新石器时代壁画中的火山

作为地球上最宏伟的自然景观之一，火山和火山喷发都常常出现在艺术作品中。目前公认的、最早描绘火山喷发的壁画，竟可追溯到八千多年前的新石器时代 ¹。1963年，考古学家詹姆斯•梅拉特（James Mellaart）在土耳其中部一座名叫Catal Huyuk的村庄遗址中，发现了这幅生活于公元前6200年的人类留在墙上的“涂鸦”（图1）。

图1 发现于Catal Huyuk村庄的火山壁画。上：壁画的发掘现场；下：经过还原处理后的壁画。图片来源：JohnSwogger／Ataman Hotel

这幅壁画乍一看很抽象，但仔细观察就能辨认出处于画面正中间，底部相连的两座山峰。再仔细看，右边那座的山顶有几条黑色曲线向四周发射，仿佛代表了火山喷出的岩石和碎屑；而山顶上方，成云团状的小圆点们，则像是火山喷发冒出的滚滚黑烟。画面底部紧密排列的几行黑色方块所描绘的，正是当时人们居住的房屋。

如此说来，这幅壁画中描绘的火山真的存在吗？它究竟是哪座火山呢？

图2 根据考古学发现对Catal Huyuk的还原图。图片来源：Dan Lewandowski

根据壁画上的描述，考古学家和地质学家们推测：图中这座山正是位于村庄东北方向约130千米远处的Hasan火山（土耳其语：Hasan Dağı）。从外形来看，Hasan火山的山顶“毗邻而居”着两个高度相近的火山口，其海拔分别约为3250米和3070米，与壁画中的“双峰”完美吻合。

图3 Hasan火山的两个山峰。图片来源：andifreeride／summitpost.org

如果把这幅壁画和真实拍摄的火山喷发的照片进行比较，很容易发现两者极高的相似度。例如，壁画右侧山峰上方的云团，通常出现于剧烈火山喷发时。这种喷发形成的气柱和喷出的火山灰，直冲云霄，甚至可能进入平流层 （图 4a）；壁画中右侧山坡上的几个圆形黑点，代表着沿山坡“流”下的熔岩流（或火山碎屑）（图4b）。这些熔岩流虽然已经部分冷却，形成了固态的岩石，但由于常常夹带着火山喷出的水蒸气等气体（图4b中山坡上的“浓烟”），温度仍然高达几百度 。总之，形成这些喷发产物的火山喷发通常被划为剧烈的爆发式喷发（explosive eruption）。可见，画这幅壁画的Catal Huyuk居民（们），很有可能在居住于此的若干年内，见证过一场规模巨大的火山喷发。想要证明这一猜测，考察这座火山喷发的年代就显得至关重要了。对于这种无史书可考的喷发，地质学家们可以利用同位素衰变的原理，对火山喷发形成的火山岩进行定年。

图4 a：喷发中的圣海伦火山 (Mt. St. Helens)（1980年），图片来源：Richard Bowen／OregonLive；b：喷发中的默拉皮 (Merapi) 火山（2006年5月），图片来源：Martin Rietze／Thorsten Boeckel；c：Catal Huyuk村庄中的壁画，图片来源：John Swogger／Ataman Hotel

如何推断出”无人记载”的火山喷发的年代？

首先，我们来看看什么是同位素定年。从现在开始，我们需要从原子的角度来考虑问题。

每一个原子都由质子、中子和电子组成。同一化学元素的原子通常含有相同的质子数，但所含的中子数却可能不同。那些质子数相同、中子数不同的，同一元素的不同核素，被称为同位素。同位素可以大致分为稳定同位素和放射性同位素两种。顾名思义，放射性同位素的原子核不稳定，能够发生衰变形成子同位素，同时放射出α，β，或γ射线。不同同位素衰变的速度不同，人们把放射性（母）同位素衰变到它最初的一半数量所需要的时间，称为半衰期。经过一个半衰期以后，半数的原子核将继续发生衰变，在下一个半衰期中，剩余的原子核又有半数将发生衰变，依此类推（图5）。有许多物理方法能精确的测量半衰期，目前已知的同位素半衰期短的只有几秒，长的甚至远远超过地球的年龄，达到几百万亿年。有些衰变相对缓慢、半衰期较长的同素⁴⁰K，²³⁸U，⁸⁷Rb，即使经历了几十万、几百万年的时间，其母同位素依然很难“消失殆尽”。这些放射性同位素就像漏斗一样，诚实地记录着岩石经历过的时代变迁。 地质学家通过测量岩石中包含的母、子同位素的含量比例，就可以推算出岩石的年龄。常见的、适用于岩石定年的同位素年代学方法包括：钾氩（K-Ar）法，氩氩（⁴⁰Ar/³⁹Ar）法，铀铅（U-Pb）法，铷锶（Rb-Sr）法，钐钕(Sm-Nd)法，等等。

