Is it possible to evaluate the radiocarbon dating results validity?
Turin A. M.
1. Составляющие достоверности результатов физических методов исследования
Радиоуглеродное датирование является классическим физическим методом исследования. В связи с этим представляется вполне корректным рассмотрение возможных способов оценки достоверности его результатов в сопоставлении с практикой полевых геофизических исследований, выполняемых при поиске и разведке месторождений нефти и газа.
Достоверность результатов физических методов исследования складывается из трех составляющих:
- точности измерения физических величин, на основе которых оцениваются прогнозируемые параметры;
- погрешности оценки прогнозируемых параметров;
- погрешности прогнозов.
Для геофизических методов исследования - это точность измерения естественных или искусственных геофизических полей, общая погрешность трансформации полученных значений при введении в них различных поправок и выделении сигнала, а также погрешность оцененных по выделенным сигналам геологических характеристик изучаемых объектов. Погрешность прогнозов оценивается по результатам бурения. При наличии определенной статистической базы (данных бурения) оценка погрешности прогнозов конкретного геофизического метода исследования затруднений, как правило, не вызывает. Иногда удается оценить и вклад в нее отдельных факторов [14].
Для радиоуглеродного датирования точность измерения содержания радиоуглерода в образцах составляет от 0,1 до 1,0 %, погрешность оценки возраста образцов - от 70 до 300 лет [3]. Прямая экспериментальная оценка погрешности прогнозов метода принципиально невозможна. Последнее является его фундаментальной особенностью. Таким образом, оценка достоверности результатов радиоуглеродного датирования может быть выполнена только "косвенными" способами.
2. Оценка степени соответствия результатов метода моделям изучаемого объекта
В этом способе имеются два принципиально разных варианта, обусловленных особенностями построения модели изучаемого объекта. Модель может быть построена по комплексу данных с учетом результатов оцениваемого метода или независимо от них.
Геолого-геофизическая модель одной из нефтегазоперспективных площадей [11] построена нами с использованием компьютеризированной экспертной системы [7]. В модель интегрированы результаты бурения, сейсморазведки, гравиразведки и электроразведки. Одновременно с построением модели оценены возможности и ограничения отдельных геофизических методов исследования в конкретных геолого-геофизических условиях [8, 9], а также уточнены возможности экспертной системы [10]. То есть оценка достоверности результатов каждого из геофизических методов была выполнена уже на стадии построения модели. Отметим, что этот метод оценки достоверности применим только в том случае, если из комплекса данных, на основе которых построена модель, удается выделить массив относительно независимых параметров, характеризующих оцениваемый метод исследования.
В целом это высокоэффективный способ оценки достоверности результатов геофизических методов исследования. Но в нашем конкретном случае [11] удалось увидеть и его недостатки. Дело в том, что выполненный нами прогноз по наиболее интересным, с методической точки зрения, параметрам бурением не подтвердился. Причиной погрешности прогноза было допущение о конформности геометрии одного из геофизических реперов, разделяющих осадочные отложения с разными плотностными и акустическими характеристиками, и кровли нефтеносной толщи. Это допущение оказалось неверным. Напомним, что подобного прямого экспериментального способа выявления некорректных допущений в радиоуглеродном датировании нет. Отметим и то, что наше допущение базировалось на фактических данных (результатах бурения), имеющихся на время выполнения прогноза.
Можно выделить два класса моделей, построенных, в том числе и на основе результатов радиоуглеродного датирования. Первый включает своеобразные симбиозы его калибровочных кривых и дендрошкал. Второй – региональные и глобальные модели прошлого Человечества. Большинство моделей первого и второго классов имеют одну общую особенность. Так, региональные дендрошкалы построены с учетом результатов радиоуглеродного датирования, а его калибровочная кривая построена на основе дендрошкал [1], а, например, при построении (1950-90-е годы) региональной модели ""скифские" курганы Саяно-Алтая" [5] произошло слияние в единое целое археологических, радиоуглеродных и дендрохронологических методов исследования, дополняющих и корректирующих друг друга. Причем, это слияние произошло уже на стадии отработки методик радиоуглеродного и дендрохронологического датирования. Таким образом, из большинства моделей первого класса и, по крайней мере, части моделей второго класса выделить результаты радиоуглеродного датирования, как независимый массив параметров не представляется возможным. Следовательно, и возможности оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования рассматриваемым способом ограничены.
