【精品论文】基于磁性参数和粒度指标分析的良渚古城.doc

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1、精品论文基于磁性参数和粒度指标分析的良渚古城城墙土物源探讨李聪1，戴雪荣1，王金涛1，刘斌25（1. 华东师范大学资源与环境科学学院，上海，200241；2. 浙江省文物考古研究所，杭州，310014）摘要：良渚文化是中国新石器文化之一，广泛分布于长江中下游的太湖地区，其中以浙江省 余杭区良渚镇为中心，良渚古城的发掘可以很好的把当时人类.活动与环境气候的关系联系10在一起，本文主要以已发掘的良渚古城四城墙中的北城墙、附近可能作为城墙土来源的当 时生活面以及周围山丘黄泥口馒头山为研究对象，在野外地层描述与室内实验分析的基础上，主要通过环境磁学与粒度指标对古城墙土的来源进行分析，通过分析可以得出：

2、城墙土在质量磁化率，SIRM,HIRM 以及频率磁化率 fd 等参数上与周围小山丘黄泥口馒头山柱 样都有很好的对应关系，而其生活面有显著区别，通过磁性矿物的粒度特征及粒度分析发15现该区磁性参数主要是由粒度较小的磁性矿物贡献所得，沉积土壤主要是由粘土质粉砂构 成 ，粒度较小，且比较均匀。关键词：环境磁学；良渚古城；粒度；古环境中图分类号：K90320Study on the WallsMaterial Sourceof the NeolithicLiangzhu City Based on Analyses of Magnetic andGranulometric ParametersLico

3、ng1, 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

4、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 wal

5、ls 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 susceptibili

6、ty, 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 parameter

7、s 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引言良渚古城是在长江下游地区首次发现良渚文化时期的城址，又是目前所发现的同时代中 国最大的城址，堪称“中华第一城”。而关于古城城墙土的来源问

8、题，专家推测可能古人就地基金项目：国家自然科学基金项目（41071134）作者简介：李聪（1987- ），男，汉族，硕士研究生，第四纪地质专业通信联系人：戴雪荣：男，汉族，1961-，副教授，硕士生导师，主要从事城市地貌与全球变化研究. E-mail:- 8 -取土于良渚先人的生活面也就是现在的生土层，亦或是周围的小山丘（黄泥口，馒头山等），45本文主要从环境磁学角度来分析城墙土的来源，环境磁学是一门介于地球科学，磁学和环境 科学之间的新兴学科，已成为恢复古环境，重塑环境演化历史的主要代用指标，而对于考古 学古城墙土的物源分析前人还没有这方面的研究，相对于其他物源指标环境磁学具有快速、 简便、

9、经济、非破坏性等优点，沉积物的磁性特征主要反映了该沉积物中磁性矿物的含量、 类型等1，这些都是在沉积物分化、搬运和沉积过程中形成的，粒度特征则主要指示沉积物50中颗粒物的大小，可以直观的反映出该沉积物沉积是的环境动力及物质来源。 良渚古城的修建代表了良渚文化的鼎盛时期，由于历经四五千年的风化侵蚀还有包括人为耕地等破坏，现在残存不多，其中最完整的为北城墙，城墙修建在生土层之上，可以分析出古城的修建在生土层之上。考虑到良渚文化时期没有现代化交通运输工具，所以城墙的来 源最可能是其底层的生土层，或者附近小山丘（馒头山、黄泥口等），它们在良渚文化时期55就已经存在，且馒头山与城墙人工堆积的各环境指标均

10、相近，说明当时可能作为城墙人工堆 积的直接物源。1研究区概况良渚古城位于中国浙江省北部余杭区良渚镇与瓶窑镇得交界处，南面和北面都是天目山 脉的支脉，东苕溪流域境内，古城略呈圆角长方形，正南北方向，东西长 1500-1700m，南60北长 1800-1900m，总面积达 290 多万 m2。良渚古城是长江下游地区首次发现的新石器时代 城址，又是目前所发现的新石器时代中国最大城址。修筑年代大约距今 4500 年前。城墙底 部垫土层之上铺垫石块作为基础，其上有分层明显的黄土堆筑，其中北城墙地表以上还残留4 米多高城墙，其余三个城墙侵蚀破坏比较严重，暴露于地表很少，具体古城位置见下（图1）。65图 1

