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讲座纪要|文物科技分析检测案例研究

摘要:   2020年12月25日下午,北京大学考古文博学院周双林老师在北京大学考古文博学院A座101教室,为我们带来了题为《文物科技分析检测案例研究》的精彩讲座。本次讲座分为四个部分,在详细介绍完文物成分分析技术、微观结构观察技术、影像分析技术之后,周老师为我们重点介绍了这些年来他主持参与的文物保护项目。主讲人周双林老师引言考古发掘出土的文物,除 ...

  2020年12月25日下午,北京大学考古文博学院周双林老师在北京大学考古文博学院A座101教室,为我们带来了题为《文物科技分析检测案例研究》的精彩讲座。本次讲座分为四个部分,在详细介绍完文物成分分析技术、微观结构观察技术、影像分析技术之后,周老师为我们重点介绍了这些年来他主持参与的文物保护项目。


主讲人周双林老师

引言

考古发掘出土的文物,除了较易获取的历史信息、艺术信息之外,还有必要借助现代科学手段获取工艺材质方面的信息。考古研究中获取的信息愈丰富,研究的程度就会愈发深入。通过文物的科学分析,可以了解文物的工艺信息、附属信息(残留物分析)、环境信息和病害信息,其中前三者与考古研究密切关联,病害信息与文物保护直接相关。考古队伍中有必要采取发掘与保护紧密结合的人员配置,秦始皇陵考古队很早就采用了这样的模式,目前已为很多考古队采用。

文物保护相关外文书籍

国外的文物保护工作起步较早,融入大量自然科学手段,体系较为完善,对于文物的检测、修复、分析等方面都有很多专门的总结。

国内的文物保护工作起步较晚,六十年代开始有相关工作,主要是解决现存的技术保护问题,科技设备短缺,成立于1995年的陕西省文物保护技术中心是当时设置较早、规模较大、门类较全的省级文物科技保护专业机构,96年获得了比较全套的分析检测设备,而河南博物院也得到了比较全的分析设备。在此之后,大概也就是在2000年前后,国内的文物保护实验分析工作才逐渐成体系的发展起来。国家博物馆较早的筹建了文物分析实验室,并且建立了一套文物科技分析体系。故宫博物院于2005年成立了古陶瓷研究中心,承担古陶瓷的分析检测研究工作。目前来看,基本各文物大省的博物馆、考古所,都配置有较为齐全的文物分析人员和设备。目前我国的文物分析设备水平,甚至超越了欧美国家的水平。

今天的主题是文物分析,主要分为成分分析和形貌分析两个大类介绍,依次介绍主流的技术手段以及相关的应用案例(部分案例来自同行)。最后重点介绍一下课题组近些年从事的文物保护项目。

一、成分分析

成分分析用于测定文物的元素含量以及化学组成,具体手段很多,如X射线荧光分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、红外光谱分析(IR)、拉曼光谱分析(RS)、离子色谱(IC)、气相色谱质谱联用仪(GCMS)等。XRF是最常用的元素成分分析仪器,原理是通过检测X射线照射样品后激发出的特征X射线(X光荧光)的位置和强度测定元素成分。XRD、IR和RS是常用的物质结构分析仪器。XRD依据X射线在通过晶体后,形成的衍射线在空间分布的方位和强度,推定晶体结构,目前比较成熟的手段是多晶衍射-衍射仪法。IR依据某一分子特定的红外吸收光谱,将不同波长的红外射线照射到物质的分子上,某些特定波长的红外射线会被吸收。RS依据激光照射物质后产生的拉曼散射光的频率和强度推定物质结构。此外,离子色谱法(IC)是以低交换容量的离子交换树脂为固定相对离子性物质进行分离, 用电导检测器连续检测流出物电导变化的一种色谱方法。气相色谱质谱联用仪(GCMS)利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离,通过离子源电离试样生成不同荷质比的离子,再通过电场磁场的分离聚焦而得到质谱图,推定化学组成。

针对考古样品的特殊性,很多精密的台式仪器都可选配大样品舱适应考古样品的尺寸要求。同时简便、原位、无损的各类便携式成分分析仪器也日渐普及开来,适应大规模的野外检测需求。

XRF分析案例

分析纸张化学成分;出土文物现场检测

XRD分析案例

油画颜料(测定颜料晶体);铜器鉴定(基体以氧化亚铜为主,为赝品)

