科學分析手段在三星堆遺址中的應用

摘 要：文物是歷史文化的物質(zhì)載體，見證著人類社會的進步與發(fā)展，保護文物就是尊重歷史。新時代文物工作方針明確提出“保護第一”的準則，著力鞏固保護在文物工作中的根本性地位。若要更好地保護好文物，必不可少的是全面認識文物，了解文物的保存狀態(tài)和劣化情況等信息。故此，文章以四川廣漢三星堆遺址發(fā)掘40年來實施的科學分析手段作為切入點，探究科學分析手段在遺址保護中的意義。文章認為，在遺址保護中使用科學分析手段是必要的，就像醫(yī)生治病開藥前要先了解患者的身體狀況，只有充分認識才能做到對癥下藥，從而更好地保護文物。

關鍵詞：科學分析；文物保護；三星堆

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.22.030

四川廣漢三星堆遺址是中華文明發(fā)展歷程中寶貴的文化遺產(chǎn)，其中蘊含著豐富的歷史、藝術和科學價值。三星堆遺址作為大型遺址群和全國重點文物保護區(qū)，在案例分析上具有典型性和全面性。通過研究三星堆遺址和遺物的科學分析成果，有助于揭示文物科學分析方法的發(fā)展進程，剖析文物科學分析手段在文物研究中承擔的任務。故此，本文以三星堆遺址為主要研究對象，以時間軸為全文的主要研究線索，探究三星堆考古40年在科學分析技術和發(fā)展方面取得的成果，探究經(jīng)典案例對后續(xù)文物保護工作的指導作用。

1 三星堆遺址科學分析手段

1.1 遺址環(huán)境分析

三星堆遺址環(huán)境分析中，主要針對遺址周邊的地質(zhì)、氣候、水文和環(huán)境指示物進行分析。在公開資料中記載最早的遺址環(huán)境分析報告是賀曉東于1997年發(fā)表的論文《廣漢三星堆遺址環(huán)境考古調(diào)查》。受限于彼時分析設備運算能力的局限性，尚無法對大量的地質(zhì)、水文和氣候數(shù)據(jù)進行分析。直至2005年，張躍輝等人發(fā)表論文《三星堆遺址環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀評估及問題防治》，其間借助更為精密的數(shù)據(jù)采集設備以及算力更高的計算設備，全面地分析了三星堆遺址區(qū)的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，為遺址區(qū)后續(xù)的保護提出了寶貴意見。

1.1.1 磁場雷達探測

磁場探地雷達主要是利用深藏于地下的遺址、遺物及周圍環(huán)境截止介質(zhì)的磁感應差異，通過釋放穩(wěn)定波頻的磁場，尋找磁感應異常區(qū)域，從而尋找遺址重點區(qū)域的物理探測手段①。

1.1.2 加速器質(zhì)譜碳十四年代測定

常規(guī)的碳十四測年法主要依靠探測器記錄一定時間內(nèi)樣品中碳十四原子衰變的個數(shù)，由此推斷樣品的年代②。但傳統(tǒng)的碳十四測年所需要的樣品數(shù)量較大，加速器質(zhì)譜碳十四測年法的出現(xiàn)解決了這一問題。與普通碳十四測年相比，由于質(zhì)譜的介入，使得實驗所取樣本可減為此前的千分之一，極大地加快了實驗速度。相較此前動輒幾個月甚至一年的實驗周期，加速器質(zhì)譜法可將實驗時間縮短至1小時以內(nèi)。實驗誤差在理想狀態(tài)下可以縮小到18年，測定年限可延長至10萬年。

1.1.3 紅外線遙感攝影及探測

遙感探測是20世紀60年代興起的概念，一般是指在載具上裝備各式傳感器來采集地面地質(zhì)、水文、人文等信息③。現(xiàn)今我國的遙感探測技術主要分為衛(wèi)星遙感探測技術和飛行器遙感探測技術，衛(wèi)星遙感探測技術在文物保護中主要應用于文物等級普查、文物保存狀態(tài)評估與管理和文物災害預警等領域，依托于遙感探測衛(wèi)星的高精度和高態(tài)勢感知等優(yōu)勢，在不可移動文物的管理與保護領域應用廣泛④。

