Соображения по радиоуглеродному датированию - Radiocarbon dating considerations

Вариация в ¹⁴
C /¹²
Соотношение C в различных частях резервуара обмена углерода означает, что простой расчет возраста образца на основе количества¹⁴
C, который он содержит, часто дает неверный результат. Есть несколько других возможных источников ошибок, которые необходимо учитывать. Ошибки бывают четырех основных типов:

• Вариации в ¹⁴
  C /¹²
  Соотношение C в атмосфере, как географически, так и во времени
• Изотопное фракционирование
• Вариации в ¹⁴
  C /¹²
  Коэффициент C в разных частях пласта
• Загрязнение

Атмосферное изменение

В первые годы использования этого метода было понятно, что он зависит от атмосферного давления. ¹⁴
C /¹²
Соотношение C оставалось неизменным в течение предыдущих нескольких тысяч лет. Чтобы проверить точность метода, были протестированы несколько артефактов, которые можно датировать другими методами; результаты испытаний разумно согласуются с истинным возрастом объектов. Однако в 1958 году Эссель де Фрис смог продемонстрировать, что¹⁴
C /¹²
Соотношение C изменилось с течением времени в результате тестирования образцов древесины известного возраста, которые показали значительное отклонение от ожидаемого отношения. Это несоответствие, часто называемое эффектом де Фриза, было разрешено путем изучения годичных колец . Сравнение перекрывающихся серий годичных колец позволило построить непрерывную последовательность данных годичных колец, охватывающую 8000 лет. (С тех пор ряд данных годичных колец был расширен до 13 900 лет.) Углеродное датирование древесины по самим годичным кольцам обеспечило необходимую проверку атмосферных условий.¹⁴
C /¹²
Коэффициент C : с образцом известной даты и измерением значения N (количества атомов¹⁴
C, остающийся в образце) уравнение углеродного датирования позволяет рассчитать N ₀ - количество атомов¹⁴
C в образце во время формирования годичного кольца - и, следовательно,¹⁴
C /¹²
Коэффициент C в атмосфере в то время. Вооружившись результатами углеродного датирования годичных колец, стало возможным построить калибровочные кривые, предназначенные для исправления ошибок, вызванных изменением во времени¹⁴
C /¹²
Соотношение C. Эти кривые более подробно описаны ниже .

Эти вариации в историческом ¹⁴
C /¹²
Коэффициент C : колебания скорости, с которой¹⁴
Создается C , изменения, вызванные оледенением, и изменения, вызванные деятельностью человека.

Вариации в ¹⁴
C производство

В серии «годичные кольца» можно увидеть две разные тенденции. Во-первых, существует долговременное колебание с периодом около 9000 лет, из-за которого даты по радиоуглероду оказываются старше истинных дат за последние 2000 лет и слишком молоды до этого. Известные колебания силы магнитного поля Земли довольно хорошо согласуются с этим колебанием: космические лучи отклоняются магнитными полями, поэтому при более слабом магнитном поле больше¹⁴
Вырабатывается C , что приводит к более раннему возрасту образцов из этих периодов. И наоборот, более сильное магнитное поле приводит к меньшему¹⁴
Производство C и более старший возраст. Считается, что вторичная осцилляция вызвана вариациями активности солнечных пятен, которая имеет два отдельных периода: более долгосрочное, 200-летнее колебание и более короткий 11-летний цикл. Солнечные пятна вызывают изменения в магнитном поле Солнечной системы и соответствующие изменения в потоке космических лучей, а значит, и в производстве¹⁴
C .

Есть два типа геофизических событий, которые могут повлиять на ¹⁴
Производство C : геомагнитные инверсии и экскурсии по полярности . При геомагнитной инверсии геомагнитное поле Земли ослабевает и остается слабым в течение тысяч лет во время перехода к противоположной магнитной полярности, а затем восстанавливает силу, когда инверсия завершается. Отклонение полярности, которое может быть глобальным или локальным, представляет собой более короткоживущую версию геомагнитной инверсии. Местная экскурсия не окажет существенного влияния на производство 14C. Во время инверсии геомагнитного поля или глобального изменения полярности¹⁴
Производство углерода увеличивается в период слабого геомагнитного поля. Однако совершенно очевидно, что за последние 50 000 лет не было геомагнитных инверсий или глобальных отклонений полярности.

