科技考古学中的年代测定
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科技考古学中的年代测定. 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: 133 Cs( 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?.

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考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;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?


  • 考古学是“考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;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考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

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考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 地 层 学 :

  • 标 型 学 :

  • 考证纪年法:


地层学(层位学)考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;


类型学(标型学)考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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)。


类型学考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;断代法示意图


考证纪年考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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。


考证纪年的方法考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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


传统考古学断代法的特点及局限性考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;


采用自然科学测定年代的方法有多种,考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;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;


树木年轮法考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  • 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。


研究对象:考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

  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。


基本原理考古年代学:“时间”的科学;探索古代遗存年代;

   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。



  • 树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到: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。


Radiocarbon dating
碳十四测年法(放射性碳素测年法)树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:Radiocarbon Dating

  • 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。


  • 基础知识树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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


放射性现象树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

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α或β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。


放射性元素树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

元素:119种,109种,106种,92、91种?

原子结构:原子核和核外电子;

1).核的组成和基本性质

(1). 核的组成

原子核由质子、中子组成

2). 核的放射性衰变

(1)原子核的稳定性

原子核的种类不同,平均结合能也不同,其稳定性也不同;


3).树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:衰变定律

原子核是一个量子体系;核衰变是原子核自发产生的变化,一个量子跃迁过程,其遵循量子力学的统计规律;任一放射性核素,其发生衰变的精确时刻是不能预知的;但大量的放射性核素集合体,其整体的衰变规则是十分确定的;

4). 连续衰变规律

原子核的衰变,常常是一代接一代地连续进行,直至稳定为止;这种衰变称为连续衰变;

5). 放射性平衡

如果只有两个放射体的连续(递次)衰变,即B1B2B3;其中,T1、λ1和T2、λ2分别为母核B1和子体B2的半衰期和衰变常数;显然,任何递次衰变中,母核B1的衰变,总是服从放射性衰变定律的;较为复杂的是子体B2的衰变情况;


6). 树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:三种天然放射性系列

连续衰变系列统称为放射性系列;

地球上存在三种连续衰变的天然放射性系列:钍系、铀系和锕系;

每个衰变系列中,母核的半衰期最长,长到与地球年龄(46亿年)相近或更长;它们经过十次以上的衰变,最终皆变成稳定的铅同位素;衰变过程中,大部分放射α射线,少数放射β-射线,一般伴有γ辐射,但皆无β+射线或轨道电子俘获;


什么是碳十四?树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:


碳十四的形成树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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14C

    ——1933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)


碳十四在自然界如何存在树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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


  • 自然界树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:14C——无处不在、生生不息!!


(树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:左) 14C的产生及其在自然界中的分布

(右)14C的衰变规律


碳十四如何衰变树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:


衰变与死亡标本的年代关系树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:


半衰期与死亡年代计算树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:


碳十四测年方法树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 计算公式:

    y= lnNo/lnNx

    No : 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


  • 探测树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:14C在半衰中所放出的β粒子。样品放进专门设计的低本底,低能β射线高效探测器内,在特制的屏蔽室进行测量。当β粒子穿过时计数器会发出电信号或者荧光。同时,还要测定标准样中(14C含量已知)放射性强度和本底计数,以便将计数转换成14C含量。最后对年代进行推算。

  • 如何得到(剩余浓度) Nx ?

  • 如何数出β- 数量?

  • 碳十四测年法经历了:

    固体法--气体法--液体法--加速器质谱法

     几次测量和计数方法上的改进


固体法树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 将木质标本焙烧成木炭

  • 在英格管中电极激发β-使之游离

  • 测定β-浓度——得出Nx(剩余浓度)

  • 一般的测定范围是2.5万年以内。


气体法树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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。


液体法树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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


质子加速器法树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 针对β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 AMS ——Accelerator Mass Spectrometry

  • 以对14C原子计数代替了对β粒子的计数。


质子加速器法优点树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

  • 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20-50μg

  • 精确度高,灵敏度可达10ֿ15至10ֿ16,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β线计数要考虑宇宙光体。


碳十四测年的采样树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:

1). 样品的选取

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;

(1). 选取样品的条件

A. 选取样品的基本原则

a. 样品具有确定的14C/12C值,即样品形成时,其14C含量应与现代碳相近;陆生植物满足这一条件;


注意:树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:a). 石灰岩地区,水下生成的动植物体,因受死碳影响,即石灰岩中CaCO3不含14C,故其起始的14C偏低;

b).因不同地区海水中14C含量不同,因而对于海洋软体动物而言,中纬度地区的起始14C含量与现代碳较为接近,而南极地区则显著偏低;

c).水下沉积的碳酸盐,情况十分复杂;

盐湖底的碳酸盐沉积曾与大气充分交换,其初始14C含量与现代碳可能相近,但一般江河湖海中沉积的碳酸盐大多受到搬运而来的风化碳酸盐岩石的影响,其14C含量有着不同程度的降低,测定年代有的甚至偏老几千年;现代海滩砂中的碳酸盐可测出1万年以上的数据,显然是不对的;

