Радиоизотопная датировка и археология. К вопросу об уран-ториевом методе и неандертальском искусстве +34


AliExpress RU&CIS

Не будет преувеличением сказать, что тема этой публикации вынесена из комментариев, а именно из обсуждения статьи о бонобо Канзи. Благодарю уважаемого @kraidiky за ссылку на статью Максима Руссо о неандертальском искусстве. Также с огромным интересом прочел материал уважаемого @ra3vdx «Застывшее время. Научные подходы к датированию». Действительно, датировка неандертальских рисунков при помощи уран-ториевого метода примечательна тем, что здесь мы наблюдаем применение геохронологического метода в археологии. Это исследование является не только замечательным примером «перекрытия» традиционно геологических и традиционно исторических методов, но и заставляет задуматься, в каких исторических масштабах радиоуглеродная датировка действительно проигрывает другим методам, и каковы перспективы уран-ториевого и уран-свинцового методов датировки при изучении сравнительно недавнего прошлого.

Начнем с того, что уран-ториевый метод датировки горных пород был изобретен значительно раньше, чем радиоуглеродный метод археологической датировки. Эрнест Резерфорд впервые упомянул о возможности использования уран-гелиевого метода для датировки горных пород еще в 1904 году, после чего Бертрам Болтвуд предложил использовать для этой цели не уран и гелий, а уран и свинец; свинец также образуется при распаде урана, но, в отличие от гелия, надежнее удерживается в родительской горной породе. В целом изыскания Резерфорда, связанные с радиоизотопной датировкой, были обусловлены его резким несогласием с оценкой возраста Земли, предложенной Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Как известно, Томсон (1824-1907), пользовавшийся колоссальным авторитетом в английском научном сообществе в конце XIX века, не признавал дарвиновскую теорию эволюции, а в 1903 году также отказался признать факт радиоактивного распада. Поэтому, опираясь на чистую термодинамику, Томсон в 1862 году вычислил возраст Земли, исходя из скорости остывания горных пород и получил значение около 100 миллионов лет. В 1899 году он пересмотрел свои расчеты и счел, что реальный возраст Земли составляет 20-40 миллионов лет. Такого срока было совершенно недостаточно, чтобы могла состояться биологическая эволюция, но именно такое несоответствие во многом вдохновило Резерфорда на уточнение возраста горных пород.

История радиоуглеродного метода началась на полвека позже и развивалась существенно иначе. Его истоки восходят к научной работе Фрэнка Уилларда Либби, который обнаружил очень слабую радиоактивность у самария (период полураспада 106 миллиардов лет), а затем подробно рассмотрел и механизмы распада углерода-14 в естественных образцах углерода, тем самым заложив основы радиоуглеродного метода датировки. В 1960 году его работа была отмечена Нобелевской премией по физике. О деталях применения радиоуглеродного метода подробно рассказано в статье Ильи Леенсона в журнале «Троицкий вариант», размещенной также на сайте «Элементы», а также в вышеупомянутой статье «Застывшее время» на Хабре. В археологических масштабах радиоуглеродный метод исключительно удобен, так как все живые существа потребляют углерод с известным соотношением изотопов 12С (основной, стабильный), 13C (стабильный, встречается в природе в незначительных количествах) и 14C (содержание незначительно, но достаточно для археологической датировки).

Недостатки радиоуглеродного метода

К сожалению, обсуждение радиоуглеродного метода в научно-популярной литературе зачастую получается однобоким; аргументация данного метода сводится к опровержению креационистских заблуждений. Например, именно в таком ключе выдержана знаменитая книга «Кости, скалы и звезды» Криса Терни. Так, особое внимание уделяется датировке Туринской плащаницы, ткань которой, согласно трем независимым исследованиям 1988 года, могла быть изготовлена в период с XI по начало XIV века.  Вполне возможно, что в религиозной американской аудитории, с учетом которой пишутся такие книги, действительно критичен процент людей, буквально воспринимающих библейские мифы и, в частности, ветхозаветную хронологию. Но я склонен отдельно подчеркнуть те недостатки радиоуглеродного метода, из-за которых он применим лишь с перекрестной проверкой другими методами, в частности, калий-аргоновым, и в ограниченном временном диапазоне.

