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重绘火山喷发历史 贝叶斯方法画出更精准时间轴

  火山灰年代学可以帮助我们解决一些重要的科学问题,比如大型火山喷发事件与气候变化、人类演化之间的成因联系,以及气候快速变化事件的区域差异等。

  西班牙加纳利群岛拉帕尔马岛火山自9月19日爆发后,至今仍在持续活动。大规模的火山喷发会释放出大量火山气体和火山灰,可能对地球气候和人类活动造成严重影响。

  而对于科学家来说,火山灰是极佳的研究对象,是理解地球系统演化的关键信息。近日,中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越研究中心博士后陈宣谕,中国科学院院士徐义刚与英国学者合作,采用贝叶斯统计方法研究了两大火山灰的火山喷发年龄,在年轻火山喷发定年研究中取得新进展,相关研究发表于《第四纪地质年代学》。

  确定火山灰年龄意义重大

  火山灰是指火山爆炸性喷发形成的、直径小于2毫米的喷发碎屑。在爆炸性火山活动中,围岩和岩浆被炸碎成细小的颗粒从而形成火山灰。火山灰从火山口喷发到大气中,经过大气搬运再沉降到各类环境中,整个过程时间非常短,通常只有数年左右。从地质时间尺度来看,这几乎是瞬时的,所以在各种地质记录中,火山灰是一种高精度的绝对时间标志层。

  “火山灰年代学研究是利用地质记录中的火山灰层来确定地质年代的科学,研究内容涉及火山灰的化学成分、地层位置、空间分布,以及喷发年代等。”陈宣谕表示,火山灰年代学可以帮助我们解决一些重要的科学问题,比如大型火山喷发事件与气候变化、人类演化之间的成因联系,以及气候快速变化事件的区域差异等。

  值得一提的是,绝对时间是地球科学研究中的一个重要参数,只有得到各个地质事件发生的准确年代,才能判断相关事件的因果关系(比如火山喷发与气候变化)和了解地球完整的演化历史。

  火山灰年代学的核心原理之一,是不同地点发现的相同火山灰层具有一致的年龄,因此厘定火山灰标志层准确的喷发年龄十分关键,其可用于各类地质、古环境和考古学记录的定年。本次选取的研究对象为Ko-g和Ma-f~j火山灰,它们是日本北部重要的时间标志层,分别来自北海道驹岳和摩周火山全新世规模最大的普林尼式喷发。

  “尽管过去的研究对上述火山灰开展了大量的放射性碳(14C)测年工作,但不同研究的结果差异较大,关于火山灰的喷发年龄尚无一致认识。” 陈宣谕指出,过去的研究中还存在采样偏差、可能的样品污染以及14C年龄校正等问题,这些问题对单个14C测年结果影响较大。

  此次研究中,研究人员利用贝叶斯统计建模方法开展火山喷发年龄研究。经综合分析所有近源和远源年代学和地层学信息后,该研究为Ko-g火山灰提供了目前最准确且最精确的年龄估算,而为Ma-f~j火山灰提供了目前最准确的年龄估算,确证了上述两次大型喷发分别发生在距今约6600和7500年以前。

  火山灰定年方法总体有两大类

  对火山喷发时间的估算实际上是对喷发产物的定年研究。火山灰是火山爆炸性喷发的产物,对其开展定年大体上包括直接测年和间接测年两类方法。

  直接测年利用火山灰中的原生矿物或玻璃确定火山灰年龄,方法主要是放射性测年法,如氩—氩法、铀系法、释光法等。间接测年利用包裹火山灰或被火山灰包裹的外来物质间接地确定火山灰年龄,方法主要是放射性测年法和增量法。如对火山喷发碎屑中的碳化木或火山灰下部土壤中的有机质开展的14C测年就属于放射性测年法,而通过纹层年代学、冰芯年代学得到的火山灰年龄则属于增量法。

  “间接测年法还包括对含有火山灰的沉积层序开展年龄模拟,本次研究就属于这一范畴。”陈宣谕说。

  据介绍,本次研究利用英国牛津大学的OxCal软件建立阶段模型分析火山灰的近源14C年龄。样品依据其与火山灰层的相对地层关系,被纳入不同的沉积阶段,如喷发前、同喷发、喷发后阶段。阶段模型在校正样品年龄的过程中,同时考虑了样品地层位置给火山灰带来的年代学制约。陈宣谕告诉记者:“这与先前研究中,将采自火山灰之中和之下(紧邻地层中)样品的年龄均认为是喷发年龄相比更为准确。”

  由于Ko-g和Ma-f~j火山灰在远源湖泊中被识别,且相应湖泊沉积记录具有大量14C测年数据,这使得利用贝叶斯统计方法进一步分析所有近、远源信息成为可能。研究人员利用湖泊14C年代学和地层学数据,构建了正式的“沉积”模型,该模型利用泊松过程模拟湖泊沉积物形成过程。根据火山灰在沉积记录中的层位,沉积模型在相应位置交叉引用了上述两层火山灰的阶段模型,实现了同时分析与火山灰相关的所有可用的年代学和地层学信息。

