自编实验教材之I陶器实验分析王青山东大学历史文化学院考古系2008年7月
1 自编实验教材之—— 陶器实验分析 王青 山东大学历史文化学院考古系 2008 年 7 月
目录陶器产地分析、二、陶器残留物分析2
2 目录 一、陶器产地分析 二、陶器残留物分析
一、陶器产地分析我国最早借用到自然科学的技术来研究古物的，大概要数科学家王班，他早在本世纪20年代初，就对中国的一些古代铜钱作了定量的化学分析。而在史前陶器研究中引入自然科学的办法，我国则从安特生对仰韶村的发掘就开始了。当时安特生很注意陶器化学成分的分析，于是专门请了人来做这方面的工作。一位奥国的陶瓷化学家梅耶斯保（Meyersberg）取了仰韶村出土和秦王寨出土的两组彩陶残片作了分析，推定出这两处陶器的烧制温度，仰韶村的大致是摄氏1300一1400℃的高温，而秦赛的则大致需要1100一1200℃的温度，。而中国自已这方面的研究，周仁堪称这方面先驱，严济慈在《中国古陶瓷研究论文集》的序言中说：“周仁先生是我国现代钢铁冶金学和陶瓷学的开拓者之一。”在周仁的主持下，中国古陶瓷研究取得了突出的成就，而于1960年发表的《中国历代名窑陶瓷工艺的的初步科学总结》作为一部中国古陶瓷科学技术史，影响极为深远。对于史前陶器而言，周仁和他的同事们同样给予了极大的关注，于1964年发表的《我国黄河流域新石器时代和殷周时代制陶工艺的科学总结》便是一项重要的研究成果。其实在这项研究中，他们综合运用到了理化分析、民族考古学和实验考古学的方法，勾勒出了黄河流域新石器时代到殷周时代的制陶工艺状况。而在理化分析的方面，他们测定了所选陶片和有关原料的化学组成。且为了判断黄河流域一带哪些土可能成为当时的制陶原料，他们还对一些原料进行了主要工艺性能的测定，包括可塑性和玻化温度的范围。他们还观察了陶片的显微结构，主要关注点在是否含有高岭石或莫来石。并选取了部分陶片进行物性测试，包括硬度和显孔隙度。通过他们的这些努力，他们在这篇文章里给出了很多重要的研究结论，例如对于陶土，他们证明了在黄河流域，使用最多的制作陶器的原料不是含有细砂的普通黄土，而是红土，沉积土、黑土和其他粘土；对于屏和料，他们则区分出了有意识配进去的沙粒和原来就存在于陶土中的沙粒；至于烧成温度，他们给出的数据是：灰陶和红陶的烧成温度范围是950—1050℃，黑陶则大约在1000℃左右，般代硬陶的烧成温度为1180℃，而战国侯马釉陶的烧成温度则高达1230℃。在他们的影响下，一系列的地区性研究开展开来了，比如：《河姆渡遗址陶器的研究》、《罗家角陶片的初步研究》、《甘肃古代各文化时期制陶工艺研究》、《江西万年新石器时代粗陶的研究》、《山西襄汾陶寺遗址陶片的测试和分析》等等。随着科学技术大量的被引进到考古学的领域，现在我们发现陶器研究中的科学分析手段已经十分丰富了（表一）。而如果说前面谈到的一些研究可能由手自然科学和考古学的磨合程度的问题，大家的感觉更象一种科技史式的研究，那么，随着学科的积淀和发展，我们现在已经可以看到一些可以称为磨合大致成功的范例了。由严文明参与的《古代陶器的长石分析与考古研究》通过利用X射线定量物相分析和计算机分峰模拟技术来研究古陶残片及陶土中长石的种类和含量，而得到了一些与古陶产地3
3 一、陶器产地分析 我国最早借用到自然科学的技术来研究古物的，大概要数科学家王琎，他早在本世纪 20 年代初，就对中国的一些古代铜钱作了定量的化学分析。而在史前陶器研究中引入自然 科学的办法，我国则从安特生对仰韶村的发掘就开始了。当时安特生很注意陶器化学成分的 分析，于是专门请了人来做这方面的工作。一位奥国的陶瓷化学家梅耶斯保（Meyersberg） 取了仰韶村出土和秦王寨出土的两组彩陶残片作了分析，推定出这两处陶器的烧制温度，仰 韶村的大致是摄氏 1300—1400℃的高温，而秦王寨的则大致需要 1100—1200℃的温度 。 