通遼哈民忙哈遺址房屋地面白色鋪墊材料的分析研究

王嘉堃， 周雙林

1. 浙江大學藝術(shù)與考古學院， 浙江 杭州 310007 2. 北京大學考古文博學院， 北京 100871

引 言

房屋是人類生活的重要設(shè)施， 從傳說的有巢氏樹上居住， 到先民洞穴居住， 一直到居住房屋， 居住的設(shè)施發(fā)生了很多的變化， 形成了豐富的建筑學文化。 而在新石器時代， 中國北方地區(qū)使用半地穴的房屋是最常見的方式， 其構(gòu)筑方式是在地下開挖地穴， 然后在上面形成各種的木結(jié)構(gòu)覆蓋， 作為人居住生活的空間， 如豫西地區(qū)的靈寶西坡遺址、 青海的喇家遺址、 東北的扎魯特遺址[1-4]等。 對于居住的房屋， 古人經(jīng)過長期的積累， 不但使其具有簡單的居住功能， 也知道如何進行設(shè)計以達到最好的居住狀態(tài)， 使居住環(huán)境優(yōu)美和讓生活方便， 這其中非常重要的就是對地面和墻面進行裝飾。 在新石器時代人們已經(jīng)開始使用各種材料對房屋進行裝修， 如將石灰用于地面鋪設(shè)和墻面涂飾[5]， 比如中原地區(qū)的仰韶文化遺址。

在東北地區(qū)考古遺址保護過程中， 也發(fā)現(xiàn)地面使用了類似的鋪裝材料， 具體的發(fā)現(xiàn)地點為內(nèi)蒙古東部通遼地區(qū)的新石器時代遺址——哈民忙哈遺址。 該遺址位于內(nèi)蒙古通遼市科左中旗舍伯吐鎮(zhèn)東南約15公里。 遺址地處一片相對低洼平坦的地帶， 被一米多厚的風積沙層所掩蓋， 遺址總面積達17萬余平方米。 遺址埋藏狀態(tài)完好， 含有大量遺跡以及遺物， 如保存相當完整的房屋木構(gòu)架痕跡、 因火災所坍塌的房址， 以及大批非正常死亡人骨的罹難場所[6]。

圖1 人骨殘跡以及房屋遺跡Fig.1 The remains of human bones and houses

在對房屋遺跡進行考古和保護調(diào)查的過程中， 發(fā)現(xiàn)在近百個房基遺跡中兩個房子(F33和F50)的地面上有堅硬的白色鋪裝層(見圖2)， 其中F33的是在房子門道對面的平臺上， 面積約有1平方米； F50的堅硬表面部分在火灶的附近， 面積略大， 這些地方表面呈白色， 質(zhì)地堅硬， 呈層狀分布， 局部有破裂。

圖2 F33、 F50房基遺跡Fig.2 The remains of F33 and F50

哈民忙哈遺址距今約6 000年至5 000年之間， 該時期東北地區(qū)、 中原地區(qū)、 南方地區(qū)對應的文化分別為紅山文化、 仰韶文化、 崧澤文化。 從中原地區(qū)和西北地區(qū)在新時期時代的仰韶文化起， 各類遺址中的房址、 窖穴等就已經(jīng)出現(xiàn)了涂抹白色石灰狀物質(zhì)的現(xiàn)象。 對這些痕跡進行分析和研究， 確定其成分含有石膏石灰、 人造粘土、 輕骨料等為集料， 料礓石燒制的水泥為膠結(jié)材料的輕混凝土， 還有一些性能接近于水泥的鋪墊材料。 例如仰韶時期的澠池班村遺址的白色鋪墊材料， 經(jīng)分析表面為石灰反映生成的方解石(CaCO3)， 從而以確鑿的證據(jù)說明早至仰韶時代中期人類已掌握燒石灰的技術(shù)， 并將石灰用作建筑材料； 陶寺遺址中發(fā)現(xiàn)的白色材料存在石灰、 生石膏兩種情況[7-9]。 在哈民忙哈遺址的多數(shù)房屋遺跡中， 有不少地面比較堅硬的， 但是表面發(fā)白的情況還不多， 為了解這兩處房屋的室內(nèi)地面為什么會出現(xiàn)發(fā)白的情況， 是否是類似中原和西北的“白灰面”， 對其進行了取樣和科學分析。

1 實驗部分

1.1 樣品

樣品為取自兩處房屋遺跡地面上顏色發(fā)白部位的塊狀樣品， 最大長度1.5 cm， 最大厚度0.5 cm。

圖3 F33、 F50白色鋪墊材料取樣處Fig.3 Sampling spot

1.2 分析方法

(1)X射線衍射分析

初步判斷該樣品為無機物， 所以使用X射線衍射方法對樣品的成分進行分析， 儀器型號為日本理學的Dmax 12 kW粉末衍射儀。 實驗條件為X射線： CuKα(0.154 18 nm)； 管電壓： 40 kV； 管電流： 100 mA； 石墨彎晶單色器； 掃描方式：θ/2θ掃描； 掃描速度： 8°(2θ)/分； 采數(shù)步寬： 0.02°(2θ)； 環(huán)境溫度： 21.0 ℃； 濕度： 30.0%。