Поскольку магнитное поле Земли меняется в зависимости от широты, скорость ¹⁴
Производство углерода также изменяется с широтой, но атмосферное перемешивание происходит достаточно быстро, чтобы эти колебания составляли менее 0,5% от глобальногоконцентрация. Это близко к пределу обнаруживаемости в большинство лет, но эффект можно отчетливо увидеть на кольцах деревьев таких лет, как 1963 год, когда¹⁴
C от ядерных испытаний резко выросла за год. Широтная вариация в¹⁴
В тот год C была намного больше, чем обычно, и годичные кольца деревьев с разных широт показывают соответствующие вариации в их размерах.¹⁴
C содержание.

¹⁴
C может также производиться на уровне земли, в первую очередь космическими лучами, которые проникают в атмосферу до поверхности земли, а также спонтанным делением природного урана. Эти источники нейтронов только производят¹⁴
C со скоростью 1 x 10 ^-4 атома на грамм в секунду, что недостаточно для значительного влияния на датирование. На больших высотах поток нейтронов может быть значительно выше, и, кроме того, деревья на большей высоте с большей вероятностью будут поражены молнией, которая производит нейтроны. Однако эксперименты, в которых образцы древесины подвергались облучению нейтронами, показывают, что влияние на¹⁴
Содержание C незначительно, хотя для очень старых деревьев (таких как некоторые сосны с щетиной ), которые растут на высоте, можно увидеть некоторый эффект.

Влияние климатических циклов

Поскольку растворимость CO
₂в воде увеличивается с понижением температуры, ледниковые периоды привели бы к более быстрому поглощению атмосферного CO
₂океаном. Кроме того, любой углерод, хранящийся в ледниках, будет истощен.¹⁴
C над жизнью ледника; когда ледник тает по мере потепления климата, будет высвобожден обедненный углерод, уменьшая глобальный¹⁴
C /¹²
Соотношение C. Изменения климата также вызовут изменения в биосфере, при этом более теплые периоды приведут к увеличению количества растений и животных. Влияние этих факторов на радиоуглеродное датирование неизвестно.

Последствия человеческой деятельности

caption = Атмосфера ¹⁴
C для северного и южного полушарий, показывающий процентное превышение над уровнями до бомбардировки. Договор о частичном запрещении испытаний вступил в силу 10 октября 1963 года.

Уголь и нефть начали сжигать в больших количествах в 1800-х годах. И уголь, и нефть достаточно стары, поэтому в них мало обнаруживается¹⁴
C и, как следствие, CO
₂ высвобожден существенно разбавил атмосферный ¹⁴
C /¹²
Соотношение C. Таким образом, датировка объекта началом 20-го века дает очевидную дату старше истинной. По той же причине,¹⁴
Концентрации углерода в окрестностях крупных городов ниже, чем в среднем в атмосфере. Этот эффект ископаемого топлива (также известный как эффект Зюсса по имени Ханса Зюсса , который впервые сообщил о нем в 1955 году) приведет к сокращению всего лишь на 0,2%.¹⁴
С деятельностью , если дополнительный углерод из ископаемого топлива были распределены по всему обменному резервуару углерода, но из-за длительную задержку в смешивании с глубоким океаном, реальный эффект снижения на 3%.

