无损检测分析技术在彩陶研究中的应用

吴金涛

（郑州市文物考古研究院，河南 郑州 450000）

0 引言

早在新石器时代古人就已经掌握了陶器的制作工艺。陶器是将黏土和水按照一定比例进行混合后制成具有良好塑性的陶泥，在人为的干预下将其制作成想要的形状，一般为碗状或罐状，经高温烧制后陶泥内部发生物理、化学变化并最终硬化，形成具有一定功能的生活器具。新石器时代的陶器主要用于日常生活之中，同时陶器的使用和发展极大地促进了人类社会文明的发展和进步。随着制陶技术的进一步发展，人们开始在制陶过程中将天然矿物颜料加入其中，最终制成的陶器具有美丽的图案，以达到美化装饰的作用。从彩陶的制作工艺层面来说，有的彩陶是以陶泥本身颜色为底色来搭配其他颜色，最后进行焙烧成型；有的彩陶则在陶坯制作后在陶泥外部按照工法要求加上一层薄薄的砂浆，根据最终图案艺术效果砂浆的颜色有所不同，这层砂浆称为“陶衣”，再进行焙烧，使陶泥的底色与陶衣颜色相互融合，两者之间的色彩对比将更为突出，最终呈现想要的艺术效果。相较于最为传统的陶器而言，彩陶作为日常生活器具具有良好的实用性，除此之外彩陶还因其独特的纹饰而极具艺术价值。

我国古代制陶工艺十分发达，历朝历代都有闻名后世的著名陶器存世，这些陶器不仅具有极高的考古价值，同时也富有艺术之美。当前，我国政府对于文物保护重视程度逐渐提升，文物保护分析手段也越来越多，科学技术的发展为文物保护提供了有力支撑。文物具有不可再生性，如何在尽可能控制文物损伤的前提条件下提取其中尽量多的细节信息逐渐成了考古界专家学者关注的重点问题之一。随着科学技术的发展和应用，一些无损检测分析方法在陶瓷研究中应用。笔者对彩陶文物研究领域常用的几种无损检测分析方法进行总结概括，对彩陶研究中无损检测分析技术的应用现状进行分析，并针对当前现状提出无损检测分析技术在彩陶文物研究中的优势及不足之处，以期为彩陶研究提供相应的理论支持，促进无损检测技术的发展，并文物保护领域发展提供科学指导。

1 彩陶内部和表面的图像分析

修复和保护彩陶文物要根据文物的完整度等采取合适的方法，首先要获取彩陶的基本信息，包含内部构造和表面信息。随着技术的发展，越来越多的技术手段被应用于彩陶文物内部和表面影像分析领域。

1.1 X光成像技术

X光成像即通过射线对彩陶文物进行照射，X光在穿透文物时将根据文物不同部位的厚度和材料不同而被不同程度吸收，穿透后的X光会照射在屏幕上，随后形成黑白对比影像，对最终形成的影像进行分析可判断物体的内部结构。该技术具有无损检测特性，且成像速度较快。通过最终形成的影像可观察其内部结构，通过对彩陶文物内部结构的观察即可分析其陶衣、胎质等情况，为后续文物修复、保护工作提供重要的依据。学者容波等在其著作中对X光成像技术在陶瓷文物检测中的应用现状进行了介绍，并分析了X光成像技术在此领域应用的优势和不足。

1.2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是一种新兴的测绘技术，相较于传统测绘技术而言，采用三维激光扫描技术可快速、大量采集目标数据，同时将获取的数据信息转换为数字信号并进行处理，计算机在接收到数字信号之后在软件中进行物体三维信息的还原，可较为真实、详尽地反映物体的表面细节特征。许辰等学者基于三维激光扫描技术获取了花地嘴高领罐的三维影像数据信息，为后续文物保护和科学修复提供了信息支持；赵灵委等学者针对仰韶文化彩陶碗研究，采用三维激光扫描法构建了数字化模型，实现了文物的无损检测，并在构建模型基础上进行虚拟修复，基于修复结果提出了构建彩陶文物多元数字化模型的建议，为文物的数字化保护和修复提供了科学建议。

2 彩陶表面形貌观察和显微分析

在获取彩陶文物的三维结构后还要对其表面形貌等进行观察和分析，通过对彩陶表面形貌的观察和显微分析，可获取彩陶文物的微观信息，为后续文物研究和修复提供数据支撑。下面将对常用的几种彩陶表面形貌观察和显微分析方法进行介绍。

2.1 光学显微镜

光学显微镜原理即根据光的传播原理在物体表面形成散射或反射，随后散射和反射光经透镜放大之后可观察物体表面信息。在彩陶文物研究中常用偏光显微镜进行表面细节分析和研究。

偏光显微镜的原理是基于晶体的异向性和光的偏振效应对彩陶文物表面形貌进行显微分析，偏光显微镜可观察表面物质的细微结构，因此对于研究其矿物成分具有较好的作用。国外研究者Kyoko Mizusawa对日本出土的陶瓷采用偏光显微镜进行观察，结果发现日本弥生时代的陶瓷工艺发展迅猛，已取代绳纹时代工艺；杨真真等学者采用偏光显微镜对马家窑文化彩陶颜料进行了分析，并基于分析结果指出红彩为赤铁矿、白彩为石英，均为天然矿物质颜料。

