台灣恆春半島現生與考古遺址芋螺殼體穩定碳氧同位素所反映之環境記錄

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(1)台灣恆春半島現生與考古遺址芋螺殼體穩定碳氧同位素所反映之環境記錄. Environmental records reflected by stable carbon and oxygen isotope compositions of modern and archaeological Conus shells from Hengchun Peninsula , Taiwan. 碩士畢業論文 A Master Thesis 顏鳳儀 Fong-Yi Yen 國立臺灣師範大學 National Taiwan Normal University 地球科學系 Department of Earth Sciences 中華民國九十八年九月 September, 2009 學科領域：地質學 Subject: Geology.

(2) 摘要台灣恆春半島現生與考古遺址芋螺殼體穩定同位素所反映之環境記錄 (中華民國九十八年九月) 顏鳳儀國立臺灣師範大學地球科學研究所指導教授：米泓生博士共同指導教授：李匡悌博士本研究分析 2008 年於恆春半島大光里之潮間帶採集海水標本及現生芋螺標本 3 枚，墾丁考古遺址標本 2 枚、鵝鑾鼻第二遺址標本 1 枚及龜山遺址標本 1 枚之碳氧同位素組成，探討芋螺遺骸標本所反映之古環境之意義。現生標本 δ18O 數值介於-3.26~-0.72‰ (平均-1.99±0.50‰；1σ，N = 447)、δ13C 數值介於-0.14~2.35‰(1.18±0.52‰)之間。其氧同位素值分別呈現 6 年至 9 年半之季節性振盪。大光里地區水體氧同位素六個月份平均數值(-0.06±0.23‰)，將現生殼體及水體之氧同位素數值代入氧同位素溫度方程式估算，夏季殼體之氧同位素溫度平均大約為 30.6°C，比中央氣象局鵝鑾鼻測站之夏季溫度(28.4°C)略高 2°C 左右。可能與夏季雨量較多有關。殼體氧同位素之冬季溫度約為 24.1°C，與測站冬季均溫(24.2°C) 極為相近。但在冬季時，殼體有時可能生長中斷，而無法記錄到較冷的環境。墾丁遺址 (~4000B.P.) 之 δ18O 數值介於 -2.70~-0.62‰ 之間 (-1.51±0.04‰，N = 371)；δ13C 數值介於 0.53~2.79‰之間(2.00±0.04‰)。鵝鑾鼻第二遺址 (~3250B.P.)δ18O 數值介於 -2.36~-0.51‰ 之間 (-1.60±0.44‰ ， N = 188) 之間； δ13C 數值介於 0.68~2.96‰ 之間 (2.11±0.31‰) 。龜山遺址 (~1500B.P.)δ18O 數值介於 -3.21~-0.72‰ 之間 (-2.22±0.55‰，N = 178)；δ13C 數值介於 1.63~2.87‰之間(2.36±0.30‰)。氧同位素數值分別呈現出 3 年以上之季節性變化，而碳同位素與現生標 I.

(3) 本趨勢呈一致性，隨著個體成長，生長速率漸趨緩慢而逐漸變小。由於 4000 年來全球冰川體積變化不大，本研究以-0.06‰為當時海水氧同位素數值代入計算，估算當時的氧同位素溫度。在 4000 年前，年均溫約為 26°C，冬季均溫為 23.6°C；3250 年前年均溫為 26.4°C，冬季均溫為 23.3°C； 1500 年前年均溫為 29.1°C，冬季均溫為 26.1°C。就大趨勢而言，顯示大約 4000 年前與 3250 年前較現今略為寒冷，而 1500 年前則比現今溫暖。. II.

(4) Abstract Environmental records reflected by stable carbon and oxygen isotope compositions of modern and archaeological Conus shells from Hengchun Peninsula, Taiwan (September, 2009) Fong-Yi Yen Department of Earth Sciences, National Taiwan Normal University Advisor: Dr. Horng-Sheng Mii Co-advisor: Dr. Kuang-Ti Li. In order to understand the paleoenvironment of southern Taiwan 4000 B.P.,. stable. isotope. composition. of. Conus. shells. collected. from. archaeological sites were analyzed. For comparison, two living Conus shells and sea water samples which they lived in were also collected from Hengchun Peninsula, Taiwan. The δ18O and δ13C values of modern samples are between -3.26‰ and -0.72‰ (-1.99±0.50‰；mean±1σ，N = 447) and between -0.14‰ and 2.35‰ (1.18±0.52‰), respectively. Oxygen isotope record of the modern Conus shells showed six to nine and half seasonal cycles. Six month mean seawater oxygen isotope value is -0.06±0.23‰ (N=42). Modern summer oxygen isotope temperatures (28.4°C) are roughly 2°C higher than those recorded in CWB Eluanbi buoy whereas the winter temperatures (24.1°C) are comparable to those of instrumental records. Deviation in summer temperatures might be due to mixing of seawater and heavier precipitation thus lower δ18O values of the mixture water in summer. Occasionally, minimum winter temperature was III.

(5) not recorded in the shell carbonates possibly due to stop growth of Conus. The δ18O and δ13C values of Kengting site specimens (~4000B.P.) are between -2.70 and -0.62‰ (-1.51±0.04‰，N = 371) and between 0.53 and 2.79‰ (2.00±0.04‰), respectively. The δ18O and δ13C values of O-Luan-Pi II site samples (~3250B.P.) are between -2.36 and -0.51‰ (-1.60±0.44‰，N = 188) and between 0.68 and 2.96‰ (2.11±0.31‰), respectively. The δ18O and δ13C values of Kueishan site samples (1500B.P.) are between -3.21 and -0.72‰ (-2.22±0.55‰，N = 178) and between 1.63 and 2.87‰ (2.36±0.30‰). These δ18O pattern showed at least three year seasonal cycles. The δ13C fluctuation patterns of archaeological Conus shells were similar to those of modern ones. Both the amplitude in δ13C records decreased with ontogenic growth. We assumed the δ18O of 4000B.P. seawater was -0.06‰ because there was no major eustatic sea level change during this period of time. Mean annual temperature (MAT) was approximately 26°C and the mean winter temperature (MWT) was 23.6°C in 4000B.P.. In 3250 years ago, the MAT was 26.4°C and the MWT was 23.3°C. The MAT was 29.1°C and MWT was 26.1°C in 1500B.P.. The temperature of 4000 and 3250 years ago were colder than that of the present, whereas the temperature in 1500 years ago, was warmer than that of present.. IV.

(6) 誌謝時光飛逝，一下子就來到該完成論文的時間，日以繼夜地將平時所學及實驗結果逐一呈現在這本論文之中。然而，今天可以走到這裡，莫過於受到高人的指點，對我含辛如苦得指導與指教、及眾多貴人幫助，好朋友們、與學長姐學弟妹們，大家一起努力做實驗、討論研究進度、一起提供許多寶貴的意見，當然也不忘苦中作樂，同甘共苦。首先我最想感謝我最親愛的家人，他們一路的支持與陪伴。爸、媽、哥及妹妹，我真的好愛你們。接著感謝這一路走來，不斷給予指導與不厭其煩地叮嚀，並在研究上提供許多看法及意見的米泓生老師，謝謝您一次又一次耐心得糾正我的論文內容，並施予我許多自信心，讓我可以不斷地努力修改，而完成這本論文，在生活方面，給予我們許多的關心，真的非常感謝您。除了米老師之外，還有一位功臣，並是李匡悌老師，除了讓我在學的過程中，提供我一些獎助學金，並在分析標本的過程中，學習到許多寶貴的知識與技術，學生非常感謝之。還有林煤嶺老師，謝謝您在口試時擔任我的主持人及指教，並花時間閱讀學生的論文並給予許多建議，真的相當的感激。然而，今天可以完成碩士的學位，主要是由於在文化大學中，有許多老師施予教學的熱誠，使我更有進一步鑽研的熱情，謝謝吳老師的支持與鼓勵，也謝謝陳華玟師母，對於古生物方面的指導，謝謝才潤助教時常給予生活上的意見並為我分憂解愁，真的非常謝謝! 在研究生的生涯中，不論是實驗、研究方面或是生活層面，一直有許多人的陪伴，最感謝的就是與我一同共進退成長的穩定同位素實驗室的每位成員，怡美學姐，謝謝妳總是不論大大小小的事都會適時給予叮嚀與學術方面的指導；琇玉，我的論文 data 可以出來，全靠妳悉心的安排，也謝謝妳平時的關心，真的很愛妳；還有峰榮與怡君，我時常麻煩你們，也讓我學會許多事情，不論是課業方面還有生活大小事，有你們在真好!接著是我的同窗好友-香儒，雖然你很忙，但很開心每逢假日一同讀書、做實驗及聊八卦的日子；還有小鄭，謝謝你一直在我的生活中給予一些意見與細心得解析研究的問題，還有貼心的學弟金安，常常跟我們一起努力熬夜!!還有其他的人，冠辰、昭緯、韻嫆、仲元等，謝謝你們!! 除了研究室的好伙伴們，還有在台大 group meeting 的老師與學長姐及學弟妹們，謝謝你們在我的論文中提供不少建議，使我的研究可以更順利得進行，真的非常謝謝!! 在這裡，我要謝謝我的麻吉們，好姐妹意晴，謝謝妳的包容與體諒，. V.

