Радиоуглеродная калибровка - Radiocarbon calibration

Радиоуглеродное датирование измерения дают возраст в "радиоуглеродных годах", которые необходимо преобразовать в календарный возраст с помощью процесса, называемого калибровка. Калибровка необходима, поскольку атмосферный 14
C/12
C коэффициент, который является ключевым элементом при расчете радиоуглеродного возраста, исторически не был постоянным.[1]

Уиллард Либби, изобретатель радиоуглеродного датирования, еще в 1955 году указал на возможность того, что соотношение могло изменяться со временем. Начали отмечаться расхождения между измеренным возрастом и известными историческими датами артефактов, и стало ясно, что для получения календарных дат необходимо будет применить поправку к возрасту радиоуглерода.[2] Не исправленный даты могут быть указаны как «радиоуглеродные годы назад», сокращенно "14
Cя ".[3]

Период, термин До настоящего (BP) устанавливается для отчетных дат, полученных на основе радиоуглеродного анализа, где «присутствует» - 1950 год. Не исправленный даты указаны как "uncal BP",[4] и откалиброванный (исправлено) даты как "кал. BP". Сам по себе термин BP неоднозначен.

Построение кривой

Кривая Северного полушария из INTCAL13. По состоянию на 2017 год это самая последняя версия стандартной калибровочной кривой. Есть отдельные графики для Южного полушария и для калибровки морских данных.[5]

Чтобы построить кривую, которая может быть использована для соотнесения календарных лет с годами по радиоуглероду, необходима последовательность надежно датированных образцов, которые можно протестировать для определения их радиоуглеродного возраста. Дендрохронология, или изучение годичных колец, привело к первой такой последовательности: годичные кольца из отдельных кусков дерева показывают характерные последовательности колец, которые различаются по толщине из-за факторов окружающей среды, таких как количество осадков в данном году. Эти факторы влияют на все деревья в области, поэтому изучение последовательностей годичных колец из старой древесины позволяет идентифицировать перекрывающиеся последовательности. Таким образом, непрерывная последовательность годичных колец может уйти далеко в прошлое. Первая такая опубликованная последовательность, основанная на кольцах щетинчатой ​​сосны, была создана в 1960-х гг. Уэсли Фергюсон.[6] Ганс Зюсс использовал эти данные для публикации первой калибровочной кривой для радиоуглеродного датирования в 1967 году.[2][7][8] Кривая показывает два типа отклонения от прямой: долгосрочное отклонение с периодом около 9000 лет и более краткосрочное отклонение, часто называемое "покачиванием", с периодом в несколько десятилетий. Сьюсс сказал, что он нарисовал линию, показывающую колебания, с помощью "космического Schwung", или от руки. Некоторое время было неясно, были ли эти покачивания реальными или нет, но теперь они хорошо известны.[7][8]

Метод калибровки также предполагает, что изменение во времени 14
C Уровень является глобальным, так что для калибровки достаточно небольшого количества образцов за определенный год, что было экспериментально подтверждено в 1980-х годах.[2]

В течение следующих 30 лет было опубликовано множество калибровочных кривых с использованием различных методов и статистических подходов.[9] Они были заменены серией кривых INTCAL, начиная с INTCAL98, опубликованной в 1998 году и обновленной в 2004, 2009, 2013 и 2020 годах.[10] Улучшения этих кривых основаны на новых данных, собранных из годичных колец деревьев, варвы, кораллы и другие исследования. Существенные дополнения к наборам данных, используемым для INTCAL13, включают в себя неразрезные морские фораминиферы данные, а U-Th от образования. Данные INTCAL13 включают отдельные кривые для северного и южного полушарий, поскольку они систематически различаются из-за эффекта полушария; есть также отдельная морская калибровочная кривая.[11]

Часть калибровочной кривой INTCAL13, показывающая правильное (t1) и неверный (t2) методы определения диапазона календарного года по калибровочной кривой с заданной погрешностью[5]

После того, как в результате тестирования был получен возраст образца в радиоуглеродных годах с соответствующим диапазоном ошибок плюс или минус одно стандартное отклонение (обычно записываемое как ± σ), калибровочную кривую можно использовать для получения диапазона календарных возрастов для образца. Сама калибровочная кривая имеет связанный член ошибки, который можно увидеть на графике с надписью «Ошибка калибровки и ошибка измерения». На этом графике показаны данные INTCAL13 за календарные годы с 3100 до 3500 лет назад. Сплошная линия - это калибровочная кривая INTCAL13, а пунктирные линии показывают диапазон стандартной ошибки, как и в случае ошибки выборки, это одно стандартное отклонение. Просто считайте диапазон радиоуглеродных лет против пунктирных линий, как показано для образца t2красный цвет означает слишком большой диапазон календарных лет. Член ошибки должен быть корнем суммы квадратов двух ошибок:[12]

Пример t1зеленым цветом на графике показана эта процедура - результирующий член ошибки σобщий, используется для диапазона, и этот диапазон используется для считывания результата непосредственно с самого графика без ссылки на линии, показывающие ошибку калибровки.[12]

Различные даты по радиоуглеродному анализу с аналогичными стандартными ошибками могут давать самые разные результирующие диапазоны календарных лет в зависимости от формы калибровочной кривой в каждой точке.