而中国自己这方面的研究，周仁堪称这方面先驱 ，严济慈在《中国古陶瓷研究论文集》的 序言中说：“周仁先生是我国现代钢铁冶金学和陶瓷学的开拓者之一。”在周仁的主持下，中 国古陶瓷研究取得了突出的成就，而于 1960 年发表的《中国历代名窑陶瓷工艺的的初步科 学总结》 作为一部中国古陶瓷科学技术史，影响极为深远。 对于史前陶器而言，周仁和他的同事们同样给予了极大的关注，于 1964 年发表的《我 国黄河流域新石器时代和殷周时代制陶工艺的科学总结》 便是一项重要的研究成果。其实 在这项研究中，他们综合运用到了理化分析、民族考古学和实验考古学的方法，勾勒出了黄 河流域新石器时代到殷周时代的制陶工艺状况。而在理化分析的方面，他们测定了所选陶片 和有关原料的化学组成。且为了判断黄河流域一带哪些土可能成为当时的制陶原料，他们还 对一些原料进行了主要工艺性能的测定，包括可塑性和玻化温度的范围。他们还观察了陶片 的显微结构，主要关注点在是否含有高岭石或莫来石。并选取了部分陶片进行物性测试，包 括硬度和显孔隙度。通过他们的这些努力，他们在这篇文章里给出了很多重要的研究结论， 例如对于陶土，他们证明了在黄河流域，使用最多的制作陶器的原料不是含有细砂的普通黄 土，而是红土，沉积土、黑土和其他粘土；对于羼和料，他们则区分出了有意识配进去的沙 粒和原来就存在于陶土中的沙粒；至于烧成温度，他们给出的数据是：灰陶和红陶的烧成温 度范围是 950—1050℃，黑陶则大约在 1000℃左右，殷代硬陶的烧成温度为 1180℃，而战 国侯马釉陶的烧成温度则高达 1230℃。在他们的影响下，一系列的地区性研究开展开来了， 比如：《河姆渡遗址陶器的研究》 、《罗家角陶片的初步研究》 、《甘肃古代各文化时期制 陶工艺研究》 、《江西万年新石器时代粗陶的研究》 、《山西襄汾陶寺遗址陶片的测试和分 析》 等等。 随着科学技术大量的被引进到考古学的领域，现在我们发现陶器研究中的科学分析手段 已经十分丰富了（表一）。而如果说前面谈到的一些研究可能由于自然科学和考古学的磨合 程度的问题，大家的感觉更象一种科技史式的研究，那么，随着学科的积淀和发展，我们现 在已经可以看到一些可以称为磨合大致成功的范例了。 由严文明参与的《古代陶器的长石分析与考古研究》 通过利用 X 射线定量物相分析和 计算机分峰模拟技术来研究古陶残片及陶土中长石的种类和含量，而得到了一些与古陶产地
有关地信息，从而为古文化的交流等问题提供相关的帮助。在文中，研究者专门选取了来自安徽含山凌家滩、潜山薛家岗和江苏南京北阴阳营的三组陶片，并分别在凌家滩和北阴阳营两遗址内选取了一些陶粘土来进行测试。测试出的结果是凌家滩的陶器是古代当地先民制造的，薛家岗和北阴阳营的泥质陶也应是当地制造的，而同时可以看见可能有部分北阴阳营的泥质陶传播到了薛家岗。研究者们在文末谈到，这次研究的数据相对还比较少，而且与考古研究还没有很密切的结合，故而自前对古文化的交流的问题还有待深入，但是可以确信的是通过这样的方法来获取古陶产地的信息则是完全可能的。表一：陶器科学测定方法成分结构烧成温度年代测定残留物鉴定穆斯堡尔谱技术XxXXxX射线衍射XX射线荧光分析xX射线探针+X射线电子光谱质子引发X射线放射XX原子吸收光谱X原子发射光谱电子显微镜Xxx电子探针XX射线照相术X中子活化分析X光学发射光谱x色质联用技术XX核磁共振分析X热反应分析偏振光显微镜XX电子共振X热膨胀分析X热释光分析X热磁分析而陆巍则通过对北辛文化和山东龙山文化的陶器进行了化学成分的测试后，再对数据进行聚类分析来解决一些问题。他选取了来自两个遗址的陶片：山东藤县北辛遗址和山东胶县三里河遗址。对这两组陶片进行了化学组成成分的分析后，再对其进行聚类分析，最后发现相距150公里、相隔2500年的北辛遗址和三里河墓葬其陶片的主要化学成分基本一致，4