(7) 一直陪伴著我，真的很愛你!!rana、葉 B、貞伶，謝謝你們常陪我聊天! 安胖，謝謝你陪我出野外，抓芋螺!健男、哲銘，謝謝你們在我最失落時，一直陪著我渡過!還有，丫刀，讓我常去你研究室麻煩你!總是給我一些好的見意!還有薇婷、小望、光軒及一些默默幫過我的諸位們，真的謝謝你們了!! 最後，在此獻上最誠心的感謝與祝福!謝謝大家!!. VI.

(8) 目錄頁碼摘要..…………………………………………………………………….……I Abstract……………………………………………………………………….III 誌謝………………………………………………………………………….. V 目錄……………………………………………………………………….….Ⅶ 圖目……………………………………………………………………..…....Ⅹ 表目……………………………………………..……………………………XV 第一章、緒論………………………..……………………………………..1 1.1. 前言……………..…………………………………………..1. 1.2. 前人研究………..…………………………………………..5 標本簡介及其相關研究………………………..………..5. 1.2.1. 1.2.2 4000 多年前至今古環境研究概況….………..…..……..8 1.3. 研究動機與目的…………………..……………………….15. 第二章、研究區域及材料........………………………..………………….16 2.1. 研究背景........……………………………………..…….….16. 2.2. 現生採樣地點........………………….…….………………..17. 2.3. 史前遺址........……………………………………….….…..17. 2.3.1. 墾丁史前遺址........……………………………………...19. 2.3.2. 鵝鑾鼻第二史前遺址..………………………..…….…..20. 2.3.3. 龜山史前遺址………..…………………..………….…..21. 2.4. 研究材料.......………………………………………….….....22. 2.4.1. 現生標本及水樣採集..……………………………..........22. 2.4.2. 考古遺址標本…………..………..………………….…...23. 第三章、研究方法..............…..………………………………………….…...24 3.1. 芋螺標本前處理………………………………………..…....24. 3.2. 穩定碳氧同位素分析……………….……………………….25. VII.

(9) 3.3. 海水氧同位素之測定………………………….……….……25. 第四章、結果.......………..……………………………….………….….…….27 4.1. 4.1.1. 現生與遺址標本……………..…..………………......…..27. 4.1.2. 現生與遺址切片標本………..…………..…………...….31. 4.1.3. 以陰極射線檢視標本之保存度…………………….…...32. 4.1.4. 以拉曼光譜儀鑑別標本之組成…………..…..…….…...33. 4.2. 穩定碳氧同位素記錄……………..…….……………...…....34. 4.2.1. 現生標本之碳氧同位素記錄..………..………….....…...34. 4.2.2. 考古遺址標本之碳氧同位素記錄………......….........….37. 4.3 第五章. 標本觀察及組成……………………….……………….…....27. 海水氧同位素分析及現地資料..………….…………......….42. 討論......………..……………………………………..…….……….45 5.1. 當地環境探討……………………………….………….…....45. 5.2. 現生標本探討………………………….…………………….52. 5.2.1 氧同位素剖面………………………………….…...…..….54 5.2.2 碳同位素剖面…………………………………..………….58 5.2.3 環境訊號與氧同位素溫度…………………….….……….59 5.3. 考古遺址標本探討………………….……………………….63. 5.3.1 氧碳同位素探討………………………………………...….66 5.3.2 芋螺死亡的季節………………………....……………...….74 5.4. 生長速率……………….………..……………..…………….75. 5.5 4000 年來之氣候…………………..……....……………...….76 第六章. 結論…………………………..………………...……..………....….79. 參考文獻…………………………..………………...…………..……...….….81 附錄一、現生芋螺殼體碳氧同位素數值………….…………..…….…...….90 附錄二、龜山遺址芋螺殼體碳氧同位素數值…….…………..…….……….95 附錄三、鵝鑾鼻第二遺址芋螺殼體碳氧同位素數值………..……………..97. VIII.

(10) 附錄四、墾丁遺址芋螺殼體碳氧同位素數值…….………...……….……..100 作者簡介…………………………………………………………………......104. IX.

(11) 圖目圖. 頁碼. 圖 1.1 各研究之地理分佈範圍，依序由北而南排列。……….…………...8 圖 1.2 4000 年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。…...9 圖 1.3 3000 多年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。.....12 圖 1.4 1500 年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。.....14 圖 2.1 研究區域圖，左圖為台灣地理位置全圖，黑潮主流與支流為示意圖(取自 Farris and wimbush, 1996)；右圖為恆春半島區域全圖。...17 圖 2.2 墾丁史前遺址地理概況(修改自李匡悌，2000)…………………….19 圖 2.3 鵝鑾鼻第二遺址地理概況(修改自李匡悌，2000)………………….20 圖 2.4 龜山史前遺址地理概況(修改自李匡悌，2000)…………………….21 圖 4.1 現生標本照片，(a)DG_SC_01 斑芋螺(Conus ebraeus)；(b)DG_SC_02 斑芋螺(Conus ebraeus)；(c)DG_SC_03 紫霞芋螺(Conus flavidus)。比例尺全長為 3 公分。.........……………………………….……….28 圖 4.2 遺址標本照片，(a) KTC_3 帝王芋螺(Conus imperialis)；(b) KTC_4 將軍芋螺 ( Conus generalis)；（c）OLP2C_1 芋螺屬(Conus sp.)；（d） KSC_1 芋螺屬(Conus sp.)。比例尺全長為 3 公分。……………….30 圖 4.3 標本切片反射光拍攝之構造。(a)DG_SC_02 斑芋螺、(b)DG_SC_03 紫霞芋螺、(c)KTC_3 帝王芋螺。………………………….….…….31 圖 4.4 標本切片顯微影像，(a)、(b)圖為現生 DG_SC_01 標本，其中(a)在透射光下、(b)在陰極射線之下拍攝；(c)、(d)圖為考古遺址 KTC_4 標本，(c)在透射光下、(d)在陰極射線下拍攝。…………………….32 X.

(12) 圖 4.5 現生芋螺殼體(DG_SC_01)經拉曼光譜儀分析結果為霰石礦物組成。………………………………………………………….……….33 圖 4.6 現生標本之碳、氧同位素分佈圖，實心圓為各標本之碳、氧同位素分佈；平均值以三角形表示，平均值垂直與水平線段長度為兩個標準偏差。……………………………………………….……….34 圖 4.7 DG_SC_01 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。……………………………………………….36 圖 4.8 DG_SC_03 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。………………………………………….…….36 圖 4.9 DG_SC_02 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。…………………………………………….….37 圖 4.10 考古遺址之碳、氧同位素分佈圖，黑色菱形為龜山遺址，藍色三角形鵝鑾鼻第二遺址，橘色空心圓與粉紅色圓圈為墾丁遺址標本之碳、氧同位素分佈；以紅色方塊、三角形、空心與實心圓為碳、氧同位素平均值，其垂直與水平線段為兩個標準偏差。…….…...39 圖 4.11 KTC_3 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。………………………..…..……………….……….40 圖 4.12 KTC_4 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。………………………..…..……………….……….40 圖 4.13 OLP2C_1 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。………………………..………..……….……….41 圖 4.14 KSC_1 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔 XI.

(13) 生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。………………………………………….………….41 圖 4.15 不同水樣的海水氧同位素記錄，橫座標為採水樣日期，縱座標為海水氧同位素值。………………..……….………….…………….44 圖 5.1. 2000-2008 年中央氣象局鵝鑾鼻浮球海水表面溫度記錄。…...….46. 圖 5.2. 2000-2008 年中央氣象局恆春測站月平均氣溫與鵝鑾鼻浮球月平均海表溫之比較圖。…………………………………….………….46. 圖 5.3. 1999-2008 年恆春地區月平均之雨量記錄(取自中央氣象局網站)。…………………………………………………………………47. 圖 5.4. 大光里潮間帶海水鹽度與水體氧同位素之分佈。……….………49. 圖 5.5. 2000~2008 年鵝鑾鼻浮球溫度換算為霰石之氧同位素數值、現生標本分析之殼體氧同素數值與雨量之記錄。粉紅色線為夏季 (-0.25‰) 代入、淺藍色線為冬季 (0.02‰) 代入。綠色菱形為 DG_SC_01 的 δ18Oshell 記錄、紫色菱形為 DG_SC_02 的 δ18Oshell 記錄、紅色三角形為 DG_SC_03 的 δ18Oshell 記錄。橘色線為 1999-2008 年恆春地區月平均雨量記錄。……….……………………………51. 圖 5.6. 現生標本之碳、氧同位素分佈圖。藍色三角形為 DG_SC_01 斑芋螺；桃紅色圓圈為 DG_SC_02 斑芋螺；其平均值之線段為 ±1σ。……….………………………………………………………53. 圖 5.7. 現生標本之碳、氧同位素分佈圖。藍色三角形為 DG_SC_01 斑芋螺；粉紅色圓圈為 DG_SC_02 斑芋螺；黃色菱形為 DG_SC_03 紫霞芋螺；其平均值之線段為±1σ。………………………………53. 圖 5.8. DG_SC_01 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。………………55. 圖 5.9. DG_SC_03 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上氧同位素、下 XII.

