Как ученые определяют возраст ископаемых остатков сообщение
Обновлено: 05.07.2024
Как определить возраст ископаемого? Сколько тысяч или миллионов лет назад жил найденный организм? Как определили, какому периоду принадлежит формация? У геологов и палеонтологов есть два основных метода датирования: относительный и абсолютный. Относительный метод быстрее, но менее точный. При относительной датировке используются уже изученные организмы, породы и формации. Для абсолютной датировки нужна лаборатория, чтобы изучить находку. Зная скорость распада определённых изотопов, и насколько они распались, мы можем достаточно точно определить возраст организма или, что чаще, породы, в которой он был обнаружен.
Относительный метод
Относительный метод датирования используется, когда мы знаем что и где нашли. Например, мы нашли зуб тираннозавра из формации Хелл Крик. Нам не нужна лаборатория для установки точного возраста. Нам известно, когда жил тираннозавр, и какой период охватывает формация Хелл Крик.
Но что делать, если перед нами неисследованные слои горных пород? В этом случае к нам на помощь приходят так называемые индексные окаменелости. Как правило, это специфичные организмы, свойственные только определённому периоду. Их возраст уже определён абсолютным методом. Например, брахиоподы являются ценными индексными окаменелостями. Благодаря этим беспозвоночным мы можем определить не только возраст пород, но и физико-географическую обстановку изучаемой области. Так, найденные в 2014 году на берегу реки Шидерты брахиоподы подсказали исследователям, что возраст пород 345-400 млн лет, а область представляла из себя тёплое море со среднегодовой температурой от +5 до +25 градусов. Соответственно, остатки других организмов, найденные в одном слое с этими брахиоподами, будут также датироваться девонским периодом.
Можно использовать и несколько индексов. Представим, что мы нашли формацию, в которой сохранились уже известные нам брахиоподы, с возрастом 345-400 млн лет. В тех же слоях рядом с брахиоподами мы находим и трилобитов, датируемых 410-390 млн лет назад. Несложная арифметика и мы получаем возраст формации от 400 до 390 млн лет.
Также в относительном методе датирования стоит помнить, что слои накладываются последовательно. Если мы нашли окаменелости, возраст которых знаем, то слой над ними будет моложе, а слой под ним – старше.
Абсолютный метод
Точное определение возраста окаменелостей при абсолютном методе датирования происходит при помощи радиометрии (радиоизотопное датирование). В радиометрии используются различные радиоактивные изотопы, которые работают как часы. Равномерный радиоактивный распад изотопов может помочь нам установить очень точный возраст пород различных геологических эпох. От орудий наших предков до точного возраста самой планеты.
Чаще всего в определении возраста ископаемого нам помогают вулканические породы, которые накладываются слоями. Установив датировки для вулканических слоёв под и над окаменелостью, мы можем указать возраст найденных остатков.
Сложность абсолютного метода в том, что мы не всегда можем найти нужный нам изотоп для той или иной эпохи. Например, когда речь заходит о радиоизотопном методе датирования, первым в голову приходит радиоуглеродный анализ. Но он очень редко используется для датирования окаменелостей, степень его точности хороша для остатков моложе 60 000 лет. За это время изотоп C-14 проходит 10 циклов полураспада и уменьшается в 1000 раз.
Период полураспада — это время, за которое из некоторого количества изотопов распадается половина. Для изотопа C-14 — это 5730 ± 40 лет. То есть за 5730 лет изотоп распадается наполовину, ещё за 5730 лет наполовину распадается оставшаяся его часть и так далее.
Но что делать, если нам нужно установить возраст в миллионы и сотни миллионов лет? Для этого существуют другие методы, в которых используются другие изотопы.
Уран-свинцовый анализ предполагает использование изотопов урана: уран-235 или уран-238. Уран-свинцовый метод один из самых старых и хорошо изученных способов датировать породы возрастом в сотни миллионов и миллиарды лет. Точность данного метода очень велика, для пород возрастом 2 млрд лет погрешность будет ± 2 млн лет (0,1%). Одно из преимуществ данного метода, это большой охват возраста. Полураспад урана-235 с его превращением в свинец-207 имеет период в 700 млн лет, а урана-238 в свинец-206 – 4,5 млрд лет. Иногда используется уран-торий-свинцовый метод с изотопом торий-232. Превращение тория-232 в свинец-208 имеет период в 14 млрд лет.
