые фракции. У кварца и плагиоклазовых полевых
шпатов, содержащих незначительные количества радиоактивных изотопов и, сле-
довательно, получивших только внешнюю дозу облучения, путем травления в
плавиковой кислоте удаляют -20 мкм внешней поверхностной корки. Таким
образом устраняется внешний, геометрически трудно интерпретируемый «-ком-
понент, и поэтому остающееся ядро содержит только внешние Д- и /-фракции
мощности дозы. Совершенно иная ситуация возникает в случае с зернами цир-
кона, которые испускают внутреннее Д- и /-излучение, по существу, в окружа-
ющую среду и сохраняют только свой «-компонент. Помимо высоких концент-
раций урана, это дозиметрическое преимущество позволяет датировать цирконы
с помощью авторегенерации ТЛ, когда сигнал ТЛ самовосстанавливается в пре-
делах месяцев после измерения ЕТЛ (Templer, 1993). Калиевые палевые шпаты,
имеющие значительный внутренний вклад Д-излучения, в идеале должны иметь
более крупные размеры, чем диапазон Д-лучей.
7.1. Термолюминесценция
Вычисление возраста. Анализ кривых свечения ТЛ для определения воз-
раста требует некоторых критериев для выбора пригодных сигналов ТЛ.
1. Вызванный облучением сигнал должен быть термически или оптичес-
ки переустановлен событием, которое должно быть датировано.
2. Этот сигнал должен быть устойчив в течение рассматриваемого про-
межутка времени.
3. Характеристики роста сигнала не должны отклоняться от математи-
ческой функции.
На основе этих критериев можно выбрать подходящий сигнал ТЛ, если
на кривой свечения имеется несколько максимумов. Существенное преиму-
щество можно извлечь, если ограничиться определенными спектральными
областями ТЛ-испускания, поскольку вышеупомянутые критерии могли бы
выполняться только для небольших участков спектра. Возраст рассчитыва-
ется согласно уравнению (48).
7.1,2. Практические аспекты
Методом ТЛ можно датировать различные минеральные фракции и фрак-
ции разного размера, полученные из одного и того же образца, например из
осадка или из керамического черепка. Так как значения возраста фракций
до некоторой степени независимы друг от друга относительно ТЛ-характе-
ристик и дозиметрии, их соответствие является важным признаком надеж-
ности определения возраста. Хотя при этом потребуются более значитель-
ные экспериментальные усилия, желательно принять стратегию отбора проб,
при которой предусмотрена возможность определения возраста нескольки-
ми методами. Для одного определения возраста ТЛ-методом требуется ~ 100
мг выделенного материала образца. Это соответствует начальному весу об-
разца от -10 г до 1 кг. Помимо собственно измерений ТЛ следует подумать
о подготовке материала для определения мощности дозы. Оригинальный
материал упаковывается в водонепроницаемый материал, так чтобы впос-
ледствии в лаборатории можно было определить его первоначальную влаж-
ность. Образцы должны быть защищены от тепла и света, особенно в случае
осадков, для которых должно быть датировано последнее освещение. Чтобы
устранить любое облучение светом, осадки должны отбираться в тени с при-
менением стальных цилиндров или других типов непрозрачных контейне-
ров (рис. 94).
В лаборатории образцы при сильно ослабленном освещении разделяются
на фракции подходящего размера и минерального состава в соответствии со
стандартными методами. Обычно крупнозернистые фракции состоят либо из
кварца, различных полевых шпатов, циркона, либо из стекла. Механические
напряжения во время дробления образцов иногда могут вызвать триболюми-
несценцию - нежелательный для датирования тип люминесценции, - кото-
рую можно снять отмыванием зерен пробы в разбавленных кислотах. По-
скольку ТЛ-сигнал стирается при каждом ТЛ-измерении, для ТЛ-датирова-
Глава 7. Радиационная дозиметрия
ния требуется разделение пробы на части. Обычно подготавливается около
50 частей пробы по 1-4 мг каждая. Индивидуальные части пробы (субпро-
бы) помешают на алюминиевые или стальные диски. Подготовка проб к
исследованию трудоемка и требует много времени.
Рис. 94. Отбор пробы лёссовых отложений с помощью стального цилиндра.
Такая методика отбора защищает образец от экспонирования на свету.
Измерительный прибор состоит, по существу, из тарелки, на которой об-
разец нагревают, и фотоумножителя, с помощью которого средствами элект-
роники испускаемый световой сигнал усиливается и регистрируется как фун-
кция температуры нагрева. После каждого измерения нагревание повторяет-
ся, чтобы зарегистрировать и вычесть фон (рис. 91). Для предотвращения
нежелательной хемилюминесценции, которая энергетически подпитывается
сг экзотермических химических реакций, важно проводить ТЛ-измерения в
атмосфере очень чистого азота или аргона. Оптические фильтры, которые
можно установить между образцом и фотоумножителем, позволяют прово-
дить регистрацию определенных спектральных областей. Автоматизирован-
ные и оснащенные компьютерами современные ТЛ-приборы позволяют пол-
7. /. Термолюминесценция
ностью автоматизировать работу и проводить анализ больших серий субпроб.
Методика анализа тонкозернистой фракции требует определения «-фактора
«-излучения, и, таким образом, в этом случае помимо Д- или у-источника
потребуется использование источника «-излучения.
Чтобы проверить, был ли сигнал естественной термолюминесценции
устойчив в интересующем возрастном диапазоне, применяется тест плато
(рис. 91). В этом тесте проверяют эквивалентную дозу, или рассчитывают
ТЛ-возраст в зависимости от температуры кривой свечения. Начальное зна-
чение плато показательно в отношении тепловой устойчивости анализируе-
мого сигнала ТЛ. Термически неустойчивые компоненты могут быть терми-
чески «вымыты» с помощью предварительного нагрева для получения более
выраженного плато.
При определении ТЛ-возраста учитываются различные аспекты экспе-
римента, такие как выбор типа минерала, зернистости, предварительный
подогрев проб, различные скорости нагревания, спектральный диапазон,
функции роста, аддитивная или регенеративная методики и отбеливание.
Их выбор в значительной степени эмпиричен и пока не оптимизирован и не
стандартизован. Различные комбинации этих параметров лежат в основе
разнообразных вариантов методики ТЛ-датирования, и, следовательно, да-
тирование определенного образца несколькими лабораториями не обяза-
тельно даст непосредственно сопоставимые значения ТЛ-возраста. Поэтому
необходимо вместе с данными возраста предоставлять методику экспери-
мента. Без этой важной информации нельзя оценить результаты измерений.
Безусловно, это относится также и к методам определения мощности дозы.
Только тогда можно сказать, является ли указанная ошибка определения
возраста реальной.
7.1.3. Применение
Керамика и обожженная глина. Обожженные изделия из глины в течение
долгого времени были основными объектами для ТЛ-датирования. Важные
концепции ТЛ-метода датирования были установлены в 1960-х и 1970-х го-
дах при исследовании осколков керамики, кирпичей и обжиговых печей.
Особенно интересным для археологов является тот факт, что при этом не-
посредственно датируется событие обжига, т.е. производство керамики; это
важно, поскольку типология керамических изделий является важной осно-
вой хронологических построений. Следовательно, с помощью ТЛ-метода
можно датировать сами археологические «ключевые находки», преодоле-
вая, таким образом, возможные ошибки корреляции, которые могут легко
возникнуть, если датируются ассоциирующие с этими находками материа-
лы. Несмотря на это преимущество, ТЛ-метод в последние годы потерял
свое важное значение в области датирования керамики. Это произошло из-
за относительно большой ошибки в 6-10%. На большинство вопросов от-
носительно хронологии европейских культур неолита и бронзового века
Глава 7. Радиационная дозиметрия
|4С-метод датирования может дать более точный ответ, и худшая временная
разрешающая способность ТЛ-метода часто бывает недостаточна. Однако в
области исследования керамики имеются проблемы, для разрешения кото-
рых применение ТЛ-метода полезно и выгодно. Этот метод особенно эф-
фективен при изучении остатков археометаллургических печей, которые иначе
едва ли можно датировать, для которых ТЛ-метод позволяет получать дати-
ровки с точностью до половины или даже четверти столетия.
Для датирования керамики желательно брать несколько обломков раз-
мером в ладонь из одного и того же места находки, принимая при этом во
внимание разнообразие типов изделий, поскольку их ТЛ-характеристики
могут быть довольно различны. Желательно при этом сохранять налипший
грунт, так как он может оказаться полезным для определения мощности
дозы окружающей среды. Если возможно, мобильными датчиками прово-
дятся in situ измерения мощности дозы окружающей среды. Если керами-
ческое изделие содержит кварцевую составляющую, то в дополнение к мел-
козернистой фракции выделяют и датируют крупнозернистую фракцию, и,
таким образом, результирующий возраст может быть определен как комби-
нация обоих ТЛ-возрастов. Значения возраста нескольких обломков объе-
диняют, получая обобщающее представление о возрасте.
Рис. 95. Термолюминесцентные датировки осколков керамических изделий
из неолитовых стоянок в Нижней Австрии. Обобщенные значения
возраста — средние значения, рассчитанные по нескольким отдель-
ным результатам определения возраста осколков. Длина ромбов отве-
чает общей I о ошибке (Pemicka and Wagner, 1983, 1984).
7. /. Термолюминесценция 273
В качестве примера упомянем результаты определения ТЛ-возраста, полу-
ченные для обломков линейно-ленточной керамики из Ламерсдорфа
(Lamersdorf), Северо-Западная Германия. Все они относятся к более молодой
фазе ранненеолитовой культуры линейно-ленточной керамики. Девять от-
дельных датировок колеблются между 6400 и 7840 годами, но существенно не
отличаются друг от друга в пределах ошибки измерения. Средний обобщен-
ный возраст згой находки составляет 5050 лет до н.э. (± 130 лет, ± 600 лет),
где первая ошибка представляет собой 1<т - стандартную статистическую
ошибку (воспроизводимость), а большая вторая характеризует полную ана-
литическую ошибку (верность). Последняя величина ошибки важна для срав-
нения с независимо полученными значениями возраста. Период линейно-
ленточной керамики для района нижнего Рейна и Мааса соответствует, со-
гласно калиброванным значениям >4С-воэраста, интервалу между 5300 и 4950
годами до н.э., что находится в хорошем согласии с ТЛ-данными (Wagner
and Lorenz, 1997). Сопоставимые ТЛ-определения возраста проводились на
осколках глиняной посуды линейно-ленточной керамики из Лихтенворта
(Lichtenwort) и Хайн бурга (Heinburg), Нижняя Австрия (рис. 95), так же как
из Ульм-Эггингена (Ulm-Eggingen), Южная Германия. ТЛ-датировки всех
этих объектов показывают, что кульминационный момент культуры средне-
европейской линейно-ленточной керамики приходится на 2-ю половину
6-го тысячелетия до н.э. (Wagner et al., 1993).
Другой пример - керамика, обнаруженная в горизонте «поздний Урук» -
раннего бронзового века из Хассек Хеюк (Hassek Hayiik) в верховьях Евфра-
та на востоке Анатолии (Wagner et al., 1992). Эти измерения были выполне-
ны, чтобы проверить независимым методом надежность |4С-датировок, по-
лученных по древесному углю и зернам хлебных злаков (Willkomm, 1992).
Для ТЛ-датирования из этих осколков были выделены мелкозернистая фрак-
ция и фракция с кварцевыми включениями. Объединенные ТЛ-значения
возраста обеих фракций попадают в 4-3-е тысячелетие до н.э. для различ-
ных фаз заселения и находятся в согласии с ,4С-датировками.
ТЛ-метод часто с успехом применялся при исследованиях средневеко-
вых обжиговых печей. Для этого возрастного диапазона точность ’^-дати-
рования часто бывает недостаточной из-за сложностей, связанных с эффек-
том старой древесины и неоднозначностью калибровочной кривой. Таким
примером служит ТЛ-определение возраста плавильной печи вблизи Мет-
цингена (Metzingen), Южная Германия, со следами раннего выплавления
железа. Из пробы, взятой из обожженного футеровочного материала печи,
были получены и исследованы мелкозернистая фракция и фракция грубо-
зернистого кварца. Полученное ТЛ-значение возраста 996 ± 105 лет новой
эры позволяет отнести выплавление железа к позднему средневековому пе-
риоду (Wagner and Wagner, 1994).
Другим примером применения ТЛ-метода служит проверка подлинно-
сти керамических объектов, представляющих интерес для истории искус-
ства. В данном случае целью исследования является не как можно более
^^74 Глава 7. Радиационная дозиметрия
точная оценка возраста изделия, а установление разницы между древним
возрастом бесценного произведения и недавним возрастом имитации или
подделки. Из интересующего объекта высверливают 200 мг порошка при
приглушенном красном свете. В большинстве случаев естественной дозы
облучения бывает достаточно, чтобы дать заключение об аутентичности
исследуемого объекта, но иногда бывает нужно оценить внутреннюю дозу.
Примером доказанной с помощью ТЛ-метода имитации является амфо-
ра, предположительно позднекоринфского периода VI века до н.э., изоб-
раженная на рис. 96. Она не показывает никакого сигнала естественной
ТЛ, который мог бы снять подозрения, что ее сделали в течение после-
днего столетия (Wagner, 1980b). Для того чтобы обмануть (неопытных
ценителей), это изделие было очень умело «украшено* искусственным
шлаком.
Рис. 96. Термолюминесцентный тест
на аутентичность. С помощью ТЛ-
измерений высверленного порошка
было доказано, что великолепная,
предположительно коринфская, ам-
фора (высотой 16 см, с налипшими
на нее кусками шлака) на самом деле
является современной подделкой.
7.1. Термолюминесценция 275j|
Обожженные кремни и камни. Благодаря своим благоприятным для изме-
рения ТЛ и дозиметрии характеристикам кремни являются подходящим
материалом для определения возраста, особенно для интервала времени,
включающего средний и нижний палеолит, в котором иС-мстод датирова-
ния не применяется. ТЛ-метод датирования предполагает, что ТЛ часы ка-
ких-либо артефактов были переустановлены на ноль в доисторическое вре-
мя в результате нагревания. Действительно, это на самом деле так для зна-
чительной части артефактов, изготовленных из кремня, несущих на себе
явные признаки нагревания (рис. 8).
Для измерения ТЛ кремни обрабатываются таким образом, чтобы полу-
чить тонкозернистую или грубозернистую фракции, из которых можно по-
том удалить примесь карбонатов с помощью разбавленной соляной кисло-
ты. Характеристики насыщения, термической устойчивости и кривой роста
ТЛ-сигнала позволяют определять, в зависимости от мощности дозы, воз-
раст до 1 млн лет. Обнуление сигнала требует нагревания объекта исследо-
вания, по крайней мере до 450*С. Решить, действительно ли такие темпера-
туры достигались при нагревании, можно с помощью тестов ТЛ (например,
теста плато). Обычно радиоактивные элементы распределены в кремнях рав-
номерно, и их содержания часто бывают равны 1 мкг/г U, 0,5 мкг/г Th и
0,1% К, что обеспечивает мощность внутренней дозы около 0,5 Гр/год.
Рекомендуется отбирать несколько образцов кремней из каждого слоя,
который предстоит датировать. Среди наиболее древних кремневых арте-
фактов, датированных ТЛ-методом, можно назвать артефакты из стоянки
Маастрихт-Бельведер (Maastricht-Belvedere), Голландия, относящиеся к
ашельскому культурному комплексу. Исследуя обожженные кремневые ар-
тефакты, Хакстэйбл и Айткен (Huxtable and Aitken, 1985) определили сред-
ний ТЛ-возраст межгляциального слоя IV на этой стоянке 270 ± 22 тыс. лет.
Для нижнепалеолитовой стоянки Шонинген (Schoningen) 13/1, Северная Гер-
мания, Рихтер (Richter, 1997) приводит даже значение ТЛ-возраста 453 ± 39
тыс. лет для нагретого кремневого орудия. Большинство ТЛ-данных для
кремней относится к изделиям культуры мустье, которую обычно связыва-
ют с деятельностью неандертальского человека. Для некоторых из них были
получены древние значения ТЛ-возраста вплоть до 200 тыс. лет. Очевидно,
эта культура не ограничена последним периодом оледенения, но уходит вглубь
времен до предпоследней эпохи оледенения (Valladas, 1992). На стоянке Та-
бун (Tabun), Израиль, ТЛ-значения возраста кремней указывают на то, что
технологический переход от ашельской культуры к культуре мустье произо-
шел 270—250 тыс. лет назад (Mercier et al., 1995). На основании данных,
полученных на стоянках Куафзех, Кебара и Схул (Kuafzekh, Kebara, Skhul),
Израиль, решающую роль в которых играли ТЛ-определения возраста, сле-
дует пересмотреть принятую в Европе идею о том, что современный человек
непосредственно сменил неандертальского человека (Valladas et al., 1988;
Mercier et al., 1993). На этих стоянках из земли были извлечены скелет неан-
дертальского человека (Кебара) и останки протокроманьонца, предше-
276 Глава 7. Радиационная дозиметрия
ственника современного человека (Куафзех и Схул). ТЛ-датирование 20
обломков кремней из содержащего останки гоминид слоя в Куафзехе дало
значение возраста 92 ± 5 тыс. лет, в то время как 30 кремневых артефактов
из различных слоев в Кебара дали значения ТЛ-возраста от 50 тыс. до 70
тыс. лет; скелет неандертальца был извлечен из слоя, датируемого 60 тыс.
лет (рис. 97). На стоянке Схул для шести обожженных кремней из слоя В,
в котором были обнаружены останки протокроманьонца, был определен
средний ТЛ-возраст 119 ± 18 тыс. лет. Древний возраст анатомически со-
временного человека, подтвержденный результатами датирования методом
ЭСР (разд. 7.3.3) и методом урановых серий (разд. 4.3), привел к развитию
представлений об эволюции гоминид далеко за пределами левантской эпохи.
Следовательно, в отличие от принятых до сих пор представлений ранние
формы современного человека существовали значительно раньше и синх-
ронно с неандертальским человеком (Ваг-Yosef and Vandermeersch, 1993).
Поэтому неандертальский человек не может быть просто предшественни-
ком современного Homo sapiens на общей линии эволюции, как это пред-
ставлялось на основании всех европейских находок. Напротив, левантские
данные позволяют предполагать развитие протокроманьонца независимо от
неандертальца. Примером использования ТЛ метода в более молодом возра-
стном интервале могут служить шесть кремней из слоев медного века в Хас-
сек Хеюк, Восточная Анатолия, давшие значения возраста 5400 ± 300 лет
(Goksu et al., 1992).
Помимо кремней, намеренному или случайному действию высоких тем-
ператур могли подвергаться и другие породы. Одним из первых примеров
приложения метода ТЛ к материалам такого рода является датирование
камней, использовавшихся для кипячения воды при приготовлении пищи.
Эти камни сначала нагревали на костре, а затем опускали в сосуды для
приготовления пищи, чтобы нагреть воду до кипения. Хакстэйбл и др.
(Huxtable et al., 1976) датировали обожженный песчаник вблизи очагов из
Оркни (Orkney). Большинство этих камней не содержало достаточных ко-
личеств зерен кварца, чтобы можно было провести датирование по квар-
цевым включениям, так что основная масса образцов была датирована по
методике исследования тонкозернистых фракций. Согласно ТЛ возраст-
ным данным эти камни для кипячения воды относятся к 1-й половине
1-го тысячелетия до н.э.
В палеоиндейском лагере пещеры Дал-Педра-Пинтада (dal Pedra Pintada)
в Бразильской Амазонии среди прочих материалов были обнаружены десять
обожженных обломков кварца и халцедона. Их датирование ТЛ-методом
дало значения возраста в интервале от 9,5 тыс. до 16 тыс. лет, что согласует-
ся с ,4С-значениями возраста 10,5-14,2 тыс. лет, установленными для этой
стоянки (Roosevelt et al., 1996). Это открытие существования палеоиндейс-
ких поселений вдоль Амазонки в течение позднего плейстоцена указывает
на то, что расселение палеоиндейских племен было более сложным, чем об
этом говорят современные теории.
7.1. Термолюминесценция
Tabun Skhul Qafzeh Kebara
0--------------------------------------------
50
100 '
p 150
ф
| 200
ci
250
300
350
кроманьонский тип человека
{анатомически современный
человек)
неандертальский человек
культурный слой мустье
Рис. 97. Значения термолюминесцентного возраста обожженных кремневых
артефактов из палеолитовых стоянок левантского периода, Израиль
(Valladas et al., 1988; Mercier et al., 1993, 1995).
Витрифицированные форты. Доисторические стены, возведенные из со*
держащих кварц и полевые шпаты пород, широко распространены в Запад-
ной Европе. Предположительно они представляют собой фортификацион-
ные сооружения, построенные из каменного и древесного материала, рас-
плавленные при пожаре (> 1000’С). Значения ТЛ-возраста, полученные для
полевых шпатов из шести фортов Шотландии, колеблются от конца 3-го
тысячелетия до н.э. до конца 1-го тысячелетия н.э., что противоречит пред-
ставлениям об их принадлежности к определенной культуре (Sanderson et
al., 1988).
Глава 7. Радиационная дозиметрия
Искусственное стекло. Было предпринято небольшое количество по-
пыток датирования с помощью ТЛ-метода искусственного стекла. Ослож-
нения связаны главным образом с некристаллическим состоянием стекол.
Представляется, что ТЛ стекла воспроизводится только в тех случаях, ког-
да стекло не нагревается выше температуры размыгчения, поскольку при
этой температуре структура стекла начинает изменяться. Наблюдалась яв-
ная связь ТЛ-чувствительности и степени кристалличности стекла (Muller
and Schvdrer, 1993). Поэтому ТЛ-метод нельзя считать подходящим мето-
дом датирования искусственных стекол, но в исключительных случаях его
можно использовать.
Шлаки. Были предприняты попытки датировать термолюминесцентным
методом археометаллургические шлаки, определяя тем самым возраст про-
цесса выплавления металла. В принципе для этих целей должна быть при-
годна. обычно присутствующая в шлаках фаза стекла, равно как и кристал-
лические фазы пироксена и фаялита. К сожалению, было доказано, что фаза
стекла в данном случае обладает ТЛ-характеристиками, непригодными для
целей датирования в связи, как полагают, с высоким содержанием в стекле
металлов. Кристаллические фазы силикатов из этих шлаков обладают особо
сложным составом и структурой. Тесные взаимопрорастания этих фаз ста-
новятся особенно проблемными при определении мощности дозы облуче-
ния, так что в результате возникают довольно большие ошибки определе-
ния возраста порядка 20% (Elitzsch et al., 1983; Lorentz, 1988). При датирова-
нии археометаллургических раскопок рекомендуется использовать зерна
нагретого кварца, заключенные в шлаковую оболочку, или формовочную
землю, прилипшую к стенке печи, а не сам шлак.
Вулканические породы. В тесной связи с вулканической активностью встре-
чаются как вновь образованные породы (лавы и пеплы), так и нагретые суще-
ствовавшие ранее породы. И тот и другой типы нагретого материала могут
быть датированы ТЛ-методом при условии, что они содержат кварц, полевые
шпаты или стекло. Прямое ТЛ-датирование лавовых потоков, однако, вызы-
вает затруднения в связи с их обеднснностью кварцем или из-за тенденции к
аномальному отбелеванию содержащихся в них полевых шпатов. Системати-
ческие попытки ТЛ-датирования базальтов были предприняты Маем (Мау,
1979). Фракции плагиоклазов, выделенные из щелочных базальтов Гавайских
островов, образовавшиеся в интервале от 4,5 тыс. до 3,3 млн лет, характеризу-
ются экспоненциальным ростом сигнала ЕТЛ, отнесенного к ТЛ-чувстви-
тельности и мощности дозы облучения, при увеличении возраста до 200 тыс.
лет (рис. 98). Однако ТЛ толейитовых базальтов изменяется не столь законо-
мерно. Герину и Валладасу (Guerin and Valladas, 1980) удалось датировать
плагиоклазы различных лавовых потоков Шэн-де-Пюи (Chaine de Puys), Фран-
ция (рис. 16), используя только УФ-компоненту ТЛ-излучения в высокотем-
пературной области между 500 и 700*С. Были получены значения возраста от
9 тыс. до 216 тыс. лет с точностью 10%, которые согласуются с независимыми
данными. Если существует такая возможность, то ТЛ-датирование можно
проводить по нагретым зернам кварца, выделенным из содержащихся в лавах
кварцсодержаших ксенолитов или из оплавленных контактных пород. Такие
зерна кварца дают хорошие результаты, особенно если при датировании ис-
пользуется красная часть спектра ТЛ-излучения. Это было продемонстриро-
вано для различных вулканических извержений района Шэн-де-Пюи, охва-
тывающих возрастной интервал до 500 тыс. лет. В качестве примера можно
привести результаты определения ТЛ-возраста базальтов Тартаре (Tartaret)
13,7 ± 0,8 тыс. лет (Pilleyre et al. 1992) и пемзовых отложений Санси (Sancy)
544 ± 42 тыс. лет, согласующиеся с их К-Аг-возрастом (Miallier et al., 1994).
Это было показано Цоллером (Zoller, 1989), получившим значение ТЛ возра-
ста 43 ± 3 тыс. лет для средневюрмского извержения в южном кратере вулка-
на Мозенберг (Mosenberg) в Эйфеле, Германия.
Рис. 98. Соотношение меж-
ду сигналом ЕТЛ (отнесен-
ным к ТЛ-чувствительности
S и мощности дозы DR) и
геологическим возрастом ще-
лочных базальтов Гавайев.
Сигнал ЕТЛ растет экспонен-
циально с возрастом, что
проявляется как прямая ли-
ния на полулогарифмической
диаграмме (Мау, 1979).
Значительный потенциал для ТЛ-датирования имеет фаза тонкозернистого
стекла из вулканических пеплов. Благодаря малому размеру зерен удаленные
пепловые отложения вполне могут быть использованы для этих целей, предос-
тавляя в руки исследователей прекрасную возможность проведения тефростра-
тиграфических корреляций на больших расстояниях. Как было показано Бер-
гером (Berger, 1991) для различных отложений тефры в Северной Америке, с
помощью этой методики можно получать значения возраста в интервале от
нескольких тыс. лет до 400 тыс. лет (рис. 99). Предполагают, что таким образом
можно успешно датировать пеплы возрастом всего лишь несколько сотен лет.
Выделение подходящей размерной фракции, состоящей из обломков стекла раз-
мером 4—11 мкм, требует разделения в тяжелых жидкостях (2,45-2,50 г/см3).
Кроме того, при этом нужно обращать особое внимание на предварительный
прогрев образца и на характер роста интенсивности ТЛ.
280 Глава 7. Радиационная дозиметрия
124.3*221
|5<).2*1Я]
Профили в Соммер-Лейк
I >02* II I
R
♦ 1165 * 19 I
Рис. 99. Значения термолю-
минесцентного возраста (в
тыс. лет) стекла из вулкани-
ческих пеплов в двух разре-
зах в Саммер-Лейк (Summer
Lake), штат Орегон, США.
Слои тефры перемежаются с
глинами, сланцами и песча-
никами. ТЛ-данные указыва-
ют на сильное изменение
скорости осадконакопления
во времени (Berger. 1991).
слой пепла
ТЛ-образеи
1 ТЛ-возрост
J (тыс net)
КК
1200 *27
1162 * 35
ММ---
= —к
А А
Импактиты. При соударении больших метеоритов с земной поверхнос-
тью в ударной волне возникают высокие температуры и давления, которые
могут уничтожить ТЛ-сигнал породы, испытавшей это соударение; таким
образом, событие соударения может быть датировано с помощью вновь воз-
никшего ТЛ-сигнала. Такая возможность ТЛ-метода была опробована на
примере метеоритного кратера в Аризоне. Саттон (Sutton, 1985) установил,
что для того, чтобы переустановить ТЛ-сигнал кварца из песчаников коко-
нино, достаточно силы ударной волны 10 ГПа и температуры 680шС. По
кварцу из достаточно сильно переработанных ударной волной пород мишени
в Аризонском кратере ТЛ-методом был определен возраст импакта 49 ± 3
тыс. лет (Sutton, 1985).
Псевдотахилиты и разломные брекчии. Высоких температур, возникаю-
щих при образовании расплавов трения при интенсивных подвижках пород
в разломных зонах, бывает достаточно, чтобы уничтожить ТЛ-сигналы в
остатках кварца и полевых шпатов. Фаза стекла из псевдотахилитов также
является потенциальным объектом ТЛ-датирования. В Лантанге (Lantang),
Непал, из псевдотахилита была выделена и подготовлена к ТЛ-измерениям
тонкозернистая фракция стекловатого вещества, содержащая 10-15% фрак-
7.1. Термолюминесценция 281
ции кварца размером < I мм. При этом наблюдался линейный рост ТЛ-
сигнала с возрастом. После оценки естественной дозы (538 Гр) и мощности
дозы (7557 мГр/год) был рассчитан ТЛ-возраст псевдотахилита 71,2 ± 5,6
тыс. лет. Чтобы провести реконструкцию неотектонических движений во
фронтальной зоне Гималаев, была предпринята попытка датировать ТЛ-ме-
тодом глинку трения из разломной зоны (Singhvi et al., 1994). Минералоги-
ческие данные о присутствии иллита и хлорита были использованы как
указание на развитие в пределах разломной зоны достаточно высоких тем-
ператур. Грубо и тонкозернистые фракции глинки трения из разлома Наи-
нитал (Nainital), Индия, дали значение возраста -40 тыс. лет.
Фульгуриты. При ударе молнии в песчаную поверхность возникающий
при этом тепловой эффект бывает достаточен для частичного и даже полно-
го расплавления кварцевых зерен. Можно ожидать поэтому, что ТЛ-сигнал
зерен кварца будет при этом полностью переустановлен. До настоящего вре-
мени не предпринималось никаких попыток применения ТЛ-метода к фуль-
гуритам.
Лёсс. Для ТЛ-датирования лёсса используют тонкозернистую полимине-
ральную фракцию, состоящую главным образом из кварца и полевых шпа-
тов; при исследовании песчанистых лёссов используются также и грубозер-
нистые фракции кварца или полевого шпата. В Центральной Европе, так же
как и в других перигляциальных районах, были изучены многочисленные
лёссовые профили (например, Zoller el al., 1988). В этой связи становится
очевидным, что достоверные значения ТЛ-возраста можно получать для пос-
леднего цикла оледенения, т.е. для последних 120 тыс. лет. Для более древ-
них лёссов отмечается тенденция к большей или меньшей недооценке воз-
раста. С другой стороны, Бергер и др. (Berger ei al., 1992) для тефрохроноло-
гически классифицированных лёссов Аляски и Новой Зеландии получили
согласующиеся значения возраста вплоть до 800 тыс. лет. Недооценка ТЛ-
значений возраста предположительно обусловлена потерей ТЛ-сигнала ка-
ким-то особым компонентом полиминеральной тонкозернистой фракции.
Поэтому для лёссов из одного района тенденция к недооценке возраста может
проявляться, а из другого — нет. Примером ТЛ-датирования может служить
изучение разреза лёсса/палеопочвы в кальдере Тёнчесберг (Tonchesberg) из
вулканической области Эйфель, Германия (Zoller et al., 1991). Поскольку эта
кальдера образовалась при вулканическом извержении 200 тыс. лет назад,
она служила в качестве седиментационной ловушки для рисских и вюрмс-
ких лёссов, разделенных слоем почвы земского возраста. Кроме того, в пре-
делах нижневюрмского лёсса встречается несколько зон гумуса, свидетель-
ствующих о бореальных климатических условиях. Четыре горизонта, в кото-
рых были обнаружены археологические находки, говорят о том, что неан-
дертальский человек неоднократно посещал эту кальдеру для охоты на ди-
ких животных. ТЛ-значения возраста (рис. 100) хорошо укладываются в хро-
нологические рамки событий, установленные по результатам независимых
хроностратиграфических исследований.
182 Глава 7. Радиационная дозиметрия
Рис. 100. Термолюминесцентные
значения возраста лёсса из Тен-
несберга. район Эйфель. Герма-
ния. Кальдера потухшего вулка-
на в течение последних двух пе-
риодов оледенения постепенно
заполнялась лёссом и неоднок-
ратно посещалась неандертальс-
ким человеком для охоты на ди-
ких животных (Zb’Jeret al., 1991).
тефра Лаахер
Зее
лесс
почва Лоне
тундровая
глеевая почва
лёсс
зона Нидерзбох
гумусовоя зона
лёсс
гумусовый
коллювий
трооювсточорнчева»
«0С1 лове
лёсс
базальтовая тефра
вулканический
шлак
базальтовьм пепел
базальтовый пепел
вулканический
шлак
ТЛ-датирование лёсса с нижнепалеолитовой стоянки Диринг-Юрях,
Центральная Сибирь, показало, что культурный горизонт с односторонни-
ми ножами имеет возраст более 260 тыс. лет, на порядок более древний, чем
прочие задокументированные палеолитовые стоянки в Сибири (Watersei al,
1997). Горизонт, в котором были обнаружены эти находки, перекрыт лёссо-
выми отложениями и покровными песками. Для ТЛ-анализа была отобрана
тонкозернистая фракция, состоящая преимущественно из полевых шпатов.
Не наблюдалось никаких признаков насыщения или нестабильности ТЛ-
сигнала. Относительно низкая мощность дозы 4 мГр/год способствовала
получению достоверных значений возраста, превышающих 100 тыс. лет. Этог
результат имеет огромное значение для понимания времени расселения че-
ловека в северные области Земли и его адаптации к холодному климату.
Дюнные пески. Этот тип эоловых отложений имеет преимущество перед
лёссом, заключающееся в том, что он позволяет для измерения ТЛ выделять
моно.минеральную грубозернистую фракцию. При этом используются кон-
7.1. Термолюминесценция
центраты кварца или калиевого полевого шпата. Полевой шпат подходит
лучше, так как обладает более высокой ТЛ-чувствительностью, что важно
при изучении голоценовых песков. Скудость растительного покрова на гра-
нице позднеледникового периода — раннего голоцена способствовала обра-
зованию в этих районах дюн при значительном поступлении песка. Для дюн
из Зандхаузена (Sandhausen), Юго-Западная Германия, фракции кварца и
полевого шпата дали ТЛ-значения возраста от 12,2 ± 1,9 до 0,9 ± 0,4 тыс. лет
и от 11,9 ± 1,8 до 0,9 ± 0,4 тыс. лет соответственно (Вагау and Zoller, 1993).
В каждом случае ТЛ-возраст отвечает времени последнего переноса песка.
Под влиянием жизнедеятельности человека, такой как вырубка лесов, пере-
мещения дюн возобновились с новой силой. Значения ТЛ-возраста порядка
900 лет подтверждают гипотезу о средневековом влиянии человеческой дея-
тельности на дюны Зандхаузена. Как было показано Чаула и др. (Chawla et
al., 1992), для пустыни Тар в Северо-Западной Индии определение времени
развития процессов образования пустыни дает важные данные о палеокли-
мате. Эоловые отложения и береговые пески обеспечивают еще одно инте-
ресное применение ТЛ-метода — особенно это относится к изучению коле-
баний уровня моря во времени, которые можно фиксировать в интервале до
800 тыс. лет (Huntley et al., 1993а). ТЛ-значения возраста ряда южно-австра-
лийских дюн коррелируют не только с другими возрастными данными, но и
с максимумами уровня моря в межледниковые периоды, ответственными за
формирование дюн (рис. 101).
Существенно важным ТЛ-исследованием является датирование песчаных
отложений у подножья склонов на стоянках Малакунанья (Malakunanja) и
Малангэнгерр (Malangangerr), Северная Австралия (Roberts et al., 1990). Эти
отложения содержат следы деятельности древнего человека и многочисленные
каменные орудия. ТЛ-значения возраста грубозернистой фракции кварца из
этих песков подкрепляют уже существовавшие ранее предположения о наибо-
лее раннем присутствии людей на пятом континенте 50-60 тыс. лет назад.
Такие высокие значения возраста были также подтверждены ОСЛ-датировка-
ми, сделанными для другой стоянки из того же самого района (Roberts et al.,
1994). Еще большие ТЛ-значения возраста были позднее получены для пещер-
ной стоянки в районе далее к западу (Fullagar et al., 1996). Эта более древняя
стоянка характеризуется также находками каменных артефактов и наскальны-
ми рисунками. Образцы для ТЛ-исследования высверливались из песчаного
покрова и отбирались из борозд на стенах пещеры. Из осадков, имеющих,
вероятно, «коллювиальное» происхождение, была отобрана фракция кварце-
вых зерен размером 90-125 мкм. Полученные значения ТЛ-возраста колебались
от 2,3 ± 0,7 до 116 ± 12 и 176 ± 16 тыс. лет и, по мнению авторов, отвечали
времени их отложения. Если это верно, то присутствие древнего человека в
Северо-Западной Австралии ранее 116 тыс. лет тому назад приводит к далеко
идущим выводам о характере миграции раннего человека. Однако в связи с
опасностью неполной переустановки ТЛ-сигнала в проанализированных зер-
нах кварца, безусловно, эти данные требуют проверки ОСЛ-мстодом.
284 Глава 7. Радиационная дозиметрия
Рис. 101. Разрез через береговые дюны в Роуб, Южная Австралия. ТЛ- значе-
ния возраста коррелируют с максимумами уровня моря (выведенны-
ми из кривой изменения 5”О в морской воде). Расположение дюн
является результатом колебаний уровня моря и общего тектоничес-
кого подъема данной территории (Huntley el al., 1993а; с разрешения
Elsevier Science Ltd.).
Пески (акватические). Столб воды частично поглотает свет, особенно в
коротковолновой области спектра. Кроме того, интенсивность света взве-
шенные частицы ослабляют. Следовательно, зерна минералов, переноси-
мые и отлагаемые водой, не столь сильно отбелены, как эоловые. Посколь-
ку световое облучение отложенных водой осадков может значительно варь-
ироваться в зависимости от фациальных условий, следует ожидать сильно
различающуюся пригодность акватических песков для целей ТЛ-датирова-
ния, даже если они отлагались на незначительном расстоянии друг от друга.
Необходимо провести более обстоятельное исследование пригодности флю-
виальных, гляциофлювиальных, озерных и прибрежных морских песков для
таких исследований. В связи с тем, что в полевых шпатах ТЛ-сигнал легче
подвергается обелению, в общем случае его использование является более
предпочтительным, чем кварца. В каждом отдельном случае решающее зна-
7. /, Термолюминесценция 2^^)
чение имеют условия освещенности в процессе переноса и отложения (Berger,
1984). Если пески переносились мелководными реками с прозрачной водой,
то могут быть полностью отбелены даже зерна кварца.
Например, флювиальные пески из Штайнхайма (Steinheim), Германия,
которые по стратиграфическим данным относятся к образованиям земской
стадии, перекрывают слой осадков, содержащий останки штайнхаймского
человека, архаического Homo sap iens, имеют ТЛ-возраст кварца 109 ± 16 тыс.
лет (Zoller, 1994). В конце среднего - начале позднего плейстоцена архаи-
ческий Homo sapiens был вытеснен в Африке анатомически современным
человеком Homo sapiens sapiens. Аллювиальные пески со стоянок среднего
каменного века в верховьях долины Семлики (Semliki), Заир, с ранними
останками анатомически современного человека были датированы ТЛ-ме-
тодом. Для фракции кварца из песков, залегающих над продуктивным гори-
зонтом, получен возраст 82 ± 8 тыс. лет, подтвержденный результатами да-
тирования методом урановых серий и ЭСР, служащий terminus ante quern
(нижним пределом возраста) продуктивного горизонта (Brooks et al., 1995).
Для датирования речных песков в интервале значений возраста от 100 до
2000 лет с успехом применялся метод фотопереноса — термолюминесцен-
ции (ФПТЛ) в комбинации с методом ОСЛ (Murray, 1996). В результате
многократного перемещения в мелководных прибрежных районах морские
прибрежные пески активно облучаются светом, как это было показано ре-
зультатами ТЛ-датирования фракций кварца и полевого шпата из средне-
плейстоценовых песков побережья Па-де-Кале в Северной Франции (Balescu
et al., 1992). С помощью ТЛ-датирования кварцевой фракции было установ-
лено, что средне- и верхнеплейстоценовые литоральные отложения северо-
западного побережья Сицилии, Италия, образовались при максимальном
уровне моря в течение последних трех межледниковых периодов (Mauz et
al., 1997). Относительно пригодности гляциофлювиальных отложений для
ТЛ-датирования имеется мало данных. Степень отбеливания ТЛ-сигнала
сильно зависит от типа и от расстояния переноса (Forman, 1988; Gemell,
1988) Фракция грубозернистого полевого шпата из отложений последнего
оледенения в окрестностях Санкт-Петербурга, Россия, характеризуется сте-
пенью отбеливания сигнала, эквивалентной выдерживанию в солнечный день
на свету в течение 10 мин (Hutt and Jungner, 1992).
Карбонаты. Как было показано Дебенхамом и Айткеном (Debenham
and Aitken, 1984), существует еще одно интересное применение .метода ТЛ,
связанное с возможностью датирования натечных образований кальцита.
ТЛ-сигнал в синей области спектра при температуре 280“С обладает хоро-
шими ТЛ-характеристиками. С помощью этого сигнала можно определять
значения возраста до I млн лет. Для достаточно представительной серии
образцов сталагмитов, отобранных из различных пластов пещерных отло-
жений в Кон-де-л’Араго (Caune de I'Arago), Тотавэ (Tautavel), Франция, важ-
ной нижнепалеолитической стоянки с находками гоминид, были получены
ТЛ-значения возраста от 86 ± 30 до 298 ± 33 тыс. лет (рис. 102). Эти значе-
Глава 7. Радиационная дозиметрия
ния возраста согласуются со стратиграфическими данными и с U-Th значе-
ниями возраста (рис. 102). Образцы, мощность дозы облучения которых
определяется преимущественно внутренними а- и ^-компонентами, дали
заниженные ТЛ-значения возраста. Сингви и др. (Singhvi et al., 1996) пред-
ложили использовать метод люминесценции для датирования «загрязняю-
щих» педогенных карбонатов. В этом методе используются изменения мощ-
ности дозы облучения кварцевых зерен при карбонатизации осадка. Время
образования карбонатов выводится из разницы дозы естественного облуче-
ния, равно как и мощности дозы облучения, между карбонатизированными
и некарбонатизированными фракциями кварца. Примененный к педоген-
ным карбонатам пустыни Тар, Индия, этот метод позволил определить
время образования карбонатов в 17,5 и 2 тыс. лет назад.
0 100 200 300 400 Воэрост (тыс. пет)
Рис. 102. Возраст сталагмитов из пещеры Кон-дс-л'Араго, Тотавэ, Южная
Франция, полученный термолюминесцентным методом и методом
урановых серий. Отрезками показана величина ошибки 1а.
(Debenham and Aitken, 1984).
Поскольку при обычных температурах кривой ТЛ свечения раковины
моллюсков могут изменить свою структуру, для этого материала (в отличие
от метода ЭСР) известны лишь отдельные попытки датирования ТЛ-мето-
дом. Однако, как показали исследования (Ninagawa et al., 1992), кальцито-
7. J. Термолюминесценция
вые раковины семейства пектинид испытывают минимальные изменения.
Пригодный для датирования ТЛ-сигнал появляется в красной области спек-
тра при температуре кривой свечения 240'С. В интервале до 600 тыс. лет
наблюдалось соответствие ТЛ-значений возраста некоторых японских пред-
ставителей семейства пектинид и независимых возрастных данных; за пре-
делами этого интервала достигалось состояние температурного равновесия.
ТЛ-датирование с успехом применялось также к датированию кальцитовых
раковин семейства остреид (Ninagawa et al, 1994). Благодаря более высокой
чувствительности ТЛ-метод датирования может иметь преимущество перед
методом ЭСР при датировании раковин пектинид в интервале более низких
значений возраста (< 100 тыс. лет). Однако трудности, возникающие из-за
временных вариаций дозы облучения, проявляются в обоих методах дати-
рования в равной степени.
Коллювиальные и аллювиальные алевриты. В зависимости от условий от-
ложения поли ми нерильные осадки алевритовой размерности характеризу-
ются различной степенью отбеливания (Berger and Easterbrook, 1993). При
исследовании коллювия с некоторой примесью лёссового компонента на
северо-востоке Англии было получено ТЛ-значение возраста 17,5 ± 1,6 тыс.
лет (Wintie and Catt, 1985), согласующееся с “С и стратиграфическим возра-
стом этих отложений. ТЛ-методом исследовался также возраст тонкозерни-
стых дистальных и грубозернистых проксимальных голоценовых коллюви-
альных отложений в штате Юта (Forman, 1989). Эти результаты показали,
что, благодаря большому расстоянию переноса, только дистальные коллю-
виальные отложения могут отбеливаться в достаточной степени, и их можно
было использовать для ТЛ-датирования. Систематическое изучение полных
профилей голоценового аллювия реки Эльзен, Германия, проведено в рабо-
те Ланга и др. (Lang et al., 1992). С применением метода частичного отбели-
вания в ней были получены значения возраста 5,9 ± 1 тыс. лет. Хотя ТЛ-
данные подкрепляют предположение о переотложении этих осадков в голо-
цене, ТЛ-возраст перекрывающих аллювиальных осадков оказался слишком
большим по сравнению с их стратиграфической датировкой. Очевидно, что
более молодые аллювиальные осадки не были отбелены в достаточной сте-
пени при своем последнем отложении, что, по всей вероятности, связано с
увеличившимся содержанием тонкозернистого материала в воде потоков,
переносивших эти отложения. Это, в свою очередь, связано с увеличившей-
ся эрозией почвы в интенсивно используемых в сельском хозяйстве землях
района Крайхгау (Kraichgau).
Археологические отложения. В результате деятельности человека, в част-
ности при ходьбе, неорганические археологические отложения постоянно
нарушаются, по крайней мере в своем самом верхнем слое. По этой причи-
не часть зерен кварца и полевого шпата облучается светом, и их ТЛ-сигнал
отбеливается. Чавла и Сингви (Chawla and Singhvi, 1989) попытались ис-
пользовать эту возможность датирования отложений на четырех археологи-
ческих стоянках в Индии. Как свидетельствуют находки керамических изде-
288 Глава 7. Радиационная дозиметрия
лий и значения НС-возраста, эти опробованные слои относятся к первым
двум тысячелетиям до новой эры. Для ТЛ-измерений из этих слоев были
отобраны тонкозернистые фракции. Поскольку при этом предполагалось,
что при своем образовании археологические отложения были до некоторой
степени отбелены, но не обязательно полностью, величина ND была опре-
делена по методике частичного отбеливания. Для всех девяти проанализи-
рованных осадков было определено время их отбеливания. Хорошая корре-
ляция (рис. 103) между значениями ТЛ-возраста и независимыми возраст-
ными данными показывает, что эти события отвечают времени образования
слоев. Несмотря на большие пределы ошибок ТЛ-значений возраста, кото-
рые конечно же слишком велики по археологическим меркам, это исследо-
вание показало принципиальную пригодность ТЛ-методики для датирова-
ния археологических отложений и то, что усилия в этом направлении следу-
ет продолжать.
Рис. 103. Сравнение термолю-
минесцентных и независимо по-
лученных значений возраста ар-
хеологических отложений. Об-
разцы для исследования были
отобраны из девяти слоев на че-
тырех доисторических стоянках
в Индии. Единственный выброс
относится к отложенному вод-
ным потоком осадку, который
не был экспонирован на свету в
достаточной степени (Chawla
and Singhvi. 1989).
Фитолиты. Эти мельчайшие (10-200 мкм) выделения похожего на опал
вещества, образующиеся в растениях, обычно встречаются в археологичес-
ких отложениях как результат разложения или сгорания растений. Были
предприняты попытки их датирования методом ТЛ (Rowlett and Pearsall,
1993). Трудности при этом связаны с изменениями в кристаллической струк-
туре кремнезема при температуре выше 286’С. Поскольку ТЛ-измерения
связаны с нагреванием образцов по крайней мере до 400’С, следует ожидать
изменений, которые могли бы нарушить характеристики ТЛ-чувствительно-
сти проб. Фитолиты были выделены из археологических отложений, ото-
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
бранных на двух доколумбовых стоянках в долине Чанди (Chandi), Эквадор.
В целом полученные ТЛ-значения возраста от 800 до 3020 лет до н.э. хоро-
шо согласуются с ,4С-значениями. Представляется, что этот метод вполне
пригоден для использования, особенно если фитолиты натревались в древ-
ние времена до температур > ЗОО'С.
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
Оптически стимулированная люминесценция (ОСЛ) тесно связана с явле-
нием термолюминесценции и также вызывается облучением. Однако, в от-
личие от ТЛ, электроны при этом удаляются из своих ловушек не термичес-
ки, а оптически (рис. 89). Когда высвобожденные электроны рекомбиниру'
ют в центрах люминесценции, испускается свет ОСЛ. Кроме ОСЛ для обо-
значения этого явления используется также термин фотолюминесценция или
более точно — из-за возбуждения ионизирующим излучением - радиофото-
люминесценция. Так как термин «фотолюминесценция» обычно использует-
ся в ином смысле, во избежание путаницы предпочтительно пользоваться
общепринятым термином оптически стимулированная люминесценция (ОСЛ,
OSL). Иногда используется также термин оптическое датирование. В соот-
ветствии с используемой спектральной областью светового возбуждения го-
ворят о различных ОСЛ-методах, а именно ИКСЛ с инфракрасным и ЗСЛ с
зеленым возбуждением. По аналогии с ТЛ, сигнал ОСЛ используют для
оценки естественной дозы, полученной минералом за время, прошедшее с
момента его формирования или последней переустановки хронометричес-
кой системы. Это позволяет определить возраст, если известна мощность
дозы. Оценка мощности дозы идентична методу ТЛ.
Из трех дозиметрических методов датирования метод ОСЛ был разрабо-
тан последним. Толчок для использования давно известного явления ОСЛ
для датирования был дан в работе Хантли и др. (Huntley et al., 1985). Начи-
ная с этого времени были предприняты огромные усилия, чтобы разрабо-
тать методологию ОСЛ-датирования, так как этот метод обладает рядом фи-
зических преимуществ по сравнению с ТЛ для датирования отбеленных ма-
териалов, главным образом осадков. ОСЛ-метод основан на существовании
легко отбеливаемых электронных ловушек, которые освобождаются уже после
нескольких минут экспонирования при дневном свете. Для сравнения, в
ТЛ-методе для опустошения ловушек требуется приблизительно один день
экспонирования при солнечном свете (рис. 104). Таким образом, возникает
возможность датировать события, приводящие к слабому экспонированию
объекта на свету. Для отбеленного материала метод ОСЛ является физичес-
ки более прямым методом датирования, так как при этом анализируются те
же самые ловушки, на которые действовало естественное отбеливание. Еще
одним значительным преимуществом метода является почти полная опти-
ческая переустановка сигнала ОСЛ, т.е. в отличие от ТЛ не остается ника-
ких неотбеленных, интенсивных остаточных сигналов. Это свойство осо-
290 Глава Z Радиационная дозиметрия
бенно важно, поскольку позволяет датировать почти современные события
(—100 лет). Верхний предел применимости ОСЛ должен быть подобен мето-
ду ТЛ и требует дальнейшего изучения. Благодаря специальной методике
измерения, ОСЛ-метод обещает более высокую точность датирования, чем
ТЛ-метод.
Рис. 104. Оптическая чувствительность сигнала ОСЛ кварца и полевого шпата
необычно высока по сравнению с сигналом ТЛ (кварц при темпера-
туре 320-30‘С, полевой шпат при 310—320*С кривой свечения). Пос-
ле 10 с и 9 мин, соответственно, экспонирования на солнечном свету
сигналы ОСЛ кварца и палевого шпата отбеливаются до 1% от своих
начальных значений (Godfrey-Smith et al., 1988; с разрешения Elsevier
Science Ltd.).
Сигнал ОСЛ может быть измерен за короткие периоды возбуждения без
существенного уменьшения числа электронных ловушек, способных к ОСЛ.
Это делает возможным датирование отдельных аликвот пробы и единичных
зерен.
Хороший режим отбеливания наблюдался для кварца, полевых шпа-
тов и циркона. Наиболее важными объектами датирования являются от-
ложения, содержащие эти минералы, которые подвергались облучению
светом во время их транспортировки. В принципе методом ОСЛ можно
датировать отбеленные каменные поверхности типа каменных орудий и
строительных блоков. Вследствие того что ОСЛ не требует сильного на-
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
гревания, в противоположность ТЛ, органические материалы типа кос-
тей. зубов или известковистых раковин моллюсков с помощью этого ме-
тода могут также стать датируемыми. Вопрос о преимуществе метода ОСЛ
надТЛ в датировании отожженных объектов типа керамики требует даль-
нейших исследований. ОСЛ-метод требует меньших образцов и обеспе-
чивает лучшую точность измерения. Что касается процедуры отбора проб,
для ОСЛ применяют те же самые правила, что и при датировании мето-
дом ТЛ, но из-за того, что явление ОСЛ намного более чувствительно к
свету, нужно строго избегать любого экспонирования исследуемого мате-
риала на свету.
7.2.1, Методологическая основа
Явление ОСЛ. Близкая связь между обоими явлениями люминесценции
позволяет при ознакомлении с ОСЛ-методом ссылаться на объяснения,
данные в разделе по ТЛ (разд. 7.1.1). ОСЛ-метод требует присутствия
атомных дефектов в кристаллической решетке, из которых формируют-
ся ловушки для электронов, высвобождающихся под действием ионизи-
рующего излучения. Для разъяснения вопросов, связанных с особыми
энергетическими уровнями, будем ссылаться на зонную модель (рис. 89).
Заряды захватываются дырочными и электронными ловушками. Сред-
нее время существования этих метастабильных состояний определяется
эффективной энергетической глубиной электронных ловушек. Во время
оптического возбуждения захваченные электроны активируются так, что
они покидают свои ловушки и перемещаются в зону проводимости, где
они рекомбинируют с центрами люминесценции с испусканием света
(ОСЛ). Для возбуждения используются аргоновые лазеры с длиной вол-
ны 514,5 нм, зеленые светоизлучающие диоды или галогенные и ксено-
новые лампы с соответствующими зелеными фильтрами для кварца и цир-
кона, а для полевого шпата - диоды инфракрасного света (880 ± 80 нм).
Чтобы избежать регистрации рассеянного света, сигнал ОСЛ измеряют
на значительно более коротких длинах волн, чем длины волн возбужде-
ния (рис. 105).
Если интенсивность сигнала ОСЛ непосредственно измеряется в про-
цессе возбуждения, с ростом времени экспозиции наблюдается ниспадаю-
щая кривая, так называемая кривая спада свечения (рис. 106). Облучение
светом с интенсивностью приблизительно 10 мВт/см2 в течение несколь-
ких минут вызывает обнуление сигнала ОСЛ в кварце и полевых шпатах.
Незначительный остаточный сигнал может иметь место из-за темнового тока
фотоумножителя, рассеянного света и неотбеленной компоненты ОСЛ. Кри-
вая снижения свечения не является простой экспоненциальной функцией
распада. Неэкспоненциальный характер кривой может объясняться вкладом
ловушек, которые труднее поддаются возбуждению и повторному захвату
электрона в ловушку.
292 Глава Z Радиационная дозиметрия
Рис. 105. Оптическое возбуждение люминесценции различными длинами волн:
зеленым светом (вверху) и инфракрасным (внизу). ОСЛ-излучение
(ЗСЛ и ИКСЛ соответственно) детектируется с помощью соответ-
ствующих фильтров на значительно более коротких длинах волн, чем
длины волн возбуждающего света (предоставлено A. Lang).
Эксперименты по отбеливанию сигналов, связанных с ТЛ- и ОСЛ-изме-
рениями, проведенные до сих пор, как представляется, доказывают неэк-
вивалентность тепловых и оптических энергий возбуждения электронных
ловушек в кварце и в полевом шпате, в отличие от того, что следовало бы
ожидать на основе модели энергетических уровней (McKeever, 1991; Duller
and Botter-Jensen. 1992). В этой связи были предложены поправки, учитыва-
ющие различные диэлектрические проницаемости в тепловых и оптических
процессах. В случае кварца необходимые оптические энергии (зеленый свет
возбуждения, около 500-550 нм) слишком высоки по сравнению с тепловой
энергией активации отбеливаемых ловушек. Только для самого светочув-
ствительного ТЛ-сигнала при 325*С, который уже начинает отбеливаться
под влиянием красного света с длиной волны 700 нм, можно говорить об
эквивалентности оптической и тепловой энергии. С другой стороны, в слу-
чае полевых шпатов, которые уже были возбуждены в инфракрасной облас-
ти спектра вблизи 850 нм (ИКСЛ), оптическая энергия возбуждения слиш-
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
ком мала по сравнению с тепловой энергией активации отбеленных лову-
шек. Следовательно, с энергетической точки зрения должна быть принята
тепловая основа ИК-возбуждения. Таким образом, И К-возбуждение пред-
ставляет собой не просто перенос электрона в зону проводимости, и термин
термооптический процесс был выбран довольно случайно (Hint et al., 1988).
В пользу связанного фонон-фотонного процесса также говорит наблюдае-
мое сильное увеличение сигнала ОСЛ с увеличением температуры (Duller
and Wintie, 1991). Подводя итог, можно сказать, что оба явления люминес-
ценции - ТЛ и ОСЛ нельзя энергетически связать простым образом и что
эти явления частично вызываются различными электронными ловушками.
Рас. 106. Кривые свечения ИКСЛ (7 мВт/см1) фракции калиевого полевого
шпата (125-200 мкм) дюнных песков раннего голоцена из Валыюр-
фа (Walldorf), Германия. Представлены кривые для естественной дозы
{самая нижняя кривая) и различных дополнительных доз. На врезке
показана кривая дополнительного роста, интегрированная за время
возбуждения 5-35 с (ср. с рис. 107). Ее экстраполяция на ось дозы
дает величину естественной дозы (Wiggenhom, 1994; с разрешения
Elsevier Science Ltd., UK).
Восстановление сигнала ОСЛ, которое первым обнаружил Урбах (Urbach,
1930), называется рекуперацией (Aitken and Smith, 1988). Если после спада
свечения, например, до 1% от начального сигнала измерение ОСЛ повторя-
ется, то наблюдается новый сигнал ОСЛ. который может быть кратен зак-
лючительному сигналу первого измерения. Этот эффект наблюдается, в ча-
стности, в кварце и является причиной появления компонента ОСЛ, не
вызванного радиационно-индуцированным излучением, что усложняет да-
294 Глава 7. Радиационная дозиметрия
тирование молодых образцов. Явление рекуперации объясняется оптичес-
ким переносом части электронов из способной к отбеливанию 325ФС ло-
вушки в приповерхностную неотбеленную ловушку во время спада свече-
ния. После завершения оптического возбуждения часть электронов терми-
чески снова переносится из этой ловушки в 325ФС ловушку под влиянием
температуры окружающей среды. Существуют также и другие формы реку-
перации ОСЛ (Aitken, 1992).
Были исследованы ОСЛ-спектры излучения проб различных полевых
шпатов и кварца. Спектры испускания ОСЛ и ТЛ, если они происходят от
одного и того же образца, по существу, выглядят весьма похожими
(Wiggenhom and Rieser, 1996), с доминирующими длинами волн для калие-
вого полевого шпата около 400-420 нм (синий) и 540-600 нм (желтый). Это
говорит об участии в этих процессах идентичных центров люминесценции.
При исследовании полиминеральных проб с помощью соответствующих
фильтров можно разделить, например, ИКСЛ-спектры испускания орток-
лаза (синий/ультрафиолетовый) и плагиоклаза (зеленый).
Термическая и оптическая стабильность. Кривая спада ОСЛ не содержит
никакой информации относительно термической стабильности анализируе-
мых электронных ловушек. Это является недостатком по сравнению с кри-
вой свечения ТЛ, которая отражает зависимость стабильности высвобожда-
емых ловушек от увеличения температуры нагрева. Существовавшие пона-
чалу надежды управлять термической стабильностью с помощью длины волны
возбуждающего света не оправдались из-за сложности механизмов перено-
са. При датировании необходимо учигывап» факт, что фракция термически
нестабильных компонентов сигналов естественной ОСЛ через некоторое
время подвергается распаду, тогда как недавно индуцированные сигналы
ОСЛ не несут никаких потерь за счет термически непостоянных компонен-
тов. Это можно сделать, применив методик) предварительного подогрева,
чтобы уничтожить нестабильные компоненты. Кварц обычно прогревается
в течение 16 ч при температуре 160фС. Нагревание искусственно облученных
аликвот в то же самое время приводит к термическому перемещению элек-
тронов из поверхностных ловушек в 325'С ловушки. В естественно облучен-
ных аликвотах этот процесс происходит при температуре окружающей сре-
ды за тысячелетия (Rhodes, 1988). Для термически устойчивого сигнала ОСЛ
кварца среднее время его существования оценивается в 20 млн лет. Для
полевых шпатов применяют предварительный отжиг разной силы, напри-
мер, в течение I ч при температуре 160фС с последующим выдерживанием в
течение более чем 3 дней при температуре 100фС для учета аномального
затухания. Кроме того, для полевых шпатов и полиминеральных проб были
предложены процедуры ступенчатого предварительного отжига до достиже-
ния значения плато естественной дозы (Huntley et al., 1985; Godfrey-Smith,
1994). Среднее время существования сигнала ОСЛ для полевых шпатов, по-
видимому. меньше, чем у кварца, так что для достижения термического
равновесия требуется несколько сотен тысяч лет.
1.2. Оптически стимулированная люминесценция 295
Оптическая чувствительность ОСЛ-метода необычайно высока. Под вли-
янием солнечного света ОСЛ-сигнал кварца отбеливается до 1% от его
начального значения за 10 с, полевого шпата - за 9 мин (рис. 104). Как
показали экспериментальные исследования на калиевых полевых шпатах
(Ditlefsen, 1992), в пасмурную погоду или под водой времена отбеливания
выше из-за более низкой интенсивности света. ИКСЛ сигнал от тонкозер-
нистого лёсса исчезал полностью за 30 мин, если образец подвергался ос-
вещению в облачный, туманный, зимний день (Lang and Wagner, 1996).
Чтобы убедиться в том, что сигнал ОСЛ фактически полностью исчез при
отложении осадков и случайно не был уменьшен в процессе отбора пробы,
выполняют анализ кривой спада свечения в разных интервалах времени и для
каждого отдельного интервала рассчитывают естественную дозу (рис. 107).
Здесь используется явление уменьшения способности ловушек к отбелива-
нию по мере увеличения времени спада свечения. Существование плато
служит индикатором отсутствия обоих возмущающих факторов (Huntley el
al., 1985).
Рис. 107. Зависимость эквивалентной дозы ЭД (= ND) от времени ИК-воз-
буждения для данных, показанных на рис. 106. Существование плато
указывает на полный сброс сигнала ИКСЛ во время отложения осад-
ков (Wiggenhom, 1994; с разрешения Elsevier Science Ltd., UK).
Оценка качества данных. Сначала строятся дополнительные и/или вос-
становленные кривые роста ОСЛ (рис. 80). Сигнал ОСЛ полного спада све-
чения можно оценить интегрированием кривой спада свечения по всей об-
ласги или по отдельным участкам последовательных коротких интервалов
времени. Дифференциальный анализ (рис. 107) дает информацию относи-
тельно поведения пробы в ходе ее отбеливания с помощью теста N D-плато.
Обе методики требуют большой серии подпроб (аликвот). В случае коротко-
го, недостаточного свечения, например в течение лишь 0,1 с, опустошается
296 Глава 7. Радиационная дозиметрия
лишь незначительная часть (< 1%) ОСЛ-чувствительных ловушек. Впослед-
ствие ту же самую подпробу (аликвоту) можно облучать несколько раз для
получения кривой роста (Duller, 1995). Это позволяет проводить ОСЛ-дати-
рование индивидуальных аликвот или лаже отдельных зерен (Murray et al.,
1997). Определение возраста по дискретным зернам не только увеличивает
точность датирования отложений, но также предлагает разнообразные воз-
можности применения метода. Методики оценки мощности дозы идентич-
ны для ОСЛ- и ТЛ-датирования. В связи с этим предлагается провести из-
мерения параллельно двумя методами люминесценции на одних и тех же
пробах; это можно сделать без слишком больших дополнительных усилий.
В случае датирования отдельных зерен методом ОСЛ, например калиевых
полевых шпатов, присущая зерну мощность дозы (при помощи анализа ка-
лия) должна быть известна отдельно для каждого отдельного зерна. Возраст
ОСЛ рассчитывают, как в других дозиметрических методах, из естественной
дозы и мощности дозы согласно выражению (48).
7.2.2. Практические аспекты
Подобно ТЛ, в ОСЛ-методе датирования могут использоваться отбеленные
пробы, содержащие кварц и полевой шпат. В отличие от ТЛ в этом методе
можно также использовать менее интенсивно отбеленные осадки, что дела-
ет его особенно привлекательным для датирования подводных отложений.
Процедура отбора проб схожа для обоих методов. Следовательно, всякая
информация (разд. 7.1.2) относительно размера пробы, зернистости, влаж-
ности почвы, мощности дозы и других факторов представляет также инте-
рес и для метода ОСЛ. Так как сигнал ОСЛ необычайно чувствителен к
световому воздействию, особое внимание следует обратить на то, чтобы не
допустить любого облучения светом. Анализируемые профили должны быть
защищены от солнечного света во время процедур очистки и отбора проб.
Чтобы в значительной степени минимизировать их экспонирование на днев-
ном свету, образцы лучше всего отбирать с помощью стальных цилиндров,
которые вбивают в зачищенную поверхность (рис. 94). После выемки ци-
линдры быстро закрывают плотными стальными крышками.
Подготовку образцов к исследованию в лаборатории следует проводить
обязательно при приглушенном свете в специфическом диапазоне длин волн
(темная комната). Как и в случае исследования ТЛ, материал пробы разде-
ляют на мелкозернистую полиминеральную фракцию и крупнозернистую
фракцию, состоящую из кварца или полевого шпата. Обычно готовят -50
аликвот по 1-2 мг и выкладывают их на стальные или алюминиевые тарел-
ки для измерения. С одной стороны, тарелки с мелкозернистой фракцией
полиминеральных осадков выгодны вследствие лучшей воспроизводимос-
ти результатов, с другой стороны, однако, они не допускают разделение
образца на различные минеральные фазы. Тем не менее ОСЛ-датирование
таких отложений без предварительного минерального разделения может быть
7.2. Оптически стимулированная люминесценция 297
реализовано с помощью селективного ИК-возбуждения фракции полевого
шпата, так как кварц, кальцит и циркон не проявляют никакой ИКСЛ, а
возможный ИКСЛ-вклад амфибола, пироксена и турмалина предположи-
тельно незначителен (Spooner and Questiaux, 1989). При использовании круп-
нозернистой фракции кварц выделяют с помощью тяжелых жидкостей и
очищают соляной и плавиковой кислотами. Чистота кварцевой фракции,
означающая отсутствие примесей полевого шпата, должна быть проверена
отсутствием сигнала ИКСЛ. Крупнозернистые фракции полевых шпатов
получают разделением в тяжелых жидкостях. Концентраты полевого шпата
могут иметь какое-то количество включений кварца, что не будет оказывать
существенного влияния на результат, так как сигнал ОСЛ полевого шпата
обычно в 100 раз более мощный, чем сигнал кварца. Из всех полевых шпа-
тов предпочтителен калиевый полевой шпаг из-за его внутреннего вклада в
мощность дозы. Следует отметить, что состав полевых шпатов может значи-
тельно варьироваться, что в свою очередь может привести к изменению ОСЛ-
характеристик. Применение соответствующих фильтров позволяет разделить
ОСЛ-излучение различных полевых шпатов. В отличие от кварца, сигнал
ОСЛ полевого шпата может обладать аномальным затуханием. Как было
показано на зернах санидина размером в 200 мкм (Duller, 1991), многообе-
щающими представляются, возможности ОСЛ-датирования по отдельным
зернам.
Приборы, разработанные для ОСЛ, отличаются друг от друга источника-
ми света для возбуждения. Источниками могут быть ионные аргоновые ла-
зеры (Huntley et al., 1985), ксеноновые дуговые лампы (Hutt et al., 1988;
Spooner and Questiaux, 1989), кварцевые галогенные лампы (Botter-Jensen
and Duller, 1992), инфракрасные светодиоды (Poolton and Bailiff, 1989; Spooner
et al., 1990) и зеленые светодиоды (Galloway, 1997). Ксеноновые дуговые
лампы (1 кВт) и кварцевые галогенные лампы (75 Вт) дают широкий спектр
излучения, из которого с помощью фильтров следует выделить желаемую
длину волн возбуждения. Кварц требует возбуждения зеленым светом (ЗСЛ).
Полевые шпаты обычно подвергаются инфракрасному возбуждению (ИКСЛ),
но также возможно их возбуждение и зеленым светом (Huntley et al., 1991).
В большинстве приборов используются как ТЛ-, так и ОСЛ-измерения.
Для инфракрасного возбуждения может использоваться ТЛ-прибор, если
над нагревательной тарелкой установить кольцо с инфракрасными диода-
ми (рис. 108). Короткие времена возбуждения < 0,1 с обеспечиваются при-
менением электронного оптического затвора. Кроме того, аппаратура может
быть оборудована источником зеленого света для совместного использова-
ния в ТЛ-, ИКСЛ- и ЗСЛ-измерениях (Botter-Jensen and Duller, 1992). При
достаточно большой разности между длинами волн света возбуждения и
ОСЛ-излучения использование соответствующих цветных фильтров приве-
дет к тому, что лишь незначительное количество рассеянного света достиг-
нет фотоумножителя. Лазерное возбуждение более трудоемко и в настоящее
время редко применяется. Луч аргонового ионного лазера направляют на
(f^298 Глава 7. Радиационная дозиметрия
пробу и измеряют сигнал ОСЛ в сине-фиолетовой области спектра (около
380 нм). Разделение света возбуждения и испускания более трудно реализо-
вать при возбуждении зеленым светом, чем при ИКСЛ, из-за довольно ма-
лой разницы в длинах волн. Интенсивность рассеянного света весьма силь-
но уменьшается при помощи поглощающих фильтров, вставляемых между
образцом и фотоумножителем. Методологические усовершенствования ожи-
даются от использования селективной, зависящей от длины волны системы
регистрации спектров ОСЛ с помощью монохроматоров и ПЗС-камер (Rieser
et al., 1994). Так как оптическое возбуждение лишь незначительно воздей-
ствует на сигнал ТЛ полевых шпатов и его можно провести на том же самом
измерительном приборе, и ОСЛ-, и ТЛ-датирование может быть выполнено
на одном и том же образце без особых экспериментальных затрат.
Рис. 108. Измерительная аппаратура для инфракрасной стимулируемой лю-
минесценции (Lang, 1996).
Термически нестабильные ОСЛ-компоненты устраняют предваритель-
ным прогревом образцов. Надлежащие условия отжига составляют 16 час
для кварца и I ч для полевого шпата при температуре 160фС; однако часто
применяют и 5-минутный отжиг при температуре 220°С. Сигнал ОСЛ реги-
стрируют или как кривую коротких свечений, или как кривую спада свече-
ния. Короткие времена возбуждения от 0,1 до 0,5 с приводят к высвобожде-
нию лишь незначительной части ловушек электронов, обеспечивающих ОСЛ.
Следовательно, кривая роста ОСЛ может быть построена для одного и того
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
же зерна (методика отдельного зерна) или субпробы (методика отдельной
аликвоты). Таким образом, осложнения, которые связаны с вариациями ОСЛ-
характеристик и мощности дозы, зависящими от отдельных зерен и алик-
вот, могут быть устранены, а точность определения возраста увеличена. Дли-
тельное возбуждение позволяет вычислить естественную дозу для каждого
интервала экспонирования. Существование плато естественной дозы при-
нимают как критерий полного отбеливания при отложении (рис. 107). Ошибка
возраста, так же как и при датировании методом ТЛ, составляет около 10%.
7.2.5. Области применения
Дюны. Сигналы ОСЛ зерен кварца и полевого шпата очень чувствительны к
свету. Достаточно менее 1 ч экспонирования на солнечном свету, чтобы они
полностью исчезли. Даже в условиях приглушенного дневного света переотло-
женные эоловые пески могли испытать полную переустановку своих ОСЛ ча-
сов. Кварц из современной дюны, расположенной в северной части Мали, дал
ОСЛ-значение возраста 46 ± 30 лет (Smith et ai., 1990b). Возможности ОСЛ-
метода для датирования недавних передвижений дюны, которые являются слиш-
ком молодыми, чтобы их можно было оценить с помощью ТЛ, были проде-
монстрированы на примере блуждающей дюны в Пила (Pyla), Франция. Кварц
из приповерхностных отложений дал возраст 350 ±110 лет, тогда как отложе-
ния, отобранные из основания дюны, имеют ранневюрмский возраст 95 ± 14
тыс. лет (Smith et al, 1990b). ОСЛ-значения возраста различных песчаных отло-
жений стоянки позднего палеолита Хенгистбери-Хэд (Hengistbury Head), Дор-
сет, Великобритания, хорошо согласуются с независимыми возрастными дан-
ными (Rhodes, 1988) (рис. 109). С помощью ОСЛ-датирования кварца песча-
ных дюн Калахари было идентифицировано несколько периодов засух, начи-
ная с последнего межледникового периода, с фазами построения дюн 115-95,
46-41, 26-20 и 16-9 тыс. лет назад (Stokes et al., 1997). Полевые шпаты, ото-
бранные из эоловых песков, изучались методом ОСЛ с возбуждением зеленым
и инфракрасным светом (Wintie, 1993). Сравнительные ИКСЛ- и ТЛ-измере-
ния для калиевых полевых шпатов из приподнятых береговых террас Новой
Зеландии дали совпадающие значения естественных доз облучения (Duller, 1992).
Датирование с помощью ИКСЛ-метода включений полевого шпата в кварце
из приподнятых австралийских прибрежных дюн дало значения возраста до
390 тыс. лет, которые согласуются с ТЛ-значениями возраста (разд. 7.1.3) и
соответствуют отметкам наивысшего уровня моря (Huntley et al., 1993b). Ог-
ромным потенциалом ИКСЛ-метода датирования является возможность его
использования для определения возраста отдельных аликвот, что было показа-
но на зернах санидина размером 200 мкм, выделенных из голоценовых дюн-
ных песков (Duller, 1991). В принципе такая методика применима к отдельным
зернам. Для голоценовых дюн пустыни Мохаве, Калифорния, с помощью ме-
тодики отдельных аликвот на калиевых полевых шпатах были получены значе-
ния возраста в интервале от 40 ± 17 до 4110 ± 330 лет (Edwards, 1993).
300 Глава 7. Радиационная дозиметрия
Современной почва
Торфяной слой
Отбеленный песок
Песок, обогащенный
органикой
Желтый и зеленый пятнистый
песо* с повышением с
глубиной содержанием глины
Грозий
Третичные алевриты
Рис. 109. Определение ОСЛ-возраста кварца из позднеледниковых и голоце-
новых песков верхнепалсолитовой стоянки Хенгистбери-Хэд, Вели-
кобритания. Значения ОСЛ-возраста согласуются с независимыми
ТЛ- и ,4С-данными (Rhodes, 1988; с разрешения Elsevier Science Ltd.,
UK).
Лёссы. Так как ТЛ-сигнал лёссов почти всегда полностью отбеливается,
полное отбеливание сигнала ОСЛ еще более вероятно. Для проверки при-
годности лёссов для ОСЛ-датирования был выбран лёссовый профиль Ахен-
хайм (Achenheim), Восточная Франция (Spooner and Questiaux, 1989). Стра-
тиграфия этих лёссов, включающих горизонты с находками эпохи палеоли-
та, была подробно исследована, и для них имеются многочисленные ТЛ-
данные (Zoller et al., 1988; Packman and Griin, 1992). Для ОСЛ-измерений
была выделена тонкозернистая фракция. Оптическое возбуждение осуще-
ствлялось зеленым и инфракрасным светом. Старые лёссы (> 120 тыс. лет)
дают слишком молодые ОСЛ-значения возраста независимо от длин волн
возбуждения и эмиссии. Занижение возраста, очевидно, происходит из-за
длительной потери сигнала ОСЛ полиминеральной фракцией. Лёссы верх-
него вюрма Ахенхайма были датированы с использованием тонкозернистой
и среднезернистой полиминеральной фракции и возбуждения зеленым и
инфракрасным светом (Questiaux, 1991). Среднезернистая фракция (43^54
мкм), которая содержит немного глинистых минералов, является вполне
представительной для лёссов. Все ОСЛ-значения возраста (15,6-21,5 тыс.
7.2. Оптически стимулированная люминесценция 301
лет) согласуются как между собой, так и с геологическими данными. На
основании исследований многочисленных образцов лесса вместо полими-
неральной мелкозернистой фракции для ИКСЛ-датирования (вследствие
более высокой стабильности И КСЛ-сигнала) более старых лёссов было пред-
ложено использовать крупнозернистую фракцию калиевого полевого шпата
(Li and Wintie, 1992).
