夏家店下層文化銅器成分及工藝研究

王永樂 梅建軍 李延祥 曹建恩 孫金松 黨 郁

（1.北京科技大學科技史與文化遺產研究院 2.內蒙古自治區(qū)文物考古研究所）

我國早在仰韶時代就發(fā)現有銅器①，約在公元前兩千紀前后銅器開始大量出現。我國早期銅器主要分布于西北地區(qū)、中原地區(qū)和北方地區(qū)，西北地區(qū)和中原地區(qū)的銅器研究已經取得了一些重大成果，而關于北方地區(qū)早期銅器的研究則略顯薄弱。近年來由于考古發(fā)掘工作的進行，北方地區(qū)也新出土了一些早期銅器，考古實物資料日漸豐富，因此這一地區(qū)的早期銅器研究越來越得到重視。

夏家店下層文化在北方早期青銅文化中占有非常重要的地位，在遼西地區(qū)是繼紅山文化之后的又一個重要的文化發(fā)展階段，其遺址的數量和分布密度都達到了空前規(guī)模②。同時夏家店下層文化也是這一地區(qū)最早出現銅器的考古學文化之一，其銅器制作技術對此地區(qū)后期青銅文化的發(fā)展產生了深遠影響。前人對于該文化銅器的研究主要集中在考古類型學方面，而在冶金考古方面的研究則稍顯不足。本文通過對四個夏家店下層文化遺址的20件銅器進行科學分析，實驗方法涉及金相顯微觀察、掃描電鏡成分測試和等離子體原子發(fā)射光譜測試，從不同方面分別揭示了這批銅器的技術特征，為該文化銅器的科學研究提供新的分析數據，通過對比幾個遺址之間的銅器分析結果，進一步明確探討夏家店下層文化銅器的合金成分及制作工藝。

一、銅器取樣

本文分析的銅器來自四個夏家店下層文化遺址，分別為二道井子遺址、大甸子遺址、大山前遺址和三座店遺址，二道井子遺址于2009年進行發(fā)掘，本文對其出土的全部銅器采用不同方法進行了科學分析。其余三個遺址之前有部分銅器做過分析檢測，此次分析挑選了未作科學分析的器物進行取樣，并用新方法對檢測過的部分樣品重新進行分析檢測。取樣遵循文物保護的最小干預原則，取樣點一般位于器物的殘破處、末端或者尾端等隱秘部位，器型完好和完全銹蝕的器物一般不進行取樣，可采取其它無損方法進行分析。

圖一 銅器樣品

筆者獲取二道井子遺址出土的全部銅器共計9件，其中耳環(huán)4件，銅刀3件，銅錐1件，還有1件具體用途尚不明確（疑為銅錐），其中2件銅刀和用途不明器物均已殘斷，且腐蝕嚴重，耳環(huán)和銅錐保存相對較好。除耳環(huán)（EDJZ008和EDJZ009）出自墓葬外，其余7件銅器均出自居住址③。獲取大甸子遺址部分銅器46件，本次分析檢測其中5件，分別出土于不同的墓葬，均為改制形耳環(huán)④， 5件耳環(huán)整體保存較好。大山前遺址銅器9件，此次分析的4件器物均出自第四地點⑤⑥。三座店遺址銅器3件，其中銅錐2件，還有1件銅飾件，此次研究挑選其中一件銅錐和銅飾件進行取樣。上述銅器均為夏家店下層文化遺物，每件器物取樣一個，樣品的實驗編號均以遺址名稱拼音的首位字母加序號組成（圖一）。

二、分析檢測

1．分析檢測方法

（1）金相組織檢驗

將整理好的銅器用微型金相切割機或絲鋸進行切割取樣。金相樣品制作時選取合適的分析面（因在樣品切割時會考慮到鑲樣，故分析面一般為樣品切割面），置于模具中用配好的冷鑲樹脂進行澆注，固化后進行手工打磨和拋光。拋光至無劃痕時在未浸蝕狀態(tài)下置于顯微鏡下進行浸蝕前觀察和拍照。然后對樣品用3%的三氯化鐵鹽酸酒精溶液進行浸蝕，浸蝕后再用Olympus Vanox、Leica DMLM金相顯微鏡和Leica 4000光學顯微組織分析系統進行觀察和拍照。

