锶同位素在自然科学中的应用综述

锶同位素在自然科学技术中的应用综述

姚娟娟近年来，随着自然科学技术在考古学中的广泛应用，同位素分析方法作为其中之一，越来越得到考古学家的重视，并在考古遗址的分析研究中得以运用，取得较为显著的成果。此外锶同位素在考古学、地层学、沉积学、古气候、石油地质学和矿床学等领域中都有着广阔的应用前景。

本文就锶同位素分析法在考古学、地层学、古季风研究方面的应用进行一些简单介绍。

一、锶同位素在考古学中的应用。

在考古学的新领域里，考古学家们广泛地运用同位素分析方法，获取了大量史前人类的信息。例如通过对骨骼中13C 和15N同位素的研究可以了解人们食物中C3、C4植物及海洋和陆生食物所占的比例；通过对骨骼中=5 L 30 比值的研究可以了解人们在食物链中所处的营养等级，并据此来探究古人类的食谱。Ericsion1985年首先提出了利用锶同位素来了解人们的迁移情况，近年来随着考古学家的尝试和分析技术的提高，已经成为一种比较成熟的考古学方法。在一些研究中已经取得了一些非常好的结果，比较成功地解决了一些考古学难题。

锶同位素示踪技术在考古学中的运用已经越来越受到人们的关注。首先是对考古遗址中骨骼内锶同位素的测量已经成为研究史前人类迁移状况的一个有效方法。研究的材料主要是人骨和牙齿。

在理想的情况下，迁移人口的牙釉质的锶同位素值应当与当地人的骨骼和牙釉质中的值完全不同，然而这种区别并不总是明显的。在这些研究中经常发现骨骼和牙釉质的同位素比值是一个范围。所测定的骨骼组织的值中那些特别高或者低的值很明显的是外来的个体，但是没有一个客观的标准来区别那些与当地值的范围接近的个体。进行研究的工作者建议用来区分当地和外来人口的置信界限应当用生物利用锶同位素比值的平均值（由动物样品确定）±2倍的标准偏差。虽然有时标准的选择是有些主观的，但按照习惯用这个来辨别史前人口迁移情况已经成为一个相对客观的标准。

在欧洲史前史中，线纹陶文化的年代大约为公元前5700 年－公元前5000年，传统上被认为是中欧新石器的最初阶段，其源头是匈牙利平原的斯达克沃—克洛斯文化，后来扩展到其他地区，因此长期以来被当作史前时期人类迁移的经典例子。T.D.Price等人选取了莱茵河上游地区属于线纹陶文化的两处墓地进行锶同位素的研究，一处叫做福勒姆波恩一处叫做斯沃辛根。经研究确认，福勒波恩的11个个体中有7个是迁移来的，占总数的64%；斯沃辛根的21个个体中有7个是迁移来的，占总数的33%。研究结果表明两处墓地中的个体存在较高的迁移率，说明线纹陶文化中的农民有着高的迁移率并且与周围其他区域的农民有着交流。从中我们可以看出，一般情况下，用锶同位素来确定人类的迁移问题是一个直接而又有说服力的方法。牙釉质中的锶同位素反映人的出生地，骨骼中的反映出人的死亡地。同一个体的两者间存在差异，表明这个人在一生中曾经迁移过，并且由此还可能解决人类的

迁徙与传播、不同人类群体间的关系等问题。

其次为对人类食谱的研究成果。锶、钡主要存在于人体骨骼无机物羟磷灰石中。在动物体内锶和钡的大部分都分布在骨骼的无机物中,在肌肉组织内几乎没有。食草动物和食肉动物的锶和钡的获取量不同。但是前人在微量元素分析中发现烧骨和非烧骨的微量元素含量有明显差异,其中烧骨的锶和钡与动物活着的时候相比没有明显的变化。

微量元素食性分析是以骨骼中无机成分作为研究对象的。用蒸馏水和丙酮,借助超声波洗净样品表面附着的土等遗物,待冷冻干燥后,将样品表面削掉1mm,再把呈明显深褐色的部位全部去掉。剩下的样品用玛瑙研锛研细(土壤样品直接用玛瑙研锛研细)。将骨骼粉末样品进行干燥后,称出100mg,和2ml硝酸(HNO3 )一起放入聚四氟乙烯容器内,在不锈钢加压分解容器中加热到所有的酸蒸发完为止,然后加入100μg的浓硝酸和蒸馏水定容到10ml,制成稀释约100倍的溶液。然后在等离子质谱仪上测定微量元素。

经过几十年的研究人们发现,可以作为人类食物指标的依据是,当食物被吸收时,食物中的钙得到吸收,而对锶的吸收就差得多,钡的吸收明显的就更差,这可能是与从钙到锶再到钡,其离子半径逐渐变大有关,从而导致了在人体消化道上的吸收作用逐渐降低。这样当沿着食物链营养级的升高,Sr／Ca 以及B a／Ca的值就会越来越小。在生物体内消化吸收过程中锶和钡的这种吸收逐渐降低的特征称为钙的纯化,是由于在消化道中钙首先被吸收,因而影响了锶和钡的吸收。这种生物特征已经得到证明。如Comar 和Bronner 等人以及后来的Schroeder ,Tipton ,Nason 等在陆相哺乳动物的消化道中验证了这种微量元素钡吸收的差别。Elias ,Hirao ,Patterson等在High Sierras的亚高山带生态系统中的天然食物网中验证了锶和钡的这种被纯化作用。有人总结出,钙、锶和钡被吸收的比例为10 :5 :1[14 ] 。随营养级的升高, Sr／Ca 减小,而B a／Ca就会减低得更小[13 ] 。

