【科技考古丛谈】人类历史的时间标尺——碳十四测年方法及其在考古学中的应用
http://www.newdu.com 2024/12/12 03:12:48 未知 张雪莲 参加讨论
一 今年的诺贝尔奖中有一项颁给了目前在德国从事古DNA研究的瑞典生物学家斯万特•帕博（Svante Pääbo），以表彰他对已灭绝古人类基因组和人类进化的发现。这是考古学关于古人类研究的重大进展。 数十年前同样有一位获奖者的研究因极大地推进了考古年代学而备受瞩目——美国科学家利贝（W. F. Libby）建立的碳十四测年方法。1960年科学家利贝为此而荣获诺贝尔化学奖。 碳十四测年方法是在1949年建立的，此后的十年中大批碳十四数据的问世使考古学、地学等领域的年代研究发生了根本性的变革，这一方法的科学价值及其意义也得以进一步彰显。 国际著名学者、英美两国科学院院士、剑桥大学教授科林•伦福儒（Colin Renfrew）先生将碳十四测年技术比喻为“计算时间的时钟”，通过这一方法可以建立人类历史的时间标尺，为人类社会各个阶段的发展确立时间点。考古学研究首先是要确立时空框架，这是探讨人类社会及其发展的前提。碳十四测年方法建立之初，就给西方学界带来了颠覆性的冲击，使得西方史前史年代体系重新建立。由此也被誉为考古学上的一次革命。在我国碳十四测年方法的建立也给史前考古研究带来了新的生机。对此我国著名考古学家夏鼐先生评价说由于碳十四测定年代法的采用，“使中国的新石器考古学因为有了确切的年代序列而进入了一个新时期”。毋庸置疑，碳十四测年方法弥补了考古学通过地层学和类型学研究可以获得相对年代，但还难以得到绝对年代的不足或遗憾，成为考古年代学的重要支柱。 二 碳十四测年方法建立的基础是核物理学，它的出现应该得益于之前，特别是20世纪前半叶随着自然科学与技术的飞速发展，与之相关的各种粒子的发现与研究。即在之前碳、氮等各种元素发现的基础上，此时又相继发现了中子、各种同位素，并于1940年发现了碳十四粒子。 自然界中碳同位素数目多达十余种，其中常见的主要有碳十二（12C）、碳十三（13C）以及碳十四（14C）。三者在自然界的丰度分别为98.892%、1.108%以及10-10%。三种同位素中只有碳十四具有放射性，其半衰期为5730年。 由宇宙射线中子对大气中的氮作用产生碳十四。生成的碳十四很快与氧作用生成二氧化碳并进入大气圈，之后交换扩散到水圈、生物圈等。植物生长过程中通过光合作用吸收大气二氧化碳，动物直接或间接依赖植物而生存，如此便都含有了碳十四。生物生长过程中，由于一直处于与大气的交换状态，生物体碳十四水平与大气碳十四水平保持一致。一旦生物死亡，脱离了交换状态，其体内碳十四水平随着时间的流逝因衰变而逐渐降低。通过测定生物体中剩余碳十四含量，就可获悉生物死亡的年代，这是碳十四测年的基本原理。 碳十四测年方法主要包括常规测年法和加速器质谱测年法。较早发展的是常规方法，也称为β计数法，该方法通过计数碳十四衰变释放出的β电子来测定年代。加速器质谱测年法是在20世纪70年代后期出现的。该方法通过直接测量碳十四原子数目进行年代测定。 碳十四测年所需的样品为含碳物质。考古遗存中常见的如动物遗骨、植物、炭化物、白灰面，以及丝、棉、麻等各类含碳物质都可以作为测年样品。所需要的样品量因具体测年方法不同而异，常规方法所需样品量相对较大，比如木炭一般需要十几克。加速器质谱测年法因直接测量碳十四数目，灵敏度高，所需样品量相对较小，一般在1-2毫克，甚至更少。采集的样品经过以下流程：样品前处理-化学处理或骨胶原提取（骨样品）-样品制备-样品测定-数据处理，就可获得碳十四年代。上述碳十四测年原理实际是以以下三个基本假设为前提的。