水下文物提取技術應用發展綜述

王芳璐（浙江大學文物與博物館學系 浙江杭州 310028）

張治國（國家文物局水下文化遺產保護中心 北京 100029）

張秉堅（浙江大學文物與博物館學系、化學系 浙江杭州 310028）

陳學強（浙江大學文物與博物館學系 浙江杭州 310028）

引言

聯合國教科文組織（UNESCO）2001年制定的《保護水下文化遺產公約》（以下簡稱《水下公約》）是關于水下文化遺產保護最為重要的國際法律文件[1]，公約中對“水下文化遺產”（Underwater Cultural Heritage）進行了定義：“水下文化遺產”系指至少100年來，周期性地或連續性地，部分或全部位于水下的具有文化、歷史或考古價值的所有人類生存的遺跡，比如：遺址、建筑、房屋、工藝品和人的遺骸，及其有考古價值的環境和自然環境；船只、飛行器、其他運輸工具或上述三類的任何部分，所載貨物或其他物品，及其有考古價值的環境和自然環境；具有史前意義的物品。海底鋪設的管道和電纜不應視為水下文化遺產；海底鋪設的管道和電纜以外的，且仍在使用的裝置，不應視為水下文化遺產。”

據粗略估計，世界各地的海底有超過300萬艘失事船舶的殘骸，其中尤為著名的包括忽必烈東征日本的艦隊、克里斯托弗·哥倫布探索新大陸的船隊和號稱“永不沉沒”的巨型游輪泰坦尼克號等。除了數量龐大的沉船之外，還有許多重要的各類水下遺跡和遺存，例如世界七大奇跡之一的亞歷山大燈塔和埃及艷后克利奧帕特拉的宮殿所在的埃及亞歷山大水下古城，以犧牲數人為代價發現的史前洞穴繪畫代表——法國Cosquer洞穴以及墨西哥奇琴伊察遺址用于祭祀雨神的瑪雅圣井等；國內則有被譽為“世界第一古代水文站”的白鶴梁遺址和以寧波港、泉州港及廣州港等為典型代表的海上絲綢之路港口遺址等。

水下文化遺產包括許多人類在成百上千年間未曾擾動的遺址，水如同“時光膠囊”一般將人類歷史上的瞬間化為永恒封存下來，對于當代與后世的人們來說，它是有關古代文明與航海歷史的重要信息來源。由于水下缺氧等特殊的環境條件，水下文化遺產通常比類似的陸地遺存保存得更加完整。

然而，隨著科學技術的發展與進步，一方面人類對于海洋的開發利用更加深入，捕魚作業、管道鋪設和其他海洋活動都有可能導致水下遺產的破壞；另一方面，水下遺產對于尋寶者們來說也不再遙不可及，商業開發以及洗劫掠奪的事件隨之增加。除了上述人為因素的干擾破壞之外，水下環境本身以及水中的生物等自然因素也會對文化遺產造成不同程度的損害[2]。為避免對全人類共同遺產造成無法挽回的損失，保護水下文化遺產逐漸成為世界各國的共識。在保護的基礎上促進社會公眾對水下文化遺產的接觸、理解與思考，提高公眾的文化遺產保護意識，這對于文化遺產的可持續發展以及遺產地的旅游業和城市發展也是十分有利的[3]。

一、水下文化遺產保護原則

物的提取技術，尤其是極脆弱文物及其相關信息的完整提取技術研究具有十分重要的科學意義[9]。

由于水下文化遺產內涵豐富、種類繁多，在敘述中難以面面俱到，本文僅以為數眾多的水下古代沉船以及散落在水下的船載文物或其他遺跡的提取技術為主進行闡述。

《水下公約》確立的水下文化遺產保護的基本原則是：為全人類利益、合作共享、原址保護以及禁止商業開發[4]。聯合國教科文組織在保護水下文化遺產方面的工作得到了國際社會的普遍認可和尊重[5]。

中國作為歷史悠久且海陸兼備的文明古國，有著豐富的水下文化遺產。由于歷史與現實的諸多原因，我國的水下文化遺產保護工作起步較晚。1987年，我國成立了第一個從事水下考古研究的專業機構——中國歷史博物館考古部水下考古學研究室，之后培養了第一批水下考古隊員，這為我國的水下文化遺產保護工作奠定了基礎。1989年《水下文物保護管理條例》的頒布為國內水下文化遺產的保護提供了法律規范，目前該條例正在修訂中。2007年“南海Ⅰ號”整體打撈工作的完成標志著我國水下文化遺產保護能力的重大提升[6]。2014年，國家文物局水下文化遺產保護中心正式成立，負責統籌全國的水下文化遺產保護工作，并設立了寧波、武漢、福建、北海、南海等科研基地[7]，加強對外合作與交流，我國水下文化遺產保護事業進入穩步發展階段。

