陜西周原賀家遺址出土車馬器工藝調(diào)查及數(shù)字化復(fù)原

黃曉娟，嚴(yán) 靜，范娟娟，杜冠博，陳 剛，王占奎，王麗琴

(1.西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安 710127；2.陜西省考古研究院，陜西 西安 710054；3.中國工農(nóng)紅軍西路軍紀(jì)念館，甘肅 張掖 734300；4.淄博市博物總館，山東 淄博 255100)

周原遺址位于陜西岐山縣和扶風(fēng)縣北部,是周文化的發(fā)祥地和商滅之前周人的居住地。賀家遺址位于周原遺址區(qū)內(nèi),在鳳雛遺址南側(cè),是周原遺址區(qū)的重要組成部分。2014年3月,發(fā)掘清理了賀家北區(qū)域內(nèi)一座車馬坑[1],該車馬坑呈東西走向,年代為西周中晚期。經(jīng)現(xiàn)場初步清理,馬車上不僅有銅質(zhì)車輪牙,而且有鑲嵌綠松石的車馬器,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最豪華的西周車馬坑考古發(fā)現(xiàn)之一,也是周原考古發(fā)掘的重大成果之一。它不僅對古代馬車結(jié)構(gòu)的研究和商周墓葬習(xí)俗的研究具有重要意義,而且有助于了解周邊地區(qū)聚落的變化[2]。鑒于此車馬坑的重要性,在專家多方論證形成保護(hù)方案的基礎(chǔ)上,將其整體提取,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精細(xì)化清理。

對西周時期的車馬坑和車馬器,以往的研究多集中在車馬的埋葬制度和特點(diǎn)[3-5]、車馬器的制作技術(shù)及工藝發(fā)展[6-8],研究結(jié)果多服務(wù)于對車馬器埋葬情況所反映等級制度的解讀，以及對青銅車馬器的保護(hù)。對于鍍錫青銅器的研究,也多側(cè)重于古代兵器鍍錫方法的工藝考察和模擬實(shí)驗(yàn)方面[9-12]。本研究是在對車馬坑出土的車馬器保護(hù)修復(fù)的過程中,開展了青銅器成型工藝、表面鍍錫工藝，以及綠松石鑲嵌工藝的研究。再結(jié)合車馬坑清理過程中運(yùn)用多光譜照相、三維掃描、延時攝影、高清照相、顯微照相等多種科技手段所積累的數(shù)字化信息,對車馬器及馬車進(jìn)行了數(shù)字化復(fù)原,為后期車馬器的實(shí)物復(fù)原提供數(shù)據(jù)參考。

1 樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本研究所用樣品取自賀家遺址出土車馬坑中的車器和馬器殘塊,包括馬絡(luò)飾、韅飾、馬面裝飾組件、車廂后板和側(cè)板上的銅裝飾件。所取樣品的詳細(xì)信息見表1和圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品基本信息Tab.1 Basic information of the samples

圖1 部分樣品的取樣部位Fig.1 Sampling position of main samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及儀器

樣品經(jīng)冷鑲樹脂包埋、磨拋后,用三氯化鐵鹽酸溶液進(jìn)行侵蝕,在金相顯微鏡下觀察金相組織結(jié)構(gòu),然后對樣品重新拋光、噴碳,進(jìn)行形貌觀察和成分分析。

金相實(shí)驗(yàn)利用德國ZEISS公司生產(chǎn)的AxioLab.A1型偏光材料顯微鏡對樣品進(jìn)行了金相組織觀察。

成分分析利用TESCAN公司生產(chǎn)的Vaga-III型鎢絲燈掃描電子顯微鏡對拋光后的青銅器金相樣品進(jìn)行了背散射電子相觀察。實(shí)驗(yàn)條件:高真空,加速電壓為20 kV,工作距離WD=15 mm。同時,利用其配置的Oxford X-act能譜儀進(jìn)行無標(biāo)樣成分測定。

X光照相采用意大利GILARDONI公司ART-GIL 350/6型固定式X光機(jī),最大管電流為5.5 mA,電壓為120 kV。成像采用德國SXWBZX公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型數(shù)字成像系統(tǒng)。

