О древнем угле и возрасте археологических находок

 

Взглянув на таблицу продолжительности геологических пе­риодов фанерозоя, мы увидим, что длительность каждого из них определена с точностью, не превышающей 1 млн. лет. В среднем это, пожалуй, предел детальности, с которой действуют методы, использованные при построении геохро­нологической шкалы. А как быть, если необходимо выяснить возраст слоев, образовавшихся сравнительно недавно, на­пример, на протяжении последнего миллиона лет? Оказа­лось, что это возможно. Надо только подобрать для экспе­римента пары других исходных и конечных продуктов радио­активного распада. После интенсивных поисков было выбрано несколько пар таких химических элементов и предложен ряд новых методов определения абсолютного возраста.

В пределах 300 тыс. лет действуют радий-урановый и радий-актиниевый методы. Они удобны для датировки геоло­гических образований в тех случаях, когда требуемая точ­ность не превышает 4 — 10 тыс. лет.

Но очень часто в геологии и археологии бывает необ­ходимо выяснить возраст так называемых новейших собы­тий, произошедших в последние 10 — 12 тыс. лет. В этом случае определить возраст можно по содержанию радио­активного изотопа углерод-14 (¹⁴С). Этот сравнительно не­долговечный изотоп (его период полураспада около 5730 лет) непрерывно образуется в высоких слоях атмосферы в резуль­тате соединения азота со свободными нейтронами, появляю­щимися под действием космического излучения. Окисляясь, углерод входит в состав углекислого газа; в процессе обмена веществ он усваивается живыми организмами и включается в круговорот углерода, происходящий в атмосфере, гидро­сфере и биосфере Земли.

Скорость, с которой идет образование нейтронов в атмо­сфере, известна. Известно также, что большинство из них расходуется на создание радиоактивного углерода. Значит, можно рассчитать, насколько ежегодно увеличивается коли­чество изотопа углерод-14. Но если какой-либо органический объект (допустим, растение), в составе которого есть радио­активный углерод, по тем или иным причинам окажется изъятым из углеродного круговорота, количество углерода-14 в его тканях перестанет возрастать. А тот радиоактивный изотоп, который успел накопиться ранее, будет продолжать распадаться.

Проведя соответствующие измерения, можно, например, убедиться, что содержание углерода-14 в обломке древесины, взятом из раскопа палеолитического могильника, будет за­метно меньше, чем в стволах деревьев, растущих ныне. Если же установить отношение количества радиоактивного изотопа и содержания других форм углерода (¹²С и ¹³С), то с учетом периода полураспада изотопа углерод-14 можно вычислить время, когда было срублено дерево, найденное в захоронении.

Открытие углеродного метода было большим подспорьем для многих областей науки, поскольку углерод содержится и в костях животных, и в мышцах, и в растительных тка­нях — словом, в любых органических остатках, с которыми имеют дело исследователи минувших эпох.

С помощью углеродного метода можно определить время исторических событий, возраст древних построек, манускрип­тов, домашней утвари. Изучив разрез почвы на местах по­селений первобытного человека, можно восстановить и про­следить во времени историю жизни наших предков. Остатки золы древних кострищ, кости домашних животных и при­митивные производственные орудия точно указывают сроки, когда человек покидал обжитые места. Костяные инстру­менты, наскальные рисунки, наконечники колющего оружия рассказывают о продолжительности стоянок.

Остатки костей, найденные вместе с кремневыми ору­диями, позволили установить протяженность каменного века. А обнаруженные в еще более древних слоях скелеты неандер­тальцев дали возможность судить о начальных этапах эво­люции человечества.

Но обо всем этом можно было узнать только по тем слоям, возраст которых не превышал 100 тыс. лет. В более ранних отложениях крайне редко удавалось найти древесный уголь — наилучший материал для радиоуглеродных определений, а если уголь и обнаруживали, то содержание радиоактивного изотопа углерода было в нем настолько низким, что не под­давалось измерению.

Углеродный метод завоевал множество сторонников. Кро­ме обширных коллекций, составленных при археологических раскопках, изучаются также многочисленные материалы, со­бранные геологами. Анализируются деревья погибших лесов, образцы торфа, раковины океанических животных. Прово­дятся и специальные контрольные опыты: определяется воз­раст деревянных изделий и древнейших погребений, которые уже датированы папирусами и летописями. Все эти иссле­дования показывают, что цифры, полученные в лаборатории, обычно соответствуют истинному времени исторических со­бытий.

Радиоуглеродный метод прочно вошел в практику геохро­нологических исследований. Первоначально с его помощью удавалось более или менее достоверно датировать только те отложения, возраст которых не превышал 20 тыс. лет. Сегодня же в массовом масштабе проводятся анализы, позво­ляющие осуществлять датирование в пределах последних 50 — 60 тыс. лет. А разработанные приемы обогащения проб радиоуглеродом и использование высокоточной техники от­крывают перед этим методом еще более широкие перспективы и разрешают изучать события, произошедшие до 70 тыс. лет назад. Определился и верхний предел действия метода — около 1000 лет; объекты моложе этого возраста дают слишком большие погрешности.

