Введение к работе
Актуальность темы. Большую роль для исследования и установления закономерностей развития природных процессов и их прогнозов в настоящее время играют материалы об этих процессах в прошлом, получаемые по данным радкоизотопных анализов. В последние годы изотопные методы широко используются з решении многих экологических вопросов поведения природной среды в прошлом. Среди изотопных методов, позволяющих восстанавливать характер и численные параметры динамики прнродкыг процессов, радиоуглеродный метод, ввиду его широкого внедра-ния з практику исследований, является одним из наиболеэ информативных. Изучение закономерностей распределения і4С з природных образцах в прошлом и процессов, ответственных за изменения концентрации С ( <» С), дает воэмо.чность вм-дапить воздействие отдельных факторов, учесть планзтарныэ, региональные и локальные особенности,
С 1965 г, по сформулированной академиком Б.П.Констг.4-ткновьм и профессором Г.ЕаКочаровыа общесоюзной комплексной программе "Астрофизические лвлеїтя и радиоуглерод" „ проводится исследование циклической и вспыпгачноЯ активности Солнца,, вспыиек сверхновых звезд, монотонных вариаций п инверсий геомагнитного поля и т.д. Представляет особый интерес установление точных дат а изучение событий в прошлом, характеризующихся резкими колебаниями концентрации С на сравнительно короткій интервалах времени. Такие эпизода ио-> гут служить реперами для установления точных временных интервалов того или иного события.
В зависимости от источников вариаций С, изменения концентрации радиоуглерода по амплитуде колеблются от доган процента до десятков процентов. Для изучения малых вариаций /і» С требуется перейти к точности измерений от ~ процента к малым долям процента. Достигнутая точность изиерзняй ( *- 0,5) ее не позволяет однозначно репать поетавлвкіїуз задачу, т.к. не учитываются факторы, присуще сэмой методике измерений и вллпязле на ее достоверность.
К настоящему времени установлен ряд закономерностей мэкекекия содержания С на примерно 8000 летней шкале» Однако„ для изучения явлений, несущих важную информацию о глобальных природных процессах и существенно влияющих на возможность расширения точной возрастной границы радиоуглеродного метода для геоэкологических и геохронологических задач, особый интерес представляет интервал времени более 8 тыс. лет. Поэтому, комплексный подход к экспериментальному изучению всевозможных параметров, искажающих результати измерений, оптимизации элементов установок и к повышению достоверности изучения содержания 1 С и других радиоизотопов в природных образцах, основанный с одной стороны на повышении точности измерения С, а с другой стороны на выявлении и изучении возрастных интервалов, содержащих крупные вариации в более далеком прошлом, является актуальной задачей.
Следует отметить, что интервал времени —> 10 тыс. лет от современности характеризуется сложным поведением природных процессовз перестройка климатических зон ov ледникового к послеледниковому периоду (что могло вызвать значительное изменение скоростей обмена углеродом между различными обменными резервуарами), изменчивость хода напряженности магнитного поля Земли, колебание вулканической активности и т<,д„
Остаются актуальными и некоторые прикладные задачи, которые можно решить путем изучения содержания "С в природных образцах2 исследование цикла обмена * С, обусловленного как антропогенными, так и природными факторами, скорость торфообразования в различных регионах страны, прогнозирование климатического хода и т.д.
Цель и задачи работы. Целью работы явилось изучение Природных процессов в прошлом путем высокоточного определения концентрации радиоуглерода в атмосфере Земли. Поставленная цель достигается последовательным решением основных задач, включающих повышение чувствительности, точности н достоверности регистрации1 С; выявление и исследование возрастных интервалов, содержащих заметные вариации радиоуглерода.
