Принципы калий-аргонового датирования

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

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

В последние годы альтернативой стал метод компьютерного аргонового лазерного термоядерного синтеза (computerized argon laser fusion). Посредством наведения лазерного пучка на отдельно взятое облученное зернышко вулканической лавы (полевого шпата) специалист по калий-аргоновой датировке может датировать слой ложа озера или даже небольшую россыпь инструментов или костей животных, оставшихся после гоминида. Зернышко раскаляется добела и испускает газ, который очищают, а затем заряжают электронным пучком. Мощный магнит разгоняет заряженный газ и «бросает» его на устройство, подсчитывающее атомы аргона в нем. Измеряя относительные количества двух изотопов элемента, ученые могут определить время, прошедшее с момента охлаждения лавы и образования кристаллов.

 

 

Датирование по гидратации обсидиана. Этот метода может быть использован для датирования всего периода существования человечества. Обсидиан является естественным стекловатым веществом, образованным в результате вулканической активности (Лейте — Leute, 1987). В течение длительного времени его ценили за острые края и другие свойства, отлично подходящие для изготовления инструментов. В датировании по гидратации обсидиана используется следующее свойство: только что изготовленная поверхность обсидиана поглощает влагу, образуя измеряемый слой гидратации, невидимый невооруженному глазу. Ни один известный материал не обладает таким свойством. Поскольку только что изготовленная поверхность сильно «притягивает» воду, то абсорбция продолжается до тех пор, пока поверхность не насыщается молекулами воды. Эти молекулы затем медленно диффундируют вглубь тела обсидиана. Такая зона гидратации содержит около 3,5 % воды, повышая плотность слоя и допуская точное измерение под поляризованным светом. Каждый раз, когда откалывается поверхность, например при изготовлении инструмента, гидратация начинается заново с места скола. Таким образом, глубина полученной гидратации представляет время, прошедшее с момента изготовления объекта или его использования. Гидратация наблюдается на микроскопически тонких кусочках обсидиана, отколовшихся от артефакта и размельченных до размера 0,75 мм. Сейчас широко используется нейтронно-активационный анализ, который позволяет получить не только даты, но и информацию, которая может быть использована для мониторинга изменений торговых связей (глава 16).

Метод датирования по гидратации обсидиана с большим успехом использовался в Центральной Америке, главным образом в десятилетней программе по датированию в городе майя Копане (Freter, 1993). Ученые тщательно собирали информацию о таких важных переменных внешней среды, как температура, осадки, кислотность почвы, получаемых с метеостанций, с влажных и сухих элементов, захороненных на разных глубинах на памятниках, которые предстояло датировать. Также собирались данные о составе почв за как можно большее количество лет. Энн Корин Фретер называет такой подход «соединительным»: все виды хронологических данных и строго спланированное изучение всех переменных, могущих повлиять на гидратацию, были соединены воедино в одном хронологическом проекте. Таким образом, точность датирования по гидратации обсидиана проверялась на каждом шагу.

Проект датирования по обсидиану в Копане начался в 1984 году, в результате было получено 2300 дат на 252 памятниках, то есть на 17 % памятников в долине Копан (Фретер — Freter, 1994). Этот метод был идеальным для Копана, где радиоуглеродное и археомагнитное датирование будет дорогим, а полученных с их помощью дат будет немного, в то время как датирование по гидратации обсидиана сравнительно дешево. В то же самое время обилие обсидиана как в центральной части, так и в отдаленных городских поселениях позволило провести экономную датировку большого количества памятников. Таким образом, Фретер и ее исследовательская группа смогли проследить изменяющуюся структуры поселений в период между 500 и 1150 годами н. э. с большой хронологической точностью. Они показали, что государство Копан быстро пало между 800 и 850 годами (более подробно об изучении Копана см. в главе 15). Фретер указывает, что при постоянных условиях внешней среды на территории памятника метод датирования по гидратации обсидиана имеет большой потенциал при получении относительных хронологий и идентификации памятников с поврежденными слоями обитания.

