青海同德宗日遗址出土铜器的初步科学分析
青海同德宗日遗址出土铜器的初步科学分析[1]
徐建炜1 梅建军1 格桑本2 陈洪海3
（1．北京科技大学冶金与材料史研究所；2．青海省文化厅；3．西北大学文博学院）
宗日遗址位于青海省同德县巴沟乡，具体位置在县城以西约40km处，北依目杨龙瓦和塔拉龙山，南临黄河。1994—1996年，青海省文化厅文物管理处组织考古队对该遗址进行了正式发掘，共开挖探方31个，清理墓葬341座、灰坑18个和祭祀坑18个。出土文物有23000余件，包括陶器、石器、骨器和铜器等，其中墓葬中出土铜环、铜饰等共计7件，其他遗址单位也有少量铜器出土，出土铜器的详细情况见表1。[1]初步研究已表明，宗日遗址是中国西北地区新石器时代晚期马家窑文化·宗日文化至早期青铜时代齐家文化的一处重要遗址。据14C测定，其绝对年代在5600～4000a B. P. 之间。就目前掌握的资料来看，该遗址出土的铜器总数当在10件以上。尽管铜器数量不是很多，但考虑到宗日遗址所处的地理位置和时代，这批铜器资料对研究中国西北地区早期冶金意义重大。鉴此，我们对宗日遗址出土的部分铜器进行了初步的科学分析，以揭示这批铜器的技术特征，从而为进一步探讨中国西北早期冶金的发展提供新的分析资料或依据。
表1 青海宗日遗址已知出土铜器统计表
续表
1 样品及分析方法
本次共获得铜器样品3件，分别来自铜饰残片、铜器残片（似铜刀）和铜环（表2）。由器物原号可知，这3件样品均出自探方，而非墓葬。根据其所在地层，初步判断它们均属齐家文化时期的遗物。
表2 青海宗日遗址铜器样品登记表
分析方法主要有两种：一是采用金相显微镜观察样品的金相组织，以获取其制作工艺方面的信息；二是采用扫描电子显微镜及配置的能谱仪对样品进行观察和化学成分分析，以获取其材质及夹杂物等方面的信息，可简称为电镜成分分析。
考虑到宗日遗址的3件铜器样品除铜环外均严重锈蚀，故制样时选择从中间位置一分为二，力求找到残余的金属；然后选取一个合适的截面进行镶嵌、打磨和抛光，并用4%的三氯化铁盐酸酒精溶液对样品进行侵蚀，以显示其金相组织；最后使用莱卡（Leica）DM4000M显微镜对样品的金相组织进行观察并拍照。同一样品经重新打磨、抛光后，即可送入电镜进行观察和成分分析。需要说明的是，电镜成分分析是一种微区成分分析，一般需要对几处不同位置分别进行测定，而后取其平均值作为该样品的成分。
2 实验分析结果
在3件宗日遗址的铜器样品中，由于锈蚀严重，仅对其中2件进行了金相组织观察，并记录结果（表3）。需要说明的是，样品ZR001为锈蚀后残留的显微组织，未经侵蚀处理，而样品ZR003为金属的金相组织。
表3 宗日遗址出土铜器的金相组织观察结果
分析可知，被观察的2件样品均为铸造成型。样品ZR001虽然锈蚀严重，但残余的金相组织结构仍清晰可见，尤其是呈岛屿状的γ相偏析组织。样品ZR003金相组织明显为枝晶偏析组织，可见少量的灰白色γ相。
采用扫描电镜能谱仪对宗日遗址的3件铜器样品进行了化学成分分析（表4）。需要说明的是，对已经严重锈蚀的样品，成分分析仅有定性的意义，分析结果，锈蚀样品（即ZR001和ZR002）的分析数据是去掉O、Cl等元素后进行归一化处理得出的，仅供参考。
表4 宗日遗址出土铜器的成分分析结果
分析可知，宗日遗址出土的3件铜器样品均含有砷（As），是非常值得注意的现象。样品ZR001因锈蚀，已无金属光泽，但考虑到其O和Cl含量很低，说明锈蚀程度相对也低，分析结果显示，As的质量分数高达26.42%，实际含量应该要低一些，但根据其残留金相组织所显示的大量γ相估计，应该不会低于10%。值得注意的是，这件样品还含有少量的铁和硫，显示出与另2件样品的明显不同。样品ZR002已完全锈蚀，故其As含量究竟为多少已无法知晓，值得注意的是其含有锡，与其他2件样品明显有别，这件样品的材质有可能是Cu-Sn-As三元合金。样品ZR003仅有轻微锈蚀，是唯一残存有金属的样品，其成分分析结果具有定量意义，分析结果表明砷的质量分数为7.03%，当为Cu-As合金。由此看来，宗日遗址出土铜器中存在砷铜应是确定无疑的。
3 讨论
3.1 宗日遗址出土铜器的制造技术特征
