吳金旭　張玉修　劉浩宇　Michael Storozum　高峰　楊石霞

關(guān)鍵詞 洞穴堆積物；微形態(tài)；古氣候與古環(huán)境；堆積與埋藏過程；地層年代學(xué)；人類活動(dòng)；古DNA

第一作者簡(jiǎn)介 吳金旭，男，1998年出生，博士研究生，礦物巖石礦床學(xué)，E-mail： wujinxu20@mails.ucas.ac.cn

通信作者 張玉修，男，副教授，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)，E-mail： zhangyuxiou@ucas.edu.cn

中圖分類號(hào) P532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

根據(jù)國(guó)際洞穴學(xué)協(xié)會(huì)的定義，洞穴是指人類能進(jìn)出的天然地下空間，可部分或全部被堆積物、水或冰所充填[1?3]。根據(jù)圍巖性質(zhì)的不同，洞穴可分為巖溶洞穴、砂巖洞穴以及花崗巖洞穴等。其中，巖溶洞穴是喀斯特地貌的重要組成部分，指地下水沿可溶性碳酸鹽巖的層面、節(jié)理或斷層進(jìn)行溶蝕、侵蝕、崩塌而形成的地下空間[3?4]。巖溶洞穴通常與地下水、油氣等自然資源的貯存與運(yùn)移密切相關(guān)[5?7]。如果巖溶洞穴曾被人類利用，則成為洞穴遺址，是考古學(xué)研究的重要對(duì)象[8]。

在洞穴發(fā)育過程中，受各種自然、生物與人為營(yíng)力的影響，洞穴底面保存了極為豐富的洞穴堆積物（圖1）。由于洞穴堆積物的成因復(fù)雜，且在堆積、埋藏過程中容易受到沉積期后作用的擾動(dòng)，往往會(huì)對(duì)野外觀察與識(shí)別造成一定程度的干擾，導(dǎo)致對(duì)同一現(xiàn)象有不同認(rèn)識(shí)[11?12]。微形態(tài)是利用顯微及超顯微技術(shù)對(duì)原位定向樣品進(jìn)行研究的一門學(xué)科，旨在分析肉眼無法識(shí)別的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征，以及其時(shí)序、空間和成因關(guān)系[13?15]。因此，微形態(tài)分析可從微觀角度充分揭示洞穴堆積物所蘊(yùn)含的地質(zhì)學(xué)與考古學(xué)信息，為洞穴堆積物的堆積、埋藏過程的研究提供重要證據(jù)[10，16?18]。

本文總結(jié)洞穴堆積物微形態(tài)研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹微形態(tài)分析在恢復(fù)洞穴古氣候與古環(huán)境、重建洞穴堆積物的堆積與埋藏過程、構(gòu)建地層年代學(xué)框架、解譯人類活動(dòng)及遺傳信息等方面的應(yīng)用，評(píng)估洞穴堆積物中所蘊(yùn)含的地質(zhì)學(xué)與考古學(xué)價(jià)值，并進(jìn)一步展望微形態(tài)分析在洞穴堆積物研究中的未來發(fā)展方向與廣闊應(yīng)用前景。

1 微形態(tài)、微形態(tài)分析與發(fā)展歷史

在歐洲和澳大利亞等地區(qū)，土壤和考古科學(xué)家普遍將微形態(tài)作為一門獨(dú)立的學(xué)科，而美國(guó)同行則將微形態(tài)作為一項(xiàng)技術(shù)手段[19]。本文為避免混淆，以“微形態(tài)”（研究）（micromorphology）指代“ 地質(zhì)考古學(xué)”（geoarchaeology）下的一門分支學(xué)科；以“微形態(tài)分析”（micromorphological analysis）指代對(duì)原位、定向、由樹脂浸漬膠固的堆積物薄片進(jìn)行研究的一項(xiàng)技術(shù)手段。

微形態(tài)最早起源于20世紀(jì)30年代土壤學(xué)的研究[20]，在近百年的發(fā)展過程中，微形態(tài)逐步應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)、考古、第四紀(jì)環(huán)境等多個(gè)研究領(lǐng)域中。自20世紀(jì)50年代開始，微形態(tài)分析便作為一種關(guān)鍵的原位微區(qū)技術(shù)手段，在考古學(xué)領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注[21?24]。微形態(tài)分析主要用于解決傳統(tǒng)手段無法解決的考古問題，包括對(duì)特定成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的識(shí)別，以及對(duì)關(guān)鍵遺跡現(xiàn)象的解譯，可以有效地提升考古學(xué)工作中對(duì)遺址沉積過程、地層層序和特殊遺跡現(xiàn)象的準(zhǔn)確解析[19，25?31]。近年來，隨著觀察和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，微形態(tài)分析的范圍由最初在顯微鏡下進(jìn)行觀察和描述，拓展到與其他原位微區(qū)分析技術(shù)（microcontextualapproach）相結(jié)合[32]，不僅可觀察到超微觀尺度的結(jié)構(gòu)、形貌特征，還可以對(duì)物質(zhì)組成進(jìn)行定性、定量分析（表1）。