Песок (акватический). Тот факт, что сигналы ОСЛ кварца и полевого
шпата легко отбеливаются, является многообещающей предпосылкой
для определения возраста отложения аллювиальных, флювиогляциаль-
ных и литоральных песков. Условия освещенности сильно меняются при
смене режима осаждения. Интенсивность и спектр освещения зависят
от глубины и мутности. Сброс сигналов ТЛ и ОСЛ во время переноса не
всегда является полным. По сравнению с эоловым песком отложенный
из воды песок требует, соответственно, большего времени экспозиции.
Нужно иметь в виду, что аллювиальные пески имеют различную сте-
пень пригодности для обоих методов люминесценции, причем сигналы
ОСЛ оптически более чувствительны, чем сигналы ТЛ (рис. 104). Опти-
мален перенос песка в течение длительного периода в чистом мелково-
дье, как, например, в зоне литорали вдоль берега моря и в речных
дельтах (Godfrey-Smith et al., 1988). Однако обнадеживающим является
ЗСЛ-датирование крупнозернистых фракций кварца из различных ал-
лювиальных песков (Smith et al., 1990b; Perkin and Rhodes, 1994). При-
менение этой методики к современным отложениям, возникшим при
наводнениях в Юго-Восточной Австралии, позволило Мюррею (Murray,
1996) получить для кварца методом ЗСЛ в комбинации с ФПТЛ такие
низкие значения возраста, как 100 ± 13 лет.
Что касается флювиогляциальных отложений, то И КСЛ-датирование было
выполнено на крупных 100—200 мкм фракциях полевых шпатов из отложе-
ний Камее (Kames) в Карелии (Hutt and Jungner, 1992). Удовлетворительный
результат, согласующийся с представлениями о формировании этих отло-
жений во время последнего периода оледенения, был получен только в од-
ном образце. Очевидно, интенсивность света в среде отложения этих осад-
ков была недостаточна, чтобы полностью обнулить сигнал ИКСЛ. С другой
стороны, заальские и вейхзельские отложения в Западной Финляндии дали
стратиграфически достоверные ИКСЛ-значения возраста (Hutt et al., 1993).
В связи с тем, что флювиогляциальные отложения могут содержать смеси
отбеленных и неотбеленных зерен, может оказаться необходимым анализ
отдельных аликвот (Duller, 1994).
ИКСЛ-анализы флювиолакустриновых отложений из долины Спити
(Spiti), Химачал-Прадеш, Индия, показали, что сейсмическая деятельность
в этой области датируется поздним плейстоценом (Baneijee et al., 1997). Струк-
туры деформаций в этих отложениях, как представляется, были вызваны
сейсмическими событиями, протекавшими в то время, когда свежеотложен-
ные осадки были еще мягкими.
Глава 7. Радиационная дозиметрия
Коллювиальные и аллювиальные алевриты. Алевритовые отложения могут
формироваться при очень разной интенсивности облучения светом, и тре-
буется собрать намного большее количество данных, прежде чем можно бу-
дет говорить, какие отложения подходят для датирования, а какие нет. Од-
нако уже существующие данные по алевритовым отложениям показывают,
что датирование ОСЛ методом действительно очень полезно, даже для мо-
лодых отложений, попадающих в археологический диапазон возрастов (Aitken
and Xie, 1992). Метод ИКСЛ хорошо показал себя при датировании лёссо-
вых коллювиальных отложений при использовании тонкозернистых фрак-
ций для различных стоянок в Юго-Западной Германии (Lang, 1996; Lang
and Wagner, 1997). ИКСЛ-сигнал на длине волны 410 нм обладает хороши-
ми характеристиками для его использования в качестве средства датирова-
ния объекта. Полученные значения возраста позволяют реконструировать
процессы геоморфологической эволюции начиная с периода накопления
лёссов в течение последнего оледенения до антропогенных изменений в
течение последних нескольких столетий (см. археологические отложения ниже).
Возможности ОСЛ-метода датирования на ряде британских геологических
и археологических объектов, имеющих возраст от среднего плейстоцена до
средневековья и содержащих различные типы отложений, продемонстриро-
вали Рис-Джонс и Тайт (Rees-Jones and Tite, 1997). Полиминеральные, a
также кварцевые тонкозернистые фракции осадков были датированы, соот-
ветственно, методами ИКСЛ и ЗСЛ. Главной проблемой при этом явилось
недостаточно сильное отбеливание, вызванное быстрым осаждением, осо-
бенно для аллювиальных отложений, или наличие смесей компонентов, от-
беленных в разное время, как это было обнаружено в разрушенной дренаж-
ной канаве, заполненной наносами. При примении процедуры экстраполя-
ции кривой свечения до ее пересечения с осью координат было доказано
наличие явления рекуперации, произошедшей после предварительного про-
грева проб. Тем не менее полученные датировки дают представление о глав-
ных эпизодах образования аллювиальных отложений в долинах рек Нин и
Темза, вызванного сельскохозяйственной деятельностью во время неолита,
бронзового века, римского и саксонского периодов.
Археологические отложения. По сравнению с ТЛ сигнал ОСЛ, из-за его
более высокой светочувствительности, представляет специфический инте-
рес для датирования археологических отложений, которые во время осажде-
ния, возможно, испытали лишь слабое воздействие света. Среди таких сла-
бо отбеленных отложений можно назвать археологический коллювий, кото-
рый едва ли возможно датировать с помощью ТЛ. Исследование производ-
ных коллювиального лёсса, проведенное в районе неолитового поселения
вблизи Брухзала (Bruchsal), Юго-Западная Германия, демонстрирует воз-
можности, предоставляемые ОСЛ-методикой (Lang and Wagner, 1996). Эти
археологические объекты расположены на вершине холма. Они состоят из
траншеи раннего неолита (периода линейно-ленточной керамики) и двой-
ного кольца траншей позднего неолита (михельсбергского периода), проры-
7.2. Оптически стимулированная люминесценция
тых в поздних ледниковых лёссах. После того, как это поселение было остав-
лено людьми, траншеи были заполнены коллювиальными отложениями и
впоследствии были перекрыты дополнительными слоями коллювия (рис. 110).
Из-за высокого геоморфологического положения следует предполагать до-
вольно короткие расстояния перемещения этих отложений (-100 м) с соот-
ветственно слабым экспонированием на свету в процессе переотложения.
Образцы для датирования методом ИКСЛ брали из материала, заполняю-
щего траншеи, и вышележащего коллювия. Чтобы не допустить недооценки
возраста, были проведены различные лабораторные процедуры. Представ-
ляется, что лучшим условием для надежного датирования этих отложений
методом ИКСЛ является прогрев при температуре 220*С в течение 5 мин и
выбор при регистрации ИКСЛ узкого спектрального диапазона. Результаты
показали, что световые условия во время переотложения были достаточны
для переустановки сигнала ИКСЛ. Данные ИКСЛ четко подразумевают, что
образование коллювиальных отложений связано с почвенной эрозией, выз-
ванной деятельностью человека, такой как расчистка леса и земледелие.
) образцы 14,5 ± 1,9 ИКСЛ-возрост (тыс пет)
Рис. ПО. Схематический поперечный разрез участка раннснеолитового посе-
ления Брухзал-Ое. Германия, с ИКСЛ-значениями возраста поздних
ледниковых лёссов, заполняющего траншеи материала и различного
коллювия (Lane and Wagner, 1996>.
Примером археологического исследования с помощью ОСЛ, имеющего
далеко идущие последствия для выработки представлений о первоначаль-
ной колонизации Австралии, является датирование пещерных отложений в
Северной Австралии (Roberts et al.. 1994). Осколки каменных артефактов и
304 Глава 7. Радиационная дозиметрия
земляные пигменты встречаются в отложениях в районе стоянки Наувала-
била (Nauwalabila) в ущелье Диф-Эддер (Deaf Adder Goige). С помощью
ЗСЛ-методики были проанализированы кварцсодержащие отложения. Са-
мые низкие значения возраста человеческой деятельности заключены в ин-
тервал 53,4 ± 5,4 тыс. лет и 60,3 ± 6,7 тыс. лет. Для верхних значений, к
которым можно применить метод *4С, было получено хорошее согласие обоих
методов датирования. ОСЛ-значения возраста независимо подтверждают дан-
ные о раннем присутствии человека в Австралии, что уже было выявлено при
ТЛ-датировании расположенной неподалеку к северу стоянки (разд. 7.1.3).
Осиные гнезда. Гнезда, построенные осами, могут содержать, кроме эко-
логически связанных с ними компонентов типа пыльцы и ископаемых рас-
тений, привнесенные кварцевые зерна, которые были подвергнуты действию
света во время строительства гнезд, но с тех пор были защищены от света.
Робертс и др. (Roberts et al., 1997) применили ОСЛ-датирование к различ-
ным петрифицированным осиным гнездам из пещер в Северной Австралии.
Гнезда перекрывают, а иногда подстилают доисторические наскальные ри-
сунки. С помощью ОСЛ-метода получены значения возраста в интервале от
23,8 ± 2,4 тыс. лет до 100 ± 10 лет.
Тефра. Была исследована пригодность тонкозернистых осколков стекла
из различных участков отложений вулканического пепла для ОСЛ-датиро-
вания (Berger and Huntley, 1994). Для возбуждения были отобраны длины
волн 514 нм (зеленый), 633 нм (красный) и -880 нм (инфракрасный). На-
блюдались лишь слабые сигналы ОСЛ, но в одном случае, в пепле Мазама
(Mazama), был получен обнадеживающий сигнал ИКСЛ высокого уровня,
соответствующий геологически разумной естественной дозе.
Керамика. ОСЛ-метод датирования применили также к кварцу керамичес-
ких черепков. Здесь в отличие от осадков сброс сигнала ОСЛ является резуль-
татом процесса обжига при производстве керамики. На керамике периода ви-
кингов из Николаигаде (Nicolaigade), Дания, и ТЛ- и ОСЛ-методы привели к
согласующимся значениям возраста, не противоречащим также и археологи-
ческим данным (Mejdahl, 1992). По сравнению с ТЛ-, ОСЛ-метод является в
этом случае более предпочтительным, так как он требует значительно меньших
количеств исходного материала образца (10-20 г вместо 200 г для ТЛ). Метод
ОСЛ не только требует меньших экспериментальных затрат, но также имеет
значительно более высокую точность измерений (1-2 % для ОСЛ вместо 5-7%
для ТЛ). При использовании ОСЛ вместо ТЛ появляется возможность приме-
нения методики отдельных аликвот, что еще больше уменьшает требуемое
количество образца. При использовании методики восстановления добавленной
дозы для отдельных аликвот (SARA) были получены обнадеживающие резуль-
таты для кварца археологической керамики (Mejdahl and Botter-Jensen, 1997).
Попытка датировать отожженный коллювий, вероятно оставшийся от пожара
в лагере, методом ИКСЛ оказалась успешной (Lang and Wagner, 1996). На уже
упомянутой стоянке Брухзал-Ое тонкозернистые фракции отожженного и нео-
тожженного коллювия позволили отнести пожар к римскому периоду.
7.3. Электронный спиновый резонанс
7.3. Электронный спиновый резонанс
Датирование методом электронного спинового резонанса (ЭСР)1 основано
на накоплении в минералах радиационно-индуцированных парамагнитных
центров. Оно имеет близкое отношение к люминесцентным методам дати-
рования» и особенно к дозиметрическому методу. Хотя первые попытки ис-
пользования явления ЭСР для датирования относятся к 1960-м годам (Zeiler
et al., 1967), ЭСР как метод датирования начал применяться в 1980-х и про-
должает быстро развиваться (Griin, 1989).
Возрастной диапазон, перекрываемый ЭСР-методом датирования, хотя
и сдвинут в сторону более высоких возрастов, сопоставим с диапазоном
люминесцентных методов датирования. В особых случаях нижний возраст-
ной предел можно снизить до нескольких сотен лет. С другой стороны, ЭСР-
метод позволяет определять возрасты до I05 и даже I06 лет, которые не дос-
тупны методам люминесценции. Таким образом, ЭСР-датирование полнос-
тью охватывает четвертичный период. Этот метод становится все более зна-
чимым для континентальных четвертичных отложений, среди которых осо-
бого упоминания заслуживают известковые пещерные натеки и травертино-
вые отложения (известковый туф). Также подходящими объектами для да-
тирования методом ЭСР являются раковины моллюсков, зубы и, в меньшей
степени, кости. Если говорить о мире морских животных, то с помощью
ЭСР могут быть датированы кораллы и фораминиферы. ЭСР-измерения
были также успешно проведены на кремнистых материалах, таких как кварц
и кремень.
ЭСР-значения возраста определяют либо время формирования извест-
ковых отложений и карбонатов органического происхождения, либо время
вторичной переустановки уже существующей системы в результате нагре-
вания, экспонирования на свету или тектонических сдвиговых движений.
С помощью этого метода можно датировать вулканические и археологи-
ческие события, связанные с процессами нагревания, равно как и благо-
приятные случаи процессов седиментации, в ходе которых имело место
отбеливание сигнала ЭСР солнечным светом. Чувствительность метода ЭСР
к давлению позволяет датировать неотектонические нарушения.
Чтобы охарактеризовать точность данных ЭСР, обычно указывают
ошибки 10-20%. Большие ошибки возникают, главным образом, из-за
неточной оценки естественной дозы, связанной с неопределенностью ма-
тематической функции, описывающей рост сигнала ЭСР с дозой облуче-
ния. Мощность полученной образцом дозы, как от внутреннего, так и от
внешнего источника, может значительно меняться в пространстве и вре-
мени. Такие систематические ошибки едва ли можно оценить, и они
часто не принимаются во внимание при оценке ошибок значений возра-
ста, полученных с помощью ЭСР.
Иначе называемого электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). - Прим. ред.
|(^06 Глава 7. Радиационная дозиметрия
7.3.1. Методологическая основа
Явление ЭСР. Под термином «электронный спин» понимают специфичес-
кую характеристику электрона, способного занять два дискретных кванто-
вомеханических состояния. Спин формально можно представить как мо-
мент количества движения, который является результатом собственного вра-
щения электрона. Спин электрона приводит к тому, что отдельный элект-
рон обладает магнитным моментом и, следовательно, является элементар-
ным магнитом. В обычной решетке электроны образуют пары, так что их
магнитные моменты компенсируют друг друга. Однако в парамагнитных цен-
трах могут находиться неспаренные электроны. Такие парамагнитные цент-
ры возникают при захвате радиационно-индуцированных свободных заря-
дов дефектами кристалла. Специфический кристалл содержит различные
центры, которые могут быть энергетически охарактеризованы величиной
гиромагнитного g-фактора. Этот безразмерный коэффициент определяется
как отношение магнитного момента к моменту количества движения. Для
электронно-дырочных центров его величина колеблется около значения
g-фактора свободного электрона (g, = 2,00232). Если образец поместить во
внешнее магнитное поле, электрон как элементарный магнит вращается та-
ким образом, что ось его вращения выполняет прецессионное движение
относительно направления магнитного поля (рис. Ill),
Частота прецессии называется ларморовской частотой и пропорциональ-
на специфическому для каждого центра g-фактору и напряженности прило-
женного поля. Если перпендикулярно направлению магнитного поля прило-
жить СВЧ-излучение с частотой, равной ларморовской, возникает электрон-
ный спиновый резонанс. При резонансе направление вращения меняется на
противоположное1. Энергию, необходимую для этого перехода, электрон по-
лучает от микроволнового излучения, следовательно, часть его интенсив-
ности поглощается. По резонансной частоте определяется тип центра (g-фак-
тор), а степень поглощения является мерой концентрации центров такого
типа. Из соображений удобства обычно изменяют не частоту микроволнового
излучения, а силу магнитного поля. Непрерывно увеличивая напряженность
поля, анализируют центры со все более уменьшающимися g-факторами. Ре-
зультирующий ЭСР-спектр показывает характерное микроволновое погло-
щение для центров с различными значениями g-фактора (рис. 112). По техни-
ческим причинам удобнее при измерении ЭСР регистрировать не непосред-
ственно спектр микроволнового поглощения, а его первую производную как
функцию напряженности магнитного поля (рис. 113).
Концентрация радиационно-индуцированных центров ЭСР является ме-
рой поглощенной дозы облучения. Помимо этих ЭСР-центров, важных для
датирования, могут иметь место интерференционные сигналы от свободных
1 Продолжая механическую аналогию. автор в целях большей наглядности объясняет
ЭСР слишком упрощенно. Более строго - происходит квантовый переход между
двумя зеемановскими уровнями с поглощением СВЧ-кванта. - Прим. ред.
7.3. Электронный спиновый резонанс 307
радикалов органических молекул, а также от переходных элементов марганца
и меди, приводящие к довольно сложным ЭСР-спектрам (Robins, 1991). Что
касается кварца и полевых шпатов, то для них большинство атомных дефек-
тов, в которых формируются радиационно-индуцированные центры ЭСР, из-
вестно. Эю - замещающие кремний примесные атомы алюминия, германия
и титана. Эти дефекты кристаллической решетки появлялись в минерале при
его образовании. Дополнительно, со временем образуются вторичные дефек-
ты в результате столкновения а-частиц отдачи с атомами кислорода силика-
тов. Этот процесс приводит к образованию пар Шоттки-Френкеля, которые
состоят из вакансии кислорода (Е'-центры) и находящегося в межузловом
пространстве решетки атома кислорода (пероксицентр; рис. 114).
Рис. 111. Схема явления ЭСР. Парамагнитный центр обладает неспаренным
электроном. При приложении магнитного поля электрон ведет себя
как элементарный магнит, ось вращения которого выполняет пре-
цессионное движение относительно направления магнитною поля
Н (слева). Если при прецессии приложить СВЧ-поле определенной
частоты, перпендикулярное магнитному полю, возникает электрон-
ный спиновый резонанс, при котором в зависимости от частоты
поля направление спина электрона меняется, согласно квантовой
механике, на противоположное (справа).
Естественная доза. Оценку естественной дозы ND производят следую-
щим способом: сверх естественной дозы, которую образец получил с мо-
мента своего формирования или последней переустановки системы, обра-
ffif 308 Глава 7. Радиационная дозиметрия
зец облучают дополнительными дозами, затем измеряют соответствующие
сигналы ЭСР и строят кривую роста (рис. 80). В отличие от ТЛ, ЭСР имеет
преимущество, заключающееся в том, что концентрация исследованных цен-
тров не нарушается, что позволяет, таким образом, воссоздать кривую роста
на той же самой аликвоте. Большинство образцов показывает экспоненци-
альное насыщение со сложными математическими зависимостями (Griin,
1991). В любом случае, следует пытаться использовать только радиационно-
индуцированные ЭСР-центры образца с оптимальными характеристиками
роста. Проблема образования центров ЭСР, зависящего от дозы облучения,
требует систематических исследований на конкретном материале и пред-
ставляет главный источник ошибок определения возраста.
Рис. 112. ЭСР спектр дентина зуба ископаемого слона из Штайнхайма. Мур-
ра, Германия. Индивидуальные центры ЭСР с их характерными
g-факторами испытавают резонанс при изменении напряженности
магнитного поля Н (Ikea, 1981).
7.3. Электронный спиновый резонанс 309
Рис. 113. ЭСР спектр (вни-
зу) - первая производная
сигнала поглощения СВЧ-
излучения в зависимости от
напряженности внешнего
магнитного поля Я. получен-
ная при помощи дополни-
тельного, синусоидального
магнитного поля Н„ (вверху).
Стрелкой отмечена величина,
определяющая величину
g-фактора (Griin, 1989).
Стабильность. Датирование, с одной стороны, требует существования
достаточно стабильных во времени центров ЭСР на протяжении всего
датируемого периода. С другой стороны, эти центры должны быть доста-
точно чувствительны к нагреву, чтобы ЭСР часы могли быть при этом
обнулены. При температурах окружающей среды в осадочных отложени-
ях, когда они находятся недалеко от поверхности, большинство ЭСР-
центров обладают средними временами жизни 106 лет и более, что позво-
ляет датировать объекты в интервале до единиц 105 лет. В случае кварца
для полного отжига сигналов ЭСР, происходящих из центров Е', А1 и Ti,
бывает достаточно короткого нагревания до по крайней мере 400’С. От-
сутствие сигнала Ge в образце возрастом 500 тыс. лет предполагает мак-
симальное время существования этого центра < 100 тыс. лет, т.е. мень-
шее, чем стабильность, полученная из экспериментов по их отжигу. Оче-
видно, в этом случае сигнал гасят другие процессы, еще до конца не
понятые (Walther and Zilles, 1994). Поскольку дефекты решетки терми-
чески значительно более устойчивы, чем ЭСР-центры, радиационно-ин-
дуцированное образование дефектов Френкеля в кварце, по-видимому,
можно будет использовать для ЭСР-датирования далеко за пределами 106
лет (Rink and Odom, 1991).
310 Глава 7. Радиационная дозиметрия
ЭСР-центры в кварце в большей или меньшей степени чувствительны к
свету. Эксперименты показали, что Ge-центр быстро отбеливается и, таким
образом, выглядит многообещающим для датирования отложений, которые
подвергались действию дневного света свыше нескольких недель (Walther and
Zilles, 1994). На сигналы ЭСР может также влиять давление (Fukuchi, 1989,
1992), наиболее чувствительным центром при этом является, видимо, перок-
сицентр в кварце (Buhay et al., 1988), хотя механизм этого явления еще плохо
изучен. Все еще неясно, что приводит к сбрасыванию сигнала: сам по себе
механический сдвиг или нагрев при трении. Тем не менее это явление делает
возможным датирование методом ЭСР разломных движений.
Рис. 114. Модель формирования радиационно-индуцированных дефектов и
их преобразования в ЭСР-центры в кварце: маленькие кружки - атомы
кислорода, большие кружки - атомы кремния: а - ненарушенная
решетка; b - столкновение ядра отдачи при излучении a-частицы с
атомом кислорода приводит к образованию дефекта Френкеля, со-
стоящего из вакансии кислорода, заряд которой компенсируется зах-
ватом в ловушку двух электронов (с внизу) и атомом кислорода, рас-
положенным в межузловом пространстве решетки (с вверху). При
электронно-дырочном захвате дефекты преобразуются в центры ЭСР:
Е'-цснтр (d внизу) и пероксицентр (d вверху) (Rink, Odom. 1991; с
разрешения Elsevier Science Ltd., UK).
Мощность дозы. При датировании методом ЭСР часто сталкиваются с
пространственными и временными вариациями мощности дозы. Они могут
приводить к значительным систематическим неопределенностям при опре-
делении возраста. Это в особенности относится к карбонатам. В костях и
зубах значительные вариации в концентрации урана могут быть в масшта-
бах, сравнимых с глубиной проникновения a-излучения, вызывая высокие
градиенты мощности дозы. Аналогичные трудности могут возникать в более
крупном масштабе при использовании р- и у-излучений. При проведении
таких работ следует определять величину ct-фактора, учитывая меньшую эф-
7.3. Электронный спиновый резонанс 3
фективность a-излучения по сравнению с Д- или /-излучением. Возможны
значительные различия в содержании радиоактивных элементов в образце и
в окружающей среде, что делает необходимым осторожное разделение внут-
реннего и внешнего вклада в мощность дозы. Следует также учитывать вли-
яние содержания воды в образце и в окружающей среде. В частности, в
случае карбонатов с низкой внутренней мощностью дозы заслуживает вни-
мания оценка вклада космического излучения.
Наиболее серьезным препятствием для датирования с помощью ЭСР фос-
фатов и карбонатов кальция является вариация мощности дозы во времени.
Что касается костей и зубов, подвергнутых воздействию грунтовой воды, то
существенные вариации происходят из-за поглощения урана. Для учета вре-
менной зависимости увеличения мощности дозы предложены различные мо-
дели поглощения урана, из которых модель раннего поглощения предпочти-
тельнее, чем линейная. При анализе известковистых отложений часто возника-
ют трудности, вызванные увеличивающейся мощностью дозы в результате ус-
тановления состояния радиоактивного равновесия, например 23OTh (разд. 4.1.1).
Кроме того, на поверхности известковых пещерных натеков наблюдается по-
вышенная радиоактивность. Это увеличение объясняется осаждением дочер-
них продуктов 232Rn, присутствующего в пещерном воздухе.
Определение возраста. Для датирования этим методом можно использо-
вать лишь те сигналы ЭСР, которые удовлетворяют специфическим крите-
риям. Они должны:
1) быть радиационно-индуцированными, причем функция их роста с
увеличением дозы должна быть математически максимально проста;
2) иметь долговременную тепловую устойчивость;
3) в зависимости от события, которое датируется, быть достаточно
чувствительными к свету, нагреву или действию давления;
4) их естественный сигнал ЭСР должен быть значительно ниже уровня
насыщения.
По результатам определения естественной дозы и мощности дозы ЭСР-
возраст рассчитывают в соответствии с уравнением (48).
7.3.2. Практические аспекты
Если материал образца однороден, то для датирования методом ЭСР бывает
достаточно образца весом в несколько граммов. В большинстве случаев же-
лательно отбирать образцы больших размеров, чтобы выделить подходящий
материал в лаборатории и иметь возможность проведения микродозиметри-
ческих измерений. Как и в случае люминесцентных методов датирования,
образец следует отбирать с глубины по крайней мере 30 см ниже поверхно-
сти земли, причем это должно отвечать всему периоду естественного захо-
ронения, чтобы сделать возможным количественное определение вклада от
вмещающих пород и космической радиации в мощность дозы. Для учета
||^И2 Глава 7. Радиационная дозиметрия
вклада внешней дозы следует отобрать представительные образцы смежных
отложений (10 г) на расстоянии до 0,5 м. Измерение мощности у-дозы in situ
должно быть проведено преимущественно непосредственно в месте отбора
образца. Так как содержание воды определяют в лаборатории, образец для
правильного определения его влажности должен храниться в водонепрони-
цаемых пакетах. Образец должен быть хорошо защищен от света, в особен-
ности если датируется событие светового воздействия. Образец должен быть
защищен от излишнего нагрева.
Во время обработки образца в лаборатории следует стремиться к полу-
чению гомогенного материала с известной степенью облучения и минерало-
гией. Кварц и палевой шпат концентрируют с помощью тяжелых жидкостей
и магнитного сепаратора. ЭСР-измерение обычно выполняется на аликвот-
ных фракциях в 100 мг с зернистостью около 100-400 мкм. При обработке
образца следует учитывать, что дробление и растирание пробы может ска-
заться на спектре ЭСР. Этих нежелательных эффектов можно избежать трав-
лением поверхности в разбавленных кислотах. Если кварц обрабатывают
для датирования осадков, подготовка пробы проводится при приглушенном
свете в затемненной комнате. Следует попробовать устранить из ЭСР спек-
тра термически нестабильные сигналы, применяя специальные методы пред-
варительного подогрева пробы (например, 2 ч при температуре 100°С)
Измерения проводятся на ЭСР-спектрометре, состоящем из стабилизи-
рованного магнита, создающего однородное поле в месте расположения
пробы, микроволнового устройства (мостика) и анализатора электрическо-
го сигнала. Образец весом в несколько сотен миллиграм помещают в маг-
нитное поле. Постепенно изменяя напряженность магнитного поля при фик-
сированной частоте излучения, добиваются резонанса от различных цент-
ров ЭСР. Большинство ЭСР-спектрометров работает при частоте -9 ГГц и
напряженности магнитного поля около 3500 Гс (= 0,35 Тл). Во время изме-
нения магнитного поля измеряют поглощение СВЧ-излучения. Чтобы уве-
личить разрешение сигнала поглощения, регистрируют не непосредственно
кривую поглощения, а ее первую производную. Экспериментально это дос-
тигается модуляцией магнитного поля при помощи дополнительного сину-
соидального магнитного поля (рис. 113). Затем сигнал с помощью электро-
ники усиливается и наносится на график как функция напряженности поля,
задающего спектр ЭСР. Вместо напряженности магнитного поля Н многие
ЭСР-спектры содержат только величину g-фактора, который неявно пока-
зывает напряженность магнитного поля. В ЭСР-спектре g-фактор характе-
ризует тип центра, в то время как величина сигнала является мерой концен-
трации центров такого типа. Так как ЭСР-измерения не влияют на концен-
трацию центров, после дополнительного искусственного облучения можно
наблюдать возрастание сигнала на той же самой аликвоте. Выбирают подхо-
дящие центры и строят зависимость величины сигнала от дозы облучения.
Из кривой роста обратной экстраполяцией определяют значение естествен-
ной дозы (рис. 80).
7.3. Электронный спиновый резонанс 3
Что касается числового представления возрастных данных, то для оцен-
ки аналитического качества определений следует соблюдать некоторые ми-
нимальные требования. Грюн (Griin, 1991) предлагает, чтобы в дополнение
к значению возраста и его ошибки были описаны экспериментальные усло-
вия анализа ЭСР, доза искусственного облучения, математическая функция
роста, результаты анализа мощности дозы и процедура вычисления ошибки.
В приводимых ошибках часто не делаются поправки на систематические
ошибки. Отсутствие стандартной процедуры представления данных затруд-
няет для неспециалиста критическую оценку возрастных данных. Точность
ЭСР-возраста обычно составляет около 15%.
7.3.3. Применение
Известковистые пещерные отложения. Найденные в пещерах известковые
отложения обычно состоят из кальцита и, реже, из арагонита. Метод ЭСР
позволяет датировать эти образования. Образцы кальцитовых натеков име-
ют сложные ЭСР-спектры, которые частично приписывают органическим
радикалам. Большинство линий в спектре ЭСР исключают из рассмотрения
при датировании из-за их недостаточной или неизвестной радиационной
чувствительности; другие линии термически нестабильны. Для датирования
чаще используется сигнал при g = 2,0007 со средним временем жизни не-
сколько млн лет при температуре окружающей среды 10°С (Hennig and Griin,
1983). При исследовании арагонитовых натеков для датирования использо-
валась только линия g = 2,0020 (Griin, 1986). Часто пещерные натеки не
поддаются датировке из-за несоответствующих характеристик ЭСР. Из-за
низкой чувствительности к дозе значения возрастов моложе 10 тыс. лет ис-
следуются редко.
При отборе проб следует делать поправку на медленный рост пещерных
натеков, составляющий примерно несколько мм/тыс. лет, следовательно,
максимальный рост объекта должен происходить параллельно росту л а мел-
лей. Содержание урана в кальцитовых пещерных натеках составляет немно-
гим менее 1 мкг/г; натеки арагонитового состава обычно имеют несколько
большие содержания. Также необходимо принимать во внимание эффект
осаждения дочерних продуктов распада радона из пещерного воздуха. Сле-
довательно, образцы следует отбирать из участков, удаленных не менее чем
на 2 мм от устойчивых поверхностных слоев, которые можно распознать по
повышенному содержанию глины и темной окраске. Наиболее предпочти-
тельны чистые, свободные от загрязнений слои. Следует внимательно рас-
смотреть вопросы, касающиеся локальной мощности дозы и ее увеличения
во времени из-за установки нового радиоактивного равновесия в рядах рас-
пада урана. Разного рода трудности возникают из-за присутствия обломоч-
ных известковых включений. Процессы перекристаллизации, которые с воз-
растом становятся все более явными, осложняют, по всей вероятности, ЭСР-
датирование образцов с возрастом свыше 0,5 млн лет.
314 Глава 7. Радиационная дозиметрия
Методом ЭСР датировались важные пещерные стоянки эпохи палеоли-
та, включая Кон-де-л’Араго, Тотавэ, Южная Франция (разд. 7.1.3). Слой,
содержащий фрагменты черепа, был обнаружен среди известковых натеков.
Датирование с помощью ЭСР слоев известковых отложений, лежащих выше
и ниже гоминидсодержащего пласта, позволило оценить его возрастные
границы: 242-313 тыс. лет - верхняя и 147 тыс. лет - нижняя граница. Этот
результат находится в хорошем согласии со значениями возраста, опреде-
ленными по рядам урана, 315-220 тыс. лет (Hennig and Griin, 1983). ЭСР
также применялся для датирования пещеры в Лазарэ (Grotte du Lazaret) и в
Валлонэ (Grotte du Vallonet), а также в Абри-Пи-Ломбард (Abri Pie Lombard)
(Yokoyama el al.. 1983). В полемике относительно возраста черепа, раско-
панного в Петралонской пещере, на севере Греции (разд. 4.3), существен-
ное значение имело датирование методом ЭСР остатков известковых нате-
ков, осажденных на черепе. ЭСР-возраст 198 ± 40 тыс. лет (Xirotiris et al.,
1982) следует расценивать как минимальный возраст черепа. Эта датировка
подтверждает палеоантропологическую классификацию петралонского че-
ловека как раннего неандертальца и противоречит высокой оценке возраста
до 700 тыс. лет, сделанной на основе находок с неопределенным стратигра-
фическим положением.
Травертин. Формирование отложений травертина может быть датирова-
но посредством ЭСР. Однако не каждый травертин годен для ЭСР измере-
ний. По сравнению с пещерными натеками травертин образуется относи-
тельно быстро. Причастность бактерий и мхов к процессу осаждения про-
является в относительно высоком содержании органического компонента,
что, в свою очередь, находит отражение в сложных ЭСР-спектрах. Для дати-
рования удобны хорошо раскристаллизованные известковые корки (Griin et
al., 1988). Для датирования травертина, так же как для пещерных натеков,
используют ЭСР-сигнал g - 2,0007. Содержание урана чаще всего бывает
около 0,1 мкг/г, но может быть значительно выше в богатых глинами слоях.
Определение мощности дозы in situ необходимо вследствие ее простран-
ственных вариаций. Также следует учитывать ее временные вариации из-за
радиоактивных нарушений равновесия. Возрастной интервал составляет, как
и для пещерных натеков, от 10 тыс. до 1 млн лет.
ЭСР-датирование травертина проводилось, например, для профилей
Веймар-Эрингсдорф (Weimar-Ehringsdorf) и Билцингслебен (Bilzingsleben),
Центральная Германия, содержащих важные останки гоминид (Schwarcz el
al., 1988). ЭСР-данные показывают, что травертиновый комплекс Веймар-
Эрингсдорф отлагался в течение двух главных фаз, а именно нижнего тра-
вертина с останками донеандертальского человека в течение предпоследне-
го межледникового периода —200 тыс. лет назад и верхнего травертина в
течение последнего межледникового периода —120 тыс. лет назад (рис. 32).
Значительно более высокие ЭСР-значения возраста ~400 тыс. лет были по-
лучены для травертиновых отложений Билцингслебен (рис. 33). Следова-
тельно, между двумя гоминилсодержащими травертиновыми отложениями
7.3. Электронный спиновый резонанс
в Билцингслебене и Веймар-Эрингсдорфе (оба межледниковые) прошел, по
крайней мере один, если не два ледниковых периода. ЭСР-значения возра-
ста подтверждаются результатами датирования по рядам распада урана, про-
веденного на этих травертиновых отложениях (разд. 4.3).
Раковины моллюсков. Большое значение, которое имеют для биострати-
графии раковины моллюсков, делает их наиболее интересным объектом да-
тирования. Эти раковины находят и в морских, и в континентальных отло-
жениях. Для датирования методом ЭСР отдельные вилы пригодны не в оди-
наковой мере, поэтому следует отдавать предпочтение определенным ви-
дам, таким как, например, Glycimeris и Cerastoderma. Поскольку раковины
сложены арагонитом, они показывают сложные ЭСР-спектры, состоящие
из различных сигналов. Выбор подходящих сигналов особенно сложен из-за
формы кривой роста и низкой тепловой стабильности сигналов ЭСР. Обыч-
но используют сигналы ЭСР при g - 2,0006 и 2,0014, но последний пик
неясен из-за его сложного характера (Barabas, 1989). В арагонитовых рако-
винах система ЭСР нарушается перекристаллизацией арагонита в кальцит.
Этот риск нарушения системы вероятен на образцах большого возраста. Пе-
рекристаллизация может быть обнаружена с помощью рентгено-дифракци-
онного анализа.
Главный вклад в мощность дозы определяется вмещающими осадками.
Сами раковины почти не содержат тория и калия, следовательно, нужно рас-
сматривать только уран. Чтобы устранить внешние градиенты мощности а- и
/3-доз, в зависимости от толщины раковины срезают, соответственно, вне-
шние 20-50 мкм и 2 мм. Для определения мощности дозы окружающей сре-
ды требуются измерения in situ. Существует вероятность поглощения урана
раковинами моллюсков, особенно тонкими раковинами. Если содержание
урана превышает I мкг/г, в моделях как раннего, так и линейного поглоще-
ния следует принимать во внимание увеличение мощности дозы со временем.
Наиболее заметная неопределенность в ЭСР-датировании раковин яв-
ляется результатом проблем, связанных с определением сигнала и функци-
ей регрессии, что демонстрируется разногласиями относительно возраста
гольштсйнского (Holstein) межледникового периода, определенного по дан-
ным ЭСР-датирования раковин. В то время как Линке и др. (Linke et al.,
1985) определили возраст методом ЭСР примерно в 200 тыс. лет, Сарнтейн
и др. (Samthein et al., 1986) получили ЭСР-значения возраста от 350 тыс. до
370 тыс. лет, с далеко идущими последствиями для корреляции гольштейн-
ского межледникового периода с данными 8*0 хронологии (Barabas et al.,
1988; Schwarcz and Griin, 1988). Возрастной диапазон, перекрываемый мето-
дом ЭСР на моллюсках, простирается от нескольких тыс. лет до нескольких
сотен тыс. лет. Для старших возрастов применение метода все более ограни-
чивается термической нестабильностью и перекристаллизацией арагонита.
Зубы и кости. Датирование эмали зуба является одним из наиболее заме-
чательных достижений метода ЭСР (Griin and Stringer, 1991). В связи с этим
открылись интересные области применения этого метода, особенно в сред-
316 Глава 7. Радиационная дозиметрия
не.м и нижнем палеолите, а также в четвертичной геологии за пределами
досягаемости датирования методом |4С. Пригодность объекта для датирова-
ния методом ЭСР зависит от минерала гидроксиапатита. Зубная эмаль со-
стоит почти из чистого гидроксиапатита. Цемент и дентин зубов имеют
более высокое содержание органической ткани и не используются в датиро-
вании по ЭСР. Спектр ЭСР эмали зуба при g - 2,0018 (рис. 112) имеет
подходящий сигнал с хорошей чувствительностью и высокой тепловой ус-
тойчивостью. Эти характеристики позволяют в принципе применять этот
метод в широком возрастном диапазоне от нескольких !02 до 10* лет, т.е. в
течение всего четвертичного периода.
ЭСР-датирование эмали зуба осложняется мощностью дозы, подвержен-
ной сильным временным и пространственным вариациям. Несмотря на то,
что содержание урана в современных зубах не превышает 1 мкг/г, окаменев-
шие зубы могут содержать до 0,15% этого элемента. Дентин и цемент иско-
паемых зубов содержат в 10 раз большее количество урана, чем эмаль. Зави-
симое от времени увеличение мощности дозы моделируется функциями
поглощения на ранней стадии и линейным поглощением урана. Модель ран-
него поглощения приводит к более низким ЭСР-возрастам по сравнению с
линейной моделью из-за более высокой средней мощности дозы. Оба мо-
дельных возраста могут значительно отличаться друг от друга, что особенно
часто случается при высоком содержании урана (рис. 33). Поэтому более
предпочтительны образцы с низким содержанием урана. Поскольку по мере
поглощения урана диффузионный фронт постепенно продвигается в глуби-
ну ткани зуба, в качестве образца для исследования используется или от-
дельная ламель, включенная в отложения, или защищенные внутренние ча-
сти больших зубов, например зубов мамонта. Это удобно также для количе-
ственного анализа пространственных различий мощности дозы при перехо-
де от зуба к осадку и от эмали к костной ткани, но требует специальной
подготовки образна.
Два фрагмента эмали зуба Palaeoloxodon antiques (ископаемого слона),
найденные в непосредственной близости от фрагмента черепа в пещере Кон-
де-л’Араго, упомянутые ранее в разделе, посвященном известковистым пе-
щерным отложениям, дали ЭСР-значения возраста 210-240 тыс. лет (Hennig
and Griin, 1983). Шварц и др. (Schwarcz et al., 1988) определили ЭСР-значе-
ния возраста по коренным зубам носорога, собранным из травертинового
песка, который содержит останки гоминид и артефакты из Билнингслебена
(рис. 33). Значения возраста, основанные на допущении линейного погло-
щения урана, в среднем на 30% больше по сравнению с моделью раннего
поглощения и находятся в лучшем согласии с уже упомянутым возрастом
травертина, определенным ЭСР-методом и по рядам распада урана. Они
поддерживают предположение о том, что эта важная стоянка нижнего па-
леолита должна быть отнесена ко времени около 400 тыс. лет назад.
Стоянки эпохи среднего палеолита Кебара, Куафзех, Схул и Табун в
Израиле играют важнейшую роль при выяснении происхождения анатоми-
7.3. Электронный спиновый резонанс 317
чески современного человека (протокроманьонца) и его отношения к неан-
дертальскому человеку. Эмаль зубов млекопитающих из этих раскопок да-
тировалась с помощью ЭСР-метода (Schwarcz et al., 1989; Stringer et al., 1989;
Griin and Stringer, 1991). В частности, следует упомянуть два результата. Во-
первых, ЭСР значения возраста подтверждают прежние результаты датиро-
вания (разд. 7.1.3) анатомически современного человека 80—120 тыс. лет,
следствием чего является вывод, что на стоянке Левант Homo sapiens sapiens
и Homo sapiens neanderthalensis сосуществовали в течение длительного пери-
ода времени. Во-вторых, преобладающая часть ЭСР-значений возраста, рас-
считанных на основе модели раннего поглощения урана, согласуется с бо-
лее точным масс-спектрометрическим определением 2WTh / 234С-возраста
(разд. 4.3). С другой стороны, ЭСР-значения возраста, рассчитанные в до-
пущении линейного поглощения урана, почти все слишком высоки.
В пещере Лонггупо (Longgirpo), Сычуань, Китай, были найдены очень
древние фрагменты зубов гоминид и примитивные каменные орудия труда.
ЭСР-датирование установило, что эти находки относятся к самому раннему
плейстоцену, подразумевая очень раннее появление рода Ното в Азии.
В модели линейного поглощения урана фрагмент шейки малого коренного
зуба из надпродуктивного слоя дал ЭСР-значение возраста 1,02 ± 0,12 млн
лет (Wanpo et al., 1995). ЭСР-датирование, как и 230Th / 234U-датирование
жевательных зубов, отобранных из гоминидсодержащих слоев на стоянках
Нгангдонг (Ngangdong) и Самбунгмакан (Sambungmacan), Центральная Ява,
дало средние значения возраста от 27 ± 2 до 53,3 ± 4 тыс. лет, при этом
разброс этих данных отражает неопределенность механизма поглощения урана
(Swisher et al., 1996). Эти значения возраста представляют особый интерес,
так как связанные с ними гоминиды, как полагают, относятся к продвину-
тому представителю Homo erectus. Эти результаты подразумевают, что Ното
erectus, возможно, появился в Юго-Восточной Азии одновременно с Ното
sapiens sapiens.
Попытки датирования при помощи ЭСР костей, несмотря на связанные
с этим крайние трудности, предпринимались неоднократно (Griin and Stringer,
1991). Кости по сравнению с зубной эмалью минерализованы в меньшей
степени и поглощают большее количество урана. Кроме того, они больше
подвержены изменениям во время их захоронения. ЭСР-спектры являются
необычайно сложными и непостоянными. Это можно приписать наложе-
нию различных сигналов ЭСР, которые происходят главным образом из
органических радикалов. Известно, что стабильный, чувствительный к дозе
сигнал ЭСР при g = 2,0000 связан с гидроксиапатитом. Однако тщательного
исследования, которое позволило бы идентифицировать достаточно при-
годные сигналы ЭСР, пока нет. Дополнительных осложнений следует ожи-
дать при определении мощности дозы, так как известно, что кости хорошо
поглощают уран и сильно обогащаются этим элементом. Также имеет место
перекристаллизация гидроксиапатита во фторапатит. Тем не менее суще-
ствуют все еще не использованные возможности для применения метода
(иЦИ 8 Глава 7. Радиационная дозиметрия
ЭСР для костей. Это было показано успешными определениями ЭСР-воз-
раста при исследовании стоянки пекинского человека (Homo erectus pekinensis)
в Чжуокоу-дянь (Zhoukoudian). Для костей лошадей и оленей из различных
слоев профиля Чжуокоу-дяня были получены значения возраста 260-570
тыс. лет (Sales et al., 1989).
Глубоководные отложения. ЭСР-датирование глубоководных отложений
проводится на фораминиферах. Для определения значений возраста до 800
тыс. лет сигнал ЭСР при g = 2,0036, видимо, обладает более подходящими
характеристиками, чем сигнал при g = 2,0006 (Mudelsee et al., 1992). Кривые
роста ЭСР представляют собой функции экспоненциального насыщения.
Рисунок 115, например, показывает результаты ЭСР-датирования колонки
глубоководных осадков. Что касается фораминифер, сигнал при g = 2,0006
дает слишком низкие значения возраста за пределами 100 тыс. лет из-за
термической нестабильности. Точная оценка мощности дозы вызывает труд-
ности главным образом из-за присутствия в осадках 23ОТЬ, нарушения ра-
диоактивного равновесия и уменьшения содержания поровой воды при по-
степенном уплотнении осадков.
Рис. 115. Сравнение ЭСР-значений возраста фораминифер (ЭСР-сигнал при
g = 2,0036) с 5”О-значениями возраста колонки глубоководных осад-
ков на поднятии Саломон, запад Тихого океана. Прямая линия отве-
чает равным значениям возраста (Mudelsee et а!.. 1992; с разрешения
Elsevier Science Ltd., UK).
Кораллы. Для датирования кораллов метод ЭСР часто применяется вме-
сте с методами рядов распада урана. Типичный ЭСР-спектр арагонита пока-
зывает три линии, из которых для датирования предпочтительна линия при
7.3. Электронный спиновый резонанс 319
g - 2,0007. Считается, что при тропических температурах окружающей сре-
ды 26°С она термически стабильна на всем протяжении периода в 500 тыс.
лет и более. Трудности экстраполяции естественной дозы по кривой допол-
нительного роста являются результатом отклонений от простой показатель-
ной функции (Grtin et al., 1992; Walther et al., 1992). Так как ЭСР-спектр, по
всей вероятности, нарушается нестабильностью арагонита и его преобразо-
ванием со временем в кальцит, важно проверять исследуемый коралл с по-
мощью рентгено-дифракционного анализа на присутствие в нем кальцита.
Кораллы содержат незначительные количества тория и калия, и, следова-
тельно, мощность дозы в основном зависит от урана. Содержание урана
обычно составляет около 3 мкг/г и равномерно распределено по колонии
коралла. Поэтому мощность дозы вычисляется напрямую. Это преимуще-
ство, наряду с хорошо выраженным сигналом ЭСР, позволяет датировать
кораллы с точностью 10%. В благоприятных случаях ЭСР-значения возраста
кораллов приближаются почти к 1 млн лет и, таким образом, располагаются
далеко за возрастным диапазоном датирования по рядам распада урана.
По мере приближения к высоким возрастам преобразование арагонита и
тепловая нестабильность играют все большую роль и, следовательно, огра-
ничивают применимость датирования по ЭСР. Иллюстративным примером
возможностей этого метода являются участки кораллового рифа на Барба-
досе (рис. 116). Они расположены на высотах до 100 м выше нынешнего
уровня моря. С увеличением высоты ЭСР-значения возраста увеличиваются
до 625 тыс. лет (Radtke et al., 1988). На основе этих данных по высоте и
возрасту может быть восстановлена история тектонического подъема Барба-
доса в последнее время.
S N
Рис. 116. ЭСР-значения возраста поднятых участков рифа на Барбадосе (Radtke
et al., 1988). ЭСР-значения возраста увеличиваются до 625 тыс. лет
по мере увеличения высоты. Корреляция значений возраста и пре-
вышения точек отбора проб позволяет реконструировать недавний
подъем Барбадоса.
Глава 7. Радиационная дозиметрия
Кластические осадки. Светочувствительные ЭСР-сигналы в зернах квар-
ца и полевого шпата, которые подверглись действию дневного света во вре-
мя переотложения, могут отбеливаться, что позволяет датировать последнее
событие экспонирования светом. В кварце такими центрами являются Ge
центр (# = 1,997) и в меньшей степени Al-центр (Walther and Zilles, 1994).
После 7 ч облучения на солнце Ge-центр полностью отбеливается (Buhay et
al., 1988). Установлено, что термическая стабильность этого центра охваты-
вает интервал значений возраста до 30 млн лет (Shimokawa and Imai, 1987), и
это должно позволить датировать образцы нижнеплейстоценового возраста
(Huang ct al., 1988) китайского лёсса, для которого метод ЭСР дал значения
возраста 0,7—1,4 млн лет. С другой стороны, кварц среднеплейстоценовых
песков продуктивного горизонта в Мауэр (Mauer), содержащего останки Ното
heidelbergensis, не дал никаких заметных ЭСР-сигналов Ge-центра (Walther
and Zilles, 1994), что позволяет предположить, что время жизни этого сигна-
ла является слишком коротким. Сигнал Al-центра этого образца после до-
полнительного облучения еще увеличивался, показывая, что состояние на-
сышения еще не наступило. Однако этот сигнал имеет ограниченное исполь-
зование при датировании из-за трудной и неполной способности к отбелива-
нию. Если принять, что отбеливание происходило под слоем воды, то тогда
для песков Мауэр получается модельный возраст 740 ± 500 тыс. лет (Walther,
1996). Чтобы судить о пригодности Ti-снгнала в кварце для датирования
объекта, требуются дополнительные исследования.
Кремни. Главной составной частью кремня является микрокристалли-
ческий кварц. Значительное количество кремневых артефактов дошло до
нашего времени с признаками нагревания. Так как нагревание стирает боль-
шинство сигналов ЭСР, процессы нагревания могут быть не только доказа-
ны с помощью ЭСР, но и быть датированы. Наиболее благоприятными цен-
трами для датирования являются центры Е' и А1, обладающие высокой тер-
мической стабильностью при нормальной температуре захоронения. Одна-
ко на сигнал Al-центра накладываются сигналы от органических радикалов.
При температурах нагрева более чем 425*С сигнал Е' нарушается сигналом
углеродсодержащего радикала, таким образом, оптимальные требования для
датирования выполняются при температуре нагрева около 400’С. Устране-
ние зоны, которая подвергалась действию света и внешних компонентов а и
Д-дозы, достигается удалением по крайней мере нескольких миллиметров
поверхности артефакта Истирание в ступке, видимо, никак не влияет на
сигнал ЭСР. Для определения мощности дозы было предложено измерять
/-радиацию (внешний компонент) и проводить анализы U, Th и К (внут-
реннего компонента) /л situ. Порат и Шварц (Porat and Schwarcz, 1991) ис-
пользовался сигнал Е' (g = 2,0001) образцов кремня из стоянки периода
Мустье в Ибрагиме (Ibrahim), Ливан, и определили ЭСР-значения возраста
от 80 тыс. до 92 тыс. лет, хорошо согласующиеся с независимо определен-
ными возрастами. С другой стороны, отожженный кремень из стоянки эпо-
хи нижнего палеолита Ябруд (Yabroud), Сирия, приводит к слишком моло-
7.3. Электронный спиновый резонанс 321
дым возрастам, что можно объяснить действием процесса исчезновения сиг-
нала или эффектами мощности дозы. По сравнению с ТЛ, датирование ото-
жженного кремня методом ЭСР менее чувствительно к дозе, что неблагопри-
ятно прежде всего для молодого возрастного диапазона. Что касается боль-
ших возрастов приблизительно в 600 тыс. лет, желательна более высокая ста-
бильность сигнала Е'. ЭСР-значения возраста, определенные по центрам Е'
для отожженного кремня из горизонтов VII-XII в Кебара, Израиль, составля-
ющие в среднем 48,5 ± 5,1 тыс. лет, оказываются систематически более низки-
ми, чем значения возраста, определенные по центрам А1 - в среднем 64,6 ± 12
тыс. лет, и ТЛ-значения возраста (разд. 7.1.3). Такое несоответствие может
быть вызвано некоторой потерей сигнала Е' (Porat et al., 1994).
Милонит. Горные породы, связанные с зонами скольжения тектоничес-
ких сдвигов, испытывают очень большие напряжения и сильно измельча-
ются. Чувствительность сигналов ЭСР кварца к давлению используется для
датирования последнего сдвига. Наибольшая чувствительность соответству-
ет пероксицентру (так называемый центр ОНС), за ним следуют центры А1,
Ti и Е'. Кроме механического дробления, вклад в переустановку ЭСР сис-
темы может вносить теплота трения. При ЭСР-датировании эпизода дав-
ления используются тонко истертые пробы милонита с зернистостью око-
ло 100-200 мкм. Гетерогенность внутри разломных зон требует измерения
мощности дозы in situ. С использованием кварца и концентратов полевого
шпата из разломной зоны Этотсугава (Atoisugawa), Япония, датировались
последние движения в этой зоне 65 тыс. лет (fkea et al., 1982). При этом
анализировался сигнал ЭСР-центра Е' (g= 2,001), обладающий стабильнос-
тью в несколько млн лет. Ли и Шварц (Lee and Schwarcz, 1994), работая на
разломной зоне Сан-Габриэль (San Gabriel), Южная Калифорния, показа-
ли, что обнуление сигнала ЭСР зависит от зернистости кварца; из этого
вытекает, что напряжение сдвига само по себе способно обнулить сигналы.
Они получили значения возраста 1173 ± 130, 824 ± 70 и 357 ± 19 тыс. лет в
соответствии с геологически определенной последовательностью событий в
зоне разлома. Возможности ЭСР для датирования псевдотахилитов, связан-
ных с интенсивными разломными движениями, еще не были исследованы.
Вулканиты. С помощью ЭСР процессы вулканизма могут быть датиро-
ваны или непосредственно по недавно сформированным породам, или кос-
венно по ранее существовавшим породам, нагретым в ходе вулканического
события. В этом случае используют кварц, полевой шпат и стекло. Как при-
мер ЭСР-датирования приводится японский комплекс Осака (Osaka) (Toyoda
and Ikeya, 1991). Кварц и плагиоклаз были извлечены из двух слоев тефры.
Устойчивые ЭСР-сигналы связаны с Е'-центрами в кварце и Ti-центрами в
плагиоклазе. ЭСР-значения возраста согласуются со стратиграфией и возра-
стом, определенным методом треков деления (рис. 117). Вулканическое стекло
также использовалось в ЭСР-датировании (Imai et al., 1985). Однако прежде
чем потенциал ЭСР для тефрохронологии может быть оценен, должны быть
проведены дополнительные систематические исследования.
Глава 7. Радиационная дозиметрия
ЭСР-возрост
{млн лет)
0,43-0,64
0,98-1,1
л ол +0,11
°-94 -0,08
нормальная полярность
| | обратная
1ПТПППП переходная
Рис. 117. ЭСР-значения возраста вулканических пеплов и обломочных отло-
жений из разреза Осака, Япония. ЭСР датировки согласуются со стра-
тиграфией и значениями возраста, определенными по трекам деле-
ния (Toyoda and Ikeya, 1991: с разрешения Elsevier Science Ltd., UK).
ГЛАВА 8
ХИМИЧЕСКИЕ
РЕАКЦИИ
Эта группа методов датирования основана на использовании химических
реакций, протекание которых зависит от времени. Если известна скорость
химической реакции, то по состоянию процесса может быть определен воз-
раст системы. Для целей датирования используют главным образом хими-
ческие реакции, которые представляют собой составляющие процесса хи-
мического выветривания: диффузию, селективный ионный обмен и окисле-
ние. Кроме того, используется еще одна реакция — рацемизация аминокис-
лот, которая почти не зависит от процессов выветривания. Химические ме-
тоды датирования можно подразделить на две группы. Одна группа, напри-
мер реакция гидратации пород, сложенных силикатами, позволяет опреде-
лять время экспозиции на поверхности земли. С помощью других методов
(например, метода рацемизации для датирования скелетных остатков) изме-
ряется длительность нахождения в земле.
Материалы, содержащие в своем составе силикаты, такие, например, как
обсидиан, находясь в почве или на воздухе, подвергаются действию влаги, в
результате их свежие поверхности модифицируются. Процессы диффузии,
направленные как внутрь силикатной фазы, так и вовне, приводят к форми-
рованию колец выветривания, представленных продуктами химического из-
менения. Первичные петроструктуры при этом более или менее сохраняются.
По мере развития процесса выветривания толщина колец выветривания уве-
личивается. Кроме того, на поверхности могут появляться инкрустации, со-
стоящие из оксидов и гидроксидов. Зачастую термин «кольцо выветривания»
применяется без точного разграничения между селективно-измененным ма-
териалом и новообразованным материалом корки выветривания. Кольца вы-
ветривания могут быть выявлены как на макроскопическом (например, пати-
на на поверхности кремнистых материалов), так и на микроскопическом уровне
(например; ореолы гидратации). Иногда они могут быть выявлены только с
применением специфической аналитической техники, такой как ядерный
магнитный резонанс. Для обозначения явно окрашенных пленок на поверх-
ности какого-либо предмета, возникших в результате его старения часто при-
меняется неточный термин «патина». Зависящими от времени параметрами,
являются толщина такой пленки и ее состав.
Период, который при этом удается датировать, соответствует интервалу
времени, в течение которого исследуемая поверхность подвергалась воздей-
ствию агентов выветривания.
324 Глава 8. Химические реакции
На захороненные в почве пористые скелетные остатки оказывает влия-
ние проникающая почвенная влага, особенно грунтовые воды. При этом
неорганическое костное вещество вовлекается в реакции обмена, а органи-
ческие компоненты подвергаются процессам разложения. Аминокислоты,
которые являются продуктами разложения протеинов, подвержены рацеми-
зации. Аналитическое определение зависящей от времени степени обогаще-
ния или обеднения вещества элементами и молекулами, участвующими в
этих химических реакциях, позволяет оценивать время, прошедшее после
захоронения.
Главной сложностью при использовании этих реакций в целях опреде-
ления возраста является зависимость скорости реакций от многих факторов.
Интенсивность протекания реакции зависит, помимо особенностей состава
и структуры материала, который предстоит датировать, от факторов окру-
жающей среды, таких как: температура, содержание воды, значение pH,
окислительно-восстановительные условия, природа и концентрация раство-
ренных веществ, проницаемость среды захоронения и других. Помимо того,
что влияние каждого из этих факторов по отдельности трудно оценить, еще
более усложняет ситуацию их непостоянство во времени. Только в исклю-
чительных случаях оказывается возможным непосредственно считать пока-
зания химических часов и получить количественную оценку. В большей
мере они подходят для полуколичественного или относительного определе-
ния возраста. Чтобы повысить точность химических часов предпринима-
лись попытки достичь лучшего понимания кинетики отдельных процессов.
Ниже будут кратко рассмотрены некоторые основные термины и понятия
реакционной кинетики.
Кинетика реакций. Химическая реакция (А -> В) преобразования исход-
ного вещества А в продукт В протекает с определенной скоростью v. В ходе
реакции ее скорость непрерывно изменяется. Если символами [А] и [В] обо-
значить концентрации двух реагирующих веществ, то скорость реакции бу-
дет пропорциональна расходу исходного вещества -d (А] или образованию
продукта реакции +</ [В] за единицу времени Л, т.е.:
v = -d \K\/dt = [BJ/Л. (52)
Скорость однонаправленной реакции пропорциональна концентрации
исходного вещества, причем фактор пропорциональности а называется ко-
эффициентом скорости реакции, т.е.:
v = - J (AJ/t/r = о | Ар, (53)
где а имеет специфическое значение для определенной реакции при данной
температуре. Показатель степени п при реагирующем веществе в уравнении
(53) указывает порядок реакции. В соответствии с этим различаются реак-
Глава 8. Химические реакции 325
ции первого порядка (v = а (А]), реакции второго порядка (v = а (Ар) и в
общем случае реакции л-порядка (v = а (А)Л). Порядок реакции зависит от
ее типа.
Примерами реакций первого порядка являются реакция рацемизации и
радиоактивный распад. Преобразование уравнения (53) для п = 1 дает:
|А] = (А10е-
(54)
т.е. концентрация компонента |А] экспоненциально уменьшается во време-
ни от своего начального значения [А]о (рис. 118). В графическом представ-
лении вместо линейной шкалы удобно использовать полулогарифмическую
диаграмму, где как функция времени на график наносится параметр
In ((А]/(А]0). При таком способе изображения все данные располагаются
вдоль прямой линии, а не экспоненты, как в линейном масштабе. Наклон
прямой линии характеризует коэффициент скорости реакции. Для реакций
первого порядка коэффициент реакции может быть выражен либо через
время полуреакции (время, в течение которого половина исходного количе-
ства реагирующего вещества будет израсходована независимо от его началь-
ной концентрации), либо через среднее время существования (время, по
прошествии которого непрореагировавшей останется только часть исходно-
Рис. 118. В кинетической реакции первого порядка концентрация исходного
вещества ’А|, отнесенная к своей начальной величине (А)о, экспонен-
циально уменьшается до половины своего значения по прошествии
времени полуреакции ti/2 (левая часть рисунка). Представление этой
функции в полулогарифмическом масштабе In (AJ/[А)о (/) приводит к
появлению прямой линии. Численная величина ее наклона равна ко-
эффициенту скорости реакции (правая часть рисунка).
326 Глава 8. Химические реакции
Если реакция может протекать не только в прямом, но и в обратном
направлении, то общая скорость реакции будет равна разнице между скоро-
стями прямой и обратной реакций v, и v2 соответственно, т.е.:
v = V, - v2> (55)
v=MA| -Д2[В]. (56)
С течением времени обратимые реакции достигают такого состояния,
когда прямая и обратная реакции взаимно компенсируют друг друга. Говоря
другими словами, когда система достигает состояния динамического равно-
весия:
oJAJ = o2|B|. (57)
В состоянии равновесия [А] и (В] постоянны и р - 0, при этом кажется,
что реакция прекратилась. Отношение этих концентраций может быть вы-
ражено как:
[В]/[А|=д,Аг = К, (58)
где К есть зависящая от температуры константа равновесия. Если прямая и
обратная реакции характеризуются одинаковыми коэффициентами скорос-
ти, то К = 1 при равных количествах обоих реагирующих веществ в состоя-
нии равновесия.
Диффузия. Различия концентраций отдельных компонентов в твердом
веществе вызывают выравнивающий их массоперенос, так называемую хи-
мическую диффузию. Процессы диффузии контролируются законами кине-
тики. Перенос вещества описывается двумя законами Фика. Поток ионов
или молекул dn/dt, диффундирующих через единицу поперечного сечения,
пропорционален коэффициенту диффузии D (см2/с) и градиенту концент-
раций, который в нестационарных системах зависит от времени. При опре-
деленных граничных условиях средняя длина пробега диффундирующих ато-
мов может быть описана зависящим от времени параболическим законом:
х2 = 2D t. (59)
В твердых веществах диффузионный процесс следует рассматривать как
изменение положения атомов, при котором подвижность эндогенных и эк-
зогенных составляющих твердого тела в связи с меньшей энергией связи
сильнее проявляется на поверхности (поверхностная диффузия) по сравне-
нию с внутренними частями твердого тела (объемная диффузия, диффузия
через кристаллическую решетку). Диффузия вдоль границ зерен (диффузия
по границам зерен) требует наименьших затрат энергии, что схематически
изображено на рис. 119.
Глава 8. Химические реакции
Рнс. 119. Схема диффузии вещества на поверхности твердого зела в его объе-
ме (в кристаллической решетке) и вдоль границ зерен в приповерх-
ностной части поли кристаллической породы (Меуег, 1968). Веще-
ство поступает в породу извне в связи с различиями в концентраци-
ях. Различные механизмы диффузии характеризуются разными ско-
ростями. наибольшая из которых соответствует диффузии вдоль гра-
ниц зерен. Внутри зерна скорость диффузии зависит от типа и ори-
ентации (анизотропии) кристалла.
Рнс. 120. В процессе гидратации толщи-
на корки М растет в зависимости от кор-
ня квадратного из времени t (вверху).
График, на котором изображена зави-
симость Л/2 от /, имеет вид прямой ли-
нии, наклон которой равен скорости
гидратации ah (внму).
Глава 8. Химические реакции
Например, гидратация обсидиана представляет собой процесс диффу-
зии. Заимствованные из окружающей среды ионы водорода диффундируют
через поверхность породы. При этом образуется параллельный ее поверхно-
сти фронт диффузии. Толщина М ( - х) корки гидратации растет со време-
нем t в соответствии с выражением:
х3 = Л (60)
т.е. зависит от корня квадратного из времени t (рис. 120). Если квадрат
толщины этой корки М2 нанести на график как функцию времени, то в
результате параболическая кривая ее роста преобразуется в прямую линию,
наклон которой oh(= 2D) отвечает скорости гидратации.
Температурная зависимость скорости и коэффициента диффузии опи-
сывается уравнением Аррениуса:
п=о0е’^г. (61)
Соответственно, скорость реакции экспоненциально растет с ростом
абсолютной температуры Т. Соотношение между Т и а иллюстрируется ди-
аграммой Аррениуса, построенной на рис. 121 для процесса рацемизации,
на которой изображена зависимость In а от Г4. Наклон прямой линии в
этом случае дает непосредственно величину Е/к.
Рис. 121. Корреляция между
коэффициентом скорости ре-
акции 2а^ (левая ось) или пе-
риодом полуреакции г|/2 (пра-
вая ось) процесса рацемизации
аспартовой кислоты и темпе-
ратурой Т (Bada, 1985). На ди-
аграмме Аррениуса, на которой
логарифм скорости реакции
изображен как функция обрат-
ной температуры, эксперимен-
тальные точки могут быть опи-
саны прямой линией. Наклон
этой прямой пропорционален
энергии активации.
8.1. Корки выветривания 329
8.1. Корки выветривания
Одним из классических геологических методов определения возраста явля-
ется оценка состояния и скорости процессов химического выветривания.
Для решения вопросов хронологии четвертичного периода использовались
многообразные явления выветривания (Brooks, 1985). Предпринимались,
например, неоднократные попытки определения длительности процессов
формирования почв, исходя из их мощности, и попытки сделать заключе-
ние о возрасте пород по толщине развивающихся на их поверхностях корок
выветривания.
Когда свежие поверхности пород, такие как ледниковые обломки или
сделанные из кремнезема артефакты, подвергаются действию почвенной или
атмосферной влаги, на них часто развиваются макроскопически различи-
мые корки выветривания. По мере развития процессов выветривания фронт
такой корки передвигается внутрь породы за счет уменьшения объема ее
невыветрелой части. Идея использования толщины таких корок для опреде-
ления возраста по ряду веских причин подвергалась сомнению, поскольку
скорость процессов выветривания зависит от многообразных факторов. В
тех случаях, когда многие из этих факторов постоянны, например для пет-
рографически идентичных объектов, находящихся в условиях одинаковой
температуры, и химических свойств почв, корки выветривания могут отра-
жать возрастную последовательность этих поверхностей. Интервал приме-
нимости данного метода охватывает промежуток времени от 1 тыс. до 500
тыс. лет. Без создания более обширной базы данных и без более точного
понимания теории физико-химических процессов, лежащих в основе про-
цессов формирования корок выветривания, нельзя точно оценить практи-
ческую применимость этого метода датирования. Говоря о процессах вывет-
ривания, следует упомянуть о методе лихенометрии, хотя он и находится вне
круга вопросов, рассматриваемых в этой книге. Размер лишайников можно
использовать для оценки возраста молодых (до нескольких сотен лег) по-
верхностей пород (ВиП and Brandon, 1998).
8.LL Методологическая основа
Наиболее хорошо известными являются корки выветривания на кремнях,
имеющие также название «патина*. Они состоят из легко визуально узнава-
емого поверхностного слоя толщиной не более 1 см, своим цветом резко
контрастирующего с невыветрелой матрицей. Патина на кремнях обычно
имеет белый цвет, однако нередко наблюдаются и окрашенные образова-
ния. Ровная блестящая патина так и называется - «глянцевая патина*. Ана-
литические профили, проходящие через патину и подстилающую матрицу,
указывают на существенные различия в их составе (рис. 122). Процессы
образования патины сложны и до конца не поняты. Большинство авторов
считают главным фактором ее образования выщелачивание аморфной крем-
(030 Глава 8. Химические реакции
ниевой кислоты из микрокристаллических частиц кварца. Возможно, имеет
значение также и диффузия Н*-ионов (гидратация) внутрь кремней и обмен с
ионами щелочных металлов (селективное выщелачивание). Может происхо-
дить также дополнительная сорбция окислов и гидроокислов железа и мар-
ганца на поверхности кремней. При захоронении на кремнях постепенно об-
разуются формирующие патину корки, и, следовательно, становится очевид-
ной возможность связать интенсивность окраски или толщину таких корок,
которые могут достигать нескольких миллиметров, с длительностью процес-
сов выветривания. Однако проблема состоит в том, что толщина корки вы-
ветривания никоим образом не контролируется исключительно параметром
времени. Другие факторы, такие как состав и структура кремней, химия почв
и содержание в них воды, так же как и температура окружающей среды, могут
оказывать более сильное влияние на процесс образования патины, чем про-
сто время. На основании не в полной мере согласующихся результатов экспе-
риментального воспроизведения процессов образования патины Ротгландер
(Rottlander, 1977) пришел к заключению, что толщина патины на кремнях не
является хронологическим критерием, а отражает динамику осадков, в кото-
рых они заключены. В работе (Purdy and Clark, 1987) авторы придерживаются
противоположного взгляда на патину и утверждают, что она является подхо-
дящим объектом для датирования поверхностей при выполнении некоторых
условий захоронения, а также что, в частности, возрастные определения можно
осуществлять путем экспериментального определения кинетических параметров
по аналогии с искусственной гидратацией обсидиана (разд. 8.2.1).
Рис. 122. Химичес-
кий профиль, про-
ходящий через кор-
ку выветривания
кремнистого слан-
ца из Флориды, по-
строенный по ре-
зультатам анализа с
помощью элект-
ронного микроана-
лизатора (Purdy and
Clark, 1987).
& А Корки выветривания 331
На поверхности обломков тонкозернистых базальтов также часто разви-
ваются корки выветривания. Толщина таких корок может составлять более
I см и увеличивается с возрастом отдельных блоков, как показано на приме-
ре базальтов Богемии (Cemohouz and Sole, 1966), попадающих в возрастной
интервал 600-879 тыс. лет. Если толщину корки выветривания М в этом
случае измерять в мм, а возраст t выразить в тыс. лет. то вся совокупность
экспериментальных точек может быть описана математической функцией
М С| log (I + с21), где с, = 4,64 ± 0,05, а с2 =0,010 ± 0,001 (рис. 123).
Многочисленные результаты измерения на гляциальных обломках андезитов
и базальтов, относящихся к двум последним периодам оледенения в западной
части Северной Америки, дают сходные кривые, хотя и с различными значе-
ниями постоянных q и с}. Оба эти исследования выявили, что скорость рас-
пространения фронта выветривания уменьшается со временем. Кривые ока-
зываются подобны тем, которые описывают гидратацию обсидиана (рис. 120),
хотя скорости различаются на два порядка и функции роста степени измене-
ния в том и другом случае не идентичны. Следует подчеркнуть, что все эти
кривые роста были получены экспериментальным путем. До тех пор пока
физико-химические процессы, лежащие в основе формирования корок вы-
ветривания, не будут поняты до конца, эти кривые нельзя переносить в дру-
гие условия и использовать их можно, в лучшем случае, только для относи-
тельного датирования. Наконец, следует упомянуть об опасности того, что с
увеличением возраста корки выветривания становятся более подвержены про-
цессам химического растворения и механического разрушения. В работе
(Colman and Pierce, 1981) полагается, что для базальтов такие явления стано-
вятся превалирующими после 0,5 Ма, ограничивая тем самым интервал вре-
мени, в пределах которого допустимо применение этого метода датирования.
2.4 (—|—|—|—|-1—Г~|—т—|—г—!--1—I—I—I--i—I—I-1--1-\~
Богемия
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Возрсст |iwc лет|
Рис. 123. Соотношение между толщиной корок выветривания и возрастом блоков
ледниковых базальтов Богемии (Cemohouz and Sole, 1966) и района Йел-
лоустоуна, США (Colman and Pierce, 1981). Экспериментальные течки могут
быть описаны логарифмическими кривыми.
|^И2 Глава 8. Химические реакции
8.1. 2. Практические аспекты
Для этого метода датирования пригодны только тонкозернистые породы,
такие как кремни, базальты и андезиты. Весьма важно, чтобы анализируе-
мый материал был отобран из участков с контролируемыми условиями сре-
ды (влажность, температура и ее изменения, величина pH и другие). По-
скольку предполагается, что данный метод датирует возраст возникновения
поверхности, а не возраст самого материала, то исследуемая поверхность не
должна нести на себе никаких признаков растворения или механического
разрушения. Следует также избегать участков поверхности, инкрустирован-
ных окислами железа и марганца, отличающихся темной окраской. Породы
следует разрезать перпендикулярно к их поверхности. Макроскопически
распознаваемые корки выветривания измеряются с помощью стереомик-
роскопа с микрометрическим окуляром. Для микроскопических исследова-
ний используются прозрачные шлифы. Поскольку толщина корки изменя-
ется, следует выполнить несколько замеров для каждого участка поверхнос-
ти. Сопоставление толщины корок выветривания имеет смысл только в том
случае, если исследуется петрографически однородный материал. Следова-
тельно, необходимым предварительным условием всякого определения от-
носительной возрастной последовательности формирования корок вывет-
ривания, основанной на измерении их толщины, является проведение до-
полнительных петрографических и химических анализов.
8.1. 3. Применение
Кремнистые артефакты. Существует обширная литература, посвященная по-
пыткам датирования выполненных из кремнезема артефактов, однако, не-
смотря на очевидную простоту принципа датирования, вплоть до настоящего
времени не было опубликовано практически никаких возрастных данных.
Этот факт ясно показывает, какие трудности возникают при попытках охва-
тить все многообразие факторов окружающей среды, ответственных за про-
цессы выветривания. С момента захоронения высеченных из камня орудий
труда или осколков их свежие поверхности начинают испытывать влияние
процессов выветривания. Толщина корок выветривания должна отражать время
соприкосновения поверхности породы с почвой. В связи с влиянием на про-
цесс образования патины условий окружающей среды эта методика наиболее
применима к исследованию однотипных кремнистых материалов, собранных
из одного и того же места. В работе (Purdy and Clark, 1987) приведен возраст
патины 26 тыс. лет для кремнистого обломка из Флориды, где эта патина
сопоставляется с возрастом патины на наконечнике стрелы, датированном
8,5 тыс. лет. Основываясь на цвете патины на кремнистых артефактах из
Спекберга, Южная Германия, Ротгландер (Rottfander, 1989) различил предме-
ты среднего и верхнего палеолита. В этом случае толщина слоя патины не
коррелирует со стратиграфическим возрастом.
8.2. Гидратация 33^1
Ледниковые обломки. Обломки пород, находящиеся вблизи ледника, ис-
пытывают механические напряжения. Расширение при замерзании находя-
щейся в порах и трещинах воды вызывает раскалывание пород, их абразию
и, следовательно, появление свежих поверхностей. Вслед за отложением этих
обломков и их захоронением в действие вступают процессы химического
выветривания, чему благоприятствует умеренный климат межледниковых
периодов, что приводит к появлению корок выветривания. В связи с тем,
что обломки, образовавшиеся в более ранние периоды оледенения, находи-
лись в такой обстановке более длительное время, корки выветривания, раз-
вивавшиеся на них, должны бы иметь большую толщину, чем корки, воз-
никшие на обломках более поздних ледниковых периодов. Следовательно,
образованные таким образом корки выветривания должны быть потенци-
ально пригодными для относительного датирования. В работе (Colman and
Pierce, 1981) было измерено 7355 корок выветривания на многочисленных
обломках базальтов, отобранных на глубине 20-50 см из ледниковых отло-
жений на западе США. Толщина этих корок варьировалась от 0,1 до 4 мм и,
помимо их возраста, зависела от таких факторов, как петрография пород
(андезиты или базальты, размер зерен), материал, в котором они были захо-
ронены (морены или зандры), и климат. Тем не менее было показано, что
толщина корок выветривания действительно коррелирует со стратиграфи-
ческим возрастом ледниковых отложений и что наиболее важным парамет-
ром, определяющим толщину этих корок, является время захоронения об-
ломков. Тем самым была продемонстрирована возможность различения лед-
никовых обломков, относящихся к различным эпохам оледенения.
8.2. Гидратация
Если свежие поверхности стекла подвергаются воздействию почвенной вла-
ги или воздуха, вода постепенно диффундирует из окружающей среды внутрь
стекла. С течением времени образуется корка гидратации, постепенно про-
никающая в глубину. Измеряя толщину этой видимой под микроскопом
корки, можно определить время начала процесса диффузии, т.е. возраст
поверхности. Если поверхность стекла имеет первичное происхождение, то
таким образом можно определить, в частности, возраст образования самого
стекла. Чаще, однако, приходится иметь дело с датированием вторичных
событий, в которых формируются свежие поверхности стекол, таких как,
например, образование грещин при изготовлении артефактов.
