文化财产科学分析

对金属、玻璃、陶器和颜料等多种材质的文化遗产成分及细微组织实施分析,推测制作初期的原料成分、制作技法及产地。还应用生物科学(Bio Technology)领域中的分子生物学技术,正在对出土的人骨及动物骨骼的DNA、古生物遗体的稳定同位素以及出土的有机样本实施科学分析研究。



古代金属文物的材质分析及冶金技术研究

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对金属文物实施科学分析,调查其成分、细微组织及硬度,可推测制作技法及产地。

分析过程

金属文物的分析过程

image 1. 用环氧树脂制作组织观察所需的试片。
image 2. 用显微镜将试片的表面研磨为硬面。
image 3. 用分析显微镜观察其细微组织。
image 4. 用荧火X射线分析机分析其成份。
image 5. 用细微硬度分析仪器测定各部分硬度。
image 6. 用X射线折射分析仪对结晶结构进行分析。

金铜文物:金铜镀金文物

金铜文物的材质分析,用图像分析编辑工具,对镀金层与内部组织进行观察,用荧X射线分析机,对各部分的成分实施分析。如下是对感恩寺遗址东三层石塔(国宝第112号)出土的舍利盒文物实施的遗物细部摄影结果。


舍利瓶盖子细部状态摄影

image 用幅度0.25毫米左右的金线以及0.3~0.5毫米的金粒进行 焊接,加以装饰。(总长1.3厘米)

舍利瓶盖钮细部状态扩大摄影

image 中心有7个金粒,其周边7处各用3个金粒加以装饰。(总长0.4厘米)

金粒使用技术的日常化

image 将0.3毫米大的金粒用作里面接合的基准点。

风铃整理状况

image 米粒大风铃整理状况在5毫米大的钟身,装饰了0.3毫米的金粒

金粒的内部组织状态

image 使用纯度98%的纯金

金粒焊接技术的奥秘

用焊接技术(加10%银的合金焊接)使0.3毫米大的小型金粒紧紧地相贴在一起。纯金、风铃(金94%)与加10%银的黄金焊接的熔融温度分别为1063℃、1055℃和1046℃。银的含量不同,熔融温度就不同。基于此,古代人实施了焊接。这证明,新罗匠人的冶金技术达到高峰。

image 将焊接面积最小化,可以说是神奇的焊接技术。→接合面长0.18毫米

青铜文物:铜锡文物

不同青铜器的组成分布

如下是三大类青铜文物的主要成分分布图。青铜勺子及用具类1不含有铅,以约550℃温度,进行了锻造和水淬火。主要用作生活用具中的餐具类。青铜用具类2及青铜剑添加了适当量的铅,提高了铸造性,便于制造。此类青铜用具类多数用作餐具与祭祀用具等。以青铜剑为例,添加了少量的锡与铅,略微提高了硬度和韧性。

image 青铜遗物平均造性表

青铜文物的细微组织

对青铜文物的成分与细微组织进行分析,会发现其制作方法,如铸造还是锻造。铸造品呈像树枝那样的枝晶结构(dendrite);以锻造品为例,由于热处理,呈整齐的晶粒结构。但是,虽然是铸造品,加热时间过长,枝晶结构就消失,变为晶粒。铅与铜、锡不太混合,大部分呈圆形,以凝固状态分散在枝晶间(偏析),其含量若10%以上则呈共沉积特征(α+δ)。


青铜勺子

image 青铜勺子
image 青铜勺子的细微组织(锻造品、200x)

武具类

image 青铜盒
image 细微组织(锻造品、200x)

青铜剑

image 青铜剑
image 青铜剑的细微组织(铸造品、200x)

