水下文物提取技术应用发展综述

王芳璐（浙江大学文物与博物馆学系 浙江杭州 310028）

张治国（国家文物局水下文化遗产保护中心 北京 100029）

张秉坚（浙江大学文物与博物馆学系、化学系 浙江杭州 310028）

陈学强（浙江大学文物与博物馆学系 浙江杭州 310028）

引言

联合国教科文组织（UNESCO）2001年制定的《保护水下文化遗产公约》（以下简称《水下公约》）是关于水下文化遗产保护最为重要的国际法律文件[1]，公约中对“水下文化遗产”（Underwater Cultural Heritage）进行了定义：“水下文化遗产”系指至少100年来，周期性地或连续性地，部分或全部位于水下的具有文化、历史或考古价值的所有人类生存的遗迹，比如：遗址、建筑、房屋、工艺品和人的遗骸，及其有考古价值的环境和自然环境；船只、飞行器、其他运输工具或上述三类的任何部分，所载货物或其他物品，及其有考古价值的环境和自然环境；具有史前意义的物品。海底铺设的管道和电缆不应视为水下文化遗产；海底铺设的管道和电缆以外的，且仍在使用的装置，不应视为水下文化遗产。”

据粗略估计，世界各地的海底有超过300万艘失事船舶的残骸，其中尤为著名的包括忽必烈东征日本的舰队、克里斯托弗·哥伦布探索新大陆的船队和号称“永不沉没”的巨型游轮泰坦尼克号等。除了数量庞大的沉船之外，还有许多重要的各类水下遗迹和遗存，例如世界七大奇迹之一的亚历山大灯塔和埃及艳后克利奥帕特拉的宫殿所在的埃及亚历山大水下古城，以牺牲数人为代价发现的史前洞穴绘画代表——法国Cosquer洞穴以及墨西哥奇琴伊察遗址用于祭祀雨神的玛雅圣井等；国内则有被誉为“世界第一古代水文站”的白鹤梁遗址和以宁波港、泉州港及广州港等为典型代表的海上丝绸之路港口遗址等。

水下文化遗产包括许多人类在成百上千年间未曾扰动的遗址，水如同“时光胶囊”一般将人类历史上的瞬间化为永恒封存下来，对于当代与后世的人们来说，它是有关古代文明与航海历史的重要信息来源。由于水下缺氧等特殊的环境条件，水下文化遗产通常比类似的陆地遗存保存得更加完整。

然而，随着科学技术的发展与进步，一方面人类对于海洋的开发利用更加深入，捕鱼作业、管道铺设和其他海洋活动都有可能导致水下遗产的破坏；另一方面，水下遗产对于寻宝者们来说也不再遥不可及，商业开发以及洗劫掠夺的事件随之增加。除了上述人为因素的干扰破坏之外，水下环境本身以及水中的生物等自然因素也会对文化遗产造成不同程度的损害[2]。为避免对全人类共同遗产造成无法挽回的损失，保护水下文化遗产逐渐成为世界各国的共识。在保护的基础上促进社会公众对水下文化遗产的接触、理解与思考，提高公众的文化遗产保护意识，这对于文化遗产的可持续发展以及遗产地的旅游业和城市发展也是十分有利的[3]。

一、水下文化遗产保护原则

物的提取技术，尤其是极脆弱文物及其相关信息的完整提取技术研究具有十分重要的科学意义[9]。

由于水下文化遗产内涵丰富、种类繁多，在叙述中难以面面俱到，本文仅以为数众多的水下古代沉船以及散落在水下的船载文物或其他遗迹的提取技术为主进行阐述。

《水下公约》确立的水下文化遗产保护的基本原则是：为全人类利益、合作共享、原址保护以及禁止商业开发[4]。联合国教科文组织在保护水下文化遗产方面的工作得到了国际社会的普遍认可和尊重[5]。

中国作为历史悠久且海陆兼备的文明古国，有着丰富的水下文化遗产。由于历史与现实的诸多原因，我国的水下文化遗产保护工作起步较晚。1987年，我国成立了第一个从事水下考古研究的专业机构——中国历史博物馆考古部水下考古学研究室，之后培养了第一批水下考古队员，这为我国的水下文化遗产保护工作奠定了基础。1989年《水下文物保护管理条例》的颁布为国内水下文化遗产的保护提供了法律规范，目前该条例正在修订中。2007年“南海Ⅰ号”整体打捞工作的完成标志着我国水下文化遗产保护能力的重大提升[6]。2014年，国家文物局水下文化遗产保护中心正式成立，负责统筹全国的水下文化遗产保护工作，并设立了宁波、武汉、福建、北海、南海等科研基地[7]，加强对外合作与交流，我国水下文化遗产保护事业进入稳步发展阶段。

