金屬文物科研 中國在多方面處於世界領跑位置

中國各地的博物館大多匯集有各時期的當地金屬文物藏品，證明著中華文明璀璨的歷史。湖北省博物館館藏文物達24萬餘件（套）。曾侯乙編鐘和越王勾踐劍佔據了展館最為醒目的位置，每天吸引了最多的參觀者，是名副其實的“鎮館之寶”。本報記者 齊 欣攝

銅是人類最早認識和使用的金屬之一。到新石器時代晚期和夏代早期，中國已進入青銅時代，而到商周時期，青銅文化發展到鼎盛並逐步擴大影響範圍。這件西漢時期的提鏈青銅壺于1955年在廣西壯族自治區貴縣出土，具有漢式特點，反映了秦漢以來越漢兩族雜居，相互影響，逐漸融合的趨勢。（圖片來源：中國國家博物館網站）

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中國發現的最早青銅器

這是迄今為止中國發現的時代最早的一件青銅器，為單範鑄成，于1978年在甘肅東鄉林家出土。1981年，北京鋼鐵學院（現北京科技大學）冶金史專家檢驗出其金屬成分為銅錫混合物。（圖片來源：中國國家博物館網站）

　　潛偉（右二）研究團隊在研究金屬文物。魏 東攝

　　中國科技工作者研製的青銅文物成分分析標樣。

陶器、青銅器、鐵器、瓷器和玻璃等文物，不僅展示了中華文明的燦爛成就，也實證了中華文明起源與發展的歷史脈絡以及對世界文明的貢獻

——訪北京科技大學教授潛偉

近年來，中國科技考古領域發展迅速，其中對金屬文物價值認知的研究，已經在一些關鍵技術方面取得了重要進展。為此，本報記者（以下簡稱“問”）採訪了北京科技大學科技史與文化遺産研究院院長、國家重點研發計劃“可移動文物價值挖掘及關鍵技術（無機質類）”項目首席專家潛偉教授（以下簡稱“答”）。

金屬文物印證了人類文明發展歷程，採用科技手段進行價值認知是金屬文物科技研究的趨勢

問：金屬器具的使用，是人類社會進入到文明階段的重要標誌之一。中國歷史悠久、規模龐大的金屬文物有哪些特點？

答：金屬文物見證了人類文明的發展歷程，蘊含著豐富的價值與內涵。一個國家或民族的金屬文物，反映了其文明發展進程。中國的金屬文物也是如此。

比如，中國商周時期的青銅器使用了獨特的範鑄技術，以此形成獨特的藝術造型以及繁複精美的紋飾。這使得當時的青銅器具有明顯區別於其他地區的典型特徵。再比如，中國是鑄鐵技術的發明地，春秋戰國時期發明瞭液態生鐵的冶煉方法，生産出鑄鐵産品；通過後續的熱處理和脫碳技術，再得到各種鋼材，從而形成了獨有的生鐵和制鋼技術，而歐洲直到西元12、13世紀才開始出現生鐵冶煉技術。

冶銅、冶鐵技術並不是在中國最早出現，但是歷史上中國人在先進的高溫技術條件下，在鑄造技術方面取得了很大的發展，與西方擅長的鍛造技術有明顯的不同。可以説，中國金屬文物真實記錄並反映出中華文明形成和發展進程中技術的演變。

中國金屬文物科技研究重點，集中于材質分析檢測、工藝重建和産地溯源，以此探知歷史原貌及影響

問：目前，中國在金屬文物科研領域的重點是什麼？

答：目前來看，中國金屬文物科技的研究重點，集中于通過現代科技手段分析檢測金屬文物的材質和工藝，以及産地溯源，關注金屬文物的物料來源、生産工藝、組織方式和産品流通等問題，以及其對中華文明形成和發展的影響。

比如對二里頭青銅器的研究，從造型上可知，其與同時期的陶器器物類型相似，可以證明是中國本地生産的。通過成分分析可知其主要為銅錫合金，因此，現在還要關心其銅錫合金的合金化是如何實現的。通過對二里頭遺址發現的鑄造遺址研究可以探知，其往往是先從其他地區運來銅料，在此地鑄造並同時加入錫料進行合金化。

