趙春燕：鍶同位素分析技術追蹤古人類遷移活動的研究_風聞

內容提要：利用鍶同位素分析技術追溯古代人類遷移活動已經成為當今國際考古學界必用的方法。考古學本身就是通過研究特定時空範圍內人類活動進而探索社會發展規律的一門學科，有關人類的行為方式自然成為研究的焦點問題之一。用傳統的考古類型學研究方法推測可能存在的人羣遷徙行為只是一種間接證據，而採用鍶同位素分析技術可以獲得古代人類在不同地質背景區域間遷徙的直接證據。以陶寺遺址、二里頭遺址和喇家遺址為例，説明該方法的原理及其在考古學研究中的應用，對中國社會科學院考古研究所近年來利用鍶同位素分析技術追蹤古人類遷移活動的研究進行了階段性總結和思考。

　　從20 世紀80 年代中期開始，鍶同位素分析技術已經用於追蹤古代人和動物的遷移行為，至今已然成為國際考古學界探索古代人類遷移活動的主要方法。這一方法的原理比較簡單，因為鍶在自然界有四種天然穩定的同位素，分別是88Sr，87Sr，86 Sr 和84Sr。其中87 Sr 是放射性同位素87Ｒb 的衰變產物，所以，在不同類型的岩石和礦物中因母巖的銣鍶含量比差異及成巖或成礦的年代不同，造成其中的鍶同位素組成也是不同的。通常情況下，以87Sr /86Sr 比值作為表徵特定地質區域鍶同位素組成的指標。當不同鍶同位素組成的岩石在風化作用下形成土壤，鍶也隨之進入土壤和地表的沉積物中，進而滲入地下水中，如此構成具有不同鍶同位素組成特徵的地質區域。植物從土壤和地下水中吸收鍶，人或動物吃植物的同時也將鍶吸收在體內。因此，生活在不同鍶同位素組成地質背景環境中的人，其體內鍶同位素組成就有可能存在不同或差異。這種不同或差異就成為追溯人類生存地的依據。

考古學本身就是通過研究特定時空範圍內的人類活動進而探索社會發展規律的一門學科，關於人的行為方式自然成為焦點之一。人類的遷移不僅意味着社會的發展和變化，同時也可能隱含着自然環境的變遷，所以，人類的遷移不僅受考古學者的關注，同時，也是環境學者及社會學者關注的焦點; 用傳統的考古類型學研究方法來推測可能存在的人羣的遷徙只是間接證據，而鍶同位素分析方法可以獲得古代人羣遷移的直接證據。所以，鍶同位素分析方法從一開始出現就受到眾多考古學家的重視，在世界各地古代人類遷移研究中取得的成功案例不勝枚舉。僅以國際考古學期刊《Journal of Archaeological Science》所發表的論文統計，從1990 年至2016 年期間，已發表的相關論文達到200 餘篇，特別是2010 年至2016 年，發表的論文數量迅猛增加，達到115 篇; 研究區域也從開始的歐洲、美洲，擴展到非洲和亞洲地區;鍶同位素分析方法已經被考古學者普遍接受，由此可見一斑。中國社會科學院考古研究所在國家自然科學基金和院知識創新工程的資助下，也利用鍶同位素分析方法對中國古代不同地區不同時代的人類遷移活動進行了研究，本文主要對近期工作成果進行簡要回顧與總結。

一、應用鍶同位素分析方法的三個前提

任何科學研究的方法在具體應用過程中，都是有其適用的前提和條件的。即使是著名的物理學中的牛頓三大定律也不例外。應用鍶同位素分析方法追溯人類來源地同樣需要滿足以下前提: 首先，不同地區有各自的鍶同位素比值特徵; 其次，人體內的鍶同位素組成是其飲食的鍶同位素組成的反映; 最後，埋藏環境中的鍶元素沒有污染人類遺骸或污染可以被去除。

因為自然界中的鍶同位素之間的相對質量差別很小，而且質量數又比較大，在進入植物—動物—人等構成的食物鏈後，一般不會發生顯著分餾，所以，這一前提成立。用人類骨骼或牙釉質中Ca /P 比值判斷骨骼或牙釉質是否受到環境污染是最基本的驗證第三前提成立的一種方法。因為正常人體骨骼的Ca / P 比值為2. 15，一般而言，所分析的骨骼樣品的Ca /P 比值越接近2. 15，表明人體骨骼受到的污染越輕。另外，根據我們的前期實驗結果並參考國外學者的研究，人類牙釉質相對於骨骼在埋藏過程中受到污染的程度非常低，因而首選牙釉質作為研究的標本以提高樣品檢測的成功率。此外，在進行樣品的預處理過程中，也要時刻注意有可能存在的環境污染問題。為此，中國社會科學院考古研究所建立了國內第一家專門用於出土樣品檢測的超淨實驗室，保證了樣品預處理及檢測過程中嚴格的潔淨度要求，排除了來自樣品預處理及檢測過程中外部環境污染的可能性。