(14) 為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。………….………56 圖 5.10. 為 DG_SC_02 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。………..………57. 圖 5.11. 2000-2008 年測站海表溫記錄、14 天移動平均。現生標本氧同位素溫度記錄，DG_SC_01 為綠色菱形、DG_SC_02 為紫色菱形、 DG_SC_03 為紅色三角形。橘色線為 1999-2008 年恆春地區月平均雨量記錄。黑色圓圈為實測溫度記錄。………………..………61. 圖 5.12 現生及考古遺址芋螺與現生及化石錐螺及台灣現生類類碳、氧同位素分佈圖。圓形為現生芋螺、菱形為考古遺址芋螺標本；黑色方塊為現生錐螺、空心方塊為化石錐螺(修改自彭宗仁與汪中和，1990)。….………………………………………………………63 圖 5.13 考古遺址與現生標本之碳、氧同位素分佈圖，黑色菱形為龜山遺址、藍色三角形為鵝鑾鼻第二遺址、橘色空心、粉紅色實心圓為墾丁遺址標本、叉號為現生標本之碳、氧同位素分佈；紅色菱形、三角形、空心與實心圓圈、叉號為碳、氧同位素平均值，其垂直與水平線段為兩個標準偏差。………………………………..…65 圖 5.14. KTC_3 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。箭頭代表氧同位素最末端之趨勢。….………………………………………………68. 圖 5.15. KTC_4 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。箭頭代表氧同位素最末端之趨勢。….………………………………………………69. 圖 5.16. OLP2C_1 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。箭頭代表氧同位素最末端之趨勢。….…………………………….………………71. XIII.

(15) 圖 5.17. KSC_1 碳、氧同位素數值隨殼體成長變化剖面圖。橫座標為螺塔生長方向(殼頂至殼口之距離(mm))，縱座標上為氧同位素、下為碳同位素數值。s 代表夏季、w 代表冬季。箭頭代表氧同位素最末端之趨勢。….………………………………………………...73. 圖 5.18 芋螺生長速率圖。橫軸為年齡，縱軸為殼體生長紋的間距(mm)。遺址標本：空心圓為 KSC_1、實心方塊為 OLP2C_1、空心三角形為 KTC_3、實心三角形為 KTC_4；現生標本：空心菱形為 DG_SC_01、實心菱形為 DG_SC_03。……………………………75 圖 5.19. 4000 年來，台灣南部芋螺殼體所記錄的平均溫、冬季平均溫度。線段為兩個標準差。………………………………………………78. XIV.

(16) 表目表. 頁碼. 表 1.1 4000 多年前之降溫事件….………………………..………………10 表 1.2 4000 多年前之升溫事件….………………………..………………11 表 1.3 3000-3500 年前之降溫事件……………………………..…………12 表 1.4 3000-3500 年前之溫暖時期…………………………..……………13 表 1.5 1500 年前氣候變化….……………..………………………………14 表 2.1. 恆春半島地區史前文化層次及其空間分布表(──實線部份代表文化間目前尚無證據顯示其關係；虛線代表文化間或有承續共存關係。(取自李光周，1985；李匡悌，2002) ………………………18. 表 2.2. 水樣記錄表….………………………………………...……………22. 表 4.1. 現生標本之基本描述………………………………….……...……27. 表 4.2. 遺址標本之基本描述………………………………….…...………29. 表 4.3. 現生標本碳氧同位素值記錄………………………….…...………34. 表 4.4. 考古遺址標本碳氧同位素值記錄…………………….……...……38. 表 4.5. 採集水樣之記錄及水體氧同位素分析數值………….……..……43. 表 5.1. 鵝鑾鼻測站與現生標本之冬、夏季溫度記錄(°C)………………60. XV.

(17) 第一章. 緒論. 1.1 前言由於地球氣候快速變遷，因此研究氣候的變化對於人類的生活相當重要。透過詳盡的古氣候學研究，使我們可以藉由過去的現象預知未來地球環境的變化。研究地球過去數十年、數百年甚至數千年尺度氣候變動的基本特性與規律，需要長期且高精確度的氣象記錄資料，但文獻資料有限，因此，我們利用自然界中的環境記錄來作為替代古環境真實記錄之代用指標(proxies)。可以用它來研究過去環境的變遷，使我們有機會了解過去的環境。這些指標可藉由地球化學與地球物理的分析方法，可從生物與地質構造中獲得訊息與記錄。隨著時間的進行，這些代用指標記錄了環境的變化，從記錄中可看出環境隨時間的改變，例如：從花粉記錄、魚耳石、珊瑚骨骼、腕足動物、軟體動物殼體、有孔蟲、樹輪、石筍等(Webb, 1998；Ivany et al., 2003; Suzuki et al., 1999; Popp et al., 1986; Kobashi et al., 2001; Shackleton,1967; Jacoby et al., 1996; Williams et al., 1999)。考古遺址曾經是早期人類活動所遺留下來的地方，由於人類為了適應自然與人文環境，在活動之區域留下各種物質或現象(例如：李匡悌， 2002)。考古學家藉由各種遺存的辨識與功能結構上的分析及觀察，來解釋過去的人類如何在這片土地上，進行各種文化活動(例如：李匡悌， 2002)。一般而言，從遺址出土的史前遺留可分為文化性的器物遺留 (artifacts)，(如石器、陶器、骨器等)和自然性的生態遺留(ecofacts)，(如動物骨骼，植物種子和貝殼等)(李匡悌，1994)。有些學者對於考古遺址中的貝塚作研究(Shackleton, 1973; Killingley, 1981; 彭與汪，1990)，探. 討軟體動物生存時之氣候(Taira, 1976; Abell, 1982,1985; 彭與汪， 1990)、生態環境特徵(Keith et al.,1965; 彭與汪，1990)。從(李匡悌，2000)的研究報告顯示，在恆春半島上過去有許多遺址的. 1.

(18) 發掘及研究。如在墾丁遺址中，有許多貝類殼體之遺留，其中蠑螺、骨螺、寶螺、芋螺和硨磲貝為當時採集最多的五種貝類(李匡悌，2005)。我們可以藉由考古貝類殼體的碳、氧同位素分析，探討古代貝類所生長的水體環境、判斷死亡季節及當時氣候的變化。在恆春半島的考古遺址中發掘芋螺殼體之遺留，有鑑於芋螺殼體堅硬，並且芋螺本身具有神經毒而非食用貝類，史前人類將之作為釦飾或貝珠來使用(張光直，1985)，國外學者利用芋螺殼體之同位素分析探討古環境之變化(Kobashi et al., 2003)。因此我們可以藉由殼體之碳、氧同位素分析了解當時的古環境變化。. 穩定同位素原理與應用同位素是在原子核中之質子數相同，而中子數不同之元素。自然界中無法自行發生放射性衰變之同位素，稱為穩定同位素。它在物理、化學與生物作用的過程中，同位素組成可重新排列，使較輕、或較重的同位素相對富集於不同物質之間，稱為同位素之分異作用(fractionation)。同位素分異作用主要分成兩種機制，一為動態分異作用 (Kinetic fractionation)，其二為熱力平衡分異作用(Equilibrium fractionation)。動態分異作用指在自然界的物理或化學反應中，由於同位素質量的差異引起在反應速率的不同，在無法維持化學平衡的狀態下發生快速反應、單向或發生在反應不完全的作用，例如：蒸發、擴散與水解等作用(Anderson and Arthur, 1983；Attendorn and Bowen, 1997)，在單向的反應中，質量較輕的同位素反應速率較質量重的快(Sharp., 2007)。其次，熱力平衡分異作用，指在平衡狀態下，不同的化合物、同一分子不同相、或在獨立的各分子之間發生同位素的化學交換，使同位素比例重新分配於反應物與產物之間，質量重的同位素會較質量輕的同位素易富集於較穩定態。碳酸鈣殼體若在高溫下形成，較輕的. 2. 16. O 較易被生物殼體利用，使.