對三星堆青銅器的研究，通過顯微CT等技術對一號坑、二號坑的神樹進行研究，發現其鑄造工藝與中原青銅器是一致的，許多紋飾也可以在中原青銅器中找到相似的，説明其文化與中原地區的商代青銅文化是同根同源的，反映了中華文明多元一體的格局。當然，因為尚未發現青銅冶煉鑄造的遺址，其産地來源還待進一步的研究，特別是其高放射性成因鉛的來源問題，還未得到解決，鉛同位素比值方法可能會幫助尋找到礦産資源及冶煉地。

再比如鐵器，通過對早期鐵器的顯微組織和成分分析，發現有塊煉鐵和鑄鐵兩種工藝，特別是西元前6世紀以後，鑄鐵及鑄鐵制鋼的産品數量明顯偏多。

問：這些發現能夠説明什麼呢？

答：塊煉鐵不宜大規模生産，對農具和農業發展貢獻有限；而中國鑄鐵技術發明以後極大地改進了這點。現在通過材質檢測，可以證明中國鑄鐵比塊煉鐵的比例高，實證了鑄鐵與農業的關係。中原地區逐漸發展出來了鑄鐵的技術，能夠高效大量生産鐵兵器和鐵農具，這對中國農耕文明的穩定和發展起到了巨大的作用。

問：從全球的發展來看，對金屬文物的研究都通過哪些方式開展？

答：一般來講，使用現代科技手段分析檢測金屬文物的成分、組織結構是目前最常用的方式。

金屬文物科學研究方法通常是首先經過取樣制樣，進行金相研究也就是在顯微鏡下觀察研究其形貌特徵和組織結構，從而判斷加工工藝；再通過掃描電鏡能譜分析進行樣品和微區的成分分析，獲得整體和局部的成分結果；有的還用鐳射剝蝕電漿體質譜分析等手段獲得夾雜物或微觀相的更精確的成分數據。

進入21世紀以來，以材料表徵技術為代表的現代科技手段在金屬文物價值認知研究中的應用已趨於常態化。目前，國際上的主流研究模式是在大量獲取金屬文物分析檢測數據的基礎上，甄選並構建精確反映其原料、生産、流通與使用過程的特徵指標體系，揭示其製作技術起源、發展、演變規律及其與社會其他方面的相互關係。

問：現在對於金屬文物的研究，與原來相比有什麼不同，為什麼原來的方法“不夠用”？

答：金屬文物與其他金屬類檢測分析的目標並不完全相同。文物價值的多元屬性決定了其關鍵資訊和數據具有複雜性和多樣性，簡單移植通用的技術方法已難以滿足研究需要。

比如，金屬文物常帶有銹跡，掃描時難以躲避銹蝕的干擾，造成成分分析數據不準確。以前的分析檢測往往是取樣分析，對文物也會造成一定的破壞，期待開發出來更準確的無損分析方法。還有各實驗室因為儀器設備等不同，造成所得數據的可比性或者説可通約性比較差，影響了進一步的綜合研究。

此時，就需要做好一些基礎的工作，需要在成分分析的時候引入標準參考物質，也就是我們常説的標樣。國際上已經有了一些銅錫青銅標樣，但是對於中國青銅器常見的高錫青銅、高鉛青銅的現實情況，卻缺乏這個組分的可靠標樣。

另一個基礎性工作，就是需要統一金屬文物分析檢測方法以及多元資訊提取的標準，減少人為因素干擾造成的分析結果不準確的情況。比如，判別鐵器加工工藝時，以往通過金相觀察和掃描電鏡只可以簡單判別；但如果這個鐵器文物是經過反覆加工的，使用了較複雜的工藝，那傳統的方法就不夠用了，不能得到令人滿意的結果。