微形態(tài)分析主要包括樣品采集、薄片制備和鑒定、描述與解譯等相關(guān)環(huán)節(jié)。在野外樣品采集過程中，應(yīng)保持其原位特征，避免任何擾動(dòng)，對(duì)于較為堅(jiān)硬的堆積物樣品，一般使用刀具直接切割，可用錫箔紙、膠帶、藥棉和鋁針盒等采集包裝；對(duì)于較為松散的堆積物樣品，需要使用皮勞克包裹采集。采集過程中應(yīng)注意標(biāo)注和記錄采集層位、深度與方位等信息[19]。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將原位樣品的包裝拆開，陰干數(shù)日，隨后置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)置60 ℃干燥數(shù)日；再將樣品放置于盛有固定配比樹脂混合物的不銹鋼容器，進(jìn)行注膠、滲透；待樹脂混合物在樣品中滲透完全后，置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)置60 ℃熱固化一晝夜，最后將膠固樣品磨制成30 μm 厚的多功能薄片[16，27]。對(duì)多功能薄片的鑒定、描述與解譯，主要利用偏光顯微鏡，識(shí)別并分析薄片中的主要成分（無機(jī)組分、有機(jī)組分、土壤形成物pedological features等）、典型結(jié)構(gòu)（fabric，堆積物成分的空間排列、形狀、大小及豐度）和構(gòu)造（microstructure，團(tuán)聚體aggregate與孔隙void的大小、形狀以及排列關(guān)系）[19，25，27]。目前國(guó)際上比較公認(rèn)的鑒定、描述與解譯參考標(biāo)準(zhǔn)是Handbookfor Thin Soil Section Description[25] 與Guidelines forAnalysis and Description of Soil and Regolith ThinSections[19]。

國(guó)際上，微形態(tài)分析不僅成功應(yīng)用于多個(gè)經(jīng)典曠野遺址的研究[61?65]，在南非、地中海周緣、東亞與東南亞等區(qū)域的洞穴遺址研究中，微形態(tài)分析同樣發(fā)揮了不可替代的作用（圖2），為探究人類演化歷程提供了獨(dú)特、可靠的證據(jù)。在國(guó)內(nèi)，考古學(xué)領(lǐng)域的微形態(tài)分析聚焦于曠野遺址[90?100]，僅在北京周口店洞[85]、貴州盤縣大洞[86]、湖南玉蟾巖洞[87]、江西仙人洞[54]等少數(shù)洞穴遺址開展了微形態(tài)分析工作。

2 洞穴堆積物及其微形態(tài)分析

在洞穴的發(fā)育過程中，受各種自然、生物與人為營(yíng)力的影響，洞穴底面保存了極為豐富的洞穴堆積物，主要包括原地碎屑堆積物、異地碎屑堆積物、化學(xué)堆積物、生物堆積物以及人為堆積物（圖1）。通過微形態(tài)分析，可從微觀角度充分揭示洞穴堆積物中蘊(yùn)含的地質(zhì)學(xué)與考古學(xué)信息（表2）。

2.1 原地碎屑堆積物（autochthonous deposits）

原地碎屑堆積物是指受季節(jié)性氣候變化、生物活動(dòng)以及地震等因素的影響，洞穴的基巖或洞穴次生碳酸鈣從洞壁或洞頂發(fā)生剝落，最終以不同形式堆積在洞穴底面，形成的崩塌堆積物，即“éboulis”或“roofspall”[10，16]。當(dāng)洞穴底面不平坦或洞穴底面遭受地下河沖刷，崩塌堆積物會(huì)發(fā)生短距離的重力、水力搬運(yùn)與堆積作用。在這些情況下，崩塌堆積物的碎屑結(jié)構(gòu)特征（包括碎屑的粒度、分選性與磨圓度）主要與堆積位置以及搬運(yùn)過程有關(guān)。粒度較小、分選性與磨圓度較好的崩塌堆積物可能經(jīng)歷過地下河流的搬運(yùn)和堆積（圖3a）。在一些以石英巖為基巖的洞穴中，如南非Pinnacle Point Cave 5-6[67]，崩塌堆積物的主要成分為細(xì)粒石英巖碎屑，在小型重力流（gravity flows）的影響下可能發(fā)生微旋轉(zhuǎn)變形（圖3b），有研究表明重力流的形成與人類用火產(chǎn)生的灰燼有關(guān)[101]。

