Appearance
Earliest evidence of making fire
Summary
Problem: 人类何时以及如何从利用自然火（如野火）发展到主动制造火，是理解人类生物、技术与社会进化的关键问题。此前考古证据多为加热材料与石器的关联，难以区分自然燃烧与人为燃烧；而直接的火制造证据仅限于约5万年前法国尼安德特人遗址的少数手斧。本文旨在寻找更早的、明确的火制造证据。 Approach: 本文对英国萨福克郡Barnham遗址（East Farm Barnham）一处约40万年前（MIS 11c，Hoxnian间冰期）的埋藏古土壤（palaeosol，unit 6）中的红色粘土质粉砂（RCS）集中区进行了多学科综合分析，包括微形态学（micromorphology）、环境磁学（environmental magnetism）、多环芳烃（PAH）分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，并对遗址中出土的两块氧化黄铁矿（pyrite，FeS2）碎片进行了微X射线衍射（XRD）分析。同时结合区域地质调查（超过121,000个砾石碎片的岩性分析）评估黄铁矿的本地稀有性。 Finding: 分析表明，RCS是在原位（in situ）通过局部木材燃烧形成的，FTIR显示部分样品温度超过750°C；磁学与PAH分析表明燃烧活动是重复性的、空间受限的，且与区域野火频率脱钩，符合人为反复用火的特征。此外，遗址中发现的两块黄铁矿碎片（一种可与燧石撞击产生火花的矿物）在本地极为稀有，且与加热燧石手斧和炉灶遗迹密切关联，表明其被有意带入遗址用于火制造。 Significance: 这是迄今已知的最早的主动火制造（fire-making）证据，将火制造技术的起源从约5万年前（尼安德特人）大幅提前至40万年前以上，表明前智人（可能为早期尼安德特人谱系）已具备复杂的认知能力，包括对黄铁矿性质的理解、合适引火物的知识以及火制造工具的保管（curation）。该发现对理解人类大脑进化、社会行为复杂化、烹饪与饮食改善等具有深远意义。
Theoretical Framework
N/A
Research Design
本研究为考古遗址的多学科综合分析（mixed-methods），属于观察性/田野研究。分析单元为遗址内的沉积物样品、石制品（手斧、石核、石片）及矿物碎片（黄铁矿）。关键变量为：加热证据（因变量），通过微形态学（赤铁矿原位形成）、环境磁学（热成因磁性矿物）、PAH（重/轻PAH比值及统计相关性）、FTIR（粘土吸收带变化）来操作化；火制造行为（自变量），通过黄铁矿碎片的存在及其本地稀有性、与加热燧石和炉灶的空间关联来推断。研究还通过实验加热参考样品（YBCS）建立FTIR基线，并通过多次加热实验（单次/多次、不同时长、400°C/600°C）对比磁学性质。
Data & Sample
- 遗址：英国萨福克郡Breckland地区East Farm Barnham（52°22'29"N, 0°45'14"E），位于废弃粘土坑内。
- 地层与年代：冰川沉积（Anglian冰期，MIS 12，约478–427 ka）之上为湖相沉积（Hoxnian间冰期前半段，MIS 11c，约427–415 ka）；考古层位为古土壤（unit 6）。
- 样品：RCS微形态学薄片2张；环境磁学样品3个（RCS）+ 2个对照（YBCS）；PAH样品9个（units 5e、6、7）；FTIR样品9个（unit 6的5个亚层）；黄铁矿碎片2块（Area VI palaeosol内1块，Area IV(6) palaeosol表面1块）。
- 区域地质数据：分析超过121,000个砾石碎屑（来自26个地点，其中33,000余个来自Barnham地区），涵盖前Anglian河流砾石、Anglian冰川沉积和后Anglian河流砾石。
- 采集方法：1989–1994年及2013年至今的系统发掘；RCS区域采用对角象限法（diagonally opposed quadrants）发掘。
- 时间：发掘持续进行，本文分析样品采集于2022–2024年。
Analytical Strategy
- 微形态学：薄片观察赤铁矿分布、粘土淋溶（clay illuviation）与加热信号的关系，判断加热是否原位保存。
- 环境磁学：比较RCS与未加热对照（YBCS）的磁性矿物（次生细粒铁磁性和超顺磁性矿物）；通过单次/多次加热实验（不同时长、400°C/600°C）寻找最接近的实验类比。
- PAH分析：比较重PAH（hPAH）与轻PAH（lPAH）的相对丰度；对单个PAH化合物进行统计相关性分析，判断局部火信号与区域野火的关系（RCS中无相关性，YBCS中强相关）。
- FTIR：对参考样品（YBCS）进行150–1,000°C实验加热建立基线，对比考古样品的粘土吸收带变化，估算加热温度范围（<400°C、400–750°C、>750°C）。
- XRD：对黄铁矿碎片进行微XRD分析，鉴定物相（针铁矿为主，少量赤铁矿）。
- 区域地质对比：通过大规模砾石碎屑岩性统计评估黄铁矿的本地稀有性。
Results & Findings
- 加热沉积物（RCS）确认为原位人为燃烧产物：微形态学显示赤铁矿均匀分布、非与特定微相或孔隙相关，表明原位形成；但局部被后期粘土淋溶打断，解释了磁学信号的混合。FTIR显示5个样品有明确加热证据，温度范围从<400°C到>750°C（样品1058超过750°C）。磁学实验表明RCS的磁性特征最接近12次以上、每次4小时、400°C或600°C的加热事件，且考古样品磁化率较低可能源于与未加热淋溶粘土的混合——这支持反复、短时、局部燃烧，符合人为用火而非自然野火的特征。
- PAH信号与区域野火脱钩：仅RCS样品（1074）显示hPAH相对lPAH富集，与人为炉灶的PAH特征相似（自然火以lPAH为主）。RCS中PAH化合物间无统计相关性，表明其来源独立于区域野火；而同一地层单元的YBCS（1073）中lPAH与hPAH强相关，反映区域野火信号。这进一步支持RCS为局部木材燃烧、与区域自然火无关。