在三星堆考古發(fā)掘?qū)崉罩校脊艑W家們使用了小型直升機攜帶攝影設備和短波雷達設備，通過采集遺址各項數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后能夠精確地反映出遺址地表形態(tài)。與此同時，利用紅外線攝影設備進一步掃描地表下的底層構造，通過建模呈現(xiàn)地下4米左右的遺址結構。由此可見，遙感探測技術在遺址發(fā)掘與保護過程中有利于清晰地了解遺址布局，為未來的發(fā)掘工作提供重要的地形數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.1.4 遺址區(qū)周邊環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測是長期持續(xù)的工作，主要檢測遺址區(qū)附近的氣象環(huán)境、水文環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境，通過綜合整理檢測取得的各項數(shù)據(jù)，符合評定遺址區(qū)目前所處的風險等級及制定相應的遺址保護手段與措施。

氣象環(huán)境監(jiān)測需日常監(jiān)測遺址區(qū)內(nèi)的大氣溫度、地表溫度、平均年降水量、年平均相對濕度、年平均日照時間、冰點期、風向及風速、有害顆粒物濃度、有害氣體濃度等各項氣象數(shù)據(jù)。

水文環(huán)境監(jiān)測主要通過聲吶裝置和遙感探測設備，對遺址區(qū)地上地下水系的面積、流速、可溶性顆粒物等指標進行檢測。如2005年對三星堆遺址區(qū)進行的水系化學特征檢測，發(fā)現(xiàn)測試水樣中的可溶性陽離子含量較高，水體硬度偏硬，且水中亞硝酸鹽超標，有輕微污染的現(xiàn)象。結合檢測數(shù)據(jù)結果，文物主管部門迅速協(xié)同水利部門對遺址區(qū)附近水系進行凈化處理，避免深埋地下的文物遭到破壞。

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測主要使用遙感探測設備和地質(zhì)運動檢測設備等，監(jiān)測以遺址區(qū)為中心，向外輻射監(jiān)測周邊地質(zhì)礦脈的運動、磁場環(huán)境的變化，定時對地層的含水量以及支撐指數(shù)進行評估，保證遺址區(qū)的地層承載力。通過地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，能夠有效地防止由于地層沉降、地震及地址板塊運動對遺址區(qū)帶來的破壞。

綜上所述，通過對遺址區(qū)周邊環(huán)境的長期監(jiān)測，能夠有效地建立遺址區(qū)保護體系，做到提前感知、提前防范，避免由于自然災害的影響對文物造成破壞。

1.1.5 土壤分析

土壤分析分為有機物分析和無機物分析。有機物分析主要探測土壤中的主要成分，測試土壤的酸堿度，并對土壤中包裹的孢子花粉、植硅石、植物果實、淀粉顆粒、脂肪酸和硅藻物等進行定性分析和定量分析。由于土壤中的水分較高，且保存環(huán)境中未發(fā)現(xiàn)明顯酸堿度超標，為土壤中的有機物提供了保存條件。測試將土壤放入適當?shù)谋戎匾褐校ㄟ^離心機將其中的顆粒分離出來，再利用顯微觀察，判斷植物的屬種、數(shù)量和狀態(tài)等。通過對土壤中環(huán)境指示物的分析，可以對比古文獻初步推算本地區(qū)的古氣候和古代降雨量等數(shù)據(jù)。無機物分析主要通過磁化率測試，針對土壤中的礦物測定磁化率來輔助推斷環(huán)境變化和氣候變化。在地質(zhì)學角度講，磁性礦物的轉(zhuǎn)移、沉積、轉(zhuǎn)化等變化均與氣候變化息息相關。根據(jù)學者呂厚遠等1994年發(fā)表的文章可知，磁化率隨年平均氣溫和降水量的增加而增加，故此可通過土壤中磁化率輔助推測三星堆遺址周邊氣候環(huán)境的變化進程⑤。