2.2 異地碎屑堆積物（allochthonous deposits）

2.2.1 風(fēng)積物（aeolian deposits）

風(fēng)積物是指在風(fēng)力作用下，由洞穴外部輸入并堆積在洞穴底面的異地碎屑堆積物。風(fēng)積物主要由分選較好的細(xì)—粉砂級(jí)碎屑組成，常混雜有骨骼、木炭與殼類等碎屑成分，易受徑流、生物擾動(dòng)、人類踩踏行為等沉積期后作用的影響[18，46，67，102]（圖4a，b）。風(fēng)積物常見于洞口較開闊或洞頂局部坍塌形成“天窗”的洞穴，其堆積速率往往由洞口的結(jié)構(gòu)決定。在一些沿海洞穴，如南非的Pinnacle Point Cave 29、Staircase Cave 以及Crevice Cave[68]，隨著海平面下降和海岸線后退，洞穴內(nèi)的物質(zhì)輸入逐漸以風(fēng)積物為主，甚至形成沙丘（dune）。因此，對(duì)風(fēng)積物的微形態(tài)分析可用于海岸區(qū)域洞穴堆積過程的重建與對(duì)比[10，16，66?68]。

2.2.2 沖積物（fluvial deposits）

沖積物是指由地下河或洞外河流、洪水?dāng)y帶，在洞穴底面堆積的異地碎屑堆積物[10，16，103- 105]。沖積物的結(jié)構(gòu)特征（粒度、分選性與磨圓性）主要取決于沖/洪積能量。沖積物顯示與露天環(huán)境沖/洪積物類似的沉積構(gòu)造特征[17，106]，例如經(jīng)歷低能徑流或片狀沖刷的砂—粉砂堆積物發(fā)育水平層理，黏土堆積物局部集中發(fā)育脈狀層理（圖4c，d），這些微細(xì)層的層理構(gòu)造可指示古水流方向及強(qiáng)度，但易被沉積期后作用（如古氣候環(huán)境擾動(dòng)）破壞[18，107]。在洪水過境后的短暫平流時(shí)期，洞穴底面易形成平流堆積物（slackwaterdeposits），主要由細(xì)粒的懸移質(zhì)粉砂—黏土物質(zhì)組成，并含有植物孢子、花粉、草木、根莖、碎葉和有機(jī)質(zhì)等成分，因此可根據(jù)平流堆積層位劃分古洪水事件[108?111]。

洞穴中還存在一些特殊情況下形成的沖積物。當(dāng)洞口外部存在斜坡時(shí)，坡面上的堆積物會(huì)被地表水流搬運(yùn)并堆積在洞口底面，形成洞口坡積物（entrance talus），其分選性與磨圓度一般較差，孔隙度較高[10，111]。

2.3 化學(xué)堆積物（chemical deposits）

在長(zhǎng)期封閉的洞穴內(nèi)部，由于空氣對(duì)流條件差且濕度較大，在水分與生物活動(dòng)的作用下，常發(fā)育豐富的化學(xué)堆積物。最為常見的是洞穴次生碳酸鈣（speleothems），由富含CaCO3的滴水或地下水形成，包括滴石（如鐘乳石、石筍）、流石（如鈣華、邊石）（圖5a），常用于鈾系精確測(cè)年[112?113]，作為古氣候、古環(huán)境指標(biāo)[114]，還具有可靠的海平面指示意義[115]。洞穴鈣華（cave tufa）的形成還與洞頂或洞壁上生長(zhǎng)的植物有關(guān)[111]（圖5b）。此外，當(dāng)CaCO3飽和的滴水、地下水穿過洞穴底面時(shí)，可浸漬、膠結(jié)、角礫化先前存在的洞穴堆積物，形成巖溶角礫巖（breccia）。

2.4 生物堆積物（biological deposits）

洞穴作為天然庇護(hù)所，除被人類占領(lǐng)作為生活場(chǎng)所外，還吸引著各類生物到此棲息。在人類棄用洞穴的階段，大型穴居肉食動(dòng)物、鳥類、蝙蝠通常會(huì)占據(jù)洞穴，在洞穴底面殘存大量的生物糞便堆積[43，83，116?117]（圖6）。在人類占據(jù)洞穴階段，狩獵、進(jìn)食等行為會(huì)在洞穴底面殘留大量動(dòng)物骨骼（圖7a，b），人類在建造火塘用火的過程中，還會(huì)將動(dòng)物骨骼作為一種燃料進(jìn)行燃燒，導(dǎo)致骨骼的顏色、結(jié)晶程度發(fā)生變化。通常情況下，新鮮骨骼的顏色為自然白色—黃色，經(jīng)燃燒后變?yōu)槌壬t色[89，118?119]，因此對(duì)比燒骨的顏色程度，結(jié)合X射線衍射與傅里葉紅外光譜技術(shù)手段分析燒骨的結(jié)晶程度，可進(jìn)一步反推燒骨所經(jīng)歷的燃燒溫度范圍[48，120]。在一些沿?；蚺R河洞穴中還存在殼類生物化石（如貝殼、蛋殼、蝸牛殼等）（圖7c，d），可能是由海水或河流輸入至洞穴，或由人類帶入進(jìn)行食用或商用[59]。