4 有关地信息，从而为古文化的交流等问题提供相关的帮助。在文中，研究者专门选取了来自 安徽含山凌家滩、潜山薛家岗和江苏南京北阴阳营的三组陶片，并分别在凌家滩和北阴阳营 两遗址内选取了一些陶粘土来进行测试。测试出的结果是凌家滩的陶器是古代当地先民制造 的，薛家岗和北阴阳营的泥质陶也应是当地制造的，而同时可以看见可能有部分北阴阳营的 泥质陶传播到了薛家岗。研究者们在文末谈到，这次研究的数据相对还比较少，而且与考古 研究还没有很密切的结合，故而目前对古文化的交流的问题还有待深入，但是可以确信的是 通过这样的方法来获取古陶产地的信息则是完全可能的。 表一：陶器科学测定方法 成 分 结 构 烧成温度 年代测定 残留物鉴定 穆斯堡尔谱技术 X X X X 射线衍射 X X X 射线荧光分析 X X 射线探针 X X 射线电子光谱 X 质子引发 X 射线放射 X 原子吸收光谱 X 原子发射光谱 X 电子显微镜 X X 电子探针 X X 射线照相术 X 中子活化分析 X 光学发射光谱 X 色质联用技术 X 核磁共振分析 X X 热反应分析 X 偏振光显微镜 X 电子共振 X 热膨胀分析 X 热释光分析 X 热磁分析 X 而陆巍则通过对北辛文化和山东龙山文化的陶器进行了化学成分的测试后，再对数据进 行聚类分析来解决一些问题 。他选取了来自两个遗址的陶片：山东滕县北辛遗址和山东胶 县三里河遗址。对这两组陶片进行了化学组成成分的分析后，再对其进行聚类分析，最后发 现相距 150 公里、相隔 2500 年的北辛遗址和三里河墓葬其陶片的主要化学成分基本一致
而又进一步做出推论：“2500年间，这一地区的制陶业，其主要精力不在于改变和掺杂陶土的化学成分，而更多的关注于复杂的造型、形态、纹饰和制作工艺的进步”。由社科院考古所和中国科技大学科技考古研究室合作研究的大汶口文化大口尊的产地问题是我们最近看到的又一个这方面的尝试。这次研究利用到了等离子体发射光谱（ICP）、岩相分析并结合Fisher判别分析对安徽蒙城尉迟寺遗址及山东营县周家庄、大朱家村遗址出土的新石器时代大汶口文化大口尊的产地和文化渊源做了初步的研究。判别分析的结果指出，山东营县遗址所出陶大口尊在判别分析分布图上分布集中，反映了当地是就地取土，就地烧制的。而安徽蒙城尉迟寺遗址所出的陶器则分布较散，研究者给出了两种可能：一当是由于其所处特殊的地理位置带来的文化交流所致；二则可能是粘土本身的差异性造成的。二、陶器残留物分析由于农业的出现和陶器的使用，便人类的生产和生活状况得到了极大的改善。人类在生存竞争中开始占据主动，其活动范围明显增大，人口也显著增多，从而给我们留下了海量的遗迹和遗物。先民在加工、利用动植物的过程中，一些有机物质可能残存或沉积在相关器物、土壤或遗迹现象之上，并历经长期的埋藏过程而保存下来。这些残留物分为可见的残留物（如液体、炭化物等）和不可见的微量残留物（如脂类、酒石酸、树脂酸和植物微体化石等）（1)，前者在考古发掘中相对出土较少：而后者在石器、陶器上泛存在，是残留物分析的重点。所谓残留物分析是指从留物载体中提取有机物，利用科学检测手段进行定性定量分析判断留物来源，从而了解古代动植物的加工、利用和相关载体的功能等。残留物分析的进展与分析技术的进展密切相关。长期以来，残留物分析一直是国际科技考古领域的热点。由于古代社会的各个方面都离不开对动植物及其相关制品的利用，因此残留物分析涉及的领域很产，包括食物加工、器物功能、材料加工、化动植物传播、燃料、印刷、造纸、纺织、医药、化妆品和祭等。