考古中华：科技之力
第十四部分 科技之力
工欲善其事，必先利其器。科技考古是指应用自然科学技术解决考古学问题，是现代考古学的发展趋势。自然科学和考古学的结合，开拓了传统考古学不能涉及的研究领域，提高了考古研究的效率和精确度，为探讨古代社会开辟新的思路，提供新的方法，补充新的资料，阐述新的观点。中国社会科学院考古研究所考古科技中心致力于应用各种自然科学手段研究考古学问题，涉及的学科或研究领域有考古空间信息技术、考古勘探、年代测定、环境考古、体质人类学研究、动物考古、植物考古、化学成分和物质结构分析、木材分析、同位素分析、绘图照相等。
一 考古空间信息技术
考古空间信息技术包括许多高科技的手段，用来测绘和勘探考古遗址及周边环境。例如：考古研究中卫星定位系统、电子全站仪、数字摄影测量、三维激光扫描等测绘技术、遥感技术与地理信息系统等集成运用，构成整体、实时和动态的观测、分析和应用运行系统等。
测绘技术
测绘技术能够获取考古遗迹精确的空间位置数据，全面记录考古调查和发掘过程中发现的各种遗迹、现象的空间信息。
运用测量型全球定位系统和电子全站仪进行发掘现场的遗迹测绘。全球定位系统是以卫星通讯为基础，运用接收机同时接收多颗卫星的信号，以此确定接收机在特定坐标系中的精确位置。然后再使用电子全站仪测绘考古发掘现场的各种遗迹等细节要素。
遥感技术的应用
遥感技术能够接收高分辨率、高光谱、高时相的遥感影像，对考古遗址进行地图更新，勘探地下未知遗迹，实时掌握考古遗址及其周边环境的变化特征，是多重信息快速提取、动态更新与综合分析的主要手段。
地理信息系统
地理信息系统是考古空间信息技术的核心和灵魂，能够将遥感的栅格数据与测绘等生成的矢量数据进行空间叠置，具有对多重信息进行存储、检索、分析、模拟、输出等功能，提高了遥感与测绘等数据分析功能和分析精度。
二 考古物理勘探
考古物理勘探是运用探测手段发现地下物理异常现象探测古代遗迹的方法。人类活动使土壤的物理、化学性质出现异常变化，埋藏在地下的考古遗迹和遗物形成的土质结构与自然沉积产生差异，使土壤的密度、磁性、电性、弹性、放射性、导热性、电化学性与自然沉积相比发生变化。利用物探方法，发现这些变化，通过数据处理分析，探测古代遗存。
电法和高密度电法勘探
电法勘探是以岩石之间或土壤之间的电性差异为基础，对天然产生的或人工方法建立的电场或电磁场的空间或时间分布特征进行观测，以查明那些与考古有关的地下遗迹现象的存在和范围。
高密度电法探测
高密度电法测量系统，是在普通电法的基础上发展起来的。包括程控式电极转换开关和数字式电阻率仪。其工作原理，主要由多路电极转换器和多功能电测仪组成。由单片机控制多路电极转换器和多功能直流电测仪组成的配套设备。高密度电阻率测量时进行电极排列方式、极距和测点扫描的自动转换装置。
高密度电法具有信息量大、简便高效和剖面性分析的特点，它体现了目标体在深度上的变化。
磁法勘探在考古中应用
磁法勘探主要应用于探寻前表层古代遗迹。包括古代建筑地基、灰坑、炉灶、陶窑、窖藏、城墙、道路、墓葬等。通过磁法勘探结果，能够确定遗迹的具体位置、大体形状和范围，估算出遗迹的埋藏深度等。但对除铁性金属器外其他的金属器的探测效果不明显。
探地雷达勘探在考古遗址中的应用范围和对象
探地雷达适合探测地下介质的介电常数相差较大的遗迹。如地下石质的建筑基础、空的洞穴、地下水位等。因此该勘探方法在欧洲的古代遗址勘探中应用较多。这与欧洲地区的古代建筑多由石材建筑构成有关。国内在寻找已知的大型夯土台基中的柱础石的位置、砖石结构的墓葬及砖石铺设的地面和道路中具有一定的探测效果。
三 碳十四年代测定
