在没有地层划分的情况下进行地质考古学研究：以黎凡特南部一个铁器时代城市遗址为例的大规模采样分析

《Geoarchaeology》：Geoarchaeology in the Absence of Layers: Large-Scale Sampling From an Iron Age Urban Context in the Southern Levant

本研究整合便携式X射线荧光（pXRF）、光致发光（pOSL）及有机残留分析（ORA），探讨埃拉客遗址（Tel Burna）铁器时代地层中后沉积过程的影响。通过元素分析（磷、钙、钾）揭示居住面、破坏层及泥砖建筑特征，证明高钾值与泥砖存在显著相关性，而破坏事件（如火灾）导致磷富集、钙减少及有机质降解。成果为缺乏明显分层记录的遗址抢救性考古提供了高效非破坏性技术工具。

　　
本研究以以色列舍斐拉地区 Tell Burna 遗址为对象，通过整合便携式X射线荧光（pXRF）、便携式光释光（pOSL）及有机残留分析（ORA）技术，系统揭示了该遗址铁器时代层积中的人工活动痕迹与自然沉积过程的交互作用。研究聚焦于遗址核心区域Area G，通过垂直剖面L17和水平采样点（如M17、P18等）的多维度分析，构建了高分辨率的地层解析框架，为Tell Burna的晚期青铜时代至铁器时代II期（约公元前10世纪至公元前7世纪）的层积特征提供了创新性解读。

### 研究背景与核心问题
Tell Burna作为多期次人类聚落遗址，其层积序列面临典型考古遗址的三大挑战：1）泥质建筑材料的化学风化导致地层分界模糊；2）地中海气候区的高强度侵蚀造成沉积物再分配；3）现代耕作活动对原状地层的扰动。研究团队特别关注Area G区域，该处存在典型的铁器时代城墙（Stratum IV）废弃后未经明显破坏重建的特殊现象，传统考古方法难以准确区分建筑层序与自然侵蚀。

### 技术方法创新
研究采用三位一体的技术组合突破传统局限：
1. **pXRF微区分析**：通过Delta Professional设备对泥砖碎屑进行原位检测，建立磷（P）、钙（Ca）、钾（K）的元素指纹库。其中钾元素浓度与泥砖含量呈显著正相关（表1显示K均值达0.957%），钙元素与当地石灰岩地层相关（表3显示CaCO3含量>43%），磷元素则成为人类活动的时间标记。
2. **pOSL地层年代学**：利用石英和长石矿物在辐照后的光释光强度衰减特征，构建深度-光子计数模型（图7显示R2=0.94的强相关性），证实至少在2米深处仍保留完整层序。特别在Stratum IV底部（135-150cm）检测到异常高光子计数（达0.109均值），对应泥砖建筑的热暴露过程。
3. **ORA有机组学**：采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）检测脂类物质，发现表面土层（Stratum I）总脂量达12.13μg/g，向下递减至Stratum IV的完全缺失，DNA浓度从1188ng（表层）降至5.58ng（Stratum II），为区分人类活动层与自然沉积层提供生物标志物。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 破坏层的元素指纹
Stratum IV（约公元前780年）的破坏层呈现独特的化学组合：
- **磷（P）浓度峰值达0.204%**，显著高于周边耕地（0.12%）和自然剖面（0.056%），反映大量有机物灰烬堆积。实验显示，P/Ca比值0.03-0.04与木材灰烬特征吻合（表4），证实存在大规模焚毁事件。
- **钾（K）异常富集**：在M17、P17等暴露建筑区，K含量超过0.6%，对应泥砖灰烬中钾长石（KAlSi3O8）的残留。比较分析显示，K在石灰质土壤中迁移率是P的3倍以上（表3区域对比），说明泥砖焚烧后K元素通过地表径流再沉积。
- **钙（Ca）缺失现象**：与上层的Stratum III（Ca均值9.298%）相比，Stratum IV钙含量骤降，反映热解过程对碳酸钙矿物的破坏。该现象与Ashdod-Yam遗址的焚毁层特征一致（Lorenzon et al., 2024）。

#### 2. 泥砖建筑的元素识别
通过pXRF对暴露泥砖的表面检测（表1），发现其K含量达0.96%，显著高于普通土壤（0.4-0.69%）。研究团队建立泥砖材料的三维特征模型：
- **新鲜泥砖**：K含量0.6-0.8%，伴随胆固醇（β-sitosterol）和长链烷烃（C23-C31）特征谱。
- **焚烧泥砖**：K含量升至1.2%以上，同时检测到甾醇异构体（如 Sitostenone），证实热解过程诱导的分子重排。
- **风化泥砖**：K含量降低至0.3-0.5%，伴随脂肪酸氧化产物（如C16:1/C18:2比值升高）。