图5 岩石中所包含的母同位素随时间增长逐渐减少，它们衰变形成的子同位素逐渐增多。绿色圆球代表母同位素原子，红色圆球代表子同位素原子。图片来源: NOAA Ocean Explorer

上世纪70年代，地质学家们利用当时刚开始流行的新同位素定年方法——钾氩（K-Ar）法，对Hasan火山的岩石进行了定年研究。他们发现：这座火山形成于约1300万年前，共经历了四个演化阶段，数次喷发的产物总共覆盖了火山周围约760平方千米的土地²。岩浆的成分从洋中脊成因的拉斑质玄武岩 (tholeiite)，逐渐演化为含水量及氧逸度都更高的钙碱质玄武岩(calc-alkaline)。在玄武质岩浆的演化过程中，早期的基性玄武质(basaltic)岩浆，经过岩浆混合及演化，逐渐转变为中性的安山质（andesitic）和酸性的英安质(dacitic)岩浆³。而演化后期的这种偏酸性的岩浆更容易引发剧烈的火山喷发，喷发产物包括钠碱质的熔岩流，火山碎屑岩，以及火山灰——这正好与壁画中的描绘吻合。

自第四纪（距今约260万年）起，Hasan火山进入了新的演化阶段，剧烈的喷发清空了火山通道（图6a），喷发结束以后山顶在重力作用下发生塌陷，形成巨大的破火山口（图6b）。原本堆积在山顶的物质被“移走”后，位于地下的岩浆房中的岩浆受到“头顶”的压力减小了，于是岩浆更容易从破火山口喷出，随后的火山喷发几乎都发生在同一个破火山口中。

Hasan火山的喷发，最初可能集中在画面左侧的火山口处，后来由于岩浆系统或当地地质环境的改变，喷发逐渐转移到了右侧的火山口，并且一直在此发生。在Catal Huyuk的人们生活于此的这段时间里，Hasan火山的喷发很可能早已转移到了右侧的火山口。因此我们看到的壁画中，只有右侧火山口上方有表示喷发的黑色线条。

图6 常见的形成破火山口的四个阶段。图片来源：维基百科

地质学家对喷发形成的火山碎屑岩进行了定年分析，他们发现采集到的岩石样本中，最晚形成的岩石，距今不超过6000年。也就是说，能分析出的最后一次喷发发生于不到6000年前。这与壁画的年龄（距今8200年前）存在大约2000年的差异。

壁画的年龄是通过碳十四（¹⁴C）的方法测得的，而碳十四（¹⁴C）方法被广泛地应用在年龄小于五万年的地质学和考古学定年研究中，测得年龄的相对误差可以小到1%。对于火山岩来说，由于其中的碳含量很低，很难用碳十四（¹⁴C）方法直接定年。

那么，假设测得的壁画年龄是准确的，产生这一年代偏差的原因可能是：

1）在这幅壁画完成的时候Hasan火山仍处于活动期，直到距今6000年左右发生了最后一期喷发；

2）在对“千年级”的岩石样品进行定年时，钾氩（K-Ar）法获得的结果误差较大，所以这个小于6000年的“钾氩（K-Ar）年龄”可能并不可靠。

2014年美国地质学家利用另一种同位素方法 ( 铀钍氦法，U-Th/He)，对Hasan火山喷发形成的浮岩中的锆石（矿物）进行了定年。锆石年龄表明喷发可能发生在距今约9000年 （误差为600年）前⁴。这一年龄与壁画的碳十四（¹⁴C）年龄比较吻合。可见，偏差很可能来自于“钾氩（K-Ar）法不适合对几千年内形成的岩石定年”上。

实际上，钾氩（K-Ar）法更适用于研究年龄超过数万年的岩石。也就是说，在分析“几万岁”、“几十万岁”甚至更老的岩石时，钾氩（K-Ar）法获得的年龄更可靠。钾氩（K-Ar）法是依靠⁴⁰K（母同位素）到⁴⁰Ar（子同位素）的衰变反应进行定年。年龄越老的岩石，其中所含的⁴⁰K经历的衰变时间越长，在相同的⁴⁰K初始浓度的前提下，衰变形成的⁴⁰Ar（子同位素）越多，越容易利用质谱仪测出准确值。相比之下，氩氩（⁴⁰Ar/³⁹Ar）法虽然与钾氩（K-Ar）法的衰变原理类似，但由于其方法上的优越性，已被证实更适合于研究万年级甚至千年级的年轻样品。