11、 良渚古城位置及采样点分布图（北城墙遗址和馒头山、黄泥口）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采样与分析70本文主要选用城墙堆积土与可能直接物源的古城区域范围内普遍存在的生土层、附近小 山丘馒头山与黄泥口进行环境磁学及粒度分析。城墙土主要以北城墙为研究对象，北城墙采样点见下图。具体采样层位岩性描述如下：图 2 良渚古城北城墙

12、遗址横剖面及采样方案75Fig. 2 The excavation profile of the north wall of the Neolithic Liangzhu City and the sampling layers 0-0.4m 灰褐色或杂色粘土质粉砂，无明显层理，下伏界限起伏变化大，含植物根系， 为竹林地，人工扰动比较明显。0.4-0.7m 灰褐色或灰黄色粉砂土，厚度不均，偶含小块砖砺，无明显层理结构。0.7-1.35m 上部黄褐色向下逐渐变为灰白色，较上层粘土含量增加，无植物根系，偶80见夹杂小颗粒。1.35-1.85m 黄褐色偏砖红色，粘土质粉砂，偶见黑斑，夹杂黑色矿物颗粒

13、，两侧厚度 不均。1.85-2.35m 黄褐色或砖红色，粉砂含量增加掺杂黑色斑点，无明显层理结构。2.35-3.05m 黄褐色粉砂，质硬，含粗颗粒砂土，厚度比较均匀，无明显层理结构。853.05-3.8m 深黄色粘土质粉砂，质硬，夹杂灰白色斑状物，厚度比较均匀，无明显层 理结构3.8-4.3m 黄褐色粉砂，夹杂灰色斑点，水分含量高（剖面底部可能长期浸水造成）， 质硬。本次方案共选样品 76 个，其中城墙剖面上按层位采样共 31 个样品，对周围小山丘馒头90山与黄泥口按深度采样共 10 个样品。 样品在低温（40以下）烘干后，用研钵分散，以备使用。精确称取 7g 左右样品，裹紧塞入 10ml 容

14、量圆柱状聚乙烯盒，压实、密封后进行磁性测 量。所有样品均用 Bartington MS2 双频磁化率仪测量低频（0.47kHz）、高频（4.7kHz）弱 磁场中的磁化率，计算频率磁化率 lf%=（lf-hf）/lf*100。利用 Molspin 交变退磁仪（交95变磁场峰值 100Mt,直流磁场 0.04mT）测量非滞后性剩磁(ARM)，并以用 Molspin 脉冲磁化仪获得样品在 1T/-100mT/-300mT 磁场下的饱和等温剩磁2。本文将 1T 磁化率获得的 IRM100105成为饱和等温剩磁（SIRM），并计算硬剩磁 HIRM=(SIRM-IRM-300mT)/2，以及比值参数SIR

15、M/，ARM/ 和 ARM/SIRM.通过以上测量结果，计算出单位质量磁化率 、非滞后性 剩磁 ARM、饱和等温剩磁 SIRM、硬剩磁 HIRM、退磁参数 S-20mT、S-100mT、S-300mT。称取 0.060.1g 不等的样品置于 100ml 烧杯中，先用滴管滴几滴 30%H2O2 除有机质，等 到样品停止冒气泡时再加入 10ml 浓度为 2%的 HCL 除去碳酸钙胶结物，然后再加入 10ml 浓度为 2%的六偏磷酸钠使其分散，并放到超声波震荡仪上震荡 15min，静置 12h 后再次在 震荡仪上震荡 10min 然后上机测试。测试仪器为 LS13320 型激光粒度仪。各粒度指标和粒

16、 度参数分别用 LS13320 软件和 Excel 处理。本文沉积物的粒度参数分析仪为 LS13320 激光粒度仪。上述实验均在华东师范大学河口海岸国家重点实验室完成。1101153结果与讨论根据所选样品磁性指标结果示于表 1，由对比图可以看出，在良渚古城附近，包括下层 未受人类活动干扰的自然沉积层、周围小山丘馒头山与黄泥口以及堆筑城墙的城墙土无论在 指示沉积物中磁性矿物含量有关的 ，arm，SIRM 等参数上还是在指示磁性矿物颗粒大小 的 ARM 以及 ARM/SIRM 上都存在着一定的差异，但是相较于底层自然沉积城墙土与周围 山丘馒头山存在着显著的相似性，具体实验结果分析如下。3.1城墙土