目前,我国对于古代人骨中化学元素的研究尚处于积累阶段,缺乏足够的参照标准,而关于青铜时代人骨化学元素的研究目前仅见新疆罗布淖尔古墓沟墓地及甘肃酒泉干骨崖墓地出土人骨化学元素的报道,其中干骨崖居民的食谱是以植物类食物为主,肉食类为辅,而罗布淖尔古墓沟居民食谱中则以动物类食物为主,植物类食物为辅。我们试通过与这两类不同食谱居民人骨化学元素的对比来分析察吾呼沟口古代居民的饮食结构。

与食物结构相关元素的比较图

Sr

(μgPg) Ba

(μgPg)

Zn

(μgPg)

干骨崖827.05 79.89 111.35

察吾呼沟口552.14 17.35 174.29

罗布淖尔317.90 7.367 204.22

锶在人体内总量的99 %都存在于骨骼中,骨骼中锶的含量又随着食物中植物类和动物类

成分的摄入比例不同而不断发生变化。由于古代人骨中锶的含量不易受到土壤污染的干扰,所以锶常被用来区分食谱中植物类食物和动物类食物的相对比例。与锶一样,人体中的钡大部分也都沉积在骨骼中,研究表明:钡的含量在指示化学元素时比锶更灵敏,因此也被认为是一种较为理想的食谱指示剂。一般认为由植物类食物构成的食谱与动物类食物构成的食谱相比,锶和钡的含量要高。锌的含量也与食物结构有较密切的关系,由于锌的含量与蛋白类食物的摄入有明显的关联,因此也被用来判断蛋白类食物的摄入情况,研究表明:肉食动物骨骼中锌的含量远远高于草食动物骨骼中的锌含量。

由表可以看出,综合锶、钡、锌三种指示性元素,察吾呼沟口古代居民骨骼中三种化学元素的含量大体界于干骨崖古代居民与罗布淖尔古代居民之间。与干骨崖古代居民相比,察吾呼沟口古代居民骨骼中锶和钡的含量明显较低,而锌的含量则明显较高,说明察吾呼沟口古代居民食谱中植物类食物所占比重相对较少,当时人们的食物结构中以肉类食物为主。与罗布淖尔古代居民相比,察吾呼沟口古代居民骨骼中的锶、钡含量相对较高,而锌的含量却相对要低,说明察吾呼沟口古代居民食谱中植物类食物所占比重要高于罗布淖尔古代居民,而肉类食物的摄入却相对要少。可能察吾呼沟口古代居民开发了更多的植物类食物来源或者农业的规模比罗布淖尔古代居民要大,否则,仅靠自然界的采集是很难达到如此大的差距。从考古发掘的遗物来看,察吾呼沟口四号墓地存在普遍的殉马、殉羊习俗,随葬品中有大量与畜牧生活有关的铜马具、弓箭、毛毡制品,反映了畜牧业在当时的经济生活中占有主体地位。通过对出土陶器残留物的鉴定,发现为人工栽培的小麦、大麦、谷子的淀粉粒,表明察吾呼沟口古代居民已经开始种植小麦、大麦等谷类植物。体质人类学角度的研究表明:居民中龋齿现象十分普遍,这些现象间接反映了察吾呼沟口古代居民具有一定规模的农业,稳定的农业经济的存在使察吾呼沟口古代居民食谱中植物类食物比重增加,而肉食类食物相对减少。总之,察吾呼沟口古代居民仍以食用牛羊肉和奶制品为主,但小麦、大麦等谷类的种植,增加了对植物类食物的选择,丰富了人们的食谱。

从以上事例可看到锶同位素分析法的作用不容小觑，但也并不能独当一面，必须结合其他同位素，考古遗存等方面材料才能获得更为接近当时实况的信息。

90 年代初期,北京大学人口研究所郑晓瑛应用电感耦合等离子体源发射光谱法对于甘肃酒泉干骨崖四坝文化遗址出土16 例男性和10 例女性的人骨股骨中的22 种元素进行了分析。其中干骨崖前期(9 例) 人骨S r／Ca 的比值(0.26) 低于后期(14 例) 的比值(0.38) ,但均高于现代人(12 例) 的比值(0.23) ,又均低于美洲印地安Woodland 中期(2 例) 的比值(0.97) 。并将分析结果与人的年龄、性别做了比较。发现食物相关元素与所分析的人的年龄相关性大,而与性别的相关性很小。得到的结论是干骨崖墓地的居民以植物类食物为主,肉食类为辅。这是较早的古代人骨微量元素分析的应用。

另一方面是关于具体的背景资料的研究,这方面的进展也比较明显。从其研究结果来看,叶类植物中S r／Ca 的比例,同一种植物在不同的环境中,其值是有差别的,如在泥土和在营养