X射線成像技術在文物保護與制作工藝研究中的應用

王全玉

(山東大學環境與社會考古國際合作聯合實驗室，山東青島 266237)

0 引 言

自德國物理學家威廉·康拉德·倫琴(Wilhelm Conrad R?ntgen)于1895年發現X射線后，X射線成像技術很快被用于醫學和考古界。倫琴發表的第一張X光片是一人手，其骨節和所帶戒指清晰可見，于1896年發表在Nature雜志上[1]。

X射線(X-ray)，又稱X光，也稱作倫琴射線，是一種波長范圍在0.01～10 nm之間的電磁波，具有很強的穿透能力，對人體有危害。當X射線射入物體時，一部分被物體吸收，一部分被散射，從而導致其穿過物質時產生衰減。物體因質地、厚度、密度不同而對X射線吸收能力不一，從而導致其穿過物體后的衰減程度不同。X射線探測最普通的方法是照相底板法：透過物體的X射線照射到底板上，經顯影后保留黑色，而沒有X射線照射(即被物體吸收)的底片部位經顯影后是白色，這樣透過物體后衰減程度不同的X射線在底板上形成黑度不一的影像。

X射線成像系統如圖1所示：由高壓激發的射線源所產生的X射線穿過物體后，其衰減X射線使照相底片感光，經暗室洗片(顯影和定影)后顯現黑度不一的影像。一件器物因其不同部位的材質、結構、密度等的差異，所映在X光片上的黑度不同。材質原子質量越大、器壁越厚、密度越高的部位黑度越低。

圖1 X射線成像系統示意圖[2]Fig.1 Illustration of X-radiography

傳統的X射線成像技術(又稱X射線探傷)成像于底片上，只適用于平面，對于具有復雜器形的器物難以實現不同角度的成像，對于具有空腔的對稱器物(如青銅禮器)則難以區分開兩面的特征。工業X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography，X-CT)系統的出現解決了這一問題。

工業X-CT系統是由英國電氣工程師Godfrey Hounsfield于1972年首先應用于醫學圖像上的，憑借這項發明他獲得了諾貝爾醫學獎[2]。CT是X射線多角度、多層次穿透目標，可360°無死角成像，所獲取目標的結構構造信息更加詳細。成像后可以任意角度進行圖片切割，觀察任意斷面的結構。

X射線成像技術在文物研究中的應用始于1896年(被用于賓夕法尼亞大學的一件秘魯的木乃伊上[3])，之后便很快被用于繪畫檢測與金屬器物、古陶瓷的制作技術分析[4]。20世紀中葉，Gettens采用X射線成像技術對美國弗利爾美術館藏中國青銅器進行了鑄造技術分析，首次揭示了鑄接、焊接等工藝在中國古代青銅器上的應用[5]。近年來，日本學者對泉屋博古館藏大量珍品中國青銅器進行了工業X-CT研究，解析其鑄造技術[6-7]，這對中國青銅器制作工藝的研究具有重要意義。

X射線穿透能力強，可看到肉眼和顯微鏡下發現不了的器物內部結構(如包裹物、缺陷、材質的異同、不同部位的連接方式等)。X射線成像技術在科技考古和文物保護研究領域的應用主要表現在三個方面：1)實驗室微發掘，以推測被泥土包裹的器物的材質和保存現狀；2)文物保存狀況解析，以探明器物保存現狀和修復歷史；3)文物制作工藝研究，來研究器物的制作工藝、內部結構、缺陷、裂紋以及各附件之間的連接方式等。

本文以考古發掘出土的實物和博物館藏器物為例介紹X射線成像技術在這三個方面的應用，為文物的深入和全面研究提供指導，為館藏文物的保護和保存提供建設性建議。

需要指出的是，如對中國青銅器的制作年代存疑，在采用X射線成像技術對該器物進行分析之前需要設法提取泥芯樣品，以備采用陶瓷斷代方法——熱釋光或光釋光對其進行斷代分析之需。

1 實驗室微發掘

考古發掘現場出土的遺物往往支離破碎且混雜著土壤，經常需要整體提取，再運回實驗室進行微發掘(圖2)。由于遺物被泥土包裹，材質情況不明，到了實驗室以后文保工作者往往也不知道如何開始清理工作，因此第一步就需采用X射線成像來判斷遺物形貌和可能的材質。如圖3所示，肉眼很難斷定左邊由泥土和銹蝕物包裹的殘件是何物，而其X光片清晰地顯示了一個金屬容器的鐵口沿和鐵環首提梁，且環首提梁是實心的，密度比口沿高，表明提梁比口沿的金屬厚或保存狀況更好。X光片提供的信息是科技分析被提取樣品的重要依據。

圖2 英國南部Chiseldon遺址出土的鐵器時代大型容器整體提取后在實驗室進行微發掘Fig.2 Lab-excavation of British Iron Age metal cauldrons from Chiseldon， South England