Оценка достоверности результатов новых или модернизированных методов исследования на основе степени их соответствия имеющимся моделям изучаемых объектов применяется при поиске и разведке месторождений нефти и газа довольно широко. При такой оценке корректно только позитивное заключение. Негативное же заключение – "результаты нового (или модернизированного) метода имеющейся модели не соответствуют", является веским основанием для постановки вопроса о выявлении причин этого несоответствия. Они могут быть или (и) в методе, или (и) в имеющейся модели.
Первые результаты радиоуглеродного датирования, в целом, хорошо соответствовали общепринятой в науке История модели прошлого Человечества. Модели прошлого Человечества, принятой в Христианской Церкви, они соответствуют не в полной мере (пример – калибровочная кривая продолжена за пределы момента сотворения Мира), а строящейся в последние годы модели под условным названием "Новая Хронология" – не соответствуют. На этом примере можно показать и особенность применения рассматриваемого способа оценки. Если Исследователь, не являющийся адептом ни одной из известных сегодня моделей прошлого Человечества, захочет оценить достоверность результатов радиоуглеродного датирования рассматриваемым способом, то ему придется оценивать сами модели. Отдав предпочтение одной из них, он автоматически примет и имеющуюся в ней оценку результатов радиоуглеродного датирования.
В другом примере удалось выделить относительно независимый массив данных радиоуглеродного датирования, характеризующих ограниченную во времени и пространстве историческую модель. В Циркумпонтийском регионе в прошлом сложилась система тесно взаимосвязанных горно-металлургических и металлообрабатывающих центров. В ее развитии выделены медный, и бронзовый века, а в последнем - ранний, средний и поздний периоды. Е. Н. Черных [17] обобщил результаты радиоуглеродного датирования, которыми охвачен период немногим более 5 тыс. лет - примерно от 6100 до 900 г. до н. э., и сгруппировал их по эпохам. В результате такой вполне корректной операции получено следующее. Между компактно сгруппированными датировками медного и раннего периода бронзового веков возник "разрыв" почти в пять столетий, датировки раннего и среднего периодов бронзового века практически "наложились" друг на друга, а датировки среднего и позднего периодов бронзового века "наложились" частично. Таким образом, корректно обработанная большая серия радиоуглеродных датировок, характеризующих единый объект – Циркумпонтийский горно-металлургический и металлообрабатывающий регион, фактически отрицает ранее существующие представления о нем как о целостной системе. В этом примере показано несоответствие результатов радиоуглеродного датирования и существующей модели охарактеризованного ими объекта.
3. Оценка достоверности результатов метода на основе прямой экспериментальной проверки результатов моделирования
Модели нефтегазоперспективных объектов являются основанием для заложения поисковых и разведочных скважин. Если модели подтверждаются бурением удовлетворительно, то делается заключение о том, что все учтенные при их построении результаты геофизических методов исследования имеют удовлетворительную достоверность. Если подтверждаемость моделей неудовлетворительная, то разрабатываются мероприятия по повышению достоверности результатов применяемых геофизических методов исследования.
В статье В.А. Дергачева [1] описана модель солнечной активности и состояния климата в прошлом. Модель построена с учетом результатов радиоуглеродного датирования и имеет прогностические возможности. Вывод автора: в ближайшие несколько столетий резких изменений климата не прогнозируется. Ясно, что прямая экспериментальная проверка прогностических способностей модели, построенной с учетом результатов радиоуглеродного датирования, сегодня, практически невозможна.
Применение этого способа оценки результатов радиоуглеродного датирования практически невозможно.
4. Оценка состояния метода
Общее состояние метода включает его теоретическую базу, физические основы, техническое обеспечение, практику применения, отношение потребителей к выдаваемым результатам и др. На первый взгляд может показаться, что оценка общего состояния радиоуглеродного датирования является чисто технической задачей. Но, по мнению автора, это совсем не так. Как оценить состояние метода пока не понятно. Исходя из этого, здесь обозначим только несколько моментов.
1. "Студенческий" путь - последовательное и системное изучение теоретической базы и физических основ метода - является самым бесперспективным для выполнения общей оценки его состояния, так как трудно увидеть пороки системы, находясь внутри нее.
2. Потребители результатов радиоуглеродного датирования (историки, археологи, геофизики) уже интегрировали их в свои модели. Возможные сомнения потребителей в высокой достоверности датирования будут автоматически означать и сомнения в достоверности их моделей.
3. Такие характеристики метода радиоуглеродного датирования, как сложившееся в 1950-70-е годы мировое радиоуглеродное сообщество, с возможно осознанными его членами корпоративными интересами, и стремление радиоуглеродных лабораторий унифицировать и стандартизировать измерения [3] следует рассматривать как факторы, снижающие возможность объективной оценки достоверности его результатов.
