谷天旸,楊雪欽,師東輝,楊樹剛,馬玉鵬,鄭曉旭,吳金旭,張玉修,宋國定

[1.中國科學(xué)院脊椎動物演化與人類起源重點實驗室(中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所),北京 100044;2.中國科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院考古學(xué)與人類學(xué)系,北京 100049;3.北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院,北京 100083;4.河南省文物考古研究院,河南鄭州 450000;5.鄭州商都遺址博物院,河南鄭州 450000;6.鄭州市管城回族區(qū)文化旅游體育局,河南鄭州 450000;7.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049;8.北京聯(lián)合大學(xué)考古研究院,北京 100191]

0 引 言

夯土是一種獨具特色的建筑材料。作為中國傳統(tǒng)土木建筑技術(shù)體系的重要內(nèi)容,夯土技術(shù)的起源與發(fā)展歷史悠久。西安半坡遺址[1]、鄭州西山遺址[2]等考古發(fā)現(xiàn)表明,早在仰韶文化時期的先民就已初步掌握夯土技術(shù)[3]。時至今日,夯土雖已不再作為主要的建筑材料,但仍在一些特定的建筑類型中有所應(yīng)用。

商代都邑性遺址夯土建筑的研究成果豐碩[4-9],但側(cè)重于對發(fā)掘資料和歷史文獻的梳理,多關(guān)注建筑的形制、布局、性質(zhì)與復(fù)原等方面[10-12],在建筑技術(shù)和材料分析等方面還不夠深入。目前國內(nèi)外學(xué)者利用科技手段,從物理性質(zhì)、粒度、礦物成分、微結(jié)構(gòu)、物料來源和膠結(jié)材料使用等方面開展了相應(yīng)研究,極大地豐富了對古代夯土類建筑的認識[13-18]。結(jié)合新近發(fā)掘資料的刊布,商代夯土建筑技術(shù)方面的研究(尤其是科技手段的應(yīng)用)前景廣闊。

鄭州商城位于河南省鄭州市老城區(qū)內(nèi),學(xué)界普遍認為是早商時期的中心都邑,很可能是商湯所居“亳都”之所在。鄭州商城具備明顯的“內(nèi)城外郭”城市規(guī)劃,內(nèi)城發(fā)現(xiàn)有宮殿區(qū)和宗廟祭祀?yún)^(qū),內(nèi)城和外郭城之間分布有居民區(qū)、手工業(yè)作坊區(qū)、墓葬區(qū)、青銅器窖藏坑等重要文化遺存,基本反映了早商城市發(fā)展的最高水平。從考古發(fā)掘所解剖的墻體結(jié)構(gòu)來看,鄭州商城城墻為版筑夯土,修筑程序多為先挖基槽,再從底部向上分層夯筑墻體及護坡,宮殿建筑基址也可以分為基礎(chǔ)處理、夯筑臺基、設(shè)置磉墩、置礎(chǔ)、立柱、砌墻、覆蓋屋頂?shù)瘸绦騕19-20]。

鄭州小雙橋遺址位于鄭州市石佛鄉(xiāng)小雙橋村西南部,東南距鄭州商城約20 km。遺址規(guī)模大,規(guī)格高,堆積年代集中于鄭州白家莊期,繁榮期與鄭州商城前后銜接,應(yīng)是商代中期的都城遺址,即商王仲丁所遷之“隞都”。遺址東北部發(fā)現(xiàn)八座大型夯土建筑基址和兩眼夯土水井,其中被當?shù)胤Q為“周勃墓”的商代夯土臺基保存完好,現(xiàn)存堆積高出地面十余米[21]。臺基頂部發(fā)現(xiàn)了大量商代建筑遺跡,根據(jù)夯土和木骨柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)推斷可能為一處三層臺階型并逐層內(nèi)收的夯筑高臺建筑。它是迄今發(fā)現(xiàn)年代最早、規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜且保存完好,具有特殊功能的商代祭祀遺跡。

鄭州商城、鄭州小雙橋遺址是商代早、中期重要的都邑性遺址,在商代城市文明發(fā)展歷程中占據(jù)重要地位。對上述兩處遺址的商代建筑開展夯土材料和建筑技術(shù)的科學(xué)分析,有助于探討夯土建筑的工藝、性質(zhì)和功用,進而豐富對商代都邑整體布局和文化性質(zhì)的認識。

