【精品論文】基于磁性參數(shù)和粒度指標(biāo)分析的良渚古城.doc

精品論文基于磁性參數(shù)和粒度指標(biāo)分析的良渚古城城墻土物源探討李聰1，戴雪榮1，王金濤1，劉斌25（1. 華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海，200241；2. 浙江省文物考古研究所，杭州，310014）摘要：良渚文化是中國新石器文化之一，廣泛分布于長江中下游的太湖地區(qū)，其中以浙江省 余杭區(qū)良渚鎮(zhèn)為中心，良渚古城的發(fā)掘可以很好的把當(dāng)時人類.活動與環(huán)境氣候的關(guān)系聯(lián)系10在一起，本文主要以已發(fā)掘的良渚古城四城墻中的北城墻、附近可能作為城墻土來源的當(dāng) 時生活面以及周圍山丘黃泥口饅頭山為研究對象，在野外地層描述與室內(nèi)實驗分析的基礎(chǔ)上，主要通過環(huán)境磁學(xué)與粒度指標(biāo)對古城墻土的來源進行分析，通過分析可以得出：城墻土在質(zhì)量磁化率，sirm,hirm 以及頻率磁化率 fd 等參數(shù)上與周圍小山丘黃泥口饅頭山柱 樣都有很好的對應(yīng)關(guān)系，而其生活面有顯著區(qū)別，通過磁性礦物的粒度特征及粒度分析發(fā)15現(xiàn)該區(qū)磁性參數(shù)主要是由粒度較小的磁性礦物貢獻所得，沉積土壤主要是由粘土質(zhì)粉砂構(gòu) 成 ，粒度較小，且比較均勻。關(guān)鍵詞：環(huán)境磁學(xué)；良渚古城；粒度；古環(huán)境中圖分類號：k90320study on the wallsmaterial sourceof the neolithicliangzhu city based on analyses of magnetic andgranulometric parameterslicong1, dai xuerong1, wang jintao1, liubin2(1. college of resources and environment science, east china normal university, shanghai25200241, china;2. zhejiang provincial institute of cultural relics and archaeology, hangzhou, 310014, china) abstract: liangzhu culture is one of the neolithic culture in china, is widely distributed in the middle and lower reaches of the yangtze river, taihu lake area, in liangzhu town, yuhangdistrict, zhejiang province, the excavations of liangzhu ancient city can link human activities to30the environment between climate, this article is mainly to study the the walls of the ancient city、nearby mountain, described in the wild formation based on the analysis of laboratory experiments, mainly through environmental magnetic particle size indicators on the source of the ancient city wall soil, it can be drawn by analyzing: the walls soil mass magnetic susceptibility, sirm, hirm frequency magnetic susceptibility fd parameters around a small hill the majinkon mantoushan35column samples have good correspondence between its significant ,but difference between magnetic mineral grain size characteristics and particle size analysis found that the magnetic parameters of the area by the size of