4. Имеет смысл "просканировать" теоретическое и физическое обоснование метода радиоуглеродного датирования по факторам, влияющим на достоверность его результатов. К таким факторам можно отнести "дегазацию Земли", "вариации 13С", "фракционирование изотопов при фотосинтезе", ""жизнь" 14С после консервации", "фотосинтез". Такой подход потребует включение в рассмотрение новых данных, полученных при выполнении различных естественнонаучных исследований. Имеется вероятность, что среди них будут и данные, не в полной мере соответствующие представлениям, принятым в радиоуглеродном сообществе.
5. Оценка достоверности исходных данных, на которых базируется метод
В геофизических методах исследования это, прежде всего, оценка степени соответствия наблюденных геофизических полей изучаемым геологическим объектам и точность расчета различных поправок. В радиоуглеродном датировании это оценка степени соответствия изучаемого образца состоянию на момент консервации в нем изотопов углерода и точность расчета различных поправок. Калибровочную кривую можно рассматривать как способ введения рассчитанных поправок.
На рисунках в статьях [2, 17] показаны кривые колебания ширины годичных колец деревьев, которые выстроены друг над другом по принципу наилучшего соответствия. Это - исходные данные для построения дендрошкал. Оценить степень соответствия кривых друг другу на основе опыта интерпретации геолого-геофизических данных можно жаргонным термином "корреляция параметров, в целом, плохая". Относительно хорошо коррелируются между собой экстремальные значения ширины колец. Считается, что эти экстремальные значения обусловлены особенностями погодных условий, синхронно влияющих в регионе на ширину колец деревьев. Но этому явлению можно дать и другое объяснение, связанное с периодичностью дегазации глубоких горизонтов Земли. В периоды активной дегазации в почву поступают большие объемы глубинных газов, которые либо угнетают, либо стимулируют рост деревьев. Между тем известно, что тектонические напряжения, обуславливающие колебания уровня дегазации, в соседних регионах могут быть синхронными, асинхронными или связанными между собой определенными причинно-следственными связями. Этот фактор вполне может внести искажения как в имеющиеся дендрошкалы, так и в зависимые от них калибровочные кривые. Следует отметить, что негативное влияние этого фактора не "вылавливается" повторной компьютерной обработкой данных, на основе которых была построена дендрошкала.
Применение этого способа оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования существенно ограничено трудностями моделирования физических, химических и биологических процессов, протекавших в анализируемых образцах с момента консервации в них изотопов углерода.
6. Оценка достоверности результатов метода на основе их сопоставления с независимыми данными
Оценка достоверности результатов геофизических методов исследования на основе их сопоставления друг с другом являются при поиске и разведке месторождений нефти и газа широко распространенной практикой. При заключении о достоверности, в целом, результатов всех сопоставляемых геофизических методов, особое внимание обращается на участки их "рассогласованности". Они могут быть связаны либо с поисковым объектом, либо с объектом-помехой, либо с технологическим браком, допущенным при выполнении полевых работ или обработке полученных материалов.
Пример оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования на основе их сопоставления с независимыми данными приведен в статье В. Левченко [3]. Установлено, что скорость образования в атмосфере 10Be прямо пропорциональна скорости образования 14С. Таким образом, следует ожидать хорошей корреляции вариаций оценок содержания в атмосфере 10Be и 14С. Приведенный в статье пример [3, рис. 9] это подтверждает. Корреляция между кривыми 10Be и 14С (вариации 10Be в атмосфере оценены по керну льдов Гренландии), в целом, хорошая. Исключением является интервал, примерно, охватывающий период от 500 до 800 лет н. э. В его пределах кривые находятся в противофазе. В интервале от 2400 до 1600 лет до н. э. визуально просматриваются регулярные смещения экстремумов одной кривой относительно другой. Кроме того, почему-то сопоставлением 10Be и 14С охвачен интервал только до 1000 года н. э. По аналогии с геофизическими работами обе сопоставляемые кривые в пределах периода от 500 до 750 лет н. э. должны быть проверены на предмет наличия в них поискового объекта, возможно, являющегося в данном случае технологическим браком.
Перед проведением подобной оценки следует достоверно обосновать независимость друг от друга сопоставляемых данных. Так, очевидно, что содержание 10Be во льдах Гренландии полностью независимо от оцененного методом радиоуглеродного датирования содержания 14С в атмосфере. Но совсем не очевидно, что последняя оценка полностью независима от содержания 10Be. Если содержания 10Be во льдах Гренландии были известны на момент построения калибровочной кривой или ее отдельных участков, радиоуглеродное сообщество обязано было принять их во внимание.
