Metody datowania bezwzględnego
Metoda potasowo - argonowa. Powstała w latach 50.
Używana jest do datowania skał liczących sobie miliony lat. Jest to także jedna z najlepszych technik służących do datowania stanowisk zawierających szczątki „ludzkie” z przed 5.000.000 lat. W przypadku skał wulkanicznych można ją datować skały nie starsze niż 10.000 lat.
Datowanie tą metoda podobnie jak metoda radiowęglowa polega na zjawisku rozpadu promieniotwórczego. W tym przypadku chodzi o powolny rozpad promieniotwórczego izotopu potasu 40K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu 40Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu 40K (czas połowicznego rozpadu wynosi 1.330.000.000 lat) i zmierzywszy ilość 40AR uwięzionego w 10 gramowej próbce skał, możemy uzyskać szacunkowa datę ich sformowania. Bardziej czuły wariant tej metody (potrzebujący jeszcze mniejszą próbkę) to metoda fuzji laserowej argon - argon. W tej metodzie trwały izotop potasu 39K jest przekształcany w 39Ar na drodze bombardowania próbki strumieniem neutronów. Ponieważ proporcja 39K/40K w skałach jest stała wiek znaleziska może być określony na podstawie proporcji 40Ar/39Ar. Jak przy wszystkich metodach radiometrycznych istotne jest wyrycie czynnika ustawiającego zegar archeologiczny w pozycji zerowej. Np. dla skał wulkanicznych jest to moment ich utworzenia w wyniku aktywności wulkanicznej.
Jedna z najważniejszych obszarów badań dolnego paleolitu - Wielki Rów Wschodni w Afryce to rejony wulkaniczne. Znaczy to że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku aktywności wulkanicznej, a zatem doskonałej do badań metodą potasowo - argonową. Wąwóz a Olduvai to miejsce znalezisk skamieniałych szczątków Australopithecusa boisei, Homo habilisa i Homo erectusa a także wiele innych artefaktów kamiennych. Położony w Wielkim Rowie Wschodnim, wąwóz Olduvai jest obszarem wulkanicznym a jego chronologia obejmująca 2.000.000 lat została ustalona właśnie za pomocą metody argonowo - potasowej i fuzji laserowej argon - argon, datującej odpowiednie pokłady skamieniałego popiołu wulkanicznego (tuffu) i innych materiałów wśród których znaleziono pozostałości archeologiczne. Metoda ta była ważna przy datowaniu innych stanowisk archeologicznych w Afryce Wschodniej, takich jak Hadar w Etiopii.
Rezultaty datowania tą metoda podobnie jak w przypadku innych metod radiometrycznych jest obciążona błędem np. wiek warstwy Tuff IB z Olduvai ustalony został na 1.790.000 +/- 30.000 lat. Błąd szacunkowy w tym wypadku wynosi niw więcej niż 2% wieku warstwy. Jednym z głównych ograniczeń tej metody jest to iż może być użyta tylko do datowania znalezisk w skałach wulkanicznych, a błąd szacunkowy przeważnie sięga jednak +/- 10%
Metoda szeregu uranowego.
Metoda ta jest oparta na rozpadzie promieniotwórczym izotopów uranu. Jest szczególnie użyteczna dla okresu 500.000 - 50.000 lat temu, to znaczy okresu znajdującego się poza zakresem datowania radioweglowego. W Europie gdzie jest mało skał wulkanicznych nadających się do datowania metodą potasowo - argonową datowanie metodą szeregu uranowego może się okazać najważniejsza metoda badań stanowisk zamieszkałych przez wczesnych ludzi.
Dwa radioaktywne izotopy uranu (238U i 235U) rozpadają się na pierwiastki pochodne. Dodatkowo dwa z nich (tor 230Th i proaktyn 231Pa) także się rozpadają z okresem połowicznego datowania użytecznym dla datowania. Zasadniczym punktem jest to że izotopy uranu rozpuszczają się w H2O, a ich pochodne nie. Uran wraz z węglanem wapnia wytrąca się jako trawertyn i osadza się np. na ścianach jaskiń wapiennych, jest pobierany przez żywe organizmy. W chwili swego uformowania trawertyn jest wolny od nierozpuszczalnych izotopów 230TH i 231Pa, natomiast zawiera izotopy 238U i 235U. Ilość pochodnych izotopów wzrasta z czasem w miarę połowicznego rozpadu uranu, a zmierzenie proporcji pochodny - macierzysty (zazwyczaj jest to 230Th/238U) można określić wiek trawertynu.
Izotopy mierzy się przez zliczanie ich promieniowania alfa: każdy izotop emituje promieniowanie alfa o charakterystycznej częstotliwości. W sprzyjających warunkach metoda ta umożliwia datowanie z błędem +/- 12.000 lat dla próbki liczącej 150.000 lat i około +/- 25.000 lat dla próbki z przed 400.000 lat. Błąd te może zostać obniżony przez zastosowanie spektrometrii masowej; takie daty może cechować błąd mniejszy niż 1000 lat dla próbki ocenionej na 100.000 lat.
Metoda ta jest stosowana do datowania skał bogatych w węglan wapnia. Skały takie są często odsłaniane przez działanie wód powierzchniowych lub gruntowych, wypływających z źródeł bogatych w wapń lub przesiąkających do jaskiń wapiennych. W ten sposób tworzą się na ich dnie stalagmity. Ponieważ dawny człowiek używał jaskiń i nawisów skalnych jako schronienia, jego wytwory i kości bywają często zagrzebane w warstwie węglanu wapnia lub osadów innego typu pomiędzy dwoma poziomami złóż wapiennych. Trudność z określeniem kolejności złóż wapiennych w jaskiniach jest jedną z przyczyn niejednoznaczności w wynikach ustalonych metoda szeregu uranowego. Z tego powodu należy pobierać próbki z wszystkich warstw i drobiazgowo analizować ich geologie. Metodą tą można także datować zęby, ponieważ uran rozpuszczony w wodzie przenika do zębiny po znalezieniu się zęba w złożu, chociaż istnieją kłopoty z ustaleniem tępa absorpcji uranu. Za pomocą tej metody wydatowano np. stanowisko Bilzingsleben w wschodnich Niemczech.
Metoda trakowa.
Datowanie na podstawie śladów rozszczepienia uranu jest kolejną metodą oparta na działaniu zegara archeologicznego. W tej metodzie chodzi o spontaniczne rozszczepienie izotopu uranu 238U obecnego w wielu skałach i minerałach (np. w obsydianie, szkle), podobnie jak metoda potasowo - argonowa - z której zastosowaniem czasowym się pokrywa - metoda ta pozwala datować odpowiednie skały zawierające znaleziska archeologiczne.
Izotop uranu 238U, poza tym, ze rozpada się w sposób naturalny do postaci trwałego izotopu ołowiu 206Pb, niekiedy także dzieli się spontanicznie na pół. Podczas procesu rozszczepiania obie części oddalają się od siebie z dużą energią, powodując znaczne zniszczenia w materiale. W minerałach zawierających 238U takich jak naturalne szkło, zniszczenia te są widoczne w postaci ścieżek zwanych śladami rozszczepienia. Ślady te są liczone pod mikroskopem (powierzchnia szkła jest dodatkowo wytrawiona kwasem dla polepszenia rezultatów). Ilość obecnego w próbce uranu jest określana na podstawie drugiego zbioru śladów rozszczepienia, stworzonych przez sztucznie spowodowane rozszczepienie atomów 238U. Znając czas rozszczepienia 238U, można określić datę przez porównanie liczby spontanicznie powstałych śladów z ilością 238U w próbce.
Zegar archeologiczny jest ustawiany na zero w chwili powstania minerału lub szkła, tak w naturze jak i w wyniku procesów przetwórczych.
Metoda ta jest najbardziej użyteczna dla stanowisk z okresu wczesnego paleolitu, a zwłaszcza tam gdzie nie można stosować metody potasowo - argonowej. Może też służyć do niezależnej kontroli wyników datowania np.: uzyskana tą metodą data śladów archeologicznych dla złoża Tuff IB z wąwozu Olduvai w Tanzanii - 2.030.000 +/- 280.000 lat umiejscawia się w zakresie wiekowym dla tegoż miejsca uzyskanym metoda potasowo - argonową i innymi metodami (2.100.000 - 1.700.000 lat temu). Potencjalny zakres czasowy, możliwy do zmierzenia tą metodą jest znaczny np.: mika z Zimbabwe została wydatowana tą metodą na ponad 2.500.000.000 BP. W przeważającej części metoda ta jest używana do datowania skał nie młodszych niż 300.000 lat. Dla materiałów późniejszych metoda ta jest zbyt pracochłonna (sztuczne szkło i polewy ceramiczne nie młodsze niż 2000 lat mogą być datowana tą metodą). W sprzyjających okolicznościach granica błędu nie przekracza +/- 10%, jeśli przyjąć , ze policzono 100 śladów rozszczepień.