17、磁性矿物类型及含量质量磁化率 表示的是样品的磁化强度与磁场强度的比值3，常用作铁磁含量的粗略量 度，古城城墙土样品 平均值较高分别为 20.86*10-8m3kg-1，且波动较大，说明其铁磁性矿 物含量较高，且物源复杂，而垫土层为 7.543*10-8m3kg-1，比较均匀稳定，说明其铁磁性矿 物含量较低物源单一。可以得出城墙土夯土层的磁性矿物的含量与城墙垫土层不同，且含量 相对较高，具体磁性指标见下表（表 1 部分样品磁性参数指标）表 1 部分样品磁性参数指标Tab. 1 parts of sample magnetic parameter indicators120SIRM 指示的是样品能

18、获取的最大剩磁，这里指样品在 1T 磁场中磁化后所能保存的剩NO.lf（10-8m3kg-1）fd%ARM（10-6Am3kg-1）SIRM（10-6Am3kg-1）NCW0126.78.75.8311.2NCW0240.89.07.5360.5NCW0350.77.36.7302.0NCW049.600.975.4NCW0524.34.57.0362.2NCW0610.459.71.181.7NCW0710.200.769.3NCW0810.100.793.8NCW097.000.518.7NCW1010.400.417.7磁，它即与磁性矿物类又与其含量有关。与 不同的是，SIRM 不受顺磁

19、性和抗磁性矿物的 影响1。城墙土 SIRM 平均值为 246.024*10-6Am3kg-1，如下图所示 与 SIRM 具有一定的相125关性，说明该地区磁化率值主要由亚铁磁性矿物贡献，并且通过三地对比可以发现城墙夯土层与垫土层磁性矿物类型和含量不同。图 3 良渚古城北城墙夯土层、垫土层及其下伏生土层部分磁性参数 X-SIRM（a）与 X-HIRM（b）关系图130135140145150Fig. 3 The rammed layer, pad soil of the wall magnetic susceptibility indicators comparison chart the X-

20、SIRM chart (a) and the X-HIRM chart (b)HIRM 通常反映的是样品中不完整反铁磁性矿物的含量 3 。城墙土平均值约为12.83*10-6Am3kg-1，城墙垫土层 HIRM 的平均值为 99.5*10-6Am3kg-1，含量较低。说明整 个地区磁性参数受不完整反铁磁性矿物影响微弱。此外 SIRM/ 值的大小常用于识别磁性矿物的类型，一般认为磁铁矿（主要是 Fe3O4） 的 SIRM/ 的值主要分布在 1.550Ka.m-1,赤铁矿一般大于 100 Ka.m-1，含较多超顺磁颗粒的 物质 SIRM/ 一般低于 0.4 Ka.m-14，从上表中可以得出沉积物样

21、品的 SIRM/ 均分布于 413， 所以说良渚古城城墙土磁性参数贡献主要为磁铁矿（主要是 Fe3O4），赤铁矿对磁性参数的 贡献率很低。3.2城墙土磁性矿物晶粒特征及粒度组成不同大小的铁磁性矿物晶粒在磁性特征上存在这明显的差异（张卫国，1995），根据磁 性矿物不同晶粒的大小，可以将其分为多畴（12m 及以上），假单畴（0.051m），单 畴(0.020.05m)，细粘滞性晶粒(0.010.02m)，超顺磁（0.01m 以下）等矿物。非磁滞剩磁 ARM 主要反映亚铁磁性矿物的富集程度，这一参数常用来检测样品中单畴 铁磁晶粒的含量5，图 3 可见，城墙垫土层 ARM/ 值均较低，数值都小于 1

