如果说地层学原理是18世纪地质学给19世纪考古学的重要礼物，那么放射性碳定年法就是20世纪考古学最重要的进步之一。这两种方法都对年代判定做出了重要的贡献，因为若是没有某种类型的年代测定，我们就不可能建立史前时期的框架，也无法修正历史时期的框架，考古学的发展也就无从谈起。

考古地层学借用地质地层原理，为科学挖掘和时间序列的建立开辟了道路，是田野考古发掘确立层位关系、判定相对年代的重要手段之一。但要建立一个可靠的年表，一个绝对时间而非相对时间的年表，只是依靠考古地层学和类型学就要困难得多了。

随着放射性碳定年法(Radiocarbon dating)的出现，一切都改变了。1949年，化学家威拉德·利比(Willard Libby)宣布了第一个放射性碳测定日期，引起了轰动。如果有合适的样本，诸如古代的木头、木炭或骨头，就可以在实验室里直接测定其年代，相较于仅靠地层学和类型学判断年代而言，这种方法近乎奇迹。放射性碳定年法开辟了世界考古的新道路，关键事件和过程可以单独进行测年，所需要的仅仅是安全准确地在考古工作中获取有机物样本。

但是，如此重要的技术手段，很多考古工作者却对其知之甚少，甚至不清楚其基本原理和应用范畴，以至于在对样本的选取和测年结果的解读和解释上出现一些本可避免的谬误。作为一种应用广泛，重要性显著，且关乎几乎所有考古成果基础扎实与否的常见技术手段，确有十足的必要使考古学者们至少了解其基本的运行原理。

注：以下全文中，碳14、碳十四、¹⁴C均为放射性碳同位素代称。

基本原理

放射性碳定年法，又称碳十四测年(Carbon-14 dating)或碳十四年代测定法，是通过测量有机材料中的碳14含量来计算样品大致年代的一种测量方法。这一方法通常用来测定曾经存活的生物(有机体)的年代，但是无法被用来直接测定岩石的年代。

碳元素在自然界中有三种不同的类别：碳12(¹²C)，碳13(¹³C)和碳14(¹⁴C)。碳12和碳13是稳定同位素，而碳14是放射性同位素。碳14能够被用来测年的原因就在于它的不稳定性，即具有放射性。

碳12，碳13和碳14的原子构成以及在自然界中所占的比例

放射性的意思是，碳14会放射出射线，并随着时间的流逝而衰变成为不同的元素。这个过程称为 “β衰变”，整个衰变过程以碳14原子转变为氮14(¹⁴N)原子而告终。碳14原子包含8个中子和6个质子，衰变过程中，碳14原子的中子会转变成质子。因为失去一个中子和得到一个质子，碳14就变成了包含有7个质子和7个中子的氮14。

碳14经过β衰变成氮14

碳14是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生，是宇宙射线与大气气体分子核相互作用的二次效应。初级宇宙射线主要由质子(氢核)和氦核组成，它们在星际空间被加速到极高的能量。由于它们是带电粒子，许多粒子受到太阳磁场和地球磁场的不同成分的影响而偏转。然而，这些粒子中有一小部分，其中许多仍然具有很高的能量，能够到达地球大气层的顶部。这些主宇宙射线粒子产生了一系列次级粒子。在平流层中，初级和次级粒子与大气气体分子的核发生碰撞，产生一系列散裂产物，包括自由中子。这些自由中子在经历了一系列与其他大气粒子的碰撞后，逐渐失去能量。当这个过程发生时，它们与氮14的原子核发生反应形成了碳14。

宇宙射线撞击地球大气层生成了碳14

因宇宙射线持续冲击大气分子，碳14不断地形成于大气上层。它在空气中迅速氧化，形成二氧化碳并进入全球碳循环。动植物一生都从碳循环中吸收碳14。当生物死亡后，与生物圈的碳交换就停止了，其碳14含量开始减少，减少的速度由放射性衰变速率决定。

碳14的生成、循环、衰变过程

任何放射性同位素的半衰期表示该同位素将减少一半或50%的时间间隔。在以后的每一个半衰期，其浓度将进一步降低2倍。在很大程度上，由于原子核结合所涉及的极高能量，大多数放射性同位素的衰变常数极其稳定，而且，除了相对罕见的例外，在地球上任何自然环境中运行的普通物理或化学过程都不会改变其衰变常数。

碳14的半衰期是5730年，且碳是有机物的元素之一，我们可以根据死亡生物体的体内残余碳14成分来推断有机物死亡的年代。但必须指出的是，放射性碳定年结果表明的是有机物死亡的时间，而不是源自该有机物的材料的使用时间。

