湖北宜城跑馬堤墓地出土銅器的科學分析研究

劉建宇，肖夢婭， 王 璐， 王穎琛，劉 煜

(1. 故宮博物院，北京 100009； 2． 北京科技大學科技史與文化遺產(chǎn)研究院，北京 100083；3． 中國社會科學院考古研究所，北京 100710)

0 引 言

跑馬堤墓地是位于湖北省宜城市鄭集鎮(zhèn)的一處戰(zhàn)國至漢代墓地。該墓地出土了大量青銅器，器類豐富，包括容器、兵器、車馬器、日常用器等，其中尤以漢代銅器居多。以往青銅器技術研究的關注點多集中在先秦時期，對漢代及以后的青銅器則不大重視。這使得對漢代以后青銅器的技術特征知之甚少，尤其對于在青銅器的功能隨著時代的變遷而發(fā)生改變的歷史過程中，青銅器制作技術的發(fā)展演變規(guī)律的認知是不夠全面的，進而使得對于中國古代青銅器制作技術發(fā)展演變史的構建存在缺環(huán)。而湖北宜城跑馬堤墓地出土的大量青銅器則為研究從戰(zhàn)國到漢代青銅器的制作技術變遷提供了系統(tǒng)性的資料。為此，在湖北省宜城市博物館的大力支持下，本研究專門選取了跑馬堤墓地出土的部分有代表性的銅器，進行科學檢測分析，以期為這一階段的考古學和金屬技術史研究提供資料，并為中國古代金屬技術史演進序列的補充完善提供科學數(shù)據(jù)。

1 實驗樣品和方法

本研究共對跑馬堤墓地出土的32件銅器進行了取樣分析，共取得金屬樣品41件。取樣工作嚴格按照既盡量避免對器物整體形貌產(chǎn)生影響，又能滿足分析需要的原則進行。取樣器物均為殘損器物，樣品盡可能小，取樣部位均在器物的殘損處，并拍照記錄。經(jīng)取樣的銅器分別來自于11座墓葬，其中包括M1、M16、M45等三座戰(zhàn)國晚期墓葬，以及M4、M13、M24、M26、M35、M39、M49、M54等八座西漢墓葬。經(jīng)取樣的銅器有鼎、鈁、壺、釜、甑、鍪、盆、匜等容器15件，鉞、劍、矛、戈、鏃等兵器8件，馬銜、蓋弓帽等車馬器3件，鏡、合頁、刻刀等其他日用類器物6件，基本上涵蓋了該墓地出土的常見器類。取樣器物名稱及出土編號、墓葬年代、取樣部位和樣品編號詳見表1。

綜合考慮器物類型及取樣部位等因素，選定合適的分析截面按標準程序制備金相樣品，而后使用濃度為3%的三氯化鐵鹽酸乙醇溶液進行浸蝕。采用Leica DM4000M金相顯微鏡對浸蝕后的金相樣品進行顯微組織觀察并拍攝金相照片。觀察后的樣品需重新拋光，并進行表面噴碳處理。而后置入配置有能譜儀的掃描電子顯微鏡中，進行觀察和微區(qū)化學成分分析。成分分析所用儀器為ZEISS EVO18掃描電鏡及其配置Bruker X Flash Detector 5010能譜分析儀，能譜分析采用無標樣定量成分測定方法，分析條件設定為加速電壓20kV，工作距離10mm，激發(fā)時間≥60s?？紤]到銅器樣品存在成分偏析和銹蝕等因素，分析時盡量選取銹蝕較少的不同部位進行多次分析，而后取平均值代表該樣品的成分組成，金相觀察及成分分析結果詳見表2和圖1～14。

表1 跑馬堤墓地出土銅器取樣統(tǒng)計表

表2 跑馬堤墓地出土銅器樣品的元素成分分析和金相組織鑒定結果

(續(xù)表2)

(續(xù)表2)