Metoda termoluminescencyjna. (TL) stosowana od lat 50
Metoda ta ma dwie przewagi nad metodą radiowęglową, można nią datować ceramikę - najczęściej występujące źródło archeologiczne dla ostatnich 10.000 lat, można także datować materiały nieorganiczne mające więcej niż 50.000 lat, a więc będące poza zasięgiem metody radiowęglowej. Minusem tej metody jest jej dokładność (mniejsza niż przy użyciu metody radiowęglowej).
Pułapki elektronowe (wykorzystywane w tej metodzie) można opróżniać za pomocą ciepła. Tak więc datowanie metodą TL można przeprowadzić na materiałach które miały swoje pułapki elektronowe ustawione na zero w wyniku działania wysokiej temperatury (do takich wyrobów należy ceramika wypalana w czasie produkcji jak również krzemień który został umyślnie lub nie przepalony przed wyrzuceniem). Ceramika wyrabiana z gliny zawiera w sobie niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych. Roczna dawka promieniowania dla ceramiki zakopanej w ziemi pochodzi od dwóch źródeł: zewnętrznego - ziemi w której jest dany obiekt zakopany i wewnętrznego - jakim jest sam materiał ceramiczny. Dawka roczna może być obliczona na podstawie ilości izotopów promieniotwórczych obecnych w tworzywie ceramicznym oraz dawki promieniowania gamma otrzymanej przez garnek od otoczenia. W idealnych warunkach radioaktywność gleby jest mierzona na stanowiskach przez zakopania w niej małej kapsuły zawierającej materiał wrażliwy na napromieniowanie i pozostawienie jaj tam na okres około roku. Jeśli jest to niemożliwe można spróbować określić jej radioaktywność poprzez użycie licznika promieniowania.
Całkowita dawka promieniowana jest określana w laboratorium w wyniku gwałtownego podgrzania materiału do 5000C lub większej. Energia tracona przez elektrony uwalniane z pułapek jest wypromieniowywana w postaci światła i określana terminem termoluminescencji. Termoluminescencja może być mierzona i bywa wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc i do całkowitej dawki promieniowania. Metoda ta może też być stosowana do datowania materiałów kamiennych o strukturze krystalicznej, przy założeniu ze przy produkcji zostały ogrzane do temperatury 5000C. Metoda ta z łatwością wykrywa różnice między materiałem oryginalnym a falsyfikatami wykonanymi 100 lat temu.
Z tą metodą są związane różne komplikacje, a daty uzyskiwane rzadko mają dokładność lepszą niż +/- 10% wieku próbki.
Metoda luminescencji wzbudzanej optycznie. Wprowadzona w latach 80
Metodę tę stosuje się do datowania materiałów wystawionych na działanie światła , a nie ciepła.(jest podobna do metody termoluminescencyjnej)
Większość minerałów zawiera zbiór pułapek elektronowych, które zostały opróżnione, przez wystawienie na kilka minut na światło słoneczne. Jest to wykorzystywane do datowania złóż osadowych kwarcu. Pułapki zostają wybielone podczas transportu , ale ponownie gromadzą elektrony gdy zakopać dany obiekt (tu: kwarc). Po bardzo ostrożnym pobieraniu próbek całkowita dawka promieniowania osadu może być oszacowana w laboratorium przez skierowanie światła o widzialnej długości fali na próbkę i zmierzenie wynikłej luminescencji (luminescencja wzbudzana optycznie).
Metoda tą wydatowano np. osady skalne w północnej Australii zawierające różne artefakty - uzyskano datę 60.000 - 53.000 lat temu co stanowi wyraźny dowód zasiedlenia tego obszaru przez ludzi.
Metoda ta jest w ciągłym rozwoju, jednak dotychczasowe rezultaty wskazują, ze może być z powodzeniem używana do datowania osadów eolicznych (naniesionych przez wiatr). Niejasna jest na razie możliwość datowania tą metodą osadów aluwialnych (naniesionych przez rzeki), gdyż nie wiadomo czy kontakt ze światłem słonecznym w czasie transportu jest wystarczający do wyzerowania procesu.
Metoda elektronowego rezonansu spinowego. Opracowana w latach 70
Datowanie tą metodą jest jeszcze mniej precyzyjne niż metoda termoluminescencyjna, ale bardziej odpowiednia dla obiektów które rozkładają się w wyniku podgrzewania. Najbardziej udanym osiągnięciem tej metody było datowanie szkliwa zębów, złożonego niemal wyłącznie z hydroksyapatytu. Nowo powstały hydroksyapatyt nie zawiera uwięzionych elektronów, zaczynają się one gromadzić dopiero od momentu zakopania zęba i wystawienia go na naturalne promieniowanie. Dokładność tej metody zastosowanej dla datowania szkliwa jest rzędu 10 - 20% wieku obiektu.
W celu określenia całkowitej dawki promieniowania, próbka zostaje sproszkowana i wystawiona na działanie promieniowania elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości (mikrofale) w obecności silnego pola magnetycznego. Natężenie pola może być zmienione, a w czasie gdy tak się dzieje, uwięzione elektrony w próbce absorbują mikrofale różnych częstotliwości i wpadają w rezonans, który osiąga maksimum przy określonej kombinacji częstotliwości mikrofal i natężeniu pola magnetycznego. Wysokość wynikłej absorpcji może być zmierzona i jest wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc też do dawki promieniowania.
Hydroksyapatyt z reguły nie zawiera żadnych izotopów promieniotwórczych lecz je wchłania gdy zostanie zagrzebany w ziemi, pobierając rozpuszczony w wodzie uran, podobnie jak powiązana z nim zębina. Dawka roczna rośnie a więc z upływem czasu, a ten czynnik musi być uwzględniony w modelowaniu tempa wchłaniania uranu. Stosuje się tu dwa modele: model wczesnego wchłaniania, zgodnie z którym zawartość uranu w danym zębie gwałtownie wyrównuje się z jego zawartością w otoczeniu, a więc wchłanianie zmniejsza się z czasem. Model wchłaniania linearnego zakłada natomiast, ze wchłanianie uranu przebiega ze stałą prędkością. W celu określenia dawki rocznej konieczne jest zmierzenie wewnętrznych koncentracji uranu (i jego pochodnych izotopów toru), oraz zewnętrznych poziomów promieniowana gamma. Zazwyczaj przedstawia się wyniki modelu wchłaniania linearnego i wczesnego np. daty ze stanowiska w Kebara w Izraelu (pozostałości neandertalczyków) to dla modelu wchłaniania wczesnego 60.000 +/- 6.000 lat, i dla modelu linearnego 64.000 +/- 4.000 lat.
Przedział wieku badanych obiektów dla tej metody jest ograniczony, ponieważ stabilność uwięzionych elektronów zmniejsza się z czasem. W dużej mierze ten efekt zależy od temperatury: w zimnym środowisku elektrony są bardziej stabilne niż w ciepłym. Teoretycznie zasięg czasowy tej metody wynosi miliony lat, ale w praktyce jest krótszy. Natomiast mniejsza dokładność jest spowodowana modelowaniem procesu wchłaniania uranu.
Warwochronologia. Opracowana w końcu ubiegłego wieku.
Metoda ta jest oparta o roczne cykle przyrodnicze. W niej wykorzystuje się zjawisko polegające na tym , ze na dnie jezior i płytkich mórz w sąsiedztwie lodowców tworzą się cienkie warstwy osadów. Na wiosnę kiedy lodowic się topił do jeziora trafiały osady wytopione z lodowca. Piasek i muł jako cięższe osadzały się szybciej a lekki materiał ilasty długo pozostający w zawiesinie dopiero w sezonie zimowym. W ten sposób powstawały cienkie warstwy osadowe. Grubość poszczególnych warstw była zależna od warunków klimatycznych panujących w danym roku, w latach chłodnych były cieńsze, a w latach ciepłych kiedy lodowiec topił się szybciej i do jeziora dostawała się większa ilość wytopionego materiału warstwy te były grubsze. W ten sposób powstawały zróżnicowane między sobą warstwy liczące sobie kilkanaście tysięcy lat wstecz. Sekwencje warstewek są odzwierciedleniem lokalnych warunków klimatycznych. Iły warwowe (złożone z warstw) mogą służyć do kalibracji 14C. Metoda ta jest mało przydatna dla archeologii.
Ultradźwiękowe badanie kości.
Ultradźwiękowe datowanie kości jest stosowane od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Wykorzystuje zjawisko że w miarę przebywania kości w ziemi, zmniejsza się szybkość rozchodzenia się w nich ultradźwięków. Z powodu tempa tych zmian metoda ta ma ograniczone stosowanie - po 500 latach szybkość zmniejsza się o połowę, a dla kości liczących około 5.000 lat zmniejsza się wielkości wykraczających możliwości pomiaru. Metoda ta nie niszczy próbek.
by Colin Renfrew "Archeologia, teorie, metody, praktyka"
Metody datowania bezwzględnego
Metoda potasowo - argonowa. Powstała w latach 50.
