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【講座紀要】第三季中國考古大講堂第八期 | 科技助力文明探源中的年代研究

來源:          2023-8-15 9:59:17

探源中華文明,賡續歷史文脈。我國考古發現的重大成就實證了我國百萬年的人類史、一萬年的文化史、五千多年的文明史。為推進文物考古成果的宣傳推廣,國家文物局、人民網主辦,國家文物局新聞中心、國家文物局考古研究中心、人民網+客戶端、人民網文娛聯合承辦的“探源中華文明”第三季中國考古大講堂線上播出第八期。本期邀請到北京大學考古文博學院教授吳小紅主講《科技助力文明探源中的年代研究》,介紹考古常用的科技測年技術的基本原理以及科技測年在構建中華文明形成過程中關鍵年代譜系的作用。

講座內容摘錄如下。

中華文明探源工程實施以來,年代學研究一直是其中的一項重要課題,借助碳十四測年等科技測年手段,中國史前考古學文化的年代譜系特別是中華文明形成過程中的關鍵年代譜系基本厘清,并且實證中華五千多年的文明史。

一、測年技術基本原理

考古學研究中,地層學和類型學支撐起田野考古的基本理論框架,同時也是判定考古遺存相對年代(早晚關系)的重要方法。為了更精確地得知遺存的具體年代數值,我們發展出絕對年代測定方法,即碳十四測年。

碳十四元素生成于12至14公里的高空,并與氧氣結合形成二氧化碳,二氧化碳又經光合作用進入植物體內,人和動物食用植物后,碳十四也會保留到動物和人體內。同時海洋也會溶解一部分二氧化碳,由此碳在大氣圈、生物圈和水圈達成一種交換平衡的狀態。如果我們測量當年大氣中的碳十四濃度,也會得到人體、動物體以及海洋表面的碳十四濃度。凡是在大氣當中生活過或者是與光合作用有關的生物圈物質或者在海洋表面發生過碳交換的物質,理論上均可成為碳十四測年樣本。

生物體死亡之后,不再與外界發生碳交換,而是轉為放射性衰變狀態,并且有它自己的衰變周期,放射性的量和時間經過數學轉換之后可以呈現正相關的關系??脊虐l掘采集的樣品在測得剩余的碳十四量的情況下,可以測算出樣品衰變到現在經歷了多長時間,這個時間就是樣品距離現在的年代。

碳十四生成、分布和衰變示意圖

這樣測算的前提是假定大氣中碳十四的量是幾萬年穩定不變的,科學家統一采取1950年大氣中碳十四的量作為樣品衰變起始點碳十四的量,所測得的年代實際上也是樣本距離1950年的時間。真實的情況是,太陽風、小行星爆炸以及工業活動都可能會影響大氣中碳十四含量,以1950年大氣碳十四含量衡量之前所有的時間節點會有誤差,于是我們采取樹輪年代序列對碳十四測年進行校正。

樹木生長時會有一圈一圈的年輪,也會把當年大氣中碳十四濃度捕獲在木質素以及纖維素之中,特別是α纖維素就像骨架結構一樣,形成之后基本不再變化,所以每圈樹輪里邊α纖維素都記錄著當年大氣的碳十四濃度。實驗室里可以測量同一樹種、不同年代樹木的每個年輪所含的碳十四量,進而建立日歷年代的校正曲線。目前國際上有兩條長的樹輪年代序列:德國的橡樹序列和美國加州的刺果松序列,這兩條樹輪日歷年代序列可以追溯至距今八九千年。更早的年代校正,可以采用鐘乳石、湖相沉積紋泥和北極冰芯等樣品。

碳十四測年技術另一項革新是加速質譜技術。原先碳十四測年需要大體積的儀器和較多的樣品量才能測定,加速質譜方法的引入則實現了小體積儀器利用少量標本獲得較精確數據。加速器質譜運行原理有點像溜冰比賽,賽場彎道可以甩掉一些人,加速質譜的彎轉磁鐵在加速過程中可以讓碳十二、碳十三、碳十四等元素分離,最后在法拉第杯接收到純粹的碳十四。