1 樣品和方法

1.1 樣品采集

為全面了解商代不同類型建筑夯土材料的特征、性質(zhì)和建筑工藝,先后從鄭州商城和鄭州小雙橋遺址采集了商代城墻、高臺基址、建筑基礎(chǔ)和水井等不同種類的夯土樣品18件,戰(zhàn)國城墻夯土樣品1件,對照樣品1件(表1)。

表1 樣品信息表

1.2 研究方法

選取方位信息完整、保存狀態(tài)較好的原狀夯土樣品進行注膠,制備可用于巖相和微形態(tài)分析的多功能薄片,通過偏光顯微鏡、拉曼光譜進一步分析。采集的脫層夯土樣品取整塊或研磨成粉末,運用燒失量等方法進行成分分析和數(shù)據(jù)解讀;測量密度、磁化率等以了解夯土的物理性質(zhì),從而把握夯土材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。

原狀夯土在60℃下干燥12 h后用環(huán)氧樹脂浸漬,充分固結(jié)樣品塊。膠注固定后進行切割、研磨和表面拋光,將原狀夯土樣品磨制成9 cm×6 cm×3 μm的多功能薄片,利用麥特微SD 3000A掃描電子顯微鏡和徠卡DM4P偏光顯微鏡在單偏光鏡(PPL)和正交偏光鏡(XPL)下開展觀察描述。使用激光共聚焦拉曼光譜儀(HORIBA,LABRAM HR Evolution)檢測夯土主要礦物成分的物相,激光波長為532 nm。樣品碎屑通過導(dǎo)電膠粘貼在低真空樣品倉內(nèi),通過掃描電子顯微鏡(Phenom Pro X)進行微觀形貌分析。

物性參數(shù)參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[22]設(shè)計試驗,密度測定采用蠟封法,含水率測定采用烘干法。采用AGICO MFK2型磁化率儀,分別在低頻(976 Hz)和高頻(15 616 Hz)下進行測定。粒度分析使用歐美克Topsizer Plus激光粒度分析儀。使用孟塞爾色卡和色度儀綜合評估夯土樣品的土色差別,測量時保持土樣略微潮濕并避免陽光直射。在馬弗爐中加熱樣品至200℃、550℃、950℃,稱量計算相應(yīng)的質(zhì)量損失。上述試驗數(shù)據(jù)經(jīng)三次平行測定取算數(shù)平均值。

2 試驗結(jié)果

基于前述試驗方案,采取土壤微形態(tài)分析、拉曼光譜分析、粒度分析、磁化率測定等方法來獲知夯土樣品的主要礦物成分和物料來源;通過顯微觀察、燒失量和碘-淀粉顯色試驗等來考察夯土中有無添加各類摻合料;并基于色度、密度等數(shù)據(jù)的變化探究夯筑行為對土壤的改造現(xiàn)象。

2.1 顯微觀察與微形態(tài)分析

微形態(tài)方法可以在不同尺度下觀察和描述未經(jīng)擾動的原狀夯土,識別樣品的微觀構(gòu)造和礦物成分[23-26],從土壤基本成分、粗粒質(zhì)(礦物顆粒、巖石碎屑、人為產(chǎn)物)、細粒質(zhì)(黏土和細礦物)、土壤壘結(jié)、土壤形成物和土壤微結(jié)構(gòu)等角度進行分類描述,分析各類遺存的特征及其所反映的人類活動特點[27]。

對兩處遺址采集的夯土樣品磨制共計14塊薄片開展土壤微形態(tài)觀察,初步認識并歸納了鄭州地區(qū)商代和戰(zhàn)國時期原狀夯土的微形態(tài)特征。

