Методы абсолютного датирования

 

Методы определения возраста палеоантропологических находок по сопутствующей фауне, стратиграфии и магнитостратиграфии, о которых шла речь ранее, являются методами относительного датирования. Они работают по принципу «раньше, позже или одновременно». И получение с их помощью возраста для останков предшественников человека возможно лишь в том случае, если уже известен не относительный, а абсолютный (то есть в количестве лет) возраст геологических слоев и их содержимого.

Для определения же абсолютного возраста используются другие методы – методы абсолютного датирования, которые мы и рассмотрим далее. И начнем с датирования по минерализации костных останков.

Кость представляет собой сложный композитный материал, состоящий из белковых и минеральных компонентов. При нахождении костных останков в земле с течением времени происходит постепенное разложение органических компонентов кости и замещение их апатитом, солями тяжелых металлов и другими неорганическими соединениями из окружающей среды, что приводит к изменению химического состава и структуры костной ткани. Эти изменения и называются минерализацией кости.

Достаточно очевидно, что чем больше времени прошло с момента смерти живого организма и чем больше его костные останки находятся в земле, тем сильнее степень их минерализации. И теоретически, по степени минерализации можно определить время момента смерти. Такие попытки предпринимались еще в XIX веке, а ныне широко используются в целом ряде дисциплин – в криминалистике, археологии, палеонтологии и т.д.

К основным показателем оценки давности пребывания костных останков в месте их обнаружения относятся: состояние губчатого вещества и наружной компактной пластинки костей; состояние компактного слоя, цвет костей, вес, изменение химического состава и микроскопической структуры костной ткани.

 

Рис. 120. Изменение внутренней структуры кости

 

На степень минерализации костных останков влияет очень много факторов. Она зависит, в частности, даже от прижизненного состояния их бывшего владельца – его возраста, рациона питания, наличия ряда болезней (например, остеопороза) и их длительности и т.д.

Целый ряд самых разнообразных факторов влияет на степень минерализации костных останков уже после смерти индивида: время года наступления смерти, климат, вид захоронения (пребывания) – в земле, воде, на открытом воздухе; тип почвы (чернозем, песок, суглинок), морфологические и физико-химические свойства почвы (кислотность, влажность, температура); глубина захоронения, способ и вид захоронения (в одежде, без одежды, одиночное или массовое) и другие.

В изменении костной ткани большое значение имеют химические процессы, происходящие между почвой и останками. В этом процессе принимают участие органические кислоты почвы и неорганические вещества – фосфорнокислые и углекислые соли извести и др. И в зависимости от наличия тех или иных условий изменения костных останков могут быть самыми разными. Так, например, некоторые нерастворимые соединения, главным образом соединения кальция, переходят в соединения растворимые, которые вымываются в окружающую землю. Помимо того соли кальция используются растениями. Отмечен переход в костную ткань марганца, алюминия, кремния и железа из выщелочного малогумусного мощного чернозема, алюминия и кремния из карбонатного малогумусного чернозема, отличающегося высоким содержанием этих элементов. Под влиянием этих процессов обычно вес костей уменьшается, поверхность их становится матовой, шероховатой, пористой; кости приобретают ломкость и постепенно разрушаются. Иногда, наоборот, кости воспринимают из почвы кремневую кислоту и как бы «каменеют». В результате вес костей увеличивается, они становятся плотными, крепкими, сопротивляемость их к внешним воздействиям возрастает.

Сильное влияние сразу множества факторов на степень минерализации костей неизбежно приводит к тому, что определение времени, прошедшего после смерти, по костным останкам, может быть сделано лишь в очень больших интервалах. Даже для «современных» останков специалисты допускают весьма немалую погрешность – датировки могут меняться в разы (от десятков до сотен лет). Но если для «современных» останков еще можно предположить неизменность условий, в которых они находились, то для палеоантропологических останков возрастом в десятки и сотни тысяч, а то и миллионы лет предполагать подобное нельзя – окружающие их условия (например, химический состав грунтовых вод, степень увлажненности окружающих пластов и т.п.) могли за этой время меняться очень сильно, что заметно затрудняет датировки и значительно увеличивает погрешность.

