Радиоуглеродный метод

Радиоуглеродный метод (радиоуглеродное датирование, углерод-14-датирование) — это физико-химический метод определения возраста биологических останков, археологических артефактов и геологических образцов, основанный на измерении содержания радиоактивного изотопа углерода-14 (¹⁴C) в образце по сравнению с его исходным содержанием в атмосфере. Метод применяется для датирования объектов возрастом от нескольких сотен до примерно 50–60 тысяч лет (в некоторых случаях — до 100 тысяч лет при использовании ускорительной масс-спектрометрии). Относится к группе методов радиоизотопного датирования.

История

Открытие радиоуглерода

В 1940 году американские физики Мартин Камен и Сэмюэл Рубен в ходе экспериментов на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли впервые синтезировали радиоактивный изотоп углерода-14. Они облучили графит дейтронами и получили изотоп с периодом полураспада, который первоначально оценили в 5700 лет (современное значение — 5730 ± 40 лет). В 1941 году они же обнаружили, что ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей.

Разработка метода Уиллардом Либби

В 1946 году американский химик Уиллард Либби, работавший в Чикагском университете, выдвинул гипотезу о том, что содержание ¹⁴C в живых организмах постоянно и равно его содержанию в атмосфере, а после смерти организма начинается радиоактивный распад. Либби предположил, что измеряя остаточное количество ¹⁴C, можно определить время смерти организма. В 1947 году он вместе с коллегами провёл первые эксперименты по датированию, используя счётчик Гейгера — Мюллера. Первым объектом датирования стала древесина из гробницы египетского фараона Джосера (III династия, около 2700 г. до н. э.), для которой радиоуглеродный метод дал возраст около 4600 лет, что хорошо совпало с историческими данными. В 1949 году Либби опубликовал результаты, а в 1960 году был удостоен Нобелевской премии по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».

Развитие и калибровка

В 1950-х годах были выявлены расхождения между радиоуглеродными датами и календарными возрастами, полученными по дендрохронологии (по годичным кольцам деревьев). Это привело к созданию калибровочных кривых, позволяющих переводить «радиоуглеродный возраст» в календарный. В 1960-х годах Ганс Зюсс и другие исследователи показали, что содержание ¹⁴C в атмосфере не было постоянным из-за изменений солнечной активности, магнитного поля Земли и антропогенных факторов (например, сжигания ископаемого топлива и ядерных испытаний). В 1970-х годах был разработан метод ускорительной масс-спектрометрии (AMS), который позволил датировать образцы массой в несколько миллиграммов вместо граммов, требуемых для сцинтилляционных счётчиков.

Физические основы

Образование ¹⁴C

Радиоуглерод (¹⁴C) образуется в верхних слоях атмосферы (на высоте 9–15 км) при взаимодействии тепловых нейтронов, возникающих под действием космических лучей, с ядрами азота-14 (¹⁴N) по реакции: ¹⁴N + n → ¹⁴C + p Образовавшийся ¹⁴C быстро окисляется до углекислого газа (¹⁴CO₂) и равномерно распределяется в атмосфере, гидросфере и биосфере.

Период полураспада

Период полураспада ¹⁴C составляет 5730 ± 40 лет. Это означает, что за 5730 лет количество радиоуглерода в образце уменьшается вдвое, за 11 460 лет — вчетверо, и так далее. Для практических расчётов в радиоуглеродном датировании традиционно используется значение 5568 лет (так называемый «период полураспада Либби»), что приводит к необходимости последующей калибровки.

Равновесие в живых организмах

Живые организмы постоянно обмениваются углеродом с окружающей средой (через дыхание, питание, фотосинтез), поэтому содержание ¹⁴C в их тканях поддерживается на уровне, равном атмосферному. После смерти организма обмен прекращается, и количество ¹⁴C начинает уменьшаться по закону радиоактивного распада.

Методология

Отбор образцов

Для датирования пригодны образцы, содержащие органический углерод: древесина, уголь, кости, раковины, торф, почва, текстиль, папирус, кожа, семена. Образцы должны быть чистыми, без загрязнения более молодым или более древним углеродом (например, от корней растений, грибков, карбонатных отложений). Особое внимание уделяется образцам, загрязнённым нефтепродуктами или современными органическими веществами.

Подготовка образцов

Образцы очищают от видимых загрязнений, высушивают и измельчают. Для удаления неорганического углерода (карбонатов) образцы обрабатывают кислотой (обычно соляной или фосфорной). Для удаления гуминовых кислот и других органических загрязнений применяют щелочную обработку (гидроксидом натрия). Затем образец сжигают в токе кислорода, превращая органический углерод в углекислый газ, который далее восстанавливают до графита (для AMS) или используют для сцинтилляционного счёта.

Измерение

Существует два основных метода измерения содержания ¹⁴C:

• Сцинтилляционный счёт (радиометрический метод): образец преобразуют в бензол, который смешивают со сцинтиллятором, и измеряют количество бета-частиц, испускаемых при распаде ¹⁴C. Метод требует образцов массой 1–10 г углерода и позволяет датировать объекты возрастом до 40–50 тысяч лет.
• Ускорительная масс-спектрометрия (AMS): образец превращают в графит, который помещают в ионный источник. Ионы углерода ускоряются в масс-спектрометре, и атомы ¹⁴C отделяются от более лёгких изотопов (¹²C и ¹³C). Метод требует образцов массой всего 0,1–1 мг углерода и позволяет датировать объекты возрастом до 60–100 тысяч лет с высокой точностью.

