К точке отсчета... или Большие проблемы точного определения возраста в геохронологии и дендрохронологии

К точке отсчета... или Большие проблемы точного определения возраста в геохронологии и дендрохронологии

Мохов Евгений Валерьевич, к.т.н.

Аннотация: 

Поднятая в статье Андрея Склярова “ЧЕГО ИЗВОЛИТЕ-С?.. МЕНЮ РАДИОУГЛЕРОДНОГО ДАТИРОВАНИЯ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИИ” тема о “подгонках” научных данных и завышенной точности результатов при датировании радиоуглеродным методом ископаемых останков в геохронологии и определения возраста древесины в дендрохронологии, на самом деле проблемна гораздо глубже. Реальная точность измерений, получаемая на практике, несет в себе за частую лишь бумажные значения, не соответствующие действительности. И если детально разобраться в базовых показателях, служащих опорными абсолютными значениями при датировании ископаемых останков, то окажется, что никаких четких научных обоснований они под собой не имеют и вся система определения возраста, которой все привыкли доверять, очень и очень расплывчата в точности, причем даже не столько упомянутые Скляровым дендрохронологические методы и углеродный анализ, сколько основные методы датирования геохронологии, определяющие возрасты от миллионов до миллиардов лет.

Дракон умер. Да здравствует дракон!

Проблема подгонки результатов измерений, которой наверное грешили все студенты, проходившие физику и лабораторные работы в своем институте, как точно отмечено автором статьи [1], на самом деле не является каким-то сугубо российским менталитетом и довольно обыденна во всем ученом мире.

Научный мир сегодня оброс бюрократическими обязательствами по базисной укладке всех научных теорий и результатов исследований поверх теорий и результатов их предшественников. Если ты – аспирант и пишешь кандидатскую, то обязан сослаться и основывать свои дальнейшие работы строго на данных своего научного руководителя, ученых из ученого совета и рецензирующих организаций и институтов. И попробуй, начни что-то исследовать и строить вне и супротив этих основ, - останешься на задворках науки. Ну а когда станешь кандидатом, а потом глядишь доктором, а может и академиком, то уже сам станешь тем “драконом”, который будет охранять свои “сокровища” в виде научных трудов, созданных за годы ученой деятельности, и будешь так же рьяно направлять молодых ученых туда, куда нужно тебе и твоим сотоварищам по ученой мысли. Это и есть так называемая базисная наука, в которой шаг вправо, шаг влево – карается расстрелом в виде “отлучения”. Ни один профессор не посмеет направить аспиранта, студента или сам себя на путь поиска новых знаний и новых методов, которые бы перечеркнули его прошлые теоретические основы или практические результаты. В противном случае – его ученое звание ничего не будет стоить. Потерять это положение и боятся все ученые в современной науке. И эти “драконы” строго охраняют себя и свои теории от всяких там псевдонаучных теорий и результатов. Даже когда им показывают готовые рабочие решения, они все равно не верят или делают вид, что не верят.

А что такое наука и лженаука? Где грань, отделяющая одну от другой. Есть явные лженаучные предметы, такие, как например, астрология. Она основывается на одних лишь предсказаниях по теории, не подкрепленной ничем. Кстати, точно на таких же основах стоит и официальный научный предмет – философия, по которому студентов и аспирантов даже заставляют сдавать экзамены! Получаются двойные стандарты. Один предмет шел изначально, а потому имеет привилегии и весьма большие, а другой только развился с новыми знаниями и пытается найти себе “место под солнцем”, которое ему не дают.

Но ясные и четкие эксперименты и теории, с опорой на реальные существующие понятия и математический аппарат, с использованием практических решений в нашей жизни, почему-то выдворяются официальной наукой тоже как лженаучные.

Но все это вступление к общей теме, чтобы показать итог – к чему в результате приходят, когда что-то одно начинают возводить на другом, выстраивая пирамиду? Пример подобного итога – всевозможные методы радиологических исследований и дендрохронология.

“Никто не изменял так хода истории, как сами историки”.

Я не буду снова говорить о тех прорехах, о которых достаточно детально изложено в [1]. Те, кому интересно про ошибочность радиоуглеродного метода, могут поинтересоваться.

