中西部大平原沉积岩中赭石来源的矿物学界定：以X射线衍射分析揭示克里特纪地层颜料资源

《American Antiquity》：Ochre in Sedimentary Rock: Sources in the Central Great Plains

本研究针对北美中部大平原沉积岩区赭石来源长期不明的难题，通过系统采集克里特纪达科他组、卡莱尔页岩等5类地质样本，利用粉末X射线衍射（XRD）技术开展矿物学分析，首次界定出两个具有显著铁氧化物-硫酸盐差异的赭石来源，并证实二叠系“红层”因缺乏显色铁矿物而难以作为颜料资源。该研究为沉积岩区赭石溯源提供了地层尺度的新范式，对重建原住民贸易与资源利用模式具有重要意义。

　　

在北美考古学中，赭石作为史前人类广泛使用的矿物颜料，其溯源研究长期面临挑战。尤其在中西部大平原这类以沉积岩为主的地质环境中，赭石资源分布广泛但成分复杂，传统方法难以精准区分不同来源。25年前，Erlandson等学者在《American Antiquity》呼吁建立区域性赭石地球化学数据库，然而沉积岩中的赭石因形成过程分散、矿物组成异质性高，其溯源精度远低于火成岩或变质岩矿床。此前，该区域考古报告常将赭石简单标记为“赤铁矿”或“褐铁矿”，却从未系统关联其具体地质来源，这极大限制了人们对原住民颜料获取策略与贸易网络的理解。

为破解这一难题，爱荷华大学人类学系的Margaret Beck博士领导的研究团队首次对中西部大平原（堪萨斯、内布拉斯加及爱荷华西部）的沉积岩赭石资源开展系统性矿物学表征。研究聚焦一个核心问题：在广袤的沉积岩景观中，能否通过地层尺度的矿物学特征界定可靠的赭石来源？团队选取了五大地质单元作为潜在赭石源区，包括克里特纪的皮埃尔页岩、尼奥布拉拉组（斯莫基希尔白垩段）、卡莱尔页岩、达科他组以及二叠系粉砂岩与页岩（“红层”），共采集17件地质样本。通过粉末X射线衍射（XRD）分析技术，团队揭示了不同地层中赭石的矿物组成差异，特别是铁氧化物与硫酸盐矿物的分布规律，最终成功界定出两个矿物学特征鲜明的赭石来源。

关键技术方法

研究通过野外采样获取17件地质赭石样本，经手工研磨过筛（＜63μm）后，利用X射线衍射（XRD）分析矿物组成；通过热处理实验（650°C）观察颜色变化，结合孟塞尔土色卡记录色度数据，建立矿物-颜色关联模型。

研究结果

1. 矿物学特征界定两大赭石来源

XRD分析表明，样本中普遍存在石英、云母和粘土矿物（如高岭石），但铁氧化物与硫酸盐矿物的组合具有地层特异性。来源1（克里特纪达科他组）赭石以赤铁矿（0.2%-43.6%）为主，缺乏硫酸盐矿物，其未加热时呈红色；来源2（皮埃尔页岩、尼奥布拉拉组、卡莱尔页岩）以针铁矿为主，含微量赤铁矿，未加热时呈黄色，在250°C–500°C热处理后转为红色，且部分样本检测到黄钾铁矾（jarosite）或石膏（gypsum）等硫酸盐矿物。二叠系“红层”样本未检出铁氧化物，反而富含方解石与白云石，表明其不适合作为赭石原料。

2. 地质-考古学关联验证

视觉对比显示，考古遗址（如25NC1、25CH1）出土的赭石块体在颜色与形态上与达科他组样本高度相似。尼奥布拉拉组样本中石膏含量达72.4%，其作为颜料粘合剂的特性为解读历史文献中庞卡族（Ponca）的“硫磺颜料”记载提供了实证。此外，黄钾铁矾作为来源2的指示性矿物（源于黄铁矿氧化），可耐受低温加热，成为区分地层的关键标志。

3. 热处理行为与人文实践契合

来源2的黄色赭石经250°C–500°C加热后变为红色，与平原地区原民通过露天火堆处理颜料的历史记载（Morrow 1975）完全吻合，证实矿物学特征与人文行为存在内在关联。

结论与意义

本研究首次在中西部大平原沉积岩区建立起地层尺度的赭石溯源框架，突破了过去仅依赖化学成分的同位素溯源局限。通过明确克里特纪达科他组（来源1）与年轻地层组（来源2）的矿物学差异，尤其是硫酸盐矿物的指示作用，为区域考古遗址中赭石的成因判定提供了可靠依据。此外，研究证实二叠系“红层”缺乏有效显色成分，避免了后续研究的资源误判。这一成果不仅填补了北美沉积岩区赭石资源研究的空白，更揭示了矿物学分析在沉积景观考古中的适用性——当化学特征过于均质时，地层级的矿物组合可成为溯源研究的新突破口。未来，结合黄钾铁矾等硫酸盐矿物的检测，有望在更大地理范围内构建赭石资源的地质“指纹库”，最终推动对史前贸易路线与社会网络的深入解读。