1.2 出土遺物分析

1.2.1 金相顯微鏡觀察

金相顯微鏡通常用于金屬質(zhì)文物基體及其銹蝕的定性分析，用于觀察金屬或不透明礦物的金相組織⑥。測試前先將待測試樣固定在包埋模具中，使用不同目數(shù)的砂紙進行打磨，而后使用金相拋光機拋光，在三氯化鐵—鹽酸—酒精溶液中浸泡后再進行觀察和拍照。可以觀察到不同金屬礦物的金相結構，輔助判斷文物的鑄造工藝、金屬化合物定性等。

1.2.2 電子探針成分分析

電子探針是一套完整的能量釋放和探測接收設備，測試機釋放定量的X射線電子束轟擊待測試樣，樣品中不同元素在接收能量后會躍遷至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生不同的特征能量束。此時接收機則會吸收這些特征能量束，對照標準圖譜判定元素的種類，并通過檢測能量束攜帶能量的大小來判斷元素含量，由此可對文物進行定性分析和定量分析。

三星堆出土的青銅器中以青銅人像面部采樣為例，經(jīng)電子探針測試測得成分為銅87.41%、錫4.84%、鉛7.05%、磷0.70%⑦。在對比以往同時期鑄造的青銅器成分分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，以往的成分分析中普遍發(fā)現(xiàn)含有微量或少量的鋅元素，但從三星堆出土的樣本來看卻未發(fā)現(xiàn)鋅元素，由此可初步推斷三星堆青銅器所使用的鉛礦原材料與中原地區(qū)生產(chǎn)的青銅器原材料來源應不同。但在其中發(fā)現(xiàn)了微量的磷元素，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，磷元素被認為是銅合金良好的脫氧劑，加入適量的磷元素可以提高青銅液的流速，從而鑄造體積更大、紋飾更細致的青銅器。

1.2.3 X射線熒光光譜儀（XRF）

X射線熒光光譜儀與電子探針的測試原理基本相同，且由于元素受激發(fā)射出來的特征X射線熒光強度不同。由此可根據(jù)特征X射線熒光波長對樣品進行定性分析，根據(jù)特征X射線熒光的強度可對樣品進行定量分析⑧。

1.2.4 X射線衍射儀（XRD）

X射線衍射儀是利用X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象后，收集不同物質(zhì)的特征X射線信號，經(jīng)過分析處理得到物質(zhì)的衍射圖譜，通過分析所得衍射圖譜，可獲得材料的成分和結構形態(tài)等信息⑨。在文物分析測試中，X射線衍射儀可用于有機物和無機物的定性或定量分析。

在對三星堆遺址出土的陶范泥芯進行X射線衍射測試時，檢測發(fā)現(xiàn)其中包含礦物石英、白云母、方解石等，結合偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)其中綠泥石和白云母含量較多。初步推測鑄造青銅器時，若陶范受熱溫度在800～900攝氏度時白云母會大量脫水，若繼續(xù)升溫方解石會開始分解。但在被測樣品中發(fā)現(xiàn)了白云母和方解石的存在，可側(cè)面證明陶范中的泥芯尚未產(chǎn)生陶化現(xiàn)象，澆鑄青銅器時青銅液的溫度應不超過950攝氏度⑩。同樣X射線衍射儀也可對有機物進行測量，如學者們通過分析古象牙X射線衍射譜圖發(fā)現(xiàn)，對比新鮮象牙中有機物占比35.2%，古象牙樣品中所含有機物無法觀測k。經(jīng)過分析這有可能是三星堆出土象牙出土脫水后粉化嚴重的主要原因。

1.2.5 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀是以電感耦合等離子體作為激發(fā)光源，通過捕捉待測物質(zhì)自激發(fā)態(tài)釋放能量回到穩(wěn)定基態(tài)時釋放的能量，以波譜的形式呈現(xiàn)這一變化過程。而后對照每種元素的標準溶液，即可對待測樣品進行定性分析和定量分析。