Расчёт возраста

Радиоуглеродный возраст вычисляется по формуле: t = (T₁/₂ / ln2) × ln(N₀/N) где T₁/₂ — период полураспада, N₀ — исходное содержание ¹⁴C (принимаемое равным современному стандарту), N — измеренное содержание ¹⁴C в образце. Результат выражается в «радиоуглеродных годах до настоящего времени» (BP, before present), где «настоящее» условно принято за 1950 год.

Калибровка

Необходимость калибровки

Исходное содержание ¹⁴C в атмосфере не было постоянным во времени. Оно менялось из-за:

• вариаций солнечной активности и магнитного поля Земли, влияющих на поток космических лучей;
• изменений в углеродном цикле (например, в периоды оледенений);
• антропогенных факторов: сжигание ископаемого топлива (с XIX века) снижает долю ¹⁴C в атмосфере («эффект Зюсса»), а ядерные испытания (1950–1960-е годы) резко увеличили её («бомбовый пик»).

Калибровочные кривые

Для перевода радиоуглеродного возраста в календарный используются калибровочные кривые, построенные на основе независимых методов датирования: дендрохронологии (по годичным кольцам деревьев, в первую очередь дуба и сосны остистой), уран-ториевого датирования кораллов, ленточных глин (варвов) и ледяных кернов. Наиболее распространённая калибровочная кривая — IntCal (International Calibration), которая регулярно обновляется. Для Южного полушария используется кривая SHCal, для морских образцов — MarineCal. Калибровка выполняется с помощью специального программного обеспечения (OxCal, CALIB, CalPal).

Пример калибровки

Радиоуглеродный возраст 3000 лет BP может соответствовать календарному возрасту около 3200–3300 лет назад (с учётом калибровки), причём результат обычно представляется в виде интервала (например, 95,4% вероятность: 3270–3150 лет до н. э.).

Применение

Археология

Радиоуглеродный метод является основным инструментом датирования в археологии для периода от 50 000 до 300 лет назад. Он применяется для:

• датирования стоянок древних людей (например, стоянка Костёнки в Воронежской области, датированная 40–45 тыс. лет назад);
• изучения неолитических культур (например, культуры шнуровой керамики, датированной 2900–2300 лет до н. э.);
• датирования мумий, погребений, деревянных конструкций, углей из очагов.

Геология и палеонтология

Метод используется для датирования отложений торфа, озёрных и морских осадков, почв, а также для изучения палеоклимата (например, по изотопному составу ледяных кернов). В палеонтологии радиоуглеродное датирование применяется для определения возраста костей животных (например, мамонтов, шерстистых носорогов) и растительных остатков из плейстоценовых отложений.

Криминалистика и судебная экспертиза

В судебной медицине радиоуглеродный метод используется для определения возраста биологических тканей (например, костей, зубов) неопознанных тел. Метод позволяет установить, родился ли человек после 1950 года (по наличию «бомбового пика» ¹⁴C) или ранее.

Экология и океанология

Метод применяется для изучения круговорота углерода в природе, определения возраста грунтовых вод, оценки скорости седиментации в океанах и озёрах.

Ограничения и критика

Верхний предел

Метод эффективен для образцов возрастом до 50–60 тысяч лет (до 10 периодов полураспада). Для более древних образцов содержание ¹⁴C становится слишком малым для надёжного измерения, и метод неприменим.

Источники ошибок

• Загрязнение образца: примесь современного углерода (например, от корней, грибов, бактерий) может привести к занижению возраста, а примесь древнего углерода (например, от карбонатных пород) — к завышению.
• Резервуарный эффект: в водных экосистемах (озёра, моря) содержание ¹⁴C может отличаться от атмосферного из-за растворения древнего углерода из карбонатных пород или из-за медленного обмена с атмосферой. Это требует введения поправок (например, для морских образцов используется поправка на «морской резервуарный эффект»).
• Эффект Зюсса: сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа) с XIX века привело к разбавлению атмосферного ¹⁴C, что делает образцы XIX–XX веков «слишком старыми» по радиоуглеродной шкале.
• Бомбовый пик: ядерные испытания 1950–1960-х годов резко увеличили содержание ¹⁴C в атмосфере, что позволяет точно датировать образцы этого периода, но усложняет датирование образцов, живших в это время.

Статистическая природа

Радиоуглеродный возраст всегда приводится с погрешностью (например, 3000 ± 50 лет BP), которая отражает статистическую ошибку измерения. Калибровка дополнительно расширяет интервал из-за нелинейности калибровочной кривой.

Интересные факты

• Первое успешное датирование методом Либби было выполнено для образца древесины из гробницы фараона Джосера (около 2700 г. до н. э.), что подтвердило работоспособность метода.
• Радиоуглеродный метод позволил датировать Туринскую плащаницу, показав, что её возраст составляет около 700 лет (XIII–XIV века), а не 2000 лет, как предполагали некоторые.
• В 2018 году с помощью AMS-датирования было установлено, что древнейшие наскальные рисунки в пещере Шове (Франция) имеют возраст около 37 000 лет.
• В России радиоуглеродные лаборатории работают в Институте географии РАН (Москва), Геологическом институте РАН (Москва), Институте археологии РАН (Москва), Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Томск) и других учреждениях.

Источники

• Либби У. Ф. Радиоуглеродное датирование. — М.: Издательство иностранной литературы, 1962.
• Сулержицкий Л. Д. Радиоуглеродный метод: основы, применение, ограничения. — М.: Наука, 1990.
• Ренфрю К. Археология: теории, методы и практика. — М.: АСТ, 2005.
• Bronk Ramsey C. Radiocarbon dating: revolutions in understanding // Archaeometry. — 2008. — Vol. 50, № 2. — P. 249–275.
• Reimer P. J. et al. IntCal13 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0–50,000 years cal BP // Radiocarbon. — 2013. — Vol. 55, № 4. — P. 1869–1887.