王学烨：《锶同位素考古：原理、方法和应用》&讲座通讯
2023年11月3日，由四川大学考古科学中心主办的“考古科学论坛”第三场在四川大学望江校区中国藏学研究所一楼会议室举行。王学烨副研究员主讲《锶同位素考古：原理、方法和应用》，四川大学考古科学中心主任吕红亮教授主持。
近年来，同位素技术广泛应用于考古学研究，尤其是人骨研究。碳（C）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等稳定同位素在自然界中有明显的同位素分馏效应，可揭示饮食结构或指示气候，锶（Sr）、铅（Pb）等同位素在自然界中分馏效应不明显，多用于示踪研究。特别是锶同位素已成为示踪古人类、动物迁移的关键元素之一，并在法医、生态、地质、水文、食品等多个领域广泛应用。
锶在自然界中有84Sr、86Sr、87Sr和88Sr四种稳定同位素，其中87Sr为放射成因同位素，是由87Rb经过β-衰变形成。根据衰变原理可知，岩石或矿物87Sr/86Sr比值取决于该岩石或矿物的初始Rb/Sr比值和年龄。宏观上看，不同地质背景锶同位素比值存在差异。
基岩通过风化进入水、生物圈后被生物利用的锶称为生物可利用锶。此外，不同矿物风化速率、大气沉降等外源锶输入也会影响生物锶，使得生物可利用87Sr/86Sr值与岩石中87Sr/86Sr值存在差异。研究示踪人群或动物迁移行为通常指的是生物可利用锶的指标特征。钙是牙齿、骨骼的主要组成元素，常表现为羟基磷灰石。锶通过食物链进入生物体时分馏很少，因锶与钙化学性质相似，锶在牙齿形成时会取代部分钙保留于牙齿和骨骼晶格中。因此，某地人或动物牙齿、骨骼87Sr/86Sr组成与该地87Sr/86Sr背景值应一致。而牙齿最外层釉质成分稳定，在幼年发育形成后几乎不发生替代，是示踪研究理想材料。如个体牙釉质锶同位素与当地锶同位素背景值不同，一般认为他生前幼年成长环境与死前环境不一致，可判断该个体大概率是外地迁入的。
锶同位素较其它同位素有明显优势。主要优势有：第一，质量数大，分馏作用小；第二，87Sr由87Rb衰变而来，半衰期为4.9×1010年，锶同位素在考古研究时间尺度内稳定不变；第三，锶同位素反应敏锐，如存在外来个体，基本可在测定值上体现出明显变化；第四，锶在古人牙釉质中保存稳定，很少受后期成岩作用影响。在利用锶同位素进行示踪研究，探究人、动物是否存在迁移行为、迁移距离等考古学问题时，需要建立精确的锶同位素地图，方能提高溯源精确度。
构建精确锶同位素地图需要采集大量环境或生物样本作为基础值，通常是基于植物及部分迁移能力弱的小型动物。研究中呈现的大区域锶同位素空间变化主要运用数据建模方法完成，其中较常见的方法是基于距离越近，锶同位素越相似假设的地统计学空间插值方法，通过已知样本点推测无检测样本区域的锶同位素值。目前，法国利用该方法建立了多个国家锶同位素地图，最具代表性。研究者通过对法国不同地质块体进行植物、土壤采样，结果表明同一地点植物、土壤滤出液锶同位素呈现出强相关性（R2=0.99），构建出耦合的植物、土壤滤出液锶同位素地图。此外，德国马普人类历史科学研究所建立的贝叶斯AverageR模型也极具代表性。讲者曾使用该模型首次建立了我国黄河流域锶同位素地图。这两种方法主要基于数据建模，未充分考虑地质背景等因素。近年来，英国地质调查局研究者充分考虑地质因素，按岩性划分，计算每种岩性环境样本进行了锶同位素地图填充，成效显著。
近年来，机器学习方法（随机森林回归算法）逐步应用于同位素制图，该方法将地质、气候、土壤、环境、人为污染等多个变量整合到建模框架中，以获得更为精确的锶同位素地图。一个典型案例是Bataille团队基于该方法，整合已有锶同位素数据建立了全球首幅生物可利用锶同位素地图。局限是绝大多数数据源自欧美，而中国、非洲等地锶同位素基准数据严重缺失，致使涉及这两地研究时锶同位素模拟结果存在明显不足。
最近，王学烨基于1935个环境样本和生物样本，利用普通克里金插值方法建立了中国首幅生物可利用锶同位素地图。其整合了既有文献数据，对黄河流域、东北及西北地区考古遗址数据进行了补充，该锶同位素地图可为考古学、水文学、古生态学、法医学及食品科学等研究示踪、溯源提供可靠数据支撑。其还与国际多个团队合作，利用改进版的理加权随机森林回归算法，建立了探索古人类、动物迁徙、人类起源问题极为关键的非洲锶同位素地图。
需要指出，锶同位素在溯源研究中存在多解性问题。如地质背景相似的地区，锶同位素值通常相似，很难区分这些地区之间的人口迁移。针对此问题，通常需借助多同位素手段进一步约束来源。如氧同位素指示温度、降水等气候指标等。可通过所检测个体牙釉质氧同位素与摄入水源地氧同位素与居住地差异判别个体是否为外地迁入。碳、氮同位素可反映饮食结构，结合考虑也可进一步约束来源。
传统锶同位素测试主要基于溶样法，用热电离质谱或多接收电感耦合等离子质谱来测定。该方法精度高，但前处理需采集至少10-20mg样品，损耗大，同时空间分辨率较低。近年来LA-MC-ICP-MS应用于牙釉质分析弥补了这一缺陷。该方法所需样品少，广泛应用于珍贵样品锶同位素分析。同时，该方法有很高的空间分辨率，能够提供人或动物季节迁移精确的同位素信息。相比于传统溶样法，LA-MC-ICP-MS易受同质异位素干扰，特别是40Ca31P16O的干扰，分析精度欠佳。
讲者以多个生动案例介绍了锶同位素的考古学应用。如南方古猿栖息地选择，早期人类交换网络，古代社会结构和组织运行，动植物驯化等对古代社会生活方式的影响等，尤其是人群迁移对古代技术传播的影响，跨大西洋奴隶贸易考古溯源，旧石器时代遗址马鹿季节活动范围模拟，灭绝动物生命史重建等。
四川大学水利水电学院宋春林副研究员进行评议，他指出锶同位素在示踪方面具有极强优势，受环境或实验操作影响小，与其它同位素结合研究可解决诸多考古学问题，值得关注。参会师生就报告中涉及的问题进行了深入讨论，尤其是针对锶同位素地图可靠性，解决实际考古应用问题等进行了多维度讨论。
王学烨，现任四川大学考古科学中心特聘副研究员，主要从事同位素考古研究。博士毕业于中国科学院地质与地球物理研究所第四纪地质学专业，后赴美国加州大学圣克鲁兹分校人类学系从事博士后研究。既往工作是通过地统计学分析方法和机器学习算法分别构建中国和非洲首幅锶同位素地图，并结合人骨多同位素证据探讨古丝路上的人群迁移和15-19世纪跨大西洋奴隶贸易溯源研究。目前以第一作者在 Earth-Science Reviews, Journal of ArchaeologicalScience, Archaeological and Anthropological Sciences等期刊发表论文7篇，并参与国内外多项国家级基金项目。