在使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對三星堆遺址出土遺物進行測試后，發(fā)現(xiàn)三星堆出土的不同器物類型合金配比不盡相同。如容器類器物的合金配比以鉛錫青銅為主，而地域特色突出的本地風格神樹、面具等器物則以鉛錫青銅為主，輔以少量的鉛青銅l。

1.2.6 硝酸銀滴定測試

在文物表面取適量的銹蝕樣品，浸泡于蒸餾水中12小時，而后使用定性濾紙過濾浸泡液使得浸泡液相對清澈。在清澈的浸泡液中緩慢滴加3～4滴硝酸銀溶液，觀察是否有白色沉淀物或絮狀物產(chǎn)生，由此初步判斷器物表面的銹蝕是否為有害銹蝕。若需對銹蝕中的氯離子進行定量分析，則需要將銹蝕產(chǎn)物浸泡于硝酸溶液，直至無氣泡產(chǎn)生，在混合溶液中添加碳酸鈣，使用鉻酸鉀溶液滴定，待反應結束后過濾出溶液中的不溶沉淀，干燥后稱量磚紅色沉淀重量。

1.2.7 鉛同位素測定

自然界中鉛金屬都是由四種穩(wěn)定的鉛同位素組成的混合物，其中同位素鉛206－鉛208是鈾元素和釷元素衰變而成的產(chǎn)物，已知在地球金屬礦床中鈾元素和釷元素的濃度完全相同的概率很小m。故此，通過鉛同位素的測定，可初步判斷金屬類器物鑄造原料來源，輔助判斷彼時社會經(jīng)濟文化交流的脈絡。

在三星堆出土遺物的鉛同位素測試中，考古學家們測試了一號坑、二號坑的出土器物鉛同位素比值，并且與江西新干大洋洲出土青銅器鉛同位素進行對比。最終發(fā)現(xiàn)三星堆出土兩坑器物鑄造年代差距不會太遠，并且他們都大量使用同一礦產(chǎn)地的鉛料，可知此處鉛礦已具備大規(guī)模開采能力。與新干大洋洲出土青銅器對比，發(fā)現(xiàn)兩地使用的鉛金屬來自同一礦區(qū)的概率較高。

1.2.8 X射線照相技術

X射線是波長很短的電磁波輻射，當文物接受照射時，由于器物內(nèi)部各部分對X射線的吸收程度不同，導致反射回底片上的X射線強度也不同。由此在底片感光區(qū)域生成明暗色調(diào)不一的X射線照片。在X射線投射下可以根據(jù)灰度影響觀察文物的紋飾、裂紋等，故此X光照相技術也被稱為X光探傷技術。

2 科學分析手段在遺址保護中的意義

在遺址保護介入性工作開始前，首要任務是客觀地認識遺址周邊的環(huán)境、確定遺址區(qū)的位置、評估遺址的保存狀態(tài)等。此時需要先使用探地雷達、遙感探測、無人機航拍等科技手段，了解摸排出遺址保護區(qū)域，發(fā)現(xiàn)遺址主體位置。結合田野調(diào)查和環(huán)境指示物測試等手段，初步確定遺址的面積、年代、文化屬性等信息。而后，需采集遺址周邊的環(huán)境信息，了解遺址區(qū)周邊的地質(zhì)、氣候、水文等環(huán)境信息，從而預測遺址區(qū)內(nèi)部可能的狀態(tài)，如在發(fā)掘前遺址區(qū)內(nèi)是否曾經(jīng)歷地震、水淹、酸雨腐蝕、農(nóng)藥腐蝕等自然因素和人為因素的破壞。其目的主要是保證遺址發(fā)掘過程中的安全，有助于判斷遺址中遺物保存狀態(tài)，便于發(fā)掘后的第一時間搶救性保護。最后通過收集足量的數(shù)據(jù)為遺址區(qū)保護等級定級提供數(shù)據(jù)支持，判斷自然災害突發(fā)概率、人為破壞可能性等，保證遺址區(qū)在發(fā)掘過程中的文物安全與工程安全。