Применение этого способа оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования существенно ограничено имеющимися независимыми данными, характеризующими физическое состояние в прошлом атмосферы, гидросферы, биосферы и геологических объектов.
7. Экспертные оценки
Отличительным признаком экспертных оценок является произвольные и глубина проработки рассматриваемого вопроса, и выбор метода оценки. Это являются прерогативой эксперта. В большинстве случаев экспертные оценки выполняются по схеме: выделение факторов, влияющих на достоверность результатов метода, оценка их значимости (формально или экспертно) и формирование результирующей экспертной оценки. Все экспертные оценки можно разделить на два класса - выполняемые без использования компьютеризированных экспертных систем и на их основе. К первому классу относится экспертная оценка результатов радиоуглеродного датирования, выполненная М.М. Постниковым [6]. Его оценка, в целом, корректна, но характеризует начальный этап становления радиоуглеродного датирования [4].
На основе имеющегося у автора опыта, можно сделать вывод о высоких перспективах применения для оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования (включая и результаты исследований по обоснованию метода) компьютеризированных экспертных систем. Наиболее развитые из них [7] объединяют в единый граф обработки как формализованные вычислительные процедуры, так и неформализованные данные, знания и опыт, привносимые в интерпретационный процесс человеком-экспертом. На основе подобных экспертных систем, например, могут быть обработаны результаты:
- изучения фракционирования растениями изотопов углерода;
- изучения изотопного состава углекислого газа атмосферы;
- радиоуглеродного датирования, выполненного при изучении Циркумпонтийского горно-металлургического и металлообрабатывающего региона [17] (тип датируемого образца, охарактеризованный им слой, географическое положение объекта, полученный радиоуглеродный возраст и др.).
При использовании компьютеризированных экспертных систем для оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования можно прогнозировать высокую вероятность получения "неожиданных" результатов.
Имеется еще один способ экспертной оценки – это постановка знака равенства между погрешностью прогнозов и погрешностью оценки прогнозируемых параметров. Причем, часто это делается "по умолчанию". Этот способ лукав и некорректен. В случае применения этого способа к радиоуглеродному датированию получится, что погрешность его прогнозов составляет от 70 до 300 лет.
8. Оценка возможности наличия системной ошибки в обосновании метода
Возможна ли в обосновании радиоуглеродного датирования системная ошибка, выявление и устранение которой приведет к кардинальной трансформации метода? Ответ на этот вопрос можно получить, рассмотрев следующий пример. Считалось, что в гравиразведке имеется развитый и хорошо обоснованный математический аппарат решения прямых и обратных задач, однако оказалось, что он базируется на системной ошибке [15, 16].
Прогноз геологического строения глубоких горизонтов Земли по результатам наблюденного на ее поверхности гравитационного поля является классической некорректно поставленной задачей. Создание приближенных методов ее решения в течение последних десятилетий базировалось на теории линейных некорректных задач, разработанной в трудах А.Н. Тихонова, М.М. Лаврентьева, В.К. Иванова и др. Однако в 2001 году академик РАН В.Н. Страхов (один из главных разработчиков этих методов) признал, что они не адекватны практике гравиразведочных работ [12]. Им же предложен принципиально другой подход к решению прямых и обратных задач гравиразведки, основанный на теории дискретных полей [13]. Таким образом, развиваемый в течение последних десятилетий математический аппарат гравиразведки признан несостоятельным, а новый только формируется.
Автор был свидетелем публичного отречения академика В.Н. Страхова на одной из международных научно-практических конференций (г. Уфа) от своих белее чем 30-ти летних теоретических разработок. Через некоторое время, на другой международной научно-практической конференции (г. Геленджик) автор в приватной беседе попросил прокомментировать эту ситуацию знакомых с ней специалистов. На вопросы: "Как же так, ведь по развитию математического аппарата гравиразведки защищены десятки докторских и сотни кандидатских диссертаций? Так что, изложенные в них результаты некорректны?" было получено лаконичное уточнение: "По развитию идей академика В.Н. Страхова защищены сотни докторских диссертаций и не только в СССР …". Следует отметить, что признанный некорректным математический аппарат в гравиразведке при работах на нефть и газ практически не применялся. Областью его применения являлся прогноз по наблюденному гравитационному полю характеристик глубоких горизонтов земной коры и мантии. Напомним, что это та область, где сегодня невозможна прямая экспериментальная оценка достоверности результатов прогноза. Последнее может являться свидетельством возможности системной ошибки и в обосновании метода радиоуглеродного датирования.