Метод гидратации имеет значение, главным образом, для датирования
обсидиана. На обсидиане наблюдались корки толщиной до 50 мкм, что по-
зволяло проводить измерения возраста в интервале от нескольких сотен лет
до 1 млн лет, в зависимости от скорости гидратации. Скорость гидратации,
в свою очередь, зависит от химического состава стекла и от температуры
окружающей среды. В зависимости от своего химического состава обсидиа-
ны из различных мест проявляют разную способность к гидратации. Обей-
(^ГЗ’34 Глава 8. Химические реакции
дианы одного и того же типа быстрее подвергаются процессам гидратации в
более теплой обстановке захоронения, чем в более холодной. Следует тща-
тельно оценивать влияние состава стекол и температуры окружающей сре-
ды. Поэтому любой случай применения метода гидратации для датирования
тех или иных объектов требует предварительного дифференцирования ис-
ходных материалов, которое часто может быть проведено с помощью хими-
ческого анализа, но иногда и путем обычного визуального контроля.
Возрастная последовательность обсидиановых объектов, имеющих один
и тот же геологический источник и полученных из одного и того же захоро-
нения, может быть непосредственно выведена из толщины корок гидрата-
ции. С другой стороны, для точного определения возраста требуется знание
скорости гидратации. До сих пор не существует методов непосредственной
оценки скорости гидратации, исходя из химического состава стекла и тем-
пературы окружающей среды. Скорость гидратации можно определить дву-
мя путями. Один из них ~ проведение калибровки с использованием иден-
тичного материала известного возраста, отобранного на том же самом мес-
те. Другой возможный подход - экспериментальное определение скорости
гидратации и последующая экстраполяция этих данных в область темпера-
тур окружающей среды. Следует всегда иметь в виду, что последний способ
требует независимого знания об окружающей температуре, что привносит
значительные неопределенности.
Метод гидратации был впервые применен в 1960 году (Friedman and Smith,
1960). По мере накопления данных стало ясно, что химический состав стек-
ла оказывает значительно более существенное влияние на скорость гидрата-
ции, чем это представлялось ранее, и что оно может даже оказаться более
важным, чем влияние температуры окружающей среды захоронения. К на-
стоящему времени накопилось уже более 10000 данных, полученных по об-
сидиану. Однако количественная корреляция между химическим составом
стекла и особенностями процессов гидратации до сих пор не получена, что
и не удивительно, если принять во внимание огромное разнообразие соста-
вов стекол. Аналогично не были исследованы в достаточной мере физичес-
кие и химические аспекты процессов гидратации (Ericson et al., 1976).
В большинстве случаев толщина корки гидратации может быть довольно
легко определена с помощью оптического микроскопа, что позволяет про-
водить исследование обширных серий образцов. В последние годы для этих
целей стали использовать более сложные ядерно-физические методики ис-
следования, обладающие большим разрешением по глубине.
Естественно, датирование обсидиана ограничено вулканическими райо-
нами - местами геологического распространения этих пород - и прилегаю-
щими территориями, куда могло попадать обсидиановое сырье в результате
доисторических торговых отношений. К таким районам относятся прежде
всего Средиземноморье, Ближний Восток, Восточная Африка, Япония, Но-
вая Зеландия и Америка. Помимо решения археологических вопросов, на-
правленных на датирование обсидиановых артефактов, метод гидратации
8.2. Гидратация 33SJ|
применяется также и в области геохронологии с упором на датирование
вулканических извержений и периодов оледенения. Известны также попыт-
ки применения этого метода датирования к объектам, изготовленным из
искусственного стекла.
8.2.1. Методологическая основа
Стекло представляет собой твердое аморфное неорганическое вещество,
состоящее преимущественно из окиси кремния и алюминия, а также из
окислов щелочных и щелочно-земельных металлов. В природе оно образу-
ется при вулканических извержениях и, реже, в результате столкновения с
Землей метеоритов и ударов молний. Искусственное стекло производится
уже на протяжении четырех тысяч лет.
Стекло медленно абсорбирует воду из окружающей среды и таким об-
разом может накапливать до нескольких процентов ее в своем составе; в
случае обсидиана - до 3-4%. Такая абсорбция воды, так называемая гид-
ратация, происходит в форме ее диффузии в непосредственно приповерх-
ностную зону стекла. Корка гидратации возникает на фоне неизмененных
внутренних частей стекла в виде резко очерченного фронта диффузии, па-
раллельного поверхности и легко распознаваемого под микроскопом в по-
ляризованном свете (рис. 124). По мере развития этого процесса диффузия
затравивает постепенно все более глубокие зоны, так что корка диффузии
с течением времени постепенно утолщается. Толщина корки гидратации
М возрастает как функция корня квадратного из времени этого процесса t
(рис. 120):
(62)
где ^обозначает скорость гидратации (мкм2/тыс. лет). Справедливость это-
го соотношения была доказана как результатами измерений на поверхности
обсидиана известного возраста, так и экспериментально (рис. 125). Замед-
ление скорости роста этой корки по мере увеличения ее толщины может
быть качественно понято, если принять во внимание увеличение длины пути
диффузионного переноса.
В связи с механическими напряжениями корки гидратации толщиной
около 50 мкм имеют тенденцию к скалыванию, образуя легко отделяющие-
ся чешуйки. После такого отшелушивания обнажаются свежие поверхнос-
ти, на которых вновь начинаются процессы гидратации. Поэтому примене-
ние метода датирования по коркам гидратации ограничено интервалом вре-
мени, в течение которого корка достигает максимально возможной толщи-
ны. Корки гидратации могут также подвергаться действию почвенных ра-
створов и других агентов, вызывающих выветривание. На корродированных
поверхностях корки различной толщины могут располагаться рядом друг с
другом.
Глава 8. Химические реакции
Рис. 124. Вид корки гид-
ратации на обсидиано-
вом артефакте в опти-
ческом микроскопе.
Этот артефакт относит-
ся к высокогорной куль-
туре майя и был изготов-
лен предположительно
из сырья, добытого в
Эль-Чаял (El Chayal),
Гватемала (J.W. Michels).
Рнс. 125. Экспериментальное определение ско-
рости гидратации двух химически разных об-
сидианов из Кении. Свежие поверхности об-
сидиана были подвержены действию деиони-
зованной веды при температуре 200’С. (Пере-
печатано с разрешения журнала Science).
Температурная зависимость скорости гидратации выражается уравнени-
ем Аррениуса (61). Эта зависимость подтверждается и высокотемператур-
ными экспериментами (рис. 126). Появление Т в качестве показателя степе-
ни означает, что даже малейшие изменения температуры ведут к большим
изменениям скорости гидратации (примерно 10% на градус). Поэтому де-
тальное представление о температурной истории образца является важным
фактором успешного применения метода датирования по коркам гидрата-
ции. Уравнение Аррениуса позволяет экстраполировать экспериментально
определенные для высоких температур данные о скорости гидратации на
нормальные температуры окружающей среды.
8.2. Гидратация 337
Рис. 126. Экспериментально ус-
тановленная зависимость скоро-
сти гидратации от абсолютной
температуры для обсидиана из
Серро-де-лас-Навахас, централь-
ная часть Мексики (Michels et al.,
1983). На диаграмме Аррениуса,
описывающей зависимость In (ah)
от Г‘, экспериментальные точ-
ки располагаются вдоль прямой
линии.
При исследовании глубинных профилей, полученных методом оптичес-
кой эмиссии, при распылении вещества перпендикулярно поверхности об-
сидиана было установлено (Tsong et al., 1978), что процесс гидратации зак-
лючается не только в импрегнировании молекул воды, но и связан с веще-
ственным обменом. Было обнаружено, что вдоль профилей в корках гидра-
тации помимо увеличения содержания воды наблюдается уменьшение со-
держания щелочных элементов. Очевидно, происходят реакции с замеще-
нием водорода щелочными элементами:
Nа*(стекло) + 2Н2О -> Н3О*(стекло) + NaOH, (63)
причем в ходе этого процесса силикатный каркас породы остается практи-
чески незатронутым. В связи с протеканием сложных процессов замещения
на протекание процесса гидратации существенно влияет химический состав
стекла (Ericson et al., 1976). Следовательно, поскольку геохимический состав
обсидиана весьма непостоянен, нет ничего удивительного, что обсидианы
из различных источников могут различаться друг от друга по скорости воз-
действия на них процессов гидратации в 25 раз (< 1-20 мкм2/тыс. лет). На
основании ограниченного набора данных по обсидиану была установлена
корреляция между скоростью гидратации и химическим показателем
мГ338 Глава 8. Химические реакции
SiO2: 45(СаО + MgO) - 20Н2О*, где содержания выражены в (%|, а Н2О*
обозначает связанную воду, присутствующую в негидратированном обсидиа-
не и высвобождающуюся из него при температуре свыше 110*С (Friedman and
Long, 1976) (рис. 127). Однако мы все еще очень далеки от того, чтобы иметь
возможность в общем случае количественно предсказывать поведение стекла
при гидратации, исходя из его химического состава. Влияние состава стекал
на их поведение при гидратации требует знания их химического состава.
С этой целью обычно используют рентгенофлуоресцентный анализ. Часто
при выделении различных типов обсидиана полезными оказываются такие
критерии, как показатель преломления или некоторые оптически распозна-
ваемые признаки (цвет, прозрачность, содержание микролитов).
Рис. 127. Зависимость скоро-
сти гидратации (при темпера-
туре окружающей среды Ю'С)
от химического состава обси-
диана, выраженного как «хи-
мический показатель» (Fried-
man and Long. 1976; с разре-
шения журнала Science).
Другими факторами среды, оказывающими влияние на скорость гид-
ратации и в этой связи заслуживающими упоминания, являются влаж-
ность и химический состав почвы. Хотя влага, находящаяся в воздухе
или почве, влияет на скорость гидратации, в большинстве случаев по-
чвы на глубине около 25 см характеризуются постоянной относитель-
ной влажностью, составляющей 100%, так что влиянием этого фактора
можно пренебречь (Friedman et al., 1994). Химический состав почвы мо-
жет также оказывать некоторое, возможно незначительное, влияние на
гидратацию.
Переписав уравнение (62), получаем уравнения для вычисления возраста:
/ = Л/2 / Z2h,
(64)
8.2. Гидратация 339
и t = М2 (65)
соответственно.
Хронометрическое датирование требует, помимо измерения толщины
корки Му определения скорости гидратации ah; для осуществления после-
днего имеется два подхода.
1. Скорость гидратации калибруется для каждой химической группы, т.е.
по отдельности для каждого источника сырья, и для определенного места
стоянки, характеризующегося своей собственной термической историей,
путем подбора тех же самых материалов, для которых имеются независимые
возрастные определения (прежде всего |4С-значения возраста, но использу-
ется также К-Аг и исторические датировки (Meighan, 1976). Такой набор
данных представляет ценность только для определенных источников обси-
дианового стекла и для определенного места захоронения. При таком под-
ходе точность определения возраста методом измерения толщины корок гид-
ратации, очевидно, зависит от достоверности возрастных данных, выбран-
ных для сопоставления.
2. Другим подходом является датирование методом гидратации, рассмат-
риваемым как независимый метод, для чего необходимо экспериментально
определить скорость гидратации в соответствии с уравнениями (65). Для
каждого выделяемого источника сырьевого материала необходимо, помимо
измерения толщины корки Л/, определить специфические для данного ма-
териала параметры а^и Е (Michels et al., 1983b). Кроме того, требуется сде-
лать допущение относительно температуры окружающей среды. Параметры
гидратации и Е определяются экспериментальным путем при повышен-
ных температурах, при которых гидратация протекает быстрее в соответ-
ствии с законами кинетики. Далее образец обсидиана раскалывается для
получения свежих сколов на части, которые затем подвергаются воздей-
ствию процессов гидратации в течение различного времени (до нескольких
месяцев) при разных температурах (до 250’С). Для этих целей используют
гидротермальные установки высокого давления, в которых выдерживают
образцы с водой (Stevenson et al., 1989). Вслед за этим проводят измерения
искусственно образованных корок гидратации.
При независимом подходе к датированию необходимо, если это возмож-
но, знать термическую историю окружающей среды в процессе гидратации
с точностью порядка ГС, поскольку температура оказывает заметное влия-
ние на скорость гидратации (параметры Т и ah в уравнениях (65)). Оценка
температуры окружающей среды в принципе осложняется суточными и го-
дичными вариациями. Скорость гидратации является экспоненциальной фун-
кцией от Ту следовательно, использование более высоких температур из ус-
тановленного интервала их колебаний приведет к непропорциональному уве-
личению степени воздействия процесса гидратации на вещество. Поэтому
использование обычного среднего значения температуры воздуха или почвы
в качестве температуры окружающей среды недопустимо. Для того чтобы
Глава 8. Химические реакции
обойти эту трудность» используется понятие эффективной температуры сре-
ды Т»фф, представляющей собой то значение температуры, при которой, если
бы она была постоянной в течение всего периода гидратации, степень раз-
вития гидратации соответствовала бы реальной ситуации. Это значение все-
гда превышает среднюю величину интервала колебаний.
Если скорость гидратации известна недостаточно точно, можно опреде-
лить относительный возраст объектов с одинаковым химическим составом,
отобранных в одном и том же месте. Основываясь на данных о толщине
корок гидратации, можно расположить обсидиановые артефакты в возраст-
ной последовательности, отражающей только их относительный возраст. В
случае обнаружения орудий труда, подвергавшихся ремонту и имеющих в
связи с этим разновозрастные поверхности, используя толщину корок гид-
ратации, можно восстановить последовательность, в которой эти отдельные
плоскости подвергались ремонту.
Рис. 128. Профили концентра-
ции водорода, проведенные че-
рез гидратированную поверх-
ность искусственных стекол, за-
регистрированные с помощью
методики ядерного резонанса.
Концентрация водорода с глуби-
ной уменьшается. Следует разли-
чать стекла со ступенчато пони-
жающимся глубинным профилем
(вверху) и стекла с монотонно
убывающими профилями (внизу).
Более старые стекла характери-
зуются более толстыми корками
гидратации (Lanford, 1977; с раз-
решения журнала Science).
Гидратация приводит к увеличению показателя преломления стекла.
Кроме того, в самих корках возникает вызванное напряжениями двулуче-
преломление. Благодаря этим изменившимся оптическим характеристикам
корка легко различается от негидратированного стекла при исследовании в
оптическом, особенно поляризационном, микроскопе. Ядерно-физические
методы анализа используют явления ядерного резонанса атомов водорода,
основанного на реакциях 'H(I5N, или ’H(19F, atf,6O (Lee et al., 1974;
Lanford et al., 1976). Явление резонанса возникает в веществе при его бом-
бардировке ионами ,5N и l9F, обладающими определенной энергией. Если
8.2. Гидратация 341
поверхность гидратированного стекла бомбардируется ионами с резонанс-
ной энергией, в реакцию вступают только атомы водорода, находящиеся на
поверхности, поскольку с увеличением глубины проникновения энергия
ионов понижается и становится меньше резонансной. По мере увеличения
энергии пучка ионов порог резонансной энергии преодолевается последо-
вательно на все более глубоких уровнях, Действуя таким образом, можно
измерять при большом разрешении концентрацию водорода в стекле вдоль
глубинного профиля, перпендикулярного его поверхности (рис. 128). Тол-
щина корок, поддающихся исследованиям с помощью ядерного резонанса,
составляет около 0,05 мкм. Это позволяет датировать относительно молодые
артефакты.
8.2.2. Практические аспекты
Если это возможно, образцы обсидиана следует отбирать с глубины более
30 см от поверхности, с тем чтобы как можно более полно исключить влия-
ние ежедневных колебаний температуры. В частности, следует избегать об-
разцов, испытавших хоть какое-то нагревание солнцем. Точно так же следу-
ет избегать образцов, несущих на себе следы последующего нагревания. Чтобы
избежать исследования поверхностей стекол, корродированных почвенны-
ми растворами, эти поверхности должны быть тщательно исследованы с
помощью сканирующего электронного микроскопа. Признаками коррозии
служат ямки (канавки) выщелачивания и грубая морфология поверхности
стекол.
Для измерения корки гидратации нужно отобрать небольшой осколок с
поверхности стекла, из которого впоследствии надо изготовить шлиф тол-
щиной примерно 0,05 мм, ориентированный перпендикулярно к поверхно-
сти гидратации. Измерения проводятся с помощью поляризационного мик-
роскопа в иммерсионном масле при 500- или 1000-кратном увеличении.
Замеры проводят обычно в разных участках. Использование микрометри-
ческого окуляра позволяет достичь точности измерения ± 0,1 мкм. При не-
котором опыте на подготовку образца и на его измерение требуется всего
15 мин. Применение значительно более сложной ядерно-физической мето-
дики позволяет проводить измерения с точностью ± 0,02 мкм. Эта методика
не применяется при обычном датировании обсидиана, и она более подходит
для решения некоторых специфических вопросов, таких как измерение очень
тонких корок гидратации на очень молодых стеклах. В принципе, эта мето-
дика позволяет проводить неразрушающий анализ, что предоставляет в руки
исследователю возможность изучать процесс образования корки на индиви-
дуальном образце.
Для лаборатории, занимающейся измерениями возраста, очень важно
иметь всю доступную информацию о химическом составе и источнике сы-
рьевого материала. Для химического анализа (рентгенофлуоресцентный, атом-
но-абсорбционный, нейтронно-активационный) от каждого стеклянного
342 Глава 8. Химические реакции
объекта отбирают небольшой фрагмент массой 100—350 мг. Далее проводит
ся сопоставление химического состава исследуемого объекта с существую
щей базой данных для того, чтобы проверить, не известны ли для этогс
обсидиана параметры гидратации. Перевод скорости гидратации, измерен-
ной при температуре Г, на Г,#* осуществляется с использованием формулы
(66.
Поскольку скорость гидратации сильно зависит от температуры, особое
значение для получения достоверных возрастных данных имеет точное зна-
ние закономерностей вариации температуры в пространстве и во времень
на месте отбора образца. Существует несколько способов решить эту про-
блему, но все они должны принимать во внимание тот факт, что по мерс
уменьшения глубины захоронения временные вариации температуры ста-
новятся более ярко выраженными (Stevenson el al., 1989):
I. Годичные колебания температуры регистрируются температурными
датчиками, расположенными в слое, из которого был отобран образец За-
тем частные значения скорости гидратации рассчитываются для небольших
интервалов времени и вычисляется среднее значение для всего периода
(Friedman and Long, 1976).
2. Величина оценивается путем размещения температурных ячеек е
месте отбора образца и интегрируется (если эго возможно) для периода е
один год. В этих ячейках протекают зависящие от температуры реакции,
аналогичные реакции гидратации. Ячейка, сконструированная Амброзом
(Ambrose, 1976, 1980), основана на использовании процесса испарения воды.
3. В качестве альтернативы величина может быть оценена по сред-
негодовой температуре и интервалу колебаний температуры воздуха, используя
уравнение (69), выведенное Ли (Lee, 1969). Все эти методы, в лучшем слу-
чае, учитывают годичные изменения температуры, но не учитывают долго-
временные температурные флуктуации, которые влияют и на глубокозалега-
ющие слои, например, в периоды оледенения.
8.2.3. Применения
Обсидиан. Обсидианы из одного и того же лавового потока обычно харак-
теризуются однородным химическим составом, что в результате приво-
дит к одинаковым скоростям гидратации при одних и тех же температур-
ных условиях. Обсидианы из различных источников распознаются и иден-
тифицируются на основании их химического состава. Для идентифика-
ции геологического источника обсидиана вместо химического анализа
обсидиана можно использовать его показатель преломления п (Friedman
and Obradovich, 1981). На практике обычно приходится рассматривать
довольно ограниченное число возможных источников обсидиана, так что
для их идентификации может быть достаточно даже макроскопических
8.2. Гидратация 34у|
параметров. Метод датирования по коркам гидратации имеет большое
преимущество, заключающееся в том, что он позволяет исследовать боль-
шие серии образцов без значительных затрат времени и средств. Почти
все измерения методом гидратации были проведены на обсидиане — как
из геологических отложений, так и из археологических находок. Суще-
ствуют обширные базы данных, включающие тысячи индивидуальных из-
мерений, например для Северной и Центральной Америки (Meighan and
Scalise, 1988).
Датирование вулканических извержений представляет интерес для геоло-
гии. Для первичных поверхностей стекла из нескольких обсидиановых пото-
ков западной части Северной Америки в работе (Friedman and Obradovich,
1981) были определены значения возраста в интервале от 1200 лет до 1 млн
лет. Эти значения совпадали с возрастами, определенными НС- и К-Аг-мето-
дами. Трудности, которые при этом возникали, обусловлены в основном
сильными колебаниями температуры, воздействовавшей на эти поверхнос-
ти. Темные обсидианы при их облучении солнцем могут нагреваться до вы-
соких температур. При использовании образцов обсидиана и пемзы было
успешно датировано несколько последовательных фаз извержения в кратере
Ньюберри (Newberry Crater), Орегон (Friedman, 1977). Отдельные образцы
разделяются на несколько групп в зависимости от толщины корок гидрата-
ции. Наиболее толстые корки на поверхности датируют процесс застывания
лавы, а более тонкие, развившиеся в трещинах, датируют процесс образова-
ния этих трещин, возникших в результате толчков, сопровождавших извер-
жения вулканов, происходившие поблизости. Такой подход позволил про-
вести детальную хронологическую реконструкцию за последние 6700 лет
истории вулканизма в районе кратера,
Если обсидиановый поток пересекается ледниками, то в нем развива-
ются трещины напряжения, вдоль которых происходит развитие процес-
сов гидратации (Friedman et al., 1973). В районе Обсидианового утеса
(Obsidian Cliff) в Йеллоустоунском национальном парке в трещинах об-
наруживаются корки с различающейся толщиной около 7,9 и 14,5 мкм
(рис. 129). Однако на поверхности обсидианового потока толщина корки
составляет 16,3 мкм. Последние, как полагают, относятся к формирова-
нию обсидиана 176 тыс. лет назад (К-Аг). Развивающиеся вдоль трещин
корки гидратации фиксируют эпохи оледенения, имевшие место пример-
но 40 тыс. и 140 тыс. лет назад. Обсидианы, входящие в состав тилловых
отложений, характеризуются развитием трещин напряжения, возникших
при их переносе ледником. Вскоре после отложения материала морен эти
трещины подверглись процессам гидратации. При исследовании обсидиа-
на из тилловых отложений конечных морен в Пайндейле (Pinedale) и озера
Булл (Bull Lake) в районе Йеллоустоунского парка было установлено су-
ществование двух периодов оледенения примерно 40 тыс. и 140 тыс. лет
назад, которые по времени совпадают с оледенениями по Обсидиановому
утесу, упомянутыми выше (Friedman and Trembour, 1978).
344 Глава 8. Химические реакции
14.5 мкм
140 ± ЗОтмс. лет
Рис. 129. Толщина корок гидратации, развивающихся вдоль трещин в обсиди-
ане из района Обсидианового утеса в Йеллоустоунском националь-
ном парке. Трещины с корками толщиной 14,5 и 7,9 мкм образова-
лись под давлением льда 140 и 40 тыс. лет назад соответственно и
позволяют датировать эти две эпохи оледенения. Обсидиановый по-
ток имеет возраст 176 тыс. лет (К-Ar) (Friedman et al., 1973; с разре-
шения журнала Science).
Если скорость гидратации неизвестна, то толщина корок гидратации,
тем не менее, может быть использована для ответа на вопрос об относитель-
ной хронологии археологических событий и явлений. При условии, что су-
ществует стратиграфически нарушенное скопление обсидиановых артефак-
тов идентичного химического состава, захороненных в осадках с равномер-
но распределенной температурой окружающей среды, можно считать, что
толщина корок гидратации несет в себе ключевую информацию о последо-
вательных стадиях изготовления этих предметов. Появляется также возмож-
ность выделить значительные непродуктивные периоды (Michels and Tsong,
1980). Исследование, проведенное в Восточной Африке, показывает труд-
ности, которые могут возникать при хронометрическом датировании обси-
диана. Восточ но-Африканская рифтовая система характеризуется молодым
вулканизмом. В тесной связи с ним находятся многочисленные проявления
обсидиана, использовавшегося для производства орудий труда с ашельского
периода. С участков Проспект-Фарм (Prospect Farm), Кения, было отобрано
138 обсидиановых артефактов из слоев среднего и нижнего палеолита и нео-
лита, а также из расположенных поблизости геологических источников об-
сидианового сырья (Michels et al., 1983а). С помощью атомно-абсорбцион-
ного спектрального анализа были идентифицированы два источника этого
сырья, А и В. Эти аналитические результаты позволили сгруппировать все
артефакты и скоррелировать их с этими двумя источниками. Такая корреля-
ция могла быть также проведена с использованием некоторых видимых при-
знаков, таких как прозрачность и цвет. Экспериментально установленные ско-
рости гидратации для двух групп обсидианов равны 6,16 (тип А) и 14,80 (тип В)
мкм2/сутки при температуре 20(ГС (рис. 125). Эффективная температура гид-
ратации (= 18,62’С) была рассчитана по уравнению (69) для Тж= 18,2°С и
Лт = 2,4°С (средняя температура августа минус средняя температура марта).
Соответствующие скорости гидратации равны 2,60 и 16,14 мкм2/тыс. лет
соответственно. При исследовании на сканирующем электронном микро-
скопе обсидиан типа А показал многочисленные каверны выщелачивания,
указывающие на поверхностное выветривание. По этой причине изделия из
обсидиана данного типа следует использовать для датирования с большой
осторожностью. Кроме того, одна и та же поверхность давала при измере-
нии различные значения возраста в зависимости от того, в каком участке
проводились измерения толщины корки. Это было вызвано развитием кор-
розионных ямок и частичным уничтожением корок гидратации, в результа-
те чего возникали участки, на которых более тонкие корки чередовались с
зонами, представляющими собой реликты исходной поверхности. Значения
возраста, определенные методом гидратации для обсидиановых артефактов
из Проспект-Фарм, отвечают нескольким фазам в существовании этого по-
селения в интервале от 120 ± 1,7 тыс. лет до 2570 ± 100 лет. Приведенные
ошибки определения возраста (1-2%) не учитывают возможность долговре-
менных колебаний температуры.
Рис. 130. Схематическое изображение ко-
рок гидратации на обсидиановом артефак-
те из Ширатаки, Хоккайдо, Япония (Katsui
and Kondo, 1976). Различие в толщине ко-
рок указывает на возрастную последова-
тельность поверхностей и трещин. Это ка-
менное орудие было, очевидно, дважды пе-
ределано и вновь использовано. Самая
молодая поверхность с коркой толщиной
1,9 мкм соответствует ассоциирующим об-
сидиановым артефактам из посгйомонского
горизонта; более толстые корки отражают
более ранние культурные фазы.
Обсидиановые артефакты, подвергшиеся действию огня либо в процессе
их изготовления, либо позже, характеризуются развитием вызванных этим
346 Глава 8. Химические реакции
огнем тонких трешин, вдоль которых развиваются процессы гидратации.
Следовательно, толщина корок гидратации предоставляет исследователям
средство датирования процессов нагревания. Используя одновременно ме-
тод гидратации и метод треков деления, Судзуки (Suzuki, 1973) провел опре-
деление возраста гидратации нагретых обсидиановых артефактов из докера-
мических археологических стоянок Японии. Один из предметов, относя-
щийся к постйомонской (post-Jomon) культуре Ширатаки (Shirataki) на ост-
рове Хоккайдо (рис. 130), демонстрирует, например, признаки переделки
этого изделия, выраженные в нахождении корок, имеющих разную толщи-
ну. Только корки толщиной 1,9 мкм согласуются с ассоциирующими наход-
ками обсидиана. Поверхности, характеризующиеся более толстыми корка-
ми гидратации, указывают на то, что этот артефакт был изготовлен в более
раннее время и использовался повторно.
Корки гидратации были обнаружены также на базальтовых стеклах
(Morgenstein and Rosendahl, 1976). Эти авторы приводят значения возра-
ста, полученные методом гидратации и для базальтов (от 19086 ± 2180 до
9260 ± 1529 лет), и для отшелушенных корок (вплоть до значений 144 ± 14
лет), для которых скорость гидратации может быть откалибрована с помо-
щью образцов базальтов, относящихся к историческим извержениям.
Искусственные стекла. Гидратация стекла, изготовленного человеком,
очевидно, отличается от процессов в обсидиане, о чем можно судить по
тому, что часто корки не имеют резкого фронта диффузии, который можно
было бы легко различить с помощью оптического микроскопа. Кроме того,
благодаря малому возрасту толщина корок гидратации на них часто имеет
размеры, не превышающие длину световой волны, и поэтому они с помо-
щью оптического микроскопа не могут быть обнаружены. Согласно иссле-
дованиям (Lanford, 1977), применение техники ядерного резонанса позво-
ляет измерять распределение водорода вдоль глубинных профилей даже в
тех случаях, когда толщина корки гидратации не превышает 0,05 мкм.
В искусственных стеклах известного возраста было установлено два типа глу-
бинных профилей - ступенчатый и монотонно убывающий (рис. 128). Оба
типа стекол показывают увеличение толщины корки по мере увеличения воз-
раста. Корреляция между толщиной корки гидратации и возрастом (рис. 131),
при скорости гидратации порядка 3,3 мкм2/тыс. лет, показывает, что возра-
стные определения возможны для стекол, имеющих возраст всего лишь в
несколько десятков лет. Проблемы возникают в связи с сильным непосто-
янством химического состава стекла, что требует опенки скорости гидрата-
ции для каждого отдельного образца. Другое затруднение возникает в связи
с большими колебаниями температуры и почвенной коррозией находок стек-
ла. Поэтому точные определения возраста искусственного стекла методом
гидратации до настоящего времени пока никем получены не были. Имеет
смысл, однако, применять этот метод для проверки стеклянных объектов на
аутентичность. Эта методика может также применяться для исследования
керамической глазури и стекловатых археологических шлаков.
8.3. Подсчет числа прослоев стекла
Рис. 131. Зависимость толщины корок
гидратации от возраста t искусственных
стекол. Наклон линии соответствует ско-
рости гидратации аь - 3,3 мкм2/тыс. лет
(Lanford, 1977; с разрешения журнала
Science).
Возрост (лет)
8.3. Подсчет числа прослоев стекла
Этот метод основан на вызванном процессами выветривания образовании тон-
ких чешуек (ламелей) на поверхности искусственных стекал при их захороне-
нии в почве. Присутствие ламелей вызывает явление иридизации (радужной
окраски). Принимая, что в год может образоваться только одна ламель, путем
подсчета слоев под микроскопом можно определить возраст. Этот возраст бу-
дет отвечать периоду времени, в течение которого стекло испытывало воздей-
ствие процессов выветривания, или, если говорить более точно, длительности
его захоронения в почве. Накопившийся до настоящего времени опыт, однако,
показывает, что в связи с частой нерегулярностью образования ламелей, толь-
ко небольшая часть стекол пригодна для такого способа определения их возра-
ста и что результаты подсчета ламелей не всегда соответствуют возрасту.
Хотя вызванное процессами выветривания явление иридизации было
детально описано в 19 столетии (Fowler, 1880), первые попытки его исполь-
зования для целей определения возраста были предприняты лишь несколь-
ко десятилетий назад (Brill and Hood, 1961), и с тех пор метод применялся
на практике лишь в единичных случаях. До тех пор, пока физические и
химические основы этого метода не будут прояснены, у него нет перспектив
для успешного применения в датировании стекол.
8.3.1. Методологическая основа
Поверхности искусственных стекол, находившихся в течение долгого вре-
мени в почве, часто характеризуются достаточно сильно различающимися
следами выветривания. Некоторые стекла обладают золотой или многоцвет-
ной иридизацией, некоторые бывают покрыты коркой выветривания, тогда
как некоторые выглядят так, как если бы они только что были оплавлены
(Bezborodov, 1975). Интенсивность выветривания зависит, помимо возрас-
та, от многообразных внутренних и внешних факторов, таких как химичес-
кий состав и способ производства стекла, влажность, химический состав
почв, температура и влияние бактерий.
1^348 Глава 8. Химические реакции
Рис. 132. Образованные в процессе выветривания стеклянные ламели на по-
верхности оконного стекла, пролежавшего в почве 288 лет. Микро-
фотография шлифа, вырезанного перпендикулярно поверхности
(Newton, 1971). На поверхности обнаруживаются 65 параллельных
ей ламелей. Расположенный ниже коррозионный карман содержит
еще 220 ламелей. Нижняя поверхность стекла обладает значительно
меньшим количеством стеклянных прослоев.
Вещество, имеющее радужную окраску, состоит из пористого, толщи-
ной не больше нескольких миллиметров, слоя располагающихся параллель-
но поверхности ламелей. В прозрачных шлифах, вырезанных перпендику-
лярно поверхности стекла, легко различаются многочисленные наложенные
8.3. Подсчет числа прослоев стекла 349
прослои стекла толщиной 0,5-20 мкм (рис. 132). Такая слоистая структура,
представленная прослоями полуразложенного стекла, разделенными оста-
точными продуктами реакции с различными показателями преломления,
вызывает явление иридизации, наблюдаемое на старых стеклянных поверх-
ностях (Brewster, 1863). Химические анализы показывают, что корки вывет-
ривания сильно гидратированы (до 23% воды) в отличие от неизмененной
основы стекла, обеднены щелочными и щелочно-земельными элементами и
обогащены железом, алюминием, кальцием и титаном (Geilmann, 1956;
Newton, 1971). Ритмическое чередование слоев разного химического соста-
ва, связанное с их слоистой текстурой, подтверждается результатами анали-
за на электронном микроанализаторе.
Вплоть до настоящего времени процессы, ответственные за образование
ламелей, остаются не до конца понятными. В частности, нет ответа на воп-
рос, растут ли ламели от внутренних частей наружу или в обратном направле-
нии. Предполагается, что периодическое выщелачивание стекла начинается с
его выноса из поверхностных слоев или из центральных частей и что перио-
дический характер этого процесса связан с изменениями физико-химических
условий. Гейлман (Geilmann, 1956) описал два типа выветривания в древне-
римских и средневековых стеклах (рис. 133). Пленочное выветривание характе-
ризуется образованием расположенных параллельно поверхности ламелей,
вызывающих замечательные цвета интерференции. В случае кавернозного вы-
ветривания разрушение поверхности стекла начинается в некоторых благо-
приятных точках и приводит в конце концов к формированию полусферичес-
ких кольцевых систем конусообразных бороздок, заполненных выпуклыми
слоями стекла. Гейлман полагает, что образование ламелей подчиняется за-
кону, аналогичному, в некоторой степени, тому, что обусловливает ритми-
ческое образование колец Лизеганга в гелях. Согласно (Brill and Hood, 1961)
индивидуальные слои образуются в результате годичных колебаний, прежде
всего температуры и влажности окружающей почвы; этот механизм приводит
к дополнительному росту ламелей в направлении внутренних частей стекла за
счет вещества неизмененных его частей. В соответствии с этим строение стек-
лянных ламелей отражает сезонные чередования активных и пассивных эпи-
зодов выветривания. В качестве доказательства этой гипотезы эти авторы
приводят результаты подсчета стеклянных прослоев в стеклах с известным
периодом захоронения. Различные стеклянные объекты колониального вре-
мени показывают соответствие между числом ламелей и временем захороне-
ния (рис. 134). Существование таких корреляций было подтверждено даже
для некоторых средневековых и более древних стекол. Тот факт, что среди
вышеупомянутых стеклянных объектов некоторые были подняты в местах
кораблекрушений, вызывает удивление, поскольку на дне океана сезонные
колебания влажности и температуры отсутствуют. Сложности возникают так-
же в связи с частым отсутствием или неполнотой корок выветривания и с
вариациями числа ламелей на одном и том же образце. На основании иссле-
дования оконных стекол, пролежавших в земле 288 лет (рис. 132), Ньютон
350 Глава 8. Химические реакции
(Newton, 1971) высказал сомнения в том, что образование слоев следует го-
дичному ритму, поскольку даже в тех случаях, когда такие слои существуют,
их число почти всегда меньше длительности периода захоронения этих сте-
кол. В течение года может образоваться меньше или больше одной ламели.
Кроме того, тот факт, что ламели не обязательно располагаются параллельно
поверхности, противоречит представлениям о контролируемом извне меха-
низме их периодического формирования. Newton (1971) приводит данные о
лабораторном эксперименте, в котором богатое натрием стекло обрабатыва-
лось нс содержащими СО2 парами воды в автоклаве в течение 4 ч при темпе-
ратуре !44*С и давлении 4 бар, в ходе которого Образовалось 10 ламелей. Этот
результат привел его к заключению, что ритмическое образование ламелей
происходит не в условиях периодически изменяющихся физико-химических
процессов, а, напротив, является результатом непрерывно протекающего про-
цесса. При этом было заявлено, что скорость образования ламелей в боль-
шинстве случаев составляет менее одной ламели в год и что более высокие
скорости (одна ламель в год) наблюдаются от случая к случаю и лишь в особо
благоприятных температурных условиях.
Рис, 133. Схема строения микроскопического шлифа, приготовленного из
участков поверхности стекла с параллельным поверхности пленоч-
ным выветриванием (слева) и полусферическим кавернозным вы-
ветриванием (справа: а - план, b и с - разрез) (Geilmann, 1956).
<0.2. Практические аспекты
В общем, лишь ограниченное число находок стекла подходит для использо-
вания этого метода. Стекло должно иметь достаточно толстую корку вывет-
ривания. Для определения возраста необходим лишь небольшой обломок,
содержащий всю корку вплоть до неизмененного стекла. Шлифы изготав-
ливаются перпендикулярно поверхности стекла. Подсчет числа прослоев
стекла производится под микроскопом по крайней мере при 100-кратном
увеличении. В связи с тем, что на поверхности может находиться различное
количество ламелей в разных местах, следует изучить несколько участков,
причем наиболее благоприятными из них будут участки с параллельным
поверхности расположением ламелей.
8.3. Подсчет числа прослоев стекла 351
Рис. 134. Подсчет числа стеклянных прослоев на стеклах известного возраста.
На графике показано число ламелей в зависимости от возраста захо-
ронения. Данные с некоторым разбросом располагаются вдоль пря-
мой 1:1. соответствующей образованию одной ламели в год (Brill
and Hood. 1961; с разрешения журнала Nature).
8.3,3. Применение
Искусственное стекло. В работе (Brill and Hood, 1961) исследованы стекла из
трех разных источников; семь стекол, изготовленных в колониальный пери-
од, собранных на местах кораблекрушений и раскопок в Северной Америке,
три исламских стекла из Нишапура, Иран, и одна византийская стеклянная
лампа из Сард (Sardes), Турция. Было подсчитано число стеклянных про-
слоев и установлено хорошее соответствие между полученными результата-
ми и известной или, по крайней мере, оцененной длительностью захороне-
ния (рис. 134). Авторы считают это соответствие веским доводом в пользу
образования одной ламели в год при выветривании. Хотя это оригинальное
исследование было выполнено более 30 лет назад, почти никаких новых
данных, подтверждающих этот вывод, с тех пор получено не было. Напро-
тив, представление об образовании одной ламели в год было подвергнуто
сомнению в работе (Newton, 1971), посвященной исследованию английских
оконных стекол, после пожара находившихся в почве в течение 288 лет.
Только на ограниченном участке одного обломка стекла было обнаружено
352 Глава 8. Химические реакции
число ламелей (285), согласующееся с возрастом. Этот участок представлен
65 плоскими, параллельными поверхности прослоями, находящимися не-
посредственно под поверхностью, и 220 вспученными прослоями в нижеле-
жащем коррозионном кармане (рис. 132). Во всех остальных случаях число
прослоев было меньшим. Многие старые поверхности стекла вообще не
проявляли никакого расслоения. Некоторые другие стекла, однако, подвер-
глись полному выветриванию, так что нетронутого этими процессами стек-
ла не осталось вообще. Согласно (Brill, 1969), древнеримские и византийс-
кие стекла обычно весьма устойчивы к процессам выветривания и не обра-
зуют подходящих корок. Сухие климатические условия Египта предположи-
тельно препятствуют образованию подходящих корок на древнеегипетских
стеклах. Наконец, месопотамские стекла обычно подвергались почти пол-
ному выветриванию, что делает их непригодными для датирования. Брилл
(Brill, 1969) считал, что средневековые и современные (до начала 18 столе-
тия) стекла наиболее приемлемы для их датирования путем подсчета числа
прослоев. К сожалению, применимость этого метода датирования к сделан-
ным человеком стеклам не может быть до сих пор точно оценена, поскольку
имеется очень ограниченное число таких исследований; кроме того, они
дают противоречивые результаты. Тем не менее применение метода подсче-
та прослоев стекла для установления аутентичности древних стеклянных
предметов представляется вполне возможным.
8.4. Диффузия фтора
В этом методе используется процесс диффузии фтора из грунтовых вод в
приповерхностные слои породы в период ее захоронения. Фронт диффузии
фтора по мере увеличения времени захоронения распространяется вглубь
породы. Такая корреляция может быть использована для определения дли-
тельности периода захоронения, т.е. времени, в течение которого поверх-
ность породы испытывала воздействие процессов выветривания. Для того
чтобы это сделать, необходимо измерить толщину фторированной корки.
Эта методика в принципе может быть использована для определения време-
ни изготовления каменных изделий. Однако относительно небольшое коли-
чество примеров исследования силикатных пород (Taylor, 1975) говорит об
этом методе лишь как о методе, в лучшем случае, относительного датирова-
ния. По-видимому, можно применять этот мегод и для хронологического
исследования материала морен.
8.4.1. Методологические аспекты
Фтор присутствует в подземных водах в растворенном состоянии в виде
ионов F", концентрация которых редко превышает 1 мкг/r, хотя в некото-
рых исключительных случаях может достигать 60 мкг/г. В целом установле-
но, что в районах активной вулканической деятельности грунтовые воды
8.4. Диффузия фтора 353
содержат повышенные концентрации фтора. Фтор с поверхности породы
диффундирует внутрь, образуя при этом параллельный поверхности фронт
диффузии, толщина которого постепенно возрастает по мере увеличения
времени захоронения и может достигать нескольких микрометров. Такие
фторированные корки наблюдались в различных силикатных породах, а
именно: в трахитах, фонолитах, дацитах, аркозах, кварцитах и роговиках
(Taylor, 1975). Содержание фтора в таких корках колеблется в интервале
100—900 мкг/г, что во много раз превышает его содержание в неизмененной
породе. На основании их формы различают несколько глубинных профилей
распределения в таких корках: профиль насыщения, профиль, говорящий
об отсутствии состояния насыщения, и, в более редких случаях, переверну-
тый профиль. Тип профиля зависит от концентрации фтора в грунтовых во-
дах и от присутствия гидратированных минералов на поверхности породы.
Глубино (мкм)
Рис. 135. Профиль распределения содержаний фтора по глубине, проведен-
ный перпендикулярно поверхности (верхняя кривая) изютовленного
из трахита каменного артефакта из Сан-Диего, Калифорния (Taylor,
1975). Фтор анализировался методом ядерного резонанса с использо-
ванием реакции ”F(p, Для получения профиля распределения
фтора по глубине энергия протонного пучка непрерывно повыша-
лась. Глубина фронта диффузии определяется как расстояние ЛГ, на
котором разница содержаний фтора в корке и в неизмененном образ-
це становится равной половине своей максимальной величины.
Доказать действительное фторирование таких корок не удавалось до
тех пор, пока не были развиты методы ядерного резонанса, позволяющие
измерять концентрацию фтора с точностью 8% и с разрешением по глуби-
(р54 Глава 8. Химические реакции
не 0,05 мкм. Эта методика основана на использовании ядерной реакции
,9F(p, ct)),6O, которая при ее протекании в обратном направлении исполь-
зуется для анализа водорода в корках гидратации, возникающих на стеклах
(Lee et al, 1974). При анализе на фтор поверхность образца бомбардируется
протонами. Ядерный резонанс возникает при энергии протонов 0,83 МэВ.
у-излучение, генерируемое возбужденными ядрами |6О, пропорционально
концентрации фтора на той глубине, на которой протоны все еше облада-
ют энергией, соответствующей энергии резонанса. При постепенном уве-
личении энергии пучка протонов последовательно реализуются значения
энергии резонанса во все более глубоких слоях. Изменение энергии прото-
нов позволяет проводить с высоким разрешением измерения концентра-
ции фтора вдоль вертикального профиля, проведенного под прямым углом
к поверхности породы (рис. 135). В связи с явлениями интерференции,
возникающими при высоких энергиях протонов, максимальная толщина
корки, которую можно анализировать с помощью этой методики, ограни-
чена 1,2 мкм. Это ограничивает верхний предел определения возраста
10 тыс. лет. Поэтому разработка методики, которая позволила бы исследо-
вать содержание фтора в корках изменения на глубине более 1,2 мкм, была
бы весьма полезной.
Археологичеаая оценка возраста (пет)
Рис. 136. Соотношение между толщиной фронта диффузии фтора и археоло-
гическим возрастом осколков каменных орудий из Сан-Диего, Ка-
лифорния (Taylor. 1975). Использованная для определения содер-
жания фтора методика ядерного резонанса имеет верхний предел
глубины измерения, равный 1,2 мкм.
8,4. Диффузия фтора 355 j)
Непреложным условием применимости такого метода датирования являет-
ся закономерное возрастание толщины корки изменения с возрастом поверх-
ности породы. Для серии осколков каменных орудий известного возраста от
I тыс. до 8 тыс. лет из Южной Калифорнии Тейлор (Taylor, 1975) предположил
существование такой количественной корреляции (рис. 136). Для более строго-
го заключения о существовании такой корреляции помимо создания более об-
ширной базы данных существенным было бы более полное знание механизма
диффузии фтора в полиминеральных породах. Диффузия, возможно, протека-
ет преимущественно вдоль границ зерен. Однако до сих пор все еще нет фунда-
ментальных исследований, которые имели бы делос наиболее важными вопро-
сами, относящимися к этому процессу: в какой мере процессы диффузии кон-
тролируются петрографическими особенностями исследуемого объекта, содер-
жанием фтора в грунтовых водах и температурой окружающей среды. Следова-
тельно, исследование процессов диффузии фтора не достигло еще такого мето-
дологически выверенного состояния, которое было бы достаточным, чтобы счи-
тать этот метод количественным; в лучшем случае, этот метод позволяет прово-
дить только грубое относительное датирование. Ошибочные оценки возраста
могут быть обусловлены потерей тонких (несколько микрометров) корок в ре-
зультате абразии поверхности породы. Тем не менее только в одном случае из
40 изученных поверхностей пород (Taylor, 1975) была выявлена утрата фтори-
рованной корки изменения, в связи с чем риск столкновения с подобной ситу-
ацией можно считать незначительным.
8.4.2. Практические аспекты
Силикатные породы, имеющие поверхности скола, не несущие на себе сле-
дов абразии, произошедшей после их захоронения, являются подходящим
объектом для датирования методом диффузии фтора. Во время захоронения
эти поверхности должны были постоянно подвергаться действию почвен-
ной влаги или подземных вод. С поверхности таких пород отбирают керн
буровых колонок диаметром около 12 мм и длиной 10 мм. Для сравнитель-
ных измерений нужно также отобрать аналогичную пробу из неизмененной
части. Вслед за тем производится химическая очистка отобранных керновых
проб. Затем эти образцы бомбардируются перпендикулярно их поверхности
пучком протонов с ускорителя, настроенного на анализ фтора. Для измере-
ния концентрации фтора по глубине образца энергия пучка протонов не-
прерывно повышается примерно от 0,8 до почти 1 МэВ. Пучок протонов
воздействует на поверхность пробы площадью около 10 мм2.
8.4.3. Применение
Каменные артефакты. После того как осколок каменного орудия или че-
шуйки захоранивается в почве, начинается диффузия фтора из окружающей
среды внутрь его. Следовательно, толщина корки диффузии фтора будет
Глава 8. Химические реакции
содержать в себе информацию о времени воздействия на эту поверхность.
Как было показано в работе, посвященной изучению осколков каменных
орудий (Taylor, 1975), этот метод может быть применен и к исследованию
поверхностей кремнийсодержащих пород, таких как вулканические и плу-
тонические породы, а также аркозы. Изученные в этой работе осколки были
собраны в окрестностях Сан-Диего, США. Толщина корок изменения, не
превышающая 1,2 мкм, по-видимому, коррелирует с их принятыми архео-
логическими датировками, определенными с помощью мС-метода (от 1000
лет н.э. до 6000 лет до н.э.). Этот незначительный по объему массив данных
не позволяет сделать никакого заключения о практическом значении метода
диффузии фтора для количественного или качественного определения воз-
раста осколков пород.
8.5. Диффузия кальция
На поверхности соприкосновения кирпичей и строительного раствора каль-
ций диффундирует из содержащего кальций цемента в содержащий глини-
стые минералы строительный материал. С увеличением возраста фронт диф-
фузии кальция проникает вглубь кирпичей. Этот процесс позволяет опреде-
лить возраст постройки, основываясь на толщине диффузионной корки. Хотя
эта методика находится еще на ранней стадии развития, мы будем все же
ссылаться на нее в дальнейшем. Эта методика возникла как побочный ре-
зультат при исследовании содержащих глины материалов и оценке возмож-
ности их использования для пломбирования резервуаров с отходами ядер-
ных реакторов (Waddell and Fountain, 1984). Небольшое количество измере-
ний, проведенных до настоящего времени на обожженных и высушенных
на воздухе кирпичах возрастом до 4000 лет, не позволяет оценить пригод-
ность этого метода для датирования каменных кладок. Из других потенци-
ально возможных областей применения этого метода следует упомянуть ис-
следования керамических сосудов, раскрашенных белыми красками, содер-
жащими карбонат кальция.
8.5.1. Методологическая основа
На поверхности контакта между глинистыми материалами и содержащим
кальций цементом происходит диффузия растворенного кальция из цемен-
та в глинистые минералы, вызванная заметным градиентом концентрации.
Такие поверхности присутствуют в каменных постройках, возведенных из
обожженного или высушенного на воздухе кирпича, скрепленного содержа-
щим кальций связующим веществом. Такими связующими веществами явля-
ются строительный раствор, алебастр, цемент и штукатурка, содержащие в
качестве главных компонентов СаСО3 или CaSO4. В процессе исследования
глиняных кирпичей различного возраста (70-4000 лет) в работе (Waddell and
Fountain, 1984) были обнаружены фронты диффузии Са толщиной 7-175 мкм.
8.5. Диффузия кальция 357
Толщина корки определяется как расстояние, измеренное перпендикулярно
поверхности контакта, на котором наблюдается градиент концентрации Са.
В пределах корки диффузии наблюдается непрерывное увеличение концен-
трации Са вплоть до 40%. Содержание Са измеряется на электронном мик-
роанализаторе.
Перенос кальция осуществляется в результате следующих процессов: (1)
разложение богатых кальцием компонентов связующего вещества; (2) диф-
фузия ионов Са3* из связующего вещества в глину; и (3) абсорбция ионов
Са2* глиной в обмен на ионы Na* и К*. Диффузия кальция не является
постоянным процессом. Скорость диффузии понижается в результате аб-
сорбции кальция. Помимо этого, присутствие водонепроницаемых включе-
ний в глине, например зерен кварца, замедляет диффузию, благодаря чему
процесс диффузии может происходить неравномерно. Кроме того, скорость
диффузии уменьшается по мере увеличения количества минералов, отло-
жившихся в поровом пространстве. Эти зависящие от времени осложнения
кинетики процесса привели к созданию более правдоподобной концепции
«кажущегося» коэффициента диффузии вместо «реального». «Кажущиеся»
коэффициенты диффузии, оцененные по градиенту кальция в диффузион-
ных корках, составляют примерно 1 мкм3/год и заметно не отличаются друг
от друга в изученных глинистых минералах.
Толщина корки диффузии кальция растет с возрастом кирпичей, по край-
ней мере, в случае исследованных образцов (рис. 137). В интервале до 200
лет эта зависимость имеет квазилинейный характер, но образец возрастом
4000 лет попадает ниже экстраполированной на это время прямой. Имею-
щихся данных недостаточно, чтобы можно было провести математическое
описание кривой роста и оценить ее пригодность для определения возраста.
Рис. 137. Соотношение между
толщиной фронта диффузии
кальция и возрастом глиняных
кирпичей, на поверхности ко-
торых все еще остается цемен-
тирующее вещество ( Waddell
and Fountain. 1984).
8.5,2. Практические аспекты
Представляется, что и обожженные, и высушенные на воздухе кирпичи при-
годны для датирования методом диффузии кальция, при условии что они
постоянно находились в контакте с цементирующим веществом. Подготов-
Глава 8. Химические реакции
ка образцов к измерениям и анализ содержания кальция представляют со-
бой относительно хорошо разработанные процедуры. С помощью биноку-
лярного микроскопа исследуется поверхность соприкосновения глиняных
кирпичей и богатого кальцием цемента и находятся неповрежденные участ-
ки. Из них вырезаются подходящие для исследования образцы размером
5x5x9 мм. После закрепления образца в эпоксидной смоле из него выре-
зается и шлифуется пластина, перпендикулярная поверхности контакта. Кон-
центрация кальция измеряется вдоль глубинных профилей с помощью ме-
тодики электронного микроанализа. Толщина диффузионной корки изме-
ряется в нескольких точках для того, чтобы избежать влияния неоднородно-
сти. При условии, что измерения диффузионной корки проводятся с точно-
стью ± 2 мкм, точность определения возраста по самым оптимистическим
оценкам (Waddell and Fountain, 1984) составит ± 25 лет. Однако существова-
ние однородной кривой роста для различных образцов более чем сомни-
тельно. Опыт, накопленный при работе с другими методами химического
датирования, делает более вероятным предположение, что скорости диффу-
зии варьируются от образца к образцу в зависимости от химического соста-
ва и структуры глинистого материала и условий окружающей среды, таких
как влажность, химический состав почв и температура. Прежде чем приме-
нять эту методику для получения возрастных данных, необходимо провести
еще ряд фундаментальных исследований.
8.5.3. Применение
Кирпичи. Принципиально пригодными для этого метода датирования явля-
ются прессованные и обожженные кирпичи, поверхности которых были
постоянно покрыты содержащим кальций связующим веществом - цемен-
том, алебастром или штукатуркой. При этом датируется не сам по себе ма-
териал, а длительность контакта между кирпичом и связующим веществом,
т.е. время постройки. До настоящего времени было выполнено лишь не-
сколько измерений на образцах известного возраста: один необожженный
кирпич с тонкой коркой извести из Тель-Ифшар (Tel Lfshar), Израиль, и
несколько обожженных кирпичей со строительным раствором из Северной
Америки (рис. 137) (Waddell and Fountain, 1984). Таким образом, метод диф-
фузии кальция может стать чувствительным методом датирования кирпич-
ных стен и руин. Однако практическая применимость этого метода еще дол-
жна быть тщательно проверена.
8.6. Катионное отношение
На поверхности пород, находящихся в условиях пустынного или полупус-
тынного климата, образуются характерные корки выветривания. Этот так
называемый пустынный загар, состоящий из тонких черно-коричневых ко-
рок, со временем испытывает химические изменения, которые, прежде все-
8.6. Катионное отношение 359
го, выражаются в относительной концентрации некоторых катионов. Это
явление позволяет делать заключение о возрасте поверхности пород, ис-
пользуя отношение специфических катионов, в частности (К + Са) / Ti, и,
таким образом, несет в себе важнейшую информацию об истории денуда-
ции пород и о морфогенетической эволюции ландшафта. Строго говоря,
катионный метод позволяет определять только нижний предел (terminus ante
quem) возраста поверхности, поскольку никогда нельзя полностью исклю-
чить, что формирование все еще существующего пустынного загара нача-
лось на какой-то более поздней стадии.
Катионный метод имеет очень короткую историю развития (Dorn and
Whitley, 1983). Как и другие методы химического датирования, катионный
метод требует калибровки, поскольку скорость реакций катионного обмена
зависит от петрографических особенностей пород и от условий окружаю-
щей среды. Обычно для калибровки используют К-Аг-значения возраста
вмещающих пород, возраст известковистых корок, определенный по резуль-
татам исследования равновесия в рядах распада урана, и нС-возраст самого
пустынного загара. Калибровочные кривые имеют значение только для спе-
цифических вмещающих пород и для регионов со схожими климатически-
ми условиями.
Применимость катионного метода датирования ограничена только теми
районами, где действительно образуется пустынный загар. Помимо пустынь
к ним относятся также и сухие высокогорные районы. Для образования пу-
стынного загара необходимо, чтобы поверхности пород оставались непод-
вижными в течение длительного периода времени и чтобы они не испыты-
вали никаких процессов эрозии и денудации. Этот метод успешно приме-
нялся при исследовании обломков пород, наружной поверхности пород,
каменных орудий, моренных глыб и петроглифов, выгравированных на по-
верхности пород, уже покрытой пустынным загаром, и давших начало ново -
му эпизоду образования пустынного загара на обнаженной гравировкой
поверхности. Интервал значений возраста, которые могут быть установлены
катионным методом, составляет от нескольких тыс. лет до млн лет. В связи
с неясностью некоторых фундаментальных вопросов достоверность опреде-
ления возраста пустынного загара методом катионного отношения была
подвергнута сомнению (Bierman and Gillespie, 1994).
8.6.1. Методологическая основа
Важными компонентами пустынного загара являются окислы и гидроокис-
ям железа и марганца, другими компонентами являются глинистые минера-
лы иллит и монтмориллонит и органические вещества. В образовании пус-
тынного загара принимают участие бактерии, лишайники, водоросли и гри-
бы (Krumbein, 1971). Толщина корок пустынного загара обычно составляет
менее 100 мкм. Цвет его колеблется от темно-коричневого до черного. Обычно
в роли носителя катионов в пустынном загаре выступает глинистая фрак-
Глава 8. Химические реакции
ния. Глина выдувается из почвы под действием ветра, образуя пыль, переот-
лагающуюся на поверхности пород. Со временем катионы, входящие в со-
став этой глинистой фракции, испытывают влияние процессов селективно-
го выщелачивания. Различные катионы, участвующие в этих обменных про-
цессах, обладают различной подвижностью. Катионы К*, Na*, Са2* и Mg2*,
например, более легко выщелачиваются, чем Ti4*. Таким образом, отноше-
ние подвижных элементов к неподвижным, такое как (К + Са) / Ti, умень-
шается по мере увеличения возраста поверхности, покрытой пустынным
загаром. Механизм селективного выщелачивания катионов зависит от фак-
торов среды, таких как микроморфология, микроклимат, развитие лишай-
ников и других. Однако выполненные в работе (Bierman and Gillespie, 1994)
измерения покрытых пустынным загаром кремнистых сланцев выходов ко-
ренных пород, а также артефактов и булыжников пустыни Мохаве (Mojave)
не подтвердили существования четких соотношений между катионным от-
ношением и относительным возрастом поверхностей, что не позволяет, по-
видимому, напрямую интерпретировать данные об отношениях катионов
как хронометрические. Для определения возраста анализируют содержания
подвижных катионов К* и Са*, поскольку эти катионы легко измеряются
индуцированным протонами рентгеновским излучением (PIXE). Многообе-
щающей методикой неразрушающего исследования пустынного загара яв-
ляется применение сканирующей электронной микроскопии (SEM) с рент-
гено-флуоресцентным анализом энергетического распределения (EDAX).
Кроме того, применение SEM-EDAX может дать представление о распре-
делении катионов по глубине пустынного загара, если применить ступенча-
тое (5 кэВ) повышение ускоряющего напряжения, начиная с 10 кэВ (Harrington
and Whitney, 1987). Минимальное значение отношения (К+Са) / Ti в таком
профиле рассматривалось как отвечающее самому нижнему слою пустын-
ного загара и использовалось для расчета возраста. Тот факт, что для опре-
деления возраста требуется знать только отношение катионов, а не их абсо-
лютные содержания, позволяет достигать высокой точности измерений с
относительно небольшими техническими затратами.
Калибровку катионного метода лучше всего проводить с помощью УМС-
,4С-исследования того же самого образца пустынного загара (Dorn et al.,
1986). При датировании объектов в интервале до 20 тыс. лет для получения
калибровочной кривой используют K-Ar-значения возраста молодых вулка-
нических пород (Dorn and Whitley, 1983) и данные о равновесиях в рядах
распада урана для известковистых корок (Harrington and Whitney, 1987). Го-
воря о вулканитах, следует принять допущение, что стабильная поверхность
породы несла на себе корку выветривания на протяжении всего периода
времени с момента затвердевания лавы. Калибровочные диаграммы пред-
ставляют собой прямолинейные графики изменения катионного отноше-
ния в зависимости от выраженного в логарифмической шкале времени.
Пример калибровочной кривой приведен на рис. 138. Она была построена
для района пустыни Мохаве, Восточная Калифорния, на основании УМС-
8.6. Катионное отношение 361
,4С- и К-Аг-значений возраста. Такие калибровочные кривые действитель-
ны только для ограниченных районов, где можно предполагать постоянные
скорости ионного обмена как результат более или менее одинаковых клима-
тических условий. Однако даже в климатически закрытых системах могли
происходить сильные колебания скорости реакций под влиянием каких-
либо микроклиматических причин (изолированные ниши, теневая сторона,
микрофауна, влажность и другие).
Рис. 138. Калибровочная кривая для возраста катионных отношений в пус-
тынном загаре из пустыни Мохаве. Отношения (К* + Са2+) / Ti4*
были измерены в образцах с известным К-Ar- и УМС-,4С-возрас-
том. Чтобы определить начальное отношение (экспериментальная
точка у верхнего конца кривой), были проанализированы современ-
ные эоловые отложения пыли. На полулогарифмической диа»рамме
экспериментальные точки попадают на прямую линию. Закис ка-
либровочные кривые имеют только региональную ценность (Dorn
et al., 1986; с разрешения журнала Science).
8.6.2. Практические аспекты
Выбор образцов для катионного метода датирования требует особой тща-
тельности, поскольку достоверность результатов определяется прежде всего
их составом и только затем точностью аналитических определений. Следует
избегать участков усиленного развития микрофлоры, поскольку при этом
существует риск получить аномально низкие значения возраста. Первичная
корка пустынного загара может быть утеряна либо из-за действия органи-
ческих кислот, либо в результате ветровой эрозии. Реальные содержания
катионов в пустынном загаре могут искажаться из-за присутствия во вме-
щающей породе минеральных включений. По этой причине желательно про-
водить тщательное предварительное изучение того же самого образца пус-
тынного загара (Dom et al., 1986). Поверхность образца тщательно отмыва-
ется в дистиллированной воде. Для PIXE-анализа пустынный загар механи-
чески удаляется с поверхности образца под бинокулярным микроскопом с
помощью иголки из карбида вольфрама. Подготовка образца для анализа
катионов требует значительно меньше времени. При этом требуется лишь
высверлить из породы плоский кусок керна диаметром 2 см, захватываю-
щий ее поверхностную и внутреннюю части. Эта поверхность может быть
непосредственно проанализирована после напыления на нее графита. По-
скольку калибровочные диаграммы обычно строятся в полулогарифмичес-
ком масштабе, интервал ошибок определения возраста методом катионных
отношений располагается несимметрично — меньшие ошибки соответству-
ют более низким значениям возраста.
8.6.3. Применение
Поверхности пород. Корки пустынного загара встречаются только на повер-
хности пород, в течение длительных периодов времени не испытывавших
воздействия процессов денудации. Соответственно, метод катионных отно-
шений позволяет определять лишь минимальную длительность периода» в
течение которого поверхность пород была морфогенетически стабильной.
Это открывает возможности получения информации о стабильности участ-
ков земной поверхности для районов с пустынным и полупустынным кли-
матом, особенно о минимальном возрасте основания аллювиальных и кол-
лювиальных конусов выноса, гравийных террас и эоловых отложений. По-
тенциал этого метода в деталях пока не оценен. Первые попытки такого
рода были предприняты в Эспаньола-Бэйсин, Нью-Мехико, и в горах Юкка,
Невада (Harrington and Whitney, 1987).
Морены. Корки выветривания, напоминающие пустынный загар, могут
также образовываться в полуаридных высокогорных районах. Это позволяет
определять возраст эпизодов оледенения в высокогорье в течение плейсто-
ценового периода. При переносе вещества ледником в результате процессов
стирания и скалывания обнажаются свежие поверхности пород. После их
отложения в виде морены более крупные куски пород в течение длительных
промежутков времени испытывают воздействие атмосферы, приводящее к
возникновению пустынного загара и других признаков выщелачивания. Это,
однако, требует зафиксированного, стабильного положения валунов, напри-
мер, на гребне морены. При исследовании морен в восточной Сьерра-Нева-
де, Калифорния (Dom et al., 1987), были опробованы находящиеся в таких
благоприятных участках аплитовые и гранодиоритовые блоки размером «1 м.
Участки поверхности этих блоков, характеризующиеся ростом лишайников
и какими-либо отклонениями в микроэкологии, были изъяты из рассмотре-
ния. Исследование корок выветривания было проведено нс только методом
8.6. Катионное отношение
катионных отношений, но и УМС-‘4С-методом, значительно более совер-
шенным в том плане, что для него требуются более крупные механически
отобранные образцы поверхности блоков (несколько тысяч см3, а не
20 см3, как в методе катионных отношений). Данные, полученные катион-
ным методом, были сопоставлены с калибровочной кривой, построенной
с помошью НС- и К-Аг-данных для этого же самого района. Для эпизода
оледенения Тиога (Tioga) результаты анализа катионного отношения по-
зволили определить значения возраста 13,2 (+3,6/~2,9) (внутренняя море-
на) и 18,5 (+3,5/-2,9) тыс. лет (внешняя морена). Для оледенения Тахоэ
(Tahoe) можно говорить о двух фазах, имевших место около 187 (+42/-34)
и 143 (+17/-16) тыс. лет назад.
Рис. 139. Петроглифы из
Косо-Ранге, Калифорния,
и их возраст, определенный
методом катионных отно-
шений по коркам пустын-
ного загара, возникшим
вновь на выгравированной
поверхности (Dorn and
Whitley, 1983; с разрешения
журнала Nature).
Петроглифы. Вырезание петроглифов на поверхности пород, уже покры-
тых пустынным загаром, обнажает свежие поверхности, на которых вновь
образуется корка пустынного загара. Метод катионного отношения позво-
ляет датировать этот повторно образованный пустынный загар и тем самым
оценить возраст петроглифов. Такая методика была применена к изучению
петроглифов в Косо-Ранге (Coso Range), Южная Калифорния (Dorn and
Whitley, 1983). Учитывая типологические критерии и обращая внимание на
одинаковые климатические условия в отдельных участках существования
таких петроглифов, для исследования были отобраны пять проб. Отноше-
ния (К+Са) / Ti, определенные PIXE-методом, были сопоставлены с калиб-
ровочной кривой, построенной с использованием К-Аг-значений возраста
вулканитов из этого же района. На рис. 139 приведены определенные мето-
дом катионных отношений значения возраста отдельных петроглифов. При-
веденные интервалы значений возраста определяются ошибками измерения
Глава 8. Химические реакции
отношения (К+Са) / Ti. Результаты этого датирования позволяют отнести
эти петроглифы к гораздо более раннему периоду, чем это полагали ранее.
С другой стороны, результаты хронометрического датирования подтвердили
высказанную ранее гипотезу об относительной хронологии стилистики этих
петроглифов.
Каменные артефакты. В восточно-калифорнийской пустыне Мохаве было
отобрано в обшей сложности 167 обломков каменных орудий (состоящих
главным образом из кремнистых сланцев) из шести участков, которые были
потом датированы методом катионных отношений (Dorn et al., 1986). Позже
из каждого артефакта было приготовлено по несколько подобразцов и все
они были проанализированы методом PIXE. Определение возраста по кати-
онным отношениям проводилось путем сопоставления с калибровочной кри-
вой, представительной для этого региона (рис. 138). Сопоставление поверх-
ностей скола и естественных поверхностей одного и того же обломка выя-
вило значительные различия в частных значениях возраста, вычисленных
по катионным отношениям. Наиболее древняя группа артефактов имела
катионные значения возраста, группирующиеся вокруг значений 21, 16 и 14
тыс. лет. Средняя ошибка определения возраста артефактов, обладающих
достаточным количеством пустынного загара для многократных PIXE ана-
лизов, составила «10%. Эти значения возраста, полученные по катионным
отношениям дчя предметов позднего плейстоцена, являются одними из древ-
нейших для поверхностных артефактов Северной Америки и могут свиде-
тельствовать о том, что Юго-Восточная Калифорния была заселена людьми
до периода кловис (Clovis).
8.7. Тест на фтор-уран-азот
Общий термин «тест на фтор-уран-азот» (FUN) охватывает три разные мето-
дики, применяемые для относительного датирования костей, оленьих рогов,
слоновой кости и зубов. Все они основаны на обогащении фтором и ураном и
обеднении азотом скелетов млекопитающих при захоронении. Иногда для оп-
ределения возраста используется только один из этой группы элементов FUN,
и, соответственно, в этом случае говорят о тесте на фтор, на уран или на азот.
Однако в большинстве случаев используется комбинация всех трех тестов.
И скорость, и интенсивность изменения концентраций фтора, урана и
азота в захороненных останках зависят от множества факторов, а именно от
типа и структуры останков, от среды захоронения, от химического состава
грунтовых вод и от температуры окружающей среды. Следовательно, в луч-
шем случае, можно получить относительный возраст, т.е. можно сделать
заключение о том, что тот или иной образец моложе, имеет тот же возраст
или древнее других сопоставляемых с ним образцов. При этом можно сопо-
ставлять только образцы однотипные, т.е. из одинакового материала и нахо-
дившиеся в одинаковых условиях среды. Это требование ограничивает при-
менимость этого метода только находками, собранными преимущественно
8.7. Тест на фтор-уран~азот
из одного и того же места. Возрастной интервал, охватываемый FUN-мето-
дом, простирается от нескольких сотен лет до нескольких млн лет, т.е. этот
метод пригоден для исследования образцов голоцена и плейстоцена.
С начала XIX века известно, что ископаемые кости по мере увеличения
их геологического возраста обогащаются фтором (Fourcroy and Vauquelin,
1806). Небольшое количество исследований такого рода, выполненных в
XIX веке, было в основном забыто, и интерес к анализу содержания фтора,
урана и азота в ископаемых останках скелетов с целью определения их воз-
раста и изучения районов распространения возродился только в середине
прошлого столетия (Oakley, 1948). Вплоть до середины прошлого века ана-
лиз содержания урана и азота для целей датирования не проводился.
8.7.1. Методологическая основа
Метод фтора. Современные кости и прочие скелетные останки содержат край-
не малые количества фтора, как правило, менее 100 мкг/г. После захоронения
в осадках при контакте с грунтовыми водами и влагой вещество скелетных
останков извлекает из воды растворенный в ней фтор. Главный минеральный
компонент костей - смесь карбоната и гидроксиапатита Cas(PO4, СО3)3ОН.
В результате ионного обмена группа F замещает группу ОН в структуре
апатита с образованием более стабильного фторапатита Са5 (РО«, CO3)S F. Этот
процесс ионного обмена протекает непрерывно до тех пор, пока гидрокси-
апатит не преобразуется полностью во фторапатит. При значениях pH, ха-
рактеризующих обычные грунтовые воды, эта реакция необратима. Она может
стать обратимой только в сильно кислой среде. Стехиометрическое содер-
жание фтора во фторапатите составляет 3,8%. Иногда находят кости с со-
держанием фтора до 5%. Такие высокие концентрации, превышающие тео-
ретически максимальное значение, обусловлены, вероятно, присутствием
фторида кальция. Поскольку фтор связан с входящим в состав костей мине-
ралом апатитом, он более или менее равномерно распределен в костном
веществе (Oakley, 1980). Концентрации фтора выражают либо в виде массо-
вых процентов, либо, если они пересчитаны на содержание фосфата (апати-
та), в виде отношения F/P2OS х 100. Скорость вовлечения фтора в костное
вещество зависит и от его природы, и от параметров окружающей среды.
Поэтому корреляция между длительностью периода захоронения и содержа-
нием фтора может наблюдаться только для одинаковых образцов, отобран-
ных из одного и того же места. Одновозрастные останки скелетов, найден-
ные в различных местах, могут содержать сильно различающиеся количе-
ства фтора. На рис. 140 приведены данные для большого количества образ-
цов скелетных останков из разных четвертичных стоянок Европы, показы-
вающие большой разброс содержаний фтора, но в то же время проявляю-
щие определенный возрастной тренд. Как следует из этих данных, исполь-
зование метода фтора позволяет получить представление только об относи-
тельном возрасте и лишь в благоприятных условиях.
366 Глава 8. Химические реакции
Рис. 140. Содержания фтора (отнесенные к содержанию фосфата) в ископае-
мых скелетных останках млекопитающих из различных мест Европы
(исключая Британские острова) в зависимости от их стратиграфи-
ческого возраста (Oakley, 1980). Несмотря на широкий разброс зна-
чений, связанный с различными условиями среды, можно распоз-
нать корреляцию содержания фтора и возраста образна.
Метод урана. Современные зубы и кости содержат малые количества
урана (< 1 мкг/г). После захоронения в водопроницаемых осадках, таких
как песок и гравий, они подвергаются воздействию грунтовых вод, извлекая
из них уран. Уран в соединениях может иметь разные валентности. Эти
соединения характеризуются очень разными химическими свойствами.
В окислительных условиях шестивалентный уран растворим в воде и подви-
жен. В восстановительной среде, однако, четырехвалентный уран образует
нерастворимые соединения. Поглощаемый уран вовлекается главным обра-
зом в структуру костного апатита. Помимо длительности периода захороне-
ния содержание урана в костях зависит также от окислительно-восстанови-
тельных условий, господствующих в среде осадков, и от концентрации ра-
створимого в воде урана. Усвоению урана ископаемыми костями и зубами
8.7. Тест на фтор-уран-азот 367^|
способствует восстановительная микросреда, вызываемая разложением орга-
нических остатков. Содержание урана в ископаемых костях может возрас-
тать на три порядка, достигая -0,1%. Главный эпизод обогащения ураном,
вероятно, имеет место на ранней стадии фоссилизации костных останков.
В результате изменения окислительно-восстановительных условий уран, уже
вовлеченный в состав костей, может быть повторно мобилизован, что выра-
жается в зональном распределении урана (Williams and Marlow, 1987).
Метод азота. В живом состоянии кости и дентин содержат около 5%
азота в составе своего органического вещества — протеина коллагена. После
смерти и последующего захоронения в почве коллаген разлагается с образо-
ванием аминокислот. Аминокислоты выщелачиваются из костной ткани и
содержание азота постепенно понижается, подчиняясь, возможно, экспонен-
циальному закону (Ortner et al., 1972). Скорость разложения зависит от влаж-
ности и величины pH почвы или осадка. В окислительных условиях костная
ткань быстро теряет азот. Помимо этого повышенные температуры и микро-
организмы способствуют уменьшению содержания азота. С течением време-
ни содержание азота понижается до уровня, не поддающегося определению.
8.7.2. Практические аспекты
Методы датирования FUN костей, зубов, слоновой кости и оленьих рогов
служат целям определения больших различий в возрасте между отдельными
объектами, найденными на одном и том же месте, или между схожими пред-
метами, обнаруженными поблизости. Как правило, сам принцип этих мето-
дов предполагает, что только однотипные материалы, отобранные из среды
с одинаковыми седиментологическими, гидрологическими и гидрохимичес-
кими характеристиками, могут использоваться для взаимных сопоставлений
(например, дентин с дентином или пористая кость с другими пористыми
костями с одинаковой историей захоронения). Следует при этом обращать
внимание на всякие признаки, которые могут указывать на любые измене-
ния в пространстве и времени окислительно-восстановительного потенциа-
ла окружающей среды. Скелетные остатки должны находиться в водопро-
ницаемых осадках, таких как песок или гравий. Всякие другие материалы,
содержащие эти останки, такие как глины или известняки, менее благопри-
ятны в связи с пониженной циркуляцией в них воды. Отсутствие почвенной
влаги делает засушливые районы неблагоприятными для тестов на фтор и
уран. Тест на фтор дает ошибочные результаты в вулканических районах,
характеризующихся присутствием грунтовых вод с высокой концентрацией
фтора, особенно в тех случаях, когда высокие температуры тропической зоны
сильно ускоряют процессы ионного обмена (Oakley, 1980). Для исследова-
ния обычно бывает достаточно пробы весом 0,1-1 г. Если исследуются зубы,
то предпочтительным является использование дентина.
Определение содержания фтора может быть проведено различными спо-
собами. а именно методом «мокрой химии» с использованием титрования,
368 Глава 8. Химические реакции
методом рентгеновской дифракции (Oakley, 1980) или методом неупругого
рассеяния протонов (Haddy and Hanson, 1982). Рентгено-дифракционный
метод удобен тем, что является достаточно быстрым, однако он имеет мень-
шую точность. Преимуществом метода рассеяния протонов является его
высокая чувствительность (< I мг/г) и возможность изучать распределение
фтора по глубине. Методы измерения а- и у-активности позволяют легко
определять концентрацию урана; обычно для такого анализа достаточно
несколько граммов исследуемого материала. Эти анализы могут быть прове-
дены также неразрушающими методами на целом объекте. Анализ урана
методом треков деления удобен тем, что он позволяет определять не только
содержание урана, но и его микрораспределение в полированных шлифах
(глава 6). Азот можно анализировать химическим способом, используя ме-
тод Кьелдаля. Важно быть уверенным в том, что материал образца не был
загрязнен какими-либо консервирующими веществами и не контактировал
ни с какими растворителями и клеями. Если есть такая возможность, следу-
ет проводить анализ на все три элемента, поскольку они дополняют друг
друга при оценке возраста.
