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碳同位素对考古界的影响

碳氏宗族的兄弟主要有3个,碳十二、碳十三和碳十四。它们在自然界中的丰度分布分别是碳十二约占98.9%,碳十三约占1.1%,碳十四约占10-10%。而恰恰是后两者丰度较低的碳同位素,成为考古学研 究中的“示踪剂”,受到世人的重视。


中科院考古所碳十四实验室从事的正是经过碳十四、碳十三这样两个碳氏宗族成员的剖析来讨论人类的过去。 碳十四又被称作人类的放射性时钟。之所以有此,在于它的编年特性。碳十四是一种放射性同位素,半衰期为5730年。也便是说每过5730年,其数量就衰减一半。它由宇宙中子射线与大气中的氮反应而 生成。生成的碳十四与氧效果生成二氧化碳,随气流流动使其分布均匀,然后进入水圈、岩石圈、生物圈等。



进入生物圈中的含有碳十四的二氧化碳经过光合效果进入植物体,之后再经过食物链吸收进 入人类或动物体中。在这样一个不断发生、不断吸收、不断衰变的进程中,生物体中的碳十四与大气之间总是处于一个交换平衡情况。当生物逝世后,交换进程停止了,其体内碳十四随时间衰变,越来 越少。这样,我们经过对残余碳十四水平的检测,就可得到其逝世时代。这便是碳十四测年的原理。 


碳十四测年办法是在上世纪40时代末由美国科学家利贝创建的。50时代末,在著名考古学家夏鼐先生的亲自关怀和支持下,原在中科院高能物理研讨所作业的仇士华和蔡莲珍两位先生调入考古所,开始 从事碳十四实验室的建立作业。在设备和资金都比较匮乏的情况下,两位先生自食其力,仅凭着夏鼐先生从国外带回的一本英文材料,自力更生、因陋就简,经过几年的努力,建起了国内第一个碳十四 实验室。


随后中科院地质所、北京大学等碳十四实验室也相继建立,有力地推动了碳十四测年办法在我国的使用和发展。截至上世纪90时代,使用于文物考古领域中的碳十四测年数据已达两千余个,建立了旧石器晚期以来的史前考古学时代序列,为考古、文物研讨提供了依据。 


碳的另一同位素碳十三是稳定同位素,考古学界对碳十三的认识开始是源于关于碳十四时代的校对。生物体中存在着分馏效应,即化学性质相同而原子质量不同的同位素在参与各种化学或生理改变进程 中,因为活泼程度不同,使反应前后的同位素组成发生改变。这种分馏效应使得生物体内的碳十四水平与大气之间发生违背,而碳十三改变与碳十四改变之间存在必定的对应关系,且碳十三比值能够通 过质谱测量得到,因而要经过碳十三剖析对碳十四的时代进行校对。


当上世纪60时代初科学家利贝捧回碳十四测年办法的诺贝尔奖时,紧接着在第二年美国的另一位科学家卡尔文因为碳十三光合效果途 径的研讨也获得了同样的荣誉。而谁也没料到的是,多年之后两种办法又不约而同地走到了一起,一起承担起考古学研讨的重担。因为古人类食物结构研讨中的主食剖析依据的正是光合效果途径的研 究。 


近两年实验室在合作考古开掘作业中关于山东教场铺、青海喇家等史前遗址进行了人骨剖析,获得了一些新的信息,成为以往研讨中的弥补。如教场铺遗址,考古学家在开掘中发现了小米和稻米,但据 此难以判断其时这里的人是怎样的主食情况。经过遗址中10例人骨的碳十三剖析能够看出,其主食中C4类植物平均值为96%,也即人们主食中的小米成分是相当大的。经过取遗址人骨剖析,得知喇家遗址 人的主食中小米类占100%。由此能够推断距今4000千年左右的喇家培养农业已占了相当大的比重。

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