本文摘自《中国文物报》（2015-03-27）作者：
科技考古是利用自然科学中某些学科的研究手段与方法探讨人文学科中考古学的问题，属于考古学研究范畴，科技是手段，考古是目的。科技考古研究的最终目的是复原古代人类生活方式，探讨古代文化的发展与过程。
进入21世纪，科技考古得到了更快的发展。考古学界持续借鉴、获取、更新和利用任何能够为考古学研究提供帮助的自然科学技术和方法。一些科技考古的新方法和新思路受到普遍关注。如多视角影像三维重建技术在田野考古发掘中的应用，改变了传统的田野考古绘图和摄像，使得各种考古遗迹的展示变得简单、快捷、准确、立体。环境考古采用土壤微形态技术分析遗址文化堆积的形成和埋藏过程、以及埋藏后的各种干扰与改造，探讨人类活动对遗址内堆积以及遗址周围环境的影响。动物考古在保持传统的分析方法基础上，强化相关自然科学方法的应用，扩展研究内容。同位素分析技术得到完善，建立了骨胶原H、O、S（氢、氧、硫）稳定同位素和牙釉质序列样品C、O（碳、氧）同位素测试方法。古DNA分析技术不断积累古代人和动物的线粒体DNA数据，尝试选择新的遗传标记如性别鉴定和STR进行分析。玉石器研究也有新进展，综合运用岩相、成分和稀土元素分析方法以及稳定同位素比值分析方法探索玉石器的原料产地。这些科技手段的介入，使得全方位、多角度、多学科、交叉综合研究已经成为考古学发展的大趋势。 （赵志军）
动物考古学与古代家养动物畜力开发的研究
殷墟遗址发现与畜力开发有关的黄牛骨骼病变
柴尔德曾经说过，“畜力是通向蒸汽发动机和汽油发动机的第一步”。通过开发利用家养动物的畜力，人类不再仅仅依靠自身肌肉的力量劳作、搬运，而且可以借助畜力以及相关的生产工具、畜力传动装置如犁、挽具与车轮等从事更繁重的生产劳动，搬运更重的物品，活动的范围扩大、速度更快，大大提高了人类生产力的发展、交通运输的进步与资源的流通，推动了不同人群与文明间的交流，对于人类社会、文化、经济的发展至关重要。
人类对家畜的利用主要是对动物肉、骨骼、脂肪、奶、毛与畜力的利用与开发。从全世界范围来看，作为畜力的家养动物主要有牛、马、驴、骆驼。目前中国最早的家马发现于商代晚期，最早的家养黄牛发现于新石器时代末期。中国古代最迟到晚商时代已经出现了畜力利用，如殷墟墓地中随葬马车的发现，使得马车的使用成为确证。过去的历史学、考古学研究往往寄希望于动物与车合葬等实物证据以及同时代文字、人工艺术品的出土，但这些发现往往存在偶然性，在这种情况下动物考古学的研究方法的独特作用就体现出来了。
畜力开发的动物考古学证据主要包括家畜死亡年龄结构与性别比例、家畜的骨骼病理现象等。牲畜如果作为役力，一般会在动物年老力衰之后宰杀，而且多数情况下使役的牲畜以雄性为主，如果遗址出土的家畜死亡年龄结构显示以老年雄性个体为主，则表明该种动物有可能用作畜力。另外驮运、拉车、骑乘会对役畜的骨骼造成超出自然负荷的压力，使之产生不同类型的骨骼病变。例如拉车会在家畜的脚部骨骼（如掌/跖骨，趾骨）集中出现各种病变现象，如骨质增生，掌/跖骨远端滑车关节面向两侧拉长等，骑乘则会造成马的某些胸椎和腰椎出现骨赘、背部棘突挤压或相连、前后关节突愈合、椎体骺板出现水平裂缝等现象。
近年来中国动物考古学家利用上述研究手段尝试对某些考古遗址的动物骨骼进行分析，获得一些初步成果。例如我们通过对殷墟出土的牛骨进行病理分析和病理指数统计，结合牛的死亡年龄分析，确认当时已经存在对黄牛畜力的利用。殷墟发现轨距小于一般马车轨距的车辙，其中有一类很可能就是牛车的车辙，因此我们推测当时牛的畜力利用主要用于拉车。
