中国东北地区旧石器时代晚期遗址黑曜岩制品原料来源探索

本文将地球化学上的研究成果与黑曜岩制品原料来源相联系，通过考察地质上已经发表的各地区地球化学元素克拉克值，找到在中国有效的黑曜岩判源元素组合，并通过与中国东部地区火山碎屑岩元素对比值的比较，得出中国东北地区旧石器晚期黑曜岩制品具有本土特征的结论，而大洞遗址及周边地区应为主要的原料产地之一。鉴于目前考古和地面调查工作的局限，在大洞遗址没有发现大型黑曜岩矿露头，推测原生矿源距离大洞不远的图们江上游地带。

目录
第一章 黑曜岩制品原料来源研究综述 (1)
第一节 西方黑曜岩产源研究概况 (1)
第二节 东北亚地区黑曜岩产源研究现状 (4)
第三节 黑曜岩产源研究存在的问题 (6)
第四节 本书的研究内容和目的 (8)
第二章 中国东北地区黑曜岩考古研究背景 (13)
第一节 研究背景 (13)
第二节 旧石器时代晚期黑曜岩遗址概况 (15)
第三节 黑曜岩的考古学意义 (18)
第三章 研究方法可行性分析 (25)
第一节 研究思路和技术路线 (25)
第二节 LA-ICP-AES和p-XRF等联用进行判源研究可行性分析 (27)
第四章 LA-ICP-AES检测结果与分析 (39)
第一节 LA-ICP-AES检测样品 (39)
第二节 LA-ICP-AES检测结果 (43)
第三节 LA-ICP-AES检测各遗址判源元素主成分分析及元素对散点图分析 (52)
第四节 LA-ICP-AES检测对东北地区黑曜岩风化环境的研究 (54)
第五节 LA-ICP-AES检测同一遗址不同地层和发掘区域黑曜岩化学元素差异及相关的p-XRF分组情况研究——以石人沟遗址为例 (56)
第五章 P-XRF检测结果与分析 (59)
第一节 p-XRF检测样品 (59)
第二节 p-XRF检测结果与分组 (59)
第三节 分组的意义 (81)
第四节 遗址中A组、B组、C组、D组样品照片比较及分析 (83)
第五节 p-XRF检测主要判源元素散点图分析 (87)
第六章 固定型ED-XRF辅助验证结果 (92)
第一节 固定型ED-XRF检测样品 (92)
第二节 固定型ED-XRF检测结果与分析 (93)
第七章 中国东北地区旧石器时代晚期遗址黑曜岩制品化学元素特征 (96)
第一节 中国东北地区旧石器时代晚期遗址黑曜岩制品化学元素特征 (96)
第二节 中国东北地区旧石器时代晚期对黑曜岩原料的利用方式试析 (98)
第三节 小结 (101)
第八章 黑曜岩产源研究元素对比值法的选择和应用 (104)
第一节 关于判源元素的选择 (104)
第二节 元素对比值法的应用和验证 (106)
第九章 中国东北地区旧石器晚期遗址黑曜岩制品原料来源探索 (116)
第一节 中国东北地区旧石器晚期遗址黑曜岩制品原料来源探索 (116)
第二节 关于东北亚地区间黑曜岩原料的交流互动 (123)
第三节 小结 (124)
第十章 结语 (126)
参考文献 (130)
附表 (136)
附图 (154)

    第一章 黑曜岩制品原料来源研究综述
    文物断代和判源是科技考古研究的两大热点，前者提供古代遗存的时间标尺，后者提供空间坐标，二者有机结合，可望建立考古研究的基础——时空框架。许多重要课题如文明探源、陶器起源，等都是在科学测年和检测分析中获得突破性进展。严文明先生亦指出：南于考古学研究是以实物为基础的，随着科学技术的发展，这种研究还可以不断深入，在同样的实物里可以提取更多和更加准确的信息 不断关注科学技术与考古学之间的可能的结合点，认真进行实验和研究，使得考古学可以随着科学技术的发展而不断发展。黑曜岩就是这样一种通过现代科技手段不断挖掘其所蕴含的内在信息从而能够为我们提供丰富的古代人类社会图景的史前实物遗存。
