綜合分析方法對余杭良渚遺址群出土玉器的原位無損研究

內容摘要：玉器作為良渚文化最重要的文化因子，是物質與技術的結晶。分析儀器的發展使得對文物進行原位無損研究成為可能。本文報道了綜合分析方法對余杭良渚遺址群出土玉器制作工藝及材質的研究結果，涉及數碼顯微鏡、拉曼光譜、X射線熒光光譜（XRF）及近紅外光譜（NIR）等多種分析手段。

關鍵詞：良渚文化；出土玉器；原位；無損分析；工藝；質地

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0073-09

1 引言

玉器作為東方文化的特征之一，在新石器時代晚期因其堅韌、美觀及稀有，被賦予了超自然的屬性和一些人格化的內涵[1]。良渚文化是中國新石器時代晚期第一個玉器制作和使用高峰期中最杰出的代表，良渚文化玉器在數量和類別上的絕對優勢，標志著其制作和使用都達到了中國新石器時代晚期的頂峰[2]。

有關良渚文化玉器的制作技術、工藝特征已有許多研究，研究玉器質地的論文也有發表。蔣衛東、林巳奈夫等對良渚文化玉器的雕琢工藝進行過論述[3，4]。黃宣佩對良渚玉器及經過剖割的玉料上的制作痕跡，特別是顯微痕跡，有過觀察分析。王明達通過一件良渚文化玉琮半成品討論了琮的制作工藝。張祖方以實驗考古學的方法分析了良渚玉器的刻紋工具，并討論了玉石的軟化工藝。黃建秋等對玉器、玉料的切割、鉆孔等技術做了實驗，并對良渚古玉上的痕紋做了分析[5]。鄭建、聞廣、程軍等對張陵山、寺墩、福泉山、瑤山等遺址的良渚玉器進行了玉質分析，通過刮取粉末，利用顯微鏡、紅外光譜及X射線衍射等方法獲取信息[6-9]。朱海信等對良渚文化福泉山出土玉器采用質子激發X熒光分析測試技術進行了分析[10]。高潔等利用紅外吸收光譜反射等方法對良渚文化莊橋墳遺址出土的玉器材質做了鑒定[11]。中國科學院上海光學精密機械研究所科技考古中心對浙江余杭反山、瑤山、匯觀山和塘山遺址及江蘇江陰高城墩良渚文化遺址出土玉器進行了外束質子激發X射線熒光、X射線衍射及拉曼光譜無損檢測分析[12，13]。學者們分別從不同方面對良渚文化玉器進行研究，但對其缺乏完整的全方位的認識。

近年來隨著分析技術的進展，適用于珍貴文物的無損測試方法日益完善，還可以在現場（文物所在地）對文物開展原位分析研究。如利用數碼顯微鏡對玉器進行微痕分析[14]，利用X射線熒光光譜測試玉器的化學組成[15，16]，利用近紅外光譜對礦物[17]及玉器[18]進行無損測試，使用拉曼光譜對玉石器進行無損原位分析[19-21]。

浙江余杭良渚文化遺址群作為良渚文化的中心，出土玉器數量眾多，器形豐富，工藝先進，紋飾精美，功能復雜。本文介紹了以我國首臺自主研發的“文物出土現場保護移動實驗室”為平臺，利用其搭載的便攜式數碼顯微鏡、拉曼光譜儀、能量色散X射線熒光光譜儀及近紅外光譜儀等4種儀器在現場（杭州良渚遺址管理所）對余杭良渚文化遺址群的梅家里、官井頭兩處遺址最近出土的34件玉器的原位無損分析結果，并討論了其雕琢工藝和材質等。

上述嘗試性的研究旨在展示由數碼顯微鏡、拉曼光譜、X射線熒光光譜及近紅外光譜組成的綜合分析途徑的應用前景，以促進文物制作工藝及材質研究的發展。

2 樣品與儀器

2.1 樣品

此次進行研究的34件玉器，20件系2009年出土于浙江省杭州市余杭區良渚街道安溪村梅家里遺址，14件為2012年出土于浙江省杭州市余杭區良渚街道七賢橋村官井頭遺址。