宇宙中子射线与大气中的氮反应生成碳同位素—碳十四（14C），碳十四通过光合作用进入植物并经食物链进入动物体。动植物死亡后断绝了与外界的交换，体内碳十四由于衰变其浓度随时间逐渐降低。通过测定体内残余的碳十四浓度就可获知动植物的死亡年代。
碳十四年代测定流程
动植物遗存（骨头、植物种子、木头、木炭等）以及其它含碳物质（织品、纸张等），通过挑选、物理化学等处理—在真空系统中燃烧成为二氧化碳—经过纯化合成制备成为适合进行测定的样品（苯），通过测量衰变次数并经统计分析得到年代。
建立中国新石器时代和夏商周考古碳十四年代框架
1965年，中国社会科学院考古研究所建成我国第一所碳十四年代学实验室，配合考古学研究测定了大量的碳十四年代数据，建立了旧石器时代晚期以来史前考古学碳十四年代框架。在开展的夏商周断代工程以及中华文明探源工程研究中，通过应用系列样品方法的高精度测年研究，使年代误差缩小，建立了夏商周考古碳十四年代框架，并在此基础上完成了新砦-二里头-二里冈考古学文化的年代长序列，为三代年表的建立及相关研究提供了依据。
甑皮岩遗址碳十四年代测定研究
石灰岩地区，因环境的原因，使测年研究成为一大难题。通过对广西桂林石灰岩地区甑皮岩遗址的考古遗迹与现代标本进行综合分析，掌握了测年数据偏老的特点与规律，最终建立了甑皮岩遗址碳十四年代框架，为石灰岩地区碳十四年代研究树立了一把标尺。
四 环境考古
环境考古是通过遗址及其周边环境的考察和采样分析，恢复各种时空尺度的地形地貌、水文、植被、气候、土壤、动物等自然环境，研究自然资源、自然灾害对区域社会文化发展的影响，了解古代人类对自然环境的认知和利用，探讨自然环境对聚落选址、生产布局、食物结构、经济形态、文化演进、人类迁移的影响以及人类对环境的作用等人地关系问题。
研究中还涉及地貌制图、孢粉、粒度、磁化率、年代测定、硅藻、土壤微形态、树木年轮、动植物、矿物、同位素分析等，并借用地貌与第四纪地质学的诸多理论和方法，地学与生物学文理交叉的综合研究方法。
五 体质人类学
体质人类学（Physical Anthropology），是研究人类体质特征与类型在时间、空间上的变化规律的科学。它探讨人类自身的体质特征、人类种族的起源、发展和变异以及人类起源演化等，属于生物学科，也称为“生物人类学”（Bioligical Anthropology）。
中国古代人群的风俗现象
中国的拔牙风俗被认为与成年和取得婚姻资格有关。山东、苏北一带的新石器时代人群中普遍存在枕部扁平的变形头，其变形原因、目的和采用的方法，目前尚不清楚。口颊内含球的习俗目前只在大汶口文化的少数个体中出现，含球的原因和目的还没有令人信服的解释。
古代开颅术
中国发现最早的开颅术标本，约为公元前3000年前，出自山东省广饶市的新石器时代遗址。原始时期开颅术的动机包括以下几种：①取下骨片作为驱邪物。②头骨骨折后的外科手术。③为治疗头痛、癫痫、白痴、癫狂或其他疾病而施行药物治疗的外科手术程序。④防腐说。
古代人群的病理调查
从骨骼病理变化的多项指标中可以获取古代人群的生活方式、食物构成、疾病状况、生存压力、经济模式、行为特点、社会组织结构等多方面信息。龋齿的调查能提供人群饮食的信息，如更多摄入高淀粉和高糖食物会使龋齿的发生率增加，甚至引起牙齿的过早脱落。骨关节炎的产生是由于一个人一生中持续的、重复的、机械的身体活动造成的，它能反映人群的生活方式和劳动习惯。
牙齿磨耗和骨骼创伤
食物构成的不同会导致牙齿磨耗上差异。有研究表明，采集狩猎人群的臼齿显示扁平形式的磨耗，而农业人群出现斜的臼齿磨耗。从考古材料中发现的骨骼创伤，除了偶然摔跌造成的骨骼断裂或骨折外，很多是人与人之间或社会集团之间的矛盾冲突引起的暴力伤害。