    第一节 西方黑曜岩产源研究概况
    黑曜岩是火山剧烈喷发形成的岩浆喷出型火成岩，由SiO2含量高达70%~75%的酸性熔岩在迅速冷凝的条件下由于未能结晶而形成的火山玻璃。它性状独特，质优者黝黑光亮，边锋锐利，与普通石料判然相别，早在十万年前，就被非洲创造了阿舍利文化的远古人类用来制作手斧，在希腊罗马时代，曾被作为一种珍贵的石材载人史册。
    西方在19世纪初开始关注遗址中出土的黑曜岩制品，但直到20世纪60年代中后期，随着能够对微量元素进行定量检测分析技术的开发和应用，黑曜岩这种具有“示踪作用”的石材在研究早期人类迁徙、交换活动中的特殊作用才开始受到学界的重视，随后陆续开展全球性的黑曜岩制品和矿源调查及分析研究工作。目前，国际上已有多个专门的黑曜岩研究机构和实验室，据不接近统计，仅美洲一地，近年来与黑曜岩产源相关的重要研究成果就有近百项，其中不仅有学术论文与专著，还有多篇学位论文。
    早期的研究工作采用原子发射光谱、裂变径迹法、中子活化，和X射线荧光分析技术等，将黑曜岩按元素特征分组，有的还与石器的形制相联系，开辟了与传统石器研究不同的新领域。但必须承认，由于当时仪器精度尚需完善，分析样品数量有限，且黑曜岩矿产资源调查不够充分，因此一些结论存有争议，但其工作在科技考古研究领域中具有开创性意义。
    1965年，科林 伦福儒等学者根据希腊北部一些新石器时代遗址拥有大量产自米洛斯黑曜岩的情况，指出：早在公元前六七千年，希腊史前人类已具备造船和航海能力。1967~1974年，对希腊伯罗奔尼撒半岛的法郎契特洞穴的发掘中，在中石器时代后期地层遗存中发现了大量的鱼骨化石和用黑曜岩（来自于东南的米洛斯岛）制作的石器，是世界上人类航海活动或海上运输迄今所知的最早的证据材料。
    20世纪80年代中期，泰勒（Taylor）的《黑曜岩研究进展：考古学和地球化学视角》 （Advances in Obsidian Glass Studies；Archaeological and Geochemical Perspectives）一书对黑曜岩考古研究首次进行了综合论述，阐明考古学与地球化学相结合的研究方法在黑曜岩研究中的重要性和应用前景，具有里程碑作用。随后，各国科技考古工作者不断尝试使用不同的检测技术和分析方法，在计算机科学、化学分析技术及数据处理方法日新月异的推动下，黑曜岩产源研究在解决史前人类迁徙、经济形态、资源利用及文化交流等方面发挥了越来越令人瞩目的重要作用。
    1986年，理查德 胡克（Richard E．Hughes）采用ED-XRF等方法对美国加利福尼亚州东北部和俄勒冈州中南部两个地区出土的黑曜岩制品进行分析，并采用统计分析方法，以微量元素Rb、Sr、Y、Zr、Nb为变量对这两个地区的黑曜岩进行科学研究，揭示了石器制造者对资源利用的不同模式，反映了古代人类行为的动态发展变化。科林 伦福儒等人应用主微量元素分析方法以及裂变径迹法对近东地区出土黑曜岩制品进行了综合研究，结果表明，近东地区新石器时代早期遗址黑曜岩的产地来源有四个：安纳托利亚中部两个，主要输送到塞浦路斯、安纳托利亚和利凡特地区到巴勒斯坦一带；安纳托利亚东部亚美尼亚两个，主要输送到伊朗的扎格罗斯山区的一些遗址如Ali Kosh。在接近黑曜岩产地的遗址，黑曜岩占打制石器的80%，说明在“供应区”（距离产地320千米的范围内）之内，人们直接从产地采集黑曜岩，在“供应区”之外，黑曜岩的发现表现为指数缩减，表明它是由一个村庄传给下一个村庄，以这种形式不断地被输送传递。这是对黑曜岩判源工作开展得较为成功的案例之一。