2.2 儀器

2.2.1 便攜式數碼顯微鏡

觀察分析采用日本KEYENCE公司VHX-600E型數碼顯微鏡，選用VH-Z20R型變焦鏡頭（放大倍率20-200倍），使用VHX-600E自帶照明燈進行觀察。

2.2.2 便攜式拉曼光譜儀

采用美國Ocean Optics公司QE65000科研級光譜儀；激光器：785nm激發，輸出功率500mW；光譜范圍：87-4100cm-1，分辨率 ≈ 10cm-1；積分時間1-100s，樣品表面激光功率由一臺衰減器調節，以避免對文物造成損傷。

2.2.3 便攜式能量色散X熒光光譜儀

采用中國科學院上海光學精密機械研究所OURSTEX 100FA便攜式能量色散型X射線熒光光譜儀。譜儀靶材為鈀元素（Pd），X射線管的激發電壓最高達40kV，最大功率50W，X射線焦斑直徑約2.5mm。X射線熒光探測器為專門針對輕元素探測的SDD探測器（場效應管硅漂移探測器），其分辨率為145eV。配備真空泵以減少大氣對輕元素特征譜線的吸收，最低氣壓400-600 Pa。

2.2.4 便攜式近紅外光譜儀

采用美國ASD公司LabSpec 5000型便攜式近紅外光譜儀。光譜范圍：350-2500nm；分辨率：3nm（700nm），10nm（1400nm，2100nm）；波長精度：±0.8nm；波長重復性：±0.02nm；控制與分析軟件為Indico Pro5.6.3。

3 結果與討論

3.1 制作工藝微痕研究

良渚文化玉器的制作工藝，以人力控制質地堅硬的解玉砂作磋磨運行為主要特征，代表著新石器時代中國玉器制作工藝的最高水平[2]。由于良渚文化時期玉材的珍貴性，以及玉器形制對于表面的高要求，為保障成品率，良渚玉器的制作工藝一定是當時生產力條件下玉工深思熟慮后做出的最佳選擇。

通常，玉石器的微痕分析主要借助于光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）的圖像觀測[22]。而數字圖像處理技術的發展使得可以利用數碼顯微鏡獲取較前述兩種方法更為豐富的信息。本次工作利用便攜式數碼顯微鏡對良渚文化玉器進行了表面觀察，對玉器制作工藝微痕做了分析研究。

3.1.1 切割痕跡

良渚玉器上的切割痕包括線切割痕和片切割痕。其中的線切割指以筋、弦等柔性物件裹帶解玉砂作弧形運動為特征的玉料截割方式。線切割所形成的切割面，由于兩端牽動時不可能一直保持在同一水平線上，所以往往在弧線中段附近呈現波浪的形狀，凸起部分，一般在后期打磨拋光時消除，而凹陷部分往往保留下來。

玉管等器物最初的坯件剖面幾乎都呈方形，圖版30-A1、A2及B1可見兩件玉管（梅家里M20：4及官井頭T1347：M6：1）表面經切割后遺留的線切割痕。圖版30-B2為官井頭T1347：M6：1玉管表面線切割痕經數碼顯微鏡放大100倍后的圖像，可見清晰的砂痕，但顯然其凹陷的表面已經與玉管表面同時經過了打磨拋光。圖版30-C為梅家里M18：3玉璧局部，切割表面略有起伏，呈現同方向且近似平行的弧線砂痕。

3.1.2 鉆孔痕跡

絕大多數良渚文化玉器上都有圓形或近圓形孔眼。由于單面鉆孔時容易使另一面近孔處發生迸裂，因此均采用兩面對鉆。本研究涉及的34件玉器都有孔眼，最多達4個，均采用兩面對鉆。