在保護水下文化遺產的工作中，水下調查是其他一切工作的基礎與前提，它旨在探尋和記錄水下文化遺產的位置分布與保存狀況等相關信息，為后續的保護工作提供依據。在后續工作中，水下文化遺產的保護與管理是重要內容。在《水下公約》正文和附件的規定以及水下文化遺產保護的實踐中，通常將原址保護（In situ preservation）作為首要選擇。但是，如果水下文化遺產正面臨著嚴重的風險與危害，或者出于更好地進行科學研究與遺產保護的目的，經過必要的科學分析與技術評估之后，在不損害其教育、科學和文化等價值的情況下，并且獲得了有關方面的許可和授權后，可以對水下文化遺產進行考古發掘和異地保護及展示等工作[8]。

與原址保護相比，考古發掘在某種程度上來說會對水下遺址造成一定的損傷，且考古發掘的過程是不可逆轉的，一旦造成損失也是無法挽回的。如果在提取過程中出現問題和差錯，不僅會使水下調查的成果功虧一簣，還會大大增加出水文物保護的難度。因此，水下文

二、水下古代沉船打撈提取技術

在打撈位于水下的古代沉船船體殘骸時，其規則與流程會視具體情況而定，主要取決于船舶尺寸、船體結構、船只年代、沉船位置、保存狀況和安置條件等因素[10]。從全面保留文物原始性和完整性的角度來說，沉船應盡可能采用整體打撈的方法，在不得已時才采用逐件打撈的方法，即將船板殘骸等拆解之后逐件取出再進行保護和組裝。目前，水下古代沉船船體殘骸打撈提取技術主要有：潛水式打撈、圍堰式打撈、浮筒打撈法、沉箱打撈法等方法。

（一）潛水式打撈

潛水式打撈是在水下原址將船體拆解，要求水下能見度較好，整個操作流程對潛水人員的要求較高。潛水式逐件打撈的方案有廣泛的適用性和實用性，是目前國內外通行的做法。2008年中國第一次大規模遠海水下考古發掘出水的西沙華光礁Ⅰ號沉船和2014年出水的浙東海域重要沉船浙江象山縣小白礁Ⅰ號清代沉船，都是在水下完成測繪和編號之后，按照與船只建造時相反的順序，分門別類地將船板進行拆卸和起吊出水，將其全部打撈到岸上后再進行保護和復原。它們為我國航海史與貿易史研究提供了重要的實物資料，是“海上絲綢之路”文化傳播與貿易繁榮的見證者[11][12]。

（二）圍堰式打撈

圍堰式打撈則需要在沉船四周筑造圍堰并將堰內的水抽干，使水下考古變為陸地考古，減少了發掘過程中的困難。但是圍堰方法只適用于淺水區域，而且筑堰的人力、物力以及時間成本較高，筑堰后沉船所處環境的改變也可能帶來不利影響。國內首次采用圍堰式發掘方法是在四川彭山江口古戰場遺址，同時這也是國內首次在內水區域進行的水下考古發掘。明末著名的農民軍領袖張獻忠在江口古戰場戰敗，裝載著財物的船只被擊潰沉入江底，當地一直流傳著“張獻忠江口沉銀”的傳說。由于不法分子的盜掘，2016年起考古人員開始修建圍堰進行搶救性發掘。圍堰建設是在岷江的枯水期進行的：利用砂石堆砌加固外圍，并用抽水泵將堰內的水排干。目前整個遺址只發掘了其中非常小的一部分，尚未找到當年的沉船，只發現了一些船具和船釘等。江口古戰場遺址的發掘采用了許多具有首創意義的新技術、新方法和新模式，為今后的考古工作提供了范例和借鑒[13][14]。

（三）浮筒打撈法

浮筒打撈法是將沉船整體打撈出水的一種方法，在操作時首先要在船舶的龍骨下挖出通道，使重型鋼纜穿過通道固定在沉船兩側的浮筒上。之后將水泵入浮筒并拉緊鋼纜，當水從浮筒中排出時，船只由于浮力作用開始從水中升起。將上述過程重復數次后，沉船最終將浮到水面之上，然后提取上岸，再進行安置、發掘與保護等工作。世界上唯一保存完整的十七世紀船舶——瑞典瓦薩（Vasa）沉船就是運用浮筒打撈法整體打撈出水的。由于其保存環境中船蛆無法大量繁殖，因而木質船體結構強度較好。從1959-1961年，經過各方努力，瓦薩沉船在斯德哥爾摩港口黑暗的水底沉睡了三百多年之后重出水面，隨后籌建了瓦薩沉船博物館用于沉船的保護和展示[15]。