通過以上的論述可以看出，在一個具體的考古遺址應用鍶同位素分析方法進行研究，上述三個前提中的第二和第三個前提不難滿足，因此，第一個前提是應用鍶同位素分析方法成敗與否的關鍵所在。

要在考古學研究中應用鍶同位素分析方法，首先要解決的問題是如何確定某一地區的鍶同位素比值特徵。研究表明，雖然在一個特定地區植物的鍶同位素比值的變化區間小於土壤; 但動物吃了當地植物後，經過消化吸收使體內鍶同位素組成進一步平均化，特別是一些小型哺乳動物體內的鍶同位素比值的變化區間最小，我們對陶寺遺址周圍土壤、植物及動物的鍶同位素比值的測定結果也證實了上述研究結論，因此，可以用當地哺乳動物遺骸的鍶同位素比值的平均值加或減二倍的標準偏差作為區分當地和外來人口的生物可利用鍶同位素比值的置信區間，由此建立一個評估古代人口遷移情況的相對客觀的標準。

中國歷史悠久，國土遼闊，不同時代不同遺址所處各地區地質背景情況複雜。在國外取得成功的鍶同位素分析方法是否適合中國考古必須進行實驗驗證，所以首先選擇了山西陶寺遺址和河南二里頭遺址進行考察。從地質背景上看，陶寺遺址與二里頭遺址均屬於我國的黃土高原地帶。從地理位置上來講，陶寺遺址位於山西省襄汾縣以東臨汾盆地中南部塔兒山西北麓的黃土台塬上，屬於黃土高原東南緣( 圖一)，二里頭遺址坐落在黃土高原東南邊緣的伊河和洛河沖積平原，地處高原第二階梯向第三階的過渡地帶。陶寺遺址距二里頭遺址的直線距離大約為177 公里。根據考古學區系類型理論，陶寺遺址和二里頭遺址均屬於中原地區。這個選擇包含兩個問題: 其一是同處於黃土高原的陶寺遺址和二里頭遺址是否存在可區分的鍶同位素比值特徵，也就是説，陶寺遺址和二里頭遺址的地區生物可利用鍶同位素比值範圍是不是相同; 其二是用何種動物建立這兩個遺址的生物可利用鍶同位素比值範圍。

根據動物考古學研究結果，陶寺遺址和二里頭遺址所在的中原地區早在距今約8500 年的賈湖遺址出土的豬就已是人為飼養的家豬，表明豬在中原地區是最早進行飼養的家畜之一。無論在陶寺遺址，還是在二里頭遺址，依據豬牙齒的測量數據和死亡年齡及豬遺骸出土時的考古學背景推定這些遺址出土的豬均為家豬。另有陶寺遺址和二里頭遺址出土人及豬骨骼的碳氮穩定同位素分析數據也表明，人和豬的主食結構基本相同，均以C4 類植物為主，推測豬人工飼養的可能性比較大; 再根據兩個遺址出土豬的數量是全部出土動物中比例最高的，而豬牙釉質的鍶同位素比值的標準偏差在所有被檢測的動物中是最小的，可以推斷豬是當地動物的可能性也是最大的。基於以上理由，選擇豬作為當地動物來確定每個遺址當地的生物可利用鍶同位素比值範圍。

為了實驗結果具有可比性，第一批樣品在採集時每個遺址分別隨機選取5 份豬牙釉質樣品作為檢測對象。其後又根據各個遺址出土動物遺骸的具體情況，增加豬牙釉質樣品的數量到30 個以上。根據陶寺遺址和二里頭遺址出土豬牙釉質的鍶同位素比值測定結果，經過計算得到遺址當地的鍶同位素比值範圍如下:

從表格數據可知，陶寺遺址、二里頭遺址的地區生物可利用鍶同位素比值範圍是不同的，也就是説，據初步研究結果，上文第一前提“每個地區有特徵的鍶同位素比值”是成立的，這為接下來的進一步研究奠定了基礎。

