廣州增城廟嶺出土四件先秦銅器的科學分析

呂良波

摘要：選取廣州增城廟嶺出土四件先秦銅器進行成分和金相分析。結果表明，這些銅器除鉦為錫青銅外，其他三件都是鉛錫青銅。較之同期中原及楚地出土的銅器，增城廟嶺銅器的技術特征顯示出滯后性，推測是嶺南地區(qū)本地的冶鑄產品。

關鍵詞：增城廟嶺；先秦；銅器；成分分析；金相分析

廣州增城境內流域面積超過100平方公里的水系有6條，其中增江是其境內主要水系，這為古代人類生產生活提供了良好的自然環(huán)境。自上世紀50年代以來，文物工作者在增江流域發(fā)現(xiàn)了金蘭寺貝丘遺址史前文化遺存.以及西瓜嶺窯址、浮扶嶺古墓群、墨依山古墓群等先秦遺址。這些遺址說明古人在增江流域繁衍生息、生產勞作，遺留了極為豐富的歷史文化資源。2006年6月底，增城博物館在增江西岸的廟嶺施工現(xiàn)場采集到四件保存幾近完整的銅器，為兩件甬鐘、一件鼎和一件鉦，并采集到部分陶片。經過考證四件銅器年代應該屬于春秋中期。由于現(xiàn)場被施工取土時破壞，無法判斷四件銅器出土于墓葬還是窖藏。增江流域出土保存如此完好的銅器，不僅對考古學和歷史學的研究具有重要意義，而且為研究增江流域先秦青銅技術及其嶺南地區(qū)青銅文化進程和發(fā)展，提供了非常寶貴的實物資料，特別是對嶺南先秦時期冶金史研究具有非常重要的意義。

2014年5月，受增城博物館的委托，廣州市文物考古研究院對四件銅器進行保護修復處理，在保護修復過程中，選取四件銅器的樣品進行金相和掃描電鏡檢測，以期初步還原其冶鑄技術、礦料產地等冶金史方面的信息。

一、樣品信息

本次共從四件銅器中取樣9個。在不破壞形體完整的取樣原則下，樣品均采自器物邊角部位和殘破部位。在滿足檢測分析需要的前提下，取樣盡可能小。大型器物按照不同部位進行取樣，以全面了解其鑄造工藝。器物名稱、器物編號、樣品編號、取樣具體部位以及樣品特征等相關信息見表一。

二、金相組織觀察和鑒定結果

樣品采用熱固樹脂包埋.依次進行預磨和拋光。對于所有樣品，不經浸蝕處理，先在金相顯微鏡下觀察夾雜物，然后采用濃度3%三氯化鐵酒精溶液浸蝕。在金相顯微鏡下觀察其組織形態(tài)。制樣設備：Simplimet 3000熱鑲嵌機、BULER Automet250手自動一體化磨拋機。觀察儀器：ZEISS ImageA2m型金相顯微鏡。金相組織鑒定結果見表二。

金相分析表明：四件銅器都是鑄造而成。兩件甬鐘（a+8）共析體呈網狀分布在a相晶界邊沿，未完全解除偏析，推測鑄造后經過退火加工。鉦呈現(xiàn)針狀β相和沿β晶粒邊界分布的a相，金相組織均勻化并出現(xiàn)較多滑移線，應當為受熱所致。并且另一個樣品中發(fā)現(xiàn)重結晶的a相上呈現(xiàn)鑄造枝晶痕跡，推測鉦也是鑄造后經過退火處理。鼎呈現(xiàn)等軸晶和少量孿晶，且a固溶體晶界和邊緣處滑移線痕跡。鼎的鉛基本主要以大的球狀、橢球狀分布，說明鼎含鉛都非常高。這些說明工匠對材料的退火等加工性能有了非常清楚的認識，但是組織不均勻。這些結果說明工匠對材料的退火等加工性能有較為清楚的認識。