(2)掃描電鏡-能譜分析

通過掃描電鏡對樣品進行觀察， 了解樣品的表面結(jié)構(gòu)和微觀特征， 并結(jié)合能譜分析樣品成分方面的信息， 對XRD的分析結(jié)果進行驗證。 實驗所使用的儀器為清華大學荷蘭FEI 公司的Quanta 200 FEG環(huán)境掃描電鏡。 該電鏡的特點是不需要對樣品鍍膜就可以觀察表面， 可獲得更真實的表面信息。 分析時采用低真空條件， 由于文物樣品較少， 分析時樣品不鍍膜， 保證樣品不被污染， 可進行后續(xù)其他要求的分析。 工作條件為： 電壓12.5 V， 距離14 mm， 真空度80 Pa， 光柵尺寸14 μm。

(3)紅外光譜分析

使用紅外光譜對樣品進行分析， 了解樣品的成分， 同時根據(jù)紅外光譜的峰面積分析樣品的制作工藝。 實驗所用儀器為浙江大學考古與藝術(shù)學院的傅里葉變換紅外光譜儀， 型號為布魯克ALPHA Ⅱ傅里葉紅外光譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

依據(jù)JY/T 009-1996轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法通則， X射線衍射的分析結(jié)果為： 兩個樣品的組成非常接近， 主要成分是有石英、 方解石、 斜長石、 微斜長石(分析結(jié)果見表1， 和圖4、 圖5)。 從圖中可以看出， 該樣品的譜線主要出現(xiàn)在20°之后， 且峰型尖銳， 判斷該樣品為無機物， 且基本不存在有機物。 依據(jù)PDF2粉末衍射數(shù)據(jù)庫， 根據(jù)結(jié)果可知該白色鋪墊材料的組成成分類似于白色灰漿， 其中的主要化學物質(zhì)為石英砂(二氧化硅)， 另外還存在大量的碳酸鈣以及鈉長石、 微斜長石[10]。 石英推測其用途是作為骨料存在的， 可填充和滲透地面的孔隙， 有利于白色鋪墊材料與地面的粘結(jié)，碳酸鈣為膠結(jié)物質(zhì)， 少量的鈉長石、 微斜長石為常見的粘土礦物。 后續(xù)將使用掃描電鏡進行觀察并進一步證明。

圖4 F33房基樣品X射線衍射分析結(jié)果圖Fig.4 X-ray diffraction analysis results of F33

圖5 F50房基樣品X射線衍射分析結(jié)果圖Fig.5 X-ray diffraction analysis results of F50

表1 X射線衍射分析結(jié)果Table 1 X-ray diffraction analysis results

2.2 掃描電鏡分析

為了解樣品的外觀結(jié)構(gòu)， 以及更細致地分析樣品的組成和成分， 對樣品進行掃描電鏡的觀察， 了解樣品的微觀信息。 掃描電鏡的結(jié)果如圖6所示。

圖6 F33房址樣品SEM像(a)： 500X的SEM像； (b)： 1 000X的SEM像； (c)： 2 000X的SEM像Fig.6 SEM image of F33 site sample(a)： 500X SEM image； (b)： 1 000X SEM image； (c)： 2 000X SEM image

圖7 F33房址樣品500X的SEM像、 背散射像以及能譜結(jié)果Fig.7 SEM image, BSE image and EDS results of F33 site sample

圖8 F50房址樣品SEM像(a)： 500X的SEM像； (b)： 1 000X的SEM像； (c)： 2 000X的SEM像Fig.8 SEM image of F50 site sample(a)： 500X SEM image； (b)： 1 000X SEM image； (c)： 2 000X SEM image

圖9 F50房址樣品500X的SEM像、 背散射像以及能譜點Fig.9 SEM image, BSE image and EDS results of F50 site sample

根據(jù)不同倍數(shù)的SEM圖像， 可以觀察到樣品的大致結(jié)構(gòu)。 從結(jié)果可以看出， 樣品結(jié)構(gòu)致密， 說明樣品保存狀態(tài)較為良好， 仍存在很好的強度； 樣品顆粒感不強， 很少出現(xiàn)晶體顆粒， 多為粘結(jié)狀， 且樣品整體形貌較為統(tǒng)一， 沒有很明顯的分層現(xiàn)象， 推測該樣品可能為人工燒制而成， 而非天然石灰石研磨而成； 膠結(jié)物主要為無定形碳酸鈣， 并摻雜少量的碳酸鈣晶體， 且樣品顆粒大小不一， 說明當時制作的工藝水平較為一般[11]； 除此之外， 在SEM像中能看到樣品中間夾雜著白色顆粒， 根據(jù)能譜結(jié)果推測其為白色石英， 作用是充當填料， 提升材料的穩(wěn)定性， 同時少量的活性SiO2還會與石灰中的Ca(OH)2發(fā)生反應生成水硬性成分， 增加本體的強度， 其能譜結(jié)果顯示主要成分為Si， O， Al和Ca等， 與XRD的分析結(jié)果一致。 由以上結(jié)果可以判斷， 該白色地面是人為制作的具有裝飾作用的加工地面， 并非天然形成， 其制作工藝初步判斷為人工燒制， 還需進行紅外光譜分析進行進一步驗證。

