2022年10月17下午，应中国科学院大学人文学院考古学与人类学系教工党支部的邀请，中国社会科学院考古研究所副研究员陈相龙为国科大考古系师生进行了题为“放射性碳素——雕刻中国考古学时间之轴”的专题讲座。讲座由中国科学院大学考古学与人类学系尚雪副教授主持。
陈相龙博士的研究方向为生物考古、碳十四年代学，探索稳定同位素分析、碳十四测年与考古学的结合。
本次讲座分为五个部分，分别为引言、碳十四测年原理、中国的碳十四测年技术、碳十四与中国考古学、展望。
首先，陈相龙老师引用了中国考古学的奠基人之一的夏鼐先生关于考古学的定义，“……考古学是根据古代人类同通过各种活动遗留下来的实物以研究人类古代社会历史的的一门科学”。英国考古学家科林·伦福儒在《考古学：理论、方法与实践》一书中曾提到，“所有人都是时间的过客。一个人的寿命大约在70岁左右，人们通过自己的父辈或祖父辈的记忆，也能间接体验上溯到100年之前较早时段的经历。历史学研究让我们触及几百年有案可稽的岁月。但是只有考古学才能为我们洞开过去人类存在几千年、乃至几百万年几乎难以想象的远景。”从中，我们可以看出年代学研究之于考古学，具有举足轻重的地位。在考古学的年代研究中，一般有考古类型学、考古地层学、历史纪念、测年技术等方法。我国考古学也很多有相关的考古学专题研究，例如，区系类型学、夏商周断代工程、中华文明探源等。
关于碳十四测年方法理论，陈老师讲到自然界中存在12C、13C、14C这三种碳同位素，其中只有14C具有放射性，它是由大气中的氮原子和热中子碰撞发生核反应之后形成的。这些碳在大气圈、生物圈、岩石圈和水圈内进行碳循环和交换。14C在不断产生的过程中同时也在发生衰变，像中学数学题里面，一边放水一边灌水的泳池，在这之间会形成平衡状态。当样品停止与外界发生碳交换之后（生物死亡、碳酸岩沉积等），其14C比度随时间按指数规律减少。利用这个衰变规律就可以得到碳十四年代的计算公式：t=-τln (As/A0）,其中：t指碳十四年代；τ指碳十四平均寿命；A0指与大气碳交换平衡时样品中碳十四的量，国际上规定为现代碳标准；As指t 时刻（现在）样品中碳十四的量。这种测年方法是由美国放射性化学家Willard Frank Libby在1949年首创的，也正是由于他在14C测年上的杰出贡献，Libby在1960年获得了诺贝尔化学奖。
碳十四测年原理是基于三个基本假定：1、大气14C6的比度几万年来恒定不变；2、被测样品与大气有过充分的碳交换；3、样品脱离交换体系后处于碳封闭状态。但是在该技术发明之后随即迎来了一些质疑：宇宙射线的强度是否如假设的那样是恒定的？在植物吸收碳的过程中，大气碳的同位素比例是否没有改变？大气中的二氧化碳在全世界的分布是一致的吗？大气中14CO2和储层(主要是海洋)之间的平衡状态是否稳定？公认的半衰期值(5568±30年)是否正确?
科学家们也开始发现大气14C6的比度A0几万年来并非恒定不变。De Vires最先注意到碳十四年代与日历年代之间的差异，他在1958年发表文章讨论了公元1500-1700年间的年代学研究，认为碳十四年代与日历年代之间的差异与气候事件有关，尤其是当时常被提及的小冰期“little ice age”。1961年，耶鲁大学Stuiver根据对已知日历年龄树轮样品的碳十四测定进一步指出，太阳活动影响大气碳十四的产率（inventory）。Stuiver 与Suess分别在1965年测试了一批碳十四样品，分别属于18—19世纪、2世纪，证实了太阳活动产生的宇宙射线对大气碳十四产率和丰度有影响。大气14C放射性比度的波动受到地磁、核试验、Suess效应的影响。
这一问题的解决方法就是使用年代校正曲线。1966年，Stuiver与Suess发表文章，注意到碳十四年代与树龄之间的关系。欧美国家当时根据建立起的树木年轮年表，测定了已知年代的树轮的碳十四比度，并将之用于校正放射性碳素年代数据。1985年，在挪威特隆赫姆第12届国际放射性碳十四会议上，把当时各实验室的碳十四年代校正资料收集起来，1986年在Radiocarbon出版了专刊。包括爱尔兰、德国、美国的定年标本，可追溯至2500BC。1991年，美国图森第14届国际放射性碳十四会议；1993年，发表了碳十四校正的第二本专刊。1997年，在格罗宁根第16次国际放射性碳十四会议之后，发表了第三本专刊。1998年，IntCal98校正曲线，包括树木年轮序列和珊瑚序列两部分，树木年轮曲线追溯至9908BC，珊瑚校正曲线将之向前延申到13635BC。现在，新的校正曲线IntCal20基础数据为12904组，吸纳了中国葫芦洞石笋碳十四数据、委内瑞拉里亚科盆地海洋沉积碳十四数据与新标定的日本水月湖湖相碳十四数据，从而将校正曲线向前推至55000BP。全新世以来的校正曲线虽没有较大变化，但多个单一年份树轮碳十四数据的收入提高了多个区段碳十四校正曲线的精度。校正曲线的算法得到了优化，误差处理更加科学、数据校正的运算时间也可大大缩短。