鄭州商城遺址夯土的微形態(tài)特征：主要由細砂、粉砂級顆粒構(gòu)成,為細粉砂狀結(jié)構(gòu),顆粒間接觸緊密,呈棱角-次棱角狀,分選較差,顯示沉積物經(jīng)過短距離的搬運磨蝕,碎屑顆粒包含石英、長石、巖屑、角閃石等,石英長軸趨于定向,黏土含量較低(體積分數(shù)5%～6%),分布均勻。局部發(fā)現(xiàn)有呈暗紅色的氧化鐵浸染的黏粒膠膜(圖1a)及斑塊狀分布的方解石生成物充填。觀察到平行于夯層的較粗砂礫層(圖1b),上下層次顆粒大小存在明顯差別,且夯土和生土界面處存在經(jīng)強烈壓實作用而產(chǎn)生的裂隙(圖1c)。

(a)鐵質(zhì)浸染黏粒膠膜(ZZSC006,XPL);(b)平行于夯層的較粗砂礫層(ZZSC002,XPL);(c)夯土與生土的界面(ZZSC006,PPL); (d)碳酸鹽巖礫石(左側(cè))與夯土的接觸面(ZXZ005,XPL);(e)生土的微形態(tài)特征(ZZSC006,XPL);(f)粉砂巖巖屑(ZZSC008,PPL); (g)炭化植物碎片(ZZSC008,PPL);(h)軟體動物貝殼(ZZSC008,XPL);特殊界面、特征結(jié)構(gòu)如虛線標示

小雙橋遺址夯土的微形態(tài)特征：含少量極細砂的粉砂狀結(jié)構(gòu),顆粒呈次棱角狀,分選中等,碎屑顆粒主要為石英、長石、方解石、玉髓及少量云母。發(fā)現(xiàn)有呈暗紅色的氧化鐵浸染的黏粒膠膜等土壤生成物。

戰(zhàn)國城墻夯土的微形態(tài)特征：中細砂狀結(jié)構(gòu),顆粒粒徑相對較粗,分選差,黏土含量較低(體積分數(shù)5%～6%)。碎屑顆粒包含長石、玉髓、巖屑等,非定向排列,混雜有炭化植物碎片(圖1g)、淡水雙殼類的軟體動物貝殼(圖1h)等包含物。

對照樣品的微形態(tài)特征：細粉砂狀結(jié)構(gòu),顆粒較粗,分選中等,碎屑顆粒主要由石英、長石、巖屑及少量云母組成,顆粒間接觸緊密,黏土含量低(體積分數(shù)3%),分布均勻。

通過觀察薄片掃描顯微圖像并結(jié)合樣品的微形態(tài)特征,可以識別到夯土的層次性,夯層之間的土質(zhì)土色也存在明顯不同。

鄭州商城城墻和建筑基礎(chǔ)部位的夯土顆粒基本呈水平定向排列,夯層內(nèi)部和夯層間在土色、粒徑等方面存在明顯差異,夯層間夾雜灰白色薄層砂礫,據(jù)此可識別夯土堆積序列的不同層位。ZZSC002城墻夯土呈淺黃褐色,局部夾雜棕色或灰白色斑塊狀分布的土壤團聚體,顆粒排列規(guī)律、層次分明、粗細有致,在每個8～12 cm左右的夯層之內(nèi)仍可劃多個層次,單層2～4 cm不等,夯層之間存在夾雜顆粒較粗的薄層沙礫的現(xiàn)象(圖2a)。ZZSC006建筑基礎(chǔ)部位可見夯土與生土邊界清晰,界面處分布少量黑褐色有機物質(zhì),夯土部分較生土粒徑略粗,夯層內(nèi)可明顯分為上下兩層(下層土色較淺、斑駁雜亂;上層土色較深、均一),深色層之上為較薄的一層灰白色砂礫,其上繼續(xù)夯筑另一個夯層(圖2b)。

