第四讲 考古年代的测定

1. 第四讲 考古年代的测定 吉林大学边疆考古研究中心 蔡大伟 caidw@jlu.edu.cn

2. 考古学的时间概念 • 考古学：与“时间”有关的科学—探索古代遗存年代。 • 年代的表示可分为相对年代和绝对年代. • 相对年代是指各种遗迹、遗物在时间上的先后关系。相对年代的推定一般利用考古地层学和类型学。 • 绝对年代是指它们的存在距今有多少年。绝对年代主要依靠考古遗存中有纪年文字的资料和各种自然科学的测年技术。

3. 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。

4. 地层学断代方法示意 在临洮马家窑瓦家坪遗址中

5. 类型学 • 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。 • 作用： 1.确定含标准器型文物的某文化层的相对年代。 2.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。

6. 类型学断代法示意图

7. 考 证 纪 年 • 起源：收藏学、金石学、考证学。 • 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。 • 牧野之战，武王克商，是中国历史上极其重要的历史事件。然而，长时间以来，人们对这一事件的认识，凭借的都是文献资料，而没有直接的实物见证。 《逸周书》记载武王克商的时间是“甲子朝”，司马迁也在《史记》中说“甲子日，纣兵败”。《韩非子》记载“战，一日而破纣之国”。

8. 西周利簋-记载武王克商 武王征商，唯甲子朝，岁鼎，克昏夙有商，辛未，王在阑师，赐有事利金，用做檀公宝尊彝。 “岁星当空"的天象,用来作为商周之交天象断代的依据。公元前1046年01月20日

9. 考证纪年的方法 • 文献记载与当地传说； • 遗物上的铭刻文字：甲骨、金文、陶文、简、牍、帛书、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。

10. 传统考古学断代法的特点 • 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

11. 自然科学技术测年方法 • 树木年轮法 • 碳同位素测年法 • 热释光测年法 • 古地磁测年法: • 电子自旋共振测年法 • 骨化石氟含量法: • 氨基酸消旋法: • 钾—氩法: • 铀系同位素法: • 穆斯堡尔谱法: • 黑曜岩水合法断代

12. 自然科学技术测年方法

13. 树木年轮法（Dendrochronology） • 简称树轮纪年法，是20世纪初，由美国天文学家道格拉斯（A.E.Donglas）建立的。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。 • 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, 一般用于新石器时代遗存的年代测定。

14. 基本原理 • 树木生长，每年春长秋止，在树干横截面上形成疏密相间的圆圈，即所谓“年轮”。年轮的数目就是树龄。 轮距

15. 年轮的宽窄与气候（阳光、水分）条件密切相关。旱年窄、湿年宽。年轮的宽窄与气候（阳光、水分）条件密切相关。旱年窄、湿年宽。 （轮距） （年）

17. 方法原理 如果一个活树内层一段年轮谱同另一个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，因此则两者的时代可以衔接起来。 这样死树可以跟更早的树衔接，依此类推，衔接不同时段轮距就可以建立这一地区的主年轮序列（标准轮距序列、树木合成年轮表）。

18. 研究前提 同一气候区内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。 树种的选择：一个季度只增加一个年轮，对限制生长因素敏感、寿命长、分布广的树种。美国：松科针叶常绿树种；欧洲：栎树；中国：柏树。

19. 对照树木合成年轮表，就可以分析考古发现的木头样品的年代。对照树木合成年轮表，就可以分析考古发现的木头样品的年代。

20. 树木年轮测定方法 • 1.采集样品，视情况采集木材圆盘，或采集木材钻心。用磨光机或砂纸打磨、擦磨样品，使其表面光滑，以便获得清晰的年轮结构。 • 2.测出未知年代的木质标本的年龄曲线 • 3.将所获的年龄曲线与已建立的标准曲线相比较， 便可断定其年代。 未知年代样本的定年

21. 标准年轮序列表 • 目前, 有两条长的年轮年表,一条是美国的距今10,000年的刺果松年轮年表,另一条是德国的距今10,000年的欧洲栎树年轮年表。 • 日本目前已经有了可追溯到公元前4000年以上的不间断序列。 • 我国树轮年代学研究开始于20世纪30年代,比较成功的实例是康兴成于20世纪90年代在青海省都兰县鄂拉山建立了长达1835年的树轮序列。 • 2009年，刘禹将都兰地区的现生活树与都兰及乌兰地区的墓葬古木相衔接，建立了长达2485年的树轮宽度年表。

22. 树木年轮的应用—校正时间 • 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，精度高，甚至误差可到一两年。。 • 树木年轮年代学最重要的贡献，是它对碳十四年代的校正。因为树轮年代相应于日历年代，相当准确。 • 通过古代遗址出土木材，我们能确定遗址的准确年代。

23. 柴达木盆地考古出土木材的树轮研究 王树芝研究重建了青海都兰县1176年上年7月到当年6月的降水量，从古木年轮重建的降水可以看出，60%的降水重建值低于1940年以来的年降水平均值，可以推测过去相对干旱年份发生频率要比现在干旱年份发生的频率高。另外，在51AD-375AD和426AD-475AD有两个很长的干旱期。吐谷浑部落的大规模迁移和这两个干旱期是基本一致的，这两个干旱期很有可能是当地农业经济转换成畜牧经济的一个环境动力。

24. 柴达木盆地考古出土木材的树轮研究 • 在柴达木盆地考古发掘的墓葬中，有14座墓葬应用树轮年代学研究精准定年，结果显示这些墓葬的建立年代都在7—8世纪。根据定年结果和出土文物研究结果，从早唐到盛唐（7—8世纪后半叶）漫长的岁月里，青海路有可能还是中西交通的中心之一，关于青海丝绸之路的重要历史地位和作用有待进一步研究。王树芝《考古学集刊》18期,北京:科学出版社 。