二、應用鍶同位素分析方法的三個實例

1． 陶寺遺址古人類的遷移情況

陶寺遺址位於山西省襄汾縣陶寺鎮，遺址年代大約距今4300—3900 年。經過數次規模較大的科學發掘，發現了規模很大的城址、與之相匹配的王墓、世界最早的觀象台、氣勢恢宏的宮殿、獨立的手工業區等。遺址範圍東西約2000、南北約1500 米，面積約280 萬平方米，是當時中原地區顯現文明化程度較高的史前聚落遺址之一。在陶寺遺址幾百座墓葬裏反映出來極度奢華的少數大墓、豪華中型墓與絕大多數幾乎一無所有的小墓之間存在着一種典型的金字塔形的社會結構。出土於貴族大墓的一系列具有外來文化風格的禮器類器物與其上的紋飾引起眾多學者的關注。有學者依據陶寺中晚期發生貴族墓葬和宮殿被毀壞及多人被砍頭棄屍的社會暴力現象推測早中期的統治者可能是外來的族羣。陶寺遺址古代人羣的來源地就成為學界研究的熱點問題之一，而目前解決這個問題的方法當首推鍶同位素比值分析。

基於以上考慮，選擇陶寺遺址出土的21 份古人類標本，採用熱電離質譜技術對其進行了鍶同位素比值分析。根據考古學研究結果，本次所分析的21 份古人類標本全部來自陶寺文化中晚期的墓葬和灰坑中。為方便比較和判斷，將陶寺遺址出土的5 個豬和21 個人類牙釉質樣品的鍶同位素比值測定結果做了柱狀圖( 圖二) 。橫座標表示陶寺遺址出土豬與人類遺骸樣品，縱座標表示鍶同位素比值，兩條虛線之間的部分就代表陶寺遺址當地的鍶同位素比值範圍。

如圖二所示，由本次檢測的21 個個體的牙釉質鍶同位素比值可以明顯看出，僅有6 個個體可能是本地人，其他15 個個體可能是外來移民，外來者約佔總數的70% 以上。再將鍶同位素比值數據結合考古背景仔細分析，21 個個體中來自墓葬的僅有5 個，分別屬於M14 和M22兩座墓。其中，2 座墓主牙釉質的鍶同位素比值説明他們可能為本地出生。M22 擾坑中的3個個體，其中有1 個個體可能是本地出生的，而另外2 個個體可能出生在不同地區。來自灰坑的樣品數量比較多，有16 個個體。其中僅有3 個個體牙釉質的鍶同位素比值説明其可能是本地人，其餘13 個個體可能為外來者。灰坑的樣品中外來人大約佔比為81. 3%。總體而言，本次檢測結果表明，在陶寺遺址中晚期的先民中，存在很高比例的外來移民。

2． 二里頭遺址古人類的遷移情況

二里頭遺址位於河南省洛陽盆地東部，遺址年代距今約3800—3500 年。自20 世紀50 年代開始，經過幾十年考古發掘，發現二里頭遺址沿古伊洛河北岸呈西北—東南向分佈，東西最長約2400、南北最寬約1900 米，現存面積約300 萬平方米。遺址內已發現隨葬大量青銅器和玉器的墓葬幾百座，出土成組青銅容器和兵器及精緻的陶禮器等現象表明二里頭文化時期社會已發展到等級分明的階段，墓葬分為不同等級。考古學研究還發現，二里頭文化的分佈範圍相當廣泛，在東西200 多公里，南北300多公里的範圍內發現的二里頭文化遺址數以百計。二里頭文化在豐富自身文化內涵的同時也吸收了若干周邊地區文化因素，出現以鑲嵌綠松石的銅牌飾、彩繪漆器為代表的許多帶有其他文化風格的器物類型。在各種文化交流的過程中，自然少不了人類的身影。

為了探討二里頭遺址這種大型都邑是否存在外來移民及移民的規模，選擇了二里頭遺址出土的21個個體人類遺骸樣品作為研究對象，這些樣品分別來自二里頭文化二期、二里頭文化三期、二里頭文化四期、二里崗上層文化時期。將10 個豬和32 個人類的牙釉質和骨密質樣品的鍶同位素比值測定數據做成柱狀圖，如圖三所示。其中骨骼樣品均經過微量元素檢測並將受到污染的樣品剔除。圖中橫座標和縱座標所代表的內容如上節圖二所述。

