锶同位素溯源法在古代纺织品研究中的应用

吴曼琳　杨小明

摘要： 古代纺织品的研究作为一个历史学、考古学与自然科学相融合的交叉学科，数十年来在国内的研究并未有长足的发展，目前依旧以历史和经典考古为主。文章介绍近年国外在古代纺织品研究领域，借助自然科学领域最前沿的地球科学与化学的理论，应用追溯起源的锶同位素溯源法。通过阐述锶同位素溯源法的原理及其如何应用于纺织品研究领域，并分析目前的实验研究案例，认为这一新技术可以成功判定古代毛纺品的原材料来源，但仍存在一定的局限性，并不适用于所有天然纤维。

关键词： 自然科学；锶同位素；古代纺织品；考古学；新技术

中图分类号： TS101.8

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2017）05005104

引用页码： 051109

Abstract： Archaeological textile research is an interdiscipline combined with history， archaeology and natural science. For decades， this area failed to achieve a great progress in China. Current research is still dominated by history and classical archaeology. This article introduces the cuttingedge science and technology methods in archaeological textile research abroad based on geosciences and chemistry， i.e. strontium isotope tracing method. Besides， this paper expounds the principle of strontium isotope tracing method and how it is applied in textile research field and analyzes current experimental study cases. It is believed that this new technology can successfully judge the raw material source of ancient woolen textile， but it still has its limits so that it is not applicable to all natural fibers.

Key words： natural science； strontium isotope； ancient textile； archaeology； new technology

紡织品远远不止是“交错的纱线”，它是考古学和科技史研究中重要的对象和课题。它们是由人类创造的产物，能够告诉人们隐藏在其背后的社会、年代及文化，关于创造它们的人类、人类的选择、人类所使用的技巧，以及当时所能够使用的材料。它能揭示出穿着者的性别、年龄、家庭从属关系、社会地位、职业、宗教信仰及种族，所有这些方方面面的零碎信息都为揭开过去社会的关键特性做出了贡献，使得人们能够更进一步地了解过去。

识别考古文物的来源，并非不可能，但是通常是十分困难的。特别是考古纺织品，由于可用的原材料范围十分广泛，而其使用的技术，许多又颇为相似且经过长时间的传承，因此很难用类型学将其分门别类，來判断其起源。想要进一步接近这些几千年前存在过的人类，就需要借助新颖的、基于自然科学理论与研究手段的科技考古学方法，使得相关研究者可以尽可能地去识别这些古老的纺织原材料。

1锶同位素溯源法

锶（Sr）是一种可追踪的碱土金属元素，有四种天然变化的同位素。锶同位素的追踪是依靠其中两种同位素，即87Sr和86Sr，特别是两者的比例变化。地质材料（岩石、土壤、金属）中87Sr和86Sr比例的变化取决于初始物及其衍生物的比例，岩石的种类与材料的存在时间。锶取代了矿物晶格中钙的位置，从而通过与地质材料的接触或者食物链存在于人和动物的体组织中。锶同位素的比值在化学分离后，可用热电离质谱器测量出来[1]。

1985年，Ericson首次提出这个概念[2]，将锶同位素比值应用于考古材料中，将其与特定地区地质基岩层和土壤特性相结合，从而探寻考古材料的地理起源。其原理基于锶同位素地质年代学和地球化学的理论，锶同位素的特征，是从各种传输途径，例如土壤或者食物链进入到人类和动物的组织，以锶元素来代替钙元素。而不同地区和年代的岩石有着不同浓度的同位素比值特征，这些比值和其他微量元素的比例，可以准确地提供某一地区的地质特征。在过去的20年里，这一方法被多次应用于史前生物的骨骼研究之中，以此来探寻史前人类和生物的生活轨迹[3]，并且重构古代人类和动物的迁徙路线[4]。

确定考古文物的确切出处往往是对考古资料研究中最困难的一部分，在纺织考古领域尤其如此。由于纺织品往往使用极其广泛的原材料、非常相似的纺织工艺，使得类型学上的分类无法准确地判定考古实物的出处及来源。蒙哥马利在其发表的文章中，提到将牙釉质中的锶同位素比例作为“历史的护照”，来对比考古材料的起源[5]。同样的设想也可以应用于纺织品中。

2新方法在古代纺织品领域的应用

如今，锶同位素的溯源研究正逐渐开始被应用于纺织考古领域，探寻纺织原材料的来源。由于锶同位素是可以从食物链中摄取的，也就是说这种方法可以应用于大多数动物和植物及其制品，在纺织品领域，即纤维及其制品[6]。

锶同位素用于纺织品的研究最早始于2009年，丹麦纺织品研究中心与丹麦哥本哈根大学地球学研究中心共同开始了一项长期的实验性研究，运用北欧不同地区的现代羊毛样本进行研究，测试其中的锶同位素含量。

