Datowanie radiowęglowe Adam Walanus, Tomasz Goslar Spis treści
Wielka różnorodność obiektów, materiałów i sytuacji, w jakich pobiera się próbki do datowania metodą 14C powoduje, że trudno przewidzieć wszystko i podać proste reguły. Dlatego ważne jest zrozumienie istoty zagadnienia, a więc tego, co dokładnie podlega pomiarowi i jakie jest odniesienie wyniku pomiaru wieku do pytań stawianych przez badacza.
Pomiarowi podlega węgiel. Obiekt przeznaczony do datowania musi w sobie zawierać pierwiastek C, przy czym w zasadzie nie jest najważniejsze, w jakim związku chemicznym on występuje. Jednocześnie jasne jest, że zanieczyszczenie próbki substancjami zewnętrznymi zawierającymi węgiel, spowoduje większe lub mniejsze zafałszowanie daty. Dlatego nie należy pobieranej próbki dotykać. Dobrze jest posłużyć się w manipulacjach próbką zwykłymi, czystymi, nowymi woreczkami z folii polietylenowej, lub fiolkami polietylenowymi. Polietylen oczywiście zawiera węgiel, ale jest bardzo trwały i węgla do próbki nie uwalnia. Dobrze jest również zadbać, aby w czasie przechowywania próbki nie wyrosły na niej współczesne organizmy (np. pleśń), wskazane jest więc przechowywanie próbki w niskiej temperaturze i - jeśli to możliwe – w postaci wysuszonej. Sytuacja nie jest jednak aż tak niebezpieczna, gdyż często jedynym węglem służącym do budowy tkanki organizmu jest ten pochodzący z próbki (gdyż dopiero co powstała tkanka będzie mieć wówczas ten sam wiek 14C co próbka). Znacznie gorzej, gdy w takim „zanieczyszczeniu” znajdzie się węgiel zasymilowany z atmosferycznego CO2 (w więc naprawdę „współczesny”). Nie wchodząc w zagadnienia fizjologii organizmów mogących rosnąć na materiale próbki, najlepiej przechowywać próbki w hermetycznych pojemnikach, uniemożliwiających kontakt z atmosferą.
W laboratoriach radiowęglowych próbki dokładnie się myje. Często, o ile to możliwe i ekonomicznie uzasadnione, wydziela się z próbki różne „frakcje” fizyko-chemiczne zawierające węgiel w różnych związkach chemicznych. Frakcje te w różnym stopniu podlegają zanieczyszczeniu, niektóre mogą być bardzo odporne. Porównanie wyników pomiarów różnych frakcji może dać dodatkowe informacje, pomocne przy interpretacji dat.
Mówiąc o zanieczyszczeniu pamiętać trzeba, że nie chodzi tu jedynie o procesy, jakie mają miejsce po wydobyciu obiektu, po jego odsłonięciu. Przedmiot wysłany do laboratorium niekoniecznie i nie w całości jest tym, co nazwalibyśmy „obiektem”, którego wiek chcemy zmierzyć. Kawałek drewna zalegający w ziemi podlegać mógł wpływom obcych, młodszych lub starszych substancji chemicznych, kwasów fulwowych itp. Najłatwiej wyobrazić sobie, że zabytek poprzerastany jest głęboko sięgającymi korzeniami współczesnych roślin. Korzenie takie koniecznie muszą zostać w obiekcie znalezione i usunięte. W przypadku drewna stosunkowo łatwo będzie to zrobić w laboratorium, gdzie próbka lub jej część podlega rozdrobnieniu.
Tak więc, zanieczyszczenia próbek podzielić można na naturalne i sztuczne, a linią podziału jest moment wydobycia obiektu w trakcie eksploracji stanowiska. Skrajnym przykładem sztucznego zanieczyszczenia jest domieszka do próbki strzępów z papierowej metryczki zawierającej opis próbki.
