第四章-文物的年代测定技术PPT课件

.,考古年代学：“时间”的科学；探索古代遗存年代；时间：物质存在的客观形式之一；任何一种物质的变化、运动或发展的过程，都永远发生于时间和空间内；时间有两种含义：一是“时段”，两个瞬时之间的间隔长短；一是“时刻”，某一瞬时是什么时间；时间的基本单位：秒；使全世界有了统一的标准；秒：133Cs(铯)原子基态的两个超精细能级间，其跃迁辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间；分、小时，天，周，月，年，世纪；光年？,第四章文物的年代测定技术,.,考古学是“时间”与“空间”的科学年代的表示可分为相对年代和绝对年代相对年代的推定一般利用考古地层学和类型学绝对年代主要依靠考古遗存中有纪年的文字资料,.,目前的考古测年方法分为传统考古学断代方法现代科学技术测年方法,.,传统考古学断代方法,地层学:标型学:考证纪年法:,.,地层学（层位学）,起源：十九世纪初，“地质均变说”。定义：利用地层间的上下关系，比较地层堆积先后而断代的方法。方法：在应用中常利用叠压关系、打破关系及间接比较的方法来判断地层所代表的文化之间的先后顺序。,.,地层学断代方法示意,.,类型学（标型学）,起源：十九世纪初，瑞典的蒙特柳斯创立。原理：将同一类器物集中对比，分出类型和标准器物，并按地层先后排列，研究其发展的序列和相互关系。利用这个序列对所研究文化进行分期，对新出现的同类文物进行年代的判断。应用：确定含标准器型文物的某文化层的相对年代；根据标准器型的出现，判断此器所在文化层的文化类别，说明地层学的划分意义所在（如三叠层）。,.,类型学断代法示意图,.,考证纪年,起源：收藏学、金石学、考证学。定义：通过识别文物的铭文，经查阅记载或直接得出文物的绝对年代。具有直观、精确、有说服力的特点。,.,文献记载与当地传说；遗物上的铭刻文字：甲骨、金文、简、牍、帛书、陶文、碑刻、皮、纸上的文字；遗存的面貌或风格（style）；类比（association）。后二种方法的使用均需与已知年代的同类遗存相比，推测其年代,考证纪年的方法,.,传统考古学断代法的特点及局限性,优点1、直观性；2、系统性；3、方便经济。局限性1、对工作者的经验要求高；2、判断具有较多的主观因素；3、无法确定石器时代遗存的绝对年代,.,自然科学技术测年方法,.,采用自然科学测定年代的方法有多种，几点注意：首先，各种测年方法总是在不断地改进和完善；相对而言，14C测定方法最为成熟和可靠；但也存在一定的缺陷：如，因放射性衰变的统计涨落和其它偶然误差，其精密度一般为几十年，通常需作树木年轮校正；其次，科学合理地采集样品；样品的采集地点、文化层归属应准确无误，即要注意样品形成年代与其地层堆积年代是否一致，且要注意周围环境；实际工作中，一般分层采样，同一层位采集多种样品，至少用两种方法测年；,.,第一节放射性碳素测年法,定义利用死亡生物体中碳十四不断衰变的原理进行测年的技术。考古上应用最为广泛的一种技术。W.F.利比建立，1949年开始实际应用于考古学的年代测定，适用范围通常为50,000年以内。,.,基础知识碳十四测年原理碳十四测年方法碳十四测年的采样要求碳十四年代的校正碳十四断代法的应用,.,基础知识：放射性现象,原子核自发的放射各种射线的现象，称为放射性。能自发地放射各种射线的核素称为放射性核素，也叫不稳定的核素。放射性与原子核衰变密切相关。原子核衰变是指原子核自发地放射出或等粒子而发生的转变。放射性有天然放射性和人工放射性之分。,.,什么是碳十四？,.,碳十四的形成,宇宙射线同地球大气发生作用产生中子1940年，科夫（S.A.Korff）发现热中子击中14N发生核反应生成14C1933年，库里（F.N.D.Kurie)发现14C与氧作用便产生了地球上的二氧化碳十四（14CO2),.,.,原理宇宙射线同地球大气发生作用产生中子，中子同大气中的氮（14N）发生核反应，产生放射性同位素碳14（14C）。