（2）SEM-EDS分析

銅器樣品經打磨和拋光后需在未浸蝕狀態(tài)下進行噴碳處理，噴碳后的樣品可用掃描電子顯微鏡進行微區(qū)觀察和無標樣定量成分測定，此次分析所采用的掃描電鏡及能譜儀型號為日本電子公司的JSM6480LV型掃描電子顯微鏡和美國熱電公司的Noran System Six型能譜儀，測定的技術條件是：激發(fā)電壓20kV，測量時間50s。此次經掃描電鏡分析的樣品均保存較好，平均成分測定時較多樣品只掃描一個較大區(qū)域，經多次掃描證實分析結果準確可靠，僅個別樣品因要避開銹蝕部位，掃描2～3個區(qū)域后取平均值作為該樣品的平均成分。

（3）ICP-AES分析

本次分析采用美國LEEMAN LABS儀器公司生產的Prodigy SPEC型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICPAES），測試條件為RF（高頻發(fā)生器）功率：1.1kw，氬氣流量：20L/min，霧化器壓力：30psig（英制單位，約20MPa）蠕動泵（樣品提升）速率：1.2ml/min. 積分時間：30sec/time。標準是由鋼鐵研究總院研制的單一國家標準溶液配制而成的青銅測試系列混合標準溶液。

2．分析檢測結果（表一）

需要說明的是銅器（EDJZ005）本身已經完全銹蝕，故僅采用便攜式XRF對其進行了表面成分分析，分析結果為含銅90.1%，含錫8.2%，含鉛0.9%，含砷0.3%，含鐵0.1%，該結果只能做定性參考，證明銅器（EDJZ005）也是銅錫合金（表二）。

三、結果分析與討論

1．合金組成

學術界一般以2%為界劃分銅器的合金類型，即若銅器中含錫量和含鉛量均超過2%，可視其為鉛錫青銅；含錫量和含鉛量若均小于2%，則為紅銅，其它銅合金類型也依此為劃分依據進行判斷。此次分析結果中許多銅錫合金均含有少量鉛，本文在此將含鉛量位于1%～2%之間的錫青銅歸為銅錫（含鉛）合金。

分析結果顯示20件器物中有紅銅器1件；錫青銅14件，其中4件含鉛，1件含有較高含量的鐵；鉛錫青銅4件；鉛錫砷青銅1件（表三）。

表一 成分分析結果

表二 金相組織鑒定結果

結合以前的分析數據⑦，可知目前夏家店下層文化的銅器材質中有紅銅1件；錫青銅41件，鉛錫青銅17件，鉛錫砷青銅2件?？梢娤南碌晗聦游幕你~器主要以青銅為主，其中錫青銅占據了主導地位（表四）。

此次分析的樣品中有幾個以前進行過分析，經數據比對，發(fā)現以前的數據結果相比這次的數據結果錫和鉛的含量明顯偏高，表四中大甸子和大山前兩個遺址銅器中錫和鉛的含量上限均來自以前數據，對兩次分析的數據結果進行對比，如DDZ016以前數據結果顯示錫含量為18.4%，此次分析結果為10.9%；大山前遺址DSQ003原數據結果中鉛含量為35.2%，此次分析結果為14.7%；DSQ008原數據中含錫量為23.1%，此次結果為7.3%，所以推測大甸子遺址銅器的錫含量上限應該低于24.5%，大山前遺址銅器中的錫和鉛含量也均低于20.6%和35.7%。而三座店遺址含鉛量為18.7%，高鉛器原數據為21.0%，差距不大。此次分析的大多數樣品采用發(fā)射光譜，數據準確可靠，而之前的分析結果可能因未對樣品進行取樣，成分分析時檢測部位為器物表面，受器物表面處理情況和銹蝕物影響，其結果難免發(fā)生偏差，但是兩個結果總體的數據趨勢一致，對判斷器物的合金類型應無大的影響。

表三 不同遺址各種合金類型器物數量統計

表四 四個遺址至今經分析的全部器物合金類型數量統計

由兩個統計表可以看出，四個遺址中除二道井子遺址的一件紅銅器外，其余所有器物的含錫量均在2%以上，從其含量來看，這四個遺址的居民應該均能有意識的使用錫料來提高銅器的機械性能。就鉛含量而言，二道井子遺址和大甸子遺址銅器的合金組成較為相像，二道井子遺址為1件紅銅和8件錫青銅，大甸子遺址銅器以錫青銅為主，鉛錫青銅中的鉛含量也普遍不高，可見兩個遺址銅器的鉛含量均不高，成分組成較為相似。相比較而言，大山前和三座店遺址的銅器成分十分類似，兩者在鉛和錫的含量上均無較大差別，尤其是高鉛青銅的出現，可以明顯和前兩個遺址區(qū)別開來（圖二）。