金相組織還表明，四件銅器普遍存在較多夾雜物，較多鑄造縮孔的現(xiàn)象。夾雜物是指在合金的冶煉過程中形成的在組織中以獨立相存在的雜質.它與合金母體有明顯的分界面，性能差異較大。在金屬冷卻過程中，隨著溫度的降低，先凝固的夾雜物會為鉛等低熔點凝固形核時提供固態(tài)表面，故在含鉛的樣品中，夾雜物多有與鉛共生的現(xiàn)象。本次分析的銅器的夾雜物以硫化物夾雜為主，還有鐵、鋁、砷、氯等，呈小顆粒狀，多與鉛或（a+8）共析體共存，或存在晶粒界面上。砷和硫作為雜質元素可能來自銅礦，如黝砷銅礦、硫砷銅礦等。在古代，這些銅砷共生礦的冶煉產物為砷銅，并含有硫。砷和硫也可能來自鉛礦，冶煉得到的粗鉛中含硫和砷。銅對硫和砷的親和力比鉛對硫和砷的親和力大，當熔化粗鉛和銅配制合金時，砷、硫與銅結合，生成硫化銅以及銅砷化合物。組織中多有銅的硫化物和鐵的硫化物夾雜，隨銅礦帶入，鑄造器物可能采用了粗銅。一般青銅器的含鐵量在1%以下，主要以鐵硫化物夾雜形式存在。硫化物大多數(shù)為硫化銅，也含有硫化鐵，出現(xiàn)富鐵相和其他雜質元素形成的特殊相，出現(xiàn)縮孔和疏松，總之該批青銅器鑄造工藝較差。

三、掃描電鏡觀察和成分分析

為判定這四件銅器的合金成分，共取得9個樣品，其中體形較大的鼎取了3個樣品，其他每件器物分別取了2個樣品，利用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察，并采用掃描電鏡配置的X射線能譜儀（EDX）測定樣品成分，成分分析采用掃描電鏡能譜無標樣定量分析法進行。掃描電子顯微鏡系統(tǒng)為Phenom ProX飛納臺式掃描電鏡一能譜版，實驗條件高真空，測量時激發(fā)電壓為：15kV，放大倍數(shù)為400-3000。4件銅器基體樣品的SEM-EDX成分分析結果見表三，銅器內各物相微區(qū)及夾雜物的成分分析結果見表四。

成分分析結果表明：鉦為錫青銅，兩件甬鐘和鼎為鉛錫青銅。但需要說明的是，這幾件銅器合金成分不規(guī)律，主要是因樣品銹蝕的影響，測出的成分數(shù)據(jù)不能代表原始成分，為深入研究合金工藝水平帶來了困難。但可以明確的是，鼎存在嚴重的鉛偏析現(xiàn)象。原因在于鉛的比重比銅錫大，容易形成鑄造偏析，當合金全部凝固后，就出現(xiàn)鼎底部、足部聚集較多的鉛顆粒的偏析現(xiàn)象。而鼎足、底部鉛含量比口沿含量高，基本可以推斷鼎的澆口、冒口位置。鼎含鉛量高，也有可能因為銅錫的匱乏，鉛的大量加入，為了減少銅錫的使用量，從而降低成本。但鉛加入銅錫合金中，可以提高合金溶液的流動性，使填充鑄型的能力增強，對鑄件表面紋飾清晰度及尺寸精度有直接的影響。

對于鉛含量對樂器音質的影響，武漢機械工藝研究所的實驗表明，鉛加速聲振動的衰減，對基頻影響小，鉛含量過高時，音質變劣。根據(jù)含錫量與錫青銅機械性能的關系可知，含錫量在12～16%之間，具有較高的抗拉強度和一定的延伸率，含錫過高，將急劇變脆，延伸率和抗沖擊韌性趨向于零，對敲擊發(fā)聲的編鐘是不適宜的。又從聲頻譜分析和彈性模量測定，得知含錫量略高于14%時，音色較好。鉛在1.4～2.8%之間，對聲振動衰減的作用，差別不是很大。所以編鐘含錫量在14%左右，并含有少量的鉛時，其鑄造性能、機械性能、聲學性能等綜合性能是最好的①。三件樂器合金中，鉦與甬鐘材質不一樣。兩件甬鐘雖都是銅錫鉛合金，但鉛錫合金比例差異較大。鉦是錫青銅，因為鉦沒有枚，沒有加入鉛來提高其充盈率，以此來提高鉦的音質。兩件甬鐘和鼎的錫含量基本上處于5～15%的范圍，鉛含量都大于10%。可見甬鐘和鼎并不是具備最優(yōu)的硬度和抗拉強度。說明工匠對錫、鉛影響合金性能有一定的認識，但是不能精確的掌握銅、錫、鉛合金配比。