Pod względem skutków zanieczyszczenia możliwe są logicznie dwa typy zanieczyszczenia obiektu organicznego:
Ponieważ badany obiekt prawie zawsze jest stary i siłą rzeczy istniał aż do dziś, pierwsza sytuacja jest całkiem naturalna. Stary obiekt miał kontakt z węglem współczesnym na pewno, oczywiście niekoniecznie doprowadziło to do znaczącego zanieczyszczenia. Jednak druga wspomniana sytuacja też miewa miejsce w przyrodzie (patrz np. efekt twardej wody).
Kropla atramentu radykalnie zanieczyści wodę w szklance. Podobnie korzonek rosnącej dziś rośliny radykalnie odmłodzi bardzo stary obiekt. Jeżeli jednak woda w szklance jest już zabarwiona (obiekt jest stosunkowo młody), a dodana kropla jest bardzo mała to efekt nie będzie tak silny. Ściśle, ilościowo rzecz ta ujęta jest w tabeli 5. Jeżeli, na przykład wysłano do laboratorium radiowęglowego stugramowy kawałek drewna, którego wiek wynosi 5000 lat, a zawierał on ukryte korzonki w ilości 1g (czyli 1% masy), to, o ile w laboratorium tych korzonków nie usunięto, otrzymamy wynik 4930 lat. Próbka zostanie więc odmłodzona o 70 lat. Pamiętając o standardowej niepewności pomiarowej, która może być niewiele mniejsza niż 70 lat, takie postarzenie niekoniecznie traktować trzeba jako absolutnie niedopuszczalne.
Oczekiwany wynik pomiaru wieku próbki zanieczyszczonej węglem współczesnym. Wiersze dotyczą próbki o rzeczywistym wieku podanym w pierwszej kolumnie. Kolumny dotyczą różnego stopnia zanieczyszczenia, wyrażonego w procentach masy węgla.
Rzeczywisty wiek |
1 % |
2 % |
5 % |
10 % |
1000 | 990 | 980 | 950 | 890 |
2000 | 1980 | 1960 | 1890 | 1780 |
3000 | 2960 | 2930 | 2820 | 2650 |
4000 | 3950 | 3900 | 3750 | 3500 |
5000 | 4930 | 4860 | 4660 | 4340 |
6000 | 5910 | 5830 | 5570 | 5160 |
8000 | 7870 | 7730 | 7350 | 6750 |
10000 | 9800 | 9620 | 9080 | 8250 |
15000 | 14600 | 14200 | 13100 | 11600 |
20000 | 19200 | 18500 | 16600 | 14200 |
30000 | 27400 | 25400 | 21400 | 17300 |
Powyższa tabela daje pewną orientację w skali problemu. Trudno wyobrazić sobie sytuację, w której znalibyśmy procent zanieczyszczenia, tak by wykorzystać tabelę do skorygowania wieku. Jeśli jednak, przykładowo, mamy podejrzenia co do możliwości 5% zanieczyszczenia, wtedy musimy liczyć się z tysiącletnim odmłodzeniem obiektu z początku holocenu (patrz tabela: rzeczywisty wiek 10000 lat – przy 5% węgla współczesnego - wynik pomiaru 9080 lat).
Zanieczyszczenie próbki wynikać może nie tylko z domieszki materiału współczesnego, ale jakiegokolwiek młodszego od badanego obiektu. Jeżeli próbka pochodzi z warstwy znajdującej się dziś poza zasięgiem korzeni, nie znaczy to, że korzenie nie penetrowały tej warstwy kiedyś. I tak, w archeologicznej próbce neolitycznej możemy mieć korzenie wczesnorzymskie, co jest sytuacją lepszą niż gdyby były to korzenie współczesne, o tyle, że dodatkowy błąd będzie mniejszy, ale gorszą o tyle, że korzeni tych możemy już nie rozpoznać.
