鍶同位素溯源法在古代紡織品研究中的應用

吳曼琳　楊小明

摘要： 古代紡織品的研究作為一個歷史學、考古學與自然科學相融合的交叉學科，數十年來在國內的研究并未有長足的發展，目前依舊以歷史和經典考古為主。文章介紹近年國外在古代紡織品研究領域，借助自然科學領域最前沿的地球科學與化學的理論，應用追溯起源的鍶同位素溯源法。通過闡述鍶同位素溯源法的原理及其如何應用于紡織品研究領域，并分析目前的實驗研究案例，認為這一新技術可以成功判定古代毛紡品的原材料來源，但仍存在一定的局限性，并不適用于所有天然纖維。

關鍵詞： 自然科學；鍶同位素；古代紡織品；考古學；新技術

中圖分類號： TS101.8

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2017）05005104

引用頁碼： 051109

Abstract： Archaeological textile research is an interdiscipline combined with history， archaeology and natural science. For decades， this area failed to achieve a great progress in China. Current research is still dominated by history and classical archaeology. This article introduces the cuttingedge science and technology methods in archaeological textile research abroad based on geosciences and chemistry， i.e. strontium isotope tracing method. Besides， this paper expounds the principle of strontium isotope tracing method and how it is applied in textile research field and analyzes current experimental study cases. It is believed that this new technology can successfully judge the raw material source of ancient woolen textile， but it still has its limits so that it is not applicable to all natural fibers.

Key words： natural science； strontium isotope； ancient textile； archaeology； new technology

紡織品遠遠不止是“交錯的紗線”，它是考古學和科技史研究中重要的對象和課題。它們是由人類創造的產物，能夠告訴人們隱藏在其背后的社會、年代及文化，關于創造它們的人類、人類的選擇、人類所使用的技巧，以及當時所能夠使用的材料。它能揭示出穿著者的性別、年齡、家庭從屬關系、社會地位、職業、宗教信仰及種族，所有這些方方面面的零碎信息都為揭開過去社會的關鍵特性做出了貢獻，使得人們能夠更進一步地了解過去。

識別考古文物的來源，并非不可能，但是通常是十分困難的。特別是考古紡織品，由于可用的原材料范圍十分廣泛，而其使用的技術，許多又頗為相似且經過長時間的傳承，因此很難用類型學將其分門別類，來判斷其起源。想要進一步接近這些幾千年前存在過的人類，就需要借助新穎的、基于自然科學理論與研究手段的科技考古學方法，使得相關研究者可以盡可能地去識別這些古老的紡織原材料。

1鍶同位素溯源法

鍶（Sr）是一種可追蹤的堿土金屬元素，有四種天然變化的同位素。鍶同位素的追蹤是依靠其中兩種同位素，即87Sr和86Sr，特別是兩者的比例變化。地質材料（巖石、土壤、金屬）中87Sr和86Sr比例的變化取決于初始物及其衍生物的比例，巖石的種類與材料的存在時間。鍶取代了礦物晶格中鈣的位置，從而通過與地質材料的接觸或者食物鏈存在于人和動物的體組織中。鍶同位素的比值在化學分離后，可用熱電離質譜器測量出來[1]。

1985年，Ericson首次提出這個概念[2]，將鍶同位素比值應用于考古材料中，將其與特定地區地質基巖層和土壤特性相結合，從而探尋考古材料的地理起源。其原理基于鍶同位素地質年代學和地球化學的理論，鍶同位素的特征，是從各種傳輸途徑，例如土壤或者食物鏈進入到人類和動物的組織，以鍶元素來代替鈣元素。而不同地區和年代的巖石有著不同濃度的同位素比值特征，這些比值和其他微量元素的比例，可以準確地提供某一地區的地質特征。在過去的20年里，這一方法被多次應用于史前生物的骨骼研究之中，以此來探尋史前人類和生物的生活軌跡[3]，并且重構古代人類和動物的遷徙路線[4]。

確定考古文物的確切出處往往是對考古資料研究中最困難的一部分，在紡織考古領域尤其如此。由于紡織品往往使用極其廣泛的原材料、非常相似的紡織工藝，使得類型學上的分類無法準確地判定考古實物的出處及來源。蒙哥馬利在其發表的文章中，提到將牙釉質中的鍶同位素比例作為“歷史的護照”，來對比考古材料的起源[5]。同樣的設想也可以應用于紡織品中。

2新方法在古代紡織品領域的應用

如今，鍶同位素的溯源研究正逐漸開始被應用于紡織考古領域，探尋紡織原材料的來源。由于鍶同位素是可以從食物鏈中攝取的，也就是說這種方法可以應用于大多數動物和植物及其制品，在紡織品領域，即纖維及其制品[6]。

鍶同位素用于紡織品的研究最早始于2009年，丹麥紡織品研究中心與丹麥哥本哈根大學地球學研究中心共同開始了一項長期的實驗性研究，運用北歐不同地區的現代羊毛樣本進行研究，測試其中的鍶同位素含量。