IR分析案例

延庆壁画红色颜料;居延纺织物材质

铜器表面白铅矿;银胎贴金箔器

离子色谱测定土壤含盐量;GCMS测定有机胶结物

二、微观结构观察

第二部分是考古样品的微观结构观察。肉眼毕竟只能观察到较为宏观的特征,更微观的表面信息还得借助显微镜才能获取。考古样品大都保存状况较差,覆盖有腐蚀层,很有必要借助一些专业的仪器设备,观察内部的结构特征。常用的仪器包括普通显微镜,视频显微镜,金相显微镜,矿相显微镜,扫描电镜等。

普通显微镜景深小,只适用于观察平面样品,比如观察瓷釉表面的气泡和裂缝的分布情况。视频显微镜可以将显微镜看到的实物图像通过数模转换,使其成像在显微镜自带的屏幕上或计算机上。视频显微镜具有景深叠加功能、通过三维合成,对于各类不平整的考古样品都有很好的观察效果。

金相显微镜是专门用来观察金属显微组织、低倍组织和断口组织的仪器。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒(亦包括可能存在的亚晶)、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷(例如位错)的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。对于古代青铜器来说,合金配比和加工工艺是决定金相显微组织特征的主要因素。

矿相显微镜是依据矿石薄片的偏光特性,推定矿石物相的仪器,近些年来广泛运用于古代玉器、陶器、石器的物相分析中。通过矿相观察,可以直接得出样品的矿物组成、粒度尺寸、磨圆度等信息。除了这些反映加工工艺方面的信息外,更重要的是,结合地质调查,依据考古样品和地质样品矿物组成、羼和料的异同甚至可以对推定古代玉器、陶器、石器的产地。

金相;岩相

  扫描电镜应用前景广阔,可以清晰的呈现文物样品微观尺度的特征,并结合配备的能谱仪进行微区成分测定。骨柄石刃刀是一种新石器时代的狩猎采集经济工具,骨柄石刃刀的石刃和骨柄的连接方式目前研究较少,一般是认为通过镶嵌连接。对于上宅遗址出土的骨柄石刃刀进行了环境扫描电镜的观察和能谱分析,结果表明其石刃背缘部位覆盖有少量胶层。为了解该物质是否为早期胶结材料,再结合拉曼光谱分析和红外分析,明确该物质是类似于植物胶的胶结材料。因此可以确定古柄刀的连接应该是通过镶嵌和胶的辅助粘结而成。胶中还含有均匀分布的少许钡盐、锌盐等,其效用尚需要该遗址以及其它遗址材料的进一步支持。

上宅骨柄刀

蓝铜矿;纺织物;金层;大理石

  扫描电镜的其他应用案例如下。炳灵寺171大佛上获取的蓝色颜料的分析表明,颜料颗粒边缘尖锐,具有人工粉碎的特征。通过统计颜料颗粒的尺寸分布,还可以研究颜料的磨制工艺以及加工精细度。晋侯墓地车马器上的铜锈中观察到了纺织物纤维的痕迹,很可能是使用时遗留的麻或丝。赫章可乐出土的铜镜表明存在金层,其中观察到大量颗粒状组织,推测很可能是鎏金后汞液蒸发的痕迹。故宫武英殿大理石的观察表明,石料表面存在大量风化重结晶形成的物相,而缺乏胶结物连接,这是其酥粉的主要原因。

三、影像分析

第三部分是影像分析技术,常用的仪器包括红外相机,多光谱和高光谱仪,紫外线荧光仪,X射线探伤,X射线CT等。

红外相机利用红外成像技术,运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号,将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍,由此人们可以看到物体表面的温度分布状况。国外经常应用红外成像技术来检测油画及艺术品,以研究画家创作技法的演变及隐藏于覆盖层下的损坏、剥落或修复情况信息的获取。还可用于壁画保存状况的观察,当存在孔洞、不密实区、蜂窝等缺陷时,壁画表面与墙体的热导通性会改变,进而产生红外辐射异常,据此判断发生缺陷的区域。

红外成像

  多光谱图像可以直观反映物体窄波段的反射光谱特性。人眼和普通的彩色相机由于自身局限,容易产生同色异谱现象,而高光谱分辨率的图像能以灰度差异直观展现出不同物质的反射光谱差异。对于这幅油画作品的分析表明,除了肉眼能直接分辨的表层人物之外,在一定的最佳观察波长下,还可观察到下层存在的另外两个图层。

多光谱图像

此外还有X光探伤和X射线CT成像技术,用于检验金属样品结构的完整性,内部是否破坏(有裂纹、空洞),在锈层下是否有花纹或铭文等。

四、文物保护项目

讲座的最后,周老师重点介绍了他的课题组开展的一些文物保护项目。自博士阶段开始,周老师就和兵马俑博物馆合作,从事遗址的隔梁保护工作。博士后阶段继续进行相关的工作,在此基础上总结出版了专著《土遗址保护材料探索:非水分散体材料研制及土遗址加固研究》。之后还同敦煌石窟合作开展过“土遗址保护关键技术”的课题,获得了甘肃省人民政府科学技术奖二等奖。