9. Подведение итогов
Рассмотренные в статье способы оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования, строго говоря, не являются взаимонезависимыми. Но мы все же сделали такое допущение и экспертно оценили значимость каждого из них для геофизических методов исследования. Оценили мы и коэффициент применимости каждого способа оценки к результатам радиоуглеродного датирования. При этом принято, что все коэффициенты применимости рассмотренных способов оценки к результатам геофизических методов равны 1,0. Полученные результаты приведены в таблице.
Таблица - Способы оценки достоверности результатов геофизических методов исследования и радиоуглеродного датирования
| Способы оценки достоверности результатов геофизических методов исследования и их значимость (Кз). |
Возможность применения способа к оценке достоверности радиоуглеродного датирования и коэффициент применимости (Кп). |
| 1. Прямая экспериментальная оценка достоверности результатов метода исследования. Кз = 0,84. | Применение способа принципиально невозможно. Кп = 0. |
2. Оценка степени соответствия результатов метода моделям изучаемого объекта, построенных, в том числе, и на их основе. Кз = 0,02. |
Применение способа существенно ограничено. Кп = 0,5. |
| 3. Оценка степени соответствия результатов метода моделям изучаемого объекта, построенным без их учета. Кз = 0,02. | Применение способа ничем не ограничено.Кп = 1,0. |
4. Оценка достоверности результатов метода на основе прямой экспериментальной проверки результатов моделирования. Кз = 0,03. |
Применение способа практически невозможно. Кп = 0. |
| 5. Оценка состояния метода. Кз =0,02. | Применение способа ничем не ограничено. Кп = 1,0. |
| 6. Оценка достоверности исходных данных, на которых базируется рассматриваемый метод. Кз = 0,02. |
Применение способа существенно ограничено. Кп = 0,5. |
7. Оценка достоверности результатов метода на основе их сопоставления с независимыми данными. Кз = 0,02. |
Применение способа существенно ограничено. Кп = 0,5. |
| 8. Экспертная оценка без использования компьютеризированных экспертных систем. Кз = 0,01. |
Применение способа ничем не ограничено. Кп = 1,0. |
| 9. Оценка на основе компьютеризированных экспертных систем. Кз = 0,01. | Применение способа ничем не ограничено. Кп = 1,0. |
| 10. Оценка вероятности системной ошибки в обосновании метода. Кз = 0.01. | Применение способа ничем не ограничено. Кп = 1,0. |
По результатам арифметических расчетов получается, что интегральный коэффициент применимости всех рассмотренных в статье способов к оценке достоверности результатов радиоуглеродного датирования составляет 0,1. Для геофизических методов исследования - 1,0. Это означает, что возможности оценки достоверности результатов радиоуглеродного датирования и возможности оценки результатов геофизического метода исследования соотносятся как 0,1 к 1,0.
Подводя итого обсуждения, ответим на вопрос, сформулированный в заглавии статьи, а также выскажем некоторые общие соображения. Возможна ли оценка достоверности результатов радиоуглеродного датирования? Да. Но имеющиеся для такой оценки средства существенно ограничены. Фундаментальным органическим недостатком радиоуглеродного датирования является принципиальная невозможность применения классического естественнонаучного критерия "прямая экспериментальная оценка погрешности прогнозов" как для оценки погрешностей прогнозов, так и для выявления ограничений применимости метода и некорректных допущений, возможно, сделанных при его обосновании. Этот недостаток радиоуглеродного датирования обусловлен не его особенностями как физического метода исследования, но особенностями области его применения – изучение прошлого Человечества и биосферы. В связи с этим можно ставить вопрос о правомочности отнесения радиоуглеродного датирования к естественнонаучным методам исследования, одной из главных отличительных особенностей которых как раз и является возможность прямой экспериментальной проверки их прогнозов.
Первые результаты знакомства с методом радиоуглеродного датирования вселили в автора глубокий пессимизм относительно перспектив применения естественнонаучных методов для изучения прошлого Человечества. Эти методы, при отсутствии, как правило, возможности прямой экспериментальной оценки достоверности их результатов, по своим ключевым параметрам приближаются к гуманитарным. Вывод однозначен: широкое применение новых естественнонаучных методов исследования для изучения прошлого Человечества в принципе не способно качественно изменить гуманитарную науку История.
Литература
1. Дергачев В. А. Радиоуглеродный хронометр //Природа, 1994, № 1, стр. 3-15. http://fatus.chat.ru/dergache.html