高丽梵钟

高丽梵钟是1999年11月日本人高原日美子赠予我国的文物。它是属71CM,下口直径50CM的中型梵钟。如下表是捐赠梵钟及其他高丽梵钟的成分分析结果。

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铁器文物:用铁制作的文物

铁的性质由铁含碳(C)量所决定。碳含量为零——纯铁的熔点为1538℃。Fe-Fe3C状态图中的固体类型大约有4种包括:α铁素体(ferrite)、奥氏体(austenite)、渗碳体(cementite)和δ铁素体。以碳含量1%的铁为例,如果铁从液体状态L降温到1430℃就产生奥氏体γ的晶粒,再到1360℃变为γ。温度到810℃就产生渗碳体(Fe3C)的析出相后,其量日益增多。温度再到727℃,γ完全消失就产生α铁素体和渗碳体。但是,实际上,若碳含量为0.8%,就产生珠光体,在其上面析出渗碳体。珠光体是α铁素体与渗碳体(Fe3C)重叠而成的析出物。尤其,若碳含量为4.3%,不会产生晶粒,到1130℃就凝固。因此,这用来进行铸造。

image Fe-C 状态图实线:Fe-Fe3C状态图,点线:FeㆍㆍㆍC状态图

铁种

铁的碳含量越多,硬度就越增加,难以锻造。因此,铁种类的区分,就按照碳含量来进行。
1.锻铁(wrought iron):又称纯铁,其碳含量为0.1%以下。它非常软,能用手折弯。锻造处理后,会制成餐具之类,而其硬度太低,不适合用来制作刀和斧等利器。
2.钢铁(steel):碳含量为0.1~1.7%。其硬度和韧性大,锻造处理后,会制成各种物 品,予以广泛使用。在韩国国内,从铁器时代初期开始广泛使用。
3.铸铁(cast iron):也称为生铁。其碳含量为1.7~4.5%以上。硬度过高,不能锻造,只用铸造方法。在韩国铁器时代,用该方法制造了斧子等。


铁制文物的细微组织

铸造品

image 铁部
image 铁部的细微组织(200x)

锻造品

image 铁制凿子
image 铁制凿子的细微组织(200x)

查明陶器的制作技术及推断其产地

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陶器的科学分析是指对矿物成分构成、化学成份、烧制温度及细微构造进行观察,对制作技法进行研究,并根据采取地段的地质学特点,分析其微量元素,以推断出其产地。

分析过程

陶器分析过程

image 1. 将各窑址的陶器收集起来进行分类
image 2. 用蒸馏水对分类后的陶器表面进行清洗,以清除异物
image 3. 将分类的陶器磨成粉末
image 4. 用等离子体制导结合发光分析机,分析陶器的主要成分
image 5. 用中子放射式分析机分析陶器的微量成份
image 6. 用偏光显微镜对陶器中的矿物质进行调查

陶器科学分析

陶器分析目的

陶器是指,烤粘土而制的用具。按照粘土质量、制作方法和装饰,其质量和形态有很大变化。陶器反映出生活文化,在任何堆积环境,都不会发生腐蚀,维持良好的保存状态,作为考古文物,为考古学研究提供了基础资料。然而,现有陶器研究以形态分类和年表为主,只注重分析形态与纹样等外观因素。而近来,积极采用自然科学方法,把握住关于陶器的更多信息。陶器的科学分析,主要目的有二:第一,对制作方法与制作技术的研究;第二,推断产地。陶器制作技术,对矿物组成、化学组成、烧制温度以及结构角度上的组织进行分析,予以把握。此外,根据陶器原料采集地区的地质特性,对其微量元素进行分析,推断其产地。基于此,会表明古代交易及交流关系,以及生产地和消费地之间的政治、经济与文化关系,并会观察当时社会生产样式与阶层化问题。


陶器分析方法

粘土为陶器原料之一,含有Si、Fe、Al、Mg、Ca、Na等元素。将之含有的矿物种类及含量影响着粘土的性质。因此,粘土矿物及这些次要矿物种类、结构与相互关系研究,需要采用自然科学方法进行分析。陶器科学分析方法大约有矿物学分析、化学分析与热分析三种:矿物学分析方法主要使用偏光显微镜、扫描电子显微镜之类;化学分析方法主要用X射线折射分析、原子吸收分析、X射线荧火分析、中子激活探测分析与电感耦合等离子发射光谱分析等;热分析方法用示差热分析、热重量分析与热膨胀分析等,推断陶器的烧制温度。