根据分子信息鉴别残留物来源的研究途径主要有五种：（1）生物标记物，如胆固醇是肉类的生物标记物，谷备醇是植物的生物标记物，咖啡因是咖啡和茶的生物标记物，可可碱是巧克力的生物标记物（2），以及双或三指示不同的树脂来源等：（2）有机分子分布组合（即“指纹图谱），如根据不同氨基酸的组成比例判断蛋白质来源，根据饱和与未饱和脂肪酸的比例可以区分残留物来源为植物（鱼类）或其他动物：（3）脂类单体的碳同位素比值法，利用气相色谱一燃烧炉一同位素质谱（GC/C/IRMS）测试脂类单体的813C比值，据此可进一步细化脂类单体的生物来源(3)：（4）利用分子序列信息，如根据DNA的核酸序列、蛋白质的氨基酸序列，判断相应的生物种属。（5）植物微体化石，残留物中植硅体、淀粉粒或孢粉等微体化石能提供古代植物的种属或加工利用信息。以下从DNA、淀粉粒、蛋白质、脂类、炭化物和酒等六个方面简要介绍残留物分析的方法和进展，希望引起人们对残留物分析的重视，促进残留物分析在中国的开展。1.残留物中的DNA分析5
5 而又进一步做出推论：“2500 年间，这一地区的制陶业，其主要精力不在于改变和掺杂陶土 的化学成分，而更多的关注于复杂的造型、形态、纹饰和制作工艺的进步” 。 由社科院考古所和中国科技大学科技考古研究室合作研究的大汶口文化大口尊的产地 问题是我们最近看到的又一个这方面的尝试 。这次研究利用到了等离子体发射光谱（ICP）、 岩相分析并结合 Fisher 判别分析对安徽蒙城尉迟寺遗址及山东莒县周家庄、大朱家村遗址出 土的新石器时代大汶口文化大口尊的产地和文化渊源做了初步的研究。判别分析的结果指 出，山东莒县遗址所出陶大口尊在判别分析分布图上分布集中，反映了当地是就地取土，就 地烧制的。而安徽蒙城尉迟寺遗址所出的陶器则分布较散，研究者给出了两种可能：一当是 由于其所处特殊的地理位置带来的文化交流所致；二则可能是粘土本身的差异性造成的。 二、陶器残留物分析 由于农业的出现和陶器的使用，使人类的生产和生活状况得到了极大的改善。人类在生 存竞争中开始占据主动，其活动范围明显增大，人口也显著增多，从而给我们留下了海量的 遗迹和遗物。先民在加工、利用动植物的过程中，一些有机物质可能残存或沉积在相关器物、 土壤或遗迹现象之上，并历经长期的埋藏过程而保存下来。这些残留物分为可见的残留物（如 液体、炭化物等）和不可见的微量残留物（如脂类、酒石酸、树脂酸和植物微体化石等）{1}， 前者在考古发掘中相对出土较少；而后者在石器、陶器上广泛存在，是残留物分析的重点。 所谓残留物分析是指从残留物载体中提取有机物，利用科学检测手段进行定性定量分析判断 残留物来源，从而了解古代动植物的加工、利用和相关载体的功能等。 残留物分析的进展与分析技术的进展密切相关。长期以来，残留物分析一直是国际科技 考古领域的热点。由于古代社会的各个方面都离不开对动植物及其相关制品的利用，因此残 留物分析涉及的领域很广，包括食物加工、器物功能、材料加工、驯化动植物传播、燃料、 印刷、造纸、纺织、医药、化妆品和祭祀等。根据分子信息鉴别残留物来源的研究途径主要 有五种：（1）生物标记物，如胆固醇是肉类的生物标记物，谷甾醇是植物的生物标记物，咖 啡因是咖啡和茶的生物标记物，可可碱是巧克力的生物标记物{2}，以及双萜或三萜指示不 同的树脂来源等；（2）有机分子分布组合（即“指纹”图谱），如根据不同氨基酸的组成比例 判断蛋白质来源，根据饱和与未饱和脂肪酸的比例可以区分残留物来源为植物（鱼类）或其 他动物；（3）脂类单体的碳同位素比值法，利用气相色谱－燃烧炉－同位素质谱 （GC/C/IRMS）测试脂类单体的 δ13C 比值，据此可进一步细化脂类单体的生物来源{3}；（4） 利用分子序列信息，如根据 DNA 的核酸序列、蛋白质的氨基酸序列，判断相应的生物种属。 （5）植物微体化石，残留物中植硅体、淀粉粒或孢粉等微体化石能提供古代植物的种属或 加工利用信息。 以下从 DNA、淀粉粒、蛋白质、脂类、炭化物和酒等六个方面简要介绍残留物分析的 方法和进展，希望引起人们对残留物分析的重视，促进残留物分析在中国的开展。 1.残留物中的 DNA 分析