在洞穴入口見光區(qū)，由于自然光照、環(huán)境溫度和濕度條件較好，高等植物多在此處生長(zhǎng)。在潮濕的洞穴微環(huán)境中，高等植物根系在吸收地下水的同時(shí)，還吸收了一定量的可溶性CaCO3，導(dǎo)致根系發(fā)生次生鈣化，形成鈣質(zhì)根莖體（圖7e，f）。當(dāng)可溶性CaCO3經(jīng)植物的輸導(dǎo)組織傳輸并沉淀在植物細(xì)胞中時(shí)，則會(huì)形成植物細(xì)胞假晶（圖7g，h）。同理，當(dāng)?shù)叵滤锌扇苄許iO2經(jīng)傳輸并沉淀在植物細(xì)胞中時(shí)，則會(huì)形成植硅體。在人類占據(jù)洞穴階段，洞外的植物通常會(huì)被人類帶入洞穴，作為一種燃料用于取火，或用于編制草席（詳見3.4節(jié)討論）。在燃燒過程中，如果植物經(jīng)過不完全燃燒，則會(huì)發(fā)生碳化作用形成木炭（fossilcharcoal），其反射率可反映形成時(shí)的溫度范圍[46，121]；如果植物經(jīng)過完全燃燒，則會(huì)形成大量灰燼（ash），重結(jié)晶后可形成方解石，在某些特殊情況下會(huì)以植物細(xì)胞假晶的形態(tài)保存下來[111]。

2.5 人為堆積物（anthropogenic deposits）

在許多洞穴遺址中，由于自然堆積過程十分緩慢，即便人類只在洞穴中進(jìn)行過短暫的棲息，在關(guān)鍵文化層中的人為堆積物也可能多于自然堆積物。常見的人為堆積物包括人類骨骼化石、文化遺存（如赭石、石器、骨器等）[58?59，122]以及火塘、草席等古人類活動(dòng)面（圖8，詳見3.4節(jié)）。

2.6 物理沉積期后作用（physical post?depositionalprocesses）

物理沉積期后作用是指受自然、生物、人為營(yíng)力作用的影響，洞穴堆積物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及空間位置發(fā)生改變，而成分未發(fā)生變化的過程。

2.6.1 自然擾動(dòng)

自然擾動(dòng)是指古氣候與古環(huán)境變化（溫度、降雨量）、地震活動(dòng)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等自然因素對(duì)洞穴堆積物造成的擾動(dòng)。在對(duì)自然擾動(dòng)的微形態(tài)分析中，最為典型的是古氣候與古環(huán)境變化對(duì)洞穴堆積物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)，隨著低溫凍融作用加劇，洞穴堆積物的微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出板狀—透鏡狀—粒狀的逐漸過渡變化（圖9，詳見3.1節(jié)）。

2.6.2 生物擾動(dòng)

生物擾動(dòng)主要是指穴居生物（如老鼠、蚯蚓等）的踩踏、翻找、挖掘等行為，以及植物根系的生長(zhǎng)對(duì)洞穴堆積物造成的擾動(dòng)，一方面會(huì)導(dǎo)致堆積物孔隙度增加，另一方面還會(huì)破壞關(guān)鍵文化層位的堆積信息，造成關(guān)鍵堆積物的垂直位移與混合，擾亂堆積物的原始空間分布，進(jìn)而影響年代學(xué)分析結(jié)果[18，59，80，124]（圖10a，b）。

2.6.3 人為擾動(dòng)

人為擾動(dòng)是指人類的清掃（sweeping）、傾倒（dumping）、踩踏（trampling）等行為對(duì)洞穴堆積物造成的擾動(dòng)，如導(dǎo)致骨骼、殼類等關(guān)鍵信息發(fā)生壓實(shí)、斷裂、位移[43]（圖10c，d）。Miller et al.[125]曾在重建火塘的實(shí)驗(yàn)中，在微觀尺度下區(qū)分了清掃、傾倒、踩踏三種行為。

2.7 化學(xué)沉積期后作用（chemical post?depositionalprocesses）

化學(xué)沉積期后作用與洞穴內(nèi)活躍的水文環(huán)境、蝙蝠/鳥類糞便以及其他有機(jī)質(zhì)的聚集、氧化、降解密切相關(guān)，主要受水分、溫度、pH值、氧化態(tài)和離子濃度等因素影響，控制著碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、磷酸鹽礦物以及鐵錳礦物的形成[40， 126]。

