现代科技与考古科学

龚德才　张金萍　编译①

(南京博物院)

　　在过去的30多年里,科学工作者在考古学中广泛地使用“绝对年代”断代技术,而“相对年代”则是通过研究地层学的层位关系而得出的另一种断代方法。近几十年的考古断代研究,产生了许多新的考古断代法,精确度越来越高。在此,本文将对在考古断代中所使用的现代科技方法进行编译汇总,以供考古工作者参考。

二次大战前,除了用树木年轮断代法之外,考古学家还没有办法精确地估计考古发现的年代。随着科学技术的发展,新的考古断代技术不断涌现,现在已有许多新的方法来解决考古断代问题。在这些方法中,有的以放射性元素衰变为基础,有的以射线破坏为依据,再有的则以物理或化学变化为线索。

一　核断代技术

目前至少有八种不同的原子核断代技术在考古学中应用,这八种方法是:

11碳—14法(14C)21加速器碳十四法

3110Be,26Al,32Si,36Cl,41Ca原子衰变法41加速器10Be,26Al,32Si,36Cl,41Ca原子法51热释光法

61电子自旋法(EMS)71238U裂变径迹法81钾—氩法

(一)碳—14法(14C)

应着考古学所关心的许多重大事件,当14C形成后,再与氧气反应:

14

C+O2→CO2

14

带放射性的14CO2与没有放射性的CO2混合,均匀分布在空气中,与自然界的水圈和生物圈形成一种平衡状态。然而,宇宙射线流在过去的100000年左右的时间里,相当稳定,所以14CO2在生物体内的比率基本上是固定的。只要生物体没有死亡,它与空气中碳的交换就一直在进行着。当生物体死亡之后,就再也不可能摄入新的14CO2。那么,生物体内14CO2的放射性就以一种不依赖于空气的温度、压力和其它情况的速率衰减。Anderson等发现生物体内按1513󰃗min・kg・co2的速率衰减(1kg　co2中含413×1023个14C原子),因此,理论上,年代计算可以由下式给出:

-dn󰃗dt=Κt

式中-dn󰃗dt是14C在样品中的衰减速度,Κ是14C的衰变常数。例如,某一样品有7115dpm14C󰃗kg・c,那么可以算出生物死亡时有1513dpm14C,而现在14C只有原来的一半,半衰期5730就是样品的年代。

从开始使用C-14法至今,已经测定了成千上万个考古样品,其它的考古断代方法通过与C-14法比较,以确定自己的精确度。因此,可以认为C-14断代法是十分重要的。

C-14断代法只适用于生物体材料,例如,木

材、骨、皮、纺织品和纤维等。适用的年代范围在200

-40000年,样品需要量7克至1公斤。

(二)加速器碳十四法

　　14C是碳的同位素,具有放射性。1960年12月

12日,J1WillardLibby教授因“在考古学中使用了

碳—14断代法”而获得了诺贝尔化学奖。当宇宙射线轰击大气原子时,中子被激发出来,进而这些中子与其它空气原子碰撞,并被原子捕获,如果是氮原子捕获了中子则发生如下反应:　　14N+中子—14C+质子

14

传统的C-14是通过测定衰减的碳原子数计算年代。研究发现样品中常有109～1012个14C原子没有衰减,如果能测定存在的14C数,就可以提高测定效率,而不是等它们衰减之后才去测定。通过使用离子加速器就能实现这一设想。离子加速器作为一种质谱仪,可以测出样品中的14C原子数。具体方法

C具有放射性,半衰期5370年,这个半衰期恰好对

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　1998年第3期　　　　　　　　　　　　文物季刊　　　　　　　　　　　　　　　　　　　是,首先将样品中的有机物还原为木碳,把木碳放入加速器的离子源中,接着14C发生离子化,被加速并计数。见图一。

使用加速器C-14断代有如下优点:(1)取样量少,一般只需1-15mg。(2)精确度提高。

(3)年代测定范围扩大至100000年。(4)测定过程耗时少。

缺点是离子加速器是一种十分昂贵的仪器。(三)其它放射性同位素断代法

许多带有不同半衰期的放射性元素,断代的原理与C-14断代法相同。这些放射性同位素包括:

63210

Be半衰期115×10年,Si半衰期250-700年,36

Cl的半衰期是311×105年,41Ca的半衰期是113×105年。在这些放射性同位素中,没有一种有14C那样强的实用性,因此,这些方法在考古学上应用的并不十分广泛。但从10Be和26Al的半衰期可知,它们可用于断定那些C-14法难测定的年代更早的样品。钙是自然界中最多、最常见的元素之一,地下岩石,古代器物和动物骨骼中,都含有钙元素。因此,41Ca在考古学中的应用有很大潜力。

二　热释光断代法(TL)

陶瓷器碎片是十分常见的考古样品,利用热释光可以测定这些碎片的年代。热释光断代技术始于1960年,此法是对C-14法的一种有益补充。热释光与碳-14不同,它是随年代的增加而增大。如图二所示。

陶瓷器的原料中含有天然放射性同位238

素U,232Th,40k等,这些放射性同位素与宇宙射线和埋藏点土壤中的放射性元素一起对陶器产生辐射作用,积累热释光。当陶瓷器在高温下烧制时,热释光全部释放完毕,之后在上述三种辐射作用下,重新积累热释光。通过热释光测定仪可以测出陶瓷器在烧制之后所积累的热释光剂量,然后根据下面的公式,即可算出陶瓷器的制作年代。