骨骼的死后变化－人骨埋藏学
食肉动物和啮齿动物的牙齿噬咬痕迹在人类遗骸中常见到。骨骼在埋藏过程中产生的变化属于人骨埋藏学范畴。
六 动物考古
动物考古主要是通过对考古遗址中出土的动物遗存进行形态学研究、定量分析、古DNA分析、食性分析等研究，结合动物骨骼出土的考古背景，探讨中国各种家畜的起源及发展过程，认识不同时空范围内古代人类利用动物的各种行为。
动物考古样品的采集与初步分析过程
（1）田野鉴定动物及采集动物遗存
对考古遗址出土的特殊动物埋藏现象如祭祀的动物牺牲等，动物考古研究人员到现场进行动物种属、骨骼保存状况、年龄、性别等的鉴定和骨骼测量等工作，并制定动物骨骼的提取或保护方案。
将考古单位中采集的土样，直接过筛，以获取发掘采集时通常会遗漏的微小型动物骨骼或大中型动物的细小骨骼。一般对沙质的土样使用干筛法。对粘性、结块的土样采取湿筛法，即对置于网筛内的土样用水冲洗或在水中淘洗。最小的筛孔通常不大于2毫米。
将考古单位中采集的土样，置于特定的浮选设备如水波浮选仪中，通过浮选设备的细筛获取浮在水面的炭化植物遗骸，通过浮选设备的粗筛获取沉入水底的微小型动物骨骼或大中型动物的细小骨骼。粗筛筛孔一般为1～2毫米，细筛筛孔一般为0.2毫米。
（2）室内鉴定和整理动物骨骼
室内鉴定和整理一般分为分类、鉴定、测量、称重、观察及将全部信息输入电脑等多个步骤。
黄河流域和长江流域获取肉食资源方式的差异情况
新石器时代黄河流域和长江流域居民获取肉食资源的方式存在明显的差异。从公元前5000～公元前4000年间开始，黄河流域多数地区古代居民主要通过饲养家猪等家畜来获取肉食资源；而长江流域古代居民在新石器时代大部分时期主要通过渔猎活动获取野生动物作为肉食资源，饲养家畜的比例不高。
动物在祭祀中的应用
我国古代，祭祀活动中经常使用动物作为牺牲。商代尤为多见。
早商时期的动物祭祀情况可以偃师商城（公元前1600～公元前1350）为例。偃师商城的祭祀活动中利用的动物以猪为主，还有狗、黄牛和羊。猪牲多数单独埋葬且大部分较为完整，也有以多头猪祭祀的。狗通常也是单独完整地埋葬。牛和羊大多被肢解，与被肢解的猪埋在一起。
晚商时期的动物祭祀情况以殷墟遗址（公元前1300～公元前1100年）为代表。殷墟的祭祀活动中利用的动物种类增多，除狗、猪、牛、羊以外，还有马、象及其它动物。依据现有的资料，从数量来看，最多的几种动物依次为狗、马、牛、羊、猪。
七 植物考古
植物考古是专门研究考古出土植物遗存的科技考古学分支。植物考古通过对考古出土植物遗存的鉴定和量化分析，探讨植物遗存与古代人类的相互关系，进而复原古代人类生活方式和解释人类文化的发展与过程。
植物考古样品采集与初步分析
浮选法是发现古代植物遗存的一种考古田野方法。考古遗址中埋藏的炭化植物比重略小于水，因此将土样放入水中，可使炭化植物浮出水面进而提取之。考古使用的浮选设备多种多样，水波浮选仪是一种相对复杂的浮选设备。
已知年代最早的炭化糜子
通过采集古代植物样本，并进行分析研究，目前所知年代最早的糜子发现于内蒙古自治区敖汉旗兴隆沟遗址第一地点。兴隆沟遗址第一地点属兴隆洼文化中期的大型聚落遗址，通过浮选，出土了1500余粒炭化小米，其中以糜子数量较多。
年代最早的糜子
约公元前5600年,内蒙古自治区敖汉旗兴隆沟遗址第一地点浮选出土
二里头遗址的“五谷”
我国古代的“五谷”，谷子（粟）、糜子（黍）、稻谷、大豆（菽）和小麦，在二里头文化已经形成
八 化学成分及物质结构分析
利用化学分析、仪器分析和物理分析手段，对考古出土遗物的化学元素组成和状态、显微组织和包含物、物相结构等进行分析检测，从而判定遗物的材质、性能、制作工艺，并进而探究其中蕴涵的人类活动的各种信息。