很多放射性同位素半衰期长度要么太长，要么太短，而碳14的半衰期长度恰到好处。更重要的是，考古对象和相关遗物中包括大量的有机物，而碳元素作为一切碳基生命的基本组成部分，也十分适合应用于考古研究中。目前，碳14测年法仍然是获得晚更新世和全新世含碳样本的年代测定最可靠、最广泛使用的科学方法。常规碳十四测年法所能测定的年代下限约为300年前，上限范围在4-6万年前。

放射性元素半衰期

前提假设

碳14测年得以进行，最初是基于这样的假设：碳的放射性同位素碳14在地球大气中的浓度含量保持恒定，即新的放射性碳14元素在宇宙辐射的作用下稳定地形成，同时一些现有的放射性碳14也经历了放射性衰变而消失，从而形成大气中放射性碳的浓度保持恒定。

生物在活着的时候不断通过外界大气和水源交换碳14，理论上碳14在生物体内含量与外界碳14含量是一样的。当生物死去后，碳14交换停止，生物体内留存的碳14会因衰变而开始减少。因此，基于之前的假设，对于一个给定的有机样品，只要准确测量其残余碳14的浓度并结合其半衰期长度，就可推断出该样品的具体年龄。

以上是基于所有假设状态都成立的理想情况。

但是，现实的情况远比假设的情况复杂得多。我们要知道，给定样品的碳14年龄主要是根据其残余碳14含量的测量来推断的。为了能够在一个可信赖的测量结果上推断出一个准确的年龄，需要符合一系列的假设条件。这些基本假设一般包括以下内容：

1. 在所有碳库类型中，所有生物的碳14浓度在过去的几十万年内一直保持不变。

2. 全球范围内的几大碳库圈，包括大气碳库，海洋碳库和陆地生态系统碳库，在不到几十年的时间尺度内，完成了碳14的完全地、快速地混合。

3. 几种天然碳同位素之间的比率保持不变，即所有时期内的总体¹⁴C/¹²C和¹⁴C/¹³C的比例是恒定的。

4. 碳14的半衰期已精确到适当的精确度水平。

5. 自然状态下的碳14可以精确地测量到适当的精度水平。

请注意，理论与现实是有差别的。以上内容是基于理论的假设，而现实情况经常与理论假设的完美状态不相符。

在实践中，前三种假设经常以各种不同的方式和不同的程度被违背或做出调整。如果一个学者试图从批判性的角度评价碳14数据，就必须时刻牢记这一基本事实。因为，以上任意一项基本假设出现误差，都会导致测量结果的不准确。而所有针对基本假设的已知误差做出的任何调整，都会导致过往测年结果的相应调整。

例如，碳14的浓度在过去的时间内并非一直稳定不变，而是随着时间的推移有很大的差异。过去的生物体内含有的碳14 浓度与今天很可能是不一致的。因此，如果以现代的碳14浓度为参照物，去测量过去的有机物体中的碳14浓度变化，得出的测量结果往往是不准确的。这个时候，我们就需要借助其他可以有效估算过去碳14浓度值的手段，来帮助校正碳十四测年法得出的测年结果。

这也就是为什么不能直接使用碳十四测年结果，而是要先对碳十四测年数据做相应的校正。因为，只有参照校正曲线校正过的测年结果，才能反映样本真正的日历年代。常用的校正方法是依靠树轮校正法，最多可推算到大约10000年前。

树木年轮可帮助进行数据校正

考古学者应该注意什么

以上这些前提条件是考古学者在运用碳十四测年法做研究时，需要提前了解并牢记的背景知识。但是，这些前提条件和假设主要应由测年学工作者来负责。考古学者在了解其运行原理的前提下，主要精力应该放在确保测年样品与其来源环境具有安全可靠的物理联系上来。

采集测年样本的整个过程，完全掌握在考古学者手中，而采集环节是关乎样本年代有无考古学价值的关键所在。从科学的角度来看，如果没有相关的细节，例如样品中的有机物是如何与一个特定的人工制品、考古特征、层位、地点或骨骼产生物理联系的，那么可以说单纯的测年数据几乎是毫无意义的。

显然，测年样本与其来源环境的错误归因，并不是碳十四测年无法产生准确的年代推定的唯一原因。然而，在考古学的应用中，这个因素几乎解释了最初产生反常年代测定结果的大多数情况。诚然，在技术环节领域，考古学者通常无法参与使之做的更好。但是，我们在此讨论的目的，是为了把掌握在考古学家的环节做到最大程度的优化，使得考古学者能够准确收集并提交样品进行碳14测量，并在随后阐释测年结果的阶段消除本该避免的错误认知。