此次檢測分析的另一個發(fā)現是二道井子遺址出現了紅銅器。李延祥對牛河梁的煉爐爐壁進行過科學分析⑧，經檢測發(fā)現爐壁中含有純銅顆粒，因此推斷冶煉爐是作冶煉紅銅之用，北京大學考古文博學院對其進行熱釋光測年，結果顯示為夏家店下層文化遺物。但在此之后檢測分析的所有夏家店下層遺址銅器中從未發(fā)現過紅銅器，因此二道井子遺址的這件紅銅耳環(huán)是目前夏家店下層文化出土銅器中鑒定出的唯一一件紅銅器。

2．制作工藝

從銅器制作工藝來看，夏家店下層文化居民已能掌握鑄造、熱鍛和熱鍛后冷加工工藝 ，二道井子和大甸子遺址未發(fā)現有冷加工工藝，這種制作工藝主要出現在大山前和三座店兩個遺址。表五為四個遺址銅器的制作工藝的研究結果。

可以肯定的是四個遺址的居民均已掌握熱鍛和鑄造這兩種銅器制作方法。

對于銅器制作工藝的探討離不開銅器的材質，將四個遺址中同時做過成分分析和金相觀察的樣品按不同的制作工藝統計出其鉛、錫成分的含量，見表六。

圖二 不同遺址的銅器制作工藝對比

表六中合金成分的數據是使用掃描電鏡和等離子體發(fā)射光譜兩種檢測方法測定的，總體上看電鏡數據中錫和鉛的含量較質譜數據要高，尤其是錫和鉛含量較高的樣品，兩種方法的測定結果差距更大，但是錫和鉛的相對含量兩者幾近一致，所以該統計結果不影響銅器制作技術和合金成分之間關系的探討。

從統計結果來看，二道井子遺址的三件器物均為熱鍛而成，三個樣品中含錫量之所以差別較大，是因為有一個樣品為紅銅器，其余兩件樣品中錫和鉛的含量差別不大，所以二道井子遺址的三件熱鍛器物有紅銅和錫青銅兩種材質，結合其他未進行金相觀察的樣品，二道井子遺址銅器中幾乎不含鉛，其鉛元素應該視為雜質元素，表明其礦料中缺少鉛，并且該遺址居民很可能還沒有利用鉛料。而就錫含量來看，經檢測的器物差別不大，因為二道井子遺址銅器較少，檢測的銅器器類和制作方法單一，如此有限的數據結果難以揭示出二道井子遺址的銅器是否存在其他制作方法，以及合金的配比與器物類型和制作方法有無關聯。

大甸子遺址銅器經金相觀察有熱鍛和鑄造兩種制作工藝，從兩種不同制作工藝的銅器成分數據可以看出，熱鍛器物中的錫含量明顯低于鑄造器物。古代銅器在鑄造時，錫的加入除了提高銅器的機械性能，還可以降低合金的熔化溫度，拓寬金屬結晶溫度范圍，提高鑄造時銅液的充型能力，錫含量為5%～15%時，銅合金的鑄造性能較高，理論上鑄造性能最好合金含錫量應在8%左右。而鉛的加入可以提高銅液的流動性，大大改善銅合金的充型能力，使得器物更利于鑄造，但當含鉛量超過15%時，充型能力就開始下降。大甸子遺址銅器中鑄造器物的平均含錫量為15.1%，熱鍛器物的含錫量平均值為10.1%（實際含量可能比這兩個值要低），表明大甸子遺址居民應能按照不同的制作方法進行合金配比，這種合金配比在錫料上體現的較為明顯，那么該遺址居民選擇不同的制作方法時依據的肯定是器型的差別，這一點在耳環(huán)和指環(huán)上能夠明顯看出，大甸子遺址的所有耳環(huán)均為鍛造，指環(huán)均為鑄造，同類器物的錫含量比較接近，且指環(huán)錫含量明顯高于耳環(huán)。說明大甸子遺址居民能根據不同器型選取不同的制作方法，按制作方法的不同再進行不同的合金配比。但是這種合金配比的不同在鉛料上似乎沒有明顯的體現，大甸子遺址的所有器物含鉛量普遍不高，且無明顯規(guī)律可循，從統計結果來看，鑄造器物的平均含鉛量反而低于鍛造器物。且均低于2%，如此低含量的鉛對改善合金鑄造性能作用不大。所以大甸子遺址銅器中的鉛同二道井子遺址一樣，也極有可能是無意識加入的，可能來自銅料或者錫料，但是大甸子墓地出土的鉛器證明大甸子居民已經能夠冶煉鉛，可能還未意識到鉛對銅合金鑄造性能的改善作用。

