（科学技术史专业论文）锶同位素分析技术在贾湖遗址人类迁移行为研究中的应用.pdf

摘要 摘要 利用同位素分析技术可以有效地揭示考吉遗存孛蕴含的“潜”信息，这是 科技考古的重要组成部分，也是当前国际考古学研究的前沿和热点闯题之一。 自从1 9 8 5 年e r i c s o n 首次提出利用人类牙釉质和骨骼中的锶同位素比值来研究 人类的迁移情况和外来入口的来源地之后，这个方法就受到了考古学家的重视。 在过去的二十多年晕，考古学家们剩雳锶同位素分析技术对些考吉遗缝的人 类迁移现象进行了研究，结果表明使用这一方法是完全可能和可行的。囡外的 考古工作者在这方面已经取得了些有价值的研究成果，而在国内尚未见到相 关的研究报道。 本文主要以河南省舞阳县贾湖遗址发掘出土的入骨和动物骨骼为材料，利 用锶同位素分析技术对贾湖遗址的人类迁移情况进行了研究。本次研究是对这 一方法在中国考古学实践运用中的尝试和探索，同时也是对贾潮遗址的进步 研究。 贾湖遗址是我国一处重要的新石器时代遗址，距今约7 5 0 0 - 9 0 0 0 年。1 9 8 3 年至2 0 0 1 年期间，考古工作者先后对贾湖遗址进行了七次发掘。在发掘过程中 出土了大量保存完好的动物和人类骨熬，这些为我们剩用键圊位素分麦蠢技术研 究贾湖遗址古人类的迁移情况提供了有利条件，也为研究新石器时代中原地区 史前人类的迁徙和流动情况提供了可能性。在本次研究中，我们从遗址出土的 第一至第三期的动物和人类骨骼遗存中选取了5 9 个样品进行分板，整个实验过 程是在中国科学技术大学壳幔物质与环境重点实验室完成的。研究结果表明： 猪牙釉质中的锶含量明显的比人牙釉质中的锯含量要高，进一步证明了锶浓度 在食物链中随着营养级的升高而降低的规律；在人体内，牙本质中的锶浓度明 显离子牙釉质中的锶浓度，骨密质中的锶浓度稍高于牙本震中嚣锶浓度；在对 个体迁移行为的研究中，根据9 个猪牙釉质样品s 7 s r s 6 s r 平均值圭2 倍的标准偏 差确定的贾湖遗址拍地锶同位素比值，与5 0 个人类样品的锶同位素比值进行了 比较，发现在所分概的3 2 个人类个体中有1 2 个是外来迁入的，占所分析个体 的3 7 5 ，表明贾湖遗址中的个体有着较高的迁移率，并且按照时间的顺序，迁 移率从第一期到第三期有明显增加的趋势，同时也表明在7 0 0 0b c - - 5 5 0 0b c 年闻，中原地区的燹湖聚落与周围同时期的其他聚落问有篱密切的经济和文化 囊萋蓁l l ! 茎囊i 雾薹箕墨毽羹蒸瞻 i 重李! 霎霎蓁蓁篓鬟! 耋篓i 萎搴垂董笺墓亨i 曩妻零；譬重! 囊鏊麓曼萋耄? 薹零量i 妻霎藩霞l ；贾薹霎螫戮篓! i 耋墨笔霎篓蚕蚕霞引j 雾l 霉主i 至雾! 垂了萋矍；妻勺尹孽謦謦垂i ；譬囊! 蚕；妻霆；蓬薹：毒薹! 理莺鍪善 i 霎霪；警篓羞喜矍矍毒毳毳萝鎏詈| 寻薹! ：| ! 霉螽i 孳毳! 蠢嘎薹鐾i ；堕譬 薹蠢窆需萎奏i 鬈雾譬蕊掣i i 鐾麦| l l 薯薹墨薹重垂堡i 囊蓁萋l 薹季；重墓喜喜il 奏薹ij i 羹囊毒遁l 甄耄霪窖掌雩莲! 茎囊囊薹! 薹蠹i 写荔篓雾笔搴 善美i i 要；霉鼙毛；i ；霞薹l 蓁薹誊室美篱! 萝萝塞耋攀墓霪i ；藿鱼童i ；j 毒囊i 墓l 善i ；i 耋阮霸j 委羲羹【萋j 雾萼薹雾擎i 鍪蘩孝 蠢爹 孽主三：霎气粪耄一篓 x a b s t r a c t a b s t r a c t i s o t o p ea n a l y s i st e c h n o i o g yc o u l dr e v e a lt h ei a t e n ti n f o r m a t i o no fa r c h a e o l o g i c a l r e m a i n se f f e c t i v e l y ，w h i c hi sa ni m p 鳅a n tt 0 0 lf o ra r c h a e o m e t r y i ti sa l s ot h ef b n t i e r o fc 眦n ti n t e m a t i o n 2 l 1a r c h a e o l o g y e r i c s o n ( 19 8 5 ) f i r s tp r o p o s e ds t r o n t i u mi s o t o p e r a t i oi i lh 眦a i lt o o t he n a m e la n db o n et 0i d e n t i f ym i g r a t i o n 觚dt h eg e o l o 西co r i 垂n s o fi m m i 伊a n t s s x a b s t r a c t i d e n t i f i e da l si m m i 伊a n t sa c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o nd e t e r m i n e db yt h ea v e r a g e 8 7 s r 8 6 s r “n i o s 士2s d o f9p i ge n a m e ls a m p l e