基于古灰泥矿物组成与结晶特性的墨西哥“El Cerrito”金字塔建造分期研究

研究人员针对墨西哥“El Cerrito”金字塔建造分期问题，通过IR、ICP-OES、SEM和XRD-Rietveld等技术分析灰泥样本的矿物组成（CaCO3、CaC2O4等）、元素分布及晶体结构，首次提出基于碳酸钙结晶尺寸的碳化时间模型，揭示金字塔存在三个建造阶段（样本5最古老，样本1/3最新），并发现棉纤维增强技术。该研究为考古遗址年代判定提供了创新性材料科学方法。

　　

在墨西哥中部克雷塔罗山谷，矗立着一座被当地人称为“El Cerrito”（意为“小山丘”）的神秘金字塔。这座始建于公元900-1200年托尔特克-奇奇梅克文化时期的建筑，曾因长期被植被覆盖而隐匿于历史长河。考古学家发现，这座金字塔不仅是区域宗教中心，其建筑技术更蕴含古代中美洲文明的智慧结晶。然而，由于缺乏文字记载，如何准确判定其建造时序成为困扰学界多年的难题。传统考古学方法如地层学和放射性碳测年，在面对相同时期、相似材料的建筑结构时往往力不从心。

墨西哥克雷塔罗国家人类学与历史研究所的研究团队独辟蹊径，从建筑材料科学角度切入，选取金字塔五个关键区域的灰泥样本（样本1来自“雕塑广场”地面，样本5取自金字塔东北阶梯），通过多尺度表征技术揭示了建造秘密。研究发现，古代工匠将氢氧化钙（Ca(OH)₂）灰泥暴露于空气中，通过与二氧化碳反应生成碳酸钙（CaCO₃，方解石）实现硬化——这一被称为“石灰循环”的化学反应，其碳化程度与时间呈正相关。团队创新性地提出：方解石微晶尺寸可作为“分子时钟”，为考古遗址分期提供新标尺。

研究采用四大关键技术：红外光谱（IR）鉴定矿物官能团，电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析元素组成，扫描电镜（SEM）观察微观形貌及纤维分布，X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修定量测定方解石结晶尺寸。所有样本均来自同一考古遗址的不同功能区域，经严格清洗、干燥和研磨处理后进行对比分析。

振动分析揭示复合矿物特征
红外光谱在1796 cm^-1（方解石C=O振动）和1641 cm^-1（草酸钙特征峰）处发现关键吸收带，证实灰泥中同时存在无机碳酸盐和生物成因矿物。样本5在848 cm^-1处出现¹³C同位素位移峰，暗示其经历更长时间的环境暴露。

元素指纹指向多元原料来源
ICP-OES数据显示，样本5的铝含量（14,758 mg/kg）显著高于其他样本，暗示建造中期可能启用新采石场。而样本1富含硫元素（502 mg/kg），与附近海湾地区石膏矿脉的地质特征吻合。

显微结构展现古代“复合材料”
SEM图像清晰显示棉纤维（直径5-10 μm）均匀分布于灰泥基质，这种生物增强技术有效抑制裂纹扩展。有趣的是，部分纤维表面附着疑似龙舌兰酒（pulque）发酵菌的微生物化石，或与宗教仪式相关。

晶体时钟解码建造时序
XRD-Rietveld精修显示，方解石结晶尺寸呈现三阶段分布：样本5最大（645±15.5 nm），对应最早建造期（约公元900年）；样本2/4居中（430-470 nm）；样本1/3最小（145-175 nm），属最后阶段（近公元1200年）。研究首次建立晶体尺寸-时间模型，揭示水分子渗入方解石晶格引发缓慢膨胀的机制（图5b）。

这项发表于《Journal of Archaeological Science: Reports》的研究，通过材料科学手段破解了考古学难题。其核心突破在于：发现碳酸钙结晶尺寸与碳化时间的定量关系，将传统考古年代学精度提升至纳米尺度。更值得关注的是，研究揭示了古代中美洲文明的“材料智慧”——通过掺入棉纤维和仙人掌汁改善灰泥力学性能，这种生态复合材料理念对现代可持续建材开发具有启示意义。考古学家Daniel Valencia-Cruz指出，该技术可推广至玛雅、特奥蒂瓦坎等遗址研究，为理解中美洲文明交流提供新证据链。

研究同时留下待解谜题：为何晚期建造中草酸钙含量降低？是工艺改良还是环境变化所致？这为后续研究指明方向。正如作者强调，跨学科融合正重塑考古学研究范式——当纳米晶体遇见千年金字塔，材料科学与人文历史的碰撞总能迸发惊艳火花。