Podobne rozumowanie zastosować powinien archeolog, gdy wie na przykład, że próbka węgli drzewnych jest mieszaniną węgli pochodzących z dwóch lub większej liczby faz osadniczych, a nie daje się ich odróżnić. Nie mamy tu do czynienia z klasycznym zanieczyszczeniem, niemniej jednak nie jest oczywiste, co wskazywał będzie wynik datowania takiej próbki. Jeżeli dwie, wymieszane fazy osadnicze nie różnią się wiekiem za bardzo, to otrzymany wiek będzie średnim, ważonym wiekiem. Oznacza to, że jeżeli węgli z obu faz jest mniej więcej tyle samo, to wiek będzie po prostu średnią arytmetyczną. Jeżeli jednak węgli młodszych jest dwa razy więcej niż starszych, to wynik będzie bliższy wiekowi fazy młodszej. Do ewentualnych obliczeń zastosować trzeba by wtedy średnią ważoną: np. (2*3000+1*3400)/(2+1)=3130.
Często wyrażana, zarówno przez geologów, archeologów jak i przez fizyków z laboratoriów radiowęglowych opinia, że jeden pomiar to żaden pomiar, jest zapewne przesadzona. Istnieją sytuacje, w których kontekst próbki jest precyzyjnie określony, jej materiał nie budzi wątpliwości, a nie jest konieczna bardzo duża dokładność pomiaru. Wtedy jeden pomiar może wystarczyć, tym bardziej, jeśli jego wynik trafia dokładnie w jakieś oczekiwania, albo je zdecydowanie obala. Paradoksalnie, taka sytuacja miała miejsce w przypadku Całunu Turyńskiego. Wykonano tam jednak wiele pomiarów i wykonywały je trzy laboratoria, a przyczyną była wielka waga, jaką przywiązywano do wyniku. Koszty nie grały tam roli, ale ograniczając liczbę pomiarów można było zaoszczędzić bezcenny materiał, który uległ przecież w pomiarze zniszczeniu.
Wszelkie wątpliwości dotyczące relacji między badanym obiektem a sytuacją geologiczną, którą obiekt ma datować, jak i kwestie ewentualnego zanieczyszczenia materiałowego najlepiej rozstrzygnąć wykonując więcej pomiarów. Trzeba oczywiście dysponować próbkami i odpowiednim budżetem.
W przypadku, gdy merytoryczne pytanie nie dotyczy momentu lecz przedziału czasu, gdy chodzi np. o czas powstawania osadu, oczywistym jest, że konieczne są co najmniej dwa pomiary. Przy tym próbki musiałyby reprezentować skrajne momenty, powstania i zaniku badanej jednostki, co jest praktycznie nierealne. Datować trzeba wtedy więcej próbek, o których założyć możemy, iż reprezentują dobrze cały okres istnienia badanego obiektu. Skrajne wyniki, logicznie rzecz biorąc, mówić będą o początku i końcu powstawania osadu, jednak nie wolno zapominać o niepewnościach pomiarowych. Jeżeli otrzymany zakres czasowy funkcjonowania obiektu nie jest co najmniej kilkakrotnie większy od przeciętnej niepewności pomiarowej wieku, czyli jest rzędu stu, może dwustu lat, to sytuacja staje się trudna.
Stwierdzić można, że regułą powinno być wykonanie, nawet w niewielkim projekcie badawczym więcej niż jednego datowania. Pojedyncza próbka może mieć raczej tylko charakter „ekspertyzowy”; potwierdzać lub obalać jakąś tezę. Na podstawie jednego pomiaru wieku nie skonstruujemy modelu chronologii.
Ostatecznym argumentem na rzecz zdobycia co najmniej dwóch dat jest weryfikacja poprawności całej procedury pomiaru, od pobrania próbki. Jest to argument typu „na wszelki wypadek”. Jest jeszcze jeden argument, dotyczący osób niechętnie przyjmujących do wiadomości fakt nieokreśloności wyniku pomiaru wieku, czyli istnienia niepewności pomiarowej. Otrzymanie drugiego wyniku, który prawie zawsze będzie inny niż pierwszy, zmusza do zejścia na ziemię i zaakceptowania koniecznej niepewności przyrodniczej wiedzy empirycznej.
