陜西鳳棲原西漢墓M25耳室土壤中金屬元素空間分布規律研究

內容摘要：張安世墓是一座王侯級別的大型墓葬群。為了解金屬文物賦存的土壤中有關金屬元素的空間分布規律，本研究以該墓群M25耳室為研究對象，采集考古發掘現場地面土壤，采用ICP-MS和便攜式X熒光設備進行多金屬元素分析。分析結果表明，金屬元素在土壤中因腐蝕而遷移是在有限的范圍內。隨著距青銅器文物水平面距離的增加，Cu、Pb濃度衰減變化呈指數下降趨勢，腐蝕范圍可達7cm；從縱深分布上看，金屬元素的擴散在2cm范圍內。鐵器的水平腐蝕范圍為3-5cm，小于青銅器腐蝕范圍。便攜式X熒光分析結果與ICP-MS分析結果吻合較好，對于Cu、Pb、Hg這類具有很好指示性的重金屬元素，采用便攜式X熒光分析可以為考古發掘現場出土文物的發掘提供文物埋藏信息。

關鍵詞：鳳棲原；墓葬；考古發掘現場；金屬元素；空間分布

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0044-07

1 前言

張安世墓群位于西安市南郊鳳棲原。自2008年8月開始，陜西省考古研究院開始對該墓群進行考古發掘。在對墓葬的位置、形制、規模及出土文物研究的基礎上，結合史料記載，斷定該墓葬群屬于西漢時期張安世家族墓群。張安世家族墓是目前唯一經過完整發掘的漢代“列侯”級別的家族墓，對于探討古代高級別大型墓葬的建造過程、禮制形式和葬俗發展演變等均有著重要的意義，同時也為漢代長安南郊的區域歷史地理的研究提供了重要資料。

為配合考古發掘工作，敦煌研究院承擔了國家“十一五”科技支撐計劃課題“文物移動實驗室在考古發掘現場應用支撐研究”，并在張安世墓群開展文物埋藏環境等方面的研究。

金屬文物在埋藏的土壤環境中易受腐蝕，關于腐蝕機理國內外已進行過深入研究，分析了各類金屬器銹蝕物的組成[1-11]。金屬文物腐蝕與埋藏環境關系的研究也多有報道[12-20]，研究了不同埋藏環境下所產生的不同銹蝕物及其生成機理。但金屬文物在土壤埋藏環境中，受土壤酸堿度、含水率、土體物理性質等多重因素影響，被腐蝕元素在土壤中含量的空間分布規律尚不十分清楚。

分散暈（dispersion halo），是地殼中化學元素因擴散和遷移，在一定范圍內元素含量呈梯級分布的微觀地球化學帶[21]。利用分散暈的化探找礦法在勘探隱伏礦的工作中得到了廣泛的應用[22]。本文借鑒分散暈的概念，采用便攜式X熒光、ICP-MS檢測金屬文物賦存土壤中相關指示元素的含量，嘗試研究這些元素在土壤中的空間分布規律，并為出土文物的發掘提供文物埋藏信息。

2 實驗地點

本次進行的金屬文物賦存土壤中的指示元素空間分布規律研究，選擇在鳳棲原M25耳室進行。M25位于主墓室M8的東南側（圖1），據考證為張安世夫人墓。耳室保存較為完整，發掘工作面距地面約10米，有10多個車傘的青銅蓋弓帽以及金屬質地的馬銜、馬鑣、銅絡飾、方扣等小飾件散落在耳室地面上。耳室里端還有大量的陶制器皿。實驗選擇在工作面中間的某個未曾擾動過的“T”形青銅蓋弓帽的周圍，在水平面和縱深面提取土壤樣品進行相關元素分析。并采用便攜式X熒光儀器，對該處以及另外2處銹蝕嚴重的鐵器文物的周圍進行元素半定量分析。

3 分析結果與討論

3.1 電感耦合等離子體-質譜分析

3.1.1 取樣

（1）青銅器文物周圍土壤橫向取樣。以M25墓葬耳室中某“T”形車傘青銅蓋弓帽為中心，按距離該中心區域依次從近到遠采用微鉆孔采集地表土壤樣品17個，樣品編號1-17。微鉆孔直徑1.4cm，取樣深度1cm。取樣位置見圖2。

（2）青銅器文物附近土壤不同深度取樣。在緊鄰“T”形青銅蓋弓帽的土壤表面，在1號取樣點的基礎上，向下進行縱深微鉆孔取樣。每向下1cm取一個樣，共采集5個樣品，樣品編號1A-1E。微鉆孔直徑1.4cm，每樣取樣深度均為1cm。取樣位置見圖3。

（3）鐵器文物周圍土壤橫向取樣。以某處銹蝕嚴重的鐵質文物為中心，按距離該中心區域的遠近采用微鉆孔取樣采集地表土壤4個樣品，樣品編號18-21。微鉆孔直徑1.4cm，每樣取樣深度1cm。取樣位置見圖4。

在M25耳室開挖立面上取表面土壤作為基準對照樣，與其他樣品進行比較。

3.1.2 ICP-MS分析結果與討論

電感耦合等離子體-質譜分析（ICP-MS）測試金屬元素含量準確度高，所需樣品量少，適合于本次方法研究。本次采用美國Thermfisher公司Xseries2型ICP-MS儀器，按照標準方法[23]對采集的土壤進行Cu、Pb、Zn、Fe、Sn、As、Hg元素檢測。