22、，而城墙夯土 层的 ARM 数值相近在 510 之间，表明城墙夯土层与垫土层可能来源于不同的地方。通过 综合对比城墙土与可能来源的生土层与周围小山丘的磁性矿物粒度特征可以比较客观的得 出不同粒级颗粒磁性矿物对磁化率的贡献值。比值参数 ARM/ 和 ARM/SIRM 常被用作指示磁性矿物颗粒大小，高值反应较细的单畴 颗粒，低值则反应较粗的多畴颗粒6。一般低的 ARM/(0.01)指示 粗的铁磁晶粒，高的 ARM/(0.2)和低的 ARM/SIRM(0.01)指示细的晶粒尤其是单畴晶粒， 而 ARM/，ARM/SIRM 同时取得低值则指示了超顺磁晶粒（张卫国等，1995）7。通过下 图可以得出，城

23、墙体之下的垫土层样品 ARM/ 均小于 0.1，ARM/SIRM 比值大于 0.01，所以说生土层与垫土层的磁性矿物颗粒均为较粗的铁磁晶粒。城墙夯土层样品磁性指标显示其磁性贡献值大部分源于属于较细的单畴晶粒8。155160165170图 4 良渚古城地区沉积物 X-ARM 对比图(a) 与 ARM/-ARM/SIRM（b）对比图Fig. 4 The comparison chart of the sediments near the Neolithic Liangzhu CityThe ARM / comparison chart（a）and The ARM /X-ARM/SIRM compa

24、rison chart (b)单纯通过各采样点粒度（见下表）分析可以得出：北城墙城墙夯土层样品的粒度指标十 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%，分选系数是 2.03， 分选差，其中峰态和偏态分别是 0.93 和 0.27。而与北城墙垫土层有着显著地差异。城墙夯 土层的粒度中值出现在 2030 之间，而垫土层的中值明显偏细出现在 68 之间。粒度指 标可以很好地反映沉积物的物源及组分9，通过前面地层叠置关系及磁性参数的证明，结合 粒度指标，可以明显的看出城墙夯土层和垫土层分属不同的物质来源。3.3物源分析通过以上城墙夯土层与垫土层的磁性矿物类型含量

25、以及沉积物粒度、磁性矿物晶粒特征 等指标分析，可以得出其二者分属不同的来源，通过综合对比良渚古城附近小山丘（马金口、 馒头山等）以及城墙基底无人为扰动的自然沉积层-生土层的磁性参数指标结合粒度指标， 可以很清楚的发现，城墙夯土层无论在磁性矿物种类、含量以及磁性矿物晶粒特征上都与周 围山丘有很好的对应关系，而垫土层则与底下生土层各指标呈现出相似的特点。表 2 良渚古城附近样品磁性参数及粒度指标Tab. 2 The magnetic parameters and indicators of granularity of the sample near the Neolithic Liangzhu

26、City位置lfARMSIRMSIRM/X63um砂MzSdKuSK黄泥口83.5019.84415.805.9036.4761.871.677.392.030.870.22馒头山23.595.38177.898.0231.3065.972.737.102.030.930.27夯土层20.863.03246.0212.0333.9062.663.447.222.060.910.20垫土层7.830.6132.864.1927.9069.272.836.881.950.950.32生土层9.120.5738.924.3928.9568.152.906.951.940.970.29在磁性矿物类型及

27、含量方面，城墙土及周围山丘含磁性矿物较多 平均值较高约为20.9*10-8m3kg-1，且波动较大种类较丰富，其磁性参数的贡献值主要由磁铁矿提供，SIRM/X 值在 525kAm-1 之间，良渚古城城墙土磁性参数贡献主要为磁铁矿（主要是 Fe3O4），赤铁 矿对磁性参数的贡献率很低10墙垫土层及生土层样品中磁性矿物含量较低，且磁性参数受175180185190195不完整反铁磁性矿物影响微弱。磁性矿物晶粒方面，城墙垫土层磁性参数 ARM/SIRM 值为 0.010.03 之间，并且 ARM/X 值在 0.040.1 之间，指示其为较粗的铁磁晶粒，而城墙夯土层与周围小山丘（黄泥口、馒头 山等）A