Свинец-свинцовый анализ изучает наличие трёх изотопов в породах: свинец-206, свинец-207 и свинец-204. Используется данный метод для определения возраста метеоритов и пород, утративших изотопы уран-235 и уран-238. Благодаря свинец-свинцовому методу определили возраст Земли. Соотношение свинца-207 к свинцу-206, как результатов распада урана-235 и урана-238 соответственно, в породах Земли и метеоритах подсказало дату образования планеты. На сегодняшний день самая точная цифра – 4.567.200.000 ± 600.000 лет.
Калий-аргоновый анализ хорош тем, что калий встречается во многих материалах: слюде, глинистых минералах, вулканических осадках, эвапоритах. Из-за длительного периода полураспада, калий-аргоновый метод используется для датировки окаменелостей возрастом более 100 000 лет.
Это далеко не все способы определить возраст находки, как относительные, так и абсолютные. У нас не возникает сложностей, когда требуется датировать окаменелость, вид и место обнаружения которой известны. Сложнее, когда образец утратил или вовсе не имеет точных данных о месте обнаружения. Это относится к старым музейным экспонатам, находкам палеонтологов-любителей или изъятым у чёрных копателей окаменелостям.
Когда мы слышим, что археологи обнаружили тот или иной артефакт, которому, например, 5300 лет, то принимаем это как должное, хотя можем и не знать, как ученые так точно определяют возраст находки. Есть разные методы, о пяти мы и расскажем.
Самым классическим археологическим методом датировки считается стратиграфия. В основном она применяется в случае раскопок поселений, которые существовали продолжительный период времени.
Дело в том, что в местах, где живут люди, слой почвы постоянно повышается – в связи со стройками, земляными работами и прочими элементами человеческой деятельности. Это наслоение и называется культурным слоем, которое похоже на слоенный пирог. И каждый слой в нем – отражение определенного периода жизни города.
В нем сохраняются древние сооружения, строительный, хозяйственный мусор, следы пожаров. Более того, земля может рассказать нам о судьбе конкретной семьи. При раскопках древнерусских городищ часто можно обнаружить сгоревший дом с его хозяевами, не успевшими вовремя спастись.
Как же происходит сама датировка? По сути, путем сравнения со слоями других памятников, про которые больше известно, скажем из письменных источников, по найденным находкам, которые характерны для определенного периода, а также по структуре и цвету и составу почвы.
Например, в городах Волжской Болгарии, переживших монголо-татарское нашествие, домонгольский слой по составу, а часто и по цвету отличен от более позднего слоя. Кроме того, стратиграфия позволяет установить хронологическую последовательность, поскольку в непотревоженном культурном слое нижние слои древнее верхних.
Поэтому так важен именно нетронутый культурный слой. Тот, что был разрушен при строительстве или черными копателями не только не годен к стратиграфическому анализу, но и вообще не сможет рассказать об истории этого места, поскольку все культурные слои и, соответственно, исторические периоды будут перемешаны. К сожалению, разрушенные культурные слои – довольно частая картина.
Сравнительный метод позволяет определить и относительную, и в некоторых случаях, точную датировку. Он является сугубо историческим: слои датируются по древним надписям на находках, монетам.
Для данного метода характерно сопоставление археологических данных с письменными источниками, описывающими жизнь на изучаемой территории или быт определенного народа. Разумеется, если они есть. Сравнительный метод практически бесполезен для датировки дописьменных культур, особенно в случае отсутствия рядом с ними древних письменных цивилизаций.
В эту же категорию можно отнести и способ датировки по художественным особенностям изделий и изображений. Например, для отдельных периодов и культур существовали свои творческие особенности, будь то особый узор, техника изготовления и прочее. При нахождении общих правил распознавания таких стилистических признаков, датировать предметы можно достаточно точно.
Одной из самых распространенных находок в археологии большинства периодов является керамика. Сегодня ее можно датировать с точностью до десятков лет, определив время обжига, последнего растапливания печи и так далее. Это возможно благодаря палеомагнитному методу, основанному на изменчивости магнитного поля Земли и на свойстве материалов намагничиваться при высоких температурах под его воздействием. Так, при переходе железосодержащих веществ из жидкого состояния в твердое, в образующихся минералах сохраняется так называемая остаточная намагниченность. При этом ее вектор будет совпадать с ориентацией магнитного поля Земли в момент образования минерала. Полученные сведения о состоянии магнитного поля земли на момент обжига соотносят с геохронологическими шкалами, составленными при помощи палеонтологических, радиометрических и других данных, и получают результат.