用陶器的产地分类

陶器用粘土制成,粘土的采集集中在地质学角度上的一个地区——粘土层。该粘土是从地质学或地球化学角度看的产物,经过岩石的风化过程而产生。岩石即使遭到风化变为粘土,也具有岩石的化学特性。因此,粘土会反映出该地区地盘中岩石的化学特性。这表明,陶器粘土的化学特性反映出地区特性。粘土成分主要有Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等。在每个产地采集粘土后,进行成分分析,有不少含量分布范围相互重叠。按照产地对粘土进行分类是不太适合的。因此,陶器产地的推断,与主要成分相比,微量成分的分析效果还要大。而用微量成分含量对产地进行分类,哪个元素最为有效,无法作出先验性判断。因此,需要对多数微量成分进行定量分析,并进行产地分类。尤其是,陶器呈非均质性,受添加剂影响,其微量成分的浓度发生变化。其解决方法之一是,对多数元素进行分析。多数元素中可用于产地推断的元素是,在算出平均数、标准偏差与变异系数(标准偏差/平均数×100%)时,样本间平均差大、变异系数小的元素。


庆尚南道陶器陶窑址的产地分类

用统计分析对庆尚南道5处陶器陶窑址实施产地分类,结果产生了4个分类组合。这表明,从地质学的角度看,这些陶窑址之间没有多大关系。

image 庆尚南道陶器陶窑址的统计分析结果

古代颜料的材料分析

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通过对古代颜料成份的分析,可以研究比较各朝代所用的颜料成份,同时通过对断面组织的观察,了解古代壁画的制作方法。

古代和现代的颜料比较

我国古代对颜料的使用缘自对高句丽古墓壁画的采色。当时,主要是使用从自然界采集到的矿物性无机颜料。目前,购入天然无机颜料已经相当困难,即使能买到,价值也非常高昂。因此,目前主要是使用采购容易、价格低廉的人工合成颜料来代替天然无机颜料。


对西三陵英祖王女胎土颜料的分析

对古代颜料的材质分析是通过使用荧光X射线分析机,对各种颜色进行精确分析后,再用细微部位X射线折射分析仪出各种颜色的矿物质。下面是西三陵英祖王女红色胎土的分析结果。

image 西三菱英祖王女胎土
image 用细微部位荧光分析机对胎土的红色颜料的精确分析结果→主要成份:Ca, Pb,Hg
image 用细微部位X射线折射分析仪对胎土的红色颜料矿物分析结果→HgS(Cinnabar), CaCO3(CalCiTe), PbO(Lead monoxide)]

对凤停寺极乐殿壁画的断面摄影

用影像分析仪对壁画的断面进行观察,以研究壁画的制作工艺。

image 凤停寺极乐殿壁画内壁断面的照片(五倍焦距)→ 漆面(painT layer),基础底层(ground,黄土+白土层), 墙体(Supporhsh)
image 凤停寺极乐殿壁画内壁的断面放大照片(十倍焦距)→漆面(95-105um),基础底层(32-77um), 墙体(160-211um)

出土有机样本的科学分析

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其目的在于,在考古遗址出土的有机样本中,提取微生物及花粉等古生物与有机成份,进行科学分析,科学地解读古人的饮食习惯、疾病等生活文化。尤其是,人们一般认为,从厕所遗址出土的有机样本中,可以间接地确认与过去生命体新陈代谢有关的生活环境。从此类遗址中得到的生物种类与有机成份,为研究人类生活史提供宝贵的资料。据展望,具有大量古代信息的“有机质土壤分析”方法,为研究韩半岛乃至东北亚地区古代史能起到积极作用。

土壤的意义及其研究事例

1. 土壤学中土壤指的是什么?

土壤学中的土壤是,当地气候、动植物、母岩结构及组织、地形、年龄(时间)等土壤生成因素活动的产物,也是生成在地表的历史自然体。


2. 遗址中的堆积层指的是什么?

