Радиоуглеродный метод - один из наиболее надежных геохронологических методов. Он использует естественный распад 14С, поступившего в биосферу или гидросферу из атмосферы. Гидросфера обогащается 14С в результате молекулярного обмена между СО2 атмосферы и поверхностных вод, который протекает со скоростью около 20 молей/(м2 · год). Поглощение 14С биосферой происходит за счет фотосинтеза в растительных организмах и последующего перехода по пищевым цепочкам в организмы животных. В карбонатные скелеты и раковины морских организмов (как и вообще гидробионтов) радиоуглерод поступает из воды.
Среднее содержание космогенного 14С в обменном углероде биосферы равно 1,07 · 10-10%, а удельная активность составляет от 13 до 17 распадов в минуту на 1 г углерода.
После прекращения углеродного обмена (гибели организмов, выпадения карбонатов) концентрация радиоуглерода в этих образованиях начинает уменьшаться за счет ничем не компенсируемого распада и с течением времени падает до нуля.
Такие образования могут быть использованы для датирования радиоуглеродным методом. Верхний предел метода определяется периодом полураспада 14С (5730 ± 40 лет) и чувствительностью анализа. Примерно через 60 тыс. лет остается 0,1% от первоначальной активности радиоуглерода, что и определяет верхний предел метода. Нижний предел ограничен точностью анализа. При 0,3%-й минимальной ошибке он составляет около 80 лет.
В качестве объектов для радиоуглеродного датирования можно использовать любые углеродсодержащие образования не старше 60 тыс. лет. Наиболее удобны древесные остатки, древесный уголь, раковины. Так как одним из условий применимости любого
165
геохронологического метода является закрытость системы, то при анализе 14С в образцах всегда необходимо учитывать возможность загрязнения современным (иногда древним) углеродом, приносимым грунтовыми водами в форме органических кислот, гидрокарбонатов и карбонатов. Обычно используют различные методы поверхностной очистки образцов.
Концентрацию 14С определяют методом сравнения со стандартом, содержащим современный углерод, и выражают в промилле (%):
δ14C = | (14C/ 12C)обр - 0,95 (14C/ 12C)станд |
| 0,95 (14C/ 12C)станд |
· 1000,(7.2)
где индекс "станд" означает стандарт, а индекс "обр" - образец. Коэффициент 0,95 учитывает разбавление нерадиоактивным древним углеродом. В качестве международного стандарта используют щавелевую кислоту Национального бюро стандартов США (NBS), имеющую в настоящее время активность 13,56 распада/мин.
Следует иметь в виду, что хемогенный углерод карбонатов примерно на 5% активнее одновозрастного углерода растительного происхождения. Различие объясняется фракционированием изотопов углерода при фотосинтезе. Легкие изотопы поглощаются растениями предпочтительнее, чем тяжелые.
Для использования радиоуглеродной геохронологии благоприятно небольшое, по сравнению с периодом полураспада, время обмена между атмосферным и земным резервуарами, которое не превышает 10 лет. Другое важное условие применимости метода 14С - постоянство изотопного состава углерода в атмосфере за последние 100 тыс. лет, что определяется постоянством нейтронного потока и хорошим перемешиванием СО2 в атмосфере. О хорошем перемешивании можно судить по одинаковой концентрации 14С (в пределах 3 - 5%) в однотипных объектах, находящихся в разных точках Земли, несмотря на то что нейтронный поток увеличивается от экватора к полюсам в 3,5 раза.
Вариации нейтронного потока во времени изучены путем сравнения возраста, определенного методом 14С по древесине секвойи, с возрастом годичных колец дерева, а также по датированным иероглифически археологическим деревянным находкам. Было обнаружено, что существовали вариации нейтронного потока с амплитудой 1 - 3% и продолжительностью 100 - 200 и 1000 лет, а также с амплитудой до 8,5% и длительностью от 2200 до 6000 лет. Эти вариации могли быть вызваны как астрофизическими причинами (изменениями солнечной активности, магнитного поля
166
Земли, вспышками сверхновых звезд и т.д.), так и климатическими, нарушавшими равновесие С в основных обменных резервуарах.
Ахтивность современного атмосферного углерода сильно изменилась под влиянием антропогенных процессов. За последние 100 лет произошло разбавление атмосферной углекислоты нерадиоактивным древним углеродом в результате сжигания ископаемого топлива (эффект Зюсса). За счет этого концентрация 14С в атмосферной углекислоте к середине века понизилась на 2 - 5%. Начиная с 50-х гг. XX в. произошло резкое возрастание в атмосфере 14С бомбового происхождения, достигшее в конце 60-х гг. 2,5 раза. После прекращения испытаний ядерного оружия в атмосфере концентрация 14С постепенно снижается и в настоящее время превышает природную примерно на 30%. Это уменьшение обусловлено переходом 14С в океан.
Радиоуглеродный метод широко применяется в геологии, гидрогеологии, океанологии, археологии для датирования событий позднечетвертичного времени.
Приведем отдельные примеры его использования.
- Изучение изотопного состава серы в донных илах Черного моря в согласии с геологическими и биологическими наблюдениями показало, что сероводородное заражение моря началось после того, как прорыв морских вод из Босфора превратил пресноводный новоэвксинский бассейн в солоноводный. В воде, богатой сульфатами, при отсутствии достаточного вертикального перемешивания развился процесс биогенной редукции сульфатов. Время возникновения сероводородного заражения оказалось возможным определить радиоуглеродным методом по органическому веществу илов. А.П. Виноградов и А.Л. Девирц установили, что около 7500 - 8000 лет назад соленые воды Средиземного моря начали заполнять древнечерноморский бассейн, причем длительность процесса составляла около сотни лет.
- Радиоуглеродный метод используется при изучении четвертичного вулканизма. Исследование обугленных деревьев, захваченных лавой при извержении, дает возраст лавовых потоков. Большое распространение получила тефрохронология, позволяющая определять возраст почв и древесных остатков, погребенных под слоями вулканического пепла (тефры).
- Определение возраста почв проводят по 14С почвенного гумуса. Так, возраст гумуса подзолистых почв на глубине 70 - 80 см составляет 2,5 тыс. лет. Формирование черноземов еще более длительно и для мощности 90 - 100 см составляет 5 - 5,5 тыс. лет (Онуфриев, Карпычев, Павлов, см.: Изотопия природных вод, 1978).
167
- Датирование морских террас по раковинам моллюсков дает возможность оценивать возраст морских трансгрессий и регрессий, приведших к формированию этих террас. Так, по О.К. Леонтьеву, последние трансгрессии Каспийского моря проходили в интервале времени: XXIV - XXII вв. до н.э., X - IX вв. до н.э., IX - XI вв. н.э. При этом уровень моря повышался на 20 - 40 м.
- 14С широко используют для определения возраста подземных вод. Предполагается, что в поверхностной зоне вода имеет постоянную равновесную концентрацию, которая убывает по закону радиоактивного распада по мере удаления воды от земной поверхности. Возраст воды находят из уравнения (7.1). Однако полученная цифра будет заведомо содержать в себе неопределенность, так как неизвестен характер изменения карбонатных систем при взаимодействии подземных вод и водовмещающих пород.
Возможно использование отношения стабильных изотопов углерода 13С/ 12С, чтобы следить за изменением карбонатной системы в воде и вносить поправку на обмен между карбонатом водного раствора и карбонатами водовмещающих пород. Например (Изотопные исследования природных вод, 1979):
14C = e-λ14t,(7.3)
где
δ13C(%) = [
| (13C/12C)обр - (13C/12C)станд |
| (13C/12C)станд |
] · 100.
168