在保护水下文化遗产的工作中，水下调查是其他一切工作的基础与前提，它旨在探寻和记录水下文化遗产的位置分布与保存状况等相关信息，为后续的保护工作提供依据。在后续工作中，水下文化遗产的保护与管理是重要内容。在《水下公约》正文和附件的规定以及水下文化遗产保护的实践中，通常将原址保护（In situ preservation）作为首要选择。但是，如果水下文化遗产正面临着严重的风险与危害，或者出于更好地进行科学研究与遗产保护的目的，经过必要的科学分析与技术评估之后，在不损害其教育、科学和文化等价值的情况下，并且获得了有关方面的许可和授权后，可以对水下文化遗产进行考古发掘和异地保护及展示等工作[8]。

与原址保护相比，考古发掘在某种程度上来说会对水下遗址造成一定的损伤，且考古发掘的过程是不可逆转的，一旦造成损失也是无法挽回的。如果在提取过程中出现问题和差错，不仅会使水下调查的成果功亏一篑，还会大大增加出水文物保护的难度。因此，水下文

二、水下古代沉船打捞提取技术

在打捞位于水下的古代沉船船体残骸时，其规则与流程会视具体情况而定，主要取决于船舶尺寸、船体结构、船只年代、沉船位置、保存状况和安置条件等因素[10]。从全面保留文物原始性和完整性的角度来说，沉船应尽可能采用整体打捞的方法，在不得已时才采用逐件打捞的方法，即将船板残骸等拆解之后逐件取出再进行保护和组装。目前，水下古代沉船船体残骸打捞提取技术主要有：潜水式打捞、围堰式打捞、浮筒打捞法、沉箱打捞法等方法。

（一）潜水式打捞

潜水式打捞是在水下原址将船体拆解，要求水下能见度较好，整个操作流程对潜水人员的要求较高。潜水式逐件打捞的方案有广泛的适用性和实用性，是目前国内外通行的做法。2008年中国第一次大规模远海水下考古发掘出水的西沙华光礁Ⅰ号沉船和2014年出水的浙东海域重要沉船浙江象山县小白礁Ⅰ号清代沉船，都是在水下完成测绘和编号之后，按照与船只建造时相反的顺序，分门别类地将船板进行拆卸和起吊出水，将其全部打捞到岸上后再进行保护和复原。它们为我国航海史与贸易史研究提供了重要的实物资料，是“海上丝绸之路”文化传播与贸易繁荣的见证者[11][12]。

（二）围堰式打捞

围堰式打捞则需要在沉船四周筑造围堰并将堰内的水抽干，使水下考古变为陆地考古，减少了发掘过程中的困难。但是围堰方法只适用于浅水区域，而且筑堰的人力、物力以及时间成本较高，筑堰后沉船所处环境的改变也可能带来不利影响。国内首次采用围堰式发掘方法是在四川彭山江口古战场遗址，同时这也是国内首次在内水区域进行的水下考古发掘。明末著名的农民军领袖张献忠在江口古战场战败，装载着财物的船只被击溃沉入江底，当地一直流传着“张献忠江口沉银”的传说。由于不法分子的盗掘，2016年起考古人员开始修建围堰进行抢救性发掘。围堰建设是在岷江的枯水期进行的：利用砂石堆砌加固外围，并用抽水泵将堰内的水排干。目前整个遗址只发掘了其中非常小的一部分，尚未找到当年的沉船，只发现了一些船具和船钉等。江口古战场遗址的发掘采用了许多具有首创意义的新技术、新方法和新模式，为今后的考古工作提供了范例和借鉴[13][14]。

（三）浮筒打捞法

浮筒打捞法是将沉船整体打捞出水的一种方法，在操作时首先要在船舶的龙骨下挖出通道，使重型钢缆穿过通道固定在沉船两侧的浮筒上。之后将水泵入浮筒并拉紧钢缆，当水从浮筒中排出时，船只由于浮力作用开始从水中升起。将上述过程重复数次后，沉船最终将浮到水面之上，然后提取上岸，再进行安置、发掘与保护等工作。世界上唯一保存完整的十七世纪船舶——瑞典瓦萨（Vasa）沉船就是运用浮筒打捞法整体打捞出水的。由于其保存环境中船蛆无法大量繁殖，因而木质船体结构强度较好。从1959-1961年，经过各方努力，瓦萨沉船在斯德哥尔摩港口黑暗的水底沉睡了三百多年之后重出水面，随后筹建了瓦萨沉船博物馆用于沉船的保护和展示[15]。