各組圖中左側(cè)為夯土樣品微形態(tài)薄片的掃描照片,右側(cè)為基于掃描圖像和微形態(tài)特征所繪制的示意圖

小雙橋遺址“周勃墓”高臺形基址夯土中的顆粒粒度減小,分選性提高,包含物的種類和數(shù)量顯著減少,其原料應(yīng)該經(jīng)過有目的性的選擇或處理。局部土體破碎,孔隙變窄,呈現(xiàn)斑塊狀結(jié)構(gòu),可能為強烈壓實、受力不均導(dǎo)致的特征結(jié)構(gòu)。土壤顆粒呈現(xiàn)出與夯層方向相關(guān)的弧狀定向排列,可能與夯筑行為有關(guān)(圖2c)。ZXZ005建筑夯土樣品不規(guī)則孔隙面積較大,彼此連通性差,呈現(xiàn)非定向-弱定向排列特征,粉砂顆粒間鑲嵌發(fā)育5 cm×2 cm大小的碳酸鹽巖礫石及破碎的陶片等文化遺物,可能反映了臺基外側(cè)夯土建筑倒塌后原地堆積的現(xiàn)象,而非建筑夯筑時的原始狀態(tài)(圖2d)。

與商代夯土相比,戰(zhàn)國城墻夯土土色雜亂、顆粒較粗,存在軟體動物貝殼和炭化植物碎片等多種包含物,可能是沒有對原料進行仔細遴選,其制作工藝相對粗糙(圖2e)。

2.2 拉曼光譜與掃描電子顯微鏡-能譜分析

在夯土薄片上選取多個點位對進行拉曼光譜分析,獲得不同礦物的測試數(shù)據(jù),通過與RRUFF數(shù)據(jù)庫[Database of Raman spectroscopy,X-ray diffraction and chemistry of minerals (rruff.info)]對比,在樣品中識別出了石英、方解石、鈉長石等礦物碎屑[28],進一步驗證并細化了顯微鏡鑒定結(jié)果：樣品ZZSC002中識別到354、463、638、1 000、1 112、1 186 cm-1等處的特征峰,與石英的拉曼光譜特征基本一致;樣品ZZSC005中識別到464、1 085 cm-1的特征峰,與方解石的拉曼光譜特征相似;樣品ZZSC006中識別到479、507 cm-1兩處特征峰,與鈉長石的拉曼位移相符(圖3a)。不過,由于拉曼光譜更適用于單一礦物的鑒定,在夯土材料分析中的適用性表現(xiàn)較為一般。

圖3 夯土樣品的拉曼光譜圖(a)與掃描電子顯微鏡圖像-能譜圖(b)

在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察夯土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),樣品由不同粒級的顆粒組成,排列緊密,細密的黏土充填了較粗顆粒之間的孔隙。使用能譜儀(EDS)進行點掃描,發(fā)現(xiàn)O、Si和Al元素的特征峰明顯,Fe、Mg等元素也存在微弱的特征峰,說明夯土的主要礦物成分為鋁硅酸鹽礦物,局部可能為含有鐵、鎂元素的黏土礦物(圖3b)。

2.3 粒度分析

黏土含量和粒度分布對夯土原材料的可塑性有重要影響。使用激光粒度儀對樣品進行粒度分析,并根據(jù)土壤力學(xué)中通常采用的伍登-溫德華劃分標準進行粒徑分級評估,該標準以毫米為單位、2為底數(shù),以2的n次方向兩端擴展,形成一個以1為基數(shù)、2為公比數(shù)的等比級數(shù)數(shù)列[29-30]。夯土樣品主要為細砂-粉砂級(圖4a)。在粒度分析的基礎(chǔ)上對各組樣品的土壤質(zhì)地進行分類。結(jié)果顯示,鄭州商城城墻夯土質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土,小雙橋遺址夯土介于粉砂質(zhì)壤土和粉砂土之間,而戰(zhàn)國城墻夯土質(zhì)地為砂壤土(圖4b)。

圖4 夯土的粒徑分布和土壤質(zhì)地

級配指標不均勻系數(shù)(Cu)是反映組成土的顆粒均勻程度的一個指標,為限制粒徑(d60)與有效粒徑(d10)的比值(Cu=d60/d10),越接近于1表明土越均勻。通常Cu>10說明土壤顆粒級配良好,Cu<5時則屬于勻粒土,級配不良。鄭州商城和小雙橋遺址商代及戰(zhàn)國時期夯土的顆粒級配良好(8.74～17.80),且顆粒組成與文化層土壤接近,說明在建造時使用的是天然土壤。

