遼寧建昌縣東大杖子墓地 M11 出土銅器的科學分析_風聞

摘要：東大杖子墓地是遼西地區戰國時期的一處重要遺址。本研究對東大杖子M11出土的15件銅器進行了金相分析、掃描電鏡與能譜分析以及鉛同位素比值分析。分析結果顯示，M11出土銅器的製作工藝以鑄造為主，另外還有熱鍛及熱鍛後冷加工；合金成分以鉛錫青銅為主，僅有一件銅斧是銅錫合金。銅器的合金成分和器物類型之間的關係明顯，表明製作者已經能根據青銅器的成型工藝和用途而選擇合適的製作材料。鉛同位素比值顯示M11出土銅器雖文化背景各異，但鉛料來源卻較為相近，反映出遼西與中原地區在物料流通方面存在着密切的聯繫。

東大杖子墓地位於遼寧省建昌縣鹼廠鄉東大杖子村，地處大淩河上游的遼西丘陵山區，是溝通北方、中原文化和遼西地區文化的重要節點。自2000年至2012年，遼寧省文物考古研究所等單位對其進行了6次搶救性發掘，共清理墓葬47座，在2000年發掘的戰國早期墓葬M11中出土了28件（套）青銅器，按使用功能可分為容器、兵器、工具、車馬器等，基本涵蓋了東大杖子墓地出土銅器的所有器類，是研究遼西地區戰國銅器的重要實物資料。有鑑於此，本文通過金相組織鑑定、合金成分分析、鉛同位素分析等多種檢測方法，對東大杖子墓地M11出土銅器進行科學分析，以期揭示其所藴含的工藝技術信息，探討其礦料及產地來源，為深入認識戰國時期遼西地區銅器的生產與交流提供更多科學依據。

一、取樣及分析方法

為最大限度保護文物，僅對銅器鑄縫、破損處或器形可辨的銅器殘片進行取樣。按此取樣原則，從M11出土銅器中共取得基體樣品15件，涉及銅器15件，包括容器7、兵器4、工具3及車馬器1。將樣品進行鑲嵌、打磨、拋光，使用LeicaDM-4000M金相顯微鏡觀察未浸蝕和經3%三氯化鐵鹽酸酒精溶液浸蝕後樣品的金相組織、夾雜物形貌及分佈等；隨後將樣品重新拋光，用北京大學考古文博學院科技考古實驗室HitachiTM3030超景深電子顯微鏡觀察樣品形貌，選取無鏽或少鏽蝕區域，以聯用的EDAX能譜儀對樣品不同部位分別測定成分，取平均值作為整體成分分析結果。測試條件為：電壓15kV，採集時間90至120秒。金相分析及成分分析結果詳見表一。

二、金相組織鑑定

通過金相分析發現，東大杖子M11出土的15件銅器有鑄造、熱鍛和熱鍛後冷加工三種組織形態（表一）。其中鼎、壺等10件銅器樣品的金相組織為α固溶體樹枝晶，（α+δ）共析體分佈於晶間，為典型的鑄造組織，表明均為鑄造成型。由於鉛、錫含量及冷卻速度的不同，其α固溶體、（α+δ）共析體及鉛顆粒的數量、形態及分佈有所差異；各樣品金相組織中均含有數量不等且多與鉛伴生呈藍灰色點狀、顆粒狀及不規則狀分佈於晶間或晶內的硫化物夾雜；在銅鏃（M11∶33）、蓋弓帽（M11∶35）等小件樣品中還發現有純銅晶粒（圖一四）。純銅晶粒多存在於鑄造或鏽蝕原因形成的孔洞和縫隙中，在錫含量較高、鏽蝕嚴重、δ相優先腐蝕的古代銅器中常出現自由銅沉積。

金相實驗結果還顯示，銅鑿（M11∶9）等5件銅器樣品組織形態出現α再結晶晶粒及孿晶，説明是熱鍛成型，其中匜（M11∶2）、洗（M11∶3）、鉞（M11∶17）、斧（M11∶19）的金相組織中還存在滑移帶，説明在熱鍛成型後又經過冷加工。匜和銅鑿中的鉛呈圓形顆粒狀彌散分佈在晶間，而洗和鉞中的鉛沿加工方向拉長成條帶狀，或可反映出加工量多少的差別。較為特殊的是銅斧樣品，局部可見大塊的（α+δ）共析體，藍灰色硫化物夾雜也沿加工方向拉長成條狀（圖一五）。