(19) 16. O 在碳酸鈣殼體中相對富集；當海水蒸發量增加時，16O 比 18O 容易被. 蒸發，使海水中 18O 相對富集，進而影響生物殼體的氧同位素數值；另外，在不同的物種、甚至是同一物種在不同個體發生階段，利用 16O 與 18O 之程度不盡相同，而海水的酸鹼值以及碳酸根離子濃度亦會影響生物殼體氧同位素數值(Spero et al.,1997)。 Epstein et al. (1953)首先利用來自軟體動物的殼體建構出古溫度方程式，說明了氧同位素的比值為溫度的函數。他們證實這些生物在水中分泌方解石質碳酸鈣殼體時，不會受到生機效應的影響，並與水體達成同位素平衡。之後 Grossman and Ku (1986)建造一個對於霰石質的有孔蟲與軟體動物的古溫度方程式，由平均海水(AMW)作校正，如下： T(°C) = 20.6-4.34(δ18Oaragonite-δ18Ow,AMW) 之後，Hudson and Anderson (1989)，由新的標準平均海水(SMOW)重新作校正，如下： T(°C) = 19.7-4.34(δ18Oaragonite-δ18Ow,SMOW) 其 δ18Oaragonite 是霰石相對於標準試樣 PDB 的 δ18O，δ18Ow 是海水相對 SMOW 的 δ18O。此方程式被廣泛地應用於霰石質碳酸鹽類的同位素研究。欲推測來自化石的古溫度，當海水 δ18Ow 無法直接被測量出來時，必須估算海水 δ18O 值。在海水中的同位素數值，隨著當時地質、氣候條件改變而有所不同，在百年或較小尺度上，蒸發作用、降雨作用、與河水注入量均可以造成局部 δ18Ow 被改變(Anderson and Arthur, 1983)。而在千年尺度上，全球 δ18Ow 受到冰川效應的影響。在百萬年尺度上，大陸岩石的風化作用及海洋地殼熱液換質也可以改變全球海水的 δ18O 值 (Muehlenbachs and Clayton, 1976)。而海水中形成的碳酸鈣沉澱物質在沉澱形成時，若其碳、氧同位素數值與海水中的碳、氧同位素數值達到平衡，則可將當時海水中的同位素數值記錄下來 (Anderson and Arthur, 1983)。我們便可以利用這些碳酸鈣沉澱物質，來回推過去的古水溫。在軟體動物中殼體的碳同位素數值相當複雜，會受到生長速率、代. 3.

(20) 謝作用和周遭海水化學性質的變化而改變(Grossman and Ku, 1986; Purton and Brasier, 1997; Andreasson et al., 1999)。Klein et al. (1996)證實貽貝 Mytilus trossulu 殼體的碳同位素組成，相對受到代謝作用與海水的溶解無機碳的影響而改變。儘管有些碳同位素與海水沒有達成平衡，使碳同位素偏大或偏小，但我們還是可以利用軟體動物的碳同位素鑑別出它們在棲息環境上生產力、鹽度、及海水循環的季節性變化(Arthur et al., 1983 and Purton and Brasier, 1997)。然而，在運用這些殼體作為地質溫度計的同時，成岩作用的影響是不可忽視的；一般來說，海洋性沉澱所形成的碳酸鈣成份，隨著地層的隆起作用而暴露在空氣中，在岩層中可能會受到源自天水的地下水所影響，而產生海洋性碳酸鈣與天水的同位素作交換。再者，天水中的 δ18O 值會比海水中的 δ18O 值來得低，δ18O 值會隨著緯度增加而減少(Hays and Grossman，1991)。因此天水所引起的成岩作會使在出露地表的碳酸鈣中的 δ18O 值變小(Hudson, 1977; Anderson and Arthur, 1983)。除了天水的影響，生物殼體本身的碳酸鈣組成發生改變，如殼體原為較不穩定的霰石組成，受到成岩作用後轉變成較穩定的方解石，而無法記錄到原環境之訊息。於古環境研究中運用軟體動物殼體之優點為：(1)軟體動物生命週期超過一年以上。因此可利用軟體動物殼體所記錄的氧同位素，來瞭解年際間海水溫度的變化；(2)軟體動物一般不易表現同位素的生機效應 (Grossman and Ku, 1986)；(3)成岩作用容易被檢測出來，例如由霰石質轉變成方解石質(Kobashi et al., 2001)。因此，軟體動物很適合作為古氣候的指標。. 4.

(21) 1.2 前人研究 1.2.1 標本簡介及其相關研究本研究材料包括現生芋螺與考古遺址芋螺。芋螺為軟體動物門 ( Phylum Mollusca )、腹足綱(Gastropoda)、新腹足目(Neogastropoda)、芋螺科(Conidae)、芋螺屬(Conus)之軟體動物。芋螺大約出現於第三紀，於始新世時輻射演化出現今之種類(Pamela et al., 1998)。迄今估計現生種芋螺超過 500 種以上，可能是海洋動物之間最為廣泛之種類 (Kohn, 1992; Kohn and Perron, 1994)，是現今前鰓類軟體動物演化速度最快的一科(齊鐘彥等人，1988)。芋螺俗稱為雞心螺，螺體呈倒錐形，其殼體堅硬，殼口十分狹長，多數具有一個小而窄的口蓋。由於殼體結構較堅固，保存度佳，而提供豐富的化石記錄(Rockel et al., 1995)。芋螺大多生活在熱帶與亞熱帶的淺水海域中(Walls, 1978)，少數可延伸至南北緯 40 度左右(熱帶到溫帶皆有分佈) (Pamela et al., 1998)，而在台灣沿海各地區，如北海岸、花東海岸、屏東縣恆春半島、澎湖、東沙島、宜蘭縣蘇澳、小琉球、南沙群島，皆可發現其蹤跡(例如：黃與陳，2007)。芋螺為海洋性生物，其棲息環境從沙岸、泥岸至礁岩岸之潮間帶至潮下帶，甚至數百公尺深均有。牠的棲息方式分為兩種類型：1.可在退潮時或在礁岩上暴露於大氣中、2.無法完全暴露於大氣中(Kohn,1959)。白晝或退潮後多在海藻下或珊瑚礁岩中棲息，以春夏繁殖，夜晚外出覓食，屬於肉食性軟體動物，多以魚類、半脊索動物、多毛綱蟲、頭足綱、甲殼綱、雙殼類等動物為食，一般依補食對象區分為三類：食軟體動物類、食蟲類及食魚類之芋螺(例如：黃與陳，2007)。芋螺殼體主要成分為霰石質碳酸鈣(例如：謝忠東等人，2006)，當殼體在生長時由外套膜分泌製造，經由外套膜持續分泌，殼體會增大與增厚，有些會局部性或週期性的分泌不同色素，可以使殼體產生各種不同. 5.

(22) 的花紋(例如：長孫東亭等人，2007)。不同種類的芋螺其形態各異，互不相同，在分類上以形態特徵為依據，由各種的殼高、殼寬、縫合線條數、體螺層高度、螺塔高度、縲肩部的結節狀突起有無和個數等數據，及牠們的外觀形狀、色澤、花紋等特徵來鑑別(長孫東亭等人，2007)。 Kobashi et al. (2001)首度利用芋螺殼體的氧同位素記錄，評估始新世熱帶溫度之變化。Kobashi et al. (2003)利用來自墨西哥灣四隻現生與兩隻始新世的芋螺殼體連續取樣分析，由現生殼體呈現出三種不同季節性的氧同位素剖面型態：(1)不對稱踞齒形(asymmetrical saw-tooth pattern)，表示出現在中大陸棚的標本呈現春天生長快速，秋天生長減緩，反映出營養鹽、生產力隨著春天的湧升流提供而增加；(2)M 形(cuspate pattern)，標本位於最北方，殼體在冬天時有停止生長之現象。(3)不規則形(irregular pattern)，反映出季節性的淡水注入於一個近岸的環境。這些芋螺的氧同位素剖面均重現出不同的季節性生長與環境之訊號。Gentry (2006)指出在墨西哥灣的現生芋螺殼體氧同位素剖面呈現出八年以上的時間序列，並且反映出夏天生長速率快，冬天生長較緩慢。將殼體氧同位素記錄與現地水溫、鹽度、鄰近浮球水溫記錄作連續時間上的對應，顯示出在季節性的溫度上有相同之變化，因此殼體氧同位素成份與實測溫度具有高度的相關性。芋螺生長速率會隨著季節溫度變化而改變，隨著個體的成熟其生長速率會逐漸變慢(Kobashi et al., 2003)。由芋螺殼體碳同位素之研究呈現出週期性變化，隨著個體成熟及代謝作用減少而使碳同位素變小(Kobashi et al., 2003)。Gentry (2006)指出由殼體碳同位素記錄，反映出當地季節性的水文變化。並且鹽度與海水溶解無機碳之碳同位素呈現高度相關，當河流大量注入，夏季早期殼體碳同位素及鹽度皆呈現最小值。這些碳同位素最小值的界限，發生於每年近岸大陸棚海流轉變方向的位置。這些效應藉著夏季分層與生產力變小，使海水的碳同位素會隨之下降。Gentry (2006)根據殼體的碳同位素剖面反映環境資料，並可將之作為淡水注入與大陸棚循環的指標。進而，. 6.