结论:样品选取,必须认真研究和鉴别;


b. 树木年轮法原则上比较简单,实际上不易做到:样品应具有原生封闭性,即形成后未径次生破坏,

没有与外界发生过碳交换,也即未受污染;

埋藏在地下的含碳物质,因腐烂分解、又长期受到地下水的渗透、淋漓,很容易被地下水中含碳物质污染,如泥炭中的腐殖酸将溶于水中,迁移到不同的泥炭层中;生物碳酸盐更容易与外界发生碳交换,污染样品显然不能测出准确的年代;原则上讲,绝对保存原生封闭性的样品难以发现,然而,样品中保留的有机物部分,如木质纤维、骨胶原等不易与外界发生碳交换,即使受到其它含碳物质的污染,也可设法清除;

通常,炭化的木头、泥炭中分解不完全的有机质部分,都是符合或基本符合样品的选择要求的;


贝壳中的碳酸盐,受到贝壳有机质薄膜的保护,不宜与外界发生碳交换,故未经风化,即有机质薄膜保存尚佳的贝壳样品,也基本符合要求;贝壳中的碳酸盐,受到贝壳有机质薄膜的保护,不宜与外界发生碳交换,故未经风化,即有机质薄膜保存尚佳的贝壳样品,也基本符合要求;

结论:样品选取,尽量挑选原生封闭性较好的物质;

c. 样品应与研究内容密切相关

选取与文物同层位、同时代的含碳物质作为样品;如,房址中的木、竹用具和草、竹编织物,灶坑中未烧尽的木炭,窖藏中粮食、种籽,灰坑中兽骨等;都应是当时人类活动的遗物,即都为合适样品;当然,不含碳的遗物,不能作为测年样品;顺便指出,贝堤,古海岸线的标志,其中的贝壳,大多数是海岸线停留阶段遗留下来的,但也有少数为搬运而来,为此,应有计划地多选取样品,将所测年代认真分析比较之后,根据多数基本一致的数据,判断贝堤形成的年代;


B. 贝壳中的碳酸盐,受到贝壳有机质薄膜的保护,不宜与外界发生碳交换,故未经风化,即有机质薄膜保存尚佳的贝壳样品,也基本符合要求;样品选取的数量

决定于样品中可用的含碳量、采用的测定方法和探测仪器的大小;一般常规测量方法:需要纯碳量为1~10g;专门的小计数器方法需100mg以上;实际采样时,还需考虑一下几点:

a. 根据可能提取适于14C测定的碳量,估算选取量;

例如,骨质样品,只能用骨胶原部分的碳;木质样品,一般要清除腐殖酸,仅提取木质素和纤维素中所含的碳,并非样品中的碳都有用;

b. 样品在处理、化学准备过程中的损失量;

c. 有时,为比较样品中各成分的14C年代,例如,泥炭样品,为获得可靠的年代数据,应对各种含碳成分作14C测定,因此,需要更多的样品;


根据上述考虑和一些实验室制备样品的经验,将各类样品的需求量建议如下:

样品类别 数量(g) 举 例 说 明

木质 100 树木、细树枝、棺木、木柱、

木把、木器、竹器

炭质 50 木炭、草炭、炭化木器和木柱等

贝类 200 贝壳、螺蛳壳、牡蛎壳、珊瑚、海滩盐

骨质 1000 兽骨、人骨、骨器、象牙(炭化与未炭化)

泥质 500~2000 淤泥、土壤、泥炭、湖泥

生物体 100 种子、毛发、棉、毛、草、竹编织物

兽皮、布、纸、果壳、鸟窝等

碳酸盐类 100 钙华板、石灰华、钟乳石、石笋穴珠、

钙结核

白灰面 100~200 灰浆、灰膏、三合土

铁质 500 铁器、铁片

陶质 500 含碳陶片、含未燃尽炭的红烧土

冰、水、收集相当于 从海水、冰层、地下水、大气中抽出大气中CO2 1~10g碳量


综上所述,优先样品:符合 根据上述考虑和一些实验室制备样品的经验,将各类样品的需求量建议如下:14C测定年代要求、合碳量高、容易处理的样品,如木头、木炭、谷物、果壳、高品位泥炭、贝壳之类应优先选取;对于有重大意义的样品应尽量收集,即使样品略有不足,也要设法加以测定或用加速器法测定;

C. 包装和邮寄

包装运输和邮寄过程中,如发现外来含碳物质混入、样品袋破损使不同样品的混杂、标签破损不易辨认而导致混乱以及样品发霉变质等,都不能再作测定;样品包装的方法各式各样:块大、量多的样品,一般不易与包装物混杂,可用纸张包裹;量少的、粉末状样品,如木屑、炭屑、朽木碎片等,则切忌用纸张、棉花、布丝衬垫,可用瓶装后石蜡封口,因纸屑、棉丝等一经与样品粉末混杂,不易挑出;



D. 用合适的填料塞紧,即可运输和邮寄;如果野外选取的样品不能及时送到实验室,或邮寄运输的时间太长,为防止发霉,需晾干后包装,样品登记

14C测定前,提供者必须填写一份内容明晰的登记表;可为样品的前处理提供依据,并可保证与该样品有关的资料齐全,使测出的年代数据具有科学价值;实验室定期公布资料齐全样品的年代数据,供有关研究使用;这对推动学科的发展,节约科研经费和劳力都有必要;

