考古学家是如何做年代鉴定的?

对于一个新的遗址,我们经常想要问的第一个问题便是:它是什么年代的?考古学在一定意义上是“时间”的科学,获取考古资料后,判断遗迹和遗物的年代,是研究的重要一步。时空框架是考古学研究的重要基础,知道一处遗址的时间与年代,才能在漫长的历史长河之中寻找到它的位置和坐标,才能对比不同遗迹和遗物出现的先后顺序。那么,考古学研究是如何判断一处遗址的年代的呢?

在考古学研究中,存在相对年代和绝对年代两种概念。相对年代,是指遗物或遗迹的先后顺序和先后关系,其推定一般利用考古地层学和类型学。该方法在考古学研究中发挥了重要作用,至今仍在普遍使用。在考古学中,根据遗物形态特征和组合特征,把遗址分为早期、中期、晚期的做法就是一种相对年代的表示方法。汤姆森提出的这个“三期说”开创了相对年代研究的先河。

《中国考古学中碳十四年代数据集》

绝对年代,是指遗物或遗迹的具体时间,可以用年代数值表示。中国古代帝王纪年、干支纪年和大事纪年等都是绝对年代的表示方法。近现代以来,随着自然科学的发展,一些科学技术手段可以被用来进行年代的测定,其中最常用和最重要的方法就是碳十四测年法,此外,常用的还有树轮断代法和热释光测年法等。

最为可靠的碳十四测年法

碳十四测年法测定年代是考古学中最主要的确定绝对年代的方法,即通过在考古遗址中采集动植物遗存、含碳沉积物或其他含碳物质,测定生物体的死亡年代或沉积物的形成年代,以此推测考古遗址存在的绝对年代。从理论上讲,碳十四测年法可测范围达到距今5万年左右,目前树轮校正的范围只能达到距今2万年左右。自从20世纪夏鼐、仇士华、蔡莲珍等先生在我国创建第一个碳十四断代实验室以来,测定了一大批遗址的年代数据,并且编写了《中国考古学中碳十四年代数据集》。

碳十四测年法的最基本原理是放射性元素碳十四的衰变规律,由于自然界中碳的交换循环相当快,活体生物内的放射性碳十四浓度基本上是一致的。生物体死亡后,其放射性碳十四与外界脱离了交换状态,即放射性碳十四得不到补充。这样,原来拥有的放射性碳十四浓度会按照衰变规律逐步降低,即每经过一个半衰期,浓度就降低一半。目前,国际上采用5730年为碳十四的半衰期,而时间越久远,碳十四的浓度就越低,因此采集考古遗址出土的动植物遗存或其他含碳物质,通过测量获得其碳十四浓度,再与活体碳十四浓度进行比较,即可得知其死亡的时间。

极为重要的树木年轮断代法

树木年轮定年通过确定树木年轮的时间顺序,可以精确到年,甚至到某个季节。树木的年轮是树干横截面上木质疏密相间的同心圆圈,每一个年轮的宽度包括当年的春材和秋材。多数温带树种一年形成一个年轮,因此年轮的数目表示树龄的多少。而年轮的宽窄则与相应生长年份的气候条件密切相关,在干旱年份,树木生长缓慢,年轮就窄;在湿润年份,树木生长较快,年轮就宽。连续对比不同年份的气候变化和树木年轮,就可以确定某个年轮的形成年代。同一气候区内同种树木的不同个体,在同一时期内年轮的宽窄变化规律是一致的,因此同种树木的不同个体之间能够交叉定年。

如果一段树干内层的一段年轮图谱同另一段树干外层的年轮图谱一致,那么说明这两者有过共同的生长期,生长年代能够相互衔接。如果多个整体上时间早晚不同、但是部分年轮重叠的同一树种的样本能够持续衔接下去,就能由此建立长序列的树木年轮表。目前,中国年代序列最长的树轮样本为青海地区的柏树年代序列,时间跨度从公元2010年一直到公元前1500年。

树木年轮示意图

树轮断代法有两个基本条件:一是考古中出土的木材样本与已经建立的长序列树木年轮表属于同一气候区,二是树种是相同的。考古学家首先對考古遗址中的木材样本进行树轮分析,建立其树轮图谱,然后将该树轮图谱与已建立的标准年轮图谱进行对比。如果该木材样本与已经建立年轮表的木材相同,且来自同一气候区,那么,根据树轮定年原理,就可以找到唯一的重合位置,从而确定其绝对年代。

术有专攻的热释光测年法

热释光是一种物理现象,它是晶体受到辐射作用后积蓄起来的能量在加热过程中重新以光的形式释放出来的结果。早在17世纪,英国化学家就描述过热释光现象。19世纪末,科学家基本上研究清楚了热释光的产生过程。20世纪中叶,考古学者开始将热释光技术运用于探测古陶瓷年代,宣告了该方法在考古学中运用的开始。20世纪60年代以后,国内外对热释光现象进行了系统的研究,可以说热释光测年是20世纪60年代兴起并迅速发展的一项考古和地质测年技术。它可以确定考古遗物的年代,也可以对古代文物尤其是古陶瓷真伪进行鉴别。

热释光的原理较为复杂,简而言之,一些矿物(如石英和长石)受到电离辐射(如α、β粒子或γ、X射线)照射后,会产生自由电子,这些电子常被晶格缺陷俘获而积聚起来,在这类矿物被加热到临界点(300℃~450℃)时,这些被俘获的电子会从晶格缺陷中逃逸出来,并以发光的形式释放能量,即热释光。陶器在加热过程中释放原来贮藏的热释光,释放完后,继续接收、贮藏大小恒定的辐射能,年代越久、贮藏的能量越多,这些辐射能是陶器烧成之后开始增加的,可以作为陶器年龄的标志,通过测试陶器的热释光量就可以获得其年代信息。

热释光测年法的适用范围很广,测定对象可以是陶器、火烧土、燧石、黄土、方解石等。热释光测年法对原始文化的年代确定意义重大,特别是没有碳十四标本或标本可疑的遗址。

热释光技术在文物真伪鉴定方面也有较大优势,可以弥补传统鉴定方法的不足。传统的眼学鉴定方法通常通过对文物原料、形制、工艺、款识、纹饰等观察进行鉴定,但社会上伪造、仿造青铜器、陶瓷器等文物有些已经相当有水平,几乎可以达到以假乱真的程度,眼学鉴定方法就难以鉴别真伪。伪造品距今时间不过百年左右,而真品通常在几百年以上,因此若能够确定某件文物的年代,则对其真伪的判断就有了相当大的把握。利用热释光技术可以解决该问题,并且已有学者做了很好的研究与尝试。

除了上面讲到的方法之外,还有考古地磁法、电子自旋共振法、裂变径迹法、氨基酸外消旋法等测年方法。各种方法基于的原理不同,对测量样品的要求也有区别,故适用范围就不一样,具体适用哪种方法需要结合实际研究具体分析。

各种年代测定方法为研究世界各地的古代文化序列提供了依据,使得考古学尤其是史前考古研究取得了良好的成绩。但与此同时,也要有清醒的认识。各种测年方法和实验技术需要不断改进和完善,其中碳十四测定是目前最成熟、最可靠的方法,但是也存在一定的缺陷。比如,其精密度一般为几十年,因此必须结合树木年轮断代法进行校正。此外,具体研究中需要科学合理的采集样品,样品的采集地点、文化层归属应该准确无误。在实际工作中,最好采用2种或2种以上的方法测年,以提高准确度。

(科学24小时)

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