the magnetic minerals contribution proceeds, deposited soil isclayey silt, smaller particle size and more uniformkeywords:environmentalmagnetism;theneolithicliangzhucity;granularity;40paleoenvironment0引言良渚古城是在長江下游地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)良渚文化時期的城址，又是目前所發(fā)現(xiàn)的同時代中 國最大的城址，堪稱“中華第一城”。而關(guān)于古城城墻土的來源問題，專家推測可能古人就地基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41071134）作者簡介：李聰（1987- ），男，漢族，碩士研究生，第四紀(jì)地質(zhì)專業(yè)通信聯(lián)系人：戴雪榮：男，漢族，1961-，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事城市地貌與全球變化研究. e-mail:- 8 -取土于良渚先人的生活面也就是現(xiàn)在的生土層，亦或是周圍的小山丘（黃泥口，饅頭山等），45本文主要從環(huán)境磁學(xué)角度來分析城墻土的來源，環(huán)境磁學(xué)是一門介于地球科學(xué)，磁學(xué)和環(huán)境 科學(xué)之間的新興學(xué)科，已成為恢復(fù)古環(huán)境，重塑環(huán)境演化歷史的主要代用指標(biāo)，而對于考古 學(xué)古城墻土的物源分析前人還沒有這方面的研究，相對于其他物源指標(biāo)環(huán)境磁學(xué)具有快速、 簡便、經(jīng)濟、非破壞性等優(yōu)點，沉積物的磁性特征主要反映了該沉積物中磁性礦物的含量、 類型等1，這些都是在沉積物分化、搬運和沉積過程中形成的，粒度特征則主要指示沉積物50中顆粒物的大小，可以直觀的反映出該沉積物沉積是的環(huán)境動力及物質(zhì)來源。 良渚古城的修建代表了良渚文化的鼎盛時期，由于歷經(jīng)四五千年的風(fēng)化侵蝕還有包括人為耕地等破壞，現(xiàn)在殘存不多，其中最完整的為北城墻，城墻修建在生土層之上，可以分析出古城的修建在生土層之上?？紤]到良渚文化時期沒有現(xiàn)代化交通運輸工具，所以城墻的來 源最可能是其底層的生土層，或者附近小山丘（饅頭山、黃泥口等），它們在良渚文化時期55就已經(jīng)存在，且饅頭山與城墻人工堆積的各環(huán)境指標(biāo)均相近，說明當(dāng)時可能作為城墻人工堆 積的直接物源。1研究區(qū)概況良渚古城位于中國浙江省北部余杭區(qū)良渚鎮(zhèn)與瓶窯鎮(zhèn)得交界處，南面和北面都是天目山 脈的支脈，東苕溪流域境內(nèi)，古城略呈圓角長方形，正南北方向，東西長 1500-1700m，南60北長 1800-1900m，總面積達 290 多萬 m2。良渚古城是長江下游地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)的新石器時代 城址，又是目前所發(fā)現(xiàn)的新石器時代中國最大城址。修筑年代大約距今 4500 年前。城墻底 部墊土層之上鋪墊石塊作為基礎(chǔ)，其上有分層明顯的黃土堆筑，其中北城墻地表以上還殘留4 米多高城墻，其余三個城墻侵蝕破壞比較嚴(yán)重，暴露于地表很少，具體古城位置見下（圖1）。65圖 1 良渚古城位置及采樣點分布圖（北城墻遺址和饅頭山、黃泥口）fig.1 sketch map showing the location of the neolithic liangzhu city with the sampling localities (the excavated north wall, mantou and huangnikou mounds)2采樣與分析70本文主要選用城墻堆積土與可能直接物源的古城區(qū)域范圍內(nèi)普遍存在的生土層、附近小 山丘饅頭山與黃泥口進行環(huán)境磁學(xué)及粒度分析。城墻土主要以北城墻為研究對象，北城墻采樣點見下圖。具體采樣層位巖性描述如下：圖 2 良渚古城北城墻遺址橫剖面及采樣方案75fig. 2 the excavation profile of the north wall of the neolithic liangzhu city and the sampling layers 0-0.4m 灰褐色或雜色粘土質(zhì)粉砂，無明顯層理，下伏界限起伏變化大，含植物根系， 為竹林地，人工擾動比較明顯。