（四）沉箱打撈法

沉箱打撈法是中國首創的整體打撈方法，首次應用于廣東陽江海域內“南海Ⅰ號”宋代沉船的打撈。沉箱打撈法需要先定位沉船并打下定位樁，再將無底的鋼質沉箱沿定位樁下沉到船體周圍的預定位置，然后挖開沉箱底部的泥土使底梁穿過以承托沉船，最后將整個沉箱內的沉船和泥土一起吊出水面。“南海Ⅰ號”沉船于1987年偶然發現，2007年起吊出水，現保存于廣東海上絲綢之路博物館[16]。沉船年代之早、船體之大、保存之完整世所罕見，對于中國海上貿易史、造船史和陶瓷史的研究有著極為重要的意義。

三、水下散落文物遺跡提取技術

不同于船體打撈這類大型工程需要考慮到整體性以及大體量等諸多問題，散落在水下的船載文物或其他遺跡由于體量相對較小、位置分散且材料本體及其保存狀況各不相同，通常是由潛水人員進行發掘并提取出水的。在以往的水下考古發掘中，人們逐步積累了許多提取經驗，確立了水下文物提取的原則，包括確保文物安全、最小干預、分類提取和出水還原等原則[17]。

對于處在水下環境的文物來說，許多文物實際上比看起來要脆弱得多，所以在提取時需要提供適當的支撐與保護，防止它們因為自身重量或水壓改變而分崩離析。盡管目前針對水下文物或遺跡的提取有許多不同的思路和技術方法，但是尚未有人做過較為全面的綜述。從提取技術角度，根據現有方法的不同特點，主要有直接提取法、機械提取法、包裝提取法和化學提取法等。

（一）直接提取法

直接提取法操作簡單，就是將所要提取的文物取出置于起吊框或者起吊架中，如果文物強度較差可用木板等進行輔助加固，為防止文物因浮力作用不穩或者脫落還需要使用繩索等將其固定在起吊裝置內，然后緩慢起吊出水即可。直接提取法是最原始也是使用最廣泛的提取方法，適用于具有一定強度的陶器、瓷器和金屬質文物等。2018年5月，相關考古部門在廣東省江門市上下川島海域附近發現并提取了一門水下鐵炮。在提取過程中，首先是將鐵炮從其埋藏環境中剝離出來，然后在水下進行支撐和固定以確保文物安全，最后用起吊裝置使其緩慢上升出水并進行現場保護工作[18]。

（二）機械提取法

機械提取法是利用機械裝置將提取物及其周圍的沉積物整體切割并起吊來進行文物提取的方法。例如歐盟SASMAP項目的組合式吊架就屬于機械提取法的一種[19]（圖1）。這種吊架的底部和頂部用立柱相連接，拆卸非常方便，其高度和長度都可以根據文物的形狀和水底沉積物的穩定性進行調整，也為提取物的實驗室處理提供了便利。吊架底部的一側安裝可拆卸的液壓缸，通過活塞按壓薄鐵板就能夠有效地切割沉積物塊。當沉積物塊的底部切割完畢之后，安裝可拆卸的側板來固定其側面，之后在沉積物塊的頂部和文物暴露的部分用軟材料覆蓋以防止文物在水壓下和出水時受到損壞，最后加裝頂板即可起吊。吊架的底部和頂部安裝了所謂的“吊耳”，在提升過程中可以使整體重量均勻地分布在吊架上。組合式吊架的主要優點在于能夠確保脆弱文物及其周圍沉積物提取的完整性和穩定性。

（三）包裝提取法

包裝提取法是在提取物外面用材料進行包裹或者將提取物裝入特制容器之中再提取到陸地上的方法。

最典型的水下加固包裹材料是3M?Scotchcast?Plus膠帶（圖2），它是一種應用于整形外科的輕質、堅固且耐用的膠帶，擁有玻璃纖維固型膠帶的優點和易處理的特性。它含有聚氨酯合成樹脂，能夠在潮濕空氣中或水中黏結固化，可用于固定和提取脆弱的水下文物。該膠帶購買便利，在文物提取中較為實用，在提取完成之后取下時也很方便，并且相對環保。它的局限性在于，只適用于提取非常小型的物件[20]。