表五 不同遺址不同制作方式的銅器數量統計

表六 不同制作方法的銅器成分組成統計

圖三 不同制作方法的銅器成分對比

大山前遺址和三座店遺址經檢測的器物雖少，但是兩者的合金成分隨制作方法的差異較為明顯，大山前遺址中銅器的錫含量普遍差別不大，除去賈海新檢測的一件錫含量為20.6%的錐⑨，其余銅錫的含錫量介于4.2～12.2%之間，而且有五件器物的含錫量基本在10%左右。但是大山前遺址銅器的一個特點是鉛含量差別很大，并且有2件鑄造的銅器含鉛量分別為14.7%和35.7%，其余5件均為熱鍛和熱鍛后冷加工制成，含鉛量為0.6～4.5%，可見該遺址的鑄造器物均為高鉛青銅。三座店遺址的銅器數據也顯示出相同的特征，表明這兩座遺址的居民不僅已經懂得利用錫料來增加銅器的機械性能，也意識到了鉛的加入可以增加銅液流動性，提高合金鑄造性能。所以大山前和三座店遺址的居民已能根據不同的制作方法選取合適的合金配比，相比二道井子和大甸子遺址，這種合金配比體現在了錫和鉛兩方面。由于檢測方法的不同，大山前遺址銅器數據中熱鍛后冷加工器物錫含量上限和鑄造器物鉛含量上限均可能偏高。而三座店遺址鑄造器的鉛含量為18.7%，存在用鉛過量的現象（圖三）。

四、結 論

二道井子遺址出土銅器與整個夏家店下層文化銅器的成分與制作技術相比，具有較大的共性，但又有著自身的特色。合金成分有純銅和銅錫合金兩種質地，夾雜物較少，制作方法有鑄造和熱鍛。相較其余三個遺址，二道井子遺址出土銅器中含有極少量的鉛或者不含鉛，該遺址居民可能沒有利用鉛礦石。大甸子遺址銅器以銅錫和銅錫鉛合金為主，制作方法有鑄造和熱鍛兩種，并且已能根據不同的制作方法調配合適的銅錫比例。大甸子遺址居民已能利用鉛料，但是未必意識到鉛對提高銅合金鑄造性能的作用。

大山前遺址和三座店遺址出土的銅器均以銅錫和銅錫鉛合金為主，制作方法和合金成分均與前兩個遺址有別，在掌握熱鍛和鑄造技術的基礎上，這兩個遺址也均出現冷加工技術，并且能有意識的利用鉛料使得鑄件利于鑄造。

注 釋

①半坡博物館等：《姜寨——新石器時代遺址發(fā)掘報告》，文物出版社，1988年。

②索秀芬：《中全新世內蒙古東南部和中南部環(huán)境考古對比研究》，《內蒙古文物考古》2005年2期。

③曹建恩、孫金松、黨郁：《內蒙古赤峰市二道井子遺址的發(fā)掘》，《考古》2010年8期。

④中國社會科學院考古研究所：《大甸子-夏家店下層文化遺址與墓地發(fā)掘報告》，科學出版社，1996年。.

⑤中國社會科學院考古研究所、內蒙古自治區(qū)文物考古研究所、吉林大學考古系：《內蒙古喀喇沁旗大山前遺址1996年的發(fā)掘》，《考古》1998年9期。

⑥彭善國、朱延平、郭治中：《內蒙古喀喇沁旗大山前遺址1998年的發(fā)掘》，《考古》2004年3期。

⑦⑨賈海新：《夏家店下層文化藥王廟類型的銅器初步研究》，北京科技大學碩士論文，2001年。

⑧李延祥、韓汝玢、寶文博：《牛河梁冶銅爐壁殘片研究》，《文物》1999年12期。