2.2 电子显微镜

电子显微镜相较于光学显微镜中的偏光显微镜在结构和成像原理上有所差异。电子显微镜基于电磁学原理来实现物质细微结构的成像，在当前彩陶文物研究中应用也相对广泛。

扫描电子显微镜顾名思义就是采用电子束对物体表面进行轰击扫描，并通过两者产生的二次电子以及背散射电子等对物体表面进行分析和观察。当前扫描电子显微镜已成为彩陶文物研究中的常用无损检测方法之一。扫描电子显微镜常用于文物表面微观形态的观察以及成分检测等。严小琴等学者对新石器时代彩陶陶片采用扫描电镜能谱仪进行表征研究，为了解此时期人类的陶瓷制作工艺提供了相应信息。

3 彩陶的化学组成分析

彩陶的化学组分即彩陶材料，如陶泥和陶衣中的矿物质成分及占比等。在彩陶研究中要对样品中元素种类及其含量进行研究，当前常用的方法包含X射线荧光分析和激光剥蚀电感耦合等离子体发射光谱仪分析两类。

3.1 X射线荧光分析

X射线荧光分析的主要原理是在照射物质表面时将激发原子内层电子，并形成空穴，以辐射方式向外传播能量。元素不同荧光波长也有所差异，获取其光谱特征和能量信息后即可完成物质元素种类和含量的测定。李曼等学者对仰韶时代彩陶颜料及块状颜料采用该方法进行成分分析，得到了不同颜色的特征元素，为该时期彩陶颜料成分的确定提供了重要支持。张鋆等学者就典膳所50片青花瓷残片采用该方法进行成分测试分析，最终根据测试结果提出这些青花瓷残片来自不同民窑，且原料和加工工艺均有所差异。

3.2 激光剥蚀电感耦合等离子体发射光谱仪分析

激光剥蚀电感耦合等离子体发射光谱仪的主要原理是通过高频电流来产生磁场，并激发待测原子同时根据获取的特征谱线来进行元素测定。这种方法具有良好的准确度和灵敏度，在彩陶样品元素测定中应用较为广泛。崔剑锋等学者采用该方法对新石器遗址陶器成分进行研究，对彩陶产地进行了深入探究。

4 彩陶的物相结构分析

物相结构指的是物体中成分结构组织的含量及其种类，物相结构分析是一种定性和定量分析相结合的方法。按照质地不同可将文物分为两类：其一是有机质文物，其二是无机质文物。对不同文物物质结构进行测定时采用的技术方法也有所差异。在彩陶研究中通常采用XRD物相分析和显微激光拉曼光谱物相分析两种技术手段。

4.1 XRD物相分析

晶体在受到X射线照射时将出现衍射现象，不同晶体的组成和结构有差异，因此最终获取的衍射图谱也有所不同。基于衍射图谱即可对其物相组成进行分析。XRD物相分析方法近年来在文物研究尤其是彩陶文物研究中应用较为广泛，其具备的微区测试功能满足了文物的无损检测要求，可实现对文物特定区域的定点分析和测试。除此之外，X射线衍射仪可通过配备变温测试台在升温时对样品进行测试，由此可对彩陶的烧制温度进行测定，这为研究者了解彩陶文物的制作工艺提供了有力支持。我国学者严小琴等采用该方法对马家窑彩陶文物进行研究，并得到了不同颜色颜料的天然矿物质成分。黄允兰等学者应用X射线衍射仪对西山遗址彩陶进行分析，通过莫来石的衍射强度来判断样品的烧结温度。陈晓峰等学者应用X射线衍射仪对马家窑类型彩陶颜料进行了分析，并得到了彩陶的白色和黑色颜料成分，同时在黑色颜料中首次发现了矿物质成分锌铁尖晶石。

4.2 显微激光拉曼光谱物相分析

该物相分析法的基本原理是入射光频率不同时散射光谱也有所不同，激光分子与物质分子产生碰撞时光子的方向和能量将出现变化，最终得到的拉曼光谱也不同。结构不同的分子产生的拉曼光谱特征会有所差异，因此可在不取样的前提下对文物结构信息进行获取，实现无损检测。近年来该方法因其特有优势在彩陶颜料分析领域应用得也较为广泛。钟黎等学者对马家窑文化及齐家文化彩陶颜料进行拉曼光谱分析，结果显示不同文化阶段的彩陶黑色颜料显色机理有所差异。杨真真等学者对和县出土的马家窑文化彩陶颜料进行拉曼光谱分析，并得出黑色颜料组分为磁铁矿和黑锰矿的结论。

