手持式光譜分析儀在考古行業(yè)的應用

  考古學(xué)是依據古代物質(zhì)遺留以了解古代人類(lèi)行為與當時(shí)社會(huì )文化的學(xué)問(wèn)，分析研究古代遺跡，獲取其豐富的潛在信息，探索古代人類(lèi)社會(huì )歷史以及人類(lèi)與自然的相互關(guān)系。到20 世紀中期出現了一個(gè)新的考古學(xué)派, 形成了一門(mén)新的學(xué)科, 那就是“科技考古學(xué)"?？萍伎脊艑W(xué)就是利用自然科學(xué)和考古學(xué)的理論、方法和手段, 分析研究古代實(shí)物遺存, 獲取豐富的“潛"信息, 以探索人與自然的關(guān)系以及古代人類(lèi)社會(huì )歷史的科學(xué)。從考古學(xué)的發(fā)展上看出，自然科學(xué)的學(xué)科在理論和方法上的新成果被引入考古學(xué)中後，都促使考古學(xué)開(kāi)辟新研究領(lǐng)域和有力推動(dòng)考古學(xué)的發(fā)展?？茖W(xué)分析概念用以研究推論出土遺物的性質(zhì)與來(lái)源，也經(jīng)常得以作為考古學(xué)家分析的研究材料。

  X射線(xiàn)光熒光分析儀應用范圍廣泛，包括環(huán)保、地質(zhì)學(xué)(geology)、原料成份分析、ROHS有害物質(zhì)分析等相關(guān)應用，同時(shí)亦可應用於古文物分析。

  在考古研究中, X 射線(xiàn)熒光光譜分析屬於非破壞性檢測，達到無(wú)損分析的成效，主要是測定古物中的成分, 從而達到各種分析目的, 進(jìn)而推斷和判斷當時(shí)的人類(lèi)社會(huì )文化。X 射線(xiàn)熒光光譜分析在考古學(xué)中主要應用有鑒定古物的年代、真偽、產(chǎn)地、制作工藝以及如何進(jìn)行文物保護。

  早在20 世紀50 年代中期, 英國牛津大學(xué)就建立了考古研究室, 該研究室中就有X 射線(xiàn)熒光分析技術(shù)。一般認為,國際上一些先進(jìn)國家應用X 射線(xiàn)熒光進(jìn)行文物考古研究始于20 世紀50 年代未到60 年代初。此后50 多年的時(shí)間內,X射線(xiàn)熒光分析技術(shù)在考古中的應用得到了迅速的發(fā)展。我國的X 射線(xiàn)光譜分析起步較晚, 直到20 世紀50 年代后期,才在儀器的制造、應用分析等方面開(kāi)始研究工作。而對考古樣品的分析研究, 則始于20 世紀70 年代。此后, 發(fā)展迅速,特別是在陶瓷、青銅器考古方面, 已經(jīng)做了大量的工作, 如對宋代五大名窯之一的汝瓷燒制工藝的研究; 又如XRF 在建立中國古陶瓷成分數據庫方面的應用等等。這些工作說(shuō)明了X 射線(xiàn)熒光分析技術(shù)在我國考古中的豐富實(shí)踐和豐碩成果, 并成為現代科技手段在考古中一個(gè)極為重要的應用。

應用一：文物的鑒定

  1.材質(zhì)鑒定

  有些文物用肉眼就可以分辨, 是陶器還是青銅器; 有些文物用肉眼就不好分辨, 考古學(xué)家們有時(shí)為一件文物是什么材質(zhì)爭論不休。如安徽東至發(fā)現的南宋關(guān)子鈔版,當時(shí)有人認為是鐵的, 經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析是鉛; 再如, 漢代白金三品,有人認為是銀的, 有人認為是錫鉛合金, 有人還從合金的組成上推斷是錫, 經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析, 結果是鉛；再如, 蟻鼻錢(qián), 是先秦楚國的貨幣, 又叫鬼臉錢(qián), 由于是春秋、戰國時(shí)期的, 很多考古學(xué)家理所當就地認為是青銅器, 經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析, 雖然也是銅錫鉛合金,但有的含鉛量達70 %～80 % , 有的含錫量達68 % , 含銅量超過(guò)50 %的, 17 個(gè)樣品中只有3 枚, 這說(shuō)明蟻鼻錢(qián)的配料沒(méi)有統一的規定, 將它歸納到青銅類(lèi)顯然是不妥的。

