Химические методы датирования четвертичных отложений (по гидратации обсидиана, ра ц еми з ация) .

Химические методы датирования основаны на использовании химических реакций, протекание которых зависит от времени. Главным образом, используются химические реакции, происходящие в процессе химического выветривания, например, гидратация обсидиана. Кроме того, используется еще одна реакция - рацемизация аминокислоты, которая почти не зависит от процессов выветривания.

ГИДРАТАЦИЯ ОБСИДИАНА

Датирование по гидратации обсидиана используется, чтобы вычислить возраст в годах, определяя толщину каймы (корки гидратации), которая образуется за счет медленной диффузии паров воды на свежесколотой поверхности вулканического стекла или предметов, сделанных из обсидиана. Метод применим к стеклам возрастом от 200 до 200000 лет.

Реакция гидратации пород, сложенных силикатами, позволяет определять время экспозиции на поверхности земли. Силикаты, например обсидиан, находясь в почве или на воздухе, подвергаются действию влаги, в результате их свежие поверхности модифицируются. Процессы диффузии влаги приводят к формированию колец выветривания, представленных продуктами химического изменения. На обсидиане образуются корки толщиной до 50 мкм, что позволяет проводить измерение возраста в интервале от нескольких сотен лет до 1 млн лет, в зависимости от скорости гидратации. Скорость гидратации зависит от химического состава и температуры окружающей среды. Естественно, датирование обсидиана ограничено вулканическими районами.

АМИНОКИСЛОТНЫЙ МЕТОД

С помощью аминокислотного метода датирования или метода рацемизации измеряется длительность нахождения в земле скелетных остатков. На захороненные в почве пористые скелетные остатки оказывают влияние грунтовые воды. При этом органические компоненты подвергаются процессам разложения. У живых существ все аминокислоты (продукты разложения белков) левозавитые (L-изомеры), но у большинства органических веществ могут быть D-изомеры (те же молекулы, но правозавитые).

После гибели организмов эти аминокислоты рацемизируются (превращаются в смесь «правых» и «левых» форм). Избыток D-форм относительно L-форм (D/L) определенной аминокислоты определяет степень рацемизации для этой аминокислоты. Отношение увеличивается со временем и температурой, пока скорость формирования D- аминокислоты не компенсируется обратной реакцией, и отношение достигает величины равновесия 1.0. Если известна скорость рацемизации, то, определив относительное содержание L- и D-изомеров, можно вычислить, сколько времени прошло после гибели организма (до нескольких млн лет).

Метод применяется для конкретных районов, т.к. разным районам свойственны разные температуры (и, соответственно, скорость рацемизации). Более надёжные результаты метод даёт в холодном климате.

Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества.

Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн лет); в полярных районах можно датировать более древние образцы (до 5-6 млн лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).

• Наиболее широко в качестве объектов датирования применяются морские карбонатные образования. Основное преимущество их перед другими аминокислотсодсржащими объектами является постоянство рН среды.

•Широко используются раковины фораминифер. Формируясь в глубинных слоях океана, при относительно постоянных или мало меняющихся температурах, содержащиеся в раковинах аминокислоты имеют наиболее близкую к теоретической кинетику рацемизации.

•Основным критерием пригодности раковин для хроностратиграфичсских сопоставлений является отсутствие следов перекристаллизации.

• Установлено, что на первых этапах диагенеза раковин (до нескольких тысяч лет) происходит относительно быстрое убывание содержания аминокислот, после этого уменьшение концентрации стабилизируется.

•Сделаны и отдельные попытки датировать некарбонатные отложения по включенным в них аминокислотам, главным образом глины. Т.к. содержание в них органических или карбонатных составляющих мало, то другие методы стратификации глинистых отложений практически отсутствуют.

Вычисление абсолютного возраста по отношениям D/L изомеров требует данных о кинетике рацемизации и о термической истории датируемых отложений.

Скорость рацемизации во времени меняется, находясь также в тесной взаимосвязи с изменениями физико-химических условий окружающей среды. Поэтому большинство полученных по указанному выше соотношению датировок противоречит геологическим данным. Наиболее достоверные данные получены для арктических регионов, где долговременные средние температуры отличаются относительным постоянством. Достоверность датировок резко повышается, если имеются данные отношения D/L изомеров по раковинам, датированным другими методами (например, радиоуглеродным), и аминокислотный возраст исследуемого комплекса получается методом экстраполирования.

В северных и арктических районах раковины моллюсков являются основным материалом, по которому можно восстановить физико- географические изменения окружающей среды, пространственно- временную динамику эволюции оледенения, колебания уровня Мирового океана и т.д. Но весьма часты случаи, когда волновым действием или водной эрозией отложения перемещаются и раковины попадают в отложения с другим возрастом. Т.к. при датировании раковин "классическим" радиоуглеродным или торий-урановым методами требуется большой объем образца, то существует вероятность попадания в образец разновозрастных раковин. Аминокислотным методом можно очень быстро опробовать каждый экземпляр и исключить раковины с различающимся отношением изомер аминокислот.

Если известен возраст исследуемых аминокислотным методом объектов, можно но формуле вычислить постоянные реакции рацемизации. Сравнивая полученные постоянные с ожидаемыми при какой-то известной температуре, получаем среднюю температуру за время, прошедшее от захоронения.

Чтобы интерпретировать D/L отношения в терминах палеотемпературы должна быть известна кинетика реакции рацемизации. Необходимые параметры определяют в лабораторных условиях. Аминокислотные данные обеспечивают средство оценки долгосрочных температурных изменений со времени, когда осадок сформировался. Температура, вычисленная из аминокислотной палеотермометрии - "эффективная диагенетическая температура" (ЭДТ) - средневзвешенная постссдиментационная температура, которая объединяет термальную историю раковины.

Два различных типа палеотемпературных вычислений могут быть сделаны, используя аминокислотные данные.

ЭДТ полной постседиментационной истории образца. Это вычисление базируется на D/L отношении отдельного образца, возраст которого известен.

ЭДТ интервала времени между известными возрастами двух образцов. Это вычисление дает температуру между временем отложения старшего и более молодого образцов. Этим способом температурная история региона может быть восстановлена тем детальнее, чем больше число датированных интервалов, проанализированных для рацемизации аминокислоты.

Д.С. Кауфман использовал степень рацемизации аминокислоты в раковинах ископаемых остракод рода Candona, одного из самых обычных таксонов в пресноводных водоемах, чтобы восстановить температурную историю бассейна Бонвиль (штат Юта, США).

ЭДТ была рассчитана по двум аминокислотам (аспарагиновой и глутаминовой) для пяти интервалов четвертичного периода. В течение интервала от 620 150 тыс. лет назад ЭДТ была 5.7± 1.5°С. Затем ЭДТ уменьшилась до 3.3±1.3°С для интервала 150-12 кал. тыс. лет назад. В течение последнего ледниковья (24-12 кал. тыс. лет назад), ЭДТ была 1. 1±2.5°С, а в голоцена (последние 5.8 кал. тыс. лет назад) - 10.9±1.3°С.