幾個紅燒土遺址過火溫度的科學推斷

閆海濤 周雙林 唐 靜

（1.河南省文物考古研究院，河南 鄭州 450000；2.北京大學 考古文博學院，北京 100871）

土遺址是我國重要的文物資源，是中華文明發源的直接實物證據，具有極其重要的保護和展陳意義。受各方面因素的制約，過火土遺址往往與一般考古遺址混在一起，極少被單獨提出進行針對性的保護研究。調查發現，在環境相同的情況下，過火土遺址的病害程度與一般土遺址相比出現兩個極端的現象，即或者病害更加嚴重，或者幾乎沒有病害，這表明，過火土遺址的病害狀況與其過火溫度之間存在重要聯系。因此有必要針對過火土遺址的過火溫度進行研究，進而科學解釋過火溫度與過火土遺址病害之間的內在關聯。

本文選取大河村遺址、鈞窯遺址、牛河梁遺址和兵馬俑遺址四個典型過火土遺址為研究對象。具體的方法是：將取自各個遺址點附近的生土制成標樣，在一定溫度下焙燒，檢測焙燒后樣品的熱性能，再與四個遺址上所取過火土樣品的熱性能進行對比，從而推斷各個遺址點紅燒土的大致過火溫度。

一、樣品制備及取樣

1.自制樣品

分別從四個遺址附近選取干燥的次生黃土，去掉大顆粒，粉碎，過篩（20目），噴水攪拌均勻后密封存放72小時，使得水分擴散均勻。在溫度20℃、空氣相對濕度20%條件下，測定其穩定含水率為10%。

圖一 100℃～900℃紅燒土樣品（從左至右）

制樣工具包括內徑Φ50mm×200mm的鋼筒一個，Φ50mm×50mm的鋼柱一個，Φ 50mm×100mm的鋼柱一個，10噸千斤頂一個。將黃土壓成Φ50mm×50mm的圓柱形土樣。壓制成一個Φ50mm×50mm圓柱形標準土樣的濕土稱取重量為160g，制備好的樣品放在實驗室內自然干燥，兩個月后稱取重量并計算得到平均值為139.79g。

把自然干燥后的土柱放在天津市泰斯特儀器有限公司生產的SX-4-10型箱式電阻爐控制箱（后文簡稱馬弗爐）中，待溫度升到預先設定好的溫度后，恒溫兩個小時，自然冷卻后取出樣品，放在試驗位置以備分析檢驗（圖一）。

2.遺址本體取樣

從遺址本體選取遺址紅燒土樣品，取樣位置及樣品概況見表一。

二、分析儀器

本文研究所使用的設備為Q600SDT TGA-DTA-DSC同步熱分析儀器，該設備可同時測量樣品的各種熱數據。應用該儀器主要是探索遺址中紅燒土的過火溫度，方法是通過已知溫度樣品的測定摸索其中的規律再測定遺址中的紅燒土，根據已有的規律和圖譜解析遺址中紅燒土的過火溫度。

測試溫度范圍：室溫至1300℃；重量靈敏度：0.1μg；應用范圍：測定材料的熱重曲線和熱焓量變化曲線；生產廠家是美國Thermal Analysis公司。

三、分析測試及結果

1.大河村遺址紅燒土過火溫度初判

將取自大河村遺址附近的自制土樣在幾個固定溫度下燒制紅燒土樣品，然后進行熱分析，結果見圖二。

從600℃樣品的熱分析曲線可以看出樣品在600℃之前曲線平滑，沒有熱量的吸收峰值和重量的損失峰值，600℃～700℃之間出現明顯的拐點；700℃樣品的熱分析曲線在702℃出現明顯重量損失的拐點；800℃樣品的熱分析曲線和700℃的接近；900℃樣品的熱分析曲線在658℃～712℃溫度段的失重很小，說明隨著溫度的提升，該區段的失重逐漸減小甚至趨于消失。

表一 幾個過火土遺址的樣品與取樣情況

圖二 大河村遺址不同焙燒溫度下自制紅燒土樣品熱分析曲線

這四個樣品的熱分析曲線與樣品的焙燒溫度之間的關系是：在樣品的焙燒溫度以下失重不會明顯變化，而焙燒溫度以上會出現大的失重，且溫度越高，在658℃～712℃區段的失重越小。

圖三為大河村遺址本體過火樣品的熱分析曲線圖。圖中顯示，樣品在100℃時有失重，這是吸附水的脫除。在570℃左右有輕微的吸熱，這是石英的晶型轉變；熱重曲線一直在緩慢的下降。

從遺址樣品的熱分析曲線上看，遺址過火樣品的失重曲線一直到1000℃都很平滑，由此可以推斷樣品的過火溫度一定高于900℃，甚至在1000℃以上。

圖三 大河村遺址本體過火樣品熱分析曲線圖

圖四 鈞窯遺址自制紅燒土（600℃）樣品熱分析曲線

2.鈞窯遺址紅燒土過火溫度初判

鈞窯遺址自制樣本是在自然條件下徹底干燥后放在馬弗爐中恒溫兩個小時、焙燒溫度為600℃的紅燒土樣品。取少量制備好的樣品進行熱分析，結果見圖四。

圖五為遺址本體紅燒土樣品的熱分析曲線。經對比可以看出，遺址本體樣品在120℃左右出現吸熱和質量損失，這是因為遺址中的紅燒土樣品較為潮濕，含有大量的機械結晶水。它們在600℃以后的重量損失基本相同，分別為0.6%和0.5%，熱焓量曲線變化也基本相同?？梢酝茢噙z址中紅燒土樣品的過火溫度在600℃左右。