Вариации калибровочной кривой могут привести к очень разным результирующим диапазонам календарных лет для образцов с разным радиоуглеродным возрастом. На графике справа показана часть калибровочной кривой INTCAL13 от 1000 до 1400 лет назад, диапазон, в котором есть значительные отклонения от линейной зависимости между возрастом по радиоуглероду и календарным возрастом. В местах, где калибровочная кривая крутая и не меняет направления, как в примере t1 синим цветом на графике справа, итоговый диапазон календарного года довольно узок. Если кривая значительно различается как вверх, так и вниз, один диапазон дат по радиоуглероду может давать два или более отдельных диапазона календарных лет. Пример t2красный цвет на графике показывает такую ​​ситуацию: радиоуглеродный возрастной диапазон от примерно 1260 до 1280 лет назад превращается в три отдельных диапазона между примерно 1190 и 1260 лет назад. Третья возможность состоит в том, что кривая является плоской для некоторого диапазона календарных дат; в этом случае, как показано на t3(зеленый цвет на графике), диапазон около 30 радиоуглеродных лет, от 1180 до 1210 лет назад, дает диапазон календарного года около века, от 1080 до 1180 лет назад.[9]

Вероятностные методы

Описанный выше метод получения диапазона календарного года зависит исключительно от положения точек пересечения на графике. Они считаются границами 68% доверительного диапазона или одного стандартного отклонения. Однако в этом методе не используется предположение, что исходный возрастной диапазон радиоуглерода является нормально распределенной переменной: не все даты в возрастном диапазоне радиоуглерода одинаково вероятны, и поэтому не все даты в результирующем возрасте календарного года одинаково вероятны. Получение диапазона календарного года с помощью перехватов не учитывает это.[9]

Выход CALIB для входных значений 1260–1280 BP с использованием кривой INTCAL13 для северного полушария

Альтернатива - взять исходное нормальное распределение возрастных диапазонов радиоуглерода и использовать его для создания гистограмма показывает относительные вероятности для календарных возрастов. Это должно выполняться численными методами, а не формулой, поскольку калибровочная кривая не может быть описана как формула.[9] Программы для выполнения этих расчетов включают OxCal и CALIB. К ним можно получить доступ в Интернете; они позволяют пользователю ввести диапазон дат с достоверностью одного стандартного отклонения для возраста радиоуглерода, выбрать калибровочную кривую и произвести вероятностные выходные данные как в виде табличных данных, так и в графической форме.[13][14]

В примере выходных данных CALIB, показанных слева, входные данные составляют 1270 лет назад, со стандартным отклонением 10 лет радиоуглеродного анализа. Выбранная кривая - это кривая INTCAL13 для северного полушария, часть которой отображается в выходных данных; вертикальная ширина кривой соответствует ширине стандартной ошибки калибровочной кривой в этой точке. Слева показано нормальное распределение; это исходные данные в радиоуглеродных годах. Центральная более темная часть нормальной кривой - это диапазон в пределах одного стандартного отклонения от среднего; более светлая серая область показывает диапазон в пределах двух стандартных отклонений от среднего. Вывод по нижней оси; это тримодальный график с пиками примерно в 710, 740 и 760 годах нашей эры. Опять же, диапазоны в пределах доверительного диапазона 1σ выделены темно-серым цветом, а диапазоны доверительного диапазона 2σ - светло-серым. Эти выходные данные можно сравнить с выходными данными метода перехвата на графике выше для того же диапазона дат радиоуглерода.[14]

Для набора образцов с известной последовательностью и разделением во времени, такого как последовательность годичных колец, радиоуглеродный возраст образцов формирует небольшую часть калибровочной кривой. Полученную кривую затем можно сопоставить с фактической калибровочной кривой, определив, где в диапазоне, предложенном датами радиоуглеродного анализа, колебания калибровочной кривой наилучшим образом соответствуют колебаниям кривой дат отбора проб. Этот метод «совмещения покачиваний» может привести к более точному датированию, чем это возможно с отдельными радиоуглеродными датами.[15] Поскольку точки данных на калибровочной кривой разнесены на пять или более лет, и поскольку для сопоставления требуется не менее пяти точек, для этого совпадения должен быть не менее 25-летний период данных годичных колец (или аналогичных). возможный. Сопоставление с покачиванием может использоваться в местах, где есть плато на калибровочной кривой, и, следовательно, может обеспечить гораздо более точную дату, чем методы пересечения или вероятностные методы.[16] Техника не ограничивается годичными кольцами; например, стратифицированный тефра Последовательность в Новой Зеландии, которая, как известно, возникла еще до колонизации островов людьми, была датирована 1314 г. н.э. ± 12 лет путем сопоставления колебаний.[17]

