黃曉娟，嚴(yán) 靜，范娟娟，杜冠博，陳 剛，王占奎，王麗琴

(1.西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安 710127；2.陜西省考古研究院，陜西 西安 710054；3.中國工農(nóng)紅軍西路軍紀(jì)念館，甘肅 張掖 734300；4.淄博市博物總館，山東 淄博 255100)

周原遺址位于陜西岐山縣和扶風(fēng)縣北部,是周文化的發(fā)祥地和商滅之前周人的居住地。賀家遺址位于周原遺址區(qū)內(nèi),在鳳雛遺址南側(cè),是周原遺址區(qū)的重要組成部分。2014年3月,發(fā)掘清理了賀家北區(qū)域內(nèi)一座車馬坑[1],該車馬坑呈東西走向,年代為西周中晚期。經(jīng)現(xiàn)場初步清理,馬車上不僅有銅質(zhì)車輪牙,而且有鑲嵌綠松石的車馬器,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最豪華的西周車馬坑考古發(fā)現(xiàn)之一,也是周原考古發(fā)掘的重大成果之一。它不僅對古代馬車結(jié)構(gòu)的研究和商周墓葬習(xí)俗的研究具有重要意義,而且有助于了解周邊地區(qū)聚落的變化[2]。鑒于此車馬坑的重要性,在專家多方論證形成保護方案的基礎(chǔ)上,將其整體提取,運回實驗室進行精細化清理。

對西周時期的車馬坑和車馬器,以往的研究多集中在車馬的埋葬制度和特點[3-5]、車馬器的制作技術(shù)及工藝發(fā)展[6-8],研究結(jié)果多服務(wù)于對車馬器埋葬情況所反映等級制度的解讀，以及對青銅車馬器的保護。對于鍍錫青銅器的研究,也多側(cè)重于古代兵器鍍錫方法的工藝考察和模擬實驗方面[9-12]。本研究是在對車馬坑出土的車馬器保護修復(fù)的過程中,開展了青銅器成型工藝、表面鍍錫工藝，以及綠松石鑲嵌工藝的研究。再結(jié)合車馬坑清理過程中運用多光譜照相、三維掃描、延時攝影、高清照相、顯微照相等多種科技手段所積累的數(shù)字化信息,對車馬器及馬車進行了數(shù)字化復(fù)原,為后期車馬器的實物復(fù)原提供數(shù)據(jù)參考。

1 樣品與方法

1.1 實驗樣品

本研究所用樣品取自賀家遺址出土車馬坑中的車器和馬器殘塊,包括馬絡(luò)飾、韅飾、馬面裝飾組件、車廂后板和側(cè)板上的銅裝飾件。所取樣品的詳細信息見表1和圖1。

表1 實驗樣品基本信息Tab.1 Basic information of the samples

圖1 部分樣品的取樣部位Fig.1 Sampling position of main samples

1.2 實驗方法及儀器

樣品經(jīng)冷鑲樹脂包埋、磨拋后,用三氯化鐵鹽酸溶液進行侵蝕,在金相顯微鏡下觀察金相組織結(jié)構(gòu),然后對樣品重新拋光、噴碳,進行形貌觀察和成分分析。

金相實驗利用德國ZEISS公司生產(chǎn)的AxioLab.A1型偏光材料顯微鏡對樣品進行了金相組織觀察。

成分分析利用TESCAN公司生產(chǎn)的Vaga-III型鎢絲燈掃描電子顯微鏡對拋光后的青銅器金相樣品進行了背散射電子相觀察。實驗條件:高真空,加速電壓為20 kV,工作距離WD=15 mm。同時,利用其配置的Oxford X-act能譜儀進行無標(biāo)樣成分測定。

X光照相采用意大利GILARDONI公司ART-GIL 350/6型固定式X光機,最大管電流為5.5 mA,電壓為120 kV。成像采用德國SXWBZX公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型數(shù)字成像系統(tǒng)。