2.7.1 碳酸鹽礦物

水是影響化學(xué)沉積期后作用最為關(guān)鍵的因素，主要控制著方解石、文石等碳酸鹽礦物的沉淀與溶解（圖11a，b）。在Karkanas et al.[86]對(duì)貴州盤縣大洞的微形態(tài)分析中，發(fā)現(xiàn)堆積物中存在大量泥晶/亮晶方解石膠結(jié)物，由此推測(cè)洞穴底面曾長(zhǎng)期被水覆蓋。

2.7.2 硫酸鹽礦物

蝙蝠/鳥類糞便的降解是影響化學(xué)沉積期后作用的另一重要因素。蝙蝠/鳥類糞便在洞穴中不易保存，降解后溶解的CO2可營(yíng)造酸性環(huán)境，同時(shí)釋放硫酸鹽、磷酸鹽等多種酸根離子[35?36，40，47，102，104]。方解石、文石在酸性環(huán)境下發(fā)生溶解，釋放的碳酸鹽與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，在干燥條件下蒸發(fā)可形成石膏[37，89，127?128]（圖11c，d）。

2.7.3 磷酸鹽礦物

蝙蝠/鳥類糞便降解釋放的磷酸鹽，還可與方解石、文石溶解釋放的碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸磷灰石（dahllite）。在不同的微環(huán)境條件下（如pH值、基巖成分以及磷濃度），碳酸磷灰石進(jìn)一步發(fā)生成巖作用（diagenesis） ，可形成一系列磷酸鹽礦物[18，36，40，104，126，129?130]（圖11e，f）。Shahack-Gross et al.[128]研究洞穴蝙蝠糞便發(fā)現(xiàn)，磷鉀鋁石（taranakite）、磷鋁石（variscite）通常在酸性條件下形成，可能是食蟲蝙蝠糞便降解的結(jié)果。

2.7.4 鐵錳礦物

蝙蝠/鳥類糞便降解在營(yíng)造酸性環(huán)境的同時(shí)，還可促進(jìn)有機(jī)物發(fā)生氧化，創(chuàng)造還原條件，有利于鐵錳礦物的形成（圖11g，h）。此外，鐵錳礦物的形成還與微生物活動(dòng)（促進(jìn)鐵錳元素的遷移）以及水飽和條件（創(chuàng)造厭氧環(huán)境）有關(guān)[59，89，128]。

3 洞穴堆積物微形態(tài)分析及其應(yīng)用

3.1 恢復(fù)古氣候與古環(huán)境

棱角狀洞穴碎屑堆積物的大量存在，曾被用于指示寒冷低溫的古氣候、古環(huán)境條件[131]。然而受沉積期后作用的影響，碎屑堆積物容易發(fā)生溶解或蝕變，其形狀隨之發(fā)生改變（圖12），因此將棱角狀洞穴碎屑堆積物的豐度作為古氣候、古環(huán)境變化指標(biāo)存在較大的爭(zhēng)議[18]。最新的研究證明，微形態(tài)分析可為恢復(fù)洞穴堆積物古氣候、古環(huán)境研究提供更為可靠的證據(jù)。低溫凍融作用（cryogenesis）是指在季節(jié)性的寒冷低溫氣候環(huán)境下，洞穴基巖裂縫和堆積物中的水分發(fā)生周期性的凍結(jié)、融化。在低溫凍融作用初期，洞穴堆積物會(huì)逐漸產(chǎn)生裂縫，形成板狀和透鏡狀結(jié)構(gòu)。隨著低溫?cái)_動(dòng)程度的持續(xù)加強(qiáng)，洞穴堆積物的層理等構(gòu)造特征逐漸被破壞，透鏡狀聚合物發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終形成顆粒狀結(jié)構(gòu)[132]（圖9a，b）。在意大利Arene Candide Cave[38]、Tana di Badalucco Cave[77]、法國(guó)Combe Sauni`ere[41]、西班牙Esquilleu Cave[78]、西伯利亞Denisova Cave[83]以及中國(guó)盤縣大洞[86]等多個(gè)洞穴的微形態(tài)分析中均識(shí)別出典型的低溫凍融作用。

古氣候與古環(huán)境條件還可以反映古人類對(duì)洞穴占領(lǐng)階段的性質(zhì)與規(guī)律。McAdams et al.[43]根據(jù)對(duì)越南Con Moong Cave洞穴堆積物的微形態(tài)分析，結(jié)合云南小白龍洞穴石筍δ18O所記錄的印度季風(fēng)強(qiáng)度與區(qū)域降水量變化[133]，證明在MIS 3時(shí)期，古人類對(duì)洞穴的占領(lǐng)發(fā)生在強(qiáng)季風(fēng)環(huán)流和強(qiáng)降水時(shí)期，在干燥氣候環(huán)境時(shí)期洞穴被棄用。