Методика исследований. Для решения поставленных задач потребовалось: выполнение исследований по обосновании основных факторов, влияющих на достоверность определения содержания С в природных образцах; разработка методики,, создание и усовершенствование аппаратуры для высокоточного определения концентрации радиоуглерода; оптимизация процесса измерения и обработки результатов; обоснование методики выявления крупных вариаций С в далеком проалом, превышающим возрастной интервал калибровочной кривой; проведение меяиабораторного контроля по датированию образцов. В результате автором создан комплексный подход, учитывающий влияние на достоверность определения * С факторов„ как присущих физическим основам радиоуглеродного метода, тая и факторов, обусловленных всеми стадиями его регистрации.
Научная новизна работы. Разработан и внедрен физический и методический подход к изучению вариаций * С в природных образцах. В основе этого подхода лежат исследования причино вызывающих вариации в определении концентрации радиоуглерода, разработка методики и аппаратуры для пысозо-точного счета * С, обоснование методики выявления крупных вариаций * С в далеком прошлом, создание стандартных образцов радиоуглерода, проведение экспериментов и анализ полученных данных в связи с изучаемыми природными процессами
1. Для получения физических результатов;
- впервые в СССР создан комплекс технических средств
для высокоточного определения концентрации С э образцах,
включающий установку с дискриминацией импульсов по дли
тельности сцинтилляций на одном ФЭУ и установку для одно
временного счета радиоуглерода в нескольких образцах, пра
ктически полностью исключающую влияние аппаратурных помех
и флуктуации фонового излучешія;
проведены на ЭВМ расчеты по оптимизации пронесся* измерения и обработки результатов;
предложена и обоснована методика выявления крупют вариаций С в далеком прошлом;
созданы и аттестованы стандарты активности углерода.
2. В результате выполненных исследований по выявлении
вариаций радиоуглерода:
- впервые выявлены неизвестные ранее крупные вариации
лі в кольцах древесины в интервале более 10 тысяч лет на
зад - получено импульсное возрастание космогенного изотопа
в атмосфере Земли и обнаружены крупные изменения в ходе
впервые выявлены вариации С при детальном радиоуглеродном и палинологическом изучении объектов, отражающих резкие климатические изменения. Полученные данные для интервала времени низкой напряженности геомагнитного поля, свидетельствуют в пользу кратковременных инверсий магнитного поля Земли в это время;
получен ход геомагнитного момента на шкале 25 тыс. дет: определены период, амплитуда и форма колебаний.
3. На основе полученных результатов по определению %;„ в природных объектах решен ряд геоэкологических, гво-хронологических и др. задач:
обоснована геохронологическая шкала после- и поэдне-ледникового времени Средней Прибалтики;
установлена скорость накопления торфа на территории Латвийской ССР;
проведена и обоснована корреляция палеогеографических событий позднего плейстоцена и голоцена по приморским районам и шельфу Арктики;
определен возраст четвертичных отложений из различных районов окраинных морей СССР с целью создания основы стратиграфических схем в районах инженерно-геологических исследований на нефть и газ.
Научная и практическая ценность и внедрение результатов. Проведенные исследования позволили выявить ряд закономерностей регистрации низкоэнергетических радиоизотопов, разработать и создать комплекс технических средств для регистрации лЗ, который рекомендован к внедрению в радиоуглеродных лабораториях и может быть применен при высокоточной регистрации других низкоактивных радиоизотопов при значительном сокращении времени измерения. Ряд
7 разработок (методика, аппаратура, стандартные образцы) внедрены в различные научно-исследовательские организации СССР.
Выявленные вариации С в атмосфере Земли и установленные причины, вызывающие эти изменения, такие как вспышки сверхновых, солнечная активность, инверсии магнитного поля Земли, тлеют важное значение для геофизики, физики Солнца и космических лучей.
Разработанная методика и аппаратура, полученные практические результаты наши применение в решении задач комплексной проблемы "Астрофизические явления и радиоуглерод" .
Проведенные исследования по изучению концентрации С в кольцах древесины в интервале более 10 тысяч лет назад и в торфяниках голоценового возраста имеют практическую ценность для уточнения радиоуглеродных датировок из соответствующих возрастных интервалов.