s i ts h o w st h a tt h e r ei sah i g hr a t eo f h u m a i lm i g r a t i o ni nj i a h ur e l i c s w i t hr e s p e c to ft i m es p a n ，i ti so b v i o u s i yt h a tt h e r a t e so fi m m i 伊a n t sa r ei n c r e a s i n gf r o mp e r i o dit op e r i o di i i o u rr e s u i t sa i s os h o w m ec l o s ec u l t u r a la n de c o n o m i ct i e sb e t w e e nd i f l f e r e n th u m a n 口o u p so fj i a i l ur e l i c s a n da r o u n dr e l i c si nc e n t r a lc h i n a 打o m7 0 0 0b c t o5 5 0 0b c ，e s p e c i a l l yi nl a t e p e r i o do f j i a h ur e l i c s t h i si st h ef i r s t a t t e m p tt oa p p l ys t r o n t i u mi s o t o p ea n a l y s i s t oc h i n e s e a r c h a e o l o g y ，w h i c hs h o w sap o w e m lm e t h o di d e n t i 黟i n gp r e h i s t o r i cp o p u l a t i o n m o b i l i t ) ri nj i 出mr e l i c s o fc o u r s e ，t h e r ea r em a n ys h o r t a g e si nt h i sa r t i c l ew h i c hn e e d t ob e 如n h e rs t m d yi nt h e 觚u r e e s p e c i a l l y b e c a u s ei ti st h ef i r s tt i m et ou s et 1 1 i s m e t l l o di nc h i n e s ea r c h e o l o g yr e s e a r c ha n dt h es o u r c eo fs a m p l e si ss i n g l e ，w eo n l y g e tt h em i g m t i o ni n f o 硼a t i o na b o u tp r e h i s t o r i ch u m a ni nj i a h ur e l i c sa n dr e c o g n i z e t 1 1 a t “t h e r ei sah i 曲r a t eo fh u m a nm i g r a t i o ni nj i a h ur e l i c s ”w i t h o u ta n yo t h e r r e l a t e di n f o m l a t i o nt oc o m p a r ew i t h ，w ed o n tl ( n o ww h e r et h ei m m i g r a n t sc a m ef 两m a n dw h i c hs e n l e m e n t st h eh u m a nb e i n g si nj i a j l uc o n t a c t e dw i t h t h e s ep r o b l e m sw i l l b es e t t l e da 盘e rw er e a l i z et h ed i s t r i b u t i o no fs t r o n t i u mi s o t o p ei nt h i sa r e aa n dt h e m i g r a t i o ni n f o h i l a t i o na b o u tt h er e l a t e dr e l i c s k e yw o r d s ：s t r o n t i u mi s o t o p e s ，e n a m e l ，d e n t i n e ，c o m p a c tb o n e ，h u m a nm i g r a t i o n ， a r c h a e o l o g y j i a h ur e l i c s l v 图序 图序 图1 1论文结构图6 图3 1贾湖遗址出土遗物3 0 图3 2 贾湖遗址地理位置示意图31 图3 3 碳十四，热释光和光释光测定年代数据的分期比较3 4 图3 4 河南省裴李岗文化遗址位置图3 6 图3 5 贾湖墓葬4 0 图3 6 贾湖动物骨骼4 l 图4 1骨骼的分类和结构4 