Гораздо больший эффект дают наземные ядерные испытания, в результате которых высвободилось большое количество нейтронов и образовалось ¹⁴
C . Примерно с 1950 по 1963 год, когда были запрещены ядерные испытания в атмосфере, по оценкам, несколько тонн¹⁴
C были созданы. Если все это лишнее¹⁴
C немедленно распространился по всему резервуару обмена углерода, это привело бы к увеличению¹⁴
C /¹²
Коэффициент C составляет всего несколько процентов, но немедленным эффектом было почти удвоение количества¹⁴
C в атмосфере, пик которого пришелся на 1965 год. С тех пор уровень упал, так как «углерод бомбы» (как его иногда называют) просачивается в остальную часть резервуара.

Изотопное фракционирование

Фотосинтез - это основной процесс перемещения углерода из атмосферы в живые существа. Существуют два разных фотосинтетических процесса: путь C3 и путь C4 . Около 90% всей растительной жизни использует процесс C3; остальные растения либо используют C4, либо являются CAM- установками, которые могут использовать C3 или C4 в зависимости от условий окружающей среды. Как пути фотосинтеза C3, так и C4 отдают предпочтение более легкому углероду с¹²
C всасывается немного легче, чем¹³
C , который, в свою очередь, легче всасывается, чем¹⁴
C . Дифференциальное поглощение трех изотопов углерода приводит к¹³
C /¹²
C и¹⁴
C /¹²
Соотношения C в растениях отличаются от соотношений в атмосфере. Этот эффект известен как изотопное фракционирование.

Чтобы определить степень фракционирования, которое имеет место на данном заводе, количество обоих ¹²
C и¹³
C , и полученные¹³
C /¹²
Затем соотношение C сравнивается со стандартным соотношением, известным как PDB. (The¹³
C /¹²
Коэффициент C используется потому, что его намного легче измерить, чем¹⁴
C /¹²
C , а¹⁴
C /¹²
Отношение C может быть легко получено из него.) Результирующее значение, известное как δ ¹³ C , рассчитывается следующим образом:

${\ displaystyle {\ ce {\ delta ^ {13} C}} = \ left ({\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {) 12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {sample}}}} {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {13} C}}} {{\ ce {^ {12} C}}}} \ right) _ {{\ ce {PDB}}}}} - 1 \ right) \ times 1000}$ ‰

где знак ‰ ( пермил ) указывает доли на тысячу. Поскольку стандарт PDB содержит необычно высокую долю¹³
C , наиболее измеряемая δ ¹³ Cзначения отрицательные. Значения для растений C3 обычно находятся в диапазоне от -30 ‰ до -22 ‰, в среднем -27; для растений C4 диапазон составляет от -15 ‰ до -9 ‰, а среднее значение составляет -13. Атмосферный CO
₂имеет δ ¹³ C от −8.

Овцы на пляже в Северном Роналдсе . Зимой эти овцы питаются водорослями, у которых более высокая δ ¹³ Cсодержание, чем трава; образцы от этих овец имеют δ ¹³ C значение около -13 ‰, что намного выше, чем у овец, питающихся травами.

Для морских организмов детали реакций фотосинтеза менее изучены. Измерено δ ¹³ Cзначения для морского планктона колеблются от −31 ‰ до −10 ‰; большинство из них лежат между -22 ‰ и -17. Δ ¹³ Сзначения для морских фотосинтезирующих организмов также зависят от температуры. При более высоких температурах CO
₂плохо растворяется в воде, а значит, меньше CO
₂доступен для фотосинтетических реакций. В этих условиях фракционирование снижается, и при температурах выше 14 ° C δ ¹³ Cзначения соответственно выше, достигая −13 ‰. При более низких температурах CO
₂становится более растворимым и, следовательно, более доступным для морских организмов; фракционирование увеличивается и δ ¹³ C значения могут составлять всего -32.

Δ ¹³ Сценность для животных зависит от их рациона. Животное, которое ест пищу с высоким значением δ ¹³ Cзначения будут иметь более высокие значения δ ¹³ Cчем тот, кто ест пищу с более низким δ ¹³ Cценности. Собственные биохимические процессы животного также могут влиять на результаты: например, костные минералы и костный коллаген обычно имеют более высокую концентрацию¹³
C, чем содержится в рационе животного, хотя и по другим биохимическим причинам. Обогащение кости¹³
C также означает, что выделяемый материал обеднен¹³
C относительно диеты.

