时间之尺——考古科技测年方法概述(12月)
发布时间:2019-12-27     阅读数:9150次    来源:原创
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万杨


年代的判定对于考古学来讲犹如万丈高楼平地起的地基。要还原时间发生的顺序,追溯我们的历史,开展研究,首先要确定时间的维度,也就是要确定考古遗存的年代。年代有相对年代和绝对年代之分。相对年代是指多个遗存之间的年代先后关系,可以通过地层学和类型学进行判断。而绝对年代则是把遗存的年龄定位到一个绝对的时间范围。当然相对年代和绝对年代是有机统一的,在一定条件下可以互相转换。

绝对年代的判断和测定是考古工作中的一个重点与难点。在科技测年方法成熟和普及之前,常通过带有明确纪年的材料进行判定。但在实际工作中此类材料并不常见,而且在人类几百万年的历史长河中,文字出现至今也才区区数千年。那面对这种情况,我们是否就束手无策呢?答案是否定的。20世纪以来随着化学、生物和核物理技术的发展,越来越多的科技测年法被应用到了考古断代工作中,并且不断完善。这些方法就像一把一把测量时间的尺子。它们让考古学这列穿梭于时间和历史的列车,在带着乘客欣赏沿途风光的同时,还能准确播报站点。在考古工作中常见的科技测年方法有树木年轮法、放射测年法、释光测年法、地磁测年法等几大类。这些方法大大拓宽了断代技术的使用范围,与传统的断代方法进行了相互印证。

1、 树木年轮法

树木生长过程中会在截面上形成疏密相间的年轮,截面上的年轮数目可以代表该树的年龄,其轮距与当时的气候条件密切相关。因此,在同一地区,同一气候条件下,同种树木的不同个体的轮距及形状的规律是一致的。将生命期有交集的树木年轮进行匹配,就可以形成这一地区的年轮序列。将考古材料中木头遗存最外面一圈年轮和该地区的年轮序列进行对比,就可确定它被砍伐的年代,从而间接地确定遗存所处的年代。

当然这个方法也存在着一定的问题,比如木材可能是被再度使用,这会导致测定的年代比实际遗存的年代更早,而遗存中的老化木材也有可能在修缮过程中被新木材所取代,这又会导致测定的年代比实际遗存的年代晚。因此,要使用树木年轮法对遗存进行测年,往往需要多个不同样本,当这几种样本测年结果基本一致时,遗存的年代才具有可信性。

2、 放射测年法

放射测年法是根据放射性元素衰变的原理, 其衰变过程以本身所固有的速度自发进行,在封闭环境中, 不稳定的同位素趋向于生成稳定的同位素。通过测定两个同位素之比, 则可以通过计算其进入封闭体系的时间。常见的有放射性碳测年法、铀系测年法、钾-氩测年法等。

(1) 放射性碳测年法

放射性碳测年法是考古科技测年中最常用的方法。自然界中,14C和12C的比例始终是一个常数,所有生物一生都持续接收14C和12C,因此在处于生命期的生物体内,14C和12C的比例也是常数。生物死亡后,不再从外界接收14C,而机体原有的14C开始逐渐衰变减少。因此,测定死亡生物体中剩余14C 的含量,就可以通过计算获得生物死亡至今所经历的时间长度。

14C测年的样品必须是有机质,需要的最小样品量根据样品种类与测定方法的不同, 需要2mg-50g左右。适用于测量距今300年至5万年含碳物质年龄,测量精度为1~2%,误差一般为50~200年,是考古测年的首选方法。

14C测年也存在一定的缺陷,如样品的背景问题,样品和遗存之间必须具有共时性,当样品数目过少,共存关系不明确时,其结果的可靠性显著下降。另外,因为衰变速率和半衰期都是取平均值,放射测量技术本身就存在统计的不确定性,只能确定一个大概的时间范围。科学研究还表明,过去地球上14C的比例存在波动。采用树木年代学方法可以对14C测年进行校准,称之为树轮校正。校正曲线的形状对结果精确度影响很大。