14C同氧结合成14CO2混入大气二氧化碳中，通过光合作用被植物吸收成养料。动物又直接或间接地以植物为食，因此所有生物体内都含有14C。放射性的14C不断地衰变为非放射性的14N，半衰期为573040年。生物死亡之前，体内14C的浓度与大气中的碳14浓度保持平衡。生物一旦死亡，就停止与大气交换，其内部的14C就只能按衰变规律减少。只要测出标本中14C减少的程度，就可以推算出它的死亡年代。,.,碳十四在自然界如何存在,光合作用植物吸收14C动植物相互依赖所有生命体均含有14C生命体死亡进入土壤、海水大气层、生物界、海洋14C循环交流,.,碳十四如何衰变,.,(左)14C的产生及其在自然界中的分布(右)14C的衰变规律,.,半衰期与死亡年代计算,.,碳十四测年方法,计算公式：y=lnNo/lnNxNo:碳十四在自然界的平衡浓度Nx：碳十四在标本中的剩余浓度：碳十四的平均寿命，=8267,.,碳十四测年方法,如何得到（剩余浓度）Nx？如何数出数量？碳十四测年法经历了：几次测量和计数方法上的改进固体法气体法液体法加速器质谱法,.,固体法,将木质标本焙烧成木炭在英格管中电极激发使之游离测定浓度得出Nx（剩余浓度）一般的测定范围是2.5万年以内。,.,气体法,标本制作成CH4气体放入倍增光电管中，测其剩余浓度Nx测定范围为5万年。,.,液体法,将标本制作成苯溶剂放入倍增光电管中此法对浓度要求高，比较准确测定范围甚至可达7万年,.,质子加速器法,针对粒子计数的局限性，70年代末加速器质谱碳十四计数法应运而生1978年，在罗切斯特大学召开的第一次国际加速器质谱会议标志加速器质谱测年技术简称AMSAcceleratorMassSpectrometry以对14C原子计数代替了对粒子的计数。,.,质子加速器法优点,AMS是加速器技术、质谱技术和探测鉴别技术的产物所需样品量少，一般1-5毫克就足够，最少可以20-50g精确度高，灵敏度可达1015至1016，误差能达到不超过0.3%18年测定年代扩展到7.5-10万年测量时间短，一般几十分钟就可测试一个样品不受环境影响，不象线计数要考虑宇宙光体。,.,14C年代测定的可靠性，取决于实验测量和样品选取；样品选取：测定结果准确性，年代数据代表性；一般说来，凡是曾与大气发生过交换平衡的含碳物质，都可作为14C测年样品，断定其停止与外界交换14C以来所经历的年代；这表明，样品具有多样性；例如：地层中各种生物遗体残骸、生物碳酸盐、各种含碳沉积物、土壤、冰和水中的CO2及某些含碳的古文物等；依据研究要求和物质的形成、保存条件选取；,碳十四测年的采样,.,.,第12届国际14C会议上，Kra(1986)建议采用统一样品登记格式，要求填写内容比较全面，其建议的登记内容如下：,.,接上表,.,接上表,.,接上表,.,.,作为标本：生物体在死亡之后，不能接触CO2。埋藏过程中没有受到干扰（主要是来自石灰层的）。埋藏地地下水不能是矿泉水。,.,采集与运输的要求：采样过程中防止污染，不能用含碳的包裹物，应放在玻璃瓶/塑料袋中密封；标本要尽量干燥，不能长霉；每个标本要有准确的标签，表明出土情况和遗址的关系。,.,碳十四年代的误差与校正,14C测年法基于几个假设条件大气中14C的产生率不变。（地球上的交换碳近数万年来基本恒定，但有起伏。近代以来工业活动增加、原子弹效应，已减少了大气中14C的含量）。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。地球上各交换库中14C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。,.,碳十四年代的校正,处理系列样品14C年代校正的方法主要有最小二乘法和贝叶斯方法。测年数据的表示：xxxx50年（校正）14C的半衰期采用国际上的惯用值（5568年），而非以前的物理值（5730年）目前得到国际公认的、最新的高精度曲线是1998年14C树木年轮校正曲线。