поскольку ¹³
C составляет около 1% углерода в образце,¹³
C /¹²
Отношение C можно точно измерить масс-спектрометрией . Типичные значения δ ¹³ Cбыли обнаружены экспериментально для многих растений, а также для различных частей животных, таких как костный коллаген , но при датировании данного образца лучше определить δ ¹³ Cзначение для этого образца напрямую, чем полагаться на опубликованные значения. Истощение¹³
C относительно¹²
C пропорционален разнице в атомных массах двух изотопов, так что если δ ¹³ C значение известно, истощение для ¹⁴
C можно вычислить: это будет вдвое больше, чем истощение¹³
C .

Обмен углерода между атмосферным CO
₂ и карбонаты на поверхности океана также подлежат фракционированию, при этом ¹⁴
C в атмосфере более вероятно, чем¹²
C раствориться в океане. В результате общее увеличение¹⁴
C /¹²
Соотношение C в океане 1,5%, относительно¹⁴
C /¹²
Коэффициент C в атмосфере. Это увеличение¹⁴
Концентрация C почти полностью компенсирует уменьшение, вызванное подъемом воды (содержащей старую и, следовательно,¹⁴
C обеднен, углерод) из глубин океана, так что прямые измерения¹⁴
Излучение углерода аналогично измерениям для остальной части биосферы. Поправка на изотопное фракционирование, как это делается для всех дат радиоуглеродного анализа, позволяет сравнивать результаты, полученные в разных частях биосферы, дает кажущийся возраст поверхностных вод океана около 400 лет.

Пластовые эффекты

Первоначальная гипотеза Либби предполагала, что ¹⁴
C /¹²
Отношение C в обменном резервуаре является постоянным во всем мире, но с тех пор было обнаружено, что существует несколько причин изменения отношения в резервуаре.

Морской эффект

CO
₂в атмосфере переходит в океан, растворяясь в поверхностных водах в виде ионов карбоната и бикарбоната; в то же время ионы карбоната в воде возвращаются в воздух в виде CO
₂. Этот процесс обмена приносит¹⁴
C из атмосферы в поверхностные воды океана, но¹⁴
Введенный таким образом C требует много времени, чтобы просочиться через весь объем океана. Самые глубокие части океана очень медленно смешиваются с поверхностными водами, и это смешение, как известно, неравномерное. Основной механизм, выводящий на поверхность глубокую воду, - апвеллинг. Апвеллинг чаще встречается в регионах ближе к экватору; на него также влияют другие факторы, такие как топография дна местного океана и береговой линии, климат и характер ветра. В целом смешивание глубинных и поверхностных вод занимает гораздо больше времени, чем смешивание атмосферного CO.
₂с поверхностными водами, и в результате вода из некоторых глубоководных районов океана имеет очевидный радиоуглеродный возраст в несколько тысяч лет. Апвеллинг смешивает эту "старую" воду с поверхностной водой, придавая поверхностной воде кажущийся возраст около нескольких сотен лет (после поправки на фракционирование). Этот эффект неоднороден - средний эффект составляет около 440 лет, но есть локальные отклонения в несколько сотен лет для территорий, географически близких друг к другу. Эффект также распространяется на морские организмы, такие как раковины, и морские млекопитающие, такие как киты и тюлени, радиоуглеродный возраст которых составляет сотни лет. Эти эффекты морских резервуаров меняются как во времени, так и географически; Например, есть свидетельства того, что во время позднего дриаса , периода холодных климатических условий около 12000 лет назад, очевидная разница между возрастом поверхностных вод и современной атмосферы увеличилась с 400-600 лет до примерно 900 лет, пока не изменился климат. снова согрелся.

