四川盐源地区出土青铜钺的科学分析
四川盐源地区出土青铜钺的科学分析
王文君1 李晓岑1 覃椿筱1 刘弘2
（1．北京科技大学冶金与材料史研究所；2．四川省凉山彝族自治州博物馆）
1 引言
盐源位于四川省凉山彝族自治州西南部，靠近云南东北部，自西汉武帝元鼎六年（公元前111年）设定笮县，至清更名为盐源县。20世纪80年代以来，盐源县发现了大量战国至西汉的古墓葬，同时也发现了大量包括金属器、陶器、石器等在内的具有鲜明特色的器物。盐源出土兵器种类繁多，有剑、戈、钺、矛、刀等，其中铜钺占了较大比例。
笔者对盐源地区出土的铜钺进行取样分析，旨在为古代盐源地区青铜制作技术的研究提供参考，并为该地区与周边地区文化交流情况的研究提供帮助。
2 样品介绍与试验方法
选取盐源地区出土的8件铜钺作为研究对象进行科学分析，其中3件为2011年2月从梅雨镇八家村古墓中抢救性发掘出土的，其余5件为征集而来，年代信息不明确，只能大致判断范围为战国至西汉年间。样品详情见列表（表1）。
表1 铜钺样品明细
Tab1. Copper axe sample list
续表
遵循不影响器物外观的原则，在器物不同部位的残破口取少量样品，其中1837号及1842号铜钺分别在銎部和刃部取样，在北京科技大学冶金与材料史研究所实验室制作样品，割取适当大小的样品横截面，共制成10个样品，随即对样品进行分析。
金相分析：用电木粉镶样后打磨、抛光，铜器用三氯化铁溶液侵蚀，铁器用硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜下观察其金相组织并拍照。仪器为LEICA DM4000M金相显微镜。
成分分析：将经过侵蚀的样品再次抛光，喷碳后用扫描电镜-X射线能谱联合分析，通过面扫和点扫确定其平均成分及微区成分，同时观察其微观形貌。仪器为JSM-6480LV型扫描电子显微镜（SEM）和美国电热公司Noran System Six X-射线能谱仪（EDS），实验条件为加速电压20kV，扫描时长50s。
3 实验结果与讨论
通过金相观察了解器物的组织形态、制作工艺，通过扫描电镜-X射线能谱分析仪得到样品的成分数据，并观察铅及硫化物等夹杂的分布，结果详情见列表（表2）。
表2 铜钺样品合金成分及显微组织
Tab2. Copper axe sample alloy composition and microstructure
3.1 成分分析
从表2可知，这10件样品中，有红铜3件，锡青铜6件，铅锡青铜1件。
除1708号铜钺中锡的质量分数为6%以外，其余铜钺中锡的质量分数都在4.1%以内，整体含锡量偏低。除1842号铅的质量分数稍高（銎部1.8%，刃部3.0%）以外，其余均含微量铅或不含铅。1837号为铜的质量分数99%左右的红铜，质地比较纯净，仅有微量的锡和砷，应为冶炼过程中带入，而非刻意加入，属杂质元素。
数据表明，锡的质量分数在15%左右时，青铜的硬度、抗拉强度和延伸率相对最佳。[1]加入一定量的铅可以增加铜液的流动性，但铅含量过高会降低青铜的硬度和耐腐蚀性能。李秀辉等通过模拟实验证明，在锡的质量分数12%～18%的铜合金中加入6%左右的铅，其总体机械性能相对较好。[2]此次分析的铜钺明显达不到这一标准，说明合金配比不理想，铜钺的强度不高，制作技术较为原始。
有的红铜或低锡青铜中出现富锡颗粒，如1810号铜钺，可能是红铜在冶炼或铸造过程中，氧化产生的 CuO2颗粒，与后来加入的锡反应生成SnO2颗粒存在于晶界形成处。[3]1810号铜钺中的富锡颗粒锡的质量分数为70%，接近SnO2中锡的比重，其基体锡的质量分数为2.9%，刚好达到锡青铜的标准（以2%作为合金元素界限），可能处于冶炼锡青铜的摸索阶段，不能准确掌控冶炼条件，因此1810号铜钺的年代应该较早。
1842号铜钺是此次检测中唯一的含铅量稍高的铜钺，其刃部的铅含量略高于銎部，刃部锈蚀比銎部略严重，成分不均匀可能与锈蚀程度不同有关，见1842号铜钺的背散射电子相（图1、2）。
另外，部分样品中含有微量的砷、锑和硫，除铅同位素以外，微量元素的存在也是推断矿料来源的依据之一。多数样品中可见硫化物夹杂，只是其含量低于扫描电镜检测限而无法测出，应是采用硫化铜矿作为原料。
图1 1842号铜钺銎部
Fig 1. Qiong（銎）of copper axe No.1842
图2 1842号铜钺刃部
Fig 2. Blade of copper axe No.1842
图3 1837号铜钺（銎部）
Fig3.Copper axe No.1837
3.2 显微组织分析
显微组织可以直接反映金属的制作工艺。该次所取样品的制作、加工工艺以铸造为主，仅一件热锻。
显微组织除与工艺有关外，与所含元素的成分也有一定的关系。1837号铜钺为红铜，金相组织为α固溶体，由于融入微量的锡和砷造成偏析（图3）。随着含锡量的升高，偏析越发明显，如1708号铜钺，是本次检测的样品中锡的质量分数最高的，其金相组织可见清晰的树枝晶（图4）。
铸造的铜器受到外力作用会产生形变，如1701号铜钺，其金相组织为树枝晶，可见部分区域有滑移带，样品边缘枝晶拉长变形，为明显的冷加工痕迹，但样品中央枝晶未见明显变形，冷加工痕迹可能为使用过程中或取样时造成（图5）。另外，1850号铜钺的显微组织中可见明显的铸造孔洞（图6），再从外形上看，该钺边缘残缺不清，表面布满砂眼，估计年代偏早，铸造技术不佳。