Używana jest do datowania skał liczących sobie miliony lat. Jest to także jedna z najlepszych technik służących do datowania stanowisk zawierających szczątki „ludzkie” z przed 5.000.000 lat. W przypadku skał wulkanicznych można ją datować skały nie starsze niż 10.000 lat.
Datowanie tą metoda podobnie jak metoda radiowęglowa polega na zjawisku rozpadu promieniotwórczego. W tym przypadku chodzi o powolny rozpad promieniotwórczego izotopu potasu 40K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu 40Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu 40K (czas połowicznego rozpadu wynosi 1.330.000.000 lat) i zmierzywszy ilość 40AR uwięzionego w 10 gramowej próbce skał, możemy uzyskać szacunkowa datę ich sformowania. Bardziej czuły wariant tej metody (potrzebujący jeszcze mniejszą próbkę) to metoda fuzji laserowej argon - argon. W tej metodzie trwały izotop potasu 39K jest przekształcany w 39Ar na drodze bombardowania próbki strumieniem neutronów. Ponieważ proporcja 39K/40K w skałach jest stała wiek znaleziska może być określony na podstawie proporcji 40Ar/39Ar. Jak przy wszystkich metodach radiometrycznych istotne jest wyrycie czynnika ustawiającego zegar archeologiczny w pozycji zerowej. Np. dla skał wulkanicznych jest to moment ich utworzenia w wyniku aktywności wulkanicznej.
Jedna z najważniejszych obszarów badań dolnego paleolitu - Wielki Rów Wschodni w Afryce to rejony wulkaniczne. Znaczy to że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku aktywności wulkanicznej, a zatem doskonałej do badań metodą potasowo - argonową. Wąwóz a Olduvai to miejsce znalezisk skamieniałych szczątków Australopithecusa boisei, Homo habilisa i Homo erectusa a także wiele innych artefaktów kamiennych. Położony w Wielkim Rowie Wschodnim, wąwóz Olduvai jest obszarem wulkanicznym a jego chronologia obejmująca 2.000.000 lat została ustalona właśnie za pomocą metody argonowo - potasowej i fuzji laserowej argon - argon, datującej odpowiednie pokłady skamieniałego popiołu wulkanicznego (tuffu) i innych materiałów wśród których znaleziono pozostałości archeologiczne. Metoda ta była ważna przy datowaniu innych stanowisk archeologicznych w Afryce Wschodniej, takich jak Hadar w Etiopii.
Rezultaty datowania tą metoda podobnie jak w przypadku innych metod radiometrycznych jest obciążona błędem np. wiek warstwy Tuff IB z Olduvai ustalony został na 1.790.000 +/- 30.000 lat. Błąd szacunkowy w tym wypadku wynosi niw więcej niż 2% wieku warstwy. Jednym z głównych ograniczeń tej metody jest to iż może być użyta tylko do datowania znalezisk w skałach wulkanicznych, a błąd szacunkowy przeważnie sięga jednak +/- 10%
Metoda szeregu uranowego.
Metoda ta jest oparta na rozpadzie promieniotwórczym izotopów uranu. Jest szczególnie użyteczna dla okresu 500.000 - 50.000 lat temu, to znaczy okresu znajdującego się poza zakresem datowania radioweglowego. W Europie gdzie jest mało skał wulkanicznych nadających się do datowania metodą potasowo - argonową datowanie metodą szeregu uranowego może się okazać najważniejsza metoda badań stanowisk zamieszkałych przez wczesnych ludzi.
Dwa radioaktywne izotopy uranu (238U i 235U) rozpadają się na pierwiastki pochodne. Dodatkowo dwa z nich (tor 230Th i proaktyn 231Pa) także się rozpadają z okresem połowicznego datowania użytecznym dla datowania. Zasadniczym punktem jest to że izotopy uranu rozpuszczają się w H2O, a ich pochodne nie. Uran wraz z węglanem wapnia wytrąca się jako trawertyn i osadza się np. na ścianach jaskiń wapiennych, jest pobierany przez żywe organizmy. W chwili swego uformowania trawertyn jest wolny od nierozpuszczalnych izotopów 230TH i 231Pa, natomiast zawiera izotopy 238U i 235U. Ilość pochodnych izotopów wzrasta z czasem w miarę połowicznego rozpadu uranu, a zmierzenie proporcji pochodny - macierzysty (zazwyczaj jest to 230Th/238U) można określić wiek trawertynu.
Izotopy mierzy się przez zliczanie ich promieniowania alfa: każdy izotop emituje promieniowanie alfa o charakterystycznej częstotliwości. W sprzyjających warunkach metoda ta umożliwia datowanie z błędem +/- 12.000 lat dla próbki liczącej 150.000 lat i około +/- 25.000 lat dla próbki z przed 400.000 lat. Błąd te może zostać obniżony przez zastosowanie spektrometrii masowej; takie daty może cechować błąd mniejszy niż 1000 lat dla próbki ocenionej na 100.000 lat.
Metoda ta jest stosowana do datowania skał bogatych w węglan wapnia. Skały takie są często odsłaniane przez działanie wód powierzchniowych lub gruntowych, wypływających z źródeł bogatych w wapń lub przesiąkających do jaskiń wapiennych. W ten sposób tworzą się na ich dnie stalagmity. Ponieważ dawny człowiek używał jaskiń i nawisów skalnych jako schronienia, jego wytwory i kości bywają często zagrzebane w warstwie węglanu wapnia lub osadów innego typu pomiędzy dwoma poziomami złóż wapiennych. Trudność z określeniem kolejności złóż wapiennych w jaskiniach jest jedną z przyczyn niejednoznaczności w wynikach ustalonych metoda szeregu uranowego. Z tego powodu należy pobierać próbki z wszystkich warstw i drobiazgowo analizować ich geologie. Metodą tą można także datować zęby, ponieważ uran rozpuszczony w wodzie przenika do zębiny po znalezieniu się zęba w złożu, chociaż istnieją kłopoty z ustaleniem tępa absorpcji uranu. Za pomocą tej metody wydatowano np. stanowisko Bilzingsleben w wschodnich Niemczech.
Metoda trakowa.
Datowanie na podstawie śladów rozszczepienia uranu jest kolejną metodą oparta na działaniu zegara archeologicznego. W tej metodzie chodzi o spontaniczne rozszczepienie izotopu uranu 238U obecnego w wielu skałach i minerałach (np. w obsydianie, szkle), podobnie jak metoda potasowo - argonowa - z której zastosowaniem czasowym się pokrywa - metoda ta pozwala datować odpowiednie skały zawierające znaleziska archeologiczne.
Izotop uranu 238U, poza tym, ze rozpada się w sposób naturalny do postaci trwałego izotopu ołowiu 206Pb, niekiedy także dzieli się spontanicznie na pół. Podczas procesu rozszczepiania obie części oddalają się od siebie z dużą energią, powodując znaczne zniszczenia w materiale. W minerałach zawierających 238U takich jak naturalne szkło, zniszczenia te są widoczne w postaci ścieżek zwanych śladami rozszczepienia. Ślady te są liczone pod mikroskopem (powierzchnia szkła jest dodatkowo wytrawiona kwasem dla polepszenia rezultatów). Ilość obecnego w próbce uranu jest określana na podstawie drugiego zbioru śladów rozszczepienia, stworzonych przez sztucznie spowodowane rozszczepienie atomów 238U. Znając czas rozszczepienia 238U, można określić datę przez porównanie liczby spontanicznie powstałych śladów z ilością 238U w próbce.
Zegar archeologiczny jest ustawiany na zero w chwili powstania minerału lub szkła, tak w naturze jak i w wyniku procesów przetwórczych.
Metoda ta jest najbardziej użyteczna dla stanowisk z okresu wczesnego paleolitu, a zwłaszcza tam gdzie nie można stosować metody potasowo - argonowej. Może też służyć do niezależnej kontroli wyników datowania np.: uzyskana tą metodą data śladów archeologicznych dla złoża Tuff IB z wąwozu Olduvai w Tanzanii - 2.030.000 +/- 280.000 lat umiejscawia się w zakresie wiekowym dla tegoż miejsca uzyskanym metoda potasowo - argonową i innymi metodami (2.100.000 - 1.700.000 lat temu). Potencjalny zakres czasowy, możliwy do zmierzenia tą metodą jest znaczny np.: mika z Zimbabwe została wydatowana tą metodą na ponad 2.500.000.000 BP. W przeważającej części metoda ta jest używana do datowania skał nie młodszych niż 300.000 lat. Dla materiałów późniejszych metoda ta jest zbyt pracochłonna (sztuczne szkło i polewy ceramiczne nie młodsze niż 2000 lat mogą być datowana tą metodą). W sprzyjających okolicznościach granica błędu nie przekracza +/- 10%, jeśli przyjąć , ze policzono 100 śladów rozszczepień.