三、合金成分分析

經分析的15個樣品中，僅銅斧（M11：19）是錫青銅，其餘14件樣品均為鉛錫青銅，其中鼎（M11：4）和銅劍（M11：27）樣品腐蝕較為嚴重，成分數據不計入統計。整體來看，樣品中的錫含量的波動範圍較小，介於8.5%至17.0%，鉛含量則差別較大，最低含量3.2%，最高則含23.8%。所有樣品都含有銅硫化物夾雜，呈小顆粒狀，多與鉛伴生，或存在於晶粒界面上。能譜分析結果表明，多數樣品夾雜物的含硫量在20%左右（圖一五、圖一六），銅硫化物夾雜的存在表明冶煉所用礦石不是純淨的氧化礦。值得注意的是，銅壺（M11：5）本體中檢測到了鐵元素，含量為1.3%，推測是由冶煉共生礦所致。

四、鉛同位素分析

9件銅器樣品以王水溶解，所得溶液稀釋至Pb2+濃度低於0.5mg/l後，加入Tl2SO4標液作為內標。使用北京大學地球與空間學院的VG Elemental型多接收電感耦合等離子體質譜儀（MC-ICP-MS）測試鉛同位素比值。測試時使用國際鉛同位素標準溶液SRM981校正儀器，測試相對誤差小於0.05%，結果詳見表二。

鉛同位素分析結果顯示，東大杖子墓地M11銅器樣品208Pb/204Pb的比值在37.7~38.6之間，206Pb/204Pb的比值在17.4~18.2之間，均屬普通鉛。根據206Pb/204Pb比值特徵，這批數據又可分為三類，第一類比值在18.0~18.2間，包括刻紋匜及銅鏃；第二類比值在17.4~17.8之間，M11中典型的燕式青銅器如卧獸鈕蓋鼎、中原各地戰國墓常見的鑄鑲紅銅鋪首圓壺及連體提鏈壺等不同背景的青銅器均屬此類。若以M11銅器樣品的208Pb/204Pb對206Pb/204Pb比值作圖，則第一、二類比值數據大致落在於一條直線上，第三類比值則偏處直線上方（圖一八），實例包括戈（M11:25）、曲刃短劍（M11:27）及削刀（M11:30）等。

李瑞亮曾對東大杖子M45出土部分青銅器進行過鉛同位素比值分析，結果也包括上述三類，並與M11同類器物基本對應。M45刻紋盤、匜與M11所出形制及紋飾近同；李文報導的206Pb/204Pb比值在17.9~18.0之間，也與M11匜較為接近，屬於第一類比值。M45:10鼎與M11:4鼎數據十分接近，206Pb/204Pb比值在17.7附近，比值為第二類；M45:21蓋豆與M11:27曲刃劍相似，屬於第三類比值。東大杖子M45與M11相距較近，器物組合及風格相近，年代較M11稍晚，對應的鉛同位素比值總體分佈也十分相似。

燕國青銅器的鉛同位素比值隨時代變化較大。齊思（W.T.Chase）分析過美國賽克勒博物館藏三足舟（館藏編號V-79）、蓋豆（V-258）及嵌紅銅環鈕敦（V-163）等春秋晚期至戰國早期的燕式青銅器，206Pb/204Pb比值均在17.5~17.6間，均為上述第二類比值；此類比值的鉛料在晉地大量使用，如山西侯馬牛村鑄銅作坊所出鉛錠即屬此類。戰國早期晚段至戰國早中期之際，燕國青銅器的鉛料仍然與同期三晉青銅器基本相似（圖一九）。遼寧東大杖子M11的比值與山西長治分水嶺M14-M26組墓所出青銅器相近，而東大杖子M45的比值則與分水嶺M12—M25組墓相近。戰國中晚期的燕國青銅器尚少科技分析研究報道，金正耀對河北燕下都遺址所出不同期別的明刀進行過分析。早期弧背明刀比值較為雜亂，有一件206Pb/204Pb比值在17.4附近，接近上文所述的第二類比值，此外還包括高放射性成因鉛及高比值鉛等異常比值類別；晚期弧背及折背明刀則主要是高比值鉛，並與齊國在戰國末期鑄行的刀幣及圜錢相近。據以上分析可知，春秋晚期至戰國早期燕國青銅器的鉛料與晉及三晉青銅器較為相似，至戰國中晚期逐漸與中原地區趨異，而與海岱北部的齊地具有較強共性。

