Chọn phương pháp định tuổi phụ thuộc hai câu hỏi: mẫu là vật liệu gì và nó có thể cổ cỡ nào. Chất hữu cơ dưới khoảng 50.000 năm dùng carbon-14; thạch nhũ, san hô tới khoảng 500.000 năm dùng urani–thori; gốm, cát dùng phát quang; đá núi lửa dùng argon–argon hoặc urani–chì.
Người mới tìm hiểu hay nghĩ có một phương pháp “tốt nhất”. Thực tế, mỗi đồng hồ phóng xạ giống một chiếc thước có vạch chia riêng: thước dây đo tốt căn phòng nhưng vô dụng với hạt cát, thước kẹp đo hạt cát rất chuẩn nhưng không đo được căn phòng. Phần dưới xếp các phương pháp theo đúng logic ấy, rồi chỉ cách các nhóm nghiên cứu ghép nhiều đồng hồ để kiểm chéo.
Một lưu ý trước khi đọc bảng: việc lấy mẫu từ di chỉ khảo cổ thuộc về đoàn khai quật có giấy phép của cơ quan quản lý di sản. Phần dưới giúp bạn hiểu lựa chọn của họ khi đọc báo cáo, đọc nhãn bảo tàng, chứ không phải hướng dẫn tự lấy mẫu.
Bảng chọn nhanh theo vật liệu và khoảng tuổi
Bảng gom các phương pháp phổ biến nhất. Khoảng tuổi chỉ là định hướng; mẫu tốt hay xấu có thể đẩy giới hạn lên hoặc xuống.
| Phương pháp | Vật liệu | Khoảng tuổi thường dùng | Sự kiện được đo |
|---|---|---|---|
| Carbon-14 | than, gỗ, hạt, xương, vải, vỏ | vài trăm tới khoảng 50.000 năm | sinh vật ngừng trao đổi carbon |
| Urani–thori | thạch nhũ, san hô, lớp vôi phủ trên xương, tranh hang | vài trăm tới khoảng 500.000 năm | khoáng carbonat kết tinh |
| Phát quang TL | gốm, đất nung, bếp, đá lửa bị đốt | vài trăm tới vài trăm nghìn năm | lần nung nóng cuối |
| Phát quang OSL | cát, phù sa, trầm tích hang | vài chục tới vài trăm nghìn năm | lần phơi sáng cuối trước khi bị vùi |
| Argon–argon | đá núi lửa, tro núi lửa | vài chục nghìn tới hàng tỷ năm | đá nguội và kết tinh |
| Urani–chì | zircon và một số khoáng khác | khoảng một triệu tới hơn bốn tỷ năm | khoáng vật kết tinh |
| Cộng hưởng spin điện tử (ESR) | men răng động vật, thạch anh | vài chục nghìn tới vài triệu năm | tích luỹ liều phóng xạ, tương tự phát quang |
Nhìn bảng sẽ thấy các khoảng chồng lên nhau. Chính phần chồng này cho phép đo cùng một lớp bằng hai đồng hồ khác nhau để kiểm tra nhau.
Urani–thori: đồng hồ của hang động và rạn san hô
Urani hoà tan trong nước, còn thori gần như không. Khi nước thấm qua đá vôi rồi nhỏ giọt tạo thạch nhũ, hoặc khi san hô xây bộ xương từ nước biển, khoáng carbonat mới kết tinh mang theo urani nhưng gần như không có thori. Urani-234 sau đó phân rã dần thành thori-230, và tỷ lệ giữa hai chất tăng theo thời gian cho tới khi đạt cân bằng sau khoảng nửa triệu năm.
Phương pháp này đặc biệt có giá trị ở vùng núi đá vôi như miền Bắc Việt Nam, nơi có rất nhiều hang động. Một lớp thạch nhũ phủ lên trên công cụ đá hay xương động vật cho biết tuổi trẻ nhất có thể của hiện vật bên dưới; một lớp nằm dưới cho tuổi cổ nhất. Trên thế giới, urani–thori cũng được dùng để định tuổi lớp vôi mỏng phủ trên tranh hang động, đặt mốc tối thiểu cho tranh.
Điểm yếu lớn nhất là thori lẫn vào từ bùn đất. Nếu thạch nhũ bẩn, chứa nhiều hạt sét, một phần thori đã có sẵn từ đầu và tuổi sẽ già hơn thật. Phòng thí nghiệm đo thêm đồng vị thori-232 để ước lượng và hiệu chỉnh phần lẫn này.
Cách chọn: đi từ câu hỏi, không đi từ phương pháp
Các nhóm nghiên cứu có kinh nghiệm không bắt đầu bằng câu “dùng carbon-14 hay phát quang”, mà bằng câu “mình muốn biết thời điểm của sự kiện gì”.
Bước một: xác định sự kiện cần định tuổi
Lần cư trú, lần chôn cất, lần phun trào, lần lắng đọng trầm tích là những sự kiện khác nhau. Một mảnh gốm có thể cho tuổi lúc nung bằng phát quang, nhưng muốn biết lúc người ta vứt nó vào hố rác thì nên đo hạt cháy trong cùng hố bằng carbon-14.