6 图4 2 牙齿的分类和结构4 7 图4 3 人类牙冠的形成时间4 9 图5 1保存较好的骨骼和牙齿6 l 图5 2 斯瓦特克朗遗址附近植物和土壤中的锶同位素比值6 3 图6 i 取样位置示意图7 7 图7 1贾湖遗址样品的锶同位素比值和浓度关系图8 5 图7 2 贾湖遗址样品锶同位素比值柱状图8 7 图7 3 贾湖墓葬出土的龟甲和石子9 0 表序 表序衣j 于 表3 1碳十四、热释光和光释光测定的年代数据表3 3 表4 1古人类迁移情况分析表5 2 表5 1各种动物盯s r 糖s r 的平均值，标准偏差和变化系数表6 5 表6 1猪牙釉质的取样表7 3 表6 2 取样墓葬及个体的概况表7 4 表6 3 贾湖人类骨骼和牙齿取样表7 5 表7 1贾湖遗址样品的锶含量表8 l 表7 2 贾湖遗址样品锶同位素比值表8 3 i x 中国科学技术人学博十学位论文 第1 章绪言 1 1 选题的缘起和背景 科技考古学是利用现代科学技术手段获取考古信息的考古研究，是人文科 学与自然科学融合而形成的一门考古学分支学科。近年来随着科学技术方法和 手段在考古学中的逐步推广，正在给考古学的研究带来一场革命性的变化，进 一步提高了考古学调查、发掘和研究中的科学技术含量，使考古学的研究越来 越精彩。 河南省舞阳县贾湖遗址是我国一处重要的新石器时代遗址，自从6 0 年代发 现至今，已先后进行了七次科学发掘，并进行了多方面的研究，取得了丰硕的 成果，尤其是七音阶骨笛l i 】【2 l 、成组随葬并装有石子的龟甲及其契刻符掣3 】最为 引人注目。此外，还发现了具有原始形念的栽培粳稻遗存1 4 j 和世界上最早的米酒 残留物网。 为了进一步了解贾湖遗址，揭示出土材料所蕴藏的丰富信息，张居中教授 近年来又开展了贾湖史前人类及生存模式的研究，其中的一个重点就是贾湖遗 址古人类迁移行为的研究。贾湖遗址出土了四百多具人体骨骼和大量的动物骨 骼，已经对这些材料进行过体质人类学和人类食谱方面的分析，取得了很好的 研究成果，这些骨骼同时也是分析人类迁移最直接最可靠的材料，可以进行进 一步的研究。由于本人大学时的专业是生物学，进入科大后跟随张居中教授从 事生物考古方面的研究，在学习了科技考古课程的同时，还选修了地球化学专 业的一些相关课程，因此张居中老师便安排我以贾湖遗址的人和动物骨骼为研 究对象，进行古人类迁移方面的研究，并以此作为我博士论文的研究内容，这 也与当前科技考古学的前沿研究领域相一致。张居中教授是贾湖遗址考古发掘 的领队和主要研究者，对贾湖遗址有着深入的了解，并于1 9 9 9 年以第一作者身 份在n a l u i 也杂志上发表了有关贾湖遗址的研究论文l ij 。地球与空问科学系的 杨晓勇老师作为我的第二导师，主要指导我的实验安排与实验数据处理工作。 在两位导师的悉心指导下，经过学习与实验研究，我基本掌握了研究的方法， 完成了实验分析，获得了较为满意的研究成果，本论文就是这一阶段性工作的 中国科学技术人。学博十宁：位论文 汇报。 1 2 选题意义 古人类的迁徙与传播以及相邻群体问人口的交往与交流状况，历来是人类 学、考古学、历史学、民族学、社会学等学科领域相关研究人员关注的热点问 题。研究人员一般都是通过人种特点的观察与分析、考古学文化因素的变化与 解读、历史文献中有关人口迁移的记载、民族学上有关民族起源与传播的分析、 社会学上有关婚姻形式的变迁等方式来进行研究的，并且都取得了丰富的研究 成果。但是，对于没有文献记载或文献记载不详的史前和史初时期，应用上述 方法往往就很难解决。随着现代自然科学分析技术的提高，通过对人骨遗存的 锶同位素比值进行分析，不但可以直接而又科学的对人类迁移的情况作出判断， 而且还可以验证其他研究方法所得的结果并提供进一步的证据，因此丌展这方 面的研究工作在考古学研究中有着重要的作用与研究前景，下面从三个方面分 别加以介绍。 1 2 1 必要性 8 0 0 0 年前的贾湖文化以其发达的稻作农业、高度的原始宗教和音乐文化盛 极一时，在延续了千年之后，这一分布区内的考古学文化似乎进入低俗，最后 不知去向。贾湖文化的创造者起源于何处? 最后这些创造者是在原地活动还是 向外迁移了? 这些问题至今仍没有得到很好的解决。传统的研究方法一般都是 对考古遗存进行文化因素的分析，通过对遗物的流通和传播情况来推测人类群 体的迁移状况，而人类的迁移具有很大的灵活性，这种方法获得的结果往往具 有很大的不确定性，所得的结论都不是肯定的。贾湖文化作为一支重要的考古 学文化，必然与其他文化之问有着相互的影响和交流。目前在对贾湖遗址与其 他遗址关系的研究中，基本都是运用传统的考古学方法，通过对各文化遗址的 器物类型、组合关系、经济形态等方面的对比进行的，由于这些方法获得的证 据往往都是间接性的，只能对各文化存在的关系进行推测，因此很难得出确定 的结果。 近年来科技考古学的发展迅猛，越来越多的自然科技手段和方法运用到考 中国科学技术人学博十学位论文 古研究中，用以观察、记录、保存、公白所见到的遗存，以及深入而准确地揭 示所研究对象的面貌，极大地扩展了考古学研究的深度和广度。