Исследование содержания С в изучении -" 400- угле-родсодержащих образцов позволило выявить абсолютную хронологию территории Латвийской ССР, схема которой внедрена в производственных организациях республики; установить возраст интервалов изменения климата и растительности позднв-четвертичных отложений внутренней окраины шельфовой зоны; обосновать возрастные интервалы для внедренных в производственных организациях стратиграфических схем верхнего плейстоцена и голоцена.в районах инженерно-геологических исследований на континентальном шельфе;' изучить скорость накопления торфа, являющегося топливным и минеральным сырьеы на территории Латвии.
Материалы многих исследований нашли отражение з ряде монографических и научных публикаций и обзорных статей.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исс
ледований основных факторов, влияющих на достоверность оп
ределения концентрации С в природных образцах.
2, Разработанная методика и созданный комплекс аппа
ратуры и стандартных образцов для высокоточного изиерения
8 радиоуглерода.
-
Выявленные вариации концентрации С в образцах древесины и торфяников и интерпретация их причин.
-
Результаты применения радиоуглеродного метода в геофизических и геоэкологических исследованиях.
Степень обоснованности экспериментальных результатов. Достоверность результатов экспериментальных данных по предложенным методикам измерений на разработанной аппаратуре подтверждается данными автора работы и других исследователей , полученными в результате регулярно проводимых контрольных межлабораторных имерений, а также обуславливается метрологическим обеспечением всей технологической схемы процесса выделения и счета С. Предлагаемая методика выявления вариаций радиоуглерода в прошлом подтверждается ее проверкой во временном интервале, охваченном денд-рохронологическими исследованиями.
Исходный материал и личный вклад. В диссертации использованы следующие материалы:
-
Углеродсодержащие образцы (более 500) из различных регионов СССР и результаты лабораторных анализов, полученные непосредственно диссертантом или под его руководством.
-
Отчеты тематических исследований, методические и технические разработки, выполненные при непосредственном участии или под научным руководством диссертанта.
-
Все результаты работы получены диссертантом лично при обобщении аналитических материалов. Опубликованные в соавторстве статьи, написаны по аналитическим материалам диссертанта, который лично участвовал в их интерпретации ш разработке концептуальных решений.
Автор данной работы считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителе общесоюзной комплексной проблемы "Астрофизические явления и радиоуглерод* профессору Г.Е.Кочарову, своим коллегам по работе кандидатам геолого-минералогических наук А.С.Савваитову и В.Я.Стелле, которые на разных этапах принимали участие в обсуаденни работы, доктору физико-математических наук В.А.Дергачеву и А.А.Кристину» Э.И.Преде за практически помощь в решении ряда вопросов.
Апробация работы. Основной материал диссертации опубликован и 60 статьях, изложен в b научных отчётах. Основные аспекты проведённых исследований докладывались и обсуждались на Первой Всессюзной научно-технической конференции по метрологии и технике точных измерений (Свердловск, 1968), на Всесоюзном совещании по проблеме "Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере Земли и радиоуглеродное датирование" (Вильнюс, 1971), Втором Всесоюзном совещании по дендрохронологии (Каунас, 1972), на региональных совещаниях но применению изотопно-геохимических методов в Прибалтике и Белоруссии (Таллин, 1972, 1987; Рига, 1974, 1084; Вильнюс, 1979), Всесоюзном методическом симпозиуме "Состояние методических исследований в области абсолютной геохронологии" (Москва, 1972), Всесоюзных совещаниях по проблеме "Астрофизические явления и радиоуглерод" (Тбилиси, 1973, 1976, 1987), XI Ленинградском семинаре по космофизике (Ленинград, 1979), Всесоюзной школе-семинаре "Методы изотопной геологии" (Звенигород, 1983, 1987), Всесоюзной школе им. Б.По Константинопа по радиоуглероду (Паланга, 1986), Всесоюэнои совещании по геохронологии четвертичного периода (Москва^ 1985).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и перспектив исследований. Работа содержит 295страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 47 таблиц, список литературы из 380 наименований и 6 приложений, характеризующих уровень ряда разработок и их внедрение.