Эффект жесткой воды

Если углерод в пресной воде частично поступает из состаренного углерода, например из горных пород, то результатом будет сокращение ¹⁴
C /¹²
Соотношение C в воде. Например, реки, протекающие по известняку , который в основном состоит из карбоната кальция , приобретают ионы карбоната. Точно так же грунтовые воды могут содержать углерод, полученный из горных пород, через которые они прошли. Эти породы обычно настолько стары, что больше не содержат каких-либо измеримых¹⁴
C , поэтому этот углерод снижает¹⁴
C /¹²
Соотношение C воды, в которую она входит, что может привести к кажущемуся возрасту в тысячи лет как для загрязненной воды, так и для растений и пресноводных организмов, которые в ней живут. Это известно как эффект жесткой воды , потому что он часто связан с ионами кальция, которые характерны для жесткой воды; однако могут быть и другие источники углерода, которые имеют такой же эффект, например гумус . Эффект не обязательно ограничивается пресноводными видами - в устье реки сток может затронуть морские организмы. Он также может повлиять на наземных улиток, которые питаются в районах с высоким содержанием мела, хотя не было обнаружено никакого измеримого эффекта для наземных растений в почве с высоким содержанием карбонатов - похоже, что почти весь углерод для этих растений образуется в результате фотосинтеза. а не из почвы.

Невозможно вывести эффект эффекта, определив жесткость воды: состарившийся углерод не обязательно сразу включается в затронутые растения и животные, и задержка влияет на их кажущийся возраст. Эффект очень разнообразен, и нет общего смещения, которое можно применить; Обычный способ определить размер эффекта - это измерить кажущееся возрастное смещение современной выборки.

Вулканы

Вулканические извержения выбрасывают в воздух большое количество углерода. Углерод имеет геологическое происхождение и не обнаруживается.¹⁴
C , поэтому¹⁴
C /¹²
Коэффициент C в окрестностях вулкана понижен по сравнению с прилегающими территориями. Спящие вулканы также могут выделять старый углерод. У растений, которые фотосинтезируют этот углерод, также меньше¹⁴
C /¹²
Соотношение C : например, растения на греческом острове Санторини , недалеко от вулкана, имеют видимый возраст до тысячи лет. Эти эффекты трудно предсказать - город Акротири на Санторини был разрушен в результате извержения вулкана тысячи лет назад, но радиоуглеродные данные для объектов, извлеченных из руин города, показывают удивительно близкое соответствие с датами, полученными другими способами. Если даты Акротири подтвердятся, это будет означать, что вулканический эффект в этом случае был минимальным.

Эффект полушария

В северном и южном полушариях есть системы атмосферной циркуляции , которые достаточно независимы друг от друга, так что между ними существует заметная временная задержка. Атмосферный¹⁴
C /¹²
Отношение C ниже в южном полушарии, с очевидным дополнительным возрастом 30 лет для радиоуглеродных результатов с юга по сравнению с севером. Вероятно, это связано с тем, что большая площадь поверхности океана в южном полушарии означает, что между океаном и атмосферой происходит больший обмен углерода, чем на севере. Поскольку поверхность океана обеднена¹⁴
C из-за морского эффекта,¹⁴
C удаляется из южной атмосферы быстрее, чем из северной.

Эффект острова

Было высказано предположение, что может существовать «эффект острова» по аналогии с механизмом, который, как считается, объясняет эффект полушария: поскольку острова окружены водой, обмен углерода между водой и атмосферой может уменьшить ¹⁴
C /¹²
Коэффициент C на острове. Однако внутри полушария атмосферное перемешивание, по-видимому, происходит достаточно быстро, чтобы такого эффекта не было: две калибровочные кривые, собранные в лабораториях Сиэтла и Белфаста, с результатами для североамериканских и ирландских деревьев, соответственно, находятся в хорошем согласии вместо ирландских образцов. кажущийся старше, как было бы, если бы был эффект острова.