青銅器 馬踏飛燕

  2.真偽鑒定

  亂世黃金，盛世古董。超高的利益驅使造假高手技術(shù)越來(lái)越高。真的與假的, 雖然在外表上一樣, 但在成分上存在著(zhù)區別。如汝官瓷與仿汝瓷, 雖然現代仿汝瓷可以以假亂真, 但成分上有區別, X 射線(xiàn)熒光光譜圖是不一樣的,有的仿汝瓷含鋅量高, 有的仿汝瓷含鍶量高, 古代的成分含量現代人是燒不出來(lái)的。再如銀元, 真的是銀, 假的是白銅。古代的金、銀器與現代的也不一樣。古代的內雜質(zhì)較多, 現代的較純。再如古畫(huà), 古代用的顏料與現代的是不一樣的, 美國曾對迭戈在1658 年畫(huà)的奧地利的瑪麗安娜皇后的油畫(huà)進(jìn)行鑒定, 用X 射線(xiàn)熒光分析了畫(huà)中的白色顏料, 用的是鉛白和石膏, 證明此畫(huà)是真的,因為1870 年以后油畫(huà)的白色顏料只用鈦白了。

應用二：文物斷代

  同一類(lèi)型的古物, 各朝代在制作工藝和配料上是不一樣的, 反映到成分上是有區別的, 可以利用X 射線(xiàn)熒光分析進(jìn)行文物的斷代。例如銅鏡, 漢代普遍使用高錫含鉛的青銅鏡, 唐代在青銅鏡中大量加入鉛, 宋代青銅鏡中含鉛量較高, 達30 %以上, 并開(kāi)始加入鋅, 元以后大量使用白銅鏡,明中期后使用黃銅鏡, 通過(guò)X 射線(xiàn)熒光分析就可以推斷它們的年代。陶瓷也是一樣, 如景德鎮的瓷器, 瓷胎的主要成分在各朝代是有區別, 唐代SiO2 的含量在75 %以上, Al2O3的含量在20 %以下; 宋元明, SiO2 的含量在70 %以上,Al2O3的含量在20 %左右; 清代, SiO2 小于70 % , Al2O3 大于20 %。用同步輻射X 射線(xiàn)熒光光譜分析了明朝景德鎮官窯青花瓷釉的成分, 從青花圖紋中的Fe/ Mn , K/ Ca 和Ti/Zn 值來(lái)判斷明朝各代青花瓷器。

青花瓷器

  在恒定的自然環(huán)境中, 實(shí)物自身的變化如果是有規律的, 也可以作為時(shí)代的標尺。例如骨骼中的鈾(U) 含量是隨時(shí)間的增長(cháng)而增加, 用X 射線(xiàn)熒光測定骸骨中的含鈾量, 就可以確定其時(shí)代。 用X射線(xiàn)熒光分析技術(shù)來(lái)確定文物的成分, 根據文物的成分來(lái)斷代, 此工作比較艱巨, 需要建立各類(lèi)文物的數據庫, 要測試大量樣品, 獲得大量的數據。有了數據庫, 被測物的測試數據與數據庫中的數據對照, 就可斷代了。例如,在西伯利亞和阿拉斯加之間的圣羅倫司島上曾發(fā)現了青銅盔甲, 經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析, 其成分與十九世紀船上用的青銅器一致, 說(shuō)明其是相當晚的東西, 經(jīng)判斷是與愛(ài)斯基摩人通商的船只帶到島上的。

陶瓷碗

應用三：文物產(chǎn)地及其礦料來(lái)源分析

  時(shí)空框架的建立是考古學(xué)的基礎, 斷代測年是為古代遺存提供時(shí)間標尺, 文物產(chǎn)地及其礦料來(lái)源是為古代遺存提供空間坐標。文物的成分與其制作時(shí)間、地點(diǎn)存在著(zhù)一定的關(guān)系。文物通過(guò)X射線(xiàn)熒光分析可知其成分, 經(jīng)聚類(lèi)分析和其他方法的旁證, 可確定其產(chǎn)地及其礦料來(lái)源。這可為研究先民遷移路線(xiàn)和各種文化之間的關(guān)系, 提供有意義的信息。