從圖三所示本次檢測的21 個個體中，可能為本地人的有14 個，約佔居民總數的60% 以上; 餘下7個個體可能為非本地出生，推測移民佔居民總數的30%左右。因為二里頭遺址出土人類遺骸樣品分別來自二里頭文化二期至四期及二里崗文化時期，所以，還可以將樣品劃分為二里頭文化時期和二里崗文化時期兩個大的時段來討論。從圖三所示不難看出，二里頭文化時期的13 箇中，可能是本地出生的個體為10 個，其餘3 個個體為移民，遷移比例為23% 左右; 而二里崗文化時期出土的7 個個體中，3 個個體可能是本地人，還有4 個可能是外來人員，遷移比例為57% 左右。據此推測二里頭遺址的古代居民在不同時期遷移比例有可能是不同的。總體來講，根據本次檢測的結果推論，二里頭遺址作為當時東亞地區最大的都邑遺址，存在較高比例的外來人口。

3. 喇家遺址古人類的遷移情況

喇家遺址位於青海省民和縣官亭鎮，處在黃土高原與青藏高原交會處，具有典型的黃土地形地貌。考古學研究表明，喇家遺址由眾多的房屋遺址、大型祭壇、多重環壕、中心廣場等組成，種種遺蹟現象表明，喇家遺址明顯具有中心聚落的一些特徵。出土有玉壁、石刀、陶器等級別很高的文物，保留了地震、大洪水以及山洪襲擊的令人震驚的多重災難遺蹟，因此被列為2001 年度中國十大考古新發現之一。由於喇家遺址特殊的地理位置和獨有的原生生存狀態，這個處於新石器時代向青銅器時代過渡時期的聚落遺址，吸引眾多學者一探究竟。

通過喇家遺址出土22 個人類個體及8 份豬牙釉質樣品的鍶同位素比值，經過計算獲得喇家遺址當地的生物可利用鍶同位素比值範圍在0. 711058 ～ 0. 710802 之間。與此範圍比較可知，其中有17 個個體可能為本地人，僅有3 個個體可能是移民，還有2 個個體不能確定其來源，即喇家遺址的先民中，本地人佔總數80%左右，外來移民佔總數的13% 左右。因為喇家遺址存在時間經過了齊家文化時期和辛店文化時期，而僅有的3 個可能的移民均發生在齊家文化時期。另外，移民主要為女性和幼兒的現象也印證了關於喇家遺址人類遺骸的DNA 研究結果，即該遺址以父系親緣關係的家庭聚居為主。圖四為喇家遺址出土的21 個人類個體樣品及8 份豬牙釉質樣品的鍶同位素比值柱狀圖。其中骨骼樣品均經過微量元素檢測並將受到污染的樣品剔除。圖中橫座標和縱座標所表示的內容參看圖二説明，此處不再贅述。

三、總結與思考

1． 關於研究區域選擇的問題

上述3 個遺址古代人類遷移活動的研究，展現了不同考古學文化背景下先民們的生存狀態及社會成員來源的大致構成。從中隱含着關於研究區域的選擇過程，大致是以中原地區為起點，逐漸擴大至黃河流域，再至長江流域，直至全國範圍。陶寺遺址與二里頭遺址均屬於我國的黃土高原，兩者相距不到200 公里，從檢測結果來看，陶寺遺址、二里頭遺址各有不同的生物可利用鍶同位素比值範圍，説明二者雖然同處黃土高原地區，生物可利用鍶同位素比值範圍卻是不同的。接下來關於喇家遺址出土人與動物遺骸的鍶同位素比值分析同樣表明，儘管喇家遺址位於黃土高原邊緣，也具有典型的黃土地貌，其鍶同位素比值特徵仍然可以與其他遺址區分開來。這部分工作的重要性在於，可以為今後界定人羣遷移活動範圍奠定基礎。

此外，之所以首先選擇中原地區，另一個重要原因是該地區具有長期積累的考古學研究的學術優勢。偃師二里頭遺址的發掘自1959 年開始至今已有60 年，累計發掘面積總計4 萬餘平方米，取得了一系列重要成果。僅清理的不同等級的墓葬就達400 多座; 獲得青銅器、玉器、陶器、石器、骨器等數以千計。

陶寺遺址的發掘開始於20 世紀70 年代，經過多年的持續工作，主要發掘了宮城、平民居住區、手工業區、倉儲區和1100 餘座墓葬。發現了極少數隨葬數以百計的高等級奢侈隨葬品的王級大墓，與大多數空無一物的平民墓葬，形成鮮明的對比，呈現出當時社會複雜的等級制度、極度的貧富分化。