（四）沉箱打捞法

沉箱打捞法是中国首创的整体打捞方法，首次应用于广东阳江海域内“南海Ⅰ号”宋代沉船的打捞。沉箱打捞法需要先定位沉船并打下定位桩，再将无底的钢质沉箱沿定位桩下沉到船体周围的预定位置，然后挖开沉箱底部的泥土使底梁穿过以承托沉船，最后将整个沉箱内的沉船和泥土一起吊出水面。“南海Ⅰ号”沉船于1987年偶然发现，2007年起吊出水，现保存于广东海上丝绸之路博物馆[16]。沉船年代之早、船体之大、保存之完整世所罕见，对于中国海上贸易史、造船史和陶瓷史的研究有着极为重要的意义。

三、水下散落文物遗迹提取技术

不同于船体打捞这类大型工程需要考虑到整体性以及大体量等诸多问题，散落在水下的船载文物或其他遗迹由于体量相对较小、位置分散且材料本体及其保存状况各不相同，通常是由潜水人员进行发掘并提取出水的。在以往的水下考古发掘中，人们逐步积累了许多提取经验，确立了水下文物提取的原则，包括确保文物安全、最小干预、分类提取和出水还原等原则[17]。

对于处在水下环境的文物来说，许多文物实际上比看起来要脆弱得多，所以在提取时需要提供适当的支撑与保护，防止它们因为自身重量或水压改变而分崩离析。尽管目前针对水下文物或遗迹的提取有许多不同的思路和技术方法，但是尚未有人做过较为全面的综述。从提取技术角度，根据现有方法的不同特点，主要有直接提取法、机械提取法、包装提取法和化学提取法等。

（一）直接提取法

直接提取法操作简单，就是将所要提取的文物取出置于起吊框或者起吊架中，如果文物强度较差可用木板等进行辅助加固，为防止文物因浮力作用不稳或者脱落还需要使用绳索等将其固定在起吊装置内，然后缓慢起吊出水即可。直接提取法是最原始也是使用最广泛的提取方法，适用于具有一定强度的陶器、瓷器和金属质文物等。2018年5月，相关考古部门在广东省江门市上下川岛海域附近发现并提取了一门水下铁炮。在提取过程中，首先是将铁炮从其埋藏环境中剥离出来，然后在水下进行支撑和固定以确保文物安全，最后用起吊装置使其缓慢上升出水并进行现场保护工作[18]。

（二）机械提取法

机械提取法是利用机械装置将提取物及其周围的沉积物整体切割并起吊来进行文物提取的方法。例如欧盟SASMAP项目的组合式吊架就属于机械提取法的一种[19]（图1）。这种吊架的底部和顶部用立柱相连接，拆卸非常方便，其高度和长度都可以根据文物的形状和水底沉积物的稳定性进行调整，也为提取物的实验室处理提供了便利。吊架底部的一侧安装可拆卸的液压缸，通过活塞按压薄铁板就能够有效地切割沉积物块。当沉积物块的底部切割完毕之后，安装可拆卸的侧板来固定其侧面，之后在沉积物块的顶部和文物暴露的部分用软材料覆盖以防止文物在水压下和出水时受到损坏，最后加装顶板即可起吊。吊架的底部和顶部安装了所谓的“吊耳”，在提升过程中可以使整体重量均匀地分布在吊架上。组合式吊架的主要优点在于能够确保脆弱文物及其周围沉积物提取的完整性和稳定性。

（三）包装提取法

包装提取法是在提取物外面用材料进行包裹或者将提取物装入特制容器之中再提取到陆地上的方法。

最典型的水下加固包裹材料是3M™Scotchcast™Plus胶带（图2），它是一种应用于整形外科的轻质、坚固且耐用的胶带，拥有玻璃纤维固型胶带的优点和易处理的特性。它含有聚氨酯合成树脂，能够在潮湿空气中或水中黏结固化，可用于固定和提取脆弱的水下文物。该胶带购买便利，在文物提取中较为实用，在提取完成之后取下时也很方便，并且相对环保。它的局限性在于，只适用于提取非常小型的物件[20]。