8.7.3. Применение
Кости и зубы. Возрастные исследования составляющих скелета млекопита-
ющих проводятся в основном с помощью |4С-метода и метода исследования
равновесия в рядах распада урана. По сравнению с этими методами FUN-
тест в настоящее время играет лишь весьма скромную роль. Тем не менее,
имеется довольно обширный массив данных, состоящий из тысяч анализов
F, U и N в ископаемых и современных образцах скелетов, благодаря кото-
рым были получены интересные результаты об их относительном возрасте.
Рихтер (Richter, 1958), например, пытался установить хронологию плейсто-
цена на основании увеличения содержания фтора в четвертичных костях из
Северо-Западной Германии.
Наиболее ярким, как представляется, результатом таких исследований
является разоблачение пильтдаунской фальшивки. В 1911 году в гравийных
отложениях нижнего - среднего плейстоцена вблизи Пильтдауна (Piltdown) в
Сассексе, Великобритания, была «открыта*, как потом обнаружилось, ниж-
няя челюсть человекообразной обезьяны вместе с черепом современного че-
ловека. В травии также находились фаунистические останки млекопитающих
плейстоцена. В течение первой половины XX столетия проблема пильтдаун-
ской находки не только инициировала горячие палеоантропологические де-
баты, но и вызывала также сомнения в ее подлинности. Низкое содержание
фтора (< 0,03% в челюсти, 0,1% в черепе) и умеренное содержание азота (3,9
и 1,4%, соответственно), отличающиеся от аналогичных концентраций в зу-
бах млекопитающих плейстоцена (F: 1,9-2,65%, U: 9—82 мкг/г, N: ниже пре-
дела обнаружения), свидетельствовали о том, что пильтдаунские «ископае-
мые останки гоминид» не могли быть древнее верхнего плейстоцена (Weiner
8.7. Тест на фтор-уран-азот 369
et а!., 1953) и находились, таким образом, в противоречии с остальным ма-
териалом находки. Более юный возраст челюсти и черепа был позже под-
твержден ,4С значениями возраста (500 ± 100 и 620 ± 100 лет до н.э. соответ-
ственно; Oakley, 1980). С другой стороны, сванскомбский (Swanscombe) че-
реп, открытый в 1935 году в межледниковых гольштейнских слоях графства
Кент, Великобритания, классифицированный как Homo sapiens steinheimensis,
дал значения FUN (F: 1,7-1,9%, U: 9-34 мкг/г , N: 0,09-0,18%), согласую-
щиеся с аналитическими результатами, полученными для костей ассоции-
рующей фауны (F: 1,7—2,3%, U: 8-40 мкг/г, N: - 0,2%; Oakley, 1980).
Таблица 8
Место Мотериол F(%) F/P,OS x 100 N(%) и (мкг/г)
Моуэр Нижняя челюсть Homo erectus 1,13 10 0,08 7
heideibergensis Дентин коренных зубов Homo erectus 4,2 13 - -
heideibergensis Череп 2,11 6,6 0,12 9
Patoeoioxodon Клык 1,67-2,36 4,8-7,1 <0,07 13
Patoeoioxodon Коренные зубы Dicerorhinus etruscus 3,06 9,0 0 -
Челюсть Dicerorhinus etruscus 2,21 7,4 <0,01 18
Штойихойм Череп Homo sapiens steinheimensis 1.2 10,2 0,37 2,5
Рог, Bison 1,88 5,9 — -
Челюсть, 1,40 4Д 0 -
Homotherium Кости, 1,98 6,4 0,23 11
Palaeoloxodon Клык, Mammuthus 1,55 4,7 - -
Клык, Eiephos 1,10-2,20 5,5-7,0 - -
Нижняя челюсть Homo heideibergensis* найденная в 1907 году в средне-
плейстоценовых песках Мауэра, Юго-Западная Германия, и ассоциирую-
щая с ней фауна млекопитающих были также исследованы FUN-методом
Oakley (1980). Череп Homo sapiens steinheimensis* обнаруженный в 1933 году, и
ассоциирующая фауна в Штайнхайме (Steinheim), Юго-Западная Германия,
были исследованы точно таким же образом. Следует подчеркнуть, что эти
данные (таблица 8) не могут быть использованы для каких-либо четких воз-
'j^370 Глава 8. Химические реакции
растных оценок, тем не менее они свидетельствуют о наличии внутренней
согласованности между двумя находками гоминид и среднеплейстоценовой
фауны по отношению к FUN-тестам.
8.8. Рацемизация
Основными компонентами протеинов являются аминокислоты. Они встре-
чаются в виде двух ассоциаций молекул, идентичных по составу, но имею-
щих различную структуру с взаимной зеркальной симметрией. По аналогии
с левой и правой рукой эти две конфигурации называются конфигурациями
L- и D-типа. Аминокислоты протеинов всех живых организмов состоят по-
чти исключительно из молекул, относящихся к L-конфигурации. Состоя-
ние, при котором реализуется только один из двух типов строения, является
термодинамически неустойчивым, поэтому с течением времени устанавли-
вается равновесное состояние, при котором обе конфигурации присутству-
ют в равных количествах. Эта реакция носит название рацемизации. При
определенной скорости этой реакции степень рацемизации дает в руки ис-
следователя ключ для определения возраста.
Термин «рацемизация» означает реакцию, в ходе которой оптически
активная смесь преобразуется в оптически неактивную «рацемическую
смесь» (от латинского названия кисти винограда racemus, в котором была
обнаружена впервые винная кислота). В оптически активных смесях пре-
валирует одна из конфигураций, тогда как неактивные смеси содержат
D- и L-молекулы в равных количествах. Это явление впервые наблюдали
Майкл и Винг (Michael and Wing, 1884), когда они перевели оптически
активную аспарагиновую кислоту в неактивную путем ее нагревания.
Абельсон, обнаруживший аминокислоты в ископаемых останках, впер-
вые предложил использовать временную зависимость процесса рацеми-
зации для определения возраста (Abelson, 1954). Эта идея находит свое
применение при датировании костей и других материалов с 70-х годов
прошлого века (Bada and Schroeder, 1975). Первоначальные ожидания,
однако, не оправдались, поскольку процесс рацемизации имеет ограни-
ченную применимость к решению проблемы численного датирования.
Как и в любой другой химической реакции, скорость реакции рацемиза-
ции контролируется физическими и химическими условиями окружаю-
щей среды, главную роль среди которых играет температура. Успешное
применение этого метода датирования требует не только знания скорос-
тей соответствуюших реакций, но и температурной истории исследуемых
образцов. В большинстве случаев термическая история в период захоро-
нения ископаемых останков известна недостаточно хорошо, чтобы обес-
печить точное определение возраста. С другой стороны, образцы, имею-
щие одинаковую термическую историю, т.е. отобранные из одного и того
же места, могут быть использованы для определения их относительного
возраста по степени их рацемизации.
8.8. Рацемизация 371
Аминокислоты входят в состав ископаемых скелетов. Особенно благо-
приятными для определения возраста являются кости, зубы, раковины мол-
люсков и скорлупа птичьих яиц. Интервал определяемых значений возраста
зависит от скорости реакции рацемизации, которая заметно различается для
отдельных аминокислот. Следовательно, в зависимости от типа анализируе-
мых аминокислот можно датировать образцы в интервале от нескольких лет
до нескольких млн лет. Потенциал метода датирования археологических
образцов по степени рацемизации аминокислот изложен в работе (Johnson
and Miller, 1997).
8.8.1. Методологическая основа
В процессах биоминерализации твердых тканей активную роль играют про-
теины. В живых организмах в образовании протеинов (полипептидов) кос-
тей, зубов, волос и твердых раковин участвуют -20 аминокислот. В ходе
диагенетического разложения останков большие протеины разрушаются с
образованием небольших полипептидных цепочек, молекул неаминовых
кислот и свободных аминокислот. Большинство аминокислот («-аминокис-
лоты) содержат асимметричный центральный атом углерода, с которым свя-
заны четыре атома или побочные группы R (рис. 141). Наиболее многочис-
ленными асимметричными «-аминокислотами, характеризующимися сле-
дующими радикалами R, являются:
глицин -Н лейцин -СН2-СН-(СН3)2
аланин -СН, изолейцин -СН-СН-С2Н5
валин -СН-(СН3)2 глютаминовая кислота -СН2-СН2-СООН
аспарагиновая -сн2-соон фенилаланин -СН2-С6-Н5
кислота
Они образуют два оптических изомера, называемых L- и D-энантиоме-
рами. Химические характеристики двух энантиомеров идентичны; однако в
растворенном состоянии они вращают плоскость поляризации света либо
влево, либо вправо в соответствии со своей структурой. Такое их свойство
называется оптической активностью. От него и пошло название терминов,
соответственно L (лат. laevogyrous — «левовращающий») или D (dextrogyrous -
«правовращающий»).
Оптическое преобразование (рацемизация) оптически активных смесей в
оптически неактивные может существенно ускоряться при нагревании. Это
обратимая реакция первого порядка:
L-аминокислота *-> D-аминокислота
со специфическими коэффициентами скорости ах и а2 соответственно, от-
носящимися к взаимным переходам энантимеров аминокислоты. С течени-
ем времени / между двумя энантиомерами постепенно устанавливается ди-
намическое равновесие. Кинетическое уравнение этой реакции имеет вид:
372 Глава 8. Химические реакции
соон 1 ~ СООН 1
NHg — с* — Н Роцемизоция Н - с*-NHg
1 R 1 R
L- оминохислота
D* аминокислота
Рис. 141. Аминокислоты пред-
ставляют собой органические
кислоты с аминогруппами (-
NH2). Так называемые «-ами-
нокислоты (например, аспара-
гиновая кислота) содержат кар-
боксильную группу при цент-
ральном асимметричном атоме
углерода, атом водорода и ра-
дикал, поэтому возможны два
зеркальных изомера этих соеди-
нений, которые могут обрати-
мо переходить друг в друга в
процессе рацемизации (а). Если
рассматривать изолейцин с дву-
мя асимметричными атомами
углерода, то эта реакция затра-
гивает только cr-атом углерода.
L-изолейцин преобразуется в
D-аллоизолейнин. Такая обра-
тимая реакция называется ре-
акцией эпимеризации (д). Сво-
бодные аминокислоты ископа-
емых костных останков образу-
ются при гидролитическом раз-
ложении протеинов (с) (Miller
and Brigham-Grette, 1989; с раз-
решения издательства Elsevier
Science Ltd.).
а
L-ИЗОЛ9ЙЦИН
DA. смесь * tOO
ф ж хиральиый углерод
R * радикальной группа
соон
I
nh2- С*-Н
Рацемизация
н- С*-СН3
С2Н5
D-изолейцин
СООН
I
H-C*-NH2
Н-С*-СН3
С2Н5
смесь. 1.30 ь.OS
Ф хиральиый углерод
СООН
I
H-c*-NH2
СН3-С*-Н
^5
Высокомолекулярные
полипептиды О-О-О-О-О-О'О-О-О-О-О-О
| PtrtHgO |
ооооо
Низкомолекулярные
лопипеггиды
Свободные о о q
аминокислоты
0-0 0 0
In KI + D/L) / (1 - К D/L)] - In KI + D/L) / (1 - KD/L)]0= (1 + К) a, I, (67)
где D/L есть отношение энантиомеров аминокислот в определенное время /,
а К = а, /а2 представляет собой константу равновесия. Выражение
In [(1 + D/L) / (1 - К D/L)]o означает возможность того, что начальное
отношение D/L могло не быть равным нулю в момент времени /0 либо что
некоторая степень рацемизации могла возникнуть уже в процессе анализа.
Для большинства аминокислот (за исключением диастереомеров амино-
кислот, содержащих более одного асимметричного атома углерода, таких
8.8. Рацемизация 373
как изолейцин и гидроксипролин, рацемизацию которых было бы правиль-
нее называть эпимеризацией) оба коэффициента реакции равны, так что
уравнение (67) может быть упрощено до:
In [(I + D/L) / (1 - D/L)] - In К1 + D/L) / (1 - D/L)]o= 2а t. (68)
Коэффициент 2а называется скоростью рацемизации и для опреде-
ленных условий среды (Т, значение pH) может быть выражен как период
полусуществования (rt/2 = 0,693/^J.
Рис. 142. Аминокислоты живых организмов состоят только из L-энантиоме-
ров. После смерти организмов количество L-энантиомеров умень-
шается экспоненциально во времени (представлено в единицах .по-
лупериода рацемизации) до половины своего исходного количества,
а количество D-энантиомера растет. Отношение D/L D- и L-энан-
гиомеров возрастает от нуля до D/L = I и может служить мерой
прошедшего времени.
Зависимость скорости реакции рацемизации от времени лежит в основе
этого метода датирования. В живых организмах аминокислоты представле-
ны почти исключительно L-энантиомерами. После отмирания организмов
начинается процесс рацемизации: L-энантиомеры переходят в D-энантио-
меры и наоборот, до тех пор пока их количества не сравняются. Убывание
количества L-энантиомеров и образование D-энантиомеров происходит в
соответствии с экспоненциальными законами, характерными для кинети-
ческих реакций первого порядка, следовательно, степень рацемизации D/L
также возрастает по экспоненте (рис. 142). При отношение D/L равно
0,33, после 5/)/2 оно возрастает уже до 0,94. Время, прошедшее с момента
отмирания организма, может быть выведено из степени рацемизации D/L с
Глава 8. Химические реакции
помощью уравнения (68). Различные аминокислоты различаются по скоро-
сти рацемизации (таблица 9). Поскольку с помощью этого метода можно
определять значения возраста до -5/|/=» можно проводить измерения возрас-
та в интервале от 10 лет до 1 млн лет. В таблице 9 приведены значения
периодов полусуществования некоторых обычно используемых аминокис-
лот при разных условиях окружающей среды. Степень рацемизации аспара-
гиновой кислоты, аланина и лейцина дает также основания судить о том,
сохранил ли ископаемый костный материал эндогенную DNA, что может
быть использовано при палеогенетичсских исследованиях (Poinaret al., 1996).
Рис. 143. Рацемизация аспарагиновой кислоты в ископаемых костях б зависи-
мости от возраста (Bada, 1985). Приведены данные для костей из
двух различных регионов с разными температурами почвы: Судана и
Филиппин с 26-27*С (крестики), и Аризоны с температурой 18°С
(кружки). Скорость рацемизации (наклон прямых) увеличивается с
температурой почвы. D/L = 1/3 (показано стрелкой) отвечает соот-
ветствующей величине ff/J.
Вместо построения линейного графика зависимости степени рацемиза-
ции от времени часто используют полулогарифмическую диаграмму, на кото-
рой изображается зависимость от времени функции In [(1 -I- D/L)/( 1 - D/L)].
Согласно уравнению (68) все экспериментальные точки располагаются на
прямой, наклон которой определяет скорость рацемизации (рис. 143). По-
мимо кинетических реакций первого порядка наблюдаются также реакции с
более сложной кинетикой, например в случае с фораминиферами. Хотя в
Таблица 9. Полупериоды рацемизации некоторых аминокислот
Материал Среда Аспарагиновая кислота Аланин Изолейцин Ссылка
Свободная аминокислота 100‘С, pH 7-8 30 суток 120 суток 300 суток (Bodo, 1984)
Современные зубы In vivo 630 лет, 350 лет (Gillard et al., 1991); (Bodo, 1984)
Ископаемые кости Египет, Судан 3,5 тыс. лет 10 тыс. лет - (Bado and Shou, 1980);
Венгрия 13,5 тыс. лет 32 тыс. лет 110 тыс. лет (Csopo et al., 1991)
Восточная Африка 5-200 тыс. лет - 100-300 (Hare et at, 1978); (Bodo, 1981)
тыс. лет
Ко л и форм ийское побережье 30 тыс. лет 100 тыс. лет - (Ike et at, 1979); (Bada e* al., 1979a)
Раковины Южная Флорида - 60 тыс. лет (Mitterer, 1975)
Раковины Арктика - - 300 тыс. лет (Miller ond Hare, 1980)
Сосна Bristlecone Калифорния 30 тыс. лет - - (Zumberge et al., 1980)
Карбонат Глубоководный 100 тыс. лет 200 тыс. лет 200 тыс. лет (Kvenvolden et al., 1973); (Bada and Man, 1980)
8.8. Рацемизация 375
376 Глава 8. Химические реакции
экспериментах, проведенных при температуре свыше 130*С, их кинетика
отвечала реакциям первого порядка, в условиях природной среды процесс
рацемизации имеет более сложный характер (Wehmiller, 1986). Линейное
соотношение между In (D/L) и временем не реализуется, если реакция име-
ет кинетический порядок, отличный от первого. Вплоть до настоящего вре-
мени выполнено очень ограниченное количество исследований с такого рода
сложными системами.
Основной сложностью, присущей этому методу датирования, является
сильная температурная зависимость рацемизации. В соответствии с уравне-
нием Аррениуса (61) коэффициент скорости реакции возрастает с ростом
температуры. Влияние температуры на рацемизацию можно изучить экспе-
риментально, используя образцы, нагревавшиеся при разных температурах
в течение различного времени. На рис. 121 показаны результаты такого экс-
перимента, проведенного с аспарагиновой кислотой, выделенной из кост-
ной ткани. Энергия активации 38 ± 3 ккал/моль, полученная из значения
согласно уравнению (61), говорит о том, что изменение температуры на
ГС приводит к изменению скорости рацемизации на 25%! Столь сильная
температурная зависимость требует знания термической истории образцов
на протяжении всего периода захоронения с точностью лучше ГС, что в
большинстве случаев нереально. В связи с нелинейным характером этого
соотношения подъем температуры влияет на процесс рацемизации также
нелинейно. Следовательно, в случае сезонных колебаний температуры ско-
рость рацемизации контролируется не среднегодовой температурой воздуха
Та, а эффективной температурой окружающей среды (разд. 8.2.1), превыша-
ющей Та. можно вывести из ТЛ и флуктуации температуры /?т - разницы
между самой высокой и самой низкой среднемесячной температурой, вы-
численная для периода в 1 год (Lee, 1969), с помощью уравнения:
Льф= (7; + 1,2316 + 0,1607 Ят) / 1,0645. (69)
На практике численное определение возраста методом рацемизации мо-
жет быть выполнено двумя способами. Первый, независимый, подход тре-
бует экспериментального определения (= 2а) как функции Тдля анали-
зируемой аминокислоты. Подставляя значение которое соответствует
в месте отбора образцов, в уравнение (68), получают по степени раце-
мизации D/L значение возраста /. Такой подход требует знания кинетики
реакции и температурной истории. Он может привести к значительным ошиб-
кам (50-100 %) в связи с сильным влияние.м во многом неизвестной терми-
ческой истории места отбора образцов. При втором подходе скорость раце-
мизации в заданном месте калибруется с помощью образцов известного воз-
раста из того же самого места. Такой подход не требует знания температур-
ной истории, которая может нести в себе значительные неопределенности в
связи с суточными, сезонными и долговременными колебаниями климата,
особенно теми, которые вызываются ледниковыми и межледниковыми не-
8.8. Рацемизация 3^^
риодами. После проведения калибровки скорости рацемизации можно рас-
считать возраст рацемизации образцов, отобранных на этом же месте. Если
такие независимые возрастные стандарты недоступны, отношение
D/L для какой-либо специфической аминокислоты в образцах с идентич-
ными условиями окружающей среды можно использовать для определения
их относительной возрастной последовательности. Такой методологический
подход носит название аминостратиграфии.
Следует упомянуть еще один фактор среды, который может исказить
реальные возрастные данные, - величину pH, хотя ее влияние не столь
заметно, как влияние температуры. В кислых почвах следует ожидать уси-
ленное выщелачивание аминокислот. При захоронении происходит обмен
аминокислотами между материалом образца и окружающей средой, важную
роль в котором играют грунтовые воды. Аминокислоты могут как выщела-
чиваться из костей, так и привноситься в них из окружающей среды. Насы-
щенность почв бактериями является еще одним источником возможного
изменения первичного характера распределения аминокислот. Такие вто-
ричные аминокислоты обычно обогащены L-энантиомерами и, следователь-
но, серьезно нарушают систему датирования. Еще одним осложнением яв-
ляется гидролитическое разложение аминокислот, что в свою очередь влия-
ет на скорость рацемизации. При изучении скелетов палеолита было уста-
новлено (Bada, 1985), что скорость рацемизации аспарагиновой кислоты воз-
растает с увеличением степени разложения. Следовательно, образцы извес-
тного и неизвестного возраста должны не только испытывать влияние иден-
тичных условий среды (это касается значений Т и pH), но и характеризо-
ваться также одинаковой степенью разложения содержащихся в них амино-
кислот. Кроме того, скорость рацемизации зависит и от типа образца. На-
пример, моллюски двух разных родов, имеющие одинаковый возраст и об-
наруженные в пределах одного и того же слоя, могут характеризоваться раз-
личными скоростями рацемизации (Wehmiller, 1986).
8.8.2. Практические аспекты
Найденные на поверхности образцы следует отбраковывать, поскольку они
подвергались сильным колебаниям температуры. Следовательно, следует
отбирать образцы с больших глубин, по крайней мере с глубины I м от
поверхности. Благоприятны для исследования, если иметь в виду их темпе-
ратурную историю, образцы, собранные в пещерах в условиях постоянных
годовых температур. В любом случае, следует категорически избегать образ-
цов со следами нагревания, например, имеющих отношение к приготовле-
нию пищи. Совершенно ясно, что недопустимо нагревание образца в про-
цессе его хранения и подготовки к исследованию. Еще одно осложнение
связано с возможным загрязнением образца современными аминокислота-
ми. Не годятся для исследования образцы, несущие на себе какие-либо сле-
ды воздействия бактерий. Из каждого стратиграфического уровня следует
Глава 8. Химические реакции
отбирать от трех до пяти образцов. Обращаться с образцами следует очень
осторожно, в частности, желательно не прикасаться к ним голыми руками.
Образцы, обработанные какими-либо консервирующими веществами, не-
пригодны для исследования. В связи с возможным влиянием типа образцов
и процессов их диагенетического преобразования следует отбирать различ-
ные образцы, принадлежащие к одному и тому же множеству. Стратегия
первичного отбора должна строиться таким образом, чтобы при этом учи-
тывалась возможность нахождения нескольких родов моллюсков в одном и
том же месте (Miller and Brigham-Grette, 1989). Отдельные находки менее
благоприятны для исследования, чем полные профили, представляющие
различные горизонты и содержащие образцы различного возраста. Более
обстоятельно отобранные пробы позволяют проводить проверку получен-
ных значений возраста, по крайней мере, до некоторой степени.
Рис. 144. Газово-хроматогра-
фическое разделение изопро-
пиловых эфиров из аминокис-
лот, содержащихся в древеси-
не (Rutter et al, 1985). Ala -
аланин; Vai ~ валин; Leu -
лейцин; Asp - аспарагиновая
кислота, Phe - фенилаланин;
Glu — глютаминовая кислота;
Pro - пролин; цифрами указа-
но время диффузии в минутах.
Отношение D/L для каждой
индивидуальной аминокисло-
ты рассчитано по интенсивно-
сти пиков.
Для проведения анализа достаточно пробы массой несколько граммов. В
любом случае, предпочтение следует отдавать компактным кусочкам костей и
раковин моллюсков, поскольку они менее подвержены процессам обмена. В
то же время важно обращать внимание на степень разложения образца, кото-
рая должна быть как можно более низкой. Как было установлено, в морских
двустворчатых моллюсках Chione колебания скорости эпимеризации изолей-
цина, отобранного из различных слоев раковины и даже из разных участков
8.8. Рацемизация 379
одного и того же слоя, достигают 30%, что заставляет очень тщательно выби-
рать место отбора образца для исследования (Goodfriend et al., 1997). После
очистки 0,1—1 г образца растворяют в соляной кислоте для полного гидроли-
тического разложения и образования свободных аминокислот. Разделение
отдельных аминокислот осуществляется методом хроматографии. Добавляя
оптически активные или пассивные компоненты, добиваются преобразова-
ния энантиомеров в их производные, которые в соответствии со своей лету-
честью и полярностью обладают слегка различающимися скоростями диффу-
зии и могут быть разделены хроматографическим способом (рис. 144). Для
этих целей используют различные методики газовой и жидкостной хроматог-
рафии (Miller and Brigham-Grette, 1989). По интенсивности сигналов опреде-
ляется величина отношения D/L, обычно с точностью 2-10%. Предпочти-
тельно анализировать несколько аминокислот из одного и того же образца.
Исходя из различий скорости рацемизации, отношения D/L должны пони-
жаться в последовательности аспарагиновая кислота аланин -> глютамино-
вая кислота лейцин -> аллоизолейцин/изолейцин (Bada, 1985). Такая пос-
ледовательность служит в качестве критерия отсутствия всяких нарушений,
вызванных влиянием температуры или примесями.
8.8.3. Применение
Кости. Кости живущих млекопитающих содержат около 25-30% органичес-
кого вещества, которое в основном состоит из протеина. После отмирания
организма начинается гидролитическое разложение костных протеинов с
образованием свободных аминокислот. Поскольку кости не являются зак-
рытой системой, эти аминокислоты вступают в обмен с окружающей сре-
дой. Даже при прохладной температуре окружающей среды кости полнос-
тью теряют коллаген и продукты его гидролиза не более чем через -1 млн
лет. Как индикатор степени разложения коллагена может быть использова-
на специфическая для него аминокислота 4-гидроксипролин. Из различных
аминокислот при датировании костей наиболее широко используются аспа-
рагиновая кислота и изолейцин. В этой связи следует подчеркнуть, что бла-
годаря различным полупериодам существования аспарагиновая кислота ис-
пользуется в возрастном интервале до 100 тыс. лет, тогда как интервал дати-
рования с использованием изолейцина простирается до ” 1 млн лет.
В 1970-х годах с использованием степени рацемизации аспарагиновой
кислоты был установлен возраст различных скелетов палеоиндейцев Кали-
форнии. Полученные при этом данные вызвали споры относительно при-
менимости метода рацемизации. Человеческие скелеты из стоянок Дель-
Мар (Del Маг) и Саннивэйл (Sunnyvale) были датированы этим методом с
результатом 40-60 тыс. лет (Bada et al., 1974). Расчет значений возраста был
основан на величине скорости рацемизации, откалиброванной с помощью
датированного ,4С-методом черепа из Лагуны (Laguna). Полученные при этом
экстремально высокие скорости рацемизации человеческих костей позво-
Глава 8. Химические реакции
лили дать для периода наиболее ранней колонизации Северной Америки
намного более древние, чем это было принято до сих пор, цифры возраста
-13 тыс. лет тому назад. Определение возраста костей из этих двух стоянок,
проведенное методом урановых серий и УМС-|4С-методом, дало, в отличие
от полученных по аспэ гиновой кислоте возрастов, согласующиеся значе-
ния в голоцене (Bischou and Rosenbauer, 1981; Taylor, 1983). Тем временем
значения возраста, установленные методом рацемизации, были пересмотре-
ны с использованием новых данных для калибровки скорости рацемизации
по результатам УМС-|4С-датирования костей. С использованием пересмотрен-
ного значения к^ = 6,0 х 10‘5 в год для Дель-Мара и Саннивэйла методом
рацемизации были также получены значения возраста в голоцене (Bada, 1985).
В районе ущелья Олдавай (Olduvai) в Танзании значения к^и аспарагино-
вой кислоты, установленные по результатам датирования костей голоцена
|4С-мегодом, равны ~7 х 10~5 в год; однако значения к^ для верхнего плей-
стоцена существенно ниже (1,7 х 1О5 в год), что следует отнести на счет более
низких среднегодовых температур во время последнего оледенения. Исполь-
зование этих значений скорости рацемизации приводит к тому, что возраст,
установленный по аспарагиновой кислоте, хорошо согласуется с |4С-данны-
ми. Беллумини (Belluomini, 1981) провел датирование по степени рацемизации
аспарагиновой кислоты костей гоминид и млекопитающих из нескольких вер-
хнепалеолитических и мезолитических стоянок в Южной Италии. Для каждой
стоянки скорость рацемизации, рассматривавшаяся как полностью отвечаю-
щая специфическим температурным условиям, была определена с помощью
,4С-значений возраста кости. Значения к^и варьировались от 0,46 х 10~5 в год до
1,06 х 10’5 в год. Значения возраста колебались вблизи 5-25 тыс. лет при
хорошей точности порядка 8%. Выпадающие из этого интервала высокие зна-
чения возраста могли быть связаны с нагреванием костей.
При исследовании ископаемых костей из верхнепалеолитической сто-
янки Абри-Пато (Abri Pataud), Франция, наблюдалась слабая корреляция
между скоростями рацемизации аспарагиновой кислоты и |4С-значениями
возраста <Е1 Mansouri et al.. 1996). Представляется, что скорости рацемиза-
ции контролируются типом окружающих осадков (к^ = 0,44 х 10"5 в год для
тонкозернистых и 0,9 х 10‘5 в год для грубозернистых осадков). Скорости
рацемизации аспарагиновой кислоты, образованной из фракции протеинов
с высоким молекулярным весом, намного лучше коррелируют с ,4С значе-
ниями возраста (к^ - 2,1 х 10"5 в год). Представляется также, что рацемиза-
ция аспарагиновой кислоты происходит с задержкой в несколько тысячеле-
тий, вероятно вызванной зависимостью между процессами деградации про-
теинов и рацемизацией аминокислот.
В работе (Csapo et aL, 1991) проведен анализ аминокислот в большом
количестве ископаемых костей, датированных ,4С-методом. из стоянок на
территории Венгрии. Определение отношения D/L для различных амино-
кислот позволило построить калибровочные кривые, действительные для
условий венгерских почв (рис. 145). Отдельные аминокислоты оптимально
8.8. Рацемизация 381
подходят для использования в определенных возрастных интервалах. Гисти-
дин (rJ/2 « 5,5 тыс. лет) подходит для интервала 2-12 тыс. лет, фенилаланин
(/|/2 8,5 тыс. лет) для 3-20 тыс. лет, аспарагиновая кислота (rt/2 = 13,5 тыс.
лет) для 5-35 тыс. лет, аланин (/^ = 32 тыс. лет) для 10-80 тыс. лет, изолей-
цин (г1/2 = 110 тыс. лет) для > 30 тыс. лет и валин </1/2 - 180 тыс. лет) для
> 55 тыс. лет. Для датирования костей предлагается анализировать от двух
до трех аминокислот и вычислять среднее значение (Csapo et ah, 1991).
Рис. 145. Зависимость степени рацемизации D/L фенилаланина, выделенного
из костного коллагена, от независимо определенного возраста (Csapo
et al., 1991). Кривая построена по результатам исследования костей
из стоянок на территории Венгрии и может быть использована в
качестве регионального стандарта при датировании методом раце-
мизации. Аналогичные калибровочные кривые существуют и для
других аминокислот.
Зубы. Скорости рацемизации аспарагиновой кислоты в ассоциирован-
ных зубах и костях одинаковы (Bada et al., 1979b). Для зубов нижнего и
среднего плейстоцена используют отношение скоростей эпимеризации ал-
лоизо/изолейцина, растущее с увеличением стратиграфического возраста до
3 млн лет (Bada, 1985). D-аспарагиновая кислота современных зубов при-
годна для определения длительности жизни индивидуумов. Высокая темпе-
ратура тела 36,5*С приводит к быстрой рацемизации in vivo аспарагиновой
кислоты с периодом г(/3 порядка 500 лет. Используя удаленные коренные
зубы человека, Джиллард и его коллеги (Gillard el al., 1991) выявили суще-
ствование четкого соотношения, математически описываемого как поли-
ном второго порядка, между периодом жизни донора и содержанием аспа-
рагиновой кислоты (рис. /46). Эта кривая позволяет устанавливать возраст
умершего с ошибкой в 4 года. Этот метод был проверен на трех индивидуу-
мах, длительность жизни которых была исследователям неизвестна. По со-
382 Глаеа 8. Химические реакции
держанию D-аспарагиновой кислоты 3,30, 2,27 и 2,67% был определен их
возраст 61,7, 33,5 и 43,5 года соответственно; эти результаты хорошо согла-
суются с действительным возрастом 60,5, 31,0 и 42,0 года. Такие результаты
представляют интерес для судебных властей. После смерти индивидуума и
его захоронения рацемизация зубов контролируется более низкой темпера-
турой почвы, что приводит к замедлению ее скорости на два порядка. Сле-
довательно, хотя и не столь точный, этот метод может быть использован для
изучения зубов давно умерших индивидуумов, как это было показано при
исследовании задокументированных захоронений XVII I—XIX веков на лон-
донском кладбище Спиталфилдз (Spitalfields) (Gillard et aL, 1991). Такое при-
менение метода рацемизации может представлять интерес для антрополо-
гии и археологии.
Рис. 146. Зависимость содержа-
ния D-аспарагиновой кислоты
в коллагене коренных зубов че-
ловека от возраста доноров
(Gillard ct al., 1991). Кривая ро-
ста может быть описана как по-
лином второго порядка. Она
позволяет определять возраст
умершего индивидуума.
Моллюски. Раковины двустворчатых моллюсков и улиток содержат около
0,02% протеина, сосредоточенного в тонких мембранах (пленках) между
известковистым веществом. В самих этих мембранах состав аминокислот
одинаков, но он может варьироваться от одной пластинки к другой. Особи
различных родов по-разному пригодны для датирования методом рацемиза-
ции аминокислот (Miller and Brigham-Grette, 1989). Для геохронологических
исследований раковин моллюсков особенно подходит аминокислота изо-
лейцин, характеризующаяся эпимеризацией В-аллоизолейцин/Ь-изолейцин.
Процесс эпимеризации изолейцина протекает медленно, что позволяет ис-
пользовать его в более широком диапазоне возраста, чем другие аминокис-
лоты; кроме того, изолейцин стабилен и не образуется при разложении бо-
лее сложных аминокислот.
Ископаемые раковины двустворчатых моллюсков, обитавших в литораль-
ной зоне, отмечают прежнюю береговую линию, формировавшуюся при
максимальном уровне моря в межледниковые периоды, и, таким образом,
представляют особый интерес для четвертичной хронологии. Были пред-
8.8. Рацемизация 3^^
приняты попытки датирования таких раковин методом рацемизации. Пред-
принимались попытки определения береговых линий Западного Средизем-
номорья в ледниковые периоды на больших расстояниях (Hearty et al., 1986).
Для этого в 46 участках побережья были собраны ископаемые раковины
Glycimeris и Area и проанализированы методом рацемизации. Чтобы исклю-
чить влияние суточных колебаний температуры, образцы отбирали с глуби-
ны более I м от поверхности. Как показатель возраста раковин было ис-
пользовано эпимеризационное отношение О-аллоизолейцин/Ь~изолейцин.
Внутри одной раковины наблюдались колебания этого отношения до 30%,
так что образцы для исследования отбирались из одинаковых участков ра-
ковин. Одновозрастные раковины различных видов рода Glycimeris (yiolescens,
glycimeris и bimaculata), отобранные в одном и том же месте, обладали одина-
ковыми отношениями D/L, но между разными родами наблюдались суще-
ственные различия (отношение D/L в раковинах рода Glycimeris было на
31% выше, чем в раковинах рода Area). Для интерпретации полученных ре-
зультатов был предложен термин аминогруппа (Hearty et al., 1986). Амино-
группа представляет собой набор одновозрастных скоплений раковин, ко-
торые из-за неодинаковой термической истории характеризуются значения-
ми отношения D/L, отвечающими долговременному региональному темпе-
ратурному градиенту. Доказательства одновозрастности были получены с
помощью 2J0Th / 234U-датирования ассоциирующих кораллов. На рис. 147
показано региональное распределение раковин моллюсков с возрастом ами-
но-группы 125 тыс. лет, характеризующее максимальный уровень моря в
эемском периоде. Степень рацемизации понижается к северу вместе с по-
нижением среднегодовой температуры. Более древние аминогруппы, при-
надлежащие к более ранним межледниковым периодам, проявляют парал-
лельные тренды, но при более высоких отношениях D/L (рис. 148). Такая
закономерность позволяет проводить аминостратиграфическую корреляцию
береговых линий в Средиземноморье и, при условии получения независи-
мых значений возраста, устанавливать их связь с хронологией морских от-
ложений, установленной по значениям (разд. 10.2.2).
Для целей аминостратиграфии была собрана коллекция раковин гастро-
под из участков распространения лёссовых отложений в Дунайском бассей-
не Центральной Европы (Oches and McCoy, 1995). Исследованные участки
включают ключевые стратиграфические и археологические разрезы: Штиль-
фрид (Stillfried), Нижняя Австрия, и Дольни Вестонице (Dolni Vestonice),
Моравия. Степень эпимеризации изолейцина была определена почти в 200
образцах родов Succinea, Pupilia, Trichia и Atlanta. Отношение аллоизолей-
цин/изолейцин в раковинах из лёсса, относящегося к предпоследнему оле-
денению. были значительно выше, чем в отложениях последнего оледене-
ния. Это различие в эпимеризанионном отношении из образцов двух групп
лёсса отражают различия в их возрасте, равно как и влияние температуры
относительно теплого межледникового периода на образцы более древней
группы. Отношения аллоизолейнин/изолейиин в гастроподах позволяют
Рис. 147. Линии идентичной эпимеризации в раковинах ископаемых береговых моллюсков Glycimeris, обитавших в
Западном Средиземноморье, в период максимального поднятия уровня моря в течение последнего межледнико-
вого периода. Степень эпимеризации возрастает с увеличением среднегодовой температуры (Hearty et al., 1986).
384 Глава 8. Химические реакции
0.70 -I
группа Q стадия 9-11
Рнс. 148. Аминостратиграфия береговой линии четвертичного периода Западного Средиземноморья (Hearty et а!.. 1986).
Значения отношения аллоизолейцин/изолейцин для моллюсков одного и того же возраста, т.е. относящихся к
одному и тому же межледниковому периоду, из районов с различными температурами объединены в одну
аминогруппу. Данные, представленные на рис. 147, отвечают аминогруппе Е (земский межледниковый пери-
од). Аминогруппы с разной степенью эпимеризации характеризуются параллельными трендами и представля-
ют более ранний или более поздний максимальный уровень моря межледникового периода.
8.8. Рацемизация
(^386 Глава 8. Химические реакции
также проводить различия между лёссами, возникшими в периоды третьего
и четвертого от конца оледенения, если только эти раковины сохранились в
таких древних лёссах. Данные, полученные по аминокислотам, подтвержда-
ют прежние корреляции, установленные на основании педостратиграфи-
ческих, палеомагнитных и термолюминесцентных определений возраста
лёссовых отложений в бассейне Дуная.
Яичная скорлупа. Скорлупа яиц, отложенных страусами, вполне пригод-
на для датирования методом аминокислот. Обычно эти яйца находят на
палеолитических стоянках в Азии и Африке. Яйца употреблялись в пишу, а
их скорлупа использовалась как емкости для хранения воды. Проводились
исследования возможности использования для датирования степени эпиме-
ризации L-изолейцина в D-аллоизолейцин в яичной скорлупе из различных
археологических стоянок Африки (Brooks et al., 1990). Оценки возраста в
этом случае согласуются с независимо определенными данными. Достовер-
ное определение возраста в диапазоне последних 200 тыс. лет представляет-
ся вполне возможным, при условии что локальная температурная история
известна достаточно полно. Известен также пример успешного датирования
скорлупы яиц австралийского страуса эму (Miller et al., 1997).
Фораминиферы. Использованию метода рацемизации в исследованиях
фораминифер благоприятствуют постоянные температуры дна океана по-
рядка 2-4’С. Были изучены различные роды этих организмов в возрастном
интервале от современности до 5 млн лет (Bada and Schroder, 1975; Muller,
1984). Применение этого метода датирования осложняется в связи с нели-
нейностью реакционной кинетики, что приводит к понижению скорости
эпимеризации аллоизолейцин/изолейцин в 10 раз по мере увеличения воз-
раста. Кроме того, скорость рацемизации зависит от рода.
Кораллы. Коралловые рифы растут при постоянно теплой температуре 20’С
сразу вблизи поверхности воды. После своей смерти они подвергаются более
сильным изменениям температуры в связи с колебаниями уровня моря. Была
исследована рацемизация нескольких аминокислот, особенно аллоизолейцин/
изолейцин, в ископаемых кораллах из Барбадоса, Новой Гвинеи и островов
Рюкю, с независимым контролем их возраста (Wehmilleret al., 1976). Степень
эпимеризации аминокислот не демонстрирует однозначной корреляции с
возрастом кораллов. С другой стороны, при использовании коэффициентов,
определенных при исследовании фораминифер, живших при различных тем-
пературах окружающей среды, в 16 из 38 проанализированных кораллов были
получены значения возраста, определенные по отношению аллоизолейцин/
изолейнин, согласующиеся с их известным возрастом в интервале от 80 тыс.
до 350 тыс. лет. В большинстве случаев, однако, возраст, определенный мето-
дом эпимеризации, оказался слишком молодым, что связывалось с влиянием
строения скелета на скорость эпимеризации. Факторами, нарушающими си-
стему, являются выщелачивание аминокислот и контаминация современны-
ми аминокислотами. Очевидно, требуется более точное понимание кинетики
и геохимического поведения аминокислот.
8.8 Рацемизация 387J
Древесина. Органическое вещество древесины состоит преимущественно
из целлюлозы и, в меньшей степени, из набора органических соединений,
включающего аминокислоты. Аминокислоты и степень их рацемизации в
современной и ископаемой древесине исследовались в работе (Lee et al.,
1976). Всего было исследовано 12 различных аминокислот. По мерс увели-
чения возраста общее содержание аминокислот уменьшается, а степень их
рацемизации возрастает. Скорости рацемизации в этом случае меньше, чем
в костях. Калибровка, проведенная по датированному методом |4С фрагмен-
ту древесины, позволила сделать оценку возраста >110 тыс. лет для верхне-
ашелъекого деревянного артефакта из Африки, используя отношение D/L
для пролина и степень эпимеризации аллогидроксипролин/гидроксипро-
лин. По фрагментам древесины из Юкона и Аляски, которые большую часть
своей геологической истории находились в состоянии захоронения в усло-
виях вечной мерзлоты, была установлена явная корреляция между степенью
рацемизации аспарагиновой кислоты и геологическим возрастом (Rutter and
Crawford, 1984). Следовательно, существует возможность проведения ами-
ностратиграфической корреляции осадков последнего периода оледенения,
находившихся в субарктическом регионе.
ГЛАВА 9
ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ
Магнитное поле Земли испытывает изменения во времени как по величине,
так и по направлению. Основой архсо- и палеомагнетизма является свой-
ство минералов и горных пород сохранять (в виде остаточной намагничен-
ности) значения магнитного поля Земли в момент их образования или пос-
ледующего сильного нагрева. Если, благодаря исследованию датированных
образцов, история изменений магнитного поля Земли известна, оказывает-
ся датированным и каждое событие намагничивания его возраст можно оп-
ределить по величине остаточной намагниченности. Таким образом, ме-
тод магнитного датирования не является независимым, а лишь переносит
уже существующую хронологию. Обычно различают археомагнетизм и па-
леомагнетизм. Археомагнетизм относят к остаточной намагниченности ар-
тефактов, т.е. он охватывает диапазон возрастов примерно последних 10s
лет, тогда как палеомагнетизм имеет дело с горными породами, в основном
породами более древних эпох. Однако с точки зрения обсуждаемых в этой
главе вопросов эта терминологическая разница является несущественной.
Вопросам палеомагнетизма посвящены монографии Эйми и Стернберга
(Eighmy and Sternberg, 1990) и Батлера (Butler, 1992).
Первым, кто на основании исследования данных, накопленных с кон-
ца XVI века, понял, что величина магнитного поля изменяется со време-
нем (так называемые вековые вариации), был в 1692 г. Эдмунд Галлей.
Первые измерения магнитного поля Земли были сделаны Карлом Фрид-
рихом Гауссом около 1830 г. Археомагнитные исследования начались в
XIX веке (Gheradi 1862). С середины XX века в палеомагнитных исследо-
ваниях произошло значительное продвижение вперед — новые результаты
не только привели к углублению наших знаний о геомагнетизме, но и про-
извели переворот в концепции глобальной тектоники. Исследование оста-
точной намагниченности артефактов и горных пород показало, что веко-
вые вариации присуши магнитному полю во все времена, а не только на
историческом интервале, когда велись измерения (Johnson et al., 1948).
Более того, в начале 1960-х гг. стало известно, что геомагнитное поле име-
ло в течение длительных и нерегулярных отрезков времени инверсную по-
лярность. Оба эффекта с большим успехом применяются для решения воп-
росов хронометрии.
Термин «термонамагниченность» обозначает намагниченность, приоб-
ретенную при нагреве. Этот тип намагниченности наблюдается у керамики.
9.1. Методологическая основа 389
в нагреваемых породах и вулканитах. Обломочная намагниченность образу-
ется в пластических осадках и позволяет датировать морские и континен-
тальные осадочные слои. Определение археомагнитного возраста требует зна-
ния стандартных кривых для исследуемого временного интервала. Такие стан-
дартные кривые должны быть априорно установлены с помощью образцов
известного возраста. Магнитное датирование может обеспечить очень точ-
ные, хотя и не независимые данные. Палеомагнетизм также позволяет про-
водить с очень высоким временным разрешением магнитостратиграфичес-
кую корреляцию горных пород. В противоположность эффектам вековых
вариаций, которые имеют обычно лишь местный характер, инверсии поляр-
ности происходят одновременно на всей Земле.
9.1. Методологическая основа
Свободно подвешенная стрелка компаса ориентируется вдоль силовых ли-
ний геомагнитного поля. Например, в Центральной Европе стрелка ком-
паса указывает северным концом по направлению к северу и наклоняется
вниз на угол около 65’. Горизонтальное отклонение направления вектора
напряженности F магнитного поля Земли от географического севера назы-
вается склонением D, а угол наклона — наклонением ! (рис. 149). Три пара-
метра £>, / и Fфиксируют локальное значение вектора геомагнитного поля.
Проведенные в разных местах земной поверхности измерения этих пара-
метров показывают, что распределение геомагнитного поля приблизитель-
но может быть описано как геоцентрический диполь, ось которого пример-
но параллельна оси вращения Земли. Соответственно, геометрия геомаг-
нитного поля на поверхности Земли может быть хорошо аппроксимирова-
но полем фиктивного магнитного стержня («диполя»), расположенного в
центре Земли, с магнитным моментом около 8 х Ю22 Ам2 (рис. 150). Этой
дипольной компонентой описывается примерно 80% полного магнитного
поля, а остальная часть называется недипольным полем. Точки, в которых
магнитная ось пересекает поверхность Земли, называются геомагнитными
полюсами. Плоскость геомагнитного экватора геоцентрически перпенди-
кулярна дипольной оси. В настоящее время дипольная ось наклонена к
оси вращения на угол около 1Г - в направлении на юго-запад, если на-
блюдать на Северном Полюсе. От геомагнитных полюсов к экватору ин-
дукция поля уменьшается почти наполовину и сейчас в Центральной Ев-
ропе составляет около 48 мкТл.
Непрерывная запись магнитного поля показывает, что магнитное поле
изменяется со временем; как по величине, так и по направлению это
явление называется вековыми вариациями. Вековые вариации в наше время
выражаются в отклонении магнитного поля Земли к западу. Наблюда-
тель, исследующий магнитное поле в определенной точке, может заме-
тить очевидные, хотя и не точно периодические флуктуации D, f и F.
Амплитуда флуктуаций направления лежит в пределах 40’, а длитель-
390 Глава 9. Палеомагнетизм
ность нерегулярного периода составляет несколько столетий, поэтому
подобные вариации и называются вековыми (рис. 151). Вековые вариа-
ции носят локальный характер, т.е. одинаковые значения D и / наблю-
даются лишь в ограниченном районе. В основном они характерны для
недипольного поля.
Рис. 149. в любом месте Земли маг-
нитное поле может быть описано век-
тором напряженности магнитного
поля Л отклонение которого по го-
ризонтали от направления на геогра-
фический север называется склоне-
нием D, а угол наклона по вертика-
ли - наклонением /.
Любой материал, помещенный в магнитное поле, взаимодействует с
ним, в результате чего индукция магнитного поля либо усиливается, либо
ослабляется. Это относится и к горным породам, в которые проникает
магнитное поле Земли. Термин магнетизм пород определяет магнитные
свойства минералов и горных пород. Явление магнетизма обусловлено, в
конечном счете, движением электронов. Электроны приобретают магнит-
ный момент благодаря вращению вокруг своей оси и орбитальному дви-
жению вокруг атомного ядра. Результирующие магнитные моменты ато-
мов либо вследствие антипараллельной, либо статистически беспорядоч-
ной ориентации в основном взаимно скомпенсированы. Неполная ком-
пенсация проявляется как намагниченность J. Намагниченность матери-
ала может быть индуцирована внешним магнитным полем Н (индуциро-
ванная намагниченность J,) или может сохраниться в виде остаточной на-
магниченности Jn после того как внешнее поле было выключено. При
малых напряженностях Jt линейно растет с ростом поля Н. Восприимчи-
вость к (к = Jt / Н) является показателем возможности намагничивания
материала. Она является безразмерной величиной, но при нормализации
на плотность (удельная намагниченность) имеет размерность м’/кг. При
больших напряженностях поля, когда сориентированы все магнитные мо-
9.1. Методологическая основа 391
менты в материале, достигается насыщение намагниченности. В зависи-
мости от значения восприимчивости различают диамагнитные (Л отрица-
тельно и очень мало), парамагнитные {к положительно и очень мало) и, в
более широком смысле, ферромагнитные (к положительно и велико) ми-
нералы. Ферромагнитные минералы увеличивают индукцию приложен-
ного внешнего магнитного поля. Поскольку восприимчивость ферромаг-
нетиков превышает магнитную восприимчивость диамагнитных и пара-
магнитных составляющих горной породы на четыре порядка, даже малые
количества примесей ферромагнитного минерала могут определять вос-
приимчивость горной породы. При температуре выше температуры
Кюри Tt ферромагнетизм исчезает. Важнейшими ферромагнитными ми-
нералами являются оксиды железа и титана - магнетит (Fe3O4), ульвош-
пинель (Fe2TiO4), маггемит (y-Fe2O3), гематит (Fe2O3) и ильменит (FeTiO3),
гидроксид железа - гетит (FeO(OH)) и сульфид железа - пирротин
(Fe,_, S). Они являются носителями естественной намагниченности в гор-
ных породах и артефактах.
Рис. 150. Геометрия магнитного поля Земли с хорошим приближением опи-
сывается полем фиктивного магнитного стержня (геоцентрического
диполя), расположенного в центре Земли, с осью, наклоненной под
углом IГ к оси вращения.
392 Глава 9. Палеомагнетизм
Рис. 151. Запись истории изменения значений склонения и наклонения в
разных местностях показывает квази-периодический и локальный
характер вековых вариаций. (Aitken, 1990; воспроизводится с разре-
шения издательства Addison Wesley Longman Ltd.)
Естественная остаточная намагниченность (ЕОН). Многие горные по-
роды имеют естественную остаточную намагниченность ЕОН. Она обнару-
живается в вулканических, метаморфических и осадочных породах, а также
в керамических черепках и кирпичах. ЕОН обусловлена малыми примесями
ферромагнитных минералов. Процессы, приводящие к появлению остаточ-
ного магнетизма, достаточно сложны и могут быть лишь слегка затронуты в
этой работе (см., напр., Softel, 1991; Butler, 1992). Различные виды ЕОН
отличаются друг от друга способами закрепления намагниченности и зави-
сят от типа и размера зерен ферромагнитных минеральных составляющих
породы, а также от длительности, направления и напряженности магнитно-
го поля. Два важных вида ЕОН показаны на рис. 152.
Термоостаточная намагниченность (ТОН) появляется при остывании гор-
ных пород в магнитном поле Земли ниже температуры Кюри Tt (Thellier,
1959). В результате магнитный момент ориентируется вдоль линий поля.
Термоостаточный магнетизм пород отражает направление и напряженность
магнитного поля, которые превалировали в момент остывания. Магнитные
моменты, которые вначале были подвижными, фиксируются в определен-
ном магнитном направлении при температуре фиксации Ть, несколько ниже
Те. Температуры Те и Ть для различных ферромагнитных материалов пере-
9.1. Методологическая основа 393
крывают широкий диапазон < 675’С, тогда как для стабильности ТОН тре-
буются температуры Ть > 200-300вС. В таком «замороженном» состоянии
остаточная намагниченность оказывается устойчивой к переориентации маг-
нитного поля - коэрцитивность. Важнейшим условием для приложений да-
тирования является именно стабильность ТРМ. В этой связи существенную
роль имеет размер зерен. Поскольку основным носителем ТРМ является
магнетит, для формирования сильной и устойчивой остаточной намагни-
ченности предпочтительны высокие температуры (> 580вС). Если при на-
гревании температура превышает некоторые, но не все значения Tf для раз-
личных ферромагнитных компонентов, может появиться также частичная
термоостаточная намагниченность (ЧТОН). ТОН обнаруживается в базаль-
тах и других вулканических породах, почве после пожара, подах очагов и
керамических объектах. Эти материалы получают ТОН в процессе нагрева
при их образовании или в более поздние моменты времени, которые могут
быть интересны для решения различных задач датирования.
Т ермоостоточноя
намагниченность
Детритовая остаточно»
намагниченность
Колото» зочо “♦ Т
\ 1 г
Рис. 152. Схематическое представление термоостаточной намагниченности в
вулканических породах и контактной зоне нагрева, а также остаточ-
ной намагниченности в отложениях разного возраста.
При осаждении в спокойной воде ферромагнитные зерна минералов ори-
ентируются по направлению магнитного поля и сохраняют эту ориентацию в
отложениях. Последующее уплотнение может стабилизировать эту ориента-
цию зерен. Таким образом, осадки приобретают остаточную намагниченность,
называемую детритовой остаточной намагниченностью (ДОН), которая фик-
сирует направление поля, превалировавшее при образовании отложений.
Процессу ориентации магнитных минеральных зерен в проточной воде ме-
шает течение, и поэтому при скоростях потока > I0 2 м/с заметная намагни-
ченность в осадках не наблюдается. Возможность появления ДОН в обломоч-
ных осадках уменьшается с увеличением размера зерен. Хорошо подходят
глины, но иногда это можно сказать и о песчаных осадках. Оказывает влия-
ние и форма зерен. Ориентация уплощенных или удлиненных зерен соответ-
ствует плоскости подстилающих отложений. Соответственно, такие зерна могуг
394 Глава 9. Палеомагнетизм
фиксировать склонение, но подавляют фиксацию наклонения. Перед уплот-
нением мелкозернистые отложения могут испытать так называемую пост-
осадковую остаточную намагниченность (ПОН) за счет вращения магнитных
зерен в заполненных водой порах с ориентацией вдоль поля их магнитных
моментов. Эта ориентация может сохраниться при последующем диагенети-
ческом уплотнении отложений (Verosub, 1977). В отличие от ДОН в случае
ПОН зерна имеют большую возможность для ориентирования параллельно
наклонению поля, таким образом, при этом уменьшается риск ошибочной
фиксации наклонения. Однако ПОН приводит к регистрации магнитного поля
по отношению ко времени отложения с некоторой задержкой. Следователь-
но, если магнитное поле изменилось во время диагенетической стадии уплот-
нения, два типа остаточной намагниченности могут предоставить системати-
чески различающуюся информацию. Из-за биотурбации (перемешивания
придонных слоев живыми организмами), которая захватывает верхний уро-
вень отложений толщиной в несколько сантиметров, тонкая палеомагнитная
структура оказывается смазанной. Поэтому биотурбация ограничивает вре^
менное разрешение ДОН в зависимости от скорости отложения (Hambach,
1992). В общем случае, ДОН позволяет датировать флювиальные, лимничес-
кие и пелагические отложения, сформировавшиеся в спокойных, условиях.
В эоловых лёссах также проявляется ДОН или, более вероятно, ПОН. ДОН
отложений обычно слабее, чем ТОН вулканических пород.
Если ферромагнитные минералы, чаще всего гематиты или гетиты, фор-
мируются в порах новообразовавшихся пород, магнитные моменты расту-
щих кристаллов оказываются ориентированными вдоль линий магнитного
поля (Kobayashi, 1959). Такая устойчивая компонента намагниченности, на-
зываемая химической остаточной намагниченностью (ХОН), сохраняет на-
правление поля, превалировавшее во время вторичного процесса, и поэтому
может исказить датировку на основе ТОН или ДОН. Часто встречается в
породах, подвергшихся эрозии, и может появиться на стадии метаморфиза-
ции. В «красных пластах» гематитовая корка образуется при осаждении или
вскоре после из-за окисления, что приводит к фиксации магнитного поля,
единовременного осаждению. Далее, во всех породах наблюдается вязкая
остаточная намагниченность (ВОН), которая непрерывно наводится в тече-
нии всего времени под действием слабых магнитных полей и связана с дли-
тельным воздействием недавних магнитных полей. Эта остаточная намаг-
ниченность имеет малую устойчивость и может быть убрана размагничива-
нием или нагреванием, поскольку в противном случае она может существенно
исказить датировку. Она, однако, имеет некоторый потенциал для датиро-
вания обожженной глины (Atkinson and Show, 1991). Кроме перечисленных,
существуют и другие типы остаточного магнетизма.
Различные сосуществующие типы ЕОН в породах всегда связаны только
с частью включенных ферромагнитных минералов. Однако поставленной
задаче соответствует обычно только один тип ЕОН, например ТОН или
ДОН для проблем датировки. Поэтому в лабораториях предпринимаются
9. L Методологическая основа 395
попытки отделения характерной остаточной намагниченности (ХарОН) от
других зилов ЕОН, не имеющих отношения к конкретной задаче. Это дос-
тигается минералогическим исследованием в сочетании с методами магнит-
ного и термического размагничивания, которые используют различную ус-
тойчивость отдельных компонентов ЕОН.
При условии, что возраст образца известен независимым образом, па-
леомагнитные данные позволяют определить направление и напряженность
древнего геомагнитного поля в определенном месте и в определенное вре-
мя. Таким образом, на основе множества палеомагнитных данных может
быть восстановлена история магнитного поля Земли в гораздо больший пе-
риод, чем последние четыре столетия, охваченные записями наблюдений.
Как только точный временной ход вариаций магнитного поля оказывается
известен, это знание может быть использовано, в свою очередь, для датиро-
вания образцов с остаточной намагниченностью неизвестного возраста. Ве-
ковые вариации и изменения полярности представляют собой эффекты,
которые существенны для магнитного датирования.
Вековые палеовариации. Вследствие относительно большой скорости изме-
нения вековых вариаций их палеомагнитное детектирование требует исполь-
зования носителей ЕОН с хорошим временным разрешением и высокой плот-
ностью данных (примерно 5 точек на столетие). Кроме того, возраст процес-
сов, фиксирующих ХарОН, необходимо знать независимо и с абсолютной
погрешностью существенно меньшей, чем несколько столетий периода вари-
аций. Керамические объекты обычно удовлетворяют этому требованию, тогда
как горные породы лишь изредка. Поскольку обжиг и приобретение керами-
ческими образцами ТОН происходят одновременно, а даты изготовления из
исторического контекста часто известны достаточно точно, появляется воз-
можность восстановить вековые вариации в Европе за последние 2500 лет.
Для предшествующих доисторических тысячелетий возраст керамики и оча-
гов может быть определен по сопутствующим находкам с известными калиб-
рованными нС-датировками. Временное разрешение ТЛ-датировок для этой
цели недостаточно. Археомагнитные кривые, простирающиеся в прошлое на
разную глубину, существуют для Англии (Tarling, 1991), Центральной Европы
(Thellier, 1981; Thouveny and Williamson, 1991; Reinderset al., 1997), Юго-Вос-
точной Европы (Kovacheva and Zagniy, 1985; Marton, 1991), Украины (Rusakov
and Zagniy, 1973a), Анатолии (Becker, 1979; Korfmann, 1987), Китая (Weiet al.,
1981), Северной Америки (Wolfmann, 1984, 1990a; Stembeigand McGuire, 1990;
Labelle and Eighmy, 1997) и Центральной Америки (Wolfmann, 1990b). В пер-
вом приближении амплитуда вариаций направлений изменяется периодичес-
ки. Такие стандартные кривые вековых вариаций используются для археомаг-
нитной датировки. В исследуемых образцах с ТОН измеряются склонение и
наклонение магнитного поля, которые сравниваются со стандартными кри-
выми. Однако часто при данных значениях D или /для возраста оказывается
несколько возможных решений. Чтобы уменьшить неоднозначность, жела-
396 Глава 9. Палеомагнетизм
тельно измерять по крайней мере два или все три параметра намагниченнос-
ти. Вековые вариации носят локальный характер, т.е. кривые D и / примени-
мы лишь в небольшой области протяженностью около 1000 км - факт, кото-
рый надо учитывать при использовании стандартных кривых для магнитного
датирования (Tarling, 1991).
Рнс. 153. Склонение и наклонение
характерной остаточной намагни-
ченности профиля вюрмского лёс-
са из Бёнингена, Южная Германия
(Limbrock. 1992). Быстрое отложе-
ние лёсса со скоростью 0,2 мм в год
и большое количество исследован-
ных образцов позволяют получить
высокое временное разрешение па-
леовековых вариаций. Возраст оп-
ределялся ТЛ-датированнем лёсса
(Zoller and Wagner, 1989).
Для периодов, предшествующих появлению керамики (около 5500 г. до н.э.
в Центральной Европе), для реконструкции вековых вариаций могут быть ис-
пользованы отложения с достаточно высокой скоростью осаждения (> 0,1 мм в
год), имеющие ДОН или ПОН. Особенно подходящими для этих целей явля-
ются ленточные глины в пресноводных озерах. Даже если их временная при-
вязка не оценивается точно, их годичное разрешение позволяет обнаружить
вековые вариации в более отдаленные эпохи. Независимое датирование осад-
ков может быть сделано не только подсчетом слоев ленточных глин (разд. 10.1.1),
но и ,4С-датированием органических компонентов, а также анализом пыльцы
(разд. 10.2.4) и биостратиграфией. Кривые вековых вариаций, полученные
для голоцена и для последнего ледникового периода, демонстрируют те же
9.1. Методологическая основа
характерные особенности, что и полученные для археологических и истори-
ческих периодов (Haverkamp and Beuker, 1993). Для регистрации палеомаг-
нитных вариаций также пригоден лёсс (рис. 153). Кроме кривых D и / веко-
вые вариации изображаются посредством виртуального геомагнитного полюса
(ВГП), положение которого может быть вычислено из параметров ЕОН Ди /
в предположении геоцентрического диполя (рис. 154).
Рис. 154. Изменение направления археомагнитного поля (стандартная кри-
вая) для Центральной Америки в интервале от 300 до 1170 г. н.э. в
представлении виртуального геомагнитного полюса (ВГП), постро-
енного на множестве точек, помеченных номерами образцов
(Wolfmann, 1990b). На ВГП-диаграмме географический полюс, на-
ходящийся в центре^ окружен широтными кругами 85*, 80* и 75*.
Долгота 0* обозначена справа. Такое представление вековых вариа-
ций облегчает сравнение между разными районами.
С увеличением геологического возраста слоев естественные записи на-
магниченности вследствие нехватки профилей и недостаточности датиро-
Глава 9. Палеомагнетизм
вок становятся все более фрагментарными. В рамках ограниченного района
профиль вековых вариаций может использоваться для датировки отложе-
ний, так же как и для уже обсуждавшегося археологического периода. Веко-
вые вариации позволяют также проводить взаимную магнитостратиграфи-
ческую корреляцию различных последовательностей.
ВС «--- ----- AD
Рис. 155. Усредненный геомагнитный дипольный момент (а) с 7000 г. до н.э.,
полученный в результате измерения напряженности магнитного поля
в керамике, очагах и обожженных отложениях Европы (Л), юго-запа-
да Северной Америки (d) и Японии (е). Кривая (с) - результат сгла-
живания. Похожесть кривых для разных континентов свидетельствует
о глобальном характере изменения дипольного момента (Bucha, 1971).
Кроме вариаций направления измерены также вариации напряженности поля,
в основном по измерениям ТОН в обожженных археологических объектах: в
Центральной Европе (Thellier, 1977; Bucha, 1971), в Восточной Европе (Rusakov,
Zagnyi, 1973b), в Юго-Восточной Европе (Kovachcva, Veljovich, 1977), в Восточ-
ном Средиземноморье (Hassan, 1983; Aitken et al., 1989) и в Перу (Gunn, Murray,
1980). Данные об изменении поля за последние 9 тыс. лет показывают, что с
хорошим приближением изменения геомагнитного момента можно описать дол-
гопериодной синусоидой с диапазоном изменений (5+10) х 1022 А м2 (рис. 155).
Исследования палеоинтенсивности были продолжены в прошлое изучением ко-
стрищ, вулканитов (Barbetti, Rude, 1979; Brassard et al., 1997) и осадков (Guyodo,
Valet, 1996; Schneider, Mellow, 1996). Эти данные также демонстрируют долгопе-
риодные изменения дипольного поля. Значительные квазипериодические вари-
ации напряженности поля в последние 140 тыс. лет (рис. 156) были обнаружены
в кернах отложений Индийского океана (Meynadier et al., 1992). Эти колебания,
как показывают данные, полученные в Средиземном море, вероятно, имеют
глобальный характер и обнаруживают периоды в 100,43, 24 и 19 тыс. лет. Удиви-
тельно, что эти значения совпадают с периодами изменения орбитальных пери-
одов Земли, лежащими в основе теории Миланковича (разд. 102).
0 I ! I . I.^l I ! I I 1 11 N I I 1 . 1 . J
0 20 40 60 80 100 120 140
Возрос; (тыс ле^
Рис. 156. Флуктуации геомагнитного дипольного магнитного момента в тече-
ние последних 140 тыс. лет. Кривая основана на данных ЕОН глубо-
ководных кернов Индийского океана и Средиземного моря. (Воспро-
изводится по Meynander et al., 1992: с любезного разрешения Elsevier
Science Ltd.
Шкала инверсий геомагнитной полярности. На интервале в десятки тысяч лет
вековые вариации направления в разных регионах компенсируют друг друта, и
поэтому в среднем геомагнитные полюса совпадают с географическими полю-
сами Земли. Ось геомагнитного диполя ориентирована, очевидно, вдоль оси
вращения Земли. Эта ориентация, однако, может быть как параллельной, так и
антипараллельной. В нерегулярные интервалы происходит изменение полярнос-
ти, что приводит к инверсии магнитного поля. Следовательно, геоцентричес-
кий магнитный диполь может переворачиваться. Брюнес (Brunhes, 1906) обна-
ружил параллельную (нормальную) и анти параллельную (инверсную) ориента-
цию геомагнитного поля по отношению к современной в вулканитах и обо-
жженных почвах Центрального Массива Франции. Матуяма (Mahiyama, 1929)
наблюдал нормальную намагниченность для молодых и инверсную для более
старых последовательностей базальтовых лавовых потоков известного возраста.
Перемежаюшаяся полярность обнаружена кроме вулканических пород также в
морских и континентальных отложениях. Инверсия полярности связывается с
магнитогидродинамическими процессами на поверхности жидкого ядра. Как
показано на примере границы Мзтуямы Брюнеса (граница М/Б), длительность
глобальных изменений ориентации магнитного поля составляет несколько ты-
сячелетий (Singer, Pingle, 1996). В качестве возможного механизма инверсии
полярности предлагается ускорение вращения Земли из-за снижения уровня
океана при оледенении, поскольку инверсии в последние 2,6 млн лет были
явно связаны с холодными эпохами (Worm, 1997).
400 Глава 9. Палеомагнетизм
Субхроны/экскурсии
Возрост (Мо)
ЛйШОМП
Блейк
Биво I / Ямайка
Бива II / Левант / Альфа
Биво III / Бета
Император
Большая потеря / Гамма
Дельта
Камикотсура
Джорамилло
- 1.20 -
£
S
о.
lD
Гора Кобб
Рис. 157. Геомагнитная времен-
ная шкала для последних 2,8
млн лет. Шкала основана на из-
мерениях полярности ЕОН вул-
канитов и глубоководных отло-
жений. Временная привязка
осуществляется К-Аг-датирова-
нием континентальных вулка-
нитов и их магнитостратигра-
фической корреляцией с глубо-
ководными данными, а также
астрономическим датировани-
ем глубоководных отложений
(Champion et al., 1988; Hilgen,
1991; McDougall et al., 1992.1996;
Baksi 1993; Nowaczyk et al., 1994).
Повторяющиеся и синхронные в мировом масштабе инверсии оси геомаг-
нитного диполя образуют геомагнитную временную шкалу полярности, кото-
рая была установлена для последних 3 млн лет на основе К-Аг-датировки ба-
зальтов Коксом и др. (Сох et al. ,1963). Улучшенные временные шкалы поляр-
ности основаны на К-Аг-датировании высокого разрешения, особенно с при-
менением к вулканитам лазерной техники ’’Аг-^Аг и магнитостратиграфичес-
кой корреляции с глубоководными отложениями. Эти отложения имеют то
преимущество перед эпизодически образующимися базальтовыми истечения-
ми, что они образуют непрерывную фиксацию палеомагнитного поля. Датиро-
вание глубоководных отложений производится линейной интерполяцией меж-
9.1. Методологическая основа 401
ду известными временными маркерами в предположении постоянной скорос-
ти осадконакопления и по астрономическим данным (разд. 10.2.1).
Шкала полярности (рис. 157) разделена на интервалы разной длительно-
сти (~1 млн лет) с одинаковой полярностью - хроны. Отсчет хронов начи-
нается от последнего хрона Сь Последние четыре хрона названы по именам
выдающихся исследователей геомагнетизма: Брюнеса, Матуямы, Гаусса и
Гильберта. Преобладающий в наше время хрон нормальной полярности
Брюнеса (Ct) начался 778,7 ± 1,9 тыс. лет назад (Singer, Pringle, 1996). Ему
предшествовал инверсный хрон Матуямы (С2). Хроны прерываются корот-
кими (несколько тысяч - сотен тысяч лет) глобальными эпизодами инверс-
ной полярности, субхронами или событиями. Субхроны названы по их locus
typicus (типичному месту), т.е. субхрон Олдувай (между 1,97-1,78 млн лет,
нормальная полярность в инверсном хроне Матуямы) назван по ущелью
Олдувай в Восточной Африке. Проверить глобальный синхронизм с помо-
щью независимого датирования с точностью до 104 лет - совсем не триви-
альная задача. По этой и другим причинам для определенных субхронов еще
нет доказательств того, являются ли они глобальными инверсиями поляр-
ности или так называемыми геомагнитными экскурсиями. Экскурсии явля-
ются промежуточными отклонениями ВГП от сохраняющегося долгое вре-
мя среднего значения, которые превышают по величине вековые вариации,
но не являются инверсиями полярности. Экскурсии не носят глобального
характера, но, тем не менее, оказывают сильное влияние на локальные зна-
чения направления и напряженности магнитного поля и могут маскировать
инверсию поля. Субхроны и экскурсии, датированные возрастом менее 500
тыс. лет, были собраны в работе Новацика (Nowaczyk et al., 1994). Определе-
ние палеоинтенсивности глубоководных отложений за последние 4 млн лет
показывают, что инверсии полярности совпадают и могут быть стимулиро-
ваны минимумами напряженности поля и что она восстанавливается затем
в течение нескольких тысяч лет (Valet and Meynadier, 1993).
При благоприятных условиях шкала инверсий может использоваться для
прямого числового датирования, а именно если в горной породе идентифи-
цируется временной маркер инверсии полярности, например субхрон Олду-
вай или граница М/Б. Однако обычно на основании сравнения измеренно-
го профиля полярностей со шкалой проводится относительное датирова-
ние. Подразделение и корреляция последовательностей пород на основе
смены нормальной и инверсной намагниченности называется магнитостра-
тиграфией. При условии независимого датирования смены полярностей
магнитостратиграфия позволяет провести временную привязку вулканичес-
ких и осадочных пород. В глубоководных отложениях шкала полярностей
может бьпь также связана с биостратиграфическими и литостратиграфичес-
кими характеристиками. Уникальным преимуществом магнитостратиграфии
перед био- и литостратиграфией являеся то, что свойство, на котором она
основана, имеет глобальный синхронизм. По этой причине начало среднего
плейстоцена магнитостратиграфически помещено на границу М/Б.
Глава 9. Палеомагнетизм
9.2. Практические аспекты
Первым шагом при отборе образцов является оценка пригодности их материа-
ла для магнитного датирования, которая делается на основании минералоги-
ческого состава и типа естественной намагниченности. Для последних 2 млн
лет подходящими материалами, прежде всего, являются вулканические породы
и обожженные почвы, сохраняющие ТОН, а также кластические отложения,
имеющие ДОН и ПОН. Отбор образцов должен производиться с учетом того,
какое отношение имеет палеомагнитный возраст образца к рассматриваемому
связанному с ним геологическому или археологическому событию. Из-за нали-
чия ХОН не подходят образцы, подвергшиеся выветриванию. Кластические
породы с тонкой структурой, такие как ил и глина, предпочтительнее песка с
крупными зернами. Если возраст определяется на основании профиля вековых
изменений, например в случае озерных отложений, необходима серия образ-
цов, достаточно плотно покрывающая временной интервал заметных вариаций
магнитного поля. Такому требованию удовлетворяют, в частности, керны, по-
лученные бурением. Плохо подходят для сбора образцов открытые местности
на вершинах холмов, где на ЕОН могли оказать влияние удары молний. Для
палеомагнитного датирования при сборе образцов необходимо фиксировать их
ориентацию, поэтому подходят только образцы, извлеченные из массива. Дол-
жны быть определены и учтены тектонические подвижки, возможно имевшие
место после приобретения образцом его остаточной намагниченности. Очаги и
обожженные почвы обычно находятся в том же положении, что и в момент
нагрева. Керамические же объекты, напротив, очень редко обнаруживаются в
положении, в котором они получили свою намагниченность, ~ как в случае
сосудов, найденных в печах. Свидетельством достаточности нагрева, испытан-
ного глиной при обжиге, является неразмокание ее в воде. Обобщение всех
рекомендаций по сбору и подготовке образцов для палеомагнитного датирова-
ния можно найти в работе Эйми (Eighmy, 1990).
С помощью магнитного компаса определяется ориентация образца. На-
правление север-юг обычно помечается непосредственно на его плоской верх-
ней поверхности. Если образец имеет сложную неровную форму, плоская по-
верхность может быть искусственно создана с помощью гипсовой мастики.
В случае, если ближайшие породы создают заметные возмущения магнитного
поля, можно использовать солнечный компас. Вместо ручного сбора подходя-
щих образцов, с помощью портативного специального бура можно получать из
массива ориентированные керны (длиной 2,20 см и диаметром 2,54 см). Такие
керны имеют то преимущество, что сразу готовы к измерению в магнитометре
и не требуют дополнительной лабораторной подготовки. Открытые отложе-
ния, не сохраняющие форму, удобнее всего собирать с помощью специальных
ориентированных пластиковых контейнеров кубической формы. Такие же под-
почвенные отложения (а также подводные) собираются вдавливанием в землю
пластиковых труб. У образцов, полученных бурением, вертикальная ось кото-
рых задана, может возникнуть сложность с определением азимута. Если азимут
9.2. Практические аспекты
неизвестен, кроме напряженности палеомагнитного поля может быть опреде-
лено только его наклонение, что, однако, часто достаточно для оценки поляр-
ности (если только образцы не получены в очень низких широтах). Для магни-
тометрических измерений обычно готовятся маленькие ориентированные ци-
линдры или кубики со стороной 2,1 см. Ошибка ориентировки образца при
подготовке образца к измерению не должна превышать 1-2*. Ошибки измере-
ния направления лежат обычно в пределах 1-2*, а величины 2-3% (Tailing,
1991). Принято, что оценка палеомагнитных параметров требует измерения для
каждого интересующего уровня не менее семи образцов - это относится как к
кернам, так и к полностью ориентированным образцам ручной подготовки.
Для измерения остаточной намагниченности применяется большое раз-
нообразие различных приборов, различающихся принципом действия, чув-
ствительностью, точностью и стоимостью измерения (Collinson, 1983). Для
сильно намагниченных вулканитов достаточен вращательный магнитометр,
основанный на принципе индукции. Внутри такого прибора образец приво-
дится в быстрое вращение. С другой стороны, слабо намагниченные образ-
цы требуют применения более чувствительных криогенных магнитометров.
Измерение образцов в различной ориентации позволяет определить направ-
ление и величину ЕОН и, следовательно, параметры палеомагнитного поля.
Рис. 158. Схема магнитного {слева) и температурного {справа) размагничива-
ния естественной остаточной намагниченности ЕОН (Soffel, 1991).
