《Journal of Archaeological Science》：Strontium, fire, and bones: 87Sr/86Sr and δ88/86Sr values remain unaffected in bone heated up to 1400 °C
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锶同位素分析在火化骨骼中的应用研究。通过三个实验验证高温（700-1400℃）对骨中87Sr/86Sr和δ88/86Sr的影响，结果显示无同位素分馏或Sr损失，表明火化骨骼适合用于Sr同位素分析，尤其是δ88/86Sr，为研究古饮食和欧洲史提供新方法。
卡琳娜·T·格里茨恩（Carina T. Gerritzen）|埃莉萨维特·斯塔马塔基（Elisavet Stamataki）|史蒂文·戈德里斯（Steven Goderis）|阿莉西亚·范哈姆-梅尔特（Alicia Van Ham-Meert）|雅各布·I·格里菲斯（Jacob I. Griffith）|基阿诺·戈里森（Kiano Gorissen）|克里斯托夫·斯诺克（Christophe Snoeck）
布鲁塞尔自由大学（Vrije Universiteit Brussel）考古学、环境变化与地球化学研究小组，地址：Pleinlaan 2，布鲁塞尔，比利时
摘要
锶（Sr）同位素在分析烧灼的人类遗骸以研究古迁移行为和进行法医调查中的应用日益增多。先前的研究表明，经过适当预处理的烧灼骨骼能够提供可靠的锶浓度数据（[Sr]），并且放射性锶同位素分析（87Sr/86Sr）结果也较为可靠。在燃烧过程中，有机物会完全从骨骼中去除，无机成分的晶体结构也会发生变化。这种结晶度的提高使得烧灼骨骼的87Sr/86Sr同位素特征即使在埋藏数百年甚至数千年后仍然保持稳定（Snoeck等人，2015年）。然而，迄今为止尚未有研究探讨稳定锶同位素值（即δ88/86Sr）的稳定性。锶的同位素变化可以揭示可能的饮食差异。δ88/86Sr的变化可能是由于加热过程中锶的流失导致的同位素分馏作用。本研究进行了三组实验：（1）将化学成分与骨骼相似的标准粉末（NIST-SRM-1486和1400）加热至最高1400°C；（2）将现代新鲜牛股骨（Bos taurus）碎片加热到类似的温度范围（700–1400°C）；（3）对在700°C下加热的烧灼牛骨碎片进行锶的实验性污染。第一组实验表明，随着温度的升高并未出现同位素变化；第二组实验显示骨骼内部存在明显的同位素差异，这可能与骨骼生长有关，但未观察到温度对同位素组成的影响。前两组实验证实，在加热至1400°C的过程中，锶既没有发生同位素分馏也没有流失。第三组实验证明了经过适当预处理后，烧灼骨骼不仅适用于[Sr]和87Sr/86Sr的分析，也适用于δ88/86Sr的分析。鉴于δ88/86Sr值在研究实行火葬习俗的人群的古代饮食方面的潜力，本研究的结果为这一研究领域开辟了新的途径。
引言
骨骼和牙齿中的锶同位素比值反映了所摄入食物和饮料的组成，有助于了解古代人的饮食习惯，并区分当地与非当地资源（例如Chenery等人，2010年；Britton等人，2011年；Lamb等人，2014年；Dalle等人，2022年）以及动物的饮食习惯（例如Crowley等人，2017年；Reich等人，2021年；Le Corre等人，2023年；Barakat等人，2023年）。可靠的锶同位素结果（87Sr/86Sr）可以从牙釉质（例如Budd等人，2000年；Hoppe等人，2003年）和完全烧灼的骨骼（Snoeck等人，2015年）中获得。由于元素挥发和晶体结构改变，燃烧后的遗骸中难以进行微量元素分析（Grupe和Hummel，1991年）。有机碳和氮的流失几乎完全（例如Greiner等人，2019年）。结晶作用和温度驱动的分馏过程使得燃烧后的遗骸中无法进行碳和氮的分析，氧的分析也变得更加困难（Stepańczak和Szostek，2010年）。尽管如此，火葬仍是当今欧洲的主要葬礼方式，在过去也曾出现过这种情况。因此，从燃烧后的遗骸中获取信息对于理解欧洲历史至关重要（例如Capuzzo等人，2024年；Carroll和Squires，2020年）。