（1）青銅器文物周圍表面土壤中金屬元素分析

“T”形青銅蓋弓帽經便攜式X熒光分析（美國Niton公司，型號Xl3t-800，金屬模式測定），其組成主要是Cu、Pb、Fe（譜圖見圖5），其質量組成比為6.1∶2.4∶1。埋藏文物的土壤pH值為7.80，呈弱堿性。測試時土壤含水率平均為15.1%。土壤中的金屬物腐蝕后，隨水遷移，在文物的周圍形成相關元素的濃度梯度帶。青銅器文物周圍表面土壤中金屬元素分析結果見表2。

對表1中Cu、Pb元素按照測點（14號以后測點略）作圖，見圖6。元素濃度與距文物的距離呈明顯的反比例關系。在距文物1.5cm范圍內，Cu、Pb含量最高；3-7cm范圍內含量急劇下降，逐漸接近土壤的本底值。1-7cm范圍內Cu∶Pb平均含量比為2.43，十分接近青銅蓋弓帽Cu、Pb含量比2.52的數值，推斷土壤中的Cu、Pb元素基本是由金屬器腐蝕所致，且兩元素遷移能力大致相同。Cu、Pb濃度與距離大致呈指數關系（圖7）。超過7cm后，Cu、Pb接近本底值且變化不大。其他金屬元素與本底值相比沒有明顯的差異，Hg元素在局部區域較高，可能是器物表面的顏料散落至土壤中的原因所致。

（2）青銅器文物附近縱深土壤金屬元素分析

在1號取樣點的基礎上，向下進行縱向微鉆孔取樣，分析結果見表2。

分析結果表明，緊鄰金屬文物的土壤中的Cu、Pb元素含量，隨深度有逐漸降低的趨勢。2cm以下的土壤中，金屬元素的含量趨于穩定，說明金屬元素在土壤中因腐蝕原因遷移是在有限的范圍內進行的，從縱深分布上看，金屬元素的擴散在2cm的范圍內（圖8）。金屬元素縱向遷移范圍沒有水平遷移的范圍大。3cm以內的Cu∶Pb平均含量比為3.20，高于青銅器文物Cu、Pb含量比，可能是Cu、Pb元素向縱深遷移的能力略有差別的原因。距離地面6cm深處Cu、Pb含量又略有升高，可能是臨近其他埋藏的金屬物。因未再進行考發掘而沒有得到證實。

（3）鐵器文物周圍表面土壤中金屬元素分析

鐵器文物周圍表面土壤中金屬元素分析結果見表3。距銹蝕物不同距離的土壤表面中金屬元素濃度見圖9。

隨著距銹蝕鐵器文物距離的增加，金屬元素濃度降低。但距銹蝕中心1cm后，金屬元素含量變化趨于穩定。Fe的含量變化不如Cu的顯著，說明Fe的銹蝕范圍不如Cu的大，可能是因土壤呈偏堿性，形成極難溶于水的Fe（OH）3而不利于Fe離子遷移。在距離1cm范圍內，As、Hg異常偏高，高出本底值幾十、上百倍，推斷該銹蝕物中含有As和Hg的化合物，極有可能是某些紅色顏料。

3.2 便攜式X熒光分析

（1）青銅器文物周圍表面土壤表面金屬元素分析。使用便攜式X熒光儀（設備同上，土壤模式測定）分析M25耳室地面土壤中金屬元素的含量。從金屬銹蝕物中心開始向西側由近到遠，每隔20cm測定一個點位（XRF3-XRF8），測點位置見圖10。另選遠處發掘立面測點作為對照樣。半定量分析結果見表4，距中心不同距離土壤表面金屬元素含量見圖11。

便攜式X熒光分析結果顯示，隨著距銹蝕中心距離的增大，土壤表面各金屬元素含量逐漸降低，這與ICP-MS分析的結果有一定的相關性，但降低的趨勢較緩和。銹蝕物中Cu、Pb金屬腐蝕影響范圍可達40cm，這也許會與考古工作中土壤的搬運造成的污染有關，但土壤表面元素含量與金屬器距離呈規律性分布。從測定結果以及與對照樣比對分析，推斷銹蝕物含有Cu、Pb、Hg、As等金屬成分或化合物。X熒光測定的數據可以給考古發掘現場出土文物的發掘提供文物埋藏信息。

（2）鐵質文物周圍土壤表面金屬元素分析。

選擇耳室西側靠近門口處某銹蝕的鐵器文物，以該文物為中心依次從近到遠，每隔5cm用便攜式X熒光進行測點（圖12）。半定量分析結果見表5，距中心不同距離土壤表面金屬元素含量見圖13。

便攜式X熒光測定的鐵銹蝕物Fe含量達20%，但超過5cm范圍后，Fe含量下降至2%左右。Fe元素因受腐蝕而遷移的范圍小于Cu的遷移范圍，這與ICP-MS分析結果相符合。

4 結論

陜西鳳棲原西漢墓M25耳室土壤呈微堿性，含水量較高，其上覆蓋有10余米的黃土層。在這種賦存環境下，經過對M25耳室考古發掘地面土壤中多金屬元素的X熒光和ICP-MS分析，得到以下結論：

（1）金屬元素在土壤中因腐蝕而遷移是在有限的范圍內。青銅器水平面腐蝕范圍達7cm，縱深擴散在2cm范圍內。鐵器的水平腐蝕范圍為3-5cm，小于青銅器腐蝕范圍。

（2）隨著距青銅器文物水平面距離的增加，Cu、Pb濃度衰減變化呈指數下降趨勢。

（3）便攜式X熒光分析結果與ICP-MS分析結果吻合較好。對于Cu、Pb、Hg這類具有很好指示性的重金屬元素，采用便攜式X熒光分析可以為考古發掘現場出土文物的發掘提供文物埋藏信息。

本文中ICP-MS檢測數據由國土資源部蘭州礦產資源監督檢測中心提供，在此表示感謝！

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