考古現(xiàn)場發(fā)掘重設無氧或低氧模擬方案設計

郭姜++董瑞瑞++孫華蓉++于永平

[摘要]本文主要通過模擬實驗以及案例分析，介紹氧氣對紙質(zhì)文物和青銅錢幣兩類文物的影響。并通過查找資料，簡述國內(nèi)外運用的一些創(chuàng)造無氧或低氧環(huán)境的技術(shù)手段，以期對減少氧氣對文物的不利影響有所幫助。

[關(guān)鍵詞]考古發(fā)掘；文物保護；模擬方案

本文為西北民族大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目成果，項目編號：201610742022。

隨著近年來，每年都有重要的考古發(fā)現(xiàn)展示在世人面前，為考古學、歷史學等相關(guān)學科的研究不斷補充新的內(nèi)容。眾所周知，人類在歷史進程中創(chuàng)造的這些遺存，不少已毀滅消失，保存下來的僅是一小部分，有的還埋在地下未被發(fā)掘，有的已經(jīng)因為人為破壞不得不發(fā)掘。但發(fā)掘出土的文物在出土瞬間因溫濕度等環(huán)境的改變，腐朽速度加快，從而不易于文物信息的收集。

一、選題目的意義及范圍

本選題通過模擬實驗，探討氧氣對出土文物的不利影響，分析減少文物在出土前后受到的不利影響的方法，從而使文物能夠更好的發(fā)揮其價值。在選題研究的范圍上，根據(jù)材質(zhì)分類，本實驗選紙質(zhì)文物與青銅錢幣作為實驗材料。因為它們具有便宜易得、操作簡單等優(yōu)點。此次模擬實驗的主要目的是為案例的研究提供實驗基礎。

二、氧對文物的間接危害

當文物埋藏在地下密閉的土壤環(huán)境時，土壤團粒之間擠壓密實，不存在能夠傳輸氧氣的通道，文物基本處于無氧或低氧狀態(tài)，因此腐蝕反應會得到極大的延緩。隨著文物出土發(fā)掘，接觸到大氣環(huán)境，在沒有任何保護的條件下，大氣中的氧氣和水分直接接觸文物表面，促使一系列腐蝕反應發(fā)生，導致文物出現(xiàn)腐蝕等病害。1氧氣還可充當催化劑，加快Cl-、SO42-等離子對青銅器及鐵質(zhì)等文物腐蝕反應的速度。另外，氧氣也會在光的作用下影響紙質(zhì)文物。紙質(zhì)文物的纖維素、半纖維素與木質(zhì)素在光氧化反應的作用下會發(fā)生斷裂，紙張的色度也會受到影響。2

（一）氧對青銅錢幣的危害

常溫干燥環(huán)境下，青銅錢幣中的銅不與氧氣發(fā)生反應，但在潮濕環(huán)境下，尤其是在有Cl-離子存在時，銅的氧化銹蝕速度極快，會在青銅錢幣上形成層狀結(jié)構(gòu)的銹蝕。當繼續(xù)處在潮濕的環(huán)境下，水將鉆入到銹層內(nèi)部后反應生成鹽酸。若接觸到銅的本體時，在氧的作用下又發(fā)生化學反應，使表面銅體進一步受到腐蝕，形成新的氯化亞銅。經(jīng)過上述反應，銅逐漸經(jīng)過CuCl階段而轉(zhuǎn)化為Cu2O，繼而生成堿式碳酸銅。青銅錢幣上一般會有年號或花紋等，若經(jīng)過上述的反應，便失去其歷史、藝術(shù)價值。3

（二）氧對紙質(zhì)文物的危害

古代紙質(zhì)文物的原材料一般都是植物纖維，而植物纖維的細胞壁主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。這三種主要成分都易水解，從而破壞紙張結(jié)構(gòu)，同時強度也會受到影響，使紙張變脆。另外，木質(zhì)素易氧化，尤其是在光的照射下，氧化更快。木質(zhì)素氧化后變脆是紙張發(fā)黃變脆的主要因素。所以說，常溫干燥環(huán)境下，紙質(zhì)文物受氧氣的影響不大，但當紙質(zhì)文物處于潮濕、含酸且有光的環(huán)境下，紙質(zhì)文物受到侵蝕的速度更快。

