锶同位素方法在古人类迁移研究中的原理和应用

1、锶同位素方法在古人类迁移研究中的原理和应用古人类的迁移问题以及相邻群体间人口的交流 情况,历来是人类学、考古学、历史学、民族学、社会 学等学科关注的热点。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化等方 式来进行研究 ,但是这些研究的结果提供的证据往往 都是间接的 ,不具有确定性。 对于没有文献记载或者文 献记载不详的史前时期 ,通常更加难以解决。由于同位素具有特定的组成和分析结果精确稳定 的特点 ,研究人员尝试通过人类骨骼遗存中同位素的 分析来研究古人的迁移 ,分析的同位

2、素包括了 Pb 、s、 sr、 O、 N 和 c 等。从目前的研究情况来看 ,通过锶同位素分析研究古人类的迁移比较成功 ,可以提供直接 的证据 ,并且获得了较为广泛的应用 ,已经成为国际考 古学研究的前沿和热点问题之一。本文将对这一方法 的基本原理和部分重要遗址的研究情况进行介绍和分 析。1.锶同位素方法研究古人类迂移的原理利用锶同位素来研究古代人类的迁移情况 ,有着 可靠的地球化学理论基础 ,因此了解这一方法时 ,有必 要首先弄清楚同位素的概念、锶同位素的地球化学性 质和生物学性质。1.1 同位素的概念和同位素地球化学的兴起1910 年英国化学家索迪提出了一个假说 ,化学元 素存在着相对原子

3、质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种 ,这些变种处于周期表的同一位置上 , 称作同位素。1932 年提出原子核的中予一质子理论以 后,进一步弄清 ,同位素就是一种元素存在着质子数相 同而中子数不同的几种原子。 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 ）,并具有相同电子层结构。 因此,同位 素的化学性质是相同的 ,但由于它们的中子数不同 ,造 成了原子质量不同 ,导致某些物理性质有所差异。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，例如Rb和u,能自发衰变,分别形

4、成稳 定的Sr和Ph。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 Ph 和 sr 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 ,如 C 和 C、O 和 0、S 和 S 等。到目前为止 ,在 已发现的同位素中 ,存在着约 300 种稳定同位素 ,而放 射性同位素多达 1500 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 ,只是物理性质有 些不同 ,因此,可以利用同位素的这一特点来进行示踪 研究。同位素地球化学也有人称为核素地球化学、核

5、地 球化学或同位素地质学 ,是地球化学向更深层次发展 而产生的一门新分支学科 ,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。 同位素地球化学形成于 20 世纪 40 年代末和 50 年代 初,在以往短短的不到一百年的时间里 ,取得了非凡的 研究成果 ,解决了争论上百年的南非南德斯金矿的成因等一系列重要问题。 随着理论基础的逐渐完善 ,实验 技术的不断发展 ,同位素地球化学的研究已经迅速扩 展到化学、医学、生物学、古生物学、考古学等各个 研究领域,并促进了这些学科的发展。 目前,同位素地球 化学与其他学科的交叉、溶合和应用问题已成为地球 化学研究的前沿问题。1.2 锶的

6、地球化学性质锶有四种天然同位素 （Sr、Sr、Sr、Sr）, 它们都是 稳定同位素 ,在自然界的丰度分别为 82.53% 、7.04% 、9.87%和 0.56% 。除了是放射成因同位素外 ,其他 三种都是天然的稳定同位素。放射性成因的 87Sr 是 通过铷（Rb,半衰期大约4.7 X 1（年）衰变形成的,并且大 约占锶总量的7%。Rh是放射性的，如方程所示,它 通过发射一个负 B 粒子,衰变为稳定 sr:这里的B是负粒子，是反中微子,而Q则是衰变能。因此 ,在含有铷的岩石或矿物中 ,锶同位素的组成取决 于该岩石或矿物的年龄和 Rb/Sr 初始比值。锶同位素在地球物质中分布很不均匀 ,不仅表现

7、 在相同时间不同区域内形成的岩石具有不同的锶同位 素组成 ,而且同一区域不同时间 ,甚至同一时间形成的 岩石中锶同位素组成也存在着明显的差异。导致这种 差异的原因十分复杂 ,总体上可以归纳为三种因素 :源 岩物质的来源 :源岩物质的 Rh/sr 比;源岩形成的时间 , 以及源岩形成后 ,在后期地质作用过程中能否保持封 闭系统等因素。总的来说 ,sr/sr 比值通常在 0.700 和 0.750 之间变化 ,地质年龄轻的岩石 （100 百万年 ）和高Rb/sr 初始化值的岩石的 sr/sr 比值较高 ,比如沉积岩中 的页岩和火成岩中的火山岩的 7Sr/e6Sr 比值可以达 到 0.730 。这些