登记表的内容主要有:

a. 样品出土地点

包括省(市、自治区)、县(市)名称和最邻近的村名;采样地有时远离村寨,应注明附近的地名,并标明经纬度,以便可从地图上找到相应位置;

b. 样品出土层位

标明其所在文化层及共出器物,地质样品应描述地层和产状,最好附一地层剖面图,标出样品位置;


详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价14C年代数据的准确,提供旁证;

c. 文化性质或时代关系

14C年代无需从其它年代推出,但填明时代有助于测定结果的分析;分析测定年代和估计年代的差异,有利于研究的深入;

d. 登记表填写内容

应填写选取者、提供者单位、姓名和通讯地址;数据发表时,也应同时刊登,便于有疑问时查询;各实验室登记表格式大致相同,考古所实验室登记表的填写格式为:


详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价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:


接上表详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价


接上表详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价


接上表详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价


(2). 详细描述样品所处的地质、地理环境,这些信息往往可作为评价考古样品的选取

考古中14C年代测定的目的:解决古代遗址或古代遗物的绝对年代,从而研究人类的历史发展、文化演变等;

样品选取:大多在野外考察和田野发掘时;

这里拟分别讨论考古研究中样品的选取方法和要求:

A. 考古调查或试掘中样品的采集

考古工作者通过广泛调查地面残留的遗迹、遗物,寻找地下的古遗址和遗物;为了选择有典型意义的遗址,往往需进行一些试掘,如挖一些探沟等;这时,如果发现一些可供14C测定的样品(如木头、骨头、木炭等)也可适当采集;它们的年代数据,对制定下一步工作计划可提供极有用的信息;但这类样品是未经系统挖掘采集的,有时层位关系不够明确,容易出现差错;


采集时应特别注意,若无把握,事先应作说明;试掘时探沟中发现的样品,较为可靠;但对它们的出土情况,也要仔细考察作出判断;不过有时并不能找到合适样品采集时应特别注意,若无把握,事先应作说明;试掘时探沟中发现的样品,较为可靠;但对它们的出土情况,也要仔细考察作出判断;不过有时并不能找到合适样品(木头、木炭等),而又对遗址年代没有把握,为提供参考资料,如果发现灰坑中淤泥、土壤等,也可选取作14C 测定;假如是当时腐烂的动植物遗骸形成的腐土,其年代应与遗址年代相近;

B. 晚旧石器时代样品的选取

14C测年方法,(3-4)×104a以内样品,通常可靠;但(1-2)×104a以上的古代遗迹,其含碳物质往往随时间增长,加剧受腐,如风化、石化、腐烂、侵蚀等作用使含碳量日益减少,样品的选取较为困难;


同时,旧石器时代遗迹保留至今的数目不多,且较多出现在山洞附近,洞中往往有人类活动留下火烧过的骨骼、炭末、食用后弃去的贝壳、螺蛳壳,捕猎获得的兽骨及用于狩猎、装饰的骨制矛头、箭头、木柄工具、骨饰和象牙等,都可以采集作同时,旧石器时代遗迹保留至今的数目不多,且较多出现在山洞附近,洞中往往有人类活动留下火烧过的骨骼、炭末、食用后弃去的贝壳、螺蛳壳,捕猎获得的兽骨及用于狩猎、装饰的骨制矛头、箭头、木柄工具、骨饰和象牙等,都可以采集作14C测年样品;旧石器时代,山洞也可能被不同时代的人类占据过;也可能原来是野兽聚居地,后来被人类占用的;或者被废弃后兽类作了窝,样品的选取需注意其所在层位同出土器物的关系;被废弃的山洞或原来是无人居住的山洞,因裂隙水、地下水或地表水作用,会在人类活动层之上或之下形成钙华,用它们的14C年代可能推算出人类活动年代;其它如穴珠、钟乳石等也都可以测出14C年代,但其形成年代与人类活动年代的关系需仔细推敲;


C. 同时,旧石器时代遗迹保留至今的数目不多,且较多出现在山洞附近,洞中往往有人类活动留下火烧过的骨骼、炭末、食用后弃去的贝壳、螺蛳壳,捕猎获得的兽骨及用于狩猎、装饰的骨制矛头、箭头、木柄工具、骨饰和象牙等,都可以采集作古墓葬地样品的选取

古墓葬为后人留下了丰富的考古资源;最早的墓葬只是一个土坑、几根尸骨;骨头在某些地区保存得很久远,合适作14C分析;以后有了木制葬具,又有了随葬品,富人的随葬品越来越花样繁多,所以可选取的14C样品很多;棺椁外加的一层木炭,多半用当时砍伐的小树杈烧成,砍伐年代与墓葬年代相近,木炭处理方便,年代可靠,是极好的14C样品;棺椁大多用大树树干制作,大树一般生长几十年,甚至几百年,而只有它们的外层边材方与砍伐年代相当,且棺椁还可能是使用几十年前砍伐的木材制作的,所以一般其14C年代要偏早于墓葬年代,但保存较好的棺木也是较好的14C样品;有的地区棺木腐朽严重,所含木质纤维无几,选取数量需成倍增加;