3.2 重建洞穴堆積物的堆積與埋藏過程

在自然、生物、人為營(yíng)力的作用下，不同年代、不同來源或不同成因的堆積物在洞穴底面疊置，形成一定的堆積層序和界面[12]。受沉積期后作用的影響，洞穴堆積物的堆積與埋藏過程以及相互之間的接觸關(guān)系十分復(fù)雜，尤其人類活動(dòng)產(chǎn)生的人為堆積物具有很強(qiáng)的變異性，這些因素都干擾著對(duì)洞穴剖面的整體研究。

為了更好地重建洞穴堆積物的堆積與埋藏過程，在對(duì)洞穴堆積物進(jìn)行微形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，引入沉積微相的概念，以表征薄片、揭片、磨光面或堆積物樣品中的沉積學(xué)和古生物學(xué)資料[69，134?137]。通過劃分不同沉積微相類型，追蹤重復(fù)出現(xiàn)的關(guān)鍵堆積物或沉積期后作用，分析其在水平和垂直方向上的變化，結(jié)合地層年代學(xué)框架，可重建洞穴堆積物在空間與時(shí)間上的堆積、埋藏演化歷史（圖13）?？偨Y(jié)洞穴中典型沉積微相的發(fā)育、演化規(guī)律以及時(shí)空組合形式，還可進(jìn)一步建立具有普遍意義的洞穴堆積物沉積微相模式。目前沉積微相分析已在多個(gè)洞穴的堆積物微形態(tài)分析中成功實(shí)踐，如南非BlombosCave[46]、Pinnacle Point Cave 5-6[67]、Sibudu Cave[69]、希臘Klisoura Cave 1[76]以及西班牙Cendres Cave[79]。

3.3 構(gòu)建地層年代學(xué)框架

重建洞穴堆積物的堆積與埋藏過程離不開地層年代學(xué)框架的構(gòu)建。目前，洞穴堆積物的地層對(duì)比與年代研究以絕對(duì)測(cè)年方法為主[138]（圖14）。14C測(cè)年主要針對(duì)木炭、貝殼、糞便、骨頭等材料，年代測(cè)定范圍在5萬年以內(nèi)[88]。釋光測(cè)年主要針對(duì)堆積物中的石英與長(zhǎng)石礦物，年代測(cè)定范圍介于數(shù)百到數(shù)十萬年[82]。鈾系測(cè)年主要針對(duì)石筍、鈣華等洞穴次生碳酸鈣，年代測(cè)定范圍為1千年至80萬年[68]。

由于洞穴堆積物的堆積和埋藏過程十分復(fù)雜，且易受沉積期后作用的干擾，洞穴堆積層位并不總是遵守層序疊加律，可能遭受破壞，甚至發(fā)生混合、倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)致不同年代的測(cè)年材料或年代學(xué)指示物出現(xiàn)在同一層位中，影響最終測(cè)年結(jié)果的準(zhǔn)確性。在2015年對(duì)湖南省福巖洞遺址人類化石和古脊椎動(dòng)物化石的研究中，Liu et al.[141]利用鈾系測(cè)年方法對(duì)鈣板層位展開年代測(cè)定，推測(cè)覆蓋于鈣板層下方的人類化石的埋藏年代介于距今8～12萬年。Sun et al.[142]在2019年對(duì)湖南省福巖洞遺址展開的研究工作中，直接對(duì)部分牙齒化石進(jìn)行了14C測(cè)年，結(jié)果顯示人類化石的埋藏年代未超過5萬年。Sun et al.[142]認(rèn)為L(zhǎng)iu etal.[141]利用上下地層年代來確定人類化石的埋藏年代是不全面、不準(zhǔn)確的，在洞穴內(nèi)復(fù)雜的流水侵蝕與堆積過程的作用下，洞穴堆積層位可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)，造成所選用測(cè)年的鈣板層位對(duì)下覆化石層可能是“假覆蓋”。在Martinón-Torres et al.[143]對(duì)Sun et al.[142]的回復(fù)中認(rèn)為，湖南省福巖洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Sun et al.[142]與Liu et al.[141]分別采集到的人類化石并非來自同一發(fā)掘剖面的同一層位，因此兩批測(cè)年結(jié)果之間是否可以用于直接對(duì)比仍然值得商榷。在出土距今約1.9～2萬年陶片的江西省仙人洞遺址中，Patania et al.[54]通過對(duì)洞穴堆積物展開微形態(tài)分析，確定了測(cè)年樣品所處層位未受沉積期后作用的擾動(dòng)，進(jìn)一步證明了陶片埋藏年代的準(zhǔn)確性與可信性。

因此，微形態(tài)分析可有效識(shí)別關(guān)鍵測(cè)年材料所處層位，分析沉積期后作用的影響，確定所處層位的完整性以及不同堆積層位之間的接觸關(guān)系，充分記錄層序背景以及堆積、埋藏過程，為構(gòu)建洞穴地層年代框架提供有力可靠的證據(jù)。