0.4-0.7m 灰褐色或灰黃色粉砂土，厚度不均，偶含小塊磚礪，無明顯層理結(jié)構(gòu)。0.7-1.35m 上部黃褐色向下逐漸變?yōu)榛野咨?，較上層粘土含量增加，無植物根系，偶80見夾雜小顆粒。1.35-1.85m 黃褐色偏磚紅色，粘土質(zhì)粉砂，偶見黑斑，夾雜黑色礦物顆粒，兩側(cè)厚度 不均。1.85-2.35m 黃褐色或磚紅色，粉砂含量增加摻雜黑色斑點，無明顯層理結(jié)構(gòu)。2.35-3.05m 黃褐色粉砂，質(zhì)硬，含粗顆粒砂土，厚度比較均勻，無明顯層理結(jié)構(gòu)。853.05-3.8m 深黃色粘土質(zhì)粉砂，質(zhì)硬，夾雜灰白色斑狀物，厚度比較均勻，無明顯層 理結(jié)構(gòu)3.8-4.3m 黃褐色粉砂，夾雜灰色斑點，水分含量高（剖面底部可能長期浸水造成）， 質(zhì)硬。本次方案共選樣品 76 個，其中城墻剖面上按層位采樣共 31 個樣品，對周圍小山丘饅頭90山與黃泥口按深度采樣共 10 個樣品。 樣品在低溫（40以下）烘干后，用研缽分散，以備使用。精確稱取 7g 左右樣品，裹緊塞入 10ml 容量圓柱狀聚乙烯盒，壓實、密封后進行磁性測 量。所有樣品均用 bartington ms2 雙頻磁化率儀測量低頻（0.47khz）、高頻（4.7khz）弱 磁場中的磁化率，計算頻率磁化率 lf%=（lf-hf）/lf*100。利用 molspin 交變退磁儀（交95變磁場峰值 100mt,直流磁場 0.04mt）測量非滯后性剩磁(arm)，并以用 molspin 脈沖磁化儀獲得樣品在 1t/-100mt/-300mt 磁場下的飽和等溫剩磁2。本文將 1t 磁化率獲得的 irm100105成為飽和等溫剩磁（sirm），并計算硬剩磁 hirm=(sirm-irm-300mt)/2，以及比值參數(shù)sirm/，arm/ 和 arm/sirm.通過以上測量結(jié)果，計算出單位質(zhì)量磁化率 、非滯后性 剩磁 arm、飽和等溫剩磁 sirm、硬剩磁 hirm、退磁參數(shù) s-20mt、s-100mt、s-300mt。稱取 0.060.1g 不等的樣品置于 100ml 燒杯中，先用滴管滴幾滴 30%h2o2 除有機質(zhì)，等 到樣品停止冒氣泡時再加入 10ml 濃度為 2%的 hcl 除去碳酸鈣膠結(jié)物，然后再加入 10ml 濃度為 2%的六偏磷酸鈉使其分散，并放到超聲波震蕩儀上震蕩 15min，靜置 12h 后再次在 震蕩儀上震蕩 10min 然后上機測試。測試儀器為 ls13320 型激光粒度儀。各粒度指標(biāo)和粒 度參數(shù)分別用 ls13320 軟件和 excel 處理。本文沉積物的粒度參數(shù)分析儀為 ls13320 激光粒度儀。上述實驗均在華東師范大學(xué)河口海岸國家重點實驗室完成。1101153結(jié)果與討論根據(jù)所選樣品磁性指標(biāo)結(jié)果示于表 1，由對比圖可以看出，在良渚古城附近，包括下層 未受人類活動干擾的自然沉積層、周圍小山丘饅頭山與黃泥口以及堆筑城墻的城墻土無論在 指示沉積物中磁性礦物含量有關(guān)的 ，arm，sirm 等參數(shù)上還是在指示磁性礦物顆粒大小 的 arm 以及 arm/sirm 上都存在著一定的差異，但是相較于底層自然沉積城墻土與周圍 山丘饅頭山存在著顯著的相似性，具體實驗結(jié)果分析如下。3.1城墻土磁性礦物類型及含量質(zhì)量磁化率 表示的是樣品的磁化強度與磁場強度的比值3，常用作鐵磁含量的粗略量 度，古城城墻土樣品 平均值較高分別為 20.86*10-8m3kg-1，且波動較大，說明其鐵磁性礦 物含量較高，且物源復(fù)雜，而墊土層為 7.543*10-8m3kg-1，比較均勻穩(wěn)定，說明其鐵磁性礦 物含量較低物源單一。可以得出城墻土夯土層的磁性礦物的含量與城墻墊土層不同，且含量 相對較高，具體磁性指標(biāo)見下表（表 1 部分樣品磁性參數(shù)指標(biāo)）表 1 部分樣品磁性參數(shù)指標(biāo)tab. 1 parts of sample magnetic parameter indicators120sirm 指示的是樣品能獲取的最大剩磁，這里指樣品在 1t 磁場中磁化后所能保存的剩no.lf（10-8m3kg-1）fd%arm（10-6am3kg-1）sirm（10-6am3kg-1）ncw0311.2ncw0240.89.07.5360.5ncw03302.0ncw049.600.975.4ncw05362.2ncw0610.4ncw0710.200.769.3ncw0810.100.793.8ncw097.000.518.7ncw1010.400.417.7磁，它即與磁性礦物類又與其含量有關(guān)。