2.4 磁化率分析

磁化率強度能夠反映巖石和土壤形成時期的地質(zhì)環(huán)境,因此被廣泛用于分析土壤、陶器和石器等材料的同質(zhì)性和來源[31]。鄭州商城和小雙橋遺址的7組夯土樣品和1份對照樣品的測試結(jié)果表明,各類型夯土樣品的低頻磁化率在8.061×10-7～1.051×10-6之間,高頻磁化率在7.463×10-7～9.636×10-7之間,數(shù)值基本相近。小雙橋遺址商代文化層對照樣品(ZXZ011)的低、高頻磁化率分別為1.086×10-6和1.225×10-6,基本與夯土樣品相近(圖5)。

圖5 夯土磁化率柱狀圖

2.5 燒失量分析

通過分析夯土樣品和對照樣品的燒失量值,可以了解水、有機質(zhì)和碳酸鹽成分相對含量的差異。25～200℃范圍內(nèi)的重量損失基本是由夯土脫水造成的;200～550℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失通常與水合化合物(如黏土礦物、有機質(zhì)等)有關(guān);550～950℃之間的重量損失與碳酸鈣分解生成的二氧化碳相對應(yīng),由此可以測定樣品中的CaCO3含量(表2)。碳酸鈣含量的計算參照Borsoi等[32]的方法,公式表達為：

表2 夯土樣品在不同溫度的質(zhì)量損失

P(CaCO3)=[P(CO2)×M(CaCO3)]/M(CO2)(1)

式中：P(CO2)為樣品在550～950℃時的質(zhì)量損失(即碳酸鈣的脫羧反應(yīng));M(CaCO3)、M(CO2)分別為方解石和二氧化碳的摩爾質(zhì)量。

根據(jù)樣品的質(zhì)量損失計算得知：商代夯土的含水率在0.68%(ZZSC003)至2.14%(ZXZ008)之間,“周勃墓”臺基夯土的含水率相對較高,可能與樣品的保存狀況有關(guān);有機質(zhì)平均含量較低,約為3.5%;碳酸鈣含量較少,在0.13%～0.45%之間。

2.6 色度分析

孟賽爾(Munsell)顏色系統(tǒng)是一種科學(xué)識別和匹配顏色的方法,由色相H、明度V和純度C三個概念組成,標定方法是：HV/C。通過與孟塞爾色卡進行比較,夯土樣品的土色呈現(xiàn)顯著的棕褐色調(diào),主要包括灰褐色、棕色和淺棕色。各類型夯土與對照樣品存在一定色差,鄭州商城城墻和夯土基礎(chǔ)主要呈現(xiàn)為棕色或灰棕色。而小雙橋遺址“周勃墓”臺基外建筑夯土(ZXZ005)的土色明顯較淺,肉眼觀察為發(fā)白的棕褐色,與“周勃墓”臺基本體夯土呈現(xiàn)出的深棕或灰棕色有明顯差異。

色度儀測量后得到以下數(shù)值,其中L*代表亮度,a*代表紅綠值,b*代表黃藍值。根據(jù)式2,以兩組夯土的平均色度為參考分別求得樣品的綜合色差值(ΔE),用以定量評估夯土樣品之間的顏色變化。

該值越大,顏色差異越大。分析結(jié)果表明,不同遺址的夯土樣品土色存在一定差異：塔灣夯土基礎(chǔ)(ZZSC006)和小雙橋“周勃墓”臺基夯土(ZXZ006)亮度較高,顏色較深;“周勃墓”臺基(ZXZ007)樣品色差最為明顯;對照樣品(ZXZ011)的色差最小(表3)。

表3 土壤色度分析

2.7 其他試驗方法

運用蠟封法在水中測定了各類型夯土塊體的天然密度,并通過樣品含水量求得干密度(表4)。除“周勃墓”臺基外建筑(ZXZ005)之外,所有夯土樣品的密度均顯著高于商代文化層對照樣品(ZXZ011)：鄭州商城塔灣夯土基礎(chǔ)(ZZSC005、ZZSC006)的密度最大,為1.92 g/cm3;“周勃墓”臺基夯土(ZXZ006、ZXZ008)密度同樣較大,為1.77～1.78 g/cm3,由于取樣位置受到一定的蟲蛀侵害,其原始密度應(yīng)該更大。

