Археология. В начале
Шрифт:
Радиоуглеродные даты имеют свои пределы — около 40 000 лет, а это означает, что они пригодны для датирования всех важных событий позднего ледникового периода и более современных времен. Более раннюю предысторию датировать намного труднее, потому что для тех значительных временных периодов, превосходящих ледниковую эпоху, пока отсутствуют надежные методы датирования. Калий-аргоновый метод датирования (от древнейших времен до 50 000 лет назад)
Единственным практически осуществимым методом хронометрической датировки древнейших археологических памятников является калий-аргоновый метод (Дэлримпл и Лэмфер — Dalrymple and Lamphere, 1970). Геологи используют этот радиоактивный метод для датирования возраста земли по породам возрастом от 50 0000 до 2 миллиардов лет.
К счастью, многие древние поселения в Старом Свете находятся в вулканических областях, где в изобилии имеются такие отложения, как потоки лавы и вулканический туф. Первой археологической датой, полученной с помощью этого метода, является ущелье Олдувай в Танзании, где Луис и Мэри Лики в озерном ложе неизвестного возраста обнаружили целый череп австралопитека (Australopithecus boisei), каменные инструменты, кости животных. Образцы лавы из этого памятника были датированы приблизительным возрастом в 1,75 миллиона лет, тем самым была удвоена предполагаемая тогда дата появления первых людей (Tobias, 1971). Каменные отщепы и рубящие инструменты, несомненно сделанные человеком, были найдены в Кооби Фора в Северной Кении, калийная датировка определила возраст этих самых древних человеческих артефактов в 2,6 миллиона лет. Еще более ранней датой приблизительно в 4,5 миллиона лет с помощью того же метода были датированы окаменелости Australopithecus в Арамисе возле Хадара в Эфиопии. Группа ученых из Беркли с помощью нового метода лазерного ядерного синтеза (Суишер и другие — Swisher and others, 1994) датировали слои со следами Homo erectus в Моджокерто в Юго-Восточной Азии в 1,8 миллиона лет. Принципы калий-аргонового метода датировки и методики лазерного ядерного синтеза обсуждаются в соответствующей вставке.
Метод радиоуглеродного датирования основан на том факте, что космическое излучение порождает нейтроны, которые достигают земной атмосферы и вступают в реакцию с азотом. В результате получается углерод-14, изотоп углерода, в ядре которого находится не 6 нейтронов, как обычно, а 8. Из-за этих дополнительных нейтронов ядро становится нестабильным и подвергается постепенному радиоактивному распаду. Вильярд Либб подсчитал, что потребуется 5568 лет для того, чтобы половина углерода-14 распалась в любом объекте, это так называемый период полураспада. Это период сейчас подсчитан более точно и равняется 5730 годам. Либби обнаружил, что нейтроны испускают радиоактивные частицы, когда покидают ядро, и нашел способ для подсчета эмиссий на грамм углерода.
Считается, что с химической точки зрения углерод-14 ведет себя точно так же, как обычный углерод, и вместе с обычным углеродом он входит в реакцию с углекислым газом атмосферы. Скорость процесса соответствует скорости поступления и распада. Так как растительность строит свое собственное органическое вещество посредством фотосинтеза и использования атмосферной двуокиси углерода, то количество радиоуглерода в ней равняется имеющемуся в атмосфере. После того как организм умирает, радиоуглерод больше не участвует в процессе. Радиоуглерод, имеющийся в мертвом организме, продолжает медленно разрушаться, и спустя 5730 лет его останется только половина от первоначального количества, а через 11 000 лет — только четверть, и так далее. Таким образом, если измерить скорость распада углерода по сравнению с азотом, то можно получить представление о возрасте объекта. Первоначальное количество радиоуглерода в объекте настолько мало, что скоро достигается предел возможности обнаружить его. Объекты возрастом более 50 000 лет содержат совсем маленькие количества углерода-14.
Данные, полученные в лаборатории радиоуглеродного датирования для определенного образца, будут иметь такой вид: 3621+180 радиоуглеродных лет до настоящего времени. Цифра 3621 является возможным статистическим возрастом образца (в радиоуглеродных годах) до настоящего времени (за настоящее время принимается 1950 год н. э.). Отметим, что показания даются в радиоуглеродных, а не календарных годах. Для перевода показаний в хронометрическую дату требуются коррекция по годичным кольцам деревьев.
