探秘三峽懸棺遺址14C定年手記
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吳儀 ，劉睿 ，呂弋

1四川大學化學學院，成都610064

2四川大學分析測試中心，成都610064

放射性碳定年法是利用天然放射性14C含量確定生物或環(huán)境終止碳循環(huán)時間的一種方法。它由美國化學家威拉得·利比(Willard Frank Libby)發(fā)明，于1960年獲得諾貝爾化學獎。14C定年法發(fā)展至今理論和應用相對成熟，廣泛應用于考古學、地質(zhì)學和地球物理學。讓我們追隨Mr. RD的腳步，看看14C定年憑借怎樣的原理與方法在這些領(lǐng)域大放異彩。

1 Mr. RD接到新項目

2021年7月17日，下午15時整，川渝考古中心，Mr. RD的辦公室里。

提示音叮咚作響，Mr. RD忐忑地打開收件箱，得知了新的實地考察任務(wù)——為巫山大寧河小三峽懸崖峭壁之上一處新發(fā)現(xiàn)的懸棺遺址進行精確定年，并盡量復原遺址原始地理環(huán)境。

據(jù)在場考古學家發(fā)回的報告，這處懸棺洞穴距河面高150多米，處于短日照的山崖鞍部，遠離早期發(fā)現(xiàn)的大寧河西漢崖墓群，人工開鑿痕跡不明顯，內(nèi)置一具帶人骨的棺木和大量排列的殉葬品[1]。因洞穴頂部裂隙和巖溶地層滲透地下水，洞穴內(nèi)大量積水，木棺腐爛受潮嚴重。但隨棺殉葬用的銅器、貝殼、土陶、木俑等保存完好，甚至還有絲綢、夏布等紡織品殘余物。因為風化和腐蝕，殉葬品上銘刻的文字與紋飾模糊不清，現(xiàn)場的考古學家無法直接判斷這座懸棺所屬的年代，因此向Mr. RD求助。而Mr. RD要做的便是根據(jù)實地地質(zhì)與現(xiàn)場取樣檢測結(jié)果判斷崖墓下葬的年代，并盡量還原洞穴的地形，為同行提供更多的民俗、歷史研究信息。

“殉葬品如此豐富，這處懸棺應該屬于權(quán)勢之人，卻依然敵不過自然的侵蝕?！盡r. RD一邊看著圖片喟嘆，一邊對這座懸棺產(chǎn)生了強烈的興趣。事不宜遲，Mr. RD立即踏上了旅途。

2 Mr. RD其人

在隨Mr. RD出發(fā)前，讓我們先來了解一下這位學者。下面是他的檔案：

姓名：Mr. RD (放射性碳定年法，Radiocarbon Dating)

出生時間：1949年(通常將1950年作為14C定年的零點[2]，即14C BP起始年。)

職業(yè)：考古學家，定年分析實驗室負責人

特長：利用14C的衰變比定年

別看這份檔案普普通通，他首創(chuàng)的定年方法甫一問世就震驚了學界。此前人們一致認為生物體內(nèi)不可能含有放射性物質(zhì)，判斷古生物質(zhì)的年代時只能通過遺傳學劃分很粗略的范圍。但14C半衰期約為5730年，其衰變比能涵蓋人類起源至今的全部歷程；它不僅出現(xiàn)在所有生物體內(nèi)，還與生物生存的環(huán)境進行有跡可循的碳交換。這是因為Mr. RD利用高空大氣層的14N在宇宙射線照射下生成的14C制備了定量14CO2，并通過光合作用-食物鏈-分解反應的碳傳遞過程，建立了涵蓋整個生物圈的放射性碳儲存庫(圖1)；一旦植物、動物死亡或其他物質(zhì)(如水、碳酸鹽巖等)停止與CO2的相互作用，斷絕了14C來源，平衡便開始向衰變方向移動。根據(jù)常規(guī)放射性碳年齡(CRA)公約，無論何時何地、儲存庫的14C的含量恒定，即14C的總量存在一個絕對14C標準(Aabs)[3]，因此總14C占比與時間一一對應。

圖1 自然界的14C循環(huán)

