第三讲各种断代技术在考古上的应用(一)

第三讲各种断代技术在考古上的应用(一)本讲主要内容1.考古学年代与自然时标2.放射性碳素断代法3.热释光断代法1.考古学年代与自然时标1.1考古学纪年方法及其意义考古学记年方法有三种：绝对记年、相对记年、估计记年。用这三种方法获得的结果不同，其原因是它们据以记年的物理基础不同。1.1.1绝对记年法以文字史料、树轮、古历、天文记录、古钱年号、文物中保存的各种物理信息、遗址中保留的古代现象、放射性元素衰变规律和各种物理原理为基础。意义：①可以建立地区的、全国的、洲际的以及世界性的考古学编年框架。②在考古学绝对年代框架中，不同地区的不同遗址、不同文物都可以进行比较、联系和综合研究。③考古学中的绝对记年必须有一个不以人的意志为转移，不受或基本不受任何外界因素干扰的天然时间基点或自然时标。1.1.2相对记年法相对记年法是以遗址地层叠压关系和器物类型学关系为基础，去分析推断某一遗址比另一遗址早或晚，或同一墓地内根据文物所在文化层的上下层关系确定其时间先后,这是传统考古学中最常用的记年方法。①在遗址地层不被破坏的情况下，上层文物的年龄小于下层文物，至于实际相距多少年，只有用绝对记年法才能确定。②相对记年法没有自然时标，它只用于建立以时序为基础的各种编年史，适合于研究史前文化类型学、器物类型学、器物演变史。1.1.3估计记年法是凭个人经验或集体讨论去判定遗址和文物的相对年龄或绝对年龄。①是在没有地层关系可查，或者没有可供测量和分析的年龄标本时临时采用的补救方法。②这是一种十分粗略的、容易出错、可信度差、个人因素和偶然因素交代较多的记年方法。1.2考古学自然时标1.2.1时标定义测定文物的绝对年龄，必须有一种与文物共存的天然时间标尺，简称为时标。1.2.2时标的种类放射性碳衰变规律是国际考古界最普遍使用的考古学时标。自然界某些放射性核素在自然衰变是形成的母子关系，在地质学和考古学也早已作为时标。利用这种时标来记年的方法，称“同位素记年法”。固体晶格辐射损伤也是比较重要的考古学时标。热释光记年法、电子自旋共振谱法、穆斯堡尔谱法等。其它还有地球古磁时标、生物基因时标、花粉时标、树轮时标、化学时标1.2.3注意事项为了适应不同文物记年的需要,采用不同性质的时标。应用不同时标所测的年龄数据时要注意以下问题：1）认真了解测定年龄时所用的标本和测量方法；2）弄清考古学问题与年龄标本之间的关系；3）了解年龄测定方法的科学性；4）需对准备采用的年龄数据进行核实、复验与旁证。2.放射性碳素断代法(Radiocarbondating)碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，一般写作C。是利用死亡生物体中碳－14不断衰变的原理进行断代的技术。C断代方法由美国芝加哥大学利比（Libby）教授于1949年提出，同时公布了第一批碳十四年代数据。C测年法的成功震动了考古界和地质学界，它使多数国家的史前年代学产生了很大变化，有了一个统一的时间尺度，世界各地的史前考古年代序列由此而逐渐清晰起来，被人们称喻为“放射性碳素的革命”。我国学者夏鼐于1955年开始将C向国内作介绍，并亲自筹建实验室，60、70年代起此技术在我国较多使用。141414142.1放射性碳素断代法所根据的原理宇宙射线同地球大气发生作用产生中子，中子同大气中氮（N）发生核反应，产生放射性同位素C。C与氧结合形成CO2混入大气二氧化碳中，通过光合作用被植物吸收成为养料。动物都直接或间接地依赖植物生存，因此所有生物体内都含有C。而C又不断地衰变为非放射性的N，其半衰期为5730±40年。生物在死亡之前身体中C的浓度与大气中的C浓度保持着平衡。但这些含碳物质一旦停止与大气交换，例如生物死亡，C就只能按衰变规律减少。因此只要测出标本中C减少的程度，就可以推算出它死亡的年代。14141414141414141414142.2C断代的基本假定①假设大气中C的产生率不变。