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》2020年第3卷，第838-857頁

 

摘要核心內容

 

研究通過原位測量、沉積物巖心分析和實驗室模擬實驗，評估了全海洋環境下埋藏史前遺址（以木質文物為例）的保存潛力。結果表明：  

1. 核心前提：必須首先確定海底目標材料（如木質文物）的現存保存狀態；  

2. 關鍵參數：溶解氧（DO）和硫化物是評估環境氧化還原性質的關鍵指標；  

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）和有機質含量；  

4. 機制發現：沉積物表層數厘米內DO快速消耗，隨后硫酸鹽還原主導地球化學過程；  

5. 保存條件：高孔隙度、低有機質的粗粒沉積物具有更低的有機質周轉率，利于文物保存。  

 

研究目的

 

1. 開發非破壞性技術評估水下考古遺址（以丹麥Tudse Hage遺址為例）的保存潛力；  

2. 建立沉積物環境參數（氧化還原狀態、硫循環）與有機質文物（如木材）保存狀態的關聯；  

3. 制定海洋考古遺址沉積物保存潛力表征的最佳實踐指南。  

 

研究思路

 

1. 多尺度環境表征：  

   ? 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取芯器（圖4）獲取未擾動巖心，實驗室檢測孔隙水硫酸鹽（圖9）、沉積物理化性質（圖11-13）；  

 

 

 

 

 

   ? 模擬實驗：構建實驗室培養體系（圖6），對比不同沉積物（沙、腐泥、港口沉積物）中有機質周轉速率。  

 

2. 保存狀態驗證：  

   ? 對巖心中的木質碎片（圖16）進行碳14定年及降解程度分析，關聯環境參數與文物實際保存狀況。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 原位DO與H?S剖面（圖7）  

   ? 數據：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：證實遺址處于強還原環境，抑制好氧微生物降解，利于有機質保存。  

 

2. 巖心多參數分布（圖8）  

   ? 數據：H?S峰值達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，間接保護文物。  

 

3. 沉積物理化性質（圖11-13）  

   ? 數據：腐泥層（10-20 cm）含水率64.3%、有機質11.5%（易降解碳占50%）；沙層含水率僅17.5%。  

 

   ? 意義：高有機質沉積物加速微生物代謝，而低孔隙沙層抑制物質擴散，降低降解速率。  

 

4. 模擬實驗數據（圖14, 表4）  

   ? 數據：港口沉積物H?S產量最高（1927 μM），沙層最低（43.5 μM）；氧化還原電位穩定在-250 mV（圖15）。  

 

   ? 意義：驗證沉積物類型對硫循環速率的影響，高有機質環境加速文物降解風險。  

 

 

 

結論

 

1. 保存狀態優先性：木質文物已完全降解（纖維素/半纖維素損失），在現有還原環境下無進一步劣化風險。  

2. 環境參數關聯：  

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

 

   ? 粗粒低有機質沉積物（如沙層）提供更穩定保存條件。  

 

3. 技術適用性：Unisense電極系統（圖2-4）可實現毫米級分辨率原位監測，但需優化傳感器長期穩定性。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

1. 毫米級原位監測：  

   ? 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），避免采樣擾動導致的氧化狀態改變。  

 

2. 氧化還原界面精準定位：  

   ? 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。  

 

3. 硫循環過程解析：  

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

 

4. 技術局限性應對：  

   ? 傳感器噪音與靈敏度衰減（圖14）提示需改進長期監測方案，如結合巖心校驗數據（圖8）。