Вследствие различной устойчивости могут быть выделены компо-
ненты ЕОН (ТОН - температурная остаточная намагниченность;
ХОН — химическая остаточная намагниченность; ДОН — детритовая
остаточная намагниченность; ЧТОН - частичная термоостаточная
намагниченность; ВОН - вязкая остаточная намагниченность).
Для разделения ЕОН на типы используются два магнитных свойства пород.
Прежде всего, различные типы ЕОН всегда связаны с конкретным ферромаг-
нитным минеральным компонентом образца, при этом фундаментальное зна-
чение имеет зернистость. Во-вторых, размер зерна влияет как на коэрцитив-
ность, так и на температуру Кюри, а значит, в зависимости от размера зерна
Глава 9. Палеомагнетизм
образцы по-разному реагируют на магнитное и температурное размагничива-
ние. Размагничивание образца производится либо приложением переменного
магнитного поля, либо нагревом. При постепенном увеличении напряженнос-
ти поля или температуры последовательно выключаются компоненты ЕОН,
имеющие меньшую коэрцитивность или меньшую температуру Кюри, пока,
наконец, совсем не пропадают наиболее устойчивые типы остаточной намаг-
ниченности (рис. 158). Различные типы ЕОН заметно различаются по отноше-
нию к размагничиванию, при этом самыми устойчивыми являются ТОН и
ХОН. Если описанные процедуры разделения ЕОН размагничиванием не про-
ходят, применяются другие методы (Soffel, 1991). Идентификация ферромаг-
нитных минералов в образце производится с помощью микроскопии в отра-
женном свете, дифракции рентгеновских лучей, сканирующей и просвечиваю-
щей электронной микроскопии, а также мёссбауэровской спектроскопии. Кроме
того, используются особенности магнитных свойств разных горных пород.
Рис. 159. Направления ориентации археомагнитного поля позднеминойского
вулканического пепла Теры (Санторина) и обожженных горизонтов
позднеминойских разрушенных дворцов острова Крит. Среднее
направление показано точкой на стереографической проекции, цен-
тральная линия показывает направление на север. Слева склонения
больше (60е), чем справа (55*) (Downey and Tarling, 1984).
9.3. Применение 405
9.3. Применение
Вулканиты. Подходящими кандидатами для археомагнитных измерений яв-
ляются базальты и другие вулканические породы, поскольку включают дос-
таточно большой процент ферромагнитных включений. Эти породы засты-
вают при температурах 700-1000*С, что выше температуры Кюри для фер-
ромагнетиков. При остывании, находясь в основном уже в твердом состоя-
нии, они приобретают температурную остаточную намагниченность. Туфо-
вые породы подходят для палеомагнитных измерений гораздо хуже, посколь-
ку, во-первых, часто фрагменты вулканических пород к моменту осаждения
уже успевают охладиться до температуры ниже точки Кюри, а во-вторых,
осаждение происходит слишком быстро для появления осадочного намаг-
ничивания. Исключением являются и гн им бриты, которые осаждаются в
горячем состоянии (Kent et al., 1981). Вторичные туфовые осадочные поро-
ды могут иметь ХОН и ДОН (Hillhouse et al., 1986).
Точно известные исторические извержения вулкана Этна в Италии по-
зволяют установить стандартную кривую вековых изменений намагничен-
ности для Сицилии с 1169 г. н.э. (Rolph et al., 1987). Некоторые образцы
лавы Этны, возраст которых вызывает сомнение, могут быть датированы на
основании их палеомагнитных параметров D н 1. Другой пример — закат
позднеминойской культуры на острове Крит около 1500 г. до н.э. Наиболь-
ший интерес представляет в данном случае не столько сама хронология,
сколько исторический синхронизм. Внезапное исчезновение минойской
культуры дало основание для гипотезы, возлагающей ответственность за ее
гибель на грандиозное извержение вулкана Тера (Санторин) (разд. 5.4.3).
Полагают, что позднеминойская культура Крита была стерта с лица земли
разрушительным действием вулканического пепла, землетрясениями и при-
ливными волнами, порожденными вулканом острова Тера, лежащего на рас-
стоянии 120 км. Мощные слои пепла в верхних отложениях пемзы на остро-
ве Тера свидетельствуют о двух этапах извержения. При этом обычная пемза
(пемза Плиния) представляет первую фазу, а покрывающие ее пемзовые
туфы образовались во второй фазе (Pilcher, 1973). Оба пепловых комплекса
были подвергнуты палеомагнитному исследованию (Downey and Tarling, 1987).
На Крите слои пепла имеют толщину всего несколько сантиметров, а самым
удобным материалом для археомагнитного анализа являются обожженные
грязевые кирпичи позднеминойских дворцов, так как разрушение сопро-
вождалось ужасными пожарами. На рис. 159 показаны результаты палеомаг-
нитного исследования. Наблюдаемое систематическое различие напряжен-
ности и ориентации (5,2*) палеомагнитного поля говорит о значительном
временном разрыве между первой и второй стадией. Полагая скорость изме-
нения направления равной 0,07е в год, можно определить, что два изверже-
ния разделены интервалом 70 ± 10 лет. Разные обожженные слои дворцов
Крита показывают направление намагниченности такое же, как в одном из
двух слоев пепла острова Санторин. При этом в центральной части Крита
Глава 9. Палеомагнетизм
наблюдается соответствие с первым извержением, а в восточной части, со
вторым. Обнаруженный синхронизм поддерживает идею причинной связи
между извержением Теры и закатом минойской культуры.
Временная школа
геомагнитной полярности
Формация Кооби-Форо
— туф Сильбо
25 м
разрыв
туф Чори (К-Аг. 1.39 ± 0,02 мли пет)
туф Окоте (K-Af: 1,64 ± 0,03 млн лет,
туф KBS (Треки- 1,87 1 0,04 млн лет, К-Аг
1,88 ± 0,02 млн лег)
разрыв
туф Бурги
— туф Ижумвои
Рис. 160. Магнитостратиграфия формации Кооби Фора озера Туркана в Ке-
нии (Hillhouse et al, 1986). Пзлеомагнитная датировка находится в
согласии с датой, полученной на основании исследования треков
распада частиц (Gleadow, 1980) и К-Аг-возрастом (McDougall et al..
1980, 1985; McDougall. 1985).
Временная шкала инверсий геомагнитной полярности играет существен-
ную роль в магнитостратиграфической датировке находок ранних гоминид
в Восточной Африке. Большое количество ископаемых скелетных останков
и каменных инструментов, принадлежащих, предположительно, ранним го-
минидам, обнаружено вблизи озера Туркана (Turkana) в Северной Кении
(старое название - озеро Рудольфа), в мошной 450-метровой плиоценовой/
плейстоценовой формации Кооби-Фора (Koobi Fora). В слоях отложений
обнаруживается несколько туфовых прослоек, создающих тефрохронологи-
ческую основу для стратиграфической корреляции горизонта находок в бас-
сейне Туркана. Наибольшее внимание в слоях привлекают туфы KBS. Па-
леомагнитное исследование туфов (Hillhouse et al., 1986) показало, что они
9.3. Применение 407
попадают в субхрон Олдувай (рис. 160). Такая магнитостратиграфическая
датировка находится в согласии с К-Аг-датировками этого туфа и датиров-
ками по трекам деления частиц. Этот результат позволил разрешить спор о
возрасте туфа в пользу более ранней хронологической схемы (разд. 6.1.3).
Остаточная намагниченность этих туфов в основном вторичного отложения
связана с ДОН и ХОН.
Кбвочево Kill
Кароново KII
Попово КП
Болгарчево KII-KIII
Рис. 161. Археомагнитные
данные с неолитических сто-
янок Болгарии. Определялись
склонение D, наклонение / и
величина F ЕОН в очагах in
situ и в обожженных отложе-
ниях, полученные значения
сравнивались со стандартны-
ми кривыми (Kovacheva, 1991).
Тололъница KIV
5900 5700 5500 5300
5100 4900 ВС
Печи и обожженные почвы. Очаги и кострища часто сохраняются in situ,
т.е. обожженная почва сохраняется в том же положении относительно окру-
жения, как и во время последнего воздействия на нее огня. Такие кострища
позволяют определить склонение, наклонение и величину напряженности
магнитного поля и поэтому могут быть датированы. Однако при этом следу-
ет убедиться, что образцы, используемые для измерения ТОН, подвергались
нагреву до достаточно высоких температур (> 400вС). Так, в стенках печей
преобладают сильные градиенты температуры, поэтому для анализа следует
отбирать образцы лишь с поверхности, имевшей тепловой контакт (Eighmy,
1990). В работе Ковачевой (Kovacheva, 1991) на основании определения па-
леомагнитных параметров D, / и /были датированы с точностью около 300
лет образцы обожженной глины нескольких неолитических стоянок Болга-
рии (рис. 161). Две раннесредневековые печи для производства негашеной
извести из Херршинга (Herrsching), Бавария, были датированы археомаг-
408 Глава 9. Палеомагнетизм
нитным методом с высоким временным разрешением 670 ± 30 г, н.э. в рабо-
те Беккера и др. (Becker et al., 1994), в которой использовано измерение
наклонения в сочетании с определением ТЛ-возраста (рис. 162). Накоплен
большой объем данных по печам и обожженным почвам Центральной Аме-
рики. Доколумбовы образцы последних 7 тыс. лет, в основном из Мексики,
были собраны Вольфманом (Wolfman, 1990b). Стандартная региональная
кривая (ср. рис. 154) покрывает промежуток времени 1-1200 г. н.э. Для
этого интервала Вольфман (Wolfman, 1990b) провел большую серию архео-
магнитных датировок, часть из которых имеет точность около 20 лет.
Рис. 162. Археомагниткое датирование печей для производства извести Хер-
ршинга, Южная Германия (Becker et al., 1994). Сопоставление изме-
ренных палеонаклонений со стандартной кривей (ср. рис. 164) по-
зволяет получить четыре возможные археомагнитные даты AM. Раз-
решить неоднозначность можно в пользу AM = 670 ± 30 г. н.э. с
помощью ТЛ-датирования. Такой комбинированный методологичес-
кий подход позволяет повысить точность датировок.
Керамика и кирпичи. Глины, используемые при производстве керамики,
содержат малые количества железосодержащих минералов. При обжиге вода
удаляется из гидроксидов и, в зависимости от окислительно-восстанови-
тельной среды, образуются двух- или трехвалентные оксиды железа. Таким
образом, восприимчивость материала еще больше повышается. Темные цвета
означают восстановительные, а красные - окислительные условия обжига.
Достаточность проводившегося нагрева глины можно легко определить по
отсутствию размягчения образца при воздействии влаги. Обычно при обжи-
ге достигаются температуры 700-80(ГС, что выше критических температур
Т( для всех ферромагнитных материалов. Более низкие температуры обжига
9.3. Применение 409
(> 400°С) приводят к тому, что ЧТОН приобретают лишь те компоненты,
которые имеют более низкие критические температуры Tt. Преобладающее
локальное магнитное поле запечатлевается в образце при охлаждении. Тот
факт, что ТОН приобретается в одно время с производством объекта, позво-
ляет провести однозначную интерпретацию археомагнитного возраста. Ис-
пользуются как параметры направления, так и величины магнитного поля.
Черепицу и кирпичи обычно находят не в той ориентации, какую они име-
ли в момент обжига, поэтому встает проблема определения их ориентации
во время нагрева. Поскольку сосуды обжигаются обычно в вертикальном
положении, а кирпичи во время обжига обычно лежат на одной из граней
(рис. 163), для датировки можно использовать лишь величину и наклонение
поля. Их азимутальное положение восстановить нельзя, что не позволяет
использовать в таких образцах склонение. Хотя остатки очагов часто нахо-
дят in situ, следует обращать внимание на возможные изменения положения
вследствие разрушения и других событий с момента последнего использова-
ния, которые могут повлиять на датировку. Другая проблема, которая иног-
да может повлиять на датировку, состоит в отклонении силовых линий внутри
объекта, что влияет на склонение и наклонение. Величина отклонения за-
висит от положения образца по отношению к внешнему полю, а также от
величины и формы нагреваемого объекта (Evans and Hoye, 1991; Reinders et
al., 1997).
Рис. 163. Типичная ориен-
тация керамических сосу-
дов и кирпичей во время
обжига в печах.
Для датировки нужны стандартные кривые археомагнитного поля. Такая
калибровочная кривая для Центральной Европы была построена Рейндер-
сом и др. (Reinders et al., 1997) на основе многочисленных измерений Z) и /
(рис. 164). Естественно, калибровочная кривая не всегда позволяет полу-
чить единственную дату. Неоднозначности можно разрешить на основании
археологических, типологических данных и независимых определений воз-
раста другими методами (рис. 162). При установленной стандартной кривой
для определенного региона точность датирования составляет 25-50 лет
(Tarling, 1991). Вследствие медленного изменения, низкого разрешения и
отсутствия в настоящее время соответствующей стандартной кривой палео-
410 Глава 9. Палеомагнетизм
интенсивность редко используется для определения возраста объектов из
обожженной глины. Однако палеоинтенсивность может послужить вспомо-
гательным средством при разрешении описанных выше неоднозначностей.
Рис. 164. Стандартная кривая вековых вариаций склонения и наклонения за
последние два тысячелетия в Западной и Центральной Европе (Reindens
et а!.. 1997). Кривая основана на прямых измерениях за последние 400
лет и на архсомагнитных измерениях в предшествующую эпоху. Чис-
ла вдоль кривой означают годы новой эры, отрицательные числа со-
ответствуют датам до новой эры. Звездочки показывают результаты
измерений археомагнетизма в нескольких средневековых печах. Ок-
ружности означают границы 95% доверительной области.
Глубоководные осадки. Глубоководные осадки образуют почти идеальный
архив истории магнитного поля. Их непрерывное накопление обеспечивает
сохранение записей о временных вариациях магнитного поля, а их широкое
распространение позволяет производить исследование на большой площа-
ди. Профили полярности и изменения величины ЕОН наблюдались в глубо-
ководных осадках всех океанов (Opdyke, 1972). Профили полярности позво-
ляют проводить сопоставления глубоководных осадков самых разных фаций
(рис. 165). Вариации палеоинтенсивности также все более широко начина-
ют применяться для магнитостратиграфической корреляции (Guyodo and
9.3. Применение
Valet, 1996). Палеомагнетизм (основанный на инверсии полярностей) в ком-
бинации с кислородным изотопным анализом (разд. 10.2.2) и микропалеон-
тологией составляет основу морской четвертичной стратиграфии. Связыва-
ние палеомагнетизма с радиометрическими данными о возрасте континен-
тальных вулканитов позволяет получить хронометрические временные мар-
керы для морской стратиграфической системы. И наоборот, континенталь-
ные последовательности могут быть связаны с этой системой посредством
магн итостратиграфии.
Устойчивая остаточная намагниченность глубоководных осадочных по-
род обусловлена в основном малыми добавками титаномагнетита. Микроско-
пические зерна руды (< 10 мкм), как считается, переносятся на большие рас-
стояния ветром, оседают на поверхности воды и медленно погружаются на
дно океана. Спокойные условия осаждения позволяют магнитным зернам
сориентироваться по полю и, таким образом, увеличить ДОН в отложениях.
До тех пор, пока осадки остаются неконсолидированными, ферромагнитные
материалы, переориентируясь, имеют возможность адаптироваться к измене-
ниям магнитного поля. Таким образом, осадочные породы не могут приобре-
сти ПДОН, пока они не достигнут некоторой глубины залегания, вероятно,
около нескольких сантиметров от границы дна (Tauxe et al., 1996). Соответ-
ственно, в зависимости от скорости осадконакопления (для глубоководных
отложений обычно порядка мм/тыс. лет — см/тыс. лет) может существовать
определенный временной зазор (103-104 лет) между осаждением и фиксацией
намагниченности, что приводит к задержке в записи магнитного поля и ухуд-
шению временного разрешения. Дополнительные возмущения связаны с пе-
реносом осадков в процессе жизнедеятельности организмов, населяющих дно
океана. Эти так называемые биотурбации могут внести возмущения в слой в
несколько сантиметров, что соответствует нескольким десяткам тысяч лет.
Биотурбации осложняют определение намагниченности в таком временном
масштабе и приводят к смазыванию сигнала ЕОН.
Датирование микротектитов Юго-Восточной Азии ~ Австралии показыва-
ет возможность магнитостратиграфии высокого разрешения. Появление мик-
ротектитов в глубоководных отложениях ограничено слоем толщиной в не-
сколько сантиметров, примыкающим к границе М/Б. Поскольку считается,
что образование микротектитов вызвано столкновением Земли с гигантским
метеоритом, существовало предположение, что именно подобные катастрофи-
ческие столкновения отвечают за инверсии магнитного поля. Соответственно,
были основания думать, что смена полярности М/Б явилась результатом стол-
кновения, приведшего к появлению азиатско-австралийских микротектитов
(Muller and Monk, 1986). Выброшенные столкновением в атмосферу тучи пыли
могли привести к глобальному похолоданию, которое вызвало рост полярных
шапок Земли. В результате уменьшился момент инерции, Земля начала вра-
щаться быстрее, что оказало сильное влияние на гидромагнитные процессы в
ее ядре и привело к инверсии полярности менее чем за I тыс. лет после столк-
новения. Имея в виду эту возможность, Шнайдер (Schneider et al., 1992) иссле-
тихий тихий
CtBEPHbM ТИХИЙ
АТЛАНТИКА АТЛАНТИКА ИНДИЙСКИЙ
О
Рис. 165. Палеомагнитная корреляция кернов глубоководных осадков » основных океанах (Opdyke. 1972). Профили
полярностей не зависят от существенно различающегося литологического состава осадков.
412 Глава 9. Палеомагнетизм
9.3. Применение 413
довал на остаточную намагниченность, склонение и наклонение в ориенти-
рованных по азимуту пробах глубоководных кернов, полученных в Индоки-
тайском архипелаге. Граница М/Б однозначно идентифицируется по малой
величине поля и внезапному изменению склонения на 180° (наклонение в
экваториальных широтах всегда мало, независимо от полярности, и поэтому
не является показателем; рис. 166). Слой, содержащий микротектиты, залега-
ет на I м ниже границы М/Б, что в этих отложениях соответствует разнице в
возрасте 12 тыс. лет. Он попадает в период роста величины геомагнитного
поля, а относительно слабые поля наблюдаются на 6 тыс. лет раньше стол-
кновения. Кроме того, как свидетельствуют изотопы кислорода раковин фо-
раминифер, событие приходится на начало потепления (конец холодной
стадии 20). Такая строго восстановленная последовательность событий не-
совместима с предположительной цепочкой причинно-следственных связей:
столкновение -> изменение климата -> смена полярности.
Рис. 166. Сравнение между величиной
ЕОН, значениями 8**0 и содержани-
ем микротектитов в глубоководных от-
ложениях Индокитайского архипела-
га. Микротектиты примерно на 12 тыс.
лет старше границы М/Б, которая ха-
рактеризуется очень низкой величиной
поля. Появление микротектитов при-
ходится на период роста поля и нача-
ла потепления (Schneider et al., 1992;
с любезного разрешения Elsevier
Science Ltd.).
ODP769A
Микротектиты, Г1
Относительный уровень моря (м)
^7—
-100 -50 0
414 Глава 9. Палеомагнетизм
Лимнические и флювиапъные отложения. Отложения пресноводных озер
являются наиболее важными климатическими свидетелями континенталь-
ных климатических изменений четвертичного периода, в особенности в плей-
стоцене и голоцене. Как и в случае глубоководных осадков, процесс осадко-
накопления в пресной воде происходит непрерывно. И хотя этот период
ограничен временем заиливания, тем не менее он может продолжаться не-
сколько сотен тысяч лет или даже миллионов лет, как в случае озера Байкал.
Климатические изменения влияют как на литологию осадочных пород, так
и на содержание в них ископаемых, прежде всего пыльцы. Это позволяет
проводить сопоставление пресноводных отложений с другими. Кроме зна-
чений Д /и Гдля корреляции может использоваться восприимчивость (напр..
Haverkamp and Beuke, 1993), поскольку этот параметр зависит от пропорции
ферромагнитных минеральных компонентов, которая, в свою очередь, зави-
сит от условий в окружающей среде. Спокойные условия осаждения спо-
собствуют появлению ДОН. Высокая концентрация воды в неконсолидиро-
ванных осадках приводит к временной задержке и развитию ПДОН. В отли-
чие от глубоководных отложений, пресноводные имеют существенно боль-
шую скорость накопления 0,1—1 мм в год и поэтому могут фиксировать
существенно более краткосрочные вековые вариации магнитного поля.
В кернах бурения, взятых со дна Лак-дю-Буше (Lac du Buchet) - озера
Центрального Французского Массива, вековые вариации были прослежены
до последнего межледникового периода 120 тыс. лет назад (Thouveny et al.,
1990). Кривые вариаций Д / и Г могут использоваться для магнитостратиг-
рафической корреляции, а в случае временной привязки — в качестве стан-
дартных кривых для палеомагнитного датирования. В случае Лак-дю-Буше
самые глубокие слои захватывают инверсию полярности субхрона Блэйка.
Примечательно, что обнаруженная впервые в вулканических породах Цент-
рального массива экскурсия Ляшамп (Laschamp) в этих отложениях не про-
слеживается. Аналогично были исследованы осадки мааровых озер Эйфеля,
Германия (Haverkamp and Beuker, 1993). Осадочные породы сибирского озера
Байкал содержат самую длительную запись палеомагнетизма среди всех изве-
стных пресноводных отложений, простирающуюся на 5 млн лет, возможно,
до самого миоцена. Зафиксированные в них вариации палеоинтенсивности
за последние 84 тыс. лет хорошо коррелируют с вариациями в средиземно-
морских отложениях и в отложениях Индийского океана. Это предполагает
существование сильной глобальной составляющей и, соответственно, позво-
ляет проводить сопоставление континентальных и океанических осадочных
пород с потенциальным разрешением 7 тыс. лет (Peck el al., 1996).
Мелкозернистые флювиальные отложения в местах застоя рек также
пригодны для палеомагнитного исследования, как, например, глины, рас-
положенные ниже и выше уровня находки Homo heidelbergesis в бывшей из-
лучине реки Мауэр (Mauer) в Германии. Нормальная полярность относит
уровень находки к хрону Брюнес, а граница М/Б 0,778 млн лет означает для
этого представителя гоминид terminus post quern (Hambach et al., 1992). Как
9.3.
свидетельствуют пыльцевые комплексы нижележащих глин (Urban, 1992),
граница М/Б отделена от уровня находки по крайней мере одним леднико-
вым периодом. В комплексе Гона (Gona) в Эфиопии были обнаружены ол-
дувайские каменные орудия в отложениях, вызванных наводнениями. Па-
лсомагнитное исследование мелкозернистых флювиальных отложений по-
казало, что эти артефакты являются пока древнейшими в мире (Semaw et al.,
1997). Горизонт археологических находок обозначен рамками границы Га-
усс/Матуяма (2,6 млн лет назад) и возрастом вышележащих туфов, датиро-
ванных ^Аг-^Аг-методом (2,52 ± 0,08 млн лет; разд. 3.1.3).
Лёсс. В мощных лёссовых покровах ледниковых климатических периодов
часто наблюдается естественная остаточная намагниченность. Появление ЕОН
в лёссах пока полностью не понято, поскольку трудно представить себе дос-
таточную ориентацию ферромагнитной фракции переносимой ветром пыли
при высокой скорости ее осаждения. Как было показано размагничиванием
образцов нагревом и в переменном поле, основную роль играет магнетит и
ПДОН, а вспомогательную ~ гематит и ХОН диагенетической природы
(Reindersand Hambach, 1995). Высокая скорость осаждения (> 0,1 мм в год)
лёссов является хорошей предпосылкой для реконструкции вековых вариа-
ций с высоким временным разрешением. Детальное палеомагнитное иссле-
дование 4-метрового профиля вюрмийского лёсса из Бёкингена (Bokingen),
Южная Германия, который, согласно ТЛ-датировке (Zollerand Wagner, 1989),
имеет возраст 41-24 тыс. лет, провел Лимброк (Limbrock, 1992). Лёссовые
гуминовые слои имеют низкие значения восприимчивости. Палеомагнит-
ныс вариации Ди / (рис. 153) имеют много общего с аналогичными профи-
лями, напр. из Лак-дю-Буше, что показывает важность палеомагнитных лёс-
совых данных. Инверсия полярности, соответствующая событию Ляшамп, в
Бёкингене не обнаруживается.
Исследования профилей лёссов Китая показывают сильную корреляцию
восприимчивости к с педостратиграфией (при этом в почвах к больше, чем
в лёссах) и анти корреляцию с кривой 6”О глубоководных отложений (Kukla
et al., 1988). Очевидно, что восприимчивость лёссов Китая варьируется в
зависимости от глобальных и локальных изменений климата. Возможными
причинами зависимости восприимчивости от изменений климата могут быть
условия окисления железа (магнетит имеет в 100 раз большую восприимчи-
вость по сравнению с гематитом) или растворение немагнитных компонен-
тов отложений в ледниковые периоды (Heller and Liu, 1986; Beeret al., 1993).
Для стратиграфической корреляции лёссовых последовательностей исполь-
зуются кривые восприимчивости в сочетании с профилями полярности и
ХарОН (рис. 167). Однако детальный анализ положения границы М/Б в
сечениях азиатских лёссов показывает, что их палеомагнитная интерпрета-
ция может быть сложнее, чем считалось до сих пор (Tauxe et al., 1996).
В большинстве этих сечений лёссов граница М/Б появляется в интервале,
предположительно связанном с ледниковым периодом, в то время как в
(F416 Глава 9. Палеомагнетизм
океанических отложениях эта граница жестко связана с межледниковой ста-
дией 19 по 5*8О. Пока не вполне ясно, связана ли такая несогласованность с
какой-то формой задержки фиксации намагниченности по сравнению с глу-
боководными осадками или с временным зазором между фазами климата
океана и континента.
Пещерные отложения. Перспективной, но обычно трудной задачей яв-
ляется датировка пещерных отложений и связанных с ними палеолитичес-
ких находок. Намагниченность пещерных отложений связана с явлениями
ПДОН и ХОН, а также с деятельностью бактерий. В случае непрерывного
накопления отложения могут быть датированы на основе вековых вариа-
ций. Первые эксперименты такого рода были выполнены Криром и Коп-
пером (Creerand Коррег, 1974), которые исследовали слои верхнего палео-
лита пещеры Тито-Бустилло (Tito Bustillo) в Северной Испании. Измерен-
ные значения Д I и F сравнивались со стандартной кривой, которая была
получена на основе анализа отложений озер Англии. Таким образом, слой,
сопоставленный с мадленской культурой, получил возраст 11,6-11,2 тыс.
лет. Аналогичные археомагнитные исследования были предприняты в Петра-
лонской пещере (Petralona cave) в Северной Греции, в которой в 1960-м г.
был обнаружен череп представителя ранних гоминид (Paramarinopoulos et
al., 1987). Был исследован профиль толщиной 4,5 м, который включал и
горизонт находки на глубине 2 м. Анализировались лишь мягкие и влаж-
ные слои. Измерялись значения Д / и F, а также восприимчивость. Стан-
дартные кривые для сравнения отсутствовали, что не позволило провести
магнитное датирование. Однако нормальное наклонение свидетельство-
вало о том, что весь осадочный комплекс профиля моложе границы М/Б.
Этот результат находится в согласии с датировками петралонского чере-
па (*200 тыс. лет) по урановой серии и методом ЭСР (разд. 4.3, 7.3.3).
Некоторая несогласованность значений D и I объяснима жизнедеятель-
ностью доисторического человека и животных (антропотурбация и био-
турбация).
Палео магнитное исследование глин и ила на месте археологических рас-
копок стоянки Гран-Долина, Атапуэрка (Gran Dolina, Atapuerca), в Север-
ной Испании показало наличие границы М/Б в нижней части сечения от-
ложений (Pares and Perez-Gonzalez, 1995). Спой, содержащий останки гоми-
нид и артефакт «Аврора*, расположен в хроне Матуяма, немного ниже гра-
ницы, что предполагает возраст 780 тыс. лет, вблизи времени границы М/Б.
Такой возраст делает эти находки пока древнейшими европейскими гоми-
нидами, возможно связанными с более поздними европейцами, такими как
Homo heidelbergensis. Аналогично палеомагнитное исследование образцов глин
из пешеры JIoHrryno(Longgupo), провинция Сичуань. Китай, помещает слой
с ископаемыми находками раннего Ното и связанные с ним артефакты в
субхрон Олдувай, что свидетельствует об очень раннем появлении вида Ното
в Азии (Wanpo et al., 1995).
9.3. Применение 417
лёсс, черный - палеопочвы) профилей лёссов Ксифенг (Xifeng), Китай.
Ясно видно, что высокая восприимчивость связана с почвами. Такое
поведение восприимчивости позволяет связать педостратиграфию и маг-
нитостратиграфию и связать их с кривой через определение поляр-
ности лёссов. Таким образом, оказывается возможным количественное
датирование (Heller et al., 1991; с разрешения Elseiver Science Ltd.).
шГ418 Глава 9. Палеомагнетизм
Известковые отложения пещер. Известковые пещерные агломераты име-
ют слабую, хотя и измеримую намагниченность. Их слабая намагниченность
имеет химическое происхождение (ХОН) и обусловлена наличием следов
магнетита и гематита. Исследования голоценовых сталагмитов пещер Кин-
гсдэйл (Kingsdale), Великобритания, показали, что полученные данные о
значениях D и I для устойчивой компоненты ЕОН находятся в согласии с
ожидаемыми. Поэтому этот материал рассматривается как подходящий для
магнитного датирования (Latham et al., 1979). С помощью 72-сантиметрово-
го сталагмита из пещеры Сотано-дель-Арройо (Sotano del Arroyo), Мексика,
была произведена детальная реконструкция вековых вариаций магнитного
поля за период более 1200 лет ~ период роста сталагмитовой формации,
определенный на основании определения 2MTh / 2MU- и иС-возраста (Latham
et al., 1986). Полученные данные находятся в согласии с археомагнитной
стандартной кривой для склонения и наклонения юго-западной части Се-
верной Америки. Этот результат показывает, что с помощью региональной
стандартной кривой известковые пещерные агломераты могут быть аккурат-
но датированы палеомагнитным методом.
Кирпичи из необожженной глины. Кирпичи, высушенные на солнце, име-
ют слабую остаточную намагниченность, причина которой пока до конца не
ясна. Возможно, она устанавливается в процессе формования. Такой тип
ЕОН, так называемая сдвиговая или ударная остаточная намагниченность,
также используется для определения палеоинтенсивности (Games, 1977).
ГЛАВА 10
ОРБИТА ЗЕМЛИ,
КЛИМАТ И ВОЗРАСТ
Более 99,9% энергетического баланса на поверхности Земли и, соответственно,
погоду и климат определяет Солнце. Временные флуктуации инсоляции при-
водят к периодическим флуктуациям температуры. Вращение Земли вокруг
своей оси вызывает суточные изменения температуры, а ее орбитальное дви-
жение вокруг Солнца определяет годовые колебания. Долговременные из-
менения (20-100 тыс. лет) орбиты Земли вызывают климатические флукту-
ации - циклы Миланковича, которые несут ответственность за леднико-
вые/межледниковые циклы четвертичного периода. Годовые и долговремен-
ные климатические флуктуации оставляют отчетливые следы в геологичес-
ких и биологических объектах, которые могут быть использованы для дати-
ровки. Ниже вкратце рассмотрены методы, основанные на климатических
циклах. Благодаря их высокой точности некоторые из них играют фунда-
ментальную роль в хронометрии голоцена и плейстоцена.
ЮЛ. Годовые циклы
Периодичность разности инсоляции двух полушарий вызывает сезонные темпе-
ратурные вариации, которые, в свою очередь, включают геологические и биоло-
гические процессы, отражающиеся в годичных слоях осадочных отложений, слоях
ледников, кольцах деревьев, кораллов (Knutson et al., 1972; Beck et al., 1997) и
сталактитов (Baker et al., 1993). На основе погодного подсчета образования ново-
го материала основаны различные методы датирования. Поскольку климатичес-
кие условия не повторяются полностью от года к году, растущие слои имеют
характерные особенности, например толщина годичных колец деревьев отража-
ет погоду конкретного лета. Последовательность таких характеристик за опреде-
ленный период образует характерную сигнатуру, которую можно использовать
для исследования корреляций. Индивидуальные методы датировки, которые здесь
могут быть только слегка затронуты, имеют, благодаря их очень высокому вре-
менному разрешению, особенно большое значение для позднеледникового пе-
риода и голоцена с их резкими климатическими изменениями.
10.1.1. Хронология ленточных глин (варвохронология)
Таяние ледникового льда следует сезонным температурным флуктуациям.
Талые воды, образующиеся летом, переносят сравнительно большое коли-
(цГ420 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
чество крупнозернистых частиц пластических горных пород. С падением
температуры возможность переноса уменьшается. Таким образом, в прилед-
никовых озерах формируются периодические годичные отложения - лен*
точные глины (варвы), в которых наблюдается постепенный переход напла-
стований от песка или ила к глинистым фракциям (De Geer, 1912). Каждый
последующий слой ленточных глин резко начинается с крупнозернистых
отложений. В зависимости от летних температур образуются слои разной
толщины (от мм до см), формирующие характерную последовательность,
отражающую историю климата. Ленточные глины датируются отсчетом и
корреляцией на основе их толщинных сигнатур. Приледниковое положение
вблизи отступающего ледника возможно лишь в течение небольшого времен-
ного интервала в позднеледниковом периоде. Для того чтобы установить хро-
нологию ленточных глин за возможно более продолжительное время, необхо-
димо использовать перекрывающиеся профили, находимые по пути движе-
ния ледника. Так, например, древнейшие ленточные глины в Швеции найде-
ны на юге. а самые молодые - к северу, вдоль Ботнического залива (рис. 168).
Шведская хронология ленточных глин перекрывает более чем 13 000 лет (от
настоящего времени, т.е. от базового 1950-го г.) с возможными погрешнос-
тями около +ю, -180 лет (Bjorck et al., 1992; Andren et al., 1996). Граница
между поздним дриасом (Younger Dryas) и пребореалом (совпадающая с гра-
ницей между плейстоценом и голоценом), Стрёмберг (Strdmberg, 1985) по-
лучила по ленточным глинам возраст 10 700 + 50, -150 лет, что примерно на
800 лет меньше, чем соответствующий дендровозраст (Bjorck et al., 1996),
вероятно, из-за потерянных слоев.
Слоистые годичные структуры встречаются не только во флювиогляци-
альных отложениях. Однако их присутствие зачастую может быть обнаруже-
но лишь на микроскопическом уровне. Такие негляциальные глины были,
например, обнаружены в позднеледниковых и голоценовых отложениях в
Зоппензее (Soppensee), Швейцария, где светлые кальцитосодержащие лет-
ние слои чередуются с темными осенне-зимними слоями (Letter et al., 1992).
Для отложений, образовавшихся в последние 15 тыс. лет, счет слоев может
быть увязан с результатами исследования пыльцы растений и АМС-,4С-да-
тировки, что представляет интерес не только для хронологии, но и для па-
леоэкологии. Годичная слоистость описана также для Меерфельлерского
(Meerfelder Maar) озера и озера Хольцмаар (Holzmaar) в Эйфеле, Германия
(Zolitschka et al., 1992). Микроскопические годичные слои в этих озерных
отложениях состоят из светлых весенних и летних слоев, содержащих план-
ктоновую диатомею и темных осенних и зимних слоев, содержащих класти-
ческие и органогенные детриты. В Хольцмааре, начиная с вершины керна,
удалось насчитать 12 794 слоя голоценового и позднеледникового периода.
Установленный по ленточным глинам возраст вкраплений туфа вулкана
Лаахер Зее (Laacher See), который извергался около 12,9 тыс. лет назад, соста-
вил 11 323 ± 224 лет, а возраст границы плейстоцен/голоцен - 10 630 ± 183
лет. Эти числа, определенно, слишком малы по сравнению с датировками,
10.1. Годовые циклы 42Mji
ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ
ДЕЛЕНИЯ ШВЕДСКОЙ ХРОНОЛОГИИ
ЛЕНТОЧНЫХ ГЛИН
«Классической» хронология
....... Пересмотренная хронология
Рис. 168. Шведская хронология ленточных глин, покрывающая последние 12 800
лет до 1950 г. (Bjorck et al. 1992). Перекрытие отдельных хронологий
(/- /£) позволяет восстановить непрерывную хронологию таяния лед-
ника в Скандинавии. Вследствие отступления ледника чем севернее,
тем моложе профили ленточных глин.
Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
полученными калиброванным ,4С-методом по данным дендрохронологии и
ледовых кернов (Bjurck et al., 1996). АМС-,4С-датирование ископаемых из
отложений Хольцмаара позволило установить, что в молодых слоях отложе-
ний не хватает 878 годичных слоев (Hajdas ei al., 1995). Это показывает, что
при использовании хронометрии ленточных глин следует иметь в виду воз-
можность пробела в образовании отложений, другими словами, их возраст
показывает лишь минимальный возраст. Если не считать этой проблемы,
слоистые озерные отложения могут в принципе позволить продлить калиб-
ровочную кривую ,4С в позднеледниковый период глубже в прошлое, чем
дендрохронология (Stuvierand Кга, 1986).
10.1.2. Дендрохронология
В умеренных широтах с выраженными сезонными климатическими измене-
ниями, структура годичных колец деревьев в основном определяется перио-
дичностью вегетационного прироста. Расположенная под корой дерева ткань
камбия формируется весной и летом. Новое древесное кольцо, окружающее
старую древесину также начинает расти весной, после окончания осенне-
зимнего периода. Толщина и плотность каждого годичного кольца зависят
от преобладающих погодных условий во время периода роста, в основном
от количества осадков и температуры. Соответственно, последовательные
кольца дерева содержат запись о погодных условиях в течение последова-
тельного ряда лет, поэтому последовательность узких или широких колец
определяется климатическими условиями и образует характерную сигнату-
ру. Эта информация обычно отображается в виде кривых древесных колец,
на которых последовательно откладывается зависимость толщины колец от
года прироста. Подобные кривые позволяют проводить исследование кор-
реляции различных последовательностей древесных колец (перекрестная да-
тировка). Для построения непрерывных дендрохронологических кривых также
используется ископаемая древесина различного возраста, с помощью пере-
крывающихся участков колец которой можно строить дендрохронологичес-
кие сигнатуры, простирающиеся в прошлое гораздо глубже, чем позволяет
материал живых деревьев (рис. 169).
Чтобы уменьшить влияние микроклиматических особенностей, завися-
щих от места произрастания, отдельные кривые древесных колец объединя-
ются в региональные мастср-кривые. В результате последовательность ко-
лец неизвестного возраста может быть сопоставлена с усредненной регио-
нальной мастер-кривой и, таким образом, дендрохронологически датирова-
на. Однако последовательность годичных колец образца дерева из-за отли-
чия локальных условий никогда полностью не совпадает со стандартной
кривой. Ее адаптация к мастер-кривой требует применения статистического
анализа. Кроме хронологических приложений, дендрохронология, которая
может быть также дополнена изотопным анализом колец дерева, обеспечи-
вает важную информацию для палеоклиматологии (Becker et al., 1991).
Ю. I. Годовые циклы
В древесных кольцах также обнаруживаются следы экологического влияния,
включая современные повреждения лесных массивов (Klein and Eckstein, 1988).
Дендрохронология берет свое начало в работах Дугласа (Douglass, 1921) в
Северной Америке и Губера (Huber, 1941) в Центральной Европе. Сам метод
систематически рассматривается в книге Швайнгрубера (Schweingniber, 1988).
^^4 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
В Северной Америке хронология древесных колец голоцена была уста-
новлена с помощью сосны остистой, которая произрастает высоко в горах и
может иметь возраст до 4000 лет. В Центральной и Западной Европе для
дендрохронологии наиболее важными деревьями являются дуб и сосна.
В основе германской дендрошкалы лежит более 6000 отдельных кривых при-
роста колец деревьев. Для этой цели послужила древесина исторического и
доисторического времени, а также ископаемые стволы, найденные в поймах
Рейна, Майна и Дуная (Becker et al., 1991). Эта хронология дуба («гогенхей-
мская хронология») содержит без пропусков 9928 годичных колец и начина-
ется в 7938 г. до н.э., т.е. 9887 дендролет до и. вр. Как было обнаружено
позднее, в этой хронологии вблизи 5200 г. до н.э. не хватает 41 кольца
(Bjork et al., 1996). Еще один сдвиг в прошлое на 54 кольца потребовался
для 7800 г. до н.э. (Spurk et al., 1998). Пересмотренная гогенхеймская хроно-
логия начинается к 10 429-му г. от настоящего (8480 г. до н.э.). Это самый
длинный дендрохронологический календарь, начинающийся тогда, когда по-
явились первые смешанные дубовые леса, сменившие пребореальные и бо-
реальные сосновые. Для дальнейшего углубления дендрохронологии, кото-
рая бы включала пребореальный и позднеледниковый периоды, необходимо
использовать древесину сосны. Для этого интервала уже построена шкала,
состоящая из 1941 годичного кольца. Эта шкала была предварительно со-
стыкована со шкалой дуба с образованием объединенной дендрохронологии
дуба/сосны, протянутой на 11 900 лет от н. вр. (Becker, 1993; Bjork et al.,
1996; Spurk et al., 1998). Толщина колец германских сосен заметно увеличи-
вается в 11510 ± 20 г. от н. вр., отмечая границу ледниковый период -
голоцен.
Дата гибели дерева может быть определена с точностью до 1 года, а в
некоторых случаях (если это случилось летом) даже месяцев, при условии
что сохранилась кора с самым последним кольцом прироста. При отсут-
ствии коры количество недостающих колец определить точно нельзя. Од-
нако, если сохранились остатки наружного луба, количество пропущен-
ных лубяных колец можно оценить. Для датирования образца дерева тре-
буется около 100 последовательных колец. Датируемые древесные мате-
риалы включают ископаемые стволы, находимые в отложениях, балки
исторических зданий, доски картин (Hillam and Tyers, 1995), атакже сред-
невековые и современные музыкальные инструменты (Klein and Eckstein,
1988). На основании германской и ирландской хронологии дуба надежно
датируются образцы дуба Западной и Центральной Европы последних
10 тыс. лет. В частности, дендро- и ,4С-датировки показывают, что нача-
ло раннего бронзового века в Юго-Западной Германии относится к
XXIII веку до н.э. (Becker et al., 1989). Кроме дуба и сосны иногда ис-
пользуются образцы древесины бука, ели и пихты. Предпринимались по-
пытки дендрохронологически датировать позднеминойское извержение
вулкана Тера (Thera) (разд. 5.4.3) сопоставлением аномальных древесных
колец («морозных колец») Северной Америки и Ирландии (LaMarche and
10.1. Годовые циклы 42S
Hirschbock, 1984; Baillie and Munro, 1988) с вызванным извержением гло-
бальным ухудшением климата. Этот подход дает дату извержения 1628/
1627 г. до н.э. Стандартная эгейская (восточно-средиземноморская) шка-
ла сейчас находится в стадии разработки. Для построения кроме дуба и
сосны используется кедр, пихта и можжевельник (Kuniholm and Striker,
1987). Плавающая дендрошкала длительностью в 1503 года была с малой
погрешностью связана посредством сопоставления флуктуаций (wiggle-
matching) с калибровочной кривой ,4С. начиная от -2230 г. до н.э. до
-730 г. до н.э. Еще более аккуратное временное согласование этой после-
довательности было предложено на основании примечательной анома-
лии прироста в XVII веке до н.э. с уже отмеченной аномалией прироста в
1628/1627 it. до н.э. в дендрошкалах Европы и Северной Америки
(Kuniholm el al., 1996). Таким образом, полная 1503-летняя хронология
позволяет проводить аккуратное перекрестное датирование образцов де-
рева и угля Восточного Средиземноморья.
Дендрохронология является наиболее точным календарным калиб-
ровочным инструментом для радиоуглеродной временной шкалы, и по-
этому она сыграла существенную роль в развитии методов датирования
на основе радиоуглерода (разд. 5.4.1). Поэтому калибровка возраста в
голоцене почти полностью основана на календаре годичных колец де-
ревьев. Наиболее важные дендрохронологические мастер-шкалы были
установлены на основе североамериканской остистой сосны и дубов
Германии и Ирландии (Stuvier et al., 1993). Взаимное согласование этих
калибровочных кривых является замечательным научным достижением,
если принять во внимание, что они установлены для разных видов дере-
вьев, растущих в существенно различных климатических и географи-
ческих условиях.
10.1.3. Подсчет ледовых слоев
Снег, выпадающий на ледовые шапки Земли, имеет сезонные вариации со-
става. В случае продолжительных снегопадов - при уровне > 25 см в год - в
ледовых отложениях формируются годичные слои. Это условие лучше вы-
полняется в Гренландии, хуже - в Антарктике (Dansgaard, 1981). Годичный
ритм прослеживается в вариациях химического и изотопного состава, в ос-
новном в вариации уровня кислотности, содержания пыли и изотопа кисло-
рода Я’О (зимний снег состоит из более легкого изотопа). Причины этих
вариаций достаточно сложны (Herron, 1982). С ростом толшины льда свя-
занные с ростом давления вышележащих слоев диагенетические процессы
приводят к постепенному утончению нижних слоев вплоть до полного ис-
чезновения их структуры. Возраст определяется отсчетом годовых слоев вниз
от поверхности. В керне Саммит (Summit) Центральной Гренландии (GRIP)
отсчет годичных слоев проводился на основании нескольких параметров, а
именно б’Ю и содержания Са2*, NH;, нитратов и микрочастиц (Johnsen et
Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
al., 1992). Этот подход удалось реализовать для слоев керна, по крайней
мере, для последних 14,5 тыс. лет. Таким образом, наступление промежуточ-
ного периода Беллинга (Bolling) было определено в 14 410 ± 200 г. до н. вр.,
наступление позднего дриаса (Younger Dryas) в 12660 ± 100 г. до н. вр. и
границы дриас/пребореаль в 11510 ± 70 г. до н. вр. с учетом коррекции по
отношению к опорному 1950-му году.
Время от времени в ледовых кернах отмечаются сильные пики кислот-
ности, которые связываются с мощными извержениями вулканов, выбра-
сывающими в атмосферу в виде аэрозоля большие количества серной кис-
лоты. Кислотные слои льда заметны также по увеличенному содержанию в
них пыли. Один из пиков кислотности керна Dye-З, который датируется
отсчетом слоев 1645 ± 20 г. до н. вр. (рис. 170), связывается с загрязнением
атмосферы во время позднеминойского извержения вулкана Тера (разд. 5.4.3;
Hammer et al., 1987). Керн Саммит позволяет более точно датировать это
событие 1645 ± 7 г. до н. вр. (Johnsen et al., 1992). В ледовом керне GISP2,
также полученном в районе Саммит в Гренландии1, слои вулканического
пепла были идентифицированы на основании содержания в них БОГ и не-
которых катионов (Zielinsky et al., 1994). В последовательно проанализиро-
ванных годичных слоях за последние 7000 лет было обнаружено 69 подоб-
ных событий. Многие из них были сопоставлены с исторически документи-
рованными извержениями вулканов. Химические анализы слоев и исследо-
вание содержания пыли в этом ледовом керне позволили также получить
информацию о динамике климата голоцена (O’Brian et al., 1995).
Рис. 170. Годичные вариации
уровня кислотности в ледо-
вом керне Dye-З из Южной
Гренландии. Пик кислотнос-
ти (*) в слое 1645 ± 20 г. до
н. вр. сопоставлен с выбро-
сом в атмосферу серной кис-
лоты во время минойского из-
вержения вулкана на острове
Тера (Hammer et. al., 1987; вос-
производится с разрешения
журнала Nature, Macmillan
Publisher Ltd.).
• В районе Саммит (в переводе с английского «вершина»), названном так из-за сво-
его центрального положения у вершины ледяного щита Гренландии, было пробуре-
но несколько скважин. К наиболее известным относятся GISP, GRIP и Summit. -
Прим. ред.
102. Циклы Миланковича 427
10.2. Циклы Милаиковича
Поскольку инсоляция оказывает доминирующее влияние на климат, вполнее
разумно предположить, что ответственность за долговременные климати-
ческие колебания ледникового периода несут флуктуации потока солнечной
энергии. Такой подход к проблеме начал развиваться еще в XIX веке (Adhemar,
1842; Croll, 1875) и был продолжен в XX веке (Pilgrim, 1904). Однако наи-
большие достижения принадлежат Миланковичу (Milankovitch, 1941), раз-
работавшему последовательную теорию, которая смогла, в предположении
постоянства излучения солнца, объяснить долговременные климатические
изменения в ледниковом периоде. Согласно теории Милаиковича малые,
периодические во времени, вариации земной орбиты, обусловленные гра-
витационным взаимодействием между Землей, Луной, Солнцем и планета-
ми, существенно влияют на сезонную инсоляцию на высоких географичес-
ких широтах, что приводит к цикличности ледниковых периодов.
Периодичность, присущая вариациям орбитальных параметров Земли,
может быть точно рассчитана, и, следовательно, инсоляционная теория на-
кладывает на климатические модели жесткие временные рамки. Таким об-
разом, несомненная корреляция этих вариаций с зафиксированными кли-
матическими флуктуациями в ледниковом периоде является проверкой спра-
ведливости теории Милаиковича. Однако пока точность хронометрии чет-
вертичного периода была невысока, эта корреляция не могла быть доказана.
Именно поэтому признание к теории Миланковича пришло с задержкой.
Ситуация начала меняться в пользу теории Миланковича лишь в конце
1960-х гг. Это изменение в основном связано с исследованием ископаемых
кораллов и глубоководных отложений в сочетании с хронометрическими
данными.
Климатические флуктуации в четвертичном периоде связываются с пе-
риодическими вариациями трех параметров орбиты Земли (рис. 171).
1. Угол наклона эклиптики. Этот параметр описывает наклон оси враще-
ния и определяется как угол между плоскостью земного экватора и плоско-
стью орбиты Земли. В наше время наклон эклиптики составляет -23,5’ и с
цикличностью в 40 тыс. лет изменяется между 22, Г и 24,4*. Наклон эклип-
тики приводит к сильному изменению инсоляции каждые полгода в Север-
ном и Южном полушарии, что приводит к смене времен года. С ростом
наклона эклиптики сезонные изменения становятся более ярко выражен-
ными.
2. Эксцентриситет орбиты Земли. Земля движется по эллиптической
орбите вокруг Солнца, которое расположено в одном из фокусов. Эксцент-
риситет описывает отличие орбиты от круговой. В настоящее время он ра-
вен 1,7% и изменяется с циклом длительностью 100 тыс. лет от 0,5 до 6% с
наложением дополнительного цикла в 400 тыс. лет. Вариации эксцентриси-
Глава
10. Орбита Земли, климат и возраст
ЛЕТ ОТ НАСТОЯЩЕГО ВРЕМЕНИ
Рис. 171. Согласно теории Миланковича, флуктуации климата в четвертичном
периоде являются следствием циклических изменений трех параметров
движения Земли: наклона эклиптики, эксцентриситета и прецессии рав-
ноденствия (Covey, 1984). Наклон эклиптики меняется с периодом 40
тыс. лег, эксцентриситет - с периодом 100 тыс. лет; период, связанный с
прецессией, - 20 тыс. лет. Периодические вариации параметров орбиты
для заданной географической широты и сезона года приводят к периоди-
ческим изменениям потока энергии инсоляции. В данном случае - для
июля месяца на северной широте 60—70*. Максимальная инсоляция для
лета на севере получается в результате сочетания большого угла наклона
эклиптики, большого эксцентриситета и прохождения перигелия в июле.
10.2. Циклы Миланковича
тета вызывают изменения разности инсоляций между перигелием (точка,
когда Земля находится ближе всего к Солнцу) и афелием (точка, когда Зем-
ля от Солнца дальше всего). В наше время Земля проходит перигелий 3
января. Это приводит к тому, что зима в Северном полушарии мягче, а лето
холоднее, чем были бы в случае отсутствия эксцентриситета.
3. Прецессия равноденствия. Вследствие эксцентриситета Земли ее ось
вращения испытывает круговое прецессионное движение по отношению к
небесной сфере. Прецессия имеет период 26 тыс. лет, и в настоящее время
ось вращения направлена примерно на Полярную звезду. Прецессия приво-
дит к перемещению по сезонам моментов прохождения через перигелий и
афелий с циклом 20 тыс. лет.
Периодичность орбитальных параметров влияет не на величину средне-
го полного потока энергии от Солнца, достигающего Земли, а только на
распределение инсоляции по сезонам и полушариям. Она приводит к пери-
одическим флуктуациям инсоляции на данной географической широте в
данное время года. На рис. 171 показаны вариации инсоляции на 60-70*
северной широты в июле месяце. На большом временном интервале эти
вариации могут достигать 20%. Поначалу влияние таких местных колебаний
инсоляции на глобальные изменения климата кажется неочевидным.
В соответствии с механизмом Миланковича ключевую роль в развитии
глобальных климатических процессов играют высокие северные широты.
В средних и высоких широтах Северного полушария находятся обширные
континентальные массы Северной Америки и Евразии, которые северной зи-
мой покрываются плотным снежным покровом, практически не зависящим
от величины инсоляции, т.е. от того, мягкая зима или суровая. От летней
инсоляции зависит, какая часть снега сохраняется летом. В жаркое лето снега
полностью тают, а в холодное часть снежного покрова остается.
Последовательность многих холодных летних периодов в минимуме инсо-
ляции приводит к постепенному росту ледяного щита, который из-за эффек-
та альбедо еще больше усиливает тенденцию понижения температуры, таким
образом приводя в действие сценарий оледенения. С другой стороны, в тече-
ние ряда летних периодов с сильной инсоляцией лед может растаять. Следо-
вательно, именно летняя инсоляция играет роль переключателя в развитии
глобальных климатических процессов в четвертичном периоде.
Несмотря на то что причинная связь между орбитальными параметрами и
климатом, вероятно, гораздо сложнее, явным свидетельством принципиальной
правильности теории Миланковича является то, что некоторые характерис-
тики, запечатленные в отложениях четвертичного периода, показывают пе-
риодические вариации, соответствующие расчетной кривой инсоляции се-
верного лета. Отношение ,8О / ,6О в раковинах фораминифер в глубоковод-
ных отложениях (разд. 10.2.2) отражает объем континентального льда, и его
вариации демонстрируют такую же периодичность в 100, 40 и 20 тыс. лет,
430 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
как и кривая инсоляции Миланковича. Вариация содержания ,0Ве в глубо-
ководных арктических отложениях синхронна с ритмом наступления и от-
ступления ледников (разд. 5.3.3). Также наблюдается корреляция между
кривой инсоляции и флуктуациями уровня моря, которые получаются в
результате датирования урановой серией следов ископаемых коралловых
рифов (разд. 4.3), содержанием ,0Ве (рис. 41) и магнитной восприимчивос-
тью (рис. 167) лёссов, а также изотопных сигнатур ледовых кернов. Во всех
этих эффектах доминирует цикл длительностью 100 тыс. лет, связанный с
вариациями эксцентриситета. Эти наблюдения свидетельствуют в пользу
того, что ледниковые/межледниковые периоды определяются вариациями
орбиты Земли. Недавно в результате исследования изотопов кислорода в
сочетании с масс-спектрометрическим noTh / 2MU-датированием кальцита
в расщелине Девиле Хоул (Devils Hole) в Неваде (Ludwig et al., 1992; Winograd
et al., 1992) гипотеза была поставлена под сомнение. В этом кальците пере-
ход от оледенения к условиям межледникового периода опережает рассчи-
танный из теории инсоляции на -13 тыс. лет. Правильность хронологии
Девиле Хоул подтверждается 2,1 Ра / 2,5и~датировками (Edwards et al., 1997).
Однако, как считают некоторые ученые (Imbrie et al., 1993), прямое срав-
нение континентальной кривой, отражающей историю метеоосадков в Не-
ваде, с морской кривой #’О, определяемой общим объемом всех ледников
на планете - неправомерно.
10.2.1. Астрономическое датирование
Если согласиться с тем, что хорошо известная цикличность изменения ор-
биты управляет климатическими флуктуациями, естественно использовать
это для хронометрии, астрономически привязывая к временной шкале ли-
тологические и изотопные отпечатки осцилляций, в особенности вариации
в глубоководных отложениях, добиваясь их совпадения с кривой Ми-
ланковича. Следует четко понимать последовательность соответствующих
процедур. Чтобы доказать астрономическое воздействие на климат, требует-
ся сначала подтвердить хронометрическими методами то, что цикличность
геологических отпечатков существенно коррелирует с изменениями земной
орбиты. На следующем шаге точно известная цикличность орбитальных
параметров, в свою очередь, используется для получения датировок геоло-
гических отпечатков, более точных, чем те, что могут быть получены с по-
мощью других хронометрических методов.
Определенная сложность такого подхода связана с наличием систе-
матической задержки между вариациями инсоляции и обусловленными
ими климатическими откликами (например, время создания или таяния
полярных шапок). Эта задержка составляет 4—8 тыс. лет для морских
кривых 5,8О, и, таким образом, точность астрономического датирования
оценивается в ± 5 тыс. лет. Астрономическая временная шкала высоко-
го разрешения колебаний 5‘*О в океанах за последние 300 тыс. лет была
10.2. Циклы Миланковича 431
установлена Мартинсоном с соавторами (Martinson et al., 1987). Астроно-
мические хронологии в работах (Imbrie et al., 1984) и (Bassinot et al, 1994)
покрывают интервал в 800 тыс. лет (рис. 172). В целом наблюдается пре-
красное согласие с временными маркерами, которые могут быть датирова-
ны другими хронометрическими методами. Граница между стадиями 6 и 5
на графике <5™О имеет астрономически датированный возраст 127 тыс. лет
и возраст, полученный с помощью урановой серии - 127-128 тыс. лет
(Edwards et aL, 1986, 1987; Zhu et al., 1993). Астрономический возраст
границы Матуямы/Брюнеса (М/Б) 777,9 ± 1,8 тыс. лет хорошо согласует-
ся с К-Аг-возрастом 778,2 ± 3,5 тыс. лет (Tauxc et al., 1996). Астрономи-
ческая датировка может быть в принципе расширена на весь четвертич-
ный период.
Рис. 172. Кривая содержания
5”О в морских отложениях и
астрономически датированные
стадии (Bassinot et al., 1994).
Холодно Тепло
432 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
10.2.2. Изотопы кислорода
Изотопный анализ известковых раковин ископаемых фораминифер из глу-
боководных отложений показывает, что существуют долговременные вариа-
ции отношения содержания изотопов ,8О / ,6О в океанической воде, кото-
рые коррелируют с климатической историей четвертичного периода. Высо-
кие значения этого отношения наблюдаются в холодные периоды, а низкие -
в теплые. Отношение обычно приводят в виде #*0, который показывает
отклонение от стандарта (в %о) и вычисляется по формуле:
= 1000 [(”0 / *0)^ - (“О / '*0)^1 / (,8О / (70)
В качестве стандарта обычно выбирается V-SMOW (Венский стандарт
средней океанической воды). Наблюдаемые отклонения $8О в глубоковод-
ных кернах составляют несколько промилле (рис. 172).
Кислород в природе состоит из трех стабильных изотопов: ,6О (99,7%),
,7О (0,04%) и ,8О (0,20%), относительная распространенность которых в неко-
торой степени флуктуирует. Вследствие физических (например, испарение
воды), химических (например, осаждение известкового материала) и биоло-
гических (например, образование известковых раковин) процессов происхо-
дит фракционирование, обусловленное относительно большой разницей в
массах изотопов. Поскольку, согласно законам кинетики реакций, фракцио-
нирование зависит от температуры, сначала полагали, что наблюдаемые флук-
туации в известковых раковинах фораминифер должны быть связаны с
флуктуациями температуры океанической воды в циклах ледниковых перио-
дов (Emiliani, 1955). Однако было замечено, что вариации наблюдаются также
у фораминифер, живущих на дне, где температура имеет постоянное значе-
ние 4’0, не зависящее от температуры поверхности воды. Это приводит к
предположению, что вариации #*О фораминифер в основном отражают эти
вариации во всей океанической воде, которые, в свою очередь, отражают
уровень глобального оледенения (Shackleton, 1967; Shackleton and Opdyke, 1973).
Водяной пар над поверхностью океана изотопно легче, чем сама вода
(рис. 173). Насыщенный влагой воздух над поверхностью океана переносит-
ся ветром на континенты, где выпадает в виде осадков. В межледниковые
периоды в результате гидрологического цикла большая часть осадков воз-
вращается назад в океан. Однако в ледниковый период значительная часть
осадков остается в растущих ледовых шапках. Континентальное оледенение
связано с понижением уровня океана на величину до 120 м. Поскольку лед
изотопно более легок, чем океаническая вода, из которой он образовался, с
ростом оледенения в остающейся воде уменьшается относительное количе-
ство изотопа ,6О, т.е. увеличивается значение 5”О. Фораминиферы включа-
ют в свои кальцитовые раковины кислород из окружающей воды. Этот про-
Температура, соответствующая наибольшей плотности воды. - Прим. ред.
uecc также увеличивает, хотя и в меньшей мере, фракционирование, завися-
щее от температуры. Таким образом, раковины фораминифер фиксируют
соотношение изотопов кислорода на момент образования. Ископаемые фо-
раминиферы глубоководных отложений, таким образом, записывают кли-
матические флуктуации и позволяют восстановить кривую 3**0 (рис. 172).
Рис. 173. Четвертичное континентальное оледенение является причиной ва-
риаций ЯЮ в океанической воде и в глубоководных отложениях и
вызывает изменения уровня океана.
Морская кривая имеет характерный профиль, который позволяет
выделить несколько стадий. Согласно Эмилиани (Emiliani, 1955), эти ста-
дии отсчитываются от настоящего в прошлое. Нечетные номера при этом
соответствуют теплым, а четные - холодным периодам. Соответственно,
стадия I означает голоцен, стадия 5 - последний межледниковый, ста-
дия 7 - предпоследний и т.д. Стадии 2-4 представляют последний лед-
никовый период, в котором по историческим причинам выделен проме-
жуточный период с номером 3. Предпоследний ледниковый период име-
ет номер 6 и т.д. Подразделы стадий обозначаются буквами. Например,
5е (= 5,5 в десятичном обозначении) для Эема (Eemian). Словом заверше-
ние обозначают резкое уменьшение на границе перехода от леднико-
вого к межледниковому периоду. Например, завершение П является пе-
реходом от стадии 6 к сталии 5, в противоположность постепенному уве-
климат и возраст
личению 5,8О при обратном переходе от межледникового к ледниковому
периоду - характерная «иилобразная» форма кривой <5ISO (Broecker and
van Donk, 1970).
Временная
Мауэр
22
v ® т Стадия
.Холодно lenno -;8^
Глина
Горизснч находки
Нижний песок
Гравий
Известняк
Верхний песок
Блоки педових паюсов
Глина
Современная помва
Лёсс
Полеолочво
Лёсс
Палеолочва
Лёсс
Суглинок
Граница эрозии
Рис. 174. Средний и верхний плейстоцен вместе с временной шкалой геомаг-
нитной полярности и морской кривой 5**0. Параллельное сопостав-
ление межледниковых и ледниковых слоев четвертичных отложений
Мауэр в Юго-Западной Германии с кривой 5*8О позволяет связать
горизонт находки Homo heideibergensis (гейдельбергский человек) в
мауэре со стадиями 5**0 № 13 или № 15.
Морская шкала (рис. 174) может быть зафиксирована на основании
палеомагнитных данных (Hayes et al., 1969; Opdyke, 1972), магнитостратиг-
рафически датированных соотнесением с К-Аг-возрастом континентальных
вулканических пород, особенно возраста границы М/Б. В периоды между
такими временными маркерами шкала строится интерполяцией, в предпо-
ложении постоянства осадконакопления. Датировки урановой серией дают
возраст глубоководных отложений и кораллов (Broecker and von Donk, 1970;
Duplessy et al., 1992). Явное соответствие между морской кривой и ва-
10.2. Циклы Миланковича 4W^j|
риацией инсоляции позволяет произвести астрономическую датировку ста-
дий 5*8О (разд. 10.2.1).
Морская хронология 5*8О является позвоночным столбом хронологии чет-
вертичного периода. Это вызвано в основном двумя причинами. Во-первых,
флуктуации 6**0 в воде океанов происходят практически одновременно во всем
мире, что позволяет проводить по 58О стратиграфическое сопоставление мор-
ских отложений (Pisias et al., 1984). Во-вторых, морская кривая по 5*8О строится
для отложений, которые накапливались непрерывно, в отличие от отдельных
отрезков континентальных последовательностей (рис. 6). Если не считать не-
которых исключений, континентальные климатические изменения выглядят
хорошо согласующимися с морской шкалой 5*8О. Однако доказательство тако-
го синхронизма чрезвычайно затруднительно. Такие попытки предпринима-
лись для непрерывных лёссовых (Kukla et al., 1988; Heller et al., 1991; Shen et al.,
1992) и озерных отложений (Woillard and Mook, 1982; Tzedakis et al., 1997).
Синхронность морских и континентальных палеоклиматических записей под-
тверждается также исследованиями содержания пыльцы в прибрежных глубо-
ководных отложениях (Mangenid et al, 1979). Кислородная хронология может
быть напрямую использована для датировки морских отложений и прослоек
вулканического пепла, например, извержения вулкана Тоба на Суматре на гра-
нице стадий 5а/4 73,5 тыс. лет назад (Rampino and Self, 1992).
Вариации 5**0 также исследовались в континентальных отложениях.
Известковые агломераты жилы Девиле Хоул в Неваде, отложившиеся за пе-
риод от 550 тыс. до 60 тыс. лет назад, были масс-спектрометрически датиро-
ваны изотопами 234U / 250Th/234U и 23,Ра / 235U (Ludwig et al., 1992; Edwards
et al., 1997). Обнаруженные вариации 6**0 соответствуют морской кривой.
Таким образом, вариации <5”Ю и в этом случае могут быть отнесены на счет
палеоклиматических изменений. Однако в отличие от морской кривой зна-
чение в известковых агломератах увеличивается с ростом температуры.
Возможно, оно отражает температуры, которые преобладали во время дожд-
ливого периода в области водосбора артезианского источника, из воды ко-
торого осаждались известковые агломераты.
Корреляция морской кислородной хронологии с континентальными от-
ложениями четвертичного периода позволяет датировать их сопоставлением
теплых и холодных периодов со стадиями б”Ю. Это можно сделать одно-
значно вплоть до земской (Eemian) стадии (стадия 5е). Сопоставление более
поздних циклов оледенения-межледниковья вызывает большие дебаты, на-
пример до сих пор дискутируется вопрос о том, относится ли гольштейнс-
кий (Holstenian) межледниковый период (между зльстерским (Elsterian) и
заальским (Saalian) оледенением) к стадиям 7, 9, 11 или 13 (Samthein et al.,
1986). Примером датирования с помощью хронологии 5**0 может служить
определение возраста четвертичного слоя в Мауэре, Южная Германия, в
котором в 1907 г. был обнаружен гейдельбергский человек {Homo Heidel-
bergensis). Нижняя челюсть была обнаружена в слое, богатом останками мле-
копитающих межледникового периода, в песке старой излучины реки Не-
436 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
кар (Neckar). Эти речные отложения были закрыты лёссовыми слоями с
палеопочвенными прослойками (рис. 174). Совместное применение мето-
дов палеонтологии, анализа пыльцы, педостратиграфии, палеомагнетизма, а
также ТЛ, ЭСР и датировок по урановой серии позволило связать горизонт
со стадиями 13 и 15 (Wagner et al.. 1997).
Рис. 175. Вариации £*О вдоль 36-сантиметрового керна, полученного из кальци-
товой жилы Девиле Хоул в Неваде. Непрерывность осаждения извест-
няка грунтовых вод в течение периода около 500 тыс. лет подтверждает-
ся датировками на основании урановой серии {отметки вверху графи-
ка). (Winograd et ak, 1992; воспроизводится с разрешения Science).
10,2.3. Стратиграфия ледовых кернов
Долговременные климатические изменения оставляют отпечатки в ледо-
вых шапках Гренландии и Антарктиды. Ледяные керны, полученные глу-
боким бурением мощных ледовых наслоений, составляют непрерывный
архив палеоклиматических данных за последние 100—200 тыс. лет. Особен-
но важными климатическими индикаторами являются вариации концент-
рации изотопов кислорода (5**0), водорода (52Н = 5D) и бериллия (’°Ве), а
также состав пыли и содержание углекислого газа СО2 в ледовых слоях.
Реконструкция истории отложения керна льда осложняется утончением и
течением нижележащих слоев пол давлением вышележащих. Поскольку
оценки возраста ледовых кернов основаны на скорости накопления снеж-
ных осадков, приходится прибегать к гляциологическим моделям. Изотоп-
ные отпечатки, отражающие вариации климата, позволяют проводить со-
10.2. Циклы Миланковича
поставления не только между кернами, но и с морскими кривыми 3*8О.
Таким образом, глубоководная хронология #*О в целях датирования пере-
носится и на ледовые керны.
Рис. 176. Вариации дейтерия (3D) и кислорода-18 (5**0) в ледовом керне ан-
тарктической скважины «Восток» (Louis et al, 1985; Louzel et al.,
1987), которые отражают долговременные флуктуации среднегодо-
вых температур воздуха последних 160 тыс. лет.
Фракционирование изотопов кислорода при испарении с поверхнос-
ти океана приводит к уменьшению 3”О в ледовых слоях примерно на
30%о по сравнению с водой океанов (рис. 173). Однако значения 5”О
Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
варьируются и в кернах. Например, в ледовом керне скважины «Восток»
глубиной 2083 м изменения достигают 7%о. Вариации <5*8О в основном
связывают с вариациями температуры воздуха при выпадении снега (Lorius
et al., 1985). При этом значение £8О увеличивается с ростом температу-
ры. Эти вариации интерпретируются как флуктуации температуры с
амплитудой -10' в этом месте Восточной Антарктики на высоте 3500 м за
последние 160 тыс. лет. Кривые 6”О «Востока» ясно показывают клима-
тические изменения последнего оледенения и голоцена. Несмотря на мно-
гие отличия в деталях и обратный знак, эти кривые могут быть сопостав-
лены с морскими кривыми 5“Ю. На текущий момент керны «Востока»
покрывают временной интервал в 400 тыс. лет до стадии 11 (Petit et al.,
1997). В четырех гренландских кернах, включая керн Саммит, профили
глубины 8*0 за последние 40 тыс. лет отражают несколько кратковре-
менных межстадийных эпизодов смягчения климата длительностью от 55
до 2000 лет, характеризующихся внезапным потеплением с последующим
постепенным похолоданием (Johnsen et al., 1992). В 3029-метровом керне
Саммит отражена история климата за последние 250 тыс. лет. Особенно-
стью климата этого времени, за исключением голоцена, является общая
нестабильность (Dansgaard et al., 1993).
Также варьируется с глубиной содержание в кернах дейтерия. В керне
Восток флуктуации составляют несколько более 60%© (Jouzel et ah, 1987).
Вариации SD аналогичны вариациям 5**0 керна «Восток» - большие зна-
чения 5D соответствую? межледниковым стадиям, меньшие - леднико-
вым. В современных слоях снежного покрова выявлена линейная корреля-
ция между температурой поверхности (от -20 до -50*С) и содержанием
дейтерия. ГС соответствует 6%о SD. Таким образом, флуктуации в кер-
не «Восток» соответствуют долгопериодным флуктуациям среднегодовой
температуры воздуха амплитудой около |ГС. Из соображений кинетики
значения <5D считаются лучшим индикатором температуры, чем 8Ю. Ва-
риации <5Е) очень похожи на вариации 8*0 в морских отложениях, что
наряду с антарктическими вариациями ^8О свидетельствует о важности
антарктических кернов для глобальной реконструкции климата в прошлом.
Спектральный анализ флуктуаций 5D помогает распознать циклы прецес-
сии и наклона эклиптики, что является дополнительным свидетельством
влияния климата на изотопный состав.
В холодные и сухие периоды изотоп ,0Ве космогенного происхождения,
выпадающий на поверхность, меньше разбавляется снегом. Соответствен-
но, содержание ’°Ве в ледяных кернах также зависит от климата - большие
значения соответствуют холодным, а меньшие - теплым периодам. Вариа-
ции ,сВе в керне «Восток» антикоррелируют с вариациями 5**0 (Raisbeck el
al. 1987). Кривые 10Ве в ледовых кернах коррелируют в глобальном масшта-
бе (Beer ct al., 1987, 1992). С изменением климата коррелируют не только
изотопные кривые, но и кривые содержания СО; и пыли в керне Восток
(Bamola et al., 1987; Petit et al., 1990).
10.2. Циклы Миланковича
10.2,4. Анализ пыльцы
Растения быстро реагируют на климатические условия. Многие из них не
смогли адаптироваться к быстрым климатическим изменениям четвертич-
ного периода. Полностью исчезли и были вытеснены другими целые расти-
тельные сообщества. Поэтому исследование ископаемых растений играет
ключевую роль в реконструкции истории континентального климата чет-
вертичного периода. Обусловленная климатическими изменениями смена
растительных сообществ во времени может быть использована для биостра-
тиграфической датировки.
Наиболее существенным образом растительные остатки в отложениях
представлены в виде спор и пыльцы. Учет различных механизмов выраба-
тывания и распространения пыльцы отдельными видами растений и иссле-
дование ее состава в отложениях позволяют определить, какие раститель-
ные сообщества находились в ближайшем окружении. Состав пыльцы в
последовательных слоях представляется в виде так называемых пыльцевых
диаграммах. Они отражают обусловленные климатом временные изменения
растительности в природной среде. Высокое содержание пыльцы деревьев
свидетельствует о теплом климате, при этом идентификация видового со-
става деревьев позволяет получить еще более точную информацию о време-
ни отложений. Исчезновение определенных растений происходит синхрон-
но с ухудшением климатических условий. Последующее улучшение климата
приводит с некоторой задержкой к восстановлению, но лишь частичному,
прежней растительности. Если это становится возможным, растения посте-
пенно возвращаются из тех ниш, где смогли выжить. Именно поэтому евро-
пейская флора к северу от Альп в четвертичном периоде все более и более
обеднялась. Таким образом, можно получить информацию об относитель-
ном возрасте на основании того, когда пыльца некоторого вида растений
встречается в отложениях последний раз.
Ископаемая пыльца Центральной и Северной Европы показывает, ка-
кие разительные изменения произошли с конца плиоцена. История расти-
тельности четвертичного периода свидетельствует о чередовании теплых и
холодных периодов, что позволяет выделить несколько межледниковых/лед-
н и новых комплексов. В нижнем плейстоцене можно выделить комплексы:
тегелен (Tegelen), эбурон (Eburon), ваал (Waal) и бэвел (Bavel). Средний
плейстоцен начинается в голландских профилях комплексом кромер (Cromer),
состоящим, как минимум, из четырех циклов оледенения. Важную для стра-
тиграфии палеомагнитную отметку границы М/Б вслед за Загвийном (Zagwijn
et al., 1971) обычно помешают между межледниковыми фазами I и II кро-
мерского комплекса. Однако в этом случае кромер-1 следует переместить из
среднего плейстоцена в нижний плейстоцен. Комплекс кромер в Северной
Европе сменяется эльстерским (Elsterian) ледниковым, гольштейнским
(Holsteinian) межледниковым и заальским (Saalian) комплексами. Наконец,
в верхнем плейстоцене следуют эемский (Eemian) межледниковый и вейх-
440 Глава 10. Орбита Земли, климат и возраст
зельский (Weichselian) ледниковый комплексы. Анализ пыльцы позволяет
таким же образом произвести подразделение и в голоцене (таблица 3).
Рис. 177. Корреляция диаг-
рамм распределения пыль-
цы в отложениях Гранд-
Пиль в горах Вогезы на вос-
токе Франции и морской
хронологии У’О (Woiilard
and Mook, 1982). Возраст
стадий приводится по Вас-
сино (Bassinot et al., 1994).