圖五 鈞窯遺址本體樣品熱分析曲線圖

3.牛河梁遺址紅燒土過火溫度初判

將牛河梁遺址取回的生土制備為紅燒土樣品，然后將樣品分別進行熱分析，結果見圖六。

從400℃樣品的熱分析曲線可以看出在400℃之前樣品重量損失僅為0.9%，是樣品的吸附水重量，400℃之后重量損失突增2.1%。600℃樣品的熱分析曲線也同樣在600℃之后重量損失突增2.4%，都與樣品的已知焙燒溫度相符合。

圖六 牛河梁遺址自制紅燒土樣品不同溫度熱分析曲線

圖七 牛河梁遺址本體樣品熱分析曲線圖

牛河梁遺址本體樣品的熱分析曲線（見圖七）在200℃之前重量損失3.3%，200℃～700℃之間重量損失2.1%，700℃之后曲線平直，樣品重量趨于恒定。200℃之前除了由于樣品中的結合水蒸發損失重量外，應該還有土壤中有機物分解所致的重量損失。200℃～700℃之間是無機質礦物的物相相互轉變引起的重量損失。由此可以推斷，牛河梁遺址本體的紅燒土樣品過火溫度在700℃以下。

圖八 兵馬俑遺址本體樣品熱分析曲線

4.兵馬俑遺址紅燒土過火溫度初判

根據以上三個遺址紅燒土樣品過火溫度判斷方法，將取自兵馬俑遺址隔梁的紅燒土樣品進行熱分析，試驗結果見圖八。

結合遺址樣品礦物成分分析結果，根據已知礦物受熱變化規律，可以對熱分析曲線進行分析解釋；并且從遺址中取回的紅燒土樣品量較大，足夠直接作為加固保護材料選擇試驗所需的土樣使用，因此不需要再模擬焙燒樣品。

兵馬俑遺址紅燒土樣品的熱分析曲線圖中，在707.39℃出現明顯放熱峰，這可能是土壤中的白云石受熱發生了分解反應，由此推斷樣品的過火溫度在700℃以下。熱焓量變化曲線圖中，891.46℃出現放熱峰，可能是方解石的分解所致，更是印證了這一推斷。熱重曲線圖中650℃以前重量損失超過5%，說明樣品的過火溫度可能不會超過650℃

四、結論與討論

1.熱重分析法測定紅燒土溫度是行之有效的方法。相關研究表明，土壤在焙燒過程中發生了一系列的變化，主要包括其燒失率、外觀顏色、礦物成分、微觀形貌、比表面積、機械強度等，這些性能參數的變化必然導致其物理、化學性質出現差異，進而導致紅燒土遺址不同病害及不同嚴重程度的出現。但土壤所有參數的變化都是由于焙燒這個因素導致的，因此，通過對紅燒土遺址過火溫度的研究，可以從源頭尋找遺址病害形成的主要原因。這將為遺址本體的保護提供可靠的數據支撐。

土壤的主要礦物組成是石英與鈉長石，并且石英含量很高，在60%以上，而石英在被加熱到573℃時有個α-石英與β-石英之間的相互轉變，這時體積與比重都會增加，反映在熱分析曲線上就會在573℃左右出現峰值。因此將遺址樣品的熱分析曲線作為判斷遺址樣品過火溫度的一種方法是可行的。

2.四個典型紅燒土遺址的過火溫度獲得科學解釋。研究表明，方解石在焙燒時，自700℃開始分解，在930℃～970℃間分解完全；白云石自700℃左右開始分解，800℃和950℃有吸熱反應發生，在差熱曲線上700℃～800℃之間有吸熱峰出現（兵馬俑遺址的紅燒土樣品表現最明顯），前者是碳酸鎂的分解，后者相當于方解石的分解，反應放出大量CO2，重量約減少了41%；黃鐵礦從約300℃時開始分解，氧氣充分條件下，600℃左右結束生成 Fe2O3，放出 SO2；蒙脫石在 800℃～900℃分解；伊利石在800℃～900℃時，黏土礦物的晶格失去穩定性而瓦解，850℃～950℃之間開始生成鎂和鐵尖晶石。

3.紅燒土遺址病害類型及嚴重程度與其過火溫度密切相關，由于遺址所處環境也是導致紅燒土遺址出現各類病害的主要因素因此需要排除環境因素，單獨分析這一相關性。而環境因素的排除就需要結合進一步的單獨實驗才能完成。因而，在進一步的研究中，可以在相同環境下觀察不同焙燒溫度紅燒土樣品的病害發展及變化情況，從而獲取更加準確的信息。