哥本哈根大學的此項研究采集了北歐多處具有代表性地區的土壤及現代羊毛樣品，對其進行了鍶同位素含量的檢測，旨在測定不同地區所產出的羊毛標本，其鍶同位素的含量比例是否與當地土壤所含的鍶同位素比例相同，從而可以推論這一研究方法是否可以真實可行地應用于紡織品的研究。

實驗初期，采取了丹麥Hje Gladsaxe mose、Farum地區，以及瑞典Boserup地區三處的土壤樣品，包括生長在這三處區域內的綿羊種群羊毛樣品。經過對比測試，在所測試的三個地區的樣品中，有兩個地區的羊毛樣品與土壤樣品的鍶同位素含量基本吻合，可以看出盡管存在著一定偏差，但不同區域內生長的綿羊種群，其出產的羊毛中鍶同位素的含量與該地區土壤所含鍶同位素比例的確存在著相應的關聯[7]。隨后的實驗將樣品的采集范圍進一步擴大，截止到目前為止，該項實驗已經覆蓋了丹麥、瑞典、挪威，以及蘇格蘭東部的設得蘭群島在內的數十處地區約三百件土壤及羊毛樣品。實驗數據進一步證實了鍶同位素應用于紡織品領域的可行性。

鍶同位素用于紡織品檢測的第一個實例，是在丹麥胡德莫斯泥炭沼澤出土的一件鐵器時代早期的羊毛服飾，如圖1所示。斯堪的納維亞半島的泥炭沼澤在鐵器時期的紡織品研究中扮演了一個十分重要的角色，在其中發現了大量的史前人類遺體。對泥炭沼澤中人體遺骸的解釋，通常認為是一種懲戒的方式，或是宗教的祭祀原因，但最近的研究認為對此還需要做進一步的詳細調查，也許泥炭沼澤的尸體也可以視作一種下葬的方式，是當時喪葬文化的一部分。

胡德莫斯出土的這具女性干尸，出土時包括長及腳踝的羊毛連身裙，羊毛圍巾及皮毛披肩，實驗在羊毛連身裙上選擇15個樣本，分別采取自同一件紡織品的不同部位，連同胡德莫斯的土壤樣品一同進行了測試。測試結果表明，在采樣的15個測試樣本中，共得出三種不同的鍶同位素比例，其中十件樣品與當地采取的土壤鍶同位素比例基本相同，另外五件樣品的鍶同位素比例則明顯高于當地土壤樣品，顯然其采用的羊毛品種并非來源于當地[8]。

實驗證明這件紡織品是由源自至少三個不同地區的羊毛混合制作而成，其中一種來自于丹麥本地，另外兩種則源自境外其他地區。這一研究的結果從某種意義上來說，揭示了紡織品研究的新篇章，這可能是有史以來的第一次，有確切的證據證明了古代社會，最晚從鐵器時代開始，紡織品及其原材料就已經開始遠距離的引進和交換，人們會從非常遙遠的區域收集同樣品質的紡織材料，用來制作同一件服飾，這一特性也表明了古代社會貿易及紡織知識的高度發展。

鍶同位素的分析通常只需要很少的原材料，因此在進行檢測時往往會選擇同一紡織品中的幾個樣本，特別是中央和邊緣看起來有稍許不同的原材料，或者是采取自不同的經線和緯線。即使整件紡織品看起來使用的是同一種材料，但實驗的結果卻證實其原材料來源自不同的地點。

3局限性與不確定性

盡管新方法給考古紡織品的鑒定帶來了新的可能性，但是依賴于自然科學前沿的各種方法依然有其局限性和不確定性。以鍶同位素的檢測為例，鍶同位素的檢測結果必須要與當地的地質環境及其他生物的檢測結果相對比，才能確認紡織品的纖維是否來源于該區域。

地殼是由一層一層的巖石構成，在地殼發展過程中所形成的各種巖石層和非巖石層，共同構成了地層系統。由于每個地區地殼形成的時期不同，地質年代也有所差異，因此每個地區鍶同位素的比例均有所不同。這種技術主要依賴于當地和其他地區具有地質差異的巖石和土壤特征，是否能成功地分析紡織品，部分取決于其發掘地周圍的考古環境，同時也取決于周圍生物圈[9]。

盡管可以依此判別原材料是否來源于當地，但是想要確切地說出非本地產的原材料究竟來自哪個地區，依舊是極度困難的。雖然它提供了一個潛在地區分本地和非本地纖維起源的分析，但是目前它還很難精確地描繪和分析出纖維的確切地理起源。

其次，由于史前紡織品的原材料通常經過長時間的掩埋，土壤的成巖作用可能會對其產生交互影響，所以如何改善原材料凈化程序，如何確保獲取其真實的鍶同位素比例，如何從中提取基因，都是需要逐步改進和研究的課題[10]。且紡織品的原材料——羊毛或者植物纖維，與人類和動物的骨骼有著巨大的差別。其中最重要的一點在于鍶的濃度有很大的區別，牙釉質和骨頭中鍶的比例比毛發（例如羊毛）要高得多[11]。牙齒琺瑯質和骨骼組織中的鍶濃度大約為50～1000mg/kg，而毛發中的濃度只有0.05～15mg/kg。因此，紡織品的預清洗、色譜分析和質譜分析，都更為困難[12]。