Когда несколько радиоуглеродных дат получают для образцов, которые, как известно или предположительно, принадлежат одному и тому же объекту, можно объединить измерения, чтобы получить более точную дату. Если только образцы не одного возраста (например, если они оба были физически взяты из одного объекта), необходимо применить статистический тест, чтобы определить, происходят ли даты от одного и того же объекта. Это делается путем вычисления объединенного члена ошибки для дат радиоуглеродного анализа для рассматриваемых образцов, а затем вычисления объединенного среднего возраста. Затем можно применить Т-тест чтобы определить, имеют ли образцы одинаковое истинное среднее значение. Как только это будет сделано, ошибка для объединенного среднего возраста может быть рассчитана, что даст окончательный ответ для одной даты и диапазона с более узким распределением вероятностей (то есть большей точностью) в результате объединенных измерений.[18]

Байесовские статистические методы может применяться, когда необходимо откалибровать несколько радиоуглеродных дат. Например, если серия радиоуглеродных дат берется с разных уровней в данной стратиграфической последовательности, байесовский анализ может помочь определить, следует ли отбрасывать некоторые из дат как аномалии, и может использовать эту информацию для улучшения выходных распределений вероятностей.[15]

Рекомендации

  1. ^ Тейлор (1987), стр. 133.
  2. ^ а б c Эйткен (1990), стр. 66–67.
  3. ^ Enk, J .; Деволт, А .; Debruyne, R .; King, C.E .; Treangen, T .; O'Rourke, D .; Зальцберг, С. Л. л; Фишер, Д .; MacPhee, R .; Пойнар, Х. (2011). «Полный митогеном колумбийского мамонта предполагает скрещивание с шерстистыми мамонтами». Геномная биология. 12 (5): R51. Дои:10.1186 / gb-2011-12-5-r51. ЧВК  3219973. PMID  21627792.
  4. ^ П. Семаль; А. Хаузер; Х. Ружье; I. Crevecoeur; М. Жермонпре; С. Пирсон; П. Хезартс; C. Jungels; D. Flas; М. Туссен; Б. Мориль; Х. Бочеренс; Т. Хайэм; Й. ван дер Пфлихт (2013). «Радиоуглеродное датирование человеческих останков и связанных с ними археологических материалов». Anthropologica et Præhistorica. 123/2012: 331–356.
  5. ^ а б Reimer, Paula J .; и другие. (2013). «Калибровочные кривые возраста радиоуглерода IntCal13 и Marine13 0–50 000 лет, кал.. Радиоуглерод. 55 (4): 1869–1887. Дои:10.2458 / azu_js_rc.55.16947.
  6. ^ Тейлор (1987), стр. 19–21.
  7. ^ а б Боуман (1995), стр. 16–20.
  8. ^ а б Suess (1970), стр. 303.
  9. ^ а б c d Боуман (1995), стр. 43–49.
  10. ^ Реймер, Паула Дж (2020). «Калибровочная кривая радиоуглеродного возраста в Северном полушарии IntCal20 (0–55 кал. КБП)». Радиоуглерод. 62 (4): 725–757. Дои:10.1017 / RDC.2020.41.
  11. ^ Стювер, М .; Бразиунас, Т.Ф. (1993). «Моделирование атмосферного 14
    C     влияет и 14
    C     возраст морских образцов до 10 000 лет до нашей эры »    . Радиоуглерод. 35 (1): 137–189. Дои:10.1017 / S0033822200013874.
  12. ^ а б Эйткен (1990), стр. 101.
  13. ^ «OxCal». Оксфордский ускоритель радиоактивного углерода. Оксфордский университет. 23 мая 2014 г.. Получено 26 июн 2014.
  14. ^ а б Стювер, М .; Реймер, П.Дж. Реймер; Реймер, Р. (2013). "Калибровка радиоуглерода CALIB". Программа калибровки CALIB 14C. Королевский университет, Белфаст. Получено 26 июн 2014.
  15. ^ а б Уокер (2005), стр. 35–37.
  16. ^ Эйткен (1990), стр. 103-105.
  17. ^ Уокер (2005), стр. 207-209.
  18. ^ Гиллеспи (1986), стр. 30-32.

Библиография

  • Эйткен, М.Дж. (1990). Научные знакомства в археологии. Лондон: Лонгман. ISBN  978-0-582-49309-4.
  • Боуман, Шеридан (1995) [1990]. Радиоуглеродные знакомства. Лондон: Издательство Британского музея. ISBN  978-0-7141-2047-8.
  • Гиллеспи, Ричард (1986) [с исправлениями из оригинального издания 1984 года]. Справочник пользователя радиоуглерода. Оксфорд: Комитет археологии Оксфордского университета. ISBN  978-0-947816-03-2.
  • Suess, H.E. (1970). «Калибровка радиоуглеродной шкалы времени с 5200 г. до н.э. по настоящее время». В Olsson, Ingrid U. (ред.). Радиоуглеродные вариации и абсолютная хронология. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. С. 303–311.
  • Тейлор, Р. (1987). Радиоуглеродные знакомства. Лондон: Academic Press. ISBN  978-0-12-433663-6.
  • Уокер, Майк (2005). Методы четвертичного датирования (PDF). Чичестер: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-86927-7. Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-07-14. Получено 2014-07-26.