Metoda termoluminescencyjna. (TL) stosowana od lat 50
Metoda ta ma dwie przewagi nad metodą radiowęglową, można nią datować ceramikę - najczęściej występujące źródło archeologiczne dla ostatnich 10.000 lat, można także datować materiały nieorganiczne mające więcej niż 50.000 lat, a więc będące poza zasięgiem metody radiowęglowej. Minusem tej metody jest jej dokładność (mniejsza niż przy użyciu metody radiowęglowej).
Pułapki elektronowe (wykorzystywane w tej metodzie) można opróżniać za pomocą ciepła. Tak więc datowanie metodą TL można przeprowadzić na materiałach które miały swoje pułapki elektronowe ustawione na zero w wyniku działania wysokiej temperatury (do takich wyrobów należy ceramika wypalana w czasie produkcji jak również krzemień który został umyślnie lub nie przepalony przed wyrzuceniem). Ceramika wyrabiana z gliny zawiera w sobie niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych. Roczna dawka promieniowania dla ceramiki zakopanej w ziemi pochodzi od dwóch źródeł: zewnętrznego - ziemi w której jest dany obiekt zakopany i wewnętrznego - jakim jest sam materiał ceramiczny. Dawka roczna może być obliczona na podstawie ilości izotopów promieniotwórczych obecnych w tworzywie ceramicznym oraz dawki promieniowania gamma otrzymanej przez garnek od otoczenia. W idealnych warunkach radioaktywność gleby jest mierzona na stanowiskach przez zakopania w niej małej kapsuły zawierającej materiał wrażliwy na napromieniowanie i pozostawienie jaj tam na okres około roku. Jeśli jest to niemożliwe można spróbować określić jej radioaktywność poprzez użycie licznika promieniowania.
Całkowita dawka promieniowana jest określana w laboratorium w wyniku gwałtownego podgrzania materiału do 5000C lub większej. Energia tracona przez elektrony uwalniane z pułapek jest wypromieniowywana w postaci światła i określana terminem termoluminescencji. Termoluminescencja może być mierzona i bywa wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc i do całkowitej dawki promieniowania. Metoda ta może też być stosowana do datowania materiałów kamiennych o strukturze krystalicznej, przy założeniu ze przy produkcji zostały ogrzane do temperatury 5000C. Metoda ta z łatwością wykrywa różnice między materiałem oryginalnym a falsyfikatami wykonanymi 100 lat temu.
Z tą metodą są związane różne komplikacje, a daty uzyskiwane rzadko mają dokładność lepszą niż +/- 10% wieku próbki.
Metoda luminescencji wzbudzanej optycznie. Wprowadzona w latach 80
Metodę tę stosuje się do datowania materiałów wystawionych na działanie światła , a nie ciepła.(jest podobna do metody termoluminescencyjnej)
Większość minerałów zawiera zbiór pułapek elektronowych, które zostały opróżnione, przez wystawienie na kilka minut na światło słoneczne. Jest to wykorzystywane do datowania złóż osadowych kwarcu. Pułapki zostają wybielone podczas transportu , ale ponownie gromadzą elektrony gdy zakopać dany obiekt (tu: kwarc). Po bardzo ostrożnym pobieraniu próbek całkowita dawka promieniowania osadu może być oszacowana w laboratorium przez skierowanie światła o widzialnej długości fali na próbkę i zmierzenie wynikłej luminescencji (luminescencja wzbudzana optycznie).
Metoda tą wydatowano np. osady skalne w północnej Australii zawierające różne artefakty - uzyskano datę 60.000 - 53.000 lat temu co stanowi wyraźny dowód zasiedlenia tego obszaru przez ludzi.
Metoda ta jest w ciągłym rozwoju, jednak dotychczasowe rezultaty wskazują, ze może być z powodzeniem używana do datowania osadów eolicznych (naniesionych przez wiatr). Niejasna jest na razie możliwość datowania tą metodą osadów aluwialnych (naniesionych przez rzeki), gdyż nie wiadomo czy kontakt ze światłem słonecznym w czasie transportu jest wystarczający do wyzerowania procesu.
Metoda elektronowego rezonansu spinowego. Opracowana w latach 70
Datowanie tą metodą jest jeszcze mniej precyzyjne niż metoda termoluminescencyjna, ale bardziej odpowiednia dla obiektów które rozkładają się w wyniku podgrzewania. Najbardziej udanym osiągnięciem tej metody było datowanie szkliwa zębów, złożonego niemal wyłącznie z hydroksyapatytu. Nowo powstały hydroksyapatyt nie zawiera uwięzionych elektronów, zaczynają się one gromadzić dopiero od momentu zakopania zęba i wystawienia go na naturalne promieniowanie. Dokładność tej metody zastosowanej dla datowania szkliwa jest rzędu 10 - 20% wieku obiektu.
W celu określenia całkowitej dawki promieniowania, próbka zostaje sproszkowana i wystawiona na działanie promieniowania elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości (mikrofale) w obecności silnego pola magnetycznego. Natężenie pola może być zmienione, a w czasie gdy tak się dzieje, uwięzione elektrony w próbce absorbują mikrofale różnych częstotliwości i wpadają w rezonans, który osiąga maksimum przy określonej kombinacji częstotliwości mikrofal i natężeniu pola magnetycznego. Wysokość wynikłej absorpcji może być zmierzona i jest wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc też do dawki promieniowania.
Hydroksyapatyt z reguły nie zawiera żadnych izotopów promieniotwórczych lecz je wchłania gdy zostanie zagrzebany w ziemi, pobierając rozpuszczony w wodzie uran, podobnie jak powiązana z nim zębina. Dawka roczna rośnie a więc z upływem czasu, a ten czynnik musi być uwzględniony w modelowaniu tempa wchłaniania uranu. Stosuje się tu dwa modele: model wczesnego wchłaniania, zgodnie z którym zawartość uranu w danym zębie gwałtownie wyrównuje się z jego zawartością w otoczeniu, a więc wchłanianie zmniejsza się z czasem. Model wchłaniania linearnego zakłada natomiast, ze wchłanianie uranu przebiega ze stałą prędkością. W celu określenia dawki rocznej konieczne jest zmierzenie wewnętrznych koncentracji uranu (i jego pochodnych izotopów toru), oraz zewnętrznych poziomów promieniowana gamma. Zazwyczaj przedstawia się wyniki modelu wchłaniania linearnego i wczesnego np. daty ze stanowiska w Kebara w Izraelu (pozostałości neandertalczyków) to dla modelu wchłaniania wczesnego 60.000 +/- 6.000 lat, i dla modelu linearnego 64.000 +/- 4.000 lat.
Przedział wieku badanych obiektów dla tej metody jest ograniczony, ponieważ stabilność uwięzionych elektronów zmniejsza się z czasem. W dużej mierze ten efekt zależy od temperatury: w zimnym środowisku elektrony są bardziej stabilne niż w ciepłym. Teoretycznie zasięg czasowy tej metody wynosi miliony lat, ale w praktyce jest krótszy. Natomiast mniejsza dokładność jest spowodowana modelowaniem procesu wchłaniania uranu.
Warwochronologia. Opracowana w końcu ubiegłego wieku.
Metoda ta jest oparta o roczne cykle przyrodnicze. W niej wykorzystuje się zjawisko polegające na tym , ze na dnie jezior i płytkich mórz w sąsiedztwie lodowców tworzą się cienkie warstwy osadów. Na wiosnę kiedy lodowic się topił do jeziora trafiały osady wytopione z lodowca. Piasek i muł jako cięższe osadzały się szybciej a lekki materiał ilasty długo pozostający w zawiesinie dopiero w sezonie zimowym. W ten sposób powstawały cienkie warstwy osadowe. Grubość poszczególnych warstw była zależna od warunków klimatycznych panujących w danym roku, w latach chłodnych były cieńsze, a w latach ciepłych kiedy lodowiec topił się szybciej i do jeziora dostawała się większa ilość wytopionego materiału warstwy te były grubsze. W ten sposób powstawały zróżnicowane między sobą warstwy liczące sobie kilkanaście tysięcy lat wstecz. Sekwencje warstewek są odzwierciedleniem lokalnych warunków klimatycznych. Iły warwowe (złożone z warstw) mogą służyć do kalibracji 14C. Metoda ta jest mało przydatna dla archeologii.
Ultradźwiękowe badanie kości.
Ultradźwiękowe datowanie kości jest stosowane od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Wykorzystuje zjawisko że w miarę przebywania kości w ziemi, zmniejsza się szybkość rozchodzenia się w nich ultradźwięków. Z powodu tempa tych zmian metoda ta ma ograniczone stosowanie - po 500 latach szybkość zmniejsza się o połowę, a dla kości liczących około 5.000 lat zmniejsza się wielkości wykraczających możliwości pomiaru. Metoda ta nie niszczy próbek.
by Colin Renfrew "Archeologia, teorie, metody, praktyka"Metody datowania bezwzględnego
Metoda potasowo - argonowa. Powstała w latach 50.