另一個局限則是在于適用于此方法的纖維品類。目前鍶同位素溯源法在紡織品上的應用尚處于起步階段，實驗均應用于羊毛類的紡織品。與強韌的羊毛纖維不同，絲綢等其他天然纖維相對較為脆弱，目前可用于羊毛纖維凈化和預清洗的試劑，會對這些纖維的成分造成嚴重的破壞，因此鍶同位素無法用于棉麻和絲綢紡織品的檢測和研究。如何擴大這些新方法的使用范圍，使其應用于更多種類的紡織品纖維，將是有待解決的一大難題。

再者，盡管考古紡織品的表面總是呈現棕色或是深色，但這并不一定是他們本來的顏色。染色一直是紡織品制造的一個重要環節。染料和媒染劑的識別通常需要非常復雜的化學分析，而天然植物染料及其染色時使用的媒染劑，也會影響紡織品中原始同位素等的比例，從而對很多檢測的結果產生干擾。因此，這些新方法在紡織品應用領域的另一重要研究方向，則是如何將天然染料從這些被染過色的紡織品中去除，以防止天然有機染料對原材料的檢測結果造成影響。

此外，古代土壤有機物的來源復雜、成分繁多，因此對于不同的樣品需要使用不同的方法，如果條件允許，最好能做交叉檢驗，以此來選擇可靠的測年樣本。但是如此一來，勢必對古代紡織品完整性造成破壞，使其在一定意義上失去文物價值。這也使得各項新技術的檢測方法在紡織品的應用無法像在其他古代文物的檢測上一樣普遍。

4結論

文物最重要的學術意義在于為人類提供了解以往事物真相的依據，鍶同位素這一結合了歷史考古學與地球科學、生物學及化學的新方法，向人們展示了一種在科技日益發展的情形下，結合自然科學先進手段，對古代紡織品進行研究的極大可能性。紡織品的研究不僅是關于紡紗、捻線或是纖維的拼接，最重要的是紡織材料、技術和社會的交互作用而形成的結果。

雖然這項研究仍在起步階段，并不非常成熟，但其前景非常樂觀，借助這些先進的方法，大家對古代紡織品了解得越多，離許多謎團的答案也就更近。例如到底是誰精心制作了這些紡織品，怎么樣的人穿著這些紡織品。考古學和歷史學家能夠處理更為廣泛的考古問題，并對古代紡織品進行更為全面的研究和解釋，為探索古代紡織生產和人文社會提供了更多的技術和技巧，獲取更多的關于古代社會及生產的信息，從而對其進行更好的解讀。

參考文獻：

[1]GRAUSTEIN W C. 87Sr/86Sr ratios measure the sources and flow of strontium in terrestrial ecosystems[J]. Sringer New York，1989，68：491512.

[2]ERICSON J E. Strontium isotope characterization in the study of prehistoric human ecology[J]. Journal of Human Evolution，1985，14（5）：503514.

[3]BENSON L V， HATTORI E M， TAYLOR H E. Isotope sourcing of prehistoric willow and tule textiles recovered from western Great Basin rock shelters and caves–proof of concept[J]. Journal of Archaeological Science，2006，33（11）：15881599.

[4]FERI K M， PRICE T D. Strontium isotopes and human mobility in prehistoric Denmark[J]. Archaeological & Anthropological Sciences，2012，4（2）：103114.

[5]MONTGOMERY J. Passports from the past： investigating human dispersals using strontium isotope analysis of tooth enamel[J]. Annals of Human Biology，2010，37（3）：325346.

[6]CARNAP C V， NOSCH M L， GRUPE G， et al. Stable strontium isotopic ratios from archaeological organic remains from the Thorsberg peat bog[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2007，21（9）：15411545.

[7]FREI K M， FREI R， MANNERING U. Provenance of ancient textiles： a pilot study evaluating the strontium isotope system in wool[J]. Archaeometry，2009，51（2）：252276.

[8]FREI K M， SKALS I， GLEBA M. The huldremose iron age textiles， Denmark： an attempt to define their provenance applying the strontium isotope system[J]. Journal of Archaeological Science，2009，36（9）：19651971.

[9]SZOSTEK K， MADRZYK K. Strontium isotopes as an indicator of human migration–easy questions， difficult answers[J]. Anthropological Review，2015，78（2）：133156.

[10]WRIGHT L E. Immigration to Tikal， Guatemala： evidence from stable strontium and oxygen isotopes[J]. Journal of Anthropological Archaeology，2012，31（31）：334352.

[11]KOHN M J， SCHOENINGER M J， BARKER W W. Altered states： effects of diagenesis on fossil tooth chemistry[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta，1999，63（18）：27372747.

[12]SCHWEISSING M， GRUPE G. Stable strontium isotopes in human teeth and bone： a key to migration events of the late Roman period in Bavaria[J]. Journal of Archaeological Science，2003，30（11）：13731383.