磁组构：识别中国新石器时代夯土的地球物理方法

准确识别夯土遗存对于理解中国新石器时代早期社会复杂化至关重要。然而，中国史前考古中识别夯土材料的科学方法仍然有限，识别工作在很大程度上仍依赖野外观察。本研究将磁化率各向异性（AMS）分析应用于黄河下游地区焦家遗址和城子崖遗址的新石器时代夯土遗存（墙体和台基）、文化层堆积和自然沉积物。结果表明，夯土主要特征为K_min轴良好聚簇以及稳定或倾斜的磁叶理面，反映了反复夯筑过程中应变诱导的颗粒重定向。在大多数夯土样品中，K_max和K_int轴通常在叶理面内呈分散或部分混合状态。然而，II号墙体记录了混合叶理-线理组构，其K_max线理接近水平，可能与墙体建造过程中的水平压缩或侧向约束以及可能的后期修缮有关。这些夯土组构明显不同于自然沉积物的沉积组构和文化层堆积的随机化组构。岩石磁学结果显示样品间磁矿物组合无重大差异，表明矿物学变异不太可能是AMS对比的主要原因。因此，这些对比更可能与夯筑、自然沉积和人为扰动相关的磁颗粒取向和空间组织差异有关。这些结果共同证明，AMS可以补充传统考古学方法，为识别中国新石器时代夯土提供一种敏感的方法。未来研究应在更多遗址和实验压实土壤上检验该方法。

**研究背景与问题提出**

新石器时代中国保存了大量夯土建筑遗存，包括墙体、建筑台基（台基）、炉灶和堤坝等，这些遗存为理解史前"城"的出现及早期中国文明的起源提供了关键洞见。例如，最早的夯土城墙发现于八十垱遗址（彭头山文化，9000–7800 BP），可能与区域定居的初始阶段相关；牛河梁遗址（红山文化，6500–5000 BP）的建筑基址则与社会等级的出现相关联。因此，准确识别新石器时代夯土对于理解早期中国文明的兴起至关重要。

然而，当前新石器时代夯土的识别主要依赖野外观察结合考古背景，关注土体密实度、夯窝和框架印痕等原位特征。但这些特征并非总能保存或清晰可见，使得识别工作困难且有时带有主观性。近年来，显微观察被引入史前墙体研究，以分析夯筑过程中产生的孔隙、裂隙和界限等变形特征。尽管如此，新石器时代夯土建筑在原材料成分、添加剂和建造方法上表现出极大多样性，显微观察尚未能持续产生诊断性的夯筑指标。因此，准确识别新石器时代夯土仍然存在关键的方法论空白，亟需建立更可靠、更客观的诊断技术。

**AMS技术的引入与应用**

磁化率各向异性（Anisotropy of Magnetic Susceptibility, AMS）是地质学中分析岩石和沉积物组构的成熟磁学技术，通过整体描绘样品中所有矿物的优选取向和排列程度，记录沉积和后沉积过程中在外力（如重力、流体流动、风力、磁场和应变）影响下形成的组构。在未变形环境中，磁组构通常与水流和重力方向一致；而变形作用可以重组这些组构，使原始结构被后续应力覆盖。鉴于其在检测应变方面的优势，AMS已被广泛应用于从高度应变的撞击坑到微弱构造组构和人为扰动等多种背景的解读。特别值得注意的是，夯筑诱导的应变最初可将各向同性土壤颗粒重定向为明显的各向异性组构，产生可测量的AMS变化，这为在史前背景下识别考古夯土提供了潜力。

**研究开展与主要结论**

本研究选择山东省焦家遗址和城子崖遗址作为研究对象，这两个遗址位于鲁北冲洪积平原与冲积扇边缘湖沼低地的过渡带，保存完好地 recorded 了大汶口-龙山文化（6100–4000 BP）时期的海岱地区新石器时代夯土建筑，为验证AMS在识别夯土材料中的应用提供了理想背景。

研究人员从四个不同背景采集了27块定向样品：墙体、台基、自然沉积物和非夯土堆积的文化层。其中，焦家遗址II号墙体采集6块样品，城子崖遗址岳石文化南墙采集3块样品，焦家遗址两个台基（C3FJ1和C3FJ4）采集9块样品，自然沉积物（M454）采集6块样品，文化层堆积（HADS）采集2块样品。

**关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）AMS测量——使用AGICO MFK2-FA Kappabridge在200 A/m外加磁场和976 Hz频率下测量，利用Python的pmagpy软件包和Anisoft 4.2处理数据，计算平均磁化率（κ_m）、磁线理（L）、磁叶理（F）、校正各向异性度（P_j）和形状参数（T）；（2）岩石磁学分析——使用Lakeshore 8604振动样品磁强计（VSM）测量磁滞回线，获取饱和磁化强度（M_s）、饱和等温剩磁（M_r）、矫顽力（B_c）等参数；进行等温剩磁（IRM）获取曲线测量并分解磁组分；测量一阶反转曲线（FORC）；使用AGICO MFK2-FA Kappabridge在氩气环境中测量高温磁化率（χ-T）曲线；（3）统计分析方法——采用Jelínek统计和Bootstrap分析评估主轴分布特征，使用Fisher精度参数（k）评估K_min轴聚簇强度。全部样品处理与测量在山东师范大学考古磁学实验室完成。

