对多面体球体的球谐分析揭示了前山东营（中国北方）地区的地貌形成机制及标准化过程

《Journal of Archaeological Science》：Spherical harmonic analysis of faceted spheroids identifies shaping strategies and standardisation at Qianshangying (North China)

球体石生产策略的量化研究：基于球谐函数的形态学与工艺分析框架创新及其在中国第四纪遗址的应用验证。

　　

作者：叶志|裴书文|马东东|李浩|本·马威克

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所脊椎动物进化与人类起源重点实验室，北京，100044，中国

摘要

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引言

球形石器是一种广泛分布的石器类型，存在于从奥杜威文化到中更新世的广泛时间和地理范围内，并出现在多种考古组合中（Cabanès等人，2024年；Willoughby，1985年）。Clark（1955年）率先研究了考古学中的球形石器，随后Kleindienst（1962年）提出了“导弹型”、“多面体型”和“球状投射器型”的分类。Leakey（1971年）在其对发达奥杜威文化的分类中正式引入了“球形石器”和“亚球形石器”的术语。目前，常用的球形石器定义如下：球形石器是整个表面布满剥片痕迹的圆形石器，而亚球形石器通常对称性较低，可能保留了部分原始的外皮。与球形石器相比，多面体石器的特点是有多处相互交错的剥片痕迹，形成明显的棱角形态；球状投射器型石器则具有更光滑、更圆润的表面，没有可见的棱脊（de Weyer，2017年；Leakey，1971年；Titton等人，2020年）。

这些球形石器通常被归类为“多面体、球形石器和球状投射器型”（或包含亚球形石器时称为“PSSB”），并被普遍解释为围绕中心点进行体积减薄的石器。这种基于形态的分类已被广泛接受，但它也存在挑战。研究表明，这些形式可能并不代表一个连续的技术流程：原材料选择的差异表明可能存在不同的技术策略和潜在的功能目的（de Weyer，2017年；Jones等人，1994年）。这说明了形态学分类在石器研究和分类中的局限性，因为它过于依赖形态特征。需要建立新的标准来区分这些石器，并确定它们的制作目的和策略（如果这些目的和策略确实存在的话）。

此外，球形石器的技术类别和功能仍然是争论的焦点。总体而言，球形石器被解释为核心石器（Sahnouni等人，1997年）、投射工具（Leakey，1979年）或锤石（Mussi，2025年；Schick和Toth，1994年），或是用于加工动物骨头的专用工具（Assaf等人，2025年）。与此争论密切相关的是它们的制作策略，目前仍不清楚。实验复制和特定遗址的细致分析得出了不同的解释。一种观点认为球形石器是作为核心石器减薄的副产品无意中产生的，这是一种低成本的剥片策略（Sahnouni等人，1997年）；另一种观点认为球形石器是通过高强度敲击无意中产生的（Clark，1955年；Mora和de La Torre，2005年；Schick和Toth，1994年）；第三种观点则认为球形石器反映了某种概念性模板，并通过有目的的塑形策略制作而成（Muller等人，2023年；Texier和Roche，2014年；Titton等人，2020年）。

这一争论之所以停滞不前，有几个原因。形态学研究很大程度上依赖于研究人员的观察和经验判断，缺乏客观性。一些实验试图证明球形石器是故意还是无意中制作的，但参与的研究人员往往引入了偏见，使得实现真正的“无意识”制作变得不可能。从客观角度来看，大多数研究只能反映特定地区或遗址的球形石器特征，而球形石器本身在原材料和表面特征等方面表现出相当大的多样性。此外，从自身分析中得出的结论很少经过外部验证或复制。因此，研究方法和球形石器的固有多样性阻碍了对其深入研究的进展。

