Characterizing the Preservation Potential of Buried Marine Archaeological Sites  

埋藏海洋考古遺址保存潛力的表征研究  

來源：Heritage 2020, 3, 838–857

《遺產(chǎn)》2020年第3卷，第838-857頁

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究通過原位測量、沉積物巖心分析和實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了全海洋環(huán)境下埋藏史前遺址（以木質(zhì)文物為例）的保存潛力。結(jié)果表明：  

1. 核心前提：必須首先確定海底目標(biāo)材料（如木質(zhì)文物）的現(xiàn)存保存狀態(tài)；  

2. 關(guān)鍵參數(shù)：溶解氧（DO）和硫化物是評(píng)估環(huán)境氧化還原性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)；  

3. 巖心分析：需測量巖心中的DO、硫化氫（H?S）及孔隙水硫酸鹽含量，并表征沉積物粒徑、含水量（孔隙度）和有機(jī)質(zhì)含量；  

4. 機(jī)制發(fā)現(xiàn)：沉積物表層數(shù)厘米內(nèi)DO快速消耗，隨后硫酸鹽還原主導(dǎo)地球化學(xué)過程；  

5. 保存條件：高孔隙度、低有機(jī)質(zhì)的粗粒沉積物具有更低的有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)率，利于文物保存。  

 

研究目的

 

1. 開發(fā)非破壞性技術(shù)評(píng)估水下考古遺址（以丹麥Tudse Hage遺址為例）的保存潛力；  

2. 建立沉積物環(huán)境參數(shù)（氧化還原狀態(tài)、硫循環(huán)）與有機(jī)質(zhì)文物（如木材）保存狀態(tài)的關(guān)聯(lián)；  

3. 制定海洋考古遺址沉積物保存潛力表征的最佳實(shí)踐指南。  

 

研究思路

 

1. 多尺度環(huán)境表征：  

   ? 原位測量：使用Unisense沉積物剖面儀（圖2）在海底直接測量DO、H?S、pH、氧化還原電位（圖3）；  

 

 

   ? 巖心分析：通過潛水員手持振動(dòng)取芯器（圖4）獲取未擾動(dòng)巖心，實(shí)驗(yàn)室檢測孔隙水硫酸鹽（圖9）、沉積物理化性質(zhì)（圖11-13）；  

 

 

 

 

 

   ? 模擬實(shí)驗(yàn)：構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)體系（圖6），對(duì)比不同沉積物（沙、腐泥、港口沉積物）中有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)速率。  

 

2. 保存狀態(tài)驗(yàn)證：  

   ? 對(duì)巖心中的木質(zhì)碎片（圖16）進(jìn)行碳14定年及降解程度分析，關(guān)聯(lián)環(huán)境參數(shù)與文物實(shí)際保存狀況。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 原位DO與H?S剖面（圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：DO在沉積物5 cm深度耗盡，H?S濃度隨深度增加（10-60 cm），氧化還原電位降至-145 mV。  

 

   ? 意義：證實(shí)遺址處于強(qiáng)還原環(huán)境，抑制好氧微生物降解，利于有機(jī)質(zhì)保存。  

 

2. 巖心多參數(shù)分布（圖8）  

   ? 數(shù)據(jù)：H?S峰值達(dá)2194 μM（深層），pH降至<6.8，硫酸鹽在25-60 cm深度顯著消耗（圖9）。  

 

   ? 意義：硫酸鹽還原主導(dǎo)深層代謝，釋放的H?S可能通過形成硫化物礦物固定金屬離子，間接保護(hù)文物。  

 

3. 沉積物理化性質(zhì)（圖11-13）  

   ? 數(shù)據(jù)：腐泥層（10-20 cm）含水率64.3%、有機(jī)質(zhì)11.5%（易降解碳占50%）；沙層含水率僅17.5%。  

 

   ? 意義：高有機(jī)質(zhì)沉積物加速微生物代謝，而低孔隙沙層抑制物質(zhì)擴(kuò)散，降低降解速率。  

 

4. 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖14, 表4）  

   ? 數(shù)據(jù)：港口沉積物H?S產(chǎn)量最高（1927 μM），沙層最低（43.5 μM）；氧化還原電位穩(wěn)定在-250 mV（圖15）。  

 

   ? 意義：驗(yàn)證沉積物類型對(duì)硫循環(huán)速率的影響，高有機(jī)質(zhì)環(huán)境加速文物降解風(fēng)險(xiǎn)。  

 

 

 

結(jié)論

 

1. 保存狀態(tài)優(yōu)先性：木質(zhì)文物已完全降解（纖維素/半纖維素?fù)p失），在現(xiàn)有還原環(huán)境下無進(jìn)一步劣化風(fēng)險(xiǎn)。  

2. 環(huán)境參數(shù)關(guān)聯(lián)：  

   ? DO耗盡層（<5 cm）與硫酸鹽還原區(qū)（>10 cm）的劃分決定微生物活性空間格局；  

 

   ? 粗粒低有機(jī)質(zhì)沉積物（如沙層）提供更穩(wěn)定保存條件。  

 

3. 技術(shù)適用性：Unisense電極系統(tǒng)（圖2-4）可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)分辨率原位監(jiān)測，但需優(yōu)化傳感器長期穩(wěn)定性。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

1. 毫米級(jí)原位監(jiān)測：  

   ? 通過空心探針（圖3）植入微電極，直接獲取沉積物DO、H?S、pH的垂向剖面（圖7），避免采樣擾動(dòng)導(dǎo)致的氧化狀態(tài)改變。  

 

2. 氧化還原界面精準(zhǔn)定位：  

   ? DO在-5 cm處歸零（圖8），明確好氧/厭氧過渡帶，為遺址保存邊界劃定提供依據(jù)。  

 

3. 硫循環(huán)過程解析：  

   ? H?S濃度梯度（圖7）與孔隙水硫酸鹽消耗（圖9）耦合，證實(shí)硫酸鹽還原是主導(dǎo)降解途徑，指導(dǎo)針對(duì)性保護(hù)策略。  

 

4. 技術(shù)局限性應(yīng)對(duì)：  

   ? 傳感器噪音與靈敏度衰減（圖14）提示需改進(jìn)長期監(jiān)測方案，如結(jié)合巖心校驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖8）。