中國對金屬文物的科學研究方興未艾，在許多方面已經處在世界領跑位置

問：目前，金屬文物科技研究的水準到了哪個階段？

答：回顧金屬文物的研究歷史，大體也可以分成這麼幾個階段，早期的金屬文物的類型學研究，通過比較不同地區文物的外形特徵，可以進行文化的分區，可以看成是博物學傳統；接著是金屬文物研究的數理科學傳統，對金屬文物開展的各種物理化學的檢測分析，通過數理統計等方法，判斷金屬文物的材質、工藝、産地來源等；再接著是金屬文物研究的實驗傳統，可通過模擬實驗摸索製作工藝，實現工藝重建。

現在，對金屬文物的研究已經發展到了大數據時代。通過對金屬文物數據進行整理、清洗，形成有效的數據庫，進而建立中國古代材料基因庫，通過數據挖掘、人工智慧等，實現金屬文物價值的挖掘和活化利用。

問：中國對金屬文物的研究水準如何？

答：近年來，我國金屬文物價值認知研究方興未艾，已經取得了長足進步。突出表現在以現代科學技術為支撐、多學科交叉研究的範式已初步形成。目前，我國學者在國際主要期刊《考古計量學》和《考古科學雜誌》發表的關於金屬文物研究的論文數量居世界前列。北京科技大學還主辦了世界上第一份以古代材料研究為特色的國際學術期刊《古代材料研究進展》。中國的科學工作者也在著手準備成立國際材料科技文明史學會。可以説，我們在相關領域已經從跟跑、並跑，現在進入到領跑的發展階段。

研製出青銅文物標樣，提出古代鋼鐵材料中夾雜物分析輔助加工工藝判別的方法

問：在金屬文物領域的研究，中國科技工作者能為世界遺産作出什麼貢獻？

答：2020年啟動的國家重點研發計劃“可移動文物價值挖掘及關鍵技術（無機質類）”項目，包括金屬文物價值挖掘及關鍵技術的研究課題，目的就是針對上述金屬文物分析檢測中的一些關鍵問題開展攻關研究。目前這一項目已接近尾聲，取得了許多成果。

比如，在金屬文物的標準參考物質方面，中國科技工作者著重進行了青銅文物標樣的研製。由於青銅合金的成分偏析嚴重，製作達到符合要求的均勻性和準確性的標樣難度很大。目前，我們已經研製完成了新的4種標樣，主量元素錫含量分別為10%到25%，鉛含量從0%-5%，可彌補已有標樣的成分區間空白。

製備完成的青銅標樣，分別提交給國內的研究機構如中國社會科學院考古研究所、中國國家博物館、北京大學、中國科學院大學、陜西省考古研究院等機構的相關實驗室，採用不同的分析方法進行了測試。

問：“標樣”是不是極大提高了對青銅文物的研究判斷水準？

答：是的。我們將各個實驗室的測試分析數據進行匯總，再與標樣的參考值進行比較，從而驗證了各實驗室分析方法的精確度、準確度，也實現了實驗室之間這個數據的可再現性。用標樣校準分析儀器，是獲得準確分析結果的前提。本套標樣的推廣應用，可以滿足金屬文物科學分析對標樣的需求，能夠使研究者的分析數據更加具有公開性和可對比性，促進了數據的共用，也為青銅成分分析數據的有效積累與大數據研究奠定基礎。

問：在鐵器製作中會産生不同類型夾雜物，通過夾雜物的形貌、成分、組織和分佈等特徵，可推測其加工工藝，在鐵器文物研究方面，中國科技工作者取得了哪些進展？

答：對中國古代材料中獨特的灌鋼産品，研究了其灌鋼工藝中的夾雜物形成機理，利用鐳射高溫共聚焦掃描顯微技術原位分析灌鋼工藝的夾雜物行為，發現了樣品的生鐵層和熟鐵層呈現出來的不同形貌變化現象。