一是数万年以来大气碳十四水平恒定不变，且整个大气圈碳十四水平是均匀的；二是生物圈、水圈等碳十四水平与大气圈碳十四水平均保持一致，处于交换平衡状态；三是处于交换状态的含碳物质脱离交换状态后，一直处于封闭状态。但在碳十四方法建立不久就发现，其中有些假设还是与实际存在一定的偏离。首先是发现了大气的碳十四水平的波动，第二是发现存在库效应，第三是发现存在分馏效应，等等。于是相应的各种修正、校正方法的研究与建立工作随之开始。 其中最早开始也是校正中最为核心的工作是碳十四-树轮年代校正曲线的研究与建立。这项工作最先是结合对于树木年轮的研究，即首先是依据树轮年代学建立由近至远的长系列年代序列，然后取其中的树轮木质进行碳十四测年，再将所得到的测年结果绘入以树轮年代为横坐标以碳十四年代为纵坐标所建立的坐标系中，形成碳十四-树轮年代校正曲线。之后为了延长年代范围，还配合采用岩洞钟乳石、海洋珊瑚礁等样品测年，满足了更加久远测年的校正。校正曲线的研制工作从20世纪60年代开始，一直持续至今。经过数十年的努力，曲线范围从最初的数百年，逐渐延伸到数千年至数万年。而且其年代精度也随着测年技术的发展有了明显提高，特别是本世纪以来借助于加速器质谱技术小样品测年方法的普及，可以使测年更为精细化。目前推出的2020年版校正曲线不仅其年代范围上溯到了55000年，而且在全新世以来的大部分时段可以做到一年取样，较之以往10年或5年取样的年代分辨率明显提高，从而为高精度测年研究提供了条件。具体的校正可以通过计算机软件实施，数万次至几十万次的统计运算瞬间就可完成，而且易操作，高效便捷。 三 关于碳十四测年的研究实例，这里主要以二里头遗址的测年为例做一简要介绍。 二里头遗址地处河南偃师市，1959年著名考古学家徐旭生先生在豫西进行“夏墟”调查时发现。当年秋对于该遗址的试掘就已开始，目前发掘工作仍在继续。揭露出宫殿基址、居址、墓葬、铸铜作坊、制陶作坊、窖穴、围墙、道路等遗迹。出土大量石器、陶器、骨器、绿松石器、玉器、青铜器等。二里头遗址面积300多万平方米。其中发现的多座宫殿基址均集中处于遗址中部略偏东约计12万平方米的区域内。围绕宫殿区的是贵族居住区、祭祀区等。再外围是平民居住区。宫殿区发现多进院落，其内有连间排房，还发现贵族墓葬等。宫殿区南部有铸铜作坊、绿松石作坊。宫殿区建筑布局呈东西对称。整个遗址由围墙、道路分割成网格状，布局有序规整。二里头遗址一经发现就在学界引起热议，主要围绕二里头遗址属于夏还是商，二里头遗址考古学文化分四期，其中全部为夏，还是部分为夏，夏和商的分界在哪，等等。由于遗址年代是重要的参考依据，因此该遗址的测年很早就被列入议程。二里头遗址测年主要可以分为三个阶段：20世纪70年代～80年代末，夏商周断代工程期间，以及中华文明探源工程期间。 二里头遗址的测年开始于20世纪70年代，那是在国内碳十四测年方法建立不久。我国的碳十四测年起始于20世纪60年代中期。在时任中国社会科学院（当时为科学院）考古研究所所长夏鼐先生主持下，原先在中国科学院原子能研究所从事核技术研究的仇士华、蔡莲珍两位先生来到考古研究所，在十分简陋的条件下，自己动手从制作元器件开始，经过数年的努力于1965年建立起国内第一个碳十四年代学实验室。很快，在20世纪70年代，中国科学院地球化学、地质研究所，北京大学，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，中国文物研究所，以及中国科学院地理研究所等单位的碳十四实验室也相继建成。70年代中期北京大学碳十四实验室利用氧化铬催化剂聚合苯方法获得成功，国内碳十四测年也由气体法更替为合成效率高、安全、易操作的液体法。到80年代，国内相关学科的一些科研单位也陆续建立了碳十四实验室。