地球上的交换碳近数万年来基本恒定。②假定放射性衰变规律不变，不受任何外界环境的影响，生物样品一旦死亡就停止与碳储存库进行自由交换。半衰期最初为5568年，近年来推算应为5730年。③地球上各交换库中C的放射性比重不随时间、地点、物质种类而改变，这个假设经检验基本成立。国际公认C测年中的BP起算点是1950年。141414142.3常规C断代技术2.3.1采集样品（1）采样时考虑样品的损失，应适当增加样品的采集量。各类样品的采集量要求不尽相同，一般按下表选取，物质木头木炭贝壳骨头泥炭种子重量（克）100503001000500100物质毛发编织物碳铁器重量（克）10010001000142.3.1采集与运输的要求：（2）保证样品不受污染，避免现代碳混入样品中，注意采集的地层，以免其他不同时代含碳物质的混入。如考古发掘现场木炭的提取，先清除周围的土等。提取样品后，采取适当的方法使其慢慢干燥。（3）采样过程中不能用含碳的包裹物，应放在玻璃瓶中密封，标本要尽量干燥，不能长霉。（4）每个标本要有准确的标签，表明出土情况和遗址的关系。2.3.2实验室制样(1)预处理:样品送到实验室后清除受污染的表层。(2)化学处理:气体法、液体法。2.3.3实验测试根据C断代法是探测C在半衰中所放出的β粒子，将样品放进专门设计的低本底、低能β射线高效探测器内，并在特制的屏蔽室进行测量。测量采用的记数装置有两种：气体正比计数器和液体闪烁计数器。当β粒子穿过时，计数器会发出电信号或者荧光。同时，还要测定标准样品中（C含量已知）放射性强度和本底计数，以便将计数转换成C含量。最后，对年代进行推算。141414142.4误差的校正在计算过程中不可避免地会出现统计误差、实验误差、同位素分提效应、现代碳标准（降低），所以最后的计算结果都要进行树木年轮的校正，通过碳十四年代——树木年轮年代校正校准，将C年龄转换为日历年龄。受树木年轮法的限制，对于年代值大于8000年的样品，尚不能用树木年轮校正曲线来检验与校正。要指出的是，通过常规衰变记数法或同位素比值法所获的样品C年代值还需对直接测量值进行标准样校正和本底校正，常规法还要做淬灭校正。此外，由于样品的同位素分馏效应，还需对样品的C年代进行δC校正。141414132.4误差的校正公布碳－14年代数据时，距今年代（BP）国际上统一以公元1950年为起点。计算碳－14年代有两种半衰期值，原来使用的半衰期是5568±30年，后来修正为5730±40年。为了避免混乱，碳－14国际会议建议仍用5568±30年的半衰期值。所有碳－14年代数据都标有标准偏差，意即真实年代实际上只有68％的机率在此数据范围内。由于各种因素都可能引起偶然误差，因此单独一个数据把握性不大，一系列的数据则比较可信。碳十四年龄服从的正态分布和碳十四年龄标准差的含义测年结果4000±50年40004050395041003900（年）概率密度2.4误差的校正国际公认14C测年中的起算点是1950年的原因因为之后人工核爆炸产生的大量14C对大气影响很大。1850—1950年间的样品因工业化过程释放的CO2使得14C测年数据稍偏老。2.4误差的校正—针对日历年代误差采取的三个改进措施为减小测量误差，对常规法14C测年技术、骨质样品的制备、加速器质谱测年技术进行改造和研究---常规测量精度3‰；加速器质谱法5‰；为减少14C-树轮年代校正曲线本身的误差，使用高精度14C-树轮年代校正曲线，使14C年代误差为15年；为减少14C-树轮年代校正曲线上的位置误差---通过高精度系列样品法。2.5C断代法的优缺点（1）测量范围广，可测定1000—50000年内的考古样品。（2）样品易得，凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其它无机遗留物均可。（3）对样品要求不严，埋藏条件不要求，取样也很简单。C断代法仍存在一些问题①测量范围有限，受半衰期规律的限制，其最大可测年限不超过4万年，而且样品年龄愈老，愈接近此极限值，测量误差愈大。