8、变化似乎很小 , 但是从地质学的观点来 说,已经相当的大了 ,远远超过了分析误差的范围。 对于 锶同位素比值而言 ,现代质谱仪的测量误差在 ±0.00003到± 0.0001之间。1.3 锶的生物化学性质不同地区的岩石具有不同的锶同位素组成 ,当岩 石风化形成土壤时 ,岩石中的锶同位素进入到土壤和 地下水中 ,生长在这些土壤中的植物就会获得这些岩 石的 sr/sr 比值。吃这些植物的食草动物就会把植物体 内的锶摄入到体内 ,取代羟磷灰石中 t 的钙保存到体内 的骨骼系统中 ,以这些食草动物为食物来源的食肉动 物,同样会把锶同位素保存在骨骼系统中。 由于锶的原 子最比较大 ,

9、同位素间的相对质量差异很小 ,因此当锶 同位素从风化的岩石进入食物链到 ,最后保存在人体 骨骼系统中时 ,sr 和 sr 的分馏非常小 ,可以忽略不计 , 即 sr、sr 的比值基本保持不变。 这样 ,生活在不同 地区的人们 ,其体内的锶同位素比值可以反映个体生 活地区的锶同位素特征 ,记录当地地质环境中的锶同 位素状况。人体硬组织 （包括骨骼和牙 :齿）中的矿物基质主要 由不呵溶解的羟磷灰石组成，由于锶和钙都是UA族的 碱上金属元素 ,具有相似的离子半径和化学性质 ,因此, 锶可以取代羟磷灰石中的钙。人体中的锶主要以这种 方式集中在骨骼系统中，浓度可以达到102102ppm 的数量级。人体的

10、牙釉质在童年时期就形成了 ,是没有 活细胞的组织,结构致密,无机物高达 96%,牙釉质一旦形 成,就不会重新结晶或者从外界环境吸收任何元素 ,因此,牙釉质中的锶同位素组成可以反映个体出生和幼 年时期生活环境的锶同位素状况。骨骼的情况与牙釉 质的情况有所不同 ,骨骼主要由细胞和骨基质组成 ,骨 基质主要由有机物和无机物组成 ,无机物绝大部分也 为羟磷灰石。骨骼在个体一生中都不断地与外界物质 发生交换 ,因此 ,其中的锶也是不停地与外界发生交换。 骨骼重建的平均速率通常为711年,而实际的转换 率变化很大。据估计骨密质的转换率是每年 3%,而骨 松质的转换率为每年 26% 。因此,根据骨骼的转化情

11、况 骨骼中的锶同位素组成可以反映个体去世前 220 年 时间里生活地区的锶同位素情况。1.4 人口迁移的判断 锶同位素在自然界中的分布存在着差异 ,这为研 究古人类的迁移情况提供了可能性。当一个个体从一 个地区迁移到另一个地区生活时 ,其硬组织中的锶同 位素组成与当地锶同位素组成不同。由于牙釉质在幼 年时期就形成了 ,而且不会与外界物质发生交换 ,因此 , 牙釉质中的锶同位素组成反映的还是以前居住地的锶 同位素组成 ,而骨骼中的物质会与外界发生交换 ,其中 的锶同位素也会发生交换 ,逐渐转变为当地的锶同位 素比值 ,这样通过对遗址当地、 人体牙釉质和人体骨骼 中的锶同位素组成进行比较分析 ,可

12、以判断个体的生 活居住地是否发生过变化 ,推断个体是否发生过迁移。 分析的结果通常会有四种情况 ,见表 1。综上所述可以看出 ,锶同位素方法研究古人类的 迁移并不复杂 ,并且有着坚实的地球化学理论基础 :不 同地质区域内有不同的锶同位素组成 ,自然存在的锶 同位素在通过食物链到最后储存在人体的硬组织中时锶同位素间不会发生分馏 ,因此生活在这些地区的人 体硬组织 （骨骼和牙釉质 ）中的锶同位素可以反映这些 特征,牙釉质可以记录个体幼年时生活地区的锶同位 素特征，而骨骼可以反映个体最后220年生活地区 的锶同位素特征。当一个个体从一个地区迁移到另一 个地区生活时 ,其硬组织中的锶同位素比值与当地锶

13、 同位素组成存在着差异 ,通过对遗址当地人体牙釉质 和人体骨骼中的锶同位素比值进行比较 ,可以判断个 体的生活居住地是否发生过变化 ,从而可以了解人类 的迁移情况。2.锶同位素方法研究古人类迁移的应用1985 年 Ericson 在一系列的地球化学原理、 观察和推测基础之上 ,首次提出了利用锶同位素来研究古 人类迁移的方法 ,并对居住在太平洋沿岸和加利福尼 亚史前印第安人的迁移情况进行了尝试性的实验研究。 这一方法提出后就受到了考古学家的重视 ,在过去的 二十多年里 ,考古学家们使用此方法对一些重要遗址 的古人类迁移情况进行了研究 ,取得了一些有价值的 研究成果。这里按照地域的分布和国内的研究