Садии Возраст
5*0 кыс. лет)
Глубино Пыльца {%)
М
0 $0 100
Анализ пыльцы позволяет проводить сопоставление континентальных
отложений четвертичного периода. Выделенные с помощью такого анализа
зоны играют важную роль в континентальной хронологии антропогена. Од-
нако при этом следует учитывать определенные сложности, связанные с
возможной временной трансгрессией споропыльцевых зон. Одной из важ-
нейших задач, которые стоят перед исследователями четвертичного перио-
да, является сопряжение континентальной хронологии с морской кислород-
ной шкалой. Мангерунду (Mangerund et al, 1979) удалось связать морские
10.2. Циклы Миланковича 4^^1
отложения вдоль побережья Норвегии земской стадии с континентальны-
ми посредством анализа содержания в них пыльцы. Диаграмма распреде-
ления пыльцы в отложениях Гранд Пиль (Grande Pile) в горах Вогезы (Vosges)
на востоке Франции хорошо соответствует морской хронологии (Woillard
and Mook, 1982). Этот профиль является непрерывной записью содержа-
ния пыльцы за последние 140 тыс. лет (рис. 177). Возраст отложений пос-
ледних 70 тыс. лет определяется радиоуглеродным датированием, а для
датирования более старых отложений применялся метод обогащения изо-
топов (разд. 5.4.2). Минимумы в содержании пыльцы деревьев совпадают с
минимумами температур на морской шкале (кислородные стадии 2, 4, 5b, 5d
и 6), что свидетельствует о корреляции континентальной и морской хроно-
логий. Диаграмма содержания пыльцы за 125 тыс. лет, полученная в запад-
ной части Каскадных гор (Cascade Range) в Северной Америке столь же
Хорошо коррелирует с морской шкалой 5”О. Это свидетельствует о том, что
изменения характера растительности на тысячелетней шкале в основном
регулируются глобальными климатическими изменениями (Whitlock and
Bartiein, 1997). Сравнение с морскими данными четырех самых длинных
европейских споропыльцевых шкал: Лак-дю-Буше (Lac du Bouchet) (Фран-
ция), Валле-ди- Кастильоне (Valle di Castaglione) (Италия), Иоаннины
(loannina) (Греция) и Тенаги Филиппон (Tenagi Philippon) (Греция), кото-
рые покрывают последние 500 тыс. лет, также показывает их хорошее согла-
сие (Tzedakis et al., 1997). Такое соответствие данных, полученных в море и
на суше, имеет фундаментальное значение не только для установления на-
дежной хронологии четвертичного периода, но и для лучшего понимания
климатических колебаний последних 2 млн лет.
ПРИЛОЖЕНИЯ
I. УМС - ДВИЖУЩАЯ СИЛА
СОВРЕМЕННЫХ РАДИОУГЛЕРОДНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
В.А. Левченко, А.М. Смит, У. Зоппи, X. Куо
(V.A. Levchenko, A.M. Smith, U. Zoppi, Н. Quo)
1. Ускорительный масс-спектрометр ANTARES
Ускорительная масс-спектрометрия (УМС) превратилась в наше время в
мощный, хорошо разработанный аналитический инструмент, который на-
ходит приложения во все расширяющемся спектре дисциплин. Ее внедре-
ние совершило революцию в радиоуглеродных исследованиях, расширив
область применения далеко за пределы традиционных методов и включив в
рассмотрение объекты, зачастую до этого нс рассматривавшиеся как при-
годные для радиоуглеродного датирования. Претерпело эволюцию даже само
понятие датирования с помощью радиоуглерода в связи с необходимостью
привлечения и построения сложных моделей для определения возрастов тех
или иных объектов и их составляющих.
Рис. I. Обший вид тан-
демною ускорителя ус-
тановки ANTARES.
I. Ускорительный масс-спектрометр ANTARES
Рис. 2. Схема установки ANTARES.
Одной из задач исследований на УМС-установке ANTARES (рис. I и 2)
(австралийский национальный тандемный ускоритель для прикладных ис-
следований) в ANSTO (Австралийская организация ядерных научно-техни-
ческих исследований) с самого момента ее запуска было дальнейшее разви-
тие техники радиоуглеродных измерений, улучшение точности и надежнос-
ти результатов, а также снижение требуемой углеродной массы образца с
нескольких миллиграммов до субмиллиграммов, а если возможно, и далее
(Tuniz et al., 1995). Очевидно, что для датирования в исторических исследо-
ваниях такой прогресс имеет зачастую решающее значение. Возможность
датировать индивидуальные зерна злаков, частички пыльцы или форамини-
феры, выделенные из образца под микроскопом в малом количестве, аутен-
тификация редких и драгоценных объектов, исследование микроскопичес-
ких частичек древесного угля, захваченных в керамику или металлические
изделия, других следовых количеств органики, отдельных веществ и компо-
нентов, выделенных из исследуемого образца, - все это требует работы с
образцами иногда сверхмалой массы. Успехи на этом пути привлекли в сфе-
ру радиоуглеродных УМС-измерений много новых объектов и артефактов и
все увеличивающийся круг пользователей. В настоящей статье мы хотим
представить примеры некоторых, на наш взгляд, наиболее интересных или
необычных случаев радиоуглеродного датирования и исследований, в кото-
444 Приложение I. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследовании
рые УМС ANTARES был вовлечен за последние 10 лет, чтобы проиллюст-
рировать расширение возможностей и приложений метода со снижением
массы требуемого образца. Мы надеемся, что описанные эпизоды окажутся
интересными и познавательными для простого любознательного читателя,
для специалистов же в соответствующих областях они смогут дать пищу для
размышлений и подтолкнуть к новым идеям привлечения радиоуглеродных
исследований для образцов сверхмалого размера.
2. Примеры применения УМС радиоуглеродного
датирования
2.7. Австралийская слоновая птица
Неожиданная находка в начале 1990-х гг. в песчаных дюнах Западной Австра-
лии неповрежденного яйца слоновой птицы (Elephant Bird) породила предпо-
ложения, что этот вид древней австралийской мегафауны, возможно, дожил до
обнаружения континента европейцами. Метод УМС, благодаря сниженным
требованиям к массе образца, позволил провести радиоуглеродное датирова-
ние объекта без его разрушения. Чтобы избежать внесения внешних загрязне-
ний и продуктов возможного обмена углерода с почвами из внутренней части
яйца, в чистых лабораториях ANSTO было извлечено несколько миллиграммов
материала. В вакууме материал был подвергнут гидролизу соляной кислотой, а
выделившийся углекислый газ собран для анализа. Затем углекислый газ был
преобразован в графит, и его радиоуглеродное содержание определено на уско-
рителе. Конвенционный радиоуглеродный возраст объекта был найден равным
2080 ± 140 лет ВР, что соответствует калиброванной дате 40 ± 160 лет до н.э.
2.2. Шахматные фигурки из Венафро
Набор из 18 шахматных фигурок из Венафро (Venafro), обнаруженный в 1932 г.
в римском некрополе в Южной Италии, среди археологических находок про-
шлого века, имеющих отношение к шахматам, вызвал наибольшее количество
споров и дискуссий (рис. 3). На протяжении более 60 лет археологи строили
различные гипотезы, чтобы обьяснить, каким образом костяные шахматные
фигурки, без сомнения, арабской формы были обнаружены в гробнице римс-
кой эпохи. Некоторые исследователи даже приходили к заключению, что шах-
маты были, вероятно, изобретены в I веке н.э. как ответвление римской игры
латрункули (latrunculi). Развивающийся в то время радиоуглеродный метод в
его стандартном виде не мог, к сожалению, быть применен для датирования
фигурок, так как его требования к массе образца означали полное уничтожение
заметной части набора, по крайней мере одной фигурки. Появление и развитие
УМС сделало такое датирование возможным. Радиоуглеродные измерения, про-
веденные на установке ANTARES, потребовали образца в I мг, взятого из са-
мой большой, 40-граммовой фигурки. Полученный калиброванный возраст,
2. Примеры применения УМС радиоуглеродного датирования
445
ал W/1
Рис. 3. Шахматные фшурки
из Венафро.
885-1017 лет (la) (Tcrrasi et al., 1994), оказался в хорошем согласии с предполо-
жением, что эта игра была завезена в Центральную Италию во время вторжения
саранинов в IX веке н.э. (O’Brien, 1994). Несколько месяцев спустя этот резуль-
тат был подтвержден измерениями в УМС-лаборатории Неаполя.
2.3. Терракотовая скульптура Донателло
Терракотовый херувим работы скульптора XV века Донателло (1386-1466). из-
готовленный для собора Annunciazione Cavalcanti во Флоренции, является па-
мятником художественного гения мастера и, возможно, его неосторожности.
В основании статуи имеется большая трещина, заполненная составом на осно-
ве смолы. Когда была проведена склейка - неизвестно. Для радиоуглеродного
датирования на установке ANTARES было отобрано около 100 мг клея. Резуль-
тат датирования, 1331-1429 н.э. (la) (Holden, 1995), показал, что починка была
произведена при жизни Донателло и, возможно, им самим. Исследователь Марко
Мартини (Marco Martini) из миланского университета получил с помощью
термолюминесценции такой же возрастной промежуток для даты обжига. Та-
ким образом, возможно, повреждение статуи и ее починка были сделаны при
ее изготовлении. Так считает историк искусства из итальянского министерства
культуры Мария Грация Ваккари (Maria Grazia Vaccari), указывающая на то,
что эта статуэтка не была сделана полой, как последующие работы мастера, и,
соответственно, могла треснуть при обжиге. Размер фигуры (80 см), по ее сло-
вам. слишком велик для обжига в виде монолитного объекта.
2.4. Корона Карла Великого
Так называемая «Железная корона» («Corona Ferrea») из Монца (Monza),
Италия, которая на самом деле изготовлена из золотого сплава, великолеп-
но отделана и украшена драгоценными камнялш и эмалями (рис. 4), свое
^446 Приложение I. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
имя получила по средневековой легенде, утверждающей, что в короне заключен
гвоздь из Честного Креста. Без сомнения, корона является наиболее извест-
ным произведением искусства позднеримского или лангобардского происхож-
дения и, согласно легенде, именно ею короновался в 800 г. н.э. Карл Великий.
Однако исторические сведения о короне могут быть прослежены в прошлом
лишь до 1530 г., до коронации императора Карла V. Позже корону использо-
вал Наполеон при коронации королем Италии в 1805 г. В 1996 г., в связи с
14-вековым юбилеем собора Монца, где хранится корона, она была подверг-
нута ряду неразрушающих анализов для описания использованных в ней ма-
териалов (металлы, стекла, эмали) и получения информации о способах их
выделки. Было обнаружено, что драгоценные камни фиксируются в короне с
помощью смеси пчелиного воска с глиной, что дало возможность получить
образец, достаточный для радиоуглеродного УМС-датирования. Измерения
дали радиоуглеродный возраст короны 1278 ± 31 лет, что соответствует ка-
либрованным датам в промежутке 699-776 лет н.э. (I о) и 669-819 лет н.э. (2о)
(Milazzo et al., 1997), вполне согласующимся с датой коронации Карла Вели-
кого в рождественскую ночь 800 г. н.э.
Рис. 4. «Железная корона» Карла Великого.
В настоящее время УМС стала широко применяться в исторических де-
батах и для аутентификации исторических документов. Как пример исполь-
зуемых процедур мы хотим привести описание использования УМС для аутен-
тификации исторических документов, представляющих новую версию зах-
вата Перу конкистадором Писарро в начале 1530-х гг.
2.5. Документы и артефакты, связанные с покорением
Перу Испанией
Покорение Перу, осуществленное Франсиско Писарро (14747-1541) в начале
1530-х гг., является одним из важнейших событий в колонизации Американ-
ского континента, а также одной из наиболее успешных военных кампаний в
2. Примеры применения УМС радиоуглеродного датирования 447
истории. Рукописи Historia et Rudimenta Linguae Piruanorum (История и руди-
менты языка перуанцев) и Exsul Immeritus Blas Valera populo suo у обнаруженные
в фамильных бумагах неаполитанского историка Клары Миццинелли (Clara
Miccinelli), известные под названием «документы Миццинелли», посвящены
людям и событиям, связанным с покорением Перу Испанией. Кроме того, к
рукописи Exsul Immeritus Blas Valera populo suo прилагались:
1. Письмо Франсиско де Чавеса (Francisco de Chaves) (Minelli et al., 1998),
конкистадора и хроникера экспедиции Писарро. Письмо датировано 5 aeiy-
ста 1533 г., адресовано Карлу V, королю Испании, и является источником
ряда обвинений Писарро, рассмотренных в Historia et Rudimenta Linguae
Piruanorum и Exsul Immeritus Blas Valera populo suo.
2. Шкатулка из воска, содержащая фрагмент письма Колумба и кон-
тракт между Гуаман Пома де Айала и Блас Валера. В нем говорится, что
Айала позволяет Валера пользоваться своим именем после получения в уп-
лату лошади и повозки.
3. Несколько текстовых кипу - инкских документов, выполненных в
виде комбинации текстильных идеограмм и узлов.
Более детальное описание документов и событий, с ними связанных,
дано в исторических публикациях (Minelli, 1996; Minelli et al., 1995).
Историческую важность обнаруженных документов трудно переоценить,
и историки придают огромное значение подтверждению их аутентичности.
В ANSTO в рамках международного сотрудничества было проведено радио-
углеродное датирование пяти образцов материалов документов Миццинел-
ли (Zoppi et al, 2000) (см. таблицу 1).
Таблица 1. Образцы, направленные на радиоуглеродное датирование
ANSTO, код Описание
O2D25I Шерстяная ткань килу, приложенная к Historia et Rudimenta
OZD252 Шерстяная идеограмма «уауо» кипу, приложенная к Exsul Immeritus
OZD253 Шерстяная идеограмма «иНи» кипу, приложенная к Exsul Immeritus
OZD254 Восковая печать письма Чавеса королю Испании
OZD255 Шкатулка из воска, в которой хранился контракт между Айола и Валеро
Поскольку история текстильных волокон и, следовательно, возмож-
ные источники загрязнений были неизвестны, было решено разделить
образцы на две части и применить две различные процедуры химической
обработки. Ранее сообщалось (van Strydonck et al., 1992), что для очистки
музейных текстильных волокон может быть достаточно обработки нейт-
ральным растворителем. Следуя этой рекомендации, первая часть воло-
кон была помешена в раствор нейтрального растворителя и обрабатыва-
лась в ультразвуковой ванне в течение 15 мин. Затем раствор был удален,
и волокна многократно промыты сначала в деминерализованной (обрат-
ный осмос) воде, а затем трижды по 15 мин в ультразвуковой ванне в
^^8 Приложение /. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
особо чистой воде (18 МОм) и просушены при температуре 60*С в тече-
ние нескольких часов.
Вторая процедура очистки представляла собой более жесткий метод
ААА (иногда называемый АВА - acid-base-acid кислота-основание-кис-
лота), который удаляет как карбонаты, так и жиры. Поскольку, как ранее
отмечалось (Mook & Waterbolk, 1985), многие старые исторические тек-
стили плохо переносят или вообще не переносят эту процедуру, обработ-
ка щелочью была сокращена и проводилась при комнатной температуре.
Один из образцов (OZD253) на этой стадии потерял до 81% своей массы.
Другие образцы (OZD251 и OZD252) оказались более стойкими, потеряв
лишь около 20%. Волокна обрабатывались соляной кислотой НС1 (2 М,
6О*С) в течение 2 ч, затем 15 мин щелочью (NaOH, 1%), и повторно
кислотой. В заключение волокна были многократно промыты в деиони-
зованной воде и просушены при температуре 60‘С в течение нескольких
часов.
Для образцов воска (OZD254 и OZD255) процедура очистки была проще
и включала в себя лишь обработку НС1 (2 М, 60*С) в течение 2 ч, вполне
достаточную для удаления загрязнений. Как обычно, после этого образцы
были промыты деионизованной водой и просушены в течение нескольких
часов при температуре 60’С.
Затем все подготовленные образцы были переведены в углекислый газ
СО2 окислением при температуре 900°С в запаянных кварцевых трубках с
добавлением СиО и далее конвертированы в графит по методу, описан-
ному в литературе (Jackobsen et al, 1997). Образцы графита были запрес-
сованы в алюминиевые патроны-держатели (рис. 5) и готовы для УМС-
измерений.
Рис. 5. Патрон-держатель образца графи-
та. В ионном источнике ускорителя явля-
егся катодом для пучка цезия.
Изотопное отношение ,4С / ,3С измерялось относительно междуна-
родно признанного стандарта НОх! — щавелевой кислоты (Stuiver, 1983).
2. Примеры применения УМС радиоуглеродного датирования 449
В результаты измерений были внесены соответствующие поправки на фо-
новый счет машины, на неизбежные загрязнения, внесенные при подго-
товке образца, и на изотопное фракционирование. Затем на основе ис-
правленного изотопного отношения был рассчитан радиоуглеродный воз-
раст, далее преобразованный в калиброванный возраст с помощью про-
граммы CalibETH (Niklaus et al., 1992) и калибровочной кривой (Stuveret
al., 1998). Калиброванные возрасты представлены в таблицах 2 и 3. На
рис. 6 показано распределение вероятностей для дат образца OZD254.
Видно, что воск, использованный для запечатывания письма королю
Испании, с высоким уровнем значимости происходит из более раннего
периода, чем 1533 год - дата, указанная на письме. Аналогично, матери-
ал восковой шкатулки, в которой хранился договор, позволивший Валера
написать Nueva Corinica у Виеп Gobiemo под фальшивым именем, скорее
всего происходит из времени до 1618 г., принятой даты окончания этого
важного документа.
Таблица 2. Измеренный возраст образцов воска
ANSTO-код (%о) иС-возрост (ВР) Доты (н.э.) Отн. вероятность (%)
OZD254 -26,30 440 ± 45 1429-1483 100
OZD255 -27,30 400 ± 35 1445-1511 83,2
1600-1616 16,8
Таблица 3. Измеренный возраст образцов шерсти для двух методов очистки
(см. текст)
Код 5”С (%е) Нейтральный растворитель Метод ААА
|<С возраст Доты (и э) Он евро (ВР| юность (%) '‘С-возрост Доты(н э) Отн евро- (ВР) ятность(%)
OZD251 -27,70 964 ± 60 1020-1065 1074-1127 1133-1159 36,6 42,3 21,1 1085 ± 64 893-834 942-1013 34,2 65,8
OZD252 -25,95 498 ± 48 1405-1447 1368-1372 100 3,8 734 ± 56 1232-1305 96,2
OZD253 -25,00 977 ± 61 1013-1064 1075-1127 1133-1159 41,1 39,2 19,8 844 ± 43 1168-1255 100
Для образца OZD253 не удалось измерить величину 5°С, и было приня-
то типичное значение -25,0%о. Вносимой при этом погрешностью можно
пренебречь.
Приложение /. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
OZ0254 (Seof)
0,020
0,015
0,010
0.006
0,000
1350 AD 1450 AD
1550 AD 1650 AD 1/50 AD
Cobbroted oge
Рис. 6. Распределение вероятностей калиброванного возраста образца воско-
вой печати письма королю Испании.
Более сложна интерпретация результатов датирования для образцов текстиля.
Согласно манускрипту Historia et Rudimenta Linguae Piruanorum, quipu OZD251 была
найдена в древнем инкском погребении и, соответственно, должна происходить
из доиспанского периода. Рукопись Exsul Immeritus Blas Valera populo suo сообщает,
что тканые идеограммы OZD252 и OZD253 были получены дедом Блас Валера в
дар. Даже с учетом разброса возрастов, вызванного различными процедурами очи-
стки (для OZD251 и OZD253 этот разброс лежит глубоко внутри доверительного
интервала в 2о), калиброваны# возраст объектов оказывается заметно больше ожи-
даемого. Однако это может быть объяснено известной традицией ткать наиболее
важные кипу из старых волокон, заряженных «силой предков».
Аутентификация исторических документов часто сопряжена со многими
проблемами. Радиоуглеродное датирование само по себе ничего не может
сказать о правдивости сделанных в них заявлений. Все. что могут показать
исследования, это определить соответствие возраста материала, из которого
изготовлен документ, его заявленному происхождению, что и демонстриру-
ет приведенный пример. Дальнейшее - это дело историков разрешать по-
добные проблемы, в том числе и спорить о приведенных здесь результатах.
3. Дальнейшее совершенствование УМС-метода
Дальнейшее развитие техники УМС-измерений позволило работать с образ-
цами еще более малой, субмиллиграм.мовой массы, вплоть до десятков мик-
рограммов углерода. Это было достигнуто путем улучшения стабильности
работы ускорителя, повышения чувствительности и пропускания, но все же в
основном за счет внедрения быстрого переключения пучков и сканирования
мишени. Что представляли собой и означали эти нововведения?
3. Дальнейшее совершенствование УМС-метода
Как описано в главе 5 настоящей книги, отбор ионов соответствующей
массы и инжектирование пучка в ускоритель осуществляются мощным элек-
тромагнитом, установленным после источника отрицательных ионов. Каж-
дой инжектируемой массе при заданной энергии частиц в пучке соответ-
ствует определенная напряженность магнитного поля, т.е. определенная ус-
тановка магнита. Поскольку УМС-измерсния искомого изотопа, напри-
мер |4С, проводятся в виде отношения, т.е. относительно какого-либо ста-
бильного изотопа, например ПС, для каждого образца необходимо последо-
вательно инжектировать в ускоритель соответствующие массы, что означает
изменение установки магнита. Многие ранние установки УМС именно так
и действуют. Однако перестройка магнита занимает некоторое, довольно
длительное время - минуты, если учесть инерционность системы и гистере-
зис, и никогда не бывает идеально точной. Циклов же измерения отноше-
ний желательно провести как можно больше для улучшения статистики из-
мерений. Все это приводит к существенному увеличению времени изме-
рения одного образца, непроизводительному расходу материала во время
перенастройки, а также увеличению ошибок измерения за счет влияния
нестабильности всей системы ускорителя, т.е. за счет небольшого дрейфа
параметров и достаточно длинного времени перестройки с массы на массу
каждый из изотопов оказывается измерен при слегка отличающихся усло-
виях, что и увеличивает разброс результатов и ошибку измерения.
Существует, однако, способ быстрого переключения с одной инжекти-
руемой массы на другую. Для этого между источником ионов и магнитом
устанавливают небольшой дополнительный ускоряющий промежуток, из-
меняя потенциал на котором можно менять энергию пучка и, соответствен-
но, при установленной и неизменной настройке магнита инжектировать в
ускоритель ионы различной массы.
Техническая сложность такой задачи - это необходимость быстро ме-
нять потенциал на данном ускоряющем промежутке, а речь в данном случае
идет о десятках киловольт. С разработкой и изготовлением источников вы-
сокого напряжения, способных за короткое, порядка миллисекунды или
менее, время осуществлять такое переключение, а это означает быструю
коммутацию токов в десятки ампер, задача была решена. Возможность бы-
строго переключения между двумя или даже тремя изотопами дала возмож-
ность проводить их квазиодновременное измерение, вместе с ,4С / ВС опре-
делять также и отношение °C / |2С и проводить сотни измерений отноше-
ний на один образец, улучшая статистику данных. В настоящее время все
лучшие радиоуглеродные УМС-системы, добивающиеся высокой точности
измерения, работают именно по данному принципу.
Сканирование по поверхности мишени позволило более полно утилизи-
ровать имеющийся образец. В традиционных УМС-установках отрицатель-
ные ионы исследуемого вещества образуются в источнике при взаимодей-
ствии мощного пучка ионов цезия с мишенью-образцом. Ионы цезия выби-
вают материал мишени и отдают ему электроны. Однако материал мишени-
452 Приложение I, УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
образца, а в случае радиоуглеродных измерений мишенью является графит,
при этом постепенно истощается. Настройка пучка цезия — крайне чувстви-
тельная процедура. Поэтому было решено при фиксированном пучке цезия
в процессе измерения смешать на малые расстояния относительно пучка
мишень. Таким образом, пучок цезия ударяет в разные места углеродной
мишени, что продлевает ее жизнь в источнике и, соответственно, дает луч-
шую статистику измерений. Это особенно важно для ультрамалых, быстро
«сгорающих» в источнике образцов. В настоящей реализации сканирования
на установке ANTARES мишень медленно двигается по малой спирали с
начальным положением цезиевого пучка в центре, постепенно подставляя
под его действие все края и используя весь возможный материал образна.
Все эти нововведения позволили рутинно измерять образцы с массой в
несколько десятков микрограммов, а в отдельных особых случаях - даже до
10 микрограммов углерода.
3.1. Наскальные рисунки Брэдшоу
Новые возможности были с радостью приняты исследователями в различ-
ных областях, и радиоуглеродное датирование было применено к объектам,
о которых ранее и не помышляли. Хорошим примером такой задачи может
служить датирование наскальных рисунков необычного стиля Брэдшоу.
Рис. 7. Одна из картин Брэдшоу. Контрастность
изображения усилена электронным образом.
3. Дальнейшее совершенствование УМС-метода
Рис. 8. Еше одно изображение стиля Брэд-
шоу. натуральные цвета. Обратите внима-
ние на гнездо грязевых ос над фигурами.
Именем Брэдшоу называют один очень необычный стиль наскальных
рисунков австралийских аборигенов (см. рис. 7 и 8). Рисунки этого стиля
находят в области Кимберли на северо-западе штата Западная Австралия.
Впервые об этих изображениях сообщил путешественник Иосиф Брэдшоу,
исследовавший этот район вместе с братом в 1891 г. Изображения настолько
необычны и отличны от всех других, что вызвали множество споров и гипо-
тез о своем происхождении и значении. Некоторые исследователи даже выд-
вигали идеи, что австралийские аборигены не являются их авторами. Не-
смотря на значительный интерес, вплоть до 1997 г. не было предпринято
никаких научных попыток датировать изображения, в основном из-за труд-
ностей датирования наскальных рисунков.
С помощью УМС-установки ANTARES Вочман с коллегами датировали
углеродосодержащий материал, который они аккуратно соскребли рядом или
непосредственно с изображения. Был сделан вывод, что изображения име-
ют возраст по крайней мере 4000 лет (Watchman el al., 1997). Это датирова-
ние не совсем согласуется с результатами второго исследования, проведен-
ного Робертсом с соавторами (Roberts et al., 1997). Эта группа использовала
гнезда грязевых ос для того, чтобы наложить временные ограничения на
возраст рисунков Брэдшоу. Гнезда грязевых ос широко распространены во
многих частях света, включая и Кимберли. Осы строят свои гнезда, кото-
рые, после того как осы их оставляют, постепенно окаменевают. Основной
строительный материал гнезд - это грязь от ближайших источников воды,
однако в нее захватывается также пыльца и фитолиты, что в принципе дела-
1^454 Приложение I. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
ет возможной радиоуглеродное датирование. Кристаллы кварца из внутрен-
них частей гнезда также подходят для датирования методом оптически сти-
мулированной люминесценции (OSL; см. разд. 7.3 настоящей книги). Осы
часто строят гнезда в скальных гротах, иногда поверх наскальных изображе-
ний, а иногда изображения их перекрывают (см. рис. 8 и 9). Таким образом,
очевидно, можно определить верхний или нижний предел возраста объекта.
Исследования же пыльцы, захваченной в гнездо, может, кроме того, дать и
палеоклиматическую информацию. Робертс с соавторами применили оба
датировочных метода - радиоуглерод и OSL, - и минимальный предел воз-
раста оказался равным 17 тыс. лет ВР.
Рис. 9. Гнездо грязевых ос, перекрывающее наскальное изображение.
Можно сказать, что происхождение рисунков Брэдшоу до сих пор неяс-
но. и требуются дальнейшие (возможно, многие) измерения для точного
установления их возраста. Надо отмстить, что измерения с использованием
гнезд грязевых ос могут оказаться весьма полезными.
Работа со столь малыми образцами вызвала к жизни новые задачи, тре-
бующие срочного решения. Процедура графитизации - этап химической
подготовки образца, на котором образец из газообразной формы в виде СО2
каталитически конвертируется в графит, запрессовываемый затем в держа-
тель-катод источника ионов ускорителя, - потребовала разработки и конст-
руирования новых аппаратов, позволяющих манипулировать малым коли-
чеством вещества эффективно и без потерь (рис. 10), а также выработки и
тестирования новых методик графитизации (Hua et al., 2001). Даже класси-
ческая поправка на «бланк» (упомянута в разд. 5.4.2 настоящей книги) - на
неизбежное загрязнение, вносимое при обработке образца, — и та потребо-
вала пересмотра. Для стандартных образцов такая поправка осуществляется
вычитанием из величин, измеренных для исследуемого образца, активности
или «доли от современного» (per cent modem carbon, pmC) контрольного
3. Дальнейшее совершенствование УМС-метода 455
образца («бланка»), т.е. образца, исходно совсем не содержавшего радиоуг-
лерода и прошедшего ту же обработку, что и основной образец, для опреде-
ления вносимых при этом загрязнений. Для ультрамалых образцов прихо-
дится. принимать во внимание, что масса вносимых загрязнений может ока-
заться вполне сравнимой или, по крайней мере, такого же порядка, как и
сам исследуемый образец. В таких случаях для учета поправки применяют
следующее выражение (van de Wai et al., 1994):
Aon Anc.n + (AlKCV- Aoni)' ( 1)
Здесь A - отношение ,4C / ,2C в pmC - доле современного углерода,
соответственно исправленное, измеренное и у вносимого загрязнения; Л/, и
Мх - массы загрязнения и образца соответственно. Количество вносимого
загрязнения приходится определять в серии дополнительных измерений кон-
трольных образцов разных исходных масс (см., например, исследования в
работах (Smith el al., 2000; Hua et al., 2004).
Рис. 10. Установка каталитической графитизации образцов малой массы. До
12 образцов могут обрабатываться одновременно, причем каждый - в
индивидуальных условиях и но индивидуальной программе.
Приложение ~ Лижущая сила современных радиоуглеродных исследовании
3.2. Датирование воздуха, захваченного в пузырьках
полярного льда
Накопленный опыт работы с ультрамалыми образцами позволил распрост-
ранить радиоуглеродные исследования в новые области и на новые объекты.
В качестве последнего примера мы хотим представить исследования по да-
тированию воздуха, захваченного в пузырьках полярного льда. Для решения
этой задачи использовались измерения содержания радиоуглерода в образ-
цах этого воздуха. Тем не менее подход кардинально отличался от традици-
онного радиоуглеродного датирования и имел что-либо общее лишь с тех-
никой стыковки вариаций (wiggle-matching, описана в разд. 5.4.1 настоящей
книги).
Датирование образцов воздуха, выделенных изо льда и фирна полярных
шапок, представляет собой очень непростую задачу. Сам по себе лед в боль-
шинстве случаев можно точно датировать, иногда до ± 1 года, используя
вариации его изотопного состава или измерения компонент-трассеров (на-
пример, кислотность, перекись водорода), откладывающихся вместе с вы-
павшим снегом. Возраст же воздуха отличается от вмещающего его льда.
Захват воздуха происходит в диапазоне глубин внутри ледника, где плот-
ность среды достигает некоторых критических значений от 0,81 до
0,85 г/см\ Ниже этой границы воздух является полностью изолированным
от атмосферы и захваченным в пузырьки внутри льда (рис. 11). В слое выше
этой границы воздух заполняет сложную систему запутанных канальцев и в
принципе может взаимодействовать с атмосферой. Этот слой называется
фирн — спрессованный и перекристаллизованный снег. Диапазон захвата
воздушных пузырьков, глубина, на которой он достигается, и возраст льда
на этой глубине различаются от места к месту в зависимости от специфи-
ческих характеристик, таких как температура и скорость осадконакопления
(снега). Множество исследований было проведено и проводится для опре-
деления этих параметров и их влияния на характеристики захвата пузырь-
ков воздуха (например, Schwander et al., 1993; Trudinger et al., 1997).
Процесс газовой диффузии в фирне и постепенная, а не мгновенная
изоляция пузырьков приводят к модификации атмосферной истории при ее
«записи» в лед, а именно происходит сглаживание сигнала. Кроме того,
атмосферному сигналу требуется некоторое время, чтобы от поверхности
достичь зоны захвата, т.е. воздух в глубине фирнового слоя сам имеет неко-
торый возраст относительно атмосферы. Таким образом, определение вели-
чины сглаживания и нахождение возраста воздуха в фирне и льду является
абсолютно необходимым компонентом восстановления истории важнейших
атмосферных составляющих в прошлом. Очевидно, наилучшим способом
нахождения этих параметров может быть измерение содержания во льду и
фирне какого-либо быстроменяюшегося атмосферного трассера и последу-
ющее сравнение результатов с его известными атмосферными вариациями.
В качестве такого трассера был выбран бомб-пик атмосферного НСО2, со-
3. Дальнейшее совершенствованье УМС-метода 457 )р!
держание которого в атмосфере очень хорошо документировано и может
быть даже восстановлено в прошлом по измерениям в кольцах деревьев.
Рис. 11. Лед полярных шапок - удивительный архив палеоатмосферного воз-
духа. Воздух в пузырьках данного кусочка льда имеет возраст около
20<Ю лет.
Из нескольких сильно различающихся по характеристикам кернов льда,
пробуренных на куполе Лоу (Law Dome), Антарктида, были отобраны серии
образцов по 1-2 кг каждый. Образцы крошились в вакууме на мелкие ос-
колки, а выделяющийся воздух пропускался через сепарационную линию,
где криогенно отделялся СО;. Детали эксперимента описаны в работах
(Levchenko et al.. 1996; Levchenko et al., 1997). Затем в лабораториях ANSTO
собранный углекислый газ был каталитически конвертирован в графит и на
установке ANTARES измерено содержание в нем радиоуглерода. Измере-
ния, благодаря описанным модификациям УМС-системы, удалось провести
с весьма высокой точностью, от долей процента до 3% в наиболее сложных
случаях. Надо отметить, что исследованные образцы были весьма малы, не-
которые заметно менее 20 мкг углерода. Это требовало особой подготовки и
осторожности при работе с таким материалом, а также проведения обшир-
ных исследований для определения количества вносимых при процессе заг-
рязнений, чтобы сделать поправку на «бланк*, как описано выше. Количе-
ство вносимого за!рязнения удалось удержать очень малым, 0,34 ± 0,08 мкг
углерода современного (т.е. 116 р.МС) происхождения. Этот весьма впечат-
ляющий результат — плод особой подготовки и тщательного проведения
эксперимента, остается непревзойденным для многих радиоуглеродных ла-
бораторий и сегодня. Помимо образцов льда углекислый газ был выделен и
исследован из проб воздуха из фирнового слоя, собранных во время буре-
ния кернов. Пробы представляли воздух из разных глубинных слоев фир-
на, детали отбора и эксперимента можно найти, например, в работе (Smith
сила современных радиоуглеродных исследований
et al., 2000). Таким образом, стало возможно построить непрерывный про-
филь содержания трассера от поверхности ледника до его глубин. Так как
пробы воздуха из фирна были заметно больше количества воздуха, выделя-
емого из образцов льда (1 кг льда содержит примерно 100 см3 воздуха стан-
дартной температуры и давления), экспериментальные трудности по рабо-
те с ними были существенно ниже. Большинство образцов из фирна со-
держали 100-200 мкг углерода.
Бомб-пик радиоуглерода во льду и фирне на куполе Лоу
7М
В» 1МО им 19Й 19» ИМ
Возраст COj, годы .?.
Рис. 12. Профили радиоуглерода в воздухе изо лада различных кернов, пробу-
ренных на куполе Лоу, Антарктида. Профили построены с использо-
ванием результатов датирования образцов воздуха. Горизонтальные
погрешности указывают размазывание возраста для конкретных об-
разцов за счет диффузии и постепенного захвата в пузырьки. Очевид-
на различная степень сглаживания для разных кернов, в первую оче-
редь зависящая от скорости аккумуляции льда в конкретном месте
(DE08, DE08-2 - 1100 кг/м: год, DSS - 600 кг/м2 год). Результаты
численного моделирования процесса учитывают скорость аккумуля-
ции льда и также дают разные степени сглаживания атмосферного
сигнала. Для сравнения показана и атмосферная кривая содержания
радиоуглерода в виде 14СО2 в воздухе Южного полушария.
Полученные результаты были сравнены с атмосферной кривой, и опреде-
лен необходимый уровень сглаживания и временного запаздывания атмос-
ферного сигнала 14СО2 для наилучшего согласия с экспериментом (рис. 12).
Таким образом, для ряда кернов были установлены эти важнейшие парамет-
3. Дальнейшее совершенствование УМС-метода 459
ры - средний возраст С02 при захвате в пузырьки и степень сглаживания
(рис. 13). На основе полученных данных была построена и протестирована
обшая компьютерная модель газовой диффузии и захвата воздуха в лед
(Trudingeret а!., 1997). Это открывает возможность аккуратной реконструк-
ции ключевых атмосферных компонентов (таких, например, как СО2 и СН4)
в прошлом (рис. 14) и даже исследования в ряде случаев их короткопериоди-
ческих ('10 лет) вариаций, синхронизации и установления связей между ними
и климатическими изменениями и процессами, например Эль-Ниньо и пр.
Разброс возрастов
Рис. 13. Двухпарамстрическая (средний возраст углекислого газа в пузырьках
воздуха и степень сглаживания — разброс возрастов) оптимизация по
метод)' наименьших квадратов для образцов из кернов льда DE08 и
DE08-2. Числа у контуров — среднеквадратическое расхождение между
сглаженной атмосферной кривой и скорректированными на возраст СО2
измерениями радиоуглерода из воздуха, выделенной) изо льда и фирна в
кернах DE08 и DE08-2. Левая ось показывает возраст, относительно
атмосферы, углекислого газа в воздухе пузырьков сразу после их захвата;
правая ось показывает соответствующее различие между возрастом воз-
духа в пузырьках и вмещающего его льда; горизонтальная ось показыва-
ет разброс возрастов углекислого газа в одном годовом слое льда - т.е.
степень сглаживания (размазывания) атмосферного сигнала.
460 Приложение /. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
Год н э.
Рис. 14. Содержание углекислого газа в атмосфере в прошлом по измерениям
в кернах льда DSS, DE08 и DE08-2, купол Лоу, Антарктида. Датиро-
вание льда проведено подсчетом его годовых слоев. Возраст образцов
воздуха отличается от возраста льда на величину, определенную по
исследованиям бомбового пика. Отличное согласие между измерени-
ями по образцам льда и прямыми атмосферными определениями на
станции Южный Полюс говорит как о надежности сделанной дати-
ровки, так и о превосходном качестве полярного льда как архива древ-
него воздуха.
4. Перспективы развития УМС-датирования:
на пути к настольной установке
Работа по снижению необходимой массы образца продолжается и далее,
чтобы добиться уверенного измерения с высокой точностью образцов с мас-
сой углерода порядка 1 мкг. Без сомнения, это откроет новые горизонты
приложения радиоуглерода — в датировании, аутентификации документов
и артефактов и исторических исследованиях, а также в геофизике и изуче-
нии климата.
Несколько слов в заключение о наметившихся в последние годы путях
дальнейшего развития УМС-измерений.
В качестве основы для ускорительной масс-спектрометрии изначально
использовались обычные тандемные ускорители, которые по своим харак-
теристикам (работа с многозарядными ионами и способность поддерживать
относительно большие токи ионных пучков) оказались подходящими для
задач УМС. Ускорители такого рода имели различный и довольно высокий
предельный ускоряющий потенциал, вплоть до 14 МВ. Однако развитие
4. Перспективы развития УМС-датирования: на пути к настольной
технологии показало, что с теми же задачами справляются и относительно
малые машины. В настоящее время во многих лабораториях используются
специализированные, серийно изготовленные для УМС, ускорители с отно-
сительно низким потенциалом порядка 2 МВ. Большинство таких машин
специализировано на радиоуглеродные и, отчасти, тритиевые измерения. Тем
не менее проводятся измерения и других интересующих изотопов.
В последние годы появились разработки еще более компактных систем,
работающих с потенциалами до 1 МВ. При таких низких напряжениях уста-
новки оказываются очень компактными и относительно недорогими, как в
изготовлении, так и в эксплуатации. Например, ускоритель в УМС-лабора-
тории в Цюрихе работает при потенциале лишь 200 кВ. Такие напряжения
обходятся вакуумной изоляцией, в отличие от дорогих изолирующих тан-
ков, заполненных ядовитым газом SF6, на больших ускорителях. К тому же
такой ускоряющий потенциал может быть обеспечен серийно производи-
мыми стандартными источниками напряжения, а не сложными электроста-
тическими системами больших машин.
Измерительная техника при низких потенциалах была вначале отработа-
на для радиоуглеродных и тритиевых образцов. Однако и для других изото-
пов, таких как ,сВе, UA1,4|Са, ,291 и Ри, уже прошли тестовые измерения. Для
радиоуглеродных образцов конструируется специализированная «настоль-
ная» измерительная УМС-установка с высокой производительностью, дос-
таточно доступная по цене и эксплуатационным требованиям большинству
лабораторий.
Ионные источники, требующие перевода углерода образца в графит, тоже
подвергаются пересмотру. Ионный источник отрицательных ионов, работа-
ющий с углекислым газом, был предложен относительно давно (Bronk and
Hedges, 1987). Однако лишь недавно удалось справиться со слабым местом
таких устройств — эффектом «памяти» в последующих образцах. Эта про-
блема к настоящему времени успешно решена, что, естественно, сильно
упрощает подготовку образца и позволяет снизить вносимые при его обра-
ботке загрязнения.
Компактная, относительно низковольтная, автоматизированная и недо-
рогая УМС-установка с газовым ионным источником, способная с высокой
точностью измерять образцы до порядка 1 мкг углеродной массы, управля-
емая одним человеком, большей частью в автоматическом режиме, — вот
что можно ожидать в большинстве радиоуглеродных лабораторий в ближай-
шем будущем.
462 Приложение I. УМС — движущая сила современных радиоуглеродных исследований
Список литературы к Приложению I
Bronk C.R. and Hedges R.E.M. (1987) Radiocarbon 31 (3) 298.
Holden C. (Ed.). (1995) Glue incriminates Sculptor, Science 267, 966.
Hua Q., Jacobsen G.E., Zoppi U., Lawson E.M., Williams AA, Smith A.M., McGann MJ. (2001)
Progress in radiocarbon target preparation at the ANTARES AMS centre, Radiocarbon 43(2A), 275-282.
Hua Q., Zoppi U., Williams A.A. and Smith A.M. (2004) Small-mass AMS radiocarbon analysis at
ANTARES, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, in press.
Jacobsen G.E., Hua Q., Tarshishi J., Fink D., Hotchkis M.A.C., Lawson E.M., Smith A.M.,
Tuniz C. (1997) Handbook of the Sixth Australasian Archaeometry Conference, Sydney, Australia, 10-13
February.
Levchenko VA, Francey RJ.. Etheridge D.M., Tuniz C., Head J., Morgan V.L, Kawson E. and
Jacobsen G. (1996) The ,4C «bomb spike> determines the age spread and age of CO, in Law Dome firn
and ice, Geophys. Res. Lett. 23 (23) 3345-3348.
Levchenko V.A., Etheridge D.M., Francey R.J., Trudinger C., Tuniz C., Lawson E.M., Smith
A.M., Jacobsen G.E., Hua Q., Hotchkis MAC., Fink D., Morgan V., Head J. (1997) Measurements
of the I4CO, bomb pulse in fim and ice at Law Dome. Antarctica, Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research В 123, 290^295.
Milazzo M., Cicardi C., Mannoni T., Tuniz C. (1997) Handbook of the Sixth Australasian
Archaeometry Conference, Sydney, Australia, 10-13 February.
Minelli L. Laurcncich (1996) 1м srrittura dell’antico Peru, CLUEB, Bologna.
Minelli L. Laurcncich, Miccinelli C., Animato C. (1995) Studi e Materiali di Storia delle Religioni
61, 363.
Minclti L. Laurcncich, Miccinelli C., Animato C. (1998) Studi e Materiali di Storia delle Religioni 64.
Mook W.G., Waterbolk H.T. (1985) in: Hanbooks for archaeologists 3: Radiocarbon dating, European
Science Foundation, 1st ed., Strasbourg.
Niklaus Th.R., Bonani G., Simonius M., Suter M., Wolfii W. (1992) Radiocarbon 34. 483.
O’Brien (Ed.) (1994) Checkmate for chess historians. In: Wilson Applied Science & Technology
Abstracts PlusText. Science, 265, 1168.
Roberts et al. (1997) Nature, 387, 696-699.
Smith A.M.. Levchenko V.A., Etheridge D.M., Lowe D.C., Hua Q., Trudinger C.M., Zoppi U.,
Elcheikh A. (2000) In search of in-situ radiocarbon in Law Dome ice and fim. Nuclear Instrumentsand
Methods in Phys. Res. В 172, 610-622.
Stuiver M. (1983) Radiocarbon 25, 793.
Stuiver M., Reimer PJ., Braziunas Th.F. (1998) Radiocarbon 40, 1127.
Schwander J., Bamola J.-M., Andrie C., Leuenberger M.. Ludin A., Raynaud D.. Stauffer B.
(1993) The age of air in the fim and ice at Summit, Greenland, J. Geophys Res., 98. 2831-2838.
Terrasi F.. Campajola L.. Petrazzuolo F.. Brondi A., Cipriano A.. D’Onofrio M., Hua Q.. Roca V.,
Romano M., Romoli M., Tuniz C., Lawson E. (1994) L’ltalia Scacchistica 1064. 48.
Trudinger C.M., Enting I.G., Etheridge D.M.. Francey RJ.. Levchenko VA and Steele L.P.
(1997) Modelling air movement and bubble trapping in Gm, J. Geophys. Res. 102, 6747.
Tuniz C., Fink D., Hotchkis M.. Jacobsen G., Lawson E., Smith A., Hua Q., Drawer P.. Lee P..
Levchenko V., Bird R., Boldeman J.. Batbetti M., Taylor G. and Head J. (1995) The ANTARES
AMS Centre: A status report. Radiocarbon 37 (2) 664-673.
van de Wai R.S.W., van Roijen J.J., Raynaud D.. van der Borg K., de Jong A.F.M.. Oericmans J.,
Lipenkov V.. Huybrechts P. (1994) From ,4C / ,2C measurements towards radiocarbon dating of ice, Tellus
46 B, 94-102.
van Strydonck M.J.Y.. van der Borg K., de Jong A.F.M.(1992) Radiocarbon 34, 928.
Watchman cl al. (1997) Rock Art Research 14 (I) 18-26.
Zoppi U., Hua Q., Jacobsen G., Sarkissian G., Lawson E.M., Tuniz C., Minelli L. Laurcncich
(2000) AMS and controversies in history: The Spanish conquest of Peru, Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research В 172, 756-760.
II. ДЕНДРОХРОНОЛОГИЯ
И РАДИОУГЛЕРОДНОЕ
ДАТИРОВАНИЕ В АРХЕОЛОГИИ
Е.Н. Черных, Н.Б. Черных
(E.N. Chernykh, N.B. Chernykh)
1. Вводные замечания
1.1. Базовые источники исторических реконструкций
Археология — наука историческая, и в системе глобальной истории челове-
чества она отвечает за весьма специфическую сферу. Поле основной дея-
тельности археологии определяется характером базовых источников, служа-
щих для исторических реконструкций, а также комплексом фундаменталь-
ных методов, которыми оперирует эта наука. Так, совокупная и взаимосвя-
занная история всего человечества наиболее полно раскрывается лишь в
последние два-три столетия его существования. Под словом «всего» подра-
зумевается именно все человечество, а не центральное ядро евразийских
сообществ, в технологическом отношении некогда опережавших все про-
чие. Ведь по-настоящему с народами иных земель — Америки, Австралии,
Тропической Африки, Северо-Восточной Азии — люди этого «евразийского
ядра* начали знакомиться только с XVI в., а в сущности даже еще позднее —
в XVIII— XIX вв. Лишь последний век второго тысячелетия нашей эры сде-
лал наш мир тесно взаимосвязанным в реальности.
История деяний этого весьма недавнего прошлого отражена в неисчис-
лимом множестве письменных документов: миллиардах статей, заметок, ко-
дексов, описей, книг, частных или служебных писем и т.п. Эти письменные
исторические источники запечатлены на бумаге, папирусе или бересте, высе-
чены на камне либо, наконец, записаны на компьютерных дисках. Словом,
в них сосредоточено все, что может помочь пониманию конкретной культу-
ры, ее социального устройства, возвышенных или же низменных устремле-
ний. истории ее развития. При всем том. однако, они перенасыщены персо-
налиями, очень часто невообразимо лживы и пристрастны; действитель-
ность бывает искажена в них порой до неузнаваемости; в угоду политичес-
ким целям из некоторых хроник могут быть выброшены целые периоды
существования народов...
Ранний, или же дописьменный, период истории человечества отражен
в документах совершенно иного рода — источниках археологических. Пос-
ледние внешне кажутся порой абсолютно беспристрастными. Да и скрыты
за ними бесчисленные анонимы: как правило, нам неведомы имена тех,
кто обитал в некогда цветущих или же нищих поселках, создавал камсн-
|F464 Приложение И. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
ные либо бронзовые орудия, укрывал в земле клады, сеял злаки и собирал
урожай; кто захоронен в пышных или убогих гробницах. Археологических
источников ныне тоже неисчислимое множество, и их число неотвратимо
нарастает буквально каждый день. Основная проблема для исследователя
заключается в умении правильно дешифровать их, проникнуть в загадоч-
ный смысл вещей и сооружений того времени. В отличие от письменных
эти источники охватывают всю историю существования человеческого рода:
с появления древнейших его представителей — архантропов и вплоть до
современности, т.е. на протяжении не менее двух с половиной - трех мил-
лионов лет.
7.2. Системы отсчета времени
Любое изложение исторического процесса теряет львиную долю смысла,
если не существует отсчета времени, в котором события протекают и кото-
рым они замеряются. Поэтому наиболее важным приложением к истории и
археологии является хронология. Обычно различают две разновидности пос-
ледней — относительную и абсолютную.
Относительная хронология говорит о последовательности событий по от-
ношению друг к другу: «Геродот жил позднее Гесиода» или же «Римская
империя предшествовала Византийской» и т.п. Археологические периоды
отличаются своей последовательностью: к примеру, каменный век сменяет-
ся медным, последний замешается бронзовым и т.д. Причем в этих случаях
ничего не говорится ни о точном отрезке времени, разделяющем события,
ни об их отношении к общей шкале времени.
Абсолютная хронология обращается уже к внешней шкале замеров, ис-
пользуя чаше всего понятия времени, принятые в определенной культуре, в
конкретном обществе. При всех зачастую пугающих различиях между сис-
темами абсолютных хронологических шкал, построенных каждой более или
менее развитой культурой, они всегда привязаны к сходному источнику за-
меров. Источник этот - планетарный, с небольшим числом вариаций: Луна,
Солнце или Луна и Солнце одновременно (редко — звезды). Поэтому в
любых развитых социальных системах используют либо лунный, либо сол-
нечный, а часто — комбинированный лунно-солнечный календарь, осно-
ванный на периодичности явлений природы.
Однако тема различий в абсолютных хронологических системах конеч-
но же, весьма специфична и чрезвычайно обширна (Черных Е.Н., 2001:
291-292), и поэтому нам вряд ли имеет смысл касаться ее сколько-нибудь
подробно. Мы будем оперировать на этих страницах лишь наиболее распро-
страненной и практически общепринятой на нашей планете календарной
системой. Последняя зиждется на базе отсчета лет от современности. Одна-
ко подобный подход заключает в себе одно существенное неудобство. Ведь
«современность» имеет «скользящий» характер, где каждый новый, «приба-
вочный» год усиливает нестабильность подобного отсчета. Поэтому люди
/. Вводные замечания
догадались выбрать некую постоянную хронологическую точку, которая в
христианском мире совпадает с предполагаемым годом рождения Иисуса
Христа. От нее и ведут календарный счет лет в обе стороны: «до Рождества
Христова* (до Р.Х.) и «после Рождества Христова» (Р.Х.); или по-английс-
кие - «Before Christ» (ВС) после этой даты - (AD). В атеистически Советс-
ком Союзе употребляли выражение «до нашей (новой) эры» (до н.э.), а
также «нашей эры* (н.э.). В том мире, где Христа не признают, нередко
предпочитают использовать английское выражение «Before Common Era»
(ВСЕ) - «до всеобщей эры», что близко к выражению «до новой эры» или
«до нашей эры».
1J, Хронологические источники в археологии
Три основные категории хронологических источников наиболее значимы
для археологии. Среди них, во-первых, письменные документы, содержа-
щие прямые или хотя бы косвенные указания на время их создания; во-
вторых, ископаемые стволы дерева, пригодные для анализа погодичного
прироста древесины; в-третьих, также ископаемые органические останки,
содержащие изотоп углерода ,4С. Археологическое дерево послужило фун-
даментом для создания метода дендрохронологии, а анализ изотопа 14С стал
базовым материалом для радиоуглеродного датирования археологических
объектов. В последние десятилетия оба эти естествен но-научных метода за-
няли ключевые позиции при определении возраста археологических памят-
ников.
Подчеркнем, что включение в данный список письменных источников
не случайно, хотя их роль для археологии ни в коей мере не сопоставима с
их ролью в собственно исторической науке ни в количественном, ни даже в
качественном отношении. Так, к примеру, оценивая значимость датировок,
основанных на письменных документах и по мере их углубления в древ-
ность, один из крупнейших специалистов по хронологии Древнего мира
Э. Бикерман (1975: 75) писал: «Для Ближнего Востока пределы допустимой
погрешности быстро увеличиваются по мере того, как мы заходим в глубь
веков дальше 900 г. до н.э. До XIV в. до н.э. в самых благоприятных случаях
пределы погрешности достигают примерно 10 и более лет; к XVII в. до н.э. они
доходят примерно до 50 лет, а для более раннего времени — и до 100 лет. Для
дописьменного периода у нас нет исторических дат, и следует полагаться только
на археологическую хронологию».
Но вот что непременно следует добавить к словам Э. Бикермана: к 900 г.
до н.э. всего лишь 3—4% территории Земного шара — и это максимум! —
было освоено группами населения, владевшими письменностью. Все ос-
тальные бесчисленные культуры были рассеяны по Земле во мраке бес-
письменности. Следовательно, без «археологической хронологии» вся не-
измеримая масса древнейших фактов представляла бы собой беспорядоч-
ную свалку.
|^^66 Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Но не будем при этом также принижать и роль письменных документов
в археологии. Ведь в ряде весьма важных случаев именно они служат свое-
образной «печкой» или же отправным пунктом для абсолютизации многих
хронологических шкал, построенных, к примеру, на базе анализа ископае-
мой древесины. Однако эти операции приобретают весьма значимый харак-
тер преимущественно для хронологии более поздних культур, существова-
ние которых граничило с Новым и даже Новейшим временем. И если пись-
менные источники могут играть заметную роль при датировке археологи-
ческих объектов самых поздних периодов, то роль дендрохронологии и ра-
диоуглеродного датирования несравненно более важна для ранних эпох.
L4. Ранний цикл в генеральной историко-археологической
периодизации
Перед тем как наметить временные ареалы для каждого из применяемых
естественно-научных методов археологической хронологии, попробуем хотя
бы вкратце очертить основные контуры генеральной историко-археологи-
ческой периодизации. Тем самым мы надеемся избежать невольной путани-
цы при употреблении различных терминов. Более полувека назад выдаю-
щийся французский историк Марк Блок (1986: 11) написал, что история -
зто наука, «переживающая детство... или даже лучше сказать: состарившая-
ся в эмбриональной форме повествования... прикованная к событиям, непосред-
ственно наиболее доступным». При сопоставлении с классической историей
археологическая наука предстает, пожалуй, еще более «прикованной к наи-
более доступным событиям», т.е. еще более молодой. Ведь полевые откры-
тия - малые и большие - приумножаются в ней едва ли не каждодневно.
Фонд источников этой науки разрастается неимоверно, и порой кажется,
что не хватает ни времени, ни сил даже для корректной и согласованной
классификации последних. Именно поэтому во многие из ее важнейших
понятий и терминов, в частности, в сфере периодизации различные специ-
алисты могут вкладывать зачастую весьма несходный смысл1.
В стремлении упорядочить наши знания о характере и динамике дли-
тельного исторического процесса развития человеческих сообществ, мы
склонны различать здесь два крупных, но совершенно не однозначных цик-
ла (Черных Е.Н., 1993). Первый, или древнейший, цикл отличается чрезвы-
чайной протяженностью - не менее двух или трех миллионов лет. Он пол-
ностью совпадает с геологическим периодом плейстоцена, а на археологи-
ческом полотне - с древним каменным веком, или палеолитом. Исходной
точкой данного цикла явилось появление в Африке первых людей - архан-
тропов или же еще более примитивных по строению - австралопитеков.
1 В этом кратком разделе мы приводим наиболее распространенную версию наиме-
нования историко-археологических эпох и их содержания; следует помнить, однако,
что острые дискуссии по этим проблемам еще далеко не завершены.
/. Вводные замечания 467 J»
Финал цикла ознаменовался освоением людьми всей земной суши и пере-
ходом к голоцену.
Наиболее ранний период палеолита чаще всего именуют олдувайским.
Находки, представляющие нам раннюю зарю человеческой истории, обна-
ружены по преимуществу в Африке и характеризуются, скорее всего, появ-
лением там Homo habilis, или «человека умелого». Малопонятную с точки
зрения хронологической протяженности олдувайскую эпоху сменяет ашель-
скал. К этому времени человеческие группы (архантропы) расселились уже
не только по всей южной половине Евразийского континента, но достигли
степной зоны Восточной Европы и даже Британских островов.
Древнепалеолитическую эпоху ашель сменил средний палеолит с его знаме-
нитой эпохой мустье'. Самой примечательной чертой мустьерской эпохи яви-
лась биологическая эволюция человека и появление неандертальца - палеоант-
ропа, или Homo neanderthalensis. Уже заметно более определенно в сравнении с
ашелем звучат для мустье и абсолютные даты: весь период помешается в пример-
ный отрезок времени между 100 тыс. до 40 тыс. или 35 тыс. лет назад.
Наиболее ярким и во многих проявлениях выдающимся во всей длитель-
ной палеолитической эре стал, безусловно, верхний или поздний палеолит,
хронологические грани которого определены ныне в рамках 40/35-12/10 тыс.
лет назад. Облик позднего палеолита определяли несколько ярких признаков:
во-первых, резкий скачок в технологии обработки камня и кости; во-вторых,
появление человека современного физического типа, или Homo Sapiens?, в-
третьих, поразительно мощный территориальный рывок, который совершили
люди позднего палеолита. Данный рывок завершил полное освоение всей
суши нашей планеты, включая и лишенные в предшествующий период чело-
веческого присутствия Американский и Австралийский континенты, а также
полярные зоны Азии, особенно ее северо-восточные области.
Все эти стремительные северные расселения происходили в исключитель-
но суровых условиях евразийского и североамериканского приледниковья
конца плейстоценовой эпохи. Шаг за шагом, сначала медленно, но затем все
убыстряя темп, люди отвоевывали сначала у мира животных огромные про-
странства суши Восточного полушария. Наконец, финальный и стремитель-
ный бросок на северо-восток, через ледовый мост привел человека в Амери-
ку. С этого момента люди стали реальными властителями всей земной суши.
При этом едва ли не повсюду их материальная культура приобрела в техноло-
гическом отношении принципиально сходный характер. И вот что крайне важно:
конец первого цикла обозначил собой как бы старт для нового скачка в раз-
витии этих многочисленных и сравнительно однородных культур. Однако
позднейшая история распорядилась этой динамикой развития иначе.
' По ушелью Олдувай в Танзании. где были сделаны первые находки этого типа - останки
людей и чрезвычайно примитивные каменные орудия. Ашель и мустье, равно как и наи-
менования более поздних палеолитических периодов, чаше всего обязаны французским
местечкам, где специалисты находили и исследовали соответствующие материалы.
(j^468 Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
1.5. Поздний цикл в генеральной историко-археологической
периодизации
Старт второго, или позднего, цикла совпал с рубежом плейстоцена и голо-
цена. Именно тогда наблюдались существенные сдвиги в эколого-географи-
ческом облике нашей планеты, обусловившие радикальные перемены в пос-
ледующей истории человечества. В этом ряду наиболее существенным, по-
жалуй, стало географическое обособление Евразийского и Американского
континентов, обусловленное исчезновением Берингии, или же так называе-
мого ледового «берингова моста* между обоими материками. Исчезла также
возможность сухопутных передвижений из юго-восточного угла Азии в Ав-
стралию. Весьма сильно сказалось на дальнейшей судьбе африканских на-
родов и возникновение громадного сахарского, трудно преодолимого тогда
пустынного пояса, отрезавшего на долгие тысячелетия племена Тропичес-
кой Африки от более северных регионов этого континента и Передней Азии.
Уже с первых тысячелетий голоценовой эпохи построение глобальных,
всеохватных историко-археологических схем или же систем периодизации,
подобных тем, что упоминались для долгой эры древнекаменного века, в зна-
чительной мере утрачивает смысл. Во-первых, с началом второго цикла про-
изошло очевидное территориальное обособление различных и порой весьма
обширных групп культур. Во-вторых, тогда же проявился и стал все более
ярко сказываться феномен неравномерности исторического развития этих групп.
Феномен этот в конечном счете - уже к рубежу Нового времени - привел к
невиданному ранее разрыву в уровнях технологического и социального раз-
вития различных человеческих сообществ. Наиболее мощный старт и после-
дующий темп развития предложили культуры так называемого евразийского
ядра (рис. 1), которое мы выделим здесь особо. Культуры иных регионов -
даже самых развитых из них - центральноамериканских или же Тропической
Африки, далеко отставали от них. На Северо-Востоке Азии вплоть до Нового
времени сохранялся неолитический уклад жизни, а в Австралии и на Тасма-
нии люди не вышли за грань эпипалеолита (мезолита).
В дальнейшем ихпожении мы будем опираться на периодизацию так на-
зываемого центрального ядра евразийской группы культур, которую можно
считать классической и наиболее четко разработанной в мировой археоло-
гии. Именно с ней мы будем сопоставлять и параллельно вычерчивать хро-
нологические колонки, построенные на базе дендрохронологии и радиоуг-
лерода. Это конечно же не означает, что оба эти метода оказываются прича-
стными лишь к древностям евразийского ядра. И дендрохронология, и ,4С
являются также базовыми календарными «часами» для культур всех матери-
ков и их основных регионов. Однако нам гораздо удобнее демонстрировать
связь обоих методов с территориально наиболее обширной и логически за-
вершенной схемой развития.
По упомянутой здесь и базирующейся на важнейших технологических
признаках историко-археологической периодизации за поздним палеолитом
I. Вводные замечания 469
следовала эпоха мезолита, или среднего каменного века. Мезолит сменился
неолитом, или новым каменным веком, когда началось массовое изготовле-
ние глиняной посуды; неолит к тому же венчал собой длительную эру ка-
менного века.
Более поздняя по сравнению с неолитом эпоха раннего металла указыва-
ет на то, что некоторые культуры познакомились с медью и с бронзой, т.е. с
искусственными сплавами на основе меди; здесь люди научились добывать
руду, выплавлять и обрабатывать металл. В рамках данной эпохи последова-
тельно различают медный век, ранний, средний и поздний бронзовый век. Дан-
ный период для населения металлоносных культур становится знаковым:
люди преодолели первую ступень на длинном пути к цивилизациям совре-
менного типа - ведь фундамент последних покоится по преимуществу на
металлах, на умении их получать и обрабатывать. Следующим этапом и ша-
гом поступательного продвижения к цивилизациям высшего типа становит-
ся железный век, когда новый и намного более эффективный металл выдви-
гается на первый план при изготовлении оружия и орудий труда.
Рис. 1. Ареал культур «евразийского ядра» к середине П тысячелетия до н.э.
(позднебронзовый век). В течение последующих трех тысяч лет - вплоть
до начала 16 века - границы этого «ядра» почти не изменялись, а
жизненно важные каналы межкультурных связей почти не выходили
за рамки этого ареала.
Здесь следует обратить внимание на необычайно важный признак, со-
путствовший эпохам меди, бронзы и железа. Древнейшие металлоносные
культуры Евразии, зародившись в гигантской и всеохватной среде культур
каменного века, расширяли свои территориальные пределы скачками и рыв-
ками (Chernykh, 1992: 1-4). Последний и самый мощный пространствен-
^470 Приложение П. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
ный бросок был связан с культурами позднего бронзового века. Получи-
лось так, что к середине II тыс. до н.э. евразийское ядро передовых метал-
лоносных культур охватило и достигло своего пространственного макси-
мума (рис. I). Сменившие их эпохи железа и даже средневековья почти не
раздвинули очерченных здесь границ «евразийского ядра»: около трех ты-
сячелетий их территориальные рамки почти не колебались, да их и не ста-
рались разорвать.
Все основные события и революционные сдвиги в сферах технологии,
социального развития и некоторых иных происходили по преимуществу внут-
ри этого пространственного круга, пусть обширного, но все же достаточно
жестко ограниченного. Вовнутрь его были направлены основные нити взаи-
мосвязей и взаимодействий. Данную ситуацию конечно же вполне можно
счесть парадоксальной. Ведь верхнепалеолитический человек, уровень тех-
нологии которого был несопоставимо более убог, смог одолеть ледяные пу-
стыни, проникнуть на другой континент и заселить его от Аляски до Огнен-
ной Земли. Однако получилось так, что неолитический характер культур на
северо-востоке Азии, т.е. на пути палеолитических первопроходцев в Аме-
рику, сохранился вплоть до появления здесь русских в XVIII и XIX вв. И на
другом фланге ядра нам ныне очень трудно представить, что едва ли не
совершенно неодолимой, скажем, для древних египтян и уж тем более рим-
лян оказалась Сахара, за которой спонтанно, по своим специфическим пу-
тям развивались многочисленные культуры тропической зоны Африканско-
го континента. Однако историческое развитие протекало тогда именно та-
ким парадоксальным образом.
В последнее время и, без сомнения, вполне справедливо принимают 1500-й
год за удобный рубеж отсчета нового времени. С конца XV и начала XVI в.
сообщества «евразийского ядра» наконец-то рискнули прорвать ими же же-
стко установленные рамки. Сначала португальцы и испанцы, а за ними
англичане и голландцы устремились на освоение океанских просторов и
новых земель на запад, юг и восток; спустя столетие по неприветливому
азиатскому северу на восток - к Берингову проливу и Аляске рванулись
русские казачьи отряды. И тогда окружающий мир необычайно быстро стал
приобретать для современников совершенно иные контуры — он несказан-
но расширился и преобразился в их глазах.
С этого времени можно вести отсчет финальной и продолжавшейся
примерно пять сотен лет фазы второго цикла в истории человечества. Она
завершилась лишь к XX столетию и проводилась по большей части путем
насильственной и весьма жестокой ликвидации чудовищного разрыва и
отставания в технологическом и социальном отношении тех человеческих
коллективов, которые обитали за пределами «евразийского ядра». Резуль-
татом, однако, явилось то, что основные культуры Земного шара, как не-
когда - в далеком палеолитическом прошлом - поднялись на принципи-
ально сходный в технологическом отношении уровень, как бы «подравня-
лись» между собой.
I. Вводные замечания
1,6, Циклы, периоды развития и методы абсолютной
хронологии
Любые методы исследования, как известно, имеют свой более или менее
жестко выраженный лимит возможностей, что в наших случаях обусловлено
по преимуществу физической природой самих источников определения воз-
раста археологических объектов. Подобные лимиты и предопределили вре-
менные и, соответственно, эпохальные ареалы приложения тех методов да-
тирования, о которых мы и ведем речь, т.е. дендрохронологии и радиоугле-
родного (,4С).
Демонстрационная схема таковых ареалов и фигур распределения дати-
ровок по отношению к определенным историко-археологическим эпохам
приведена на рис. 2. Вполне очевидно, что огромное число аналитических
определений возраста сопряжено с материалами второго генерального цик-
ла развития человеческих сообществ; с памятниками раннего цикла они
соотносятся несравненно более скромно. Однако даже в пределах позднего
цикла удельный вес каждого из методов совершенно не однозначен по от-
ношению к различным историко-археологическим эпохам.
Рис. 2. Дендрохронология и радиоуглеродный метод датирования: их соотно-
шение с основными историко-археологическими периодами культур
«евразийского ядра» (масштаб фигур распределения условный).
Вполне очевидно, что дендрохронология «обслуживает» наиболее по-
зднюю свиту культур и памятников, связанных по преимуществу со средне-
вековьем и Новым временем. Доля дендродат резко падает для культур же-
Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
лезного века и раннего металла. Совсем редкими гостями выглядят уверен-
но датированные стволы деревьев для памятников более ранних периодов.
Определение возраста по *4С характеризуется уже иной картиной. Наибо-
лее заметная доля проведенных датировок приходится на эпохи неолита и
раннего металла. Их доля существенно сокращается уже для памятников же-
лезного века и тем более средневековых. Это объясняется тем, что по своей
«разрешающей способности» изотопный метод сильно уступает не только
письменным источникам, но и дендрохронологии*. Роль радиоуглеродной
хронологии для верхнего палеолите все еще весьма существенна, хотя ее зна-
чение непрестанно снижается по мере удревнения верхнепалеолитических
слоев. И только очень редко их удается применить для памятников позднего
мустье: на рубеже около 40-45 тыс. лет назад возможности данного метода
датирования вполне очевидно иссякают едва ли не полностью.
Взаимное пересечение ареалов воздействия обоих методов приходится
на их краевые, периферийные участки: в основном между III-II тыс. до н.э.
и 1 тыс. н.э. (рис. 2). Демонстрируемое положение может на первый взгляд
привести к заключению о слабой степени взаимодействия дендрохроноло-
гии и метода ’4С. Однако ниже мы постараемся показать, сколь принципи-
ально важным такое взаимодействие явилось в реальной практике построе-
ния систем археологической абсолютной хронологии.
2. Дендрохронология
Будет целесообразным начать наше изложение с дендрохронологии, кото-
рая определенно играет важнейшую роль при датировании позднейших пе-
риодов археологических культур и памятников (рис. 2). Только после этого
мы «углубимся» в древность, где царит уже радиоизотопная хронология. При
таком изложении, как мы надеемся, станет намного более понятным про-
цесс взаимодействия и взаимовлияния обоих методов.
2.1. Кратко об основах метода
Научно обоснованные взгляды на годичное кольцо как на источник инфор-
мации о ритме природных явлений были высказаны еще во второй полови-
не XIX века. Сам же метод датирования по годичным кольцам, или так
называемый древесно-кольцевой анализ вошел в систему естественных наук
’ Впрочем, иногда и для эпохи средневековья без радиоуглеродного датирования
бывает трудно обойтись при экспертных исследованиях, касающихся, скажем, раз-
личного рода подделок и т.п. По всей вероятности, наиболее примечательный тому
пример явило изучение гак называемой «Туринской плащаницы*, в которую якобы
было завернуто тело Иисуса после снятия его с креста. Изучение образца ткани
проведенное в лабораториях Аризоны, Оксфорда и Цюриха, согласно показало, что
ткань «псевдо-плащаницы» была изготовлена в XIII или же XIII—XIV веках, и. стало
быть, к предполагаемому событию она отношения иметь не может.
2. Дендрохронология
уже почти 100 лет назад, когда откристаллизовалась новая отрасль знания,
ставшая вскоре известной пол термином «дендрохронология». Еше более 80
лет назад ее основоположником и организатором первых исследований явился
американский астроном А. Дуглас (Douglass, 1941; и многие другие его ра-
боты). Согласно широко распространенному и весьма обшему по смыслу
определению, цель и назначение дендрохронологии заключается в система-
тическом изучении древесных колец для точной датировки событий про-
шлого и оценки климатических изменений в ходе времени.
Метод исходит из наблюдений за стойкими и ритмичными колебаниями в
ширине погодичного прироста древесины. Толщина каждого кольца на са-
мых различных деревьях четко отражает ту микроклиматическую ситуацию,
которая имела место либо в год формирования конкретного кольца» либо в
годы, ему предшествующие. Климатические условия проявляются, как пра-
вило, достаточно однородно на огромных территориях, что и явилось основ-
ным определяющим фактором в характере роста годичных колец у бесчис-
ленных древесных стволов той или иной географической области. Благопри-
ятен климат для роста дерева (влажно и жарко), и дерево отреагирует толстым
кольцом. Надвигаются критические условия для жизни дерева (сухо и холод-
но), и годичное кольцо будет тонким, еле заметным на срезе ствола (рис. 3).
Рис. 3. Поперечный срез годичных колец у ствола ископаемого дерева Вели-
кий Новгород). Тонкие кольца («угнетения») свидетельствуют о небла-
гоприятных годах в жизни дерева
При определении взаимного положения на хронологической шкале между
собой сопоставляются конечно же нс сами деревья, но графически выра-
женные кривые их роста, в основе которых лежат замеры толщин годичных
колец. Последовательно, шаг за шагом «сцепляя» друг с другом эти кривые
прироста (рис. 4), характерные для срубленных в разное время деревьев,
474 Приложение II. Дендрохронология ы радиоуглеродное датирование в археологии
дендрохронологи и смогли в конечном счете составить великое множество
более или менее долговременных дендрохронологических шкал, протяжен-
ность которых колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.
Рис. 4. Синхронизированные погодичныс графики прироста древесины у ряда
деревьев из слоя древней Мангазеи и близлежащих районов Западной
Сибири. Настоящая локальная дендрошкала протянулась от современ-
ности вплоть до самого начала XI! столетия (Шиятов, ’.972).
IICO 10W ЧОО
Хронологический охват метода достаточно широк: суммарно до 6-7 ты-
сячелетий вглубь от наших дней для археологических материалов (рис. 2). а
для климатологии и того больше: последние изыскания углубили ее границу
до 11-12 тыс. лет! Правда, львиная доля его календарных определений при-
ходится, безусловно, на периоды средневековья и Нового времени. Ныне
это общепризнанный в мире метод массовой датировки археологических
объектов, и его применяют в самых различных странах нашей планеты де-
сятки специализированных лабораторий.
Для правильного понимания масштабов дендрохронологических иссле-
дований мы ограничим свое повествование лаконичными данными лишь
для одной ячейки подобного рода - дендрохронологической лаборатории
Института археологии Российской академии наук в Москве. Здесь из мно-
жества средневековых и разнообразных по своему характеру памятников
северной половины и центральных областей Восточной Европы (рис. 5) за
четыре десятилетия изысканий сотрудникам лаборатории удалось собрать и
проанализировать более 22 тыс. образцов хвойных пород - по преимуще-
ству сосны и ели. Восточноевропейские памятники весьма разнообразны.
но резко преобладает дерево из нескольких десятков средневековых русских
городов, как крупных (Новгород, Псков, Смоленск, Москва, Тверь и др.),
так и более мелких (Старая Ладога, Торопец и др.). Самая северная коллек-
ция изученных стволов была собрана с поселений российских поморов на
полярных островах Шпицбергена. Из 22 тыс. проанализированных спилов с
бревен более чем 11 тыс. получили абсолютные даты. Общая протяженность
полученных в лаборатории дендрошкал превысила 1380 лет: от дня сегод-
няшнего до 612 года (рис. 5). Но напомним еще раз, что эта краткая харак-
теристика касается лишь одной лаборатории (Колчин Б.А., Черных Н.Б.,
1977; Черных Н.Б., 1996).
I | ----
| : —!-----
; •-1— --
. । ! ; I I —I-----
: I I НН1ЙН*Т-
felHMHIIIJIHHHIfl *-(--
----1—г
«HlUMhtiltlllH *-!---Г
-----------
: umhhOh -I-------—k
Сиотяа
—► Стар* Руса
Жарестм (Speer)
1 ' ннннНнфн *
аоо
Старая Ламга
1СХ» 1200 1*00 1800 1900 2000
Годы ношей эры
Рис. 5. Протяженность различных дендрошкал, построенных на материалах
анализа ископаемой древесины из ряда восточноевропейских городов,
а таже с поселений русских поморов на архипелаге Шпицбергена.
Вообще же дендрохронология имеет дело с древесиной самых различных
пород и возрастов, которые встречаются как в культурном слое археологи-
ческих памятников, так и в наземных архитектурных сооружениях различ-
ного вида, а также, к примеру, с досками икон, картин, скульптур и т.п.
Очень часто дерево прекрасно сохраняется в культурных слоях древних и
средневековых поселений, чему способствуют большая насыщенность куль-
турного слоя влагой, малая кислотность или нейтральность его среды, за-
медленное движение внутреннего стока вод, почти полное отсутствие водо-
и воздухообмена при незначительных колебаниях температуры. Подобные
условия и обеспечили нахождение в упоминавшихся средневековых восточ-
ноевропейских памятниках громадного числа древесных стволов, отличав-
шихся хорошей или просто великолепной сохранностью. Древесина может
отлично сохраняться также в условиях вечной мерзлоты, как, например, в
старинном русском городке (торговой фактории) Мангазее на крайнем се-
476 Приложение 11. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
вере Западной Сибири, либо в высокогорных курганах железного века на
Алтае. Анаэробные условия способствуют сохранению органики в торфяни-
ках и прибрежных речных отложениях некоторых районов Восточной Евро-
пы — на Урале (Горбуновский, Шигирский торфяники), в Карелии, Архан-
гельской области, Белоруссии, Литве. Очень много прекрасно сохранив-
шейся древесины находят в так называемых свайных поселениях неолита и
бронзового века, к примеру в Швейцарии и Северной Италии, где эти древ-
ние селища располагались на болотистых берегах альпийских горных озер.
2.2. Процедура дендроанализа
Две основные трудности поджидают исследователя при проведении дендро-
анализа. Во-первых, реакция на климатические колебания у деревьев раз-
личного вида неоднозначна, и ее проявления порой весьма специфичны.
Картина погодичного прироста у хвойных пород дерева в этом отношении
будет заметно отличаться от лиственных. Во-вторых, глобальные колебания
климата не могут полностью сгладить заметных вариаций того же прироста
древесины в различных регионах.
Первую сложность стараются преодолеть за счет сопоставления в еди-
ном ряду деревьев лишь одной породы или хотя бы вида (к примеру, хвой-
ные - к хвойным, лиственные - к лиственным). Трудности второго рода
стремятся погасить за счет сравнения между собой деревьев не только одной
породы или вида, но к тому же и произраставших в одном регионе.