與 不同的是，sirm 不受順磁性和抗磁性礦物的 影響1。城墻土 sirm 平均值為 246.024*10-6am3kg-1，如下圖所示 與 sirm 具有一定的相125關(guān)性，說明該地區(qū)磁化率值主要由亞鐵磁性礦物貢獻，并且通過三地對比可以發(fā)現(xiàn)城墻夯土層與墊土層磁性礦物類型和含量不同。圖 3 良渚古城北城墻夯土層、墊土層及其下伏生土層部分磁性參數(shù) x-sirm（a）與 x-hirm（b）關(guān)系圖130135140145150fig. 3 the rammed layer, pad soil of the wall magnetic susceptibility indicators comparison chart the x-sirm chart (a) and the x-hirm chart (b)hirm 通常反映的是樣品中不完整反鐵磁性礦物的含量 3 。城墻土平均值約為12.83*10-6am3kg-1，城墻墊土層 hirm 的平均值為 99.5*10-6am3kg-1，含量較低。說明整 個地區(qū)磁性參數(shù)受不完整反鐵磁性礦物影響微弱。此外 sirm/ 值的大小常用于識別磁性礦物的類型，一般認(rèn)為磁鐵礦（主要是 fe3o4） 的 sirm/ 的值主要分布在 1.550ka.m-1,赤鐵礦一般大于 100 ka.m-1，含較多超順磁顆粒的 物質(zhì) sirm/ 一般低于 0.4 ka.m-14，從上表中可以得出沉積物樣品的 sirm/ 均分布于 413， 所以說良渚古城城墻土磁性參數(shù)貢獻主要為磁鐵礦（主要是 fe3o4），赤鐵礦對磁性參數(shù)的 貢獻率很低。3.2城墻土磁性礦物晶粒特征及粒度組成不同大小的鐵磁性礦物晶粒在磁性特征上存在這明顯的差異（張衛(wèi)國，1995），根據(jù)磁 性礦物不同晶粒的大小，可以將其分為多疇（12m 及以上），假單疇（0.051m），單 疇(0.020.05m)，細粘滯性晶粒(0.010.02m)，超順磁（0.01m 以下）等礦物。非磁滯剩磁 arm 主要反映亞鐵磁性礦物的富集程度，這一參數(shù)常用來檢測樣品中單疇 鐵磁晶粒的含量5，圖 3 可見，城墻墊土層 arm/ 值均較低，數(shù)值都小于 1，而城墻夯土 層的 arm 數(shù)值相近在 510 之間，表明城墻夯土層與墊土層可能來源于不同的地方。通過 綜合對比城墻土與可能來源的生土層與周圍小山丘的磁性礦物粒度特征可以比較客觀的得 出不同粒級顆粒磁性礦物對磁化率的貢獻值。比值參數(shù) arm/ 和 arm/sirm 常被用作指示磁性礦物顆粒大小，高值反應(yīng)較細的單疇 顆粒，低值則反應(yīng)較粗的多疇顆粒6。一般低的 arm/(0.01)指示 粗的鐵磁晶粒，高的 arm/(0.2)和低的 arm/sirm(0.01)指示細的晶粒尤其是單疇晶粒， 而 arm/，arm/sirm 同時取得低值則指示了超順磁晶粒（張衛(wèi)國等，1995）7。通過下 圖可以得出，城墻體之下的墊土層樣品 arm/ 均小于 0.1，arm/sirm 比值大于 0.01，所以說生土層與墊土層的磁性礦物顆粒均為較粗的鐵磁晶粒。城墻夯土層樣品磁性指標(biāo)顯示其磁性貢獻值大部分源于屬于較細的單疇晶粒8。155160165170圖 4 良渚古城地區(qū)沉積物 x-arm 對比圖(a) 與 arm/-arm/sirm（b）對比圖fig. 4 the comparison chart of the sediments near the neolithic liangzhu citythe arm / comparison chart（a）and the arm /x-arm/sirm comparison chart (b)單純通過各采樣點粒度（見下表）分析可以得出：北城墻城墻夯土層樣品的粒度指標(biāo)十 分相近，其平均粘土含量是 31.3%，粉砂含量是 65.9%,砂的含量是 2.7%，分選系數(shù)是 2.03， 分選差，其中峰態(tài)和偏態(tài)分別是 0.93 和 0.27。而與北城墻墊土層有著顯著地差異。城墻夯 土層的粒度中值出現(xiàn)在 2030 之間，而墊土層的中值明顯偏細出現(xiàn)在 68 之間。粒度指 標(biāo)可以很好地反映沉積物的物源及組分9，通過前面地層疊置關(guān)系及磁性參數(shù)的證明，結(jié)合 粒度指標(biāo)，可以明顯的看出城墻夯土層和墊土層分屬不同的物質(zhì)來源。