例如：在考古 探测时，使用了航空摄影、红外及紫外线和x 射线照相，以及遥感测量和电阻 测量技术；在遗存年代测定时，使用了孢粉分析、氮分析、氟分析和铀分析， 以及钾一氩断代、树轮年代测定、古地磁法、热释光法和碳十四法等：在追踪 陶器、铜器等遗物的产地时，使用了原子吸收光谱( a a s ) 、x 射线荧光分析( x p f ) 等微量元素分析技术和同位素示踪方法；在研究人骨的性别、年龄及其间的遗 传关系时，使用了体质人类学的分析方法及d n a 的分析技术；在分析考古遗存 时，除运用数理逻辑外，还使用了概率论和模糊数学来研究考古遗存，当然， 也少不了计算机的运用。由此可以看出，科技考古学的兴起和发展，是考古学 本身发展的需要和必然趋势。最近二十年来，在欧洲、美洲及非洲的考古学研 究中，考古学家们丌始利用锶同位素分析技术来研究古人类的迁移，在一些遗 址的研究中已经获得了很好的成果。虽然这个方法在实际运用中还存在不足之 处，但是理论基础是可靠的，并且随着实验仪器的改进和分析技术的提高，所 得的结果会更加准确。因此，在对贾湖遗址进一步的研究中，有必要利用此分 析手段对贾湖遗址古代人口的迁移情况进行研究，同时也可以为贾湖文化与周 围其他文化之间关系以及贾湖文化的来源和去向等问题的研究提供一些线索和 证据。 1 2 2 可行性 在考古学的研究和发展过程中，一个原理或者方法的形成往往都有一个过 程：首先根据考古学的实践需要，借鉴其他学科已经形成的方法，然后运用或 者加以改进后运用于考古学的研究中，并且在实践中不断探索、完善这些方法， 使之适用于考古学的研究，成为常规的考古学研究方法和手段。 近年来，随着地球化学的迅速发展以及质谱仪等分析仪器分析精度的提高， 同位素分析技术被越来越多的运用到其他学科和研究领域之中。锶同位素分析 技术是一种有着可靠理论基础、分析精度很高的分析方法，国外的考古研究者 已经将此技术运用到考古研究中并且取得了一些有价值的研究成果，表明此方 法是实际可行的。贾湖遗址出土了大量的保存较好的人和动物骨骼遗存，是进 行锶同位素分析的理想材料，可以进行古人类迁移方面的研究。因此，对贾湖 中国科学技术人学博十学僚论文 遗址出土的骨髓遗存进行锶同像素分析，研究贾潮遗址吉人类的迁移情况，符 合新的考古学研究方法形成的规律，同时也是贾湖遗址进一步研究的需要。同 时，在实际的研究中，中国科学技术大学具有良好的实验设施，并且有地球化 学专业的杨晓勇老师作为指导老师，这些都必开展此项研究工作提供了有利瑟 条件。 1 2 。3 前瞻性 贾湖遗址位于河南省舞阳县，这一地区古人类活动频繁，各个历史时期均 有丰富的文化遗存。在旧石器时代就有人类活动的遗迹，在河南省许吕市许昌 县灵并的| 固石器时代遗迹中，黧了大量的动物化石、缨石器及打制石器，尤 其是在2 0 0 8 年初，考古工作者在第四纪晚更新世早期地层中发现了一具古人类 头盖骨化石，距今约8 l o 万年1 6 1 。在舞阳大岗也发现有细石器文化遗存，表明 在一万多年翦的l 目石器时代就有入在此地活动。在距今七八千年酶的翦仰韶时 代，除贾潮遗址外，还发现有漯河翟庄、舞阳大岗、潮南郭、张王庄、阿岗寺 等遗址。到了距今五六千年前的仰韶时代，古文化发达，居民点较多，已发现 的有舞阳湖南郭、阿岗寺、东淌、留庄等遗址。到了距今约4 0 0 0 多年的龙山时 代，这一带的古文化剩十分发达。到了商周时期，古文化更是发达，发现了大 量的古城址、古遗址和古墓群遗迹。从这些考古资料我们可以看出在地处中 原地区的河南省，旧石器时代就有人类活动，到了新石器时代，从最早距今约 9 0 0 0 年开始的贾湖文纯到龙出时代文化，在这长达5 0 0 0 年的文化发展史巾，新 石器遗址数量之多、文化内涵之丰富、总的文化发展水平之先进，在全国其他 地区是罕见的，也是其他地区所不可比较的。中国文明时期的第一个王国 夏代也就出现在中原地区。由此我们可以看出，中原地区文明的形成和发展在 中国文甓起源形成的过程中具有举是轻重的作焉。 史前和史初时期是人类文明的奠基时期，尤其是新石器时代，是人类物质 文明和经济文明形成和发展的重要阶段，而地处中原的河南省新石器文化不但 有悠久的发展历史，焉显在整个新五器文化的发展中占有重要的地位，因此， 有必要对中原地区文明的形成和发展进行更深入的研究。在本次研究中，我们 运用锶同位素分析技术，对河南省新石器时代早期的舞阳贾湖遗址的古人类迁 移现象进行了研究，为解决贾湖文化与周圈其他遗址文化的关系以及贾湖文化 中国科学技术人学博七学位论文 的来源和去向等问题提供一些线索和证据，同时也为此方法在国内考古研究中 的开展和运用提供一些经验。如果这一分析技术在史前时期各个遗址的研究中 加以推广，取得有价值的研究成果，则可以很好的了解中原地区各文化的人口 交流和传播情况，对研究中原地区物质文明和经济文明的起源和发展具有重要 价值。同时由于中原地区在中国文明起源中占有重要地位，因此，这一方法的 进一步推广应用，对研究中国文明的起源与形成都具有重要的理论和实际意义。 1 3 论文的研究内容与结构 本文主要以贾湖遗址出土的人骨和动物骨骼为材料，通过锶同位素比值的分 析，来研究贾湖史前人类的迁移情况，所做的研究属于科技考古学的研究范围。 