韓 非 Jean-Jacques Bahain 尹功明 劉春茹

1（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029）

2（法國(guó)國(guó)家自然歷史博物館史前部，1, rue René Panhard 75013, Paris, France）

考古遺址年代學(xué)研究中，動(dòng)物化石通常可提供較明確的地層年代信息。ESR-鈾系聯(lián)合法對(duì)化石進(jìn)行測(cè)年是目前最可行的化石測(cè)年手段之一[1]，這種方法通過(guò)分析化石中的鈾同位素活度比，對(duì)樣品中鈾的遷移歷史進(jìn)行定量重建，從而基本解決了化石樣品體系不封閉的問(wèn)題?；疎SR測(cè)年中的另一個(gè)主要誤差來(lái)源是樣品的外部劑量率，由樣品周圍沉積物貢獻(xiàn)的β和γ劑量率組成。由于化石樣品在埋藏過(guò)程中，其周圍沉積物中的水含量及地球化學(xué)環(huán)境隨時(shí)間發(fā)生變化，所以，實(shí)驗(yàn)室或野外實(shí)測(cè)樣品外部劑量率很可能不同于樣品實(shí)際經(jīng)歷的平均外部劑量率（外部劑量率的年平均值）。另外，在一些沉積環(huán)境比較復(fù)雜或地層出土遺物較豐富的地點(diǎn)，采用手持γ能譜或TL劑量片測(cè)定的結(jié)果也無(wú)法準(zhǔn)確反映樣品的真實(shí)外部劑量率[2]。Blackwell等[3]提出利用等時(shí)線技術(shù)來(lái)解決化石樣品外部劑量率的問(wèn)題。這種方法是對(duì)經(jīng)歷了相同外部劑量的多個(gè)樣品進(jìn)行分析，由于不同樣品的內(nèi)部劑量（化石內(nèi)部不同牙組織貢獻(xiàn)的α和β劑量率之和）存在差異，所以可對(duì)樣品的古劑量和內(nèi)部劑量率作圖得到一條等時(shí)線，通過(guò)這條等時(shí)線的斜率得到樣品的年代。在等時(shí)線化石測(cè)年中，真實(shí)的外部劑量只有在樣品中鈾的吸收過(guò)程被準(zhǔn)確重建的前提下才能獲得，通過(guò)將 ESR-鈾系聯(lián)合分析與等時(shí)線方法相結(jié)合可解決化石樣品內(nèi)部劑量率和外部劑量率兩方面的不確定性。本文嘗試采用這種聯(lián)合方法對(duì)重慶巫山龍骨坡古人類遺址文化層中采集的哺乳動(dòng)物化石進(jìn)行年代學(xué)研究，并探討該測(cè)年方法中的一些問(wèn)題及未來(lái)應(yīng)用于其他考古地點(diǎn)的可行性。

1 方法介紹

1.1 ESR-鈾系聯(lián)合法

電子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)測(cè)年是基于測(cè)量礦物晶格中的自由電子和空穴隨時(shí)間的不斷累積量進(jìn)而測(cè)定樣品年代的一種物理方法。鈾系測(cè)年方法是通過(guò)測(cè)定樣品中鈾系衰變子體與母體的比值來(lái)計(jì)算樣品年齡。樣品在埋藏過(guò)程中接受的來(lái)自內(nèi)部和外部的總劑量稱為古劑量，它是年劑量隨時(shí)間的積分函數(shù)。由于牙齒中有機(jī)質(zhì)的分解作用形成的還原環(huán)境使周圍環(huán)境中的鈾元素被牙齒化石吸附，如何表示這一吸附過(guò)程對(duì)于計(jì)算牙齒樣品的內(nèi)部劑量率十分關(guān)鍵。早期研究曾提出過(guò)早期吸收模式(EU)和線性吸收模式(LU)兩種鈾的吸收模式：EU模式認(rèn)為鈾是在牙齒埋藏初期的短時(shí)間被快速吸收的，之后不再有鈾的加入或析出[4]；而LU模式則認(rèn)為鈾加入牙齒是一個(gè)勻速吸收的過(guò)程[5]。兩種模式都不能全面客觀的反映鈾在牙齒樣品中的實(shí)際遷移過(guò)程，從而影響了ESR牙齒測(cè)年的可靠性。ESR-鈾系聯(lián)合測(cè)年法通過(guò)ESR方法對(duì)牙琺瑯質(zhì)的測(cè)量分析計(jì)算樣品的古劑量，為測(cè)年提供計(jì)算年劑量所需的234U/238U與230Th/234U同位素比值等中間數(shù)據(jù)。該方法通過(guò)引入?yún)?shù)p表示樣品中鈾的吸收過(guò)程[6]，其公式表示為：