Używana jest do datowania skał liczących sobie miliony lat. Jest to także jedna z najlepszych technik służących do datowania stanowisk zawierających szczątki „ludzkie” z przed 5.000.000 lat. W przypadku skał wulkanicznych można ją datować skały nie starsze niż 10.000 lat.
Datowanie tą metoda podobnie jak metoda radiowęglowa polega na zjawisku rozpadu promieniotwórczego. W tym przypadku chodzi o powolny rozpad promieniotwórczego izotopu potasu 40K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu 40Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu 40K (czas połowicznego rozpadu wynosi 1.330.000.000 lat) i zmierzywszy ilość 40AR uwięzionego w 10 gramowej próbce skał, możemy uzyskać szacunkowa datę ich sformowania. Bardziej czuły wariant tej metody (potrzebujący jeszcze mniejszą próbkę) to metoda fuzji laserowej argon - argon. W tej metodzie trwały izotop potasu 39K jest przekształcany w 39Ar na drodze bombardowania próbki strumieniem neutronów. Ponieważ proporcja 39K/40K w skałach jest stała wiek znaleziska może być określony na podstawie proporcji 40Ar/39Ar. Jak przy wszystkich metodach radiometrycznych istotne jest wyrycie czynnika ustawiającego zegar archeologiczny w pozycji zerowej. Np. dla skał wulkanicznych jest to moment ich utworzenia w wyniku aktywności wulkanicznej.
Jedna z najważniejszych obszarów badań dolnego paleolitu - Wielki Rów Wschodni w Afryce to rejony wulkaniczne. Znaczy to że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku aktywności wulkanicznej, a zatem doskonałej do badań metodą potasowo - argonową. Wąwóz a Olduvai to miejsce znalezisk skamieniałych szczątków Australopithecusa boisei, Homo habilisa i Homo erectusa a także wiele innych artefaktów kamiennych. Położony w Wielkim Rowie Wschodnim, wąwóz Olduvai jest obszarem wulkanicznym a jego chronologia obejmująca 2.000.000 lat została ustalona właśnie za pomocą metody argonowo - potasowej i fuzji laserowej argon - argon, datującej odpowiednie pokłady skamieniałego popiołu wulkanicznego (tuffu) i innych materiałów wśród których znaleziono pozostałości archeologiczne. Metoda ta była ważna przy datowaniu innych stanowisk archeologicznych w Afryce Wschodniej, takich jak Hadar w Etiopii.
Rezultaty datowania tą metoda podobnie jak w przypadku innych metod radiometrycznych jest obciążona błędem np. wiek warstwy Tuff IB z Olduvai ustalony został na 1.790.000 +/- 30.000 lat. Błąd szacunkowy w tym wypadku wynosi niw więcej niż 2% wieku warstwy. Jednym z głównych ograniczeń tej metody jest to iż może być użyta tylko do datowania znalezisk w skałach wulkanicznych, a błąd szacunkowy przeważnie sięga jednak +/- 10%
Metoda szeregu uranowego.
Metoda ta jest oparta na rozpadzie promieniotwórczym izotopów uranu. Jest szczególnie użyteczna dla okresu 500.000 - 50.000 lat temu, to znaczy okresu znajdującego się poza zakresem datowania radioweglowego. W Europie gdzie jest mało skał wulkanicznych nadających się do datowania metodą potasowo - argonową datowanie metodą szeregu uranowego może się okazać najważniejsza metoda badań stanowisk zamieszkałych przez wczesnych ludzi.
Dwa radioaktywne izotopy uranu (238U i 235U) rozpadają się na pierwiastki pochodne. Dodatkowo dwa z nich (tor 230Th i proaktyn 231Pa) także się rozpadają z okresem połowicznego datowania użytecznym dla datowania. Zasadniczym punktem jest to że izotopy uranu rozpuszczają się w H2O, a ich pochodne nie. Uran wraz z węglanem wapnia wytrąca się jako trawertyn i osadza się np. na ścianach jaskiń wapiennych, jest pobierany przez żywe organizmy. W chwili swego uformowania trawertyn jest wolny od nierozpuszczalnych izotopów 230TH i 231Pa, natomiast zawiera izotopy 238U i 235U. Ilość pochodnych izotopów wzrasta z czasem w miarę połowicznego rozpadu uranu, a zmierzenie proporcji pochodny - macierzysty (zazwyczaj jest to 230Th/238U) można określić wiek trawertynu.
Izotopy mierzy się przez zliczanie ich promieniowania alfa: każdy izotop emituje promieniowanie alfa o charakterystycznej częstotliwości. W sprzyjających warunkach metoda ta umożliwia datowanie z błędem +/- 12.000 lat dla próbki liczącej 150.000 lat i około +/- 25.000 lat dla próbki z przed 400.000 lat. Błąd te może zostać obniżony przez zastosowanie spektrometrii masowej; takie daty może cechować błąd mniejszy niż 1000 lat dla próbki ocenionej na 100.000 lat.
Metoda ta jest stosowana do datowania skał bogatych w węglan wapnia. Skały takie są często odsłaniane przez działanie wód powierzchniowych lub gruntowych, wypływających z źródeł bogatych w wapń lub przesiąkających do jaskiń wapiennych. W ten sposób tworzą się na ich dnie stalagmity. Ponieważ dawny człowiek używał jaskiń i nawisów skalnych jako schronienia, jego wytwory i kości bywają często zagrzebane w warstwie węglanu wapnia lub osadów innego typu pomiędzy dwoma poziomami złóż wapiennych. Trudność z określeniem kolejności złóż wapiennych w jaskiniach jest jedną z przyczyn niejednoznaczności w wynikach ustalonych metoda szeregu uranowego. Z tego powodu należy pobierać próbki z wszystkich warstw i drobiazgowo analizować ich geologie. Metodą tą można także datować zęby, ponieważ uran rozpuszczony w wodzie przenika do zębiny po znalezieniu się zęba w złożu, chociaż istnieją kłopoty z ustaleniem tępa absorpcji uranu. Za pomocą tej metody wydatowano np. stanowisko Bilzingsleben w wschodnich Niemczech.
Metoda trakowa.
Datowanie na podstawie śladów rozszczepienia uranu jest kolejną metodą oparta na działaniu zegara archeologicznego. W tej metodzie chodzi o spontaniczne rozszczepienie izotopu uranu 238U obecnego w wielu skałach i minerałach (np. w obsydianie, szkle), podobnie jak metoda potasowo - argonowa - z której zastosowaniem czasowym się pokrywa - metoda ta pozwala datować odpowiednie skały zawierające znaleziska archeologiczne.
Izotop uranu 238U, poza tym, ze rozpada się w sposób naturalny do postaci trwałego izotopu ołowiu 206Pb, niekiedy także dzieli się spontanicznie na pół. Podczas procesu rozszczepiania obie części oddalają się od siebie z dużą energią, powodując znaczne zniszczenia w materiale. W minerałach zawierających 238U takich jak naturalne szkło, zniszczenia te są widoczne w postaci ścieżek zwanych śladami rozszczepienia. Ślady te są liczone pod mikroskopem (powierzchnia szkła jest dodatkowo wytrawiona kwasem dla polepszenia rezultatów). Ilość obecnego w próbce uranu jest określana na podstawie drugiego zbioru śladów rozszczepienia, stworzonych przez sztucznie spowodowane rozszczepienie atomów 238U. Znając czas rozszczepienia 238U, można określić datę przez porównanie liczby spontanicznie powstałych śladów z ilością 238U w próbce.
Zegar archeologiczny jest ustawiany na zero w chwili powstania minerału lub szkła, tak w naturze jak i w wyniku procesów przetwórczych.
Metoda ta jest najbardziej użyteczna dla stanowisk z okresu wczesnego paleolitu, a zwłaszcza tam gdzie nie można stosować metody potasowo - argonowej. Może też służyć do niezależnej kontroli wyników datowania np.: uzyskana tą metodą data śladów archeologicznych dla złoża Tuff IB z wąwozu Olduvai w Tanzanii - 2.030.000 +/- 280.000 lat umiejscawia się w zakresie wiekowym dla tegoż miejsca uzyskanym metoda potasowo - argonową i innymi metodami (2.100.000 - 1.700.000 lat temu). Potencjalny zakres czasowy, możliwy do zmierzenia tą metodą jest znaczny np.: mika z Zimbabwe została wydatowana tą metodą na ponad 2.500.000.000 BP. W przeważającej części metoda ta jest używana do datowania skał nie młodszych niż 300.000 lat. Dla materiałów późniejszych metoda ta jest zbyt pracochłonna (sztuczne szkło i polewy ceramiczne nie młodsze niż 2000 lat mogą być datowana tą metodą). W sprzyjających okolicznościach granica błędu nie przekracza +/- 10%, jeśli przyjąć , ze policzono 100 śladów rozszczepień.