本文的研究思路是：首先，对世界各地利用锶同位素分析技术研究古人类迁移 的文献资料进行搜集整理，结果表明_ 丌展此项研究工作是切实可行的；接着对 贾湖遗址的情况进行了简要介绍，表明在贾湖遗址的进一步研究中有必要开展 人类迁移方面的研究工作：然后介绍了利用锶同位素分析技术研究古人类迁移 的理论基础，并对实际研究中存在的两个关键问题进行了讨论：最后对贾湖遗 址人骨和动物骨骼进行了取样和实验分析，并对实验结果进行了分析和讨论。 本论文的具体结构如下： 第l 章主要介绍了开展此项研究工作的缘由和意义，以及本文的研究内容和 研究思路。 第2 章主要介绍了锶同位素在考古学中的应用，以及国内外利用锶同位素分 析技术研究古人类迁移的现状。 第3 章主要介绍了贾湖遗址的概况，通过比较的方法对贾湖遗址的年代框架 重新进行了讨论，并对贾湖文化与周围文化的关系以及贾湖文化的来源和去向 等问题的研究进行了介绍。 第4 章主要介绍了利用锶同位素分析技术研究古代人类迁移的原理。 第5 章主要介绍了在实际的研究过程中存在的两个关键问题，并对处理方法 进行了讨论。 第6 章主要介绍了所选取的贾湖样品以及实验分析过程。 第7 章主要介绍了实验分析的数据和所得出的结果，并根据实验结果进行了 讨论。 中国科学技术人! 学博十学位论文 第8 章主要介绍了通过此项研究所取得的成果，指出了研究的不足以及今 后努力的方向。 第1 骺绪苦 - _ _ 一一_ l - 、i f 幽1 1 论文结孛勾幽 6 研究概滋 研究对象 研究方法 实验和结柒 中国科学技术人学博十学位论文 参考文献( r e f e r e n c e s ) 【1 】z h a n gj ，h a r b o t t l eg ，w a n gc ，k o n gz o l d e s tp l a y a b l em u s i c a li n s t r u m e n t s 怒潮湛a tj i a h l le 融yn e o l i 搬i cs i 姥i ne h i 滟。姚f 秘愆，1 9 9 9 ，4 0 l ：3 6 6 3 6 8 f 2 】z h a n gj ，x i a ox ，l e ey t h ee a r l yd e v e l o p m e n to fm u s i c ：a n a l y s i so f 饿ej i a h u b o n ef l u t e s 么甩嘶”f 矾2 0 0 4 ，7 8 ( 3 0 2 ) ：7 6 9 7 7 8 p 】l ix ，h a r b o 嘲eqz h a n gj 甜矗tt h ee a r l i e s w d i n g ? s i g nu s ei nt h es c v e n m 撒i l l e 濉i 啦b c 鑫专j i 弧u ，疆e 魏熊p 沁v i 辩e ，c h i 娃a 。么露脚鼯砂，2 0 0 3 ，7 7 ：3l 4 4 【4 】z h a n gj ，w a n gx n o t e so nt h er e c e n td i s c o v e r yo fa n c i e n lc u i t i v a t e d c ea t j i a h u ，h e n a np r o v i n c e ：an e wt h e o 碍c o n c e m i n gt h eo r i g i no fo r ) r z aj a p o n i c ai n c h i 隰。蠢露翘豁l 织1 9 9 8 ，7 2 ：8 9 7 9 0 l f 5 】m c g o v e mp 段z 五a n gj ，翔n gj 舛以f e 肭e n t e db e v e r a g e so fp 糟一觚d p r o t 0 - h i s t o r i cc h i n a 尸_ m 4 s2 0 0 4 ，1 0 l ( 5 1 ) ：1 7 5 9 3 1 7 5 9 8 【6 】h 挺p ：魄u i t u r e p e o p l e c o m c n 舱b 彪2 2 1 9 惩8 0 8 4 1 6 h 弧l 7 中国科学技术人学博十学位论文 第2 章锶同位素在考古学中的应用概述 同俄素地球化学也有人称为核素地球化学、核地球化学或闷链素地质学。 它是地球化学向更深层次发展恧产生的门掰分支学科，其研究对象是自然界 尤其是地质作用和地质体中同位素的丰度及其演化规律。随着原予核物理、同 位索化学理论的发展和质谱、微量元素分析测试技术的进步，在本世纪4 0 年代 末和5 0 年代初丽位素地球化学己形成一门独立豹学科。同位素地球化学的发展 和研究讵处在一种飞跃的状态中，在以往短短的不到一百年的时蒯里，自从应 用这种新的方法得出初步的解释以来，已经取得了非凡的成果，解决了争论上 百年的南菲南德斯企矿的成因等一系列重要问题，也有大量的数据和文章面世。 理论基础的逐渐完善，实验技术的不断发展，使得地球化学急剧的发震至今为 止仍然在继续进行着，并不断与其它学科楣互渗透形成新的学科分支。因此， 同位素地球化学已远非局限予研究地球及其他星体，在化学、生物学、医学、 考古学等各个学科中都有广泛的应用，并扩展到各个研究领域中。本章主要对 锶同位素在考古学中的应用馋一介缨，主要包括两个方面的内容：古人类食谱 结构和组成研究中的应用：古人类迁移研究中的应用和囡内外研究现状。 