由以上的实验结果可以看出，宗日遗址出土早期铜器的一个最大特点就是含较高的As；其次是3件分析样品的化学成分并不相同，如ZR001不仅含有As，还含较多的杂质元素Fe和S，而ZR002则含有少量的Sn。由此可以推断，宗日遗址出土这3件铜器或有不同的来源。虽然检测结果显示所有铜器全部为合金铜，但合金成分含量并不稳定，同时还有不少的杂质存在，似表明当时可能还处于铜器制造技术的早期阶段。
制作工艺方面，目前有两件可以判断其制作工艺的器物均为铸造成型，可见在宗日遗址的齐家文化时期，铸造技术可能是一种较常用的成型技术。是否存在其他的加工工艺，尚且待更多铜器样品的分析检测。
3.2 宗日遗址砷铜器物发现的意义
从世界范围来看，砷铜是早期铜器发展的一个重要阶段，它是人类最早使用的一种铜合金，早在公元前4000年前后，伊朗的Susa地区就已使用砷铜，[2]直到公元前2200年砷铜才逐渐被锡青铜所取代。在中国，砷铜主要出现在我国西北部的甘肃和新疆两地，具体也就是四坝文化的玉门火烧沟遗址、[3]酒泉干骨崖墓地、民乐东灰山墓地和新疆东部的哈密天山北路墓地[4]等。早有学者指出过齐家文化铜器中可能存在砷铜，但在考古出土的齐家文化铜器中检测到砷铜尚属首次，其意义非常重大：首先，这是首次以科学分析的证据肯定齐家文化铜器中存在砷铜器物，且是迄今在中国西北地区发现的年代最早的砷铜；其次，这是首次证实砷铜在青海东部地区的存在，从而扩展了早期砷铜在中国西北地区使用和分布的范围。
齐家文化是中国西北地区早期青铜时代一个重要的考古学文化，其在迄今为止集中出土早期铜器的考古学文化中是年代最早的。就目前已有的考古发现而言，除宗日遗址外，至少还有14处齐家文化遗址有铜器出土，如青海贵南尕马台（49件），甘肃武威皇娘娘台（30件）、武威海藏寺（12件）、积石山县新庄坪（12件）、永靖县秦魏家（8件），青海互助总寨（4件）、临夏魏家台子（1件）和康乐商罐地（1件）等；铜器出土总数已超过130件，种类包括刀、斧、锥、环、匕和镜等。[5]
对齐家文化铜器的研究可大致划分为两个阶段。1993年前，重点在揭示齐家文化铜器的时代与技术特征。1981年，安志敏指出齐家文化遗址出土铜器绝不是个别现象，认为齐家文化的晚期已进入青铜器时代。[6]北京钢铁学院冶金史组报告了7件齐家文化铜器的分析结果，即广河齐家坪2件、武威皇娘娘台2件、永靖秦魏家3件，加上文献中已报道过的5件（即武威皇娘娘台2件、永靖秦魏家1件、永靖大何庄1件和青海贵南尕马台1件），共计12件；其中红铜7件、锡青铜4件、铅青铜1件。[7]1987年，张忠培探讨了齐家文化制铜业的发展，根据皇娘娘台4件铜器的分析均为红铜，而该遗址年代较早，提出齐家文化可能独立走过了由纯铜到青铜的技术发展过程。[8]
1993年，安志敏首次提出齐家文化可能经史前时期的“丝绸之路”，首先接触到铜器的使用，并影响及龙山文化。[10]2000年，梅建军在其博士论文中，支持中国西北早期青铜文化受到欧亚草原文化影响的观点，并提出这种影响是经新疆进入河西走廊的。[11]在随后数年发表的多篇论文中，他进一步探讨了中国西北与欧亚草原联系的模式与机制问题，指出草原文化的影响是多元的、间接的和不连贯的，并涉及很多中间环节；同时强调，既要注意西北地区早期铜器与欧亚草原青铜文化联系，也要看到铜镜、带援铜刀、镂空牌饰和蝶形牌饰等造型独特器物的存在，因为这暗示着中国西北地区早期铜器发展的某种独特性，或与区域技术创新有关。[12]2005年，李水城指出中国西北地区早期冶铜业的发达是与中亚地区保持文化互动为前提的。根据铜器材质演进上的差异，他提出划分东西两大冶金文化区：东区以龙山—二里头文化、齐家文化为代表，由红铜直接发展到锡青铜；西区以四坝文化和天山北路文化为代表，由红铜到砷铜再发展到锡青铜。[13]对此，刘学堂、李文瑛表达了不同看法，认为齐家与四坝铜器应该同属于他们新提出的“西北青铜文化圈”，而不应以砷铜有无，将它们分属于两个文化区。[14]与分区及区域互动研究相呼应的是科学分析研究，主要进展见于孙淑云、韩汝玢1997年的论文《甘肃早期铜器的发现与冶炼、制造技术的研究》，其中报告了部分齐家文化铜器最新的分析结果，包括武威皇娘娘台9件，均为红铜；永靖秦魏家1件，为锡青铜；广河西坪1件，为红铜。至此，经科学分析的齐家文化铜器达到23件，其中红铜18件、锡青铜3件、铅青铜1件、铅锡青铜1件。[15]