Основной минус палеомагнитного метода в том, что для точных данных, нужно, чтобы объект исследования после обжига не перемещался, а это условие выполнимо лишь в редких случаях.
Когда мы слышим об археологических находках в России или других странах, у многих возникает вполне логичный вопрос: каким образом ученые определяют возраст артефактов? Для этого используются различные методы: дендрохронология, геохронологическая летопись, радиоизотопное датирование и так далее.
Ученые применяют относительные и абсолютные способы. В первом случае при датировке учитывается информация о сделанных ранее подобных находках, во втором – выполняется ряд сложных исследований в лабораторных условиях. Подробнее о том, как специалисты определяют возраст археологических находок, мы расскажем в этой статье.
Дендрохронология
Метод дендрохронологии позволяет узнать возраст деревянных фрагментов. Он предусматривает подсчет годичных колец при поперечном распиле ствола. Этот способ датировки часто используется с другими методами, например, радиоуглеродным.
Дендрохронология помимо определения возраста археологических находок помогает реконструировать климатические и гидрологические изменения на территории, где росло дерево. В процессе исследований ученые учитывают ширину и плотность годичных колец.
Геохронология
Для определения возраста окаменелостей используется геохронология. Она бывает относительной и абсолютной. Первая позволяет зафиксировать последовательность образования горных пород. Она базируется на том, что каждый вышележащий исследуемый слой моложе нижних. Абсолютная геохронология основывается на определении времени распада радиоактивных изотопов. Последние входят в состав минералов.
Радиоизотопное датирование
Чтобы определить возраст археологической находки, ученые часто используют радиоизотопное датирование. Оно предполагает подсчет количества изотопов, которые успели распасться за период существования исследуемого образца. Этот метод используется не только в археологии, но и в палеонтологии и геологии. Именно он позволил сделать большую часть датировок различных событий в истории планеты.
Спорность точности определения возраста археологических находок этим методом обусловлена тем, что исследуемые объекты обмениваются входящими в их состав веществами с окружающей средой. Из-за этого сложно узнать изначальное содержание изотопов.
Спектральный анализ
Атомный и молекулярный спектральный анализ используется для определения химического состава находки. Он позволяет обнаружить все компоненты, из которых состоит объект.
Анализ предполагает изучение спектров взаимодействия исследуемой материи с излучением. Масса образцов может составлять менее 10 г.
Палеомагнетизм
При помощи палеомагнетизма ученые определяют возраст предметов из керамики, полученных путем обжига. Погрешность датирования – десяток лет.
Кому доверить археологические работы
Из всех химических элементов этот кажется, наиболее важный для жизни, без которого жизнь на любой планете представить труднее всего из-за его замечательной способности к формированию цепочек, колец и других сложных молекулярных структур. Он вводится в пищевые цепи с фотосинтезом, процессом, при котором зелёные растения (и некоторые бактерии и животные) поглощают молекулы углекислого газа из атмосферы и используют энергию солнечного света, чтобы объединить атомы углерода с водой, создавая сахара. Весь углерод во всех живых существах происходит, в конечном счете, посредством растений, из углекислого газа в атмосфере. И он возвращается обратно в атмосферу когда мы выдыхаем, когда мы выделяем, и когда мы умираем.
Большая часть углерода в углекислом газе атмосферы это углерод-12, который не радиоактивен. Однако, примерно один атом на триллион является радиоактивным углеродом-14. Он распадается достаточно быстро, с периодом полураспада 5730 лет, как уже говорилось, в азот-14. Для биохимии растений нет разницы между этими двумя изотопами. Для растений углерод – всего лишь углерод. Таким образом, растения включают оба этих вида атомов углерода в сахара в той же самой пропорции, в какой они присутствуют в атмосфере. Углерод, входящий в состав атмосферы (вместе с такой же пропорцией атомов 14 C) быстро (по сравнению с его периодом полураспада) распространяется через пищевую цепь, когда растения поедаются травоядными, травоядные хищниками и так далее. Все живые существа, будь то растения или животные, имеют примерно равное соотношение 14 C/ 12 C, которое является тем же самым соотношением, что и в атмосфере.