(23) Gentry et al. (2008)由不同時間芋螺之碳同位素平均值來看，在 2003 年現生芋螺殼體之碳同位素平均值比在 1971 年之芋螺小 1‰，反映出由於工業革命之後人類的活動，導致 CO2 增加而使海水的溶解無機碳減少。. 7.

(24) 1.2.2 4000 多年前至今之古環境研究概況氣候之間冷暖交替的變化，會藉由自然環境中各種代用指標所記錄下來，前人研究中 4000 多年前以來之氣候變化，其地理位置分佈如圖 1.1，依序由北而南、由西向東作分區。. 1中國青海 4成都平原 7廣東湖光岩 10長江三角州 13花蓮七彩湖 16恆春半島. 2甘肅 3若爾蓋高原(青藏高原) 5雲南 6貴州董哥洞 8瓊海 9南海 11沖繩海槽北部 12宜蘭地區 14台東嘉明湖 15南投頭社盆地. 圖 1.1 各研究之地理分佈範圍，依序由北而南排列。. 8.

(25) 過去有許多研究顯示 4000 多年來的氣候變化，有些反映出降溫現象，有些則為升溫之現象，結果呈現不一致的情形(圖 1.2)。. 1中國青海 4成都平原 7廣東湖光岩 10長江三角州 13花蓮七彩湖 16恆春半島. 2甘肅 3若爾蓋高原(青藏高原) 5雲南 6貴州董哥洞 8瓊海 9南海 11沖繩海槽北部 12宜蘭地區 14台東嘉明湖 15南投頭社盆地. 圖 1.2 4000 年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。. 由表 1.1 所示，4000 多年前呈現一個較冷的氣候，由中國青藏高原東部之若爾蓋高原的泥炭記錄顯示在全新世有多次乾冷事件，其中於 4400 年前為降溫事件(周直建等人，2001)。在 Chen et al. (2005)分析長江. 9.

(26) 三角洲周圍與考古遺址花粉紀錄，認為在全新世大暖期 (Holocene optimum)後，於 4200-4000 年間為變冷氣候。張威等人(2007)對雲南小江流域拱王山狐狸房峰南北兩側的老碳房(海拔 3597m)及石板塘(海拔 3689m)冰川湖泊沉積剖面進行地球化學元素和孢粉分析，探討全新世以來的氣候環境，其中 4.7~2.1 ka 氣候涼濕。貴州董哥洞石筍 δ18O 的氣候記錄顯示，4400~3900 年前時亞洲季風明顯減弱，氣候異常乾燥(Wang et al., 2005)。南海北部 1 萬 5 千年以來，來自海洋硅藻的表層海水溫度變化記錄顯示，在全新世大暖期鼎盛期結束後，南海北部海水溫度下降，在 4000 和 1500 年前之前後分別發生兩次明顯降溫事件(黃元輝等人， 2007)。廣東湖光岩瑪珥湖之沉積物記錄距今 4250 年前時的冷氣候事件 (劉嘉麒等人，2000)。在中-晚全新世高海平面的海南島之瓊海珊瑚礁記錄中，4400-3900 年前期間琼海珊瑚礁的發育缺失可能與此時的氣候乾冷有關(時小軍等人，2008)。. 表 1.1 4000 多年前之降溫事件年代(B.P.) 4400 4200-4000. 4700-2100. 地點中國青藏高原東部之若爾蓋高原長江三角洲周圍與考古遺址雲南小江流域拱王山狐狸房峰南北兩側的老碳房(海拔3597m)及石板塘 (海拔3689m). 方法. 結果. 參考文獻. 泥炭記錄. 降溫事件. 周直建等，2001. 花粉記錄. 變冷. Chen et al., 2005. 冰川湖泊沉積剖面和孢粉分析. 氣候涼濕. 張威等, 2007. 18. 4400-3900. 貴州董哥洞. 石筍δ O記錄. 4250. 廣東湖光岩瑪珥湖. 4400-3900. 海南島的瓊海. 4000. 南海北部海水. 沉積物記錄珊瑚礁的發育缺失硅藻的記錄. 亞洲季風明顯減弱，氣候異常乾 Wang et al., 2005 燥冷氣候事件劉嘉麒等，2000 與氣候乾冷有關時小軍等，2008 明顯降溫事件. 黃元輝等，2007. 相反地，亦有許多研究指出 4000 年前的氣候較現今為暖(表 1.2)，例如，根據孢粉、古土壤和考古資料，發現 4000 年前中全新世甘肅、青海. 10.

(27) 地區氣候溫暖濕潤，之後才轉為乾冷(候光良等人，2009)。侯與劉(2004) 研究青海湖底沉積物，認為距今 8000~4000 年青海東部地區整體溫度較高，降水較多，是全新世最溫暖的時期。由距今大約 4000 年前墾丁遺址中的蠑螺口蓋之溫度相較現今來得溫暖(施峰熙，2007)。. 表 1.2 4000 多年前之升溫事件年代(B.P.). 地點. 4000. 甘肅、青海地區. 8000~4000 4000. 青海東部地區墾丁遺址. 方法孢粉、古土壤和考古資料湖底沉積物蠑螺. 結果氣候由溫濕轉為乾冷溫暖時期溫暖時期. 參考文獻候光良等，2009 侯與劉，2004 施峰熙，2007. 在3000-3500年前(圖1.3)，有些研究指出此時期為降溫期(表1.3)。侯與劉(2004)根據青海湖底沉積物，認為距今3500年時，有一個明顯乾冷事件。若爾蓋地區的植被演替顯示出在3300年以後開始降溫(唐領余等人， 1998)。竺可楨(1973)由歷史文獻記載，在3400年前降溫事件，大部分在距今3000年左右出現低溫期。施雅風等人(1992)綜合中國大陸各地區全新世孢粉及其他古代植物、動物、古土壤、古湖泊、冰芯、考古、海岸之變遷等多方面資料推斷，氣溫在3000年前以後呈現多次降溫的變化。沖繩海槽北部經孢粉分析與浮游有孔蟲殼體的δ18O值，顯示距今3100至1500 年，溫度相對下降(陳金霞等人，2005)。台灣七彩湖(Liew and Huang， 1994；劉平妹等人，2002)的孢粉資料，顯示在3700~2400年前為乾冷氣候。劉與郭(1996)分析高山湖泊嘉明湖孢粉，顯示3000多年前的乾冷期以及 2000年前以來氣候轉濕。. 11.

(28) 1中國青海 4成都平原 7廣東湖光岩 10長江三角州 13花蓮七彩湖 16恆春半島. 2甘肅 3若爾蓋高原(青藏高原) 5雲南 6貴州董哥洞 8瓊海 9南海 11沖繩海槽北部 12宜蘭地區 14台東嘉明湖 15南投頭社盆地. 圖1.3 3000多年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。表1.3 3000-3500年前之降溫事件年代(B.P.) 3500 3300 3400. 地點青海東部地區若爾蓋地區中國東部. 方法湖底沉積物植被演替歷史文獻記載孢粉及其他古代植物、動物、古土壤、古湖泊、冰芯、考古、海岸之變遷孢粉分析與浮游有孔蟲. 結果乾冷降溫降溫期. 參考文獻侯與劉，2004 唐領余等，1998 竺可楨，1973. 3000. 綜合中國大陸各地區. 多次降溫. 施雅風等，1992. 3100-1500. 沖繩海槽北部. 溫度相對下降. 陳金霞等，2005. 3700-2400. 花蓮七彩湖. 孢粉. 乾冷. 3000多. 台東高山湖泊嘉明湖. 孢粉. 乾冷. 12. Liew and Huang， 1994；劉平妹等， 2002 劉與郭，1996.