最近的研究表明，δ88/86Sr值有助于进一步了解个体的饮食情况（Knudson等人，2010年；Lewis等人，2017年；Guiserix等人，2022年，2024年；Griffith等人，2025年）。鉴于87Sr/86Sr已在燃烧遗骸研究中得到成功应用（例如Snoeck等人，2022年），δ88/86Sr值成为研究燃烧遗骸饮食的有力工具。然而，目前仍需验证是否可以从燃烧后的遗骸中获取可靠的δ88/86Sr值，以及这些信息是否能够可靠地反映逝者的饮食情况。
同时测量87Sr/86Sr和δ88/86Sr值的方法尚不常见（Guiserix等人，2022年；Gerritzen等人，2024年），目前关于人类遗骸的δ88/86Sr数据非常有限（例如Knudson等人，2010年；Griffith等人，2025年）。一项针对猪骨和现代人类骨骼的研究表明，87Sr/86Sr和δ88/86Sr值在800°C以下具有温度稳定性，这与房屋火灾或尸体处理事件中的条件相似（Sarancha等人，2022年）。在火葬仪式中，温度可能更高，但很少超过1000°C（Chatzikonstantinou等人，2025年；Salesse等人，2021年）。目前尚无研究确定燃烧后的骨骼（尤其是在考古背景下）是否适用于δ88/86Sr同位素分析。锶的50%冷凝温度为1190°C（Lodders，2003年），这一温度超过了通常的燃烧温度范围。元素的50%冷凝温度表示发生化学分馏的温度，理论上会导致产物具有较轻的同位素组成（Lodders，2003年）。Lodders在类似太阳星云的条件（10?4巴，Lodders，2003年）下计算的锶的50%冷凝温度可能与大气压下的50%冷凝温度不同。然而，例如锌（Zn）或铅（Pb）在燃烧后的损失发生在与其50%冷凝温度相似的温度范围内（例如Grupe和Hummel，1991年）。因此，本实验测试了700°C至1400°C温度范围内对87Sr/86Sr和δ88/86Sr值的影响。这一温度范围被认为是足够的，因为它能够覆盖高温火葬的情况。在这些高温下，锶的流失可能会导致同位素特征的变化。
牛骨常用于分析天然生物磷灰石的性质（例如Mckinnon等人，2020年；Figueiredo等人，2010年；Balasse等人，1999年）。牛骨的结构和成分与人类骨骼相似，无机成分占比约为60%（干骨为70%（Shehata和Krap，2024年及参考文献）。锶会融入骨骼的无机部分，取代晶体结构中的钙（Wopenka和Pasteris，2005年）。骨骼结构单元中的锶浓度取决于矿化程度（Pemmer等人，2013年）、年龄（Zhang等人，2022年）以及通过食物和饮用水摄入的量（例如Montgomery，2010年）。燃烧过程中有机部分会丢失，而无机部分至少在1000°C以下仍保持其87Sr/86Sr组成（Harbeck等人，2011年）。然而，燃烧过程中骨骼的δ88/86Sr值的同位素组成变化尚未得到研究。本实验旨在探讨燃烧过程中的同位素分馏情况。目的是确定烧灼骨骼是否适用于δ88/86Sr分析。
除了高温加热可能导致的同位素分馏外，埋藏环境中的成岩作用和污染也是一个问题。在之前的研究中，已经在实验性污染的燃烧遗骸上测试了87Sr/86Sr（Snoeck等人，2015年）。将烧灼的牛股骨碎片浸泡在含87Sr的溶液中长达一年。随后用冰醋酸（Chemlab acetic acid glacial 99–100% a.r.）和超声波处理（室温）对样品进行预处理，几乎去除了所有污染。预处理后，烧灼骨骼的87Sr/86Sr比值几乎完全恢复了未受污染样品的比值。这表明适当的预处理方案可以去除成岩污染（例如Snoeck等人，2015年）。然而，仍需验证成岩作用是否会对δ88/86Sr值产生影响。