3.4 古人類活動(dòng)面

3.4.1 火塘

使用并控制火是人類演化過程中重要的技術(shù)變革和使用功能行為?；鹛潦沁@一技術(shù)與行為的物質(zhì)表現(xiàn)，指人類有意將木材或植物材料運(yùn)輸至活動(dòng)地點(diǎn)或居址，在特定位置將其燃燒后用于炊食、取暖或照明[32，144]，因此對(duì)于火塘的研究一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。對(duì)史前時(shí)期，特別是舊石器時(shí)代洞穴遺址中火塘的研究一直存在較大的爭(zhēng)議，主要是由于：火塘的保存通常并不完整；對(duì)火塘的宏觀研究通常是間接的、主觀的描述，始終缺乏定量和定性的證據(jù)；自然火災(zāi)以及洞穴內(nèi)蝙蝠/鳥類糞便自燃等現(xiàn)象會(huì)干擾對(duì)火塘的判斷[145]。

Berna et al.[48]對(duì)南非Wonderwerk Cave的研究中，綜合野外宏觀觀察證據(jù)以及微形態(tài)分析與傅里葉紅外光譜分析結(jié)果，排除自然火災(zāi)或蝙蝠/鳥類糞便自燃現(xiàn)象，最終證實(shí)了洞穴內(nèi)約1百萬年前的人類主動(dòng)用火行為。因此，微形態(tài)分析是識(shí)別火塘等人類主動(dòng)用火遺跡最強(qiáng)有力的手段之一[46，48，52，146?147]（圖8a，b）。微形態(tài)分析結(jié)合其他原位微區(qū)分析技術(shù)還可提供燃料類型、燃燒溫度、強(qiáng)度、功能用途（如生活、宗教儀式）等信息，進(jìn)一步結(jié)合傅里葉紅外光譜分析可獲得燒土與燒骨的燃燒溫度范圍[48，50，87]；結(jié)合拉曼光譜分析可判斷炭質(zhì)的性質(zhì)（如脂質(zhì)或木炭）[55]。

3.4.2 草席燃燒

在Wadley et al.[71]對(duì)南非Border Cave的研究中發(fā)現(xiàn)，至少在20萬年前古人類便開始將洞穴周圍的植物帶入洞中，編制成草席（Bedding），用于休息與勞作，最終古人類為驅(qū)除害蟲并保持住處的清潔，會(huì)將草席燃燒。在對(duì)Sibudu Cave[69]與Cendres Cave[79]的微形態(tài)分析中，同樣識(shí)別出草席燃燒的古人類活動(dòng)面。后來在Wadley et al.[70]對(duì)Sibudu Cave的微形態(tài)研究，以及Miller et al.[123]的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在草席燃燒過程中，頂部由于氧氣充足，通常會(huì)形成細(xì)層狀的高堿性灰燼（pH=9～13.5），由98%的方解石和少量硅質(zhì)成分（如植硅體）組成；而底部由于缺氧則會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)生炭化（圖8c，d）。

3.4.3 動(dòng)物骨骼油脂開發(fā)和利用

動(dòng)物骨骼油脂的開發(fā)和利用是古人類重要的生計(jì)方式，可為古人類的生存與活動(dòng)提供能量來源和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充[148?149]。在舊石器時(shí)代晚期，通過煮熟加熱骨骼提取油脂的行為活動(dòng)已經(jīng)較為普遍[148]。在Patania et al.[87]對(duì)湖南玉蟾巖洞穴的研究中，綜合微形態(tài)分析與傅里葉紅外光譜分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)受機(jī)械破碎的骨骼碎屑顯示出與周圍黏土不同的受熱特征，由此推測(cè)是古人類利用陶器將骨骼煮熟加熱，從中獲取骨脂的結(jié)果。最新的實(shí)驗(yàn)研究表明，在微形態(tài)樣品制備過程中，利用樹脂混合物對(duì)原位堆積物樣品進(jìn)行膠固后，可從膠固樣品中直接提取脂質(zhì)以及生物標(biāo)志物，利用氣相色譜—質(zhì)譜法確定其組成、含量和結(jié)構(gòu)，判斷其生物種屬，進(jìn)而揭示其中蘊(yùn)含的古人類活動(dòng)信息[56，149]。

3.5 堆積物古DNA 提取

堆積物古DNA的研究已進(jìn)入全基因組時(shí)代，隨著近幾年提取方法的不斷革新，目前已在歐洲比利時(shí)Trou Al′Wesse Cave、克羅地亞Vindija Cave、西班牙El Sidrón Cave 和Estatuas Cave、法國(guó)Caune del′Arago Cave 和Les Cottés Cave，西伯利亞DenisovaCave和Chagyrskaya Cave以及青藏高原白石崖溶洞等多個(gè)洞穴遺址的堆積物中成功采集到了古人類DNA信息[150?154]。