三維掃描采用FreeScan X53D掃描儀,掃描光源為激光線對X5+1,Class II。掃描速度:350 000次/秒,測量精度:最高0.030 mm,體積精度:0.020+0.080 mm/m,擴(kuò)展測量配套方案:DigiMetric攝影測量系統(tǒng)。工作距離:300 mm,景深:250 mm,測量范圍(物件尺寸):0.1～8.0 m,可擴(kuò)展。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相分析結(jié)果

樣品的金相組織照片見圖2,3,金相觀察結(jié)果如表2所示。金相分析顯示,所分析的9件器物可分為2類,6件馬器為厚壁鑄造組織銅器,3件車廂裝飾件為薄壁熱鍛組織。前者平均厚為1.5～3.5 mm,(α+δ)共析體較為細(xì)小,存在少量硫化物夾雜和自由銅顆粒,少量樣品基體內(nèi)有純Cu析出,部分樣品的α固溶體出現(xiàn)受熱均勻化現(xiàn)象,均為鑄造成型(見圖2)。車廂裝飾件樣品基體平均厚度為220 μm,基體內(nèi)存在滑移線、孿晶和等軸晶組織,彌散分布少量細(xì)小的Pb顆粒,均為熱鍛成型(見圖3)。

圖2 鑄造組織的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic photos of casting structure

同時，在薄壁和厚壁青銅車馬器的表面均發(fā)現(xiàn)亮銀灰色富錫層,掃描電鏡和金相顯微鏡觀察均表明富錫層厚度小于10 μm,錫層連續(xù)性不好(見圖4),局部已脫落或鍍錫層本身就不均勻,很可能采用了熱鍍錫工藝。這種現(xiàn)象在其他西周遺址出土的鍍錫銅器中也有發(fā)現(xiàn)。

圖3 熱鍛組織的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photos of hammering structure

圖4 薄壁樣品ZYHJ-II-1表面富錫層背散射照片和金相照片F(xiàn)ig.4 BSE and Metallographic photos of the sample ZYHJ-II-1

表2 金相組織觀察結(jié)果Tab.2 Result of Metallographic observation

2.2 成分分析結(jié)果

賀家遺址車馬器樣品能譜分析結(jié)果見表3。由表3可知,樣品基體的主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Cu 80.64%～87.65%,Sn 12.35%～18.34%,Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,最高為2.93%,大都低于0.8%,故樣品質(zhì)地為銅錫二元合金。

表3 樣品EDS分析結(jié)果Tab.3 Result of EDS

2.3 表面裝飾工藝調(diào)查結(jié)果

2.3.1 薄壁銅獸面的制作工藝 裝飾在馬車后車廂板上的浮雕鍍錫銅獸面紋飾的凹凸幅度較大,測量其厚度為0.83～0.91 mm,眼部最深處18.81 mm,眉部最深處15.11 mm,下頜處最深15.98 mm,耳部最深處10.85 mm,鼻部最深處20.65 mm,紋飾最深處深度達(dá)到20.65 mm。結(jié)合測量結(jié)果、高清照片，以及X光照片,可以觀察到銅獸面的眉、眼、鼻、耳處的工藝特別精湛(見圖5)。在X光照片中可以觀察到紋飾較深的眼、眉和鼻部位白色較淺,說明紋飾較深,器壁薄。除了浮雕的獸面紋,在獸面鼻梁上部、獸面兩側(cè)突出的部位還可觀察到較淺的紋飾,這些紋飾可能是成型后刻劃的紋飾,也可能是因?yàn)橛媚ゾ邲_壓時紋飾雕刻的較淺而形成的。

圖5 車后廂板上裝飾的薄壁銅獸面的X光照片F(xiàn)ig.5 X-ray photo of the monster face decoration

2.3.2 車馬器表面裝飾綠松石形狀、尺寸調(diào)查 周原賀家出土西周銅質(zhì)車馬器中鑲嵌綠松石的器物為鑄造的青銅器,器壁較厚。綠松石的形狀完全是按照凹槽的形狀制作的,在清理過程中,通過比對與歸類,發(fā)現(xiàn)凹槽內(nèi)綠松石的形狀多樣,其中,典型代表的形狀包括:長方形、大頭長條形、橢圓形、梯形、三角形和扇形(見圖6)。長方形的綠松石鑲嵌數(shù)量最多;大頭長條形的綠松石基本是鑲嵌在凹槽的開始端,或在凹槽的兩端;扇形綠松石一般是鑲嵌在凹槽的轉(zhuǎn)折處和弧形、圓環(huán)形的凹槽內(nèi);梯形形狀的綠松石鑲嵌在衡末飾三角形凹槽內(nèi);三角形綠松石一般根據(jù)凹槽的形狀鑲嵌在凹槽末端的尖形凹槽內(nèi);橢圓形綠松石中包括橢圓形和類似圓形2種。

為深入了解綠松石的排布規(guī)律,選取具有明確脫落部位的散落綠松石,用游標(biāo)卡尺測量脫落綠松石的長、寬、厚,以及綠松石脫落部位的凹槽的深度。共選擇了不同類型器物上71個脫落位置明確、形狀完整的綠松石的長、寬、厚，和銅器上綠松石脫落部位凹槽的深度進(jìn)行測量與統(tǒng)計(jì)(見表4)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,綠松石的長度最大值為18.82 mm,最小值為2.00 mm,平均值為4.91 mm,長度主要集中在3.00～6.00 mm之間;綠松石的寬度最大值為10.54 mm,最小值為1.56 mm,平均值為2.95 mm,寬度主要集中在1.56～3.55 mm之間;綠松石的厚度最大值為1.91 mm,最小值為0.53 mm,平均值為0.89 mm,厚度主要集中在0.53～1.12 mm之間。綠松石脫落部位凹槽的深度最大值為3.98 mm,最小值為1.77 mm,平均值為2.55 mm,主要集中在2.0～2.89 mm之間,凹槽深度基本是綠松石厚度的2倍。器物CH：1和CH：2不屬于馬飾件,與其他器物數(shù)值差異較大。

2.3.3 綠松石的鑲嵌工藝調(diào)查 通過常規(guī)觀察和顯微觀察,發(fā)現(xiàn)鑲嵌綠松石銅器的表面大多比較光滑,顯微觀察韅飾和馬面裝飾件的表面加工痕跡明顯,韅飾的凹槽邊緣整體有不規(guī)則的鑄造缺口(見圖7A,B),但表面較平整,馬面凹槽紋飾邊緣有垂直于凹槽方向的打磨痕跡,痕跡的朝向基本為同一方向。對鑲嵌的凹槽紋飾進(jìn)行顯微觀察,發(fā)現(xiàn)紋飾剖面呈V字形(見圖7C),V字底部比較圓滑,且兩邊不對稱,外側(cè)傾斜度大，內(nèi)側(cè)傾斜度小,這種向一側(cè)傾斜的設(shè)計(jì)方式有利于澆鑄后脫模;圖7D發(fā)現(xiàn)了2條交錯不連續(xù)的紋飾,且2條線錯開的地方紋飾細(xì)淺且尖端比較尖銳。王靜藝在“商周青銅器鑄后工藝研究”中[13],就表明在商周時期,青銅器鑄造后經(jīng)常會在表面打磨修整,對紋飾部位也會出現(xiàn)鏨刻和打磨的痕跡。綠松石的形狀完全是按照銅飾件上凹槽的形狀制作,鑲嵌密實(shí),基本與銅飾件的表面成一個平面(見圖7E)。在銅飾件和綠松石的表面都有打磨痕跡,但不同的是，綠松石表面的打磨痕跡是規(guī)則的朝著一個方向傾斜,而銅飾件表面的打磨痕跡比較雜亂(見圖7F)。說明這些打磨痕跡不是同時產(chǎn)生的,綠松石應(yīng)該是在鑲嵌之前就已經(jīng)打磨平整了。鑲嵌凹槽呈梯形(見圖7G),上面大下面小,測量表明，凹槽的深度大于綠松石厚度的2倍,綠松石底部有1層填充料。在馬面綠松石脫落部位可觀察到填充物,且表層依稀可以看到琥珀色和黑色發(fā)亮的膠質(zhì)物(見圖7H)。

圖6 典型綠松石鑲嵌Fig.6 Typical shapes of turquoise inlay

表4 綠松石尺寸測量表Fig.4 Size of the turquoise

續(xù)表4

圖7 綠松石鑲嵌工藝顯微觀察Fig.7 Micro-observation of the turquoise inlay

根據(jù)微觀痕跡觀察結(jié)果,鑲嵌綠松石制作工藝步驟為:首先,在鑄造的時候，利用翻模的方法鑄造出凹槽,脫模對凹槽局部進(jìn)行鏨刻、打磨、修整。其次,把綠松石根據(jù)凹槽的形狀進(jìn)行切割和打磨,制作成規(guī)則光滑的小片。接著,使用某種質(zhì)地較軟的填充料,填充在凹槽內(nèi),厚度大于凹槽深度的一半。最后,在填充物表面施以少量膠料,把綠松石固定在凹槽內(nèi),使得綠松石表面和銅器表面在一個平面上。

以上的制作工藝調(diào)查,為車馬器的數(shù)字化復(fù)原和實(shí)物復(fù)原積累了可靠的信息資料。鍍錫層的確定,可推斷其原本的顏色應(yīng)該是亮銀灰色,為后期數(shù)字化復(fù)原的器物外觀提供了資料依據(jù)。表面鑲嵌工藝的調(diào)查,明確了綠松石的鑲嵌方法和切割剪裁形式,這也是后期復(fù)原鍍錫青銅器上的綠松石裝飾的依據(jù)。同時,工藝調(diào)查結(jié)果也是將來實(shí)物復(fù)原中,工藝路線制定的前提條件。成分分析確定了合金組成,為后期實(shí)物復(fù)原的合金配比確定了范圍。鑲嵌槽的制作是在鑄造銅器時就已經(jīng)預(yù)留出來了,將來在進(jìn)行實(shí)物復(fù)原時,會以此為根據(jù),在鑄造銅器時鑄出凹槽,供鑲嵌綠松石所用。

3 有據(jù)數(shù)字化復(fù)原

文物的數(shù)字化復(fù)原是基于前期工藝調(diào)查的結(jié)果和文物的三維數(shù)字模型和照片,通過三維模型軟件中的復(fù)制、旋轉(zhuǎn)和鏡像,以及紋理映射等功能實(shí)現(xiàn)殘損部位的幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)和紋理映射,不僅提高了殘損文物修復(fù)的準(zhǔn)確性,同時為文物的博物館展示提供了新的資料和內(nèi)容。

3.1 銅件的三維掃描

三維數(shù)據(jù)采集是開展復(fù)原工作的基礎(chǔ)。目前,應(yīng)用于文物三維數(shù)據(jù)采集的技術(shù)有三維激光掃描技術(shù)、近景攝影技術(shù)、光柵掃描技術(shù)和CT技術(shù)[14-16]。本研究選取了三維激光掃描技術(shù)和高清攝影技術(shù)2種方法對車馬坑進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)采集。

鑒于文物保護(hù)的特殊需要,不能在文物表面涂覆顯像劑,只能給被測物體貼標(biāo)記點(diǎn)來完成掃描工作。貼標(biāo)記點(diǎn)的作用是讓每次掃描的數(shù)據(jù)更完整,每一次采集都應(yīng)至少識別出3個標(biāo)記點(diǎn),作為拼接數(shù)據(jù)的依據(jù)。在貼標(biāo)記點(diǎn)時應(yīng)注重以下2點(diǎn):①在貼標(biāo)記點(diǎn)之前,應(yīng)明確標(biāo)記點(diǎn)貼附位置,例如，被掃描的器物上,器物周圍,或兩者都貼。貼在器物表面的優(yōu)點(diǎn)是可以自由的移動器物,缺點(diǎn)是會稍微影響被標(biāo)記點(diǎn)覆蓋的表面的3D數(shù)據(jù)。貼在器物周圍雖不影響物體表面的3D數(shù)據(jù),但是在整個采集過程中,要保持被掃描物體與周圍貼著標(biāo)記點(diǎn)的部位之間不能發(fā)生相對移動。由于被掃描的車馬器多為扁平物體,為了保證采集精度,需要在器物表面和周圍都粘貼標(biāo)記點(diǎn)。②標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)無規(guī)則的分布在被測物體的表面,且在相機(jī)窗口中清晰可見。標(biāo)記點(diǎn)不能貼在一條直線上,應(yīng)成V型分布。

利用手持式三維掃描儀,通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤改變被掃描器物的不同位置,進(jìn)行全方位掃描,得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。先對每個類別的車馬器進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集,再對有紋飾的部位及鑲嵌綠松石的部位進(jìn)行細(xì)節(jié)的精細(xì)掃描。多角度和長時間的掃描,可以獲得精確的三維數(shù)據(jù)。完成采集后,利用DigiMetric攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到掃描件的高精度三維模型(見圖8)。利用文物的對稱性,在軟件中實(shí)現(xiàn)鏡面堆成效果,從而對殘缺部分進(jìn)行數(shù)字復(fù)原。

圖8 部分車馬器三維掃描模型Fig.8 3D modes of some bronze decorations

3.2 高清照相

對于面積較大的器物,為了得到器物上每處紋飾的細(xì)節(jié)照片,對每件器物進(jìn)行微區(qū)(5 cm×5 cm)攝影,拍攝時相機(jī)與器物表面保持垂直角度。每拍攝1張,利用坐標(biāo)尺校對范圍從左至右、從上到下移動相機(jī),直至把器物的每個部分都拍攝到。然后利用繪圖軟件進(jìn)行處理，拼接組成完整的高清晰度的圖片(見圖9),作為后期模型貼圖的基礎(chǔ)素材。

圖9 青銅獸面裝飾的高清照相圖片F(xiàn)ig.9 High-resolution photo of the bronze monster mask

3.3 數(shù)字化復(fù)原

前期工藝調(diào)查明確了文物的表面鍍錫工藝和鑲嵌工藝,為了復(fù)原文物埋葬前的形狀、顏色,在三維模型的基礎(chǔ)上,以清理出的鍍錫器物局部的顏色為基調(diào),模擬復(fù)原了各個裝飾件及整個器物裝飾在馬車上的圖像。

首先，提取高清照片中有鍍錫表面的器物顏色,結(jié)合照片中紋飾的細(xì)節(jié),對修復(fù)后的三維模型在Autodesk mudbox軟件中進(jìn)行紋理貼圖處理,復(fù)原每件器物的完整圖像(見圖10)。然后，結(jié)合車馬坑清理時得出的馬車各部位裝飾件的位置和裝飾方法,將每件器物復(fù)原至馬車模型的相對位置,從而實(shí)現(xiàn)西周“第一豪車”的數(shù)字化復(fù)原圖像(見圖11)。

圖10 車馬器及銅獸面的數(shù)字化復(fù)原圖Fig.10 Digital reconstruction of bronze decorations

圖11 數(shù)字化復(fù)原的鍍錫青銅車馬器和馬車Fig.11 Digital reconstruction of the chariot

4 結(jié)語

對周原賀家遺址出土的車馬器進(jìn)行了制作工藝調(diào)查與有據(jù)復(fù)原。通過各類分析技術(shù)明確了車馬器為鍍錫青銅器,基體成分為Cu-Sn二元合金,表面鍍錫層較薄,連續(xù)性不好,采用熱鍍錫的可能性較大。鑲嵌綠松石的裝飾工藝為先鑄造出器物和凹槽,再根據(jù)紋飾需要切割打磨綠松石的形狀,可能使用了膠質(zhì)材料和填充物質(zhì)將綠松石固定在凹槽內(nèi)。利用三維掃描技術(shù)、高清攝影技術(shù)并結(jié)合前期研究結(jié)果,對車馬器進(jìn)行了精細(xì)數(shù)字化復(fù)原,利用三維模型數(shù)據(jù)結(jié)合高清照相,制作出器物詳細(xì)的紋飾,最后模擬出未經(jīng)銹蝕物覆蓋的鍍錫表面。根據(jù)車馬坑清理時各個車馬器的裝飾位置信息,復(fù)原出帶有鍍錫銅器裝飾的馬車。本研究充分利用發(fā)掘文物的信息,不僅使文物得到了有效保護(hù),同時也使文物遺跡“活”起來,使觀眾能更直觀地了解古代馬車的形制和裝飾方法。本研究為馬車的實(shí)物復(fù)原積累了大量數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)文物的有據(jù)復(fù)原,為同類工作的開展提供了技術(shù)參考。