  德國的拉德肯(Rathgen) 實(shí)驗室用X 射線(xiàn)熒光光譜分析了尼羅河流域的古陶器, 發(fā)現一般低質(zhì)產(chǎn)品各地都有出產(chǎn),而高質(zhì)量產(chǎn)品, 則來(lái)自于位于尼羅河中部地底比斯幾個(gè)中心產(chǎn)地。

  用X 射線(xiàn)熒光光譜分析了一批南宋低嶺頭越窯青瓷的胎和釉的成分, 并與北宋汝瓷和寺龍口傳統越窯瓷的數據比較。測試結果表明南宋低嶺頭窯所燒的青瓷器的胎是用當地南方瓷石作原料的, 為就地取材；而釉的成分與汝瓷釉相近,是借用了北方汝瓷釉的配方。因而燒制出與傳統越窯風(fēng)格相去甚遠、而與汝瓷外觀(guān)頗類(lèi)似的低嶺頭窯仿汝瓷類(lèi)型的產(chǎn)品。這說(shuō)明南宋低嶺頭窯在汝瓷技術(shù)南傳過(guò)程中很可能起了承前啟后的作用。

越窯瓷

應用四：制作工藝的研究

  通過(guò)對文物的X 射線(xiàn)熒光光譜分析, 可得到文物的成分, 從成分上推斷當時(shí)的制作工藝。例如, 埃及第五或第六王朝時(shí)期的2個(gè)“銀面"花瓶, 過(guò)去推測, 認為是表面含銻(Sb) 所致的。經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析, 得知這種花瓶的“銀面"是由于表面含砷(As) 所致, 從而推測是在銅(Cu) 表層上涂一層氧化砷(As2O5) , 加鋪炭末燒紅, 砷被還原滲入表面, 冷卻后拋光就成了“銀面"。

  隋朝敦煌莫高窟佛像上的涂金粉, 經(jīng)X 射線(xiàn)熒光分析,發(fā)現鉛( Pb) 的含量是金(Au) 的4 倍多, 而表面呈金色, 涂層極薄。從而推測, 在佛像上先涂鉛粉再涂金粉, 這樣可以節省金的用量。  

  汝瓷在釉胎之間, 用肉眼和實(shí)體顯微鏡可以明顯地看到一個(gè)中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡看不到, 通過(guò)對汝瓷從釉到胎成分的同步輻射和能量色散X 射線(xiàn)熒光線(xiàn)掃描分析, 發(fā)現在釉胎之間的確存在一個(gè)中間層, 且各元素濃度從釉到胎是連續變化的。從而推測, 汝瓷的燒制工藝是二次燒成的, 釉胎間的中間層是在瓷胎經(jīng)素燒、上釉后, 在再燒制過(guò)程中瓷釉成玻璃態(tài)而滲入瓷胎表面而形成的。由于中間層中的釉是玻璃態(tài), 故在實(shí)體顯微鏡可以明顯地看到汝瓷釉胎間的中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡下卻看不到。

汝瓷

應用五：文物保護

  文物保護離不開(kāi)X 射線(xiàn)熒光分析, 首先要分析文物的成分, 確定文物的材質(zhì); 在查明文物損壞的過(guò)程和機理時(shí), 要分析文物材料質(zhì)變產(chǎn)物的成分; 保護得如何, 也要通過(guò)X 射線(xiàn)熒光分析來(lái)觀(guān)察文物的成分有無(wú)變化。在研究文物在地下埋葬環(huán)境時(shí), 地下水和文物周?chē)耐寥赖某煞忠惨縓 射線(xiàn)熒光分析來(lái)確定。在研究文物包護的佳環(huán)境時(shí),要用X 射線(xiàn)熒光技術(shù)分析文物周?chē)髿庵械臍馊苣z和化學(xué)污染物。因此, X射線(xiàn)熒光分析是文物保護工作的“眼睛"。