表4 夯土天然密度和干密度

使用體視顯微鏡對夯土中夾雜的植物根系進行觀察和拍照記錄。觀察發(fā)現(xiàn),其中大部分為草本植物的根系,多順著土壤的縫隙生長,形態(tài)舒展,與土壤顆粒結(jié)合不甚緊密,未發(fā)現(xiàn)有擠壓、彎折的痕跡,推測是后期植物生長所致(圖6)。

圖6 夯土中夾雜的植物根系(ZZSC007)

使用碘-碘化鉀試劑對夯土樣品開展了碘-淀粉顯色試驗,未發(fā)現(xiàn)商代及戰(zhàn)國時期夯土有添加糯米漿等成分的現(xiàn)象。

3 討 論

3.1 鄭州地區(qū)商代夯土的結(jié)構(gòu)和組分

顯微鑒定認為,鄭州商城和小雙橋遺址夯土的顆粒較細,分選、磨圓中等,顆粒成分主要為石英、長石,以及少量云母、角閃石、玉髓和巖屑等,較粗碎屑的長軸呈現(xiàn)平行夯層的定向性。進一步對薄片進行拉曼光譜分析,識別出了鈉長石、石英、方解石等礦物類型,驗證并細化了顯微鑒定的結(jié)果。在掃描電子顯微鏡下觀察夯土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),不同粒級的顆粒排列緊密,細密的黏土充填了較粗顆粒之間的孔隙,使得夯土材料堅硬、密實,具有較好的力學(xué)性能。能譜分析顯示,夯土材料的主要礦物成分為鋁硅酸鹽礦物,局部可能為含有鐵、鎂元素的黏土礦物。

不同區(qū)域、不同時代的夯土可以從粒度分析指標中得到初步區(qū)分。小雙橋遺址樣品的顆粒組成與商代文化層對照樣品較為接近。但鄭州商城樣品顆粒較粗,與小雙橋遺址樣品在粒度上區(qū)別明顯。戰(zhàn)國城墻夯土粒徑較商代更粗,差異較大。

夯土樣品和周邊文化層對照樣品的磁化率數(shù)值基本相近,說明夯筑時所用的土壤原料與周邊文化層土壤有密切關(guān)系。實際上,磁化率的數(shù)值變化除了受到自然因素的影響之外,在考古遺址中通常還與人類活動密切相關(guān),用火、燃燒等活動都可能導(dǎo)致與土壤中磁性礦物的增加[33]。夯土樣品較之文化層對照樣品磁化率數(shù)值較低,意味著夯筑過程中及后期少有擾動磁性礦物增加的人類活動,保持了較為原始的磁性狀態(tài)。

綜合巖相鑒定、粒度分析和磁化率分析的結(jié)果來看,夯土樣品與遺址附近所取的對照樣品在顆粒結(jié)構(gòu)(大小、分選、磨圓)和組成(礦物和巖屑)等方面并不存在顯著差異,反映出它們的物質(zhì)來源與成土過程基本一致。鄭州商城地處古黃河沖積扇頂部的第一湖沼帶,文獻記載和地質(zhì)、考古鉆探證實其周邊普遍存在晚更新世至全新世中晚期的河湖相沉積。小雙橋遺址范圍內(nèi)有索須河流經(jīng),聚落東部緊鄰一道陡坎,河水沿陡坎東側(cè)地勢下降注入“古滎澤”[34]。兩處遺址周邊地勢均有高低起伏,且河流、湖澤分布密集,為聚落的生產(chǎn)生活提供了良好的水土條件,先民在修建各類夯土建筑時即可就近從周邊取土。對比發(fā)現(xiàn),遺址附近土壤大多適合用作建筑材料,商代夯土建筑的原料多為就地取土。

3.2 鄭州地區(qū)商代夯土有無摻合料分析

經(jīng)顯微觀察可知,夯土中現(xiàn)存的植物根莖并非修建時的有意添加,而是后期沿孔隙向夯土內(nèi)部生長所致。這些植物根莖主要發(fā)現(xiàn)于鄭州商城城墻的夯土樣品上,遺址曾長期暴露于露天環(huán)境,可能導(dǎo)致植物沿縫隙向夯土內(nèi)部扎根延伸。