通过的保护规划和方案有:

1.牛河梁遗址第一地点保护工程设计方案(2009-04-08通过)

2.牛河梁遗址保护展示方案(2011-04-29通过)

3.牛河梁遗址第十三、十六地点保护工程方案(2012-05-10通过)

4.少林寺塔林保护(一期)勘察设计方案2012-06-18(通过)

5.天马-曲村遗址晋侯墓地车马坑本体保护方案(2012-09-20通过)

6.北京琉璃河商周车马坑遗址保护方案(2012-04-02通过)

7.普佑寺石质文物抢救性保护修复方案(2013-06-19通过)

8.亚沟石刻本体保护方案(2013-11-06通过)

9.临淄齐国古城遗址本体保护方案(2014年10月通过)

10.临淄后李春秋车马坑本体保护方案(2015年3月通过)

11.临淄东周殉马坑本体保护方案(2015年3月通过)

12.景德镇御窑南麓、北麓遗址本体保护方案 (2015年3月通过)

通辽哈民忙哈遗址的应用

哈民忙哈遗址位于通辽市北部,介于西辽河及其支流新开河之间,地处西辽河平原东部、科尔沁沙地腹地。哈民忙哈遗址是迄今为止在内蒙古乃至东北地区发现面积最大的一处大型史前聚落遗址。出土了大量珍贵遗物近千件。特别重要的是在7座房屋遗迹中发现了完整的房屋顶部木质结构,完整再现了新石器时代半地穴式房屋的构筑框架,这在全国来讲尚属首次。另外在几座房址当中还发现凌乱堆弃的大量人骨遗骸,有一座房址内多达97具,反映了当时部落战争的真实场景。

出于对遗址保护和展示的目的,当地政府推动开展抢救性的文物保护工作,对一些重要的遗迹现象和遗物进行保护加固处理。遗址现场的砂土质地特别细,内部还含有很多炭灰,强度非常低。在清理完表层的灰尘后,需要使用前述研发的土遗址加固材料进行渗透加固。一个房址大概要渗厘米,才能达到比较好的加固效果。骨骼的保存状况更加糟糕,碎的特别厉害,很多起翘断裂。骨骼加固之前,需要先清洗掉表面的灰尘,然后拿酒精擦拭,之后挑选保存较好的骨骼进行粘接拼合。有很多无法拼合的碎骨,将其粘附在土壤中进行原位展示,之后再做化学加固。

哈民忙哈遗址房址及骨骼修复

  晋候墓地车马坑遗址的应用

  晋侯墓地车马坑原本的保存状况都不好。车坑发掘完之后,还有一些青铜器没有提取,包括铜器、装甲、彩绘都留有一部分以供展示。车坑上落了很多灰尘,局部存在开裂垮塌现象。马坑保存状况更差,灰尘积累严重,马骨尤其是肋骨部位几乎全部脱落,大部分肋骨糟朽严重。在进行针对性的保护加固之前,首先使用清洗溶剂对车马坑进行除尘处理,清洗完之后粘接拼合断裂的部位,修补缺失的部位。车坑清洗完后的效果不是特别明显,马坑的效果比较明显。马骨的清理遇到了前面同样的问题,由于马骨数目多,糟朽严重,很难确定落脚点开展工作。依旧先使用试剂除尘,之后把马骨头用酒精擦拭一遍。然后对骨骼下面的土壤进行加固,待固化之后,再把马骨贴回去。

  

晋侯墓地车马坑修复前后对比

  

  

  新加坡九龙壁的保护研究

  新加坡现存有一套九龙壁,是上世纪五十年代在北京门头沟定制,经香港转运到新加坡的。这套琉璃构件的保存状况不佳,病害调查表明釉面存在风化剥落的情况,很多区域可见细微的裂缝。这是室外不可移动文物常见的病害现象,尤其是像北京的大理石刻,其实都应该做化学防水,要么做保护房,不然时间久了,损害十分明显。修复时应当先清理掉可溶盐,再清洗掉难溶盐,然后进行化学防水处理。防水处理的步骤如下,使用1%1的F8261溶液对琉璃部分进行喷洒,雾化喷洒,共进行三遍。然后使用5%浓度的甲基硅油进行喷洒,进行3遍。塑料膜封护1周,待溶剂挥发干燥即可。

清洗可溶盐;清洗难溶盐;防水处理

本文已经周双林老师审核

撰稿:马仁杰

摄影:马仁杰

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