圖3 X光片(右)顯示了由泥土和銹蝕物包裹的殘件(左)是一個金屬容器的鐵口沿和鐵環首提梁Fig.3 Revelation of the metal ring and rim of a metal cauldron present in a soil block (left) by an X-radiograph (right) (photo： ? the Museum of London Archaeology)

2 文物狀況解析

博物館的文物，特別是在展器物，表面看上去都保存完好，可研究卻發現很多器物破損嚴重，經過修復和做舊才呈現出現在的狀況。中國傳統的修復理念是將器物修復得天衣無縫，肉眼很難看出修復痕跡。筆者在大英博物館多年的工作經歷中發現了諸多的例子，如圖4中的趙孟壺[8]，表面看上去完好無損，很堅實，可X光片卻顯示其所有部位都破損嚴重，特別是在器物下方有缺失的地方，是用樹脂之類的輕質材料填充的，然后表面上色，非常逼真，以至于肉眼看不出來修復痕跡。

圖4 大英博物館藏趙孟壺(左)，X光片顯示其破損嚴重并經過技藝高超的修復(右)Fig.4 Revelation of serious damage and skilful restoration for one of the Zhao Meng Hu vessels in the British Museum collection (left) by an X-radiograph (right)

又如邢侯簋(圖5)，保存狀況很差，肉眼可見很多銹蝕坑，而X射線成像發現其實際狀況更糟。器物由四個半環耳分成四個扇面，每個扇面上有一個抽象的大象圖案。X光片顯示在一個扇面上有兩條細微的焊線，說明可能是修補的。用X射線熒光光譜儀進行表面成分分析后發現這個扇面的材質是黃銅而非原始的青銅[9]，說明這個扇面破損缺失了，修復工匠是在保存完好的扇面上翻模做范，用黃銅制作了一片焊接上去的，然后再上色做舊，看上去非常逼真。

圖5 大英博物館藏邢侯簋(左)，X光片顯示兩條焊線(右，如箭頭所示)Fig.5 Revelation of two solder lines (pointed with arrows) present on the surface of the Xing Hou Gui vessel in the British Museum collection (left) by an X-radiograph (right)

圖6所示的是出土于英國東約克郡Garton火車站附近的鐵器時代的一把鐵劍，此劍于20世紀80年代入館，經表面清理后放在一個具有硅膠干燥袋的塑料盒子中，并經常更換硅膠干燥袋。在2006年進行館藏文物狀況普查時，經對比表面照片沒有發現明顯變化，但比較20世紀80年代(圖6b)和2006年(圖6c)拍攝的X光片后發現，在館藏環境中儲藏了20年后鐵劍的銹蝕坑變得更深，裂紋更加明顯。鐵器緩慢劣化應該是由于濕度沒有控制得足夠低。如果不能被妥善保存或展陳，器物最終會銹蝕脫落，崩潰成渣。

圖6 出土于英國東約克郡Garton火車站附近的鐵器時代的一把鐵劍(a)在館藏20多年前(b)后(c)的變化Fig.6 A British Iron-Age iron sword unearthed from the Garton Station in Eastern Yorkshire (a) and its changes in 20 years of being kept in museum storage shown by X-radiographs taken in 1980s (b) and 2006 (c)， respectively

3 文物制作工藝研究

器物往往由多個部位組成，但表面打磨等處理手段使得各個部位的連接痕跡消失或被掩蓋，X射線成像是探索器物構造方式的重要手段。康侯簋的一張X光片(圖7b)顯示其半環耳是先鑄再嵌入到器體的泥范里，當澆鑄器體的金屬凝固時環耳就被牢牢粘接上了，另一張X光片(圖7c)則顯示其底部墊片對稱地分布在圓形底部外圍，巧妙地避開了中間的銘文。圖7b的X光片還顯示了在器身上部口沿處有許多鑄造氣泡(黑色圓孔)，推測康侯簋是正鑄的，這同普遍認為的中國古代大型青銅容器的倒鑄不同?？赡苁且驗榈撞坑秀懳模そ骋呀浿懒私饘倌踢^程中氣泡上移的道理(如倒置鑄造，氣泡會聚集在底部)，為避免氣泡對銘文形成干擾，就有意識地采用了正置澆鑄。但在口沿處沒有發現任何澆注口打磨的痕跡，圈足和底部也沒有任何澆注口、冒口痕跡，所以無法確定器物到底是怎樣澆鑄的。

圖7 大英博物館藏康侯簋(a)，X光片顯示半環耳先鑄(b)、底部銘文和四個墊片(c)Fig.7 Kang Hou Gui vessel (a) in the British Museum collection and its pre-cast handle (b) and four spacers and inscriptions on the base (c) shown by X-radiographs