(29) 然而，有些研究顯示在3000-3500年前反映變暖之氣候(表1.4)(圖 1.3)，例如：羅麗萍等人(2008)研究在成都平原4000年以來的孢粉記錄與環境變化，提及氣候事件對比討論，認為在3400年之前主要為暖期，期間仍有降溫之變化。頭社盆地(郭兆敏，1994)之孢粉研究，在約3450~1800 年前氣候暖濕。表1.4 3000-3500年前之溫暖時期年代(B.P.) 3400 3450~1800. 地點成都平原南投頭社盆地. 方法孢粉記錄孢粉記錄. 結果暖期暖濕. 參考文獻羅麗萍等，2008 郭兆敏，1994. 在 1500 年前之研究顯示(圖 1.4)，學者根據歷史資料恢復中國近 5000 年來的氣候變化，此資料是中國東部地區經典的氣候變化曲線，於 1500~1000 年前是溫暖期(竺可楨，1973)。另外有些研究指出 1500 年前左右反映較冷的氣候，例加：七彩湖的孢粉資料，顯示在 1600~1100 年前轉為冷乾(Liew and Huang，1994；劉平妹等人，2002)。林淑芬(2004)指出宜蘭地區在 1550~1350 年前屬最冷涼時期。李政益(2004)分析恆春半島東源谷地 3000 年來的沉積物孢粉，指出 1600~1000 年前稍轉涼。Yu et al. (2005)在中國南海地區研究，根據珊瑚之氧同位素與 Sr/Ca 的比分析結果推測大約 1500 年前的溫度比現今溫度低 2.2°C(22.6°C)，可能當時較少水氣進入南中國海，且相較於 1990 年夏季季風有減弱的現象，並與中國歷史記載中國東邊較冷且較乾(Chu, 1973；Ge et al., 2002)具有一致性的結果。. 13.

(30) 1中國青海 4成都平原 7廣東湖光岩 10長江三角州 13花蓮七彩湖 16恆春半島. 2甘肅 3若爾蓋高原(青藏高原) 5雲南 6貴州董哥洞 8瓊海 9南海 11沖繩海槽北部 12宜蘭地區 14台東嘉明湖 15南投頭社盆地. 圖 1.4 1500 年前氣候之變化，箭頭向下為降溫，箭頭向上為升溫。. 表 1.5 1500 年前氣候變化年代(B.P.) 1500~1000. 地點中國東部地區. 方法歷史資料夏季季風有減弱. 結果溫暖期. 1500. 中國的東邊. 1600~1100. 七彩湖. 孢粉資料. 轉為冷乾. 1550~1350 1600~1000 1500 1500. 宜蘭地區恆春半島東源谷地南中國海南海北部海水. 孢粉資料孢粉分析珊瑚記錄硅藻的記錄. 冷涼時期轉涼比現今低溫明顯降溫事件. 14. 冷乾. 參考文獻竺可楨，1973 Chu, 1973; Ge et al., 2002 Liew and Huang， 1994；劉平妹等， 2002 林淑芬，2004 李政益，2004 Yu et al., 2005 黃元輝等，2007.

(31) 在過去研究顯示在 4000 年前、3000-3500 年前與 1500 年前，藉由許多代用指標顯示出氣候冷暖之變化呈現不一致的現象，究竟 4000 年來南台灣氣候為何?. 1.3 研究動機與目的在台灣的考古遺址研究中，發掘許多人類過去所遺留之文化，考古學家希望根據文化平面的分佈現象、文化層之先後堆積的次序，以及遺物的組合情形等來重建過去的文化史。在恆春半島的考古遺址發掘中，除了各種器物遺留之外，由生態遺留可對於過去周遭環境進一步了解。恆春半島出土大量的貝類殼體，這些貝類包含了蠑螺及鈣質口蓋的遺留、寶螺、芋螺與硨磲貝等。大多為食用貝類，這些食用貝類對於過去人類之文化，具有特殊之意涵。芋螺本身具有神經毒不可食用，在許多考古遺址中芋螺的遺存被史前人類作為釦飾或貝珠來使用(張光直，1985)。為重建過去 4000 年以來南台灣古環境的變化，本研究欲藉由探討同一地區同種與不同種芋螺殼體，在碳氧同位素記錄上之差異及氧同位素之季節性記錄，經由現生芋螺之溫度記錄與實測海水表面溫度之相關性，進一步應用至考古遺址中的芋螺，探討當時的季節性變化，與對古環境之意涵。. 15.

(32) 第二章、研究區域及材料 2.1 研究背景本研究標本採集於台灣恆春半島之大光、墾丁、鵝鑾鼻及龜山等區域(圖 2.1)。該半島為中央山脈脊梁南端之延伸，三面環海，東臨太平洋，南瀕巴士海峽、西為台灣海峽。其地理範圍依自然形勢以大武至枋寮為其北界(陳培源，2006)，但在地質測量上則有以平行楓港溪之東西向斷層為北界(宋國城，1991)，半島的寬度由北向南逐漸狹窄，最寬之北邊界線達 26 公里，最窄之南端僅 13 公里(陳培源，2006)，主要地形特徵以低山及丘陵台地為主。本研究區位於亞熱帶東亞季風氣候區，根據中央氣象局恆春氣溫測站 1897-2008 年記錄，本地區年均溫為 24.8℃，夏季月均溫為 27.7℃(6~8 月)，冬季月均溫為 21℃(12、1~2 月)，終年氣候溫暖。由月降雨量記錄來看，恆春地區乾、溼季節分明，其降雨量每年約 2000±500mm(1σ,1971-2008 年)，溼季大部分在 5 月中到 10 月初為主，溼季月份之平均雨量為 328mm；而乾季 11 月至隔年 4 月平均雨量為 32mm，雨量差異極大，屬於夏雨冬乾的氣候。從水文環境來看，恆春半島位於南海環流與黑潮邊緣之間，各種水團如黑潮、南海中層水及近岸混合水交匯於此，水團變化因而呈現明顯的季節性變化(張國平，2006)。南灣海域與本研究區相鄰，位於貓鼻頭(東側)及鵝鑾鼻(西側)兩岬北界之間。南灣水主要有兩個來源，一個是來自遠濱 100-200 公尺深的湧升水，沿著深水河道與潮汐力的傳輸進入南灣海域(Lee et al., 1997, 1999)；另一來源為呂宋海峽的水直接進入南灣海域，淡水則占較少的比例，只在溼季時注入(Shen et al., 2005)。南灣海域深受流經呂宋海峽黑潮支流以及南海北部環流的影響，由於冬季盛行東北季風，黑潮支流在進入呂宋海峽時會大幅度地往西入侵南海北部(Centurioni et al., 2004)；在其他季節中，黑潮支流會向東退出南海北部，抑或在呂宋. 16.

(33) 海峽附近徘徊滯留，主流則沿著台灣東岸往北行進(王與陳，2000)。. 龜山遺址. 恒春氣象站. 大光里. 黑潮主流. 南灣墾丁遺址. 黑潮支流. 鵝鑾鼻第二遺址. 鵝鑾鼻浮球測站(SST). 圖 2.1 研究區域圖，左圖為台灣地理位置全圖，黑潮主流與支流為示意圖(取自 Farris and wimbush, 1996)；右圖為恆春半島區域全圖。. 2.2 現生採樣地點本研究的現生標本採集地點為位於後壁湖漁港東側的大光里海灘，其長度約 1000 公尺，位置為 21°57'12"N，120°44'30"E，此區的潮間帶以珊瑚礁海岸為主，富含多樣性的生態系，芋螺多群聚於海岸邊礁岩的孔隙或潮池與泥沙之中，並在夜間大幅出沒攝食。. 2.3 史前遺址恆春半島上，迄今已經發現數處為重要的史前遺址，經由考古學家的發掘，將之整理分為數個史前文化層次(表 2.1)。. 17.

(34) 表 2.1 恆春半島地區史前文化層次及其空間分布表(──實線部份代表文化間目前尚無證據顯示其關係；. 虛線代表文化間或有承續共. 存關係。(取自李光周，1985；李匡悌，2002). 18.

(35) 2.3.1 墾丁史前遺址墾丁遺址位於一隆起珊瑚石灰岩海岸台地，地處恆春鎮第二十公墓北側與葛林安路之間的石牛溪東側之廣大緩坡地，佔地面積 0.1km2(李匡悌，2000)，本遺址南面主要為珊瑚礁海岸，離南灣海岸約 1000m(圖 2.2)。墾丁國家公園內以墾丁遺址為代表，同類型的遺址有十五個，大多分佈在恆春半島西部與南部沿海一帶。根據碳十四定年顯示，墾丁遺址年代約為 3985±145B.P. (李光周，1984)。墾丁遺址之貝類遺留，約有 24 科 43 種的貝類，其中以蠑螺、骨螺、寶螺、芋螺和硨磲貝為當時採集最多之五種貝類(李匡悌，2005)。. 圖 2.2 墾丁史前遺址地理概況(修改自李匡悌，2000). 19.

(36) 2.3.2 鵝鑾鼻第二史前遺址鵝鑾鼻第二遺址位於鵝鑾鼻燈塔西側約 200 公尺的珊瑚石灰岩礁林區 (圖 2.3)。現為公園一部分，整體為一珊瑚礁隆起平台，周圍多大型珊瑚礁岩塊。佔地約 16.89 公頃，海拔約 20~40 公尺(李匡悌，2000)。根據碳十四定年，文化年代約為 3500-3000B.P. (李光周，1985)。. 圖 2.3 鵝鑾鼻第二遺址地理概況(修改自李匡悌，2000). 20.