五、討論

1.東大杖子墓地M11出土青銅器的工藝特徵

從加工工藝來看，東大杖子墓地M11出土青銅器表現出多樣化的製作方式，這批青銅器不僅有鑄造的（10件），還有熱鍛（1件）和熱鍛後冷加工的（4件）。鑄造樣品所佔比重最大，器物種類豐富，涵蓋了容器、武器、工具以及車馬器等。工具銅鑿的製作工藝為熱鍛，匜、洗的製作工藝為熱鍛後冷加工。器物經過熱鍛，可以使成分均勻，組織發生再結晶變化，從而增加緻密度，提高機械性能。斧、鉞樣品的金相組織顯示其製作工藝為熱鍛後冷加工，但從外表觀察其整體應為鑄造成型，推測是刃部經過鑄後加工和戧磨、使用。斧、鉞都是通過鋒利的刃部來實現其作為工具和武器的使用功能的，通過對其刃部進行熱鍛和冷加工，可使其加工硬化，並顯著提高強度和硬度。此工藝在西周時期工具及兵器加工中即有發現，如周原宋家西周墓地3件兵器工具類器物、葉家山M65出土的1件銅戈、北京房山琉璃河西周墓葬出土的5件銅戈、1件銅戟和1件銅刀、陝西灃西張家坡西周墓葬出土的5件銅戈等均經過冷熱加工處理。至東周時期，中原地區發現了許多采用此工藝加工的銅器：如河北平山中山國東周墓出土銅針、山西長治分水嶺M84出土銅刀及M126出土銅戈、湖北宜城跑馬堤戰國墓地出土銅鉞、陝北地區出土東周銅刀等。此外，在邊疆地區也發現了大量採用此工藝的工具兵器類銅器，如吉林白城雙塔戰國墓地出土銅錐、內蒙古林西縣井溝子西區出土銅錐、銅刀、青海都蘭縣塔温搭裏哈晚期青銅時代遺址出土銅刀、四川宣漢羅家壩出土戰國銅鋸、重慶開縣餘家壩遺址出土戰國銅劍、銅削、貴州紅營盤東周墓地出土銅劍、銅鏃、滇西古哀牢地區出土戰國青銅劍、雲南曲靖橫大路墓地出土東周銅劍及銅戈等。可見，對青銅兵器與工具的刃部以冷熱鍛打的方式進行鑄後加工處理這種技術在東周時期得到了非常廣泛的應用，這也印證了《尚書·費誓》中“備乃弓矢，鍛乃戈矛，礪乃鋒刃，無敢不善”的記載。

值得注意的是，匜、洗兩件銅容器也採用了熱鍛後冷加工的製作工藝，且器壁極薄，均不足1毫米，是東北地區發現最早的熱鍛薄壁銅容器。東周時期，熱鍛銅容器在各地大量出現，如山西定襄中霍春秋墓出土盤、匜；湖北鄖縣喬家院墓地出土的春秋及戰國時期銅盤、銅匜；河南陝縣後川戰國墓出土盤、匜；陝西西安北郊秦墓出土戰國時期銅盤；山東新泰周家莊墓地出土戰國時期銅盤；淮陰高莊戰國墓出土盤、匜；四川宣漢羅家壩出土戰國銅盆、盤、鑑等。這些薄壁銅容器都採用了熱鍛成型工藝，説明當時工匠已經熟練掌握了在鍛打過程中通過加熱保温來降低材料的硬度，從而恢復其延展性，使其更容易進行加工的技術。