从目前中国动物考古学研究现状来看，对古代家畜畜力开发的研究还只是刚刚起步，与国外动物考古学界已成系统深入研究相比还有较大的差距。这需要动物考古学工作者和田野考古工作者一起努力，注意收集动物骨骼，注意可能的畜力利用现象，对不同地区不同时期的考古遗址系统开展这方面的研究，从而把中国古代家畜畜力开发的起源、畜力利用形式的发展及其在古代社会发展过程中扮演的角色研究清楚。 （李志鹏）
古DNA在考古学中的应用
古代人群与现代人群构建的邻接树
20 世纪80 年代，随着分子生物学技术飞速发展，尤其是PCR 扩增技术的出现以及对古DNA研究的深入，考古学家和分子生物学家将以古DNA研究为主导的现代分子生物学引入传统考古学研究领域，并逐渐形成了新兴的边缘交叉学科——分子考古学（Molecular Archaeology）。分子考古学是指利用分子生物学技术，对出土的古代的任何可研究对象（包括人类、动物、植物以及微生物）进行分子水平上的考古研究。分子考古学通过比较古生物和现代生物之间遗传的差异和联系，在古代和现代生物的谱系关系研究、濒危物种的保护、人类的起源与进化、模拟人类迁移路线、墓葬个体间亲缘关系、墓葬群体关系（族属）研究、人类遗存的性别鉴定、古病理与饮食研究、动植物的家养和驯化过程、农业的起源和早期发展等方面发挥独特的作用。根据标本的物理特性，古DNA 研究材料可分为软组织（soft tissues，包括毛发等）、硬组织（hard tissues）和化石（fossil）。古DNA实验必须在专门从事古DNA的实验室进行。下面用两个例子，分别简单地介绍古DNA在考古遗址出土人骨、动物骨骼研究中的应用。
考古研究中，墓主人的性别、年龄等信息对于了解其身份等非常重要，通常性别鉴定可以由体质人类学家通过对骨骼的性别特征进行识别，但对于破损严重的骨骼和未成年个体，单纯的形态观察存在一定局限性。DNA技术可以帮助进行准确的性别鉴定。陕西省临潼零口墓地M21，距今7300~7270年，体质人类学鉴定墓主人年龄为15~17岁，性别存在争议，骨骼严重损伤，表明墓主人死于一次残酷的暴力事件。DNA结果显示M21墓主人为一女性个体。从遗传结构上看M21可能是当地的土著居民。
家马起源、进化与扩散一直以来都是考古学家、遗传学家和历史学家关注的热点问题。对考古遗址发现的家马骨骼进行古DNA研究，可以将DNA的精确度与考古遗存在时间上的古老性科学地结合起来。新疆石人子沟遗址的墓葬中出土5匹家马，对其古DNA分析揭示出该遗址家马具有相对较高的遗传多样性，支持新疆
是家马引入中国的一个重要通道。此外，毛色控制基因的核DNA研究显示该遗址的家马具有栗色（chestnut）、枣色（bay）和金黄色（palomino）三种不同的毛色，其中极其少见的金黄色马的出现并与墓主人同葬于墓室，可能是当时特殊的选择。家马可能被赋予了特殊的文化内涵，它在古代人类社会中具有重要的地位。古DNA研究为我们提供的金黄色毛色的识别仅仅是DNA分析的一个特殊应用。但是当这个特殊毛色的识别与这匹马特殊的殉葬方式结合分析的时候，我们发现金黄色马与人之间可能存在特殊的关系。古DNA研究与考古学的紧密结合，可以帮助我们获取古代人类社会中独特的信息，为考古学研究提供新的研究思路和线索。（赵 欣）