為了便于統(tǒng)計自然界總14C占比，Mr. RD建立了兩個14C交換儲存庫。大氣層是第一個14C交換儲存庫，8000 m以上的深空大氣會提供O2與宇宙射線照射14C結(jié)合形成14CO2，這些放射性物質(zhì)將混合在大氣的CO2成分中，成為14C進入生物圈的主要入口。海洋、江河、湖泊等水體因為與空氣的接觸面大、交換量大、容積大，是第一個14C交換儲存庫的衍生儲存庫，以水循環(huán)的方式帶來微量14C放射性變化，尤其與海洋生物和海底沉積物的核素含量息息相關(guān)。通過呼吸作用和食物鏈攝入生物圈的14C以生物腐殖質(zhì)(遺骸、腐爛形成的土壤和淤泥等)為主體形成了第二個14C交換儲存庫[4]。此外，嚴謹?shù)腗r. RD還會利用樹木年輪等其他定年方法矯正14C交換儲存庫的放射性元素含量，保證自己的定年結(jié)果有效。因此，此次出行Mr. RD可謂是志在必得。

3 實地調(diào)查與現(xiàn)場采樣

Mr. RD來到巫山大寧河小三峽，面前是一座黃褐色懸崖，它如同一位老者的面容，淙淙溪流順著深邃的皺紋劃落，“淚水”的源頭是橫在山腰的黝黑溶洞。Mr. RD艱難地順著江邊的棧道和考古學家們懸掛的繩索，拖拽著大大小小的采樣與檢測工具進入了洞中。只見狹小的溶洞寬2.6 m，深7.3 m，洞穴地面崎嶇濕滑，頂部都凹凸不平。愈往里走，鐘乳石柱高高低低地向下生長，只有靠近木棺的一面石壁上有平口直刃鐵質(zhì)石鑿的痕跡。

為了保護現(xiàn)場，支在溶洞內(nèi)壁的燈光極其昏暗，木棺對面的地上散落的器物琳瑯滿目，都被工作人員小心地圈在原地，立著潦草的分組牌；其中一把銅質(zhì)短劍刃緣勻稱，刃身雙面魚鱗紋，雖然劍柄爬滿銅綠，但仍不失為一件做工精細的器具。Mr. RD很快從中看出端倪：這把短劍無論形制還是工藝都有別于先前出土的類型，結(jié)合溶洞不同的選址與粗糙的開鑿方式，此處巖龕很可能建于更早的年代。

Mr. RD立即行動起來。為了保證定年的可靠性，他需要采集一系列數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計學標準處理數(shù)據(jù)，從而減小定年數(shù)據(jù)的標準誤差(如BC1500 ± 90，標準誤差就高達180年，可能跨越兩個甚至更多朝代)；普通定年需要每個樣本制作6-8個平行樣品，更精確的定年則需要為每個樣本制作20個以上的平行樣品。這處遺址可供采樣的物品很多：隨葬器物及作為比對樣品的周圍土樣，碳酸巖，棺木、人骨與周圍腐殖質(zhì)等，都需要采集不與空氣直接接觸的部分。他取出一把專用小型刀具，從木俑內(nèi)部結(jié)構(gòu)縫隙間和底座微遺存土壤處各刮取了一些碎屑，分成2 × 3組依次倒進帶螺旋蓋的鋁制分析管中；又小心地收集了埋藏在遺址中的不完整的紡織物殘余物，按類別標記上名稱、位置和干濕情況；像棺木這類死亡時間與環(huán)境時間不完全一一對應的樣品則需要特別注明。為了防止污染，放置放射性碳定年樣品的分離管不得含有烴類、膠、聚乙二醇或聚醋酸乙烯酯等可能改變同位素比值的物質(zhì)，也盡量不與紙張等含碳制品接觸。這些樣品將和Mr. RD一起回到川渝考古中心的定年分析實驗室，進行精確的定年分析。

4 加速器質(zhì)譜與檢測前處理

定年分析實驗室旨在將傳統(tǒng)鑒定與現(xiàn)代科技成果相結(jié)合進行斷年。實驗室中最常用的測年方法是放射性碳定年法和熱釋光測年法，除此之外，超景深顯微鏡觀察、銹蝕產(chǎn)物分析、X射線檢測等方法也會作為輔助檢測方式派上用場。Mr. RD主要負責的工作是放射性碳樣品的檢測和定年標準的校正。

