國立成功大學 103 學年度
休假研究報告書
休假研究計畫名稱：
（1） 穩定同位素及微量元素在考古學之應用及人員培訓計畫
（2） 台江內海近代人文社會及經濟資料與時空地理資訊之整
合分析
單位：
理學院 地球科學系
姓名：
吳 銘 志
中 華 民 國 104 年 4 月 28 日
國立成功大學 103 學年度教授、副教授休假研究報告書
【第一段】 休假研究 期間102 年 08 月 01 日起至 103 年 01 月 31 日止
休假研究 地點國立成功大學 地球科學系，台南，臺灣
休假研究 計畫名稱穩定同位素及微量元素在考古學之應用及人員培訓計畫
計畫主持人：吳銘志 副教授 共同主持人：李傳斌 博士 計 畫 摘 要 放射性同位素定年方法在考古學中是最為普遍使用的科學技術，而近年來穩定 同位素及微量元素分析在考古學的應用上也日益成熟。主要的研究應用包含： 1. 環境重建：在不同的環境、不同的溫度，同位素的比值會隨著環境的 改變而有所差異，因此氣候變遷可記錄於貝殼等生物體上。 2. 飲食研究（diet）：生物在不同環境及不同之食物鏈地位而有不同的飲 食來源。這些來源內的同位素反應當時的生長環境。而當人類飲食習 慣偏向某一類生長環境的資源時，所吸收之同位素也會有所差異。 3. 家養/野生：家養動物中食肉類如犬、豬等因食物來源與人類相同，因 此在食物鏈上屬於最高階。但若是野生，則偏向較不具危險的植物性 來源，也因此在骨骼中之同位素比例亦有所不同。 4. 遷移性研究：不同地區之同位素有不同之比值，若人口是由外地移 入，則牙釉質與骨骼應有所不同。 南科／樹谷一帶不僅遺址之數量及出土遺物數量極為豐富多樣，且文化期 相也相當完整，因此深具時空研究背景之優勢。其中，從環境材料（土壤、地 下水）以及動物、人類等遺留中各類同位素及微量元素變化，地質學及考古學 家可以了解數千年以來生態環境的多樣性，而從自然地層之研究，我們也得知 沉積環境之演化過程，另外由骨骼等資料，則可對飲食習慣、遷移、飼養等文 化內涵進行了解，而本計畫則希望透過環境材料、動物骨頭、牙齒或外殼以及 人類骨骼、牙齒等硬組織中所含元素與同位素之研究，進一步探討史前人類與 生態環境之關係。 跨學科之科際整合一直是考古學界與其它社會科學不同之一大特色，但其 中實驗操作大多是由自然科學學門人員所負責，由於主客觀因素的限制，在時 效、取樣以及分析結果之解釋上時有無法相互配合之情事。由於穩定同位素的 分析技術以及流程已日漸成熟，而其原理並不複雜。其中考古學門的人員參與 實驗將有助於材料的取樣及解釋。 本計畫相關元素及穩定同位素分析工作之教導及實習，將委由成大地科系 之同位素實驗室負責辦理，該系已累積對於貝類碳氧同位素及鍶同位素之許多 研究成果，目前也開始對動物牙齒之同位素成份進行研究，因此有關標本之準 備及採樣將不成問題，而資料之分析工作及解釋則由本中心與成大相關人員共 同完成。研 究 計 畫 具 體 成 果
研 究 經 過 及 心 得 1. 碳、氮、氧同位素之研究 主要以動物硬組織中之骨頭之膠原蛋白及牙齒之琺瑯質進行分析。分析對 象則首先針對貝殼等具有大量標本開始著手，計畫希望針對水體、現生貝 類、遺址之貝類殼體之氧、碳同位素值進行研究，以了解環境之訊息。因 為氧同位素值與當時水體氧同位素值及溫度有關；而殼體之碳同位素值， 則與溶解於水中之無機碳的碳同位素值有關。因此我們可以選擇保存狀態 良好之貝殼進行碳氧同位素之測定，以推測古環境之變化。另外也針對生 長紋變化明顯之貝殼進行碳氧同位素值之測定，以了解個體不同成長時期 周遭環境是否產生變化；例如海水與河水之氧同位素訊號有極大之不同， 因此居住於濱海地區之貝類，可能因季節之不同，導致殼體接受海水與河 水之氧同位素訊號比例不一，而產生氧同位素值上之差異，而這些差異便 會紀錄在生長紋上。 其次則是針對鹿與豬（骨頭、犬齒及乳齒）進行分析，主要考量鹿屬草食 性動物，而豬為雜食性，之後才進行人類硬組織之分析。其中對於草食性 動物可由δ13C 值來判斷其所食用植物屬性（屬 C3 或 C4，及兩者之比例）。 其中 C3 植物主要為喬木、灌木及大多數的禾本科植物等，C4 植物則有玉 米、粟、黍及甘蔗等。同樣的，δ15N 值也與食物結構有明顯之關係。 2. 微量元素研究 其主要原理乃同屬鹼土金屬之 Sr、Ba 及 Ca，彼此間可以互相取代，因此人 類或動物的骨骼或牙齒等硬組織之羟基磷酸鈣中，或多或少會有 Sr、Ba 之 存在。