  有助完善东亚全新世火山灰地层框架

  本次研究运用的年代学建模方法是基于贝叶斯分析的一种统计方法。

  “贝叶斯分析方法就是将关于未知参数的先验信息与样本信息综合,根据贝叶斯公式得出后验信息,再根据后验信息推断未知参数的方法。该方法的优势之一是在处理非常复杂问题时的高效性。”据陈宣谕介绍,对于东亚火山灰研究,过去对火山喷发年龄的估算通常基于单个14C测年结果,但由于采样偏差、可能的样品污染以及14C年龄校正等问题,单个样品测年结果的误差较大,不同研究得到的结果可以相差数千年的时间。

  “测年结果的误差主要与两方面因素有关。一方面是各类测年方法固有的误差,如仪器测定的误差,又如14C年龄校正过程中产生的误差,这类误差较难避免;另一方面,是采样过程中可能存在的偏差或样品污染等,这类误差属于样品处理过程中人为引入的误差,通常可以避免。”陈宣谕说。

  本次研究利用贝叶斯统计方法构建模型,综合分析了来自多个地点的、与火山灰相关的所有可用的年代学信息,同时还将地层学信息纳入模型。这类综合分析大量信息的方法,使得对火山喷发年龄估算的准确度有极大的提升。研究中,喷发年龄估算的精确度也较过去的研究有所提升。

  在国际火山学界,学者们已经意识到贝叶斯统计方法可以为估算火山喷发年龄提供准度和精度更高的结果,该方法也越来越多地被应用至火山灰年代学研究中。大型爆炸性火山喷发的产物,由于其分布广泛,常在不同记录中被发现和测年,因此文献中有很多这类火山灰的地层和年龄信息,而利用贝叶斯统计方法可以综合分析这些信息并对火山喷发年龄进行优化。

  “这一方法目前在欧美地区应用较多,但在亚洲地区应用很少。”陈宣谕表示,该项研究是利用贝叶斯统计方法优化火山灰年龄的一个范例,研究结果厘清了过去关于火山喷发年龄的争论,增强了相应火山灰作为定年工具的作用,为完善东亚全新世火山灰地层框架提供了关键信息。

  来源:科技日报

仰韶文化:孕育华夏文明核心基因

  仰韶文化的繁荣与扩张对于推动整个中国史前的文化、文明和人群的传播都起到了重要的作用。

  ——张海 北京大学考古文博学院教授

 

  仰韶文化,因最早发现在河南省渑池县仰韶村而得名。

  它是中国新石器时代黄河流域的一支重要考古学文化,在中国史前社会发展史上占有举足轻重的地位。

  而且,仰韶村遗址的发掘揭开了中国现代考古学的序幕。

  仰韶文化涉及我国多个省区,距今约5000年到7000年。它覆盖范围广,延续时间长。虽然时间久远,但我们仍能从考古学发现中,看见那个时代仰韶文化闪动的光芒。

  考古学家说,仰韶文化是中国文化的“主根主脉”。

  北京大学考古文博学院教授张海说,研究表明,仰韶文化之中孕育了诸多华夏文明的核心基因,仰韶文化在中原地区的发生、发展和繁荣壮大的过程也正是华夏民族从“农业起源”到“城市革命”的早期文明化进程。

  粟作农业模式,在仰韶文化中孕育发展

  通过考古我们已经知道,仰韶文化以粟作(或称为旱作)农业为基础。

  张海介绍,粟作农业的起源和发展过程并不简单。

  研究表明,自末次冰期以来的旧石器时代晚期至新石器时代早期,生活在我国北方地区的史前人类即已开始广泛利用禾本科植物,这就为粟黍的早期驯化奠定了基础。明确的植物考古证据表明,至少在距今8000年的北方地区普遍出现了栽培的粟黍。从栽培的作物品种来看,黍的比例最突出,粟次之,同时,当时的人类还大量采食栎果、酸枣等野生果实。家畜方面,在新石器时代早期的河北徐水南庄头遗址已经发现狗的驯化;家猪早期驯化的证据虽然有,但还不断受到学界的质疑。张海说,如此表明,处于早期驯化阶段的以黍为主的粟作农业经济并不成熟,这种情况在进入仰韶文化之后得到了很大的改观。

  有证据表明,大致在距今6000年前后,随着仰韶文化的兴起,粟作农业迅速发展成熟。主要表现就是粟的比例大大增加,黍的比例同步下降,与此同时,采集野生果实的数量也大大下降,而大豆的比例开始上升。尽管对仰韶文化时期的大豆是否已经被完全驯化还存在争议,但显然那时的人类已经开始普遍有意识地利用豆类资源。

  张海指出,中原地区有一些仰韶文化遗址还存在数量不多的水稻,表明随着稻作农业的北传,仰韶文化的成熟粟作农业经济体系中已经出现了混作的特征。

  伴随着仰韶文化成熟的粟、黍、豆、稻的作物品种组合模式,仰韶文化的家畜和动物资源利用模式也基本固定下来。仰韶人还普遍狩猎鹿等野生动物。“上述原始农业经济模式可以看做是成熟的粟作农业模式,它不仅是在仰韶文化中孕育发展起来的,同时也奠定了仰韶文化繁荣大发展的经济基础。”张海表示,粟作农业对中国北方地区的历史影响深远,直到汉代,粟仍然是黄河流域主要的粮食作物。