(37) 2.3.3 龜山史前遺址龜山遺址位於屏東縣車城鄉射寮村內的龜山山丘上。由於外形恰如一龜背，而稱為龜山。就地理位置來看，龜山遺址位於恆春半島西北方；北臨保力溪溪口，西瀕台灣海峽(圖 2.4)。在地質構造上，在灣口兩岬處早期為海灘沙堆積，覆蓋在珊瑚礁上；西側的海岸低地在距今 2200 年前後才形成(陳于高，1993)。北界的保力溪溪口是淡水與海水交界所在；生態環境上由於受到盛行風與波浪的影響，河口的砂洲由北向南延伸形成沙嘴之特殊地形景觀；冬季時，砂嘴封閉河口形成沒口溪(王鑫，1985)。龜山遺址佔地約 15.5km2。根據碳十四定年結果，本區文化年代發生於距今一千五百年前左右，(1550±60B.P.；黃士強等人，1987；1525±120B.P. 和 1470±150B.P.；李光周，1985)。. 圖 2.4 龜山史前遺址地理概況(修改自李匡悌，2000). 21.

(38) 2.4 研究材料 2.4.1 現生標本及水樣採集本研究於 2008 年 9 月 4 日到 9 月 6 日在潮間帶的礁岩上採集活芋螺標本 3 隻，並現地採集水樣、記錄當時水溫、時間及鹽度。同年之十一月份(11/22、11/23)、十二月份(12/20)，隔年一月(1/28)、二月(2/3~2/5)、五月(5/7~5/9)，陸續至野外採集水樣標本，帶回實驗室分析海水氧同位素成份 (表 2.2) 。. 表 2.2 水樣記錄表編號. 日期. 時間. 溫度 (℃). 鹽度 (psu). 潮汐編變化號. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22. 2008/9/4 2008/9/5 2008/9/5 2008/9/5 2008/9/5 2008/9/6 2008/9/6 2008/11/22 2008/11/23 2008/12/20 2008/12/20 2008/12/20 2008/12/20 2008/12/20 2008/12/20 2009/1/28 2009/2/3 2009/2/4 2009/2/4 2009/2/4 2009/2/4 2009/2/4. 17:41 04:42 06:21 15:20 15:23 08:00 13:04 22:00 03:41 14:38 16:47 18:40 19:00 19:45 19:57 19:00 20:31 13:29 16:03 17:04 19:04 21:05. 32.0 28.0 28.0 26.5 32.0 29.0 25.0 25.5 25.0 25.4 25.1 24.8 24.8 24.5 24.8 24.0 27.0 23.0 24.0 24.0 25.0 26.0. 31.6 33.1 33.4 31.6 32.2 33.6 32.4 33.6 33.3 35.0 34.3 34.1 33.8 33.5 34.2 34.1 34.2 34.1 34.2 33.5 34.2 34.2. 漲潮退潮退潮漲潮漲潮漲潮漲潮退潮漲潮退潮退潮退潮退潮退潮退潮漲潮退潮滿潮退潮退潮退潮退潮. 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44. 22. 日期. 時間. 溫度 (℃). 鹽度 (psu). 潮汐變化. 2009/2/4 2009/2/5 2009/2/5 2009/2/5 2009/2/4 2009/2/5 2009/5/7 2009/5/7 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/8 2009/5/9 2009/5/9 2009/5/9 2009/5/9 2009/5/9 2009/5/9 2009/5/9. 22:55 10:27 11:30 12:30 18:30 10:52 19:15 23:30 10:29 11:30 13:00 17:29 19:30 21:38 23:26 10:43 12:38 14:30 17:20 19:20 21:35 23:31. 20.0 23.0 24.0 25.0 22.0 24.5 25.1 23.1 26.8 27.0 27.6 25.7 24.6 23.8 23.6 27.6 28.8 28.6 25.8 24.6 24.8 23.7. 34.2 33.9 34.2 33.9 32.9 34.1 34.2 34.6 34.1 34.9 34.8 35.1 34.4 34.6 34.8 34.6 34.5 34.6 35.1 35.3 34.8 34.6. 漲潮漲潮漲潮漲潮退潮漲潮退潮漲潮退潮退潮乾潮漲潮退潮退潮乾潮退潮退潮漲潮漲潮漲潮退潮乾潮.

(39) 2.4.2 考古遺址標本本研究所分析墾丁遺址 2 件標本、鵝鑾鼻第二遺址一件、龜山遺址一件，由中央研究院歷史語言研究所李匡悌博士提供。. 23.

(40) 第三章、研究方法 3.1 芋螺標本前處理 (1) 清洗並觀察標本將所採集之現生芋螺標本，去除軟體部分，表面以清水刷洗乾淨。遺址標本，將表面附著之沉積物沖洗乾淨並利用超音波震盪清洗。標本清洗完畢後將所有標本置於燒杯中，並調製 3%過氧化氫溶液，浸泡 24 小時去除有機物質，以清水及超音波震盪洗淨後自然風乾。風乾後拍照存檔、量測殼高與殼寬，並進行標本之鑑定，因遺址標本保存狀況較差，有些僅能鑑定至「屬」等級，將之加以標註說明。 (2) 製作標本切片 1. 將標本固定在盒中，以 5:1 比例調配 Bueler Epoxieure Resin 加 Bueler Epoxieure Hardner 成環氧樹脂，倒入盒中至淹蓋超過標本殼身 2/3 處，避免製作切片時造成標本破碎，螺塔部分因為取樣之需求，不予以包裹。待樹脂硬化後，利用切片機，在接近殼頂側由殼頂至殼底 2/3 處橫切標本，其下半部做為切片標本之用途。 2. 每塊標本切面與玻璃薄片欲黏貼標本一側，先以 600μm 的金剛砂磨平，而玻璃則磨成毛玻璃，待風乾後，將磨平那一面與毛玻璃薄片用調配的環氧樹脂黏合。 3. 黏合好的薄片取一適當厚度以切片機切開，之後分別用 600μm、 1000μm 的金剛砂依序將薄片磨平至光滑，再以 1.0μm、0.3μm 的氧化鋁粉依序拋光成亮面。完成後，於岩石切片顯微鏡下觀察細部結構並拍照記錄。 (3) 檢視薄片之保存度與礦物成份分析 1. 為了解標本是否受到成岩作用的影響，我們將薄片置於陰極射線顯微鏡中，透過 CCD 由電腦螢幕上分別觀察殼體透射光下細部結構及. 24.

(41) 陰極射線下之發光情形，陰極射線電流值介於 200-250μA 之間，電壓值在 8.5kV 左右，觀察同時以 CCD 擷取影像，並記錄有無發光現象。 2. 使用拉曼光譜儀檢測標本的礦物組成，原生芋螺殼體應為霰石質的碳酸鈣組成，若得到結果不是霰石，則推估該殼體可能受到成岩作用影響。. 3.2 穩定碳氧同位素分析. (1). 選擇保存良好(微細構造清晰且不發光)之標本，將標本螺塔部分置於微鑽微取樣顯微鏡系統(Micro Mill)之下，由殼口向殼頂方向，沿著生長紋，約每隔 1mm 等間距取樣，樣本取樣長度約為 1500μm。將取得之碳酸鈣粉末，置於同位素分析的反應瓶中，瓶口加上藍色矽質及透明 Kel-f (PC 鐵氟龍)材質墊片以封瓶，進行同位素分析。. (2) 把反應瓶放入 Gilson 自動分析儀 (Multicarb Sample Preparation System)內，與 100%的 H3PO4 於 90℃下反應，反應所釋放出來的 CO2 氣體以超微氣相氣相比例質譜儀(Micromass IsoPrime Isotope Ratio Mass Spectrometer)分析碳、氧同位素組成。分析中使用國際標本樣品 NBS-19(δ13C = 1.95‰；δ18O = -2.20‰)作為分析的標準試樣，δ13C 及 δ18O 之分別精密值為 0.03‰及 0.05‰ (1σ，N = 701)。. 3.3 海水氧同位素之測定本實驗室之分析方法為採用 CO2-H2O 同位素平衡法(Epstein and Mayeda, 1953)。分析前，以微量吸管吸取 0.2 毫升水樣置入反應瓶中，蓋上瓶蓋後再將反應瓶放入 Gilson 自動分析儀 (Acquaprep Sample Preparation System)內。經過數次通入二氧化碳氣體排除反應瓶內的空氣. 25.

(42) 後，最後留於瓶內之二氧化碳氣體，於 40℃恆溫狀態下反應平衡 7 小時。待反應平衡後，將與水樣達成平衡的二氧化碳氣體純化，以超微氣相比例質譜儀(Micromass IsoPrime Isotope Ratio Mass Spectrometer)分析二氧化碳氣體組成。本研究水標本分析透過一系列已知本實驗室工作標準水樣(working standard)SCS10(δ18O = 0.10‰)、SCS1000(δ18O = -0.16‰)、DDW(δ18O = -0.16‰)；中央研究院汪中和老師提供之該實驗室工作標本 MS(δ18O = -12.00‰)、RDW(δ18O = -14.60‰)、LEW07(δ18O = 1.25‰)、LEW09(δ18O = 3.08‰)及國際標準水樣 VSMOW 與 SLAP 進行校正，測量氧同位素組成的精確度可達±0.1‰。. 26.