Мною будет поставлена задача выйти к основе – абсолютным методам определения возраста ископаемых останков и пород, причем не столь молодых по геологическим меркам, что определяются достаточно хорошо радиоуглеродным методом, а очень старых, возраст которых варьируется от миллионов до миллиардов лет.

Но начну я с поднятой в [1] темы дендрохронологии и расширю те вопросы, что возникают на счет точности результатов измерений.

Итак, все наверное знают, что по годичным кольцам дерева можно определить его возраст. Это само собой разумеющееся понятие.

Наука дендрохронология занимается изучением закономерностей изменения толщины колец роста растений.

Но ширина прироста годичных колец крайне изменчива. На толщину расстояния, отделяющего одно кольцо от другого влияют целые спектры факторов: температура, количество выпавших осадков, число солнечных дней, режим окрестных водоемов, нашествие насекомых-вредителей, сам возраст растений, степень его плодовитости, качество и обогащение питательными веществами почвы, обмен веществ в дереве и пр.. Все эти факторы либо способствуют росту древесины и толщине наращивания колец, либо приостанавливают. На эту толщину влияет даже положение кольца на стволе дерева.

Известна также особенность, что толщина колец роста зависит от возраста дерева. Молодое дерево наращивает более широкие кольца. А в один и тот же год у старых и молодых стволов одной и той же породы дерева часто образуются кольца различной толщины. Исходя из этой особенности роста деревьев известно правило: “СРАВНИВАТЬ МЕЖДУ СОБОЙ ГОДОВЫЕ КОЛЬЦА ДЕРЕВЬЕВ РАЗНОГО ВОЗРАСТА БЕСПОЛЕЗНО”. Прошу запомнить его. Мы позже к нему вернемся.

На чем строит свои измерения дендрохронология?

Первое – это отслеживание, как изменяется толщина слоев нарастания колец разных видов деревьев, по сравнению с предшествующими и последующими годичными кольцами.

На базе этих сведений строятся так называемые дендрошкалы, по которым затем определяется возраст любого дерева.

Теперь поподробнее об этом.

За основу будем использовать составление российских дендрошкал. Палитра их по большей части составлена на богатейших коллекциях ископаемых деревьев, собранных на раскопках древнего Новгорода. Образцы находили в старинных срубах, бревенчатых настилах, стояках церквей, колодцах. Было отобрано несколько тысяч образцов древесных пород, захороненных на самой различной глубине и принадлежащих разным историческим эпохам.

По этим образцам были сняты поперечные срезы структуры и рисунка колец, каждое из которых проанализировано на количество слоев. По этим слоям построили графики роста годичных колец. Затем путем подгонки графиков в различной последовательности совместили и уложили каждое из тысяч деревьев так, что кривые роста всех образцов совместились, надстраивая друг друга, и вытянулись в одну неразрывную линию.

Естественно, что остатки деревьев, найденные при раскопках, принадлежали разным древесным породам, и приходилось для каждой строить свою дендрохронологическую шкалу.

Хочу отметить, что в отношении тысяч образцов снятых колец можно со всей уверенностью говорить о справедливости относительных привязок по времени.

Однако этого для оценки возраста мало и все эти дендрошкалы графиков нужно было еще связать с абсолютным летосчислением, а для этого достаточно выяснить точный возраст хотя бы одного годичного кольца. Но как это сделать, если неизвестно, когда срублено дерево? На нем же не написали, что срубили тогда-то и тогда-то.

У американцев это пошло проще, поскольку у них растут многовековые секвойи. Срубив парочку и привязавшись к сегодняшнему летоисчислению, можно уйти на тысячи лет в историю. Но у них другой климат, другой континент, другие деревья и другая история. Привязаться от их шкал к нашим невозможно.

У нас нашли выход. Были найдены постройки, сооружение которых отмечено летописями девять столетий назад. В основном это храмы, лежни фундаментов которых были из бревен. Также было известно, что для постройки зданий в Древней Руси лес обычно заготовляли зимой, чтобы с наступлением тепла начать строительные работы. Следовательно, заключили дендрохронологи, последнее внешнее кольцо прироста, которое присутствует на лежне старинного фундамента, соответствует году, предшествующему году постройки храма.