Zachęcając do wykonywania większej liczby pomiarów można też użyć argumentu logicznego, zwracając uwagę, że 1+1 to, w tego typu sytuacji więcej niż dwa, gdyż zyskujemy nie tylko informację o jednym i drugim obiekcie, ale również o relacji zachodzącej pomiędzy nimi. Można tu posłużyć się socjologicznym przykładem charakteryzowania grupy osób. Podanie wieku jednej z osób mało mówi o grupie. Podanie wieku dwóch osób (gdy wyniki są np. 22, 23) może sugerować, że jest to grupa studentów z jednego roku, albo (gdy wyniki są: 12, 62), że jest to grupa przypadkowa. W pierwszym przypadku dowiadujemy się dużo, w drugim dowiadujemy się, że niewiele wiemy.
M.F. Pazdur, Latoszyn, 1982 (?), czarne dęby.
Pobieranie i oczyszczanie próbek wykonuje się standardowymi narzędziami metalowymi, plastikowymi lub szklanymi. Pamiętać należy o konieczności unikania możliwości zanieczyszczenia próbki obcym materiałem organicznym. Przy pobieraniu próbki sporządzić należy standardowy protokół zawierający opis pobieranej próbki i jej bezpośredniego otoczenia. W szczególności odnotować trzeba występowanie przerostów korzeni, śladów penetracji zwierząt i inne cechy próbki i otoczenia wskazujące na możliwy kontakt z młodszą materią organiczną. Opis próbki powinien umożliwić specjalistom w laboratorium radiowęglowym wybór optymalnej procedury preparatyki wstępnej próbki. Dobrze jest mieć w tym celu formularz opisu próbki, jakiego oczekuje konkretne laboratorium radiowęglowe. Formularze takie można zwykle znaleźć na stronach internetowych laboratoriów.
Próbki po pobraniu pakujemy do standardowych, szczelnych worków foliowych, pamiętając o opisaniu pakunku. Do wnętrza woreczków, obok próbki nie wolno wkładać skrawków papieru z opisem.
Pobrać należy właściwą ilość materiału, oszacowując masę próbki i mając w świadomości wymagania laboratoriów. Zasadniczą sprawą jest tu, czy decydujemy się wysłać próbkę do laboratorium dysponującego akceleratorem (AMS czy do tzw. laboratorium konwencjonalnego. W tym drugim przypadku potrzebujemy tysiąc razy więcej materiału.
Próbka po pobraniu powinna być, w warunkach laboratoryjnych wysuszona, najlepiej w suszarce, w temperaturze 100-120°C. Alternatywą jest przechowywanie próbki w lodówce. Pamiętać trzeba, że próbka jest materiałem organicznym, który, za sprawą geologa radykalnie zmienił warunki środowiskowe, co może uruchomić procesy pleśnienia, butwienia, gnicia czy ogólnie destrukcji materiału.
Szersze omówienie problematyki pobierania próbek dokonane jakiś czas temu przez M. Pazdura (1980) pozostaje nadal w dużym stopniu aktualne.
Metodą 14C datować można najróżniejsze materiały, których czasami nawet nie podejrzewalibyśmy o to, że zawierają węgiel. Na stronie internetowej Laboratorium w Waikato (Nowa Zelandia), znaleźć można imponująco długą listę materiałów: węgiel drzewny, drewno, gałązki, ziarna, kości, muszle morskie, rzeczne, z ujść rzek, skóra, torf, koprolity, osady z dna jezior, gyttja, gleba, lód z wierceń, pyłek roślin, włosy, ceramika, rudy metali, malowidła naścienne, stal, meteoryty, jaja ptasie, koralowce, otwornice, nacieki jaskiniowe, tufy, ślady krwi, tkaniny, papier, pergamin, szczątki ryb, szczątki owadów, żywice, kleje, poroża, rogi, woda.
Możliwość pomiaru wieku nietypowych materiałów należy konsultować z laboratorium radiowęglowym. Niżej omówione są typowe materiały.
Te materiały są raczej odporne na zanieczyszczenia. Bardzo dobrze nadają się one do datowania metodą 14C.