三維掃描采用FreeScan X53D掃描儀,掃描光源為激光線對X5+1,Class II。掃描速度:350 000次/秒,測量精度:最高0.030 mm,體積精度:0.020+0.080 mm/m,擴展測量配套方案:DigiMetric攝影測量系統(tǒng)。工作距離:300 mm,景深:250 mm,測量范圍(物件尺寸):0.1～8.0 m,可擴展。

2 實驗結(jié)果

2.1 金相分析結(jié)果

樣品的金相組織照片見圖2,3,金相觀察結(jié)果如表2所示。金相分析顯示,所分析的9件器物可分為2類,6件馬器為厚壁鑄造組織銅器,3件車廂裝飾件為薄壁熱鍛組織。前者平均厚為1.5～3.5 mm,(α+δ)共析體較為細小,存在少量硫化物夾雜和自由銅顆粒,少量樣品基體內(nèi)有純Cu析出,部分樣品的α固溶體出現(xiàn)受熱均勻化現(xiàn)象,均為鑄造成型(見圖2)。車廂裝飾件樣品基體平均厚度為220 μm,基體內(nèi)存在滑移線、孿晶和等軸晶組織,彌散分布少量細小的Pb顆粒,均為熱鍛成型(見圖3)。

圖2 鑄造組織的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic photos of casting structure

同時，在薄壁和厚壁青銅車馬器的表面均發(fā)現(xiàn)亮銀灰色富錫層,掃描電鏡和金相顯微鏡觀察均表明富錫層厚度小于10 μm,錫層連續(xù)性不好(見圖4),局部已脫落或鍍錫層本身就不均勻,很可能采用了熱鍍錫工藝。這種現(xiàn)象在其他西周遺址出土的鍍錫銅器中也有發(fā)現(xiàn)。

圖3 熱鍛組織的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photos of hammering structure

圖4 薄壁樣品ZYHJ-II-1表面富錫層背散射照片和金相照片F(xiàn)ig.4 BSE and Metallographic photos of the sample ZYHJ-II-1

表2 金相組織觀察結(jié)果Tab.2 Result of Metallographic observation

2.2 成分分析結(jié)果

賀家遺址車馬器樣品能譜分析結(jié)果見表3。由表3可知,樣品基體的主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Cu 80.64%～87.65%,Sn 12.35%～18.34%,Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,最高為2.93%,大都低于0.8%,故樣品質(zhì)地為銅錫二元合金。

表3 樣品EDS分析結(jié)果Tab.3 Result of EDS

2.3 表面裝飾工藝調(diào)查結(jié)果

2.3.1 薄壁銅獸面的制作工藝 裝飾在馬車后車廂板上的浮雕鍍錫銅獸面紋飾的凹凸幅度較大,測量其厚度為0.83～0.91 mm,眼部最深處18.81 mm,眉部最深處15.11 mm,下頜處最深15.98 mm,耳部最深處10.85 mm,鼻部最深處20.65 mm,紋飾最深處深度達到20.65 mm。結(jié)合測量結(jié)果、高清照片，以及X光照片,可以觀察到銅獸面的眉、眼、鼻、耳處的工藝特別精湛(見圖5)。在X光照片中可以觀察到紋飾較深的眼、眉和鼻部位白色較淺,說明紋飾較深,器壁薄。除了浮雕的獸面紋,在獸面鼻梁上部、獸面兩側(cè)突出的部位還可觀察到較淺的紋飾,這些紋飾可能是成型后刻劃的紋飾,也可能是因為用磨具沖壓時紋飾雕刻的較淺而形成的。

圖5 車后廂板上裝飾的薄壁銅獸面的X光照片F(xiàn)ig.5 X-ray photo of the monster face decoration

2.3.2 車馬器表面裝飾綠松石形狀、尺寸調(diào)查 周原賀家出土西周銅質(zhì)車馬器中鑲嵌綠松石的器物為鑄造的青銅器,器壁較厚。綠松石的形狀完全是按照凹槽的形狀制作的,在清理過程中,通過比對與歸類,發(fā)現(xiàn)凹槽內(nèi)綠松石的形狀多樣,其中,典型代表的形狀包括:長方形、大頭長條形、橢圓形、梯形、三角形和扇形(見圖6)。長方形的綠松石鑲嵌數(shù)量最多;大頭長條形的綠松石基本是鑲嵌在凹槽的開始端,或在凹槽的兩端;扇形綠松石一般是鑲嵌在凹槽的轉(zhuǎn)折處和弧形、圓環(huán)形的凹槽內(nèi);梯形形狀的綠松石鑲嵌在衡末飾三角形凹槽內(nèi);三角形綠松石一般根據(jù)凹槽的形狀鑲嵌在凹槽末端的尖形凹槽內(nèi);橢圓形綠松石中包括橢圓形和類似圓形2種。