哥本哈根大学的此项研究采集了北欧多处具有代表性地区的土壤及现代羊毛样品，对其进行了锶同位素含量的检测，旨在测定不同地区所产出的羊毛标本，其锶同位素的含量比例是否与当地土壤所含的锶同位素比例相同，从而可以推论这一研究方法是否可以真实可行地应用于纺织品的研究。

实验初期，采取了丹麦Hje Gladsaxe mose、Farum地区，以及瑞典Boserup地区三处的土壤样品，包括生长在这三处区域内的绵羊种群羊毛样品。经过对比测试，在所测试的三个地区的样品中，有两个地区的羊毛样品与土壤样品的锶同位素含量基本吻合，可以看出尽管存在着一定偏差，但不同区域内生长的绵羊种群，其出产的羊毛中锶同位素的含量与该地区土壤所含锶同位素比例的确存在着相应的关联[7]。随后的实验将样品的采集范围进一步扩大，截止到目前为止，该项实验已经覆盖了丹麦、瑞典、挪威，以及苏格兰东部的设得兰群岛在内的数十处地区约三百件土壤及羊毛样品。实验数据进一步证实了锶同位素应用于纺织品领域的可行性。

锶同位素用于纺织品检测的第一个实例，是在丹麦胡德莫斯泥炭沼泽出土的一件铁器时代早期的羊毛服饰，如图1所示。斯堪的纳维亚半岛的泥炭沼泽在铁器时期的纺织品研究中扮演了一个十分重要的角色，在其中发现了大量的史前人类遗体。对泥炭沼泽中人体遗骸的解释，通常认为是一种惩戒的方式，或是宗教的祭祀原因，但最近的研究认为对此还需要做进一步的详细调查，也许泥炭沼泽的尸体也可以视作一种下葬的方式，是当时丧葬文化的一部分。

胡德莫斯出土的这具女性干尸，出土时包括长及脚踝的羊毛连身裙，羊毛围巾及皮毛披肩，实验在羊毛连身裙上选择15个样本，分别采取自同一件纺织品的不同部位，连同胡德莫斯的土壤样品一同进行了测试。测试结果表明，在采样的15个测试样本中，共得出三种不同的锶同位素比例，其中十件样品与当地采取的土壤锶同位素比例基本相同，另外五件样品的锶同位素比例则明显高于当地土壤样品，显然其采用的羊毛品种并非来源于当地[8]。

实验证明这件纺织品是由源自至少三个不同地区的羊毛混合制作而成，其中一种来自于丹麦本地，另外两种则源自境外其他地区。这一研究的结果从某种意义上来说，揭示了纺织品研究的新篇章，这可能是有史以来的第一次，有确切的证据证明了古代社会，最晚从铁器时代开始，纺织品及其原材料就已經开始远距离的引进和交换，人们会从非常遥远的区域收集同样品质的纺织材料，用来制作同一件服饰，这一特性也表明了古代社会贸易及纺织知识的高度发展。

锶同位素的分析通常只需要很少的原材料，因此在进行检测时往往会选择同一纺织品中的几个样本，特别是中央和边缘看起来有稍许不同的原材料，或者是采取自不同的经线和纬线。即使整件纺织品看起来使用的是同一种材料，但实验的结果却证实其原材料来源自不同的地点。

3局限性与不确定性

尽管新方法给考古纺织品的鉴定带来了新的可能性，但是依赖于自然科学前沿的各种方法依然有其局限性和不确定性。以锶同位素的检测为例，锶同位素的检测结果必须要与当地的地质环境及其他生物的检测结果相对比，才能确认纺织品的纤维是否来源于该区域。

地壳是由一层一层的岩石构成，在地壳发展过程中所形成的各种岩石层和非岩石层，共同构成了地层系统。由于每个地区地壳形成的时期不同，地质年代也有所差异，因此每个地区锶同位素的比例均有所不同。这种技术主要依赖于当地和其他地区具有地质差异的岩石和土壤特征，是否能成功地分析纺织品，部分取决于其发掘地周围的考古环境，同时也取决于周围生物圈[9]。

尽管可以依此判别原材料是否来源于當地，但是想要确切地说出非本地产的原材料究竟来自哪个地区，依旧是极度困难的。虽然它提供了一个潜在地区分本地和非本地纤维起源的分析，但是目前它还很难精确地描绘和分析出纤维的确切地理起源。

其次，由于史前纺织品的原材料通常经过长时间的掩埋，土壤的成岩作用可能会对其产生交互影响，所以如何改善原材料净化程序，如何确保获取其真实的锶同位素比例，如何从中提取基因，都是需要逐步改进和研究的课题[10]。且纺织品的原材料——羊毛或者植物纤维，与人类和动物的骨骼有着巨大的差别。其中最重要的一点在于锶的浓度有很大的区别，牙釉质和骨头中锶的比例比毛发（例如羊毛）要高得多[11]。牙齿珐琅质和骨骼组织中的锶浓度大约为50～1000mg/kg，而毛发中的浓度只有0.05～15mg/kg。因此，纺织品的预清洗、色谱分析和质谱分析，都更为困难[12]。

