ESR-铀系联合分析与等时线法结合在考古遗址化石测年中的应用探索

韩 非 Jean-Jacques Bahain 尹功明 刘春茹

1（中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室 北京 100029）

2（法国国家自然历史博物馆史前部，1, rue René Panhard 75013, Paris, France）

考古遗址年代学研究中，动物化石通常可提供较明确的地层年代信息。ESR-铀系联合法对化石进行测年是目前最可行的化石测年手段之一[1]，这种方法通过分析化石中的铀同位素活度比，对样品中铀的迁移历史进行定量重建，从而基本解决了化石样品体系不封闭的问题。化石ESR测年中的另一个主要误差来源是样品的外部剂量率，由样品周围沉积物贡献的β和γ剂量率组成。由于化石样品在埋藏过程中，其周围沉积物中的水含量及地球化学环境随时间发生变化，所以，实验室或野外实测样品外部剂量率很可能不同于样品实际经历的平均外部剂量率（外部剂量率的年平均值）。另外，在一些沉积环境比较复杂或地层出土遗物较丰富的地点，采用手持γ能谱或TL剂量片测定的结果也无法准确反映样品的真实外部剂量率[2]。Blackwell等[3]提出利用等时线技术来解决化石样品外部剂量率的问题。这种方法是对经历了相同外部剂量的多个样品进行分析，由于不同样品的内部剂量（化石内部不同牙组织贡献的α和β剂量率之和）存在差异，所以可对样品的古剂量和内部剂量率作图得到一条等时线，通过这条等时线的斜率得到样品的年代。在等时线化石测年中，真实的外部剂量只有在样品中铀的吸收过程被准确重建的前提下才能获得，通过将 ESR-铀系联合分析与等时线方法相结合可解决化石样品内部剂量率和外部剂量率两方面的不确定性。本文尝试采用这种联合方法对重庆巫山龙骨坡古人类遗址文化层中采集的哺乳动物化石进行年代学研究，并探讨该测年方法中的一些问题及未来应用于其他考古地点的可行性。

1 方法介绍

1.1 ESR-铀系联合法

电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)测年是基于测量矿物晶格中的自由电子和空穴随时间的不断累积量进而测定样品年代的一种物理方法。铀系测年方法是通过测定样品中铀系衰变子体与母体的比值来计算样品年龄。样品在埋藏过程中接受的来自内部和外部的总剂量称为古剂量，它是年剂量随时间的积分函数。由于牙齿中有机质的分解作用形成的还原环境使周围环境中的铀元素被牙齿化石吸附，如何表示这一吸附过程对于计算牙齿样品的内部剂量率十分关键。早期研究曾提出过早期吸收模式(EU)和线性吸收模式(LU)两种铀的吸收模式：EU模式认为铀是在牙齿埋藏初期的短时间被快速吸收的，之后不再有铀的加入或析出[4]；而LU模式则认为铀加入牙齿是一个匀速吸收的过程[5]。两种模式都不能全面客观的反映铀在牙齿样品中的实际迁移过程，从而影响了ESR牙齿测年的可靠性。ESR-铀系联合测年法通过ESR方法对牙珐琅质的测量分析计算样品的古剂量，为测年提供计算年剂量所需的234U/238U与230Th/234U同位素比值等中间数据。该方法通过引入参数p表示样品中铀的吸收过程[6]，其公式表示为：

其中，U(t)表示样品在任一时刻 t的铀含量；U0表示样品当前的铀含量；T表示样品年龄。

这个方法中的参数p与样品年龄T是通过计算同时求出的。从式(1)看出早期ESR牙齿测年中采用的EU和LU模式只是p值的两种特例：p = −1 (EU模式)和p = 0 (LU模式)，而当p>0时，反映了另外一种可能的铀吸收过程：RU模式。对一些考古遗址的化石样品研究发现，这种铀的近期吸收过程是客观存在的[7,8]。本研究采用的是通过吸收参数p来表征铀加入过程的 ESR-US模式[6]，在不存在铀析出情况下，该模式更准确描述铀的加入历史。而应用该模式计算样品年龄需进行ESR-铀系联合分析。

由于 ESR-铀系联合测年法中反映铀吸收模式的 p值是由 ESR测定的古剂量和铀系方法测定的238U/234U和230Th/234U比值共同计算得出的，避免了对铀吸收过程的人为假设，所以得到的化石样品年龄更真实可靠。