而愈屬於食物鏈頂端的生物，其羟基磷酸鹽的 Sr/Ca 比和 Ba/Ca 比愈 低，胡耀武等人（2005）利用 ICP-AES 測量賈湖遺址 5 期 9 段共 28 件人骨 樣品之微量元素發現，Sr/Ca 比和 Ba/Ca 比值呈現早期、晚期低而中期偏高 之現象，說明早期賈湖居民以漁獵為主，之後植物性食物逐步增加，而中 期以後，稻作農業和家畜飼養的發展改變了居民之食性。 3. Sr 同位素研究 1985 年 Erison 認為由史前人骨之鍶同位素之組成，可獲得早期人類棲息地 改變之訊息，主要著眼於不同地區期鍶同位素組成是不一樣的，且鍶是硬 組織羟基磷酸鈣成員之一。須注意，因人類骨頭有一定的代謝週期，而牙 齒之琺瑯質則終身不變，故前者之鍶同位素組成可能只反應人類死亡前若 干年地區之鍶組成，而後者卻是反映人類幼年生長地區之鍶組成。而在進 行人類硬組織分析前，計畫仍先以豬、鹿之牙齒進行初步之分析工作。 本計畫之首要目標在於訓練相關人員（研究人員及助理約 7 人）熟悉各式 樣品之前處理工作及採樣方法，並了解各種儀器之分析原理及方法，及完 成儀器之上機作業訓練。至於分析標本之種類及數量，則是依前處理之複 雜度、標本數量的豐富度等依序進行。依分析種類而言，首先是針對貝類， 主要針對二枚貝之碳氧同位素進行分析，以探討遺址及鄰近地區之環境變 遷。後續則是針對豬、鹿之牙齒及骨頭，進行碳、氧同位素及鍶同位素組 成之分析，之後則針對人類之牙齒及骨頭進行同樣之分析，這部分希望可研 究 經 過 及 心 得 以建立不同文化層同位素基本資料，以探討人類與動物間之食物結構之差 異性，及是否有棲息地變動之訊息存在。次之則進行豬鹿及人類硬組織所 含微量元素之研究，這部份同樣可以探討食物之結構問題。預期成果概分 兩部分 4. 人員培訓 根據研究，動物及人類的骨頭或牙齒中所含的化學元素與同位素組成，與 其生前食物結構有密切之關係。由於台灣地區尚少有相關之研究，故本計 畫之推動，首先將加強本中心人員對於分析儀器及原理之了解，並對標本 之前處理及採樣作業進行實際之操作。 5. 西南平原考古標本穩定同位素及微量元素資料之建立 本次資料之分析工作屬於初步之分析工作，著眼於環境背景值之調查及基 楚資料之建置，而這部分則將會同成大地科系相關研究人員，一起判讀分 析資料，確認標本未受污染，並尋求合理之科學性解釋。另外對於不同時 期二枚貝殼體亦將進行化學元素及穩定碳氧同位素訊號之分析，探討區域 環境之變遷 休 假 研 究 成 果 大 事 記 1. 2013.08.01~2014.01.31，授課，研究所課程：「環境地質與工程技術」專題 討論。 2. 2013.05.13~05.14，出席第七屆世界水論壇（WWF-7）啟動會議，韓國大邱 市。 3. 2013.06.23~06.25，主辦台灣地球觀測學會「2013 地球觀測與社會衝擊國際 研討會 ICEO& SI 2013」，成功大學，台南市。 4. 2013.09.03~09.05，協助出海進行懸浮物樣品採集，海研二號研究船。 5. 2013.10.20~10.24，出席「第 34 屆亞洲遙測研討會」，印尼峇里島。 6. 2013.10.30~11.02，帶領學生參加「韓國地理資訊學術研討會」，韓國濟州島。 7. 2013.12.06，香港市立大學副教授系友施凱閔博士回系專題演講暨座談 8. 2013.11.24~11.26，出席「地 14 屆亞太水論壇理事會會議（The 14th APWF GC Mtg」，菲律賓馬尼拉。 論 文 發 表 一、期刊論文
1. Lee, C-.P., C.-Y. Liu, M.-C. Wu, C.-H. Pan, T.-L. Tsai, H.-J. Wei, L.-C. Men (2013) Application of non-linear heterogeneity-based isotherm models for characterizing sorption of Cs and Se on mudrocks, Journal of Radioanalytical
and Nuclear Chemistry, 298, 749-754 (SCI, 3/34=8.82%；2012 IF=1.47)