至80年代末已有数以千计的碳十四年代数据问世，为各区域史前年代序列的建立提供了依据。 二里头遗址测年也正是在这样的背景下进行的。从20世纪70年代到80年代末前后测定了三批共计40余个数据，通过研究所得到的年代大致为公元前1900年～公元前1500年前后。这一时期由于测年误差相对较大，多在70～80年左右，还有少数为90年以上，因此所得到年代范围基本是依据数据做出的推论。 20世纪90年代中期开始实施的国家“九五”重点科研项目夏商周断代工程，是我国碳十四测年向高精度测年研究的迈进。夏商周断代工程中在测年技术研究与改进减小测年误差的基础上，与考古学密切结合，通过系列样品-贝叶斯统计方法的应用与研究，有效地减小了日历年误差，完成河南偃师二里头、郑州商城二里岗、陕西长安马王村H18、安阳殷墟、北京琉璃河西周墓地等系列的年代测定与研究，建立起夏商周考古-碳十四年代框架，为三代年表的建立提供了依据。夏商周断代工程也开启了多学科结合应用系列样品-贝叶斯统计方法进行高精度年代研究的先河。 这一时期的二里头遗址测年研究中对由考古学家提供的18个样品进行了测定。这次的测年与之前相比有这样几点不同，一是经过断代工程技术方法的研究与改进使测年误差明显减小，误差基本处于30～40年范围。其二，本次测定的样品中有10个木炭样品、8个骨样品。由样品特点可知，木炭样品因涉及树木砍伐时间与使用时间可能不一致而容易偏老；如果取材于较粗大的树木，其心材就会比边材的年代老。但测年系列中加进了数量较多的骨样品，这样可使年代偏老的可能成分降低。其三是年代校正使用了系列样品-贝叶斯统计方法，有效减小了日历年误差。由此得到二里头遗址的年代范围为公元前1880年～公元前1520年前后。 这次得到的年代结果中，二里头一期的年代范围大致为公元前1880～公元前1680年，前后有两百年的跨度。结合校正曲线可以发现，所涉及的这段校正曲线起伏程度较大，而二里头一期的前面又缺乏在考古学上更早分期的数据，系列样品方法的功效难以发挥，致使该期年代误差仍然较大。但同时也留下了可以继续探讨的空间。 继夏商周断代工程之后，2002年国家重点科技攻关项目中华文明探源工程启动，该项目是以多学科结合的方式揭示中华民族五千年文明起源与早期发展的重大科研项目，在年代学上也是碳十四高精度测年研究的继续。中华文明探源工程前后持续了20年，目前已进行到第五期。在此期间，二里头遗址测年又有了新的进展。 首先是在2005年北京大学发表了通过加速器质谱测年方法对于新砦遗址发现的自龙山文化晚期—新砦期—二里头文化连续不断的文化遗存中采集的龙山文化晚期到新砦期的18个骨样品的测定结果，其中有5个样品还送到维也纳加速器质谱测年实验室进行了比对测定。将新砦遗址测得的年代数据与二里头遗址测得的年代数据共同拟合校正所得二里头一期的年代为不早于公元前1750年。 其二是2005年到2006年期间，中国社会科学院考古研究所实验室结合古文明探源研究对采自二里头遗址的一批木炭样品又进行了测定。样品数量18个，分期为一、二期之交和二期。将此次的测定综合入上述的测年结果中，则二里头一期不早于公元前1750年这一年代结果更为明确。 二里头一期年代的确定，为考古学关于二里头遗址夏商年代研究提供了依据，也成为结合古文献进行上古史研究的重要参照。 通过断代工程以来配合考古发掘的高精度系列样品测年研究，逐步建立起龙山文化晚期-新砦期-二里头文化-二里岗文化，以及晚商殷墟系列-马王村H18先周-西周系列-西周琉璃河系列的长系列年代框架，为中华古代文明研究年代坐标的细化奠定了基础。 二里头遗址的测年一直伴随着我国碳十四测年的发展，反映了各个时期碳十四测年的水平，是我国碳十四测年发展的缩影。 上述主要涉及的是常规碳十四测年方法。