2.東大杖子墓地M11出土青銅器的材質特徵

從材質成分來看，東大杖子墓地M11出土青銅器的15份樣品中有14件Cu-Sn-Pb三元合金，僅銅斧是Cu-Sn二元合金。這些青銅器的合金化程度較高，主要合金元素的總體平均含量(Sn%+Pb%)接近22%。其中錫含量較為集中，基本以13%為中心呈正態分佈，工具兵器類銅器的錫含量略高於鑄造銅容器。鉛含量的差異則非常大，連體壺樣品含鉛23.8%，而匜、洗、鉞等僅略高於3%。整體來看，鍛造成型銅器的鉛含量明顯小於鑄造銅器，而熱鍛後經冷加工的銅器鉛含量還要更低，且鑄造成型銅容器的鉛含量顯著高於工具兵器類銅器。這種現象從商代開始就已經出現，郝欣等對盤龍城商代中期遺址出土銅器的分析結果顯示，工具兵器類銅器的含鉛量明顯低於禮器的含鉛量；張利潔等通過對北京琉璃河燕國西周墓地出土銅器的分析也發現器物類型與合金成分有着密切的關係，認為琉璃河西周銅器在合金成分上不僅繼承了商代的技術，而且有了進一步提高。錫的增加是為了獲得更高的機械性能，使器物獲得更高的硬度，主要是應用於工具與兵器中，鉛的增加主要是為了提高合金溶液的流動性，增強充填鑄型能力，更適用於具有繁縟紋飾的器物，但過高的鉛含量會降低銅器的機械性能。以東大杖子墓地M11出土匜、洗樣品為例，因為需要鍛打成型，所以需要一定的強度，其約14%的錫含量，恰好可提供較高的抗拉強度、硬度和一定的延伸率；而約3%的鉛含量，可以保證器物在鍛打和使用過程中不至因拉伸過大而產生結構損傷。這些都表明，當時工匠充分認識到了錫、鉛配比對合金性能的影響，並可根據製作工藝與使用功能的不同，選擇適宜的錫、鉛配比，顯示出了成熟的銅器製作技術與多樣性的手段。

3.東大杖子墓地M11出土青銅器的鉛同位素比值分析

東大杖子M11青銅器鉛同位素比值的總體分佈與M45大體相似，並與同時期三晉青銅器接近，體現較為鮮明的時代特徵，也反映燕地青銅器與中原地區存在密切的關聯。東大杖子M11青銅器的文化背景各異，但鉛料來源卻較為相近。如鑄鑲紅銅壺（M11:5）在中原及周邊地區戰國早期墓葬中多有發現，連體提鏈壺（M11:6）則罕見於中原及河北北部，但兩件器物的鉛同位素比值基本相同，也與侯馬鑄銅作坊所出鉛錠類似。

東大杖子M11青銅器的鉛同位素比值還暗示遼西地區對中原資源向東北地區傳播的樞紐地位。金柄曲刃劍（M11:27）有濃厚的地方色彩，但鉛同位素比值則與戰國早中期中原各地青銅器相近。較此更北的內蒙古林西井溝子西區墓地，所出北方系青銅器的鉛料也與中原及燕地具有強烈共性。由此可見，遼寧地區戰國時期青銅器的溯源研究，除了需要與遼西東勝、遼東青城子等東北地區鉛礦進行比對，也需要考慮共時背景下可能存在與中原地區的金屬物料流通。

六、結語

通過對東大杖子墓地M11出土的15件青銅器的科學檢測分析研究，初步得出以下結論：

1.M11出土青銅器的製作工藝多樣化，存在鑄造、熱鍛、熱鍛後冷加工三種製作方式。

當時的工匠為了提升工具兵器類銅器的硬度和強度，會有意識地對其鋒刃部位進行熱鍛和冷加工；兩件薄壁銅容器洗和匜也採用了熱鍛成型工藝，並進行了冷加工處理。

2.15件銅器樣品有14件是Cu-Sn-Pb三元合金，僅銅斧是Cu-Sn二元合金，錫含量較為集中，鍛造成型銅器的鉛含量明顯小於鑄造銅器，而熱鍛後經冷加工的銅器鉛含量還要更低，且鑄造成型銅容器的鉛含量顯著高於工具兵器類銅器，表明製作者已經能根據青銅器的器類、功能及加工方式而選擇合適的製作材枓。

3.東大杖子M11出土銅器的鉛同位素比值與同時期三晉青銅器接近，雖然銅器具有中原文化、燕文化及土著文化等不同文化因素，但他們的鉛料來源卻較為相近，反映出遼西與中原地區在物料流通方面存在着密切的聯繫。

總體來看，東大杖子墓地M11出土銅器反映出了專業的冶煉技術和成熟的製作工藝，為研究戰國早期青銅器加工技術以及遼西地區銅器的生產與交流提供了新的資料。