- 黄铁矿碎片为有意带入：两块黄铁矿碎片均完全氧化（针铁矿为主，少量赤铁矿），保留部分原始皮层，内部断裂面显示放射状晶体假象。区域地质调查显示，Breckland地区黄铁矿极为稀有——超过121,000个砾石碎屑中无一含黄铁矿，且Lower Chalk在Barnham下方约70米深处，未被河流切割暴露。因此黄铁矿不可能自然出现在该古土壤中，其存在强烈暗示被人类有意从外地带入用于火制造。
- 与假设的关系：这些结果共同支持了研究假设——Barnham遗址存在人为火制造行为。加热沉积物（反复、局部、与区域野火脱钩）提供了火维护（fire maintenance）的证据，而黄铁矿碎片（本地稀有、与加热燧石和炉灶关联）提供了火制造（fire-making）的直接线索。
- 意外/补充发现：Area VI（距Area I East约45米）存在加热燧石集中但无加热沉积物，暗示可能存在未保存的额外炉灶。此外，区域对比显示Breckland地区MIS 11期间至少三个遗址（Barnham、Beeches Pit、Devereux's Pit）均有用火证据，且均位于远离主河谷的小型池塘/泉边，表明该区域存在有控制的用火传统。
Limitations
- 黄铁矿碎片仅有两块，且其中一块（Area IV(6)）可能不在原始地层位置（虽推测源自古土壤）。
- 黄铁矿碎片上未检测到与火制造相关的使用痕迹（use-wear），其与火制造的关联是间接推断的。
- 加热沉积物（RCS）的横向范围难以精确定义，且北侧被商业采掘截断，可能损失了部分原始信息。
- 木炭稀少、灰烬缺失（可能因风蚀雨蚀）、烧骨缺失（因脱钙作用），限制了更全面的用火证据。
- 磁学实验中考古样品磁化率显著低于实验类比，作者归因于后期混合，但存在不确定性。
- 加热事件的次数无法精确确定（"indeterminate number"）。
- 黄铁矿的"有意带入"推断基于区域稀有性，但无法完全排除其他自然搬运机制。
Key Contributions
- 提供了迄今最早的主动火制造（fire-making）考古证据，将火制造技术起源从约5万年前提前至40万年前以上。
- 首次将黄铁矿碎片（火制造原料）与加热沉积物、加热手斧在40万年前地层中关联，为火制造行为提供了多线证据链。
- 展示了多学科分析方法（微形态学、环境磁学、PAH、FTIR、XRD）在区分自然火与人为火方面的综合应用价值。
- 通过大规模区域砾石岩性统计（>121,000碎屑），建立了评估矿物本地稀有性的严谨方法。
- 提出Breckland地区MIS 11期间存在区域性有控制用火传统的观点，整合了Barnham、Beeches Pit和Devereux's Pit三个遗址的证据。
- 为理解前智人（早期尼安德特人谱系）的认知复杂性、社会行为（分工、火制造工具保管）和适应性优势（按需烹饪、提高能量获取）提供了关键实证。
Key Claims
"Here we present evidence of fire-making on a 400,000-year-old buried landsurface at Barnham (UK), where heated sediments and fire-cracked flint handaxes were found alongside two fragments of iron pyrite—a mineral used in later periods to strike sparks with flint." (Abstract)
"Geological studies show that pyrite is locally rare, suggesting it was brought deliberately to the site for fire-making." (Abstract)
"The evidence from Barnham strongly indicates complex behaviour, including an understanding of the properties of pyrite, knowledge of suitable tinder for successful ignition and the curation of pyrite as part of a fire-making kit." (Discussion)
"Together, these analyses provide clear evidence of in situ heating of sediment that is likely to be related to anthropogenic activity, representing the maintenance of a combustion feature." (Summary section)
"The rarity of pyrite in the Breckland region is supported by extensive lithological studies of the regional Pleistocene geology. Analysis of over 121,000 individual clasts from 26 sites... None of the samples contained pyrite fragments, demonstrating the extreme rarity of this mineral in Pleistocene deposits in the region." (Pyrite section)