胡夫金字塔中的碳微团块是有机起源的吗?PIXE和PIGE揭示了吉萨金字塔的建造

家伙Demortier

比利时那慕尔B-5000布鲁塞尔街61号，那慕尔大学SPS和LARN

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2021.a21
©2021作者
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用核探针鉴定的胡夫金字塔样品中存在尺寸在5微米到50微米之间的碳团簇，这似乎表明它们是有机起源的。它们在金字塔样品中的位置与其他含钠簇的位置一致。这种情况在从埃及采石场采集的石灰石样品中完全不存在。对结果的解释可能会对这座巨大纪念碑的建造技术有所启发。

介绍

埃及大金字塔建造技术的跨学科方法是一个争论的主题，引起了激烈的争论。现在，越来越多的科学团队被接受到埃及遗址对古迹进行非破坏性的调查。森岛和他的同事最近利用宇宙射线μ子发现了胡夫金字塔的大洞¹鼓励埃及当局与世界各地的埃及学家合作。先前报道的“大空洞”长度(约30米长)现在被认为更大，更连续。²这个空间的大小是如此之大，很明显，所有周围的结构都必须是高度刚性的:这种刚性只能通过完美重叠的块来实现。Zahi Hawass，前埃及文物部长，最初对森岛的μ子扫描结论持怀疑态度，现在准备完全接受他们，并提出这个空洞可能是胡夫埋葬的位置每日快报。^3.

另一种理解建筑模式的方法是观察Bertho建造的纪念碑的结构⁴以及Davidovits报告的材料分析。⁵最后两位作者得出的结论是，这座纪念碑是用当地的石灰石和粘合剂(生产一种混凝土)在现场模压的砖块建造的，而不是用凿出来的砖块。我们最近用核探针对六种主要元素(C、O、Na、S、Cl和Ca)的分布图进行了研究，并考虑了这一观点。^6、7这一观点也得到了Barsoum的支持et al。他们使用各种x射线和电子显微镜来证明金字塔块含有氧化钙和氧化镁，这些氧化钙和氧化镁具有在天然材料中找不到的晶体结构。⁸最近用古磁方法对金字塔样品中铁化合物取向的测量支持了一种人造技术导致混合材料快速凝固的假设。⁹除了已经报道的与天然石灰岩相关的Na、S和Cl元素分析外，我们在这里提出了对异常包裹的5-50µm碳团簇的可能解释。

实验安排

对那慕尔大学和莱切大学静电加速器产生的低能质子对埃及金字塔块体进行的非真空质子诱导x射线发射(pxe)和质子诱导伽马射线发射(PIGE)分析显示，F、Na、S和Cl的浓度异常。^{10 - 12}最近，在ATOMKI (Debrecen, Hungary)使用(真空)扫描核微探针进行了micro-PIXE和micro-PIGE研究(图1)，以局部量化较轻元素的组成，低至碳。在分析过程中，对沉积在碳基板上的铜网格定期检查辐照的空间分辨率和均匀性(图2)。

图1所示。位于Atomki (Debrecen，匈牙利)的pxie微探针室。

图2。碳基板上铜网格的微像素图。左:铜;用Be窗口检测器收集的数据)。右:碳;用SUTW探测器收集的数据。

样本取自埃及金字塔的内部，以及图拉和马迪(埃及北部)石灰石采石场的石头。它们被粉碎和压制，得到扁平的圆形颗粒，没有任何额外的粘合剂(图3)。采样过程确保排除任何外来物质的污染。实验条件为:2.5 MeV质子束聚焦到光斑尺寸为~3µm，光束电流为~ 100-200 pA，扫描区域尺寸为1 × 1 mm²。测量时间一般为~500 ~ 900 s，对应于~0.1 ~ 0.2µC的累积电荷。

图3。弹丸样本在目标人身上。

入射2.5 MeV质子为Al的k壳电离提供了最大横截面(100%);C、O、F、Na、Mg和F的k壳电离率分别为61%、84%、93%、98%、99.5% (k壳电离截面斜率递减区域)E_p= 2.5 MeV);Si、P、Cl、K和Ca (K壳电离截面斜率增加的区域)分别为87%、80%、73%、60%和53%。这种质子能量的选择是最佳的，可以部分补偿材料中来自轻元素(CKα为277 eV, MgKα为1.25 keV)的低能x射线信号不可避免的损失，因为k壳电离截面随着质子进入物质的深度而增加。纯CaCO中CKα、k α和CaKα x射线线的信息深度_3.如图4所示。

