昌宁出土铜镯的工艺及合金成分分析

王晓婷，马仁杰，闵 锐，崔剑锋，罗武干

(1.中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044；2.中国科学院大学人文学院考古学与人类学系，北京 100049；3.北京大学考古文博学院，北京 100871；4.云南省文物考古研究所，云南昆明 650118)

0 引 言

“西南夷”是《史记》《汉书》等古籍中对今天分布于云南、贵州、四川西南部和甘肃南部等地少数民族的泛称。其集中分布在今天的云南省，包括滇、昆明、雟、哀牢、劳浸、靡莫等众多部落。云南青铜文化面貌具有鲜明的民族特色，其中铜镯是整个地区较为特殊的青铜器物，分布范围广且数量众多，极具独特的地域风格。文献中对西南夷的描述涉及许多方面，而西南夷的外貌和形象是其中一项重要内容，对装饰品的考察能够为古史和考古的关系理解提供方法上的启示[1]。

目前，对该地区铜镯的研究主要是对考古材料进行类型学分类，总结各区域铜镯形制和组合上的异同，并讨论其所具有的社会涵义[2]。此外一些学者在探究云南地区青铜时代金属技术特征时，也对少部分铜镯做过分析[3-5]。

相较于铜鼓、铜兵器等主要铜器类型，利用科技手段对铜镯展开的专题研究较少，所以目前对云南各地域铜镯的合金成分与制作技术特征缺乏整体性认识。与此同时，铜镯这种常见的青铜器所反映的不同文化人群对金属资源的掌控、青铜技术的选择等问题仍需解决。

以云南西部昌宁地区出土铜镯为研究对象，开展金相组织观察与合金成分分析，考察该地区铜镯的制作技术特点，并在此基础上，结合前人的研究成果，从冶金考古学、类型学等多个方面来探讨，以期更加全面地了解云南不同地区铜镯的青铜技术、西南夷对资源的控制以及其他文化信息。

1 样品描述

对昌宁地区出土的6件铜镯进行了取样分析，其中4件取自白沙坡遗址，另外2件取自大甸山遗址。所有铜镯均为细条形圆环状，断面呈长方形，素面无纹饰(图1)。白沙坡遗址位于云南省保山市昌宁县西北约57 km的大田坝乡，大甸山遗址位于昌宁县城东南约3 km处。两个遗址均出土了靴形钺、大弯刀、铜盒、花形饰等其他地方未见或罕见的造型奇特的青铜器物。目前学术界普遍认为昌宁青铜文化应属于文献中记载的哀牢文化，其年代大致为春秋晚期至西汉[6-7]。

图1 昌宁铜镯

2 方法和结果

2.1 分析方法

将6件铜镯样品使用树脂镶嵌后，逐级打磨并抛光至无划痕，再用浸蚀剂(3%的三氯化铁-盐酸-乙醇溶液)进行浸蚀处理。利用Nikon ECLIPSE LV100N POL型偏光显微镜进行金相组织观察并拍摄照片。观察后的样品经再次抛光后，使用日立(Hitachi)TM3030超景深台式电子显微镜及EDS能谱仪进行显微观察和元素成分无标样定量分析。扫描电镜测试模式选用低真空模式，加速电压为15 kV，测试时间控制在90～120 s。为尽量避免腐蚀、成分偏析等对样品测试结果造成影响，在仪器低倍视场下选取样品锈蚀较少的区域进行区域面扫并使扫描面积最大，多次扫描测定平均成分，以减少测试误差。铜镯样品的SEM-EDS成分分析结果见表1。

表1 昌宁铜镯合金成分分析结果

2.2 实验结果

2.2.1合金成分 根据表1可知，此批铜镯的材质类型均为铜锡二元合金，含锡量范围为9%～19%；含铅量范围为0～1.4%，低于2%；此外还含有少量铁、砷、硫、锑等杂质元素。

