文物产地与矿料来源研究.ppt
第三章 文物产地与矿料来源研究,文物产地与矿料来源研究利用现代自然科学技术手段，通过对文物的测定分析，从中提取文物产地与矿料来源的信息，进而结合考古学背景，以探讨古代文物的生产、传播、贸易、交流等经济、社会和文化问题，为考古学复原人类历史面貌、探索历史发展规律提供科学、定量的依据。,第一节 文物产地及矿料来源研究发展简史,1842年德国Dorpat大学的F.Gobel教授分析了俄国Baltic省出土的黄铜器，并认为这些铜锌合金应产于罗马帝国。这一研究开创了文物产地及矿料来源研究的先河。19世纪50年代，奥地利学者J.E.Wo-cel博士在其两篇古代青铜器研究论文中提出，文物化学成分与其制作时间、地点存在着一定的联系，在对古代金属文物进行化学分析的基础上，Wo-cel博士对成分数据进行了统计处理，并提出了化学性质群的概念，这对文物产地与矿料来源研究的深入开展，有着不可低估的影响。,19世纪60年代中期，法国矿物学家A.Damour博士研究了凯尔特人纪念碑附近和野蛮部落中发现的一批硬质石斧，通过矿物学方法的分析，发现这些石斧的材质十分复杂，包括石英、软玉、翡翠、玛瑙、碧玉和氯黑榴石等。在报道上述结果的论文中，Damour博士提出了两个非常重要的观点：一是通过了解文物的化学成分和地质特征，有望探索它们的矿料来源，为研究史前先民迁徙路线提供有意义的信息；二是考古学家应该认真细致地做好发掘记录，而自然科学家应该从各自的领域出发，帮助考古学家给出考古发现物的意义。,1869年法国的M.Fouque测定了圣陶里地区火山凝灰岩和出土陶器的化学成分，并对二者做了对比分析，发现它们具有不同的化学成分。1895年美国哈佛大学的T.W.Richard教授测定了波士顿精美艺术博物馆的一批古雅典陶器，认为这批陶器很可能出产于古雅典城。同时，他还提出了两个重要观点：一是样品群中，如果各样品的某一元素含量集中在一个狭窄的范围内，则预示着他们来自有限的地理源头；二是建立相当规模的“数据库”，将待分析样品群的测试值与之比较，是系统研究文物产地的前提。这两点意见至今对文物产地研究具有重要的指导意义。,1928年W.Bradfield教授和F.G.Jackson博士采用湿化学法对陶器及浆料进行了分析。Bradfield教授的博士生A.O.Shepard也参加了这一工作，并且最先将岩相分析方法应用于陶器分类和来源研究中，还将化学、矿物学方法与陶器外形、颜色和纹饰等陶器外部信息结合在一起，作为陶器分类的依据，被认为是第一个注意到实验室技术、产地研究和分类间相互关系的专家。20世纪50年代中期，美国著名的核物理学家、“原子弹之父”J.R.Oppenheimer教授建议将中子活化分析用于文物的产地研究。不久，E.V.Sayer教授和R.W.Dodson教授留利用中子活化分析方法成功的研究了地中海地区出土古陶器的产地。,到了20世纪后半叶，国际国内文物产地和矿料来源研究进入了一个大发展时期，许多国家研究机构、个人对其表现出了极大的兴趣，大量的人力物力投入到这一领域中来，使得这一研究领域在此期间取得了长足的发展:,1、一些新的研究方法逐渐建立起来，如铅同位素比值分析，在大理石、玻璃、金属器、颜料等文物的示踪研究中都得到了较好的应用，取得了不少有意义的成果。2、越来越多的现代仪器分析技术被引进到研究中，分析手段变得丰富多样。研究者可以根据研究目的的需要，选择合适的分析测试方法，或不同分析方法相结合，可以得到多方面、各层次的信息；3、分析仪器的测试精度越来越高，应用范围也日益拓宽。仪器性能的提高，使得一些往日难以取得的指标，现在很轻松地就可以得到；4、多元统计分析方法得到广泛应用，使研究者可以同时处理更多的数据，从而能够得到更为全面的信息，同时分析也更加科学，所得结论也更为合理。,第二节 文物产地及矿料来源研究的概念及其研究意义,“产地研究”与“矿料来源研究”是两个密切相关又含义有别的概念。前者主要指陶瓷等可以就地取材制造的器物，因而其产地通常就是其原料来源地。后者则主要针对金属器物如青铜器，这是由于金属器物的制造地点和其原料产地往往并不相同，产地分析所能得到的仅仅是反映其原料产地的信息。