  有“大房子”,有公共生活

  说到仰韶人的社会生活,很多人都会提到一个词——“大房子”。

  对,你的理解没错,就是面积较大的房址。

  仰韶文化的“大房子”,分布范围甚广。河南灵宝西坡、陕西白水下河、山西离石德岗、甘肃秦安大地湾等都曾报道发现有面积超过200平方米的方形或五边形“大房子”。

  张海介绍,学界一般将仰韶文化时期看作是氏族社会的大发展阶段,并从对单个聚落形态和公共墓地的研究来论证仰韶文化的社会结构。

  有研究者根据民族志的记录认为仰韶文化的“大房子”并非一般的居住空间,而是社群的公共议事场所,是对整个社群重大事务进行集体商讨和决议的地方。

  “大房子”里发生过什么,也令人好奇。近年来,有研究者利用微体植物遗存的鉴定和分析,推测在仰韶文化的“大房子”里还可能发生了集体的宴饮行为。“由此可见,集体权力的行使是仰韶文化社会组织活动的一个重要特征。”张海说。

  河南省文物考古研究院研究员魏兴涛介绍了河南对灵宝成烟遗址的发掘情况。城烟遗址位于河南省灵宝市川口乡城烟村南,现存面积3万余平方米。2019年和2020年河南省文物考古研究院对其进行发掘。共发现各时期房址40多座,墓葬80座。此外,还发现石雕蚕茧形象、在瓮棺葬中发现可能存在的丝绸遗存等。

  仰韶早期房址以半地穴式为主,数座带有墙基的地面式房址面积较大,最大者面积约153平方米,周围带有回廊,是迄今发现最早的带回廊建筑。魏兴涛表示,在遗址中北部两条壕沟之间发现有两道平行的夯筑墙基,可能为早期城址的雏形。“这一切表明豫西晋西南地区在仰韶早期已有较高的文化和社会发展水平。”

  中国社会科学院考古研究所研究员李新伟指出,对仰韶文化庙底沟类型的核心地区——河南铸鼎原周围的系统聚落进行的调查显示,最大的北阳平遗址面积近100万平方米,次一级的中心性聚落西坡遗址面积40多万平方米,聚落呈现明显的等级化。西坡遗址核心部位的发掘和对整个遗址的系统钻探表明,遗址中心位置很可能存在一个广场,广场的四角都有大型半地穴房屋。西坡墓地的34座墓葬等级差别明显。“与其他地区相比,庙底沟社会‘质朴执中’、重视宗族和集体事务的发展道路,如黄土般厚重,积蓄了中国式文明型国家构建的重要底蕴。”李新伟说。

  彩陶文化,诉说某种信仰与精神

  仰韶文化,也被称为彩陶文化。

  在博物馆展示的仰韶彩陶上,你常能看到的图案,就是鸟和鱼。

  鱼,有典型的,有变体的,还有简洁版的。陕西省考古研究院副研究员马明志介绍,关于仰韶文化的内涵,学术界有明确的界定。以代表性的陶器为例,陶质有夹砂陶和泥质陶两大类,以宽带、鱼类、蛙类、鸟类、人面、獠牙兽面纹为主要题材,典型器类有尖底瓶、蒜头壶、葫芦瓶、尖底罐、夹砂鼓腹罐、瓮、钵、盆等。

  他认为,彩陶上的人面形象,指的是有特殊身份的人,即巫祝;鱼、鸟等动物,是联络巫祝和神祇的使者;在现代人看来长得有些狰狞的形象,指的就是神祇。

  马明志说,仰韶彩陶以人面、鱼、鸟、獠牙神祇为主体,并且形成稳定、系统的组合主题,这种主题不仅仅是一种陶器装饰图案,它还反映了仰韶文化神祇与巫祝信仰体系。“它是仰韶文化信仰体系和世界秩序的理想构型。”这样的神祇题材还影响了龙山时代到青铜时代的礼器图案题材,应该是青铜时代信仰系统的重要源头。

  张海提醒,尽管庙底沟时期彩陶发达,但彩陶在仰韶文化典型陶器组合中所占的比例不足10%,似乎说明彩陶并非简单的日用器类,或许有特殊的用途。

  尽管学界对庙底沟彩陶纹样有不同的解读,但多数学者倾向于认为彩陶代表了一种精神层面的共性,是“早期中国文化圈”的核心要素。

  近年来,一些新技术手段的研究表明,庙底沟彩陶的传播是与成熟粟作农业和人群的传播同步展开的。比如,西辽河流域的半拉山红山文化遗址即同时出现了彩陶、成熟的粟作农业经济和超过10%的来自中原仰韶文化人群的遗传基因。“仰韶文化的繁荣与扩张对于推动整个中国史前文化、文明和人群的传播都起到了重要的作用。”张海说。

  来源:科技日报


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