三、模擬實驗設計

文物一般常年埋藏在地下，已達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在發(fā)掘的過程中，一旦暴露在另一個環(huán)境中，打破了原來所處的平衡環(huán)境，文物很快受到二次嚴重傷害，尤其是金屬類文物和有機質(zhì)文物。在本研究中，除了查詢資料外，還采取了模擬實驗。主要是針對文物臨時儲存環(huán)境做了簡單的實驗。在這個實驗設計中，利用控制變量法來達到實驗效果。主要的變量是有氧和無氧氛圍，其他的條件只是輔助作用。

（一）實驗方法

實驗原料：在現(xiàn)有的實驗條件下，此次模擬考古發(fā)掘現(xiàn)場的實驗選取青銅錢幣、報紙、宣紙和A4紙作為實驗材料。

實驗設備：MIT紙張耐折度測定儀；CM-700d分光測色計，日本柯尼卡美能達。

1.青銅錢幣腐蝕模擬實驗

實驗一：制作常溫、高濕、含氯、酸性條件、氧化氣氛環(huán)境。在干凈的玻璃干燥器的底部先后放入盛有過氧化氫溶液、碳酸氫鈉溶液、鹽酸溶液、燒開的蒸餾水的四個小坩堝。再用滴管滴幾滴碳酸氫鈉溶液于過氧化氫溶液的小坩堝，在裝有碳酸氫鈉溶液的小坩堝中滴幾滴鹽酸溶液。蓋緊干燥器蓋，置于室內(nèi)自然環(huán)境中，并在玻璃干燥器外做好標簽。觀察兩周，拍照記錄。

實驗二：制作常溫、高濕、含氯、酸性條件、無氧氣氛環(huán)境。在實驗一基礎上少加一個盛有過氧化氫的小坩堝。

2.紙質(zhì)文物腐蝕模擬實驗4

實驗三：制作常溫、高濕、酸性條件、氧化氣氛環(huán)境。在干凈的玻璃干燥器的底部先后放入過氧化氫溶液、鹽酸溶液與燒開的蒸餾水的三個小坩堝，再用滴管滴幾滴碳酸氫鈉溶液于過氧化氫的小坩堝，蓋緊干燥器蓋，置于室內(nèi)自然環(huán)境中，并在玻璃干燥器外做好標簽。觀察一周后取出，晾干。測量數(shù)據(jù)。

實驗四：制作常溫、高濕、酸性條件、無氧氣氛環(huán)境再實驗一基礎上少加一個盛有過氧化氫的小坩堝。

（二）實驗結(jié)果與分析

1.實驗前后青銅錢幣與結(jié)果分析

（1）實驗前

通過上述圖片可以看出，在有氧環(huán)境下，青銅錢幣的腐蝕面積較實驗前和無氧環(huán)境下的大，而在無氧環(huán)境下，基本和實驗前時的錢幣相似，沒多大的變化。

2實驗前后紙張性能檢測與結(jié)果分析

（1）紙張色度檢測

紙張纖維的變化會表現(xiàn)在紙張的顏色上，因此可以通過紙張顏色的變化分析紙張性能的影響。顏色可以用L、a、b來表示。其中，L表示明度，a、b表示顏色，a表示紅綠，b表示黃藍，△E為NBS色差單位。通過測出各材料的L、a、b值來分析紙張性能的變化。

經(jīng)色度檢測可以看出無論是在實驗前還是試驗后這三種紙的明度都較高；就顏色的黃藍而言，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過有氧氛圍后A4紙的偏藍程度減弱，報紙由原來的偏藍逐漸偏黃，宣紙的偏黃程度增加；無氧或低氧氛圍數(shù)據(jù)顯示這三種紙與實驗前的黃藍程度大致相同。從NBS單位的感覺值來看，實驗三中的色差感覺值基本都為可覺察，而實驗四的色差感覺值基本為輕微，表明氧氣的含量對紙質(zhì)文物有一定的影響。

（1）紙張耐折度測定6

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出不同的紙質(zhì)在相同作用力下，耐折度不同；相同的紙質(zhì)在不同氧氣含量的環(huán)境下保存一段時間后，在相同的作用力下，耐折度也不同。而考慮到折疊次數(shù)小于10或大于10000時，數(shù)據(jù)的準確性會降低，故分別挑選一種適合這三種紙的作用力，以便更好的測量與分析。通過對不同紙張與相同紙張的比較，試驗后紙張的耐折度均有不同程度地降低，表明氧氣含量會影響紙質(zhì)文物的機械性能。