Metoda termoluminescencyjna. (TL) stosowana od lat 50
Metoda ta ma dwie przewagi nad metodą radiowęglową, można nią datować ceramikę - najczęściej występujące źródło archeologiczne dla ostatnich 10.000 lat, można także datować materiały nieorganiczne mające więcej niż 50.000 lat, a więc będące poza zasięgiem metody radiowęglowej. Minusem tej metody jest jej dokładność (mniejsza niż przy użyciu metody radiowęglowej).
Pułapki elektronowe (wykorzystywane w tej metodzie) można opróżniać za pomocą ciepła. Tak więc datowanie metodą TL można przeprowadzić na materiałach które miały swoje pułapki elektronowe ustawione na zero w wyniku działania wysokiej temperatury (do takich wyrobów należy ceramika wypalana w czasie produkcji jak również krzemień który został umyślnie lub nie przepalony przed wyrzuceniem). Ceramika wyrabiana z gliny zawiera w sobie niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych. Roczna dawka promieniowania dla ceramiki zakopanej w ziemi pochodzi od dwóch źródeł: zewnętrznego - ziemi w której jest dany obiekt zakopany i wewnętrznego - jakim jest sam materiał ceramiczny. Dawka roczna może być obliczona na podstawie ilości izotopów promieniotwórczych obecnych w tworzywie ceramicznym oraz dawki promieniowania gamma otrzymanej przez garnek od otoczenia. W idealnych warunkach radioaktywność gleby jest mierzona na stanowiskach przez zakopania w niej małej kapsuły zawierającej materiał wrażliwy na napromieniowanie i pozostawienie jaj tam na okres około roku. Jeśli jest to niemożliwe można spróbować określić jej radioaktywność poprzez użycie licznika promieniowania.
Całkowita dawka promieniowana jest określana w laboratorium w wyniku gwałtownego podgrzania materiału do 5000C lub większej. Energia tracona przez elektrony uwalniane z pułapek jest wypromieniowywana w postaci światła i określana terminem termoluminescencji. Termoluminescencja może być mierzona i bywa wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc i do całkowitej dawki promieniowania. Metoda ta może też być stosowana do datowania materiałów kamiennych o strukturze krystalicznej, przy założeniu ze przy produkcji zostały ogrzane do temperatury 5000C. Metoda ta z łatwością wykrywa różnice między materiałem oryginalnym a falsyfikatami wykonanymi 100 lat temu.
Z tą metodą są związane różne komplikacje, a daty uzyskiwane rzadko mają dokładność lepszą niż +/- 10% wieku próbki.
Metoda luminescencji wzbudzanej optycznie. Wprowadzona w latach 80
Metodę tę stosuje się do datowania materiałów wystawionych na działanie światła , a nie ciepła.(jest podobna do metody termoluminescencyjnej)
Większość minerałów zawiera zbiór pułapek elektronowych, które zostały opróżnione, przez wystawienie na kilka minut na światło słoneczne. Jest to wykorzystywane do datowania złóż osadowych kwarcu. Pułapki zostają wybielone podczas transportu , ale ponownie gromadzą elektrony gdy zakopać dany obiekt (tu: kwarc). Po bardzo ostrożnym pobieraniu próbek całkowita dawka promieniowania osadu może być oszacowana w laboratorium przez skierowanie światła o widzialnej długości fali na próbkę i zmierzenie wynikłej luminescencji (luminescencja wzbudzana optycznie).
Metoda tą wydatowano np. osady skalne w północnej Australii zawierające różne artefakty - uzyskano datę 60.000 - 53.000 lat temu co stanowi wyraźny dowód zasiedlenia tego obszaru przez ludzi.
Metoda ta jest w ciągłym rozwoju, jednak dotychczasowe rezultaty wskazują, ze może być z powodzeniem używana do datowania osadów eolicznych (naniesionych przez wiatr). Niejasna jest na razie możliwość datowania tą metodą osadów aluwialnych (naniesionych przez rzeki), gdyż nie wiadomo czy kontakt ze światłem słonecznym w czasie transportu jest wystarczający do wyzerowania procesu.
Metoda elektronowego rezonansu spinowego. Opracowana w latach 70
Datowanie tą metodą jest jeszcze mniej precyzyjne niż metoda termoluminescencyjna, ale bardziej odpowiednia dla obiektów które rozkładają się w wyniku podgrzewania. Najbardziej udanym osiągnięciem tej metody było datowanie szkliwa zębów, złożonego niemal wyłącznie z hydroksyapatytu. Nowo powstały hydroksyapatyt nie zawiera uwięzionych elektronów, zaczynają się one gromadzić dopiero od momentu zakopania zęba i wystawienia go na naturalne promieniowanie. Dokładność tej metody zastosowanej dla datowania szkliwa jest rzędu 10 - 20% wieku obiektu.
W celu określenia całkowitej dawki promieniowania, próbka zostaje sproszkowana i wystawiona na działanie promieniowania elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości (mikrofale) w obecności silnego pola magnetycznego. Natężenie pola może być zmienione, a w czasie gdy tak się dzieje, uwięzione elektrony w próbce absorbują mikrofale różnych częstotliwości i wpadają w rezonans, który osiąga maksimum przy określonej kombinacji częstotliwości mikrofal i natężeniu pola magnetycznego. Wysokość wynikłej absorpcji może być zmierzona i jest wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc też do dawki promieniowania.
Hydroksyapatyt z reguły nie zawiera żadnych izotopów promieniotwórczych lecz je wchłania gdy zostanie zagrzebany w ziemi, pobierając rozpuszczony w wodzie uran, podobnie jak powiązana z nim zębina. Dawka roczna rośnie a więc z upływem czasu, a ten czynnik musi być uwzględniony w modelowaniu tempa wchłaniania uranu. Stosuje się tu dwa modele: model wczesnego wchłaniania, zgodnie z którym zawartość uranu w danym zębie gwałtownie wyrównuje się z jego zawartością w otoczeniu, a więc wchłanianie zmniejsza się z czasem. Model wchłaniania linearnego zakłada natomiast, ze wchłanianie uranu przebiega ze stałą prędkością. W celu określenia dawki rocznej konieczne jest zmierzenie wewnętrznych koncentracji uranu (i jego pochodnych izotopów toru), oraz zewnętrznych poziomów promieniowana gamma. Zazwyczaj przedstawia się wyniki modelu wchłaniania linearnego i wczesnego np. daty ze stanowiska w Kebara w Izraelu (pozostałości neandertalczyków) to dla modelu wchłaniania wczesnego 60.000 +/- 6.000 lat, i dla modelu linearnego 64.000 +/- 4.000 lat.
Przedział wieku badanych obiektów dla tej metody jest ograniczony, ponieważ stabilność uwięzionych elektronów zmniejsza się z czasem. W dużej mierze ten efekt zależy od temperatury: w zimnym środowisku elektrony są bardziej stabilne niż w ciepłym. Teoretycznie zasięg czasowy tej metody wynosi miliony lat, ale w praktyce jest krótszy. Natomiast mniejsza dokładność jest spowodowana modelowaniem procesu wchłaniania uranu.
Warwochronologia. Opracowana w końcu ubiegłego wieku.
Metoda ta jest oparta o roczne cykle przyrodnicze. W niej wykorzystuje się zjawisko polegające na tym , ze na dnie jezior i płytkich mórz w sąsiedztwie lodowców tworzą się cienkie warstwy osadów. Na wiosnę kiedy lodowic się topił do jeziora trafiały osady wytopione z lodowca. Piasek i muł jako cięższe osadzały się szybciej a lekki materiał ilasty długo pozostający w zawiesinie dopiero w sezonie zimowym. W ten sposób powstawały cienkie warstwy osadowe. Grubość poszczególnych warstw była zależna od warunków klimatycznych panujących w danym roku, w latach chłodnych były cieńsze, a w latach ciepłych kiedy lodowiec topił się szybciej i do jeziora dostawała się większa ilość wytopionego materiału warstwy te były grubsze. W ten sposób powstawały zróżnicowane między sobą warstwy liczące sobie kilkanaście tysięcy lat wstecz. Sekwencje warstewek są odzwierciedleniem lokalnych warunków klimatycznych. Iły warwowe (złożone z warstw) mogą służyć do kalibracji 14C. Metoda ta jest mało przydatna dla archeologii.
Ultradźwiękowe badanie kości.
Ultradźwiękowe datowanie kości jest stosowane od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Wykorzystuje zjawisko że w miarę przebywania kości w ziemi, zmniejsza się szybkość rozchodzenia się w nich ultradźwięków. Z powodu tempa tych zmian metoda ta ma ograniczone stosowanie - po 500 latach szybkość zmniejsza się o połowę, a dla kości liczących około 5.000 lat zmniejsza się wielkości wykraczających możliwości pomiaru. Metoda ta nie niszczy próbek.
by Colin Renfrew "Archeologia, teorie, metody, praktyka"Metody datowania bezwzględnego
Metoda potasowo - argonowa. Powstała w latach 50.