2 。 同位素的概念 1 9 1 0 年英国化学家f 索逋提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量 和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些交种应处于周期表的同一 位鼍上，称做丽位素。1 9 3 2 年提出原子核的中子一质子理论以后，进一步秀清， 同位素就是一种元素存在着质子数相同而中予数不同的几种原子。由于质子数 相同，所以它们的核电荷数和核外电子数都是相同的( 质子数= 核电荷数= 核外 电子数 ，并其有相同电子层结构。因此，同像素的化学性质是相同的，但由于 它们的巾子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物 理性质( 如放射性等) 也有所不同。一般来说，质子数为偶数的元素，可有较 多的稳定同位素，而且通常不少于3 个，而质子数为奇数的元素，一般只有 令稳定核素，其稳定同俄素从不会多于两个，这是由核予的结合能所决定的。 8 中国科学技术人学博十学位论文 同位素可分为两大类：放射性同位素和稳定同位素。凡能自发地放出粒子 并衰变为另一种同位素者称为放射性同位素，其中有些是长寿命的，例如8 7 r b ， 它能自发衰变，形成稳定的盯s r ，有些放射性同位素，须经过连续的衰变过程才 成为最终的稳定同位素，例如刀8 u 放出8 个a 粒子衰变为2 0 6 p b ，有些是短寿命 的，例如唧i ，它存在于太阳星云演化早期，现在早已衰变完了。稳定同位素指 无可测放射性的同位素，其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物，例 如2 p b 和盯s r 等，称之为放射成因同位素，另一大部分是天然的稳定同位素， 即自核合成以来就保持稳定的同位素，例如3 c 和1 2 c 、1 8 0 和1 6 0 、3 4 s 和3 2 s 等 【2 】。到目前为止，在已发现的元素中，存在着约3 0 0 种稳定同位素，而放射性同 位素多达1 5 0 0 种以上。 同位素及它们的化合物，与自然界存在的相应的普通元素及其化合物之间 的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质，因此，可以 利用同位素作为示踪剂来进行示踪研究。这一方法在各学科及研究领域中都有 着广泛的应用，比如在农林业的研究中，可以利用碳同位素研究土壤碳循环、 光合作用及其同化产物的传导和分布、植物水分利用效率、土地利用变化、农 药残留代谢、降解和代谢等，可以利用氮同位素研究农林n 2 0 释放机理、固氮 植物固氮量能力的分析以及氮素转化、氮肥利用率等p j ；在食品产地的研究中， 可以利用h 、o 、c 、n 、s 、b 、s r 和p b 等同位素来追溯食品的原产地，有利 于保护地区名牌，确保公平竞争，并能有效防止食源性病源菌的扩散【4 j ；在微生 物生态学的研究中，可以将稳定同位素标记技术同分子生物学技术结合起来而 成为一种稳定同位素探测技术( s t a b l ei s o l o p ep r o b i n g ，s i p ) ，在对各种环境微生 物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时，还可以确定其在环境中的功能，提供 复杂群落中微生物相互作用及其代谢功能的大量信息p j ；在环境科学的应用中， 可以利用稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成，且具有分析结果精确稳 定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点，用于环境事件的仲裁、环境污染的 来源分析研究【6 1 。在考古学的研究中，研究人员可以利用同位素追寻出土器物的 原产地【7 1 ，研究古人类食谱的结构组成【8 】，了解古人类的迁移行为【9 1 。 2 2 锶元素在食谱研究中的应用 在考古遗址的发掘过程中经常可以获取大量的人和动物骨骼，这些材料保 9 中国科学技术人学l 髯十学位论文 存了生物生长、发育、取食以及环境等各方面的售惠。实际上，詈髂也是古代 生物所遗留下来的蕴含生物生长、所吃食物和生活坏境等信息的最直接最可靠 的材料，因此在考古化学的研究中，通常都选用遗址中出土的骨骼作为研究对 象。羹i l 于詈髓是人体建最颦矮的缀织，不易发生变纯，笼其是夫熬牙釉质，嚣 此考古遗址中出土的牙齿也是最理想的分析材料f o l l l l l l l 魏。 食物是人类生活的必需晶，可以反映人类社会的许多信息，如生活方式， 社会地位等，嚣此吉食谱的_ 磷究在考古学的研究孛占有重要靛地位，围嚣孪也是 考言学文他酌最基本要素之一。遵过对入骨中各释元素的分柝并结合考吉发握 的信息，可以对古人类所吃食物有所了解，进行古人类食谱的重建。在古食谱 研究的过程中，通常对入骨中的c 、n 、o 、s r 、p b 、c a 、b a 等元素进行分析， 魄魏对人骨孛碳同短素( 4 和珏e 进行分褥，哥瑷了解吉人类食谱中e 3 和 c 4 植物的相对比例：对入骨中西n 进行分析，可以了解入类食谱中海洋性食物 和陆生食物的比例，植物性食物和动物性食物的比例，还可以对肉类食物中蛋 鑫裴熬来源进雩亍推测等。 