堆积层包含文物或遗址空间,还表示遗址的形成过程与当时的环境。这可以说是一种考古学资料,为了遗址的解读而必须观察的对象,要用各种分析方法(粘土矿物分析、粒度分析、pH值分析、有机质分析等),最大限度地提取当时的环境资料。

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堆积层内有无机物质提供的资料

1.复原当时环境的资料
2.与人类生活经济有关的资料
3.相对年代资料
4.人类行动方式、技术水平(食料的获取、加工及利用)与营养状况资料


韩国事例

新昌洞沼泽遗址的花粉及寄生虫卵分析
金原正子、金原正明(1997),国立光州博物馆,《光州新昌洞沼泽遗址Ⅰ》


日本事例

  • 通过分析土壤脂肪酸,表明遗迹特性。
    • 中野益男,1984,[残存脂肪分析的现状]《历史公论》第10卷第6号
  • 过分析黑曜石和陶器胎土中微量元素的构成比, 表明产地、生产地与消费地的关系,即交易、流通等。
    • 中野益男,1985,特刊[黑曜石研究的现状],《考古学期刊》第244号
  • 在8世纪土矿内堆积土壤中,检出了蛔虫等寄生虫卵。
    • 同时出土了大量被称为筹木(相当于现在的卫生纸)的木片,为厕所的考古学研究提供了很好的资料。
  • 金原正子、金原正明(1995)日本文化财科学会第12次大会研究发表要旨集
image 资料类型
image 资料类型
image 资料类型

西方的事例

  • 通过分析5β-stanols,进行厕所遗址及饮食生活研究
  • 通过分析碳稳定同位素,进行古代人的饮食生活研究
  • 通过分析氮稳定同位素,进行遗址用途及古代农耕史研究
  • 通过分析胆汁酸(Bile acids),进行粪便污染源种类与生活史研究
  • 通过分析生物分子(蛋白质、地质、饮食中的残留物质),进行古代生活活动倾向研究。

采到土壤试料需注意事项

采取试料

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采取试料时的注意事项

1.采集土壤试料时不能对周边文物进行损坏(建议和文物发掘专家共同进行)
2.采集时要戴乳胶手套(将污染减少到最小化)
3.采集时,可使用花铲和凿子(必须使用清洗过的工具)
4.最少要采集五处(从文物表面的高度、宽度及色彩考虑)
5.将表面土除去5CM后进行采集(以防采到被污染的土壤)
6.周围的对照土壤也要采集(至少五处)
7.建议容器可选用玻璃瓶或铝箔(在现场也可以用塑料袋)
8.在容器上要贴好土壤试料采集记录(包括发掘地点、位置、时间、采集者姓名等)
9.试料要在低温、阴凉处保管(阴凉的储藏库或4摄氏度冷藏)

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遗址发掘土壤模拟图

image 要采集周围的至少5处对照土壤,将之写在纸上。

※遗址发掘土壤调查观察记录事项

发掘地、发掘日期、负责人员、海拔高度(海水距离)、土地用途(现在状态,如耕地、田地等)、气候、土性及土层的区分(黏性、颜色、粒子厚度等)、土层厚度(发掘地土层的基础资料)、干燥状态(干燥、多湿)、岩石的有无及种类(花岗岩、砂岩、大理岩等大致的岩石种类)、谷物的有无及种类、骨片的有无及种类(鱼骨、人骨等大致内容)、植物体的有无及种类(稻草等大致内容)

土壤分析研究及预期效果

古代土壤的基础特性研究

-无机物含量、有机物含量等土性研究
-居住在古代遗址的人类饮食生活及居住文化研究


遗址遗迹的特性研究

-通过分析脂肪酸(TLC、GC/MS等),表明土壤成分的定量及定性
-古代厕所遗址、家畜饲养等遗迹的各种用途。


古代人类的疾病研究

-对微生物、寄生虫等进行形态学和分子生物学研究
-通过分析土壤污染情况,表明居住在古代遗址的人类疾病等生活史。


遗址周边的古环境研究

-对花粉、树叶、植根等进行形态学研究
-表明遗址周边古环境及古植被特性


古生物特性研究

-对土壤内残存古生物进行遗传学、分子生物学研究。
-对古生物进行形态分类以及遗传学分析,进行种的分类。
-与现存生物做基因比较,建立韩半岛古生物数据库。

王宫里遗址土壤分析报告

1. 分析目的

通过分析遗址土壤中的古生物及有机成分,对古代土壤进行科学研究,如古代人类的饮食生活史、古环境、疾病的有无、古生物的种类区分与基因研究等。


2. 分析对象

全罗北道益山市王宫里遗址(史迹第408号)
西北侧地区大型竖穴遗迹内部土壤5地点(发掘机构:扶余文化财产研究所)