,.,国际公认14C测年中的起算点是1950年（因为之后人工核爆炸产生的大量14C对大气影响很大）18501950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。,.,14C测年方法的优点：1）测量范围广，可测定100050000年内的考古样品；2）样品易得，凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其它有机遗留物均可；3）对样品要求不很严格；4）取样比较简单,.,14C断代法存在的问题：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，样品年龄愈老，愈接近此极限值，测量误差愈大；理想的样品不易取得。要不受污染而且要求一定的重量。古代样品在埋藏中易受到后代动植物腐烂后的可溶碳化合物的污染；一些珍贵样品不能大量取样；对样品的量有要求，且测量时间较长。因种种原因，过去大气中的14C放射性水平不稳定、14C粒子衰变本身的波动性，那么用现代统一的C标准测定的年代不能等同于日历，只能是14C年代。,.,碳十四断代法的应用,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，距今为十万年左右，后经14C测定为距今两万年。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14C测量，知其距今约六、七千年，与仰韶文化相当。,.,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。,.,耶稣“裹尸布”褪色的血迹显示的人形是一个留胡须的、遭鞭笞并被钉过十字架的男子形象；19世纪末至20世纪上半叶，摄影专家的影像似乎说明它是真的；1986年，都灵召开专题技术讨论会，AMS测定。1988年，从包布上抽根线分成数段，在世界上著名的七个14C实验室对其进行加速器14C断代测年。结果是年代为1260-1390年之间，证明这块黄色的织物是中世纪的伪造。1999年希伯来大学的植物学家阿维诺姆达宁对布上的花粉粒和植物图形分析后认为这块布出自八世纪以前的耶路撒冷附近。,.,第二节热释光测年法ThermoluminescentDating(TL),定义:利用绝缘结晶固体的热释光现象进行断代的技术.测年对象：陶器、瓷器、火烧粘土标本。测年范围及误差：由仪器的灵敏度与石英砂的储存能力而定。目前可测几十万年以内的标本年代。误差目前为11%,理想误差为5%.,.,美国地质学家肯尼迪于1960年最早发明，用来测定古代希腊陶器的年代。在我国，1979年上海博物馆发表我国第一批热释光年代数据。,.,热释光测年法测年原理,什么是热释光现象？早在十七世纪就发现，某些物体在一定情况下加热时，在红热出现之前，能发出附加的微弱可见光（红、黄），可用光敏仪器测出来。带冷却后，再加热，又不会重现。此现象一般出现在不导电的固体物体中。,.,热释光能量的由来？,绝缘结晶固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。当加热时，电子和空穴可以从陷阱中释放出来，重新复合，并以光的形式释放出贮存的能量。陶器以粘土制成，一般都含有微量铀、钍和钾等放射性物质。内部还有结晶固体颗粒如石英、长石、云母、磷灰石等。它们每时每刻都受到种类辐射的作用，包括粘土本身的铀系、钍系、钾40放射的、和射线。高温时，陶器结晶固体中贮存的能量就被释放完了，然后重新积累能量，积累的能量随时间而增加。放射性愈强，其热释光量愈多，即热释光量与所受的放射性总剂量成正比。,.,.,热释光测年的原理,热释光灵敏度：即单位辐射剂量的热释光量。它等于：人工热释光量/人工辐射剂量自然热释光量陶器烧制年代热释光灵敏度X自然辐射年剂量标本的自然热释光量和热释光灵敏度都可以测定出来，只要测出陶器中铀、钍、钾的含量，周围土壤中的辐射强度和宇宙射线强度，定出自然辐射年剂量，就可以计算出陶器烧制的年代。,.,测年方法：,工作程序,.,对测年标本的要求：,热释光是多年的能量积累，一次性放出，无重复性。