最簡單的特制容器是結構簡單的自封袋，它內襯保護性泡沫。更復雜一些的是帶有碳纖維片的塑料真空袋，真空袋的內部有一個由多種材料組成的夾層結構，包括一個經過環氧樹脂浸漬的碳纖維片、一個用來吸收多余樹脂并作為軟接觸層的吸氣氈以及兩個脫模布（圖3）。真空袋的作用不僅在于產生真空，而且還可以將碳纖維片與水下環境隔離開來。在使用時將其插入海底，使兩個脫模布分別處于提取物的上方和下方，等待樹脂硬化后，將上下兩部分用塑料夾固定并帶到實驗室再打開。該方法的特點是它不僅適用于小型和相對大型的文物，并且可以適應不同的環境和保存條件。除此之外，它也可以作為一個臨時存放飽水有機質脆弱文物的有效容器[21]。該方法在意大利博爾塞納湖附近的鐵器時代聚落Gran Carro的發掘中進行了嘗試，確認了包裝提取方法的實用性和有效性。

目前，浙江大學文物保護材料實驗室也在進行水下膠帶和保護性自封袋的水下包裝提取法實驗，已經實施了碳纖維結合環氧膠復合材料對水下文物進行打包的研究，相關的加固提取工藝流程也在進一步優化中，希望能為我國水下考古提供新的應用技術。

（四）化學提取法

化學提取法是指采用流動性好的加固材料覆蓋于提取物本身或者提取物及其周邊區域之上，等到材料在水下滲透，發生化學反應從而凝固或硬化之后，再將其整體提取到水面的方法。

早期的化學提取法一般是利用可在水下凝固的化學材料，例如石膏來固定和提取易碎的陶瓷文物。做法是將文物及其周圍物體用布料等進行包裹，然后將石膏等倒在包裹物上，等石膏硬化之后將整個硬塊轉移到水面上[22]。化學提取方法的主要問題在于，加固材料可能在水下永久殘留，從而對水下環境造成不利影響。

SASMAP項目曾采用了一種適用于化學提取的高吸水性聚合物——煤膠體（Carbogel）[23]。其成分為中性聚丙烯酸樹脂，可以吸收水和沉淀物，具有可控的分子膨脹度和硬度。通過改變交聯劑就可以改變聚合物的性質，包括在水中凝固的時間、聚合物膨脹的體積、水凝膠的硬度等。使用時將聚合物裝入防水盒中帶到水下，使其分布在所需要提取的整個區域。當水和沉積物與其發生反應之后，脆弱文物和沉積物被凝膠塊所包圍，之后可以整體提取到岸上。在實驗室中，通過控制水溶液中的離子濃度可以逆轉凝膠形成的反應過程，使凝膠塊溶解而不會損壞文物。在意大利那不勒斯Baiae水下遺址公園，研究人員進行了相關的提取實驗，取得了較好的效果。

浙江大學文物保護材料實驗室在陸上考古薄荷醇臨時固型技術的啟示下，通過篩選已找到一類密度大于水且不溶于水的環保香料材料—藜蘆醛，該材料能夠在水中黏結砂土，以及鐵、陶、木等文物介質，材料加熱熔融后能夠在較低的水溫下保持足夠長的結晶固化時間。為了提高材料在水下各文物介質表面的潤濕性，并滿足水下黏結強度需要，我們還開發了一種聚丙烯纖維布，水下熔融的固型材料能夠在該纖維布上展鋪，將破碎的文物介質和周邊沙土在不改變位置關系的前提下黏結包裹成一體，然后可整體提取至水面（圖4）。

最后，臨時固型材料能夠在空氣中完全去除干凈，使破碎文物在保持水下分布狀態的前提下完整地搬遷到實驗室進行修復或展示。該工作已完成材料學基礎研究和實驗室小試，能夠成功地將破碎瓦片、瓦罐、散珠等水下散亂文物模擬樣品臨時固型，并整體提取到水面，恢復原狀（圖5）。相關研究的具體細節可參閱我們發表在《Archaeometry》上的文章[24]。目前正進一步改進配方、完善操作程序和擴大實驗，希望為水下脆弱文物現場整體固型提取提供新方法[25]。

結語

本文以水下古代沉船以及散落在水下的船載文物或其他遺跡的提取技術為例，綜合敘述了目前國內外水下文物提取技術應用發展的概況，包括各種技術的工作原理、適用條件與優缺點等。對于水下古代沉船主要有潛水式打撈、圍堰式打撈、浮筒打撈法和沉箱打撈法等方法；對于散落水下的船載文物或其他遺跡的提取主要有直接提取法、機械提取法、包裝提取法和化學提取法等方法。各種技術都有其優點與局限性，具體采取哪種提取方式，應該在綜合考慮各方面因素的基礎上做到因時制宜、因地制宜、因事制宜，本文僅僅是提供思路與參考。

無疑，脆弱文物水下加固與安全提取是水下考古的一項必要的研究內容[26]，但是目前國內外關于水下文物提取技術的研究相對來說還很少，需要我們共同努力，為發展我國水下文化遺產保護科技提供支撐。