電子自旋共振(ESR)測年方法在我國早更新世考古遺址年代學研究中的應用探索

韓 非

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

對于東亞地區(qū)早更新世考古遺址的研究，可以幫助我們理解人類最早何時走出非洲，以及他們是如何在亞洲大陸生存與演化等一系列問題。一些在我國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最早期的人類活動證據(jù)，目前并沒有被國際學術(shù)界普遍接受，在很大程度上歸因于這些早期遺址年代的不確定。由于測年時段和測年對象的限制，這些早更新世遺址中的大多數(shù)無法采用諸如鉀氬/氬氬測年法等經(jīng)典的同位素測年方法進行年代學研究。電子自旋共振(ESR)方法是一種常用的早期遺址考古測年方法，其中ESR骨化石測年可以應用于早更新世遺址的年代學研究。由于骨化石的體系不封閉，所以在計算ESR年代時需要考慮鈾在化石樣品中的加入過程。傳統(tǒng)ESR化石測年中通常采用兩種人為假定的鈾加入模式，即早期鈾加入模式(EU模式)和線性鈾加入模式(LU模式)來分別計算樣品年齡，并認為樣品的實際年齡介于EU與LU模式年齡之間。但在實際研究中，采用上述兩種模式計算得到的樣品年齡往往相差較大；另外一些研究表明化石樣品還存在鈾的近期加入現(xiàn)象。所以傳統(tǒng)ESR化石測年給出的年齡結(jié)果往往存在較大的不確定性。

本論文采用ESR與鈾系分析相結(jié)合的測年方法(US-ESR測年法)，對我國兩處早更新世古人類活動遺址----重慶巫山龍骨坡遺址和河北陽原泥河灣盆地東谷坨遺址展開了年代學研究工作。該方法通過對動物牙齒化石中不同牙組織的鈾系同位素分析，來重建鈾在化石樣品中的加入過程，并通過計算鈾吸收參數(shù)p加以定量描述。與傳統(tǒng)的ESR化石測年方法相比，由于其避免了采用不同鈾加入模式所引入的人為因素，所以得到的化石年齡結(jié)果具有更高的可信度。由于該測年手段涉及ESR和鈾系測年兩種不同的年代學方法，測年機理和實驗分析過程都較為復雜，且在年代測定過程中需要對近30個計算參數(shù)進行逐一探討和分析，所以該方法在我國舊石器考古遺址尤其是早更新世考古遺址的年代學研究方面尚鮮有應用。

論文研究的龍骨坡和東谷坨遺址分別是我國南方和北方兩處具有代表性的早期人類活動遺址，都曾采用傳統(tǒng)的ESR化石測年方法進行過年代學研究。其中龍骨坡遺址歷史上曾經(jīng)是一個洞穴，在20世紀80年代的早期發(fā)掘中，曾出土兩塊疑似古人類化石、石制品和大量動物化石。在2003～2006年的中法聯(lián)合考古發(fā)掘中，又出土了大量的石器，并對遺址的地層進行了更為詳細的描述。

本論文研究的17顆哺乳動物牙齒化石樣品均采集自這次聯(lián)合發(fā)掘。分析研究顯示，除遺址南壁兩個樣品中有鈾的早期加入外(-0.7

本論文研究的另一處地點東谷坨舊石器遺址屬于曠野遺址，發(fā)現(xiàn)于20世紀80年代初。后續(xù)發(fā)掘中出土了大量具有獨特加工技術(shù)特征的石制品。論文測年研究分析的3顆化石樣品來自遺址的早期發(fā)掘。對樣品的鈾系分析顯示，全部樣品的牙組織鈾系同位素比均超出了平衡值1，表明樣品中存在鈾的后期析出。由于無法通過單一的鈾吸收參數(shù)定量重建樣品中鈾的加入過程，所以未能得到東谷坨遺址化石樣品的US-ESR年齡。同時，采用傳統(tǒng)ESR化石測年中的EU與LU模式，計算得到的樣品年齡也比遺址的古地磁參考年齡明顯偏年輕。本論文研究表明，東谷坨遺址的化石樣品可能經(jīng)歷了反復加入與析出的復雜鈾遷移過程。測年研究同時也反映了US-ESR測年法在早期考古遺址化石測年中存在的局限性。