另一个局限则是在于适用于此方法的纤维品类。目前锶同位素溯源法在纺织品上的应用尚处于起步阶段，实验均应用于羊毛类的纺织品。与强韧的羊毛纤维不同，丝绸等其他天然纤维相对较为脆弱，目前可用于羊毛纤维净化和预清洗的试剂，会对这些纤维的成分造成严重的破坏，因此锶同位素无法用于棉麻和丝绸纺织品的检测和研究。如何扩大这些新方法的使用范围，使其应用于更多种类的纺织品纤维，将是有待解决的一大难题。

再者，尽管考古纺织品的表面总是呈现棕色或是深色，但这并不一定是他们本来的颜色。染色一直是纺织品制造的一个重要环节。染料和媒染剂的识别通常需要非常复杂的化学分析，而天然植物染料及其染色时使用的媒染剂，也会影响纺织品中原始同位素等的比例，从而对很多检测的结果产生干扰。因此，这些新方法在纺织品应用领域的另一重要研究方向，则是如何将天然染料从这些被染过色的纺织品中去除，以防止天然有机染料对原材料的检测结果造成影响。

此外，古代土壤有机物的来源复杂、成分繁多，因此对于不同的样品需要使用不同的方法，如果条件允许，最好能做交叉检验，以此来选择可靠的测年样本。但是如此一来，势必对古代纺织品完整性造成破坏，使其在一定意义上失去文物价值。这也使得各项新技术的检测方法在纺织品的应用无法像在其他古代文物的检测上一样普遍。

4結论

文物最重要的学术意义在于为人类提供了解以往事物真相的依据，锶同位素这一结合了历史考古学与地球科学、生物学及化学的新方法，向人们展示了一种在科技日益发展的情形下，结合自然科学先进手段，对古代纺织品进行研究的极大可能性。纺织品的研究不仅是关于纺纱、捻线或是纤维的拼接，最重要的是纺织材料、技术和社会的交互作用而形成的結果。

虽然这项研究仍在起步阶段，并不非常成熟，但其前景非常乐观，借助这些先进的方法，大家对古代纺织品了解得越多，离许多谜团的答案也就更近。例如到底是谁精心制作了这些纺织品，怎么样的人穿着这些纺织品。考古学和历史学家能够处理更为广泛的考古问题，并对古代纺织品进行更为全面的研究和解释，为探索古代纺织生产和人文社会提供了更多的技术和技巧，获取更多的关于古代社会及生产的信息，从而对其进行更好的解读。

参考文献：

[1]GRAUSTEIN W C. 87Sr/86Sr ratios measure the sources and flow of strontium in terrestrial ecosystems[J]. Sringer New York，1989，68：491512.

[2]ERICSON J E. Strontium isotope characterization in the study of prehistoric human ecology[J]. Journal of Human Evolution，1985，14（5）：503514.

[3]BENSON L V， HATTORI E M， TAYLOR H E. Isotope sourcing of prehistoric willow and tule textiles recovered from western Great Basin rock shelters and caves–proof of concept[J]. Journal of Archaeological Science，2006，33（11）：15881599.

[4]FERI K M， PRICE T D. Strontium isotopes and human mobility in prehistoric Denmark[J]. Archaeological & Anthropological Sciences，2012，4（2）：103114.

[5]MONTGOMERY J. Passports from the past： investigating human dispersals using strontium isotope analysis of tooth enamel[J]. Annals of Human Biology，2010，37（3）：325346.

[6]CARNAP C V， NOSCH M L， GRUPE G， et al. Stable strontium isotopic ratios from archaeological organic remains from the Thorsberg peat bog[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2007，21（9）：15411545.

[7]FREI K M， FREI R， MANNERING U. Provenance of ancient textiles： a pilot study evaluating the strontium isotope system in wool[J]. Archaeometry，2009，51（2）：252276.

[8]FREI K M， SKALS I， GLEBA M. The huldremose iron age textiles， Denmark： an attempt to define their provenance applying the strontium isotope system[J]. Journal of Archaeological Science，2009，36（9）：19651971.

[9]SZOSTEK K， MADRZYK K. Strontium isotopes as an indicator of human migration–easy questions， difficult answers[J]. Anthropological Review，2015，78（2）：133156.

[10]WRIGHT L E. Immigration to Tikal， Guatemala： evidence from stable strontium and oxygen isotopes[J]. Journal of Anthropological Archaeology，2012，31（31）：334352.

[11]KOHN M J， SCHOENINGER M J， BARKER W W. Altered states： effects of diagenesis on fossil tooth chemistry[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta，1999，63（18）：27372747.

[12]SCHWEISSING M， GRUPE G. Stable strontium isotopes in human teeth and bone： a key to migration events of the late Roman period in Bavaria[J]. Journal of Archaeological Science，2003，30（11）：13731383.