Для анализа обычно требуется довольно много исходного материала: древесного угля — не менее 10 г, скелетного ве­щества животных или древесины — несколько десятков грам­мов, торфа и гумуса — более 100 г. Исследователи рабо­тают над тем, чтобы массу анализируемых навесок можно было уменьшить. И есть все основания полагать, что эти старания увенчаются успехом.

Поскольку при использовании радиоуглеродного метода приходится анализировать очень малые количества изотопа, предъявляются высокие требования к отбору образцов, под­лежащих изучению. Во избежание загрязнения органикой образцы можно брать только пинцетом или шпателем. За­прещается прикасаться к ним руками, заворачивать в вату или бумагу, пересыпать стружкой и опилками, обрабаты­вать какими бы то ни было химикатами. Хранить образцы можно только в многослойных мешках или специальных капсулах из неорганических материалов.

Принцип лабораторного изучения образцов достаточно прост: нужно точно измерить бета-активность радиоуглерода. Для этих измерений пользуются счетчиками Гейгера или устройствами, фиксирующими сцинтилляцию — световые вспышки, возникающие при прохождении быстрых заряжен­ных частиц через некоторые вещества. Радиоактивный угле­род пробы можно поместить в счетчик в виде твердого, газообразного (например, в виде углекислого газа) или жид­кого вещества. В последнее время обычно предпочитают третий из этих способов, используя в качестве сцинтилля-тора бензол. Для защиты счетчика от проникновения внеш­него гамма-излучения устанавливают экраны из железа, рту­ти, свинца или парафина. Чтобы учесть влияние рассеян­ного космического излучения, вокруг счетчика размещают соответствующие регистрирующие приборы. Остается выде­лить, усилить и зарегистрировать импульсы от электронов, испускаемых при распаде радиоактивного углерода, а затем сравнить их с результатами, полученными на современном эталонном объекте.

Радиоуглеродный метод открыл широкие возможности для датирования новейших отложений. Результаты работ позволяют не только устанавливать возраст отдельных на­ходок, но и судить о закономерностях изменения географи­ческой обстановки, оценивать скорость циркуляции морских течений, прослеживать последовательность появления различ­ных растительных сообществ. Этим методом был определен возраст всех фаз последнего оледенения, установлено время образования речных террас и других форм современного рельефа. Стало возможно узнавать возраст органических остатков. Удалось установить, в частности, время жизни мамонта, найденного в ледниковых отложениях Таймыра; оказалось, что он жил 12 тыс. лет назад.

Рассматриваемый метод позволяет сопоставить между собой отложения, сформировавшиеся в различных климати­ческих зонах. Впервые представилась возможность опреде­лять возраст разрозненных фрагментов, принадлежащих ске­летам организмов или изделиям древнего производства. В руках исследователей появился ключ к восстановлению исто­рии по следам жизни.

Но результаты оценки возраста радиоуглеродным мето­дом могут быть существенно искажены вследствие процессов гниения, поступления гуминовых кислот из грунтовых вод, а также привноса углерода, содержащегося в современных водах и атмосфере. Для анализа поэтому следует стремиться использовать только такой материал, который не подвергся этим воздействиям. Однако сколь бы тщательно ни подби­рались исследуемые образцы, гарантировать отсутствие влия­ния подобных процессов невозможно.

К тому же пришлось задуматься еще над одной пробле­мой. Интенсивность излучений, пронизывающих атмосферу, изменяется в зависимости от многих космических причин. Стало быть, количество образующегося радиоактивного изо­топа углерода должно колебаться во времени. Необходимо найти способ, который позволял бы это учитывать.

Кроме того, с тех пор как прогресс покрыл Землю густой сетью транспортных дорог и промышленных предприятий, в атмосферу непрерывно выбрасывается огромное количество углерода. Он образуется при сжигании древесного топлива, каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и продуктов их переработки. Какое влияние оказывает этот источник атмосферного углерода на повышение содержания радио­активного изотопа? Для того чтобы добиться определения истинного возраста, придется рассчитывать сложные по­правки, которые отражали бы изменение состава атмосферы на протяжении последнего тысячелетия.

Эти неясности наряду с некоторыми затруднениями тех­нического характера породили сомнения в точности многих прежних определений, выполненных углеродным методом.

Однако несмотря на все сложности, радиоактивный изотоп углерода продолжает успешно использоваться в геохроноло­гии и нередко помогает специалистам устанавливать воз­раст интересующих их отложений и событий сравнительно недавнего прошлого.

Трудоемки и сложны методы изотопного датирования. Поэтому не раз возникала мысль: нельзя ли подойти к изу­чению возраста Земли с каких-либо иных, принципиально отличных позиций?

Пришлось вновь пересмотреть старые, полузабытые ги­потезы, заново проанализировать многие геологические со­бытия, обобщить сведения, собранные наукой о Земле за последние десятилетия. И вот заговорили о природных яв­лениях, которые, на первый взгляд, казалось бы, не имеют непосредственного отношения к проблеме абсолютного лето­счисления.

ДРЕВНИЕ КОМПАСЫ