Приветствую Вас Гость | RSS

Век млекопитающих - Age of Mammals

Понедельник, 23.10.2017, 14:29
 
Абсолютная хронометрия
 
 
С помощью методов хронометрической датировки устанавливается приблизительный абсолютный возраст доисторических предметов. Значение их неравноценно: одни дают стабильные, другие — колеблющиеся результаты. Каждый из методов датирования в принципе чреват возможностью получения неверной даты вследствие случайности, небрежности или влияния нераспознанных искажающих факторов. Чтобы избежать ошибки, специалисты перепроверяют полученные данные, используя при возможности несколько различных методов. Если благодаря их применению полученные результаты согласуются, то дату можно считать установленной. Большинство из перечисленных ниже методов связано с измерением тех изменений, которые происходят с постоянной скоростью в строении атомов вещества.
 
Дендрохронология основана на исследовании годичных колец древесины тех деревьев, периоды существования которых частично перекрывают друг друга. Используется для датирования деревянных предметов и фрагментов древесных стволов (например, в постройках), а также в биологии — при изучении биологических изменений за последние тысячелетия. На основании исследования образцов древесины, датировка которых заведомо известна, строится так называемая дендрохронологическая шкала — последовательность толщин годичных колец деревьев определенной породы в определенной местности, от текущего момента и как можно далее в прошлое. Самая большая такая шкала разработана на данный момент по сосне для Центральной Европы и простирается в прошлое более чем на 11 000 лет. Любое сохранившееся бревно может быть датировано при сравнении его колец со шкалой. Применение метода ограничивается районами со значительными колебаниями климата (осадков или температуры), широким использованием дерева и условиями для его сохранности (при засушивании, обугливании, а также в заболоченной местности). Существует направление в дендрохронологии — дендроклиматология, занимающаяся изучением закономерностей сложения годичных слоев древесных пород для установления климата в прошлые эпохи.

Метод ленточных глин, или варвовый анализ связан с подсчетом годичных слоев осадков, отлагавшихся в озере за один сезон в тех районах, где они замерзали на зиму. В местах с холодным климатом весенняя оттепель сопровождается половодьем на реках, которое несет с собой большое количество грубых частиц, затем оседающих в озерах и эстуариях. Летом поступление воды ограничивается количеством осадков, поэтому отлагается более тонкий ил. Этот процесс прекращается с осенними заморозками. Годичные ленты отложений называются ленточными глинами, или варвами; с учетом того, что каждая из них соответствует году, можно подсчитать возраст наносов. Как и годичные кольца деревьев, ленточные глины изменяются от года к году, в зависимости от быстроты оттепели, количества летних осадков, зимнего снега и т.д., изменения обнаруживают некоторую корреляцию с циклом солнечных пятен. При сравнении ленточных глин в разных местах можно выявить одинаковые образцы там, где отложения частично совпадают по времени. Применение метода для археологического датирования остается довольно ограниченным, поскольку памятники должны быть связаны с геологическими изменениями (ледниковые морены, изменение уровня Балтийского моря и т.д.). На сегодняшний день он применяется главным образом при датировке позднего плейстоцена.
 
Магнитное поле Земли время от времени меняет свое направление. В результате этого в осадочных горных породах чередуются слои с «нормальной» полярностью (их магнитный север находится в той же стороне, что и современный Северный магнитный полюс) и слои с «обратной» полярностью. Изменения магнитного поля Земли происходят примерно один раз в полмиллиона лет. На основе этого можно создать магнитную шкалу времени. Характер магнитных слоев в той или иной породе можно сопоставить, как штриховой код, с этапами чередования магнитных полюсов Земли и таким путем определить относительный возраст породы. Даты на магнитную шкалу времени наносятся методом радиометрического датирования.

Определение датировок по остаточной намагниченности (называемое также археомагнитным или палеомагнитным датированием) основано на фиксации магнитного поля, возникшего в прошлом в породе. Многие горные породы, в основном вулканические и некоторые богатые железом осадочные, содержат магнитные минералы. Частицы этих минералов располагаются в соответствии с магнитным полем Земли и при образовании горной породы фиксируются именно в такой магнитной ориентации. В вулканических породах магнитные минералы сохраняют такую магнитную ориентацию, какая была у них в момент остывания породы до температуры 700°С. Поскольку направление и интенсивность магнитного поля Земли постепенно изменяются, определение характеристик этого поля в древних отложениях может свидетельствовать, когда сформировалось то или иное отложение. После извлечения образца породы и установления его исходной ориентации этот образец отправляют на исследование в специальную лабораторию. Для целей археологии наиболее пригодны образцы из очажных ям, относящихся ко времени от 70 000 лет назад до наших дней, но в принципе данный метод может применяться для датирования отложений возрастом до нескольких миллионов лет.