Dt=

R

t—陶瓷器的烧成年代

D—陶瓷器烧成之后所积累的剂量R—陶瓷器埋藏环境的平均年剂量

电子自旋共振(ESR)断代法的原理与热释光(TL)断代法相似,它的年代下限是500—1000年,上限是几百万年。与热释光相比,用电子自旋断代法测量时,取样量少,样品制作简单,测定容易,并且还可以扩展至非陶瓷器的断代。

三　裂变径迹断代法

裂变径迹断代法(FT)在考古学中应用已有25年的历史。众所周知,古老的矿物和玻璃中都存在少238

量U同位素裂变时留下的细长径迹,这些径迹易受氢氟酸腐蚀,因此,这些样品经过氢氟酸蚀刻后,可以在光学显微镜下观察,数出径迹数,算出发生裂变的238U原子数,利用238U的半衰期8×1015年,可以计算出样品的年代。因为,裂变径迹在高温下会消失,所以,裂变径迹法用于火山岩样品的检测是非常有用的。现在该法已被用于:(a)天然玻璃或石英玻璃形成年代的测定②。(b)古代人造玻璃的测定。

实验证明,在对1000-1000000年的地质样品断代时,裂变径迹法比其它断代法精确度高。

四　化学断代法

动物的骨骼主要由两种结构成份组成,一种是有机的,另一种是无机的。由于种属、年龄、性别的不同,组成上有差异。典型的化学成份是:Ca20-22%,p10%,有机物10%,H2O10%,N6%,F痕量,U痕量及其它成份。有机体在死亡之后,开始发生化学转化即化石化过程。这种特殊的转化依赖

图　一

图　二

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于样品的物理、化学和生物的特性及其它的环境。在化石化的过程中,可以带进某些无机元素,也可以带走,这些变化为考古断代提供了依据。现已证明,骨头是一种非常适合于化学断代的样品。

11化学分析断代法

用一般的化学分析技术对考古样品进行断代的工作,已取得了一定的成绩,氟断代法就是其中一例。此法的依据是:地下水中的氟离子与骨头中的羟基磷灰石形成氟化磷灰石。显而易见,反应的速率与地下水中的氟离子浓度、样品周围土壤的化学性质及与地下相接触的量、温度等因素有关。所以,年代久远的样品含羟基磷灰石的量并不一定少于年代短的样品,这取决于它们的环境因素。另外,CaCo3的形成也会阻止氟化磷灰石的形成。一般情况下,同一环境中样品年代长短与样品中的磷灰石含量成正比。

类似的断代法还有铀含量断代法和氮含量断代法,这两种断代法都可以用于骨头样品的考古断代。

21热分析断代法

此法是最近几年才发展起来的,可用于化石的年代测定。它的基本原理是:有机物和无机物在一给定的地质环境中,随着反应时间有规律地变化。例如,脊椎动物骨头中磷灰石的形成和骨胶原的分解反应。年代计算可以用三个经验方程得出,这三个方程是:

①Holocene　经验方程②Pleistocene　经验方程③Pliocene　经验方程

它们分别适用于不同的年代范围,方程中的数据是根据热引力分析得出的。

31氨基酸外消旋化断代技术

生物体在新陈代谢过程中,产生氨基酸,然后合成蛋白质。较高级的生物体内只产生左旋光学异构的氨基酸,即L-对映体。然而当生物体死亡之后,这些左旋型的氨基酸开始缓慢外消旋化,一部分转变成右旋型的氨基酸即D-型氨基酸。总的趋势是形成L∶D=1∶1的混合物。样品中氨基酸D和L的比例(D󰃗L),随着时间的延长而增大。达到D󰃗L=1的时间与气候和遗址的环境条件有关。

天冬氨酸是骨化石氨基酸断代法中最常用的氨基酸,反应式为:

L-天冬氨酸k

k-是一级反应常数

通过年代计算方程就可以算出化石的年代。

利用外消旋化反应进行断代的技术始于60年代初期,它为研究化石材料,提供了一种新的方法。

总之,化学断代法还很不完善,使用时要谨慎,对得出的结果,要认真加以分析,以免发生错误。

五　黑曜岩水合断代法

在世界的很多地方,黑曜岩与陶器一样丰富,原始人常用于制作石器工具,它是一种有潜在意义的考古断代样品。新打制的黑曜石工具的表面会从环境中吸收水份,形成肉眼难以见到的水合层。大多数黑曜岩开始含011-013%的水份,水合层厚约0107dm,含水越多,水合层的密度越大,并产生机械应力,同时可以见到极化光,它的释光带是可以测定的。黑曜岩表面的水合层,代表了石器制成至今的时间。为了测定黑曜岩石器的制成年代,必须计算出它的水合速率。理论上,水向黑曜岩内扩散的速率符合Fick定律:

x2=ktx—水合层厚度k—扩散速率常数

t—黑曜岩石器制成年代

速率常数k除与温度有关外,不同种的黑曜岩k值也不相同。因此,有必要对数百种乃至上千种黑曜岩的水合速率进行测定,研究并总结经验,以提高黑曜岩水合断代技术的实用性。

考古断代技术是一门新兴的边缘学科,发展速度很快。相信在不远的将来,先进的考古断代技术必将可以解答人类历史上许多重大问题,更好地为考古学服务。

参　考　文　献

①　M.W.Rowe,“ArchaeologicalDating”Journal

.63No.1JanuaryofChemicalEducationVol

1986

②　Price,P.B.,Walker,R.M.J.Appl.Phys.

33,8407.

(责任编辑:翟少冬)

D-天冬氨酸

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