圖8所示的是一件大英博物館藏戰國時期的青銅飛獸[10]，其表面看不出任何具有塊范鑄造特征的范線，又沒有相似的器物可以參考，從而引起了學者對其制作年代的爭議，有人認為這是宋代的產物[11-12]。為此筆者進行了科技分析，對器物的制作工藝、合金成分和表面裝飾技術等做了詳細的研究[10]。其X光片顯示器物由三部分組成：身體和四肢、頭部、尾巴。頭部和身體之間有較厚的金屬，是鑄接的結果，為了使兩部分連接牢固可能在內部加了金屬隔板，然后進行鑄接的。如果頭部和身體是渾鑄的，頸部這里不應該有這樣一塊厚金屬，但有可能是發生了鑄造缺陷而補鑄的。尾巴是插入到身體的。成分分析表明器體和頭部都是青銅，而尾巴合金成分含鋅，判斷可能是后期修補的。器物上的大量芯撐(圖8右圖箭頭所指孔洞)表明其是塊范制作的，為典型的青銅時代的工藝。根據制作工藝和合金成分可以判斷這是一件青銅時代的產物。

圖8 大英博物館藏青銅飛獸(左)及其X光片(右，箭頭所指孔洞由泥芯撐所致)Fig.8 A leaping feline in the British Museum collection (left) and its X-radiograph (right) showing spacers (pointed with arrows) present in the body

圖9所示的是一把大英博物館藏具有富錫菱形花紋裝飾的同心圓劍首越國劍，其CT影像顯示該劍為鑄接結構、三節式制作完成。同心圓劍首和劍身分開鑄造而成，將二者擺成一條線，中間留有一定間距，在其周圍制作劍格范，澆鑄劍格的熔融金屬凝固后就將事先制作的劍首和劍身連接在一起[13]。劍身制作巧妙，在劍柄處對稱的兩側各有一榫，保證劍身和劍格的牢固結合。丁忠明等對三件山東新泰出土的此類同心圓劍首連接技術采用CT技術進行了研究，發現一把為渾鑄，兩把為鑄接結構，鑄接結構的兩把又分為2段式和3段式鑄接[14]。類似的劍在很多博物館都有收藏，它們表面看上去相似，但其制作工藝可能各不相同，唯有通過CT成像才能確定其制作工藝。

圖9 大英博物館藏同心圓劍首越國劍(上) 及其CT影像(下)[13]Fig.9 A bronze sword of the Yue State in the British Museum collection (upper) and slides of its CT images (lower)

圖10所示的是侯馬陶范殘片的CT影像：可以看到陶范G5H3：1009有明顯的面層和背層分界；H17：1012上的紋飾層和側壁是堆塑在背范上的；H17：1013有四層結構，其中面范下面的那層穿插到了其上、下兩層，最外層含大量纖維質材料且相當疏松多孔；H15：2002是一件泥芯殘塊，其主體疏松多孔，表面材質細膩，以確保鑄造器物內表面光滑從而省去鑄后打磨工序。眾所周知，中國古代青銅鑄造采用的泥范由面范和背范組成，但之前還沒有關于發現多層結構泥范的報道。H17：1012上的紋飾層貼片體現了紋飾范片的間接應用法[15]在陶范制作上的應用。由此推斷保存較好的背范可能被反復使用，這樣減少了陶范制作中耗材和人工的使用。陶范H17：1013中的多層結構是否說明了其面范被多次修整或添加，這樣背范經多次使用？這種現象是個例還是具有代表性？僅憑一件樣品尚無法回答這些問題，需要對更多的陶范進行研究。

圖10 侯馬陶范殘片的CT影像，顯示多層結構Fig.10 Slides of the CT images of bronze-casting ceramic mould fragments from the Houma foundry site，showing multi-layer structures

4 結 語

本文以諸多實例解析了X射線成像技術在實驗室微發掘、文物狀況研究以及文物制作工藝研究中所發揮的作用，揭示了大英博物館收藏的一些重要中國青銅器(包括著名的康侯簋、邢侯簋、趙孟壺)不為人知的修復歷史和現狀以及復雜器物不同部件的制作工序和連接方式等，首次披露了侯馬陶范的復雜結構。X射線成像技術，包括X射線探傷和工業X射線計算機斷層掃描(X-CT)是科技考古和文物保護研究的一個重要手段，在考古研究中應用前景廣泛，可對幾乎所有材質的文物進行無損檢測，為文物保護和保存提供建設性建議，為文物制作技術的解析提供重要科學數據，為深入研究文物提供指導(如可根據器物的狀況決定是否取樣，在必要時怎樣取樣才能在對器物造成最小損傷的情況下而獲得最大的信息量)，從而為重要的考古問題提供答案。

致 謝：青銅器X光片和CT影像是作者本人在大英博物館的工作成果，部分CT影像在大英博物館科技部同事幫忙下獲取。侯馬陶范樣品由中國科學院自然科學史研究所蘇榮譽教授提供，CT影像由上海博物館文物保護科技中心丁忠明研究館員提供。侯馬陶范研究由國家自然科學基金項目(52072220)資助。