2.3 紅外光譜分析

關(guān)于白灰裝飾層的制作工藝， 有學者認為新石器時代以來的白灰裝飾層是使用石灰質(zhì)結(jié)核磨碎后加水調(diào)制而成； 也有人認為白灰裝飾層是由人工燒制而成的。 目前能夠判斷其制作工藝的方法為紅外光譜法[12]。 其原理是根據(jù)樣品紅外光譜峰在吸收強度上的變化， 反映了組成礦物原子無序度的信息。 在碳酸鈣的標準譜圖中， 吸收峰主要有314， 708(ν4)， 873(ν2)， 1 420(ν3)[13]等。 708(ν4)， 873(ν2)和1 420 cm-1(ν3)三個紅外吸收峰分別對應碳酸根離子的面內(nèi)變形振動， 面外變形振動和反對稱伸縮振動。 Gueta等發(fā)現(xiàn)如果碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲， 無序度會增加， 從而導致ν4吸收峰變寬， 強度變低， 而ν2吸收峰卻保持不變[14]， 所以利用ν2/ν4的比值可以判斷白灰裝飾層的制作工藝。 除F33和F50房址的白色裝飾層以外， 以兩種天然石灰石作對比， 紅外光譜分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 紅外譜圖結(jié)果(a)： F50樣品紅外光譜圖； (b)： F33樣品紅外光譜圖； (c)： 天然石灰石1紅外光譜圖； (d)： 天然石灰石2紅外光譜圖Fig.10 IR results(a)： IR spectra of sample F50； (b)： IR spectra of sample F33； (c)： IR spectra of natural limestone 1； (d)： IR spectra of natural limestone 2

表2 紅外分析結(jié)果Table 2 IR analysis results

研究表明樣品隨著研磨程度的增加，ν3吸收峰會變窄， 同時導致ν2，ν4的吸收峰變低。 本次實驗結(jié)果中所有樣品的ν3值較為接近， 說明研磨后樣品的顆粒度較為接近， 對ν2/ν4的比值不會有影響。 研究發(fā)現(xiàn)， 古代人工制作的白灰ν2/ν4的比值約在5～6.8之間， 而天然石灰石約在2.5左右[15]， 本次實驗中F50樣品和F33樣品的ν2/ν4比值比較接近， 約在5左右， 兩種天然石灰石樣品的ν2/ν4比值為1.86和2.54， 均小于F50樣品和F33樣品的ν2/ν4比值， 說明F50樣品與F33樣品均為人工煅燒的白灰， 經(jīng)過消化、 碳化后其無序度遠高于天然碳酸鈣晶體， 并非天然石灰石[16]。

3 結(jié) 論

(1) 東北地區(qū)的史前遺址中首次發(fā)現(xiàn)了使用石灰等材料混合制作的地面加強和裝飾材料， 發(fā)現(xiàn)的地點是通遼北部科爾沁左翼中旗的哈民忙哈遺址。 上百座的新石器時代房屋遺跡中， 對20多處的調(diào)查發(fā)現(xiàn)有兩座的地面進行了硬化處理。 通過成分分析說明材料的組成成分主要是石英、 長石、 碳酸鈣等屬于多種材料混合形成的材料； 而幾種成分的顆粒大小不同， 有明顯的人工摻雜混合痕跡； 同時根據(jù)樣品紅外光譜的分析研究表明， F50和F33房址的白色鋪墊材料為人工燒制的， 并非天然石灰石， 說明在距今5 300～5 800年的時間段內(nèi)， 東北地區(qū)的居民使用了這種地面加強和鋪裝工藝。

(2) 哈民忙哈遺址中出現(xiàn)的白色鋪墊材料是科爾沁地區(qū)的首次發(fā)現(xiàn)， 并且哈民忙哈遺址中發(fā)現(xiàn)的白色鋪墊材料與中原地區(qū)發(fā)現(xiàn)的材料成分基本相同， 也為人工燒制而成。 鑒于哈民忙哈遺址和中原地區(qū)仰韶文化中后期的時間比較接近， 且成分相近， 器物上有很多相近的情況， 推測該技術(shù)并非獨立生產(chǎn)的， 而是地區(qū)之間技術(shù)交流的可能性相對比較大， 這涉及到文化交流和族群的流動情況， 對于考古學研究具有一定的意義。

對于其功能及作用主要與古人所居住的方式有關(guān)。 古人的居住方式主要是地穴式或半地穴式， 房屋堅固耐用就必須采取一定的措施加固墻壁， 白色鋪墊材料即碳酸鈣具有堅固穩(wěn)定的性能， 可以使墻壁堅固不易倒塌， 地面經(jīng)打磨略有光澤， 更加堅實平整， 而且具有防潮作用。 除此之外， 由于白灰即碳酸鈣的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)， 還能起到衛(wèi)生、 防蟲的作用。 局部房屋使用較高級的地面， 也許說明居住者在族群中有特殊的地位。