赭石来源异质性对赭石产地溯源的意义

《Journal of Archaeological Science》：Implications of ochre source heterogeneity for ochre provenance

　　

摘要：全球范围内的原住民澳大利亚人（Indigenous Australians）和第一民族（First Peoples）自数万年前至今一直使用赭石，其祖先的传统延续至今，并持续塑造着赭石在岩画、颜料处理物品和仪式用途中的现代应用。产地溯源研究是解答考古学中这一重要材料的赭石来源归属和文化交流问题的关键方法。赭石来源地（地质构造）本身具有复杂性，每个来源地都有其独特的地质和文化历史，可表征为独一无二的遗址“指纹”。然而，如果未充分解决随时间变化的遗址内变异（intra-site variation）相关因素，则关于赭石来源“指纹”表征、考古材料产地溯源和文化用途的进一步结论可能产生偏差，从而影响考古学解释。本研究通过对澳大利亚原住民文化沉积型赭石来源地Ma:ko的多指标分析，探讨了遗址内变异与赭石产地溯源之间关系的关键问题。研究结果揭示了遗址内变异、采样和季节性对赭石指纹的潜在影响，其中遗址内变异对地球化学和矿物学指纹的影响大于季节性。本研究还为全球赭石遗址提供了检查遗址内变异对产地溯源、考古学解释和随时间变化的来源使用的最佳实践方法。

**赭石来源异质性对赭石产地溯源的影响：基于澳大利亚Ma:ko遗址的多指标研究解读**

**1. 研究背景与问题**

赭石是人类表达中一种基础性材料，在考古学语境中广泛出现，用于岩画、颜料处理物品、研磨器等各类物质文化载体，并代表象征性行为。在澳大利亚，赭石的意义不仅限于考古学过去，原住民从远古至今持续使用，其来源地因在传统法律和习俗中的重要性而具有显著文化价值。赭石的耐久性及其作为考古材料进行产地溯源的能力，是连接考古材料与原始来源的关键因素。此前研究已确定赭石具有颜色、矿物组成、元素组成和微生物特征等固有特性，可基于遗址间变异（inter-site variability）进行来源归属。然而，尽管遗址内变异是赭石来源地的一个公认特征，特别是由于沉积型来源地受季节性降雨、温度、湿度及生物条件变化等影响而具有复杂成因和演化，但该变异很少被量化或定义，结论常基于每个遗址少量样本的数据，可能影响后续产地溯源解释。目前，量化遗址内变异的研究有限，且采样限制常由成本、时间、许可和遗址可达性等因素驱动。此外，既往赭石产地溯源研究主要代表单一“时间点”，未考虑随时间变化因物理、文化、地质和气候因素导致的遗址变化。为弥补这一不足，本研究旨在通过多指标分析方法，系统定量评估澳大利亚一个文化重要风化沉积型赭石来源地Ma:ko的遗址内变异，并探讨其与产地溯源的关系。

**2. 研究内容与意义**

研究人员对位于南澳大利亚东部墨累河畔的Overland Corner原住民赭石来源地Ma:ko开展了系统采样与分析。Ma:ko是一个风化沉积型赭石遗址，代表了澳大利亚乃至全球广泛存在的此类遗址类型。研究团队与RMMAC（River Murray and Mallee Aboriginal Corporation）传统所有者合作，在2019年9月至2021年11月期间，跨越六个季节（冬季、春季、秋季）采集了154个样本，覆盖三个洞穴（A、B、C）中的多个子位点，旨在量化遗址内空间变异和季节性效应。通过多模态分析（包括光学显微镜、X射线衍射（XRD）、可见光反射光谱学（colorimetry）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）），结合主成分分析（PCA）和机器学习方法，研究人员揭示了遗址内变异对地球化学和矿物学指纹的显著影响，并发现其影响程度大于季节性变化。该研究提出了一个最佳实践方法，用于评估遗址内变异对产地溯源、考古学解释和来源地随时间变化的用途，对全球赭石研究具有重要启示。论文发表在《Journal of Archaeological Science》。

**3. 主要关键技术方法**

本研究采用了多模态互补分析技术。主要方法包括：1）X射线衍射（XRD）鉴定矿物学组成；2）可见光反射光谱学定量颜色特征；3）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量主量、微量及稀土元素，样本消化采用四酸法（氢氟酸、硝酸、高氯酸、盐酸），标准参考物质包括OREAS683、OREAS901、AMIS0435、AMIS0559；4）数据处理采用log10转化、Fe（以Fe₂O₃计）归一化比值、Pearson相关性检验，以及主成分分析（PCA）和多种机器学习算法（AdaBoost、支持向量机SVM、k近邻kNN、神经网络）。样本来源为南澳大利亚Overland Corner的Ma:ko遗址，共采集154个样本，其中18个代表性样本用于所有分析技术。

**4. 研究结果**

**4.1. 遗址内变异：物理和化学性质**
研究通过视觉和显微镜观察发现，该遗址赭石与周围地质背景一致，以富铁、高度风化的剖面为主。颜色和矿物学变异无法仅凭主观视觉观察量化。大多数样本富含铁矿物的粒径在250 μm至1000 μm之间，在双目显微镜下难以识别，被鉴定为赤铁矿和针铁矿等富铁矿物。