最新的實(shí)驗(yàn)研究證明，與脂質(zhì)以及生物標(biāo)志物類似，古DNA 信息在膠固樣品中同樣可以完整保留[155]。此外，鑒于微形態(tài)分析未受擾動(dòng)的特性，從樣品采集到薄片制備的整個(gè)流程中，樣品都保持著原位狀態(tài)，因此膠固洞穴堆積物是古DNA采集的理想對(duì)象。在對(duì)西伯利亞Denisova Cave洞穴堆積物研究中發(fā)現(xiàn)，受沉積期后作用的影響，不同哺乳動(dòng)物的古DNA分布存在毫米級(jí)的差異，因此古DNA在洞穴堆積物中的分布并不均勻[83]。微形態(tài)分析可有效識(shí)別骨骼、糞便化石等富含古DNA的關(guān)鍵成分（圖15），評(píng)估沉積期后作用造成的影響，從而提高膠固洞穴堆積物中古DNA的采集率，并將遺傳信息與微地層尺度上的考古和生境記錄緊密關(guān)聯(lián)[84，155]。

4 認(rèn)識(shí)與展望

微形態(tài)分析可充分揭示洞穴堆積物中所蘊(yùn)含的豐富地質(zhì)與考古學(xué)信息，并為恢復(fù)洞穴古氣候與古環(huán)境、重建洞穴堆積物的堆積與埋藏過程、構(gòu)建地層年代學(xué)框架、解譯古人類活動(dòng)及遺傳信息研究提供有力的證據(jù)。未來洞穴堆積物研究應(yīng)重點(diǎn)開展以下幾個(gè)方面的工作。

（1） 在我國(guó)，洞穴主要分布于長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)，尤以西南熱帶和亞熱帶氣候區(qū)最為密集，目前僅在北京周口店洞穴、貴州盤縣大洞、湖南玉蟾巖洞、江西仙人洞等少數(shù)洞穴開展了微形態(tài)分析工作。因此在未來對(duì)洞穴堆積物的研究中，微形態(tài)分析應(yīng)作為關(guān)鍵手段，與傳統(tǒng)的研究方法以及最新的原位微區(qū)分析測(cè)試手段（如TIMA自動(dòng)礦物分析系統(tǒng)）相結(jié)合，使得對(duì)洞穴堆積物的解譯更加完善、可信。

（2） 盡管微形態(tài)分析在各項(xiàng)學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越普遍，但大多數(shù)鑒定、描述與解譯結(jié)果都取決于分析者的工作經(jīng)驗(yàn)、個(gè)人技能以及知識(shí)體系，具有很強(qiáng)的主觀性，對(duì)于某些關(guān)鍵現(xiàn)象的解譯可能仍存在爭(zhēng)議[15，156]。因此，為進(jìn)一步增強(qiáng)微形態(tài)分析結(jié)果的可信度，在未來的微形態(tài)研究中應(yīng)當(dāng)：1）拓寬多學(xué)科領(lǐng)域的交叉合作，從不同專業(yè)的思維角度印證微形態(tài)分析結(jié)果的可靠性；2）定期召開國(guó)際學(xué)術(shù)交流與培訓(xùn)，統(tǒng)一專業(yè)術(shù)語，規(guī)范微形態(tài)分析的鑒定、描述與解譯標(biāo)準(zhǔn)；3）開展實(shí)驗(yàn)研究，模擬洞穴堆積物的堆積與埋藏過程，探究沉積期后作用機(jī)理及其影響因素，為微形態(tài)分析的解譯工作提供重要的參考依據(jù)。

（3）“ 深時(shí)數(shù)字地球”（DDE）是由我國(guó)科學(xué)家發(fā)起的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，旨在整合地球演化全球數(shù)據(jù)、共享全球地學(xué)知識(shí)[157]。目前關(guān)于洞穴堆積物的顯微圖像數(shù)據(jù)存在欠缺，因此將洞穴堆積物的微形態(tài)研究融入到DDE計(jì)劃，一方面可加強(qiáng)各研究團(tuán)隊(duì)之間的交流共享，另一方面也可為日后的研究工作提供參考標(biāo)準(zhǔn)，為未來的學(xué)術(shù)研究建立數(shù)據(jù)檔案和存儲(chǔ)庫(kù)。

致謝 在文獻(xiàn)整理和綜述過程中，作者與宋國(guó)定教授、李有騫研究員、王數(shù)教授、吳春明教授、邱開衛(wèi)館長(zhǎng)、岳建平副教授、王光杰副研究員、宋麗紅高級(jí)工程師、金鑫博士與張瑋碩士，以及研究生王晗、李京亞、浣發(fā)祥、林乃如、唐海荃等就微形態(tài)研究與分析開展了有益的討論；三位審稿專家和編輯部馬素萍老師提出了針對(duì)性的修改意見，在此一并表達(dá)誠(chéng)摯的謝忱。