遺址保護介入性工作開始后，在實時監(jiān)測遺址區(qū)狀態(tài)的前提下，還需對發(fā)掘出的遺物做好搶救性保護。除通過遺址區(qū)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)推算遺物保存狀態(tài)外，還需對搶救出的文物進行科學分析。通常情況下需進行物相分析、成分分析和結構分析，通過全面有效的科學分析手段可以清楚地判斷遺物成分及副產(chǎn)物成分，有助于判斷其原料、結構、工藝等信息。可以說在遺物保護階段，精準而全面的科學分析技術是必不可少的。一方面使用科學分析技術能夠準確地了解遺物的各方面性質(zhì)，有助于指導保護人員為文物制定適合的修復方案及保存環(huán)境。另一方面認識遺物的成分和結構，有助于結合過往保護方案中的處理方法，經(jīng)過對比分析可進一步完善保護手段。

3 科學分析手段在遺址保護應用中的限制

3.1 分析儀器復雜

通過總結檢測遺址環(huán)境和遺物的科學分析手段基本測試原理和儀器型號，發(fā)現(xiàn)其中儀器的組成較為復雜，且需要大型實驗室提供環(huán)境和電力支持，無法在考古工地附近進行測試。故此，較為理想的分析儀器應在保證精度的情況下，具備一定的便攜性。

3.2 技術壁壘較高

現(xiàn)今常用的科學分析設備由于其原理不同，測試出的數(shù)據(jù)和結果也有較大差異。這對數(shù)據(jù)分析人員的知識儲備和學科背景要求較高，但其中部分儀器數(shù)據(jù)僅需對照數(shù)據(jù)庫即可完成。受限于目前我國沒有公開、完整的文物測試數(shù)據(jù)庫，導致文物科學分析的技術壁壘較高。

3.3 普及率較低

文物科學分析方法應用盡管在我國有超過30年的歷史，但受限于精密儀器造價昂貴、保養(yǎng)條件苛刻、技術壁壘高等問題，在文物保護與修復中，仍未普及，如筆者查閱了部分修復報告后發(fā)現(xiàn)，有約60%的修復報告提及了科學分析手段，但普遍使用的分析設備精度較低，多以物相分析為主。可見目前在實務工作中，精密的文物科學分析手段還未做到全面普及。

4 總結

通過科學分析手段對文物進行分析，是客觀上將文物的保存狀態(tài)量化，便于深度了解文物。通過分析和總結四川廣漢三星堆遺址發(fā)掘40年來的科學分析過程不難看出，科學分析方法對于遺址發(fā)掘、遺址保護、遺物保護與修復、文化溯源等工作起到了重要的作用，進一步推動了人們對于古蜀文化的認識。故此，推動建設文物科學分析體系，重點發(fā)展適用于文物保護的科學分析手段，將為后續(xù)的文物保護工作提供有力的支撐。

注釋

①賀曉東.廣漢三星堆遺址環(huán)境考古調(diào)查[J].四川文物，1997（4）：60-61.

②仇士華.碳十四斷代的加速器質(zhì)譜計數(shù)方法[J].考古，1987（6）：562-567.

③黃克忠.我國文物科技保護現(xiàn)狀及走向[J].中國文物科學研究，2006（1）：75-79.

④劉天華，莊國京，周會珍.衛(wèi)星遙感技術在不可移動文物保護中的探索研究[J].航天返回與遙感，2023，44（1）：23-30.

⑤呂厚遠，韓家懋，吳乃琴，等.中國現(xiàn)代土壤磁化率分析及其古氣候意義[J].中國科學（B輯化學 生命科學 地學），1994（12）：1290-1297.

⑥田興玲，周霄，高峰.無損檢測及分析技術在文物保護領域中的應用[J].無損檢測，2008（3）：178-182.

⑦曾中懋.廣漢三星堆一、二號祭祀坑出土銅器成分的分析[J].四川文物，1989（S1）：76-80.

⑧曾中懋.三星堆出土青銅器上“有害銹”的分析和研究：兼談保護問題[J].四川文物，1992（S1）：88-92.

⑨田興玲，周霄，高峰.無損檢測及分析技術在文物保護領域中的應用[J].無損檢測，2008（3）：178-182.

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