Celowe zwykle jest botaniczne rozpoznanie gatunku lub rodzaju rośliny, której szczątkami dysponujemy (rysunek niżej). Oczywiście z paleobotanikiem skontaktować trzeba się przed wysłaniem próbki do pomiaru wieku. Oznaczenie szczątków może mieć znaczenie dla samego pomiaru, jednak zwykle jest cenne z czysto geologicznego, poznawczego punktu widzenia. Rozpoznanie gatunku ważne jest dla uniknięcia roślin żyjących w środowisku wodnym, gdyż pobierają one z wody węgiel, który może pochodzić z rozkładu „starych” węglanów (zachodzić tu może tzw. „efekt rezerwuarowy”. Również w przypadku węgli drzewnych warto wiedzieć, czy mamy do czynienia z np. fragmentem jednej gałązki czy też materiał jest mieszaniną fragmentów różnego pochodzenia.
Typowymi roślinnymi szczątkami makroskopowymi wykorzystywanymi do datowania, poza węglami drzewnymi i ziarniakami zbóż są owoce i inne nasiona, np. orzeszki brzóz, czy inne organy roślin, jak łuski brzóz, łodyżki mchów, albo fragmenty tkanek, np. peryderma.
Rysunek po lewej: szczątki makroskopowe (makroszczątki) roślin lądowych, nadające się datowania metodą AMS; nasienie sosny (a), łuska sosny (b), epiderma sosny (c), orzeszek brzozy (d), łuska bazi brzozy (e). Po prawej, zdjęcie obiektu archeologicznego, z którego można pobrac materiał do datowania.
Warto zwrócić uwagę, że techniką akceleratorową (AMS) zmierzyć można wiek nawet mikroszczątków roślinnych, a więc na przykład pyłku roślin. Analizy paleobotaniczne, a właściwie palinologiczne, bazujące na pyłku roślin są bardzo przydatne w geologii. Na podstawie składu taksonomicznego ziarn pyłku można wnosić, niezależnie od 14C, o wieku osadu. Największe ziarna pyłku (jodły, świerka czy sosny) mają rozmiary zaledwie rzędu dziesiątej części milimetra. Jednak możliwe jest zebranie, za pomocą sita o oczku 75μm takiej ich ilości by otrzymana próbka nadawała się do pomiaru wieku (Kilian i inni 1997).
Materiały wymienione w tytule tego punktu nadają się do pomiaru wieku, jednak powiązanie wyniku z kontekstem archeologicznym może nasuwać trudności (Pazdur 1982, Nowaczyk 1989). Nawet osady torfowiskowe o względnie pewnej zwartości chronologicznej, zawierają różnowiekowe składniki organiczne (Tobolski 2000, str. 299). Materiały te, do rzetelnej oceny wieku często wymagają wydzielenia różnych frakcji, które podlegają osobnym pomiarom. W najwyższym stopniu dotyczy to gleb kopalnych, które należą do najtrudniejszych materiałów. Z próbek gleb wydziela się frakcję kwasów huminowych (frakcja rozpuszczalna w roztworze NaOH, nierozpuszczalna w roztworze HCl) i huminów (frakcja nierozpuszczalna w NaOH i HCl).
W osadach jeziornych węgiel zwykle obecny jest we frakcji organicznej jak i węglanowej. Obie te frakcje dają jednak wynik postarzony o setki do kilku tysięcy lat.
Kości to materiał szczególnie ważny dla archeologów. Pomiarowi wieku podlega tu kolagen wydzielony z kości. Kolagen jest względnie trwałą substancją, nie wymieniającą węgla z otoczeniem w trakcie zalegania kości w ziemi. Jednak laboratoryjna preparatyka kości jest trudna i czasochłonna. Wydzielenie kolagenu, którego może być bardzo mało, wymaga zastosowania specjalnych procedur (Piotrowska, Goslar 2002). Mała ilość materiału nadającego się do pomiaru, szczególnie w gorzej zachowanych kościach, powoduje, że technika akceleratorowa (AMS) znajduje tu szczególne zastosowanie.
Kości żywych organizmów, poza wodą zawierają 70% substancji mineralnych, których raczej nie wykorzystuje się do datowania i 30% substancji organicznych, z których ponad 90% to kolagen. Warto zauważyć, że substancja mineralna podlega dość poważnym przemianom w czasie i właśnie z tego powodu nadaje się do oceny wieku kości metodą chemiczną (Johnsson 1997).