本論文同時還對US-ESR測年法中的一些基礎問題進行了研究：

(1) 古劑量的測定。本論文通過對3種不同的古劑量擬合函數(shù)(單飽和指數(shù)(SSE)函數(shù)、指數(shù)加線性(EPL)函數(shù)和雙飽和指數(shù)(DSE)函數(shù))的對比研究發(fā)現(xiàn)，采用DSE函數(shù)對實驗劑量點擬合的偏差系統(tǒng)性地小于SSE函數(shù)擬合，同時采用DSE函數(shù)擬合外推得到的計算結(jié)果與已知參考劑量值的偏差均小于另外兩種擬合函數(shù)。進一步研究顯示，DSE函數(shù)在不同劑量范圍內(nèi)的擬合結(jié)果基本一致，而SSE函數(shù)的擬合結(jié)果會隨最大輻照劑量值的減小而明顯減小。本論文研究表明，目前ESR化石測年中普遍使用的SSE函數(shù)并不適合早更新世化石樣品的古劑量擬合，而采用DSE函數(shù)對這類樣品可能更為合理。

(2) 樣品外部γ劑量率的影響。外部γ劑量率是本論文研究中龍骨坡遺址年代測定的一個難點。研究表明，龍骨坡化石樣品的外部γ劑量率在總劑量率所占比例超過了50%。由于龍骨坡遺址地層堆積環(huán)境中存在大量礫石、粘土和鈾含量較高的動物骨化石碎片，成分極不均一，從而在樣品周圍形成一個不均勻的γ輻射場。而沉積物中γ射線的輻射半徑約為30 cm，所以野外實測的樣品外部γ劑量率可能會與實驗室分析結(jié)果存在差異。研究顯示，龍骨坡南壁附近化石樣品的外部γ劑量率實驗室分析數(shù)據(jù)平均高出野外實測數(shù)據(jù)約140%。由于實驗室分析的僅是樣品周邊小范圍內(nèi)采集的沉積物，并不一定具有代表性，因此若采用實驗室分析的數(shù)據(jù)進行計算，會造成對樣品年齡的嚴重低估。所以，對遺址野外γ劑量率詳盡而準確的測量是計算龍骨坡化石樣品年代的關鍵之一。

(3) 化石樣品內(nèi)部劑量率的重建。采用ESR/鈾系聯(lián)合分析的方法進行化石測年，需要通過計算鈾吸收參數(shù)(p值)來還原樣品中鈾的加入歷史。本論文研究顯示，東谷坨遺址的化石樣品中存在鈾的后期析出，而目前單一鈾吸收參數(shù)的數(shù)學模式尚無法重建這類化石樣品的內(nèi)部劑量率，因此無法計算樣品年齡。采用傳統(tǒng)的EU與LU模式計算的ESR年齡明顯小于遺址參考年齡，也說明了東谷坨遺址化石樣品經(jīng)歷了復雜的鈾遷移過程，這很可能與曠野遺址所經(jīng)歷的復雜地球化學變化有關。東谷坨遺址以及泥河灣盆地中其他早期遺址，大都是由于近期侵蝕作用暴露于地表后被發(fā)現(xiàn)，遺址的水動力環(huán)境會隨著侵蝕作用不斷發(fā)生改變，進而引起鈾活化作用的更新。對于經(jīng)歷了鈾析出以及復雜鈾遷移歷史的化石樣品的年齡測定，還需要進一步研究。

本論文研究表明，US-ESR測年法可以用于我國早更新世考古遺址的化石測年，且與傳統(tǒng)ESR化石測年相比具有明顯優(yōu)勢。隨著對該方法的進一步研究和完善，將為研究我國早期人類生存與演化的歷史提供一種更可靠的年代學手段。