基于模型的查科峡谷及其邻近古代普韦布洛人居住区的天然氡暴露评估

《Journal of Environmental Radioactivity》：Model-based assessment of geogenic radon exposure in Chaco Canyon and adjacent Ancestral Puebloan residential settings

　　

地质氡被建模为查科峡谷的一个暴露途径。与地面直接接触的房间可能产生较高的氡子体暴露量。该模型将氡的进入、子体暴露、生存与死亡率联系起来。风险在长寿命、高入住率房间中的居民中最高。前现代时期的生存条件限制了人口规模的负担。

引言

天然存在的氡-222及其短寿命α发射子体是封闭的、与地面接触的环境中的重要环境放射性来源，其中包括美国新墨西哥州查科峡谷所记录的半地下空间和地面接触空间（图1）。查科文化的宏伟考古遗迹——以普韦布洛·博尼托及其他主要大型住宅为冠——连同周边较为简陋的住宅建筑群，见证了祖先普韦布洛人的成就与精妙（Bustard, 1999; Crown, 2018; Mahoney and Kantner, 2000）。祖先普韦布洛社区约从公元850年至1150年间在此繁盛。此后，查科峡谷及查科区域系统（CRS）内的聚落经历了相对快速的衰落（Judge, 1989; Lekson, 1984; Lekson and Cameron, 1995; Matteson, 2018; Sebastian, 1992; Vivian, 1990），查科峡谷遗址最终在公元1300年被废弃（Kohler et al., 2025）。

经过一个多世纪的密集考古研究（Mills, 2002），人们对查科社会的社会组织、区域影响和建筑复杂性的理解取得了实质性进展。考古学家也试图解释这一美国西南部杰出中心地的衰落与最终人口流失。现有的解释通常强调气候、水文、农业生产力、资源耗竭、迁移、暴力、贸易和社会重组作为相互交织的因素，共同促成了查科社会的崩溃或重组（Benson et al., 2019; Berger, 2009; Lekson, 2016; Lekson and Cameron, 1995; Plog, 2015; Van Dyke et al., 2016; Wills et al., 2024）。重要的是，现代学术界通常已拒绝单一原因的解释。

传统上以公元1150年左右为中心、到约公元1300年完成的博尼托期人口流失，仍是北美考古学中最具争议的人口变迁之一。主流解释现已汇聚于多因素框架，涉及公元1130–1180年的特大干旱（Cook et al., 2010; Salzer and Kipfmueller, 2005; Williams et al., 2020）、边缘峡谷环境中的生存与农业压力（Benson et al., 2019; Vivian, 1990）、社会政治重组（Lekson and Cameron, 1995; Plog and Heitman, 2010）、间歇性暴力（LeBlanc, 1999; Turner and Turner, 1999），以及更广泛的普韦布洛世界的重组与延续性（Lekson and Cameron, 1995; Pinotti et al., 2025）。Wills等人（2014）进一步认为，没有任何一种单一的文化或自然原因能够充分解释已记录的人口流失，这为其他贡献因素留下了空间。这凸显了关于查科社会的演变、韧性和最终衰落的重大不确定性仍然存在。

最具挑战性的未解决问题之一是人口规模。关于公元850年至1150年间查科峡谷人口的已发表估计存在很大差异（例如Mills, 2004; Price et al., 2017; Kohler et al., 2025），这仍是北美考古学中最未解决的人口变迁之一。博尼托期高峰期峡谷本身的人口估计在2000至6000人之间，而更广泛的查科区域系统可能支撑着比这大一到两个数量级的人口（Windes et al., 1984; Lekson et al., 1988; Benson et al., 2019; Kohler et al., 2025）。这一人口不确定性对于评估任何已提出的压力因素——包括环境或地质危害——仍然至关重要。

从更宏观的角度来看，现在适时提出一个问题：是否还有额外的环境或地质机制可能加剧了已处于压力之下的查科人口的累积负担。一种潜在机制源于查科峡谷的地质和地层背景（图2；详细的地层图见附录中的图A.1）。

查科峡谷的大型住宅，包括普韦布洛·博尼托、切特罗·凯特尔、普韦布洛·德尔·阿罗约、普韦布洛·阿尔托、卡萨·林科纳达等，是在早期以分散单间地穴为特征的花篮制造者III期聚落之后发展起来的（Bustard, 1999）。这些查科建筑坐落在查科峡谷的冲积平原上，位于晚白垩世崖屋砂岩（Crown, 2018）悬崖之下，这是一种沉积于西部内陆海道边缘的浅海砂岩（Bauer, 1916; Fassett, 1991; Hart et al., 2001）。下方及附近的梅内菲组包括沉积于沿海平原和沼泽环境的粉砂岩、泥岩、砂岩、碳质页岩和薄煤层（Brister and Price, 2002; Hall, 1977; Hart et al., 2001）。该组以铀富集而闻名（McLemore, 2007; McLemore, 1983; McLemore and Hawley, 1988; Ridgley et al., 1978）。据报道，某些煤层含有局部高达1.34 wt%的铀浓度（Cannon and Starrett, 1956; McLemore et al., 2013; McLemore and Hawley, 1988; Chenoweth, 1989; Vine et al., 1953）。碳质页岩和煤还可提供还原环境，有利于铀在氧化还原锋面处富集（Chenoweth, 1989; Finch et al., 1989; McLemore et al., 2013; McLemore and Hawley, 1988）。