2. Lee, C.-P. C.-Y. Liu, M.-C. Wu, C.-H. Pan, T.-L. Tsai, H.-J. Wei, L-.C. Men. (2013) Simulation of a 2-site Langmuir model for characterizing the sorption capacity of Cs and Se in crushed mudrock under various ionic strength effects, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 296, 1119-1125 (SCI, 3/34=8.82%；2012 IF=1.47)
論 文 發 表
3. Lee, C.-P. C.-Y. Liu, M.-C. Wu, C.-H. Pan, T.-L. Tsai, H.-J. Wei, L.-C. Men. (2013) Diffusion of Cs in Compacted Bentonite with Different Column Lengths, Proceeding of 14th International High-Level Radioactive Waste
Management Conference, IHLRWMC 2013: Integrating Storage,
Transportation, and Disposal 947-953 (EI, ISBN-13: 9781627486446)
4. Yang, Mon-Shieh, Ming-Chee Wu and Jin-King Liu (2013), "Analysis of the Relationship Between Landslides Hazard and Riverbed Surface Roughness by LiDAR-Derived Topographic Data ", Journal of Marine Science and
Technology, Accepted. (SCI)
二、國際研討會論文
1. Wu, M.-C., Lee C.-P. , C.-Y. Liu, C.-H. Pan, T.-L. Tsai, H.-J. Wei, L.-C. Men, 2013, Evaluation of HTO and selenium diffusion behavior in compacted bentonite with different lengths, The 5th Asia-Pacific Symposium on Radiochemistry (APSORC13), Sep. 22nd ~ 27th , Kanazawa, Japan. (Oral) 2. Lee, C.-P., C.-Y. Liu, M.-C. Wu, C.-H. Pan, T.-L. Tsai, H.-J. Wei, L.-C. Men,
2013, Diffusion of Cs in Compacted Bentonite with Different Column Lengths, International High-Level Radioactive Waste Management Conference (2013 IHLWM), April 28th ~ May 2nd, Albuquerque, U.S.A. (Oral)
備註
【活動剪影】
出席第七屆世界水論壇（WWF-7）啟動會議 2013.05.13~05.14 韓國大邱市 主辦台灣地球觀測學會「2013 地球觀測與社會衝擊國際研討會 ICEO& SI 2013」 2013.06.23~06.25 台南市成功大學 出席第 34 屆亞洲遙測研討會 2013.10.20~10.24 印尼峇里島 香港市立大學副教授系友施凱閔博士回系 專題演講暨座談 2013.12.06帶領學生參加韓國地理資訊學術研討會 2013.10.30~11.02 韓國濟州島
學生參加韓國地理資訊學術研討會 得論文優等獎
國立成功大學 103 學年度教授、副教授休假研究報告書
【第二段】 休假研究 期間103 年 08 月 01 日起至 104 年 01 月 31 日止
休假研究 地點國立成功大學 地球科學系，台南，臺灣
休假研究 計畫名稱 國科會空間資訊與人文社會經濟跨領域整合型研究計畫（子計畫一）台江內海近代人文社會及經濟資料與時空地理資訊之整合分析