1705号铜钺的金相组织相对特殊，为α固溶体晶粒，间杂少量α再结晶晶粒及孪晶（图7），应为铸后热锻，但热锻时间不长或温度不高，再结晶不充分，显示热锻技术不成熟。这也是这批铜钺中唯一的带有热锻迹象的。从成分上看，锡的质量分数为1.4%、铅的质量分数为0.8%，为红铜。金相组织和合金成分都表明其制作技术不高。从外形上看，这件铜钺也最为特殊，长銎，刃与銎的宽度差别不大，截面接近椭圆形，此类型钺少见于其他地区，具体来源需进一步考证。
图4 1708号铜钺
Fig4. Copper axe No.1708
图5 1701号铜钺
Fig5. Copper axe No.1701
图6 1850号铜钺
Fig6. Copper axe No.1850
图7 1705号铜钺
Fig7. Copper axe No.1705
3.3 相关问题探讨
钺最初为兵器，后常作为仪仗祭祀时的器物，作为礼器的钺往往做工精致，表面有繁复的纹饰。而该次所取铜钺均为素面，形制较简单，应为早期器物，作为实用器的可能性更大。
盐源地区所出铜钺按照前人的分类主要有四种：荷包形铜钺、平面呈梯形的钺、靴形钺、镢形钺。[4]此次所采样品中有8件钺，大部分可辨器型，均属于荷包形铜钺（A型），具体又包括了其中的三种亚型。荷包形钺在四川地区，如涪陵小田溪战国墓、[5]成都市商业街船棺战国早期墓葬、[6]会理县粪箕湾墓葬[7]等均有发现，多为素面；云南地区则有剑川海门口遗址、[8]祥云大波那木椁墓[9]等洱海地区的墓葬。
剑川海门口遗址所出铜钺銎部都饰有两道弦纹，是滇西地区最早的青铜时代遗址，最初认为其年代约为商代末期，后经考证更倾向于春秋晚；[10]1701号和1842号铜钺銎部也饰有弦纹，但器型更规整，肩部更为圆润，年代应略晚。祥云大波那所出铜钺表面有简单纹饰，其年代上限为西汉中期，该次取样的铜钺均为素面，年代应不晚于这一时期。根据前人的研究，包括盐源在内的川西高原地区，此类铜钺的年代应为战国至西汉前期。[11]
八家村古墓葬2011年2月为抢救性发掘，盗掘严重，年代信息被扰乱，通过比较出土器物与其他地区墓葬的特点，判断出土青铜器的墓葬大致在战国晚期至西汉中期。[12]因此1701、1705和1708号铜钺应属于这一时期无疑。其他5件铜钺中与1701号铜钺形制接近的还有1603号与1842号，均为腰与刃部有明显界限，刃部呈圆形或弧形的荷包形钺，从成分上看，它们的合金配比相对接近，年代也应相差不远。
早前对剑川海门口所出铜钺的其中一件进行分析，结果表明其锡的质量分数为2%、铅的质量分数为2%，[10]成分与此次所取铜钺样品成分接近，四川涪陵小田溪一件铜钺锡的质量分数为14.43%、铅的质量分数为1.5%，[13]明显高于盐源地区铜钺的含锡量，说明盐源地区铜钺的制作技术更接近于洱海地区，属西南夷系统，而巴蜀地区青铜的制作技术高于西南夷地区。
荷包形钺为商末周初传入蜀地并沿用至战国，西南夷地区大量荷包形钺的出土则证明了巴蜀文化的继续向西南传播，盐源作为连接川滇的要道，自然受到较大的影响。另外，八家村墓地一同出土的还有不对称靴形钺，属于典型的滇文化器物，是说明盐源青铜文化受滇文化影响的有力证据。而此类钺在巴蜀地区也有发现，[10]说明了文化传播具有双向性。
4 结论
对盐源地区出土的8件战国至西汉时期的铜钺进行科学的金相观察、成分分析及形貌观察，同时结合传统的器物类型学进行比较，认为盐源地区铜钺，有红铜、锡青铜、铅锡青铜三种类型，以锡青铜为主，合金元素含量较低，合金配比不理想；制作工艺有铸造及热锻，以铸造为主，热锻技术不成熟。通过分析，认为盐源地区铜钺的形制同时受到巴蜀文化及滇文化的影响，个别铜钺带有地方特色。
2013年6月
参考文献
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[13] 田长浒. 从现代实验剖析中国古代青铜铸造的科学成就[J]. 成都科技大学学报，1980（3/4）：109-124.
Abstract
To study on the bronze technologies in southern Sichuan Province, metallographic microscope and scanning electron microscope-energy spectrum analyzer are used to analysis battle-axes (Yue) excavated in Yanyuan area. The results show that these battle-axes include three materials, red brass, tin-bronze and lead-tin bronze, with tinbronze as the main content and unsatisfactory alloy rations. Production methods include casting and forging. In addition, typological comparison shows that the bronze culture of this area must have had communications with Bashu Culture and Dian Culture.