由以上对齐家文化铜器的科学分析可知，之前所检测的齐家文化铜器主要是红铜和青铜，并且随着时间的推移青铜制品越来越多。如时代较早的武威皇娘娘台和永靖大何庄的出土铜器以红铜为主，而时代较晚的临夏魏家台子和康乐商罐地遗址则出土的是青铜器。[16]因此，有多位学者不止一次地提出了齐家文化冶铜技术的演变历程是从制作红铜发展到冶炼锡青铜的观点。[17]然而，宗日遗址砷铜器物的发现显然对这一认识提出了挑战，逼迫我们从新的视角来思考齐家文化铜器技术的演进历程。不仅如此，考虑到宗日遗址出土砷铜器物的年代较河西走廊的四坝文化和新疆东部的天山北路遗址略早一些，如何认识这些文化遗存间的关系也成了新问题，也就是说，这些文化或遗址间究竟是否存在文化联系或技术交流？如果存在，又是如何实现的呢？这些都将是我们下一步研究工作的重点。
4 结论
通过对青海省同德县宗日遗址出土的3件齐家文化铜器进行科学检测分析研究，本文得出以下两点结论：
第一，本次检测的3件宗日遗址铜器均为含As的铜合金，有2件Cu-As，其中一件含少量的Fe和S；另1件很可能是Cu-As-Sn。铜器的制作工艺主要是铸造成型，但不排除其他加工工艺的存在。初步看来，宗日遗址齐家文化时期的铜器制作技术可能尚处于早期阶段。
第二，本次在宗日遗址发现砷铜具有非常重大的意义。这不仅是中国西北地区迄今所知年代最早的砷铜，而且这也是在青海地区的首次发现，是在齐家文化铜器中的首次发现。这一重大的新发现也为我们提出了新的学术课题：首先，必须重新思考齐家文化铜器材质的特征以及齐家文化时期冶铜技术演进历程的问题；其次，砷铜技术的来源比我们预想的要复杂得多，就现在的材料而言还难以说清，有待今后更深入的研究。
致谢：本文的研究工作得到了青海文物考古研究所许新国所长和相关研究人员的支持和帮助，北京科技大学冶金与材料史研究所孙淑云研究员和刘建华老师在实验方面给予了热情指导与帮助，谨此一并致谢！
2010年4月
参考文献
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[17] 李水城. 西北与中原早期冶铜业的区域特征及交互作用[J]. 考古学报，2005（3）；孙淑云，韩汝玢. 甘肃早期铜器的发现与冶炼、制造技术的研究[J]. 文物，1997（7）；张忠培. 齐家文化研究[J]. 考古学报，1987（1/2）.
Abstract
A total of more than 10 early bronze wares of Qijia Culture are excavated at Zongri Site, which hold an important position in the research on China’s early metallurgy. A scientific study on the 3 bronze wares unearthed at Zongri Site shows that the arsenical content of all samples are comparatively high, so it is confirmed that arsenical copper is unearthed at Zongri Site. The discovery of arsenical copper in the site is not only the earliest in age in Northwest China, but also the first discovery in the bronze wares of Qijia Culture, therefore it is of great significance to the study on China’s early metallurgy.
图版
1．铜器；2～4．铜环；5．铜饰残片；6．铜器残片；7．铜环；8．ZR001金相照片；9．ZR003金相照片（图1～4来自《宗日遗址文物精粹及论述选集》，图5～9为作者所摄）
【注释】
[1] 本项目得到国家科技支撑计划项目“中华文明探源工程”（二）的资助。