計畫主持人：吳銘志 副教授 共同主持人：曾義星 教授、莊永忠 助理教授 計 畫 摘 要 本跨領域研究計畫試圖運用時空資訊平台，整合人文與自然背景的跨領域研究 團隊，透過長時期的地景變遷、土地利用、社會經濟發展等資料，探討台江內 海地區人與自然環境之間的互動與適應過程。本計畫參與者來自不同專業領 域，包含人文社會、歷史地理、空間資訊、地球科學、及資訊科學等學術領域， 針對台灣文明的起源地，即台江內海之大範圍地區，首次嘗試整合清末日治時 期以來之各種大比例尺地形圖、航空照片、衛星影像等圖資，把不同時期的空 間資訊進行空間對位，確定其分佈空間在時間序列上的相對位置，得以在共通 坐標系統的數位平台上呈現地理環境的變遷，一方面提供所有子計畫研究之素 材，一方面亦就各自專業所面對的科學議題，如不具明確參數之圖資如何糾正 等，進行深入的探討。所有這些工作，國內外相關學界或囿於圖資完整性之限 制，或從未曾有如此多元背景的團隊共聚一堂協同研究，因此，對本團隊而言， 既是一種難得的機遇，也是一種挑戰。可預見本研究計畫所面臨之複雜性與難 度，俱參與者過去所未曾經歷或意識到的。藉助本計畫的具體實踐，一方面可 以拓展參與者的研究視野，促成新技術的研發，一方面學習與其他團隊的溝 通、協調與整合，在應用空間資訊科學的前提下，確實達到科技整合研究的目 的。此於國內外學界而言，均具有一種學術創新的特色。研 究 計 畫 具 體 成 果
研 究 經 過 及 心 得 本子計畫擬以台江內海之研究範圍，整合近數百年來跨時間及空間之地理與人文 資訊，擬以三年分七個階段來進行，包括：1.資料蒐集、2.航照影像處理與分析、 3.水文分析、4.地形變遷分析、5.古河道判釋、6.人地關係重建、及 7.時空地理資 訊與人地關係分析探討。首先將整合中央研究院所典藏的臺灣光復初期至今的近 代歷史圖資及影像，把不同時期的空間資訊進行空間對位，確定其分佈空間在時 間序列上的相對位置，得以在共通坐標系統的數位平台上呈現地理環境的變遷， 俾利本團隊其他子計劃相關研究之時空分析。由於具有準確空間資料得圖資只能 推至百年前，為了將時空資訊準確度向前推至荷蘭時期，冀期以台江地區的海 岸、沙洲，以及地下水資源之流場分布與其水力特性等古河道水文環境變遷為要 素，將經由圖資的套疊整合及分析技術，繪製成為「地文、水文及人文」歷史脈 絡的主題基本圖，藉以瞭解台江地區自荷據時期以來之地文（地理地形）、研 究 經 過 及 心 得 水文（河川水系）及人文（社會文化）的變化。經由時空資訊的整合分析，不同 時間點之圖資可以顯示出區域的空間變化與遷移，因此本計劃亦將探討台江內海 地區之水文與地理環境的變遷，透過參考人文方志文獻等史實資料之應證，從自 然及人文社會發展的角度來瞭解台江地區整體的「自然、人文、社會、經濟」由 始以來的發展脈絡。本計劃是跨空間資訊科學及工程、自然科學及人文社會科學 學術領域之創新研究，其中涉及各個學術領域之專業技術，也創造跨領域技術的 整合及對話之新概念。企圖從在地出發，尋根溯源，才能走上國際。 休 假 研 究 成 果 大 事 記 1. 2014.04.05~04.12，德國海德堡大學 Hoefle 教授來訪及辦理教育訓練課程。 2. 2014.04.15~04.19，出席「國暨遙測學術研討會（ISRS 2014）」，韓國釜山市 3. 2014.05.11~05.16，出席「第 17 屆核子化學國際研討會（17th RadChem），捷 克瑪莉安斯基溫泉市。 4. 2014.06.22~06.24，出席台灣地球觀測學會「2014 地球觀測與社會衝擊國際研 討會 ICEO & SI 2014」，聯合大學，苗栗市。 5. 2014.07.13~07.18，出席「國際地球科學暨遙測學術研討會（IGARSS 2014）」， 加拿大魁北克。 6. 2014.08.02~08.10，拜訪頂尖計畫合作研究友校日本東北大學三村教授。 7. 2014.09.24~09.26，出席 Asia GLP Conference, Taipei。
論 文 發 表
一、 期刊論文：
1. M.C. Wu, C.P. Lee, S.C. Tsai, C.Y. Liu, C.H. Pan, T.L. Tsai, H.J. Wei, L.C. Men. Study on sorption and diffusion of Sr in crushed and intact basalt and granite investigated in column method (2015) Journal of Radioanalytical and Nuclear