考古遗址的低空拍摄与三维重建
发掘区正射影像图
考古调查与发掘过程中，往往需要从较高的位置拍摄遗址或遗迹的照片。近年来，随着固定翼、多旋翼无人驾驶遥控飞机技术的成熟与使用，田野考古工地的超低空拍摄变得非常简单而且有效，可以满足考古调查、发掘、保护工作中大场景影像拍摄、三维重建、遗迹与地形测绘等需要。
用于考古工作中超低空拍摄的遥控飞机类型很多，一般固定翼遥控飞机飞行高度比较高，速度快，适合拍摄较大范围的考古遗址。多旋翼遥控飞机有四轴、六轴、八轴等等，可以垂直起降，慢速飞行，适合拍摄中、小型遗址，甚至考古发掘的探方。四轴、六轴的遥控旋翼飞机可以携带微单相机，八轴遥控旋翼飞机可以携带单反相机进行超低空拍摄。
超低空拍摄之前需要在地面设置、测量一些地面控制点，控制点标志可以摆放在拍摄区域的四角位置，避免沿一条直线摆放。控制点坐标需要使用电子全站仪或RTK进行测量，获得很高的测量精度。
超低空拍摄之前照相机的设置非常重要，应该使用手动档（M档）进行拍摄，选择拍摄范围内最亮的地面物体进行测光。光圈为8左右，具有防抖功能照相机的曝光时间为1/400～1/500秒，无防抖功能照相机的曝光时间为1/800～1/1000秒，感光度范围在100～400之间，自动白平衡。使用的镜头选择短焦距的手动对焦镜头。
拍摄过程中，遥控飞机从拍摄区域一角起飞，到达合适的飞行高度后沿着相互平行的航带飞行，相邻两幅照片拍摄的范围保持80％左右的航向重叠。拍摄完一条航带再转入另一条航带进行拍摄，两个航带之间的照片保持20％～30％左右的旁向重叠，然后再拍摄第三航带、第四航带……。
为了获得更好的三维重建效果，对于地表起伏较大的遗址、具有较深的探方壁等情况下，需要将照相机倾斜安置在遥控飞机的下面，从不同位置拍摄多视角的照片。
运用Agisoft Photoscan软件可以根据超低空拍摄的数字影像进行三维重建，制作拍摄区域的三维模型。然后在三维模型上标注控制点的准确位置，输入各控制点的三维坐标，将三维模型安置在平面直角坐标系中，最后导出通用格式的三维模型、正射影像图、数字表面模型等数字成果。
运用多视角三维重建技术处理超低空拍摄的数字影像，可以对考古发掘的单个探方至数十万平方米的古城遗址、古村落等进行三维重建，快速生成高质量的三维点云模型、具有真实纹理的三维模型、1毫米至5厘米的正射影像图、立面影像图、数字表面模型（数字高程模型）等数字成果，进而可以绘制遗迹平面图、等值线图等图件，成图精度高，速度快，操作简单，将彻底改变传统田野考古绘图方法。而低成本、易操作的三维重建技术，将会在文化遗产保护与考古研究中得到迅速、广泛、深入的运用。 （刘建国）
土壤微形态分析及其在考古学研究中的应用
周口店用火以及土壤微形态
土壤微形态分析是将土壤或者类似的堆积制成薄片，在显微镜下进行观察和研究的方法。通过微形态分析，能够翔实地了解研究对象中矿物颗粒、岩石碎屑、有机碎屑、无机残留物及人工制品的组成、大小、形状、含量等基本特征以及这些组分在空间上的排列和组合方式。
土壤微形态分析的样品保持了在野外看到的原始结构，因此能够通过这种方法，揭示埋藏时的过程和特征以及所经历的后生变化。同时，在显微镜下还能够观察到大量肉眼难以看到的细节，查明每种组分的成因及相互之间的关系。这些特点使之与其他所有将样品打碎进行分析的方法区别开来。