從1999 年至今，喇家遺址已連續發掘十幾年，房屋遺址展現的形態各異的人類遺骸揭示出鮮活的史前災難遺蹟現象，發現的黃河磐王及高規格的墓葬和祭壇等表明喇家遺址可能具有較複雜的社會結構。

從以上對三個遺址發掘歷史和成就的簡述可知，作為中國歷史上不同時期的代表性遺址，二里頭遺址、陶寺遺址和喇家遺址通過幾十年一系列的田野發掘、整理和研究工作，積累了豐富的考古資料，取得了豐碩的科研成果。對遺址的考古遺存已有相當瞭解，建立起了比較系統的考古學文化體系，這一切無不為鍶同位素分析方法在考古學研究中的應用打下了堅實的基礎。

2. 關於區域鍶同位素比值特徵的建立

鍶同位素分析方法是在考古學研究趨於深入的需求下應運而生的，最終目的也還是要解決考古學研究中的問題。通過一系列遺址出土人類遺骸的鍶同位素分析和研究，對這一方法在應用過程中所應注意的問題有了比較深刻的認識。任何方法的應用都有其優勢和侷限性，鍶同位素分析方法也不例外。相比較傳統考古學的文化因素及器物類型分析而作出的推測，鍶同位素分析提供了一個可以更直接地推斷出古代人類遷移行為的方法，但這一方法的應用是有其前提條件的。首要前提就是如何確定某一地區的鍶同位素比值特徵。正如前面所討論的，很明顯當地動物可以為建立生物可利用鍶同位素的比值範圍提供一個較為可靠的評估基準。先決條件是確認何種動物更適合作為當地動物。因為不同種類的動物有各自不同的活動範圍。大型食草動物比小型動物的活動範圍大，可以吃更多種類的植物而吸收更廣泛的鍶到體內。人的食物中包含許多植物和動物，作為家養動物的豬和狗基本上吃的是人類的食物殘餘，從理論上講，史前時期的人和家養動物體內的鍶同位素比值應該是一致的，所以，目前的研究認為，在確認豬和狗是家畜的前提下，可以用考古出土豬和狗的牙釉質樣品建立當地生物利用鍶同位素的比值範圍。

當然，在一個特定遺址確定所在地的生物可利用的鍶同位素比值範圍，還是應該根據遺址的具體情況加以分析判斷，不能一概而論。因為考古遺址所在地的生物可利用鍶同位素比值範圍的微小變化都可能引起對數據結果解釋的不同，所以一般情況下，人類遺骸、地質資料、動物羣等的同位素比值範圍應保持一致，彼此構成一條證據鏈，這是獲得所在地生物可利用鍶同位素比值範圍的比較理想的結果，但是在實際考古學研究中，往往不能同時具備以上全部條件，甚至檢測的樣品種類及數量的選擇也要依據田野發掘工作的內容和進程而定。比如，有些個體僅存遺骨，缺失牙齒，所以有時不能獲得充分的樣品量，所得出的檢測結果可能會存在偏差。建議研究者在開展古代人類遷移研究時，必須對遺址的各方面情況進行仔細考察，謹慎選擇。

四、展望

考古學發展到今天，已經逐漸成為一門以人文社會科學研究為目的、廣泛採用自然科學等相關學科的研究方法和技術的學科。回顧考古學的發展歷程不難發現，其從始至終都在借鑑和採用自然科學的方法。從最初的地層學和類型學，到現在的年代學等等，無一例外地都是根據考古學研究的需要，借鑑其他自然科學的方法，然後運用或者在實踐中不斷地加以改進後運用於考古學的研究中，最終成為常規的考古學研究方法和手段。鍶同位素分析方法在研究古代人類遷移行為的實踐中，儘管不乏成功的實例，卻也還在不斷摸索，逐漸完善之中。

由於我國國土幅員遼闊，地質狀況複雜多變。單獨採用鍶同位素分析可能很難區分地質環境上相近地區，從而給古代人類遷移研究帶來困難，所以隨着研究的不斷深入及檢測技術水平的提高，同時檢測人體遺骸中包含的其他種類同位素( 鉛、碳、氧等) 也逐漸成為研究者探尋的方向。總而言之，任何分析測試技術的應用都是要在考古學文化的框架內解決考古學研究中出現的問題，只有如此，才能凸顯出其應有的價值。

基金項目: 本研究由國家自然科學基金項目( 批准號: 21271186) 、國家社會科學基金項目( 批准號: 12BKG019) 、中國社會科學院哲學社會科學創新工程( 批准號: 2019KGYJ044) 共同資助。