Kolagen w kościach pogrzebanych w osadzie ulega degradacji, polegającej na rozrywaniu wiązań łączących aminokwasy w łańcuchy białkowe. W kości kopalnej można więc spotkać nie tylko cząsteczki oryginalnego kolagenu (będące długimi łańcuchami bardzo wielu aminokwasów), ale również łańcuchy krótsze, powstałe wskutek porozrywania oryginalnych cząsteczek. W miejsce rozerwanych wiązań, aminokwasy mogą przyłączać atomy „obcego” węgla, nie pochodzącego z kości. Problemem jest to, że procedury ekstrakcji kolagenu stosowane w laboratoriach 14C, nie są idealne, i w ekstrakcie prócz cząsteczek oryginalnego kolagenu, znajdą się również cząsteczki zdegradowane, zanieczyszczone węglem o innej sygnaturze 14C (Bronk Ramsey i inni 2004).
W miarę degradacji kolagenu, jego zawartość w kościach stopniowo maleje. Ubytek jest stosunkowo szybki w ciągu pierwszych kilku tysięcy lat, a następnie szybkość rozkładu kolagenu stabilizuje się na niższym poziomie. Tempo degradacji kolagenu zależy od warunków w jakich kości zalegały, od temperatury (czyli praktycznie od strefy klimatycznej), wilgotności oraz od kwasowości, czyli od pH otoczenia.
Najprostszym kryterium oceny stanu zachowania kolagenu jest jego zawartość w kości. Pod tym względem, kości klasyfikuje się w laboratoriach radiowęglowych następująco:
Powyższe kryterium nie jest najlepsze, gdyż praktycznie zawartość kolagenu ocenia się na podstawie masy substancji otrzymanej w procesie ekstrakcji kolagenu, a znaczną część tej substancji mogą stanowić cząsteczki zdegradowane. Ponadto, informację o stanie zachowania kości uzyskuje się dopiero po zakończeniu długiego i pracochłonnego procesu ekstrakcji. Łatwiej (i bardziej miarodajnie), stan zachowania kolagenu można ocenić mierząc zawartość azotu oraz stosunek zawartości węgla do azotu, albo skład izotopów stabilnych tych pierwiastków w kości.
Inna sytuacja ma miejsce, gdy zwłoki były poddane kremacji lub uległy spaleniu z innych powodów. W takim przypadku, kości nie zawierają kolagenu i nie mogą być preparowane standardową techniką. Jednak bardzo często w kościach jest zachowany węglan strukturalny. Ten węglan, odkładany w tkance kostnej przez cały czas życia organizmu, zawiera informację o prawdziwym wieku 14C. Przy datowaniu węglanu strukturalnego stosuje się metody usuwania resztek frakcji organicznej (Lanting i inni 2001), a pozostałą frakcję węglanową traktuje się tak samo jak muszle mięczaków. Problem w tym, że metoda nie pozwala na odróżnienie węglanu strukturalnego i diagenetycznego, odłożonego w kościach zdeponowanych w osadzie po obumarciu organizmu. Dlatego metoda nie nadaje się do datowania w sytuacji, gdy kości spoczywały w środowisku bogatym w jony węglanowe (np. w regionach krasowych).
Muszle mięczaków wodnych, zwłaszcza jeziornych niezbyt nadają się do pomiaru wieku. Ze względu na dużą różnorodność źródeł węgla, z których czerpią organizmy, spodziewać się można dużego postarzenia. Chodzi tu o tzw. efekt rezerwuarowy, wiążący się z dostępnością dla mięczaka węgla wymywanego z osadów tak starych, że nie posiadających w ogóle izotopu 14C.
