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新技术在陶瓷考古中的应用

发布时间:2019-09-25所属分类:科技论文浏览:1

摘要陶瓷文物在考古遗迹中出土的数量最多,其包含的大量考古信息对于揭开遗址的性质具有十分重要的意义。越来越多的新技术,在陶瓷考古中发挥着传统地层学和类型学方法不能代替的作用,为陶瓷文物的测年、原料来源、烧造工艺等方面提供越来越多的解读。笔者

  摘要陶瓷文物在考古遗迹中出土的数量最多,其包含的大量考古信息对于揭开遗址的性质具有十分重要的意义。越来越多的新技术,在陶瓷考古中发挥着传统地层学和类型学方法不能代替的作用,为陶瓷文物的测年、原料来源、烧造工艺等方面提供越来越多的解读。笔者就常见的几种与陶瓷考古相关的新技术的应用做简单阐述和对比,主要涉及14C测年法、热释光技术和穆斯堡尔技术。

新技术在陶瓷考古中的应用

  关键词陶瓷考古14C测年法热释光技术穆斯堡尔技术

  前言

  考古活动的重要目的之一,就是解读遗迹和遗物中包含的大量考古信息,以达到证史补史,揭示古人的生活状态,进而最大程度地还原古代社会的面貌,探究古人物质和精神世界的目的。那么,如何解读这些信息就成为摆在考古学家面前的重要任务之一。在传统的考古方法中,地层学和类型学确定遗物的时间序列,建立遗存的时空坐标,为探究其背后的文化因素提供了较为有效的方法。然而,在确定遗物的绝对年代、探究遗物的生产过程和原料产地等问题上,传统的方法有时显得捉襟见肘。

  1新技术应用

  随着科学技术的快速发展,越来越多的新技术被应用到考古研究中,按照学科分类,主要包括核技术、生物方法、物理和化学方法、地球物理方法和计算机技术。在最近的一次关于考古学相关的期刊中涉及新技术论文发表情况统计中,核技术和物理化学技术的论文数量占到了所有新技术发表论文总量的80.5%,可见,此两个领域的技术在考古活动中的应用是十分广泛。究其原因,除去技术本身的可操作性和成本之外,技术与考古活动的结合也取决于其研究对象的广泛性,即遗迹或遗物本身的出土数量和考古信息载量。

  陶瓷的出土数量是各类遗物中最多的,各种器物的形态和组合能够很好地帮助断定遗址的相对年代,在某种程度上代表着考古学文化的特征。那么关于陶瓷的绝对年代判定对于考古学文化的年代推断、考古学文化序列的确定有着重要的意义。另外,陶瓷文物原料产地的探明,对于古代人类的活动范围、技术交流、商品流布等问题也具有实证作用。因陶瓷文物出土数量多,蕴含考古信息丰富,与其相关的考古学新技术的发展也起着推波助澜的作用,而上述的核技术和物理化学技术,正是研究陶瓷文物的主要技术手段。

  1.1核技术

  目前常用的陶瓷年代测定技术主要有放射性14C同位素测年法、热释光技术等。

  1.1.1放射性14C同位素测年法

  自1955年夏鼐先生首次将“放射性碳素革命”方法介绍到我国考古学界,14C在考古研究中的渗透非常广泛。此技术的优点是测年快捷且精度较高,能够将田野考古的层位关系和文化分期的相对年代转换为精度较高的绝对年代序列。然而,也正因其对于碳元素的敏感性,14C测年要求样品要“纯粹未经污染”的,在底层不清楚的情况下,测定的结果反而可能会引起错误的推论;另外,常规14C测年方法一般需要的样品量为4g碳,而陶片中的含碳量是很低的,通常情况下,一块重约10g的陶片,约含16~100mg的基质碳,所以,进行常规测试时,样品的需求量大,再加上样品中通常会有碳化的稻谷壳、稻草、无机碳等等,使得测年结果的偏离较大,故需要花较长时间去准备材料。这些不足,随着加速器质谱14C测年(AMS)方法的出现,某种程度上被弥补。这种新技术仅需要2~3mg的碳就可以进行测年,而且速度得到进一步提高,几十分钟就可以完成一个样品的测年工作。然而,说新方法比常规方法更好是不准确的,在精度方面,常规的14C测年数据更为可靠,因为AMS方法的取样是随机且非均质的,那么同一样品的取样,除了考虑到样品污染的影响之外,不同点的微量取样往往造成测年结果会出现较大的偏离。所以在考虑使用14C相关技术对陶瓷文物进行测年时,需要根据文物的情况,选择合适的方法进行。如当文物比较珍贵或稀少时,可以考虑使用AMS方法进行;而当陶片中发现有草、稻掺合在陶土中做坯的情况出现时,可以考虑使用常规14C方法进行测年。