对于碳循环与碳交换中的同位素分馏，有研究发现，其对年代的影响不显著。但碳交换和碳平衡在全球是有差异的，大气、海洋、陆地无法迅速达到碳平衡状态，并且由于碳库效应的存在，就要求在测年样品取样时更加谨慎，尤其在我国云南、贵州地区的样品要十分注意采样背景。
关于第三个基本假设，样品脱离交换体系后是否真的处于碳封闭状态呢？样品在埋藏过程中可能存在老碳污染、现代碳污染，在实验过程中也可能存在污染。这样的话，就要求碳十四测年样品的采集遵循以下原则：
1、样品在停止碳交换之前，应曾经与三大交换储存库达到过充分的交换平衡。
2、样品在停止碳交换之后，应具有原生封闭性，不易受埋藏过程中各种环境因素的影响。
3、样品的代表性，针对具体问题选取样品。
对于不同种类的样品有不同的测年样品质量：骨骼样品1g；木炭、植物种子50mg；植物纤维、动物毛发100mg；沉积物，如泥炭、淤泥、土壤等20g；碳酸盐类：贝壳、石灰面10g ……
同时，样品要求含碳量较高，纯碳通常在1mg以上，其中C%不低于1%；样品提取之前和转运过程中样品不能接触化学试剂；样品需要晾干，勿用纸张、棉布、丝绸等有机物包裹样品；样品标签上须注明样品种类、地理坐标；有关样品的田野记录，越详细越好。
第三部分陈老师讲述了中国的碳十四测年技术的发展。中国的碳十四测年实验室是由仇士华、蔡莲珍两位老先生从无到有建立起来的。当时国内没有参照的实验室，没有仪器工厂，市场上无线电元件也不齐备。仇士华先生在接受采访时曾说：“当时考古所没任何条件，连生炉子暖气也没有，一个办公室冬天不生炉子怎么受的了啊，我们到考古所还首先学会生炉子。”就是在如此艰苦的条件下，仇先生和蔡先生自己设计、制作实验仪器，终于在1965年，建立了中国第一个碳十四实验室，当时世界上的碳十四测年实验室主要集中在美国，亚洲地区只有有日本和印度已经建立起来。
随后，加速器质谱的应用，我国越来越多的碳十四测年实验室建立使用。加速器质谱碳十四测年技术具有高效、样品使用量少、检测范围扩展、制样过程的污染控制比较复杂等特点。加速器碳十四测年的基本流程主要分为6个步骤：样品选取、前处理、石墨靶制样、加速器质谱测试、树轮校正、系列样品拟合，其中石墨靶制样与加速器质谱测样直接影响测试结果的质量与碳十四测年的效率。
第四部分为碳十四测年与中国考古学。这部分主要为中国考古学中旧石器时代的年代测定与问题。在夏商周断代工程课题中明确表明“14C断代目前有两种方法，即衰变技术法（常规法）和加速器质谱法，是完成夏商周断代工程测试任务的唯一有效方法。”并且使用贝叶斯统计等数理统计方法对碳十四数据与树轮校正曲线进行匹配拟合，在晋侯M8系列、琉璃河西周墓葬系列、陕西长安马王村H18地层系列、殷墟晚商系列、郑州商城系列、偃师二里头系列等遗址样品中进行了实践。在中华文明探源工程项目年代学课题中，对良渚、石家河、陶寺、石峁、二里头等大型都邑和聚落中心的系列样品测年证实：黄河、长江中下游以及西辽河等区域出现文明起源迹象的绝对年代可追溯至公元前3800年前后，以良渚文化为代表的古国文明阶段的绝对年代可至公元前3100年左右，以二里头文化为代表的更为成熟的王国文明的年代可追溯至公元前1750年—1520年。同时测年技术得以发展：其一，“夏商周断代工程”推出的系列样品测年方法在探源工程中得到了大范围的推广，这为考古学研究提供了更为精确的绝对年代标尺。其二，碳十四测年标本实验室采集与前处理系列规范的推出、石墨靶样品制备水平和效率的提高，以及加速器质谱测试精度与稳定性的提升，使得碳十四数据的代表性、准确性和可靠性方面均有很大提高。并且，2020—2024，“中华文明探源工程”第五阶段启动。本阶段的年代学研究任务仍由北京大学和中国社会科学院考古研究所组成的年代学课题承担，围绕文明探源项目重点研究的牛河梁、焦家、凌家滩、良渚、石家河、碧村、石峁、芦山峁、宝墩、陶寺、新砦、二里头、双槐树等13个核心聚落及其所在的地区开展碳十四测年与研究，继续修订、完善中华文明起源、形成与发展年代框架，为中华文明探源研究提供年代学支撑。
最后在展望部分，陈相龙老师对碳十四测年样品在时间和空间的采集、考古学文化史的年代构建、特定遗迹的断代等方面进行了展望。
讲座结束后，国科大考古系师生积极提问，与陈相龙老师在碳十四测年方面的问题进行了深入的讨论。