圖1 鉞(M1：34)銎口樣品金相組織

圖2 合頁(M1：36)獸形葉片樣品金相組織

圖3 刻刀(M16：33)器身樣品金相組織

圖4 劍(M16：31)刃部樣品金相組織

圖5 戈(M16：28)器身樣品金相組織

圖6 鏃(M16：35)刃部樣品金相組織

圖7 鏡(M16：18)鏡扣樣品金相組織

圖8 鏡(M16：18)鏡面樣品金相組織

圖9 鏡(M24：12)鏡面樣品金相組織

圖10 鏡(M49：11)鏡緣樣品金相組織

圖11 匜(M39：6)口沿樣品金相組織

圖12 盆(M39：20)器壁樣品金相組織

圖13 爐(M39：7)腹部樣品金相組織

圖14 鈁(M39：8)腹部樣品金相組織

3 分析結果

金相分析結果顯示，經(jīng)分析的41件銅器樣品中有35件為鑄造組織，2件為鑄后受熱組織，3件為熱鍛組織，1件為熱鍛冷加工組織。其中21件戰(zhàn)國晚期銅器樣品中，M1：34鉞銎口樣品顯示為熱鍛冷加工組織，其余皆為鑄造組織。20件西漢銅器樣品中，M4：2蒜頭壺腹部樣品、M39：8鈁腹部樣品顯示有鑄后受熱現(xiàn)象，M39：6匜口沿樣品、M39：20盆器壁樣品、M39：7爐腹部樣品顯示為熱鍛組織，其余皆為典型的鑄造組織。

成分分析結果顯示，所分析的41件銅器樣品中，9件為銅錫二元合金，32件為銅錫鉛三元合金。其中，戰(zhàn)國晚期銅器樣品有8件銅錫二元合金，13件銅錫鉛三元合金；西漢銅器樣品有1件銅錫二元合金，19件銅錫鉛三元合金。除去部分樣品因銹蝕嚴重導致顯示錫鉛含量較高以外，戰(zhàn)國晚期銅器樣品的錫含量基本在15%左右。另外，M16：18銅鏡、M16：33刻刀、M16：29矛的錫含量都大于20%，屬于超高錫青銅；鉛含量則大多小于10%，僅有M1：30構件、M16：22蓋弓帽、M16：8鼎等3件器物樣品的鉛含量大于10%，其中M16：8鼎蓋口沿樣品的鉛含量高達25.7%。西漢銅器樣品的錫鉛含量變化范圍較大，M39：6匜、M39：20盆、M39：7爐等3件銅器樣品因銹蝕嚴重，錫含量顯示較高，而M24：12銅鏡、M49：11銅鏡則屬于超高錫青銅，錫含量在20%以上。此外，其余銅器樣品的錫含量在2.6%～13.8%之間，鉛含量在2.5%～19.3%之間。另外，部分樣品的平均成分中還可見少量的硫和鐵。

4 討 論

4.1 戰(zhàn)國晚期銅器的技術特征

本次共分析了17件戰(zhàn)國晚期銅器，包括3件容器、7件兵器、3件車馬器及其他雜類器物4件。

顯微組織特征方面，僅有一件銅鉞的銎口樣品顯示為熱鍛冷加工組織，其余皆為典型的鑄造組織。材質類型方面，有錫青銅8件，鉛錫青銅9件。其中3件容器均為鉛錫青銅。7件兵器中有6件錫青銅，1件鉛錫青銅；其中M16：31劍的材質雖屬于鉛錫青銅，但鉛含量較低，僅有3.1%。3件車馬器皆為鉛錫青銅。其他器物中M1：36合頁和M1：30構件為鉛錫青銅，M16：33刻刀為錫青銅，M16：18銅鏡鏡扣為鉛錫青銅，鏡面部分為錫青銅。其中兵器幾乎都是錫青銅，錫含量在15%左右；另外，刻刀和銅鏡鏡面也是錫青銅，錫含量高達27%。錫的加入可以降低銅合金的熔點，拓寬結晶溫度范圍，并且隨著錫含量的提高，銅合金的機械性能也相應提高，而且還可使銅合金獲得銀白色的光澤。因而銅錫二元合金適于制作對機械性能有較高要求的兵器和工具以及要求有較高光澤度的銅鏡。而鉛加入銅錫合金會降低青銅合金的機械性能，但可以增加合金的流動性，提高銅液的充型能力，更適于用來制作青銅容器。從分析結果來看，跑馬堤戰(zhàn)國晚期銅器的器物類型與合金材質之間有較明確的對應關系，表明該批銅器的制作技術達到了較高的水平。