При образовании осадочной породы крохотные частицы магнитного железа, находящиеся в каждой песчинке, также выстраиваются в соответствии с направлением магнитного поля Земли. Когда слои осадков цементируются в твердую породу, такое расположение сохраняется навсегда. Определение магнитной полярности осадочных пород особенно полезно при датировании некоторых природных сред. Например, оно позволило оценить возраст важных наземных отложений миоценовой эпохи в районе Сивалик на севере Пакистана. Там было найдено большое количество окаменелых остатков млекопитающих, в том числе гоминоидов, однако точный возраст осадочных пород был неизвестен. Ученые установили, что с момента образования осадков магнитное поле меняло свое направление тринадцать раз; значит, эти породы образовались между 6,5 и 8,6 млн. лет назад.
Два других современных метода датирования — метод электронно-спинового резонанса и термолюминесцентный метод — основаны на измерении числа электронов, содержащихся в дефектах атомной структуры минерала. Эти методы особенно полезны при датировании различных неорганических материалов, найденных на стоянках доисторических предков человека, например, обгорелых кремней, извлеченных из древних очагов.
 
Термолюминесцентный метод датировки связан с измерением световой энергии, излучаемой при нагревании определенных объектов минерального происхождения, которые когда-то уже подвергались нагреванию. Некоторые распространенные минералы (стекло, глина, керамика, полевой шпат, алмазы, кальциты и др.) с течением времени накапливают энергию ионизирующего излучения, а затем, при резком нагреве, отдают ее в виде светового излучения (вспышек света). Чем старше образец, тем больше вспышек будет зафиксировано. Энергия испускаемого света говорит о том, когда произошло нагревание. Метод применяется по отношению к обожженным глиняным черепкам, глиняным статуэткам, древним печам и т. д. В идеальных условиях, метод позволяет датировать образцы возрастом от 100 до 80 000 лет, с погрешностью в 7-15 %. С точки зрения физического обоснования, сам метод считается достаточно точным и надежным. Однако необходимо принимать во внимание ряд важных факторов. К примеру, в результате данного анализа определяется не просто дата изготовления образца, а дата его последнего нагрева до высокой температуры. А это могли быть как обжиг, так и пожар, или просто долгое нахождение образца на открытом солнцу месте.
 
Датирование по рацемизации аминокислот может применяться для определения возраста органических веществ, в первую очередь – сохранившихся в костях протеинов. Метод основан на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).

Коллагеновый анализ основывается на том, что кость животных в основном состоит из фосфата кальция, соединенного с двумя органическими составляющими — жиром и костным протеином, или коллагеном. После смерти жир разлагается и быстро улетучивается. Коллаген существует значительно дольше, хотя его количество постепенно сокращается. Оно может быть измерено при помощи анализа содержания азота. Скорость распада не является постоянной величиной, но кости разного возраста, найденные в одном месте, можно отличить по содержанию азота. Коллагеновый анализ, как правило, применяется в комплексе со фторным и радиометрическим анализами, как, например, в случае с черепами из Пилтдауна и Сванскомба.

Ряд родственных по своей природе методов датирования основан на том, что на многих материалах за время, пока они находятся в земле, образуется отличающийся от них химически и физически наружный слой — патина. Например, поверхность на свежем сколе обсидиана (вулканического стекла) абсорбирует воду из атмосферы, вследствие чего на ней образуется слой гидратированного кремнезема: толщина этого слоя зависит от температуры и особенностей состава самого обсидиана. Если установлена интенсивность гидратации данного сорта обсидиана в местных условиях, можно определить дату образца в интервале между 120 000 назад и нашим временем. Измерение толщины гидратного слоя производится оптически – с использованием поляризационного микроскопа.