1.2 等时线技术

等时线技术最早应用于Rb-Sr测年，Blackwell等[3]尝试采用等时线法对法国 Bau de l’aubesier考古地点的化石样品进行分析，得到等时线ESR年龄结果与铀系测年结果一致。这种方法是将一颗牙齿化石分为若干个子样品，并认为它们所经历的外部剂量相同。由于各子样品的铀含量不同，内部剂量不同，使各自的总剂量（即古剂量）也不同。通过样品的古剂量对内部剂量率作图，如得到一条正相关的直线，那么其在Y轴上的截距为样品的外部剂量，其斜率则代表了样品的年龄。ESR测年等时线法的基本原理由式(2)表示：

其中，DE为等效剂量（古剂量）；DINT为内部剂量；DEXT为外部剂量；Dint为内部剂量率；Dext为外部剂量率；Cu(p,t)为样品铀含量（与铀吸收参数p和时间t相关的函数）；Dα为α剂量率；Dβ为β剂量率；T为样品年龄。

牙齿化石 ESR等时线测年法虽然可解决化石样品的外部剂量率问题，但是由于作者在样品内部剂量率的计算中一直沿用EU和LU两种人为假设的铀加入模式，所以采用等时线方法得出的仍然是样品的EU和LU年龄，而这两种特定的加入模式并不能客观的反映铀真实的加入过程，目前已不被学术界接受[9]。

通过将等时线技术与 ESR-铀系联合分析方法相结合，同时解决ESR测年中牙齿化石样品内部剂量率和外部剂量率两方面的不确定性问题，是一种从理论上可行的化石测年手段。由于样品分析和年代计算过程较复杂，尚未有该方法成功应用的报道。本研究在前人对ESR等时线法和ESR-铀系联合测年法两种方法的研究基础上，对将两种技术方法相结合应用于化石测年进行了探索和尝试。

2 研究对象和实验方法

本研究中 5颗动物牙齿化石样品来自2003−2006年龙骨坡遗址中法联合野外考古发掘，均采集自靠近遗址北侧岩壁的C’III 6考古层，其中除样品LGP0603为鬣狗牙齿外，其余4颗均为食草动物臼齿(表1)。样品分布在G2b和G2c两个相邻探方区域[10]，沉积环境相同，所以可认为5个样品的年代基本相同且经历了相同的外部剂量。

表1 研究化石样品类型及位置信息Table 1 The species and location information of studied fossil samples.

样品中不同牙组织采用医用牙科工具进行机械分离，具体处理过程和 ESR测量实验条件见文献[11]。样品古剂量拟合采用双饱和指数函数，与传统的单饱和指数函数相比，双指数拟合函数对早更新世地点化石珐琅质样品辐照剂量点的拟合效果更好[11]。在2006年遗址发掘期间，我们对C III’6考古层中5个样品所在的探方区域进行了野外γ环境剂量率的测量，测量采用的是美国 Ortec公司的 μ Nomad型手持γ谱仪，配有NaI探头并进行了严格标定[12]。还同时采集了化石样品周围的沉积物样品，并用γ能谱进行了实验室U、Th和K同位素含量分析，用来计算样品的外部β剂量率。

3 分析和计算过程

对化石样品的ESR-铀系联合分析显示，5颗样品均经历了铀的近期吸收过程，其铀吸收参数p介于1.0−5.0，这一铀吸收过程很可能与遗址在中晚更新世阶段被角砾堆积覆盖导致湿润期地层中水体的淤滞有关[8]。表 2列出 5个样品的古剂量和采用DATA计算程序计算出的样品内部剂量率[1,13]，其中5个样品中α和β辐射贡献的内部剂量率在总剂量率中所占的百分比均未超过40%，可见外部剂量率大小对龙骨坡化石样品年代计算结果的影响十分关键。有鉴于此，我们采用等时线法对这5颗化石样品进行了年代和外部剂量率的计算分析，具体计算过程如下。

(1) 以野外 γ剂量率实测值(850 μGy/a)为初始外部γ剂量率，用ESR-US模式分别计算5个样品中珐琅质与牙本质中 α与 β射线贡献的内部剂量率，将其作为X轴，对应的古剂量为Y轴。通过5个样品数据点进行线性拟合得到一个等时线(图1a)，样品的外部γ剂量和年代分别为直线在Y轴上的截距和直线的斜率。两者之比为样品的平均外部γ剂量率Dext1。

(2) 将Dext1带入ESR-US模式计算程序进行迭代运算（第一次迭代），根据计算出的α与β剂量率及样品的古剂量再次做等时线图(图1b)，通过回归直线的截距和斜率再次得到一个平均外部γ剂量率Dext2。

(3) 将Dext2再次带入进行第2次迭代计算，得到平均外部剂量率Dext3(图1c)。

重复步骤(3)进行多次迭代计算，直至[Dext]i+1≈[Dext]i。

图1显示采用实测野外γ剂量率作为初始外部剂量率进行等时线计算得到的外部剂量和等时线年龄及由这两个值计算得出的平均外部剂量率。

表2 化石样品ESR-铀系联合分析数据Table 2 ESR/U-series analysis data of fossil samples.