    斯帝文 萨克雷（M．Steven Shackley）作为国际上颇具声塱的黑曜岩研究专家，对自泰勒之后20多年的黑曜岩考古理论和方法及成就进行了总结和回顾，充分肯定了黑曜岩研究在史前考古和古人类行为研究中的重要意义和价值。加莫巴斯蒂安尼（Mar. Alan Giambastiani）的博士论文将矿源的研究与西部大盆地古人类定居迁徙等活动结合起来，成功地揭示在火山高原地区黑曜岩应用的时空模式以及由此昭示的石器技术和定居迁徙方式的长时段变化，为我们的研究提供了一定的方法学上的借鉴。
    康斯坦汀尼斯科（B．Constantinescu）等学者对罗马尼亚的特兰西瓦尼亚地区新石器时代遗址黑曜岩制品矿料产源进行研究，采用PIXE、micro-PIXE及XRF等技术，对矿源指示作用较强的元素对比值（Ti/Mn——Rb/Zr、Ba/Ce——Y/Zr）做二维散点图分析，判断出这些黑曜岩制品的三个不同来源路线，揭示出公元前5000年末期在中欧和东欧存在的贸易交流网和超过1500千米的交流路线，从而有助于阐明古代中东欧人群之间演化关系等重要历史课题。
    裂变径迹法（FT）自1971年被引入到黑曜岩的矿料产源研究中，经过多年的积累，其理论和方法不断进步，成为对化学元素分析方法的有效补充。2001年，拜兰达（R．Badalian）等学者指出由于实验误差的缘故，FT法在判断同一地域短时间段内不同的火山喷发年代时存在一定的问题，但可以通过铀系测年及化学成分判源等方法进行弥补。随后，同一课题组的进一步研究表明[21]，该法可以对年轻火山的年龄进行判断，并可以分辨由人类加热行为导致的裂变径迹的变化，从而测定黑曜岩制品加工时的年龄，以与通常的火山喷发的“地质年代”相区别，首次提出用FT法判断黑曜岩制品制造年代判定方法，具有重要的学术意义。
    LA-ICP-MS法由于具有无损快速、灵敏度高、检出限低等优点在黑曜岩矿源研究中发挥了重要的作用。杰莫 艾肯（Jelmer W. Eerkens）等学者应用此技术，对美国加利福尼亚州的重要遗址之一——欧文（Owens）村不同时期的黑曜岩制品形制、数量、大小与矿料产源距离之间的关系进行比较分析，结合已有的研究成果，揭示这一地区史前人类行为方式，论述了相关的定居模式、流动频率、资源利用、石器制造、贸易交换等方面内容，不仅提供了详尽的实验操作规程，并应用水合层的结果对样品的代表性进行检讨，为同类课题的研究提供了方法学上的典范。
    当前，国际上对黑曜岩矿源的研究越来越呈现多种方法结合研究的趋势。ICP-MS、ICP-AES和LA-ICP-MS被应用在土耳其的柴特尔 休于遗址，子种方法间的互相印证增加了分析结果的可信度。在南美洲，黑曜岩矿源研究主要应用化学元素分析和裂变径迹法定年。2008年，罗得斯 白洛特-盖莱特（Ludovic Bellot-Gurlet）等学者使用ICP-AES、ICP-MS和PIXE方法，测定主量元素与微量元素（包括稀土元素）的含量并分为十个元素组，与裂变径迹法测定的年代结合起来，对哥伦比亚和厄瓜多尔的黑曜岩矿源进行详尽细致的描述和比较研究。在分析一些黑曜岩制品的裂变径迹年代与由元素组成判断的矿源年代不符的原因时，作者认为：一种可能是由于在同一地区的火山不同时段喷发造成；另一种可能是存在还没有被发现的潜在的矿源，从而得出更多的区域性调查需要继续进行的结论。
    从岩石磁性的角度对黑曜岩的产源进行研究始自1983年，J.尤提拉-福高士（J.Urrutia-Fucugauchi）将这种方法应用于墨西哥中部火山带的研究，在强调了这种方法的经济适用、无损便捷的优点后，他进一步指出，由于存在磁性重叠导致的精度不够等问题，更细致的工作以及与化学成分分析相结合是进行产源研究的有效手段。