Наиболее серьезный недостаток радиоуглеродного метода заключается в сравнительно кратком периоде полураспада углерода-14, составляющем около 5370 лет. Лабораторно обнаружимые количества углерода-14 в образце могут сохраниться по истечении примерно 13 периодов полураспада. Таким образом, радиоуглеродный метод позволяет заглянуть в прошлое не далее, чем на 70 000 лет, а на отрезках свыше 25 000 лет уже может сбоить.

Поэтому даже в сравнительно недавних исторических масштабах оценки, полученные радиоуглеродным методом, необходимо проверять. В качестве такого страховочного метода зачастую применяется дендрохронология, о которой очень подробно и наглядно рассказано в вышеупомянутой статье "Застывшее время. Научные подходы к датированию". Когда на месте раскопок сохраняется большое количество деревянных фрагментов и артефактов, как, например, при исследовании культурных слоев Великого Новгорода, можно изучить последовательность узких и широких годичных колец в древесине и достаточно точно определить, когда дерево умерло (то есть, перестало наращивать годичные кольца, например, было срублено). Для подобной калибровки используются целые дендрошкалы. Правда, этот метод также может сильно сбоить, поскольку подразумевает, что бревно пошло в строительство или обработку сразу после того, как было срублено, и дата изготовления артефакта или сруба примерно соответствует дате гибели дерева. Разумеется, эти даты могут серьезно отличаться.

Другая сложность заключается в специфике самого процесса фотосинтеза, в процессе которого дерево накапливает углерод, а также наращивает годичные кольца. Широко известен факт колебаний этого процесса, зависящих от солнечной активности. При высокой активности солнца радиоактивный углерод накапливается ускоренными темпами. В данном контексте интересно почитать о так называемых «Событиях Мияке», особенно о пиковом уровне углерода-14 в 774 году, связанном, вероятно, с мощнейшей солнечной вспышкой в истории.

В недавней статье, посвященной радиоуглеродной датировке событий около 1500 года до н.э., в частности, извержения вулкана Санторини, указывается, что калибровка радиоуглеродных данных при помощи дендрохронологии также неточна. Дело в том, что в Европе дерево фотосинтезирует примерно с апреля по октябрь, тогда как в жарком климате Ближнего Востока этот процесс сдвинут примерно на полгода и длится примерно с октября по апрель.

Наконец, радиоуглеродный метод не слишком надежен из-за удревнения или омоложения образцов, происходящего по естественным причинам. Например, в водоемах артефакты могут загрязняться более старым углеродом из окружающих пород (так называемый «эффект водоема»). Чужеродный углерод может попадать в образцы при пожарах, из сажи и дыма. Наконец, углерод-14 в значительных количествах образуется при наземных ядерных испытаниях, в результате чего в будущем датировка образцов из нашей эпохи при помощи радиоуглеродного метода будет серьезно затруднена. Так, на рис. 1 из этой статьи хорошо видно, что в середине XX века количество углерода-14, образовавшегося при испытаниях, сравнимо с естественным уровнем.

Таким образом, как справедливо отмечается на сайте «Антропогенез.ру», радиоуглеродный метод датирования удобен и хорошо изучен, но может применяться в археологии только в совокупности с другими методами, прежде всего, с дендрохронологическим – для перекрестного контроля.

Геохронологические методы датировки

Геохронологические методы датировки связаны с измерением соотношения изотопов тех или иных элементов в горной породе. Естественным продолжением уран-гелиевого и уран-свинцового метода, о которых упоминалось в начале этой статьи, стал калий-аргоновый метод. При расщеплении радиоактивного ядра калия-40 образуется ядро аргона-40. Период полураспада у калия-40 гораздо больше, чем у углерода-14 и составляет 1,25 миллиарда лет. Подсчитав количество аргона-40 в породе, можно подсчитать количество актов полураспада и, соответственно, возраст породы. Калий-аргоновый метод удобнее уран-гелиевого, так как ядро аргона крупнее ядра гелия и не так быстро покидает породу. Тем не менее, калий-аргоновый метод применим лишь для датировки магматических, но не осадочных пород.

Требуется, чтобы порода очень быстро застыла (кристаллизовалась), и калиевые «часы» заработали. Поэтому калий-аргоновый метод находит применение как в геологии, так и в археологии. Замечательный пример проверки калий-аргонового метода в археологии связан с измерением уровня аргона на месте Помпей, погибших в результате извержения Везувия в 79 году н.э. Здесь мы имеем дело с событием, дата которого точно известна из исторических источников, а также с местом раскопок, где сохранились и многочисленные материальные артефакты, и быстро кристаллизовавшаяся лава.