起初，測量14C的方法是氣體正比計數(shù)法和液體閃爍計數(shù)法。這兩種方法都通過檢測14C衰變所釋放的β粒子數(shù)目來反映樣品放射性比活度，所需樣品量大(1 g數(shù)量級)，測試時間長，已逐漸被新方法取代。如今，Mr. RD最常用的檢測方法是加速器質(zhì)譜(Accelerator Mass Spectrum，AMS)技術(shù)，它被廣泛地應用于長壽命放射性核素在樣品中的同位素豐度比值的測定[3]。眼前這架加速器質(zhì)譜由離子源、加速器、磁分析器或電分析器、探測器等幾部分組成(圖2)，最特別的部件莫過于串列靜電加速器，可將離子能量加速至兆電子伏(MeV)，有效減少分子本底和散射干擾；AMS還使用特殊的銫濺射負離子源，14C的同量異位素14N電子親和勢小于零，不能形成穩(wěn)定負離子、隨離子源進入檢測系統(tǒng)，因此一定程度上消除了同量異位素干擾。裝置的改進極大提升了檢測靈敏度，使得AMS對某些核素的探測極限為104個原子，測定同位素豐度比值可低至10?16；同時，它還具有樣品用量少(低至mg、μg數(shù)量級)、檢測時長短等質(zhì)譜檢測一貫的優(yōu)勢[5,6]。

圖2 HI-13串列AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[5]

Mr. RD在考古定年界的名氣就是在這臺加速器質(zhì)譜儀的幫助下一步步走高的?，F(xiàn)在他正對采集樣品進行前處理，固體樣品處理包括清洗、研磨、萃取、去腐植酸、過濾和稀釋等操作[7]；好在使用AMS減少了傳統(tǒng)檢測方法將樣品提取后制備為CH4或苯試劑的步驟，已經(jīng)簡化不少了。

不過，一些特殊的樣品需要特殊處理。例如人骨，它是考古測年中不可或缺的一環(huán)，能最直觀地反映遺址的主人的情況；但由于它結(jié)構(gòu)松散，在埋藏過程中易受到外界C污染，更新碳源，使得14C測年不可靠，因此需要對其測年的可靠性進行更復雜的前處理和系統(tǒng)的研究。新鮮的骨骼由75%-80%的無機質(zhì)(主要成分為羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2))和20%左右的有機質(zhì)(主要成分為骨膠原)組成；因為羥基磷灰石只占骨頭總重的6%，所以有機質(zhì)組分仍被認為是最有可能經(jīng)過物理、化學分離提取之后成為可靠測年組分的物質(zhì)。通常用稀酸(pH > 3)在室溫下提取骨膠原，并通過離子交換樹脂、超濾、提取單氨基酸、納濾等方法進一步分離提純[8]。Mr. RD離開自動進樣的色譜柱，開始為下一步分析做準備。

5 樣品分析與定年

如果使用AMS定年，同位素分餾是一個避不開的話題。同位素分餾指某元素的同位素在自然界中的物理變化(包括蒸發(fā)作用、擴散作用、吸附作用等)或化學反應過程中以不同比例分配于不同物質(zhì)之中并達到平衡的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象常用于地質(zhì)(測溫)研究，但對14C定年法同樣有影響。一旦停止與環(huán)境的碳交換，物質(zhì)的14C含量便隨放射性衰變指數(shù)型減少，故可利用同位素分餾的原理判斷停止碳交換的時長。樣品的14C數(shù)量N與形成封閉體系的時間t之間有關(guān)系式:

式中，t為封閉體系的年齡；N為封閉體系形成時的初始14C數(shù)量；Nt為t年后的14C數(shù)量；λ為14C衰變常數(shù)，與半衰期5730 ± 40對應的衰變常數(shù)λC= 1/8267 a?1(a為地質(zhì)學時間單位，1a表示一年)，會隨檢測手段與樣品化學環(huán)境的不同而發(fā)生改變，因此需要對參數(shù)λ和檢測結(jié)果校正。