Одним из немногих методов датирования, применимых при изучении некоторых разновидностей памятников наскального искусства, является датирование по катионному показателю. В некоторых регионах на скалах образуется поверхностная патина (темный блестящий налет из окислов металлов, возникающий со временем от внешних воздействий). В этой патине содержится более или менее постоянная концентрация оксида титана и постепенно уменьшающаяся концентрация оксидов кальция и калия, поскольку эти последние легче растворяются в воде. Соответственно, измерив количество этих веществ в патине, покрывающей наскальное изображение, и вычислив, какое время требовалось для сложения данной их пропорции, можно определить его дату. Считается, что для каждого региона характерна также своя интенсивность выщелачивания скальной породы, что может служить для целей датирования. Эксперименты в области использования этого метода углубили нижнюю хронологическую границу сферы его применения на несколько сотен тысяч лет.

Оптическое датирование — физический метод датировки, основанный на определении момента времени, когда минерал в последний раз находился на свету. Критический момент в оптическом методе датирования — было ли достаточным экспонирование дневным светом минеральных гранул прежде, чем они были засыпаны. Большинство эоловых отложений, типа дюн и лёсса, а также некоторые делювиальные отложения удовлетворяют этому критерию. Все минералы содержат следовые количества радиоактивных элементов, включая уран, торий, рубидий и калий. Они медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается другими элементами почвенных отложений, в частности, кварцем и полевым шпатом. Радиационные повреждения накапливаются со скоростью, определяемой количеством радиоактивных элементов в образце. Экспозиция дневным светом сбрасывает накопленную в дефектах решётки энергию, и таким образом можно определить время, в течение которого образец находился в темноте. Типичный диапазон определяемых возрастов — от нескольких сотен до 100 000 лет. Метод надежен, когда используются подходящие методы с надлежащей калибровкой. Возрасты вне этого диапазона также могут быть определены, но с меньшей надёжностью. Наилучшая возможная точность определения возраста при оптимальных условиях составляет около 5 %.
 
Методы радиометрического датирования основаны на том, что радиоактивный распад веществ происходит со строго определенной скоростью. Атомы, имеющие одни и те же химические свойства, но различный атомный вес, называются изотопами. Почти все химические элементы представляют собой смесь изотопов. При радиометрическом датировании измеряют содержание различных химических изотопов в минерале. Если скорость распада каждого радиоактивного изотопа известна, можно вычислить время образования данной породы. Радиометрические методы позволяют датировать более древние события, правда менее точно, поскольку со временем часть продуктов полураспада рассеивается. Например, среднетриасовая эпоха началась примерно 241,7±4,7 млн. лет назад, а меловой период закончился около 65±0,1 млн. лет назад. Последние цифры в приведенных выражениях означают предел точности датировки.
 
Первоначально радиометрическое датирование могло применяться только к вулканическим горным породам, то есть таким, которые образовались путем кристаллизации минерала из расплавленного состояния (магма) при остывании. До недавних пор этот метод не был пригоден для датирования осадочных пород, потому что вычисленный этим способом возраст каждого отдельного зерна таких пород, например, песчинок, фактически соответствовал времени, когда эта песчинка кристаллизовалась из расплавленной магмы в составе вулканической породы, а не периоду, когда она осела на новом месте и вошла в состав осадочной породы. Главная трудность заключалась в том, чтобы соотнести радиометрические данные о вулканических породах со стратиграфическими пластами, состоящими из осадочных пород.
 
Проблемы радиометрического датирования хорошо видны на примере циркона. Циркон — очень твердый минерал, его песчинки могут выдержать несколько циклов эрозии и существовать сами по себе много миллионов лет, прежде чем войдут в состав осадочной породы. Однако современный радиометрический метод позволяет определить возраст крошечных кристаллов, которые нарастают на поверхности зерна циркона после того, как оно попадет в слой осадков. Это дает возможность определить возраст осадочных пород, даже если они не содержат ископаемых.
 
Одна из самых полезных пород для радиометрического датирования — изверженная вулканическая лава. Она нередко изливается поверх осадочных слоев. Возраст лавы обычно весьма близок к периоду, когда образовались слои осадков, лежащие выше и ниже нее. Это позволяет с высокой точностью соотнести результаты радиометрического датирования и стратиграфические данные.
 