5 无损检测分析在彩陶研究中的应用优势与不足

X光技术在文物无损检测中的应用具有操作相对简便、无需取样且测试结果良好等诸多优势，但由于仪器设备样品仓大小等因素影响，适用于对小型彩陶的无损检测分析。

三维扫描技术可得到样品的三维模型，实现了非接触快速测试，在保证彩陶文物安全性的前提下获取了彩陶的整体信息，且获取的数据可实现永久保存，为后续研究提供了模型基础和科学依据。但三维扫描技术也存在诸多不足，主要体现在后期处理软件性能相对较差且不能与其他技术相集成上。

光学显微镜可对彩陶的细微结构进行分析研究，但光学显微镜技术要求对文物进行取样。其优势体现在成像质量高、结构清晰等。

X射线荧光光谱分析技术可实现彩陶化学组分的分析，且制样相较于其他方法而言简单，不受样品大小和空间的限制，因此近年来该技术在彩陶文物保护中的应用也趋于广泛。但该方法不能对样品轻质元素成分和含量进行测定，准确度有待提升。

激光剥蚀电感耦合等离子体发射光谱仪分析技术相较于其他方法而言具有较高的准确度和灵敏度，但在进行检测时会对样品表面产生破坏，即留下测试痕迹，因此在珍贵文物的测试分析中应用相对较少。

XRD物相分析技术无需提前制样即可进行直接测试，同时可获取样品的烧结温度，对于彩陶制作工艺研究提供了技术支持。但难以准确对多组分复杂工艺样品进行分析。

显微激光拉曼光谱物质结构分析技术综合而言具有相对较好的效果，实现了物相成分的无损检测分析，但受荧光效应干扰较为明显。

6 结语

彩陶是特定时代背景下人类智慧的结晶，对彩陶文物进行保护和研究对于研究人类历史文化有重要意义。当前随着国家的重视和众多学者研究的进一步深入研究，彩陶文物保护获得了长足的发展，且已有了相关研究案例，如在彩陶文物的分析检测中应用多种技术方法，这些方法原理和优缺点不同，可用于分析彩陶成分、物相结构以及制作工艺等，除此之外通过一些设备如三维扫描仪可构建彩陶文物的数字模型，对修复、保护过程进行模拟，为彩陶的数字化展示和保护提供了科学支持。彩陶的成分分析是现代人类掌握特定时代下不同彩陶制作工艺的重要基础，还可用来揭示不同的材料来源和成分，进而为探究特定时代下不同群体之间的交往、描述人与自然环境关系提供了依据。

文物的无损检测分析技术的发展和实现使人们在保护文物完整性的前提下实现了文物信息的有效提取，通过不同的检测方法相配合共同服务文物保护工作。随着科学技术的进一步发展和文物保护需求的提升，在未来将应用更多更有效的无损分析检测技术，文物无损检测分析技术的应用前景十分广阔。

注释

①⑧严小琴，刘逸堃，刘成，等.新石器时期半坡遗址鱼纹彩陶的科技分析[J].硅酸盐通报，2014，33（6）：1389-1393.

②容波，周铁.陶质文物科技保护研究现状[J].文物保护与考古科学，2011，23（2）：79-86.

③凌雪，吴萌蕾，廖原，等.文物研究与保护中的无损分析技术[J].光谱学与光谱分析，2018，38（7）：2026-2031.

④许辰，李曼，焦谷雨.三维激光扫描在考古信息采集后期的应用—以花地嘴陶高领罐为例[J].大众考古，2018（6）：36-39.

⑤赵灵委，陈海龙，赵虹霞，等.庙底沟遗址出土仰韶文化彩陶的科学研究[J].光谱学与光谱分析，2018，38（5）：1420-1429.

⑥Mizusawa K.Polarizing microscope observations of pottery from the Yashiro sites，Nagano Prefecture，Central Japan[J].Quaternary International，2016，397：495-503.

⑦⑯杨真真，夏寅，王丽琴，等.青海民和县出土马家窑文化彩陶的科学分析研究[J].文物保护与考古科学，2021，33（3）：81-92.

⑨李曼，刘东兴，吴金涛，等.大河村遗址出土仰韶时代彩陶颜料及块状颜料初步分析[J].洛阳考古，2018（2）：90-95.

⑩张鋆，温睿，崔梦鹤，等.明代秦王府“典膳所”青花瓷产地与工艺[J].西北大学学报：自然科学版，2016，46（6）：932-936.

⑪崔剑锋，吴小红，杨颖亮.四川茂县新石器遗址陶器的成分分析及来源初探[J].文物，2011（2）：79-85.

⑫严小琴，刘逸堃，李立，等.新石器时期马家窑文化彩陶的科技分析[J].电子显微学报，2013，32（5）：403-409.⑬黄允兰，彭子成，杨肇清.新石器时期西山遗址古陶器表面陶彩的分析及其与烧结温度的关系[J].光谱学与光谱分析，1997（6）：90-93.

⑭陈晓峰，马清林，宋大康，等.马家窑类型彩陶黑、白颜料的X-射线衍射分析[J].兰州大学学报：自然科学版，2000，36（2）：54-58.

⑮钟黎，肖永明，王涛，等.化隆县纳卡遗址彩陶颜料的拉曼光谱分析[J].南方文物，2013（3）：139-142.