Holoceński rdzeń (Węgliny)
Obiektu wysłanego do laboratorium radiowęglowego już nie odzyskamy, a na pewno nie w całości. Metoda 14C jest analityczną metodą niszczącą. W archeologii utrata artefaktu lub jego fragmentu jest złem koniecznym, które należy minimalizować. Dlatego tak ważne jest wiedzieć ile materiału, czyli jaką masę musimy poświęcić na pomiar wieku. Nawet, jeżeli materiał organiczny nie ma wielkiej wartości sam w sobie, to jego ponowne pozyskanie może być trudne. Musimy więc wiedzieć jaką jego ilość trzeba przeznaczyć do datowania.
Obecnie równolegle funkcjonują dwie techniki pomiarowe: technika tradycyjna (radiometryczna) i akceleratorowa (AMS). Ta druga, nowsza charakteryzuje się znacznie mniejszymi wymaganiami co do ilości materiału potrzebnego do pomiaru. Względem tradycyjnych technik, pomiar AMS wymaga tysiąckrotnie mniej węgla. Widać tu więc bardzo duży postęp, umożliwiający pomiar wieku obiektów tak cennych jak np. Całun Turyński.
Obecnie dochodzi się do możliwości datowania próbek zawierających kilkadziesiąt mikrogramów węgla. Oznacza to, że wystarcza milion atomów 14C. Ponieważ zliczenie ok. 10000 atomów obarczone jest 1% błędem statystycznym, to znaczy, że współczesna technika wymaga „zaledwie” 100 razy więcej materiału niż konieczne jest to do osiągnięcia dobrej precyzji. Można więc powiedzieć, że i w technice radiowęglowej, podobnie jak w nanotechnologii, dochodzi się powoli do manipulowania pojedynczymi atomami.
Pomiarowi podlega węgiel, a różne substancje czy obiekty maja różne koncentracje węgla, zawierają go mniej lub więcej. Dlatego, w zależności od rodzaju materiału konieczne masy próbek będą różne. Załączone są przykładowe tabele (6 i 7), z dwóch laboratoriów radiowęglowych: akceleratorowego i tradycyjnego, zawierające instrukcje co do masy próbek. Wymagania innych laboratoriów nie różnią się bardzo od podanych w poniższych tabelach.
Masa próbki (suchej) do pomiaru wieku metodą 14C w Poznańskim Laboratorium (technika akceleratorowa – AMS). Masy próbek mogą być mniejsze niż podano w tabeli, jednak w takim przypadku niepewność wieku będzie większa niż przeciętnie.
Materiał | Masa |
Drewno | 2 - 10 mg |
Węgiel drzewny | 2 - 5 mg |
Torf | 5 - 10 mg |
Mułki i inne osady o zawartości frakcji organicznej >1% | 5 - 200 mg |
Muszle, nacieki i inne utwory węglanowe | 20 - 50 mg |
Kości | 1 - 10 g |
Masa próbki (suchej) do pomiaru wieku metodą 14C w Laboratorium w Kijowie (technika scyntylacyjna).
Materiał | Mała próbka | Zwykła | Wysoka precyzja |
Drewno | 5-8 g | 20-30 g | >150 g |
Węgiel drzewny | 2-3 g | 5-20 g | >40 g |
Torf | 5-20 g | 50-60 g | >300 g |
Kości | 50 g | 150 g | >700 g |
Humus, gleba | 100 g | 300 g | >1500 g |
Muszle | 15-20 g | 35-40 g | >150 g |
Jak można się domyślać, lepiej wysłać do laboratorium więcej materiału, pozwoli to specjalistom od preparatyki próbek wybrać najpewniejszą jego część. Nadmiarowy, nie wykorzystany w pomiarze materiał laboratoria radiowęglowe zwykle przechowują przez jakiś czas i na żądanie odsyłają zleceniodawcy.
Z drugiej strony, technicznie możliwy jest pomiar próbki o masie mniejszej niż standardowa. W laboratorium materiał pomiarowy otrzymany z próbki (czyli np. CO2) uzupełnia się wtedy, w zależności od techniki pomiaru 14C, ściśle określoną ilością materiału otrzymanego ze starego węgla, nie zawierającego 14C (co później uwzględnia się przy obliczaniu wieku), albo „nośnikiem” z zupełnie innego pierwiastka. Operacja taka jednak nie pozostaje bezkarna, gdyż ze względu na mniejszą ilość radioaktywnego węgla rośnie niepewności pomiarowa.