 

Рис. 121. Состояние костных останков зависит от множества факторов

 

Указанные проблемы характерны и для других методов датирования, которые основаны на тех или иных видах химического взаимодействия костных останков с окружающей средой. В том числе для теста на фтор-уран-азот и для метода датирования по рацемизации кислот, упоминавшихся ранее. Во всех случаях мы имеем сильнейшую зависимость скорости протекания соответствующих химических процессов от целого ряда факторов, на которые влияют (вовсе не обязательно постоянные) условия нахождения костных останков – например, скорость рацемизации сильно зависит от температуры. В результате, как и для метода датирования по минерализации кости, определение возраста костных останков этими методами может быть сделано лишь в очень больших интервалах.

Поэтому я не буду утомлять читателя специфической терминологией, необходимой для описания деталей этих методов, и перейду к методам абсолютного датирования, которые основаны не на химических, а на физических процессах.

В последнее время все более широкое применение находят так называемые люминесцентные (оптические) методы абсолютной датировки, которые основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света.

Оптическое датирование – это физический метод датировки, направленный на определение момента времени, когда минерал в последний раз находился на свету. Он основывается на том, что все минералы содержат некоторое (пусть даже и очень малое) количество радиоактивных элементов, включая уран, торий, рубидий и калий. Эти элементы медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается другими составляющими почвенных отложений – в частности, кварцем и полевым шпатом. Под воздействием радиации некоторые электроны их кристаллов переходят в особое возбужденное состояние. Возникающие радиационные повреждения сохраняются в виде дефектов кристаллической решетки, которые являются своеобразными электронными ловушками.

Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия накапливается. А если кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом «успокаиваются» и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Таким образом, измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристалл находился в темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции – попадал на свет или нагревался.

 

Рис. 122. Свечение кристалла

 

Отметим, что в этом случае кристалл работает по сути не как хронометр, а как дозиметр. Количество накопленного кристаллом света показывает не время как таковое, а суммарную дозу полученного кристаллом облучения. Поэтому использование данного свойства кристаллов для получения абсолютных датировок базируется на предположении о постоянстве радиационного фона в том месте, где находился кристалл.

Считается, что люминесцентные методы позволяют датировать образцы возрастом примерно до 100 тысяч лет (иногда указывается максимальный возраст до 200 тысяч лет) и в идеале дают ошибку не более 10%.

Но это, как всегда, лишь «в идеале». На количество накопленного кристаллом света влияет множество факторов, в первую очередь – структура кристалла, количество дефектов кристаллической решетки и, конечно, уровень радиации в том месте, где кристалл находился. А уровень радиации может меняться в ходе естественных процессов – скажем, из-за периодических контактов кристалла с грунтовыми водами.

Дополнительные трудности при определении возраста, например, пещерных отложений могут быть связаны еще и с тем, что не всегда можно точно установить, какие песчинки в этих отложениях принесены «с улицы» первобытными обитателями пещеры, а какие насыпались с потолка. Соответственно, не ясно и то, возраст какого именно события показывает данный метод, и имеет ли это событие отношение к найденным костным останкам.

Но главное – люминесцентные методы требуют проведения так называемой калибровки, чтобы можно было перевести количество выделяемого при воздействии на кристалл света в количество лет. Как правило, такую калибровку проводят с помощью изотопных методов, которые имеют также некоторую погрешность (см. далее). Вследствие этого, погрешность калибровочных методов автоматически переходит в погрешность люминесцентных методов, принимая при этом (что важно!) неустранимый характер…

Аналогично, метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса также основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином (спин – это собственный момент импульса элементарной частицы). Чтобы определить число таких электронов, физики используют резонансные методы, то есть подвергают колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных колебаний системы.

Данный метод применяется для датирования образцов возрастом до двух миллионов лет. Считается, что лучше всего он работает на карбонатных породах, и используется прежде всего для определения возраста зубной эмали.

 

Рис. 123. Спин электрона

 

Для этого метода характерны практически все проблемы, которые испытывают люминесцентные методы датировки. В том числе и необходимость проведения надежной калибровки, для которой используются также изотопные методы. Вот к погрешностям этих методов мы сейчас и перейдем…