因此，考古学者在提交样本进行测年时，需要提交一系列尽可能详细的附带信息：

1. 地点名称：使用标准地理术语(国家、地区、县或区、州或省、UTM坐标、经纬度、网格参考系统)的地点名称。

2. 样品材料：对需要进行¹⁴C分析的样品有机物(如木材、海螺、骨骼、土壤有机物)的性质进行具体鉴定，包括在可能的情况下进行属或种级鉴定。

3. 遗址遗迹类型：说明主要的考古背景，如居址、墓葬、火塘等。

4. 场地环境：当地地形(例如湖泊或河流沉积)、样品提取的特定土壤类型、当前的和已知的以前的植被覆盖、现代土地利用模式等。

5. 样本收集区的环境：样本是否接近可能的污染源(如沼泽或其他有机含量高的土壤，石灰岩地貌，地下水活动，地热温泉，火山活动等)。

6. 地质/地层关系：样品在地层环境中的位置、样品与相关考古特征、地层水平、垂直关系、自然(包括表面发现)或挖掘背景等。

7. 提交人对样品的处理：描述提交人在将样品送到实验室之前对样品所采取的处置措施，例如清洗、晾晒，从样品基质中去除了哪些材料，以及是否使用了防腐剂等。

8. 文化意义：为什么对这些特定的样本测量日期？这些样本与什么问题有关？

常见的代表性问题  

我们具体来说一说碳十四测年法在考古应用中常见的问题和规避方法。

问题一：样本采集

常见的问题是样品采集者没有明确测年样本与目标研究对象的对应关系。这一点，只能通过明确二者的对应关系来解决，前提条件是要搞清楚样本在地层环境中的位置、样品与相关考古特征、土壤水平、垂直关系、自然(包括表面发现)或挖掘背景，以及测量样本所要解决的问题。

此外，有时候会因为提交的样本重量和体积过小，其中包含的碳含量过少而无法有效测量。不过，得益于加速器质谱法(AMS)的普及以及实验室预处理水平的提高，现在对样本重量和体积的要求大大降低了。这些都很大程度上减轻或消除了样本采集困难的问题，使得碳十四测年纳入考古发掘和研究的常规操作成为了可能。

问题二：测年样本材质的选择

选择合适的测年对象很重要。在AMS和预处理技术提升的现在，木炭，骨质样本，种子，果壳等都是比较理想的测量对象。

但是，由于树木存活和使用会跨越较长的时间，会造成一定程度的误差。例如，用于制造大横梁的一棵树的横截面可能包含300个年轮。测量最外层的年轮，显示的年龄接近树木被砍伐或死亡的日期。而测量最中心的年轮部分，将会得到早于树木死亡年龄300年的测年结果。因此在实际运用中需要考虑会测量到“老木头”这种情况，以免造成较大的时间偏差。

最合适的测年对象是种子、果核等生长存活周期短，较为普遍且数量大的植物样本，它们更能反映出有机物的准确死亡年代和进入遗址的年代。随着浮选法在考古发掘中的普及，获取植物大遗存进行测年也变得较为容易和普遍。

问题三：校正测年结果

碳14测年结果常用BP(Before Present)来表示迄今为止的时间，Before Present(迄今)中的present(今)是以1950年为初始时间。而校正过后的迄今时间写作Cal BP，即Calibrated BP。

前文讲过，由于大气中碳14含量随着时间变化会有差异，因此，过去参与大气碳循环圈的古生物体内的碳14含量与现代是有差异的。如果按照现代大气圈内的碳14浓度来测量过去死亡的生物样本，就会造成误差。因此，需要通过比对可靠的校正曲线来校正这种误差，这就是为什么要对实验室测得的结果进行校正的原因。

在实际操作中，过去很多学者由于不了解校正与非校正测年结果的区别，并且没有及时咨询测年专家的意见，就直接采用未进行校正的测年结果作为日历年代，并在此基础上进行一系列的推演分析。而校正和未校正的年代数据，相差可达数百年至数千年不等。这也是过去很多年代判断并不准确的一个重要原因，而这种错误是可以避免的。

因此，当我们看到文献中提到碳十四测年结果时，应当形成条件反射般问出一个问题：这些测年结果是校正过的吗？若是没有校正过的数据，大家也可以很方便的在各种线上软件(如OxCal)自行校正。

问题四：忽视碳库效应

淡水碳库效应(freshwater reservoir effect)可能导致湖泊和河流样本的放射性碳年龄异常。其中包括以淡水鱼为生的人类的骨头，淡水环境中生长的螺壳等。富含溶解的较老碳酸钙的水，通常称为硬水，硬水通过自然循环将老碳累积在生物体内，使得测年时产生偏差，这是产生淡水碳库效应的最常见原因。因此，该现象也称为硬水效应。

研究表明，在富含石灰岩的地貌环境中，如喀斯特地貌，其水生动物的碳十四测年结果比实际年龄偏老可达数千年。因此，在研究淡水贝丘的时候，一定要考虑到螺壳测年的淡水碳库效应，否则可能会造成非常大的推断年代误差。此外，根据研究对象和地域差异，诸如海洋碳库效应等其他影响测量精度的因素，也应该被考古学者考虑在内。