尸骨的采集数量应因情况而异;保存好和腐朽或石化严重的,含碳量相差好多倍;一次制样常常需要用去整副骨架;一般说来,不同个体的骨架要分别包装;随葬品一般都是当年生长的植物和当时宰割的动物,年代与墓葬相符,只要数量足够,允许采集,都是很好的尸骨的采集数量应因情况而异;保存好和腐朽或石化严重的,含碳量相差好多倍;一次制样常常需要用去整副骨架;一般说来,不同个体的骨架要分别包装;随葬品一般都是当年生长的植物和当时宰割的动物,年代与墓葬相符,只要数量足够,允许采集,都是很好的14C样品;例如橡子、菱角、核桃、面饺、 药材、丝绸、编织物、草绳、竹席、纸张、麻纺织品、木桶、木器皿、油脂等;另外,蜂蜡、烟油、酒、醋、糖等也都作样品,但可能量很少,只能供小样品测量方法使用;

D. 居住遗址中样品的选取

新石器时代以来,人类巳能建造房屋居住;


房屋大多为草木结构;居住遗址中有房基的柱子洞,有用以烧煮食物的灶坑,有贮存粮食和食物的容器和地窖,有遗留的生产工具和生活用具,有堆积垃圾的灰坑等;居住遗址中的遗物和信息最能反映当时人类的生产和生活,发掘居住遗址是田野考古研究的重要工作内容之一,是探求古代人类及其文化发展的重要途径;发掘居住遗址,同样可采集到很多适于房屋大多为草木结构;居住遗址中有房基的柱子洞,有用以烧煮食物的灶坑,有贮存粮食和食物的容器和地窖,有遗留的生产工具和生活用具,有堆积垃圾的灰坑等;居住遗址中的遗物和信息最能反映当时人类的生产和生活,发掘居住遗址是田野考古研究的重要工作内容之一,是探求古代人类及其文化发展的重要途径;发掘居住遗址,同样可采集到很多适于14C测年样品;如残存的房梁、房柱等结构木料,对于当时被火烧毁的居住遗址,其中遗留的炭化木柱,木板更是保存完好的样品;灶坑中没有燃尽的木炭;生产工具和生活用具的木质部分,如竹、麻之类;贮存的粮食和采集来的食物;


灰坑垃圾中的含碳物质,如木头、木炭、兽骨、贝壳及各种有机物等;有时,还有草拌泥的墙壁、破碎的铁器、含碳的陶片等都可以取样;灰坑垃圾中的含碳物质,如木头、木炭、兽骨、贝壳及各种有机物等;有时,还有草拌泥的墙壁、破碎的铁器、含碳的陶片等都可以取样;

有的遗址还使用了白灰面铺地和粉刷墙壁,这种白灰面实际上是经过人工烧制的石灰,吸收当时大气CO2,形成的含碳物质,也是很好的14C测年样品;人类的居住地,住往在同一地点延续很长时期,或者在毁弃以后,又重新建造起来住进了新的部落;因此文化层往往堆积很厚,不同层位代表了不同时代和不同文化;通过全面发掘,系统选取各层位的14C样品测定其年代,对于研究各类文化的发展及其年代序列是很重要的;


E. 灰坑垃圾中的含碳物质,如木头、木炭、兽骨、贝壳及各种有机物等;有时,还有草拌泥的墙壁、破碎的铁器、含碳的陶片等都可以取样;石窟、寺庙中样品的选取

石窟、寺庙中的塑像,通常使用了草木胎骨,壁画衬底也使用了草木结构,如用芦苇和麻捆扎而成;这些草木胎骨和衬底的年代,正是佛像和壁画制作完成的年代;从已毁坏的佛像和壁画取样,不至于造成破坏;而测出的年代对于研究石窟艺术和宗教艺术的发展史却有重要意义;寺庙建筑用木料的14C年代测定,还可为寺庙的建造、重修或改建的年代提出依据;

F. 窑址中样品的选取

研究砖瓦陶瓷的烧制工艺及其发展史必须研究窑址; 窑址中一般总有未燃尽的木炭,可用于测定年代,这对研究窑的发展史很有必要;


G. 灰坑垃圾中的含碳物质,如木头、木炭、兽骨、贝壳及各种有机物等;有时,还有草拌泥的墙壁、破碎的铁器、含碳的陶片等都可以取样;博物馆收藏品的取样

有许多古物早已大量发掘出来,收藏在博物馆中,但未经14C年代测定,有时需要补测14C年代;有一些藏品有足够量的含碳物质,条件许可时,同样可以取样作常规测定;但大多数情况下,取样受到极严格的限制,不允许有明显破损而只能微量取样,用加速器法测定;

需要注意的是,博物馆的古物有许多已用虫胶、石蜡、树脂等粘合剂加固,这些粘合剂一般都是含碳物质,必须处理干净以防影响年代测定结果;

(3). 地质和其它样品的采集

14C年代测定,除在考古学中应用外,在地学等各学科中的应用也许更加广泛,可选取的14C样品种类更多,情况各有不同;