2.2.2金相组织 金相组织观察结果(表2和图2)显示，这些铜镯的制作工艺比较复杂，包括铸造、铸后受热、热锻和热锻后冷加工。

图2 铜镯金相组织图

表2 昌宁铜镯金相组织观察结果

样品18011、18044的基体为α固溶体树枝晶，偏析明显，枝晶间分布有大量(α+δ)共析体。含锡量的不同导致共析体的形态有所差异，大致分为树枝晶较小的(α+δ)共析体和大量连成网状的粗大多角花斑状(α+δ)共析体两种组织结构。样品中含有数量不等的颗粒状或不规则形蓝灰色硫化物分布在晶内或晶间。18045出现受热均匀化组织，铸造枝晶偏析消失，铜锡α固溶体等轴晶被拉长，个别晶内存在滑移带。

18004、18003和18005这3件铜镯可能反映了昌宁地区的古代工匠对器物实施了不同程度的锻打工艺。18004基体为铜锡α再结晶等轴晶及孪晶，表明该铜镯是在浇注成型后被加热到红热状态再锻打而成。18003的金相组织表现为在铜锡α再结晶等轴晶及孪晶的基础上，部分晶内还存在滑移带，可能是器物锤锻成型后工匠继续修整器物或在使用时留下的痕迹。而18005多数晶粒孪晶界弯曲，出现大量滑移线，应是热锻后经过大量冷加工而成。需要说明的是，除了古代工匠有意对铜镯进行冷加工外，也不应排除取样时形成滑移线的可能性。

3 讨 论

3.1 昌宁铜镯的技术特征

本次检测分析的6件铜镯，材质均为铜锡二元合金，其中含有少量铅、铁、砷、锑等元素；其加工工艺铸造与热锻并重，部分存在铸后受热和热锻后冷加工的现象。

云南省文物考古研究所[6]曾对昌宁坟岭岗遗址出土的一件铜镯(编号M48：1)进行了成分分析，结果表明其材质是含锡量为16.2%的锡青铜。巢云霞[8]曾对坟岭岗出土的3件战国中后期至西汉前期的铜镯(编号9714、9733、9734)进行过科技分析，发现所有样品都是锡青铜，含锡量12%～26%，另外还有少量硫和接近2%的锑(表3)。锑应是由矿料引入的杂质元素，因此将这3件铜器仍归为锡青铜。总体上大甸山、白沙坡和坟岭岗三个遗址出土的铜镯合金成分近似。昌宁铜镯的材质以铜锡合金为主。其铅含量均低于2%，且50%的铜镯样品的锡含量集中分布在(15±3)%之间。这表明哀牢先民对于锡能够降低合金熔点已经有了一定的认识，掌握了较为稳定的合金配比，并将其运用到手镯制作中。

表3 云南各地铜镯的成分和制作工艺

Scott根据含锡量的多少，将古代锡青铜分为含锡量高于17%的高锡青铜和低于17%的低锡青铜[9]。基于此，目前昌宁铜镯可以分为低锡和高锡两组。其中低锡铜镯采用了铸造、热锻或热锻后冷加工等多样的加工成型工艺，而高锡铜镯几乎都为铸造而成。一般认为，当青铜器中锡含量增加时，铜和锡形成高锡的δ相(Cu31Sn8)，熔点降低，强度硬度升高，但δ相是脆性相，因此合金的脆性增加[10]。高锡青铜的脆性过高，锻打容易开裂，所以古代常用铸造的方式制作含锡量高的铜器。但样品9734较为特殊，锡含量非常高，达到19.7%，却采用了热锻的制作方法。Richard曾对含锡量为5%～30%的青铜进行锻造试验后指出，铜锡二元合金有两个韧性锻区：含锡量18%以下的青铜在200～300 ℃范围内；含锡20%～30%的青铜在500～700 ℃，在这一韧性锻区内，高锡青铜有一定的延展性，可以承受适当的热加工[11-12]。因此，这件特殊的铜镯反映了哀牢工匠可能曾尝试以热锻的方式制作高锡铜镯。

