第三季中国考古大讲堂第八期 | 科技助力文明探源中的年代研究

探源中华文明，赓续历史文脉。我国考古发现的重大成就实证了我国百万年的人类史、一万年的文化史、五千多年的文明史。为推进文物考古成果的宣传推广，国家文物局、人民网主办，国家文物局新闻中心、国家文物局考古研究中心、人民网+客户端、人民网文娱联合承办的“探源中华文明”第三季中国考古大讲堂线上播出第八期。本期邀请到北京大学考古文博学院教授吴小红主讲《科技助力文明探源中的年代研究》，介绍考古常用的科技测年技术的基本原理以及科技测年在构建中华文明形成过程中关键年代谱系的作用。

讲座内容摘录如下。

中华文明探源工程实施以来，年代学研究一直是其中的一项重要课题，借助碳十四测年等科技测年手段，中国史前考古学文化的年代谱系特别是中华文明形成过程中的关键年代谱系基本厘清，并且实证中华五千多年的文明史。

一、测年技术基本原理

考古学研究中，地层学和类型学支撑起田野考古的基本理论框架，同时也是判定考古遗存相对年代（早晚关系）的重要方法。为了更精确地得知遗存的具体年代数值，我们发展出绝对年代测定方法，即碳十四测年。

碳十四元素生成于12至14公里的高空，并与氧气结合形成二氧化碳，二氧化碳又经光合作用进入植物体内，人和动物食用植物后，碳十四也会保留到动物和人体内。同时海洋也会溶解一部分二氧化碳，由此碳在大气圈、生物圈和水圈达成一种交换平衡的状态。如果我们测量当年大气中的碳十四浓度，也会得到人体、动物体以及海洋表面的碳十四浓度。凡是在大气当中生活过或者是与光合作用有关的生物圈物质或者在海洋表面发生过碳交换的物质，理论上均可成为碳十四测年样本。

生物体死亡之后，不再与外界发生碳交换，而是转为放射性衰变状态，并且有它自己的衰变周期，放射性的量和时间经过数学转换之后可以呈现正相关的关系。考古发掘采集的样品在测得剩余的碳十四量的情况下，可以测算出样品衰变到现在经历了多长时间，这个时间就是样品距离现在的年代。

碳十四生成、分布和衰变示意图

这样测算的前提是假定大气中碳十四的量是几万年稳定不变的，科学家统一采取1950年大气中碳十四的量作为样品衰变起始点碳十四的量，所测得的年代实际上也是样本距离1950年的时间。真实的情况是，太阳风、小行星爆炸以及工业活动都可能会影响大气中碳十四含量，以1950年大气碳十四含量衡量之前所有的时间节点会有误差，于是我们采取树轮年代序列对碳十四测年进行校正。

树木生长时会有一圈一圈的年轮，也会把当年大气中碳十四浓度捕获在木质素以及纤维素之中，特别是α纤维素就像骨架结构一样，形成之后基本不再变化，所以每圈树轮里边α纤维素都记录着当年大气的碳十四浓度。实验室里可以测量同一树种、不同年代树木的每个年轮所含的碳十四量，进而建立日历年代的校正曲线。目前国际上有两条长的树轮年代序列：德国的橡树序列和美国加州的刺果松序列，这两条树轮日历年代序列可以追溯至距今八九千年。更早的年代校正，可以采用钟乳石、湖相沉积纹泥和北极冰芯等样品。

碳十四测年技术另一项革新是加速质谱技术。原先碳十四测年需要大体积的仪器和较多的样品量才能测定，加速质谱方法的引入则实现了小体积仪器利用少量标本获得较精确数据。加速器质谱运行原理有点像溜冰比赛，赛场弯道可以甩掉一些人，加速质谱的弯转磁铁在加速过程中可以让碳十二、碳十三、碳十四等元素分离，最后在法拉第杯接收到纯粹的碳十四。

加速质谱提高了标本测定效率，用以日历校正的树轮年代测定可以实现精准测量。加速质谱技术产生之前，较多量的测年样品才能实现测年，由此树木年轮做不到每轮一测，现在理想情况下可以做到间隔一年测一个，树轮日历年代的完善直接提高了碳十四测年校正的精准度。此外，加速质谱所需样品量少，也可以直接对考古遗存的某个堆积单位进行采样测量，由此可以获得更多精准数据。

贝叶斯统计模型也是碳十四测年技术的另一项革新。它可以将地层关系和类型学建立的相对年代关系纳入日历年代校正范围之内，给予碳十四测年一个先验条件，最后得到的这个年代范围与先验条件进行比对。在碳十四年代范围允许的情况之下，取重合部分作为最后测年结果。

二、科技测年助力文明探源

国家是文明社会的重要标志，中华文明起源形成过程中，国家体制形成于何时也是重要考察内容，年代学研究为判定国家的形成时间乃至夏商周王朝纪年提供了重要依据。根据历史文献记载，最早有纪年可靠的历史是西周共和元年，即公元前841 年。为验证科技测年与历史文献记载的吻合度，我们利用碳十四测年技术，对西周时期的北京房山琉璃河遗址M1193出土的带铭文的青铜器、H108出土的刻有“成周”的甲骨进行年代测定，结果表明碳十四测年技术与文献记载具有很高吻合度。此外，对晋侯墓地每一个王侯墓葬的碳十四测年数据与文献记载的晋世家也有非常好的匹配。

有了这个基础，我们就可以把年代研究不断向前追溯。像是武王克商，这一重要历史事件关乎商周交替，对其发生的具体时间节点，我们采用多种方法，并与碳十四测年有机结合进行判定。首先是查找文献有关武王克商的历史记载，并借助甲骨文等资料找寻这一历史事件发生前后的天文现象，通过天文计算推测相关天象的发生时间。同时在考古学上，陕西沣西遗址某些堆积单位，有较为明显的先周文化遗存和早周文化遗存区分，对上述堆积单位，如沣西H18，开展碳十四测年，有助于准确地卡住武王克商历史事件的时间节点。

与夏文化紧密相关的二里头遗址，在没有贝叶斯统计模型的校正下，碳十四测年显示遗址最早年代为公元前1860年，加入贝叶斯统计模型后，最早的年代是在公元前1735年。夏商周断代工程认为夏王朝的起始年代为公元前2070年，二里头遗址年代就已进入到夏代的中晚期。在此之前，我们选用考古学上判定的中心性都邑遗址——新砦遗址和王城岗遗址进行碳十四测年，其数据也可落在夏纪年范围内。

新石器时代末期关键性遗址碳十四测年同样有所突破。山西襄汾陶寺遗址测年数据为公元前2300年到公元前1900年间。山西芮城清凉寺墓地，发现数百座仰韶文化至龙山文化的墓葬，叠压打破关系明显，碳十四测年数据同样与文化遗存所处时代相呼应，遗址第一期年代为公元前4000到公元前3700年，第二期到第四期介于公元前2500到公元前1700年。我国北方的一些石城遗址，比如石峁、碧村、芦山峁等，大概率是在公元前2200到公元前1800年这个范围，个别堆积单位已进入商文化纪年。

良渚文化部分测年数据

最后需要强调一下良渚文化，我们测量了良渚遗址城墙、水坝等重要遗存以及良渚文化其它文化遗存的年代数据，表明其起始年代为公元前3300年（距今5300年），衰落年代在公元前2300年（距今4300年）左右，也就是说整个中华大地龙山文化崛起的时候，良渚文化这样一个辉煌灿烂的文明已经结束了。年代学数据同时表明，已经进入早期国家阶段的良渚文化，可以实证中华5000多年文明史。