其中，U(t)表示樣品在任一時(shí)刻 t的鈾含量；U0表示樣品當(dāng)前的鈾含量；T表示樣品年齡。

這個(gè)方法中的參數(shù)p與樣品年齡T是通過(guò)計(jì)算同時(shí)求出的。從式(1)看出早期ESR牙齒測(cè)年中采用的EU和LU模式只是p值的兩種特例：p = ?1 (EU模式)和p = 0 (LU模式)，而當(dāng)p>0時(shí)，反映了另外一種可能的鈾吸收過(guò)程：RU模式。對(duì)一些考古遺址的化石樣品研究發(fā)現(xiàn)，這種鈾的近期吸收過(guò)程是客觀存在的[7,8]。本研究采用的是通過(guò)吸收參數(shù)p來(lái)表征鈾加入過(guò)程的 ESR-US模式[6]，在不存在鈾析出情況下，該模式更準(zhǔn)確描述鈾的加入歷史。而應(yīng)用該模式計(jì)算樣品年齡需進(jìn)行ESR-鈾系聯(lián)合分析。

由于 ESR-鈾系聯(lián)合測(cè)年法中反映鈾吸收模式的 p值是由 ESR測(cè)定的古劑量和鈾系方法測(cè)定的238U/234U和230Th/234U比值共同計(jì)算得出的，避免了對(duì)鈾吸收過(guò)程的人為假設(shè)，所以得到的化石樣品年齡更真實(shí)可靠。

1.2 等時(shí)線技術(shù)

等時(shí)線技術(shù)最早應(yīng)用于Rb-Sr測(cè)年，Blackwell等[3]嘗試采用等時(shí)線法對(duì)法國(guó) Bau de l’aubesier考古地點(diǎn)的化石樣品進(jìn)行分析，得到等時(shí)線ESR年齡結(jié)果與鈾系測(cè)年結(jié)果一致。這種方法是將一顆牙齒化石分為若干個(gè)子樣品，并認(rèn)為它們所經(jīng)歷的外部劑量相同。由于各子樣品的鈾含量不同，內(nèi)部劑量不同，使各自的總劑量（即古劑量）也不同。通過(guò)樣品的古劑量對(duì)內(nèi)部劑量率作圖，如得到一條正相關(guān)的直線，那么其在Y軸上的截距為樣品的外部劑量，其斜率則代表了樣品的年齡。ESR測(cè)年等時(shí)線法的基本原理由式(2)表示：

其中，DE為等效劑量（古劑量）；DINT為內(nèi)部劑量；DEXT為外部劑量；Dint為內(nèi)部劑量率；Dext為外部劑量率；Cu(p,t)為樣品鈾含量（與鈾吸收參數(shù)p和時(shí)間t相關(guān)的函數(shù)）；Dα為α劑量率；Dβ為β劑量率；T為樣品年齡。

牙齒化石 ESR等時(shí)線測(cè)年法雖然可解決化石樣品的外部劑量率問(wèn)題，但是由于作者在樣品內(nèi)部劑量率的計(jì)算中一直沿用EU和LU兩種人為假設(shè)的鈾加入模式，所以采用等時(shí)線方法得出的仍然是樣品的EU和LU年齡，而這兩種特定的加入模式并不能客觀的反映鈾真實(shí)的加入過(guò)程，目前已不被學(xué)術(shù)界接受[9]。