Итак, когда эти часы обнуляются? В момент, когда живое существо, будь то животное или растение, умирает. В этот момент оно отсекается от пищевой цепи, и от притока свежего 14 C. С течением столетий 14 C в трупе, или куске дерева, или части ткани, или иной органики постоянно распадается в азот-14. Поэтому соотношение 14 C/ 12 C в образце постепенно падает ниже стандартного соотношения, которое живущие существа делят с атмосферой. В конце концов, останется только 12 C или, точнее, содержание 14 C будет слишком малым, чтобы его измерить. И соотношение 14 C/ 12 C может быть использовано для расчета времени, которое прошло со дня смерти существа, отрезанного от пищевой цепи, и его обмена с атмосферой.
Это очень хорошо, но это работает только потому, что идет непрерывное пополнение запаса 14 C в атмосфере. Без этого 14 C с коротким периодом полураспада давно бы исчез с лица Земли, вместе со всеми другими естественными короткоживущими изотопами. 14 C является особенным, потому что он непрерывно создается космическими лучами, бомбардирующими атомы азота в верхних слоях атмосферы.
Азот — самый распространённый газ в атмосфере, и его атомное число 14, такое же, как и у углерода-14. Различие лишь в том, что у углерода-14 6 протонов и 8 нейтронов, тогда как у азота-14 7 протонов и 7 нейтронов (нейтроны, помните, имеют почти ту же массу, что и протоны). Частицы космических лучей способны, бомбардируя протон в ядре атома азота, превратить его в нейтрон. Когда это происходит, атом становится углеродом-14, который стоит на одну ячейку левее, чем азот, в периодической системе. Скорость этого преобразования примерно постоянна (зависит от колебаний солнечной активности) и поэтому радиоуглеродное датирование работает. К счастью, у нас есть точная калибровка колебаний поставки 14 C в атмосферу, и мы можем ввести поправку на них, чтобы уточнить наши вычисления возраста. Помните, что, примерно для того же самого временного диапазона, покрываемого датированием по радиоуглероду, есть альтернативный метод датирования древесины — дендрохронология, который абсолютно точен до года. Глядя на датируемые по радиоуглероду возрасты деревянных образцов, возраст которых независимо установлен датированием с помощью годичных колец, мы можем откалибровать эту колеблющуюся ошибку в датировании по углероду. Теперь мы можем использовать эти калибровочные измерения, когда мы возвращаемся к органическим образцам, для которых у нас нет данных годичных колец (для большинства).
Датирование по радиоуглероду – сравнительно недавнее изобретение, оно было предложено Уиллардом Либби в 1946 году (Нобелевская премия по химии, 1960). В первые годы требовались существенные количества органического материала для этой процедуры. Только, в 1970-х техника, называемая масс-спектрометрией, была адаптирована для датирования, и сейчас необходимы только крошечные количества органического вещества. Это произвело революцию в археологическом датировании. Самым известным примером является Туринская плащаница. Поскольку на этом пресловутом куске ткани оказался запечатлён, кажется таинственным образом, лик бородатого, человека (причём, по неясной причине, почему-то в цилиндрической проекции), многие люди надеялись, что он может происходить со времен Иисуса. Она впервые появляется в исторической летописи в середине четырнадцатого века во Франции, и никто не знает, где она была до этого. Она находилась в Турине с 1578, и в Ватикане с 1983 года. Когда масс-спектрометрия сделала возможным датирование по крошечному образцу плащаницы, а не значительному куску, который был бы необходим прежде, Ватикан позволил отрезать маленькую полосу. Она была разделена на три части и отправлена в три ведущих лаборатории, специализирующиеся на радиоуглеродном датировании, в Аризоне, Оксфорде и Цюрихе. Работающие абсолютно независимо, не сравнивая записей, эти три лаборатории представили свои отчёты о дате, когда лён, из которого соткана ткань, умер. Лаборатория Аризоны указала на 1304, Оксфорд — на 1200, и Цюрих — 1274 годы нашей эры. Все эти даты в пределах погрешности, совместимы друг с другом и с датой 1350 года, в котором саван впервые упомянут в истории. Датирование плащаницы остаётся спорным, но не по причинам, которые ставят под сомнение саму технику радиоуглеродного датирования. Например, углерод в саване мог быть внесён пожаром, который произошёл в 1532 г. Это хороший пример, чтобы проиллюстрировать метод и тот факт, что, в отличие от дендрохронологии, он не обладает точностью до года, только до столетия или около.