通過燒失量測定可知,樣品中的有機質(zhì)和碳酸鹽含量均較低,且與周圍地區(qū)文化層土壤相近,意味著用于建造夯土墻體的黏土中不含大量的有機物質(zhì),由此可推測夯土中并未有意添加有機黏合材料以提高黏聚力。并且,夯土中應(yīng)該也沒有添加石灰等物質(zhì),少量碳酸鹽成分可能與碳酸鹽膠結(jié)物,以及由于蒸發(fā)或淋濾作用而形成的鈣質(zhì)結(jié)核等土壤生成物有關(guān)[35]。

通過碘-淀粉顯色試驗可知,鄭州地區(qū)商代夯土中均沒有發(fā)現(xiàn)糯米成分。糯米灰漿是古代中國所特有的一種材料,能夠有效地改善土體的硬度和韌性。有學(xué)者從膠凝材料的角度對各時期建筑灰漿中所添加的糯米成分等有機添加物展開過系統(tǒng)的分析研究[36],早在4700年前新石器時代的白灰面中就發(fā)現(xiàn)有糯米成分的添加[37],而在歷史時期,尤其是宋元及以后的夯筑灰土中更是有廣泛的使用。商代夯土歷史較為久遠,彼時如后代三合土一般經(jīng)科學(xué)配比的土質(zhì)建筑材料使用仍不廣泛,反映出當時的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力尚且有限,無法將大量的糯米漿投入到建筑生產(chǎn)之中。此外,雖然同為建筑材料,夯土材料在體量和性質(zhì)上均有別于白灰面,前者是大型建筑的主體組成部分,后者則通常表現(xiàn)為幾毫米厚度的墻面或地面處理工序,因此在夯土中大量添加糯米漿的可能性較低。此前在鄭州商城宮殿區(qū)夯土Ⅲ東部所發(fā)現(xiàn)的一處硬面坐底夯層表面有一層配比較為科學(xué)的夯筑灰土,其中添加了人工燒制的石灰膠結(jié)物,可能類似白灰面的處理方法,在成分和性質(zhì)上也較其他部位的夯土存在顯著不同[38]。

結(jié)合上述分析結(jié)果初步認為,鄭州地區(qū)商代夯土在夯筑時沒有人為添加石灰、糯米漿、植物莖桿等摻合料來增強土壤黏聚力的跡象。

3.3 夯筑行為對城址附近土壤原生環(huán)境的改造

人們對土壤施加的夯筑行為在宏觀和微觀結(jié)構(gòu)上對土壤原生環(huán)境進行了改造,這些現(xiàn)象能夠從夯土的密度、色度及微觀形態(tài)的改變等方面表現(xiàn)出來。

通過密度測定可知,商代夯土樣品密度較大、含水量低,除“周勃墓”臺基外側(cè)倒塌建筑堆積以外,所有夯土樣品的密度均顯著高于商代文化層對照樣品。表明土壤經(jīng)過干燥環(huán)境下的強烈壓實作用,結(jié)合微形態(tài)中觀察到的土體破碎、孔洞變形、裂隙發(fā)育等現(xiàn)象,基本符合Cammas[39]描述的土質(zhì)建材的特征。

土壤微形態(tài)分析認為,不同類型的夯土在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上存在一定區(qū)別,可能代表了不同的夯筑工藝。小雙橋遺址“周勃墓”臺基夯土致密、均一,平行于夯層的弧狀壓痕生動地反映出土壤在夯筑過程中的擠壓受力過程。鄭州商城城墻夯土在每個8～12 cm的夯層內(nèi)仍可根據(jù)土色、粒徑的差異區(qū)分多個薄層,應(yīng)為逐層墊土依次夯打的痕跡,每個砂礫層可能意味著夯筑工程中的一個短暫間歇。這種獨特的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象表明其夯筑工藝或有別于其他類型夯土。同一位置出土的商代和戰(zhàn)國城墻夯土在微觀結(jié)構(gòu)上也存在較大差異,前者土色純凈、土質(zhì)細密,后者則土色雜亂、粒徑較粗,包含物也更豐富,可能反映了不同時期在原料選取和處理方面的差異。盡管每處夯土的成分、結(jié)構(gòu)受到多重因素的影響,存在一定的個性成因,但這些微觀形態(tài)特征的差異仍然能為后續(xù)結(jié)合模擬試驗開展夯筑技術(shù)的復(fù)原工作提供線索。此外,夯土中特有的有機質(zhì)包含物、黏粒膠膜等土壤形成物、孔隙和裂紋等特征結(jié)構(gòu)使它們有別于生土和文化層土壤,反映了先民在夯筑過程中對土壤微觀結(jié)構(gòu)的改造。