圖版31-A1、A2為官井頭T1348內M5：1玉冠狀飾一處對鉆孔兩面的顯微圖像（放大30倍），孔深約1920μm；圖版31-A3、A4為官井頭T1347：M6：1玉珠雙面對鉆孔的圖像（放大30倍），孔深約12.30mm。雙面對鉆的特點是在孔中間有對穿時錯位而形成的臺痕，圖版31-A5為官井頭T1348內M5：2玉錐形器鉆孔傾斜時拍攝到的臺痕（放大30倍）；圖版2-A6為梅家里M18：3玉璧孔內的臺痕（放大20倍），并可觀察到其上保留的約1mm寬的溝槽。圖版31-A7（梅家里M10：14玉璜，放大50倍）、A8（官井頭T1347：M6：6玉錐形器，放大30倍）為兩面鉆孔對鉆嚴重錯位后的結果，即呈現出的孔洞為兩個圓相交的部分。

圖版31-B為梅家里M18：17玉構件端飾上未透卯眼顯微圖像（放大20倍），近似平行的旋鉆陰線痕清晰可見，這應該是裹帶解玉砂的彎弓鉆來回鉆琢而遺留的痕跡。

良渚玉器中尚有一類近規則的橢圓形孔眼，主要為穿綴件玉器背面的牛鼻形隧孔。圖版31-C為梅家里M17：1玉泡珠背面的橫向牛鼻形隧孔（放大30倍），兩孔邊緣最短距離約1120μm。

圖版31-D1、D2為梅家里M10：13玉珘上的兩個孔眼。其中孔眼D1（放大20倍）邊緣為管鉆的圓，與孔壁之間存在明顯凸起的邊界。孔眼D2（放大30倍）孔壁可見近似平行的細密旋鉆陰線痕跡，且具有越深處越密的特點。

良渚文化玉器在兩面鉆孔之前還需定位。圖版32為梅家里M17：5玉錐形器雙面鉆孔顯微照片（放大50倍），孔眼邊緣凹陷部位為起定位作用的切割線未完全修整后的遺留痕跡，這類定位線與玉錐形器末端平面接近平行。

3.1.3 紋飾

良渚文化玉器中雕琢紋飾的種類不在少數，玉琮是其中極富特征的一種器型。梅家里M18：6玉琮上的紋飾以陰刻線為主。圖版33-A（放大20倍）最右側較寬的凹槽呈現末端窄而中間寬的特征，為線切割而成。其左側鄰近的寬約1460μm的凸起部位擁有4條近乎平行的纖細陰線，工藝與前者相同。

圖版33-B（放大30倍）中較大的圓經管鉆而成，外徑約3420μm，構成圓周的陰線寬度在190至390μm之間。中間較小的圓是由錐刻的短直線拼接而成，直徑約1320μm，短直線的特點是末端細中間粗。

3.1.4 研磨痕跡

研磨對于玉器加工異常重要，是使器物規整、造型精美、器表光潤的主要手段。圖版34列出三種不同器物表面的研磨擦痕：圖版34-A為T602②3玉環底面顯微照片（放大20倍），其上的研磨擦痕為與玉環圓心接近垂直的直線互相交疊而成，應為將玉環不斷轉動研磨所致；圖版34-B為官井頭T1348內M5：1玉冠狀飾上不同方向的研磨痕跡，最靠近邊緣部位（寬約840μm）為與邊緣線成45°的短直線，靠內部則為與邊緣線相平行的直線；圖版34-C是T1348內M5：7玉管圓柱表面痕跡，線條致密整齊且均與底面垂直。

3.2 拉曼光譜

拉曼光譜作為一種無損、無需制樣的分析檢測手段，在文物研究領域受到越來越多的關注。而光纖探針應用的引入是將拉曼技術推向更便攜、更靈活的重要進步。但由于便攜式儀器靈敏度方面的局限性，本次分析工作僅得到透閃石與白云母等2種材質的拉曼光譜結果。