Именно поэтому дендроанализ археологического деревянного объекта
обязательно начинается с определения породы дерева, что является одним
из наиболее важных пунктов во всей процедуре аналигической рабсты. Кроме
того, чрезвычайно существенной является хорошая сохранность изначаль-
ной структуры ископаемой древесины. Искажения структуры ее годичных
колец за счет сплющенности ствола, различных физических нарушений его
первоначального облика и т.п. способны привести к ошибочной картине
погодичного прироста. Наконец, всегда крайне важным бывает установить
наличие или отсутствие внешнего или последнего «прижизненного», дре-
весного кольца у конкретного ствола. Ведь только оно в состоянии указать
исследователю на дату рубки изучаемого бревна (так называемая порубоч-
ная дата). Внешнее кольцо определяют в основном либо по сохранившейся
коре дерева, либо по характерным следам жучков-короедов, каковые пара-
зитировали на стволах уже мертвых деревьев (Черных Н.Б., 1996).
Все эти сложности очерчивают проблему пробоотбора пригодных для
анализа образцов, а также необходимого их числа для уверенной относи-
тельной или абсолютной датировки. Вопрос этот, однако, не имеет одно-
значного ответа, а решение зависит от целого ряда обстоятельств, и прежде
всего — от степени сохранности древесины, принадлежности материала к
определенному хронологическому периоду и конкретному географическому
району. Большинство дендрохронологов считают, что необходимо собирать
2. Дендрохронология
с каждого памятника или сооружения возможный максимум образцов’. Из
этого возможного максимума в процессе обработки постоянно происходит
отсев малопригодных образцов, неминуемо сокращая объем изучаемого ма-
териала. К примеру, приходится отбраковывать все сильно разрушенные и
деформированные образцы. Затем — если, предположим, дендроанализ ори-
ентирован на хвойные породы, — отбрасывают спилы дерева лиственных
пород. Корректная процедура требует также подразделения оставшихся спилов
по возрасту стволов или же по числу сохранившихся на них годичных колец.
К примеру, непригодными вовсе или же малопригодными для датировок
являются образцы, возраст которых не достигает 30 лет.
Вместе с тем известны регионы, где встречаются деревья, отличающиеся
фантастическим возрастом. Так, североамериканская секвойя (Sequoia) мо-
жет достигать трехтысячелетнего возраста, и это неизмеримо расширило воз-
можности датировки дендрообразцоз как из археологических слоев, гак и из
некоторых современных построек, связанных с историко-этнографически-
ми объектами. Еще более долгоживущими оказались произрастающие в Бе-
лых горах Калифорнии так называемые остистые сосны (Pinus aristata) - до
4 тыс. лет и даже более (рис. 6)’ О значении этих пород деревьев для абсо-
лютных дат древнейших периодов мы скажем ниже.
Рис. 6. Остистые сосны (Pinus aristaia) растут
в Белых горах Калифорнии. Возраст этих де-
ревьев может превышать четыре тысячи лет (по
работе: Bowman, 1990: 17).
• Наиболее распространенным, удобным и надежным для лабораторного исследования
способом получения дендрообразца является поперечный спил со ствола. Гораздо реже
пользуются высверливанием из бревен буровых колонок (кернами); образцы такого рода
гораздо менее информативны и используются по преимуществу для сухих стволов.
Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
2.3. Локальные дендрошкалы
Основой для определения относительного и абсолютного возраста всегда служит
так называемая локальная дендрошкала1. Эго не только обязательная, но и
наиболее ответственная операция в обшей процедуре дендрохронологического
анализа, поскольку локальные шкалы служат отправным пунктом для всех пос-
ледующих операций по разнообразным сопоставлениям кривых роста годичных
колец деревьев, а также для дендроклиматологических реконструкций. Под ло-
кальной дендрошкалой обычно понимается система оценки годичных прирос-
тов у древесных пород1 2, синхронизированных и скорректированных с помощью
особых приемов (визуальных и математических). Годичные слои выстраиваются
при этом в хронологически строгую последовательную серию. Дендрошкала пред-
ставляет собой эталон, позволяющий замерить степень сходства годичных при-
ростов не только у отдельных деревьев, но также у их крупных сообществ.
Как правило, при формировании шкалы необходимым считается соблю-
дение трех условий: I) использование дерева одной породы; 2) происхожде-
ние изучаемых деревьев из климатически однородного региона; 3) стандар-
тизация данных прироста и их корректировка на базе конкретных и приня-
тых в той или иной лаборатории методов.
Обычно процедура создания локальной шкалы проходит две последова-
тельные стадии. Во-первых, это определение относительной последователь-
ности графиков погодичного прироста древесины каждого из образцов; та-
кую шкалу нередко именуют «плавающей» в связи с неопределенностью ее
календарных значений. Во-вторых, это стадия абсолютизации относитель-
ной или же «плавающей» шкалы путем ее привязки к календарному реперу.
В последнем случае, как правило, датировка каждого из древесных колец
возможна уже с точностью до одного года.
Идеальным или же близким к идеальному случаем для построения ло-
кальной дендрошкалы служат археологические памятники, где огромные
1 В англоязычной литературе понятию «локальная шкала» чаще всего соответствует
термин «chronology» или «tree-ring chronology» с определенной расшифровкой его
отношения к некоторой генеральной совокупности образцов (к примеру,
«Х-chronology» либо «1..2..4 chronology» и т.п.
2 В настоящем разделе нереально сколько-нибудь подробно охарактеризовать применя-
емые на практике в различных лабораториях способы сопоставления между собой от-
дельных графиков прироста древесины и в конечном счете построения дендрошкал.
В целом все определяется конкретными задачами, стоящими перед исследователями. От-
метим лишь, что, как правило, с точки зрения математических приемов более сложными
и трудоемкими предстают процедуры дендроклиматических исследований. В археологи-
ческой дендрохронологии сходные приемы выглядят более упрощенными, но в той или
степени они исходят из посылок, сформулированных Бруно Хубером примерно 60 лет
назад (см., например: Huber, 1943). Вообще же по этим вопросам интересующегося чита-
теля можно отослать к довольно обширной литературе. См., к примеру: Вихров, Колчин,
1962: 95-112; Колчин, Битвинскас, 1972: 86-90; Колчин Б.А., Черных Н.Б., 1977: 17-26;
Битвинскас, 1974: 62-78; Урьева А.Ф., Черных Н.Б, 1996:90-94; Ватанов, Шиятов, Ма-
зепа, 1996:34-50; Schwcingruber, 1993: 351-396 и многие другие работы).
2. Дендрохронология
скопления бревен, пошедшие на сооружение домов или же деревянных мо-
стовых (рис. 7), залегают друг над другом в строгом стратиграфическом по-
рядке (рис. 8). В гаком случае уже априорно можно с большой долей уверен-
ности предполагать, что блок древесных стволов, залегающий поверх друго-
го, будет содержать набор образцов, срубленных на некое число лет по-
зднее, нежели лежащая ниже группа деревьев.
Рис. 7. Вскрытая раскопками мостовая одной из центральных улиц срелневе'
кового Новгорода.
К числу таких почти идеальных для применения дендрохронологическо-
го анализа археологических памятников относятся в первую очередь средне-
вековые слои Великого Новгорода, буквально насыщенные древесиной: то
был почти исключительно деревянный город (рис. 7). Особое внимание ар-
хеологов привлекают здесь «слоеные пироги» налегающих или перекрываю-
щих друг друга мостовых, выполненных из продольно расколотых массив-
ных бревен, именуемых плахами. Таких слоев может насчитываться до трех
десятков (рис. 8). К мостовым прилегают усадьбы с нередко хорошо сохра-
нившимися домами и иными сооружениями, которые также дают в руки
исследователя массу строительной древесины.
Всего в Новгороде было отобрано для денлроанализа около 18 тыс. спи-
лов бревен. После предварительного изучения исследователи признали по
разным причинам непригодными или же малопригодными для датировки
около 7 тыс. образцов. Из оставшихся 11 тыс. бревен удалось установить
календарную дату рубки у примерно 6,6 тыс. спилов. Для одного города -
пусть даже Великого Новгорода - число надежных дат подобного рода в
археологической практике невообразимо велико.
Впрочем, интересно здесь и другое. Для всей этой гигантской коллекции
древесных стволов уже сейчас в пределах Новгорода намечено не менее семи
локальных дендрошкал. Это означает, что вся масса строительного леса по-
ставлялась с огромной округи, в которой каждый из районов лесоповала в
11И 480 Приложение П. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
гой или иной мере отличался экологической спецификой, отразившейся на
динамике и характере погодичного прироста изученных деревьев, Возмож-
но также, что для Великого Новгорода это еще не предел и количество ден-
дрошкал такого рода возрастет: ведь активные полевые и лабораторные изыс-
кания продолжаются.
Рис. 8. «Слоеный пирог* из 30 ярусов (деревянных настилов) мостовой одной
из улиц Новгорода.
Всею же для территории северной половины и центральных областей
Восточной Европы в настоящее время выделено до пяти десятков локаль-
ных дендрошкал. Причем каждая из них характеризуется специфическими
особенностями годичного прироста деревьев и конкретной хронологичес-
кой протяженностью.
2.4. Календарный возраст дендрошкал
Абсолютизация дендрошкал возможна путем использования различных при-
емов. В условиях российских лабораторий применяются по преимуществу
четыре способа. Первый из них — это привязка созданной локальной денд-
рошкалы к современному лесу, когда известен год рубки эталонных много-
летних деревьев, сопоставляемых с той или иной дендрошкалой. Такой спо-
2. Дендрохронология 481
соб, по-видимому, можно было бы считать наиболее надежным и логичным
с методической точки зрения. Однако ему препятствует весьма существен-
ное обстоятельство: данный метод редко или же почти не находит примене-
ния в восточноевропейских условиях. Как правило, в лесах Восточной Ев-
ропы отсутствуют подобные североамериканским долговозрастные деревья,
которые надежно привязывались бы к археологическим дендрошкалам. Ведь
верхние или же наиболее поздние точки этих шкал очень часто завершаются
на уровне XV-XVII веков (рис. 5). Некоторое исключение составляет денд-
рошкала Твери, дотянутая до XX столетия, однако это удалось проделать
благодаря наличию здесь поздних строго датированных деревянных соору-
жений, а не многолетних стволов современного леса. Абсолютную времен-
ную привязку дендрошкалы с помощью современного леса удалось полу-
чить лишь для Мангазеи (рис. 4; см. также: Шиятов, 1975: 119-121), но этот
довольно поздний памятник расположен на севере Западной Сибири.
Рис. 9. Соотношение между письменными архивными сведениями о времени
сооружения 25 деревянных церквей на русском Севере и их дендрода-
тами. Бросается в глаза, что порой дендродаты более определенно от-
вечают на вопрос о времени строительства той или иной церкви, неже-
ли нередко противоречивые архивные данные.
(fjl82 Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Второй способ заключается в использовании письменных свидетельств о
времени строительства того или иного объекта. Весьма нередко архивные до-
кументы отражают время строительства, к примеру, какой-либо деревянной
церкви, некоего примечательного дома либо башни в системе укреплений той
или иной крепости. Взятые из подобного рода объектов и связанные с единой
дендрошкалой образцы дерева чаше всего соответствуют этим календарным
свидетельствам строительства того или иного сооружения. Такая процедура
позволяет абсолютизировать «плавающую» дендрошкалу. Чаще всего этот
способ давал хороший результат при изучении крупных коллекций образцов
из сравнительно поздних деревянных церквей русского Севера (рис. 9). Кро-
ме того, абсолютные дендрошкалы, опирающиеся на образцы из поздних ар-
хитектурных объектов, могут служить ценнейшим звеном, связующим сред-
невековое ископаемое дерево с современной древесиной. Яркий пример тому
являют самые последние исследования по дендрохронологии Твери.
В том случае, если локальная дендрошкала не обеспечена опорой на
архивные свидетельства и сохраняет свой «плавающий» характер, использу-
ется третий путь ее абсолютизации. Он заключается в применении так на-
зываемого перекрестного датирования шкал. Тогда «плавающие» локальные
дендрошкалы привязываются по наиболее надежным признакам чередова-
ния ярких минимумов («угнетений») и максимумов прироста дерева к тем,
что носят надежный календарный характер. Подобная процедура является
необходимым шагом к созданию более общих, условно-универсальных ден-
дрошкал, пригодных для работы и датировки объектов на широких про-
странствах*. Впрочем, многие исследователи весьма скептически оценивают
календарные возможности подобных «дендроуниверсалий».
Наконец, четвертый путь абсолютизации «плавающих» локальных денд-
рошкал заключается в приложении к ним определений возраста на базе
радиоуглеродного метода. Это наименее точный способ абсолютизации, и
он, как правило, применяется для ранних коллекций дерева, - к примеру,
от неолита до раннего железного века, ~ когда возможность привлечения
письменных источников исключается полностью. Один из наиболее выра-
зительных примеров такой абсолютизации «плавающей» шкалы можно при-
вести на базе богатых коллекций древесины из раскопанных свайных озер-
ных поселений приальпийской зоны в Северной Италии типа Лаваньоне
или Фьяве (рис. 10а, Ь). На поселении Лаваньоне базой дендроанализа по-
служили спилы 139 деревьев. Их анализ позволил сформировать две «ло-
кальные» шкалы, что было предположительно обусловлено двумя районами
произрастания, откуда в поселок доставляли использованные деревья. За-
тем обе эти шкалы, в свою очередь, были объединены в единую почти трехсот-
летнюю последовательность, обозначенную как «master-chronology» (рис. 11).
1 В англоязычной литературе такие «совокупные» или «универсальные» шкалы, по-
строенные на материалах ряда шкал локальных, зачастую обозначают термином
«master-chronology».
2. Дендрохронология 483^
Датировка восьми десятилетних блоков древесных колец всей этой коллек-
ции позволила установить их абсолютный возраст в рамках 2213-1917 ВС
± 11 лет’.
' Такая высокая точность достигаемся благодаря методу стыковки флуктуаций (wiggle-
matching), см. главу 5. - Прим. ред.
Приложение IL Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Рис. 11. «Плавающая» дендрошкала свайного приозерного поселения бронзо-
вого века Лаваньоне в Северной Италии. Ее «абсолютизация» была
проведена на базе серии радиоуглеродных дат древесных колец (по
работе: Griggs, Kuniholm, Newton, 2002).
2.5. Археологические объекты и их комплексы
Дендрохронологической датировке могут подвергаться и подвергаются на
практике самые различные деревянные объекты: единичные бревна или доски,
а также как простые, так и весьма сложные по своей конструкции сооруже-
ния — дома (срубы), мостовые, церкви с их отдельными частями, деревян-
ные детали каменных сооружений (балки и пр.). В городах, где велось по-
стоянное строительство деревянных сооружений, выделяются так назы-
ваемые строительные ярусы или же периоды, когда за определенный отре-
зок времени, к примеру после обширных пожаров и разрушений, возводи-
лись крупные комплексы разнообразных построек.
из древнего Белоозера. Вполне очевидно вторичное использование здесь
ствола под № 8, чей год рубки отличается от основной массы на 33
года; это дерево было взято здесь из какой-то старой постройки.
2. Дендрохронология 485
Год рубки каждого отдельного ствола, или порубочную дату, возможно
установить лишь в том случае, если на нем неповрежденным сохранилось
последнее прижизненное внешнее кольцо. В противном случае такое сохра-
нившееся на поврежденном спиле кольцо будет обозначать terminus ante quern,
т.е. время, предшествовавшее повалу дерева. Сама же неопределенная пору-
бочная дата по отношению к последнему сохранившемуся на спиле кольцу
будет обозначена как terminus post quern.
Наиболее вероятный год сооружения сруба или же церкви («строитель-
ная дата»), который отражен в совокупности датировок стволов с сохранив-
шимися внешними кольцами, определяется по времени самого позднего из
бревен. Весьма часто в исследованной совокупности стволов из одной пост-
ройки могут попадаться отдельные бревна или же группы образцов, пору-
бочные даты которых будут сильно различаться между собой. В таком слу-
чае деревья, срубленные заметно раньше, чаше всего относятся к деталям
вторичного использования (переиспользования), т.е. заимствованным из ка-
кой-то ранней и, видимо, разрушенной постройки (см., например, рис. 12,
образец № 8). Древесина же более позднего повала расценивается уже в
качестве следов и деталей ремонта основного сооружения.
1200 г._________1250 г.____ 1300 г.___________1350г. ________1400 г.
Рис. 13. Последовательность сооружения настилов мостовых на одной из улиц
Великого Новгорода (номера строительных ярусов обозначены римс-
кими цифрами).
Наиболее надежными в смысле определения календарных строительных
дат можно считать центральные и стратифицированные мостовые больших
городов, скажем, такие, как на улицах Великого Новгорода (рис. 8 и 13) и
Приложение И. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
<486
w
других поселений городского типа. Из каждого подобного яруса можно из-
влечь огромное число прекрасных образцов; и даты каждого из них могут
быть увязаны по графикам прироста древесины с предыдущим и последую-
щим настилами древесных плах (рис. 13). Кроме того, с сооружением (пере-
стилом) нового слоя мостовой, как правило, был связан новый строитель-
ный ярус обширного участка города, включавший в себя усадьбы, отдель-
ные дома, заборы-частоколы и т.п. Поэтому подобные крупные совокупно-
сти комплексов для дендрохронологов представляют наиболее благодатные
для датировки материалы.
Рис. 14. Основание «большого дома»
из Старой Ладоги. Для его строитель-
ства использовалось разнообразное
дерево с годами рубки, различавши-
мися на восемь десятков лет.
Вместе с тем в археологической практике можно столкнуться со сложны-
ми постройками, конструкция которых и порядок их сооружения остаются
далеко не всегда понятными. К тому же для них бывает крайне трудно уста-
новить дату сооружения и функционирования. К подобным объектам отно-
сится, например, так называемый «большой дом» из Старой Ладоги (рис. 14),
3. Радиоуглеродное датирование 4^^)
общая площадь которого достигала 170 кв. м (примерно 17 на 10 м). По всей
вероятности, этот своеобразный по конструкции дом был наспех сооружен из
странного и весьма разнообразного набора древесных стволов вперемежку с
досками и деталями разрушенных кораблей (всего более пяти десятков образ-
цов), что очевидно даже при изучении основания дома. Наиболее поздние
детали данной постройки датируются 90-ми it. IX века; самые ранние из
этого набора образцов относятся еще к первому десятилетию того же века.
Хронологический разрыв в этом случае достигал почти восьми десятилетий!
И остается не совсем понятным: отражают ли поздние образцы время соору-
жения постройки, или же это следы поздних ремонтов?
Таким предстают основные аспекты относительного и абсолютного да-
тирования на базе изучения древесных колец у образцов из археологических
и архитектурных памятников.
3. Радиоуглеродное датирование
В отличие от дендрохронологии датирование по НС, безусловно, доминиру-
ет для материалов ранних эпох, охватывая, прежде всего, историко-археоло-
гические периоды раннего металла, неолита, мезолита, а также верхнего
палеолита (рис. 2). Кроме того, метод радиоуглеродного анализа позволяет,
опираясь на период полураспада изотопа |4С, сразу представить исследова-
телям календарную дату испытуемого образца. Для дендрохронологии, как
мы уже знаем, процедура анализа требует первичного и обязательного этапа
выявления относительной даты целей группы образцов, а установление ка-
лендарной даты образцов становится возможным лишь с участием абсолют-
но датированной дендрошкалы или даже перекрестно сопоставляемых ден-
дрошкал. Вместе с тем воздействие дендрохронологии на степень точности,
достоверности, а также на характер самих календарных дат по ,4С оказалось
столь существенным, что резонно будет еще раз здесь кратко изложить именно
этот аспект взаимосвязи обоих методов.
3.1. Изотопное время и дендрохронология
Как читателю уже известно, изначальные определения абсолютных дат по
,4С приводятся ныне всеми лабораториями для совместимости в так называ-
емом конвенциональном (конвенционном)1 значении, исходящем из пери-
ода полураспада этого изотопа, установленного еще Либби и равного 5568
лет (см. главу 5). В процессе калибровки учитываются более тонкие эффек-
ты и то, что более точное значение периода полураспада на 3% больше и
составляет 5730 ± 40 лет. В последние годы едва ли не все, кто использует
радиоуглеродную хронологию, отдают предпочтение именно калиброван-
ным датам, более соответствующим исторической реальности.
' То есть «значение по соглашению», принятое участниками исследовательского
процесса.
(^№8 Приложение П. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
По своему существу конвенционные даты исходят из постулата о неиз-
менном — в течение десятков тысяч лет — содержании изотопа ,4С в атмос-
фере Земли. Однако первоначально сформулированная эта базовая аксиома
оказалась не вполне достоверной. Прежде всего выяснилось, что реальный
возраст образцов в сравнении с «конвенционным» отличается большими
значениями; причем это различие возрастает по мере удревнсния того пери-
ода, к которому относится образец. Кроме того, динамика содержания ,4С в
атмосфере Земли не отвечает линейному (неизменному) характеру: ее фун-
кция изобилует пиками и провалами. По всей вероятности, выявленная ли-
ния графика отражает те флуктуации содержания изотопа в земной атмос-
фере, которые имели место в ходе реального времени.
Проверка первоначального постулата о неизменности концентрации ,4С
была проведена прежде всего и фактически только на материалах «живой» и
ископаемой древесины, т.е. на тех образцах, что служили базовой основой
многолетних дендрошкал. Причем шкалы эти были связаны не только с
материалами из археологических памятников, но также с ископаемыми ство-
лами, обнаруженными вне археологических слоев и положенными в основу
дендрошкал для пале ©климатических построений. Поэтому метод калибровки
|4С нередко именуют дендропоправкой к конвенционному определению воз-
раста образца.
Действительно, именно дерево содержит в своих годичных кольцах наи-
более содержательную и столь существенную для радиоуглеродной хроноло-
гии информацию. Здесь, в древесных кольцах сконцентрирована четкая «ле-
топись» реального содержания и изменчивости концентрации изотопа |4С в
атмосфере Земли. И помимо того, по этим кольцам надежнее всего вести
отсчет времени с момента прекращения обмена с атмосферным углеродом
изотопа |4С и начала полураспада этого изотопа. Надежнее всего для целей
калибровки послужили конечно же те деревья Северной Америки, что отли-
чались многотысячелетним возрастом: секвойя и остистая сосна (рис. 6).
3.2. Калиброванные датировки
Калиброванные даты отличаются от конвенционных не только обычно более
древним возрастом, но и формой представления. Статистическое распределе-
ние значений возраста конвенционной даты соответствует кривой нормально-
го распределения (рис. 15). Форма распределения значений возраста конвен-
ционной дагы намного более сложна и, как правило, отличается многовер-
шинностью: ее вершины чаще всего сопряжены с «зубцами» зигзагов калибро-
вочной кривой (рис. I5a-d). Весьма нередко значения ее вероятности в преде-
лах 1а или 2© сигм не укладываются в непрерывный отрезок времени, но как
бы дробятся на некоторый ряд его составляющих (рис. 15/r-d).
Еще более существенным для понимания и оценки возможностей метода
калибровки является, во-первых, его ограниченность во времени и, во-вто-
рых, разный характер калибровочной кривой в зависимости от временного
3. Радиоуглеродное датирование 489
отрезка. Здесь уместным будет остановиться на шести примерах калибровки
дат. попадающих в различные хронологические периоды 10000-летнего от-
резка времени, - от 4000 ± 50 ВР до 14000 ± 50 ВР (рис. 15а-/)1, т.е. весьма
существенного для ряда историко-археологических периодов. Не требует осо-
бых комментариев отчетливо заметное на графиках изменение калибровоч-
ной кривой по мере удревнения ее возраста. По существу, ее эффект хотя и в
разной мере, но весьма существен лишь для пределов 10 000-11 000 лет от
наших дней. Однако уже на рубеже 12-тысячелетнего возраста калибровочная
кривая утрачивает четкость (рис. 154); и это становится особенно заметным
на подходе к хронологической грани в 13 000 лет (рис. 15е). Порог в 14 000
лет, в сущности, ставит окончательную точку на возможностях калибровки:
сама «кривая» превращается в «прямую», а кривая распределения калибро-
ванных значений возраста уже полностью отвечает по своей форме графику
нормального распределения, как и у конвенционных дат (рис. 15/).
Рис. 15. Фигуры рас-
пределения значе-
ний калиброванных
датировок в период
ст 4000 до 14 000 лет
от наших дней.
Колибровонные значения датировок до н.э.
1 Здесь и далее в настоящем разделе использовался метод калибровки, предложен-
ный Оксфордской лабораторией (Ramsey, 2000).
!^490 Приложение П. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Основной причиной описанного явления, безусловно, послужило стре-
мительное падение массы надежного материала для построения корректных
дендрошкал по мере удаления от наших дней анализируемых образцов.
В периоды 4000- и даже 7000-летней давности калибровочные кривые строят-
ся на весьма многочисленном дендроматериале и огромном числе радиоугле-
родных определений. По этой причине «лента» калибровочной кривой здесь
узка и ее основа представляется достаточно надежной (рис. 15д,д). Однако на
последующих ступенях погружения хронологических изысканий в древней-
шие периоды исходного материала для таких построений становится все меньше
и меньше, а число определений |4С по древесным кольцам катастрофически
сокращается. В конечном итоге «лента» калибровочной кривой расширяется
и выпрямляется, отчего быстро уменьшается ее надежность (рис. IStf-y)1.
3.3. Пробоотбор: качественный аспект
В подавляющем большинстве случаев пробы для радиокарбонового датиро-
вания археологи извлекают из культурных слоев поселений, а также из ин-
вентаря могил древних некрополей. Процедура пробоотбора для археологи-
ческого датирования всегда предполагает учет качественных и количествен-
ных характеристик собранных образцов.
В любом случае, радиоуглеродная дата с той или иной степенью достовер-
ности определяет лишь возраст конкретного анализируемого и содержащего
органику предмета, но не того исторического события, с которым она может
быть прямо либо только косвенно сопряжена. Следовательно, чтобы перене-
сти значение полученной даты на некоторое историческое событие (сюжет),
необходимо иметь уверенность в тесной связи датированного предмета с ин-
тересующим исследователя событием. Это первое и необходимое условие для
корректной трактовки результатов данного метода, и условие это резонно
относить к качественной характеристике анализируемой пробы.
Например, при датировании могилы чаше всего используют анализ угле-
рода, извлеченного из костей погребенного либо из древесных углей или же
обнаруженного в могиле тлена дерева. В подавляющем большинстве случаев
для археолога ясно, что в погребальную камеру все эти предметы попали
одновременно, однако значение для датировки могилы каждого из образцов
может быть весьма неравноценным. При прочих равных условиях, анализ
костной ткани покойника кажется всегда более предпочтительным. По отно-
шению ко времени захоронения возраст дерева или угля может быть более
ранним: далеко не всегда можно достоверно определить, на какое число лет
раньше было срублено данное дерево либо к какой части ствола относятся его
фрагменты. Отклонения могут быть чрезвычайно существенными, скажем, в
том случае, если фрагмент многолетнего дерева в могиле относился не к забо-
1 Независимая калибровка таких древних дат, хотя и с меньшей, чем для дендрока-
либровки, точностью, возможна с помощью кораллов, ленточных глин и ледовых
кернов (см. главы 5, 10). - Прим. ред.
3. Радиоуглеродное датирование 49^^|
лони ствола (ею внешней части) с последним, внешним кольцом, к его средин-
ной части, где кольца могут быть на пару сотен лет моложе года рубки.
В каком-то отношении гораздо большее число «подводных камней» ожи-
дает исследователя при отборе проб из культурного слоя древнего поселка.
Здесь далеко не всегда бывает ясным первоначальное положение того пред-
мета, в котором археолог предполагает образец для датировки. Сам предмет
во время жизни поселка мог быть перемещен его обитателями не только по
горизонтали, но и по вертикали, к примеру во время рытья ям или котлова-
нов под некие сооружения и т.п. Искусственно произведенные древними
людьми вертикальные перемещения слоев и предметов могут чрезвычайно
существенно влиять на оценку их относительной датировки по отношению
к иным комплексам и наслоениям поселка. Иногда такие перемещения сло-
ев на селищах бывают столь значительными, что картина изначальной стра-
тиграфии культурных слоев и, соответственно, расположение археологичес-
ких материалов предстают существенно искаженными.
Подобного рода изменения с особой силой могут сказываться на образ-
цах из многослойных поселений, где каждый из слоев связан с особой и
хронологически разновременной археологической культурой. Членение ма-
териалов по соответствующим культурным напластованиям во время раско-
пок далеко не всегда возможно провести корректно, и тогда все это служит
одним из источников ошибок — порой весьма существенных - при радиоуг-
леродном определении возраста того или иного комплекса.
Наконец, качественный аспект включает в себя соответствие образца требо-
ваниям применяемого в конкретной лаборатории метода анализа, скажем, вес и
характер образца, его загрязненность. Кроме того, необходимой является и оценка
посторонних воздействий, отрицательно влияющих на картину реального возра-
ста того или иного предмета. К примеру, малопригодными для радиоуглеродного
анализа следует признать образцы из неглубоких слоев поселения или мелких
могил с уровнем захоронения близ дневной поверхности. Постоянные и актив-
ные воздействия корневой системы современных растений, а также поверхност-
ных вод, без сомнения, способны искажать исходный возраст образца.
3.4. Пробоотбор: количественный аспект
Диапазон воздействия радиоуглеродной хронологии в практике археологи-
ческих исследований чрезвычайно широк: от единичных предметов вплоть
до датировки не только обширных археологических культур и общностей,
но и отдельных историко-археологических периодов, значимых для громад-
ных территорий. В последних случаях уже особую роль начинают играть
количественные показатели пробоотбора.
Впрочем, порой увеличение количества проб весьма существенно даже при
датировке относительно малых археологических комплексов, к примеру от-
дельной могилы. Ведь единичная дата, даже при корректно отобранном в поле-
вых условиях образце, почти всегда может заключать в себе лабораторную ошиб-
ку, и последнюю можно обнаружить лишь путем независимой проверки.
492 Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Сначала остановимся на примере с погребением. Так, для одной из нео-
литических могил в Прибайкалье в двух лабораториях были проведены не-
зависимые хронологические определения, и различия результатов оказались
весьма впечатляющими. При уровне вероятности в 1 ст первая лаборатория
определила ее калиброванный возраст в интервале 4670-4460 ВС, вторая -
на тысячу лет раньше: 5600-5470 ВС‘. В данном случае необходимой конеч-
но же явилась, по крайней мере, еще одна дата, выполненная к тому же в
третьей лаборатории, но таковой сделано не было, и вопрос о хронологии
погребения остался невыясненным.
Теперь пример иного рода, связанный с накоплением многометровых
напластований в древнем разведочном карьере на Каргалинском горно-ме-
таллургическом центре в степях Южного Урала. Длинный, девятиметровой
глубины карьер сначала очень быстро, а потом все медленнее естественным
образом заполнялся различными глинистыми отложениями. В проделанном
археологическом раскопе-разрезе карьера были отмечены древние ходы сур-
ков, которые были заполнены темными органическими отложениями. В од-
ной из нор была отобрана единая проба, различные части которой были
проанализированы в двух лабораториях. Различия в результатах оказались
еще более впечатляющими. При том же пороге вероятности в 1сг первая
лаборатория определила возраст в границах 1400-800 ВС; другая лаборато-
рия предложила хронологию в рамках 2860-2810 ВС (10%) и 2680-2470 ВС
(58,2%)* 2. Параллельно и после этого в двух иных лабораториях была прове-
дена целая серия проверочных определений углерода из гумуса: несколько
дополнительных образцов были извлечены из различных участков и гори-
зонтов каргалинского карьера. Анализ этой - в данном случае - количе-
ственно уже представительной серии указал на ошибочность первого из оп-
ределений.
5.5. Датировка поселений
Для более или менее надежной датировки поселений конечно же эффектив-
ны лишь значительные по своему числу серии хронологических определе-
ний; единичные анализы могут дать лишь слабый и не всегда надежный
ориентир для определения исходного возраста селищного памятника. Дан-
ное утверждение особенно справедливо для многослойных поселений типа
переднеазиатских или балканских теллей, хотя и для однослойных селищ
Северной Евразии сформулированное требование также является весьма
желательным. Конкретное число хронологических определений зависит в
первую очередь от характера памятника, охвата вскрытой раскопками пло-
щади, наличия разновременных слоев и комплексов и тл.
• Погребение № 3 на Шаманском мысу. Даты: первая - Ле-1076 (Санкт-Петербург),
вторая - СОАН-790 (Новосибирск) (Асеев, 2002: 63).
2 Первая дата - ГИН-9856 (Геологический институт, Москва), вторая - А-10260
(Аризонский университет, Тусон, США) (Черных Е.Н., 2002: 128-136, табл. 8.1).
3. Радиоуглеродное датирование 493
Обыкновенно археолог-исследователь ставит перед собой задачу не только
определить истинный возраст селища в целом, но обозначить также и хро-
нологические рамки последовательных фаз (этапов, ступеней) функциони-
рования поселка, выявленных им на базе стратиграфической документации.
Ведь очерчиванию граней абсолютного возраста памятника всегда предше-
ствует создание относительной хронологии важнейших его деталей.
Решение первой части задачи чаще всего не представляет существенной
методической сложности при условии надежно проведенного отбора проб и
наличия представительной серии датировок. Однако вторая часть задачи,
связанная с установлением хронологических рамок отдельных этапов древ-
него поселка, к сожалению, очень часто сталкивается с почти неразреши-
мыми трудностями. Различия в относительном возрасте сооружений этих
фаз, столь хорошо заметные при стратиграфических наблюдениях, как бы
нивелируются и при создании обшей хронологической картины для памят-
ника сходят на нет. Приведем некоторые примеры.
Рис. 16. Поселение позднеб-
ронзового века Горный (Кар-
галинский горно-металлурги-
ческий центр на Южном Ура-
ле). 16 радиоуглеродных дат
обнаруживают нулевую кор-
реляцию со стратиграфичес-
ким положением образцов и
выделенными последователь-
ными фазами функциониро-
вания селища.
^^4 Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Поселение позднего бронзового века Горный на уже упоминавшемся здесь
Каргалинском южноуральском горно-металлургическом центре. Достаточно
мощный (до 2-2,5 м), исключительно насыщенный находками и сооружения-
ми единокультурный слой с четко выделяемыми четырьмя фазами существова-
ния селища. С его сравнительно небольшой вскрытой раскопом площади (око-
ло 900 кв. м) удалось провести 16 хронологических определений в двух лабора-
ториях (Британского музея и Оксфорда), отражающих все основные фазы по-
селка (эта серия в данном случае может, безусловно, считаться количественно
представительной). Вполне очевидно, что никаких сколько-нибудь явных хро-
нологических различий между фазами определения по ,4С не обнаруживается
(рис. 16). Вместе с тем сумма вероятностей для селища Горный в целом указы-
вает на его хронологические рамки, укладывающиеся в трехсотлетний отрезок
1690-1390 it. до н.э. (68,2% вероятности), что вполне может соответствовать
реальному возрасту селища Горный в целом (Черных Е.Н., 2002: 125-127).
Кажется, что две причины помогут объяснить установленный факт. Первая
из них носит вполне общий для ,4С характер: недостаточная «разрешающая»
способность метода, мало пригодного в сравнении с дендрохронологией для
выявления относительно тонких хронологических различий между смежными
и последовательными фазами единокультурного селища. Вторая причина, хотя
и имеет в данном случае более частный, локальный характер, чрезвычайно
сильно сказалась на материалах Горного. Здесь обитали металлурги и горняки,
и с особенностями их профессиональных шахтерских занятий как будто можно
было бы связывать удивительно .многообразные и многократные горизонталь-
ные и вертикальные перемещения культурного слоя. По этой причине зафик-
сированная локализация проанализированных образцов могла в той или иной
мере не соответствовать местам своего первоначального залегания.
Впрочем, с подобными расхождениями археологи сталкиваются и на па-
мятниках, не связанных с деятельностью древних горнопроходчиков. Коснем-
ся двух примеров уже совершенно иных поселений - огромных жилых холмов
(теллей) южной половины Евразии, где в свое время велись раскопки весьма
мощных слоев разных этапов раннего бронзового века. Один из этих поселков-
теллей - Эзеро — расположен в Южной Болгарии, другой телль, именуемый
Демирджи-хюйюк, изучался на северо-западе Малой Азии (Анатолии). В каж-
дом из них стратиграфические наблюдения привели к выделению вполне чет-
ких хронологических фаз и этапов. И если для Эзера слой ранней бронзы был
равен 3-3,5 м, то в Демирджи мощность слоя могла достигать уже 9 м! Каждое
из этих поселений обеспечено весьма значительной серией радиоуглеродных
дат: 50 определений для Эзера и 66 — для Демирджи (Черных Е.Н. и др., 2000:
62-66, 70-74, табл. 5-А и 5-В; табл. 7-А и 7-В).
В обоих случаях (рис. 17 и 18) мы сравниваем между собой уже не отдель-
ные даты, но суммы вероятностей для соответствующих групп датированных
образцов. Сопоставляются между собой нижние - и стратиграфически более
ранние - пачки слоев из телля Эзеро-А и из Демирджи (слои С-Е) с верхними
или же более поздними слоями Эзеро-В и Демирджи (слои Н—М). Однако
3. Радиоуглеродное датирование
полученная картина в обоих параллельно сопоставляемых примерах совершен-
но единообразна. Заметных и значимых различий между блоками ранних и
поздних дат как для этапов Эзера, так и для фаз Демирджи не выявлено. При
объяснении выявленных фактов в первую очередь мы можем принимать во
внимание лишь недостаточную «разрешающую» способность метода. Видимо,
эта специфика начинает проявлять себя особенно заметно на слоях единокуль-
турных, там где поселение непрерывно функционировало в течение долгих
столетий: Эзеро - от 600 до 700 лет, Демирджи - примерно от 300 до 400 лет.
Стало быть, и здесь нам приходится ориентироваться лишь на суммарную кар-
тину возраста раннебронзовых напластований для обоих теллей.
Рис. 17. Поселение (телль) Эзеро в Южной
Болгарии. Суммы вероятностей значитель-
ных серий радиоуглеродных датировок не
обнаруживают разницы между двумя пос-
ледовательными блоками культурных на-
пластований раннего бронзового века.
Рис. 18. Поселение (телль) Демирд-
жи-чюйюк в северо-западной Анато-
лии. Суммы вероятностей значитель-
ных серий радиоуглеродных датиро-
вок не обнаруживают существенной
разницы между двумя последователь-
ными блоками культурных напласто-
ваний раннего бронзового века.
Совершенно иначе может выглядеть картина в случае датировки разно-
культурных слоев, тем более когда это обусловлено более или менее длитель-
ным перерывом в функционировании тепля. Тогда различия в хронологичес-
ких рамках блоков датирующих определений предстают вполне наглядно.
Отличный пример тому являет легендарная Троя. Слои эпохи ранней бронзы
(Троя I) представлены 29 датами. Их перекрывают сооружения среднебронзо-
/Л Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
вого века, с которыми связаны получившие мировую известность богатейшие
коллекции троянского золота (Троя И—IV); к этим слоям относится 37 дати-
ровок1. Сравнение обоих блоков по сумме вероятностей (рис. 19) говорит уже
о существенной разнице между ними. При учете вероятности в I о XXV столе-
тие до н.э. становится их разделительным рубежом.
Рис. 19. Знаменитое поселение Троя на крайнем западе Малой Азии. Суммы
вероятностей значительных серий радиоуглеродных датировок в дан-
ном случае выявляют существенную разницу между двумя последова-
тельными блоками культурных напластований ранней» (РБВ) и сред-
него (СБВ) бронзовых веков.
3.6. Датировка археологических культур и их общностей
Понятие культуры служит, пожалуй, наиболее распространенным и обще-
употребительным в археологической науке подразделением. Чаще всего под
культурой понимается специфический и отличающийся от соседних комп-
лекс материально выраженных признаков. Эти признаки отражают реаль-
ность всех сторон бытия конкретного древнего общества. Непременными
чертами культуры является непрерывность существования и территориаль-
ного распространения ее памятников. К последнему необходимо добавить
также, что хронологические и пространственные рамки культуры всегда ли-
митированы2. В последние десятилетия в археологическую практику вошло
1 Там же. Табл. 7-А и 7-В, а также 14-А и 14-В.
: Четкие формулировки признаков археологической культуры отнюдь не ведуг к
согласию относительно картины объединений подобного рода. Пожалуй, наиболее
жаркие споры возникают именно вокруг определений конкретных культур, начиная
с их названий.
3. Радиоуглеродное датирование 497
выделение блоков родственных, близких по комплексу культур, получив-
ших наименование культурно-исторических общностей.
Выявление хронологических граней археологических культур и их общ-
ностей не может опираться на единичные радиоуглеродные даты; все по-
пытки такого рода, как правило, ведут к более или менее грубым ошибкам.
Совокупность хронологических определений для отдельной культуры в це-
лом вряд ли может опускаться ниже предела в 25-30 датировок1, т.е. нахо-
диться в границах определяемых статистикой больших чисел.
В качестве примера мы обратимся к трем последовательно сменявшим
друг друга культурно-историческим общностям юга Восточной Европы. Их
памятники были распространены в степной и лесостепной зонах этой части
континента от Северного Причерноморья вплоть до бассейна Волги. Все они
датируются эпохой раннего металла, но относятся к ее разным периодам.
Медный век представлен блоком наиболее древних здесь «докурганных» культур
степных оседлых скотоводов, где кроме могильников представлены также и
поселки. Два других блока также скотоводческих культур относятся уже к
курганным культурам эпохи бронзы. Раннебронзовый век характеризует так
называемая «ямная» общность, в которой селища почти неизвестны. Период
Рис. 20. Суммы вероятностей
для степных культур медного
века, а также раннего и сред-
него бронзовых веков.
* Такое количество конечно же минимальное и не дает сколько-нибудь надежных
оснований лля датировок, как правило, намечаемых археологами локальных или
хронологических вариантов в рамках конкретных археологических культур.
ЙГ498 Приложение И. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
средней бронзы представлен так называемой «катакомбной» общностью, где
кроме курганных могильников встречаются также и поселения.
Сопоставляются между собой суммы вероятностей, рассчитанные для каж-
дого из блоков культур (рис. 20). Полученная картина представляет немалый
интерес по ряду аспектов. Во-первых, график распределения вероятностей
для культур медного века отчетливо двухвершинный, что заставляет предпо-
лагать в данной выборке смешение по крайней мере двух совокупностей да-
тировок, относящихся к разновозрастным культурам в рамках исследован-
ного блока. Правда, для уверенного вывода представленная выборка радиоуг-
леродных дат пока что невелика и конечно же требует значительного расши-
рения. Во-вторых, последовательная смена одного блока культур другим со-
вершенно не соответствует «равномерно-правильному» ритму: характер пос-
леднего неровный и как бы «рваный». Если исходить из порога вероятности в
1сг, то разрыв между культурами медного века, с одной стороны, и раннеб-
ронзового - с другой, достигает впечатляющего значения в 1000 лет. Однако
сопоставление следующей пары - общностей раннего бронзового и среднего
бронзового века - меняет картину на прямо противоположную. Здесь разрыв не
только отсутствует вовсе, но датировки в пределах 68% вероятности перекрыва-
ют друг на друга на широкой пятисотлетней полосе в 2600—2100 гг. до н.э.
По всей видимости, выявленная ситуация не может носить случайного ха-
рактера. Объяснения ей следует искать в сфере неких космических метамор-
фоз, повлекших за собой резкие изменения в концентрации ,4С для хронологи-
ческого отрезка, совпадающего в основном с V-IV тыс. до н.э., либо дешиф-
ровка этой проблемы таится в характере исторических процессов, протекавших
в указанные тысячелетия на широких пространствах Восточной Европы. Ка-
ких-либо заметных катаклизмов космического свойства, отразившихся на ха-
рактере калибровочной кривой в интересующий нас отрезок времени, нам не
известно. Следовательно, поиск ответов на вопросы обнажившейся проблемы
необходимо вести в сфере исторических событий (Черных Е.Н., 2001:
301-308). И это тем более вероятно, что близкие по характеру события стано-
вятся также вполне очевидными при расширении ареала исследований.
3.7. Хронология металлургических провинций
Если культурно-историческая общность включает в свои рамки родствен-
ные культуры с весьма сходными базовыми признаками собственных про-
явлений, то металлургическая провинция относится уже к надкультурным
феноменам. В ее границы могут быть втянуты культуры и общности самые
разнообразные, в том числе совершенно несходные по множеству призна-
ков. Их должен объединять один, но исключительно важный признак: прин-
ципиальное сходство в металлургическом производстве. Это сходство опре-
деляется использованием единообразных технологических приемов выплав-
ки металла и его обработки, а также следованием принципиально сходному
набору металлических орудий и оружия. Пространственные ареалы метал-
3. Радиоуглеродное датирование
лургических провинций могут охватывать миллионы квадратных километ-
ров. Сами же тесно взаимосвязанные системы подобного рода могли функ-
ционировать до тысячи лет и более (Chernykh, 1992; Черных и др., 2000).
Принципиальное сходство форм металла и технологии металлопроизвод-
ства дает археологам право предполагать, что производственные центры в
рамках единой провинции действовали в основном синхронно.
Древнейшей выделенной в Старом Свете металлургической провинцией
является так называемая Балкано-Карпатская провинция медного века. Она
охватывала Северные Балканы и Карпатскую горную систему с их богатыми
меднорудными источниками. Именно из этих центров получали медь степ-
ные скотоводы, обитавшие в безрудных восточноевропейских степях, что
недвусмысленно демонстрирует состав химических примесей к меди, извле-
ченной из могил степных пастухов и воинов. Хронологическая позиция пос-
ледних определялась 33 датами (рис. 20).
Рис. 21. Суммы, вероятностей для культур Балкано-Карпатской металлурги-
ческой провинции медного века, а также культур балкано-карпатско-
го и степного регионов Циркумпонтийской провинции раннего и
среднего бронзовых веков.
(^МО Приложение //. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Последующий по времени ранний бронзовый век привел к формирова-
нию гораздо более обширной Циркумпонтийской металлургической провин-
ции, как бы поглотившей своим пространственным охватом предшествую-
щую Балкано-Карпатскую. Циркумпонтийская провинция включала в себя
массу разнообразных культур и определяла развитие в пределах не только
раннего, но и среднего бронзового века. Степные общности культур — ямная
и катакомбная — являлись одними из ее составляющих (рис. 20).
Теперь мы раздвинем ареал сравнений, прибегая уже к несколько ино-
му принципу группировки материала. Рассмотрим параллельно картины
хронологии всей системы Балкано-Карпатской металлургической провин-
ции медного века и ее более поздней, но территориально смежной части -
Циркумпонтийской провинции. Ограничение существенное: на рис. 20 будут
представлены культуры лишь тех географических ареалов, которые факти-
чески полностью совпадали в рамках обеих систем. Иначе говоря, сово-
купные характеристики хронологии культур медного века Северных Бал-
кан, Карпат и степей Восточной Европы будут сопоставлены с возрастны-
ми рамками культур раннего и среднего бронзового века, занимавших те
же регионы.
Немаловажно также, что в этих раскладках участвуют весьма многочис-
ленные выборки: медный век Балкано-Карпатской провинции - 341 дата,
ранний бронзовый век Циркумпонтийской провинции - 348 дат и средний
бронзовый век той же провинции - 187 дат (рис. 21). Проведенный анализ
позволяет видеть практический повтор той картины, что мы зафиксировали в
предыдущем разделе (рис. 20). Различия невелики: разрыв в гранях между
суммой вероятностей культур медного века и ранней бронзы уменьшился до
шести сотен лет, т.е. сами фигуры распределения как бы слегка «придвину-
лись» друг к другу. Однако принципиально картина фактически не измени-
лась или же изменилась очень мало. Не претерпела искажений также и карти-
на соотношения между календарными периодами для культур ранней и сред-
ней бронзы: здесь мы вновь наблюдаем взаимное наложение хронологичес-
ких диапазонов по весьма широкой полосе XXVIII-XXIII веков до н.э.
4. Вместо заключения
Не так уж далеко ушло от нас то время, когда, к примеру, неколебимой,
почти священной для археологов базой абсолютной хронологии бронзового
века считалась Передняя Азия с ее загадочными глиняными клинописными
табличками, списками полумифических или же реальных правителей, с тем
металлическим оружием, что сопровождало их имена и изображения. Меч-
той специалиста по восточноевропейским культурам являлось тогда конст-
руирование многотысячекилометровых, пусть даже зыбких и мало надеж-
ных связей, соединяющих Восточную Европу через Кавказ с Передней Ази-
ей. Именно в тех исходных культурах, — а в те годы такое утверждение было
нерушимой аксиомой! - велись настойчивые поиски порой хотя бы не очень
4. Вместо заключения
надежных, весьма приблизительных, но аналогий тем металлическим изде-
лиям, что изредка обнаруживались на далеком Севере. Именно так посте-
пенно сплетали сеть эфемерных «цепочек», на которых крепилась вся систе-
ма представлений о возрасте и календарных датах удаленных от легендарно-
го Востока «варварских» культур далекого Севера...
Дендрохронология и радиоуглерод шаг за шагом теснили архаичные ме-
тоды датирования. Процесс этот протекал отнюдь не гладко, с немалым
трудом преодолевая скепсис специалистов путем разрешения постоянно
возникавших проблем, путем уточнения методов анализа и накопления ма-
териалов. Десятилетия непрерывной работы позволили возвести собствен-
ные, огромные, даже всеохватные базы для абсолютной хронологии архео-
логических древностей на всех континентах. Хронологическая революция
свершилась. Ныне среди профессиональных археологов и историков най-
дется очень мало охотников начисто отвергать эти методы и их фундамен-
тальные устои, твердо отстаивать позиции прежней науки.
В посвященных археологии разделах настоя шей книги мы коснулись
конечно же далеко не всех аспектов применения дендрохронологии и ра-
диоуглерода при датировке древних человеческих культур. Можно было также
бесконечно множить и конкретные примеры; однако нам показалось, что и
приведенных здесь сюжетов вполне достаточно. Успехи дендрохронологии
и ИС в археологической науке совершенно очевидны. Однако мы не стара-
лись затушевывать также и их слабые места, старались обнажить те грани, за
которыми эффективность данных способов датирования становилась нена-
дежной или сомнительной. Ведь иллюзорные представления о всеохватной,
универсальной моши любых из методов столь же нелепы и вредны, как и
огульное их отвержение.
502 Приложение II. Дендрохронология и радиоуглеродное датирование в археологии
Список литературы к Приложению II
Асеев И.В. (2002) Китайская культура в неолите Байкальского региона и прилегающих
территорий: вопросы хронологии, районы миграции ее носителей. Археология, этнография и
антропология Евразии. № 2 (10). С. 59-70.
Биксрмаи Э. (1975) Хронология Древнего мира. М.: Наука. С. 1-136.
Бмтвинскас Т.Т. (1974) Дендроклиматологические исследования. Л.: Гидрометеоиздат.
С. 1-172.
Блок М. (1976) Апология истории. М.: Наука. С. 1-256.
Ваганов Е.А., Шиитов С.Г., Мазепа В.С. (1996) Дендроклиматические исследования в Ура-
ло-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука. С. 1-245.
Вихров В.Е.. Колчин Б.А. (1962) Основы и метод дендрохронологии. Советская археология.
№ I. С. 91-112.
Колчин Б.А., Черных Н.Б. (1977) Дендрохронология Восточной Европы. М.: Наука.
С. 1-128.
Колчин БА (1963) Дендрохронология Новгорода. Материалы и исследования по археологии
СССР. № 117. М.: Наука. С. 5-103.
Колчин БА, Битвинскас Т.Т. (1972) Современные проблемы дендрохронологии. Пробле-
мы абсолютного датирования в археологии. М.: Наука. С. 80-92.
Урьева А-Ф, Черных Н.Б. (1996) Компьютерная программа обработки дендрохронологи-
ческих данных. Компьютеры в археологии. И.: Институт археологии РАН. С. 90-94.
Черных ЕН. (1993) Исторический процесс: циклы развития мировых культур. Учебная про-
грамма. М.: Российский Открытый Университет. С. 1—36.
Черных Е.Н. (2001) Биокосмические часы археологии. История и антиистория. Критика
-новой хронологии» академика А.Т. Фоменко. Анализ ответа А.Т. Фоменко. Издание второе. М.:
Языки славянской культуры. С. 290-309.
Черных Е.Н. (2002) (составитель и научный редактор). Каргалы. Том II. М.: Языки славян-
ской культуры. С. 1—184.
Черных Е.Н., Авилова Л.И., Орловская Л.Б. (2000) Металлургические провинции и радио-
углеродная хронология. М.: Институт археологии РАН. С. 1-95.
Черных Н.Б. (1996) Дендрохронология и археология. М.: NOX. С. 1-216.
Шиятов С-Г. (1972) Дендрохронология Мзнгазеи. Проблемы абсолютного датирования в
археологии. М.: Наука. С. 119-121.
Bowman Sheridan. (1990) Radiocarbon dating. London: British Museum Publication. P. 1-64.
Chernykh E.N. (1992) Ancient Metallurgy in the USSR. The Early Metal Age. Cambridge. Cambridge
University Press. P. 1-416.
Douglass A.E. (1941) Crossdating in dendrochronology. Journal of Forestry. Vol. 79. No. 10.
P. 825-831.
Fasani L. (1984) L’etd del Bronzo. // Veneto nell 'antichita. Preistoria e protoistoria. Vol. IL (A сига
di A. Aspes.) Verona: Grafiche Fiorini. P. 451-616.
Griggs C.B., Kuniholm P.I., Newton M.W. (2002) Lavagnone di Brescia, Italy: a four-phase tree-
ring chronology from the Early Bronze Age. The Malcolm and Carolyn Wiener Laboratory for Aegean
and Near Eastern Dendrochronology. Cornell University (private communication; see also: http://
wwv.ans.comell.edu/dendro).
Huber B. (1948) Oberdk Sicherheil Jahresringchronologichcr Datierung. Holzals Roh- und Werkstoff.
Bd. 6. Nr. 10/12. P 263-268.
Huber 3. (1978) Dendrochronology. British Archaeological Report, International Series. No. 51. P. 15-26.
Licse W. B. (1978) Huber, the Pioneer of European Dendrochronology. British Archaeological
Report, International Series. No. 51. P. 1-10.
Ramsey C.B. (2000) OxCal Program, version 3.5. University of Oxford. Radiocarbon Accelerator Unit
Schweingrubcr F.H. (1993) Jahrringe und Umwdt Dcndrodkologie. Eidgenossische Forschunganstalt
fir Wald, Schnee und Landscha/L Birmensdorf. P 1 -474.
III. КОЛЬЦО ДЕРЕВА,
РАДИОУГЛЕРОД И ПРИРОДНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
В.А. Дергачев
(V.A. Dergachev)
1. Введение
Как было показано выше., в настоящее время накоплен большой опыт система-
тической работы в определении возраста археологических образцов с помощью
радиоуглеродного метода и установлены и объяснены физические эффекты,
которые влияют на точность и могут давать искажения при радиоуглеродном
датировании. Кроме радиоуглеродного датирования, годичные кольца и содер-
жащиеся в них радиоактивные и стабильные изотопы позволяют изучать зако-
номерности изменения многих естественных и антропогенных процессов. Ниже
основное внимание будет сосредоточено на естественных процессах.
Информацию о развитии ряда природных процессов в прошлом можно
получить по спилам деревьев, используя ширину колец, плотность древеси-
ны, дендрохронологический возраст, концентрацию изотопов, содержащих-
ся в кольцах. Известно, что деревья являются одними из наиболее долгожи-
вущих на Земле организмов. Обычно за один вегетационный период образу-
ется одно годичное кольцо. Деревья чутко реагируют на любые изменения
внешней среды, что проявляется в изменении ширины годичного кольца -
хорошо выраженного и легкодоступного анатомического признака дерева.
Годичный прирост деревьев зависит от многих внешних и внутренних фак-
торов: условий в месте произрастания дерева, возраста, плодоношения, на-
следственных факторов, типа дерева, климата, солнечной радиации, сти-
хийных явлений и ряда других причин.
Изучением хронологических последовательностей ежегодного прироста
колец деревьев занимается дендрохронология. Важно подчеркнуть: в основе
науки дендрохронологии и всех ее приложений лежит тот факт, что датиро-
вание по годичным кольцам производится с точностью до одного года. Кор-
ректное применение метода позволяет установить точное положение каж-
дого кольца на спиле древесины и истинный год, в который оно произрас-
тало. В настоящее время в ряде работ широко освещены методы изучения
прироста древесины, методы дендрохронологии и методы интерпретации
дендроматериалов смежными науками.
Дендрохронология как наука развивается очень интенсивно. Научные
исследования в области дендрохронологии и дендроклиматологии ведутся
по различным направлениям, которые представляют интерес не только для
ученых, но и для всего человечества и достигли значительных успехов.
(|Ч04 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
L1. Кольцо дерева как объект исследования природных
процессов
Древесное кольцо как объект для исследования природных процессов про-
шлого и датировки представляет интерес по крайней мере по трем позици-
ям: 1) как индикатор времени в прошлом; 2) как эталон для создания денд-
рохронологических шкал; 3) как архив природных процессов.
Одной из первых научных работ по дендроклиматическим исследовани-
ям не только в России, но и во всем мире является статья Ф.Н. Шведова
«Дерево как летопись засух», опубликованная в 1892 г. в журнале «Метеоро*
логический вестник». Еще в 1882 г. профессор Новороссийского универси-
тета Федор Никифорович Шведов обратил внимание на различную толщи-
ну годичных колец на срубленной акации. Через два года, сравнив ширину
годичных колец двух акаций, спиленных рядом с метеостанцией универси-
тета, с данными годовых осадков, он пришел к выводу о связи прироста
годичного кольца с количеством осадков. Ф.Н. Шведов считал, что денд-
рохронологический метод даст возможность проследить изменения климата
за продолжительное время, поможет определить чередование засушливых и
влажных лет. Дуглас (Douglass, 1919; 1928; 1936) в своих работах изучал за-
висимость изменчивости ширины годичных колец деревьев от количества
осадков на территории США, установил солнечно-биологические связи и
считается основоположником дендрохронологии (Douglass, 1940).
Безусловно, наиболее ценными образцами для получения точной вре-
менной шкалы и погодичной информации об эволюции природных процес-
сов в прошлом и возможности их прогнозирования являются растущие де-
ревья с четко выраженными кольцами. Такими свойствами обладают хвой-
ные деревья и ряд лиственных деревьев.
Самыми долгоживущими деревьями на нашей планете, по-видимому, яв-
ляются остистые сосны, произрастающие в Белых горах на востоке централь-
ной части штата Калифорния и на склоне гор Сьерра-Невада. Хвойные поро-
ды там произрастают на высоте более 3000 м над уровнем моря и достигают
возраста нескольких тысяч лет (древнейшее из известных в мире живых дере-
вьев имело возраст 4600 лет). Долгожителями являются также и секвойяденд-
роны, произрастающие во влажных районах Тихоокеанского побережья Се-
верной Америки. Некоторые виды арчсвых деревьев в Средней Азии имеют
возраст 1500-2000 лет, отдельные экземпляры тиса — до 800-1000 лет. При
проведении исследований в СССР в 1968-1990 гг. для радиоуглеродных ана-
лизов использовались долгоживущие деревья: ель восточная (Северный Кав-
каз) возрастом 600 лет, сосна обыкновенная (Карелия) - 525 лет, лиственни-
ца сибирская - 400 лет, сосна обыкновенная - 302 года. В целом, в Европе,
как правило, возраст живых деревьев не превышает 300—400 лет.
Как указано выше, счет годичных колец для построения точной шкалы
эффективен только в пределах жизни одного дерева. Для продления вре-
менной шкалы в более удаленное прошлое необходимо использовать так
I. Введение 505jj|
называемую перекрестную датировку, которая позволяет увязывать воедино
следующие друг за другом поколения деревьев. Суть перекрестной датиров-
ки заключается в том, что все деревья, чувствительные к климатическим
условиям, взятые в одном районе, должны обнаруживать одинаковый поря-
док распределения широких и узких годичных слоев, который отражает го-
дичные климатические изменения. Чтобы увязать эти картины годичных
слоев между поколениями деревьев, дендрохронологи берут несколько де-
сятков деревьев с одного участка и подвергают их тщательному анализу,
учитывая при этом такие особенности, как, например, выпадение или обра-
зование ложного годичного кольца. После этого берут живое дерево извест-
ного возраста и более старое (мертвое) дерево, возраст которого неизвестен.
Соответствующее совмещение перекрывающихся конфигураций годичных
колец обоих деревьев позволяет датировать более старое дерево. Для срав-
нительных дендрохронологических исследований рассчитывают ряд статис-
тических параметров в скользящем окне для каждого региона (в частности,
ширину кольца, среднюю чувствительность, автокорреляцию, высокочас-
тотные вариации и др., а также взаимную корреляцию между различными
хронологиями в качестве параметров), и все результаты сводятся в один
график. С появлением компьютеров и с разработкой статистических моде-
лей анализ годичных колец стал весьма успешным.
Методы изучения прироста древесины, методы дендрохронологии и ме-
тоды интерпретации дендроматериалов смежными науками широко осве-
щены в ряде работ (см., например: Битвинскас, 1974; Битвинскас и др.,
1988; Колчин и Черных, 1977; Ваганов и др., 1996 и пр.). Кроме того, методы
дендрохронологии и методы анализа колец деревьев изложены в работах,
опубликованных в ряде сборников (Дендрохронология и дендроклиматоло-
гия, 1986; Methods of Dendrochronology, 1987; Methods of Tree-Ring Analysis:
Application in the Environmental Sciences, 1990 и др).
1.2. Как кольцо дерева отражает содержание радиоуглерода
в углекислом газе окружающего воздуха
Исключительно важную роль для исследования закономерностей развития
ряда природных процессов играет космогенный радиоуглерод (,4С). Поскольку
на скорость образования НС, как будет показано ниже, влияют изменения
солнечной активности и геомагнитного поля, то в первую очередь НС может
быть использован для изучения изменений космических лучей, солнечной
активности н магнитного поля Земли в прошлом. Перспективность исполь-
зования этого изотопа для изучения природных процессов в прошлом обус-
ловлена наличием точной временной шкалы и тем, что НС, отлагаясь в кольцах
деревьев, может дать погодичную информацию для последних десятков ты-
сяч лет.
Прошлые уровни атмосферной концентрации |4С могут быть рассчита-
ны из активности |4С, измеренной в целлюлозе годичных колец деревьев
(^06 Приложение HL Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
известного возраста, с учетом поправок на фракционирование изотопов уг-
лерода, распад |4С и процедуру нормировки. Однако при интерпретации и
обсуждении данных о природных процессах, которые могут быть изучены
по измеряемой активности |4С в годичных кольцах современных и ископае-
мых деревьев, как правило, возникает ряд вопросов, которые никак не обойти:
Л Меняется ли концентрация 14С в образце кольца долгоживущего ископа-
емого дерева во времени?
Здесь возможны два влияющих фактора:
a) in situ образование |4С космическими лучами и нейтронами деления.
Исследования в экспериментах с облучением древесины потоком нейтро-
нов от реакторов, значительно превышающим естественный уровень, не
показали сколь-нибудь значительного дополнительного количества |4С
(Harkness and Burleigh, 1974). Завельский (1969) показал, что вклад фоновых
нейтронов может стать существенным для захороненных образцов только
через 80-90 тыс. лет после формирования кольца;
б) загрязнение кольца посторонним материалом. Разработаны и приме-
няются методы обработки древесины при подготовке ее к измерению актив-
ности |4С, которые позволяют полностью удалять посторонние примеси.
2. В каком отношении годичное кольцо отражает концентрацию i4C в угле-
кислом газе окружающего воздуха?
Углерод в биоорганических соединениях находится в химическом равнове-
сии с СО2 окружающего воздуха. Для кольца дерева обмен с окружением пре-
кращается после того, как кольцо сформируется (целлюлоза кольца не обмени-
вается углеродом). Считается, что биоорганика остается невозмущенной во
времени. В годичном кольце информация, таким образом, запасается относи-
тельно изотопного состава окружающего воздуха во время роста кольца. Вслед-
ствие физиологии дерева два основных фактора, тем не менее, могут изменить
реальное отражение кольцом концентрации ,4С окружающего воздуха:
а) изотопное фракционирование в ходе формирования древесины.
Поэтому для учета естественного изотопного фракционирования приме-
няют коррекцию, используя данные определений стабильного изотопа ,?С и
соотношение между фракционированием изотопов ,4С и ПС;
б) радиальный поток более или менее подвижных смоляных фракций.
Что касается подвижных фракций (смола, лигнин и др.) в кольце дерева,
то их удается убрать химической процедурой. Рекомендовано измерения
активности '4С проводить для клетчатки, как наиболее стабильной компо-
ненты. Исследование возможного радиального потока концентрации ‘4С из
кольца в кольцо показало, что даже за счет резкого возрастания концентра-
ции ,4С от взрывов атомных устройств в атмосфере проникновение «бомбо-
вого» ,4С из слоя в слой не происходит.
3. Как сравнить концентрацию ,4С в углекислом газе окружающего данное
дерево воздуха с содержанием глобального среднего уровня атмосферного С02?
Атмосфера хорошо перемешана и имеет состав, который, по существу,
не зависит от географического положения (по крайней мере, в пределах
/. Введение 507
одного полушария (Nydal et al., 1979)). В экспериментальных данных по
концентрации ,4С в образцах древесины с Американского континента и в
европейских образцах ход кривых идентичен. Это подтверждает правомоч-
ность предположения о фиксации кольцом усредненного атмосферного
уровня ,4С.
Можно считать, что вопросы, связанные с усвоением растущими деревь-
ями атмосферного ,4С на разных широтах и высотах, сняты. (Формируемая
каждый год в течение сезона роста целлюлоза клеток имеет содержание ‘4С,
которое отражает концентрацию радиоуглерода в нижней атмосфере Земли
в тот же год.) Поясним это примерами.
На рис. 1 приведены данные по концентрации '4С (Д‘4С) в целлюлозе
разделенных на отдельные части колец ели, росшей на побережье Тихого
океана (47*5 Г с.ш.) (Grootes et al., 1989) в период максимальных выбросов
,4С после взрывов в атмосфере Земли в начале 1960-х гг. атомных бомб, и
атмосферной Д,4С примерно на той же широте в Австрии (46*55’ с.ш.). Обра-
щает на себя внимание практически параллельный ход сравниваемых ре-
зультатов в концентрации ,4С, хотя дерево было взято в 1977 г., а определе-
ния активности ,4С в атмосфере были выполнены вслед за проведением атом-
ных взрывов. Это может свидетельствовать об отсутствии миграции ,4С из
кольца в кольцо. Задержка отклика концентрации ,4С в целлюлозе относи-
тельно атмосферы составляет около 1-1,5 месяца.
1 9 6 2 ГОД
1 9 6 3 год
19 6 4 год
2 4 в 8 10 12 245 8 10 12 2 4 в 8 10 12
Месяцы года
Рис. 1. Сопоставление измерений концентрации радиоуглерода в целлюлозе
разделенных на отдельные части колец ели (кружки) с атмосферной
концентрацией (квадраты). Прямоугольниками выделены области веге-
1ационного периода роста колец ели.
(^508 Приложение HI. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
На рис. 2 сравниваются данные по ДМС в кольцах деревьев, произрастав-
ших на разных широтах и высотах (Cain, 1979; Stuiverand Quay, 1981). Кри-
вые хорошо воспроизводятся, и каждая из них показывает все общие наибо-
лее значительные особенности. Несомненно, что эти данные являются убеди-
тельным доказательством в пользу изучения сверхтонкой структуры в рядах
данных по Д|4С в образцах известного возраста. Таким образом, кольца древе-
сины являются наиболее надежным материалом для извлечения информации
о процессах, влияющих на измерение концентрации радиоуглерода.
Годы
Рис. 2. Сравнение погодичных измерений концентрации |4С, сдвинутых по
оси абсцисс, в кольцах деревьев, произраставших на разных высотах и
широтах: 1 - 32’26' с.ш. 110’47' зд., высота 2740 м над уровнем моря
(Cain, 1979); 2 - 47’46' с.ш. 124’06' з.д., побережье Тихого океана (Stuiver
and Quay, 1981).
Необходимо заметить, что целлюлоза, ежегодно формируемая в каждом
кольце, наиболее точно представляет первичный атмосферный уровень ,4С.
Углерод в целлюлозе колец растущих деревьев, формируемой из фотосинте-
тических продуктов, образуется из атмосферной углекислоты, поглощаемой
кольцом в течение вегетационного периода роста данного кольца. Количе-
ство ,4С, фиксируемое растущими деревьями, определяется параметрами об-
мена земного углеродного цикла (Дергачев и Ступнева, 1975). Наиболее точ-
ные значения этих параметров были получены по результатам выброса боль-
ших количеств искусственного i4C, главным образом после взрывов атом-
ных бомб в верхних слоях земной атмосферы. Достаточно отметить, что
2. Особенности исследования флуктуаций содержания радиоуглерода 509
после серий атомных испытаний в 1963—1964 гг. произошло увеличение ат-
мосферной концентрации ,4С над естественным уровнем в Северном полу-
шарии на высоких широтах примерно на 100% (Nydal, 1968).
2. Особенности исследования флуктуаций
содержания радиоуглерода
2.1. Образование 14С и его динамический резервуар
Космогенный радиоуглерод непрерывно образуется в верхних слоях ат-
мосферы за счет расщепления атомов атмосферного азота падающими на
нее космическими лучами. Образующийся таким образом радиоуглерод
окисляется до ,4СО2. Правда, еще не совсем ясно, как происходит процесс
окисления: сразу до двуокиси ,,4СО2, или окисление идет сначала до окиси
|4СО, а затем уже до |4СО2. Благодаря солнечной энергии и процессам фо-
тосинтеза в зеленых клетках растений двуокись углерода (в том числе и
двуокись радиоуглерода) из атмосферы ассимилирует в растения. Распре-
деление радиоуглерода в обменном резервуаре определяется динамичес-
ким циклом углерода. Путем регистрации высоких уровней радиоуглерода,
образовавшегося после взрыва атомных бомб в 1960-х гг., удалось опреде-
лить очень важные характеристики: времена пребывания и скорости пере-
носа радиоуглерода между углеродными резервуарами (атмосфера, биосфера,
гидросфера).
В табл. I представлены распределение углерода на I см2 земной поверх-
ности и некоторые из характеристик ,4СО2 в отдельных обменных резервуа-
рах (Damon et ai., 1978).
Таблица 1. Характеристики радиоуглерода в обменных резервуарах углеродной сис-
темы
Гезервуор Количество углерсйр. г. см: $ремя пребюония • резервуаре AmsMOcn А радиоуглерода, мни'1.г' Guoocn росподо "С. Мин’1 • г
Атмосфере 0,131 4 года 14,1 1,85
Земная биосфере 0,108 Ю лет 13,6 1,47
Гумус 0,206 19 лет 13,5 2,78
Перемешиваемый слой 0,180 7 лет 13,6 2,44
океана Глубинный слой океана 7,386 1180 лет 12,3 90,85
Морская биосфера 0,001 2 месяца 14,2 0,01
Мертвое органическое 0,588 75 лет 12,3 7,23
вещество в океане Поесная вода 0,088 1213 лет 8,2 0,72
Океанические осодки 0,972 ?50 млн лет 12,3 11,97
I - 9,660 А - 12,3 I- ? 19,3
(^510 Приложение Ш. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
В результате деятельности человека активность естественного радиоуг-
лерода почти в каждом резервуаре изменилась: за счет сжигания ископаемо-
го топлива активность ,4Св образцах древесины начала снижаться и к 1950 г.
уменьшилась более чем на 2%, в результате же взрывов бомб в 1960-х гг.
активность ,4С в атмосфере увеличилась вдвое.
Для исследования причин изменения скорости образования МС, т.е. на-
хождения функций источника вариаций радиоуглерода, используют раз-
личные модели обменного резервуара. Показано (Дергачев и Студнева, 1975,
Oeschger et al., 1975; Siegenthaler et al., 1980), что в зависимости от типа
вариации и длительности воздействия требуются соответствующие модели
радиоуглеродного цикла. Для циклических изменений скорости образова-
ния ,4С длительностью в сотни, тысячи лет можно использовать простые
модели обмена, содержащие в качестве резервуаров: атмосферу, биосферу и
гидросферу. Для функций же источника изменений скорости образования
,4С с характерными временами в десятки лет и менее требуется более слож-
ное моделирование, включающее подразделение отдельных резервуаров
(табл. 1) на более мелкие.
Следует отметить, что при переходе от концентрации 14С в исследуемых
образцах к скорости образования радиоуглерода с использованием модель-
ного подхода в зависимости от длительности рассматриваемого цикличес-
кого изменения получается различное время пребывания радиоуглерода, что
обусловлено сложностью выбранной системы. К сожалению, не всегда кор-
ректно используются «модельные» времена пребывания радиоуглерода в
оценках изменений скорости образования радиоуглерода.
2.2. Глобальная скорость образования t4C в периоды высокой
и низкой солнечной активности
Интенсивность галактических космических лучей, ответственных за образо-
вание ,4С в земной атмосфере, изменяется в зависимости от уровня измене-
ний напряженности магнитного поля Земли и гелиомагнитной модуляции.
Степень солнечной модуляции потока галактических космических лучей
можно оценить из временной зависимости измеряемых потоков атмосфер-
ных нейтронов. Из этих же потоков нейтронов можно рассчитать глобаль-
ную скорость образования ,4С в земной атмосфере (например, Lingenfelter
and Ramaly, 1970; Dergachev, 1978; O’Brien, 1979; и др.).
Используя измерения потоков нейтронов и космических лучей, различ-
ные параметры, характеризующие солнечную активность, а также и геомаг-
нитные индексы, можно получить эмпирические соотношения между гло-
бальной скоростью образования ,4С и этими параметрами для отдельных
временных интервалов. На рис. 3 показано сравнение рассчитанной скоро-
сти образования ,4С (Q) с данными по изменениям чисел солнечных пятен
1Ки геомагнитных аа-индексов (характеристика возмущенное™ магнитного
поля Земли). В сущнос™, это сравнение указывает на картину модуляции
2. Особенности исследования флуктуаций содержания радиоуглерода
глобальной скорости образования радиоуглерода, а следовательно, и на мо-
дуляцию потока галактических космических лучей в течение 11-летнего цикла
солнечной активности. Чем выше солнечная активность, тем меньше галак-
тических космических лучей поступает в атмосферу Земли и, следовательно,
тем ниже скорость образования ,4С. При низкой солнечной активности кар-
тина обратная.
Годы
1940 1950 1960 1970
Годы
Рис. 3. Сопоставление рассчитанной из потоков нейтронов в земной атмосфе-
ре глобальной скорости образования радиоуглерода Q с данными по
изменению чисел солнечных пятен И7 и геомагнитных аа-индсксов.
Шкалы для W и аа-индексов инвертированы.
Было показано (Дергачев, 1981), что эмпирические соотношения между
скоростью образования ,4С и комбинацией солнечных и геомагнитных ин-
дексов дают возможность более точно оценивать пределы изменений скоро-
сти образования ,4С на долговременной шкале, что, скорее всего, связано с
возможностью более точного учета вклада долговременной модуляции ин-
тенсивности галактических космических лучей солнечной активностью.
Анализ эмпирических соотношений показывает (Дергачев, 198I), что изме-
нение амплитуды вариации скорости образования КС достигает величины
-30% в период сильного солнечного цикла.
При установлении зависимости между изменениями концентрации ,4С в
образцах известного возраста и циклическими процессами, связанными с
солнечной активностью, необходимо знать потоки радиоуглерода между ат-
мосферой, биосферой и гидросферой, рассчитываемые по моделям обмена
углерода в этих резервуарах, и учитывать два важных эффекта, связанных с
512 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
резервуарной емкостью атмосферы и относительно большим периодом по-
лураспада ,4С (Дергачев и Ступнева, 1975; Siegenthaler et al.. 1980).
1. Атмосфера действует подобно фильтру с низким коэффициентом про-
пускания (узкополосный фильтр), который сильно ослабляет воздействия
короткопериодического характера. Расчеты показывают, что амплитуда
П-летнего сигнала в атмосферной концентрации ,4С уменьшается пример-
но в 100 раз, в то время как для более долговременных циклических измене*
ний ослабление значительно меньшее: для периодов 200 и 2000 лет имеет
место уменьшение амплитуды сигнала примерно в 20 и 10 раз соответствен-
но. Поскольку изменения амплитуды скорости образования ,4С в П-летних
циклах, как правило, не превышают 30%, соответственно, амплитуда изме-
нения концентрации ,4С в 11-летнем цикле будет составлять не более 0,3%.
что требует чрезвычайно высокоточных измерений концентрации ,4С в го-
дичных образцах, чтобы надежно определить характеристики 11-летнего «ра-
диоуглеродного* цикла. Для более адекватного определения характеристик
короткопериодических циклов в радиоуглеродных данных, обусловленных
солнечной активностью, целесообразно использовать не изменение во вре-
мени концентрации НС, а его скорость образования. Правда, при этом важ-
ным моментом является использование оптимальной модели обмена 14С при
переходе относительно его концентрации к скорости образования.