它们本身常常是自然界地质事件的体现者;灰坑垃圾中的含碳物质,如木头、木炭、兽骨、贝壳及各种有机物等;有时,还有草拌泥的墙壁、破碎的铁器、含碳的陶片等都可以取样;

以下分述几种类型的样品:

A. 植物体残骸

这类样品有:树干、树枝、果实、种子等,有的已经炭化,一般含碳量较高,且保存较好,易于处理,年代也较可靠,是优先选取的样品;但上面已谈到大的树干耍取外层木质;倘若已成碎块,其本身可能与树木砍伐年代相差若干年却无法察觉;虽然一年生植物或树轮残骸的生长年代比较确定,但因大气14C浓度并非每年绝对一致,通常有所起伏,因此精确的年代测定应计入这项误差;使用这类样品,还应注意到长期埋在地下,有可能已沉积了地下水中碳酸盐物质,上层淋漓的腐殖酸等;


尽管实验室首先要清除这类外来物,但往往不易彻底清除,特别是腐殖酸,有时样品本身就是腐殖酸物质,分离更无法实现;这时年代的可靠性就应结合地质条件加以讨论;另外,这类样品再搬运、再堆积的可能性较大,选取要注意其出土层位、环境等;尽管实验室首先要清除这类外来物,但往往不易彻底清除,特别是腐殖酸,有时样品本身就是腐殖酸物质,分离更无法实现;这时年代的可靠性就应结合地质条件加以讨论;另外,这类样品再搬运、再堆积的可能性较大,选取要注意其出土层位、环境等;

B. 动物体残骸(有机质部分)

动物的骨骼、毛发、角、牙、肉及其制品等,以骨质样品为多;骨化石是研究动物群的主要材料;测定其年代,对研究地层和动物演变均有重要意义;样品缺乏时,地层中经过筛选获得的小量骨头,也是很好的微量样品,可用加速器质谱计数方法测定;骨质样品主要问题:无机质部分年代不可靠;


因为骨头组织疏松尽管实验室首先要清除这类外来物,但往往不易彻底清除,特别是腐殖酸,有时样品本身就是腐殖酸物质,分离更无法实现;这时年代的可靠性就应结合地质条件加以讨论;另外,这类样品再搬运、再堆积的可能性较大,选取要注意其出土层位、环境等;(哈佛氏管,Haversian canal),空腔多,会沉积外来碳酸盐及其它污染物,本身碳酸盐容易与地下水中CO2交换碳原子,所以必须清除这类无机物;骨头中有机质部分经长年腐蚀,只留下一部分骨胶原物质,含量非常少,往往不易满足需要;但作为14C样品,它的年代还是可靠的;另外有人认为:骨磷灰石的碳酸盐仍保留原生的碳,经过适当处理而用这部分碳测定得出的年代仍属可靠;

C. 泥炭

泥炭是一种陆相植物堆积,主要是在沼泽环境下,植物生长旺盛,堆积较快,空气难以渗入,植物不能完全分解而与土壤混成一体;有的植物纤维仍清晰可见,颜色较浅呈棕、褐色,


基本上还是植物残骸,故含碳量可高达尽管实验室首先要清除这类外来物,但往往不易彻底清除,特别是腐殖酸,有时样品本身就是腐殖酸物质,分离更无法实现;这时年代的可靠性就应结合地质条件加以讨论;另外,这类样品再搬运、再堆积的可能性较大,选取要注意其出土层位、环境等;50%以上; 有的分解程度高,已无纤维痕迹,含碳量仅20%,近于腐泥,颜色也变深至黑色;封闭条件好的泥炭,其年代代表植物生长年代;泥炭中合有丰富的袍子花粉,其14C年代与花粉分析相配合,对于研究更新世晚期和全新世的古植被、古气候、古地理具有重要意义;不封闭的泥炭层,易受后期碳污染;另外,如有后期植物根系插在其中,采集和处理 都要特别小心;应该根据泥炭含碳量和研究工作需要, 估计和确定采样厚度和区域,以仔细分析其形成、发育

和终止年代;

D. 淤泥

淤泥通常泛指河湖相或滨海相含有各种有机物和无机物的混合沉积物;


淤泥层中一般都含有丰富的孢子花粉,各种动植物残体,如贝壳碎屑,各种浮游的和底栖的微体生物,鱼虾等水生物残体及腐殖质,种类繁杂,包罗万象;含碳量一般比泥炭少得多,且差别较大;各种内陆盐湖沉积物中,大部分是盐类矿物,也有碳酸盐和少量有机质;水下的淤泥层一般可认为是封闭的,但要注意是否有再搬运、再沉积的现象;如淤泥层已经干涸成陆,封闭埋藏条件发生变化;淤泥层中一般都含有丰富的孢子花粉,各种动植物残体,如贝壳碎屑,各种浮游的和底栖的微体生物,鱼虾等水生物残体及腐殖质,种类繁杂,包罗万象;含碳量一般比泥炭少得多,且差别较大;各种内陆盐湖沉积物中,大部分是盐类矿物,也有碳酸盐和少量有机质;水下的淤泥层一般可认为是封闭的,但要注意是否有再搬运、再沉积的现象;如淤泥层已经干涸成陆,封闭埋藏条件发生变化;