Термолюминесцентное датирование. Этот метод датирования основан на том факте, что любой материал на земле подвергается радиоактивному облучению низкого уровня, исходящему от различных радиоактивных элементов окружающей среды. Многие твердые материалы с течением времени постепенно накапливают небольшие количества этой энергии. Когда этот материал нагревают, то сохраненная энергия испускается в виде света, и это явление называется термолюминесценцией. Предполагается, что возраст объекта равняется периоду времени с того момента, когда его нагрели до очень высокой температуры. Очевидно, что термолюминесцентное датирование применимо при датировании вулканических пород и других геологических образований, но его можно применять и по отношению к объектам, подвергавшимся тепловой обработке человеком, это могут быть глиняные сосуды, обожженные кирпичи и прочее.

В качестве образцов берут раздробленные глиняные черепки или сверлят небольшие отверстия для получения срединных образцов. В лаборатории замеряют естественную термолюминесценцию объекта с помощью счетчика альфа-радиации, проверяют скорость, с которой образец облучался в естественной среде, посредством мониторинга радиации местности, где он был найден, и определяют величину термолюминесценции, производимой известным количеством радиации. Все это дает основания полагать, что произведенные человеком объекты нагревались до достаточно высокой температуры, хотя это не всегда так.

Термолюминесцентное датирование, как утверждают, имеет точность 67 % и обычно используется для датирования керамики и объектов из обожженной глины возрастом от 50 до 20 000 лет. Термолюминесцентное датирование также используется при изучении кремниевых материалов для изготовления инструментов, найденных в скальных укрытиях и захоронениях каменного века, таких как погребения неандертальцев в Израиле, возраст которых более 40 000 лет. В похожем методе используется лазерная технология для датирования эмиссии от зерен кварца и полевого шпата из археологических слоев. Этот метод оптически стимулируемой люминесценции позволяет датировать памятники в диапазоне 100–100 000 лет. Утверждают (хотя это очень спорно), что с его помощью определили возраст первого поселения в Австралии, и он составляет 60 000 лет.

Иногда термолюминесценция дает абсолютные даты, но чаще используется для получения относительных показаний, которые позволяют археологам установить, является ли глиняный сосуд того же относительного возраста, как аналогичные сосуды с известным возрастом, — полезный метод при выявлении подделок. Хотя термолюминесцентный метод использовался при датировании таких явлений, как появление анатомически современных людей в Юго-Западной Азии и колонизация Австралии в древности, большинство авторитетных ученых согласны в том, что для установления подлинности датирования следует рекомендовать радиоуглеродный и другие методы.

Датирование по электронному спиновому резонансу (ЭСР).   При этом методе замеряются излучающие радиацию дефекты или плотность захваченных электронов в кости или раковине без их нагревания. Этот многообещающий метод датировки в чем-то похож на термолюминесцентное датирование, но имеет преимущество — объект не нужно разрушать. Он особенно эффективен при исследовании костей и зубной эмали и позволяет ученым датировать фрагменты моллюсков возрастов до миллиона лет. Метод ЭСР имеет большое значение при изучении эволюции первых людей, и с его помощью был определен возраст зубов неандертальца на юго-западе Азии, который составил 90 000 лет.

Датирование по урановым сериям. В этом методе датирования используется измерение стабильного распада урана на различные дочерние элементы внутри любого образования, состоящего из углекислого кальция — известняка или пещерного сталактита. Так как многие группы первых людей обитали в известняковых пещерах и скальных укрытиях, то кости и артефакты, вкрапленные в слои углекислого кальция, иногда можно датировать этим способом, используя методики, сходные с применяющимися в радиоуглеродном датировании. Датирование по урановым сериям наиболее эффективно при исследовании памятником возрастом от 50 000 до 1 000 000 лет (Shreeve, 1992).