Archeolog zapewne zwróci uwagę, że z tabel 6 oraz 7 wynika, iż masa kości potrzebna do pomiaru 14C jest 100-1000 razy większa niż masa węgla drzewnego. Wynika to z faktu, że do pomiaru nadaje się jedynie mała część materiału kostnego.
Technika akceleratorowa ciągle się rozwija i datowane są już próbki mikrogramowe (Ruff i inni 2007).
Ze względu na podkreślaną już różnorodność próbek, zasady przygotowania próbek do pomiaru tylko w pewnym stopniu poddają się schematyzacji. Dlatego warto wiedzieć coś o dalszych procesach, jakim poddawane są próbki, już w laboratorium. Ułatwi to porozumienie ze specjalistami przejmującymi obiekt od geologa. Wzajemne zrozumienie pozwala fizykom lepiej wykonać pomiar, a badaczom stanowiska lepiej wykorzystać jego wynik, ze świadomością ewentualnych ograniczeń.
Przede wszystkim usuwane są wszelkie widoczne zanieczyszczenia powierzchniowe. Po rozdrobnieniu próbki usuwane są pozostałe fragmenty współczesnych korzeni. Płukanie w słabym, kwaśnym roztworze usuwa węglany, które nie stanowią materiału próbki. Kąpiel zasadowa usuwa zanieczyszczenia humusem z gleby. Kolejna kwaśna kąpiel usuwa ewentualny, zaabsorbowany we wcześniejszych etapach atmosferyczny dwutlenek węgla.
Tzw. metoda AAA (Acid-Alkali-Acid ), stosowana również do drewna, należy do podstawowych sposobów usuwania kwasów huminowych i fulwowych, które mogą pochodzić od sąsiadujących, młodszych lub starszych materiałów organicznych,
Mechanicznie usuwa się zewnętrzną warstwę. Chemicznie usuwa się woski i żywice oraz skrobię. Kąpiele (wielogodzinne gotowanie) w roztworach HCl i NaClO3 pozwalają wydzielić celulozę; za pomocą H2SO4 otrzymuje się ligninę. Natomiast α-celulozę otrzymuje się za pomocą kąpieli w NaOH, a następnie w HCl, po czym następuje płukanie i suszenie.
Preparatyka kości odbywa się w następujących etapach (niektóre są opcjonalne):
Podkreślić trzeba, że laboratoria różnią się co do szczegółów technologicznych preparatyki wstępnej próbek.
Próbki traktowane są w dużym stopniu indywidualnie, preparatyka dostosowywana jest do własności próbki. W przypadku gdy kości pochodzą z grobów ciałopalnych i nie zawierają kolagenu, można próbować mierzyć wiek węglanów tzw. strukturalnych, czyli budujących kość. Wówczas z rozdrobnionej kości usuwa się substancje organiczne w kąpieli HCOOH i NaClO3, a pozostały węgiel traktuje się jak w ostatnim etapie preparatyki muszli. Trzeba jednak pamiętać, że metoda taka nie pozwala na odróżnienie węglanu strukturalnego od węglanów tzw. diagenetycznych, wytrąconych w strukturze kości podczas jej zalegania w osadzie. Z tego względu metoda ta z pewnością nie nadaje się do pomiaru wieku kości z obszarów krasowych (np. z Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej).
Muszle myje się aż do usunięcia widocznych zanieczyszczeń. Resztki substancji organicznych usuwa się w kąpieli w roztworze H2O2, a wierzchnią warstwę węglanu usuwa się roztworem HCl. Wydzielanie dwutlenku węgla przeznaczonego do pomiaru „prowadzi się” traktując próbkę roztworem H3PO4.
Poznańskie Laboratorium Radiowęglowe – próżniowa aparatura końcowego etapu przygotowania próbek do pomiaru AMS.
Koniec rozdziału: Przygotowanie próbek do pomiaru Następny rozdział Spis treści