基於文物材料表徵和模擬實驗的結果，現在已經初步建立起古代鋼鐵冶金過程中夾雜物産生與生長的模型。比如分析出高磷、高鈣相夾雜可作為區別炒鋼産物的重要標誌之一。通過綜合這個領域的研究成果，中國的科技工作者提出了中國古代鑄鐵、韌性鑄鐵、鑄鐵脫碳退火鋼、熟鐵等鋼鐵製品夾雜物形貌、成分、主要類別、尺寸、分佈、數量等特徵，研究成果“一種古代鑄鐵與塊煉鐵製品的判別方法”還獲得了國家發明專利。

初步建立金屬文物多元資訊提取的方法體系，金屬文物標本庫和數據庫正在建設中

問：前面提到，作為金屬文物價值認知的基礎性框架，資訊採集的規範化、標準化和數據庫建設是非常重要的工作。目前這方面的工作進展如何？

答：為了能夠為後期的深入研究提供可靠、可比較的數據支撐，目前，中國的科技工作者已經初步建立了金屬文物多元資訊提取的方法體系，包括表面形貌的資訊採集、宏觀結構分析、資訊採集分析、樣品的取樣原則、樣品的材質分析方法、微觀結構分析、器物製作工藝的重建原則以及金屬材料産地溯源等。在開展金屬文物標本庫和數據庫的建設的同時，中國科技工作者制定了相應的規範標準。

目前，金屬文物科技標本庫和數據庫已經開始建設，已經歸納形成了標本庫與數據庫建設及共用的系列標準規範。為統一管理、數據保存和利用、資訊共用提供了重要的技術依據，同時也為金屬文物的技術研究及價值認知提供了支撐，形成金屬文物多元資訊共用的服務平臺，成為國家文物科技資源平臺的重要組成部分。

將來，通過標本庫資訊管理系統，可以實現標本在北京、上海、西安的異地存儲和統一管理並與數據庫形成關聯。

問：從全球範圍在這一領域的研究進展來看，您如何判斷中國科技工作者工作和成果的價值？

答：我們的工作還在進行中。最近的這些成果應該説是有積極意義的，前面舉例的幾項新進展都是彌補了世界上相關研究的空白。比如標準參考物質的研製方面，我們新研製的高錫青銅的樣品可以很好地覆蓋、彌補和滿足目前多種金屬文物分析所需。在鐵器夾雜物的分析方面，國外同行更多地是將其作為産地來源分析的一種手段，而我們進行鐵質文物加工工藝的判別，擴大了應用場景。

目前為止，世界上主要金屬文物成分分析數據庫，都是通過收集、整合已有數據，基於地理資訊技術，構建歐亞大陸古代金屬研究的數據庫，這基本上未産生新的分析數據。同時，這些數據庫中關於中國樣品的資訊比較少。基於中國金屬文物的標本庫和數據庫的建立，對金屬文物的材質成分、組織結構、製作工藝、材料性能和使用功能的關係進行綜合研究，是第一次實現數據驅動的金屬文物研究，這在方法論上也有著積極意義。

潛  偉：北京科技大學科技史與文化遺産研究院院長、教授，國家重點研發計劃“可移動文物價值挖掘及關鍵技術（無機質類）”項目首席專家，研究方向為冶金技術史、工業遺産、科技與社會。

延伸閱讀

金屬文物價值認知包括資訊提取和綜合闡釋兩個方面。前者重在文物的成分、結構、功能、工藝等關鍵資訊的系統獲取與科學表徵；後者則強調自然科學與人文社會科學的交叉融合，深入挖掘金屬文物的多元內在價值。實現上述目標，都需要諸多關鍵技術提供支撐。

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基於夾雜物分析的鐵質文物加工工藝判別方法，是鐵質文物科學價值認知的關鍵技術。中國科技工作者著重開展了炒鋼、灌鋼等工藝的研究。

炒鋼是一種在半熔融狀態下將生鐵炒煉成熟鐵的工藝，中國古代多數熟鐵製品是炒鋼而成；灌鋼是一種將生鐵和熟鐵合煉成高碳鋼的工藝，是中國古代製備高品質刀劍的常用方法。