Трековое датирование. Многие минералы и естественные стекла, такие как обсидиан, содержат небольшие количества медленно распадающегося урана (Fleischer, 1975). Возраст любого минерала, содержащего уран, можно определить путем измерения количества урана в образце. Такое измерение проводится посредством подсчета треков деления в материале, то есть следов повреждения в образце, вызванного распадом массивных заряженных энергией частиц. Чем старше образец, тем больше треков. Вулканические породы, такие как в Олдувае и других древних памятниках, идеальны для трекового датирования. Вулканические слои под древнейшими памятниками гоминидов в Олдувае были датированы таким методом, и возраст оказался 2,03±0,28 лет, что согласуется с калий-аргоновым датированием этого же места.

Археомагнитное датирование. Нам известно, что в древности направление и сила магнитного поля земли менялись. Многие глины и глинистые почвы содержат магнитные минералы, которые при нагревании до тусклого красного цвета примут направление и силу магнитного поля земли в момент нагревания. Таким образом, если изменения магнитного поля земли фиксировались в течении столетий или даже тысяч лет, то возможно датировать любой подходящий образец из глины, о котором известно, что он нагревался, посредством корреляции термоостаточного магнетизма нагретой глины с информацией о магнитном поле земли (Вулфман — Wolfman, 1984). Археологи часто находят сооружения с хорошо обожженными глиняными полами — печи, печи для обжига, печи для плавки металла и т. д., глина которых может быть использована для археомагнитного датирования.

Термоостаточный магнетизм (ориентация магнитных частиц, зафиксированная нагреванием) проявляется благодаря ферромагнетизму магнита и гематита, минералов, находящихся в значительном количестве в большинстве почв. Если почву, содержащую эти элементы, нагревать, то магнитные частицы в них изменяют свою ориентацию и она становится соответствующей магнитному полю земли. В сущности, нагретый кусок глины становится очень слабым магнитом, и его магнитное поле можно измерить парастатичным магнетометром. Информация о магнитной деклинации и склонении магнитного поля земли в момент нагревания сохраняется в этом куске глины. Если известны изменения магнитного поля земли в данном районе, то можно получить абсолютную хронологию для этого образца.

С археологической точки зрения археомагнетизм имеет ограниченное применение, потому что длительная систематическая регистрация изменений магнитного поля земли проводилась только в нескольких регионах. Деклинация и склонение регистрировались в Лондоне на протяжении 400 лет, а очень точные сведения охватывают период от 1600 года до наших дней. Некоторое внимание уделялось этому во Франции, в Германии, Японии, на юго-западе США. Очень точные ЭСР-метод, радиоуглеродное датирование и дендрохронология могут способствовать созданию более длительных хронологических магнитных шкал. На юго-западе США были протестированы образцы глины из селений доколумбовой эпохи, проверенные дендрохронологическим и радиоуглеродным методами, показания дали возраст почти в 2000 лет.

 

Заключение

 

Абсолютные (хронометрические) даты выражаются в годах. В противоположность этому, относительные даты представляют взаимоотношения во времени, которые используются для того, чтобы соотнести доисторические памятники или культуры относительно друг друга, и эти корреляции основаны на законе наложения. Первые археологи изучали эволюцию стилей артефактов во времени. Такой подход развился в технику построения серий. Построение серий основано на предположении, что артефакты входят в моду и достигают пика популярности, а затем постепенно выходят из моды. Проверенная на свидетельствах о новоанглийских надгробиях и других современных артефактах, серийность (построение серий) стала эффективным методом упорядочивания памятников в хронологической последовательности.

Исторические записи и календари, разработанные древними египтянами и народом майя, представляют огромную ценность для датирования их письменных цивилизаций. Также много ценной хронологической информации может быть получено благодаря предметам известного возраста, таких как глиняные курительные трубки или монеты. Но эти предметы относятся к совсем недавним периодам истории человечества. При перекрестной датировке, широко используемой в Европе и Центральной Америке, используются артефакты известного возраста, такие как монеты или другие предметы торговли. Это позволяет получить относительные даты для памятников в тех регионах, где не было исторической хронологии.