Używana jest do datowania skał liczących sobie miliony lat. Jest to także jedna z najlepszych technik służących do datowania stanowisk zawierających szczątki „ludzkie” z przed 5.000.000 lat. W przypadku skał wulkanicznych można ją datować skały nie starsze niż 10.000 lat.
Datowanie tą metoda podobnie jak metoda radiowęglowa polega na zjawisku rozpadu promieniotwórczego. W tym przypadku chodzi o powolny rozpad promieniotwórczego izotopu potasu 40K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu 40Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu 40K (czas połowicznego rozpadu wynosi 1.330.000.000 lat) i zmierzywszy ilość 40AR uwięzionego w 10 gramowej próbce skał, możemy uzyskać szacunkowa datę ich sformowania. Bardziej czuły wariant tej metody (potrzebujący jeszcze mniejszą próbkę) to metoda fuzji laserowej argon - argon. W tej metodzie trwały izotop potasu 39K jest przekształcany w 39Ar na drodze bombardowania próbki strumieniem neutronów. Ponieważ proporcja 39K/40K w skałach jest stała wiek znaleziska może być określony na podstawie proporcji 40Ar/39Ar. Jak przy wszystkich metodach radiometrycznych istotne jest wyrycie czynnika ustawiającego zegar archeologiczny w pozycji zerowej. Np. dla skał wulkanicznych jest to moment ich utworzenia w wyniku aktywności wulkanicznej.
Jedna z najważniejszych obszarów badań dolnego paleolitu - Wielki Rów Wschodni w Afryce to rejony wulkaniczne. Znaczy to że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku aktywności wulkanicznej, a zatem doskonałej do badań metodą potasowo - argonową. Wąwóz a Olduvai to miejsce znalezisk skamieniałych szczątków Australopithecusa boisei, Homo habilisa i Homo erectusa a także wiele innych artefaktów kamiennych. Położony w Wielkim Rowie Wschodnim, wąwóz Olduvai jest obszarem wulkanicznym a jego chronologia obejmująca 2.000.000 lat została ustalona właśnie za pomocą metody argonowo - potasowej i fuzji laserowej argon - argon, datującej odpowiednie pokłady skamieniałego popiołu wulkanicznego (tuffu) i innych materiałów wśród których znaleziono pozostałości archeologiczne. Metoda ta była ważna przy datowaniu innych stanowisk archeologicznych w Afryce Wschodniej, takich jak Hadar w Etiopii.
Rezultaty datowania tą metoda podobnie jak w przypadku innych metod radiometrycznych jest obciążona błędem np. wiek warstwy Tuff IB z Olduvai ustalony został na 1.790.000 +/- 30.000 lat. Błąd szacunkowy w tym wypadku wynosi niw więcej niż 2% wieku warstwy. Jednym z głównych ograniczeń tej metody jest to iż może być użyta tylko do datowania znalezisk w skałach wulkanicznych, a błąd szacunkowy przeważnie sięga jednak +/- 10%
Metoda szeregu uranowego.
Metoda ta jest oparta na rozpadzie promieniotwórczym izotopów uranu. Jest szczególnie użyteczna dla okresu 500.000 - 50.000 lat temu, to znaczy okresu znajdującego się poza zakresem datowania radioweglowego. W Europie gdzie jest mało skał wulkanicznych nadających się do datowania metodą potasowo - argonową datowanie metodą szeregu uranowego może się okazać najważniejsza metoda badań stanowisk zamieszkałych przez wczesnych ludzi.
Dwa radioaktywne izotopy uranu (238U i 235U) rozpadają się na pierwiastki pochodne. Dodatkowo dwa z nich (tor 230Th i proaktyn 231Pa) także się rozpadają z okresem połowicznego datowania użytecznym dla datowania. Zasadniczym punktem jest to że izotopy uranu rozpuszczają się w H2O, a ich pochodne nie. Uran wraz z węglanem wapnia wytrąca się jako trawertyn i osadza się np. na ścianach jaskiń wapiennych, jest pobierany przez żywe organizmy. W chwili swego uformowania trawertyn jest wolny od nierozpuszczalnych izotopów 230TH i 231Pa, natomiast zawiera izotopy 238U i 235U. Ilość pochodnych izotopów wzrasta z czasem w miarę połowicznego rozpadu uranu, a zmierzenie proporcji pochodny - macierzysty (zazwyczaj jest to 230Th/238U) można określić wiek trawertynu.
Izotopy mierzy się przez zliczanie ich promieniowania alfa: każdy izotop emituje promieniowanie alfa o charakterystycznej częstotliwości. W sprzyjających warunkach metoda ta umożliwia datowanie z błędem +/- 12.000 lat dla próbki liczącej 150.000 lat i około +/- 25.000 lat dla próbki z przed 400.000 lat. Błąd te może zostać obniżony przez zastosowanie spektrometrii masowej; takie daty może cechować błąd mniejszy niż 1000 lat dla próbki ocenionej na 100.000 lat.
Metoda ta jest stosowana do datowania skał bogatych w węglan wapnia. Skały takie są często odsłaniane przez działanie wód powierzchniowych lub gruntowych, wypływających z źródeł bogatych w wapń lub przesiąkających do jaskiń wapiennych. W ten sposób tworzą się na ich dnie stalagmity. Ponieważ dawny człowiek używał jaskiń i nawisów skalnych jako schronienia, jego wytwory i kości bywają często zagrzebane w warstwie węglanu wapnia lub osadów innego typu pomiędzy dwoma poziomami złóż wapiennych. Trudność z określeniem kolejności złóż wapiennych w jaskiniach jest jedną z przyczyn niejednoznaczności w wynikach ustalonych metoda szeregu uranowego. Z tego powodu należy pobierać próbki z wszystkich warstw i drobiazgowo analizować ich geologie. Metodą tą można także datować zęby, ponieważ uran rozpuszczony w wodzie przenika do zębiny po znalezieniu się zęba w złożu, chociaż istnieją kłopoty z ustaleniem tępa absorpcji uranu. Za pomocą tej metody wydatowano np. stanowisko Bilzingsleben w wschodnich Niemczech.
Metoda trakowa.
Datowanie na podstawie śladów rozszczepienia uranu jest kolejną metodą oparta na działaniu zegara archeologicznego. W tej metodzie chodzi o spontaniczne rozszczepienie izotopu uranu 238U obecnego w wielu skałach i minerałach (np. w obsydianie, szkle), podobnie jak metoda potasowo - argonowa - z której zastosowaniem czasowym się pokrywa - metoda ta pozwala datować odpowiednie skały zawierające znaleziska archeologiczne.
Izotop uranu 238U, poza tym, ze rozpada się w sposób naturalny do postaci trwałego izotopu ołowiu 206Pb, niekiedy także dzieli się spontanicznie na pół. Podczas procesu rozszczepiania obie części oddalają się od siebie z dużą energią, powodując znaczne zniszczenia w materiale. W minerałach zawierających 238U takich jak naturalne szkło, zniszczenia te są widoczne w postaci ścieżek zwanych śladami rozszczepienia. Ślady te są liczone pod mikroskopem (powierzchnia szkła jest dodatkowo wytrawiona kwasem dla polepszenia rezultatów). Ilość obecnego w próbce uranu jest określana na podstawie drugiego zbioru śladów rozszczepienia, stworzonych przez sztucznie spowodowane rozszczepienie atomów 238U. Znając czas rozszczepienia 238U, można określić datę przez porównanie liczby spontanicznie powstałych śladów z ilością 238U w próbce.
Zegar archeologiczny jest ustawiany na zero w chwili powstania minerału lub szkła, tak w naturze jak i w wyniku procesów przetwórczych.
Metoda ta jest najbardziej użyteczna dla stanowisk z okresu wczesnego paleolitu, a zwłaszcza tam gdzie nie można stosować metody potasowo - argonowej. Może też służyć do niezależnej kontroli wyników datowania np.: uzyskana tą metodą data śladów archeologicznych dla złoża Tuff IB z wąwozu Olduvai w Tanzanii - 2.030.000 +/- 280.000 lat umiejscawia się w zakresie wiekowym dla tegoż miejsca uzyskanym metoda potasowo - argonową i innymi metodami (2.100.000 - 1.700.000 lat temu). Potencjalny zakres czasowy, możliwy do zmierzenia tą metodą jest znaczny np.: mika z Zimbabwe została wydatowana tą metodą na ponad 2.500.000.000 BP. W przeważającej części metoda ta jest używana do datowania skał nie młodszych niż 300.000 lat. Dla materiałów późniejszych metoda ta jest zbyt pracochłonna (sztuczne szkło i polewy ceramiczne nie młodsze niż 2000 lat mogą być datowana tą metodą). W sprzyjających okolicznościach granica błędu nie przekracza +/- 10%, jeśli przyjąć , ze policzono 100 śladów rozszczepień.