Радиоуглеродный анализ — метод датирования органических останков, предметов и материалов биологического происхождения путем измерения содержания в них радиоактивного изотопа углерода-14 по отношению к стабильным изотопам углерода. После гибели организма стабильные изотопы углерода сохраняются, а количество радиоактивного углерода-14 в останках постепенно уменьшается с постоянной скоростью. Период его полураспада составляет 5730±40 лет. В то же время, в останках увеличивается количество азота-14, в который превращается углерод-14. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и измерив их текущее соотношение в биологическом материале, можно определить, сколько углерода-14 распалось и, таким образом, установить время, прошедшее с момента гибели организма. Предельный возраст образца, который может быть определён радиоуглеродным методом — около 60 000 лет, т. е. около 10 периодов полураспада углерода-14 (за это время активность процесса снижается в 1024 раза). Измерение возраста предмета радиоуглеродным методом возможно только тогда, когда соотношение изотопов в образце не было нарушено за время его существования, то есть образец не был загрязнен углеродосодержащими материалами более позднего или более раннего происхождения, радиоактивными веществами и не подвергался действию сильных источников радиации. Определение возраста таких загрязненных образцов может дать огромные ошибки. За прошедшие с момента разработки метода десятилетия накоплен большой опыт в выявлении загрязнений и в очистке от них образцов. Погрешность метода в настоящее время, как считается, находится в пределах от 70 до 300 лет. На сегодняшний день для правильного применения метода произведена тщательная калибровка, учитывающая изменение соотношения изотопов для различных эпох и географических регионов, а также учет специфики накопления радиоактивных изотопов в живых существах и растениях. Для калибровки метода используется определение соотношения изотопов для предметов, абсолютная датировка которых заведомо известна. Одним из источников калибровочных данных является дендрохронология. Также проведены сопоставления определения возраста образцов радиоуглеродным методом с результатами других изотопных методов датирования. Можно констатировать, что в своем современном виде на временном интервале от десятков лет до 60—70 000 лет в прошлое радиоуглеродный метод можно считать достаточно надёжным и качественно откалиброванным независимым методом датирования предметов биологического происхождения.
 
Анализ соотношения изотопов кислорода в глубоководных осадках позволяет определить изменение количества изотопа кислорода-18, которое косвенным образом связано с глобальными колебаниями температуры. Применяется этот метод при датировке периодов потепления и похолодания в эпоху плейстоцена и раньше.
 
Калий-аргоновый метод датировки основан на том, что в земной коре содержится калий, изотоп которого калий-40 с определенной скоростью превращается в аргон-40, при этом период полураспада калия-40 составляет 1,32 млрд. лет. Метод может использоваться в том случае, если в данном районе имеются вулканические породы. Кроме того, необходимо, чтобы лавы или вулканические пеплы перекрывали или подстилали датируемый слой. В определенных вулканических минералах содержавшийся аргон улетучивается в то время, когда они находились в расплавленном состоянии. Образовавшийся с тех пор аргон оседает в их кристаллической решетке. Определение соотношения калия-40 к аргону-40 может быть превращено в хронологический показатель по тому же принципу, что и в радиоуглеродном методе. Из-за длительного периода полураспада количество аргона, накопившегося в образцах меньше чем за миллион лет, слишком незначительно для точных измерений, эффективным метод становится для раннеплейстоценового материала, особенно из Олдувайского ущелья (там слои лавы перемежались с отложениями, содержащими археологический материал). Наиболее часто данный метод применяется для датирования пород, возраст которых превышает 1 млн. лет; наиболее молодые даты, полученные с его помощью, составляют около 400 000 лет.
 
В наши дни разработано много новых методов датирования, которые могут применяться в весьма сложных случаях. Например, метод датирования по следам осколков распада основан на самопроизвольном распаде радиоактивного изотопа уран-238. При этом внутри твердых минералов, таких, как циркон, вокруг каждого распавшегося атома урана образуются следы повреждения длиной до нескольких микрон, сделанные осколками ядра. Число таких следов (треков) со временем увеличивается, а скорость этого процесса пропорциональна количеству урана в минерале. Измеряя плотность треков и сопоставляя ее с содержанием урана в стандартном образце, можно вычислить возраст горной породы. Метод следов осколков распада применяется для уточнения данных, полученных радиометрическим методом. Период полураспада урана-238 составляет 4,51 млрд. лет, так что метод датирования на его основе применим практически ко всей геологической истории нашей планеты. В археологии он применяется по отношению к стоянкам древнего человека, особенно хорошо проявил себя при датировании вулканического пепла в Восточной Африке, слои которого чередуются с осадочными слоями, содержащими остатки древних гоминидов.
 