3.3物源分析通過以上城墻夯土層與墊土層的磁性礦物類型含量以及沉積物粒度、磁性礦物晶粒特征 等指標(biāo)分析，可以得出其二者分屬不同的來源，通過綜合對比良渚古城附近小山丘（馬金口、 饅頭山等）以及城墻基底無人為擾動的自然沉積層-生土層的磁性參數(shù)指標(biāo)結(jié)合粒度指標(biāo)， 可以很清楚的發(fā)現(xiàn)，城墻夯土層無論在磁性礦物種類、含量以及磁性礦物晶粒特征上都與周 圍山丘有很好的對應(yīng)關(guān)系，而墊土層則與底下生土層各指標(biāo)呈現(xiàn)出相似的特點。表 2 良渚古城附近樣品磁性參數(shù)及粒度指標(biāo)tab. 2 the magnetic parameters and indicators of granularity of the sample near the neolithic liangzhu city位置lfarmsirmsirm/x63um砂mzsdkusk黃泥口83.5019.84415.805.9036.4761.871.677.392.030.870.22饅頭山23.595.38177.898.0231.3065.972.737.102.030.930.27夯土層20.863.03246.0212.0333.9062.663.447.222.060.910.20墊土層7.830.6132.864.1927.9069.272.836.881.950.950.32生土層9.120.5738.924.3928.9568.152.906.951.940.970.29在磁性礦物類型及含量方面，城墻土及周圍山丘含磁性礦物較多 平均值較高約為20.9*10-8m3kg-1，且波動較大種類較豐富，其磁性參數(shù)的貢獻值主要由磁鐵礦提供，sirm/x 值在 525kam-1 之間，良渚古城城墻土磁性參數(shù)貢獻主要為磁鐵礦（主要是 fe3o4），赤鐵 礦對磁性參數(shù)的貢獻率很低10墻墊土層及生土層樣品中磁性礦物含量較低，且磁性參數(shù)受175180185190195不完整反鐵磁性礦物影響微弱。磁性礦物晶粒方面，城墻墊土層磁性參數(shù) arm/sirm 值為 0.010.03 之間，并且 arm/x 值在 0.040.1 之間，指示其為較粗的鐵磁晶粒，而城墻夯土層與周圍小山丘（黃泥口、饅頭 山等）arm 集中分布在 210 之間，arm/sirm 數(shù)據(jù)分布比較散在 00.07 之間 arm/x 分布在 0.050.3 之間，說明其磁性礦物晶粒11大小不一。圖 5 城墻夯土層、墊土層以及黃泥口饅頭山磁性參數(shù) arm-sirm/x(a)與 arm/x-arm/sirm(b)對比圖fig. 5 walls of rammed earth layer pad soil mantoushan，huangnikou with raw soil magnetic arm-sirm/x (a) and arm/x-arm/sirm (b) susceptibility indicators comparison chart通過沉積物粒度指標(biāo)（如下圖所示），很容易發(fā)現(xiàn)城墻夯土層及周圍山丘（黃泥口、饅頭山）沉積樣品中，粘土含量均大于 30%，且平均粒徑都在 7 以上，說明其大小顆粒分布 不均，分選系數(shù)均大于 2，分選很差，而城墻墊土層與生土層粘土含量均小魚 30%，平均粒 徑在 7 以下，分選系數(shù)均小于 2，分選差偏度在 0.3 左右正偏。整個地區(qū)樣品中峰度 ku 均分布在 0.91.11 之間屬于近正態(tài)分布。圖 6 古城墻地區(qū)粒度累積曲線綜合對比圖fig.6 the granularity of the ancient city wall region cumulative curve comparison chart4初步結(jié)論本文主要利用環(huán)境磁學(xué)與粒度指標(biāo)相互結(jié)合以及野外地質(zhì)地貌描述來判斷良渚古城的 城墻夯土層來源，總體來說可以得到以下結(jié)論：1.通過野外勘測及沉積學(xué)原理可以得出，良渚古城的修建在洪泛堆積之前，自然沉積的底層生土層形成之后，而周圍山丘的土層與附近墊土層與自然沉積的底層生土層明顯不同， 且沉積層位隨深度變化較均勻，為自然堆積，其形成年代應(yīng)該早于良渚古城的修建。2002052102152202252.通過環(huán)境磁學(xué)、粒度指標(biāo)的分析，城墻夯土層與周圍山丘饅頭山與黃泥口的質(zhì)量磁化率較之于此處的墊土層與自然沉積的底層生土層，明顯偏大且波動幅度較大，說明其沉積土 壤形成時環(huán)境不同，城墻夯土層與周圍山丘樣品中亞鐵磁性礦物含量較高，而墊土層與自然 沉積的底層生土層含量較低。說明城墻夯土層可能來源于周圍山丘饅頭山，而墊土層更傾向 于就地取土。3.綜合分析城墻夯土層周圍土丘和下