3. 分析期间

2004年6月~2004年11月(6个月)


4. 负责部门

国立文化财产研究所保存科学研究室


5. 分析过程

2003年11月,扶余文化财产研究所对益山王宫里有机土壤进行了发掘(Fig. 1)
-长10.5m、宽1.7m、深3.6m的大型竖穴遗迹

2004年3月,扶余文化财产研究所确保了出土土壤样本(Fig. 2)
-按照不同深度和颜色,确保了5个地点(A、B、C、D、E)的土壤样本(Table 1): A(240~250cm)、B(280cm)、C(326cm)、D(350cm)E(360cm)
-将土壤样本放在实验室内冰箱,保持4℃以下温度。

粒状特性(Texture,Soil Class)及土色(Soil Color)分析
-跟粒状特征土壤鉴定区分法(郭宗吉,1995)做比较,表明土性。
-用孟塞尔色彩图表(Munsell Color Chart)区分土壤颜色。

总有机物含量(Total Organic Compound Content)分析
-用灼烧减量法(Loss On Ignition,LOI;Carter,1993),进行有机物含量分析。
-用高热干燥炉(Furnace Type 47900,USA),在灼烧温度550℃上,进行1个半小时的减量。

pH测定
-用土壤pH测定方法(赵成真等,2002),将土壤样本与蒸馏水以1:5的比率混合后进行 测定。
-用pH计(Hanna Madel Hi9024C, USA)校正为pH值4.01和7.01。

寄生虫卵检测
-用0.5% Sodium Phosphate Tribasic 40ml,实施寄生虫卵漂浮法检验。
-用偏光显微镜(Zeiss Axioplan2 Polarize Microscope,Germany),实施寄生虫卵检测。

image Fig.1. 益山市王宫里遗址全景箭头为采取有机土壤的竖穴遗构
image Fig.2. 竖穴遗构土层断面及采样位置
image Table1. 每层位的土壤标本现状

6. 分析结果

粒状特性及土壤色彩分析
-用色彩会对土层之间的界线进行区分(Fig. 2):呈不规则平结构
-总体上,各层面上的土壤,可推测为暗黑色的腐殖粘土:A样本为暗黑褐色腐殖粘土、B样本为暗灰色腐殖粘土、C样本为黑色腐殖粘土、 D样本为黑灰色腐殖粘土、E样本为暗灰色微砂质粘土(Table 1)。
-尤其是,在A样本土壤的有机物中,检测出了大量的种子和谷物之类。(Fig. 3)

总有机物含量分析
- 用灼烧减量法(LOI),进行土壤样本有机物分析:
据分析,土壤样本A、B、C、D、E的有机物含量分别为22.124%、7.670%、6.909%、 8.086%和8.295%(Table 2、Fig. 4)
-尤其是,A土壤样本的有机物含量(22.124%)高于一般土壤,可推测为腐殖土(humus)。(Table 3)

pH测定
- 据测定,益山王宫里土壤样本均为酸性土壤(Acidic soil):
据分析,土壤样本A、B、C、D、E的pH值分别为2.86、5.95、4.77、3.67、4.18。
- 结果显示,A、D、E样本为极酸性土壤(Extremely acid),B样本为中酸性土壤(Medium acid),C样本为极强酸性土壤(Very strongly acid)。(Table 4)

寄生虫卵检测
- 在每个土壤样本A、B、C、D、E层中均检出了鞭虫(Trichuris trichiura)虫卵。(Fig. 5)

image Table4 益山王宫里竖穴遗构土壤的Ph值
image Table3 益山王宫里竖穴遗构土壤的腐蚀含量
image Table2 运用LOI测试的有机总量测定
image Fig5 在益山王宫里遗址竖穴遗构观测的人体寄生虫鞭虫的虫卵
image Fig4 有机总含量的测定图表
image Fig3 益山市王宫里遗址A标本土壤内的种子