（三）小結(jié)

據(jù)上述的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)證明，有氧和無氧的氛圍對文物的影響不一樣。因此，在考古發(fā)掘時，臨時環(huán)境的制作是非常有必要的。在制作的過程中，需要仔細的勘測所處遺跡的環(huán)境，盡可能做到相似，尤其是影響文物的因素。最重要的是臨時環(huán)境的密閉性。

四、案例研究

在我國博物館等相關(guān)機構(gòu)中，文物低氧或無氧保存運用的相對廣泛，例如北京房山云居寺“石經(jīng)回藏”就是運用氮氣庫技術(shù)實施低氧環(huán)境來保護石經(jīng)的。當然，還有一些案例是使用除氧劑或其他有關(guān)化學試劑來控制氧氣含量，這為延長文物壽命提供有利的幫助。7

而在考古發(fā)掘現(xiàn)場，使用低氧或無氧技術(shù)的案例并不多，江西西漢海昏侯墓建立低氧工作倉可以說是國內(nèi)首例。它在考古發(fā)掘中運用了低壓氧倉文物保護設備等大量高新技術(shù)，即使用研制出的“移動式低氧氣體工作站”“低氧工作室”、“低氧儲藏柜”等高新技術(shù)，來制作出用于發(fā)掘現(xiàn)場文物臨時保護的低氧鏈系統(tǒng)及成套設備。8其中的低氧工作站的設計為本研究提供了實踐基礎。9

因此，在考古發(fā)掘現(xiàn)場，大面積的低氧處理可以參考?；韬钅拱l(fā)掘現(xiàn)場，而小面積的無氧、低氧處理可以制作一個小環(huán)境，根據(jù)不同的文物用物理或化學的方法制作出相應的小環(huán)境，關(guān)鍵是密封的處理。

五、結(jié)語

通過相關(guān)資料以及實驗可以看出，氧氣對于出土文物會產(chǎn)生影響，但是單一的氧氣因素對出土文物的影響不大。一般情況下，會與溫濕度、光、霉菌、空氣中的其他有害氣體等一起作用于文物，使文物因這些環(huán)境的變化而被破壞。就氧氣而言，氧的分子結(jié)構(gòu)決定了其化學活性較強，與其它元素結(jié)合時，氧原子和氧分子都可以作為形成化合物的基礎。因此，對文物材料，尤其是金屬文物和有機質(zhì)文物有較為顯著的氧化作用，從而引起文物材料微觀等結(jié)構(gòu)的變化。

因此，對于考古現(xiàn)場文物來說，在最短時間內(nèi)將剛出土的文物放置在缺氧環(huán)境中保存，即臨時環(huán)境的制作，能夠最大程度避免文物因所處環(huán)境驟變帶來的破壞。

[注釋]

18周華華：《低氧工作間在國內(nèi)考古工作中首次使用》，《中國文物報》，2015年11月20日第9版；郭宏、趙靜：《氧氣（O2）對文物材料的劣化作用》，《文物保護與考古科學》，2006年第4期，第55～59頁。

2王成興、王蕙貞、尹慧道：《文物保護技術(shù)》安徽大學出版社2005年版，第 頁；《文物保護技術(shù)》，文物出版社2009年版，第 頁。

3郭宏、周浩、祝鴻范、蔡蘭坤、王蕙貞、朱 虹、宋迪生：《文物保護環(huán)境概論》，科學出版社2001年版，第100～101頁；《鐵器文物脫鹽清洗溶液中硅酸鹽緩蝕性能的研究》，《文物保護與考古科學》，2002年第14期（增刊），第51～62頁； 《秦漢鐵器銹蝕機理探討及保護方法研究》，《文物保護與考古科學》，2003年第1期，第7～11頁。

4實驗三和實驗四實驗前的數(shù)據(jù)一樣，且在實驗操作時，實驗三和實驗四的材料需一一對應，以便試驗后數(shù)據(jù)的分析。

5黃敏：《紙張白度的測定及色差的控制方法》，《中小企業(yè)科技》，2002年第11期，第21～22頁。

6本實驗每一種紙做五組實驗，求出平均值，減少偶然誤差。

7陳菲：《低氧技術(shù)在檔案有害生物控制領(lǐng)域的應用》，《檔案事業(yè)改革與創(chuàng)新——2013年全國青年檔案工作者研討會論文集》，2013年；