本研究旨在验证烧灼温度≥700°C（最高1400°C）的骨骼是否适用于锶同位素分析和浓度测量，评估加热和污染（类似于成岩作用）对同位素特征和[Sr]的影响。本研究进行了三组实验：（1）将化学成分与骨骼相似的标准粉末（NIST-SRM-1486和1400）加热至最高1400°C，以研究温度升高对已知成分样品的影响；（2）将现代新鲜牛骨碎片加热到类似的温度范围（700–1400°C），以研究温度升高对天然样品的影响；（3）对在700°C下加热的烧灼牛骨碎片进行锶的实验性污染，以测试成岩作用的影响及处理方案去除污染的潜力。
实验设计
第一项实验使用马弗炉（H&C 1600 501/2013）进行样品加热，因为先前的研究表明马弗炉产生的污染可以忽略不计（Snoeck等人，2015年）。作为初步测试，首先将美国国家标准与技术研究院（NIST）提供的两种标准粉末在不同温度下进行加热，起始温度为700°C，每增加100°C加热一次，最高达到1400°C。所选标准样品为标准参考编号（SRM）1486，这是一种经过改良的骨粉。
使用Zr掺杂的SSB方法在MC-ICP-MS上测定锶同位素组成
消化过程和随后的柱色谱分析在布鲁塞尔自由大学考古学、环境变化与地球化学研究小组（AMGC，VUB）的1000级洁净室内的100级层流罩中进行。
牛骨和NIST-SRM-1486的未烧灼部分在Milestone UltraWave微波系统中进行消化。每个样品约称重15毫克，然后浸入0.5毫升的浓缩液中
实验1（标准样品）
对于NIST-SRM-1486和NIST-SRM-1400这两种标准样品，基于燃烧前后的质量计算了燃烧损失（LOI）（见表Experiment1，见Zenodo，Gerritzen等人，2025年，图2）。骨灰粉没有损失，燃烧前后的质量相差在5%以内（图2）。骨粉的损失量为每份样品150毫克至200毫克。初始重量约为430毫克，因此质量损失约为30%至40%
讨论
NIST标准粉末的测试显示，燃烧前后两种样品的同位素特征没有差异，这表明燃烧过程没有引起同位素分馏。燃烧后没有观察到锶的系统性损失，因此预期同位素组成也不会发生变化。测量值与Gerritzen等人（2024年）报告的相同样品的值之间的绝对差异在2标准差范围内（图3，图
结论
本实验旨在测试烧灼骨骼是否适用于锶同位素分析。实验包括三个部分：首先将基质匹配的材料进行燃烧，以测试燃烧过程中锶同位素的稳定性；其次燃烧牛股骨，以评估燃烧至1400°C时的同位素特征变化；最后使用另一块牛股骨测试污染的影响。
第一实验的结果
CRediT作者贡献声明
卡琳娜·T·格里茨恩（Carina T. Gerritzen）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化处理，验证，方法学研究，数据管理，概念化。埃莉萨维特·斯塔马塔基（Elisavet Stamataki）：撰写 – 审稿与编辑，数据管理，概念化。史蒂文·戈德里斯（Steven Goderis）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金筹集。阿莉西亚·范哈姆-梅尔特（Alicia Van Ham-Meert）：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源协调，数据管理。雅各布·I·格里菲斯（Jacob I. Griffith）：撰写 – 审稿
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢以下机构的资助：ERC的LUMIERE启动基金（Landscape Use and Mobility In EuRope – 拥抱火葬与土葬之间的过渡），该基金由欧盟地平线2020研究与创新计划资助，项目协议编号为948913；此外还感谢佛兰德斯研究基金会（FWO）的FWO-ARRS Weave项目CRIME（G0A9721N），以及布鲁塞尔自由大学的战略研究基金。