測試樣品中存在7處含有As夾雜物.含量0.8～2.3%之間，含量比較低，應與地區(qū)礦料有關。樣品2068-2面（a）點10共發(fā)現(xiàn)1處有Ag顆粒，含量19.1%，Ag顆粒均存在與晶界銹蝕中，微量元素Ag的存在可能與地域性銅料或者鉛料有關。在分析的樣品中，有部分點發(fā)現(xiàn)明顯的硫化物夾雜，如樣品2065-1點6、樣品2066-2點4、樣品2068-1（b）點9和2068-3（a）點4等。在這些樣品中，硫化物夾雜主要分布（a+8）共析體腐蝕產物中。

四、討論

1、與嶺南出土銅器分析結果的比較

嶺南地區(qū)出土先秦銅器不少，但是進行科學分析的不多，對相同類型的甬鐘、鉦樂器或鼎生活器具的科學分析更是鮮有報道。北京科技大學孫淑云對博羅橫嶺山墓地出土8件西周中晚期青銅器進行成分和金相分析，檢測結果表明2件甬鐘錫含量高，銅含量74～75%，錫含量12～19%，屬中等含量，存在錫的反偏析現(xiàn)象，鉛含量3～11%，屬低含量，銀含量0.6～1.2%。4件銅器含砷，但砷含量不高，其中2件是具有地區(qū)特征的工具銅斧。3件銅鏃成分和組織各異，其中1件為高錫二元青銅，1件含鉛較高，并存在鉛的偏析現(xiàn)象。其認為從成分和金相組織來看，博羅橫嶺山出土的銅器與同時期中原地區(qū)相比，不夠規(guī)范，具有特殊性，反映了當?shù)厣a的特點。其特點可能與地區(qū)性錫礦的豐富和多金屬共生礦的存在有關②。本次檢測的2065甬鐘與博羅橫嶺山的甬鐘金相幾乎相同，也應是存在嚴重的錫反偏析現(xiàn)象。

孫淑云同樣在對深圳大梅沙春秋晚或戰(zhàn)國早期遺址出土銅器進行技術研究.對出土和采集的銅器提取11個樣品進行成分和金相分析，樣品為工具和兵器，部分含砷和含鉍為較具特點。大梅沙矛形器中所含的鉍應來自地區(qū)性礦產資源。其認為大梅沙所出銅器的形制、成分及制作工藝既有內地文化的因素，又具有地方特色，可認為是吸取了內地青銅技術，在材料上利用了地區(qū)性的礦產資源，為當?shù)刂谱?反映了春秋戰(zhàn)國時期嶺南青銅技術的特點及內地緊密交流的關系。

徐恒彬對廣東省出土春秋至宋41件青銅器展開鑄造工藝方面的研究和進行合金成分和金相的分析，采用化學定量、原子吸收光譜和微區(qū)能譜分析等方法，測定了34件青銅器的化學成分，從所測結果可看出，這些青銅器除了含有多種雜質外，主要成分是銅、錫和鉛。另外，在若干件青銅器中發(fā)現(xiàn)了磷和砷。其中羅定太平公社出土的戰(zhàn)國早期鼎金相組織屬于a+（a+8）+Pb，錫含量15.2～15.3%、鉛含量6.5～8.7%。認為合金成分的配制也和中原地區(qū)一樣，對鉛、錫成分與器件性能關系已有明確的認識。至此認為嶺南地區(qū)自古以來就和中原地區(qū)相通。從以上有關青銅器形制及冶鑄技術的研究來看，它的青銅冶鑄業(yè)是直接在中原地區(qū)特別是楚文化的影響下建立起來的，同時又與西南少數(shù)民族地區(qū)存在一定的聯(lián)系。

