浅谈X射线透视技术在古代青铜器研究中的应用

    随着科学技术在考古学研究领域中的不断引入，过去泾渭分明的学科界垒被打破了，许多问题可以借助更多更新的科技手段来解决，研究更加细化和深入。商周时代存在着一个极为发达的青铜器铸作和使用的阶段，大量铭文记载的内容以及器物本身承载的社会、文化信息，铸就一部青铜信史。在古代青铜器的研究中，青铜冶铸技术的研究无疑占据着重要的地位，它包括分析器物和矿渣的化学成分，观察合金的金相组织，透视器物的结构状态，研究青铜器的铸造工艺，利用测年技术、成分分析、无损检测等手段鉴别器物的真伪等等。其中X射线透视技术因能无损地检测器物内部状况而被广泛应用于古代工艺、文物保护、真伪鉴别等各个领域。
    X射线成像的基本原理是：当射线入射到物体时，射线的光量子将与物质原子发生一系列相互作用，由于这些相互作用使射线被吸收、散射，导致透射射线强度减弱，即发生了衰减。射线衰减的程度除了相关于射线的能量外，还直接相关于被透照物体的性质、厚度、密度等。在射线透照下，物体内部的情况将投影在胶片平面形成一幅图象。通过分析图象我们可以获取关于物体的内部情况的资料。
    由于X射线透视技术可以在不伤及物体的情况下了解其内部的状况，因此可以用来透视古代青铜器的内部状况，比如铸造缺陷和锈蚀，特别是掩藏在厚厚的表面锈层下精美的花纹和铭文。这种方法避免了用传统方法去锈可能给文物带来的伤害，又可以有针对性的进行表面锈层的部分去除，因此特别适用于那些铭文处于矿化层之中，已决不可进行去锈处理的器物，也适用于找寻刚出土的青铜器上铭文的位置。1995年笔者在师从北京大学考古学系的原思训教授攻读文物保护方向的硕士研究生期间，曾与原教授和杨宪伟同志在山西省考古所曲村工作站为315件曲村出土的青铜器（以礼器为主）拍摄了X射线照片，发现了有二十几件（块）上有铭文，其中M9：345鼎上有近三十字的铭文，大部分字迹清晰可辨，铭文内容有助于对墓主人的考证。根据推测M9是晋国墓地大墓中较早的一座侯墓，所以这个发现对于研究晋侯的序列及年代具有重要的价值。
    此外，在青铜器的工艺研究上，X射线透视技术可以提供肉眼难见的内在证据，比如用于定位和保持壁厚的芯撑的设置情况。在失蜡铸造法出现之前，青铜器主要使用石范和陶范铸造，后者在商周时代占有主要的地位。而在陶范铸造中，金属芯撑的设置是一项重要的辅助工艺。尽管无法确切知道这一工艺始于何时，但是平谷刘家河所出属二里冈期的铜甗，器底已使用了铜芯撑。殷墟时期这一工艺开始广泛应用，至西周和东周时期，几乎已成规范。因此台北故宫博物院的张世贤先生利用X射线无损检测方法，研究了三代青铜器的金属垫片（即芯撑）的设置规律，并与后世所作伪器的X射线照片对比来鉴别毛公鼎的真伪。
    在1995－1998年间，笔者在北京大学考古学系原思训教授的指导下，与张晓梅同志和杨宪伟同志合作，使用XXQ－－2005型便携式变频充气X探伤机，对安阳殷墟出土的244件青铜器、山西天马－曲村晋国墓地出土的315件青铜器、陕西周原博物馆的91件青铜器、陕西宝鸡   国墓地出土的47件青铜器拍摄了X射线照片。从这些照片的情况看，这些不同时代和地域的青铜器的铜芯撑的设置各自有其鲜明的特点，其时代的差异大于地域的差异。总体说来，西周早期的   国墓地、周原遗址和西周至春秋时期的曲村晋国墓地，铜芯撑的设置较晚商的殷墟更为广泛。各种类型的器物比如鼎、簋、尊、卣、盘、鬲、方彝、壶、觚、觯、盂、POU、盉、斝、XU、罍、甗、YI等都设有芯撑。除鼎 、簋之外，各个时期的遗址的青铜器使用铜芯撑偏重于当时的典型器物，比如殷墟的觚、觯、POU，周原和宝鸡的鬲，曲村的壶以及各种器盖等。芯撑设置的数量与位置明显与器物种类、大小、花纹的复杂程度有关。有些器物的芯撑看起来呈不规则排列或者集中在较小的范围内，可能是因为浇注时将芯撑冲离了原来的位置所致。