3.2 云南西南夷铜镯的技术特征

据《史记·西南夷列传》等文献记载，云南曾是西南夷分布的主要位置[13-14]，其中，昆明和巂分布在洱海周边，重要的考古发现包括剑川海门口[15]、沙溪鳌凤山[16]、弥渡苴力[17]以及洱源北山[18]等遗址。哀牢的活动范围以保山为中心，昌宁白沙坡、坟岭岗[6]、大甸山[7]三个遗址出土了典型的哀牢青铜文化遗物。滇分布在滇池及周边地区，主要有楚雄万家坝[19]、晋宁石寨山[20]、江川李家山[21]和呈贡天子庙[22]等遗址。劳浸、靡莫的中心地带在曲靖盆地，遗存在陆良薛官堡[23]和曲靖八塔台[24]等地有所发现。白狼、槃木、楼薄、唐菆等部落在云南西北的德钦[25]也有分布。为了对云南青铜时代不同地域出土铜镯的技术特征有更为全面的认识，将已发表的各地铜镯背景信息及分析数据进行统计(表3)。大部分铜镯样品采用SEM-EDS分析元素含量，另有两件铜镯样品使用XRF进行成分测定。何堂坤先生[26]指出在SEM-EDS分析时，“只要分析点处于未曾受蚀的金属基体内，分析光斑稍大，便可在较大程度上反映器物合金成分的原貌，并最大限度地减少分析误差”，其在冶金考古中得到了广泛的应用；而经过标准样品校准后的XRF分析方法，其测量青铜中铜锡铅等主量元素含量的精确度能够达到1%[27-34]。因此，对于绝大多数SEM-EDS所测得的云南铜镯合金成分，相互之间应该是完全可比的；而个别采用XRF分析所得的铜镯合金成分，其精确度不低于SEM-EDS分析。可见，本研究所收集的数据具有可比性。

3.2.1云南西南夷铜镯合金成分 根据主要元素质量分数是否高于2%的标准[35]判定西南夷铜镯的合金类型，并将之绘制为饼状图(图3)。用箱线图(图4)展示其铅锡的质量分数。

图3 云南地区西南夷铜镯材质饼状图

图3表明，云南地区西南夷铜镯的材质均以锡青铜最为常见，但不同族属之间又有区别。比如白狼、槃木等部落使用锡青铜、红铜作为铜镯的主要材质；而昆明和巂的铜镯合金类型多样，除锡青铜外还有较多的铅锡青铜，甚至还出现了砷铜和铅青铜；哀牢铜镯全部为锡青铜，其中含锑的现象可能是铜矿或锡矿的伴生矿物混入导致；滇和劳浸、靡莫的铜镯中有含铅的现象，但即便被认为是铅锡青铜的铜镯，绝大多数铅的质量分数都低于5%。Stosgale等[36]提出在铜矿中铜铅共生很常见，使用类似的铜矿，最高可以得到含铅4%的铅青铜。因而，这些铜镯中的低含量铅极可能来自铜矿石本身。

铅锡质量分数箱线图表明(图4)，不同地域铜镯的铅、锡质量分数有着明显的差异。在白狼、槃木等部落分布范围内的德钦纳古遗址出土的三件铜镯基体锈蚀严重，仅能将之定性为锡青铜，因此下面不把该地区纳入讨论范围。昆明夷铜镯合金配比不稳定，锡含量的平均水平最低，范围最为离散，在0～21%之间；铅质量分数范围差异最大，既有无铅的铜镯，同时又有含铅量高达14%的铜镯。哀牢夷铜镯合金配比最稳定，铅质量分数均低于2%，含锡量基本分布在12%～17%之间，还有部分高锡铜镯。滇的铜镯含锡量平均水平最高，但同时波动范围亦最大，为6%～27%；铅质量分数的均值最高，含铅铜镯的铅质量分数范围约为2%～5%。劳浸、靡莫的铜镯材质多为低锡青铜，锡含量4%～15%，铅含量较少并且波动范围不大，均低于6%。