4.2 西漢銅器的技術特征

本次分析的15件西漢銅器，包括12件容器，1件兵器，2件銅鏡。該批銅器的成型工藝仍是以鑄造為主，其中M4：2蒜頭壺腹部樣品、M39：8鈁腹部樣品顯示有鑄后受熱現(xiàn)象，但受熱溫度不高。其中M39：8鈁蓋立耳樣品則是典型鑄造組織，受熱組織或許是在使用或埋藏過程中偶然形成的。另外，值得注意的是，該批漢代青銅容器中M39：6匜、M39：20盆、M39：7爐等三件容器樣品的金相組織都顯示為α等軸晶和孿晶組織，為熱鍛加工制成。

材質類型方面，該批西漢銅器以鉛錫青銅為主，僅有1件銅鏡為錫青銅。除去3件銹蝕嚴重的樣品以及2件錫含量較高的銅鏡外，其余銅器樣品的錫含量在2.6%～13.8%之間，且大多在10%以下，鉛含量則在2.5%～19.3%之間。與該墓地出土的戰(zhàn)國晚期青銅器比起來，西漢銅器的合金元素含量總體較低，而且變化范圍較大，部分銅器中鉛含量還高于錫含量。

4.3 熱鍛技術

本次分析的12件漢代容器的成形工藝是鑄造與鍛造并存。其中，鼎、鈁、壺、鍪等器型相對較復雜的或束頸小口的器物都是鑄造而成，而匜、盆、爐等敞口器物則采用了熱鍛工藝。熱鍛是指青銅器物在再結晶溫度以上加工成需要的器型的工藝。鑄造青銅合金經(jīng)過熱鍛不但可以減薄器壁，節(jié)省青銅原料，而且可以使成分有一定的均勻化，并可以消除鑄造缺陷。宜城跑馬堤墓地的這三件銅器均為鉛錫青銅，高錫(大于20%)，且含6%～7%的鉛。通常認為，鉛會破壞金屬基體的連續(xù)，在鍛打時易造成斷裂。因此，用鍛造方式成型的青銅器是不宜含鉛的[1]。但實際上，甘肅崇信于家灣西周墓[2]、湖北鄖縣喬家院墓地[3-4]、四川宣漢羅家壩戰(zhàn)國遺址[5]以及貴州可樂戰(zhàn)國西漢墓地[6]等均出土了含鉛的薄壁銅器。

我國古代青銅器的成形工藝以鑄造為主，尤其在先秦時期。而鍛打技術的使用一般是為了提高器物的機械性能，且主要應用于小件的武器或工具。本次考察的兵器中有一件鉞使用了熱鍛工藝，并有冷加工的痕跡，其他兵器則還是以鑄造為主。

根據(jù)現(xiàn)有的材料，最早的鍛打容器是甘肅崇信于家灣西周墓出土的4件銅盆。但在中原地區(qū)，是從春秋中晚期才開始逐漸使用鍛打技術制作薄壁銅器[7]。戰(zhàn)國晚期至秦漢時期，鍛造成型的容器逐漸增多，而且以低錫銅器在200～300℃進行熱鍛處理為主[8]。這些銅容器很多都出在楚墓，比如湖北包山楚墓[9]、湖北襄陽陳坡M10[10]、荊門左塚楚墓群[11]、隨州文峰塔M1、M2[12]等。此外，還包括西安北郊戰(zhàn)國晚期至西漢中期墓葬[13-14]、江蘇淮陰高莊戰(zhàn)國墓[15]、安徽南陵[16]、廣州南越王墓[17]、安徽天長三角圩西漢墓[18]等出土的青銅器以及陜北地區(qū)出土漢代銅器[19]、北京延慶西屯墓地出土漢代銅器[20]等。

4.4 超高錫青銅的制作工藝

根據(jù)錫含量的不同，可初步將錫青銅分為低錫、中錫、高錫、超高錫四類，分別對應含錫量為2%～8%、8%～14%、14%～20%、20%以上的青銅器[21]。如果按照這個分類標準，刻刀和銅鏡都是用超高錫青銅制作的。

