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骨頭的放射性碳定年

骨頭是最常被送到加速器質譜儀(AMS)實驗室進行定年的樣品之一,這是因為動物或人類的骨頭是常見的考古研究主題。

由於考古研究及骨頭的碳定年,我們才能取得史前時代的諸多資訊。尤其是骨頭的碳定年結果,讓我們更透徹的了解許多古文化。

骨頭的成分

骨頭是30%的有機成分,再加上70%的無機成分; 有機的部份是蛋白質,無機的部份是羥基磷灰石,其由磷酸鈣、碳酸鈣、氟化鈣、氫氧化鈣和檸檬酸所組成。蛋白質多為膠原,用來提供骨頭強度和韌性,而羥基磷灰石則提供硬度及穩固的結構。

理論上,有機及無機成分皆可進行定年;然而, 羥基磷灰石的開放式網格結構易受地下水所含碳酸鹽污染,而骨頭並不適用移除碳酸鹽污染的稀酸洗滌方式,因為羥基磷灰石可溶於酸。

實驗室會攝取骨頭樣品的蛋白質成分進行AMS定年,因為相對而言,蛋白質不溶於酸,所以可輕鬆地自羥基磷灰石和其它碳酸鹽成分中獨立出來。

在某些情況中,骨頭樣品的蛋白質保存狀況不佳,而且已受溫度及真菌或細菌影響,AMS定年實驗室會測試個別氨基酸的碳定年,看看是否都會得到相同的放射性碳定年年齡。因上述程序僅需少量樣品,所以適用AMS定年實驗室,不過,其費時也耗錢。尤其是古老的骨頭樣品,不建議針對個別氨基酸進行放射性碳定年,因為即使是最少程度的污染物都可能會導致相當大的誤差。

骨頭樣品的年齡幅度

樣品的時間寬度代表,原始有機體的總成長,以及該有機體與生物圈互動的時間長短。對大部份長有骨頭的有機體來說,死亡時間從停止與生物圈互動的那一刻起算;所以,這些有機體死亡時的放射性碳定年年齡為零。

骨頭樣品有時間寬度,所以骨頭的放射性碳定年結果不需做年齡校正。文獻表示,骨頭死後才會停止吸收生物圈中的碳。人類骨頭與生命週期較短的動物骨頭,其周轉時間約為30年。時間寬度有其必要性,除了會影響放射性碳定年結果的校正,也會影響後續的日曆校正結果。

任何可能影響骨頭碳14含量的含碳材料都是污染物。骨頭埋藏處總是包含了各式各樣的有機物質,若將這點考慮進去,則送至AMS實驗室進行放射性碳定年的樣品中,骨頭可以說是最有可能被污染的樣品之一。

最常見的污染物為土壤中的有機酸:腐植酸和黃腐酸,於植物或動物組織進行生物分解時產生。根據文獻內容,其他會污染骨頭樣品的有機化合物為多酚、多醣、木質素和退化膠原。視挖掘地點而定,石灰石也會污染骨頭。這些污染物是因為自然現象才會接觸骨頭,屬自然污染物。

另一方面,人為污染物則指那些因採集、保存或包裝骨頭樣品時,由人所引起的污染。貼標籤時,如使用動物膠,則樣品已受污染,這是因為動物膠跟骨頭樣品擁有相同的化學性質,因此,此一樣品的AMS實驗結果會不正確。

骨頭樣品挖掘出來後,其他的潛在污染物為生物殺傷劑、聚醋酸乙烯酯和聚乙二醇(保護化學品)、煙灰,以及紙製標籤或包裝紙。

對進行AMS定年的骨頭樣品,污染物的影響視以下因子而定:污染物類型、污染程度,以及骨頭和污染物的相對年齡。

如AMS碳定年前,未移除石灰石,則放射性碳年齡將比樣品的實際年齡大上許多;石灰石屬地質成因,因此,它會比所有的考古樣品老。

進行AMS放射性碳定年時,若含腐植酸和黃腐酸,則會導致不正確的結果。視產出該有機酸的生物體年齡而定,AMS實驗室測出的放射性碳年齡可能比骨頭樣品的實際年齡年輕或年老。

由於植物的根系入侵,骨頭也有機會接觸到近代碳。近代碳會讓AMS碳定年測出年輕的骨頭,比骨頭的實際年齡年輕。

一般而言,無限年齡污染物會讓骨頭樣品測出可觀的年齡,使得此一骨頭樣品比實際年齡大很多。另一方面,近代碳則會讓骨頭樣品比實際年齡小很多。

為了避免這些錯誤結果,針對骨頭樣品,AMS實驗室在進行AMS放射性碳定年前,會先執行預處理。

對欲進行碳定年的骨頭樣品,物理預處理指不使用化學製品所執行的處理程序。舉例說明,AMS實驗室對骨頭的物理預處理為去除植物根系,以及粉碎樣品來減少樣品量。

AMS實驗室人員會肉眼查看並去除明顯可見的污染物。

實驗室人員會使用鑷子或鉗子夾除根系,並用手術刀或牙鑽來刮除骨頭樣品上的污染外層。AMS實驗室也會檢查骨頭的硬度,柔軟的骨頭代表可能缺乏進行AMS碳14定年所需的膠原。

去除肉眼可見的污染物後,AMS實驗室人員會使用研缽和研杵來粉碎骨頭樣品。縮小樣品尺寸可增加樣品表面積,以便執行後續的預處理。

不同的AMS實驗室有不同的化學預處理步驟,但處理骨頭樣品時,它們常會使用一樣的化學品。

粉碎後的骨頭樣品會用稀釋過的冷鹽酸(HCI)重覆沖洗,直至除去羥基磷灰石並獨立出膠原來。如果有外來根系的話,會自膠原上移除。

為確保移除所有的有機酸,實驗室會使用鹼溶液(通常是氫氧化鈉NaOH)沖洗膠原。然而,當膠原樣品的保存狀況不佳,而沖洗程序可能會移除剩下可用來定年的有機物質時,AMS實驗室會略過此一鹼洗步驟。