这种方法的特点就要求在采样时注意保持其原始状态，同时标明样品的垂直和水平方向。在实验室制样的过程中，需要进行烘干、灌胶、切割、磨光、装片、二次切割、修剪、封片等一系列步骤。在分析时，按照从宏观到微观的顺序，从野外记录入手，再使用偏光显微镜和扫描电镜对薄片进行观察。在考古学研究中，观察的内容主要包括三个方面：第一，对各种组分的微观特征进行观察及鉴定；第二，微地层学的分析，即不同组分在空间上的排列组合方式；第三，后生变化的分析，即确定埋藏之后的各种变化及所产生的影响。
土壤微形态分析在考古学研究中的应用，有两方面的意义。其一，可以了解大量有关人类活动的信息。例如，确定是否有火的使用以及燃料的类型，重建房屋的地面处理方法、建筑物内的活动类型，了解遗址周围诸如森林砍伐、放火烧荒、放牧、农耕、灌溉、施肥等土地利用的方式等。Weiner等人在对周口店用火遗迹的讨论中，通过对第10层的土壤微形态分析，认为没有直接的证据表明就地生火的存在。其二，可以研究埋藏之后的各种过程的动态变化及其影响。气候的干湿冷暖变化、河流的侵蚀和下切等自然环境的演化，动植物的生物作用以及延续至今的各种人类活动都可能在已经埋藏的地层中形成新的印迹。剔除这些影响，对于解释测年、浮选、环境等样品的分析结果是不可或缺的。在吴小红教授对仙人洞早期陶片的研究中，土壤微形态分析的方法被用于评估陶片和测年样品在地层中被扰动的程度，以使测年结果更令人信服。
当然，土壤微形态分析也有其固有的局限性。不同采样位置、甚至切片部位的观察结果可能有截然的差别。而且，这种分析方法是从二维的视角来研究三维的对象，观察的偏差几乎不可避免。这就需要在具体的工作中，注意宏观与微观研究尺度的结合，注意形态分析与物理、化学、生物分析的结合，使土壤微形态分析的方法在考古学研究中得到恰如其分的应用。 （王 辉）
碳、氮稳定同位素分析方法揭秘古代家畜的起源与饲养策略
黄河中游地区史前黄牛和鹿δ13C 比值对比图
碳、氮稳定同位素分析方法基于“You Are What You Eat”原理，即动物骨骼（牙齿）碳、氮稳定同位素比值（δ13C、δ15N）可以记录其生前食物结构等信息。由于光合作用途径不同，C3与C4植物的δ13C差异甚大（δ13C均值分别为-26.5‰、-12.5‰）。中国北方先秦之前农作物以粟和黍（均为C4植物）为主，而野生植物基本是C3植物，因此，δ13C可用于评估农产品对家畜饲养的影响。δ15N因可随着营养级每升高一级富集3‰～5‰，而常用来推算个体的营养级。
近年来，通过测定骨骼胶原蛋白δ13C、δ15N值重建动物的食物结构，进而探讨家畜的起源与饲养策略，已成为国际动物考古新的研究方向。早在1984年，蔡莲珍先生和仇士华先生就撰文介绍稳定同位素分析方法，并首次通过C同位素测定指出陶寺先民用粟类食物饲养家猪。由于种种原因，直至本世纪初该方法才逐渐成为我国动物考古研究的主要手段之一。十余年来，学界已利用此方法在古代家畜起源与饲养策略研究方面取得了一些重要成果，我们的工作即是在此基础上开展的。
根据史前猪和狗的δ13C和δ15N数据可知，黄河中下游地区流域仰韶至殷墟时期猪和狗的食物结构与人类接近，主要以C4类食物为食（粟和黍类食物），这极可能与它们大量摄入厨房垃圾以及谷糠等农业副产品的行为有关。汉水流域屈家岭文化和石家河文化时期家猪的饲养方式同时受稻作和粟作农业生产的影响，C3/C4类食物比例因时、因地而异。对湖北青龙泉遗址M148随葬猪下颌的同位素分析则表明，猪牲食物结构相差甚大，可能意味着其来源的多元化。最近，我们对陶寺遗址黄牛和绵羊饲养策略的研究则发现，黄牛以舍饲（主要饲以谷草等粟类食物）为主而不同于绵羊（以放养为主）。在此基础上，我们又根据关中地区新石器时代黄牛δ13C值的变化趋势将家养黄牛的起源时间限定在龙山时代。除了黄牛之外，对陕西枣树沟脑等遗址马骨的同位素分析表明，西周时期家马也吃了大量的粟类食物，这恰与《诗经·小雅·鸳鸯》中“乘马在厩，摧之秣之”互证。