Это и есть та самая абсолютная привязка.

Но так ли все точно привязано?

Подтвердить возраст другими методами невозможно. Их точность дает разброс в десятки лет. А тут нужна годовая точность.

Остается верить тому, что последнее внешнее кольцо прироста, которое присутствует на лежне старинного фундамента, действительно соответствует году, предшествующему году постройки храма.

Ну а если предположить, что лежню фундамента укладывали не абы как, на спех и скорую руку, а сначала деревья полежали, посохли маленько годиков 4-5?

А если храм построили не в этот же год, когда заложили фундамент? Почему вообще решили, что храмы строили за один летний сезон? А если не за один, а за три, то нужно сдвинуть всю дендрошкалу на три года назад, со всей ее исторической эпохой, привязанной к этой шкале. Вы представляете, какая в итоге выйдет несуразица?!

А если по вполне понятным причинам счесть, что все храмы возводились за разное время, то поедет в тартарары вся наша история за более поздние века.

Вот так простая абсолютная привязка дендрошкал ставит вопрос о точности построения всей системы.

Но и это еще не все проблемы дендрохронологии.

Не знаю на основании чего, но у дендрохронологов вышел вот такой постулат:

“Можно с достаточной уверенностью судить о возрасте деревянных построек последнего тысячелетия. Абсолютный возраст срубленного дерева удается определить с точностью до 1 года. И для этого годится почти любое бревно хвойной породы, лишь бы на нем сохранились здоровые внешние слои древесины и последнее кольцо прироста.” [2]

Каковы заявочки?

Даже если и предположить, что вся абсолютная привязка дендрошкалы правильная и все храмы строились в один год, то ни при каких обстоятельствах невозможно определить с точностью до 1 года возраст срубленного дерева, ЕСЛИ ОНО ЕДИНИЧНОЕ!

Археологи, как правило, находят именно единичные фрагменты стволов при раскопках. Если система дендрохронологии строилась по тысячам стволов одной породы из одного региона с одним климатом, то как привязать одно единственное дерево?

В [1] подмечено, что графики изменений прироста годичных колец очень хорошо сочетается в разных местах абсолютной дендрологической шкалы. То есть, можно приткнуть график куда угодно, где он подойдет. Разброс в оценках возраста, как показал автор [1], может дойти до 150 лет, только в приведенном им случае.

А теперь вернемся к тому правилу, что я просил запомнить: “СРАВНИВАТЬ МЕЖДУ СОБОЙ ГОДОВЫЕ КОЛЬЦА ДЕРЕВЬЕВ РАЗНОГО ВОЗРАСТА БЕСПОЛЕЗНО”

Я думаю, комментарии излишни.

Если кому-то не совсем ясно, что хочу этим сказать, то поясню: поскольку любой найденный археологический фрагмент дерева невозможно привязать по дате к возрасту другого дерева и/или деревьев, используемых при составлении дендрошкалы, то любые попытки “приткнуть” найденный фрагмент в нужную историческую эпоху могут закончится очень большой ошибкой.

О чем все это говорит?

Составленные дендрошкалы очень хорошо привязаны между собой относительно, но только между собой. Любые попытки привязать к ним отдельные единичные экземпляры деревьев – это сугубо необоснованный подход, который можно вполне уверенно назвать “подгоном”. Привязывать можно только комплекс найденных останков деревьев, про которые точно известно, что они были срублены в один год и принадлежат не только к одной породе, но и к одному району местности.

Если срубить сосну, растущую на пригорке леса, то ее срез и график изменения роста колец будет кардинально отличаться от той же по возрасту и породе сосны, но растущей в 30 метрах ниже по склону в болотистом месте. Поэтому даже одни и те же деревья могут дать совершенно разные картины графиков и для сравнения и оценки их возраста нужно рубить искать десятки аналогичных останков других деревьев, но никак не руководствоваться заявлениями, что лишь по 1 дереву можно определить возраст.

Подгонка результатов к чему? – спросит, наверное, читатель.

Отвечая на этот вопрос, мы сразу отходим от дендрохронологии и переходим в более интересное поле манипуляций с датами – геохронологию.