7. 摘要与考察

总体上,各层土壤均为黑色腐殖粘土:
A样本为暗黑褐色腐殖粘土、B样本为暗灰色腐殖粘土、C样本为黑色腐殖粘土、
D样本为黑灰色腐殖粘土、E样本为暗灰色微砂质粘土。

灼烧减量法(LOI)分析结果显示,A样本的有机物含量为22.124%,可推测为腐殖土(humus)。

据分析,益山王宫里土壤样本为酸性土壤(acidic soil)。
-这种土壤特性是,土壤内有机物经过长时间的腐蚀而形成的,证明竖穴遗迹内存在大量 有机物。今后要用有机物分析仪(GC/MS)和红外线分光分析仪(FT-IR)等高科技仪 器,对有机物进行定性、定量分析,确认其特性。

在寄生虫卵检测中,均检出了鞭虫(Trichuris trichiura)虫卵。
-鞭虫为人体器官内的寄生虫。据推测,当时人被鞭虫感染后,通过排便予以排出。 将要通过分子生物学分析方法,绘制鞭虫的基因信息及生物学系统图。


8. 今后计划

对于全罗北道益山王宫里遗址出土的古代土壤,制订第2次有机质分析试验计划。
-2005年1月~2005年11月

提取并精制土壤内全部地质。
-用超声波提取法(Ultrasonic extraction)和薄层层析(TLC,Thin-Layer Chromatography),提取并精制土壤地质。
-用TLC对地质进行分离提取。

用有机质分析仪,对古代土壤内有机物成分进行定量•定性分析
-第1:对Coprostanol进行定性分析,表明遗址用途;
-第2:对Coprostanol/5β-Stanols进行定量分析,表明属于食草动物还是杂食动物;
-第3:对Bile acids进行定性•定量分析,区分杂食动物种系;
-表明古代人的饮食生活与生活文化。

确保古代遗址土壤的生物化学研究资料
-确保多处遗址及若干年代土壤的生物化学研究资料。
-为了复原韩半岛地区的各种环境与古代饮食生活,建立相关数据库。


Reference

郭宗吉,1995,[关于冲积地遗址土壤的检测•记载•分析方法],
《古文化》第47期第3~26页
赵盛镇、严大益等8人,2002,《四订土壤学》,乡文社

古生物遗体稳定同位素分析

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按照人或动物摄取的不同食料种类,生成于骨骼的胶原蛋白(bone collagen)、碳酸盐(bone apatite carbonate)、角蛋白(hair keratin)等组织存在着其特有的稳定同位素信息,即使时间推移,其比例也不会改变。其中,从骨骼胶原蛋白中提取的碳和氮稳定同位素信息,广泛用于古代饮食生活的研究。迄今为止,通过δ13C和δ15N分析可推测的饮食生活包括:C₃、C₄、CAM植物的摄取与否;动物性蛋白质的摄取量;陆上动物、海产鱼贝.

类和淡水鱼贝类的摄取与否;以及蛋白质质量及相对摄取量等。如果从古生物遗体中能提取生存时的稳定同位素信息,那么会表明当时的饮食生活(时代、地区、墓地制度、阶层、性别、年龄等)与营养状况等。

从人骨中提取胶原蛋白,对其稳定同位素进行分析

用另一种Longin方法(脱矿化、凝胶化、冻结干燥过程)来提取胶原蛋白 (van Klinken and Hedges,1998,Radiocarbon,第40页,第51-56页)。

image 从出土人骨中提取的胶原蛋白

对古生物一体稳定同位素组成比的分析,用装有CN元素分析仪的连续流程型稳定同位素比例质谱仪(continuous-flow stable isotope ratio mass spectrometer with elemental analyzer,Delta V,Thermo Fisher Scientific(Bremen))来进行。

image 稳定同位素比例质谱仪(IRMS)

碳(C)和氮(N)的稳定同位素比例(δ13C、δ15N)分别与同位素的标准样本(VPDB、AIR)做比较后,在分析最后阶段,算出各样本的C/N比例。

image 按照食物链看的碳和氮稳定同位素比例

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