土壤的顏色能夠反映出有機質(zhì)含量、鐵氧化狀態(tài)等多種因素[40]。不同的黏土礦物成分對光的吸收和反射特性不同,可能呈現(xiàn)不同土色。此外,土壤的壓實程度能夠通過改變光的折射率來影響視覺感知的土壤顏色,這種影響實際反映了密度和色度之間的關(guān)系,即密度越大,顏色可能越深。夯土的色度差異也反映了夯筑過程中對土壤物理性質(zhì)的改變,這種改變可能與土壤后期沉積過程有關(guān),也可能是因為夯實程度的不同影響了土壤顏色的呈現(xiàn)。

4 結(jié) 論

商代是中國青銅時代社會發(fā)展的鼎盛時期。都邑性遺址是都城制度和城市文明的集中體現(xiàn),相關(guān)研究是探討早期中華文明發(fā)展和中國早期城市化過程的重要內(nèi)容。鄭州商城和鄭州小雙橋遺址作為商代早、中期重要的區(qū)域性中心都邑,其高等級建筑的修建過程反映了當時較為先進的生產(chǎn)力水平和復(fù)雜、高效的社會組織能力。

本研究通過土壤微形態(tài)分析、粒度分析、磁化率測定、燒失量測定等一系列地學(xué)考古手段,從物理性質(zhì)、主要組分、結(jié)構(gòu)、摻合料等角度對鄭州地區(qū)商代夯土材料取得了階段性的認識。鄭州商城城墻夯土與小雙橋遺址“周勃墓”高臺建筑夯土在微觀形態(tài)上存在明顯差異,也有別于鄭州商城宮殿區(qū)此前所發(fā)現(xiàn)的含人工燒制石灰膠結(jié)物的硬面坐底夯層,表明這一時期先民可能已經(jīng)開始有意識地根據(jù)建筑功能類型的差異選擇不同的夯筑工藝。不過,此時對原料的處理還比較簡單,大多是就近獲取天然土壤并進行粗略的篩選,尚未發(fā)現(xiàn)有意識地添加各類摻合料的跡象。與戰(zhàn)國時期夯土相比,鄭州地區(qū)商代夯土質(zhì)地更加細膩、均勻、純凈,充分展示了作為商文化中心都邑高超的生產(chǎn)組織和質(zhì)量控制水平。

鄭州商城城墻和“周勃墓”夯土臺基歷經(jīng)三千多年而依然堅固,彰顯了商代都邑性遺址夯土建筑技術(shù)的高超水平,不僅體現(xiàn)了先民在生產(chǎn)和技術(shù)方面的卓越能力,亦是當時社會文化的重要標志。對鄭州地區(qū)商代夯土材料的科學(xué)分析進一步豐富了夯土建筑的研究范式,將夯土建筑材料的科技分析結(jié)果與考古資料緊密結(jié)合,有助于在都邑布局、宮殿營建和聚落發(fā)展的背景下考察夯土建筑營造技術(shù)體系在中國早期文明進程中的重要作用,深入梳理以土結(jié)構(gòu)建筑為主體的早期中國建筑史的具體脈絡(luò)。

致 謝：本研究得到河南省文物考古研究院、鄭州商都遺址博物院、鄭州市管城回族區(qū)文化旅游體育局等單位的支持與配合;感謝中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所楊石霞老師、葛勇老師及北京聯(lián)合大學(xué)考古研究院韓蕙如老師的悉心指導(dǎo),中國科學(xué)院大學(xué)李升韜、劉浩宇等同學(xué)的幫助。兩位審稿專家也提出了建設(shè)性意見。特此致謝!