Что выбрать…

Дословно цитирую источник [2], где приводятся выдержки из правил обработки геологической пробы образца:

“Пробы для анализа обязательно должны быть взяты с таким расчетом, чтобы результаты могли дополнить друг друга или позволили осуществить взаимную проверку. Поэтому наиболее подходящие участки для взятия проб следует выбирать заранее с учетом всех известных геологических сведений о районе.

Каждый взятый образец должен быть пронумерован и снабжен этикеткой, в которой указываются: фамилия геолога, организация, год сбора, район, конкретное место, где был взят образец, положение точки отбора пробы в геологическом разрезе, название горной породы или минерала, подлежащих анализу. Если в тех слоях, откуда взяты образцы, известны находки ископаемых остатков животных или растений, то к образцу должно быть приложено также палеонтологическое обоснование его возраста. Кроме того, к направляемому в геохронологическую лабораторию материалу прилагается выкопировка с геологической карты, на которой точно отмечаются положение образца на местности и взаимоотношение исследуемых слоев с более древними и более молодыми отложениями.”

Особо хочу обратить внимание читателя на текст, выделенный мной курсивом.

Если геолог, археолог или еще кто, возящийся с ископаемыми останками и собирающийся отправить полученный образец в лабораторию на определение его возраста, укажет откуда взят образец (география), какие ископаемые животные или растения вместе с ним присутствуют, в каком слое грунта был выкопан образец, то самой лаборатории не нужно возиться с тем, чтобы определять истинный абсолютный возраст образца. Они будут определять относительный.

Это получается чистый воды подгон, который строится на основе сопоставления найденного образца с уже имеющимися аналогами. Если то ископаемая кость динозавра, то возраст ей дадут скорее всего не путем определения возраста самой кости, а сопоставив принадлежность кости к определенному виду динозавров и отнеся на нужную историческую эпоху. А если вместе с костью найдутся еще останки каких-то растений или еще лучше - сама кость будет обнаружена в стратах определенной эпохи, то динозавр считайте приговорен к возрасту этой породы.

Надо признаться, что в мире потихоньку начали умнеть и теперь уже так скоро не ставят выводы о возрасте останков, как делали это раньше.

Но кто будет переделывать те прошлые результаты “анализов” сотен тысяч костей и пород?

Раньше меня умиляла такая вещь: когда спрашивали у геологов, к какому возрасту принадлежит этот слой грунта, он отвечал – 50-60 млн. лет назад. Когда его спрашивали почему? - тот отвечал:

- Потому что в этом слое были найдены ископаемые останки, которым 50-60 млн. лет.

А когда спрашивали у археолога, к какому возрасту принадлежит эти ископаемые останки животных, он отвечал – 50-60 млн. лет назад. Когда его спрашивали почему? - тот отвечал:

- Потому что эти ископаемые останки были найдены в слое грунта, которому 50-60 млн. лет.

К счастью от этой практики отошли, но переделывать результаты прошлых датировок так и не стали. И вся Теория Эволюции, в несостоятельности которой я уже давно убедился, не прибегая к анализу ископаемых останков, а, базируясь сугубо на законах генетики, была состряпана на такого рода определении возрастов по принципу: “какой удобно, такой и ставим”.

Но вернемся к современным методам анализа возраста.

Более тщательное и дотошное определение возраста породы или останков – дело серьезное.

Для пород и останков, которым менее 100000 лет, хорошо применим радиоуглеродный метод. Он позволяет довольно точно (но как было подмечено в [1] с погрешностями в 10-15%) определять возраст. Другое дело, если выясняется, что возраст более 100000 лет.

Тогда в дело вступают уже другие методы исследований.

Вот на них и их надежности мы и остановимся более подробно.

Когда находят множество образцов, явно принадлежащих одной эпохе (останки животных, растений, породы), не возникает сомнений в итоге применения того или иного изотопного метода определения возраста. Там все уравновешивает общая оценка.

Но часто находят единичные образцы и иногда даже вне всяких слоев. Например, множество костей динозавров находили буквально в поверхностных песках Сахары.

Как определить истинный возраст, если сравнивать не с чем?

Очевидно, в этом случае придется ставить абсолютный возраст останков.