**4.2. XRD分析**
XRD分析显示，整个遗址以石英为主要矿物相，并含有不同比例的针铁矿、赤铁矿，以及少量磁铁矿和磁赤铁矿。洞穴A和B以石英为主；洞穴C的右侧（C_right）以石英为主，而左侧（C_left）的样本（如OVR_c_3_919）石英绝对强度较低，但赤铁矿和针铁矿绝对强度较高，体现了铁富集起源。XRD作为定性方法，难以定量数米尺度内的矿物学变化，但能识别相对差异，如洞穴C内宏矿物多样性。

**4.3. 可见光反射光谱学（颜色分析）**
颜色分析表明，不同洞穴和洞穴内不同位置的光谱存在差异：洞穴上部样本反射率较高（颜色较浅），下部反射率较低（颜色较深），指示底部富铁矿物更多。反射光谱有助于识别矿物变异的梯度和方向，并支持XRD信息，表明半定量技术结合可全面评估遗址内变异。

**4.4. 地球化学分析**
ICP-MS分析显示，洞穴C（尤其是左侧C_left）具有最大的元素变异性，包括主量和微量元素范围最广，尽管其体积最小。洞穴C_left的样本（如OVR_c_2、OVR_c_3、OVR_c_10）驱动了这种变异性。洞穴C_right的样本富含Al、Ba、Cs、Cu、Ga、Hf、K、Mg、Nb、Pb、Rb、Sn、Ta、Ti、W、Zn及多数轻稀土元素（LREE）。洞穴C_left的Fe浓度较高（平均19.3 wt%），与XRD和显微镜观察一致。高场强元素（HFSE）如Nb、Ta、W、Zr和稀土元素（REE）作为保守示踪剂，其比值（Y/Nb vs Nb/Ta）显示洞穴A、B和C_right样本聚类，而C_left样本范围更广。洞穴C_right的Nb和Ta浓度最高，C_left的Y浓度最高，与富铁锰矿物相有关。

**4.5. 全元素PCA**
PCA显示，洞穴C_right与洞穴B的95%置信区间显著重叠，表明两者地球化学相似，仅凭少量样本可能无法准确归属。洞穴A地球化学独特，说明沉积型赭石来源地可能在整个遗址内具有异质性。

**4.6. 机器学习**
AdaBoost算法识别出最具有区分性的元素为高场强元素Nb、Zr、Ti、Ta、Hf和U，其中U是唯一与任何元素无强Pearson相关性的元素，并被用于区分洞穴A。该算法利用HFSE区分洞穴C左右两侧，为赭石地球化学数据分析提供了新方法。

**4.7. 主量元素、过渡元素和REE趋势及遗址内分析**
REE的PCA显示，洞穴C_left的变异主要由重稀土（HREE）驱动，而C_right由轻稀土（LREE）驱动，可能因LREE对Fe氢氧化物/氧化物有更高亲和力而保留，HREE被优先风化。洞穴B的REE置信区间与C_right几乎相同，表明REE环境相似，但过渡金属PCA显示洞穴B与C_left在负载上更接近，但变异性较小。

**4.8. 季节性**
基于XRD、颜色分析和地球化学分析，在六个采样季节中未发现可辨识的矿物学或颜色变化。地球化学插值图显示Mn元素浓度存在微弱趋势，可能反映降雨后的“冲刷效应”，但整体上无显著季节性变化证据。PCA中排除洞穴C后，洞穴A和B按采样时间分组也未显示季节性趋势。原因包括：遗址内变异性大于季节性变异、采样位置精确重现困难、新暴露赭石地球化学不同、采样时间跨度（2.5年）太短无法观察大于内在变异的变化。

**5. 讨论与结论**

**讨论总结**
研究结果强调了全面表征遗址内变异对于准确理解赭石来源归属的重要性。遗址内变异（尤其是洞穴C左右两侧的差异）若仅通过单一代表性样本，将无法被识别，可能导致误判。采样策略需整合地质和文化知识，并采用互补性表征分析。季节性因素在该研究时间尺度内未对地球化学指纹产生显著影响，表明Fe氧化物相对稳定，但需考虑更长时间尺度（如数十年）或极端事件的影响。机器学习方法有助于识别最具区分性的元素组合，提升产地溯源精度。

**结论部分翻译**
本研究证明了表征遗址内变异对于更完整地理解来自暴露沉积型赭石来源地的赭石来源和产地溯源的重要性，这类来源地是全球最常见的赭石遗址类型之一。本研究考察了随时间变化的风化和富集作用对赭石产地溯源以及遗址“指纹”识别的潜在影响。理解遗址内变异的最佳实践包括采用整合地质和文化知识的采样策略，以及互补性表征分析。通过充分理解随时间的赭石来源地内在遗址内变异，可以为全球复杂且自然变化的赭石遗址实现更准确的产地溯源判定。