28、RM 集中分布在 210 之间，ARM/SIRM 数据分布比较散在 00.07 之间 ARM/X 分布在 0.050.3 之间，说明其磁性矿物晶粒11大小不一。图 5 城墙夯土层、垫土层以及黄泥口馒头山磁性参数 ARM-SIRM/X(a)与 ARM/X-ARM/SIRM(b)对比图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 compar

29、ison chart通过沉积物粒度指标（如下图所示），很容易发现城墙夯土层及周围山丘（黄泥口、馒头山）沉积样品中，粘土含量均大于 30%，且平均粒径都在 7 以上，说明其大小颗粒分布 不均，分选系数均大于 2，分选很差，而城墙垫土层与生土层粘土含量均小鱼 30%，平均粒 径在 7 以下，分选系数均小于 2，分选差偏度在 0.3 左右正偏。整个地区样品中峰度 Ku 均分布在 0.91.11 之间属于近正态分布。图 6 古城墙地区粒度累积曲线综合对比图Fig.6 The granularity of the ancient city wall region cumulative curve com

30、parison chart4初步结论本文主要利用环境磁学与粒度指标相互结合以及野外地质地貌描述来判断良渚古城的 城墙夯土层来源，总体来说可以得到以下结论：1.通过野外勘测及沉积学原理可以得出，良渚古城的修建在洪泛堆积之前，自然沉积的底层生土层形成之后，而周围山丘的土层与附近垫土层与自然沉积的底层生土层明显不同， 且沉积层位随深度变化较均匀，为自然堆积，其形成年代应该早于良渚古城的修建。2002052102152202252.通过环境磁学、粒度指标的分析，城墙夯土层与周围山丘馒头山与黄泥口的质量磁化率较之于此处的垫土层与自然沉积的底层生土层，明显偏大且波动幅度较大，说明其沉积土 壤形成时环境不同

31、，城墙夯土层与周围山丘样品中亚铁磁性矿物含量较高，而垫土层与自然 沉积的底层生土层含量较低。说明城墙夯土层可能来源于周围山丘馒头山，而垫土层更倾向 于就地取土。3.综合分析城墙夯土层周围土丘和下层垫土层与自然沉积的底层生土层的磁性矿物粒 度特征，可以得出城墙夯土层与周围山丘磁性矿物中，超顺磁颗粒物对磁化率值贡献率较大， 而垫土层与自然沉积的底层生土层中贡献率较低且比较稳定。致谢：浙江省文物考古研究所良渚工作站的祁自立、范畴等帮助采样及野外分析，研究生 宋晓燕、胡薪苹等师弟师妹共同完成了实验分析，在此一并感谢！参考文献 (References)1 张卫国，戴雪荣，张福瑞.近 7000 年超乎沉积

32、物环境磁学特征及其指示的亚洲季风变化J. 第四纪研 究.2007,11 (06):45-48.2 张卫国，俞立中.环境磁学研究的简介J. 地球物理学进展, 1995,(03):95-104.3 DekkersM J. Environmental magnetism: an introductionj. Geologieen, 1997, 76(4): 163-182.4 俞立中，许羽.湖泊沉积物的矿物磁性测量及其环境应用J. 地球物理学进展，1995，（01）:15-17.5 Kar lin R. M agnetite D iagenesis in marine sediments from

33、the Oregon continentalmargin J. Journal ofGeophysical Research,1990,95(3):4405-4419.6 EvansM E, Heller F, Bloemendal J, Thouveny N.Na turalmagnetic archives of pastgloba l change.SurvJ. Geophys, 1997, 18: 183-196.7 胡守云,王苏民,E.Appel,吉磊. 呼伦湖湖泊沉积物磁化率变化的环境磁学机制J. 中国科学(D 辑:地球科学). 1998(04)：30-32.8 刘椿,刘东生,金增信,李春景,朱日祥. 北京颐和园昆明湖近代沉积物的环境磁学初步研究及意义J. 科 学通报. 1994(21):28-33.9 孟庆勇,李安春. 海洋沉积物的环境磁学研究简述J. 海洋环境科学. 2008(01):23-27.10 周元涛,张玉芬. 环境磁学及其在古气候环境研究中的应用J. 工程地球物理学报. 2007(06):33-38. 11 张卫国. 环境磁学J. 现代物理知识. 2011(03):44-48.