锶元素在人类吉食谱的研究中也有着重要的应震，在研究的过糕中可虢单 独分析锶元素，也可以将锶元索与其他元索结合起来共同使用。锶主冀集中在 较低层次豹草食动物中，随着食物链豹上升，从革食动物、杂食动物到肉食动物， 锶元素含量逐渐降低，也就是低营养缀的动物体走麴褥元素含量较高，高营养 级的动物体内锶含量较低。舆德姆经过研究后发现了锶元素在较高级捕食动物 营养级上的一些区别，以及它在脊椎动物组织系统中的分靠情况【l3 】：人体内的 镪元素有9 9 | 存在予骨髓中，大部分都是来源子食豹，夸部分来鸯予饮溺泰， 一般不到l o ：在食谱中，肉类食物中的锶元素含量要远远低予蔬菜类食物中 锶元素的含量。在考古学的研究中，考古学家可以利用遮一规律对古人类食谱 进行磷究，如聚骨髂孛麴键浓度很高，表明食谱中植物类食物占较大比重，如 果骨骼孛锶浓度较低，剐表赐食谱串悫类食物的毙例较大。但是各个地区锶元 素浓度存在着差异，可能导致不同地区食谱组成不同的古人类骨骼中存在着相 似的锶含量，也可能导致不嗣地区食谱组成媚似的古人类骨骼中锶台量存在着 较大的差澍。因此，这一方法只适合于同区域蠹人类食谱孛爽类食物和植耪 类食物组成的研究，通过对个体食谱组成的了解，进一步可以获取个体在当时 社会中的地位和社会关系等信息。 出予镶弱键在生物体肉有着褶耘懿传递现象随着营养级豹升嵩浓度降 1 0 中国科学技术人学博十学待论文 低) ，在研究中通常将钡和锶联合起来共同分析生物的食谱组成。海水中的硫 酸盐浓度很高，硫酸盐中的s 0 4 厶常和b a 2 + 形成不溶于水的b a s 0 4 ，从而极大的减 少了海水中的钡，降低了b a s r 比值，因此，海洋生物体内的b 彩s r 比值要远远低 予陆地生物体内的转彩s f 比值。一般说来，陆地环境中的b & 比值般接近于l ， 而海水中的b a s r 比值小于o o o l ，即海洋生物体内的b a s r 比值要比陆生生物体内 小若干个数量级。研究发现，海洋生物和史前以海洋生物为食物来源的古人类 骨熬巾的b a 怨r 比值也菲常低。因此，考古学家们可以利用人类骨骼系统中b 彰s f 比值的差别来研究史前古人类食谱中陆生食物和海洋食物所占的眈例醛稍。 w e s s e n 等曾成功地利用这一方法区分陆生与海生哺乳动物的骨骼州；j a i n e s b u r o n 等调查了1 4 5 个地方的7 1 个入骨的b a s r 比值，并根据b a s f 比值将他们分为 三类：食物孛不含海洋生物；食物由海洋生物组成；食物中含有陆尘生物和海 洋生物两种，海洋生物居岁吣j 。 钙和锶都是第二主族元素，化学性质相似，因此锶能在多种生理和生化环 境中取代钙。在生物体内，当个体在消化食物和吸收营养时，钙被优先吸收， 而锶却不易被肠壁吸收，从而造成了钙和锶在吸收上的差舜，这样锶在沿着食 物链传递的过程中，就存在着生物纯化现象i r 7 1 。由于生物吸收的s r 和c a 大部 分沉淀于骨骼中，因此随着食物链的上升，生物骨骼中s r c a 比值将逐渐减小。 具体的说，食草类动物骨骼的s 托a 比值大约等于它们所食掇物s 彩c a 比值的l 终， 食肉类动物骨骼的s r c a 比值则相当于其所吃食草类动物s r c a 比值的l 5 。考 古学家根据这一规律对古人类骨骼中s r c a 比值进行分析，可以推测古人类食谱 中肉类食物和植物类食物所占比例。在对古人类食谱的研究中，通常将锶元素 和其他一些微量元素联合起来使用，从而可以对人类的食谱结构有更全面更合 理的了解。 2 。3 锶同位素在人类迁移研究中的应用 地质学家们首先根据岩石中锶同位素组成的差异，对火成岩和沉积岩进行 定年研究，随着同位素分析技术的迅速发展和逐渐成熟，这一技术在诲多研究 领域都得到了应用。锶同位素在自然坏境中的分布存在着差异，研究者们可以 利用这现象分析研究对象的锶同位素组成，进行各种汞踪研究。例如，通过 锶同佼素分析确定备_ 种动物如鲢鱼，猛犸象和乳齿象的迁移路线l i g l l l 9 j f 2 0 1 2 ，确 中国科学技术人学博十学位论文 定非法猎取的犀牛角【2 2 】和象牙f 2 3 1 1 2 4 】的地理来源；利用锶同位素作为生态坏境变 化的指示剂【2 5 j 【2 引。近来，研究者们还利用锶同位素分析技术研究葡萄酒和瑞士 乳酪的来源地【z7 j 1 2 引。 在考古学的研究中，利用锶同位素分析技术可以获取石器【2 9 】、古玻璃【3 0 】、 玉米及木材【3 i j 【3 2 j 的产地信息。考古学家运用最多的则是利用人体牙釉质和骨骼 中锶同位素比值间的差别来研究古人类的迁移，这也是考古学研究的一个重要 方面。在国外，考古学家已经用此方法对许多遗址古人类的迁移情况进行过探 索和尝试性的研究，在一些研究中已经取得了很好的成果，在国内，山东大学 东方考古研究中心的方辉教授在中国文物报上曾对锶同位素分析技术研究古人 类迁移的方法作过简要的介绍【3 3 1 ，但目前还没有看到相关的具体研究报道。