圖1為梅家里M18：6玉琮及官井頭T1348內M5：5玉管的拉曼圖譜。梅家里M18：6透閃石質玉琮中1061cm-1附近的拉曼峰為Si-Ob-Si 硅離子和橋氧（Ob）的反對稱伸縮振動，673cm-1附近是由Si-Ob-Si對稱伸縮振動引起的最強振動峰，224cm-1處為硅氧四面體的畸變引起的變形振動。官井頭T1348內M5：5白云母質玉管中261cm-1附近的拉曼特征峰歸屬于八面體的內振動，408cm-1歸屬于-OH和Si-O的振動。

3.3 X射線熒光光譜分析（XRF）

34件玉器樣品常量組分的X射線熒光光譜半定量分析結果如表1所示，表2為微量元素半定量分析結果。結合拉曼光譜分析結果可知，透閃石類樣品共27件，白云母類樣品4件，蛇紋石類樣品1件，還有2件為滑石類樣品。

透閃石是一種由硅氧四面體構成的雙鏈狀結構的硅酸鹽礦物，化學組成為Ca2Mg5Si8O22（OH）2。表2所示27件透閃石類玉器化學成分的分布范圍：CaO為10.01%-13.96%，MgO為16.58%-23.95%，SiO2為52.31%-59.99%，與透閃石的化學成分理論值[23]（以下各礦物理論值均來源于此）CaO為13.8%，MgO為24.6%，SiO2為58.8%比較一致。其中透閃石類三個樣品（M20：2，M20：12，T1347：M6：2）中Al2O3的含量偏高，分別為9.95%、11.98%、10.27%，這可能是由于文物樣品表面的污染物，主要是泥土造成的。

白云母屬單斜晶系的層狀硅酸鹽礦物，化學組成為KAl2（Si3Al）O10（OH）2。表2所示4件白云母類玉器化學成分的分布范圍：Al2O3為31.38%-33.78%，SiO2為45.64%-50.04%，K2O為9.82%-11.61%，與白云母的化學成分理論值Al2O3為38.40%，SiO2為45.25%，K2O為11.82%比較一致。

蛇紋石是由硅氧四面體和鎂氧八面體按1∶1構成的層狀硅酸鹽礦物，化學組成為Mg6（Si4O10）（OH）8。表2所示蛇紋石類玉器化學成分：MgO為47.01%，SiO2為47.11%，與蛇紋石的化學成分理論值MgO為43.64%，SiO2為43.36%比較一致。

滑石是由硅氧四面體和鎂氧八面體按2∶1構成的層狀硅酸鹽礦物，化學組成為Mg3Si4O10（OH）2。表2所示2件滑石類玉器化學成分的分布范圍：MgO為30.24%-31.66%，SiO2為61.89-62.47%，與滑石的化學成分理論值MgO為31.88%，SiO2為63.37%比較一致。

圖2以梅家里M10：14玉璜、梅家里M24：2玉錐形器、梅家里M18：17玉構件端飾、梅家里M17：4玉管為例，列舉出前述四種材質玉器的XRF定性分析圖譜?？梢钥闯?，梅家里M24：2玉錐形器的主要元素為Si、Al、K，梅家里M18：17玉構件端飾為Si、Mg，梅家里M17：4玉管也以Si、Mg為主，但含量差別較大。

表2為余杭良渚遺址群出土玉器樣品的XRF微量元素半定量分析結果。地球化學理論指出，礦物中的微量元素取決于礦物形成的地質環境和年代，可稱作礦物的指紋元素。由于玉器完整地保留著礦物的指紋信息，分析玉器中的微量元素，有助于了解玉器產地的信息。但需要與各個地區玉器的微量元素作比較，為以后建立數據庫做準備。

3.4 近紅外光譜（NIR）

從20世紀70年代起，美國一些學者陸續發表了包括礦物和巖石在內的近紅外光譜特性專著，較系統完整地研究了巖石、礦物的光譜特性[24，25]。國內有些學者也對巖礦光譜的機理進行了研究，得出了一些結論[26，27]。