Известно много различных часов, которые можно использовать, и они работают лучше всего на различных, но перекрывающихся временных масштабах. Радиоактивные часы могут быть использованы для независимой оценки возраста одного и того же куска породы, если помнить, что все часы были обнулены одновременно, когда этот кусок породы кристаллизовался. Когда такие сравнения были сделаны, различные часы были сопоставлены друг с другом — в рамках ожидаемых пределов погрешности. Это даёт большую уверенность в правильности часов. Таким образом, взаимно откалиброванные и проверенные на известных породах, эти часы можно с уверенностью применять к интересным проблемам датирования, таким как возраст самой Земли. В настоящее время установленный Клэром Паттерсоном в 1956 г. возраст в 4,55±0,05 млрд. лет является оценкой, на которой сходятся несколько различных часов.
Клэр Паттерсон умер в 1995 году. Он не получил Нобелевской премии за свои труды. Геологам ее не дают. Еще более странно, что полстолетия упорного, самоотверженного труда не принесли ему ни славы, ни маломальского признания. Можно бы привести веские доводы в подтверждение того, что он был самым влиятельным геологом двадцатого века. Однако кто слыхал о Клэре Паттерсоне? В большинстве учебников геологии о нем не упоминается. В двух свежих популярных книгах об истории определения возраста Земли ухитрились исказить его имя.
В начале 2001 года рецензент одной из этих книг в журнале Nature совершил еще одну поразительную ошибку, представив Паттерсона женщиной.
Как бы то ни было, благодаря трудам Паттерсона Земля к 1953 году обрела наконец возраст, с которым все могли согласиться.
Именно по этой причине в научных исследованиях возраст объектов сегодня принято определять при помощи нескольких независимых методов. Если это правило нарушено, результат выглядит спорным для большинства специалистов.
Егор Морозов | 7 Августа, 2020 - 09:06
На атлантическом побережье США археологи обнаружили устричные раковины, оставленные коренными американцами более 4000 лет назад. В Марокко палеонтологи раскопали останки динозавра, который бродил по Земле 168 миллионов лет назад. На Ямале был найден отлично сохранившийся мамонтенок Люба, который погиб 40 000 лет назад. Как исследователям удается так точно определять их возраст?
При изучении остатков прошлого специалисты используют радиометрическое датирование — универсальный метод, который заключается в подсчете радиоактивных атомов определенных элементов, которые все еще присутствуют в образце. Конкретные изучаемые элементы, а также детали процесса, зависят от приблизительного возраста объекта, который ученые надеются датировать.
Для датирования человеческих или животных останков возрастом приблизительно до 50 000 лет исследователи смотрят на уровни углерода-14 в образце. Этот изотоп, также называемый радиоуглеродом, образуется в результате столкновения космических лучей с азотом в атмосфере Земли, говорит Хосе Каприлес, археолог из Пенсильванского государственного университета. Химически углерод-14 ведет себя точно так же, как и его стабильные собратья (углерод-12 и углерод-13), позволяя растениям поглощать его во время фотосинтеза, а затем передавать дальше по пищевой цепи.
Количество углерода-14 в мертвом организме уменьшается экспоненциально, снижаясь вдвое примерно каждые 5730 лет. Иными словами, через 10460 лет останется лишь четверть первоначального радиоуглерода, а через 16190 уже только восьмая часть. Используя масс-спектрометр, исследователи могут легко измерить оставшееся количество углерода-14 в образце. Более сложной задачей является оценка того, сколько его должно было присутствовать в окружающей среде в те времена, когда этот организм был жив.
Процесс образования и распада радиоуглерода.
Возникающие в мантии Земли, некоторые радиоактивные элементы достигают поверхности в результате вулканических процессов и оказываются в ловушке внутри минералов и кристаллов в почве и горных породах. Например, в течение миллионов лет уран-235 и уран-238 претерпевают многоэтапные распады до изотопов свинца, что делает их идеальными для палеонтологии: исследователи могут определить возраст образца, измерив соотношение изотопов свинца к урану.
Перминерализация может превратить дерево в такую красоту.
Циркон, минерал, обычно встречающийся в магматических породах, оказывается особенно полезным. Поскольку циркон образуется в охлаждающейся магме, его кристаллическая структура содержит уран, но не свинец. Таким образом, любой свинец, присутствующий в образце циркона, должен был образоваться в результате радиоактивного распада урана. Эта особенность позволяет геологам датировать вулканические потоки, которые перемежаются слоями осадочных пород, создавая доисторический слоеный пирог. Любые окаменелости, найденные в осадочных породах, должны быть моложе, чем застывшая лава или пепел ниже, и старше, чем лава выше.
Кристалл циркона под электронным микроскопом.
Читайте также: