水下文物提取技術(shù)應(yīng)用發(fā)展綜述

王芳璐（浙江大學(xué)文物與博物館學(xué)系 浙江杭州 310028）

張治國（國家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心 北京 100029）

張秉堅(jiān)（浙江大學(xué)文物與博物館學(xué)系、化學(xué)系 浙江杭州 310028）

陳學(xué)強(qiáng)（浙江大學(xué)文物與博物館學(xué)系 浙江杭州 310028）

引言

聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）2001年制定的《保護(hù)水下文化遺產(chǎn)公約》（以下簡稱《水下公約》）是關(guān)于水下文化遺產(chǎn)保護(hù)最為重要的國際法律文件[1]，公約中對“水下文化遺產(chǎn)”（Underwater Cultural Heritage）進(jìn)行了定義：“水下文化遺產(chǎn)”系指至少100年來，周期性地或連續(xù)性地，部分或全部位于水下的具有文化、歷史或考古價值的所有人類生存的遺跡，比如：遺址、建筑、房屋、工藝品和人的遺骸，及其有考古價值的環(huán)境和自然環(huán)境；船只、飛行器、其他運(yùn)輸工具或上述三類的任何部分，所載貨物或其他物品，及其有考古價值的環(huán)境和自然環(huán)境；具有史前意義的物品。海底鋪設(shè)的管道和電纜不應(yīng)視為水下文化遺產(chǎn)；海底鋪設(shè)的管道和電纜以外的，且仍在使用的裝置，不應(yīng)視為水下文化遺產(chǎn)?！?/p>

據(jù)粗略估計(jì)，世界各地的海底有超過300萬艘失事船舶的殘骸，其中尤為著名的包括忽必烈東征日本的艦隊(duì)、克里斯托弗·哥倫布探索新大陸的船隊(duì)和號稱“永不沉沒”的巨型游輪泰坦尼克號等。除了數(shù)量龐大的沉船之外，還有許多重要的各類水下遺跡和遺存，例如世界七大奇跡之一的亞歷山大燈塔和埃及艷后克利奧帕特拉的宮殿所在的埃及亞歷山大水下古城，以犧牲數(shù)人為代價發(fā)現(xiàn)的史前洞穴繪畫代表——法國Cosquer洞穴以及墨西哥奇琴伊察遺址用于祭祀雨神的瑪雅圣井等；國內(nèi)則有被譽(yù)為“世界第一古代水文站”的白鶴梁遺址和以寧波港、泉州港及廣州港等為典型代表的海上絲綢之路港口遺址等。

水下文化遺產(chǎn)包括許多人類在成百上千年間未曾擾動的遺址，水如同“時光膠囊”一般將人類歷史上的瞬間化為永恒封存下來，對于當(dāng)代與后世的人們來說，它是有關(guān)古代文明與航海歷史的重要信息來源。由于水下缺氧等特殊的環(huán)境條件，水下文化遺產(chǎn)通常比類似的陸地遺存保存得更加完整。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，一方面人類對于海洋的開發(fā)利用更加深入，捕魚作業(yè)、管道鋪設(shè)和其他海洋活動都有可能導(dǎo)致水下遺產(chǎn)的破壞；另一方面，水下遺產(chǎn)對于尋寶者們來說也不再遙不可及，商業(yè)開發(fā)以及洗劫掠奪的事件隨之增加。除了上述人為因素的干擾破壞之外，水下環(huán)境本身以及水中的生物等自然因素也會對文化遺產(chǎn)造成不同程度的損害[2]。為避免對全人類共同遺產(chǎn)造成無法挽回的損失，保護(hù)水下文化遺產(chǎn)逐漸成為世界各國的共識。在保護(hù)的基礎(chǔ)上促進(jìn)社會公眾對水下文化遺產(chǎn)的接觸、理解與思考，提高公眾的文化遺產(chǎn)保護(hù)意識，這對于文化遺產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展以及遺產(chǎn)地的旅游業(yè)和城市發(fā)展也是十分有利的[3]。

一、水下文化遺產(chǎn)保護(hù)原則

物的提取技術(shù)，尤其是極脆弱文物及其相關(guān)信息的完整提取技術(shù)研究具有十分重要的科學(xué)意義[9]。

由于水下文化遺產(chǎn)內(nèi)涵豐富、種類繁多，在敘述中難以面面俱到，本文僅以為數(shù)眾多的水下古代沉船以及散落在水下的船載文物或其他遺跡的提取技術(shù)為主進(jìn)行闡述。

《水下公約》確立的水下文化遺產(chǎn)保護(hù)的基本原則是：為全人類利益、合作共享、原址保護(hù)以及禁止商業(yè)開發(fā)[4]。聯(lián)合國教科文組織在保護(hù)水下文化遺產(chǎn)方面的工作得到了國際社會的普遍認(rèn)可和尊重[5]。

中國作為歷史悠久且海陸兼?zhèn)涞奈拿鞴艊?，有著豐富的水下文化遺產(chǎn)。由于歷史與現(xiàn)實(shí)的諸多原因，我國的水下文化遺產(chǎn)保護(hù)工作起步較晚。1987年，我國成立了第一個從事水下考古研究的專業(yè)機(jī)構(gòu)——中國歷史博物館考古部水下考古學(xué)研究室，之后培養(yǎng)了第一批水下考古隊(duì)員，這為我國的水下文化遺產(chǎn)保護(hù)工作奠定了基礎(chǔ)。1989年《水下文物保護(hù)管理?xiàng)l例》的頒布為國內(nèi)水下文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了法律規(guī)范，目前該條例正在修訂中。2007年“南海Ⅰ號”整體打撈工作的完成標(biāo)志著我國水下文化遺產(chǎn)保護(hù)能力的重大提升[6]。2014年，國家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心正式成立，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌全國的水下文化遺產(chǎn)保護(hù)工作，并設(shè)立了寧波、武漢、福建、北海、南海等科研基地[7]，加強(qiáng)對外合作與交流，我國水下文化遺產(chǎn)保護(hù)事業(yè)進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段。

在保護(hù)水下文化遺產(chǎn)的工作中，水下調(diào)查是其他一切工作的基礎(chǔ)與前提，它旨在探尋和記錄水下文化遺產(chǎn)的位置分布與保存狀況等相關(guān)信息，為后續(xù)的保護(hù)工作提供依據(jù)。在后續(xù)工作中，水下文化遺產(chǎn)的保護(hù)與管理是重要內(nèi)容。在《水下公約》正文和附件的規(guī)定以及水下文化遺產(chǎn)保護(hù)的實(shí)踐中，通常將原址保護(hù)（In situ preservation）作為首要選擇。但是，如果水下文化遺產(chǎn)正面臨著嚴(yán)重的風(fēng)險與危害，或者出于更好地進(jìn)行科學(xué)研究與遺產(chǎn)保護(hù)的目的，經(jīng)過必要的科學(xué)分析與技術(shù)評估之后，在不損害其教育、科學(xué)和文化等價值的情況下，并且獲得了有關(guān)方面的許可和授權(quán)后，可以對水下文化遺產(chǎn)進(jìn)行考古發(fā)掘和異地保護(hù)及展示等工作[8]。

與原址保護(hù)相比，考古發(fā)掘在某種程度上來說會對水下遺址造成一定的損傷，且考古發(fā)掘的過程是不可逆轉(zhuǎn)的，一旦造成損失也是無法挽回的。如果在提取過程中出現(xiàn)問題和差錯，不僅會使水下調(diào)查的成果功虧一簣，還會大大增加出水文物保護(hù)的難度。因此，水下文

二、水下古代沉船打撈提取技術(shù)

在打撈位于水下的古代沉船船體殘骸時，其規(guī)則與流程會視具體情況而定，主要取決于船舶尺寸、船體結(jié)構(gòu)、船只年代、沉船位置、保存狀況和安置條件等因素[10]。從全面保留文物原始性和完整性的角度來說，沉船應(yīng)盡可能采用整體打撈的方法，在不得已時才采用逐件打撈的方法，即將船板殘骸等拆解之后逐件取出再進(jìn)行保護(hù)和組裝。目前，水下古代沉船船體殘骸打撈提取技術(shù)主要有：潛水式打撈、圍堰式打撈、浮筒打撈法、沉箱打撈法等方法。

（一）潛水式打撈

潛水式打撈是在水下原址將船體拆解，要求水下能見度較好，整個操作流程對潛水人員的要求較高。潛水式逐件打撈的方案有廣泛的適用性和實(shí)用性，是目前國內(nèi)外通行的做法。2008年中國第一次大規(guī)模遠(yuǎn)海水下考古發(fā)掘出水的西沙華光礁Ⅰ號沉船和2014年出水的浙東海域重要沉船浙江象山縣小白礁Ⅰ號清代沉船，都是在水下完成測繪和編號之后，按照與船只建造時相反的順序，分門別類地將船板進(jìn)行拆卸和起吊出水，將其全部打撈到岸上后再進(jìn)行保護(hù)和復(fù)原。它們?yōu)槲覈胶Ｊ放c貿(mào)易史研究提供了重要的實(shí)物資料，是“海上絲綢之路”文化傳播與貿(mào)易繁榮的見證者[11][12]。

（二）圍堰式打撈

圍堰式打撈則需要在沉船四周筑造圍堰并將堰內(nèi)的水抽干，使水下考古變?yōu)殛懙乜脊?，減少了發(fā)掘過程中的困難。但是圍堰方法只適用于淺水區(qū)域，而且筑堰的人力、物力以及時間成本較高，筑堰后沉船所處環(huán)境的改變也可能帶來不利影響。國內(nèi)首次采用圍堰式發(fā)掘方法是在四川彭山江口古戰(zhàn)場遺址，同時這也是國內(nèi)首次在內(nèi)水區(qū)域進(jìn)行的水下考古發(fā)掘。明末著名的農(nóng)民軍領(lǐng)袖張獻(xiàn)忠在江口古戰(zhàn)場戰(zhàn)敗，裝載著財物的船只被擊潰沉入江底，當(dāng)?shù)匾恢绷鱾髦皬埆I(xiàn)忠江口沉銀”的傳說。由于不法分子的盜掘，2016年起考古人員開始修建圍堰進(jìn)行搶救性發(fā)掘。圍堰建設(shè)是在岷江的枯水期進(jìn)行的：利用砂石堆砌加固外圍，并用抽水泵將堰內(nèi)的水排干。目前整個遺址只發(fā)掘了其中非常小的一部分，尚未找到當(dāng)年的沉船，只發(fā)現(xiàn)了一些船具和船釘?shù)?。江口古?zhàn)場遺址的發(fā)掘采用了許多具有首創(chuàng)意義的新技術(shù)、新方法和新模式，為今后的考古工作提供了范例和借鑒[13][14]。

（三）浮筒打撈法

浮筒打撈法是將沉船整體打撈出水的一種方法，在操作時首先要在船舶的龍骨下挖出通道，使重型鋼纜穿過通道固定在沉船兩側(cè)的浮筒上。之后將水泵入浮筒并拉緊鋼纜，當(dāng)水從浮筒中排出時，船只由于浮力作用開始從水中升起。將上述過程重復(fù)數(shù)次后，沉船最終將浮到水面之上，然后提取上岸，再進(jìn)行安置、發(fā)掘與保護(hù)等工作。世界上唯一保存完整的十七世紀(jì)船舶——瑞典瓦薩（Vasa）沉船就是運(yùn)用浮筒打撈法整體打撈出水的。由于其保存環(huán)境中船蛆無法大量繁殖，因而木質(zhì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好。從1959-1961年，經(jīng)過各方努力，瓦薩沉船在斯德哥爾摩港口黑暗的水底沉睡了三百多年之后重出水面，隨后籌建了瓦薩沉船博物館用于沉船的保護(hù)和展示[15]。

（四）沉箱打撈法

沉箱打撈法是中國首創(chuàng)的整體打撈方法，首次應(yīng)用于廣東陽江海域內(nèi)“南海Ⅰ號”宋代沉船的打撈。沉箱打撈法需要先定位沉船并打下定位樁，再將無底的鋼質(zhì)沉箱沿定位樁下沉到船體周圍的預(yù)定位置，然后挖開沉箱底部的泥土使底梁穿過以承托沉船，最后將整個沉箱內(nèi)的沉船和泥土一起吊出水面?！澳虾＂裉枴背链?987年偶然發(fā)現(xiàn)，2007年起吊出水，現(xiàn)保存于廣東海上絲綢之路博物館[16]。沉船年代之早、船體之大、保存之完整世所罕見，對于中國海上貿(mào)易史、造船史和陶瓷史的研究有著極為重要的意義。

三、水下散落文物遺跡提取技術(shù)

不同于船體打撈這類大型工程需要考慮到整體性以及大體量等諸多問題，散落在水下的船載文物或其他遺跡由于體量相對較小、位置分散且材料本體及其保存狀況各不相同，通常是由潛水人員進(jìn)行發(fā)掘并提取出水的。在以往的水下考古發(fā)掘中，人們逐步積累了許多提取經(jīng)驗(yàn)，確立了水下文物提取的原則，包括確保文物安全、最小干預(yù)、分類提取和出水還原等原則[17]。

對于處在水下環(huán)境的文物來說，許多文物實(shí)際上比看起來要脆弱得多，所以在提取時需要提供適當(dāng)?shù)闹闻c保護(hù)，防止它們因?yàn)樽陨碇亓炕蛩畨焊淖兌直离x析。盡管目前針對水下文物或遺跡的提取有許多不同的思路和技術(shù)方法，但是尚未有人做過較為全面的綜述。從提取技術(shù)角度，根據(jù)現(xiàn)有方法的不同特點(diǎn)，主要有直接提取法、機(jī)械提取法、包裝提取法和化學(xué)提取法等。

（一）直接提取法

直接提取法操作簡單，就是將所要提取的文物取出置于起吊框或者起吊架中，如果文物強(qiáng)度較差可用木板等進(jìn)行輔助加固，為防止文物因浮力作用不穩(wěn)或者脫落還需要使用繩索等將其固定在起吊裝置內(nèi)，然后緩慢起吊出水即可。直接提取法是最原始也是使用最廣泛的提取方法，適用于具有一定強(qiáng)度的陶器、瓷器和金屬質(zhì)文物等。2018年5月，相關(guān)考古部門在廣東省江門市上下川島海域附近發(fā)現(xiàn)并提取了一門水下鐵炮。在提取過程中，首先是將鐵炮從其埋藏環(huán)境中剝離出來，然后在水下進(jìn)行支撐和固定以確保文物安全，最后用起吊裝置使其緩慢上升出水并進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)工作[18]。

（二）機(jī)械提取法

機(jī)械提取法是利用機(jī)械裝置將提取物及其周圍的沉積物整體切割并起吊來進(jìn)行文物提取的方法。例如歐盟SASMAP項(xiàng)目的組合式吊架就屬于機(jī)械提取法的一種[19]（圖1）。這種吊架的底部和頂部用立柱相連接，拆卸非常方便，其高度和長度都可以根據(jù)文物的形狀和水底沉積物的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，也為提取物的實(shí)驗(yàn)室處理提供了便利。吊架底部的一側(cè)安裝可拆卸的液壓缸，通過活塞按壓薄鐵板就能夠有效地切割沉積物塊。當(dāng)沉積物塊的底部切割完畢之后，安裝可拆卸的側(cè)板來固定其側(cè)面，之后在沉積物塊的頂部和文物暴露的部分用軟材料覆蓋以防止文物在水壓下和出水時受到損壞，最后加裝頂板即可起吊。吊架的底部和頂部安裝了所謂的“吊耳”，在提升過程中可以使整體重量均勻地分布在吊架上。組合式吊架的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠確保脆弱文物及其周圍沉積物提取的完整性和穩(wěn)定性。

（三）包裝提取法

包裝提取法是在提取物外面用材料進(jìn)行包裹或者將提取物裝入特制容器之中再提取到陸地上的方法。

最典型的水下加固包裹材料是3M?Scotchcast?Plus膠帶（圖2），它是一種應(yīng)用于整形外科的輕質(zhì)、堅(jiān)固且耐用的膠帶，擁有玻璃纖維固型膠帶的優(yōu)點(diǎn)和易處理的特性。它含有聚氨酯合成樹脂，能夠在潮濕空氣中或水中黏結(jié)固化，可用于固定和提取脆弱的水下文物。該膠帶購買便利，在文物提取中較為實(shí)用，在提取完成之后取下時也很方便，并且相對環(huán)保。它的局限性在于，只適用于提取非常小型的物件[20]。

最簡單的特制容器是結(jié)構(gòu)簡單的自封袋，它內(nèi)襯保護(hù)性泡沫。更復(fù)雜一些的是帶有碳纖維片的塑料真空袋，真空袋的內(nèi)部有一個由多種材料組成的夾層結(jié)構(gòu)，包括一個經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸漬的碳纖維片、一個用來吸收多余樹脂并作為軟接觸層的吸氣氈以及兩個脫模布（圖3）。真空袋的作用不僅在于產(chǎn)生真空，而且還可以將碳纖維片與水下環(huán)境隔離開來。在使用時將其插入海底，使兩個脫模布分別處于提取物的上方和下方，等待樹脂硬化后，將上下兩部分用塑料夾固定并帶到實(shí)驗(yàn)室再打開。該方法的特點(diǎn)是它不僅適用于小型和相對大型的文物，并且可以適應(yīng)不同的環(huán)境和保存條件。除此之外，它也可以作為一個臨時存放飽水有機(jī)質(zhì)脆弱文物的有效容器[21]。該方法在意大利博爾塞納湖附近的鐵器時代聚落Gran Carro的發(fā)掘中進(jìn)行了嘗試，確認(rèn)了包裝提取方法的實(shí)用性和有效性。

目前，浙江大學(xué)文物保護(hù)材料實(shí)驗(yàn)室也在進(jìn)行水下膠帶和保護(hù)性自封袋的水下包裝提取法實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)實(shí)施了碳纖維結(jié)合環(huán)氧膠復(fù)合材料對水下文物進(jìn)行打包的研究，相關(guān)的加固提取工藝流程也在進(jìn)一步優(yōu)化中，希望能為我國水下考古提供新的應(yīng)用技術(shù)。

（四）化學(xué)提取法

化學(xué)提取法是指采用流動性好的加固材料覆蓋于提取物本身或者提取物及其周邊區(qū)域之上，等到材料在水下滲透，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而凝固或硬化之后，再將其整體提取到水面的方法。

早期的化學(xué)提取法一般是利用可在水下凝固的化學(xué)材料，例如石膏來固定和提取易碎的陶瓷文物。做法是將文物及其周圍物體用布料等進(jìn)行包裹，然后將石膏等倒在包裹物上，等石膏硬化之后將整個硬塊轉(zhuǎn)移到水面上[22]?；瘜W(xué)提取方法的主要問題在于，加固材料可能在水下永久殘留，從而對水下環(huán)境造成不利影響。

SASMAP項(xiàng)目曾采用了一種適用于化學(xué)提取的高吸水性聚合物——煤膠體（Carbogel）[23]。其成分為中性聚丙烯酸樹脂，可以吸收水和沉淀物，具有可控的分子膨脹度和硬度。通過改變交聯(lián)劑就可以改變聚合物的性質(zhì)，包括在水中凝固的時間、聚合物膨脹的體積、水凝膠的硬度等。使用時將聚合物裝入防水盒中帶到水下，使其分布在所需要提取的整個區(qū)域。當(dāng)水和沉積物與其發(fā)生反應(yīng)之后，脆弱文物和沉積物被凝膠塊所包圍，之后可以整體提取到岸上。在實(shí)驗(yàn)室中，通過控制水溶液中的離子濃度可以逆轉(zhuǎn)凝膠形成的反應(yīng)過程，使凝膠塊溶解而不會損壞文物。在意大利那不勒斯Baiae水下遺址公園，研究人員進(jìn)行了相關(guān)的提取實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。

浙江大學(xué)文物保護(hù)材料實(shí)驗(yàn)室在陸上考古薄荷醇臨時固型技術(shù)的啟示下，通過篩選已找到一類密度大于水且不溶于水的環(huán)保香料材料—藜蘆醛，該材料能夠在水中黏結(jié)砂土，以及鐵、陶、木等文物介質(zhì)，材料加熱熔融后能夠在較低的水溫下保持足夠長的結(jié)晶固化時間。為了提高材料在水下各文物介質(zhì)表面的潤濕性，并滿足水下黏結(jié)強(qiáng)度需要，我們還開發(fā)了一種聚丙烯纖維布，水下熔融的固型材料能夠在該纖維布上展鋪，將破碎的文物介質(zhì)和周邊沙土在不改變位置關(guān)系的前提下黏結(jié)包裹成一體，然后可整體提取至水面（圖4）。

最后，臨時固型材料能夠在空氣中完全去除干凈，使破碎文物在保持水下分布狀態(tài)的前提下完整地搬遷到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行修復(fù)或展示。該工作已完成材料學(xué)基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)室小試，能夠成功地將破碎瓦片、瓦罐、散珠等水下散亂文物模擬樣品臨時固型，并整體提取到水面，恢復(fù)原狀（圖5）。相關(guān)研究的具體細(xì)節(jié)可參閱我們發(fā)表在《Archaeometry》上的文章[24]。目前正進(jìn)一步改進(jìn)配方、完善操作程序和擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)，希望為水下脆弱文物現(xiàn)場整體固型提取提供新方法[25]。

結(jié)語

本文以水下古代沉船以及散落在水下的船載文物或其他遺跡的提取技術(shù)為例，綜合敘述了目前國內(nèi)外水下文物提取技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的概況，包括各種技術(shù)的工作原理、適用條件與優(yōu)缺點(diǎn)等。對于水下古代沉船主要有潛水式打撈、圍堰式打撈、浮筒打撈法和沉箱打撈法等方法；對于散落水下的船載文物或其他遺跡的提取主要有直接提取法、機(jī)械提取法、包裝提取法和化學(xué)提取法等方法。各種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性，具體采取哪種提取方式，應(yīng)該在綜合考慮各方面因素的基礎(chǔ)上做到因時制宜、因地制宜、因事制宜，本文僅僅是提供思路與參考。

無疑，脆弱文物水下加固與安全提取是水下考古的一項(xiàng)必要的研究內(nèi)容[26]，但是目前國內(nèi)外關(guān)于水下文物提取技術(shù)的研究相對來說還很少，需要我們共同努力，為發(fā)展我國水下文化遺產(chǎn)保護(hù)科技提供支撐。