    芯撑的设置与范块的组合和芯撑与范块的配置方式有关。以鼎这种延续时间很长的器物为例，早期的鼎使用3－Y＋1的铸造方式，铸型由型芯和三块延伸至腹底的外范组成，每一块外范都在腹底设置一个垫片以与型芯分开。从殷墟早期开始，这种方式为3－△＋1的铸造方式所取代，仅有时在小鼎上使用。3－△＋1的铸型增加了1块用以形成器底的顶范（因鼎是倒着浇铸的，故称顶范），它一般呈现外凸的弧形，到西周时在这个弧形之内常有1－2圈内凹的三角形底纹，有时中间还有Y形底纹，连接三足，这种带有底纹的鼎在曲村铜器中最为多见。一般而言，除在顶范中心设置1块芯撑外，在底纹围成的三个尖角，在底纹和顶范的边缘之间，在底纹尖角的两旁，也经常规则地放置芯撑。
    除了用于对工艺的研究而外，X射线透视技术常用来检测青铜器的内部锈蚀状况和识别铸造缺陷。由于年代久远的埋藏，几乎所有的铜器表面都有锈蚀层，而这种锈蚀层多半是不甚均匀的，这就导致在X光片上出现明暗不均的各种影象，这些锈蚀的影象与铸造缺陷形成的影象叠加，使得影象非常斑驳，比较难以确认。但是相对而言，锈蚀形成的区域的边界较不整齐，范围较大，黑度不均匀，分布无规律；而不同性质的缺陷具有不同的几何形状和空间分布特点，影像黑度也与前者不同，因此可以利用缺陷的几何形状、影象黑度以及特定位置等特点在X射线照片上进行缺陷识别。当然，这种识别不是绝对的。
    铸造缺陷一般分为四类：（1）孔洞类缺陷：气孔、缩孔、缩松、疏松；（2）裂纹类缺陷：冷裂纹、热裂纹、白点、冷隔；（3）夹杂类缺陷：夹杂物、夹渣（渣孔）、砂眼；（4）成分类缺陷：偏析。在分析中我们发现，大部分的青铜器都有气孔，在射线照片上呈现为孤立的或成群的圆形、椭圆形、梨形暗斑，有的器物甚至在整个基体上都密布大大小小的气孔或者尖点状的针孔。在浇注过程中急剧加热，来不及逸出型腔的气体或者急速冷却难以及时排出的气体，会在金属熔液中形成气孔。由于铜芯撑常常利用旧器碎片，形状不齐整，在施用较多时会产生显著的“内冷效应”，即急速冷却导致金属熔液温度降低粘度增大，大量的气体来不及上浮排出，留在器物内形成分散的圆孔。在X射线照片上可见芯撑周围铜质较为致密，而外围则较为疏松，有时可见气孔转折行进的迹象或者密集细小的气孔连接在一起形成微小的裂纹。气孔是最为常见的铸造缺陷，除芯撑周围外，还大量位于浇口附近。由于浇口的铜液是最后凝固部位，因而除气孔外还会集聚较多的夹渣或存在疏松等缺陷。有一定数量的器物存在海绵状缩松或疏松缺陷，在射线照片上呈现云雾状影象，其整个影象有的地方黑度大些，有的地方黑度小些，黑度自然过渡，没有明显的分界和边界轮廓。少量器物存在夹杂类缺陷，是在一定范围内分布的形状极不规则的小颗粒状黑斑，黑度较大。有些器物存在偏析，即铸件凝固后出现的化学成分不均匀性，在射线照片上呈现细小的黑白相间的网状或絮状区域，形状较为规则和均匀。
    由于青铜器的锈蚀往往通过深入基体的孔道进行，因此腐蚀易在缺陷部位发生，铸造缺陷严重的器物往往伴随着较为严重的腐蚀，在X射线照片上明显可见不均匀腐蚀造成的明暗差异。芯撑设置较多的壁厚较大的器物往往有大量气孔产生，这些气孔导致基体不够致密，从而易遭到锈蚀。但是对于较薄的器物，如簋盖，因为气体易排出，故在设置大量芯撑的情况下依然少见气孔等缺陷。
    青铜器内部状况的探查对于青铜器的保护有着重要的意义，它直接关系着对青铜器所采取的保护方法的选择，对于那些矿化极为严重，内部有裂痕或者内部铸造缺陷严重的器物，类似超声波清洗等方法就需慎用。
总之，X射线透视技术是一种有效而且简便易行的了解器物内部情况的无损检测手段，非常适合文物研究的需要，它的开发和利用还有待于今后研究工作的进一步拓展和深化。