В радиоуглеродном возрасте присутствует дополнение «+180». Это стандартное отклонение, оценка возможной ошибки. Цифра в 180 лет является оценкой 360-летнего диапазона, в котором может находиться дата. В соответствии со статистической теорией имеется два шанса из трех, что корректная дата будет находиться в пределах промежутка одного стандартного отклонения (3441 и 3801). Если мы удвоим отклонение, то будет 19 шансов из 20, что промежуток (3261 и 3981) корректен. Большинство дат, приводимых в этой книге, получены в результате радиоуглеродного датирования и должны восприниматься именно тем, чем они являются на самом деле, — статистическими приближениями.
Точное датирование остатков прошлого остается одним из величайших вызовов археологии отчасти потому, что речь идет о гигантских хронологических шкалах, и также из-за того, что каждый археологический памятник является уникальным и существует очень много стратиграфических и иных переменных, воздействующих на формирование археологических слоев. В специальной литературе много описаний уже хорошо зарекомендовавших себя методов датирования, все еще находящихся в стадии эксперимента. Они или станут частью инструментария археологов, или канут в научное забвение (Айткен — Aitken, 1990). Вот некоторые из самых обычных методов датирования.
Калий является одним из самых распространенных элементов земной коры и имеется почти в каждом минерале. В своем естественном виде калий содержит небольшое количество радиоактивных атомов калия-40. Из каждых 100 распавшихся атомов калия-40 11 превращаются в аргон-40, инертный газ, который при формировании лавы и вулканических пород легко улетучивается из материала благодаря диффузии. По мере кристаллизации вулканических пород содержание аргона-40 падает практически до нуля. Но распад калия-40 будет продолжаться, и период полураспада равняется 1,3 миллиарда лет. С помощью спектрометра можно измерить концентрацию аргона-40, который аккумулировался после образования породы. Так как многие археологические памятники были заселены в тот период, когда имела место значительная вулканическая деятельность, особенно в Восточной Африке, то эти памятники можно датировать, если связать лаву с поселениями человека.
Калий-аргоновые даты были получены по многим вулканическим минералам, из которых самыми стойкими к диффузии аргона являются биотит, мусковит и санидин. Для исключения возможности загрязнения из-за рекристаллизации и других процессов образец породы необходимо подвергнуть микроскопическому исследованию. Образцы дробят для повышения концентрации, обрабатывают фтористоводородной кислотой для удаления атмосферного аргона. Затем из образца удаляются другие газы, газ аргон изолируется и подвергается масс-спектрографическому анализу. Далее, используя содержание аргона-40 и калия-40 и стандартную формулу, подсчитывается возраст образца. Полученная в результате дата имеет большое стандартное отклонение, для раннеплейстоценовых памятников оно составляет порядка четверти миллиона лет.
В последние годы альтернативой стал метод компьютерного аргонового лазерного термоядерного синтеза (computerized argon laser fusion). Посредством наведения лазерного пучка на отдельно взятое облученное зернышко вулканической лавы (полевого шпата) специалист по калий-аргоновой датировке может датировать слой ложа озера или даже небольшую россыпь инструментов или костей животных, оставшихся после гоминида. Зернышко раскаляется добела и испускает газ, который очищают, а затем заряжают электронным пучком. Мощный магнит разгоняет заряженный газ и «бросает» его на устройство, подсчитывающее атомы аргона в нем. Измеряя относительные количества двух изотопов элемента, ученые могут определить время, прошедшее с момента охлаждения лавы и образования кристаллов.
Датирование по гидратации обсидиана. Этот метода может быть использован для датирования всего периода существования человечества. Обсидиан является естественным стекловатым веществом, образованным в результате вулканической активности (Лейте — Leute, 1987). В течение длительного времени его ценили за острые края и другие свойства, отлично подходящие для изготовления инструментов. В датировании по гидратации обсидиана используется следующее свойство: только что изготовленная поверхность обсидиана поглощает влагу, образуя измеряемый слой гидратации, невидимый невооруженному глазу. Ни один известный материал не обладает таким свойством. Поскольку только что изготовленная поверхность сильно «притягивает» воду, то абсорбция продолжается до тех пор, пока поверхность не насыщается молекулами воды. Эти молекулы затем медленно диффундируют вглубь тела обсидиана. Такая зона гидратации содержит около 3,5 % воды, повышая плотность слоя и допуская точное измерение под поляризованным светом. Каждый раз, когда откалывается поверхность, например при изготовлении инструмента, гидратация начинается заново с места скола. Таким образом, глубина полученной гидратации представляет время, прошедшее с момента изготовления объекта или его использования. Гидратация наблюдается на микроскопически тонких кусочках обсидиана, отколовшихся от артефакта и размельченных до размера 0,75 мм. Сейчас широко используется нейтронно-активационный анализ, который позволяет получить не только даты, но и информацию, которая может быть использована для мониторинга изменений торговых связей (глава 16).