14、情况 , 对所取得的部分重要成果进行简要的介绍和分析。2.1 美洲地区在美洲地区 ,玛雅文明是古代文明的杰出代表,Hodell等对古代玛雅地区的锶同位素组成情况进 行了研究 ,发现这一地区不同地方的 sr/sr 比值存在着 较大的差异 ,推测可以用来研究古人类的迁移。 蒂卡尔 仃ical）是玛雅古典时期最大的城邦，建立在沼泽环绕的 丘陵上 ,由九组建筑群和大广场组成 ,最显著的建筑是 六座顶上有看神庙的阶梯金字塔（见图一）。Wright等 对蒂卡尔遗址的 83 个古代人类个体的锶同位素组成 进行了研究 ,结果发现有 8 个牙釉质样品中锶同位素 比值与当地的比值存在着明显的差别 ,推断为外来人

15、口（见图二 ）,验证了上述推测 ,解决了该地区使用这一 方法的可行性问题。2.2 欧洲地区在欧洲地区 ,史前时期的钟形杯文化 （Bell Beaker cuiture） 一直被考古研究者们所关注 ,但由于对这个时 期文化进行记载的文献非常少 ,人们对其了解不多。 钟 形杯文化出现在新石器时代晚期和青铜器时代早期 , 这种文化以墓葬中发现与众不同的钟形陶杯而命名 （见图三 ）,除了这种独特的陶杯外 ,还有用独特的材料 制成的物品 ,包括黑玉或者琥珀制成的装饰品 ,一些欧 洲早期的金器和铜器。 通常认为 ,钟形杯文化发源于盛 产铜的伊比利亚半岛 ,后向东传播 ,对整个西欧引进金 属冶炼和制作技艺曾

16、颇有影响。虽然钟形杯文化的典 型器物钟形陶杯及其他史前器物流传范围很广 ,但对 钟形杯文化人群的居址、生活习惯等问题了解甚少。 Price 等对巴伐利亚境内钟形杯文化遗址进行了研究 解决了锶同位素分析方法在这一地区应用的可行性问 题 ,随后 Grupe 、 Price 等对钟形杯文化遗址的人类迁 移情况进行了研究 ,发现钟形杯文化的个体是从东北 向西南方向扩散开的 ,为解决钟形杯文化的传播路线 和方向问题提供了直接的证据。2.3 非洲地区在非洲地区 ,古埃及人是非洲大陆最古老的民族其发祥地为尼罗河中游。古努比亚人生活在非洲东北 部的一个地区 ,这个地区包括现今的埃及南部和苏丹 北部。这两个民族

17、几百年来的交往一直伴随着战争和掠夺进行的。在新王朝时期，大约1400B.C. 1050B.c.）, 埃及人统治了努比亚地区 ,埃及人和努比亚 人之间的相互影响比较明显。在古代努比亚的 Tomhos 遗址处发现了大量的新王朝时期的埃及类型 和努比亚类型的墓葬 ,出土了大量的骨骼遗存。 Buzon 等对这些人类遗存的锶同位素组成进行了分析 （见图 四）,结果发现努比亚类型和埃及类型的墓葬中都有当 地个体和外来人口 ,说明当时努比亚人和埃及人存在 着密切的人口交往和文化交流。2.4 我国地区在我国的考古学研究中 ,只对贾湖遗址进行过一次尝试性的实验研究。贾湖遗址位于河南省舞阳县 是一处重要的新石器时

18、代遗址。 自从 20 世纪 60 年代 发现至今 ,考古人员已先后进行了七次科学发掘和多 方面的研究 ,取得了丰硕的成果 ,尤其是七音阶骨笛、 成 组随葬并装有石子的龟甲及其契刻符号最为引人注目 此外,还发现了具有原始形态的栽培粳稻遗存 （见图五 ） 和世界上最早的米酒残留物。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 ,研究人员运用锶 同位素方法 ,对贾湖遗址的古人类迁移情况进行了研 究,为解决贾湖文化与周围其他遗址文化的关系以及 贾湖文化的来源和去向等问题提供了重要线索和证据 同时这也是首次在国内考古学研究中运用这一方法。 研究结果发现 ,在所分析的 14 个人类个体中有 5 个是 外来迁入的 （见图六 ）,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 7000 B.c.5500B.C.年间，中原地区的贾湖聚落与周 围同时期的其他聚落间有着密切的经济和文化联系 , 尤其是在贾湖文化后期。3.小结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