(43) 第四章結果 4.1 標本觀察及組成 4.1.1 現生與遺址標本 (1)現生標本現生標本共三隻， DG_SC_01 與 DG_SC_02 為斑芋螺 (Conus ebraeus)，前者螺殼高度為 3.5 公分，螺塔寬度為 2.1 公分；後者螺殼高度為 2.8 公分及螺塔寬度為 1.8 公分，標本殼體以白色為底色、方形黑色相間(表 4.1；圖 4.1)。體螺層有 7~8 層螺列，螺列為方形黑斑所構成。殼頂通常為淡粉紅色，保有原始的胎殼，殼口呈白至青白色，殼口內、外有相同的圖案。殼皮薄而透明、平坦呈微黃灰色(圖 4.1(a)、(b))，生活於潮間帶到水深 20 公尺的礁岩與珊瑚礁上。 DG_SC_03 紫霞芋螺(Conus flavidus)螺殼高度為 6.1 公分，螺塔寬度為 3.0 公分(表 4.1)，體螺層圓錐形，為中間膨大的圓錐形，螺塔通常較低，體螺層為 7~8 層螺列並具有螺肋。螺殼顏色從淺黃色到橘色或粉褐色。體螺層中央與肩部下方有白色螺帶。基部帶呈藍紫色；殼口為藍紫色，在基部與中間部位具有淺色帶。殼皮厚且呈灰褐色至褐色(圖 4.1(c))，多棲息於潮間帶到水深 20 公尺的礁岩上。. 表 4.1 現生標本之基本描述螺殼高度螺塔寬度標本保存 (cm) (cm) 狀況. 標本編號. 採集地點. 採集日期. 標本名稱. DG_SC_01. 大光里潮間帶. 2008/9/5. 斑芋螺 Conus ebraeus Linnaeus, 1758. 3.5. 2.1. 完整. DG_SC_01. 大光里潮間帶. 2008/9/4. 斑芋螺 Conus ebraeus Linnaeus, 1758. 2.8. 1.8. 完整. DG_SC_03. 大光里潮間帶. 2008/9/5. 紫霞芋螺 Conus flavidus Lamarck, 1810. 6.1. 3.0. 完整. 27.

(44) (a). (b). (c). 3cm 圖 4.1 現生標本照片，(a)DG_SC_01 斑芋螺(Conus ebraeus)； (b)DG_SC_02 斑芋螺(Conus ebraeus)；(c)DG_SC_03 紫霞芋螺 (Conus flavidus)。比例尺全長為 3 公分。. (2)考古遺址標本墾丁遺址有 KTC_3 帝王芋螺(Conus imperialis)與 KT C_4 將軍芋螺 (Conus generalis)兩件標本。帝王芋螺螺殼高度 6.0 公分，螺塔寬度 3.2 公分，螺殼底色為白色，體螺層上有許多褐色至深褐色的小斑點及短線並形成兩條螺帶；螺塔低平，肩部具結節，殼皮. 28.

(45) 薄且平滑透明，呈橄欖色至橘褐色，主要棲息於潮間帶到水深大約 7 5 公尺的岩礁與珊瑚間的沙中 (表 4.2；圖 4.2 (a))。將軍芋螺螺殼高度 5.2 公分，螺塔寬度 3 公分，體螺層為寬至瘦長的圓錐形，輪廓近乎平直，肩部有角，螺塔的輪廓凹入，早期螺層(earlier whorls) 隆起但已斷裂；體螺層基部具細螺肋，底色為白色，體螺層上有橘褐色至深褐色火焰狀或鋸齒狀的縱斑，並有兩條黃色至橘褐色的寬螺帶，殼口為白色。將軍芋螺棲息於潮間帶水深約 50 公尺之珊瑚礁周邊的泥砂中(表 4.2；圖 4.2 (b))。鵝鑾鼻第二遺址芋螺(Conus sp.)標本(OLP2C_1)螺身下部缺失，外表紋飾因風化的現象而不清晰，故僅鑑定到屬名。螺殼高度大於 2.5 公分，螺塔寬度 2.5 公分 (表 4.2；圖 4.2(c))。龜山遺址 KSC_1 芋螺(Conus sp.)與鵝鑾鼻第二遺址標本相似，標本本身較不完整，其螺殼高度大於 3 公分，螺塔寬度為 2.5 公分(表 4.2；圖 4.2 (d))。. 表 4.2 遺址標本之基本描述螺殼高度螺塔寬度標本保存 (cm) (cm) 狀況. 標本編號. 採集地點. 遺址年代. 標本名稱. KTC_3. 墾丁遺址. ~4000B.P.. 帝王芋螺 Conus imperialis Linnaeus, 1758. 6.0. 3.2. 完整. KTC_4. 墾丁遺址. ~4000B.P.. 將軍芋螺 Conus generalis Linnaeus, 1767. 5.2. 3.0. 完整. Conus sp.. >2.5. 2.5. 螺身下部缺失. Conus sp.. >3. 2.5. 螺身下部缺失. OLP2C_1. KSC_1. 鵝鑾鼻第二遺址 3000-3500B.P.. 龜山遺址. ~1500B.P.. 29.

(46) (a). (b). (c). (d). 3cm 圖 4.2 遺址標本照片，(a) KTC_3 帝王芋螺(Conus imperialis)；(b) KTC_4 將軍芋螺 ( Conus generalis)；（c）OLP2C_1 芋螺屬(Conus sp.)；（d） KSC_1 芋螺屬(Conus sp.)。比例尺全長為 3 公分。. 30.

(47) 4.1.2 現生與遺址切片標本芋螺殼體主要分成三層，最外層為角質層，中間層為棱柱層，內層為珍珠層(圖 4.3(a))。在現生標本中，明顯觀察到由內而外增生之生長紋，在最外圈殼體保有不同的色素花紋，例如：現生的斑芋螺在殼體的最外圈呈黑白相間，愈往內圈殼體色素漸漸變少，大部分以白色為主要分層(圖 4.3(a))；紫霞芋螺最外層為橘褐色，由外而內夾一層紫色，其餘皆為白色的殼體(圖 4.3(b))。由於考古遺址標本可能經過長時間掩埋或受到當時海浪磨蝕及人為破壞，故外表之花紋較不易保留。以帝王芋螺(KTC_3)為例(圖 4.3(c))，當標本外表受到磨蝕，單以肉眼無法完全辨別出其特徴，但標本切片則可清楚辨視出標本主要的生長紋方向及結構。. 生長紋. 生長紋 (a). (b). (c). 圖 4.3 標本切片反射光拍攝之構造。 (a)DG_SC_02 斑芋螺、 (b)DG_SC_03 紫霞芋螺、(c)KTC_3 帝王芋螺。. 31.

(48) 4.1.3 以陰極射線檢視標本之保存度本研究以陰極射線顯微鏡來觀察現生標本或化石殼體是否受到成岩作用的影響。圖 4.4 分別為現生與化石標本之切片影像。現生標本 DG_SC_01 在透射光下可觀察到殼體內有明顯分層，由生長紋可看出殼體由內而外生長且幼年期較薄，成年期較厚的現象(圖 4.4.(a))；在陰極射線照射下，並沒有呈現發光現象，表示該標本並末受到成岩作用的影響，即無成岩作用的發生(圖 4.4.(b))。遺址標本以 KTC_4 為例，在透射光下觀察標本殼體，可發現其顏色較現生標本暗沉，而生長紋如同現生標本，在幼年期較薄，成年期較(4.4.(c))；在陰極射線下，KTC_4 亦無發光現象，表示標本沒有受到成岩作用的影響(圖 4.4.(d))。. 圖 4.4 標本切片顯微影像，(a)、(b)圖為現生 DG_SC_01 標本，其中(a) 在透射光下、(b)在陰極射線之下拍攝；(c)、(d)圖為考古遺址 KTC_4 標本，(c)在透射光下、(d)在陰極射線下拍攝。 32.

(49) 4.1.4 以拉曼光譜儀鑑別標本之組成本研究利用拉曼光譜儀鑑別現生標本與遺址標本是否受到成岩作用影響而改變其化學組成。經拉曼光譜儀分析得到結果可知芋螺殼體仍保存原有霰石礦物成份(圖 4.5)，與謝忠東等人(2006)利用 XRD 得到分析結果相符。. 圖 4.5 現生芋螺殼體(DG_SC_01)經拉曼光譜儀分析結果為霰石礦物組成。. 33.