本 论文主要是利用锶同位素分析技术对贾湖遗址古代人类的迁移行为进行的具体 研究，在研究过程中主要参考了国外相关领域研究人员的经验和方法。有关利 用锶同位素分析技术对人类迁移进行的研究，据笔者目前所见，最早的一篇文 章是1 9 8 5 年e r i c s o n 发表在j o u m a lo f h u m a ne v o l u t i o n 上的，文章对曾经居住在 太平洋沿岸和加利福尼亚洛杉矶附近桑塔莫尼卡山脉的内陆地区的史前 c l 啪a l s h 印第安人进行了研究【3 4 j 。这里本人就当前利用锶同位素分析技术研究 古人类迁移所取得的一些主要前行成果，按照地域分稚简要叙述如下： 2 3 1 美洲地区 在中美洲地区，玛雅文明是古代文明的杰出代表，主要分布在墨西哥南部、 危地马拉、伯利兹以及洪都拉斯和萨尔瓦多西部地区。h o d e l l 等1 3 5 j 对古代玛雅 地区的水、基岩、土壤和植物的锶位同素比值进行了测定，目的是为了检测几 个玛雅亚区之问的锶同位素比值之间是否存在着足够大的差异来辨别古人类是 否发生过迁移，实验数据表明这些地区的锶同位素组成差别较大，完全可以利 用骨骼遗存中锶同素的比值对古代人类的迁移情况进行研究。位于危地马拉境 内的蒂卡尔( t i k a l ) 是玛雅文明的最大遗址，在玛雅文化最兴盛的时期曾有数 十力人在此生活，w r i g h t 【3 6 】对遗址中出土的8 3 个古代人类骨骼遗存进行了锶同 位素分析，结果发现有8 个个体骨骼中锶同位素比值与当地的比值存在着明显 的差别，推断为外来人口，占所分析个体的1 0 左右。奇坦( c h i t 锄) 曾是蒂卡尔 ( t i k a l ) 的统治者，在位时间为公元7 6 8 7 9 0 年，研究者对奇坦墓志的解读表 中国科学技术人学博十学位论文 明奇坦是在古代墨西哥印第安人的另一个古城特奥蒂瓦坎( t e o t i h u a c a n ) 出生并 长大的，后来到蒂卡尔成为统治者。w r i 曲t 【3 7 l 对奇坦墓葬出土的骨骼进行了锶同 位素分析，实验的结果与墓志的记载有所不同，研究表明奇坦的幼年时期并不 是在特奥蒂瓦坎尘活的。特奥蒂瓦坎古城创造的文明，不仅支配着当时的整个 王国，还影响了邻近的玛雅人的发展，特奥蒂瓦坎文化约形成于公元前5 0 0 年， 公元l 6 世纪发展到鼎盛时期，近年的考古发掘表明，这座由数以千计的建筑 组成的城市，有众多的街道、店铺和作坊，还有专门的商业区或手工业区。p r i c e 等p 列对这个城市不同区域出土的人类骨骼遗存的锶同位素组成进行了分析，包 括7 1 个取自于特奥蒂瓦坎的样品( 包括6 2 个人类样品和9 个兔样品) 和l o 个 阿尔万山( m o m ea l b 磊1 1 ) 遗址的人类样品。研究结果表明在特奥蒂瓦坎古城的 不同区域都居住有外来移民，而且不同区域的外来人员的锶同位素比值也存在 着差异，说明这些外来人口不是来自于同一个地区。其中有些外来人口的锶同 位素比值与阿尔力山遗址人类样品的锶同位素比值接近，表明这些个体原先是 生活在阿尔万山遗址处，后来迁移到特奥蒂瓦坎古城居住的。在墨西哥湾东部 城市坎佩切湾( c 锄p e c h e ) 的中心地区发现了一座早期殖民地时期的教章和大 片的墓地，使用的时间在1 6 世纪中期到1 7 世纪晚期。有些个体遗存的牙齿形 态具有西非地区的特征。蹦c e 等【”j 对这些牙齿的锶同位素进行了分析，共分析 了1 0 个样品，其中有4 个牙齿的锶同位素比值异常高，表明这四个个体不可能 是当地出生的个体，甚至不可能是来自于中美洲地区的个体。这些个体牙齿的 锶同位素比值与西非地区的比值接近，可能在e 1 m i i l a 港口的附近，由于这个地 区是1 6 世纪新大陆的主要奴隶来源地，因此推测他们很可能是最早被贩卖到美 洲的奴隶。 在北美洲地区，由于美国亚利桑那州中东部地区发现了大量的史前时期遗 址和保存完好的墓葬，这个地区当时的人类迁移情况便引起了人们的关注，尤 其是g r a s s h o p p e rp u e b l o 遗址及w a l n u tc r e e k 遗址。p r i c e 等1 4 0 j 首先从g r a s s h o p p e r 和w a l n u t 地区选取了一些牙齿和骨骼样品进行尝试性分析，实验结果初步表明不 同地区牙釉质以及骨骼中锶同位素比值差异较大，可以用来区分这个区域内不 同地方的个体。g r a s s h o p p e rp u e b l o 遗址是一处古代印第安人的居住区，发现了 1 4 世纪的5 0 0 多间印第安人房屋遗迹。e z z 0 等【4 1 1 1 4 2 】对这个遗址出土的古代印第安 人的骨骼和牙齿进行了锶同位素分析，对7 0 个个体的居住迁移情况进行了研究， 结果表明在7 0 个个体中有3 3 个是当地生活的个体，1 3 个是遗址附近的个体，2 4 中国科学技术人学蹲十学位论文 个是其他地区迁移到这儿的个体。根据这些外来个体的锶同位素比值，研究者 推测这些外来个体主要来源于两个地区：g r a s s h o p p e r 西南部基岩为前寒武纪时 期岩石的地区和g r a s s h o p p e