研究考古遗址的动物遗骸是为了更全面的了解古人的行为，研究古代动物的食物结构是为了更全面的揭示古代人与动物的关系。随着工作的积累，我们相信未来将会更加系统、全面和深入的把握古代家畜驯养历史及其背后文化行为的变迁。（陈相龙）
出土玉石器的科学研究方法举例
钱范笔划图
这次通过几个近期的研究实例，介绍一下目前我们在玉石器研究中比较常用的方法。
微痕分析方法
加工过程中，玉石器上会产生各类加工痕，其微痕形态和相互之间的叠压关系，是判断加工方式、工具性质等技术要素和复原工序的科学依据。使用过程中，玉石器表面也会留下使用痕，其微痕形态和分布规律，同样是判断使用方式和功能的科学依据。目前，我们使用扫描电子显微镜（简称SEM），对上述两类痕迹进行微观观察和分析。
例1、桐柏月河春秋墓出土玉刀（编号：110）
经复原，加工工序为：开片，打磨，阴刻纹样，切割侧面多余的边角料及侧面轮廓的磨制。其中，使用了锯片切割，分级打磨，砣具阴刻等技术。
例2、临淄齐故城出土石质钱范（编号：2011KJZB采：7）
经复原，从锯片切割技术开料到最后阴刻“半两”二字，加工工序大致包括9个环节（略）。笔划的复原结果显示，该石范的“两”字书写存在不规范现象。
例3、珠海锁匙湾遗址出土辘轳轴承器（编号：99ZHS）
此类石器的使用功能说法颇多。根据两个工作面上的微破裂面形态、分布规律，判断是逆时针旋转运动中摩擦形成的旋转面。第二旋转面（下）较第一旋转面（上）磨耗程度低，说明旋转动力来自第一旋转面之上的接触装置，如轮盘。微痕表面平坦、圆化程度高等特点，暗示第一旋转面上的接触装置应该是较软的材料制成，如木质轮盘。SEM分析证明，锁匙湾出土的这件石器在使用过程中充当着辘轳轴承器的角色。
矿物学、地球化学分析方法
矿物种属鉴定是玉石器研究的基础工作之一，一般通过肉眼观察或借助无损测试技术。产地探索是出土玉石器研究的重点和难点，通过两个例子介绍此方面工作进展。
例1、二里头遗址出土的绿松石料H290
近年来，我们陆续考察了鄂豫陕绿松石矿脉的数个矿点，对采集、出土样品进行了SEM、红外光谱（FTIR）、X射线粉晶衍射（XRD）、电子探针（EMPA）、以及稀土、微量元素和铜同位素的电感耦合等离子质谱分析（ICP-MS）。结果表明，铜同位素比值结合稀土元素配分模式，能较可靠地判断绿松石产地，初步确定云盖寺为H290绿松石料的来源之一。SEM、FTIR、XRD、EPMA等，不能有效区分绿松石产地，但对其风化机理的探索具有潜力，可用于此类器物的保护研究。
例2、河北邺城遗址出土佛像石料
对佛像石料和邺城考古队采集的几个矿点的标本进行了XRD和X射线荧光光谱分析（简称XRF）测试，结果明确排除了北京房山大石窝两处地点。下一步要确定产地，需全面考察矿点，在物相和元素分析基础上，尝试开展稳定同位素分析。 （叶晓红）
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