**研究结果**

**4.1 磁矿物特征**

岩石磁学结果显示，所有样品的磁滞回线在约250 mT附近接近闭合，约500 mT达到饱和；IRM在125 mT以下快速增加，以上趋于平稳，表明低矫顽力亚铁磁性矿物（如磁铁矿和/或磁赤铁矿）占主导。IRM分解得到五个矫顽力组分（约8、20、40、120和600 mT），其中组分2、3和4是主要贡献者。FORC图显示所有样品均表现为假单畴（PSD）颗粒特征。χ-T曲线在约585°C出现主要磁化率下降，接近磁铁矿居里温度，证实磁铁矿类亚铁磁性矿物是磁化率的重要贡献者。

Day图投影显示所有样品均落入PSD区域，但存在细微差异：与文化层堆积和夯土样品相比，自然沉积物M454具有略低的M_rs/M_s值，暗示夯土和文化堆积含有相对更细的亚铁磁性颗粒。城子崖样品（CZY）具有最高的M_rs/M_s值，表明其含有最细的亚铁磁性粒径组分。

**4.2 沉积物的AMS结果**

**自然沉积物（M454）**： exhibited 典型的沉积组构。K_min轴极点附近聚簇，平均倾角84.7°；K_max轴近水平且围绕东西方向分散。Bootstrap分析进一步证实了这些分布特征。

**文化层堆积（HADS）**：呈现完全扰动的组构。三个主轴在赤平投影上随机分布，无明显聚簇，表明受人为扰动的沉积物既不保留自然压实产生的原始沉积组构，也不具备夯土产生的组构。

**夯土样品（CZY、C3FJ1、C3FJ4）**：主要特征为K_min轴良好聚簇，定义了稳定的磁叶理，而非三个主轴全部强聚簇。K_min轴倾角较高（70°–80°），而K_max和K_int轴在叶理面内较为分散且部分混合，表明弱磁线理和叶理主导的组构。此外，C3FJ1和C3FJ4的AMS椭球体具有不同的倾斜方向，尽管两个采样剖面相距不足15米。

**II号墙体（Wall II）**：表现出不同于其他夯土的AMS模式。三个主轴相对分散，K_min倾角从0°到90°不等。Bootstrap分析指示K_max轴平行于层面分布，而K_int和K_min轴的主倾角分别为44.3°和45.2°。K_min与K_int轴部分混合，结合Jelínek图中的混合扁长-扁圆椭球分布，表明II号墙体记录了混合叶理-线理组构，其近水平的K_max分布指示相对较强的线理分量。

**讨论**

**5.1 夯土的诊断性AMS特征**

夯土结构产生独特且可重复的磁组构，直接反映人为压实过程。与自然沉积物的重力沉积或文化层堆积的后沉积扰动相比，焦家和城子崖遗址的夯土揭示了由建造过程中颗粒重定向产生的诊断性AMS组构。这些组构主要表现为K_min轴良好聚簇以及稳定或倾斜的磁叶理面，记录了建造过程中重复夯筑和应变作用下磁性颗粒的逐步重定向。叶理主导组构（CZY、C3FJ1、C3FJ4）与线理影响组构（Wall II）的区分，为识别夯土堆积提供了客观标准。

岩石磁学结果对AMS解释提供了重要约束。样品间广泛相似的热磁行为表明，对比的AMS模式不太可能主要源于磁矿物类型的重大差异。Day图结果暗示夯筑和人为扰动可能机械地产生或富集了细小亚铁磁性颗粒，这些细颗粒在湿润、破碎、混合和压实过程中对重定向更为敏感，从而增强了K_min轴聚簇和稳定磁叶理的发育。

**5.2 对黄河下游地区早期社会复杂化兴起的意义**

磁组构主要受夯筑强度控制，更强的压实产生更明显的AMS特征。Fisher k值（反映K_min轴聚簇强度）被用作压实强度的替代指标：城子崖岳石文化墙体的k值最高（516.00），其次是焦家台基（C3FJ4为347.60，C3FJ1为246.28），而焦家II号墙体的k值较低（33.44）。CZY样品还具有最高的P_j和T值，指示更扁圆的AMS椭球体，典型于压实良好的材料。

这些结果挑战了海岱地区系统夯土技术在大汶口文化时期缺失的长期假设。以往研究认为该地区的夯土建筑主要采用堆筑（堆筑）技术，更先进的版筑技术仅在随后的岳石文化时期才出现。虽然本数据未能区分堆筑和版筑方法，但焦家台基与城子崖岳石文化墙体之间可比的压实强度揭示，夯土技术的关键方面——特别是实现高压实强度的能力——在大汶口文化中晚期已在海岱地区被掌握。这一技术能力为后来大规模土木建筑的发展奠定了重要基础，也为理解海岱地区文明化进程和黄河下游谷地晚新石器时代日益组织化、等级化的社会结构提供了有力证据。

**研究结论**

研究人员对焦家遗址和城子崖遗址的AMS分析揭示，新石器时代夯土表现出由人为压实和建造过程中颗粒重定向产生的诊断性磁组构。这些组构主要表现为K_min轴良好聚簇以及稳定或倾斜的磁叶理面。在叶理主导样品中，K_max和K_int轴通常分散或部分混合，而II号墙体显示混合叶理-线理组构，其K_max线理接近水平，可能反映墙体建造过程中的水平压缩或侧向约束。这些AMS特征根本不同于自然沉积物的沉积组构和文化层堆积的随机化组构。结合样品间 broadly similar 的岩石磁学特征，这些结果表明AMS差异不太可能仅受矿物学变异控制，而更可能与夯筑过程中磁性颗粒的重定向和空间组织有关。因此，AMS为识别中国史前夯土提供了一种敏感的方法。未来需要利用更大的数据集、实验参考材料和来自不同考古背景的样品，以发展更系统化、定量化的基于AMS的判别框架。