Другой метод датировки по изотопам уранового ряда основывается на скорости радиоактивного распада урана-234 и превращения его в протактиний-231, а затем в торий-230; этот метод позволяет устанавливать возраст событий, имевших место от нескольких тысячелетий до 350 000 лет назад.
 
Полезные, но редко достыпные методы датирования основаны на обнаружении и определении возраста вулканического пепла и тектитов. Во время извержения вулкана пепел практически мгновенно рассеивается на огромной территории. При падении астероидов и метеоритов образуются тектиты — стекловидные частички, образовавшиеся в момент удара из расплавленных горных пород. Они также разлетаются на огромные расстояния.
 
    По книгам Ламберт Д. «Доисторический человек»,
                    Ранов В.А. «Древнейшие страницы истории человечества»,
                    Брейд У., Трамп Д. «Археологический словарь»,
                    Палмер Д. «Атлас динозавров: доисторический мир».


Ссылки
 
Марков А. Хронология далекого прошлого  перейти
Олейников А.Н. Геологические часы  перейти
Черных Е.Н. Биокосмические «часы» археологии  перейти
Дергачев В.А. Радиоуглеродный хронометр  перейти  
Дендрохронология  перейти
Метод гидратации обсидиана  перейти
Оптическое датирование   перейти
Палеомагнитное датирование  перейти
Радиоуглеродный анализ  перейти
Термолюминесцентное датирование  перейти 
Dating methodology (archaeology)  перейти
 
 
 
    Спил дерева с датированными годичными кольцами. Германия.
 
 
                                        

    Сопоставление синхронно образовавшихся годичных колец по срезам нескольких деревьев. Сравнивая годичные слои роста деревьев и ископаемых деревянных предметов, ученые могут определить с точностью до одного года возраст древних столбов и различных сооружений из дерева.
 
 
   
    Слои варв, или ленточных глин. Висконсин, США.
 
 
                               

    Сопоставление варв. Изучая годичные слои осадков (варвы) в различных озерах (А, Б), можно коррелировать сезонность отложения. Исследование варв позволило ученым определить точный возраст некоторых предметов из Северной Европы, относящихся к последним 20 000 лет.
 
 
                                       
 
    Палеомагнитная шкала части кайнозойской эры. Черным цветом отмеченв прямая намагниченность, белым — обратная.
 
 
    
    Определение возраста радиоуглеродным методом. Тело мертвого организма теряет аккумулированный им углерод-14 со скоростью, которую можно измерить, что позволяет определить возраст данного организма. Пределы погрешности возрастают при увеличении временного интервала. Во время жизни и сразу после гибели организма в теле содержится некоторое количество углерода-14. Через 5730 лет после смерти организма в останках сохраняется половина углерода-14. Спустя 11460 года после смерти сохраняется одна четвертая углерода-14. Параллельно потере останками углерода-14, наблюдается постепенное накопление азота-14, в который тот превращается. Через 70 000 лет после смерти исчезает почти весь изотоп. Но применяя более изощренные методы датировки, можно определить возраст и более древних предметов органического происхождения.
 
 
   
    Калий-аргоновый метод датировки. Калий-40 превращается в аргон-40 и кальций-40 со скоростью, показанной на этой диаграмме.
1. Содержание калия-40 в только что сформировавшейся вулканической породе
2. Доля калия-40, оставшаяся после одного периода полураспада (1310 миллионов лет)
3. Доля калия-40, оставшаяся после следующих 1310 миллионов лет (после двух периодов полураспада)
4. Доля калия-40, оставшаяся после еще одного периода 1310 миллионов лет (после трех периодов полураспада)
 
 
    Уран излучает заряженные частицы и после длительного периода полураспада превращается в свинец. Сравнив количество свинца и количество урана в каком-нибудь минерале, нетрудно вычислить и возраст минерала, которому как правило соответствует возрасту включающей его породы.
 
 
             
   
    Радиоактивное семейство урана-235. Для каждого изотопа приведен период полураспада. Долгоживущие изотопы урана применяются для радиометрического датирования.
 
 
                   
 
    Тектит. Диаметр 20 мм, вес 3,5 гр. Австралия