Загрязнение

Любое добавление углерода к образцу другого возраста приведет к неточности измеренной даты. Загрязнение современным углеродом приводит к тому, что образец кажется моложе, чем он есть на самом деле: эффект больше для более старых образцов. Если образец, которому на самом деле 17000 лет, загрязнен так, что 1% образца на самом деле представляет собой современный углерод, он окажется на 600 лет моложе; для образца возрастом 34 000 лет такое же количество загрязнения привело бы к ошибке в 4 000 лет. Загрязнение старым углеродом, без остатка¹⁴
C вызывает ошибку в другом направлении, которое не зависит от возраста - образец, загрязненный 1% старого углерода, будет казаться примерно на 80 лет старше, чем он есть на самом деле, независимо от даты отбора образца.

Загрязнение может произойти, если образец находится в контакте с материалами, содержащими углерод, или упакован в них. Вата, сигаретный пепел, бумажные этикетки, тканевые пакеты и некоторые химикаты для консервации, такие как поливинилацетат, могут быть источниками современного углерода. Этикетки следует размещать снаружи контейнера, а не внутри пакета или флакона с образцом. Вместо ваты в качестве упаковочного материала можно использовать стекловату. По возможности образцы должны быть упакованы в стеклянные флаконы или алюминиевую фольгу; полиэтиленовые пакеты также приемлемы, но некоторые пластмассы, такие как ПВХ, могут загрязнять образец. Загрязнение также может произойти до взятия пробы: гуминовые кислоты или карбонат из почвы могут попасть в пробу, а для некоторых типов проб, таких как раковины, существует возможность обмена углеродом между пробой и окружающей средой, что приводит к истощению¹⁴
C содержание.

Ноты

Сноски

Ссылки

• Эйткен, MJ (1990). Научные знакомства в археологии . Лондон: Лонгман. ISBN 978-0-582-49309-4.
• Боуман, Шеридан (1995) [1990]. Радиоуглеродные знакомства . Лондон: Издательство Британского музея. ISBN 978-0-7141-2047-8.
• Берк, Хизер; Смит, Клэр; Циммерман, Ларри Дж. (2009). Полевой справочник археолога (Североамериканское издание). Лэнхэм, Мэриленд: AltaMira Press. ISBN 978-0-7591-0882-0.
• Кронин, Томас М. (2010). Палеоклиматы: понимание изменений климата в прошлом и настоящем . Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета. ISBN 978-0-231-14494-0.
• Шилар, Ян (2004). «Применение радионуклидов окружающей среды в радиохронологии: Радиоуглерод». В Тыкве, Ричард; Берг, Дитер (ред.). Техногенная и естественная радиоактивность в загрязнении окружающей среды и радиохронологии . Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. С. 150–179. ISBN 978-1-4020-1860-2.
• Либби, Уиллард Ф. (1965) [1952]. Радиоуглеродное датирование (2-е (1955) изд.). Чикаго: Феникс.
• Маслин, Марк А .; Суонн, Джордж EA (2006). «Изотопы в морских отложениях». В Ленг, Мелани Дж. (Ред.). Изотопы в палеоэкологических исследованиях . Дордрехт: Спрингер. С. 227–290. ISBN 978-1-4020-2503-7.
• Рассказов, Сергей В .; Брандт, Сергей Борисович; Брандт, Иван С. (2009). Радиогенные изотопы в геологических процессах . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-90-481-2998-0.
• Шенингер, Маргарет Дж. (2010). «Реконструкция диеты и экология с использованием соотношений стабильных изотопов». У Ларсена, Кларка Спенсера (ред.). Товарищ по биологической антропологии . Оксфорд: Блэквелл. С. 445–464. ISBN 978-1-4051-8900-2.
• Suess, HE (1970). "Калибровка сосновой щетины радиоуглеродной шкалы времени с 5200 г. до н.э. до настоящего времени". В Olsson, Ingrid U. (ред.). Радиоуглеродные вариации и абсолютная хронология . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 303–311.