通過(guò)將等時(shí)線技術(shù)與 ESR-鈾系聯(lián)合分析方法相結(jié)合，同時(shí)解決ESR測(cè)年中牙齒化石樣品內(nèi)部劑量率和外部劑量率兩方面的不確定性問(wèn)題，是一種從理論上可行的化石測(cè)年手段。由于樣品分析和年代計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，尚未有該方法成功應(yīng)用的報(bào)道。本研究在前人對(duì)ESR等時(shí)線法和ESR-鈾系聯(lián)合測(cè)年法兩種方法的研究基礎(chǔ)上，對(duì)將兩種技術(shù)方法相結(jié)合應(yīng)用于化石測(cè)年進(jìn)行了探索和嘗試。

2 研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)方法

本研究中 5顆動(dòng)物牙齒化石樣品來(lái)自2003?2006年龍骨坡遺址中法聯(lián)合野外考古發(fā)掘，均采集自靠近遺址北側(cè)巖壁的C’III 6考古層，其中除樣品LGP0603為鬣狗牙齒外，其余4顆均為食草動(dòng)物臼齒(表1)。樣品分布在G2b和G2c兩個(gè)相鄰探方區(qū)域[10]，沉積環(huán)境相同，所以可認(rèn)為5個(gè)樣品的年代基本相同且經(jīng)歷了相同的外部劑量。

表1 研究化石樣品類型及位置信息Table 1 The species and location information of studied fossil samples.

樣品中不同牙組織采用醫(yī)用牙科工具進(jìn)行機(jī)械分離，具體處理過(guò)程和 ESR測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件見文獻(xiàn)[11]。樣品古劑量擬合采用雙飽和指數(shù)函數(shù)，與傳統(tǒng)的單飽和指數(shù)函數(shù)相比，雙指數(shù)擬合函數(shù)對(duì)早更新世地點(diǎn)化石琺瑯質(zhì)樣品輻照劑量點(diǎn)的擬合效果更好[11]。在2006年遺址發(fā)掘期間，我們對(duì)C III’6考古層中5個(gè)樣品所在的探方區(qū)域進(jìn)行了野外γ環(huán)境劑量率的測(cè)量，測(cè)量采用的是美國(guó) Ortec公司的 μ Nomad型手持γ譜儀，配有NaI探頭并進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定[12]。還同時(shí)采集了化石樣品周圍的沉積物樣品，并用γ能譜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室U、Th和K同位素含量分析，用來(lái)計(jì)算樣品的外部β劑量率。

3 分析和計(jì)算過(guò)程

對(duì)化石樣品的ESR-鈾系聯(lián)合分析顯示，5顆樣品均經(jīng)歷了鈾的近期吸收過(guò)程，其鈾吸收參數(shù)p介于1.0?5.0，這一鈾吸收過(guò)程很可能與遺址在中晚更新世階段被角礫堆積覆蓋導(dǎo)致濕潤(rùn)期地層中水體的淤滯有關(guān)[8]。表 2列出 5個(gè)樣品的古劑量和采用DATA計(jì)算程序計(jì)算出的樣品內(nèi)部劑量率[1,13]，其中5個(gè)樣品中α和β輻射貢獻(xiàn)的內(nèi)部劑量率在總劑量率中所占的百分比均未超過(guò)40%，可見外部劑量率大小對(duì)龍骨坡化石樣品年代計(jì)算結(jié)果的影響十分關(guān)鍵。有鑒于此，我們采用等時(shí)線法對(duì)這5顆化石樣品進(jìn)行了年代和外部劑量率的計(jì)算分析，具體計(jì)算過(guò)程如下。

(1) 以野外 γ劑量率實(shí)測(cè)值(850 μGy/a)為初始外部γ劑量率，用ESR-US模式分別計(jì)算5個(gè)樣品中琺瑯質(zhì)與牙本質(zhì)中 α與 β射線貢獻(xiàn)的內(nèi)部劑量率，將其作為X軸，對(duì)應(yīng)的古劑量為Y軸。通過(guò)5個(gè)樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到一個(gè)等時(shí)線(圖1a)，樣品的外部γ劑量和年代分別為直線在Y軸上的截距和直線的斜率。兩者之比為樣品的平均外部γ劑量率Dext1。