工作流程为：样品采集→ 实验室预处理→化学成分分析→物质结构鉴定
古代容器内存积土的分析
采用多种化学分析和仪器分析方法，对出土容器内存积土进行有机质测定、元素与同位素分析及脂肪酸分析等，可以推断出容器原来盛装的物质种类。
九 木材分析
木材分析是以考古出土的木质遗物为主要研究对象，应用树轮年代学、木材学、木材解剖学的研究方法，判定文化遗存的年代；探求人类利用木材的信息；探索古代先民与植物的相互关系；复原区域性木本植物种类；重建古环境和古气候。
柴达木盆地考古出土木材的树轮年代学研究
柴达木盆地位于青藏高原的东北部。这里环境要素梯度变化大，是全球环境变化研究的敏感区和关注重点。树木年轮具有定年准确、时间序列长、环境变化指示意义明确且可定量的特点，有利于在柴达木盆地开展树轮年代学研究。
根据都兰和德令哈墓葬群出土木材，建立了柴达木盆地时间长度为2376年(公元前1575 ～公元800 年) 的考古样本地域年轮年表。此年表是目前我国最长的年轮年表，已经延伸到了夏末商初。
湖北省枣阳市九连墩楚墓木质遗物的研究
湖北省枣阳市九连墩墓地1号和2号墓属于战国晚期，出土了979件漆木器和铜木构件的木材。木材树种的鉴定，有助于对战国葬具、兵器、车马器、乐器、生活用器、丧葬用器和生产工具的研究，而分析明确的大量树种，为研究战国时期随枣走廊的生态环境提供了资料。此外还验证并补充古代文献的有关记载。
例如，“凡取干之道七：柘为上，檍次之，桑次之，橘次之，木瓜次之，荆次之，竹为下。” 认为7种树中，以柘木为制弓的最好材料，而最差的是竹材。分析表明九连墩楚墓出土弓就是用柘木制作的，证实了古文献的记载。
再如，一般认为早期的笙是以葫芦的果实“匏”做笙斗，唐代以后改成木质，现在则為铜质。对九连墩楚墓出土笙的分析表明，战国时期笙斗既有葫芦的也有木制的。
十 同位素分析
我们的祖先吃什么？
过去的研究仅仅是通过考古遗址中出土的生产工具、动植物遗存等进行推论。而今则可以通过考古出土人骨中的稳定同位素碳十三（δ13C）、氮十五（δ15N）分析获悉其食物的直接信息，成为以往研究的补充。碳十三反映的是主食状况，如是吃小米、玉米类，还是吃小麦、稻米类。氮十五反映的是食肉状况，营养级的高低。同样，动物的食物状况也可以同样的方法得到。
通过对少量人骨、动物骨头进行化学处理，作质谱分析，就可获悉人或动物的主食组成和营养状况。
人类食性分析
考古研究所碳十四实验室在上世纪八十年代在国内开辟了碳十三分析人类食性的研究，分析了距今五千年的仰韶文化遗址、距今四千多年的陶寺文化遗址人和动物的主食状况，得出当时的人是以小米为主食、而当地的猪以谷糠为主食的结论。本世纪初，又应用元素分析仪开展氮十五分析，研究人或动物的营养状况。碳十三、氮十五两种分析相结合，可以区分出农业、牧业、渔业等不同的生业环境。
如距今八千年的内蒙兴隆洼遗址、距今五千年的河南西坡遗址、距今三千年的安阳殷墟等遗址的人类食性是以小米为主的，而浙江河姆渡遗址、上海青浦嵩泽文化等遗址的人类食性则是以稻作为主食，青海大通上孙家遗址的人类食性则是小米、麦类兼而有之。在营养状况上，中原地区食肉程度相对较低，而甘肃玉门火烧沟遗址则呈现出食肉明显较高。
十一 考古绘图
考古绘图是将制图学应用于考古学的一门制图技术。它依据测绘制图、技术制图等相关的国家标准，形成适合考古学的制图体例，用以准确记录和说明考古发掘材料及文物资料，是考古学研究的基本方法之一。近年来利用数字摄影、计算机图形处理技术绘制出土遗物正投影图像的矢量图，致力于考古绘图的规范化、科学化与数字化。
（责任编辑：孙丹）