加速質譜提高了標本測定效率,用以日歷校正的樹輪年代測定可以實現精準測量。加速質譜技術產生之前,較多量的測年樣品才能實現測年,由此樹木年輪做不到每輪一測,現在理想情況下可以做到間隔一年測一個,樹輪日歷年代的完善直接提高了碳十四測年校正的精準度。此外,加速質譜所需樣品量少,也可以直接對考古遺存的某個堆積單位進行采樣測量,由此可以獲得更多精準數據。

貝葉斯統計模型也是碳十四測年技術的另一項革新。它可以將地層關系和類型學建立的相對年代關系納入日歷年代校正范圍之內,給予碳十四測年一個先驗條件,最后得到的這個年代范圍與先驗條件進行比對。在碳十四年代范圍允許的情況之下,取重合部分作為最后測年結果。

二、科技測年助力文明探源

國家是文明社會的重要標志,中華文明起源形成過程中,國家體制形成于何時也是重要考察內容,年代學研究為判定國家的形成時間乃至夏商周王朝紀年提供了重要依據。根據歷史文獻記載,最早有紀年可靠的歷史是西周共和元年,即公元前841 年。為驗證科技測年與歷史文獻記載的吻合度,我們利用碳十四測年技術,對西周時期的北京房山琉璃河遺址M1193出土的帶銘文的青銅器、H108出土的刻有“成周”的甲骨進行年代測定,結果表明碳十四測年技術與文獻記載具有很高吻合度。此外,對晉侯墓地每一個王侯墓葬的碳十四測年數據與文獻記載的晉世家也有非常好的匹配。

有了這個基礎,我們就可以把年代研究不斷向前追溯。像是武王克商,這一重要歷史事件關乎商周交替,對其發生的具體時間節點,我們采用多種方法,并與碳十四測年有機結合進行判定。首先是查找文獻有關武王克商的歷史記載,并借助甲骨文等資料找尋這一歷史事件發生前后的天文現象,通過天文計算推測相關天象的發生時間。同時在考古學上,陜西灃西遺址某些堆積單位,有較為明顯的先周文化遺存和早周文化遺存區分,對上述堆積單位,如灃西H18,開展碳十四測年,有助于準確地卡住武王克商歷史事件的時間節點。

與夏文化緊密相關的二里頭遺址,在沒有貝葉斯統計模型的校正下,碳十四測年顯示遺址最早年代為公元前1860年,加入貝葉斯統計模型后,最早的年代是在公元前1735年。夏商周斷代工程認為夏王朝的起始年代為公元前2070年,二里頭遺址年代就已進入到夏代的中晚期。在此之前,我們選用考古學上判定的中心性都邑遺址——新砦遺址和王城崗遺址進行碳十四測年,其數據也可落在夏紀年范圍內。

新石器時代末期關鍵性遺址碳十四測年同樣有所突破。山西襄汾陶寺遺址測年數據為公元前2300年到公元前1900年間。山西芮城清涼寺墓地,發現數百座仰韶文化至龍山文化的墓葬,疊壓打破關系明顯,碳十四測年數據同樣與文化遺存所處時代相呼應,遺址第一期年代為公元前4000到公元前3700年,第二期到第四期介于公元前2500到公元前1700年。我國北方的一些石城遺址,比如石峁、碧村、蘆山峁等,大概率是在公元前2200到公元前1800年這個范圍,個別堆積單位已進入商文化紀年。

良渚文化部分測年數據

最后需要強調一下良渚文化,我們測量了良渚遺址城墻、水壩等重要遺存以及良渚文化其它文化遺存的年代數據,表明其起始年代為公元前3300年(距今5300年),衰落年代在公元前2300年(距今4300年)左右,也就是說整個中華大地龍山文化崛起的時候,良渚文化這樣一個輝煌燦爛的文明已經結束了。年代學數據同時表明,已經進入早期國家階段的良渚文化,可以實證中華5000多年文明史。




 

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