铀衰变系列产生氡-222，一种半衰期为3.82天的不稳定放射性气体。222Rn是铀-238（23?U）系列中镭-226（22?Ra）的直接α衰变子体。由于它是惰性气体，氡可以迁移通过孔隙空间、裂隙和土壤气体通道，并进入封闭建筑物。重要的是，多孔、富含有机物、含裂隙的页岩和褐煤床中ppm级的铀即使宿主材料并非矿石级别，也能向覆层空气中输送大量氡。氡的可用性不仅取决于整体铀浓度，还取决于析出效率、孔隙率、渗透率、水分和通风（Silber et al., 2026; Nazaroff, 1992; Otton, 1992; Schumann and Gundersen, 1996; Sakoda et al., 2011）。

当室内浓缩时，222Rn及其短寿命α发射衰变产物构成严重健康危害。氡被归类为I组人类致癌物（El Ghissassi et al., 2009; IARC, 2012），被广泛认为是仅次于吸烟的第二大肺癌病因（Riudavets et al., 2022; Sheen et al., 2016; WHO, 2009）。主要健康风险来自短寿命氡子体（21?Po, 21?Pb, 21?Bi, 21?Po）。这些子体附着于室内气溶胶，沉积在支气管上皮上，提供局部α粒子剂量，足以诱导DNA损伤和体细胞突变，从而引发癌变（ICRP, 1994; National Research Council, 1999; Robertson et al., 2013）。

从历史上看，这一问题对于地穴型花篮制造者时期及过渡性地面接触建筑尤其相关，例如在博尼托期祖先普韦布洛建筑中使用的那些。查科建筑将宏伟的地面石砌房间块与持续且文化上居核心地位的半地下空间谱系相结合，包括圆形仪式室（kivas）、地穴结构、部分地面接触储藏室和下层封闭房间。查科峡谷中许多灰泥和石质住宅建筑，除了宏伟的大型住宅建筑群外，也是直接与地面接触建造的。这些空间的设计可能将土壤气体氡与居住室内空气机械耦合。室内壁炉，特别是在寒冷时期，可能通过产生压力差驱动平流土壤气体进入而进一步增强这种耦合。多尘的室内环境不一定会增加氡气浓度，但可能通过促进子体附着于气溶胶并相对于更清洁的现代居住空气增加平衡因子，从而提高可吸入氡子体负担。

这些建筑的共同特征是低空气交换，以及室内空气与下方土壤或岩柱之间的直接或间接接触。类似的在地面和半地下建筑在世界范围内普遍存在，研究记录了此类环境中的室内222Rn浓度偏高（Piedecausa and Chinchón, 2015; K?ksal et al., 2004）。

从原则上讲，室内氡通常通过压力驱动的平流流动进入居住空间，通过裂缝、接缝、地面通道和多孔开口。平流可比扩散高一到两个数量级（Nazaroff and Nero, 1988; Schumann and Owen, 1988; Nazaroff, 1992）。在稳态下，室内浓度由进入速率与空气交换速率之间的平衡控制。在一间具有中央壁炉和有限通风的前现代查科峡谷型房间中，地面层的烟囱效应降压可通过任何开放通道驱动土壤气体进入。现代建筑研究在当代环境中展示了相同的物理原理，增强的气密性和节能措施可通过减少通风和增加室内蓄积来提高室内氡。例如，双层玻璃、阁楼隔热和墙体隔热已被发现与现代住房环境中室内氡升高相关（Symonds et al., 2019），新型节能公寓建筑可能表现出比传统建筑系统性更高的室内氡（Bossew et al., 2020）。

对于查科住宅和仪式建筑的一个进一步问题是气溶胶负荷。氡子体附着于气溶胶，在烟尘、多尘、低通风室内环境中的平衡因子可能与现代居住假设存在显著差异。这一过程在氡子体剂量学和气溶胶研究中已得到充分确立（Hopke et al., 1990; Porstend?rfer, 1994; Porstend?rfer, 2001; Vargas et al., 2000）。在查科，壁炉烟雾、矿物粉尘、泥土地面和地面睡眠可能合理地增加了有效氡子体暴露。