经过火烧的含有绝缘晶体的文物标本，我们可以测出其最后一次被火烧的年代。因此，理论上用热释光测年的标本，必须：1、含有绝缘体，如石英砂。2、器物埋藏周围，有恒定的辐射能源（均匀的）。3、要能精确测出埋藏若干年后，石英砂接受辐射能量的总值。实际上，绝大多数的陶器、瓷器、火烧土、砖瓦都含有石英砂，可以做测年标本，而粘土、土壤中，均匀分布着铀、钍、钾四十等辐射恒定、长半衰期的能源，关键要精确测出储存的热释光总能量。,.,测年标本的采集,标本的采集必须明确表明：产地的温度、湿度、辐射强度以及所处环境的具体情况。采集步骤：1、详细记录周围的地形、土质、植被等情况，测出距离地表覆盖层的深度；2、用微计量辐射仪监督环境辐射，尽量排除在具有异常辐射的环境下采集标本；3、所采集的标本，最好连周围环境的土壤57厘米，一起转入准备好的塑料袋，密封起来，进行加固包装；,.,4、一块标本的重量约在3050克，同一个研究对象最好有35个标本（提倡612个）；5、运输、储藏过程中，应尽量避免强光曝晒，绝对禁止高温和加热处理，还要防止外界的放射性辐射。6、记录下采集地点的地下水位、气候条件及标本采集的季节。,.,热释光测年法的优缺点:标本用量少、速度快（几小时）、跨度大。对史前遗存年代测定有较大作用，特别是没有14C标本或14C标本可疑的遗址，因为陶器作为测试对象不会因发掘时打破层位或乱层现象。但是，由于方法误差、实验误差和测量误差不可避免，热释光的精确度会受到影响。有些因素会影响对古剂量、年剂量的测定；需要精确确定天然放射性来源，陶器在历史上实际接受放射性照射条件等。在距今2000-8000年范围内，14C法更为精确。当大于8000年、14C没有年轮校正曲线时，热释光法可与14C法相互补充,.,应用举例,辉县战国典型器、纽约青铜马、大冶铜绿山铜炉与碳十四方法进行比较：（从误差角度）2000年以内、20008000年、8000年以上。,.,树木年轮法,起源:20世纪初，美国人A.E.道格拉斯及其后继者，在美国西南部成百个考古遗址中收集了成千件木结构样品，年轮互相衔接，可上溯至2000多年以前。定义：利用树木年轮的生长规律来进行断代的技术，它是目前最精确的断代方法。,第三节其它年代测定法技术,.,研究对象：树木、一切与以树木制成的物品。测年范围：理论上可以测定从今天到无穷远的古代，只要有无穷远的树木化石就行。目前一般胜于新石器时代遗存的年代测定。,.,树木生长，每年春长秋止，在树干横截面上木质疏密相间，显出圆圈，即所谓“年轮”。年轮的数目就是树龄。年轮的宽窄与气候条件密切相关。旱年窄、湿年宽。同一气候区同一树种的不同个体，在同一时期内年轮的宽窄谱是相同的。如果一活树内层一段年轮谱同另一死树的外层年轮谱相同，证明死树是前一段时间生长的，两者有过共同的生长时期，如此则两者的时代可以衔接起来。,基本原理,.,.,.,.,.,.,目前，世界上年代最长的主年轮序列，是用美国加州白山上的刺果松树建立起来的，可上溯到10000年前后。树木年轮年代学最重要的贡献，是它对碳十四年代的校正。因为树轮年年代相应于日历年代相当准确，而利用同树轮木片所测定的碳十四年代却有较大差别。利用树木年轮标准曲线，可以准确测定距今8000年以内木质标本的绝对年代。,.,树木年轮法原则上比较简单，实际上不易做到：并不是所有的树木都能很好地反映出气候的变化，从而形成理想的特征性年轮谱；不易找全各个时期的木头以建立不间断的年轮序列；只有在气候季节变化明显的地区、选择适当的长寿命树种，才能建立起年代连续比较远的主年轮序列。但对于不同地域、无地层叠压关系、无文字记载、没有木质遗物伴出的史前遗存，其年代早晚就无法依据树木年轮法了。,.,古地磁测年法ArchaeomagneticDating,包括考古地磁断代和地层沉积磁性断代两者。前者是利用某些古物的热剩磁性进行断代的技术，用于新石器时代以来的窑、炉、砖、瓦、陶瓷的年代测定。后者利用地层沉积磁性随地磁极性倒转而倒转的现象进行地层断代的技术，多用于古代遗址的年代测定。