為深入了解綠松石的排布規(guī)律,選取具有明確脫落部位的散落綠松石,用游標(biāo)卡尺測量脫落綠松石的長、寬、厚,以及綠松石脫落部位的凹槽的深度。共選擇了不同類型器物上71個脫落位置明確、形狀完整的綠松石的長、寬、厚，和銅器上綠松石脫落部位凹槽的深度進行測量與統(tǒng)計(見表4)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,綠松石的長度最大值為18.82 mm,最小值為2.00 mm,平均值為4.91 mm,長度主要集中在3.00～6.00 mm之間;綠松石的寬度最大值為10.54 mm,最小值為1.56 mm,平均值為2.95 mm,寬度主要集中在1.56～3.55 mm之間;綠松石的厚度最大值為1.91 mm,最小值為0.53 mm,平均值為0.89 mm,厚度主要集中在0.53～1.12 mm之間。綠松石脫落部位凹槽的深度最大值為3.98 mm,最小值為1.77 mm,平均值為2.55 mm,主要集中在2.0～2.89 mm之間,凹槽深度基本是綠松石厚度的2倍。器物CH：1和CH：2不屬于馬飾件,與其他器物數(shù)值差異較大。

2.3.3 綠松石的鑲嵌工藝調(diào)查 通過常規(guī)觀察和顯微觀察,發(fā)現(xiàn)鑲嵌綠松石銅器的表面大多比較光滑,顯微觀察韅飾和馬面裝飾件的表面加工痕跡明顯,韅飾的凹槽邊緣整體有不規(guī)則的鑄造缺口(見圖7A,B),但表面較平整,馬面凹槽紋飾邊緣有垂直于凹槽方向的打磨痕跡,痕跡的朝向基本為同一方向。對鑲嵌的凹槽紋飾進行顯微觀察,發(fā)現(xiàn)紋飾剖面呈V字形(見圖7C),V字底部比較圓滑,且兩邊不對稱,外側(cè)傾斜度大，內(nèi)側(cè)傾斜度小,這種向一側(cè)傾斜的設(shè)計方式有利于澆鑄后脫模;圖7D發(fā)現(xiàn)了2條交錯不連續(xù)的紋飾,且2條線錯開的地方紋飾細淺且尖端比較尖銳。王靜藝在“商周青銅器鑄后工藝研究”中[13],就表明在商周時期,青銅器鑄造后經(jīng)常會在表面打磨修整,對紋飾部位也會出現(xiàn)鏨刻和打磨的痕跡。綠松石的形狀完全是按照銅飾件上凹槽的形狀制作,鑲嵌密實,基本與銅飾件的表面成一個平面(見圖7E)。在銅飾件和綠松石的表面都有打磨痕跡,但不同的是，綠松石表面的打磨痕跡是規(guī)則的朝著一個方向傾斜,而銅飾件表面的打磨痕跡比較雜亂(見圖7F)。說明這些打磨痕跡不是同時產(chǎn)生的,綠松石應(yīng)該是在鑲嵌之前就已經(jīng)打磨平整了。鑲嵌凹槽呈梯形(見圖7G),上面大下面小,測量表明，凹槽的深度大于綠松石厚度的2倍,綠松石底部有1層填充料。在馬面綠松石脫落部位可觀察到填充物,且表層依稀可以看到琥珀色和黑色發(fā)亮的膠質(zhì)物(見圖7H)。