②合适的样品难以采集，要满足纯粹不受污染而且要求一定的重量。③必须使用大量的样品，而且测量时间较长。14142.6加速器质谱碳十四测年方法针对C测年法的局限性，70年代末加速器质谱碳十四计数法应运而生，以1978年在罗切斯特大学召开的第一次国际加速器质谱会议为诞生标志。加速器质谱测年技术（AMS——AcceleratorMassSpectrometry）与C年代法原理相同，只是以对碳十四原子计数代替对β粒子的计数。AMS的优点首先，AMS所需样品量少，一般1-5毫克就足够了，甚至20-50μg。其次，精确度高，误差能达到不超过0.3%±18年。第三，测定年代扩展到7.5-10万年。第四，测量时间短，一般几十分钟就可测试一个样品。第五，AMS不受环境影响，不象β线计数要考虑宇宙光体。14143MV串列式加速器质谱仪2.7碳十四断代法的应用C断代最主要的成就是为史前考古提供了绝对年代，使新石器时代建立了较为完整的年代序列。北京周口店山顶洞人根据其文化面貌,考古学家认为其属于旧石器时代晚期，距今为10万年左右，后经C测定为距今2万年。浙江河姆渡文化刚开始发现时，它的文化特征、器物制作工艺比较发达，比中原仰韶文化有过之而无不及，后经C测量，知其距今约六、七千年，磁山——裴李岗文化的年代也依靠C确定的。北京昌平白浮西周1、2、3号墓的木椁经液体闪烁法碳14测定年代为3070±90年，与墓中随葬器物吻合。14141414夏商周断代工程用高精度系列样品法定出了从二里头文化到西周的考古学文化分期的年代框架。如陕西长安马王村发现的H18系列地层，时间上跨越了先周、周初和西周中期，专家选木炭、骨头、一年生小米的系列样品，由此测定的武王克商为公元前1050--1020年，误差为30年，与天文学的推定相吻合。2.7碳十四断代法的应用加速器质谱C测年技术对有机文物真伪的“准无损”鉴定耶稣裹尸布—90年代初经牛津、苏黎世、亚利桑纳三个国际上最有影响的AMS-C14实验室测试，年代为公元13世纪。鉴定油画的真伪。142.7碳十四断代法的应用铁器标本的C测定古代冶铁燃料的C鉴定利用炼铁炉渣测定炼铁遗址年代C测定和古代食谱研究1414仇士华蔡莲珍著，C测年及科技考古论集，文物出版社，2009.14142.8C测年结果的代表性问题C测年结果代表样品本身形成的年代。同一考古单元或同一地层单元中不同的含碳样品可能有不同的年龄，分别代表不同的考古与地质事件的年代。同一含碳样品中不同的碳质组分也可能有不同的年龄，代表不同的考古事件。14142.9C测年样品的代表性对采样和应用年龄数据的要求应尽量采集保存良好的动物骨骼、单年生的植物种子和保留有外层树轮的木头和木炭等样品。样品的出土层位必须明确，样品形成年龄与相应考古层位的年代之间的关系应明确、肯定。在应用C年龄数据时需要持严谨、分析的态度，关注测年样品的材质和出土情况。14143.热释光断代(Thermoluminescence)3.1热释光（TL）断代的基本原理热释光是石英、长石等透明矿物的磷光现象。绝缘结晶体受到放射性照射发生电离，形成电子和空穴，被晶格缺陷或陷阱所捕获，因此贮存起一部分辐射并长期保持下去。当加热时电子或空穴可从陷阱中释放出来，重新复合，并以光的形式释放出贮存的能量。这就是热释光现象。因此累积俘获电子数目与陶瓷烧制后所经历的时间成正比，所以通过测量这些俘获电子的数目就可确定样品的年代。3.2热释光测年的对象主要是陶瓷、砖瓦、炉壁、冶金用坩埚、金属器上残存的陶范和红烧土等曾经受过加热历史的黏土质样品，也包括经过加热的燧石质工具，所测年代反映样品最后一次受热以来的时间。陶器是用黏土烧制的，一般黏土中都含有微量铀、钍和少量钾等放射性物质。另外，还夹有结晶固体颗粒，比较多见的是石英，其次有长石、云母、磷灰石、锆石等。它们每时每刻都受到各类辐射的作用，包括粘土中本身含的铀系、钍系、钾-40放射的α、β、γ射线，周围土壤中放射的β、γ射线及宇