一想到校正，Mr. RD久違地頭疼起來。他回想起自己才進入定年領(lǐng)域、檢測設(shè)備并不先進時，導致一批古埃及時期的樣品與語言學家定年結(jié)果不同，14C年代偏近400-700 a。這件事甚至驚動了美國標準局和原子武器研究所，專家們發(fā)現(xiàn)此前公認的14C的半衰期5568 ± 30 a沒有排除樣品環(huán)境的影響，消除玻璃儀器的吸附效應后才確定了如今的14C半衰期[3]。也正是這次事故使得Mr. RD發(fā)現(xiàn)，因為自然界的同位素濃集效應和大氣總庫的碳同位素放射比的改變(主要原因有衰變時間長的礦物燃料使用的大量使用、地磁時刻的波動與核試驗)，14C的原子核數(shù)量不恒定；而λ處于指數(shù)位，極小的偏差也會對結(jié)果造成很大影響，所以須根據(jù)檢測對象的差異進行校正。

對14C定年結(jié)果的校正是一種誤差估算，主要依靠古樹年輪。因樹木年輪還受到生長與保存環(huán)境的影響，校正結(jié)果以年齡范圍的形式報告(1σ范圍概率為67%，2σ范圍概率為95%，常以2σ為誤差區(qū)間[3])，使用橡樹、紅杉、冷杉等樹輪上提取樣本繪制的校正曲線進行估值。Mr. RD起初使用狐尾松的連續(xù)樹木年輪序列作為日歷軸，使樣品的放射性碳含量和一個已知日歷年齡的年輪放射性碳含量一一對應，檢查放射性定年結(jié)果是否出現(xiàn)較大誤差；利用AMS后，放射性碳定年日歷的范圍和精度都明顯增大。如今，國際通用的日歷校正曲線覆蓋公元前48000年至今；14C BP (1950年)以前使用古木檢測的統(tǒng)計學數(shù)據(jù)繪制，以后則用一年一測的大氣14CO2濃度數(shù)據(jù)進行定年[9]。

這次定年Mr. RD使用AMS直接測量14C原子數(shù)N，再用同位素比值R = (14C/12C)或R = (14C/13C)來去除樣品質(zhì)量大小的影響。他將自己出生元年(公元1950年)的大氣14C的放射性比活度定義為Aabs，并根據(jù)N與A正向線性相關(guān)，使用下式計算實際年份[4]。

為了與往期三峽懸棺的考古斷年結(jié)果進行對比，Mr. RD采用了最原始的Libby衰變常數(shù)λL=1/8033 a?1[2]，并對不同樣品的計算參數(shù)進行微調(diào)，最終得出t ≈ ?1979 ± 50 a。

6 考察結(jié)果

“公元前29年，西漢末年……”Mr. RD對照著辦公桌上的朝代更替表沉吟，認為這次定年結(jié)果與現(xiàn)場考察情況相吻合：三峽地區(qū)出土的懸棺主要建于公元150年之后，形制統(tǒng)一，工藝先進，頗具規(guī)模；而這處崖墓遺址無論選址、鑿壁工藝、排水裝置設(shè)計和隨葬配器都不成熟，具有鮮明的早期巖墓特征，將巖墓懸棺的起始時間進一步向前推。

從前，Mr. RD心中的疑慮久久縈繞不去：為何要將逝者葬在沿河山崖上？此番，他仿佛瞥見了答案的蹤跡。只見《資治通鑒·漢記》中記載：建始四年(公元前29年)四月，大雨連下十余天，黃河水暴漲，東郡金堤決口，大水淹沒四郡三十二縣，農(nóng)田十五萬余頃，毀環(huán)官亭、房屋四萬所。也許巖墓與懸棺都反映出人對自然力量的敬畏，借助山水本體給逝者以庇護；再者，巖墓與懸棺位置高，相對不易受洪水影響[10]。

上述解讀終究只是推測，若想揭開川渝地區(qū)“懸棺”這一喪葬禮俗的真面目，還得Mr. RD在內(nèi)的眾考古學家與分析定年研究人員收集更全面的資料，還原獨特的歷史時期社會文化生活。