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：
- http://www.historyofinformation.com/expanded.php?id=1745
- Besang, C., Eckhardt F.J., Harre, W., Kreuzer, H., Müller, P., 1977. Radiometrische Altersbestimmungenan Neogenen Eruptivegesteinen der Türkei. Geol. Jb. B, 25: 3- 36.
- Aydar, E., Gourgaud, A.,1998. The geology of Mount Hasan stratovolcano, central Anatolia, Turkey. JVolc Geotherm Res, 85: 129-152.
- 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.
- 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.
- http://www.telesterion.com/catal2.htm