Для этого применяют различные методы, а чаще всего несколько сразу, потому что часто под влиянием всевозможных причин, возникавших в историческом прошлом, отдельные химические элементы, а иногда и целые семейства в останках, которые служат маркерами оценки времени, покидают решетку материнского минерала или костей. Это явление носит название миграции элементов.

Она тем чаще встречается, чем более изолированным находят останки. Пока эти останки проделали весь свой временной путь, покинув однажды слой грунта, где изначально были похоронены, их атомарный состав уже перемешался настолько с другими элементами, воздействующими на них во времени, что возраст этой породы или останков может плясать десятками и даже сотнями миллионов лет.

Например, если формирующийся минерал в силу каких-то причин захватит избыточный аргон или потеряет некоторое количество калия, соотношение этих радиоизотопов увеличивается. Это создаст впечатление, будто бы данная порода старше по возрасту, нежели в действительности.

Потеря и смешивание химических элементов может быть вызвано множествами причин: кристалло-химическими особенностями самих пород, прочностью их структур, внешними воздействиями (температуры, среды, давления и пр. сил).

Поэтому для оценки возраста таких минералов применяют 2-3 метода сразу.

Рассмотрим их.

Свинцово-изотопный метод более точен перед аргоновым и стронциевым, поскольку с его помощью возраст определяется по четырем парам отношений: свинец-206/уран-238, свинец-207/уран-235, свинец-207/свинец-206 и свинец-208/торий-232.

Но миграция элементов часто искажает картину. И когда видно, что из четырех пар соотношений 2 показывают один результат, а две – другой, понимают, что нужно прибегать к иному методу.

Однако эти оценки хороши только при анализе образцов, возраст которых старше 600 млн. лет, так как в более молодых породах свинцовое соотношение измеряется очень неточно. Тогда применяют оценки по другим изотопам: свинец-206/уран-238, свинец-207/уран-235, свинец-208/тории-232

Самое трудное – это когда породы и ископаемые останки подверглись воздействию вулканических пород, причем их атомарная структура изменена нагревом и проникающими растворами. В подобных обстоятельствах прибегают к определению возраста разных компонентов породы, каждый своим методом: акцессорных минералов - свинцово-изотопным, первичных амфиболов - аргоновым, реликтовых слюд - стронциевым.

Например, калий-аргоновый метод считается хорошо применимым для датирования магматических, метаморфических, а иногда и осадочных пород. Но он хорош только для какого-либо одного типа минерала.

Углубляться в разнообразие современных методов анализа можно долго.

Поэтому лучше сразу пойти к истокам их абсолютной привязки.

К точке отсчета

Каждый метод строится на периоде распада того или иного изотопа.

Возьмем, к примеру, кальциевый метод. Радиогенный изотоп кальция-40 образуется в результате бета-распада калия-40: 40К + е - 40Ca + .

Соотношение количества этих двух изотопов в минерале и принимается в качестве показателя их возраста (с поправками на скорость электронного захвата и бета-распада калия).

По сути, все изотопные методы построены на подобном принципе определения возраста.

Возникает вопрос – какова скорость распада изотопов?



Вроде бы ответ сам собой разумеющийся и очевидный, и цифры со значением ответа также ясно видны на схеме, где приведен для каждого изотопа радиоактивного семейства урана-235 период полураспада.

Но насколько точны эти цифры и как получены?

Ведь их получили не сами исследователи возраста, а физики. А у физиков свои точности.

Физика атома может дать точно ответ на вопрос о том, каков период полураспада тех химических элементов и их изотопов, у которых она короткая по времени.

Из того же рисунка видно, что у 211Pb она составляет 36,1 минуты. У 223Fr она составляет 22 минуты. Это все понятно. Чтобы подсчитать это время достаточно проверить распад на практике.

У изотопа 227Ас период полураспада уже 21,6 лет. Не думаю, чтобы кто-нибудь проверял это время, ожидая распада изотопа. Просто смоделировали скорость распада наперед и подсчитали распад максимум на 1 год. Такая оценка уже менее точная, чем предыдущие, но все же точна, поскольку берется выборка из 5-10% времени всего полураспада.