圖6 典型綠松石鑲嵌Fig.6 Typical shapes of turquoise inlay

表4 綠松石尺寸測量表Fig.4 Size of the turquoise

續(xù)表4

圖7 綠松石鑲嵌工藝顯微觀察Fig.7 Micro-observation of the turquoise inlay

根據(jù)微觀痕跡觀察結(jié)果,鑲嵌綠松石制作工藝步驟為:首先,在鑄造的時候，利用翻模的方法鑄造出凹槽,脫模對凹槽局部進行鏨刻、打磨、修整。其次,把綠松石根據(jù)凹槽的形狀進行切割和打磨,制作成規(guī)則光滑的小片。接著,使用某種質(zhì)地較軟的填充料,填充在凹槽內(nèi),厚度大于凹槽深度的一半。最后,在填充物表面施以少量膠料,把綠松石固定在凹槽內(nèi),使得綠松石表面和銅器表面在一個平面上。

以上的制作工藝調(diào)查,為車馬器的數(shù)字化復(fù)原和實物復(fù)原積累了可靠的信息資料。鍍錫層的確定,可推斷其原本的顏色應(yīng)該是亮銀灰色,為后期數(shù)字化復(fù)原的器物外觀提供了資料依據(jù)。表面鑲嵌工藝的調(diào)查,明確了綠松石的鑲嵌方法和切割剪裁形式,這也是后期復(fù)原鍍錫青銅器上的綠松石裝飾的依據(jù)。同時,工藝調(diào)查結(jié)果也是將來實物復(fù)原中,工藝路線制定的前提條件。成分分析確定了合金組成,為后期實物復(fù)原的合金配比確定了范圍。鑲嵌槽的制作是在鑄造銅器時就已經(jīng)預(yù)留出來了,將來在進行實物復(fù)原時,會以此為根據(jù),在鑄造銅器時鑄出凹槽,供鑲嵌綠松石所用。

3 有據(jù)數(shù)字化復(fù)原

文物的數(shù)字化復(fù)原是基于前期工藝調(diào)查的結(jié)果和文物的三維數(shù)字模型和照片,通過三維模型軟件中的復(fù)制、旋轉(zhuǎn)和鏡像,以及紋理映射等功能實現(xiàn)殘損部位的幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)和紋理映射,不僅提高了殘損文物修復(fù)的準(zhǔn)確性,同時為文物的博物館展示提供了新的資料和內(nèi)容。

3.1 銅件的三維掃描

三維數(shù)據(jù)采集是開展復(fù)原工作的基礎(chǔ)。目前,應(yīng)用于文物三維數(shù)據(jù)采集的技術(shù)有三維激光掃描技術(shù)、近景攝影技術(shù)、光柵掃描技術(shù)和CT技術(shù)[14-16]。本研究選取了三維激光掃描技術(shù)和高清攝影技術(shù)2種方法對車馬坑進行了多次數(shù)據(jù)采集。

鑒于文物保護的特殊需要,不能在文物表面涂覆顯像劑,只能給被測物體貼標(biāo)記點來完成掃描工作。貼標(biāo)記點的作用是讓每次掃描的數(shù)據(jù)更完整,每一次采集都應(yīng)至少識別出3個標(biāo)記點,作為拼接數(shù)據(jù)的依據(jù)。在貼標(biāo)記點時應(yīng)注重以下2點:①在貼標(biāo)記點之前,應(yīng)明確標(biāo)記點貼附位置,例如，被掃描的器物上,器物周圍,或兩者都貼。貼在器物表面的優(yōu)點是可以自由的移動器物,缺點是會稍微影響被標(biāo)記點覆蓋的表面的3D數(shù)據(jù)。貼在器物周圍雖不影響物體表面的3D數(shù)據(jù),但是在整個采集過程中,要保持被掃描物體與周圍貼著標(biāo)記點的部位之間不能發(fā)生相對移動。由于被掃描的車馬器多為扁平物體,為了保證采集精度,需要在器物表面和周圍都粘貼標(biāo)記點。②標(biāo)記點應(yīng)無規(guī)則的分布在被測物體的表面,且在相機窗口中清晰可見。標(biāo)記點不能貼在一條直線上,應(yīng)成V型分布。

