基于矿物磁学测量的赭石源指纹识别新方法及其在考古溯源中的应用

为解决考古赭石溯源中传统方法对铁基颜料表征的局限性，研究人员创新性地应用矿物磁学测量技术（RT-SIRM、ZFC-FC和磁滞回线），通过低温实验解析赭石中铁氧化物（如赤铁矿α-Fe2 O3 和针铁矿α-FeOOH）的混合特征，成功建立了地质来源的磁性指纹图谱，为非破坏性考古材料分析提供了新范式。

　　

赭石作为人类历史上最早使用的天然颜料之一，其考古记录可追溯至25万年前。这种富含铁氧化物的矿物不仅用于岩画等象征性行为，还广泛参与仪式和医疗活动，是研究古代文化交流的关键媒介。然而，赭石材料的异质性和传统分析技术的局限性（如X射线衍射对低含量矿物的低灵敏度），使得其来源追溯成为考古学中的长期挑战。

针对这一问题，来自澳大利亚和肯尼亚的研究团队开发了一种创新的矿物磁学指纹识别方法。通过结合室温饱和等温剩磁（RT-SIRM）、零场冷却/场冷却（ZFC-FC）剩磁和磁滞回线测量，研究人员首次实现了对复杂赭石样品中铁氧化物混合物的高灵敏度检测和半定量分析。相关成果发表在《Journal of Archaeological Science》上，为考古材料的非破坏性溯源树立了新标准。

研究团队采用超导量子干涉仪（SQUID）磁强计，对来自澳大利亚（北领地、西澳和南澳）及肯尼亚裂谷的赭石样本进行系统分析。通过7T高场磁滞回线测量、10-300K变温RT-SIRM实验和5T场强下的ZFC-FC循环，结合合成标准样品（赤铁矿、针铁矿及其混合物）的校准曲线，建立了铁氧化物的磁性特征数据库。

低温铁氧化物标准品行为
研究发现合成赤铁矿在250K呈现明显的莫林转变（Morin transition），而针铁矿在低温下表现出更高的磁矩和可逆的RT-SIRM曲线。地质磁铁矿则通过120K的费维转变（Verwey transition）和低矫顽力（26.8mT）被明确识别。特别值得注意的是，铝替代针铁矿（Al-goethite）在280K出现斜率变化，其磁矩强度显著高于纯针铁矿。

天然赭石颜料的低温特性
通过ΔRT-SIRM（10K与300K磁矩差）建立的校准模型显示，考古样品中针铁矿占比普遍达90-99%。例如澳大利亚Overland Corner样品呈现典型的针铁矿磁滞回线（矫顽力39mT），而White Cockatoo样本则因"蜂腰型"磁滞回线和230K的莫林转变，揭示了赤铁矿与磁铁矿的共存。肯尼亚样品因独特的非可逆RT-SIRM曲线，暗示了磁赤铁矿（maghemite）的存在。

考古源样本分析
不同地质背景的赭石展现出鲜明的磁性特征：西澳Tom Price的条带状铁矿层（BIFs）样品中检测到铝替代针铁矿；而肯尼亚火山岩风化产物则表现出磁赤铁矿主导的信号。通过增强SIRM（加热至400K）技术，研究人员成功地在赤铁矿主导的样品中识别出微量针铁矿，突破了传统方法对混合矿物的检测极限。

这项研究开创性地将矿物磁学技术应用于考古赭石溯源，其核心价值体现在三个方面：首先，方法学上实现了对复杂铁氧化物混合物（尤其是针铁矿）的定性-半定量解析，灵敏度可达1ppm；其次，提出的多参数磁性指纹模型（结合RT-SIRM、ZFC-FC和磁滞回线）能有效区分不同地质来源，如澳大利亚BIFs与肯尼亚火山岩赭石的显著差异；最后，非破坏性和微量样本（5-50mg）需求的特点，使其特别适用于珍贵考古材料的分析。未来通过扩大样本库和引入FORC图谱等技术，将进一步增强该方法的溯源能力，为研究古代贸易路线和文化传播提供新的科学工具。