25. 树木年轮的应用—复原气候环境 • 2011年《科学》Science发表一篇文章 2500 Years of European Climate Variability and Human Susceptibility，Vol. 331 no. 6017 pp. 578-582 。 • 首先，科学家比较了活体树木（9000份树木）所记录的过去200年来的气候数据，考察了温度和湿度如何影响年轮的生长。随后考察了古建筑上的木材、河流和沼泽里保存的木头，以及考古学遗址附近的样本，以把数据向后推演得更远。研究人员最终获得了一份连续推演到2500年前有关法国和德国气候信息的数据。

26. 新疆科学家利用树木年轮研究重建历史气候 利用树轮宽度、密度、灰度等多种技术手段，进行了区域气候变化重建。

27. 树木年轮的应用—分析自然灾害 • 树轮形态还可以分析： • 地质灾害，如冰川融化造成的洪水、冰崩； • 非地质灾害，如飓风、龙卷风和海啸等发生的地点和时间； • 对火山爆发、地震、病虫害、干旱等进行研究。

28. 树木年轮法的缺陷 1.并不是所有的树木都能很好地反映出气候的变化，并形 成理想的特征性年轮谱； 2.不易找全各个时期的木头以建立不间断的年轮序列； 3.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。 4.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。 5.遗址中的木材是一次使用还是砍伐已久、流传已久的 木材—遗址断年错误。

29. 碳十四测年法 Radiocarbon Dating

30. 内容 • （一）碳十四基本知识 • （二）碳十四测年原理 • （三）碳十四测年方法 • （四）碳十四测年的采样要求 • （五）碳十四年代的校正 • （六）碳十四断代法的应用

31. (一)碳十四基本知识 利用死亡生物体中14C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。美国芝加哥大学Libby教授建立，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。

32. 什么是同位素？

33. 碳的三种同位素 • 12C——98.9% • 13C——1.19%——稳定同位素 • 14C——10-10%——放射性同位素 • 放射性同位素：凡是能够自发放出α、β、γ射线的同位素。 • 稳定同位素：不能自发衰变的同位素。

34. 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） • 热中子击中14N发生核反应生成14C ——1933年，库里（F.N.D.Kurie) • 14C放射性元素，衰变为14N,同时放出β粒子

35. 碳十四在自然界的循环 • 宇宙射线中的轰击大气中的氮原子，产生14C，同氧结合成14CO2进入大气圈。 • 14CO2 从大气中溶解进入地球的水圈。 • 14CO2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,14C进入生物圈。 • 大量的碳以碳酸盐形式进入岩石圈 沉积岩石圈 大气圈、水圈、生物圈、岩石圈是碳的4个循环交换库

36. （二）碳十四测年原理 • 假定大气中碳十四的产生率几万年来恒定不变——匀速的产生和衰变之间达到平衡。 • 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。 • 样品一旦脱离交换体系后就处于封闭状态。其内部的14C就只能按衰变规律减少。 国际公认的14C测年起算点是1950年。 距今BP。

38. 碳十四呈现指数衰减规律 C. Renfrew, P. Pahn, 1991, Archaeology: Theories, Methods and Practics, Thames and Hudson Ltd, London

40. 碳十四测年公式 N=N0e-λt ——指数衰减规律 t= 1/λln(N0/N)= τln(N0/N) t为碳十四年代 λ衰变速率：描述放射性核变快慢的物理量 τ＝1/λ为碳十四平均寿命，为常数； N0为起始点样品中碳十四的量； N 为t 时刻（现在）样品中碳十四的量；

41. 碳十四同位素半衰期 半衰期T1/2:是放射性原子核数衰减到原来数目一半所需要的时间。 t=τln(N0/N) T1/2＝τln2 ，14C的半衰期5730 则τ=8267 t=8267ln(N0/N)

42. 关于14C的半衰期 • 5730（真实半衰期）——60年代初测定 • 5568（利比半衰期）——50年代初测定 • 两者相差1.029倍 5730：t=8267ln(N0/N)——我国 5568：t=8034ln(N0/N)——欧美

43. （三）碳十四测年步骤 • 1. 样品采集 • 2. 样品处理 • 3. 样品测试 • 4. 14C数据校正

44. 14C样品要求 • 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。 • 要求：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。

45. 14C样品采集步骤 • 样品之间要有明确的考古学背景和时间先后关系，每个标品要有准确的标签，表明出土情况和遗址的关系。 • 避免现代含碳物质混入，不能用含碳的包裹物，应放在玻璃瓶/塑料袋中密封。 • 提取样本后，采取适当的方法使其慢慢干燥，不能长霉。

46. 14C测年样品采集重量要求 采样时应考虑样品的损失，应适当增加样品的采集量，采样对象不尽相同，按下表选取。 崔小林：《碳十四测定年代》，中国文物报，1994年03月27日第2版

48. 14C样品的前处理 • 物理前处理 —样品的切割、挑除大的污染物 • 化学前处理 —有机物的溶解、样品中腐植酸的去除、测年物质的提取。

49. （三）碳十四测年步骤 • 20世纪80年代前，主要探测样品中14C原子衰变所释放出来的β粒子来测量14C含量。 • 将样品放进专门设计的β射线高效探测器内，并在特质的屏蔽室里进行测量。

50. 两种测量计数装置 • 气体正比计数器 标本制作成CH4气体，放入倍增光电管中，测其剩余浓度N，测定范围为5万年。 • 液体闪烁计数器 将标本制作成苯溶剂（碳—碳化物—乙炔—苯）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。 同时，还需要测定标准样品中（14C含量已知）放射线强度和本底计数，以便将计数转换成14C含量。