锐器造成的创伤与砍伤痕迹的识别偏差：关于骨骼形态、皮质厚度及轴材料影响的实验证据

《International Journal of Osteoarchaeology》：Sharp Force Trauma and Chop Mark Identification Bias: Experimental Evidence on the Effects of Bone Morphology, Cortical Thickness, and Ax Material

本研究通过实验分析不同材质斧头（石、铜、青铜、铁、现代钢）对猪股骨和羊颈椎的切割效果，发现SFT（锐力创伤）的形成与骨形态、皮质厚度及工具材料密切相关。脊椎骨因受压更易产生SFT且深度更深，而股骨因弯曲应力常缺乏SFT。铁和钢斧产生SFT频率及深度显著高于铜和石斧。结论指出传统依赖SFT识别劈砍存在材料与力学偏差，可能掩盖石斧和铜斧的但cher行为，需改进鉴定方法。

　　
该研究聚焦于考古学中屠宰痕迹的识别标准，特别是锐器力创伤（SFT）作为核心判别依据的可靠性问题。通过系统实验，揭示了SFT的形成受多重因素影响，挑战了传统识别方法，为深化工具类型与屠宰行为研究提供了新视角。

### 核心研究背景与问题
考古学中识别屠宰行为主要依赖SFT（即形成平面切割面的创伤）和V形刻痕。但传统标准建立在实验室早期实验基础上，这些研究多使用完整骨骼、标准化工具及理想化条件。随着技术发展，学者逐渐发现屠宰痕迹的形态具有显著变异性。例如，柔性工具或薄皮质骨骼可能导致SFT缺失，而刚性工具可能引发更深的切割痕迹。然而，现有标准仍以SFT是否存在作为主要判别依据，这种单一化标准可能掩盖不同工具材质、骨骼结构及冲击角度带来的形态差异。

### 实验设计与关键变量
研究团队通过精准控制变量构建实验体系，其核心突破体现在三个方面：
1. **工具材质多样性**：选用石斧（磨制）、铜斧（纯铜）、青铜斧（90%铜+5.5%锡）、铁斧（手工锻打）及现代钢斧，覆盖新石器时代至铁器时代的典型工具材质。
2. **骨骼类型对比**：以猪股骨（长骨）和羊椎骨（脊椎骨）为测试对象，前者多呈现弯曲断裂模式，后者易形成压缩型骨折。
3. **标准化冲击条件**：使用Instron落锤系统，精确控制冲击能量（30焦耳）、方向（90°垂直冲击）及工具与骨骼接触面，确保实验结果可重复。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 骨形态与应力传递机制
- **脊椎骨**：因横向截面面积大、内部为松质骨，受冲击时产生明显的压缩形变。平面切割面（SFT）出现频率达78%（铁斧）至92%（钢斧），深度与皮质厚度呈正相关（每增加1mm厚度，SFT深度平均提升0.19mm）。
- **股骨**：长骨结构导致冲击力沿骨轴传递时形成弯曲应力，SFT出现率显著降低（铁斧仅42%，钢斧56%）。即使产生SFT，其深度较脊椎骨平均减少40%。

#### 2. 工具材质与切割效能
- **铁/钢斧**：由于高硬度（维氏硬度达500HV以上）和锐利刃口（锋利度达0.1mm级），冲击时能持续切割皮质骨，形成深度达19.5mm的SFT。但值得注意的是，铁斧在股骨测试中SFT缺失率高达38%，显示工具效能受骨骼力学限制。
- **铜斧**：材质较软（硬度约200HV），刃口易变形，导致SFT缺失率高达67%。即使产生切割面（如第1-3次冲击），平面宽度仅为0.5-1.2mm，远低于铁斧的3-7mm。
- **石斧**：虽能产生SFT（出现率28%），但刃口崩解速度极快，连续3次冲击后SFT完整度下降82%，显示其在重复使用中的局限性。

#### 3. 皮质厚度与损伤阈值
研究揭示皮质厚度是SFT形成的双刃剑。虽然厚度增加会提升骨骼抗冲击强度（每增加1mm厚度，骨折概率降低12%），但过度增厚（>5mm）反而导致应力集中，SFT深度提升23%。这种非线性关系提示需建立分元素级损伤阈值模型。

### 方法论创新与局限
#### 创新点
- **混合断裂模型**：突破传统二分类（SFT/非SFT）思维，采用Hurdle-Lognormal联合模型，先判断骨折是否伴随切割（二元决策），再评估切割深度（连续变量）。
- **多因素交互分析**：通过Bayesian框架处理工具材质（铁/钢/铜/石）、骨骼类型（脊椎/股骨）和皮质厚度（1.1-4.7mm）的三维交互作用，发现铁斧在薄皮质脊椎（<2mm）中SFT缺失率达61%，而钢斧仍保持89%的出现率。
- **实验标准化**：首次建立包含工具回弹率（>85%）、冲击角偏差（±1°）、骨位固定度（误差<0.5mm）的标准化测试协议。

#### 局限性
- **样本范围限制**：仅测试猪（脊椎厚度1.2-2.6mm）和羊（1.3-2.4mm），未涵盖大型动物（如野牛皮质厚度可达8mm）。
- **冲击序列单一**：采用单次冲击模式，无法模拟考古现场连续劈砍（单次冲击能量30J，相当于体重60kg成人挥斧击骨）。
- **材质代表性**：铜斧采用纯铜材质（实际考古材料多含硫化物杂质），铁斧未考虑热处理工艺差异。

### 理论贡献与实践意义
#### 理论突破
- **双模态断裂理论**：提出骨骼受冲击时存在两种断裂模式——压缩断裂（SFT形成）和弯曲断裂（SFT缺失）。脊椎因高抗压强度（平均3.2MPa）更易形成压缩断裂，而股骨的弯曲刚度（0.8-1.2MPa）导致应力转移。
- **工具效能矩阵**：建立材质-骨骼匹配模型，显示铁斧对薄皮质脊椎（<2mm）的SFT产生率为72%，但对厚皮质股骨（>4mm）效能下降至41%，而钢斧在所有测试中保持85%以上的SFT形成率。

#### 实践指导
- **考古遗址分析**：建议对脊椎骨集中出土遗址优先考虑铁/钢斧证据，股骨遗址则需结合弯曲断裂模式判断工具类型。
- **痕迹修正标准**：制定SFT缺失的替代指标，如边缘破碎度（E=0.32）、打击坑密度（DP=1.7/cm2）等，使屠宰痕迹识别准确率提升至89%。
- **跨时代比较**：发现青铜斧（SFT形成率61%）与铁斧（82%）存在显著代际差异，为技术断代提供新依据。

### 未来研究方向
1. **多元素联合测试**：将股骨、椎骨、肩胛骨组合测试，建立三维断裂模型。
2. **动态冲击序列**：模拟考古现场连续劈砍（建议设计20次递减冲击实验）。
3. **材料老化模拟**：测试含硫化铜（真实考古铜斧材质）和风化铁（如汉代铁斧）的切割效能差异。
4. **跨学科验证**：结合显微CT（分辨率2μm）和拉曼光谱（检测刃口成分）进行微观分析。

该研究通过严谨的实验设计，揭示了传统SFT判别标准在工具材质、骨骼类型、冲击模式等多维度中的局限性。其提出的双模态断裂理论和工具效能矩阵，为考古遗址的工具类型学鉴定提供了全新方法论框架，对纠正过往研究中的材质误判（如将铜斧痕迹误判为石斧）具有重要纠偏价值。未来研究需在实验参数和样本多样性上进一步拓展，以完善屠宰痕迹识别体系。