(2) 將Dext1帶入ESR-US模式計(jì)算程序進(jìn)行迭代運(yùn)算（第一次迭代），根據(jù)計(jì)算出的α與β劑量率及樣品的古劑量再次做等時(shí)線圖(圖1b)，通過(guò)回歸直線的截距和斜率再次得到一個(gè)平均外部γ劑量率Dext2。

(3) 將Dext2再次帶入進(jìn)行第2次迭代計(jì)算，得到平均外部劑量率Dext3(圖1c)。

重復(fù)步驟(3)進(jìn)行多次迭代計(jì)算，直至[Dext]i+1≈[Dext]i。

圖1顯示采用實(shí)測(cè)野外γ劑量率作為初始外部劑量率進(jìn)行等時(shí)線計(jì)算得到的外部劑量和等時(shí)線年齡及由這兩個(gè)值計(jì)算得出的平均外部劑量率。

表2 化石樣品ESR-鈾系聯(lián)合分析數(shù)據(jù)Table 2 ESR/U-series analysis data of fossil samples.

圖1 龍骨坡化石樣品等時(shí)線年齡計(jì)算過(guò)程(a) 初始外部劑量率850 μGy/a (野外實(shí)測(cè)值)；(b) 外部劑量率798 μGy/a (由圖1a等時(shí)線計(jì)算得出)；(c) 外部劑量率809 μGy/a(由圖1b等時(shí)線計(jì)算得出)Fig.1 The isochron age calculation process of Longgupo samples.(a) initial external dose rate: 850 μGy/a (in situ); (b) external dose rate: 798 μGy/a (calculated from Fig.1a);(c) external dose rate: 809 μGy/a (calculated from Fig.1b)

為檢驗(yàn)等時(shí)線法中初始外部劑量率對(duì)年代計(jì)算結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)嘗試用不同的初始外部劑量率計(jì)算樣品的平均外部劑量率，具體過(guò)程如下：

(1) 選取 400、500、600、700、800、900和 1000 μGy/a為初始外部劑量率分別計(jì)算樣品的等時(shí)線年齡和平均外部劑量率Dext1’。

(2) 取 7個(gè)平均外部劑量率的平均值作為初始外部劑量率進(jìn)行迭代計(jì)算（第1次迭代），得到平均外部劑量率Dext2’。

重復(fù)步驟(2)直至計(jì)算得到的平均外部劑量率[Dext’]i+1=[Dext’]i。

表3列出選用不同初始外部劑量率計(jì)算樣品等時(shí)線年齡過(guò)程中的中間量和最終結(jié)果。

表3 采用不同初始外部劑量率計(jì)算樣品等時(shí)線年齡過(guò)程數(shù)據(jù)Table 3 The data of isochron age calculation with different initial external dose rates.

4 結(jié)果與討論

本研究采用野外實(shí)測(cè)γ劑量率第一步計(jì)算得到的外部劑量為 1419.7±49.9 Gy，5個(gè)樣品的等時(shí)線年齡為1.78±0.09 Ma，前者與后者的比值得到的平均外部劑量率為797.6 μGy/a；第一步迭代計(jì)算得到的外部劑量為 1431.5±48.3 Gy，等時(shí)線年齡為1.77±0.09 Ma，平均外部劑量率為 808.8 μGy/a。第二步迭代計(jì)算得到的外部劑量為1429.5±50.0 Gy，等時(shí)線年齡為 1.77±0.09 Ma，平均外部劑量率為807.6 μGy/a，該計(jì)算結(jié)果與上步代入計(jì)算的劑量率僅相差1 μGy/a，可認(rèn)為該值能代表樣品在埋藏過(guò)程中經(jīng)歷的平均外部劑量率。

用不同的外部劑量率為劑量率初始值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，第一步得到的平均外部劑量率平均值為 901.4 μGy/a，第二步迭代計(jì)算得到的平均外部劑量率為849.3 μGy/a，由于該值與野外實(shí)測(cè)的γ劑量率(850 μGy/a)基本相同，所以最終的等時(shí)線年齡計(jì)算結(jié)果同樣為 1.77±0.09 Ma。