如形成龟裂,则要注意有否受污染的可能;

同时要注意淤泥中是否含有方解石、白云石等古老碳酸盐碎屑;生长在具有储存库效应地区,如火山地区的陆生植物,石灰岩地区的水生植物,其14C放射性水平会偏低,残骸形成的淤泥中,有机质的14C比度也会降低;


通常,有机质和其中生物残骸的淤泥层中一般都含有丰富的孢子花粉,各种动植物残体,如贝壳碎屑,各种浮游的和底栖的微体生物,鱼虾等水生物残体及腐殖质,种类繁杂,包罗万象;含碳量一般比泥炭少得多,且差别较大;各种内陆盐湖沉积物中,大部分是盐类矿物,也有碳酸盐和少量有机质;水下的淤泥层一般可认为是封闭的,但要注意是否有再搬运、再沉积的现象;如淤泥层已经干涸成陆,封闭埋藏条件发生变化;14C年代较可靠,而其分散无机盐的年龄在使用时,需倍加小心;钻孔取样时要小心避免混层,出露地表的,要削去表面易受污染部分; 淤泥分析和年代测定配合古生物学的研究,可对淤泥的形成条件、湖泊河流发育、盐湖成矿、 泥沙淤积速率以至晚更新世以来古气候、古生物群落变化的研究提供科学依据;

E. 土壤

土壤是在一定气候、地理环境中长期发育形成,如森林土壤(灰壤)的成壤时间可达几百年,草原土壤(黑上)则需几干年以上;土壤发育过程中,表面会不断有新的堆积;埋藏的古土壤,还可能受上层沉积物淋漓含碳物质的影响,浅层土壤中则会有现代生物作用,


如植物根系的插入等;土壤中包含的含碳物质,除埋在其中的树木残枝和 炭化木头外,尚有生物残骸形成的土壤腐殖质;土壤碳酸盐新生体,即淋溶、沉淀作用产生的部分;及现代植物根系等;采集土壤样品时,除明显干扰,如表层土壤现代植物根系必须清除外,其它物质形成年代或埋藏年代,也都比较复杂,作常规14C年代测定所得结果的解释 应该十分谨慎;如仅测一个样品的年代数据,一般很难说明问题,需同研究土壤发育的各个阶段,新生体发育过程相配合,考虑各方面因素,选取一系列样品测定年代,并作系统分析,才能起到应有的作用;

尽管如此,因土壤发育过程与人类生产活动关系密切,


因此,土壤年代的测定,对土质资源的利用,自然环境变迁的研究颇有重要意义;因此,土壤年代的测定,对土质资源的利用,自然环境变迁的研究颇有重要意义;

F. 贝壳与珊瑚

贝壳与珊瑚的成分,除含很少量有机质(1%以下)外,绝大部分由碳酸盐组成,贝壳是各种软体动物的遗骸,有淡水生和海水生;其中,碳主要是生活期间摄食时获得的,其14C比度与当时的环境有关;壳体结构,好似将碳酸钙填充在极薄的有机膜组成的无数小室中,有机膜保护碳酸盐中碳不与外界交换, 一旦膜被腐蚀,原有的碳酸盐可能与外界碳进行交换而受污染;有机膜保护的贝壳具有光泽,而污染部分往往呈白垩状,这部分不再能用于14C测定;

选取时,应仔细观察贝壳样品是否含有末污染部分;

对于较大的贝壳,如牡蛎壳,是分层生长的,


层间大多被污染呈白垩状,应估计保留未污染部分的数量是否足够测定;因潮汐和海浪的冲击,海贝一般生活在浅海和潮间带;因此,沿高潮线形成堤状贝壳堆积,即贝堤,是研究古海岸线变迁的重要材料;各种海贝的生活习性和环境适应性各不相同,又可同环境研究相结合;层间大多被污染呈白垩状,应估计保留未污染部分的数量是否足够测定;因潮汐和海浪的冲击,海贝一般生活在浅海和潮间带;因此,沿高潮线形成堤状贝壳堆积,即贝堤,是研究古海岸线变迁的重要材料;各种海贝的生活习性和环境适应性各不相同,又可同环境研究相结合;

珊瑚通常生活在热带、亚热带十几米内的表层海水中,死后骨骼堆积形成珊瑚礁;在水下,几乎不受任何侵蚀,露出海面后即会风化;

珊瑚礁的形成及其形态必须与基底的地质地形、地壳运动和海面变化结合起来研究;

珊瑚礁上同一高度、内层与外层的年代可能不一致,这同它的形成,地壳运动与海面变化有关;


因此不能简单判别它们层间大多被污染呈白垩状,应估计保留未污染部分的数量是否足够测定;因潮汐和海浪的冲击,海贝一般生活在浅海和潮间带;因此,沿高潮线形成堤状贝壳堆积,即贝堤,是研究古海岸线变迁的重要材料;各种海贝的生活习性和环境适应性各不相同,又可同环境研究相结合;14C年代的意义;