近几十年以来，特别是进入本世纪后，随着技术的发展以及资金条件的改善，可用于小样品测年的加速器质谱测年方法得到更迅速地普及。该方法不仅所需样品量少，而且测年周期短，效率高，在考古测年中具有绝对优势。中华文明探源工程中，该方法作为主要使用的测年方法发挥了重要作用。特别是北京大学通过加速器质谱测年方法完成大批碳十四数据的测定，为考古年代研究提供了依据。其中尤为引人关注的，如在中华文明探源工程中新发现的地处黄土高原北部被发掘者称为“石破天惊”的石峁遗址，2019年申遗成功的良渚遗址等的测年都获得了新的进展。 石峁古城约计400多万平方米，由外城、内城、皇城台等几部分组成。城墙巍峨高大，还有结构复杂的城门址，以及马面、瓮城等防御设施。城址内发现壁画、石雕、玉器、骨器、陶器，以及各类铜器。其中陶鹰、口簧、数以万计的骨针、精美的石雕人像、彩绘壁画，以及城墙中嵌入玉器等等更具特色。石峁古城是陕北黄土高原迄今为止发现的难得保存如此好，又如此宏伟的古城址。北京大学碳十四实验室对在城门址处发现的人头坑，城内皇城台上的遗存，城墙中的纴木等等进行了系统测定。百余个碳十四数据表明黄土高原上的这座古城已经存在有4000多年。据新近的研究报道，目前关于石城白灰面等样品的测年研究又获进展，使城址年代更为清晰、明确。这将对于该区域文明化进程，早期国家形成等重大问题上的探讨带来新的契机。 下面看一下良渚遗址。在良渚遗址不仅发现了古城址，古城址300多万平方米，四周有高大的城墙，城中发现随葬有大量玉器的贵族墓地，盛有20万公斤稻米的大型仓储，以及大型宫殿建筑基址等，而且还发现了良渚古城外围的水利系统。 水利系统处于古城西部，依山势由人工修筑形成高坝区和低坝区。坝堤共由十一条水坝组成，高坝区发现有蜜蜂垄、石坞、老虎岭等六处水坝遗址，低坝区发现有狮子山、鲤鱼山、梧桐弄等五处水坝遗址。据发掘者测算该系统总库容量约计4600万立方米，分别相当于西湖的1.5倍和4倍。可以满足防洪、灌溉，以及运输的多种需求。由坝区地形图可以看出，要修建这样一套系统，在整个坝区的地理位置选择，每段坝体设置地点的定位等等，都需要精心观测估量。而其背后还应有对于大致的年降雨量，库容水量，洪水的流向等的了解与预测，以及季节性洪水规律的把握等等，这些也都在一定程度上与天象、农时、测量、计算等等各类知识、技能相关联。 同时，通过对这些坝堤的勘探与发掘，还发现坝体是经过多道工序由多种材料构建。坝体上受力最大的迎水面是由茅草包裹泥土做成的“草裹泥包”堆砌垒筑的，这样可以增强坝体的抗拉、抗冲击强度，使堤坝坚固。而这一做法与后人使用麻袋装土修建堤坝的做法基本没什么两样。由此看，那时的良渚先民对于修筑堤坝方面的经验的积累与认知程度以及筑坝施工中的技术与工艺都达到较高的水平。同时还应看到，修建这样一处大型水利设施，不是小家小户所能胜任的，需要大量的人力物力为支撑，一定是需要动用较大的群体组织，需要得到社会层面力量的广泛支持才得以实现。良渚水利系统是人类在利用自然改造自然过程中创造的佳作，体现了中华先民为争取生存，谋求发展而为社会作出的努力和贡献，是人类物质文化和精神文化的结晶。 而这样一项规模宏大、设计完美，技术含量较高的系统工程，一方面显示了技术发展的较高水平，同时还需要对人力物力等资源的合理配置，如果没有一整套社会组织体系作为保障是难以完成的。良渚水利系统反映了当时生产力与生产关系已得到较大的发展，是人类文明达到一定高度的具体体现。 通过加速器质谱测年方法对于筑建水坝的草裹泥包上包泥草的取样测年，发现其年代为距今5100年前后，而这一年代与良渚古城早期年代相一致。测年证明了五千年的良渚古城及其水利系统，也实证了五千年古老而璀璨的中华文明。 （作者系中国社会科学院考古研究所研究员） |