Метод датирования по гидратации обсидиана с большим успехом использовался в Центральной Америке, главным образом в десятилетней программе по датированию в городе майя Копане (Freter, 1993). Ученые тщательно собирали информацию о таких важных переменных внешней среды, как температура, осадки, кислотность почвы, получаемых с метеостанций, с влажных и сухих элементов, захороненных на разных глубинах на памятниках, которые предстояло датировать. Также собирались данные о составе почв за как можно большее количество лет. Энн Корин Фретер называет такой подход «соединительным»: все виды хронологических данных и строго спланированное изучение всех переменных, могущих повлиять на гидратацию, были соединены воедино в одном хронологическом проекте. Таким образом, точность датирования по гидратации обсидиана проверялась на каждом шагу.
Проект датирования по обсидиану в Копане начался в 1984 году, в результате было получено 2300 дат на 252 памятниках, то есть на 17 % памятников в долине Копан (Фретер — Freter, 1994). Этот метод был идеальным для Копана, где радиоуглеродное и археомагнитное датирование будет дорогим, а полученных с их помощью дат будет немного, в то время как датирование по гидратации обсидиана сравнительно дешево. В то же самое время обилие обсидиана как в центральной части, так и в отдаленных городских поселениях позволило провести экономную датировку большого количества памятников. Таким образом, Фретер и ее исследовательская группа смогли проследить изменяющуюся структуры поселений в период между 500 и 1150 годами н. э. с большой хронологической точностью. Они показали, что государство Копан быстро пало между 800 и 850 годами (более подробно об изучении Копана см. в главе 15). Фретер указывает, что при постоянных условиях внешней среды на территории памятника метод датирования по гидратации обсидиана имеет большой потенциал при получении относительных хронологий и идентификации памятников с поврежденными слоями обитания.
Термолюминесцентное датирование. Этот метод датирования основан на том факте, что любой материал на земле подвергается радиоактивному облучению низкого уровня, исходящему от различных радиоактивных элементов окружающей среды. Многие твердые материалы с течением времени постепенно накапливают небольшие количества этой энергии. Когда этот материал нагревают, то сохраненная энергия испускается в виде света, и это явление называется термолюминесценцией. Предполагается, что возраст объекта равняется периоду времени с того момента, когда его нагрели до очень высокой температуры. Очевидно, что термолюминесцентное датирование применимо при датировании вулканических пород и других геологических образований, но его можно применять и по отношению к объектам, подвергавшимся тепловой обработке человеком, это могут быть глиняные сосуды, обожженные кирпичи и прочее.
В качестве образцов берут раздробленные глиняные черепки или сверлят небольшие отверстия для получения срединных образцов. В лаборатории замеряют естественную термолюминесценцию объекта с помощью счетчика альфа-радиации, проверяют скорость, с которой образец облучался в естественной среде, посредством мониторинга радиации местности, где он был найден, и определяют величину термолюминесценции, производимой известным количеством радиации. Все это дает основания полагать, что произведенные человеком объекты нагревались до достаточно высокой температуры, хотя это не всегда так.
Термолюминесцентное датирование, как утверждают, имеет точность 67 % и обычно используется для датирования керамики и объектов из обожженной глины возрастом от 50 до 20 000 лет. Термолюминесцентное датирование также используется при изучении кремниевых материалов для изготовления инструментов, найденных в скальных укрытиях и захоронениях каменного века, таких как погребения неандертальцев в Израиле, возраст которых более 40 000 лет. В похожем методе используется лазерная технология для датирования эмиссии от зерен кварца и полевого шпата из археологических слоев. Этот метод оптически стимулируемой люминесценции позволяет датировать памятники в диапазоне 100–100 000 лет. Утверждают (хотя это очень спорно), что с его помощью определили возраст первого поселения в Австралии, и он составляет 60 000 лет.