Тем не менее, принципиальная разница между дендрохронологией и радиоуглеродным анализом с одной стороны и геохронологическими методами – с другой, заключается, прежде всего, в области их применения. Культурный слой и осадочные породы плохо поддаются калий-аргоновой датировке, а подсчет содержания аргона-40 в магматической породе лишь косвенно позволяет определить возраст органических включений, попавших в эту породу. В отличной статье с сайта института ядерной физики МГУ дается обзор основных геохронологических методов датировки, из которого я скопирую две наиболее интересные, на мой взгляд, таблицы.

Основные геохронологические методы (исходный и конечный элемент)

Определение возраста осадочных отложений в Дагестане калий-аргоновым методом

Для полноты картины поговорим о других изотопных методах датировки. Все они упомянуты в вышеприведенной таблице по ядерной хронологии.

Калий-аргоновый метод впервые описал Карл фон Вайцзеккер (1912-2007) в 1937 году. Он показал, что радиоактивный калий-40 может превратиться в радиоактивный аргон-40 путем K-захвата либо в радиоактивный кальций-40 путем бета-распада. Поскольку калий является седьмым по содержанию элементом в земной коре, а скорость превращения калия-40 в аргон-40 достаточно стабильна, именно этот метод используется на практике чаще других изотопных методов. Правда, с 1960-х активно используется и более сложный аргон-аргоновый метод, связанный с измерением соотношения радиогенного и нерадиогенного аргона в образце.

Таким образом, изотопные методы датировки связаны с измерением соотношения изотопов родительского радиоактивного элемента и дочернего радиоактивного элемента в породе. В качестве таких пар подходят комбинации, в которых период полураспада родительского элемента достаточно велик, а сам родительский радиоактивный изотоп (и продукты его распада) достаточно распространены в земной коре.  

Рубидий-стронциевый метод связан с бета-распадом рубидия-87 и превращения его в стабильный стронций-87. Впервые предложен для определения геологического возраста в 1937 году. Этот метод удобен благодаря тому, что стронций легко замещает кальций в горных породах и долго в них сохраняется. Тем не менее, в большинстве земных пород такой изотоп стронция очень сложно отделить от природного, поэтому метод находит лишь ограниченное применение: он удобен для определения возраста метеоритов, а также применялся для определения возраста лунного грунта.

Самарий-неодимовый метод впервые описан в 1947 году и является одним из наиболее точных, так как 1) период полураспада самария очень велик – выше упоминалось, что он составляет 106 миллиардов лет; 2) при распаде самария-147 образуется изотоп неодим-143, который легко отделить от более распространенного в природе неодима-144. При этом, 3) самарий и неодим являются редкоземельными металлами, и отличаются значительно меньшей химической реактивностью, чем щелочные металлы калий и рубидий и щелочноземельные кальций и стронций. Поэтому содержание самария и неодима меняется относительно стабильно, и с их помощью можно измерять возраст не только магматических, но и метаморфических, и осадочных пород, в том числе, подвергшихся химическому воздействию. Основной недостаток метода заключается в значительной редкости самария и неодима, а также минералов, в которых они содержатся.

Рений-осмиевый метод принципиально похож на вышеупомянутые. Он связан с превращением рения-187 в осмий-187. Оба этих элемента очень редки, но этот метод датировки позволил определить как возраст земной мантии, так и возраст метеоритов. Более того, именно по данным рений-осмиевого метода удалось установить, что возраст мантии и возраст метеоритов примерно совпадают, а, значит, метеориты и планеты образовались в Солнечной системе в один и тот же период времени.

Согласно обзору 2015 года, существуют до 40 различных изотопных геохронологических методов, в том числе, лютеций-гафниевый (Lu-Hf), лантан-бариевый (La-Ba) и лантан-цериевый (La-Ce). Все эти экзотические методы предназначены, в основном, для определения относительного возраста небесных тел и с исследованием космологических процессов. Мы же в оставшейся части этой статьи поговорим об уран-торий-свинцовом методе датировки, как об одном из самых первых и точных. Уран-торий-свинцовый метод замечателен тем, что и уран-238, и торий-232 обладают огромными периодами полураспада (4,5 млрд лет и 14,01 млрд лет соответственно), и в ходе длинной цепочки изотопных превращений дают на выходе стабильные изотопы свинца – соответственно, свинец-206 (ряд урана) и свинец-208 (ряд тория). При этом исключительная археологическая ценность урана и тория заключается в том, что их микродозы, как правило, содержатся в различных карбонатах и натечных образованиях, встречающихся во множестве пещер. Карбонаты содержатся в ракушках, и именно для определения их возраста уран-ториевый метод исходно применялся в археологии.

Датировка плейстоценовых окаменелостей и неандертальских стоянок

Итак, изучение неандертальской культуры находится на пределах возможности радиоуглеродного метода. Считается, что неандертальцы обитали в Европе и на Ближнем Востоке в период со 130 примерно по 30-35 тысяч лет назад, а максимальный расцвет в Европе пережили около 100 000 лет назад (мустьерская культура). Этот период относится к позднему плейстоцену (плейстоценовая эпоха в истории Земли продолжалась с 2,58 млн лет назад примерно до 11,7 тыс. лет назад). Важно отметить, что датировка плейстоценовых окаменелостей давно и успешно осуществляется именно с использованием уран-ториевого метода. Поскольку, как указано ниже, микродозы урана и тория содержатся в карбонатах, эти изотопы можно обнаружить в костях доисторических животных, в частности, мамонтов, и даже в остатках коллагена.   

При анализе возраста наскальной живописи особое внимание уделялось рисункам, выполненным с использованием древесного угля – поскольку этот материал подходит для радиоуглеродного анализа.

В 2012 году вышла одна из первых объемных статей, доказывающих высокую точность уран-ториевого метода при датировке наскальной живописи. Авторы отмечают, что древесный уголь сравнительно редко применялся в наскальной живописи кантабрийских пещер, но в силу возраста (40 000 лет и более) эти рисунки уже успели покрыться существенным слоем натечных образований, содержащих уран и торий. Соответственно, их возраст примерно равен возрасту непосредственно прилегающего к ним слоя карбонатов.

Тем не менее, 40 000 лет назад – это уже эпоха кроманьонцев, антропологически современных людей. До самого недавнего времени наличие развитого изобразительного искусства у неандертальцев оставалось под сомнением, пока в 2018 году не была опубликована статья о рисунках в пещере Куэва-де-лос-Авионес в юго-восточной Испании. Возраст наскальной живописи в этой пещере был определен при помощи уран-ториевого метода и составил порядка 66-70 тысяч лет. Там же были найдены окрашенные раковины, также поддающиеся именно уран-ториевой датировке.

Вот примеры неандертальской живописи, взятые на сайте института им. Макса Планка:

1)      Возраст – 64 000 лет

2)      Возраст – 66 000 лет

Эти находки позволяют предположить, что неандертальцы, как минимум, обладали богатым (в том числе, абстрактным) мышлением, сложной социальной организацией, а также хорошо разбирались в окружающих минералах. При этом датировка кальцитовых отложений уран-ториевым методом показывает, что древнейшие образцы наскальной живописи на Пиренейском полуострове могли быть созданы еще 115 000 лет назад.

Тема когнитивных возможностей и абстрактного мышления доисторического человека, бесспорно, заслуживает отдельной публикации. Завершая эту, хотелось еще раз подчеркнуть, насколько неожиданные результаты может давать научный поиск, в особенности – междисциплинарный. Фрэнк Уиллард Либби был удостоен Нобелевской премии за изобретение метода, поначалу обеспечивавшего датировку археологических образцов в значительно более скромных исторических масштабах (до 10 000 лет). Эрнест Резерфорд же первым начал исследовать соотношение урана и гелия в горных породах, преследуя отнюдь не археологические цели, а борясь с абсурдными хронологическими построениями Кельвина, величайшего ученого своего времени. Но лишь в начале XXI века пришло время применить метод Резерфорда и Болтвуда в археологии, и результаты превзошли все ожидания.