还需要明确的一点是，淡水碳库效应的影响程度不是恒定不变的。也就是说，不同的地区淡水碳库效应的作用强度是不同的，甚至同一地点在不同时期内其作用强度也是不断变化的。所以，在实际的研究中，不能想当然的照搬其他地区的效应强度标准来推断自己样本的偏差值。

因此，还是尽量选择种子和果壳这类不受影响的测年样本最为理想。如果迫不得已必须使用螺壳作为测年样本，那么就必须考虑到淡水碳库效应可能导致的偏差。

问题五：技术更新更正

随着样本的预处理技术、测年技术和校正曲线精度的不断更新更正，很多过往的测年数据也需要重新审视、调整、甚至摒弃。

目前国内常见的因技术更新导致的测年偏差，主要集中于骨质测年。过去，由于预处理技术不完善，骨质样本在埋藏过程中混入的“新碳”物质没有被完全去除，从而导致测年结果不准确。由于预处理不当，致使过去的骨质测年很多都比实际年代偏晚，有时偏差可达数千年。因此，过去很多骨质测年结果需要重新测定，不应再作为可靠数据被引用。

当然，这是因为随着技术进步，以及对过往技术的查漏补缺发现的问题。早先国外很多根据错误骨质测年的考古分析，都重新做了修正。目前，国内也存在骨质测年误差问题，误差时间可从数百到数千年不等。

为此，国内学者陈伟驹曾专门撰文指出过去骨质测年的问题，可惜应者寥寥。骨质测年的问题在全国范围内都存在，需要引起学者们的重视。

学者指出的骨质测年问题

问题六：测年样本数量

在条件允许的情况下，测年样本应该尽量多采集，多测量。单独一个测年样本常常孤证不立，产生误差的可能性也较大，学者无法结合多个测年样本相互印证来提高年龄推断的精度。若能对大量的来自同一地层和同一考古单位内的样本进行测年，那么就可以做到更准确的测定年代范围，增强说服力。

这个问题常因为不够重视，或者经费有限而产生。如果可能的话，还是应该尽量克服一些困难，努力获取更多更系统的测年结果。一系列可靠测年结果对构建区域内的年代框架，以及相同时期跨地域对比研究都有莫大的裨益。

问题七：公布测年信息

由于上述提到的多种原因，考古学者们在公布测年结果时，需要提供尽量详细的测年信息，包括样本编号、实验室编号、样本材质、采集层位、测量方式、未校正年代、校正年代等。

详细的信息披露，有助于其他学者全面了解和参考测年数据的整体情况和可靠性。除了可以避免出现混淆校正结果和未校正结果这种初级错误外，还可以在以后测年技术进步的情况下回溯和修正过往的测年结果。

小结

以上七点是考古界常见的碳十四测年应用问题，希望此文能够引起大家对碳十四测年的重视。

对碳十四测年法基本原理的不清楚，以及对碳十四测年的不当应用等诸多问题，根源在于学界对该方法的不重视。其产生的原因在一定程度上可以理解，考古学作为一个社科类且经常涉及与其他理工科交叉的学科，分支很多，并且学者和老师们的关注点在大多数时间是分散的，可能没有过多的精力关注碳十四测年。

在国内的考古学培养体系内，碳十四测年法甚至整个科技考古学，都是作为一个偏边缘的领域存在着，得不到足够的重视。在大学里，有时候只能依靠个别老师的专业知识和兴趣，去引导学生了解碳十四测年法，但很多学校却并没有成体系的教学方法去系统的学习。

考古，作为一门极其重视时间概念和精确度的学科，任何一种能够为考古学者提供准确年代的方法，都应该被重视。考古地层学，类型学，以及科技测年方法，都应该被视作考古学的基本支柱一样认真对待，其基本原理和正确应用方法应当被认识和掌握。

碳十四测年法作为一个使用频率极高的考古技术手段，其高水平的基础性专著和文章几乎都是用外文发表的。国内碳十四专著和论文集数量还较少，而语言壁垒的难以跨越，致使很多学者对碳十四测年一知半解，我想这也是其应用出错率和测年结果不当展示率很高的原因之一。

近年来，国内很多学者也逐渐意识到这一问题，开始呼吁重视碳十四测年的正确运用，纠正常见的应用错误，这是一个很好的现象。拙文抛砖引玉，希望能引起更多考古同僚对碳十四测年法的重视。

参考文献

R.E.Taylor and Ofer Bar-Yosef. 2014. Radiocarbon Dating: An ArchaeologicalPerspective. 2nd ed. Pp. 404. Routledge, New York.

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