  1.1.2热释光技术

  有时在古陶瓷测年中可能会面临缺少14C标本,即遗存标本中含碳量过少,以及14C标本来源不明确的情况。这时,热释光技术可以就陶瓷样本中所含的石英、长石、云母等物质进行热释光测年。热释光测年的关键是正确测定古陶瓷中的含碳量,其来源主要为2个部分,一部分来自陶瓷器内部,另一部分来自外部环境,即包括陶瓷器内部放射性物质提供的α、β剂量和外部环境提供的γ和宇宙射线剂量。在实际操作中,将样品瓷片的厚度经过加工后,使其具有200μm,这样厚度的瓷片样品,其中的α剂量可以换算为等效的β剂量,而γ的波长较长,可以忽略不计,那么在这样的样本中,可以理解为只包含β剂量和环境剂量。而根据文献可知,中国古代陶瓷的平均年剂量D=4.9±0.85(17%,±1σ)mGy/a,其中环境剂量率用典型值1mGy/a。通过这个公式可以得出,环境剂量和古剂量β的比值为1∶4,所以古陶瓷的热释光测年主要是测定瓷器内部放射性物质提供的β剂量。这种方法有一个致命弱点,即所取的200μm的样本中的β剂量并不能代表整个样本的平均β剂量,所以,对于任意厚度的瓷片的β剂量平均值的计算能够更加准确的反应其包含的年代信息,从而能够更准确的进行测年。

  以上2种测年方法是陶瓷考古中较为常用的方法,然而,它们均属于有损测试,是破坏性的分析方法,对于一些珍贵文物和样品而言,使用破坏性的测试是不可取的。而穆斯堡尔谱分析为古陶瓷器的无损分析和断代提供了可能。

  1.1.3穆斯堡尔谱技术

  穆斯堡尔效应是由德国科学家鲁道夫·穆斯堡尔在完成其博士论文时发现的,从那时起,关于穆斯堡尔谱的研究就热情不断。穆斯堡尔效应的发现为研究物质的微观结构提供了一个非常实用的方法:它具有高能量分辨率,可以测出10-13eV到10-16eV的原子核的能级变化,其测试方法和试验设备也比较简单,另外,它还具有较强的抗干扰性和高灵敏度等优点7。然而,穆斯堡尔谱技术也有自身的不足:穆斯堡尔效应只针对有限的元素,而且很多元素必须在低温条件下进行。目前这种技术主要针对57Fe、119Sn、151Eu等少数元素在室温下得到实际的应用。

  在考古研究上,因穆斯堡尔效应可以针对Fe元素发生,而粘土等陶瓷原料中含有丰富的铁元素,故而穆斯堡尔谱可以作为研究古陶瓷结构成分、烧成制度和测年的手段。穆斯堡尔谱在考古学研究最早的应用是由Cousins和Dharmawardena通过这一技术测试样品中Fe3+/Fe2+的比值,从而推断古陶瓷的烧制是在还原气氛还是在氧化气氛中进行的。我国开展了用穆斯堡尔谱进行古陶片记年效应的研究,潘贤家等学者进行了不同历史时代和不同烧制工艺的年代陶片的穆斯堡尔谱研究,他们的试验结果表明,古陶瓷的年龄与其顺磁成分中的二价铁QS值,值件有正线性相关性,且年代久远的陶片磁性成分基本消失。此外,Eis-sa等认为古陶瓷老化的主要原因是由于收到自然辐射的作用,若有已知烧造年代的陶器样本作为材料来构建时间轴数据,从而推算未知样本中的穆斯堡尔谱数据在时间轴重的位置来确定其烧制时间,这种方法可以作为古陶器测年的新方法。他们的实验发现,随着辐射剂量的增加,已知年代样品的穆斯堡尔谱上,中间两个顺磁峰的相对强度明显增加,根据各组样品的中间顺磁峰强度差与辐射剂量的线性关系,可以估算出未知样品的烧制年代。

  期刊推荐:《现代技术陶瓷》Advanced Ceramics(双月刊)1993年创刊,是实用性、可视性很强的刊物。主要介绍和评述国内外现代技术陶瓷的新工艺、新设备、新技术、新产品及新的发展动态。

  穆斯堡尔谱技术在古陶瓷的原料来源和烧制条件的推测上的应用,比其在测年方面要直观得多。用于鉴别古陶瓷原料产地的技术手段有化学分析法、X射线、中子活化分析等技术,但是穆斯堡尔技术可以相对容易地得到陶器中的Fe2+/Fe3+比率,从而判定同一地点出土的不同风格的陶器或瓷胎的原料是否来自同一地方,进而推断古陶瓷的流布情况。而在古陶瓷烧成的过程中,窑炉中的温度和气氛以及烧制的时间均能影响穆斯堡尔谱的形态。通过对确定产区的粘土在不同温度下试烧的穆斯堡尔分析,或者对古陶瓷进行连续重烧,得到相关参数,从而建立烧制温度的穆斯堡尔谱坐标系,可以对未知烧制温度的古陶瓷的烧成温度进行估算。也可以通过对古陶瓷中Fe2+的QS值与温度的关系进行研究,建立烧成温度坐标系,也可判断未知古瓷器的烧成温度。另外,通过比较在一定烧成温度下,古陶瓷和现代陶瓷釉中Fe2+的六面体配位和Fe3+的四面体配位数的异同来考虑两者釉料配方的差异,不仅可以推断古陶瓷制品的工艺条件,而且可以对古陶瓷制品的修复,现代陶瓷制品的制作都有很重要的价值。

  2结语

  中国作为陶瓷古国,古陶瓷的考古研究一直是一门活跃的学科,希望通过这些新技术的进一步实践、改进和发展,为我国陶瓷考古、古陶瓷文物保护、仿古陶瓷的制作等带来新的保护研究手段和方向。

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