《考工記·六齊》提到：“五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊?！薄犊脊び洝愤@本書被普遍認為是春秋戰(zhàn)國時齊國的官書。“六齊”反映了這一地區(qū)人們對銅器合金配比和器類之間關系的認識，雖然并不能涵蓋所有商周時期使用的銅器合金類型，但在大的趨勢上其認識有科學性[22-23]。按照有些學者的推算，削殺矢是指一種工具，含錫量達到28.6%，而銅鏡的含錫量達到33.3%[24]。盡管本次測量的削刀和銅鏡的含錫量略低于上述數(shù)據(jù)，但也都達到了20%以上。當然，“削殺矢之齊”的提法可能有誤，因為《考工記》里有“筑氏為削”、“冶氏為殺矢”，顯然它們并不是一類。“殺矢”是箭鏃，顯然不需要用超高錫青銅來制作，而應歸入“戈戟之齊”里面。

使用高錫青銅制作銅鏡，可能有兩方面的考慮，一是高錫青銅顏色白亮，比較美觀；一是高錫青銅強度和硬度都較高，易于磨拭[25]。

通常認為，錫含量達到18%以上，硬度達到最大值，延展性則急劇下降，需要采用熱處理來改善性能。高錫青銅常常采用熱鍛淬火的工藝。關于高錫青銅淬火工藝，中國古代文獻中曾有零星記載。宋蘇軾《物類相感志·雜著》記有： “錫銅相合，硬且脆，水淬之極硬”。明李時珍在《本草綱目》“金石·錫銅鏡鼻”中記有：“銅錫相和，用水澆之極硬”。但銅鏡是否經(jīng)過淬火處理，存在爭論。何堂坤認為從戰(zhàn)國到五代，大部分銅鏡都經(jīng)淬火[26]，但孫淑云等經(jīng)檢測和模擬實驗，認為銅鏡都是高錫青銅鑄造而成[27]。經(jīng)檢測宜城跑馬堤墓地出土的幾面銅鏡，無論是戰(zhàn)國的還是西漢的，均是高錫青銅的鑄態(tài)組織，未經(jīng)熱處理。

但是很多工具刃具類的器物，采用這類高錫甚至超高錫青銅制作，僅在刃部進行淬火、回火等處理，其余部分仍是鑄態(tài)組織。比如云南個舊石榴壩出土的戰(zhàn)國銅刻刀，含錫30.1%，為鑄造組織[28]；河南葉縣許靈公墓出土的刮削器，含錫量高達33.7%，該器的金相組織為α+δ，有明顯的針狀析出物，與廣東羅定出土的含錫19.5%的篾刀的金相組織非常接近，后者被認為具有激冷處理的特征[29-30]；此次分析的跑馬堤戰(zhàn)國墓出土的M16：33刻刀亦有類似的組織特征。比如江西新干商代大墓出土的青銅刻刀是δ相，有可能經(jīng)過退火處理，但仍是鑄態(tài)組織[31]。

5 結 語

本項工作共對宜城跑馬堤墓地出土的17件戰(zhàn)國晚期銅器以及15件西漢銅器進行了元素成分分析和金相組織觀察，分析結果顯示：

戰(zhàn)國晚期銅器的材質以鉛錫青銅和錫青銅為主，其中兵器和工具的材質主要是錫青銅，而容器和車馬器則全部是鉛錫青銅。或許可以表明該批銅器的制作者能夠根據(jù)不同的器物類型對合金材質有意識地進行不同的選擇；西漢銅器的材質以鉛錫青銅為主，合金元素總量相對于戰(zhàn)國晚期銅器要低，而且變化范圍較大。

戰(zhàn)國晚期銅器和西漢銅器都是以鑄造為主。值得注意的是，此次分析發(fā)現(xiàn)3件漢代青銅容器為鍛造而成，鍛造容器最早見于西周，至戰(zhàn)國及漢較多出現(xiàn)。研究顯示，鍛造容器大多是盆、盤、釜、甑、匜等敞口器物，而且器壁都較薄。

致謝： 本研究的現(xiàn)場考察和取樣工作得到了武漢大學張昌平教授、湖北宜城博物館各位領導及同仁的關心與支持，實驗分析工作得到了英國劍橋李約瑟研究所梅建軍教授、北京科技大學陳坤龍副教授、北京大學陳建立教授的支持與指導，中國社會科學院考古研究所常懷穎博士在取樣過程中給予了幫助，謹此一并致以衷心感謝。