    泰克特（R．H．Tykot）在总结考古判源研究的方法和应用时指出：对矿源全面的地质调查和揭露是对人工制品进行分析的基础。在地中海地区黑曜岩的研究中，元素特征和裂变径迹法定年是最有成效的方法，同时强调有代表性样品的选择对最终结果起着重要的作用，并认为地质学家、考古学家和化学家之间的相互合作以及系统研究是非常必要的。在安纳托利亚中部、爱琴海和中欧地区，近期新的成果是应用p-XRF检测黑曜岩的微量元素Rb-Sr-Zr，成功地进行了原料产源分析。
    综上所述，国际上黑曜岩矿料产源的研究集中在矿源的全面调查和新矿源的揭露发现，以及应用各种现代科技方法，如INAA、XRF、PIXE、LA-ICP-MS、ICP-AES、FT（裂变径迹法定年）、K-Ar法测年、HD（水合层定年）等进行地球化学特征、成矿年代及工具制造年代以及物化性质分析，在明确矿源特征的基础上，判断遗址出土的黑曜岩制品的具体来源，从而进一步揭示人类行为模式和变化趋势及原因，具有物理、化学、地质、考古等多学科综合研究的特点，并向矿源的全面调查和揭露、全样品数据库建设、提高方法准确度、数据的科学处理和解读以及多种方法结合等方向发展。
    第二节 东北亚地区黑曜岩产源研究现状
    在东北亚，位于中朝边境的长白山区、日本及丙部岛屿、俄罗斯远东地区、堪察加半岛等都是比较重要的黑曜岩产地。1949年，日本在群马县新田郡岩宿附近的火山灰堆积崖面上发现黑曜岩制品，被确认为日本列岛首次发现的旧石器遗址，开创了日本史前史研究的新纪元30，其关于黑曜岩产源研究在东北亚地区亦起步较早（Suzuki 1970，1973；On01984；Yamamot01990），始于20世纪60年代，应用INAA、ED-XRF等方法进行检测分析，经过几十年的积累，取得了较丰硕的成果，如在北海道有21个不同地球化学特征的黑曜岩矿源被分辨出来，大部分确定了原生位置，环日本海地区黑曜岩交换距离最远可达3000千米；对其中两个产源-Shirataki和Oketo研究得详细深入，根据其各自的元素特征分别定出两个亚组（Shirataki-A+Shirataki-B和Oketo-A、Oketo-B）。目前，日本不仅有专门的研究期刊——《黑耀石文化研究》，还有专门的黑曜岩研究机构——由小野昭教授负责的明治大学黑曜岩研究室，对推动东北亚地区黑曜岩综合研究方面做出了较大贡献。
    俄罗斯学者在20世纪80年代着手远东地区黑曜岩产源研究。2001年，应用波长色散X荧光（WD-XRF）和能量色散X荧光（ED-XRF）对滨海地区南部天然黑曜岩和两处遗址（Novovarvarovka-l和Maladozhunaya）中黑曜岩制品检测分析的结果表明：这两个旧石器晚期遗址中黑曜岩制品（13件）一部分来自于遗址附近河床上的天然黑曜岩砾石，另一部分来自于较远的滨海中部地区，而且，这些样品与日本北海道接近不同35。
    库兹名（Kuzmin）等应用中子活化法（INAA）分析了远东库贞岛35个从旧石器时代晚期到早期铁器时代遗址中的79件黑曜岩制品，同时检测了日本北海道四个地点的黑曜岩原料，结果表明：这两个地方在史前时期存在密切的联系，其中来自北海道两个矿源Oketo和Shirataki的黑曜岩原料遍布整个库页岛，其最远距离可达1000千米。
    在俄罗斯，更进一步的研究工作是应用中子活化法（INAA）和能量色散X荧光（ED-XRF）对24处地质矿源的80件火山玻璃样品（长白山4个样品）和36个从旧石器晚期到中世纪遗址中110件黑曜者制品进行系统的检测分析，对两个微量元素Hf-Eu作散点图分析，结果显示存在10个不同的化学组，其中主要的3个化学组是玄武岩