雖然本研究成功利用等時(shí)線解決了樣品外部劑量率不確定性的問(wèn)題，但在應(yīng)用等時(shí)線方法時(shí)需滿足以下條件：

(1) 保證化石樣品(≥5個(gè))均出自同一層位且都經(jīng)歷了相同的外部劑量，這是使用等時(shí)線方法的基本假設(shè)前提。

(2) 被分析的樣品經(jīng)歷了相近的鈾加入過(guò)程，樣品中的鈾加入歷史反映了樣品在埋藏過(guò)程中沉積環(huán)境的地球化學(xué)變化過(guò)程，相近的鈾加入過(guò)程說(shuō)明樣品經(jīng)歷的外部環(huán)境變化也基本相同，所以才有理由認(rèn)為它們的外部劑量率相同。

(3) 各樣品內(nèi)部劑量率大小有一定區(qū)分度，也就是說(shuō)每個(gè)樣品的鈾應(yīng)有一定差異，這樣在擬合等時(shí)線時(shí)才能保證擬合的精度。

(4) 化石樣品的結(jié)構(gòu)組成應(yīng)相同（e.g. 沉積物(S)/琺瑯質(zhì)(E)/牙本質(zhì)(D)），化石樣品在埋藏過(guò)程中的保存條件不盡一致，所以牙組織的組成結(jié)構(gòu)可能會(huì)不同。不同的組成結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)應(yīng)用等時(shí)線造成困難。本研究采用的牙齒樣品均只包含牙琺瑯質(zhì)和牙本質(zhì)兩者牙組織，所以客觀上也為等時(shí)線法創(chuàng)造了條件。

由上述適用條件，采用等時(shí)線法存在一些技術(shù)難點(diǎn)，首先是獲得理想的化石樣品有一定難度；其次樣品處理及實(shí)驗(yàn)分析工作量大；另外本研究中沒(méi)有把樣品內(nèi)部劑量率和古劑量的誤差代入等時(shí)線的擬合計(jì)算，所以等時(shí)線年齡的誤差會(huì)小于計(jì)算單個(gè)樣品年齡產(chǎn)生的誤差，由于等時(shí)線法需對(duì)若干樣品進(jìn)行多次迭代計(jì)算，計(jì)算量較單獨(dú)計(jì)算一個(gè)樣品的ESR-US模式年齡大很多，鑒于本文主要闡述該方法的原理和計(jì)算過(guò)程，故對(duì)該方法的誤差計(jì)算部分將在今后工作中予以進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

5 結(jié)語(yǔ)

將 ESR-鈾系聯(lián)合分析與等時(shí)線技術(shù)相結(jié)合可解決牙齒化石樣品 ESR測(cè)年中內(nèi)部劑量率和外部劑量率的問(wèn)題。目前單獨(dú)采用ESR-鈾系聯(lián)合法[14?16]或等時(shí)線法[3,17]測(cè)定化石年代的實(shí)例已屢見不鮮，但將兩種方法結(jié)合的測(cè)年應(yīng)用尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道。本文對(duì)此進(jìn)行了探索和嘗試，希望通過(guò)對(duì)該測(cè)年方法體系的不斷完善為我國(guó)舊石器考古遺址提供一種更可靠的年代學(xué)研究手段。

致 謝 中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所侯亞梅研究員與巴黎十大Eric Bo?da教授為本研究提供了測(cè)年化石樣品，香港大學(xué)李盛華教授對(duì)本研究工作提出了建議，在此一并表示由衷感謝。

1 韓非, 尹功明, 劉春茹, 等. ESR-鈾系法牙齒化石測(cè)年及其在中早更新世考古遺址年代學(xué)研究中的應(yīng)用[J].核技術(shù), 2011, 34(9): 651?657 HAN Fei, YIN Gongming, LIU Chunru, et al. Tooth fossil dating with combined ESR/U-series methods for studying Middle-Early Pleistocene archaeological sites[J].Nuclear Techniques, 2011, 34 (9): 651?657

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