尽管这些因素相互印证，但居住在地面接触建筑中的古代人口的慢性室内氡负担未受到系统性的定量关注。辐射流行病学、地质学、古肿瘤学和考古学 largely 并行发展。在祖先普韦布洛人类比地穴结构中报告的唯一的直接222Rn测量值——可追溯至约公元1120–1170年——为19.4–20.3 pCi/L，约为美国环境保护署行动水平的五倍，约为世界卫生组织（WHO）参考水平的七倍（Whitley and Boyer, 2018）。然而，该测量值尚未扩展为定量终生剂量模型，未与祖先普韦布洛人衰落的多元压力考古学整合，也尚未发展为一个更广泛的研究框架。

本文提出，在某些半地下和地面接触查科峡谷建筑环境中，慢性室内222Rn暴露可能构成了一个长期的健康压力因素，加剧了上述多因素方法中已记录的气候、生存、环境和社会政治压力。具体而言，我们使用定量和数值分析来检验以下假说——目前在文献中尚未经正式评估——即慢性且多代际的室内222Rn暴露可能有助于查科峡谷累积健康与人口脆弱性。我们并非提出氡是博尼托期衰落和人口流失的唯一或主要原因，也不假设普韦布洛·博尼托的每个房间或每座查科大型住宅都有过高的氡浓度。相反，我们发展一个可辩护的科学和定量框架，以评估一条此前受关注不足的慢性暴露途径的贡献和幅度，而非将其作为考古变迁的因果解释。为此，我们使用数值分析评估室内222Rn及其短寿命α发射子体是否可能构成了特大干旱之前和期间的慢性健康压力因素，有助于累积人口脆弱性。

分析聚焦于查科峡谷住宅聚落中的居民人口，包括普韦布洛·博尼托和其他大型住宅，以及附近10至12平方公里范围内的密集聚落群（Lekson, 1991; Lekson and Cameron, 1995）。查科峡谷被强调是因为它提供了最具可操作性的案例：一个研究充分的、具有宏伟建筑和半地下空间的人口中心、受约束的人口年代学序列以及相关的地质背景。将此分析扩展至更广泛的查科区域系统，包括Kohler等人（2025）界定的所有三个时期，可能进一步阐明该暴露途径的区域相关性。

因此，本研究的主要目的是在查科社会变迁的多因素解释中，定量评估该暴露途径的潜在幅度和人口时序。我们检验地质氡是否可能构成了一个合理的、此前受关注不足的慢性健康与人口压力因素，其作用于一个已经承受气候、生存和社会政治压力的群体。

分节摘要

初始考量

在此阐释性研究中，我们对查科峡谷地面接触和半地下微环境中慢性室内222Rn暴露进行数值建模，包括圆形仪式室、地穴结构、下层房间以及更广泛的大型住宅环境。主要目标是评估合理的氡暴露是否可能构成一个可检验的慢性健康与人口压力因素。低通风、壁炉加热、寒冷的荒漠夜晚、尘土、地面睡眠以及地面接触建造等所有因素均……

结果

下文使用的20–30 pCi/L室内浓度值被视为类比支持的暴露情景。20 pCi/L情景锚定于祖先普韦布洛人地穴结构类比的19.4–20.3 pCi/L测量值（Whitley and Boyer, 2018），而两个情景均独立地与上述室内氡质量平衡模型进行对照评估。

室内氡质量平衡模型使用上述源项和传输参数进行了评估。

对于基质讨论，基于已发表参数和文献支持的铀浓度（与区域地质环境相关，特别是查科峡谷下方及邻近的梅尼菲组），对质量平衡方程的稳态解表明，选定的查科微环境有可能产生慢性氡暴露，这些暴露对健康和人口学具有潜在影响。所规定的20–30 pCi/L情景相对于完整物理模型表面而言是刻意保守的。结论：本研究开发并应用了基于定量模型的评估方法，针对查科峡谷中此前研究不足的成因健康压力因素——慢性室内氡暴露进行了分析。本研究并不取代关于查科峡谷重组的既有考古学解释，也不将氡赋予单一或主要因果角色。研究提出的是：查科人可能的土接触和半地下微环境是否能够产生足够的氡衰变产物暴露，从而产生一……（原文在此处截断）。作者贡献声明：Reynold E. Silber：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查研究，形式分析，概念构思。Elizabeth A. Silber：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，调查研究，形式分析。Carman Melendrez：写作——审阅与编辑。Robert E. Silber：写作——审阅与编辑，可视化。资助声明：本研究未获得公共、商业或非营利部门资金机构的专项资助。利益冲突声明：作者声明不存在利益冲突。致谢：Reynold E. Silber 衷心感谢 Kyle Staggs 博士就本研究进行的学术交流讨论。Reynold E. Silber | Elizabeth A. Silber | Carman Melendrez | Robert E. Silber