#### 3. 侵蚀动力学的元素示踪
在P18区域的 downslope 方向，发现Stratum III层位缺失（图4），通过pXRF检测显示：
- **磷元素垂直分异**：坡向下方P含量下降40%，证实存在侵蚀-再沉积循环。
- **钾元素空间分异**：在M18南部，K含量从0.6%骤降至0.2%，对应泥砖建筑区的破坏。结合pOSL数据，该区域光子计数强度低于同类沉积层12%，表明存在局部侵蚀或人工剥离。
- **钙元素反迁移**：在P18南坡，尽管表层土壤Ca含量仅7.3%，但10cm深处骤增至19.4%，显示石灰岩碎屑的垂直迁移，与风化剥蚀过程相吻合。

### 方法论突破
研究建立多技术协同的标准化流程：
1. **pXRF-OSL联合采样**：每5cm采集一个样本，同时记录XRF元素谱和OSL光子计数，实现空间-时间双重分辨率（图3采样网格）。
2. **有机组学数据库构建**：首次在铁器时代遗址中建立包含17种脂肪酸、8种甾醇、12种烷烃的化合物数据库（表2），发现C25-C31长链烷烃与泥砖烧制温度正相关（>800℃时出现C30特征峰）。
3. **误差校正机制**：通过SRM2709a等55种标准物质校准pXRF，误差控制在±15%，并采用ICP-OES交叉验证（表1显示Mn元素标准偏差仅0.012%）。

### 区域对比与理论贡献
研究将Burna遗址与Shephelah地区5个同类遗址进行对比（表3），发现：
- **P富集阈值**：当P/Ca>0.05时，可判定为人类活动层（置信度92%）。
- **K/Ka比值**：泥砖区>0.7，普通耕作区<0.3，该比值可有效区分建筑垃圾与自然沉积。
- **有机质衰减曲线**：表层-2m深度内脂类物质浓度呈指数衰减（R2=0.87），与当地年均降水401mm形成负相关。

该研究创新性地提出“元素动力学模型”，将泥砖焚烧过程解构为三个阶段：
1. **热解阶段**（0-500℃）：K长石晶体结构破坏，释放K+离子（pXRF检测到K值突增）。
2. **灰烬沉积**（500-800℃）：有机物碳化形成灰烬层（ORA检测到脂类分解产物）。
3. **矿物重结晶**（>800℃）：方解石结构被破坏，Ca含量下降（表1显示Stratum IV Ca均值仅4.152%）。

### 实践应用价值
研究成果为考古遗址保护提供新工具：
1. **快速评估法**：在Square P18的发掘中，通过5个pXRF点检测，2小时内即可圈定泥砖建筑区（误差<3%）。
2. **侵蚀预警系统**：结合K元素空间分布与OSL年龄数据，可建立沉积侵蚀模拟模型（图6显示K浓度梯度与坡度相关性R2=0.81）。
3. **遗址修复指导**：针对Stratum IV的焚烧层，提出基于元素比值（P/Ca>0.03）的修复阈值，指导考古现场扰动控制。

### 局限性与未来方向
研究存在三个主要局限：
1. **有机质提取效率**：当前ORA方法对长残留脂类的检测下限为0.02μg/g，对于深层（>3m）沉积物可能存在漏检。
2. **多期次干扰**：Stratum II与III之间的层积缺失（图2 Harris矩阵），需结合14C测年数据（当前缺失）进一步验证。
3. **极端气候影响**：未考虑近年来以色列干旱化趋势对土壤元素分布的潜在干扰。

未来研究建议：
- 引入拉曼光谱技术检测矿物相变化
- 开发基于机器学习的元素分布预测模型
- 扩展DNA分析至宿主植物遗存（当前仅检测微生物DNA）

该研究为地中海气候区 tells遗址的层积解析提供了标准化技术路径，其建立的P-Ca-K元素三联征诊断法（高P+低Ca+高K=焚毁层；高P+高Ca+中K= occupation层；低P+高Ca+低K=自然沉积层）已在周边遗址验证，准确率超过85%。这些发现不仅修正了传统层序划分，更为古环境重建提供了新的生物地球化学指标。