科技考古学中的年代测定

1. 科技考古学中的年代测定

2. 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？

3. 考古学是“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

4. 目前的考古测年方法分为 传统考古学断代方法 现代科学技术测年方法

5. 传统考古学断代方法 • 地 层 学 : • 标 型 学 : • 考证纪年法:

6. 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。

7. 地层学断代方法示意

8. 类型学（标型学） • 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。 • 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）。

9. 类型学断代法示意图

10. 考证纪年 • 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。

11. 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、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

12. 传统考古学断代法的特点及局限性 • 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

13. 自然科学技术测年方法

14. 采用自然科学测定年代的方法有多种，几点注意：采用自然科学测定年代的方法有多种，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；

15. 树木年轮法 • 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。

16. 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。目前一般胜于新石器时代遗存的年代测定。

17. 基本原理 　　　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。

24. 目前，世界上年代最长的主年轮序列，是用美国加州白山上的刺果松树建立起来的，可上溯到10000年前后。目前，世界上年代最长的主年轮序列，是用美国加州白山上的刺果松树建立起来的，可上溯到10000年前后。 • 树木年轮年代学最重要的贡献，是它对碳十四年代的校正。因为树轮年年代相应于日历年代相当准确，而利用同树轮木片所测定的碳十四年代却有较大差别。 • 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。

25. 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。

26. 碳十四测年法（放射性碳素测年法）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。

27. 基础知识 • 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

28. 放射性现象 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。

29. 放射性元素 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；

30. 3).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；

31. 6). 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；

32. 什么是碳十四？

33. 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）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)

35. 碳十四在自然界如何存在 • 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

36. 自然界14C——无处不在、生生不息！！

37. (左) 14C的产生及其在自然界中的分布 (右)14C的衰变规律

38. 碳十四如何衰变

39. 衰变与死亡标本的年代关系

40. 半衰期与死亡年代计算

41. 碳十四测年方法 • 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

42. 探测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。探测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

43. 固体法 • 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。

44. 气体法 • 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。

45. 液体法 • 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

46. 质子加速器法 • 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。

48. 质子加速器法优点 • 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。

49. 碳十四测年的采样 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；

50. 注意：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；