博羅橫嶺山分析的兩件甬鐘以及羅定太平分析的兩件鼎，分析測試的儀器條件不一樣，直接用數(shù)據(jù)的多寡進行比較，不一定妥當。但橫嶺山和羅定太平的合金配比相對穩(wěn)定，而增城廟嶺甬鐘、鼎銅錫鉛合金比例波動非常大，無規(guī)律性。大梅沙銅器中雖未有甬鐘、鼎等器物，但是具有砷含量達0.57～22.0%的顯著特點，以及博羅橫嶺山銅器砷含量0.5～3.4%。而增城廟嶺銅器最高的只有2.3%，砷含量比較低。夾雜物方面都是硫鐵化合物，橫嶺山甬鐘與增城廟嶺甬鐘都有礦料夾進來的銀。以上這些都說明上述幾處銅器的礦物來源還是有一定的差別，工匠掌握冶鑄技術的熟練程度也有所不同。普遍表現(xiàn)在冶金工藝方面原料來源、技術條件以及工匠的技術水平等都不夠規(guī)范.也反映了嶺南地區(qū)先秦時期冶金技術區(qū)域差異性較大。

2、與國內其他地區(qū)出土同時期銅器比較

國內對東周時期銅器的檢測分析工作已比較多。胡飛等對安徽蚌埠雙墩春秋一號墓出土的部分青銅制品進行成分和金相分析，認為蚌埠雙墩一號墓的青銅器是在當?shù)罔T造的。處于淮河中游地區(qū)古鐘離國的先民對青銅合金技術已很嫻熟，不但會根據(jù)不同類別青銅器對機械性能的要求進行合理配制，而且對其加工機械性能已相當?shù)牧私?。陳坤龍、梅建軍對河南博物院館藏輝縣琉璃閣甲乙墓、乙二墓出土中原地區(qū)春秋中、晚期典型代表銅器進行了科學分析檢測，認為銅器的合金成分與器物類型之間的關系明顯，顯示制作者已能根據(jù)青銅器的用途而選擇合適的制作材料，代表了較高的青銅冶鑄技術水平。該批青銅器材料的選擇與其使用性能匹配良好，制造者對銅錫鉛體系合金的含量配比與其機械性能之間的關系已有一定程度的理解。銅器的合金成分與器物類型之間的關系明顯，顯示制作者已能根據(jù)青銅器的用途而選擇合適的制作材料，代表了較高的青銅冶鑄技術水平。韓炳華等對長治分水嶺東周墓地出土春秋至戰(zhàn)國時期青銅器進行科學分析。推斷長治地區(qū)的青銅制作技術相當成熟，青銅器鑄造出現(xiàn)了規(guī)范化、批量化、標準化生產。李洋等對隨州文峰塔M1、M2出土春秋時期金屬器進行科學分析，認為春秋戰(zhàn)國之際曾國的金屬技術已日趨成熟且呈現(xiàn)多樣性，能夠根據(jù)器物的使用需要，采用不同的合金配比和制作工藝。陳坤龍等對梁帶村兩周墓地出土春秋早期青銅器進行檢測分析，也都發(fā)現(xiàn)同樣的特點?，F(xiàn)將上述分析結果列于表五，以利于比較。

根據(jù)前文所述，可見廣州增城廟嶺出土的四件銅器在合金配比、機械性能、加工工藝等方面與同時期中原及楚地出土銅器相比，技術特征顯示出非常明顯的滯后性。

五、結論

對廣州增城廟嶺四件先秦銅器的科學分析表明，兩件甬鐘和鼎是銅錫鉛三元合金，鉦是銅錫二元合金。制作工藝以鑄造為主，并采用了退火等加工工藝。工匠對鉛、錫性能和加工工藝有一定的認識，但可能受礦料差、鑄造條件落后等條件限制，造成出現(xiàn)合金配比波動較大、夾雜物較多、鑄造缺陷明顯等現(xiàn)象。

與嶺南幾批銅器科學分析比較表明，在冶金工藝方面原料來源、技術條件以及工匠的技術水平等都不夠規(guī)范，反映了嶺南地區(qū)先秦時期冶金技術區(qū)域差異性較大，說明四件銅器極有可能為本地鑄造。與同時期中原及楚地出土銅器相比，在合金配比、機械性能、加工工藝等方面還有較大的差距，技術特征顯示出非常明顯的滯后性。

本次分析的四件銅器雖不是經過科學發(fā)掘取得，但可為嶺南先秦銅器冶金考古的科學分析積累基礎數(shù)據(jù).也為建立嶺南先秦銅器合金體系奠定基礎，對深入開展嶺南先秦文化交流傳播等研究具有重要意義。