珊瑚礁上的采样点应有适当的立体分布,应采集内部末受污染的部测定年代,并对一系列可靠的14C年代结果进行综合研究分析;某些可能存在储存库效应的水域中采集的样品,其14C原始比度还应研究确定;

G. 石灰华

石灰岩地区的雨水或地表水渗透到岩层,水中大气 CO2不断溶解碳酸盐矿物而形成重碳酸盐溶液;

当这种水重新出露时,重碳酸盐发生分解形成碳酸盐

沉积物,称为石灰华;在岩洞中常形成石钟乳、石笋、钙华板、穴珠等;这些物质中,至少一半以上碳原子来自大气CO2,而其余缘自古老碳酸盐岩石,


测出年代大约会偏老层间大多被污染呈白垩状,应估计保留未污染部分的数量是否足够测定;因潮汐和海浪的冲击,海贝一般生活在浅海和潮间带;因此,沿高潮线形成堤状贝壳堆积,即贝堤,是研究古海岸线变迁的重要材料;各种海贝的生活习性和环境适应性各不相同,又可同环境研究相结合;(2-3)×103年;

如果水中的CO2来自地下或来自深层矿泉水形成的石灰华,其年代会偏老更多;

石钟乳、石笋、钙华板的生长往往都有层理结构,

采样时应分清层理,分别测定;

这样,可研究其生长速度,推断岩洞发育过程和水文变化;而与人类活动有关的石灰华、钙华等都具有重要的研究价值;这类天机盐样品都要防止大气中风化形成的污染,采样时,要取内部末受污染部分;同时,要注意其中央杂的碳酸盐矿物碎屑;

H. 钙结核、海滩盐

黄土中的钙结核俗称礓石,同石灰华一样,是含有大气CO2的降水溶解黄土中的碳酸盐,


使之成为重碳酸盐,当水分挥发变干时,重碳酸盐分解凝聚形成的碳酸盐结核;海滩岩则是在热带或亚热带海滩海水快速蒸发析出的碳酸盐物质和砂粒、卵石、贝壳等胶结形成的, 可用来测定海滩岩形成的年代; 但是胶结碳酸盐量很少,且不易剥离, 一般无法单独测定年代,而是取其中胶结的贝壳或 和贝壳一起取样测定;

I. 苏打和天然碱

内陆闭流湖泊和一些干旱地区的碱土层中,因地下水的毛细管、蒸发作用或雨水的淋溶等, 使土层中的碳酸钠、重碳酸钠在一定深度富集成苏打层或天然碱层,或含苏打、天然碱的芒硝层;


这类样品是研究盐湖、碱湖及干旱地区第四纪地质的重要样品;

J. 大气、土壤、水和冰中CO2样品

CO2样品的选取,原则上都是从大气、土壤、海水、地下水、岩洞内涵水或冰层中吸取或赶出CO2,导入碱溶液吸收、沉淀成碳酸盐样品,然后制样,测量,确定其14C放射性;

a. 大气核试验使大气中14C比度增加,测定不同时间、不同地点、不同高度收集大气CO2的14C比度,可研究核试验对环境污染状况以及大气流在全球扩散、循环过程等;

工业CO2废气或汽车排放废气密集地区,大气CO2的14C比度相应偏低,14C测定可用于研究环境污染;收集大气CO2方法,一般用NaOH或


Ba(OH) 这类样品是研究盐湖、碱湖及干旱地区第四纪地质的重要样品;2溶液吸收,形成Na2CO3(可以酸化重新放出CO2)或BaCO3(或加SrCl,形成SrCO2沉淀) 过滤出沉淀,然后加以制样测定;可以用盛有吸收液的大面积器皿,暴露在大气中,自然吸收,数日后即可获得足够测量用碳量; 也可用抽气方式使大气通过吸收液,较为快速地 获取所需碳量;

高空取样还可以在飞机上配备吸收装置,利用分子筛等吸收CO2;

植物根部的呼吸作用和细菌分解有机物质产生的CO2,保留在土壤孔隙中,往往成为地下水中CO2来源之一,为了解地下水起始14C比度,可对土壤中CO2作14C分析;采集CO2方法可将多很采样管插入土壤一定深度, CO2气体吸收入碱液,滤出沉淀制样测定;


或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的CO2;历数日后取出制样测定;

b. 地下水中一般溶有少量CO2,HCO3-, CO32-等,其14C比度因地下水的排泄、补给和含水层物质组成等情况不同而有区别,14C测定对地下水研究有一定意义;

水样中CO2提取.一般先将水样酸化,使放出溶解的CO2,用氮气驱赶至盛碱性吸收液容器中,形成碳酸盐沉淀,过滤后制样测定;为加速出气,可将水样稍加热,或用泵使之加速发泡;另外,还可以在水样中直接加碱性溶液,使呈碱性后,加入沉淀剂如BaCl等,形成碳酸盐沉淀,再过滤出来,然后制样测定;

采集地下水样品时,要注意取水深度,并防止受其它深度不同含水层水的污染;