圖3為余杭良渚遺址群出土不同礦物類型玉器的近紅外光譜圖，以梅家里M17：5玉錐形器、梅家里M18：17玉構件端飾、梅家里M20：8玉珠和官井頭T1348：5：7為例，結合拉曼光譜與XRF分析結果以及文獻報道，可初步指認透閃石類、蛇紋石類、滑石類及白云母類礦物的特征譜帶。

透閃石類：1000nm附近寬的譜帶表明樣品中含有亞鐵離子，在1400nm附近有尖銳的單一特征譜帶，這是Mg-OH和-OH的合頻，1900nm附近寬的譜帶是由于樣品中少量的H2O分子，在2310nm和2390nm處有雙重特征譜帶，這應該是Mg-OH與-OH合頻和倍頻的體現。

蛇紋石類：在1400、2320m處清晰譜帶為-OH伸縮振動與Mg-OH彎曲振動的合頻，1900nm附近寬的譜帶是由樣品中有少量的H2O分子引起的。

滑石類：在950nm、1400nm均有尖銳的單一特征譜帶，為-OH譜帶；在2280nm和2310nm處有一雙重譜帶，并且在2310nm處的譜帶更強，是-OH伸縮振動與Mg-OH彎曲振動的合頻；在2390nm和2460nm處還有兩個明顯的單一譜帶。

白云母類：950nm附近應該是亞鐵離子的譜帶；在1400、1900、2200nm附近有較強的譜帶，前兩處是-OH和H2O的振動譜帶，后一處是Al-OH的振動譜帶，在2340nm和2450nm處還有兩個次級譜帶。

4 結論

以“文物出土現場保護移動實驗室”為平臺，利用其搭載的便攜式數碼顯微鏡、便攜式拉曼光譜儀、便攜式能量色散X射線熒光光譜儀及便攜式近紅外光譜儀等分析檢測設備，可以在現場（文物所在地）利用綜合分析方法對出土文物開展原位無損研究。本次研究結果表明，這種互補性的綜合分析方法對玉器類文物工藝及材質的研究是有效而且可靠的。

本文首次報道了利用便攜式數碼顯微鏡對良渚文化玉器制作工藝微痕進行分析的探索性研究結果。對切割痕跡、鉆孔痕跡、紋飾以及研磨痕跡等的觀察分析表明，玉璧甚至玉管等玉器表面仍遺留線切割的痕跡；所研究玉器上均存在雙面鉆孔，且在一件玉錐形器孔眼邊緣發現鉆孔定位切割線的遺留痕跡；玉琮紋飾中包括管鉆與短直線錐刻兩種圓形圖案；并在不同形狀玉器表面觀察到不同方式的研磨痕跡。

由于便攜式儀器靈敏度所限以及現場條件的影響，拉曼光譜分析僅得出透閃石與白云母兩種材質玉器的結果。便攜式能量色散X射線熒光光譜半定量分析結果表明，本次研究的良渚文化玉器近80%為透閃石類材質，其他樣品為白云母類、蛇紋石類及滑石類等材質。測定了玉器的微量元素含量。首次利用便攜式近紅外光譜儀對良渚文化玉器的原位無損分析，結合其他幾種分析手段所獲取的結果，對不同材質玉器的近紅外光譜圖做了嘗試性的解析，對特征譜帶做了指認。

致謝：本次工作得到了浙江省文物考古研究所范疇及中國科學院上海光學精密機械研究所劉松、董俊卿的大力幫助，在此表示衷心感謝！

參考文獻：

[1]劉斌.神靈與藝術的結合--良渚文化玉器[J]. 榮寶齋，2006（6）：22-33.

[2]蔣衛東.神圣與精致：良渚文化玉器研究[M].杭州： 浙江攝影出版社，2007.

[3]蔣衛東.良渚玉器的原料和制琢[C]//良渚文化研究良渚文化六十周年論文集.北京：科學出版社，1999： 177-186.