最简单的特制容器是结构简单的自封袋，它内衬保护性泡沫。更复杂一些的是带有碳纤维片的塑料真空袋，真空袋的内部有一个由多种材料组成的夹层结构，包括一个经过环氧树脂浸渍的碳纤维片、一个用来吸收多余树脂并作为软接触层的吸气毡以及两个脱模布（图3）。真空袋的作用不仅在于产生真空，而且还可以将碳纤维片与水下环境隔离开来。在使用时将其插入海底，使两个脱模布分别处于提取物的上方和下方，等待树脂硬化后，将上下两部分用塑料夹固定并带到实验室再打开。该方法的特点是它不仅适用于小型和相对大型的文物，并且可以适应不同的环境和保存条件。除此之外，它也可以作为一个临时存放饱水有机质脆弱文物的有效容器[21]。该方法在意大利博尔塞纳湖附近的铁器时代聚落Gran Carro的发掘中进行了尝试，确认了包装提取方法的实用性和有效性。

目前，浙江大学文物保护材料实验室也在进行水下胶带和保护性自封袋的水下包装提取法实验，已经实施了碳纤维结合环氧胶复合材料对水下文物进行打包的研究，相关的加固提取工艺流程也在进一步优化中，希望能为我国水下考古提供新的应用技术。

（四）化学提取法

化学提取法是指采用流动性好的加固材料覆盖于提取物本身或者提取物及其周边区域之上，等到材料在水下渗透，发生化学反应从而凝固或硬化之后，再将其整体提取到水面的方法。

早期的化学提取法一般是利用可在水下凝固的化学材料，例如石膏来固定和提取易碎的陶瓷文物。做法是将文物及其周围物体用布料等进行包裹，然后将石膏等倒在包裹物上，等石膏硬化之后将整个硬块转移到水面上[22]。化学提取方法的主要问题在于，加固材料可能在水下永久残留，从而对水下环境造成不利影响。

SASMAP项目曾采用了一种适用于化学提取的高吸水性聚合物——煤胶体（Carbogel）[23]。其成分为中性聚丙烯酸树脂，可以吸收水和沉淀物，具有可控的分子膨胀度和硬度。通过改变交联剂就可以改变聚合物的性质，包括在水中凝固的时间、聚合物膨胀的体积、水凝胶的硬度等。使用时将聚合物装入防水盒中带到水下，使其分布在所需要提取的整个区域。当水和沉积物与其发生反应之后，脆弱文物和沉积物被凝胶块所包围，之后可以整体提取到岸上。在实验室中，通过控制水溶液中的离子浓度可以逆转凝胶形成的反应过程，使凝胶块溶解而不会损坏文物。在意大利那不勒斯Baiae水下遗址公园，研究人员进行了相关的提取实验，取得了较好的效果。

浙江大学文物保护材料实验室在陆上考古薄荷醇临时固型技术的启示下，通过筛选已找到一类密度大于水且不溶于水的环保香料材料—藜芦醛，该材料能够在水中黏结砂土，以及铁、陶、木等文物介质，材料加热熔融后能够在较低的水温下保持足够长的结晶固化时间。为了提高材料在水下各文物介质表面的润湿性，并满足水下黏结强度需要，我们还开发了一种聚丙烯纤维布，水下熔融的固型材料能够在该纤维布上展铺，将破碎的文物介质和周边沙土在不改变位置关系的前提下黏结包裹成一体，然后可整体提取至水面（图4）。

最后，临时固型材料能够在空气中完全去除干净，使破碎文物在保持水下分布状态的前提下完整地搬迁到实验室进行修复或展示。该工作已完成材料学基础研究和实验室小试，能够成功地将破碎瓦片、瓦罐、散珠等水下散乱文物模拟样品临时固型，并整体提取到水面，恢复原状（图5）。相关研究的具体细节可参阅我们发表在《Archaeometry》上的文章[24]。目前正进一步改进配方、完善操作程序和扩大实验，希望为水下脆弱文物现场整体固型提取提供新方法[25]。

结语

本文以水下古代沉船以及散落在水下的船载文物或其他遗迹的提取技术为例，综合叙述了目前国内外水下文物提取技术应用发展的概况，包括各种技术的工作原理、适用条件与优缺点等。对于水下古代沉船主要有潜水式打捞、围堰式打捞、浮筒打捞法和沉箱打捞法等方法；对于散落水下的船载文物或其他遗迹的提取主要有直接提取法、机械提取法、包装提取法和化学提取法等方法。各种技术都有其优点与局限性，具体采取哪种提取方式，应该在综合考虑各方面因素的基础上做到因时制宜、因地制宜、因事制宜，本文仅仅是提供思路与参考。

无疑，脆弱文物水下加固与安全提取是水下考古的一项必要的研究内容[26]，但是目前国内外关于水下文物提取技术的研究相对来说还很少，需要我们共同努力，为发展我国水下文化遗产保护科技提供支撑。