利用手持式三維掃描儀,通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤改變被掃描器物的不同位置,進行全方位掃描,得到三維點云數(shù)據(jù)。先對每個類別的車馬器進行數(shù)據(jù)點采集,再對有紋飾的部位及鑲嵌綠松石的部位進行細節(jié)的精細掃描。多角度和長時間的掃描,可以獲得精確的三維數(shù)據(jù)。完成采集后,利用DigiMetric攝影測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理,得到掃描件的高精度三維模型(見圖8)。利用文物的對稱性,在軟件中實現(xiàn)鏡面堆成效果,從而對殘缺部分進行數(shù)字復(fù)原。

圖8 部分車馬器三維掃描模型Fig.8 3D modes of some bronze decorations

3.2 高清照相

對于面積較大的器物,為了得到器物上每處紋飾的細節(jié)照片,對每件器物進行微區(qū)(5 cm×5 cm)攝影,拍攝時相機與器物表面保持垂直角度。每拍攝1張,利用坐標(biāo)尺校對范圍從左至右、從上到下移動相機,直至把器物的每個部分都拍攝到。然后利用繪圖軟件進行處理，拼接組成完整的高清晰度的圖片(見圖9),作為后期模型貼圖的基礎(chǔ)素材。

圖9 青銅獸面裝飾的高清照相圖片F(xiàn)ig.9 High-resolution photo of the bronze monster mask

3.3 數(shù)字化復(fù)原

前期工藝調(diào)查明確了文物的表面鍍錫工藝和鑲嵌工藝,為了復(fù)原文物埋葬前的形狀、顏色,在三維模型的基礎(chǔ)上,以清理出的鍍錫器物局部的顏色為基調(diào),模擬復(fù)原了各個裝飾件及整個器物裝飾在馬車上的圖像。

首先，提取高清照片中有鍍錫表面的器物顏色,結(jié)合照片中紋飾的細節(jié),對修復(fù)后的三維模型在Autodesk mudbox軟件中進行紋理貼圖處理,復(fù)原每件器物的完整圖像(見圖10)。然后，結(jié)合車馬坑清理時得出的馬車各部位裝飾件的位置和裝飾方法,將每件器物復(fù)原至馬車模型的相對位置,從而實現(xiàn)西周“第一豪車”的數(shù)字化復(fù)原圖像(見圖11)。

圖10 車馬器及銅獸面的數(shù)字化復(fù)原圖Fig.10 Digital reconstruction of bronze decorations

圖11 數(shù)字化復(fù)原的鍍錫青銅車馬器和馬車Fig.11 Digital reconstruction of the chariot

4 結(jié)語

對周原賀家遺址出土的車馬器進行了制作工藝調(diào)查與有據(jù)復(fù)原。通過各類分析技術(shù)明確了車馬器為鍍錫青銅器,基體成分為Cu-Sn二元合金,表面鍍錫層較薄,連續(xù)性不好,采用熱鍍錫的可能性較大。鑲嵌綠松石的裝飾工藝為先鑄造出器物和凹槽,再根據(jù)紋飾需要切割打磨綠松石的形狀,可能使用了膠質(zhì)材料和填充物質(zhì)將綠松石固定在凹槽內(nèi)。利用三維掃描技術(shù)、高清攝影技術(shù)并結(jié)合前期研究結(jié)果,對車馬器進行了精細數(shù)字化復(fù)原,利用三維模型數(shù)據(jù)結(jié)合高清照相,制作出器物詳細的紋飾,最后模擬出未經(jīng)銹蝕物覆蓋的鍍錫表面。根據(jù)車馬坑清理時各個車馬器的裝飾位置信息,復(fù)原出帶有鍍錫銅器裝飾的馬車。本研究充分利用發(fā)掘文物的信息,不僅使文物得到了有效保護,同時也使文物遺跡“活”起來,使觀眾能更直觀地了解古代馬車的形制和裝飾方法。本研究為馬車的實物復(fù)原積累了大量數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)文物的有據(jù)復(fù)原,為同類工作的開展提供了技術(shù)參考。