Уже собираясь заканчивать этот рассказ, я нашел еще один замечательный пример использования уран-ториевого метода в археологии, и не могу им не поделиться. 13 января 2021 года в журнале «Science Advances» была опубликована статья о том, что на острове Сулавеси в Индонезии найдено древнейшее известное изображение животного. Вот оно:

Это целебесская свинья, эндемик острова Сулавеси. Обитает там до сих пор, и даже была одомашнена местными жителями. Уран-ториевый метод показывает, что этому рисунку порядка 43 900 лет (по Википедии — 45500). Скорее всего, автор рисунка относился к людям современного типа.       




Комментарии (13):

  1. jar_ohty
    /#22584442

    Вы пишете про использование уран-ториевого метода. И имело бы смысл этот метод описать подробно. Вместо этого вы описываете уран-свинцовый метод, который является совершенно другим методом с совершенно другой временной шкалой (десятки миллионов-миллиарды лет), нежели уран-ториевый метод (десятки и сотни тысяч лет). Из написанного вам кажется, что это один метод.

    Начнем с того, что уран-ториевый метод датировки горных пород был изобретен значительно раньше, чем радиоуглеродный метод археологической датировки. Эрнест Резерфорд впервые упомянул о возможности использования уран-гелиевого метода для датировки горных пород еще в 1904 году, после чего Бертрам Болтвуд предложил использовать для этой цели не уран и гелий, а уран и свинец; свинец также образуется при распаде урана, но, в отличие от гелия, надежнее удерживается в родительской горной породе.

    • qbertych
      /#22586904 / +1

      Хорошая картинка в тему

  2. petropavel
    /#22585640

    А как можно определять возраст метеоритов? Откуда мы знаем, какой у них был состав в момент прилёта?

    • jar_ohty
      /#22588264

      А нам не важен состав в момент прилета. Нам важно, что конечный продукт радиоактивного распада в начальный момент отсутствует в исследуемом объекте или находится в известном изотопном отношении. Возьмем, к примеру, калий-аргоновый метод. Аргон — инертный газ, изначально он не мог входить в кристаллическую решетку минералов в заметных количествах. Значит, каким бы ни был состав метеорита в момент образования минерала, весь аргон, содержащийся в кристалле минерала — радиогенный. Причем, при падении метеорита в коре плавления на его поверхности произойдет «перезапуск часов» — образовавшиеся в ней кристаллы уже не будут содержать исходного аргона и отсчет времени начнется заново.

  3. dfgwer
    /#22586272

    Откуда выясняется начальное соотношение изотопов? С углеродом и летучими газами понятно, но вот с уран-свинцовым?

    • jar_ohty
      /#22588266

      Уран-свинцовый метод основан на том, что свинец не входит в кристаллическую решетку циркона, в отличие от урана и тория. Поэтому весь свинец, содержащийся в цирконе — радиогенный. По изотопу свинца можно однозначно определить, что его породило — один из изотопов урана (235 или 238) или торий-232. Кроме циркона, используют также другие подходящие минералы — монацит, титанит, бадделеит и некоторые другие, а также урановые минералы.

  4. yuhmik
    /#22586530

    Ещё интересно, конечно, каким методом определяется не только концентрация элементов в образцах, но даже изотопный состав. Удивительно, что это умеют делать достаточно точно для работы методов датировки.

    • da-nie
      /#22586756

      Масс-спектрометр, наверное?

    • jar_ohty
      /#22588228

      Ускорительная масс-спектрометрия и радиохимические методы.

      • qbertych
        /#22588766

        И еще более продвинутый atomic trap trace analysis: образец испаряют в вакууме, а атомы захватывают в лазерную ловушку. У разных изотопов немного отличаются спектры, поэтому подстраивая длину волны лазера, можно захватывать тот или иной изотоп и поштучно считать атомы.


        Чувствительности получаются фантастические, вот здесь авторы уменьшили размер необходимого образца в 200 раз по сравнению с предыдущими методами.

  5. da-nie
    /#22586752 / +1

    а на отрезках свыше 25 000 лет уже может сбоить.


    Кстати, будет отлично сбоить в будущем, при раскопках современных городов. :) Углерод из бензина ведь без C14. Его-то и нахватаются и люди и растения в городах.

    • jar_ohty
      /#22588222

      Скорее такое «удревнение» многократно перекрыто бомбовым пиком.

      • VT100
        /#22588492

        В книге "Свет невидимого" Ю. Фиалкова описан случай с получением "уровня ??С на данный момет". Лаборант собрал материал не как предписано, за городом, а в Москве. За что и получил люлей.