,.,考古地磁断代原理：地磁的方向和强度自古以来不断变化着。被烘烤的粘土的热剩磁性贮存了古地磁变化的信息。一般粘土中均含有少量的磁性物质，受到高温（700C以上）时会失去原有的磁性。在其冷却过程中又会被地磁场感应而获得与地磁方向相同的永久磁化，其强度正比于当时的地磁场强度，这便是“热剩磁”。只有再次受到高温时其热剩磁性才会消失。古代窑、炉、灶、陶瓷器等均受过高温具有热剩磁性。根据一系列年代明确的考古样品，测定其古地磁随年代变化的实验曲线，就能定出未知年代的样品的考古年代。,.,具体做法：采集样品判断扰动和磁性干扰选出合适的部位，将顶部括成水平标出方向，用石膏固定后取出，带回实验室处理除磁性干扰，在特制的磁性测定仪中测出样品的磁偏角、倾角和强度,.,古地磁法测年范围，原则上可以到无穷远，目前为9千年内。误差较大，原因是：1）作为依据的实验曲线本身误差较大，因为不易得到精确可靠的“已知年代”样品；2）某些年代范围内地磁场变化缓慢，不易定准；3）样品受到其它磁性的干扰未能清除干净。应用情况：中科院地球物理研究所古地磁研究室西安、宝鸡地区7000年以来的标准曲线；郑州、洛阳战国以来的标准曲线；北京地区东周以来的标注曲线。,.,电子自旋共振测年法,电子自旋共振（Electronspinresonance，简称ESR），又叫电子顺磁共振（Electronparamagnetieresonance，简称EPR）。ESR是电子自旋能级在外磁场的作用下发生塞曼分裂，同时在外加微波能量的激发下电子从低能级向高能级跃迁的共振现象。ESR测年法的基本原理就是直接测定样品自形成以来由于辐射损伤所产生的顺磁中心的数目（即所接受的放射性射线辐照和本身的累积效应）。,.,ESR与其他测年法相比，其优点：测年范围广，从几千年到几百万年，几乎覆盖了整个第四纪地质年代，主要用于几十万年的范围。测定对象广泛，洞穴的碳酸盐沉积物、软体动物贝壳、珊瑚、古脊椎动物和古人类骨骼、牙齿等都可认为测试样品。测试条件简单，测试信号受周围环境影响小，而且样品可反复使用。是一种非破坏性的分析方法，对样品不存在损伤。,.,氨基酸外消旋法,定义利用死亡动物氨基酸化学变化速度进行年代测定的技术。测年范围：数千年百万年（补充碳十四的空白）,.,测年原理：动物肌体蛋白质水解后可产生20多种氨基酸，均为左旋体结构。生物死亡后埋在地下，有机质在自然条件下也被水解为氨基酸保存在化石中，但氨基酸的左旋体结构会慢慢地向右旋体结构转化，最后达到平衡，以致旋光作用消失。这一过程即“外消旋反应”；各种氨基酸的外消旋反应速度不一样，在一定的温度条件下各有自己的“半衰期”（11万年29万年）；根据化石中氨基酸左消旋体对右消旋体的比例来确定化石样品的年代。通常适用于古老洞穴和海底沉积化石样品的年代测定，因为这些地方温度环境相对稳定。,.,氨基酸消旋断代法的优点,它能够对小样品进行断代，通常只要10g的骨头样品就足够了。它可以对具有10万年或年龄更早的样品进行断代该方法简单易行，样品容易采集。,.,骨化石氟含量法,定义：利用同一地区、同一地下水环境中，骨骼、牙齿中含氟量的多少，进行判定骨骼、牙齿的相对年代的一种方法。对象：骨骼、牙齿测年原理：骨骼（包括牙齿）中的主要成分无机磷化合物羟磷灰石在地下水中浸蚀下，水中的氟（F）离子会置换骨中的羟基，形成氟磷灰石Ca10（PO4）6F2。这一过程是不可逆的，因此，骨中含氟量的多少与时间成正比。,.,铀系同位素断代法铀系同位素断代（Uranium-seriesdating），又称不平衡铀系断代法，是利用样品中铀系、钍系子体放射性的不平衡性测定年代技术的总称。这种方法适合于旧石器时代古遗址的测年，所测年代在0.5-50万年，而且仅限于测定富含碳酸钙的岩石（如方解石）。,.,238U的半衰期为4.51x109年,.,铀系法所需样品仅几十克碳酸盐或几克动物牙齿、骨化石即可，样品的选取要注意：首先，要选取尽可能靠近古文物的方解石或石灰华（另一种形式的碳酸钙）；此外，在取样时要尽量避免选取受“污