图1 龙骨坡化石样品等时线年龄计算过程(a) 初始外部剂量率850 μGy/a (野外实测值)；(b) 外部剂量率798 μGy/a (由图1a等时线计算得出)；(c) 外部剂量率809 μGy/a(由图1b等时线计算得出)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)

为检验等时线法中初始外部剂量率对年代计算结果的影响，本实验尝试用不同的初始外部剂量率计算样品的平均外部剂量率，具体过程如下：

(1) 选取 400、500、600、700、800、900和 1000 μGy/a为初始外部剂量率分别计算样品的等时线年龄和平均外部剂量率Dext1’。

(2) 取 7个平均外部剂量率的平均值作为初始外部剂量率进行迭代计算（第1次迭代），得到平均外部剂量率Dext2’。

重复步骤(2)直至计算得到的平均外部剂量率[Dext’]i+1=[Dext’]i。

表3列出选用不同初始外部剂量率计算样品等时线年龄过程中的中间量和最终结果。

表3 采用不同初始外部剂量率计算样品等时线年龄过程数据Table 3 The data of isochron age calculation with different initial external dose rates.

4 结果与讨论

本研究采用野外实测γ剂量率第一步计算得到的外部剂量为 1419.7±49.9 Gy，5个样品的等时线年龄为1.78±0.09 Ma，前者与后者的比值得到的平均外部剂量率为797.6 μGy/a；第一步迭代计算得到的外部剂量为 1431.5±48.3 Gy，等时线年龄为1.77±0.09 Ma，平均外部剂量率为 808.8 μGy/a。第二步迭代计算得到的外部剂量为1429.5±50.0 Gy，等时线年龄为 1.77±0.09 Ma，平均外部剂量率为807.6 μGy/a，该计算结果与上步代入计算的剂量率仅相差1 μGy/a，可认为该值能代表样品在埋藏过程中经历的平均外部剂量率。

用不同的外部剂量率为剂量率初始值进行计算时，第一步得到的平均外部剂量率平均值为 901.4 μGy/a，第二步迭代计算得到的平均外部剂量率为849.3 μGy/a，由于该值与野外实测的γ剂量率(850 μGy/a)基本相同，所以最终的等时线年龄计算结果同样为 1.77±0.09 Ma。

虽然本研究成功利用等时线解决了样品外部剂量率不确定性的问题，但在应用等时线方法时需满足以下条件：

(1) 保证化石样品(≥5个)均出自同一层位且都经历了相同的外部剂量，这是使用等时线方法的基本假设前提。

(2) 被分析的样品经历了相近的铀加入过程，样品中的铀加入历史反映了样品在埋藏过程中沉积环境的地球化学变化过程，相近的铀加入过程说明样品经历的外部环境变化也基本相同，所以才有理由认为它们的外部剂量率相同。

(3) 各样品内部剂量率大小有一定区分度，也就是说每个样品的铀应有一定差异，这样在拟合等时线时才能保证拟合的精度。

(4) 化石样品的结构组成应相同（e.g. 沉积物(S)/珐琅质(E)/牙本质(D)），化石样品在埋藏过程中的保存条件不尽一致，所以牙组织的组成结构可能会不同。不同的组成结构会对应用等时线造成困难。本研究采用的牙齿样品均只包含牙珐琅质和牙本质两者牙组织，所以客观上也为等时线法创造了条件。

由上述适用条件，采用等时线法存在一些技术难点，首先是获得理想的化石样品有一定难度；其次样品处理及实验分析工作量大；另外本研究中没有把样品内部剂量率和古剂量的误差代入等时线的拟合计算，所以等时线年龄的误差会小于计算单个样品年龄产生的误差，由于等时线法需对若干样品进行多次迭代计算，计算量较单独计算一个样品的ESR-US模式年龄大很多，鉴于本文主要阐述该方法的原理和计算过程，故对该方法的误差计算部分将在今后工作中予以进一步补充和完善。

5 结语

将 ESR-铀系联合分析与等时线技术相结合可解决牙齿化石样品 ESR测年中内部剂量率和外部剂量率的问题。目前单独采用ESR-铀系联合法[14−16]或等时线法[3,17]测定化石年代的实例已屡见不鲜，但将两种方法结合的测年应用尚未见有文献报道。本文对此进行了探索和尝试，希望通过对该测年方法体系的不断完善为我国旧石器考古遗址提供一种更可靠的年代学研究手段。

致 谢 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所侯亚梅研究员与巴黎十大Eric Boëda教授为本研究提供了测年化石样品，香港大学李盛华教授对本研究工作提出了建议，在此一并表示由衷感谢。

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