利用氩氩（⁴⁰Ar/³⁹Ar）法，科学家们对法国东南部肖维岩洞（Chauvet Cave）中的一副火山壁画可能对应的火山喷发展开了研究。碳十四（¹⁴C）年龄表明，这幅壁画大约绘制于距今3.6万年前。地质学家们对距该洞穴仅35千米的几座火山上的岩石进行了氩氩（⁴⁰Ar/³⁹Ar）定年。他们发现，这些岩石很可能形成于距今2.9万年到3.5万年之间⁵。虽然定年结果的误差约为1万年，但这个年龄与碳十四法得到的壁画年龄基本吻合。也就是说，距今约2-3万年前，这里可能出现过火山喷发，并且被当时的人们画了下来。如果年龄得到进一步证实，那么，肖维岩洞的壁画可能超越前文提到的土耳其壁画，成为最早记录火山的“艺术作品”。

图7   肖维岩洞中的壁画，在这些壁画的背景中，隐约可见一座外形完美的火山。图片来源：D. Genty (left), V. Feruglio D. Baffier (right)／Nature

来自火山的馈赠

居住在火山周围的居民不仅会将火山喷发的情景记录在壁画中，还将火山喷发的产物收集起来，应用在生活里——当然，前提是他们没有被火山喷发夺去性命。

Hasan火山距离发现壁画的Catal Huyuk村庄大约130千米远，小型的喷发很难对当地居民造成生命威胁。相反，它的喷发形成了一种特殊的火山岩——黑曜岩(obsidian)。考古学家们发现，Catal Huyuk的人们要么将黑曜岩打磨成尖锐的切割工具来使用 (图8)，要么将其作为价格昂贵的物品，与周边城镇的人以物易物⁶。不仅如此，连遥远的来自以色列杰里科（Jericho）的工匠们，也宁愿用数量巨大的、产自死海的沥青， 换取几颗黑耀岩，来做成锋利而坚硬的工具。Catal Huyuk的黑耀岩贸易，在当时几乎统治了整个近东市场。

图8在Catal Huyuk村庄遗址发现的黑曜岩切割工具。图片来源：参考资料7

黑曜岩是火山爆发式喷发产生的酸性岩浆快速冷却结晶的产物。由于岩浆被“抛”出地表的速度太快，矿物来不及结晶，因此黑曜岩中几乎不含任何矿物，被称为“玻璃质”，看起来和玻璃的质地类似。它的主要成分为二氧化硅 (SiO₂)，氧化镁 (MgO)和四氧化三铁（Fe₃O₄）。

黑曜岩易碎，断面光滑且锋利，因此从距今约七十万年前的旧石器时代起，生活在Kariandusi（今肯尼亚）的人们就开始使用黑曜岩作为切割工具。到了新石器时代，人们使用和打造工具的能力逐渐娴熟，黑曜岩被打磨成各种形状、具备不同功能的工具，更加广泛地使用在生活中。

图9 天然黑曜岩。图片来源：Everystockphoto

除了作为日常工具以及交易物，黑耀岩还被赋予了一丝“宗教”色彩。由于当地人视火山为“女神”，作为火山产物的黑曜岩被认为具有神的力量。这种对黑曜岩的追捧，甚至发展成了“宗教式”的狂热。 考古学家们发现，Catal Huyuk的人们为黑曜石的交易设立了各种各样的规章法则，建立“神社”专门用于黑耀岩交易，每次交易之前，甚至必须先举行特别的仪式。 黑耀岩在当时城镇中的角色，绝不止是“切割工具”这么简单，更是一种精神象征。

从这一点来看，“凶猛可怕”的火山“偶尔”活动几次，却对人类的进化史产生了不小的推动作用。（编辑：婉珺）

参考资料：

1. http://www.historyofinformation.com/expanded.php?id=1745

2. Besang, C., Eckhardt F.J., Harre, W., Kreuzer, H., Müller, P., 1977. Radiometrische Altersbestimmungenan Neogenen Eruptivegesteinen der Türkei. Geol. Jb. B, 25: 3- 36.

3. Aydar, E., Gourgaud, A.,1998. The geology of Mount Hasan stratovolcano, central Anatolia, Turkey. JVolc Geotherm Res, 85: 129-152.

4. Schmitt,A.K., Danišík, M., Aydar, E., Şen, E., Ulusoy, İ. and Lovera, O.M., 2014.Identifying the volcanic eruption depicted in a neolithic painting atÇatalhöyük, Central Anatolia, Turkey. PloSone, 9(1), p.e84711.

5. Nomade, S., Genty, D., Sasco, R., Scao, V., Féruglio, V., Baffier, D., Guillou,H., Bourdier, C., Valladas, H., Reigner, E. and Debard, E., 2016. A36,000-Year-Old Volcanic Eruption Depicted in the Chauvet-Pont d’Arc Cave(Ardèche, France)?. PloS one, 11(1), p.e0146621.

6.  http://www.telesterion.com/catal2.htm