图4。CaCO中C、O和Ca的信息深度_3.。

微型pixe探测装置由一个超薄窗口(SUTW) Si(Li) x射线探测器和一个be窗口探测器组成，它们同时运行，可以有效地探测到低至碳(0.28-8 keV范围内)的轻元素以及重元素(从K向上)。SUTW探测器用一个永磁单元保护了反向散射粒子。在be窗口探测器(立体角~100 msr)中，用卡普顿对强软特征x射线(<3 keV)进行了衰减^®过滤器(375µm厚)。利用PIXEKLM-TPI (Atomki)软件包对样品进行特征x射线谱分析和元素组成测定。¹³据此，拟合了CKα以上元素的K、L(和M)特征线以及光谱中的逸出峰和堆积峰。然而，元素浓度是根据元素的Kα或Lα x射线强度计算的，考虑到样品内特征x射线的吸收增强效应以及参考文献13和14中描述的实验参数(质子束能量、探测器立体角、x射线过滤器等)。微型pige装置由一个NaI(Tl)探测器(直径= 110 mm)组成，该探测器以相对于光束方向90°的方向放置在真空室外。它被用来探测6> -7.1 MeV的γ射线群¹⁹F (pαγ)¹⁶由于SUTW探测器中的FKα (677 eV)检测确实会受到Fe (705 eV)的Lα线的部分干扰:铁确实存在于所有分析样品中。

整个测量过程都经过了标准参考物质(RMs)的校准和测试，如NIST 610，“康宁D”考古玻璃和一些自制的RMs，以及纯化合物(如石英，NaCl等)。平均而言，主、微量元素的浓度可达到~5 - 10%的准确度，微量元素的浓度可达到10 - 20%的准确度。

图5-7给出了RMs、quarry和pyramid样品的选定x射线光谱。

图5。用SUTW检测器(左)和be -window检测器(右)在均质康宁基准物质上采集的PIXE光谱。

图6。由SUTW探测器(左)和be窗口探测器(右)采集的Maadi采石场石灰石样品的PIXE光谱。

图7。由SUTW探测器(左)和be窗口探测器(右)在胡夫金字塔外部块样品上收集的PIXE光谱。

埃及金字塔块的微像素分析

选择安装在质子束方向两侧的SUTW和be窗口探测器的位置(见图1)对于检查辐照表面的均匀性至关重要。为了避免对收集到的x射线图的任何误解，有必要确保两个探测器中的CaKα图的结构相同。由于颗粒表面潜在的不规则性而产生的阴影效应将导致最轻元素发出的x射线的信号损失。如图8所示，对于均匀(采石场)和非均匀(金字塔)样本，两个CaKα图是相似的。在两个探测器中收集的CaKα图相似，但强度不同(计数在be窗口探测器中比在覆盖更高立体角的SUTW探测器中不那么重要)。可以看到，在顶部地图(图拉采石场)中，Si集群取代了Ca。在中间的地图(胡夫金字塔的外部块)中，Na和S的集群出现在那些缺少Ca的区域。在底部的地图(Khaphra金字塔的外部块)中，存在大型Na集群。这些Na团簇有一个非常不规则的形状，引起一些明显的模糊，这当然不是由于质子束没有聚焦，而是由于它们边缘的厚度变化很大。

图8。用两种检测器中CaKα图的比较检验颗粒样品的平整度。

在所有采石场样品中，所有元素的空间分布是均匀的(图9和图10)。除了几乎纯的碳酸钙(C, O和Ca图)外，还可以观察到Al, Si和Fe的小夹杂物(直径约15-30µm)。Na、Mg、P、S、Cl和K的痕量没有特定的空间分布。Ca、Mg、Al和Si的元素浓度与适当的O浓度结合，得到最可能的化合物:CaCO_3.， MgO, Al₂O_3.和SiO₂。

图9。图拉采石场样品中14种元素的分布图(1 mm × 1 mm)。

图10。马地采石场样品中14种元素的分布图(1 mm × 1 mm)。

相反，在大多数金字塔样本中，分布非常不均匀，如图11-14所示。除了丰富的碳酸钙外，还有Na、Cl和/或S的包裹体(约20 μ m宽或更大)，这些包裹体与Ca和o的缺乏有关。钠和氯(约4 - 6%，有时更多)是系统相关的，乍一看可以解释为氯化钠的包裹体。然而，钠信号总是高于形成NaCl所需的信号(经均方根测量证实)。在Na和Cl浓度较高的区域，Ca和O浓度低于周围区域。考虑到Na中的氧含量₂O和H₂O比CaCO低_3.，可以得出结论，Na₂氧(当然还有氢₂O)混合到NaCl簇中。镁、磷和钾在金字塔样品中的含量也比在采石场样品中丰富，但它们不是在簇中分布的。^6、7它们的存在可能是由于钠引起的高化学pH值的粘合剂所使用的灰烬₂O和H₂O。¹⁵图10-14中报告的浓度是根据在几个辐照样品的不同区域(6-10个不同地点)收集的数据计算出来的，并不仅仅参考具体的地图。除了氧化钙和氧化镁外，已知木灰还含有少量的磷、钾、锰和铁的氧化物。⁷