(2)铀系测年法

铀系测年法是利用238U,234U和230Th的衰变体系来计算年代。放射性元素铀广泛存在于自然界的水体和岩石中,且易形成铀酰离子被水溶解。钍易水解形成沉淀或被吸附在其他物质上。因此水成岩中存在铀,几乎不存在钍。随后238U衰变产生234U和230Th,根据样品的230Th/234U和234U/238U放射性比值,就可以测得样品的年龄。铀系测年法仅限于测定富含碳酸钙的样品,对于洞穴遗址以及岩画的年代研究可提供精准的年代支持。该方法可以对动物牙齿、骨化石进行直接测年或者测定地层中和覆盖在岩画表面的钙板以及石笋等碳酸盐矿物来反映其年代,进而指示遗址的年代。

(3)钾-氩测年法

钾的一种同位素40K经过衰变会形成40Ar气体。火成岩中一开始是不含氩的,但随着40K的衰变为40Ar,40Ar被困在岩石之中,通过测定火成岩中40K和40Ar含量,可以对夹杂在其中的地层堆积以及遗存进行测年。钾氩测年的主要对象是各类火成岩和火成岩中的含钾矿物,测量这类岩石和矿物形成的年代。钾氩也能应用于测量变质岩最后一次受热的年代。钾氩测年法可分析的年代范围由地球年龄四十六亿年至十万年左右,更近的时间则无法精确地分析。氩-氩测年法则是对其的一种改进,通过中子照射岩石样品,使39K转化为39Ar,根据39Ar和40Ar的含量来计算样品的年龄,这种方法可以对钾-氩测年的结果进行修正。

3、 释光测年法

自然界中存在着各种辐射,矿石晶体(主要是石英和长石)受到放射性物质辐射之后会产生自由电子,辐射时间越长,产生的自由电子越多。自由电子在热或光的激发下发生跃迁回到基态,多余的能量会以光子的形式释放出来,称为释光。经加热而激发出来的释光信号叫热释光(TL),经光束激发的释光信号叫光释光(OSL)。通过对释光信号进行计量,并与周围环境背景对比,进而达到测年的目的。

热释光测年现主要适用于陶器、瓷器、砖瓦等高温烘烤物测年。热释光年龄表示加热样品最后一次加热距今的时间。光释光在第四纪沉积物的测年方面基本已经取代热释光,光释光年龄代表样品最后一次曝光距今的时间。释光技术测年受外界影响较大,如果样品受到非自然辐射污染会导致结果出现严重偏差。

4、 地磁测年法

地球的磁场会随着时间的变化而发生移动,当含有铁磁性颗粒的粘土等材料加热超过其居里点时,磁性颗粒排列会按当时地球磁场排列在粘土内部固定下来,形成固定的磁倾角和磁偏角。利用已知年代的火泥,可以推测过去的地磁位置,当样本足够时,磁倾角和磁偏角的位置就能与时间刻度相对应,因此将相关的地磁变化情况与样品中磁性颗粒的排列进行比较就可以对其测年。

不同地区的地磁变化并不相同。地磁法测年需要建立独立的参考曲线,且参考曲线的范围只适用于1000公里的范围,因此极大地影响了这种方法的应用。该方法一般用于矿冶遗址或窑址的测年,陶器、瓷器、砖瓦等无法确定其烧制地点的样品不能用此方法来测年。

除上述科技测年法之外,常见的测年方法还有纹泥法、骨化学法、电子自旋共振测年法、氨基酸外消旋测年法、黑曜石水合测年法等,但各种测年方法均有其适用范围及局限性,因此在实际工作中,我们往往需要结合多种方法相互校正与验证,才能获得可信的测年数据。


通过地层学判断遗迹的相对年代关系


树木年轮


碳十四测年常用样品


可用铀系法测年的岩画


光释光测年法采样


地球磁场

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