,一、文物产地及矿料来源研究的概念,二、判别文物的产地及矿料来源的基本原理 主要依据自然科学领域内地球化学的知识。由于成岩条件不同，出产于不同地区或同一地区不同地质层位的岩石、矿物，在化学结构和元素组成上均会存在不同程度的差异。因此，利用自然资源制造的任何人工物品，都或多或少的携带着其原料产地的特征信息，而这些特征信息，恰似人的指纹一样，具有地区的特异性，因而被称为“指纹”信息。提取和分析存在于文物之中的这些指纹信息，就可望由流溯源，找到其产地或矿料来源。,通过对文物产地与矿料来源的研究，不仅可为我们提供古代先民开发、利用自然资源的宝贵资料，而且能反映古代矿料的传播路线，为探讨古代社会不同地域和人群之间的文化交流、贸易往来、交通运输，以及生产组织、社会结构等多方面、深层次的问题奠定坚实的基础，对考古学文化、遗存的空间标尺的建立起到积极的推动作用。,三、文物产地及矿料来源的研究意义,第三节 文物产地与矿料来源研究的分析方法,一、历史文献法二、考古器物类型学的方法三、科技检测方法:一方面表现为文物产地及其矿料来源研究的分析仪器方法种类繁多.另一方面表现为文物产地及其矿料来源研究的分析方法众多.,1、主量元素和微量元素的应用,主量元素（major elements）又称为常量元素，一般是指在岩石或矿物中含量大于1%或0.1%的元素。微量元素（minor elements，trace elements），又称痕量元素、次要元素、稀有元素等，在岩石或矿物中的含量一般小于1%或0.1%，其含量单位常以ppm（百万分之一）或ppb（十亿分之一）来表示。,分析方法,图X3.1 Si、Al元素散点图,图X3.2硅铝与钾钠比值散点图,2、稀土元素的应用,稀土元素（rare earth elements，REE）是指元素周期表中的镧系元素（5771号元素）La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，以及39号元素Y，总共16个元素。,镧系元素在元素周期表中占据一格位置，它们的电子层结构决定了其化学性质极其相似。在地质、地球化学作用过程中，它们往往作为一个整体活动，只要有其中的一个元素出现，其余的元素就会同时存在。不过，自然界中稀土元素的含量并不尽相同，各个稀土元素的含量比例也有一定差异，这是由一定的地质与物理化学条件所决定的。因此，稀土元素可以看作是一种良好的地球化学指示剂。通过对地质体中稀土元素的组成特点的研究，可以对许多地球化学问题如地壳、地球、月球的形成与演化，岩石的成因，成矿物质来源，成岩成矿条件等进行探讨。而在古陶瓷产地研究中，稀土元素可用于指示陶瓷的产地信息。,图X3.3稀土元素分布模式,3、铅同位素比值法,（1）铅同位素比值法的理论基础,同位素(isotope)是指质子数相同而中子数不同的原子。同位素具有相同的核外电子数，故它们的化学性质基本相同。同位素可以分为两类，即放射性同位素(radioactive isotope)和稳定同位素(stable isotope)。凡能自发放出、射线的同位素，称为放射性同位素。与之相反，不能自发衰变的同位素则称为稳定同位素。稳定同位素中，一部分是放射性同位素衰变形成的最终产物，称为放射成因同位素，如207Pb、87Sr等；而大部分为天然的稳定同位素，即自原子形成以来就保持稳定的同位素，如H和D、12C和13C等。,（2）基本原理：,在地球上，不同区域的矿床，其成矿时间一般不同，因而不同矿床的铅同位素比值通常也不同，即，不同矿床具有各自不同的铅同位素比值特征。一般认为，铅同位素在矿石冶炼和金属熔铸过程中不发生分馏，青铜器等金属器物在铸成之后，仍能保留所用原料的铅同位素比值信息。,（3）铅同位素比值数据的使用,图X3.5 铅同位素比值散点图,图X3.6铅同位素比值散点图,铅同位素比值法的优点：1）消耗的样品量少，一般取样110g；2）样品不受风化或腐蚀的影响，在这样的物理和化学过程中，铅同位素比值法不会变化；3）通过铅同位素比值法可以分析器物之间的相互关系和来源的差异，在一定条件下，还可以推测矿料来源的区域（包括不同的国家区域）。