Bước hai: ước lượng sơ bộ độ cổ
Địa tầng, kiểu công cụ, hoá thạch động vật đi kèm cho phép đoán bậc tuổi: vài nghìn, vài chục nghìn hay vài triệu năm. Gửi một mẫu than mà thực tế lớp ấy cổ hơn trăm nghìn năm sẽ chỉ nhận về kết quả “lớn hơn giới hạn”, tốn công và kinh phí.
Bước ba: xem có vật liệu gì trong tay
Di chỉ ngoài trời ở đồng bằng nóng ẩm có thể không còn xương, chỉ còn gốm và đất; di chỉ hang động có thể còn than, vỏ ốc, thạch nhũ và trầm tích. Danh sách vật liệu quyết định danh sách đồng hồ khả dụng.
Bước bốn: chọn ít nhất hai cách nếu có thể
Khi hai phương pháp độc lập cho cùng một khoảng tuổi, độ tin cậy tăng hẳn. Khi chúng lệch nhau, sự lệch ấy thường chỉ ra một vấn đề về mẫu hay về địa tầng mà một phương pháp đơn lẻ không bộc lộ.
Một di chỉ hang động có thể được định tuổi ra sao?
Hãy hình dung một hang đá vôi có ba lớp trầm tích. Lớp trên cùng có than bếp, xương động vật, vỏ ốc và vài mảnh gốm. Lớp giữa có công cụ đá ghè, ít than. Lớp dưới cùng chỉ còn cát sét và vài răng động vật, nằm trên một nền thạch nhũ.
Lớp trên có thể đo carbon-14 trên than và hạt cháy, đối chiếu thêm vỏ ốc nhưng phải tính tới hiệu ứng nước cứng, còn gốm đo bằng phát quang nhiệt để kiểm chéo. Lớp giữa, nếu than quá ít hoặc sát giới hạn 50.000 năm, sẽ dựa vào OSL trên trầm tích. Lớp dưới dùng ESR trên men răng động vật và urani–thori trên nền thạch nhũ để đặt mốc cổ nhất. Mọi kết quả sau đó được đặt vào một mô hình thống kê theo thứ tự lớp, nguyên tắc lớp dưới không thể trẻ hơn lớp trên giúp thu hẹp khoảng tuổi của từng lớp.
Đây là ví dụ minh hoạ cách nghĩ, không phải mô tả một di chỉ cụ thể. Nó cho thấy vì sao các báo cáo khảo cổ nghiêm túc thường có cả một bảng niên đại từ nhiều phòng thí nghiệm và nhiều phương pháp.
Những kết hợp hay gặp và lý do
Carbon-14 với phát quang. Gặp nhau ở khoảng vài nghìn tới vài chục nghìn năm, giúp kiểm tra di chỉ có cả than và gốm hoặc trầm tích.
Carbon-14 với urani–thori. Chính sự kết hợp này trên thạch nhũ và san hô đã giúp kéo dài đường cong hiệu chỉnh carbon-14 vượt quá phần vòng cây.
Argon–argon với urani–chì. Dùng song song trên các lớp tro núi lửa để định ranh giới kỷ địa chất với độ chính xác cao.
ESR với urani–thori. Men răng động vật hấp thụ urani từ môi trường theo thời gian, nên hai phương pháp thường đi chung để mô hình hoá quá trình này.
Lỗi hay gặp khi so niên đại của nhiều phương pháp
- So tuổi carbon-14 chưa hiệu chỉnh với tuổi phát quang, vốn đã là năm lịch, rồi kết luận hai phương pháp mâu thuẫn.
- Quên rằng mỗi phương pháp đo một sự kiện khác nhau: lúc nung gốm khác lúc chôn gốm.
- Gộp các niên đại từ nhiều lớp khác nhau thành một con số trung bình.
- Bỏ qua sai số: hai khoảng 5.000 cộng trừ 400 và 5.600 cộng trừ 300 thực ra chồng lên nhau.
Đọc niên đại theo cặp, luôn hỏi “đo cái gì, sự kiện gì, sai số bao nhiêu”, là cách tránh gần hết các lỗi trên.
Câu hỏi thường gặp
Phương pháp định tuổi nào chính xác nhất?
Không có phương pháp chính xác nhất cho mọi trường hợp. Mỗi phương pháp chỉ hợp với một loại vật liệu và một khoảng tuổi; chọn đúng phương pháp cho mẫu mới quyết định độ chính xác.
Urani–thori dùng cho mẫu nào?
Dùng cho khoáng carbonat kết tinh từ nước như thạch nhũ, măng đá, san hô và lớp vôi phủ trên xương hay tranh hang, với khoảng tuổi từ vài trăm tới khoảng 500.000 năm.
Di chỉ không còn than thì định tuổi bằng gì?
Có thể dùng phát quang trên gốm hoặc trầm tích, urani–thori trên thạch nhũ nếu là hang đá vôi, hoặc ESR trên men răng động vật, tuỳ vật liệu còn lại.
Vì sao nên dùng hai phương pháp cho cùng một lớp?
Vì hai đồng hồ độc lập cho cùng khoảng tuổi thì độ tin cậy cao hơn hẳn, còn khi lệch nhau thì sự lệch giúp phát hiện mẫu bị trôi lớp hay nhiễm bẩn.
ESR là phương pháp gì?
Cộng hưởng spin điện tử đo lượng electron bị kẹt trong tinh thể do phóng xạ tự nhiên, giống phát quang nhưng đo bằng từ trường và sóng vi ba, thường dùng cho men răng động vật.