Ну а с какой точностью известно про период полураспада 235U? Он значится в 710 млн. лет. Откуда эти цифры и такая точность? Вот тут я бы сказал, что точность лишняя, ведь оценка периода полураспада строится на тех же теориях и обычном моделировании, где никто не проверял все 710 млн. лет и даже не брал выборку по 5-10% времени от распада, а использовали в лучшем случае лишь 1/710х106 из всех результатов, чтобы сделать якобы “абсолютное” заключение о времени полураспада этого изотопа. То есть, это все теория, что полураспад урана-235 составляет 710 млн. лет. Никто этого не проверял на практике.

Но на этом предположении, основанном на выборке ничтожной долевой процентной части результатов и которое было выведено сугубо математически, с какой-то точностью, построили целую систему подсчета, в которую ошибки определения периода полураспада не заложили.

А если скорость распада меняется из года в год, из миллиона в миллион лет? А если на нее действует смена магнитных полюсов Земли, происходившая сотни раз? А если действуют нагрев и давление при попадании в вулканические породы?

Этих “если” можно привести довольно много, если захотеть поискать.

Давайте пошутим.

Теория Математической Обработки Измерений определяет расчет точности величины, прямое измерение которой невозможно, следующим образом:

Производится однократное дифференцирование формул, характеризующих данную величину. Погрешности при этом соответствует дифференциал, а относительной ошибке - выражение dt/t. Каждый член уравнения с первыми производными складывается независимо от знака перед ним с предыдущим.

Теперь осуществим расчет этой ошибки для уравнения радиоактивного распада элемента N:

N = N0×exp(-L×t), 

где постоянная радиоактивного распада L = ln2/t, а t – период полураспада.

Конечная формула ошибки получится такой:

dt/t = (2t/T)×(dN/N), 

где dt/t - относительная ошибка определения периода полураспада элемента, dN/N - относительная ошибка определения числа атомов в испытуемом образце, T – продолжительность испытания.

Взяв для примера dN/N = 0.001, а 2t/T = 10000 (для годовых наблюдений элемента, период полураспада которого прогнозируется на уровне 5000 лет), получим dt/t = 10, что соответствует 1000%.

Нетрудно прикинуть, что увеличение числа испытаний в 100 раз увеличит точность измерений только в 10 раз. Но увеличение времени измерений неизбежно натолкнется на предел точности, определяемый наличием систематических ошибок и иных факторов. Повысить же точность до 0.1%, при сохранении остальных параметров данного примера, можно при проведении 100 млн. испытаний с подсчетом количества распадов для каждого элемента в течение 1 года. 

Все это не реально, как и кажущаяся погрешность в 1000%.

Конечно не все так плохо обстоит.

На самом деле в физике используется некое положение, ставшее аксиомой, согласно которому изменение количества атомов изотопа в образце обусловлено только и исключительно их распадом. То есть, считается, что если за время эксперимента произошло Х распадов, то именно на Х и уменьшилось количество атомов изотопа в образце, или dN=Х.

Тогда ошибка примет цивильный вид, вполне укладывающийся в сносную погрешность измерений. Но опять таки - это будет чистой воды теория, основанная на предположении, что изменение количества атомов изотопа в образце обусловлено только и исключительно их распадом, что на практике еще никто не доказал.

Безусловно львиная доля истины в этой аксиоме есть, но где гарантии, что она справедлива на элементы с большими периодами распада? Как доказать, что скорость распада постоянна во времени и одинакова для всех элементов? Это недоказуемо на практике, только в теории.

Таким образом, вывод о точности изотопных методов оценки возраста хорош лишь как относительный, но не абсолютный. Если в реальности через лет 50 вдруг окажется, что период полураспада 235U не 710 млн. лет, а допустим 665 или все 890, то написанную за наше время геохронологию можно смело выбрасывать на свалку и переписывать все.

Поэтому лучшим сегодня было бы не строить иллюзий относительно точности того или иного метода, а искать новые, более точные, причем абсолютные, а не те, которые сами опираются на другие результаты, с сомнительной достоверностью. В противном случае нас это заведет очень далеко от истины. 

Список литературы

Андрей Скляров “Чего изволите-с?.. Меню радиоуглеродного датирования и дендрохронологии” 

А. Н. Олейников “ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ”, Издание третье, переработанное и дополненное, - Л.: Недра, 1987.