图11。FH123胡夫大画廊样本中14个元素的分布图(1mm × 1mm)。

图12。胡夫地块外VT3区14个元素分布图(1mm × 1mm)。

图13。胡夫外地块15a内14种元素分布图(1mm × 1mm)。

图14。胡夫外地块15b内14个元素分布图(1mm × 1mm)。

碳簇

碳团簇在大量(但不是全部)金字塔样本收集的元素图上被观察到，但从未在Maadi和Tura采石场样本的地图上(见图6和7)或来自比利时、匈牙利和Saqqarah的其他天然石灰石样本中被观察到，这些样本是在完整的微探针运行(超过150张地图)中分析的。^6、7、16

碳图是指SUTW探测器探测到的低能(277 eV) Kα线。这条低能量的CKα线，在纯CaCO中诱导_3.2.5 MeV的质子，如果其产生深度低于表面1µm，则无法到达探测器(见图4)。但是，如果碳属于某种有机化合物，则信息深度可能会高5-10倍。因此，CKα可能产生得更深，这可以解释相应Ca图中的洞。

图12中的地图是胡夫金字塔大画廊中收集的FH123样本。C图上的亮点与Ca图和O图上的黑点(如图中上部分所示)相关，表明CKα线产生于地表以下1µm以下。覆盖25 μ m × 25 μ m表面的富c区域的体积可以延伸到表面以下10-20 μ m。此外，这个区域也对应于Na和Cl簇的区域:这可能是使用了碱(一种天然存在的水合碳酸钠:Na的混合物)的标志₂有限公司_3.•10 h₂(加入一些氯化钠和硫酸钠)。所有这些观察结果都与Davidovits创造的建筑模型相吻合，他说胡夫金字塔的石块是铸造的原位使用颗粒状石灰石集料、碱、石灰(可能是由家庭火灾中木材燃烧产生的)和水来生产碱铝硅酸盐基粘合剂。¹⁵O图左下方的黑点与Na和Cl图上的亮点重合:Na中的O含量确实较低₂比在CaCO中_3.。Ca图右下角的黑点对应于Si图中的亮点:少量的SiO₂在天然石灰岩中很常见，在图6和图7的分布图中也可以观察到。

对于样品VT3(来自胡夫的外部块)的C、O、Na、Cl和Ca图，可以给出类似的解释(图13)。另外大量的Al, S和Fe证明了Ca地图上的黑点。

图14中的C簇(样本15B，胡夫金字塔的外部块)与Na和Cl簇完全相关，可以如上所述理解，但在相应的Ca区域没有观察到明显的下降。C集群比图12中的更细。C, Na和Cl团簇然后集中在更靠近表面的地方，允许更好的CaKα线传输，以解释Ca图中更好的均匀性。O图中的空穴与C、Na和Cl图中的簇具有良好的对应关系。图14的C图(相同的样品15B，但另一个片段)显示了丝状分布，表明有机起源。

结论

C、O、Na、S、Cl和Ca的元素分布图清楚地表明胡夫金字塔样品的结构不均匀，与马迪和图拉采石场样品完全不同。金字塔样品中天然石灰石的含量比采石场样品少5 - 10%。Na、S、Cl等元素主要呈簇状分布。Mg的平均浓度在金字塔样品中较高，但该元素一般分布均匀。尺寸在5µm到30µm之间的异常C簇被解释为来自有机来源。这些结构和组成的观察结果与涉及成型过程的建筑模型相吻合。

理解碳以簇状分布的原因当然很重要。¹⁴C约会是检验这一点的最好方法。如果微pixe观测到的C星团是由污染引起的，它们的¹⁴C /¹²C比率将与现代木材相同。如果这个比率低了1 / 2 (T_½C¹⁴确实非常接近吉萨金字塔的年代!)，这种解释表明在金字塔的建造过程中使用了一些有机材料。一个¹⁴C:¹²碳比接近于零意味着碳具有地质年龄。因为它很难执行¹⁴在本研究中使用的非常小的样品上进行C年代测定，在埃及当局的同意下进行采样可以向加速器专家提供适当数量的材料¹⁴C约会。的结论¹⁴C年代测定将有助于揭开埃及金字塔建造之谜的面纱。

致谢

我感谢LARN(比利时那慕尔)和ATOMKI(匈牙利德布勒森)的科学和技术人员在长期测量过程中给予的重要支持。特别感谢Á.Z教授。Kiss和I. Uzonyi博士就核微探针设备提出了富有成效的意见和宝贵的建议。

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