Chemistry 304, 435-441
2. Lee, C.P., M.C. Wu, S.C. Tsai, C.Y. Liu, T.L. Tsai, C.H. Pan, M.S. Yan.
Numerical analysis of transport and retardation for cesium in crushed granite using multi-stage advection-dispersion column experiments (2015) Journal of
Radioanalytical and Nuclear Chemistry 304, 377-386
3. Lee, C.P., M.C. Wu, S.C. Tsai, C.Y. Liu, T.L. Tsai, H.J. L.Y. Ou. Study on sorption of Cs from aqueous solution by microcapsules enclosing natural minerals (2015) Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry (Submission and Revising)
二、國際研討會論文：
1. M.C. Wu, C.P. Lee, Y.L. Tu, C.H. Pan, S.C. Tsai, T.L. Tsai, H.J. Wei, C.Y. Liu. Sorption and Diffusion Studies for Cs in Crushed Argillite and Granite via Through-Diffusion Experiments. The 21st International Conference & Exhibition: Nuclear Fuel Cycle for a Low-Carbon Future (Global 2015), September 20-24, 2015, Paris, France
2. Y.L. Tu, Lee, C.P, M.C. Wu, S.C. Tsai, C.Y. Liu, T.L. Tsai. Study the Adsorption Parameters of Buffer/Backfill Materials for Radioactive Waste Disposal Sites. The 21st International Conference & Exhibition: Nuclear Fuel Cycle for a Low-Carbon Future (Global 2015), September 20-24, 2015, Paris, France
論 文 發 表
3. Lee, C.P., M.C. Wu, S.C. Tsai, C.Y. Liu, T.L. Tsai, H.J. L.Y. Ou. The 10th International Conference on Methods and Applications of Radioanalytical Chemistry (MARC X), April 12-17, 2015, Hawaii, U.S.
4. Lee, C.P., M.C. Wu, L.Y. Ou, S.C. Tsai, T.L. Tsai, H. Mimura. Uptake of Cs from aqueous solutions by microcapsules enclosing natural minerals. (Poster) The 13th Information Exchange Meeting: Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation (13 IEMPT) September 23-26, 2014, Seoul, Republic of Korea
5. Wang, W.C. C.C. Jung, C.P. Lee, M.C. Wu, H.J. Su. Identifying and Analyzing Species of Pollens in Taiwan by Isotope Ratio Mass Spectrometer. (Oral) The 8th International Conference on Isotopes. August 24-29, 2014, Chicago, U.S 6. Lee, C.P.；M.C. Wu, S.C. Tsai, C.H. Pan, T.L. Tsai, H.J. Wei, L.C. Men.
Numerical analysis of transport and retardation for cesium in crushed granite using multi-stage advection-dispersion column experiments. (Oral) The 17th Radiochemical Conference (2014 RadChem) May 11-16, 2014, Marianske Lanze, Czech Republic
7. Wu, M.C., C.P. Lee, S.C. Tsai, C.H. Pan, T.L. Tsai, H.J. Wei, L.C. Men. Study on sorption and diffusion of Sr in crushed and intact basalt and granite
investigated in column method. (Oral) The 17th Radiochemical Conference (2014 RadChem) May 11-16, 2014, Marianske Lanze, Czech Republic 備註
【活動剪影】
德國海德堡大學 Hoefle 教授來訪 2014.04.05~04.12
Hoefle 教授辦理教育訓練課程 The 17th RadChem 國際研討會 2014.05.11~05.16 捷克瑪莉安斯基溫泉市
出席 IGARSS 2014 國際研討會 2014.07.13~07.18 加拿大魁北克
拜訪頂尖計畫合作研究友校 日本東北大學三村教授 2014.08.02~08.10
出席「國暨遙測學術研討會（ISRS 2014）」 2014.04.15~04.19，韓國釜山市
出席 Asia GLP Conference 2014.09.24~09.26，Taipei