图4 云南出土铜镯铅锡质量分数箱线图

综合上述可知，云南地区的铜镯主要为锡青铜，铅锡青铜的比例很低。这和此时中原以及南方地区的青铜器相比，在合金成分上有着显著的区别。从春秋战国至两汉时期，中原及南方地区的铜器多为铅锡青铜，含铅量在10%左右，甚至更高，而锡青铜数量较少[37-39]。

3.2.2云南西南夷铜镯制作工艺 由于部分铜镯样品没有进行金相分析，并不清楚其加工方式。但为了尽量全面地展现云南出土铜镯锡含量及制作工艺，在汇总数据时将这部分样品的制作方法用“无”表示。由图5可知，云南地区西南夷通常采用铸造与热锻并重的制作方式。哀牢夷多采用锻打工艺制作低锡铜镯，用铸造方式生产高锡铜镯。昆明、劳浸、靡莫、白狼等少数民族也均掌握热锻技术，并施加在含锡量较低的铜镯上。目前分析表明，滇的铜镯均为铸造而成，暂未发现热锻铜镯。热锻器物在滇文化并不少见，如一些臂甲、铜矛、剑等经分析证实为锻制成型，以此提高材料的强度和密度，增强护卫与削杀能力[31]。由此推测，滇地少热锻铜镯可能和分析的铜镯样品数量少有关。综合目前的研究成果，从制作技术看，西南夷锻造工艺比例显著比中原高，这很可能是此时云南地区的青铜制作工艺特征之一。

图5 云南出土铜镯锡含量及制作工艺直方图

3.2.3西南夷铜镯青铜技术特点形成原因试析 云南不同地域出土铜镯的成分与制作技艺兼有共性和个性，究其原因可能和铜镯造型、自然资源的分布、西南夷对资源的控制能力以及人群的审美喜好等多方面因素有关。

先民选择何种方式制作铜镯，应与器物造型有着相当密切的联系。将本研究所讨论的云南地区铜镯，与吕红亮运用类型学对铜镯划分的四型[1]相对应，总结为图6。

图6 云南铜镯类型图(据遗址发掘简报和吕红亮论文整理)

A型铜镯在云南分布普遍，形制简单，缺乏区域特点，并且这种造型的铜镯纵使表面光滑平整也有铸造和锻打的双重可能性[40]，仅从外观上判断制作方法容易产生误判，所以在此不作进一步讨论。昆明、白狼等族群分布区除出土A型铜镯外，还有两端唇部外卷的C型Ⅱ式圆筒状铜镯以及用宽铜片弯曲成扁平状的C型Ⅲ式束腰铜镯。这两式铜镯器身无衔接处[15]，并且唇部与腰部的弯曲状态也暗示铜镯可能是热锻而成。哀牢地区多出方形断面的圆环镯[6]，应属于A型Ⅱ式。其余还有少数饰有凸棱的C型Ⅰ式镯和饰有凹弦纹的C型Ⅳ式镯，从造型上推测应铸锻均有。滇文化区铜镯的样式较为复杂，不论是C型Ⅳ式还是附加外乳突的D型铜镯，都符合铸造成型的外观特点。劳浸、靡莫地区的铜镯除A型、C型Ⅱ式外，还有截面呈T形环的B型镯。T形环镯器型规整，锻制难度大，可能采用铸造的方式制成。

铜器的制作和持续发展必须要有足够的金属资源作为支撑。地质勘探表明，云南省境内蕴藏着丰富的铜锡矿。其中铜矿在各地均有分布，而锡矿则可划分为川滇锡矿带、个旧-都龙锡矿带、澜沧江锡矿带和腾冲-梁河锡矿带[41]，集中分布在东南部的个旧、文山和西部的保山地区[42]。历史文献对云南的矿产也进行了相应记载，如《华阳国志˙南中志》中提及“永昌郡，宜五谷，出铜锡”。永昌郡位于今天保山、昌宁一带。由此可知，昌宁地区有着得天独厚的锡矿资源优势。昌宁出土哀牢铜镯的锡含量较高，且波动范围小，很可能与此有关。