Дендрохронология (датирование по годичным кольцам деревьев) позволила получить точную хронологию двух тысяч лет доисторического юго-запада США и может быть использована на памятниках в Европе возрастом до 8000 лет до н. э. Дендрохронологи определяют ежегодный рост колец таких деревьев, как сосна (bristle-cone pine), и соотносят их в длинные последовательности годовых приростов, которые затем объединяют в сводные основные шкалы. Деревянные бревна и другие деревянные археологические находки коррелируют по этим контрольным хронологиям для получения точных дат для поселений пуэбло и других памятников.

Наиболее широко используемым методом датирования является радиоуглеродный. Он применим по отношению к памятникам возрастом от 40 000 до 400 000 лет. Он основан на измерении скорости распада углерода-14 в азот в органических объектах и может быть использован для датирования таких материалов, как уголь, кость и даже кожа.

Сегодня датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии позволяет получать более точные данные и использовать для этого крохотные фрагменты органических материалов. Точность радиоуглеродного датирования допускает статистические погрешности. Из-за колебаний содержания углерода-14 в атмосфере даты до 30 000 лет калибруются по данным дендрохронологии, по кернам льда и последовательностям роста кораллов.

Калий-аргоновые методы используются для датирования появления древнейших людей. Этими методами определяют даты от возникновения земли до того, что было приблизительно 50 000 лет назад. Метод основан на измерении накоплений аргона-40 в вулканических породах.

Термолюминесценция может оказаться (лучшим) методом для датирования глиняных черепков. Обожженная глина захватывает электроны, и, для того чтобы подсчитать их количество, глину резко нагревают в контролируемых условиях. Видимые световые лучи, испускаемые во время этого нагревания, называют термолюминесценцией. Термолюминесценция также может быть применена при датировании артефактов из обожженного кремня значительно большего возраста.

Датирования по электронному спиновому резонансу и по урановым сериям являются экспериментальными хронометрическими методами для датирования памятников возрастом от 50 000 до 1 000 000 лет.

Трековое датирование проводится посредством измерения содержания урана во многих минералах и вулканических стеклах и заключается в изучении треков, оставленных в материале при распаде массивных концентраций заряженных частиц. Метод применяется для датирования памятников, где в слоях обитания имеются вулканические породы, возраст таких памятников может быть от 100 000 до 1 000 000 лет.

 

Ключевые термины и понятия

 

Homo erectus

Абсолютная хронология

Австралопитек

Археомагнитное датирование

Датирование по гидратации обсидиана

Датирование по урановым сериям

Датирование по электронному спиновому резонансу

Датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии

Дендрохронология

Калий-аргоновое датирование

Относительная хронология

Перекрестная датировка

Период полураспада

Построение серий

Радиоуглеродное датирование

Термолюминесцентное датирование

Термоостаточный магнетизм

Трековое датирование

Частотная серийность

 

Рекомендуемая литература

 

AITKEN, MARTIN J. 1990. Science-Based Dating in Archaeology. New York: Longmans. An introduction to scientific dating methods for the general reader.

DEETZ, JAMES. 1967. Invitation to Archaeology. Garden City, NY: Natural History Press. Deetz’s little volume on the basics of archaeology is one of the best ever written. His discourse on seriation, complete with New England tombstones, is a classic.

TAYLOR, ROBERT E., and MARTIN J. AITKEN, eds. 1998. Chronometric Dating in Archaeology. New York: Plenum Press. Authoritative descriptions of the major dating methods used for earlier prehistory. For the more advanced reader.

TAYLOR, R. E., A. LONG, and R. S. KRA, eds. 1992. Radiocarbon Dating after Four Decades: An Interdisciplinary Perspective. New York: Springer Verlag. Essays on radiocarbon dating that offer an excellent overview of this all-important dating method.

WINTLE,ANNG. 1996. «Archaeologically-Relevant Dating Techniques for the Next Century.» Journal of Archaeological Science 23: 123–138. An up-to-date survey of the current state of absolute dating methods in archaeology. Includes a comprehensive bibliography.

 

Часть IV