海水中或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的CO2采样基本上与地下水相似,需要在一定深度取出水样而不受其它深度水的干扰, 酸化放出的CO2用碱液吸收,然后送实验室处理;也可以用分子筛或交换树脂吸收CO2,再送交实验室;水样一般需要量较大,有时达几百升以上,上述过程必须在海轮上进行;这类样品可用于研究大气与海洋面CO2交换率,海流周转以及深海水翻转时间等;

c. 冰层中CO2采样,可将大量冰决融化成水,

再用上述方法采集;

对于冰层钻孔采样,只能提取微量样品,供加速器质谱计数方法测量;


碳十四年代的误差与校正或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的

  • 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。


碳十四年代的校正或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的

  • 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 :

    [xxxx±50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。


  • 国际公认或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的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)

  • 1850—1950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。


14或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的C测年方法的优点:

1)测量范围广,可测定1000—50000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


14或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的C断代法存在的问题:

① 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;

② 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;

③对样品的量有要求,且测量时间较长。

④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或用一密封容器倒扣在土上,内置盛碱溶液盘吸收土壤中逸出的

  • 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” 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。

  • 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。


Thermoluminescent dating tl
热释光测年法 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。 Thermoluminescent Dating (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 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。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 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。

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。


  绝缘结晶固体受到放射性照射发生电离,形成电子和空穴,  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α、β和γ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。

热释光能量的由来?


辐射能存储  绝缘结晶固体受到放射性照射发生电离,形成电子和空穴,


能量的释放与储存时间的关系:  绝缘结晶固体受到放射性照射发生电离,形成电子和空穴,


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。

热释光测年的原理


测年方法: 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

工作程序


对测年标本的要求: 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

  • 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5~7厘米,一起转入准备好的塑料袋,密封起来,进行加固包装;


采集步骤: 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

4、一块标本的重量约在30~50克,同一个研究对象最好有3~5个标本(提倡6~12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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

  • 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、

    2000~8000年、

    8000年以上。


Archaeomagnetic dating
古地磁测年法 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。 Archaeomagnetic Dating

  • 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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。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(700ºC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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。:

   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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

电子自旋共振(Electron spin resonance,简称ESR),又叫电子顺磁共振(Electron paramagnetie resonance,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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。与其他测年法相比,其优点:

①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。

②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。③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。

④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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

  • 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: 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

  • 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)6 F 2]。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 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。

铀系同位素断代(Uranium-series dating),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)。


238 热释光灵敏度:即单位辐射剂量的热释光量。U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“污染” 的样品,否则会产生较大的年龄误差,污染源主要是附近的土壤和水。

但实际上理想的样品并不多,而且误差也较大,所以经常与钾-氩断代法、裂变径迹法、氨基酸外消旋法等断代方法互相补充。近年来,随着质谱铀系法的发展,其以所需样品少、精度高而代表了铀系测年的方向。


钾-氩断代法 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

钾—氩断代法(Potassium-argon dating[K/Ar]),亦属于同位素断代法的一种,是利用矿物中钾-40衰变成氩-40的原理进行断代的。

考古学中用钾-氩法测定旧石器时代的遗址年代。近年来,钾-氩法得到改进,精度有所提高。


t 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,样品的选取要为年龄

λK为40K的K层电子俘获衰变常数

λβ为40K的β衰变常数

D为经t年后测定出样品中的40Ar的原子数

N为经t年后样品中40K的原子数


穆斯堡尔谱学断代 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

基本原理

根据古陶在地下埋藏过程中,古陶中还有的石英、长石等矿物晶粒会受到天然放射性元素(铀、钍、钾)发射的α、β和λ射线或宇宙射线的辐射,会使样品中的一些晶粒的结构出现晶格缺陷,这样古陶在地下埋藏的年代越久,晶格中的能量状态变化就越大,即具有累积性质,所以晶格变化的程度与样品的年龄成正比,利用穆斯堡尔谱学能测量出古陶晶格中原子核周围能量状态的变化,从而可推断出古陶的年龄。


在实际工作中,利用穆斯堡尔谱效应测量并计算样品中某些矿物四面体和八面体晶粒中二价铁原子核周围的电场梯度的大小随样品年龄的变化曲线,即可准确得到样品的年龄。

优点:方法简单,使用方便。

缺点:样品中原子核周围的电场梯度的大小还与样品的烧结温度和原料成分有关,这会带来一定的误差,且穆斯堡尔谱线需要经过计算机解析才能得到结果。


黑曜岩水合法断代 在实际工作中,利用穆斯堡尔谱效应测量并计算样品中某些矿物四面体和八面体晶粒中

黑曜岩水合法(Obsidian hydration dating)是利用黑曜岩表面水合层的厚度来推测黑曜岩工具制作年代的技术。

黑曜岩是一种火山玻璃,石器时代的人类经常用它制作各种工具。

黑曜岩对水有很强的亲和力,由外向内扩散形成水合层。

D2=Kt

K为扩散系数,与埋藏的温度和黑曜岩本身的化学成分有关而与湿度无关。


由于埋藏环境的温度并非稳定不变,所以这种方法经常限于局部地区的相对年代的测定,最好与碳-14、树轮年代法等校对,与这些方法比较确定出标准后,再用内插法或外推法得出绝对年代。


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