Metoda termoluminescencyjna. (TL) stosowana od lat 50
Metoda ta ma dwie przewagi nad metodą radiowęglową, można nią datować ceramikę - najczęściej występujące źródło archeologiczne dla ostatnich 10.000 lat, można także datować materiały nieorganiczne mające więcej niż 50.000 lat, a więc będące poza zasięgiem metody radiowęglowej. Minusem tej metody jest jej dokładność (mniejsza niż przy użyciu metody radiowęglowej).
Pułapki elektronowe (wykorzystywane w tej metodzie) można opróżniać za pomocą ciepła. Tak więc datowanie metodą TL można przeprowadzić na materiałach które miały swoje pułapki elektronowe ustawione na zero w wyniku działania wysokiej temperatury (do takich wyrobów należy ceramika wypalana w czasie produkcji jak również krzemień który został umyślnie lub nie przepalony przed wyrzuceniem). Ceramika wyrabiana z gliny zawiera w sobie niewielkie ilości pierwiastków promieniotwórczych. Roczna dawka promieniowania dla ceramiki zakopanej w ziemi pochodzi od dwóch źródeł: zewnętrznego - ziemi w której jest dany obiekt zakopany i wewnętrznego - jakim jest sam materiał ceramiczny. Dawka roczna może być obliczona na podstawie ilości izotopów promieniotwórczych obecnych w tworzywie ceramicznym oraz dawki promieniowania gamma otrzymanej przez garnek od otoczenia. W idealnych warunkach radioaktywność gleby jest mierzona na stanowiskach przez zakopania w niej małej kapsuły zawierającej materiał wrażliwy na napromieniowanie i pozostawienie jaj tam na okres około roku. Jeśli jest to niemożliwe można spróbować określić jej radioaktywność poprzez użycie licznika promieniowania.
Całkowita dawka promieniowana jest określana w laboratorium w wyniku gwałtownego podgrzania materiału do 5000C lub większej. Energia tracona przez elektrony uwalniane z pułapek jest wypromieniowywana w postaci światła i określana terminem termoluminescencji. Termoluminescencja może być mierzona i bywa wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc i do całkowitej dawki promieniowania. Metoda ta może też być stosowana do datowania materiałów kamiennych o strukturze krystalicznej, przy założeniu ze przy produkcji zostały ogrzane do temperatury 5000C. Metoda ta z łatwością wykrywa różnice między materiałem oryginalnym a falsyfikatami wykonanymi 100 lat temu.
Z tą metodą są związane różne komplikacje, a daty uzyskiwane rzadko mają dokładność lepszą niż +/- 10% wieku próbki.
Metoda luminescencji wzbudzanej optycznie. Wprowadzona w latach 80
Metodę tę stosuje się do datowania materiałów wystawionych na działanie światła , a nie ciepła.(jest podobna do metody termoluminescencyjnej)
Większość minerałów zawiera zbiór pułapek elektronowych, które zostały opróżnione, przez wystawienie na kilka minut na światło słoneczne. Jest to wykorzystywane do datowania złóż osadowych kwarcu. Pułapki zostają wybielone podczas transportu , ale ponownie gromadzą elektrony gdy zakopać dany obiekt (tu: kwarc). Po bardzo ostrożnym pobieraniu próbek całkowita dawka promieniowania osadu może być oszacowana w laboratorium przez skierowanie światła o widzialnej długości fali na próbkę i zmierzenie wynikłej luminescencji (luminescencja wzbudzana optycznie).
Metoda tą wydatowano np. osady skalne w północnej Australii zawierające różne artefakty - uzyskano datę 60.000 - 53.000 lat temu co stanowi wyraźny dowód zasiedlenia tego obszaru przez ludzi.
Metoda ta jest w ciągłym rozwoju, jednak dotychczasowe rezultaty wskazują, ze może być z powodzeniem używana do datowania osadów eolicznych (naniesionych przez wiatr). Niejasna jest na razie możliwość datowania tą metodą osadów aluwialnych (naniesionych przez rzeki), gdyż nie wiadomo czy kontakt ze światłem słonecznym w czasie transportu jest wystarczający do wyzerowania procesu.
Metoda elektronowego rezonansu spinowego. Opracowana w latach 70
Datowanie tą metodą jest jeszcze mniej precyzyjne niż metoda termoluminescencyjna, ale bardziej odpowiednia dla obiektów które rozkładają się w wyniku podgrzewania. Najbardziej udanym osiągnięciem tej metody było datowanie szkliwa zębów, złożonego niemal wyłącznie z hydroksyapatytu. Nowo powstały hydroksyapatyt nie zawiera uwięzionych elektronów, zaczynają się one gromadzić dopiero od momentu zakopania zęba i wystawienia go na naturalne promieniowanie. Dokładność tej metody zastosowanej dla datowania szkliwa jest rzędu 10 - 20% wieku obiektu.
W celu określenia całkowitej dawki promieniowania, próbka zostaje sproszkowana i wystawiona na działanie promieniowania elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości (mikrofale) w obecności silnego pola magnetycznego. Natężenie pola może być zmienione, a w czasie gdy tak się dzieje, uwięzione elektrony w próbce absorbują mikrofale różnych częstotliwości i wpadają w rezonans, który osiąga maksimum przy określonej kombinacji częstotliwości mikrofal i natężeniu pola magnetycznego. Wysokość wynikłej absorpcji może być zmierzona i jest wprost proporcjonalna do liczby uwięzionych elektronów, a więc też do dawki promieniowania.
Hydroksyapatyt z reguły nie zawiera żadnych izotopów promieniotwórczych lecz je wchłania gdy zostanie zagrzebany w ziemi, pobierając rozpuszczony w wodzie uran, podobnie jak powiązana z nim zębina. Dawka roczna rośnie a więc z upływem czasu, a ten czynnik musi być uwzględniony w modelowaniu tempa wchłaniania uranu. Stosuje się tu dwa modele: model wczesnego wchłaniania, zgodnie z którym zawartość uranu w danym zębie gwałtownie wyrównuje się z jego zawartością w otoczeniu, a więc wchłanianie zmniejsza się z czasem. Model wchłaniania linearnego zakłada natomiast, ze wchłanianie uranu przebiega ze stałą prędkością. W celu określenia dawki rocznej konieczne jest zmierzenie wewnętrznych koncentracji uranu (i jego pochodnych izotopów toru), oraz zewnętrznych poziomów promieniowana gamma. Zazwyczaj przedstawia się wyniki modelu wchłaniania linearnego i wczesnego np. daty ze stanowiska w Kebara w Izraelu (pozostałości neandertalczyków) to dla modelu wchłaniania wczesnego 60.000 +/- 6.000 lat, i dla modelu linearnego 64.000 +/- 4.000 lat.
Przedział wieku badanych obiektów dla tej metody jest ograniczony, ponieważ stabilność uwięzionych elektronów zmniejsza się z czasem. W dużej mierze ten efekt zależy od temperatury: w zimnym środowisku elektrony są bardziej stabilne niż w ciepłym. Teoretycznie zasięg czasowy tej metody wynosi miliony lat, ale w praktyce jest krótszy. Natomiast mniejsza dokładność jest spowodowana modelowaniem procesu wchłaniania uranu.
Warwochronologia. Opracowana w końcu ubiegłego wieku.
Metoda ta jest oparta o roczne cykle przyrodnicze. W niej wykorzystuje się zjawisko polegające na tym , ze na dnie jezior i płytkich mórz w sąsiedztwie lodowców tworzą się cienkie warstwy osadów. Na wiosnę kiedy lodowic się topił do jeziora trafiały osady wytopione z lodowca. Piasek i muł jako cięższe osadzały się szybciej a lekki materiał ilasty długo pozostający w zawiesinie dopiero w sezonie zimowym. W ten sposób powstawały cienkie warstwy osadowe. Grubość poszczególnych warstw była zależna od warunków klimatycznych panujących w danym roku, w latach chłodnych były cieńsze, a w latach ciepłych kiedy lodowiec topił się szybciej i do jeziora dostawała się większa ilość wytopionego materiału warstwy te były grubsze. W ten sposób powstawały zróżnicowane między sobą warstwy liczące sobie kilkanaście tysięcy lat wstecz. Sekwencje warstewek są odzwierciedleniem lokalnych warunków klimatycznych. Iły warwowe (złożone z warstw) mogą służyć do kalibracji 14C. Metoda ta jest mało przydatna dla archeologii.
Ultradźwiękowe badanie kości.
Ultradźwiękowe datowanie kości jest stosowane od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Wykorzystuje zjawisko że w miarę przebywania kości w ziemi, zmniejsza się szybkość rozchodzenia się w nich ultradźwięków. Z powodu tempa tych zmian metoda ta ma ograniczone stosowanie - po 500 latach szybkość zmniejsza się o połowę, a dla kości liczących około 5.000 lat zmniejsza się wielkości wykraczających możliwości pomiaru. Metoda ta nie niszczy próbek.
by Colin Renfrew "Archeologia, teorie, metody, praktyka"Dół formularza