局限性：1）不同地区、不同地质环境的铅同位素比值有时是相近的（异常铅除外），这种重叠现象在正常铅的铅同位素分布场中尤为突出；2）同一矿体或矿床的正常铅同位素组成是稳定的，但有一定的分散性，变化在0.3%1%范围内；3）国内外目前使用这种方法仍然是对数据用坐标图解的形式，进行定性描述，得到的往往是“可能性”结果，缺乏对“可能性”的定量分析，目前国内外科技考古数据处理仍然普遍使用这种图解描述的方法。,第四节 古代陶瓷与青铜文物的产地及矿料来源研究,陶瓷器是古代先民大量制作和使用的物品，是考古发掘中最多的一种遗物，蕴含着丰富的文化信息。青铜器是人类最早大量生产的金属，它在人类社会发展史上曾起到过巨大作用。,一、古陶瓷产地研究的理论基础,古代陶瓷产地研究就是通过对古陶瓷化学元素特征大量数据的积累，从中选出反映地域性特征的微量、痕量元素及其含量，用现代陶器、源粘土进行对比，进一步推断古陶瓷的制作年代和烧制地点。古陶瓷产地研究基于这样两个理论基础，或说是前提条件：其一，不同产地的粘土陶瓷器原料具有各自不同的化学组成，即粘土携带有其产地的特征，或说是“指纹信息”；其二，粘土的这些“指纹信息”能够基本完好地保存于其烧制产物陶瓷器中，即原粘土的的化学成分在烧制过程中不会发生变化。,能量色散X射线荧光仪的示意图,实验条件：Al、Si、P、K、Ca、Ti、Mn、Fe和Ni含量的测定用25kV300A的管压-管流，积分时间300 s；Cu、Zn、Pb、Rb、Sr、Y、Zr和Ba含量的测定用50kV45A的管压-管流，积分时间600 s。分析线除Pb用L外，其余元素均用K；真空光路。,测试仪器和实验条件,举例,我国古代北方白瓷釉的成分分析,校准曲线的制作和校准方程,校准曲线的方程：Ci=Ai+Bi*Ii,校准方程的系数A和B、相关系数R及测试的管压-管流,白瓷釉中主量元素的含量(wt%)和釉式,白瓷釉中微量元素含量（g/g）,白瓷釉中Fe2O3的箱式图,主量元素,釉式相关散点图,Al2O3和SiO2的总量与助熔剂含量的散点图,微量元素,Ba和Zr的相关图,微量元素因子分析散点图,小 结1、白瓷釉中较低的Fe2O3含量，为白瓷的成功烧制创造了条件。2、我国北方古代白瓷因窑口或时代的不同，所使用的釉料配方存在着一定的差异，但具有各自的特点；釉中的微量元素和主量元素都可以用来进行窑口或时代的判别。3、总体来说，随着时代的发展，宜阳窑白瓷釉料的配方没有发生太大的变化；虽然也有自己的特点，然而由于地理和历史等方面的原因，其配方应受到了巩窑的明显影响。4、巩窑白瓷随时代不同，釉料配方发生了变化，这与巩窑白瓷生产技术的提高应该是密切联系的。,二、古代青铜器矿料来源研究,秦早期青铜器矿料来源探析,举例,1.样品概况 分析的青铜样品分别取自礼县博物馆、陇县博物馆、凤翔博物馆、宝鸡成仓区博物馆，共49个样品，青铜样品信息见表一。,表一 青铜样品信息（部分）,2.实验仪器与结果,表二 秦早期青铜器主量元素与铅同位素数据(部分),3.讨论,3.1秦早期青铜器铅料来源分析,与殷商青铜器的铅同位素比较,图 秦早期青铜器与殷商青铜器的铅同位素对比分析散点图,与周边铅矿源的铅同位素比较,图 秦岭山带矿点分布图,表 礼县周边秦岭山带内铅矿铅同位素比值（部分）,图 秦早期青铜器与秦岭造山带矿料的铅同位素的对比散点图,3.2秦早期青铜器铜料来源试析,表 甘肃省宕昌县韩院后沟-皮地坡铜矿铅同位素比值,图 秦早期青铜器与秦岭铜矿铅同位素的对比分析散点图,3.结 论 通过上述分析表明，秦早期青铜器使用的矿料有可能来自秦岭山带。虽然至今在秦人早期生活的周边地区尚未发现古铜矿遗址，但是本文的研究结果为寻找秦人早期制作青铜器使用的矿源提出了一个线索。,第五节 文物产地及矿料来源研究的前景,1、完善在文物产地及矿料来源研究中运用的科技方法2、在文物产地及矿料来源研究中加强运用和探索新的科技方法3、拓宽文物产地及矿料来源研究的内容和领域,思 考 题：1、试述文物产地与矿料来源研究的意义。2、文物产地与矿料来源研究主要有那些分析方法？3、古陶瓷产地研究的理论基础是什么？4、试析铅同位素比值法在矿料来源研究方面的应用前景。,工程塑料拖链 http:/练嘉淑澬,
