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, наиденное 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 лето-счисления.