为了解决这些挑战，我们开发了一套整合形态学和技术分析的定量方法来研究球形石器的制作策略。虽然之前的形态学测量主要集中在接近完美球形的球形石器形状上，有助于讨论球形石器的标准化，但它们在反映制作策略方面提供的帮助有限。因此，我们采用了球谐函数，这是一种最近引入考古学中的无标志点方法。这种方法提供了与几何形态测量相当的形态测量精度，但不依赖于预定义的标志点，特别适合于缺乏同源标志点的球形石器。与之前的研究相比，我们使用了旋转不变谱和均匀流形逼近投影来分析球谐函数的结果，区分了剥片石块的形态变异性，从而将球形石器与高度剥片的石核区分开来，同时扩展了球谐函数的应用范围。额外的技术分析，包括剥片痕迹方向分析和减薄指数计算，进一步有助于重建球形石器的制作过程。我们在这里介绍的所有方法都是开源的，以便未来能够复制我们的结果，并支持跨区域的统一定量研究。

我们通过对中国北方泥河湾盆地最近发掘的千上营遗址中发现的球形石器案例研究来展示这些方法。使用比较框架，我们将球形石器与多面体石器和多面体核心石器进行对比，以解决两个具体问题：首先，球形石器是否代表一种独特的制作序列；其次，定量方法是否能够超越传统的形态学分类，区分球形石器和高度减薄的石核。此外，我们将中更新世的千上营遗址置于东亚更广泛的背景下，探讨与球形石器制作相关的技术行为和文化传统，这也是对该地区球形石器时空分布理解的初步贡献之一。最后，我们提供了一个高效且透明的框架，结合了形态学和技术分析，使得跨地区和考古遗址的球形石器制作策略比较研究成为可能，也可以扩展到其他类型的石器研究。

千上营及其球形石器

千上营遗址位于中国北部的泥河湾盆地，介于中国黄土高原和内蒙古高原之间。该盆地保存了丰富的第四纪河流湖泊沉积物和黄土沉积（Barbour等人，1926年；Deng等人，2008年；Li等人，2000年；Yuan等人，2009年），拥有东亚最多的更新世旧石器时代遗址，对于保存非洲以外的早期人类活动证据尤为重要。

方法

我们生成了核心石器的3D模型，用于形态测量和技术分析。数字数据使用Artec Spider捕获，后期处理使用Artec Studio 18完成。本研究使用的方法和指标在补充材料文件methods_and_indicators_outline.xlsx中列出。此处报告的分析中使用的3D扫描文件以及所有R（4.4.3）和Python（3.10.2）代码都可以在https://doi.org/10.17605/OSF.IO/CTNE9/在线公开获取。

形态测量分析

表1总结了研究中涉及的球形石器、亚球形石器、多面体石器和多面体核心石器的基本信息（岩石类型、空白类型和最终形态）以及形态分析结果（来自SPHARM的分类，球形度和球谐能量的数值）（见表2）。

球形度分析结果显示，多面体核心石器和多面体石器之间没有显著差异（Wilcoxon秩和检验W = 268，p = $2.76\times {10}^{?2}$

因此，对于后续的分析...

千上营的球形石器是否代表了一种塑形策略？

根据技术分析的结果，我们可以总结出千上营遗址制作有棱面的球形石器和亚球形石器所采用的技术策略。这一策略包括一系列连续的阶段（图8）：一个可能的初步成型阶段，旨在形成对称的立方体形状的体积利用阶段，表面加工以接近球形几何形状，边缘精细化阶段，以及可能重复早期阶段的过程。

结论

研究球形石器的定量方法仍然有限（de Weyer，2017年；Muller等人，2023年；Titton等人，2020年）。我们在这里提出了一种基于球谐函数的完整、高效、可复制且透明的方法论框架，用于定量评估剥片石块的形态变异，区分核心石器和球形石器，并评估球形石器的形态标准化程度。

可复制的结果

负责可复制性的副编辑可以下载所有材料并重现作者展示的结果。

数据可用性声明

千上营遗址的3D模型以及用于分析这些模型的Python和R代码都可以在https://doi.org/10.17605/OSF.IO/CTNE9公开获取。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42371165）和中国留学奖学金委员会项目（CSC编号：202404910542）的财政支持。

作者贡献声明

叶志：概念构思、数据管理、调查、方法论、软件开发、初稿撰写。 裴书文：调查、资源获取、监督、撰写——审稿与编辑。 马东东：调查、撰写——审稿与编辑。 李浩：数据管理、监督、撰写——审稿与编辑。 本·马威克：数据管理、方法论、监督、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢Christine Harper分享她在SPHARM分析方面的专业知识。