除了矿藏分布的影响以外，族群政治权力对资源的掌控能力亦能够体现在铜器上。以昆明夷为例，其距离哀牢富锡地区并不遥远，从地理交通的角度看似乎能够较容易地获得锡料。但是目前对昆明夷青铜器的分析显示[43]，昆明夷采用的是低锡合金配比传统，各类铜器均以红铜和锡青铜为主，锡青铜的锡质量分数较低，介于5%～10%之间，由此可推测其获取的锡资源较少。这不仅和当地贫锡有关，还应该与周边其他富锡部族对锡矿的严格控制以及民族之间的关系密切相关。滇的情况则与昆明夷相反。滇国的青铜文化非常发达，高锡成为当地青铜合金最为重要的特点。但是滇池附近的锡资源较少，通常认为滇文化从云南东南部的个旧获得大量的锡料，以满足礼乐器、兵器、装饰品等青铜器的制造需求[32]。从铜镯的合金成分看，势力强盛的滇所做器物的含锡水平甚至在云南几个地区中最高。但也正因为依赖其他地方的矿料，滇文化的铜镯和具有本地资源优势的哀牢铜镯在锡含量波动范围上呈现出截然不同的情况，滇文化铜镯的锡含量波动较大，而哀牢铜镯的锡含量更稳定。

西南夷铜镯的共性是多采用锡青铜，而非中原地区青铜器常用的铅锡青铜，这一定程度上也反映了少数民族的审美偏好。锡的添加不仅能够降低铜的熔点，还有助于改善器物表面的色泽，使之具有银白色外观。在云南地区还发现了镀锡铜杖首、镀锡铜矛等礼仪性器物，显然锡所呈现出的银白色光泽是西南夷所喜爱和追求的。铜镯作为常用的人体装饰品，西南夷可能通过提高锡的比例以改善铜镯金属光泽，从而满足审美需求。

4 结 论

对昌宁白沙坡和大甸山墓地出土的6件铜镯进行成分与金相分析的结果表明，所有样品全部为锡青铜，且锡含量稳定。但成型工艺多样，有铸造、热锻及锻后冷加工等工艺，其中低锡铜镯采用铸造、热锻或热锻后冷加工的制作工艺，高锡铜镯均为铸造而成。说明此时哀牢工匠已能就不同锡含量青铜器有针对性地选择不同的加工工艺。

辑录已发表铜镯的科学分析数据可知，云南地区西南夷铜镯的制造技术特征大体相同，略有差异。在合金配比方面，各地铜镯均以锡青铜作为主要材质，表现出和中原以及南方地区迥异的合金特征。云南西北部的少数民族含锡量最少，并用其他合金类型作补充；哀牢夷的含锡量较高，且最为稳定；滇文化铜镯的含锡量最高，但波动范围亦最大。滇和劳浸、靡莫地区还有部分含铅青铜镯。在成型工艺方面，铸造是采用较多的成型方式，锻造亦常用。经过分析，上述共性与差异性和器物造型、资源分配等方面息息相关。

总之，铜镯作为云南地区常见的人体装饰品，不仅展现了不同区域少数民族对铜镯这一器型采用的合金配比与青铜制作工艺，还从非实用器的角度反映了西南夷对资源的利用与掌控、审美思想等方面的信息。需要说明的是，本工作就目前已有的铜镯数据进行了汇总，样品相对全面地覆盖了云南各青铜文化，并由此对云南地区西南夷铜镯的制造技术特征作出讨论，但是也同样认识到对这一问题的讨论还有待于对更多的样品展开检测来更深入地论证。

致 谢：衷心感谢云南省文物考古研究所刘旭所长、杨帆研究员，在取样过程中提供的便利。同时，对匿名审稿人提出的非常中肯而富有建设性的意见和建议也表示诚挚的谢意！