[4]林已奈夫.良渚文化玉器的雕刻技術[J].浙江學刊， 1996（5）：10-13.

[5]錢憲和，方建能.史前琢玉工藝技術[M].臺北：臺灣博物館，2003：67-86，87-94，95-102，157-188.

[6]鄭建.吳縣張陵山東山遺址出土玉器鑒定報告[J]. 文物，1986（10）：39-41.

[7]鄭建.寺墩遺址出土良渚文化玉器鑒定報告[C]//東方文明之光--良渚文化發現60周年紀念文集.?？冢汉Ｄ蠂H新聞出版中心，1996：432-441.

[8]聞廣.福泉山與崧澤玉器地質考古學研究--中國古玉地質考古學研究之二[J].考古，1993（7）：627-644.

[9]程軍.良渚文化玉器的稀土元素特征及其考古學意義[J].稀土，2000（4）：1-4.

[10]朱海信，承煥生，等.福泉山良渚文化玉器的PIXE分析[J].核技術，2001（2）：149-153.

[11]高潔.良渚文化莊橋墳遺址出土玉器受沁風化特征及機理研究[D].武漢：中國地質大學碩士論文，2008.

[12]干福熹，曹錦炎，等.浙江余杭良渚遺址群出土玉器的無損分析研究[J].中國科學：技術科學，2011（1）：1-15.

[13]顧冬紅，干福熹， 等. 江陰高城墩遺址出土良渚文化玉器的無損分析研究[J].文物保護與考古科學， 2010（4）：42-52.

[14]楊益民，郭怡，等.西周倗國墓地綠松石珠微痕的數碼顯微鏡分析[J].文物保護與考古科學，2008（1）：46-49.

[15]楊菊，趙虹霞，等.北京昌平沙河鎮出土玉器的無損分析與研究[J].文博，2012（4）：69-72.

[16]張治國，馬清林.甘肅崇信于家灣周墓出土玉器研究[J].考古與文物， 2009（2）：97-102.

[17]韓劍.近紅外礦物光譜技術研究及其在德興斑巖銅礦的應用[D].武漢：中國地質大學碩士論文，2008.

[18]干福熹.中國古代玉器和玉石科技考古研究的幾點看法[J].2008，S1：17-26.

[19]Francesca Casadio， Janet G. Douglas， Katherine T. Faber. Non-invasive methods for the investigation of ancient Chinese jades： an integrated analytical approach[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry （2007） 387： 791-801.

[20]Rong Wang， Wei-Shan Zhang. Application of Raman spectroscopy in the nondestructive analyses of ancient Chinese jades[J]. Journal of Raman Spectroscopy （2011） 42： 1324-1329.

[21]Martin A. Ziemann. In situ micro-Raman spectroscopy on minerals on-site in the Grotto Hall of the New Palace， Park Sanssouci， in Potsdam[J]. Journal of Raman Spectroscopy （2006） 37： 1019-1025.

[22]侯亞梅.考古標本微磨痕初步研究[J]. 人類學學報， 1992（04）： 354-361.

[23]貴陽地球化學研究所《礦物X射線粉晶鑒定手冊》編著組.礦物X射線粉晶鑒定手冊[M].北京：科學出版社，1978.

[24]Hunt G.R， Salisbury J.E， Lenhoff C.J. Visible and near-infrared spectra of minerals and rocks，I-VI， Additional silicates[J]. Modern Geology，1970-1973，4： 85-106.

[25]Hunt G R，Near-infrared（1.30-2.40μm）spectra of alteration minerals-potential for use in remote sensing[J].Geophysics，1979，44：1974-1986.

[26]陳述彭，童慶禧，郭華東，主編.高光譜分辨率遙感信息機理與地物識別[M].遙感信息機理研究.北京： 科學出版社，1998：139-231.

[27]王潤生，等.成像光譜方法技術開發應用研究[R]. 國土資源部“九五”重點科研項目報告，航空物探遙感中心. 1999.