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科研动态 | 分形模型首次揭示古代透闪石玉化学元素的分布模式

  • 文图/陈典 审核/罗武干
  • 创建时间: 2024-02-06
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玉器在中华文明发展史上占有重要的地位,是中华文明有别于世界其他地区古老文明的核心物质载体。通过开展多学科综合研究,科学构建中国玉文化体系,深入解析中国玉文化的起源与发展、内涵与特征、价值与功能及其在中华文化历史长河中的独特地位和深远影响,是一项长期而又艰巨的学术任务。

考古遗址中发现的古代玉器并非总是呈现原始状态,多数都发生了次生变化。以有研究往往从特定现象(比如颜色、硬度、透明度、光泽等变化)入手,探讨古玉次生变化的形成机制,通常将各种次生变化归因于某些元素含量的波动。然而,我们的前期研究表明,即使在没有明显视觉差异的情况下,具有几乎相同外观的古代玉器也可能存在显著的元素含量差异。其中的关键科学问题是,如何科学判断埋藏古玉中的何种化学元素受到了次生变化的影响?

迄今为止,尚无研究全面评估古玉中的哪些元素可以反映古玉的固有性质,哪些元素可能受到与埋藏相关因素的影响。不难理解,一些元素对风化等影响非常敏感,有些元素表现出较好的抗波动性但仍然受到风化的干扰,而其他一些元素可能在风化前后保持相对稳定的水平。然而,如何揭示这些元素的具体影响是个未曾探讨的问题。

因此,本研究使用便携式X射线荧光对南阳市区八一厂、名门华府、南都领御、万家园、王营、南阳一中、物资城等遗址,以及淅川县狮子岗遗址出土的一百余件玉器(均为透闪石玉)进行元素检测。常规统计分析表明,箱线图不足以充分反映这些数据的分布特征,而Q-Q图表明这些数据偏离正态分布。为了深入研究古玉元素的分布模式,我们引入了一种新的工具——“浓度-数量分形模型”(Concentration-Number fractal models),确定了不同元素的异常边界,并讨论了各种元素受埋藏环境影响程度的差异。自20世纪80年代分形几何理论创立以来,其已被应用于许多地质科学领域。分形模型所依据的理念是,地球化学分布的模式是由不同速率、时间尺度和地理范围的地质过程共同作用的结果。因此,由分形模型计算得到的异常阈值具有直观的地球化学意义。考虑到分形模型的丰富内涵,这一概念能够在考古学,尤其是考古计量学中发挥巨大作用。

具体而言,在这批南阳古代玉器中,Cu、Hg和Ti呈现出单一的分形分布,而其余元素显示出两段分形分布。这种观察到的模式与聚类分析的结果直接相关,也与变异系数存在潜在相关性。在两段分形分布的情况下,位于异常阈值以下的初始段可被视为背景区域。相反,位于异常阈值以上的数据可能表明风化作用对古玉所含化学元素的额外影响。一些元素,如Ti、S、K和V,在土壤中的含量远高于古玉,在埋藏过程中容易受到影响。相反,Ca、Fe、Mn、Ni和Ba在土壤中的含量与古玉中的含量几乎相同,甚至在古玉中更高,更能抵抗外部干扰。上述两种情况恰好对应于两种不同的两段分形分布。而在Cu、Hg和Ti中观察到负指数变化的独特特征可归因于次生变化,表明这些元素随埋藏时间发生了明显的转变。若将这类易受影响的元素纳入古玉产地评估可能会严重影响结果的准确性。此外,异常阈值的应用可以扩展到判别玉器白化是否与“钙化”相关。本研究相关成果发表于著名国际科技考古期刊Archaeometry(A&HCI一区)。

本研究由中国科学院大学人文学院考古学与人类学系陈典特别研究助理(第一作者)、罗武干教授(通讯作者)与南阳文物保护研究院乔保同所长合作完成。

中国科学院大学人文学院罗武干教授课题组长期从事古代无机质文物的研究阐释工作,综合利用多种方法解读古代器物与考古学文化,以期获取更多的考古学潜信息,致力于“加强对出土文物和遗址的研究阐释和展示传播,提升中华文明影响力和感召力”、“增强中国考古学在国际考古学界的影响力、话语权”。

本研究工作得到得到国家社会科学基金中国历史研究院重大历史问题研究专项2023年度重大招标项目(No. 23VLS006)、北京市社会科学基金(No. 21DTR046)、中国博士后基金(No. 2021M703163)以及中国科学院大学优秀青年教师科研能力提升项目的资助。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/arcm.12954