2. Необходимо также учитывать заметную временную задержку в атмос-
ферном резервуаре между мгновенными изменениями в образовании ИС и
результирующими значениями концентрации ,4С в образцах, что приводит
к смешению всех эффектов во времени. Так. 11-летний «радиоуглеродный*
цикл должен отставать на 3-4 года (в зависимости от мощности цикла) от
цикла солнечных пятен, в то время как, например, 200-летний цикл должен
запаздывать относительно соответствующего солнечного цикла такой же дли-
тельности примерно на 20 лет.
Главная сложность ранних исследований по учету влияния Солнца на
уровень ,4С в земной атмосфере, основанных на погодичных изменениях
концентрации ,4С в образцах известного возраста, была вызвана отсутстви-
ем достаточно высокой точности, а в ряде случаев и воспроизводимости
полученных экспериментальных определений содержания ,4С. Как указано
в этой книге, эти методические трудности сейчас преодолены.
И тем не менее из-за малой амплитуды изменения концентрации НС в
циклах малой продолжительности трудно визуально выделить отдельные
циклы в серии измерений без проведения процедуры сглаживания или филь-
трации данных. Следует отметить, что вариации концентрации ,4С во вре-
мени обычно выражаются в виде измерений относительной величины А,4С.
Поскольку интересующие нас радиоуглеродные ряды данных получены глав-
ным образом по деревьям известного возраста, то отклонения удельной ак-
тивности ,4С в исследуемых образцах от ожидаемой активности, полученной
на основе закона радиоактивного распада, дают значения атмосферной Д|4С,
представляющие собой флуктуации 14С / |2С в атмосфере. Активность ,4С в
2. Особенности исследования флуктуаций содержания радиоуглерода 513
образце принято выражать относительно значения активности в древесине
XIX столетия, чтобы убрать дополнительный антропогенный фон,
На рис. 4 приведены данные погодичных измерений концентрации ,4С
(отклонения от стандартного значения) в кольцах деревьев за последние 450
лет (с 1510 по 1954 г.), произраставших на северо-западе США (Stuiver and
Braziunas 1993), сглаженные 3-летней скользящей средней. Обращают на себя
внимание периоды повышенных и пониженных уровней концентрации ,4С.
Наиболее заметный пик приходится на окрестность 1700 г. - эпоху Маунде-
ровского минимума солнечной активности (1645-1715 гг.) Менее вырази-
тельная картина изменения концентрации |4С видна в окрестности 1900 г.,
что связано с началом промышленной революции и разбавлением атмосферы
неактивным углеродом за счет сжигания большого количества ископаемого
топлива. Этот ряд данных содержит циклические компоненты, которые были
проанализированы для оценки причинных и спектральных соотношений.
2.5 -------------------------------------------
*
1500 1600 1700 1800 1900 2000
Годы
Рис. 4. Данные измерений концентрации радиоуглерода в образцах деревьев с
15 Ю г. (интервал сглаживания - 3 года).
Особый интерес в научной литературе вызвало аномальное поведение
Солнца в течение 1645-1715 гг. (Eddy, 1976; 1988), когда почти не наблюда-
лось солнечных пятен, в отличие от привычного «нормального» солнечного
цикла, связанного с изменяющейся активностью пятен на Солнце.
Учитывая важность изменения поведения Солнца в таком экстремуме,
для исследования физических процессов, определяющих солнечную актив-
ность, в работе (Васильев и Дергачев, 1981) были суммированы и проанали-
зированы известные наблюдения данных о солнечной деятельности и оценен
отклик космогенного ,4С на солнечную активность в этот период. Оказалось,
что амплитуда вариаций концентрации |4С в эпоху маундеровского минимума
достигла 2%. Такое увеличение могло быть обусловлено ростом интенсив-
ности галактических космических лучей в этот временной интервал, посколь-
ку модуляционная активность Солнца была низкой. Наблюдения других по-
|||4l4 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
добных изменений в концентрации 14С на более длинной временной шкале
при ослабленной солнечной активности (информация о пониженной солнеч-
ной активности может быть получена из косвенных данных) могут свидетель-
ствовать о более сложной гелиомодуляции интенсивности космических лу-
чей, чем установленная из прямых наблюдений Солнца.
Установление таких закономерностей солнечной изменчивости позво-
ляет ограничить число рассматриваемых физических процессов, управляю-
щих солнечной активностью.
2.3. Содержание 14 С в кольцах деревьев известного
возраста и причины его изменения
В последние годы, благодаря новым достижениям в точном датировании колец
деревьев и улучшениям в методике измерений активности ,4С в древесных об-
разцах получены надежные результаты по изменению концентрации |4С во
времени. На рис. 5 такими измерениями охвачена временная шкала, покры-
вающая последние почти 12 тыс. лет (Stuiver et al., 1993; Stuiver et al., 1998).
Погрешность измерений не превышает нескольких долей процента. Долговре-
менные (тысячи лет) и средневременные (сотни лет) флуктуации концентра-
ции ,4С в кольцах деревьев надежно выделяются в этих данных.
Рис. 5. Изменение во времени концентрации |4С, измеренной в блоках колец
деревьев известного возраста. Стрелки на рисунке показывают прояв-
ление периодов наиболее заметных максимумов в изменении ампли-
туд концентрации.
Наиболее заметный компонент в долговременных рядах содержания
,4С за последние -10 тыс. лет - вариация, которую можно смоделировать
синусоидой. Эта крупномасштабная вариация концентрации |4С, по-види-
,мому, обусловлена изменением земного дипольного момента (Дергачев,
2. Особенности исследования флуктуаций содержания радиоуглерода
1994), что качественно, а для отдельных временных интервалов и количе-
ственно подтверждается археомагнитными и палеомагнитными данными.
Повышенная и пониженная напряженность геомагнитного поля модули-
рует уровень |4С в атмосфере Земли в такой же манере, как и повышенная
и пониженная солнечная активность. Наблюдаемые вариации в уровне |4С
могут также отражать долговременные изменения, которые имеют место в
углеродном цикле как результат перераспределения |4СО2 между резервуа-
рами глобального углеродного цикла, инициируемого климатическими из-
менениями во времени. Однако, как показывают расчеты работы (Ахмет-
керев и Дергачев. 1981), климатические флуктуации, вызывающие измене-
ния в углеродном цикле, могут быть ответственны только за небольшую
часть, которая примерно на порядок меньше, чем зарегистрировано в дол-
говременном тренде уровня ,4С. Stuiver and Braziunas (1993) также показа-
ли, что различия в условиях оледенения, отступления ледников и межлед-
никовья дают только вторичный эффект. Это следует из двух фактов:
1) полученная модельным образом история образования ,4С согласуется со
скоростью образования |4С, полученной из документированных измене-
ний в геомагнитном поле в течение последних 30 тыс. лет, и 2) резервуары
,4С глобального масштаба откликаются относительно быстро на измене-
ния в процессах перемешивания океанов, так что новый уровень атмос-
ферного ,4С восстанавливается примерно через 2000 лет (время цикла оке-
ана). К сожалению, климатические эффекты не могут быть точно рассчи-
таны, так как плохо известна степень изменений в параметрах углеродных
резервуаров, вызванных изменением климата.
Для исследования средневременных и кратковременных флуктуаций со-
держания ,4С в длинных рядах данных необходимо исключить этот долго-
временный тренд. Для этих целей долговременный тренд аппроксимируется
различными способами (например, подгонкой полиномами n-порядка, си-
нусоидальными уравнениями, низкочастотными фильтрами и др.). Встает
вопрос: насколько регулярны или случайны такие проявления флуктуаций
содержания 14С в рядах данных после исключения тренда? Это можно уста-
новить, используя разнообразные методы статистического анализа времен-
ных рядов, что будет рассмотрено ниже.
В настоящее время в значительной степени выяснены причины круп-
ных (до 10%), средних (проценты), в меньшей степени мелких (доли про-
цента) вариаций концентрации 14С. Возможные причины флуктуаций уров-
ня 14С могут быть связаны с изменением скорости образования радиоугле-
рода в земной атмосфере (внесолнечные, солнечные, земные факторы); могут
быть также вариации, связанные с изменением характеристик углеродного
цикла под воздействием изменений климата (изменение скоростей обмена
и содержания ,4СО2 в резервуарах). Наиболее исследованы вариации кон-
центрации |4С, обусловленные изменением скорости образования радиоуг-
лерода в атмосфере Земли вследствие изменений солнечной активности и
магнитного поля Земли.
516 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
3. Солнечная активность, радиоуглерод и климат:
200-летний цикл
3.1. Детектирование -200-летнего цикла в изменении
содержания 14С
Тщательное изучение прямыми измерениями потоков космических лучей,
поступающих в земную атмосферу, показало, что они подвержены 11 -летне-
му механизму модуляции, связанному с процессами на Солнце. Болес того,
данные измерений потока космических лучей, сделанных с помощью нейт-
ронных мониторов, зондов и спутников, свидетельствуют о наличии долго-
временного тренда в их изменении (например, Basilevskaya 2000). Однако из
прямых наблюдений пока еще нельзя сделать вывод ни о характере этого
тренда, ни о его природе.
Космогенные радионуклиды дают уникальную возможность реконстру-
ировать солнечную изменчивость на больших временных шкалах. Однако
интерпретация измеряемых концентраций космогенных изотопов в хорошо
датированных архивах не проста. В концентрации космогенных изотопов
содержится информация не только о солнечной активности, но также о
напряженности геомагнитного поля на момент образования соответствую-
щего изотопа и о процессах переноса его из атмосферы в архив.
Рис. 6. Изменение концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли в течение
последнего тысячелетия. Точками представлены экспериментальные
данные.
3. Солнечная активность, радиоуглерод и климат: 200-летний цикл 5^^
Поскольку наиболее детальная информация о природных процессах, в
частности о солнечной активности, записанная в инструментальных, исто-
рических и косвенных данных, имеется только для последних сотен лет,
представляет интерес проанализировать наиболее детальные измерения кон-
центрации космогенных изотонов в первую очередь на таких шкалах.
На рис. 6 показано изменение концентрации ,4С за последнее тысячелетие с
установленными по прямым наблюдениям и записанными в древних ката-
логах экстремальными изменениями солнечной активности в прошлом.
Наиболее ярко выделяются эпохи экстремально низкой солнечной активно-
сти: Маундера, Шпёрера и Вольфа и экстремально высокой, отмеченной
как средневековый максимум.
Видимый на графике погодичных измерений концентрации |4С в кольцах
деревьев (рис. 4) повышенный уровень |4С, соответствующий маундеровско-
му минимуму солнечной активности (1645-1715 гг.), послужил ключом к ин-
терпретации солнечных эффектов в истории ,4С. Наглядной демонстрацией
существования ~210-летнего цикла солнечной активности являются маун-
деровский, шпёреровский (1420-1530 гг.) минимумы и минимум Вольфа
(1280-1340 гг.) в концентрации радиоуглерода, которые отделены друг от
друга временным интервалом около 200 лет (рис. 6).
210-летнюю волну можно проследить в радиоуглеродных данных за пос-
ледние тысячелетия после удаления долговременного тренда. С высокой
статистической надежностью (0,999) этот цикл был выделен в изменениях
концентрации |4С в атмосфере Земли в течение последних 7000 лет (Василь-
ев и Дергачев, 1995). Таким образом, есть убедительные свидетельства про-
явления этого длинного цикла в природных данных.
Наличие -210-летнего цикла в изменении концентрации космогенных
изотопов подтверждается и данными изотопа ’°Ве, который после образова-
ния откладывается в годичных слоях льда полярных областей. Следует отме-
тить, что скорость образования как |4С, так и космогенного изотопа 10Ве,
зависит только от солнечной активности и напряженности геомагнитного
поля. Подобно ,4С в земной атмосфере, космогенный изотоп 10Ве модулиру-
ется солнечной активностью. Но, в отличие от радиоуглерода, ,0Ве имеет
простую модель обменных процессов, поскольку быстро выпадает с осадка-
ми. Из-за того, что ,0Ве практически не участвует в обменной системе, его
скорость образования не ослабляется, и амплитуда изменения концентра-
ции |0Ве в измеряемых кернах полярных льдов фактически повторяет изме-
нение его скорости образования. Рассмотрим изменение концентрации этих
изотопов во времени.
На рис. 7а штриховыми линиями показаны относительные амплитуды
изменения числа Вольфа за наблюдаемый период и амплитуды изменений
концентрации ,4С с 900 по 2000 гг. н.э.; на рис. 76 проведено сопоставление
изменений концентрации |4С с глубокими минимумами солнечной актив-
ности; на рис. 7в приведены изменения концентрации ,0Ве (Beer, 1994) за
указанный период (стрелками отмечены соответствующие рис. 6 минимумы
^5J8 Приложение HI. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
солнечной активности). Для удобства сопоставления шкалы для уровней ,4С
и ,0Ве инвертированы. Заметим также, что кривые концентрации 14С долж-
ны отставать от изменения солнечной активности из-за того, что радиоугле-
род после образования в земной атмосфере участвует в обменных процессах
до отложения его в архив, и для того, чтобы сигналу радиоуглерода цикли-
чески пройти через систему океан-атмосфера, требуется время в зависимо-
сти от длины цикла. Как видно на рис. 7, чередование высоких уровней |4С
и |0Ве, а следовательно, и низких уровней солнечной активности происхо-
дит с периодичностью приблизительно в 200 лет.
1000 800 800 400 200 0
Годы в прошлое
Рис. 7. Измеренные концентрации |4С (а. б) и |ПВе (в) в образцах известного возраста
для последних 1100 лет и экстремумы в изменении солнечной активности.
Следует отметить, что эпохи экстремально низкой солнечной активнос-
ти (минимумы Вольфа, Шпёрера и Маундера) совпадали с наиболее холод-
ной частью малого ледникового периода и характеризовались особенно низ-
кими температурами в Северном полушарии.
Солнечная активность, радиоуглерод и климат: 200-летний цикл
3.2. Детектирование ~200-летнего цикла
в палеоклиматических данных
Солнце является главным источником той энергии на Земле, которая уп-
равляет климатической системой. Однако физические процессы, ответствен-
ные за изменения в солнечном излучении, и в особенности его долговре-
менные изменения, до сих пор плохо поняты. Это касается и функции от-
клика климатической системы на солнечное воздействие. Если долговре-
менные изменения солнечного излучения следуют в фазе с долговременны-
ми изменениями солнечной активности, как это имеет место для двух пос-
ледних циклов (Frohlich and Lean, 1998), тогда дальнейшее доказательство
связи между изменяющейся во времени солнечной активностью и климатом
может быть прослежено в различных палеоклиматических данных.
Из-за ограниченности во времени прямых температурных измерений - одной
из главных характеристик климата - трудно установить долговременные трен-
ды в ее изменении. Критически важными для реконструкции полной области
температурной изменчивости в течение тысячелетий являются кольца деревь-
ев. Ширина годичных колец деревьев, произрастающих в холодных условиях,
хорошо отражает температуру теплых сезонов. К сожалению, в большинстве
данных дендрохронологические ряды, в особенности в Европе, покрывают все-
го несколько столетий и не содержат климатических вариаций, указывающих
на длительные циклы. Кроме того, как правило, дендрохронологи обычно уст-
раняют долговременные тренды в изменении ширины годичных колец путем
сглаживания рядов и изучают изменения в индексах прироста.
По-видимому, впервые свидетельства о существовании длинных и сверх-
длинных циклов в изменении ширины колец деревьев были получены в
работе (Sonett and Suess, 1984): 200-летний цикл был обнаружен в длинной
последовательности изменения ширины колец высокогорной остистой со-
сны за временной интервал более 5000 лет (от 3405 г. до н.э. до 1885 г. н.э.).
Цикл такой же длины в термолюминесцентных данных по морским отложе-
ниям, покрывающих последние 2500 лет, был обнаружен в работе (Castagnoli
et al., 1998).
В недавней работе (Esper et. al., 2002) путем анализа данных изменения
ширины годичных колец деревьев, взятых из 14 различных регионов Земно-
го шара в Северном полушарии, реконструированы долговременные тренды
изменчивости температуры за последнее тысячелетие и выделены циклы
продолжительностью от -20 до -200 лет. А дендрохронологическое исследо-
вание ископаемых колец (Roig et al., 2001), произраставших в Чили 50 тыс.
лет назад, показало, что климат в тот период был подобен современному, и
в изменениях ширины колец был выделен -200-летний цикл изменчивости.
Первое недвусмысленное доказательство роли изменения климата в кол-
лапсе классической цивилизации майя (Hodell et al., 1995) было получено из
изучения озерных отложений, которые хорошо задокументировали резкий
сдвиг к более засушливым условиям в центральной части Мексики между
520 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
1300- и 1100-ми гг. (800-1000 гг.). Анализ состава отложений и изотопного
состава оболочек остракод, сохранившихся в кернах отложений из двух зак-
рытых озер в центральной части Юкатанского полуострова, указал на то,
что регион подвергался устойчивым засушливым условиям с периодом
-200-лет, и один из наиболее засушливых периодов оказался примерно 1200
лет назад (около 900 г.). Реконструкция климатической истории этого реги-
она по данным кернов озерных отложений для последних 2600 лет была
продолжена в работе (Hodell et al., 2001). Авторы установили, что в выпаде-
нии осадков проявляется четко повторяемая картина засух с периодом в 208
лет, подобным регистрируемому в скорости образования космогенных изо-
топов, и сделали вывод о солнечной природе засух в этом регионе.
Солнечное
воздействие
Минимумы
Вольфа Шпёрера Мау
Nyarubanga
засуха
Wamara
засуха
14-й век,
процве-;
тания
Lapanarat-
Mahlatule
засуха w
I liilajii
1-й период 2-й период - .
процветания процветания |лУ»мна
,%
2
1
0
-1
2
Культурная
история
Глубинная история озера
Haivasha, Kenya
,
40
30
20
10
0
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Календарные годы
Рис. 8. Сравнение между изменениями уровня озера в экваториальной части
Африки, полученными из хорошо датированных отложений, периода-
ми засух, сопровождающимися коллапсом культур, и изменениями кон-
центрации радиоуглерода, являющейся косвенным показателем сол-
нечной активности.
Недавно в работе (Veischuren et al., 2000) было доказано, что картина из-
менения климата с циклом около 200 лет имела место и в экваториальных
регионах Восточной Африки (озеро Naivasha в Кении). Анализируя палео-
лимнологические данные озерных отложений в течение последних 1100 лет:
стратиграфию осадка, видовой состав ископаемых диатомовых водорослей и
мошек, авторы реконструировали изменение глубины и солености озера и
установили три продолжительных периода засух: 1390-1420 гг., 1560-1625 гг.
и 1760-1840 гг. Имеется высокая корреляция между изменениями глубины
3. Солнечная активность, радиоуглерод и климат: 200-летний цикл
озера и изменением концентрации радиоуглерода. Выявленные периоды за-
сух поразительно точно согласуются с данными |4С: они попадают в проме-
жутки между эпохами экстремально низкой солнечной активности Вольфа,
Шпёрера, Маундера, т.е. приходятся по повышенный уровень солнечной ак-
тивности (рис. 8). Таким образом, эти данные подтверждают присутствие боль-
ших климатических аномалий, связанных с деятельностью Солнца. Авторы
также нашли сильные хронологические связи между реконструированной
историей долговременных изменений количества осадков и доколониальной
культурной историей Восточной Африки, зарегистрированной в документах
и устной традиции. Это показывает важность детальных знаний естественных
долговременных флуктуаций выпадения количества осадков для социо-эко-
номического развития человечества. Заметим, что устойчивая засуха в окрес-
тности 860 г. н.э. совпадает с коллапсом цивилизации майя.
Присутствие периодичности 200 ± 20 лет было найдено в изменении
интенсивности индийских муссонов по данным исследований керна отло-
жений из Арабского моря (Agnihotri et al., 2002). Авторы обнаружили, что
интенсивность муссонов уменьшается в периоды солнечных минимумов и
пришли к выводу о том, что основной причиной этого изменения в течение
последнего тысячелетия является солнечное влияние.
Региональная изменчивость тропического климата в течение последнего
ледникового цикла по данным из ледникового керна льда, взятого на Тибет-
ском плато Qinghai, исследовалась в работе (Thompson et al., 1997). В деталь-
но исследованном интервале времени между 15 и 35 тыс. лет назад, охваты-
ваюшем окрестность последнего оледенения, выделено около 100 осцилля-
ций 5*8О с различной амплитудой и средним периодом 200 лет; многочис-
ленные ~200-лстние осцилляции были прослежены и в данных измерения
пыли, уровнях NH4+, NOr, отражающих изменения температуры и атмос-
ферной циркуляции.
200-летние климатические циклы были также прослежены по косвен-
ным биологическим данным из морских кернов, взятых на Антарктическом
полуострове (Leventer et al., 1996). Подобные доказательства сейчас можно
найти из многих частей мира. Следует отметить, что из имеющихся данных
можно сделать вывод о параллельности, но не синхронности изменений
климата, что связано с региональными особенностями и, следовательно,
различным откликом на внешнее воздействие. Чтобы проследить четкую
картину временной и пространственной когерентности этих вариаций, не-
обходим лучший хронологический контроль.
3.3. Долговременный тренд в солнечной активности
в XX веке ~ проявление -200-летнего солнечного цикла
Хорошее согласие с измеренными в древесных кольцах данными кон-
центрации 4С ясно указывает на то. что доминирующим источником измен-
чивости уровня ,4С или ,0Ве является скорость образования, наиболее веро-
Приложение IIL Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
ятно вызванная солнечной модуляцией. В целом, хорошее согласие получа-
ется для последних более чем 10 тыс. лет, для которых имеются наиболее
детальные данные.
На основе фактического материала о наблюдении солнечных пятен, кроме
11- и 22-летних циклов, был выделен по мощности пятнообразован ия в
11-летнем цикле 80-90-летний цикл (цикл Глайсберга). Но даже все эти циклы
не могут объяснить всех особенностей кривой изменения чисел солнечных пятен
за период их регулярных наблюдений, не говоря уже об экстремально низкой
солнечной активности в маундеровский, шпёреровский и другие минимумы
(Дергачев и Распопов, 2000), что должно свидетельствовать о наличии более
долговременной изменчивости Солнца. Изложенные выше данные позволяют
уверенно утверждать, что -2JO-летний цикл является одним из самых ярко
выраженных и интенсивных циклов солнечной активности.
210-летний цикл солнечной активности выявляется и при анализе исто-
рических данных о наблюдениях солнечных пятен, видимых невооружен-
ным глазом, а также наблюдений полярных сияний. В работе (Хи, 1990)
были проанализированы многие исторические материалы о наблюдениях
Солнца в Древнем Китае и получены детальные спектры мощности долго-
временной изменчивости солнечной активности в течение 2000 лет. Оказа-
лось, что наибольшую значимость в спектре мощности имеет -210-летний
цикл. Наговицин (2001), используя каталоги Виттмана и Ксю (Wittman and
Xu. 1987) наблюдений в прошлом солнечных пятен, видимых невооружен-
ным глазом, получил четыре временных ряда, характеризующие различные
стороны солнечной активности в прошлом. Он установил несколько наибо-
лее выразительных пиков в периодичности солнечной активности, соответ-
ствующих периодам 11, 90, 200 и 400 лет.
Огромную работу по расширению экспериментальной базы данных вре-
менных рядов солнечных пятен для исследования долговременных измене-
ний солнечной активности с 649 г. до н.э. выполнил Шове (Schove, 1955;
1983). Заметим, что из-за отсутствия оценки качества данных этого ряда он
практически не использовался в аналитических работах. Недавно была про-
ведена оценка качества данных временного ряда Шове рахзичными метода-
ми на основе современных методов обработки сигналов (Jelbring, 1995), и
было показано, что ряд обладает высоким качеством для извлечения инфор-
мации, касающейся длины и фазы солнечного цикла, и может быть хоро-
шим индексом, расширяющим ряд прямых наблюдений индексов солнеч-
ной активности по крайней мере примерно на 2000 лет.
В этой работе в ряде Шове была выделена область структурированных
фазовых циклов, амплитуда которых имеет временную зависимость. В спек-
тре обнаружен доминирующий слабо изменяющийся компонент с перио-
дом не менее 1700 лет. После устранения из временного ряда данных этого
тренда в спектре изменения фазы (рис. 9) проявляются наиболее мощные
—210- и -80-летний циклы. Следует отметить, что эти же гармоники выде-
ляются и в изменениях длины (11-летнего) солнечного цикла. Таким обра-
3. Солнечная активность, радиоуглерод и климат: 200-леткий цикл
зом, результаты исследований позволили установить, что ряд данных Шове
является важным для изучения истории долгопериодической солнечной ак-
тивности, а выделенный -210-летний солнечный цикл является физически
достоверным проявлением таких вариаций солнечной активности.
Период, лет
Рис. 9. Спектр мощности изменения фазы солнечного цикла после удаления
долговременного тренда с периодом около 1700 лет из исследованного
ряда солнечных данных за интервал времени с 300 г. до н.э. по 1900 г. н.э.
Поскольку ~210-летний цикл является одним из самых интенсивных
циклов солнечной активности, представляет интерес установить ветви роста
и спада этого цикла в каждый момент времени, и прежде всего в современ-
ную эпоху.
Годы
Рис. 10. Изменение во времени солнечной активности: R, - числа солнечных
пятен; сплошная линия - линейная комбинация 90- и 210-лстних
циклов солнечной активности; штриховая линия - 210-летняя волна
солнечной активности.
J524 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Из данных концентраций ,4С и ,0Ве (рис. 4, 6, 7) можно оценить, что
последние минимумы -210-летней периодичности солнечной активности
приходились на окрестность -1500, -1690 и - 1900 гг., а последующий ми-
нимум цикла можно ожидать в окрестности 2100 г. (Дергачев и Распопов,
2000). Результат суммарного воздействия квазидвухсотлетнего цикла сол-
нечной активности и цикла Глайсберга можно представить в следующей
конфигурации (рис. 10).
В окрестности -1900 г. и -1700 г. складываются амплитуды минимумов
210-летних циклов и минимумов цикла Глайсберга, а в окрестности -1800 г. и
-2000 г. складываются амплитуды максимумов 210-летнего цикла и миниму-
мов цикла Глайсберга. Из рисунка следует, что солнечная активность в течение
прошлого столетия находилась на ветви подъема квазидвухсотлетнего цикла, а
в настоящее время мы находимся в районе его максимума. Необходимо учиты-
вать и воздействие 80-90-летнего цикла: в первые десятилетия настоящего сто-
летия будет происходить нарастание активности 90-летнего цикла. В целом,
мы можем объяснить картину изменения чисел солнечных пятен, полученных
инструментальными методами, и сделать вывод, что еще в течение нескольких
десятков лет солнечная активность будет достаточно высокой.
4» Крупномасштабные циклические изменения
содержания 14С и природные процессы
4.1. Спектральный анализ данных содержания 14С
за последние 10 тысяч лет
Радиоуглеродные ряды данных, как и большинство геофизических рядов,
содержат в себе комбинации квази периодических и случайных сигналов.
Поэтому спектр радиоуглеродных данных с геофизической точки зрения
является наиболее интересным глобальным геофизическим параметром для
изучения процессов на Земле, на Солнце, в межпланетной среде.
В качестве наиболее убедительного примера доказательства надежности
картины глобальности флуктуаций концентрации ,4С в широком диапазоне,
получаемых спектральными методами, может служить сравнение данных на
шкале 7000 лет (табл. 2), измеренных в Калифорнийском и Белфастском
университетах (Suess and Linick, 1990). Данные в Калифорнийском универ-
ситете были получены с помощью пропорционального счетчика в течение
25 лет, и стандартная ошибка колебалась от 0,4 до 0,8%, в то время как в
Белфастском университете данные были получены с помощью пропорцио-
нального счетчика за значительно более короткий период при стандартной
ошибке менее 0,3%. Несмотря на то что две временные серии концентрации
|4С были получены различными методами в течение многих лет проведения
эксперимента на древесине различных пород деревьев, которые произраста-
ли на различных континентах и на различных высотах (от уровня моря до
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания НС и природные процессы 525
3 км над уровнем моря), они показывают обшис закономерности в измене-
нии спектра. Такие общие черты фурье-спектров свидетельствуют о реаль-
ности и планетарности изменений концентрации |4С, сложности их частот-
ного состава.
Таблица 2. Энергетические спектры мощности изменений концентрации |4С
на временном интервале 7000 лет в образцах деревьев, взятых на
различных континентах
Выделенный период, лет Плотность спектра мощности, G, 10 4 (%)7 Выделенный период, лет Плотность спектра мощности, G, 10- (%)’
Сосна остистая (США) Дуб (Ирландия)
2266,8 53870 2387,6 40530
504,5 18372 508,6 18464
358,2 9977 352,8 12988
201,5 »4953 206,9 12218
158,5 8849 149,5 10143
Хотя спектры рядов концентрации радиоуглерода были получены на ограни-
ченных данных, они в целом показывали основные закономерности, которые в
дальнейшем были очерчены более строго на более длинных рядах данных.
Для изучения спектрального состава временных рядов содержания
|4С, включающих 10- и 20-летние образцы, сначала использовались клас-
сические процедуры спектрального анализа: разложение в ряд Фурье
(Дженкинс и Ватте, 1971 — 1972) и энергетический спектр Блэкмана-Тью-
ки (Blackman and Tukey, 1958). В настоящее время для повышения час-
тотного разрешения используется спектральный анализ методом макси-
мальной энтропии (МЭ) (Burg, 1972). Такое улучшение разрешения осо-
бенно важно при исследовании значительно больших деталей низкочас-
тотной части спектра. Спектральный анализ данных методом минималь-
ной кроссэнтропии (МКЭ) (Shore and Johnson, 1981) позволяет разре-
шить очень близкие спектральные пики с еще более высокой точнос-
тью. Кроме того, этот метод не вносит искусственных пиков. Таким
образом, метод МКЭ позволяет улучшить спектр, полученный методом
МЭ. В методе МКЭ используется периодическая регрессия, основанная
на большинстве статистически значимых квазипериодов (Дрейпер и
Смит, 1987). И так как поведение радиоуглеродных данных допускает
существование аттрактора, можно определить размерность этой систе-
мы (используя свойства странного аттрактора), чтобы определить ми-
нимальное число необходимых переменных для ее описания (Айманова
и др., 1990). Важно заметить, что ряд частот, найденных при использо-
вании различных моделей спектра, независим от методик.
Приложение HI. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Однако использование спектральных методов в применении к ра-
диоуглеродным данным требует определенной осмотрительности и на-
выка во избежание ошибочных выводов. Так, с помощью метода МЭ в
работе (Stuiver and Braziunas, 1989) был проведен спектральный анализ
изменений скорости образования ,4С за последние 9000 лет и сделан
вывод о существовании в конвективной зоне Солнца фундаментального
осциллятора с периодом Т -420 лет и кратными ему гармониками. Ав-
торы рассчитали синусоидальную модель для максимумов скорости об-
разования '4С, связав их появление с суперпозицией двух модуляций
низкой солнечной активности: маундеровской (с Т -180 лет) и шпёре-
ровской (с Т -220 лет).
Не говоря о трудностях доказательства наличия подобного осциллято-
ра внутри Солнца, с точки зрения известных его свойств следует заметить,
что различные спектральные анализы более детального ряда радиоуглерод-
ных данных на интервале за последние 4500 лет показали сложный спектр
вариаций уровня ,4С в областях периодов от сотен до тысяч лет, но не
показывают значимой гармоники с Т -420 лет, а также расщепления мак-
симума с Т -200 лет на две гармоники. То же показано в работе (Damon
and Jirikowic, 1992), где отмечено, что ряд специфических особенностей
метода МЭ: проблема нестабильности, оптимальный ранг регрессии, про-
блема оценивания статистического качества данных - не позволяют де-
лать однозначных выводов о спектральном составе рядов, требуют дубли-
рования этого метода другими.
Представляет интерес развиваемый Бреттхорстом (Bretthorst, 1988) но-
вый подход к спектральному анализу ряда концентрации ’*С. Метод осно-
ван на применении теоремы Байеса, дающей критерии максимального прав-
доподобия, позволяющие рассчитывать распределение вероятностей для
моделей, подгоняемых под экспериментальные данные, например, набором
синусоид. Бреттхорст привел условия, при которых распределение вероят-
ности, по существу, является спектром мощности.
Сравним результаты расчетов моделей работ (Sonett and Finney, 1990;
Damon and Sonett, 1992) по различным рядам высокоточных радиоуглерод-
ных данных и различным моделям, описывающим используемые экспери-
ментальные данные по содержанию ,4С. Из обобщенного ряда был исклю-
чен тренд, аппроксимированный различными методами. В работе (Sonett
and Finney, 1990) были использованы ряды радиоуглерода, полученные в
Белфастском (Ирландия) и Калифорнийском (США) университетах. Пер-
вый охватывал временной интервал с 1840 г. н.э. по 5210 г. до н.э., второй —
с 1500 г. н.э. по 5300 г. до н.э. Для аппроксимации долговременного тренда
этого обобщенного ряда использовались перемежающаяся синусоидальная
волна и полином Лежандра третьего порядка. Остаточный (после вычита-
ния тренда) ряд данных моделировался синусоидальной и косинусоидаль-
ной зависимостями. На рис. И представлены результаты спектрального ана-
лиза концентрации ,4С из Калифорнийского университета, рассчитанные с
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания ,4С и природные процессы
помощью дискретного Фурье-преобразования и метода максимальной энт-
ропии. Подобные спектральные линии были выделены в данных Белфастс-
кого университета. Методом максимальной энтропии выделяется 10 спект-
ральных линий различной интенсивности в области периодов от -200 до
2400 лет.
1000 100 10000 1000 100 10
Период, лет Период, лет
Рис. 11. Спектральная плотность мощности калифорнийского ряда концент-
рации НС, полученной с помощью дискретного Фурье-преобразова-
ния (а) и метода максимальной энтропии (б).
В работе (Damon and Sonett, 1992) в единый комбинированный ряд от
наших дней до 7199 г. до н.э. связаны перекрывающиеся данные по концен-
трации |4С, полученные в Калифорнийском, Сиэтглском, Белфастском уни-
верситетах.
Анализ спектров этих трех моделей подтверждает значимость максиму-
мов при Т -210 и -2200-2400 лет и плохое разрешение самых низких частот
(рис. 12), какой бы спектральный метод ни использовался. Эти результаты
служат дополнительным свидетельством физической реальности указанных
вариаций, наличия естественных осцилляторов, являющихся источниками
соответствующих вариаций концентрации ,4С.
Таким образом, спектральный анализ имеющихся данных по концент-
рации ,4С на длинной временной шкале указывает на хорошо определенный
спектр. Имеются многочисленные периоды, простирающиеся от 11 до
-2400 лет. Точные значения периодов, до некоторой степени, изменяются в
зависимости от используемого алгоритма. Спектральные характеристики
сильно уменьшают амплитуду колебаний при уменьшении периода, что свя-
зано, как указывалось выше, с емкостью атмосферного резервуара. Наи-
большая мощность оказывается для больших периодов. Важно заметить, что
этот спектр подвержен определенным ошибкам, как в амплитуде, так и в
линейной частоте. Кроме того, полученные спектры изменяются и при ис-
пользовании различного моделирования.
Приложение HL Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
20
р
15
10
5
2300
О
О 0,005 0,01 0,02
1,0 г 2250 Частота, год’1
А аА * ж -ж-------Ка. .
Частота, год"1 0,02
1000
100 50
Период,лет
Рис. 12. Сравнение результатов спектрального анализа (р - спектральная плот-
ность) комбинированного ряда концен-фации радиоуглерода, полу-
ченного с помошью дискретного Фурье-преобразования (а) и метода
максимальной энтропии (б). В случае (а) из ряда был вычтен тренд,
аппроксимированный полиномом пятого порядка. В случае (б) тренд
был вычислен методом наименьших квадратов, а остаточный ряд опи-
сан моделью в виде суммы синусоид.
4.2. 2400-летний цикл и палеоклиматические данные
Как видно на рис. 5, на продолжительной временной шкале амплитуда кон-
центрации |4С меняется во времени. Более рельефно изменения амплитуды
можно проследить, если из исходного ряда вычесть долговременный тренд.
Используя данные измерений концентрации ,4С в блоках колец по 10-лети-
ям (Stuiver and Becker, 1993; Stuiver et al., 1998), проведем вычитание тренда.
На рис. 13 показан остаточный ряд концентрации ,4С (a’4CD), в котором
четко прослеживаются сильные флуктуации амплитуды, имевшие место при-
мерно 500, 2700, 5400 и 7200 лет назад. Примечательно, что экстремумы
некоторых климатических аномалий, таких как холодные эпохи (Schmidt
and Gruhle, 1988) и эпохи наступления горных ледников (Rothlisberger, 1986),
коррелируют с экстремумами высоких амплитуд в ряду Д’4С.
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания 14С и природные процессы 529
-2,0
8000 6000 4000 2000 0
Годы с 1950-го в прошлое
Рис. 13. Ряд A'4Cd. полученный в результате исключения долговременного
тренда из исходного радиоуглеродного ряда. Стрелками указано вре-
мя наиболее значительных отклонений амплитуды изменения кон-
центрации.
Очевидно, что выделенные на рис. 13 флуктуации концентрации ,4С нуж-
даются в адекватном анализе. Результаты анализа (Васильев и Дергачев, 1998),
основанные на методе множественной фильтрации (Dziewonski et al., 1969),
позволяющем получать зависимость амплитуды флуктуаций от двух пара-
метров: частоты и времени, показали (рис. 14), что: а) амплитуда флуктуа-
ций изменяется во времени; б) изменения амплитуды являются синхронны-
ми в широком поясе частот; в) эпохи высоких амплитуд флуктуаций наблю-
даются в окрестности 400, 2500, 5200 и 7200 лет назад, что близко согласует-
ся с данными на рис. 13.
Приведенные результаты исследований указывают на существование
амплитудной модуляции для широкого интервала частот. Период модуля-
ции совпадает с периодом наиболее интенсивной линии в спектре мощно-
сти -2400 лет. Как это должно быть в случае подобной модуляции, фаза
максимального значения модулирующего сигнала (период -2400 лет) со-
впадает с фазой максимальной амплитуды модулируемых компонент
(см. рис. 13). Вследствие модуляции анализ спектра мощности сигнала ус-
ложняется, если оценка частоты спектральных линий недостаточно точна.
Многие проблемы, возникающие при анализе данных, содержащих ин-
формацию о взаимодействии колебаний, можно решить в рамках биспек-
трального анализа (King, 1996), техника которого во многом аналогична
обычному спектральному анализу.
530 Приложение Ш. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Рис. 14. Темные пятна ' области повышенной амплитуды &MCD на плоскости
частота-время, обнаруженные методом множественной фильтрации.
Повышенная амплитуда флуктуаций повторяется через 2300—2500 лет.
Циклическая кривая получена в результате использования фильтра
низких частот, пропускающего гармонические компоненты с макси-
мальной частотой 0,00066 цикл/лет.
Рис. 15. Спектральная плотность мощности ряда ДИСО, полученная методом Блэк-
мана-Тьюки. Наиболее мощная линия имеет период “2400 лет. Основ-
ные линии спектра со0, со,, сои как показывает спектральный анализ, име-
ют сателлиты, расположенные по обе стороны от базисной спектральной
линии на расстоянии ±to. Наблюдаемое расщепление происходит из-за
эффекта амплитудной модуляции.
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания НС и природные процессы 53yj|
В работе (Vasiliev and Dergachev, 2002) был выполнен биспектральный
анализ ряда Д|4Сви проведено детальное изучение амплитудной модуляции.
Продемонстрировано существование '2400-летней модуляции ряда гармо-
ник с более высокими частотами. Период основной модулирующей состав-
ляющей '2400 лет. В результате анализа биспектра произведена классифи-
кация линий, наблюдаемых в спектре мощности. Кроме модулирующей ком-
поненты выделены три базисные линии а, 0, у, имеющие периоды 710, 420
и 210 лет. Благодаря проведенному анализу удалось показать, что базисные
линии, полученные при спектральном анализе методом Блэкмана-Тьюки,
имеют сателлитные линии (рис. 15).
Имеются многочисленные данные, подтверждающие циклический ха-
рактер изменения климата на Земле с -2400-летним периодом. В результа-
те проведенных дендроклиматологических исследований (Schmidt and
Gruhle, 1988; Damon and Sonett, 1992) стало ясно, что «малому ледниково-
му периоду» (1500-1800 гг. н.э.) предшествовала эпоха Гольштадтского по-
холодания 750-400 гг. до н.э., а последней - ранняя эпоха похолодания
3200-2800 гг. до н.э. Последние две климатические эпохи отстоят от пред-
шествующих на 2200 и 2500 лет соответственно. Положение трех перечис-
ленных эпох совпадает с эпохами высокой амплитуды изменения Д,4СО
(рис. 5, 13).
Результаты анализа содержания кислорода б’Ю в 1ренландском ледя-
ном керне (Dansgaard et al., 1984) продемонстрировали наличие -2500-лет-
него периода климатической природы. Подобное периодическое поведе-
ние климата было найдено в кернах льда Гренландии в течение последних
12 тыс. лет. Гляциологические временные ряды указывают на то, что весь
голоцен прочерчен -2500-летним циклом холодных событий (O’Brien et
al., 1995). Недавно Finkel and Nishizumi (1997) нашли хорошую корреля-
цию между наблюдаемыми тысячелетними вариациями в концентрации и
н,Ве в течение всего голоцена. Авторы интерпретируют изменения в кон-
центрации |0Ве климатическим воздействием. Следует отметить, что два
больших события высоких амплитуд концентрации >0Ве в керне льда на
интервалах 5200-5600 и 7100-7600 календарных лет назад совпадают с со-
ответствующими высокими амплитудами концентрации ,4С в те же самые
временные интервалы.
Квази периодичность в -2400 лет была найдена в концентрации ле-
дяных кернов и фораминиферах из океанического керна (Pestiaux et al., 1988).
Исследования экстремумов средней температуры воды Атлантики (Арабад-
жи, 1986) позволили прийти к выводу о существовании, в частности, темпе-
ратурных минимумов, имевших место 400, 2800 и 5100 лет назад.
Детальные палинологические и радиоуглеродные исследования в юж-
ной части Западной Сибири, выполненные Левиной и Орловой (1993),
показали, что в течение голоцена наиболее теплые периоды оказались в
течение 6300-5200 и 2300-1300 лет назад, а в течение периодов 5200-4300,
3200-2300 и 1300-200 лет назад было холодно.
(|Л32 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Таким образом, перечисленные факты позволяют сделать вывод о боль-
шой вероятности климатической природы изменения амплитуды вариаций
концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли, вызванной изменениями
солнечной активности.
4.3. Резкое изменение климата около 2700—2800 лет назад
как пример существования 2400-летнего цикла
Исторические хроники наряду с косвенными данными содержат информа-
цию, согласно которой холодный климат наблюдался не только в эпоху,
связанную с «малым ледниковым периодом», но и накануне нашей эры, в
900-300 гг. до н.э., отмечен холодный субатлантический период. Снежная
линия в горах повсеместно существенно понизилась, включая районы Ближ-
него Востока и Экваториальной Африки. Ряд суровых зим, сопровождавших-
ся замерзанием реки Тибр, отмечался в Италии в 398, 396, 271 и 177 гг. до н.э.
(Борисенко и Пасецкий, 1988). В настоящее время убедительно доказано, что
в Северо-Западной Европе в начале I тыс. до н. э. наблюдалось резкое изме-
нение климата, отмеченное исследователями еще в 1910 г. (Semander, 1910) и
определенное как переход от суббореального периода (теплый, сухой климат)
к субатлантическому (холодный и влажный). Ближайшее к нам хорошо изве-
стное похолодание климата имело место в течение «малого ледникового пе-
риода», в эпоху минимумов солнечной активности*. Вольфа, Шпёрера и Ма-
ундера. Эти хорошо документированные периоды низкой солнечной актив-
ности, установленные по данным изменения скорости образования ,4С и 10Ве
в атмосфере Земли в прошлом, совпадают с изменением климата.
В многочисленных исследованиях палеоклиматических данных зафик-
сирована заметная тенденция похолодания климата при переходе от суббо-
реального к субатлантическому периоду. Одной из центральных проблем
интерпретации косвенных палеоклиматических данных является их дати-
ровка. Использование исследователями различных временных шкал: радио-
углеродной, гляциологической, по ленточным глинам, календарной, имею-
щих различную погрешность, затрудняет, а иногда делает невозможным
хронологическую привязку выделенных фаз изменения климата и сопостав-
ление данных разных авторов. Радиоуглеродное датирование отложений в
наиболее ранних работах чаще всего отсутствует.
Приведем некоторые наиболее полные результаты исследований, отно-
сящиеся к этому временному интервалу.
Результаты детальных исследований по палсопочвам динамики процес-
сов в течение голоцена на Волго-Уральской песчаной территории, находя-
щейся на широтах (46*40-48’50' с.ш. и 47*30'—50* в.д.), выполненных в ра-
боте Иванова и Васильева (1995), показали, что в суббореальный период
голоцена (> 2500 лет назад) колебания атмосферной увлажненности были
весьма резкими, амплитуда климатических изменений была максимальной -
от климата черноземных степей до пустынного. Безрукова и др. (1996) отме-
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания "С и природные процессы 533
чают, что 2,5 тыс. лет назад структура ландшафтов для территории Прибай-
калья претерпевала значительные изменения. В работе Дергачевой и Феде-
н ее вой (2000) педогумусовым методом предпринята первая попытка рекон-
струкции количественных показателей климата Центрального Алтая (терри-
тория, лежащая между примерно 5Г15’ и 49*40’ с.ш. и 84* и 87’30‘ в.д) в
течение голоцена. Метод основан на изучении геохимических и педогенных
свойств осадка, при этом используются параметры гумуса, гуминовых кис-
лот, а также параметры почвенной массы. Четко выделяется относительное
позднеголоценовое (суббореальное > 2500 лет назад) похолодание, что про-
является в параметрах гумусов и гуминовых кислот.
Следует отметить, что в последние годы в Западной Сибири проведено
детальное изучение спорово-пыльцевым и радиоуглеродным методами более
100 разрезов голоиеновых отложений, что позволило представить подробную
хроностратиграфическую схему голоцена Сибири (Зыкин и др., 2000). Авторы
отмечают, что начиная с субатлантического времени, 2500—2000 лет назад, на
территории Западной Сибири повсеместно развиваются старичные торфяни-
ки, что согласуется с данными Савиной (1976) для Саянского высокогорья.
Для этого времени были характерны неустойчивые температуры и влажность,
этапы кратковременных похолоданий и потеплений. Выделены тысячелетние
ритмы флуктуаций климата, при этом каждый ритм состоит из двух интерва-
лов: теплого и холодного, отвечающих четырем фазам растительности, соот-
ветственно, тепло-влажно и тепло-сухо, холодно-влажно и холодно-сухо с
продолжительностью фаз 200-300 лет (Левина и Орлова, 1993).
Климатические изменения, прослеженные в ботаническом составе бо-
лотных отложений и сопоставленные с ослаблением солнечной активности,
недавно довольно точно датированы периодом —850 лет до н.э. (van Geel et
al., 1996; 1998). Это послужило основанием для гипотезы о связи климати-
ческих и культурных изменений в переходный период от бронзового к же-
лезному веку, когда резко увеличилась плотность заселения Северо-Запад-
ной Европы (van Geel and Berglund, 2000). В такой же период климатические
изменения зарегистрированы при исследовании болот в Центральной Евро-
пе (Speranza et al., 2002) и Восточной Европе - быстрое и полноводное
наполнение Волги в ее верхней части (Gracheva, 2002).
Палинологические данные озерных отложений в Камеруне (Reynaud-
Farrera et al., 1996; Maley and Brenac, 1996) указывают на быстрое отступле-
ние лесной границы около 2700 лет назад. Используя озерные отложения из
двух различных регионов Тропической Африки, Gasse and van Campo (1994)
реконструировали гидрологический баланс озер в Эфиопии и Гане. Из по-
лученных ими результатов может быть сделан вывод, что в окрестности 400
и 3000 лет назад имели место крупномасштабные осцилляции жаркого сухо-
го климата. Анализ патинологических, геологических и археологических
данных показывает, что во временном интервале около 2680-2200 кален-
дарных лет назад имело место резкое изменение климата. Если на средних
широтах Северного полушария (Европа, Северная Америка, Япония) и Юж-
1^534 Приложение HI. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
ного полушария (Новая Зеландия, Южная Америка) климат изменялся к
холодным и влажным условиям, то в тропиках (Африка, Караибский реги-
он) - к сухим условиям. Такое изменение климата может быть связано с
изменением атмосферной циркуляции.
Важной особенностью климатического изменения в окрестности 2700
лет назад является резкое синхронное изменение потоков космических лу-
чей, регистрируемых как изменение концентрации космогенного ,А€ в коль-
цах деревьев (рис. 16). Было также найдено и синхронное увеличение кос-
могенного ,0Ве в кернах льда (Beer et al., 1988).
1
О
-1
-2
Рис. 16. Изменение концентрации ,4С между 1000 и 200 гг. до н.э. Резкое
возрастание амплитуды А,4С в окрестности 800 г. до н.э. совпадает с
фазой палеоэкологических, геологических и археологических дока-
зательств изменения климата в прошлом (заштрихованная область).
Реконструкции изменений климата из косвенных голоценовых данных
указывают на то. что и в более удаленном прошлом: около 5400-4700.
8500-7800 лет назад имело место значительное изменение климата. Эти
интервалы времени близко совпадают с высокими потоками галактичес-
ких космических лучей, попадающих в земную атмосферу. Не анализируя
все возможные источники, ответственные за изменение климата, отметим,
что одним из возможных механизмов изменения климата могут быть кос-
мические лучи, которые, вызывая ионизацию атмосферы, могут воздей-
ствовать на облачность, тем более что на масштабе солнечного цикла уста-
новлена близкая корреляция между изменением потока космических лу-
чей и наблюдаемым облачным покрытием (Svensmark and Friis-Christensen,
1997). Как следует из этой работы, увеличение интенсивности космичес-
ких лучей должно приводить к увеличению облачности и соответствующе-
му похолоданию. С этих позиций реконструированные влажные и холод-
ные климатические условия около 2700 лет назад согласуются с увеличе-
нием амплитуды вариаций интенсивности космических лучей.
4. Крупномасштабные циклические изменения содержания ,4С и природные процессы 535 Ю
4.4. Изменение естественного уровня 14С и геомагнитное поле
Климат последних 10 тыс. лет является более стабильным и теплым по срав-
нению с предыдущим периодом до и после отступления последнего оледе-
нения, начавшегося примерно 21 тыс. лет назад. Следует отмстить также,
что величина дипольного момента Земли в течение последних 10 тысяч лет
была наиболее высокой по сравнению с предыдущим периодом, что должно
приводить к более низкому уровню галактических космических лучей, по-
ступавших в земную атмосферу в течение этого временного интервала. Как
видно из рис. 5, самый заметный компонент в длинных рядах измерений
Д‘4С с амплитудой до 10% - долговременный тренд, который, по-видимому,
обусловлен изменением дипольного момента Земли.
Хорошо известно, что поток космических лучей, а также скорость обра-
зования радиоуглерода зависят от напряженности магнитного поля Земли.
В конечном счете с уменьшением напряженности геомагнитного поля по-
ток космических лучей в окрестности Земли увеличивается, следовательно,
увеличивается и скорость образования ,4С. Более высоким значениям на-
пряженности поля соответствует противоположный эффект в интенсивнос-
ти космических лучей и в скорости образования ,4С. Эти факты установле-
ны экспериментальным образом.
Данные археомагнитных исследований свидетельствуют о значительных
вариациях напряженности геомагнитного поля в прошлом, а в последние
сотни лет напряженность поля постепенно уменьшается. Магнитное поле
Земли имеет довольно сложную структуру, и в настоящее время еще окон-
чательно не выяснен характер изменения поля на длительной временной
шкале. Ясно, однако, что поле испытывает вариации небольшой амплитуды
за десятки-сотни лет и большие изменения - за тысячи-десятки тысяч лет.
Земное магнитное поле обычно аппроксимируют полем аксиального маг-
нитного диполя, расположенного в центре или близко к центру Земли и
направленного примерно вдоль оси вращения планеты, и недипольной час-
тью (Rikitake, 1966; глава 9 этой книги).
Археомагнитные и палеомагнитные исследования, основанные на изме-
рении остаточного магнетизма в древних археологических объектах и поро-
дах, позволяют описывать поведение магнитного поля на разных времен-
ных шкалах. Определив возраст исследуемых археологических образцов (на-
пример, очагов), можно узнать не только такие характеристики поля, как
склонение и наклонение, но и напряженность поля в определенные истори-
ческие эпохи. Выявленные серии измерений напряженности земного маг-
нитного поля показывают значительные изменения ее в историческом про-
шлом. Археомагнитные данные, определенные до 1982 г. были статистичес-
ки проанализированы McEllhinny и Senanayake (1982).
На рис. 17п приведены усредненные по 500 и 1000 лет результаты срав-
нения 1167 мировых измерений напряженности геомагнитного поля за про-
шлые 12 тыс. лет (McEllhinny and Senanayake, 1982) и концентрации ,4С за
536 Приложение III. Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
такой же промежуток. В дальнейшем были получены новые данные, в осо-
бенности для Азии, и выполнен анализ 3243 измерений из различных реги-
онов мира, покрывающих последние 12 тыс. лет (Yang et al., 2000). Авторы
отмечают, что в целом нет значительного различия между новым набором
данных и результатами исследований (McEllhinny and Senanayake, 1982). Ос-
новные различия появились между наборами данных для Азии и Европы на
интервале от 4 тыс. до 7 тыс. лет назад.
Годы в прошлое
Рис. 17. Изменение дипольного момента Земли, полученное по археомагнит-
ным данным; а - McEllhinny and Senanayake (1982), б - Tcanby and
Gubbins (2000). Результаты сглаживания археомагнитных данных ав-
торами Tcanby and Gubbins (2000) представлены на рис. в. На рис. а
проведено сравнение изменений дипольного момента Земли и кон-
центрации ,4С. Для наглядности кривая ,4С инвертирована.
5. Заключение 537
Для статистических исследований изменения дипольного момента Зем-
ли на более длинной временной шкале (Tcanby and Gubbins, 2000) кроме
ряда (Yang et al., 2000) была использована дополнительная база данных тер-
моостаточной намагниченности образцов из различных регионов Земного
шара, и полученные ими результаты представлены на рис. 176. Обращает на
себя внимание значительное расхождение этих данных с данными .McEllhinny
and Senanayake (1982) в интервале времени до 8 тыс. лет назад, что особенно
заметно прослеживается при сглаживании данных на рис. 17в.
Из анализа рис. 17я, где проведено сопоставление данных по концентра-
ции ,4С и напряженности магнитного поля Земли, след}ет, что в определен-
ной мере содержание радиоуглерода следует за изменениями поля. В период
времени с примерно 5000 до 8000 лет назад дипольный момент Земли был
минимальным, что отражается в повышенной концентрации ,4С. Обратим
внимание также на два пика в изменении дипольного момента Земли около
2 тыс. и 9 тыс. лет назад, что отражается в понижении концентрации 14С.
Таким образам, анализ данных на рис. 17 свидетельствует, что на всем более
чем 10-тысячелетнем интервале изменения геомагнитного поля модулиро-
вали уровень НС, и главной причиной долговременного тренда в изменении
концентрации |4С, по-видимому, является изменение геомагнитного диполь-
ного момента.
5. Заключение
Значение радиоуглеродного метода нашло широкое применение не только у
историков и археологов. Рассмотренный в данной главе материал показыва-
ет большие возможности радиоуглеродного метода применительно к геофи-
зике и астрофизике. Получение надежной информации о многих процессах,
протекающих в недалеком прошлом или протекавших тысяч и-десятки ты-
сяч лет тому назад - это прерогатива радиоуглеродного метода.
Чтобы понять, насколько широки возможности этого метода, приведем
те главные приложения радиоуглерода, которые широко проводятся в зем-
ных науках: а) изучение атмосферы - дисперсия, перенос и процессы пере-
носа на локальной, региональной и глобальной шкалах, стратосферно-тро-
посферный обмен, источники и стоки углекислого газа и метана; б) конти-
нентальная гидросфера - взаимодействие между поверхностными и грунто-
выми водами, датирование грунтовой воды; в) океан — циркуляция и про-
цессы перемешивания, возраст водных масс, перенос антропогенного угле-
кислого газа в океан, датирование отложений океанов и морей, вариации
уровня морей в прошлом; г) литосфера - датирование карбонатных и озер-
ных отложений. Радиоуглерод находит широкое применение в физике кос-
мических лучей, биологии и других областях.
Существенный прогресс в развитии радиоуглеродного анализа стал воз-
можным благодаря усовершенствованию и созданию новых методик, дав-
ших возможность резко уменьшить погрешности результатов, использовать
|^М8 Приложение HL Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
меньшую навеску образцов, что позволило расширить области применения
радиоуглеродного метода. Вместе с тем радиоуглеродный метод - это тон-
кий инструмент, которым следует грамотно пользоваться. Удивительно про-
стые правила радиоуглеродного датирования, доступность метода и обилие
материала тем не менее не позволяют делать скороспелых выводов о том
или ином явлении или процессе без учета всех факторов, в которые был
вовлечен радиоуглерод и исследуемый образец.
Список литературы к Приложению III 53у)
Список литературы к Приложению III
Айманова Г.К., Демченко Б.И.. Дергачев ВА.. Куклин Г.В.. Макаренко Н.Г.. Мордвинов А.В.
(1990) Исследование солнечно-обусловленной динамики уровня активности естественного радио-
углерода на большой шкале времени. Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе. № 1450. Ленинград. 27 с.
Арабаджи М.С. (1986) В недрах голубого континента. М.: Недра. 142 с.
Ахметкерсев С.X . Дергачев В.А. (1981) Моделирование влияния некоторых климатичес-
ких факторов на концентрацию радиоуглерода в земной атмосфере // Известия Академии наук
СССР. Серия физическая. 459(12): С. 1296-1304.
Безрукова Е.В., Мац ЕД.. Логунова П.Л., Накамура Т.. Фуджии С. (1996) Голоценовые
торфяники Прибайкалья как объект палеоклиматических реконструкций // Геология и геофи-
зика. 37(12): С. 78-92.
Битвинскас Т.Т. (1974) Дендроклиматические исследования. Ленинград: Гидрометеоиз-
дат. 172 с.
Битвинскас Т.Т.. Дергачев В.А., Колищук В.Г., Кочаров Г.Е.. Чесноков В.И. (1988) Анализ
годичных слоев древесины для исследования астрофизических и геофизических процессов //
Экспериментальные методы исследования астрофизических и геофизических явлений. Л.: ФТИ
им. А.Ф. Иоффе АН СССР. С. 9-55.
Борисенко Е.П.. Пасецкий В.М. (1988) Тысячелетняя летопись необычных явлений при-
роды. М.: Мысль.
Ваганов Е.А., Шиятов С.Г.. Мазепа В.С. (1996) Дендроклиыатическне исследования в Ура-
зо-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука. С. 1-245.
Васильев В.А., Дергачев В.А. (1981) Солнечная активность в период Маундеровского ми-
нимума // Известия Академии наук. Серия физическая. 44(12): С. 2510-2527.
Васильев С.С.. Дергачев В.А. (1995) Изменение естественного уровня радиоуглерода в ат-
мосфере Земли и геомагнитное поле // Геомагнетизм и аэрономия. 35: С. 147-151.
Васильев С.С., Дергачев В.А. (1998) Изменение естественного уровня радиоуглерода в ат-
мосфере Земли за последние 8000 лег как следствие солнечной активности, геомагнитного
поля и климатического фактора // Биофизика. 43(4): С. 181-188.
Дендрохронология я дендроклиматология (1986) / Под ред. Л.А. Кайрюкштиса, Г.И. Галг-
зия и С.Г. Шлятова. Новосибирск: Наука. 208 с.
Дергачев ВА., Ступнева А.В. (1975) Некоторые вопросы выбора оптимальной модели угле-
родного динамического резервуара. Препринт ФТИ ич. А.Ф. Иоффе № 491. Л.: 31 с.
Дергачев В.А. (1981) Космогенный радиоуглерод в атмосфере Земли // Известия АН СССР.
Серия физическая. 45(4): с. 507-521.
Дергачев В.А. (1994) Радиоуглеродная хронометрия геомагнитного поля. Геомагнетизм и
аэрономия 34(4). С. 1-21.
Дергачев В.А., Распопов О.М. (2600) Долговременные процессы на Солнце, определяю-
щие тенденцию изменения солнечного ихчучения и поверхностной земной температуры //
Геомагнетизм и аэрономия. 40: С. 9-14.
Дергачева М.И.. Феденеева И.Н. (2000) Климат и ландшафтная обстановка Центрального
Алтая за последние 130 тысяч лег: опыт реконструкции // Проблемы реконструкции климата и
природной среды голоцена и плейстоцена Сибири. Новосибирск: Изд-во Ин-та археологии и
этнографии СО РАН. Вып. 2. С 142-153.
Дженкинс Г.М, Ватте ДГ. (1971-1972) Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир.
Дрейпер Р.. Смит Г. ()987) Прикладной регрессионный анализ. М.: Финансы и статистика.
Завельский Ф.С. (1969) Определение абсолютного возраста при наличии загрязнений. ПТЭ
I: С. 231-237.
Зыкин В.С., Зыкина В.С.. Орлова Л.А. (2000) Основные закономерности изменения при-
родной среды и климата в плейстоцене и голоцене Западной Сибири // Проблемы реконструк-
ции климата и природной среды голоцена и плейстоцена Сибири. Новосибирск: Изд-во Ин-та
археологии и этнографии СО РАН. Вып. 2. С. 208-228.
Приложение Ш- Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Колчин БЛ., Черных Н.Б. (1977) Дендрохронология Восточной Европы. М.: Наука. 126 с.
Левина Т.Р., Орлова Л .А. (1993) Климатические ритмы юга Западной Сибири // Геология
и геофизика 3: С. 38-55.
Наговицын Ю.А. (2001) Солнечная активность двух тысячелетий: «служба Солнца» я древ-
нем и средневековом Китае // Геомагнетизм и аэрономия 41(5): С. 711-720.
Савина Л.Н. (1976) Новейшая история лесов Западного Саяна (поданным спорово-пыль-
цевого анализа). Новосибирск: Наука. Сиб. отделение. 156 с.
Шведов Ф.Н. (1892) Дерево как летопись засух // Метеорологический вестник. N? 5.
Agnihotri R., Dutta К., Bhushan R., Somayajulu (2002) Evidence Гог solar forcing on the Indian
monsoon during the last millennium // Earth and Planetary Science Letters. 198: P. 521-527.
Basilcvskaya G.A. (2000) Observations of variability in cosmic rays 11 Space Science Review,
94: P. 25-38.
Beer J., Siegenthalcr U.. Bonani G., Finkel R.C., Oeschger H., Suter M-, Wblfii W. (1988)
Information on past solar activity and geomagnetism from *°Be in the Camp Century ice core //
Nature. 331: P. 675-678.
Beer J„ Joos C.F., Lukasczyk C., Mcnde W., Siegenthalcr U., Stchmacher R.. Suter M. (1994)
wBe as an indicator of solar variability and climate // Ne$me-Ribes E (ed> The Solar Engine and its
Influence on Terrestrial Atmosphere and Climate. Springer-Vcrlag, Berlin, P. 221-233.
Blackman R.B., Tukey J.M. (1958) The Measurement of Power Spectra. Dover Press, New York.
Bretthorst G.L. (1988) Bayesian Spectrum Analysis and Parameter Estimation, Springer-Veriag.
Germany.
Burg J.P. (1972) The relationship between maximum entropy spectra and maximum likelihood
spectra // Geophysics. 37: P. 375-376.
Cain W.F. (1979) l4C in modem American trees // Berger R and Sucss HE (cds) Radiocarbon
Dating. Berkeley: Univ. California Press, P. 495-510.
Castagnoli C.G., Bonino G., Della Monica P., Procopio Taricco C. (1998) On the solar origin
of the 200 yr Suess wiggtes: evidence from thermoluminescence in sea sediments // Nuovo Cimcnto.
2IC: P. 237-241.
Damon P.E., Lerman J.C., Long A. (1978) Temporal fluctuations of atmospheric MC: causal
factors and implications // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 6: P. 457-494.
Damon P.E., Cheng S., Linick T.W. (1989) Fine and hyperfine structure in the spectrum of
secular variations of atmospheric HC // Radiocarbon. 31: P. 704-718.
Damon P.E., Jirikowic J.L. (1992) The Sun as a low-frequency harmonic oscillator 11 Radiocarbon.
34(2): P. 199-205.
Damon P.E., Sonctt C.P. (1992) Solar and terrestrial components of the atmospheric HC variance
spectra // Sonctt C.P., Giampapa M.S. and Mathews M.S. (cds) The Sun in Time. Tucson. The
University of Arizona Press. P. 360-388.
Dansgaard W., Johnsen S J., Clausen H.B.. Dahl-Jensen D., Gunderstrup N., Hammer G. Oeschger
H. (1984) North Atlantic climate oscillations revealed by deep Greenland ice core // Hansen J.E. and
Takahashi T. (cds) Climate Processes and Climate Sensitivity. Washington, D.C., American Geophysical
Union. P. 288-298.
Dergachcv V.A. (>978) Solar activity and modulation of galactic cosmic rays in the past // Phys.
Solarium, Potsdam. No. 8: P. 65-72.
Douglass A.E. (1919, 1928, 1936) Climatic Cycles and Tree-Growth. Washington. V. H3.
Douglass A.E. (1940) Estimated ring chronology 150-1934 A.D. Tree-Ring Bulletin. V. 6.
Dziewonski K., Bloch S., Landisman M. (1969) A technique for the analysis of the transient
seismic signals // Bulletin of the Seismological Society of America 59: P. 427-444.
Eddy J.A. (1976) The Sun since the Bronze Age // Williams D.J. (cd) Physics of Solar Planetary
Environments. AGU, Washington. D.C. V. 2. P. 958-972.
Eddy J.A. (1988) Variability of the present and ancient Sun: A test of solar uniformitarianism I I
Stephenson F.R. and Wolfcndale W. (cds) Secular Solar and Geomagnetic Variations in the Last
10.000 Years. Dordrecht. Kluwer Academic Publishers. P. 1-23.
Список литературы к Приложению III
Esper J.. Cook E.R., SchweingruberF.H. (2002) Low-frequency signals in long tree-ring chronologies
for reconstructing past temperature variability // Science. 295: P. 2250-2253.
Finkel R.C., Nishisumi K. (1997) Beryllium 10 concentrations in the Greenland Ice Sheet Project
2 ice core from 3-40 ka // Journal of Geophysical Research. IO2(C12): 26699-26706.
Frbhlich C., Lean J. (1998) The Sun’s total irradiance: cycles and trends in the past two decades
and associated climate change uncertainties // Geophys. Res. Lett. 25: P. 4377-4380.
Gasse F., van Campo E. (1994) Abrupt post-glacial climate events in West Asia and North Africa
monsoon domains // Earih and Planetary Science Utters. 126: P. 435-456.
Gracheva R. (2002) Abrupt environmental change and depopulation of Upper Volga lowland,
Central Russia, around 2,600 BP. Abstract conference «Environmental catastrophes and recoveries in
the Holocene», Brunel University. UK (http://atlas-conferences.com/cgi-bin/abstract/ca/q-7l).
Grootes P.M., Farwell G.M.. Schmidt F.N. ct al. (1989) Importance of biospheric CO2 in a
suncanopy atmosphere deduced from UC AMS measurements // Radiocarbon. 31: P. 475* 480.
Harkness D.D., Burleigh R. (1974) Possible carbon-14 enrichment in high altitude wood //
Archaeometry. 16: 121-128.
Hodell D.A., Curtis J.H., Brenner M. (1995) Possible role of climate in the collapse of the Classic
Maya Civilization // Nature. 375: P. 391-394.
Hodell D.A., Brenner M., Curtis J.H., Guilderson T.P. (2001) Solar forcing of drought frequency
in the Maya loulands // Science. 292: P. 1367-1370.
Jclbring H. (1995) Analysis of sunspot cycle phase variations - based on D. Justin Schoves’s proxy
data // J. Coastal Research. Special Issue. 17: P. 363-369.
King T. (1996) Quantifying nonlinearity and geometry in time series of climate // Quarternary
Science Reviews. 15: P. 247-266.
Lcvcnter A., Domack E.W., Ishman E.. Brachfeld S., McClcnnen C.E., Manley P. (1996)
Productivity cycles of 200-300 years in the Antarctic Peninsula region: understanding linkages among
the sun, atmosphere, oceans, sea ice, and biota // Geol. Soc. Am. Bull. 108: P. 1626-1644.
Lingenfelter R.E., Ramaty R. (1970) Astrophysical and geophysical variations in ,4C production //
Olsson IU (ed) Radiocarbon Variations and Absolute Chronology New York, Wiley, P. 513-537.
Maley J., Brenac P. (1998) Vegetation dynamics, palaeoenvironments and climatic changes in the forest of
western Cameroon during the last 28,000 years BP // Review of Palaebotany and Palynology. 99: P. 157-187.
McEllhinny M.W., Senanayake W.E. (1982) Variations in the geomagnetic dipole I, the past
50000 years // Journal of Geomagnetism and Geoelectriciry. 34: P. 39-51.
Methods of Dendrochronology (1987) (eds) Kairiukshtis L., Bednarz Z. and Feliksik E., Warsaw,
Systems Research Institute, 319 p.
Methods of Tree-Ring Analysis: Application in the Environmental Sciences (1990) (eds) Cook
E.R. and Kairiukstis L, Dordrecht, Cluwcr.
Nydal R. (1968) Further investigation on the transfer of radiocarbon in nature I I Journal of
Geophysical Research. 73: P. 3617-3635.
Nydal R., LOuseth K., Gulliksen S. (1979) A survey of radiocarbon variations in nature since the
Test Ban Treaty. Radiocarbon Dating. Los Angeles, Univ. California Press. P. 313-323.
O’Brien K. (1979) Secular variations in the production of cosmogenic isotopes in the Earth’s
atmosphere // J. Geophys. Res. 84: P. 423-431.
O’Brien S.R., Mayewski PA, Meeker L.D., Meesc DA, Twickler M.S., Whitlow S.l. (1995) Complexity
of Holocene climate as reconstructed from a Greenland ice core // Science. 270: P. 1962-1964.
Oeschger H., Siegenthaler U., Schottcrer V., Gugelman A. (1975) A box diffusion model to study
the carbon dioxide exchange in nature // Telhis. 27: P. 168-192.
Pcstiaux P., Berger A., Duplcssy J.C. (1988) Paleoclimahc variability at frequencies ranging from
1 cycle per 10,000 years to 1 cycle per 1,000 years: Evidence for non-linear behaviour of the climate
system // Climatic Change. 12(1): P. 9-37.
Rcynaud-Fanera 1., Maley J. and Wirmann D. (1996) Vegetation et climat dans les forets du Sud-
Qucst Cameroon depuis 4770 ans BP: analyse pollicque des sediments du Lac Ossa. Comptes Rendus
de I’Acaddmie des Sciences Pans. 322 : P. 749-755.
Приложение ПК Кольцо дерева, радиоуглерод и природные процессы
Rikitake Т. (1966) Elecromagnctism and the Earth's Interior. Amsterdam, Elsevier, 331 p.
Roig FA., Le-Quesnc C., Boninsegna J.A., Britta K.R., Lara A-, Crudd H., Jones P.D. Villagrdn
C (2001) Climate variability 50,000 years ago in mid-latitude Chile as reconstructed from tree rings //
Nature. 410: P. 567 -570.
Rothlisberger F. (1986) 1000 Jahre Gletschcrgcshichte der Erde. Verlag Saucrlander, Aarau.
Schmidt B., Gruhle W. (1988) Radiokoh'.cnstoffgehalt end dendrochronologie.
Nalurwisscnschaftliche Rundschau. 5: P. 177-182.
Schove D.J. (1955) The sunspot cycle, 649 B.C. to A.D. 2000. J. Geophys. Res. 60: P. 127-146.
Schove DJ. (1983) Sunspot Cycles. Siroutsburg, Pennsylvania, Hutchinson Ross. 397 p.
Semandcr R. (1910) Ausstellung zur Bcleuchtung der Entwicklungsgeschichte der schwedishen
Torfmoore. Compt Rend XI Cong Gcol I nt. 1292 p.
Shore J.E., Johnson R.W. (1981) Properties of cross-cntropy minimization. IEEE Trans. Inform.
Theory. IT-27: P. 472-482.
Sicgenthaler LI., Heinmann M.. Oeschger H. (1980) ,4C variations caused by changes in the global
carbon cycle // Radiocarbon. 22: P. 177-191.
Sonett C.P., Suess H.E. (1984) Correlation of bristteconc pine ring widths with atmospheric ,4C
variations: a climate-Sun relation // Nature. 307: P. 141-143.
Sonett C.P., Finney SA. (1990) The spectrum of radiocarbon. Phil. Trans. Roy. Soc. London.
A330: P. 413-426.
Sonett C.P. (1992) The present status of understanding of the long-period spectrum of radiocarbon //
Taylor R.E., Long A. and Kra R.S. (eds) Radiocarbon After Four Decades: An Interdisciplinary Perspective.
N.-Y., Springer Veriag- P- 50-63.
Speranza A.O.M., van Geel B., van der Plichi J. (2003) Evidence for solar forcmg of climate
change at ca. 850 cal BC from a Czech peat sequence. Global and Planetary Change. 35(1): P. 51-65.
Stuiver M., Becker B. (1993) High precision decadal calibration of the radiocarbon time scale AD
I9S0-6000 BC. Radiocarbon. 35(1): P. 35-65.
Stuiver M, Braziuaas T.F. (1989) Atmospheric ,4C and century-scale solar oscillations // Nature.
338: P. 405-408.
Stuiver M., BraziunasT.F. (1993) Sun, ocean, climate and atmospheric l4CO2, an evaluation of
causal and spectral relationships // The Holocene. 3: P- 289-305.
Stuiver M., Long A., Kra R.S. (eds) (1993) Calibration 1993. Radiocarbon 35(1): P. 1-244.
Stuiver M., Reimer PJ., Bard E., Beck J.W., Burr G.S., Hughen K.A., Kromer B., McCormac
G., van der Plicht J., Spurk M. (1998) 1NTCAL1B 98 radiocarbon age calibration, 24.00Q - 0 cal BP.
Radiocarbon. 1998. 0(3): P. 1041-1083.
Stuiver M., Quay P.D. (1981) Changes in atmospheric l4C attributed to a variable Sun // Science.
9: P. 1-20.
Suess H.E., LinickT.W. (1990). The “C record in bristlecone pine wood of the past 8000 years based
on the dendrochronology of the late C.W. Fergusson. Phil. Trans. R. Soc. London. A33O: P. 403-4)2.
Svensmark H. and Friis-Christensen E. (1997) Variation of cosmic ray flux and global cloud
coverage: A missing link in solar-climate relationship 11 J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.
59: P. 1225-1232.
Tenby N., Gubbins D. (2000) The effects of aliasing and lock in process on paleosccular variation
records from sediments. Geophys. L Int 142: P. 563-570.
Thompson L.G., YaoT., Davis M.E., Henderson KA., Mosley-Thompson E., Lin P.-N., Beer J.,
Synal H.-A.. Cole-Dai J., Bolzan J.F. (1997) Tropica) climate instability: The last glacial cycle from a
Qinghai-Tibctan ice core I I Science. 276: P. 1821-1825.
van Geel B., Buurraan J., Watcrbolk H.T. (1996) Archeological and paleoccological indications
for an abrupt climate change in The Netherlands and evidence for climatological teleconnections
around 2650 BP // Journal of Quaternary Science. 11: P. 451-460.
van Geel B., van der Plicht J., Kilian M.R., Klaver E.R., Kouwenberg J.H.M., Renssen H.. Reynaud-
Farrera I., Waterbolk H.T. (1998) The sharp rise of Д'4С ca. 800 cal BC: possible causes, related climatic
tcleconnections and the impact on human environments // Radiocarbon. 40: P. 535-550.
Список литературы к Приложению П! 543
van Geel В., Berglund В.Е. (2000) A causal link between a climatic deterioration around 850 cal BC
and a subsequent rise in human population density in NW-Europe? // Terra Nostra. 7: P. 126-130.
Vasiliev S.S., Dergachev VA (2002) The -2400-year cycle in atmospheric radiocarbon concentration*.
Bispectrum of HC data over the last 8000 years // Annales Geophysical. 20: P. 115-120.
Verschuren D., Laird K., Cumming B. (2000) Rainfall and drought in equatorial East Africa
during the past 1100 years // Nature. 403: P. 410-413.
Wittman A.D., Xu Z. (1980) A catalog of non-telescopic sunspot observations// Astron. Astrophys.
Suppl. Ser. 70: P. 83-94.
Xu Zhentao (1990) Solar observations in ancient China and solar variability. Phil. Trans. Roy. Soc.
London. A33O: P. 513-515.
Yang S., Odah H.. Shaw J. (2000) Variations in the geomagnetic dipole moment over the last
12000 years // Geophysical Journal Interior. 140: P. 158-162.