苏贝·乃比王永强张杰宋国定罗武干：哈密柳树沟墓地出土青铜器科技分析

恶猪王520 2022-09-28 发布于新疆

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来源：《西域研究》2019年第4期

哈密柳树沟墓地出土青铜器科技分析

苏贝·乃比王永强张杰宋国定罗武干

内容提要

为了探讨哈密柳树沟墓地出土铜器的合金技术及矿料来源，本文利用金相显微镜、扫描电镜能谱仪及多接收等离子体质谱仪等设备对出土的23件铜器进行了分析。结果显示，此批铜器为铸造成型，以锡青铜为主，同时多数器物含有少量的砷。铅同位素分析结果表明，此批铜器的同位素特征与已发表的部分天山北路墓地出土铜器的同位素特征较为一致，与较多伊犁州博物馆馆藏铜器及奴拉赛古铜矿铅同位素特征较为接近，表明它们存在共用同一矿源的可能性。与新疆及甘肃境内铜矿进行对比后发现，此批铜器很可能既使用了较多来自甘肃西部的铜矿和新疆西部的群吉萨依铜矿，又有少量来自附近的土屋延东铜矿。这表明：柳树沟墓地与哈密天山北路文化联系紧密，东天山地区的铜器矿源不仅有甘肃西部地区，也有新疆西部地区和哈密本地，这说明东天山地区很可能在沟通甘肃西部与新疆西部的青铜文化之间发挥着不可忽视的作用。

哈密地区经考古发掘的重要青铜时代墓葬及遗物较多，比较典型的有天山北路墓地，该遗存与甘青地区的四坝文化存在密切关系；南湾墓地有着明显的北方草原文化特征；在焉布拉克墓地的早期遗存中发现了较多与天山北路墓地相同的文化因素、其晚期则与察吾呼墓地关系密切；黑沟梁墓地已经出现了零星中原地区和少量西伯利亚地区文化特征。关于东天山地区出土青铜器的冶金考古研究工作集中于合金技术与制作工艺方面，孙淑云[1]、潜伟[2]、梅建军[3]等学者分别对哈密天山北路墓地、焉布拉克墓地等哈密地区青铜至铁器时代墓葬出土青铜器进行了科技分析，并将哈密地区青铜文化分为三个阶段：第一阶段（2000BC～1200BC）以天山北路墓地为代表，其合金类型以锡青铜为主，红铜、砷铜均占有一定比例；第二阶段（1200BC～600BC）以南湾和焉布拉克墓地为代表，其合金类型仍以锡青铜为主，但砷铜比例上升，且出现含砷量高于10%的高砷青铜；第三阶段（600BC～200BC）以黑沟梁墓地为代表，其合金类型出现了高锡青铜和铜锌合金，且铅含量上升。这三个阶段的共性为：铜器中均含有较多杂质、制作工艺锻、铸皆有。以上工作系统梳理了东天山地区青铜合金的工艺特征及技术变革，对我们认识东天山地区青铜冶金技术水平及发展演化历程具有非常重要的价值。然而，以往研究主要是从合金技术角度探讨东天山地区与甘肃等东部区域的关系，罕见从青铜矿料来源角度探讨新疆东部与西部之间的交流互动。本文将对哈密柳树沟墓地出土青铜器进行合金技术及铅同位素分析，探讨柳树沟墓地出土青铜器的合金类型及铜料来源，在此基础上，分析以哈密柳树沟墓地为代表的新疆东天山地区，与新疆西部及甘肃西部之间冶金工艺及矿源的异同与关系。

一、样品背景及分析结果

1.样品背景

2013年，为配合哈密柳树沟水库施工建设，新疆文物考古研究所对位于哈密市柳树沟乡亚喀墩村东北方向约一千米处的柳树沟遗址和墓地进行了抢救性发掘。[4]共计发掘墓葬108座，遗址两处，出土遗物四百余件，其中铜器122件，本次发掘出土一件石范，填补了东天山地区无石范的空白。[5]

该遗址所有墓葬除一座为仰身直肢葬外，其余均为侧身屈肢葬。王远之对柳树沟墓地做了考古学文化研究，认为柳树沟墓地出土陶器和铜器均与哈密天山北路文化、焉布拉克文化等周边文化关系密切，显示出较强的新疆东部青铜文化因素。[6]综合考古发掘地层、考古类型学分析及碳十四测年结果，柳树沟墓地分为早晚两期。早期地层主要流行石圈墓，随葬单耳罐、单耳壶、细长的单耳杯和矮胖的垂腹杯，彩陶的数量较少，纹饰简单；碳十四测年结果（表1）经树轮校正后，F2及M15～M98等柳树沟早期遗址及墓葬的年代约为1610BC～970BC。本次分析样品的墓葬主要出自早期地层，年代主要集中在1400BC～1100BC，与哈密天山北路文化四期七、八段处于同一时期。晚期地层多为石堆墓，以单耳钵、腹耳壶等器型为主，彩陶逐渐增多，纹饰风格与焉布拉克墓地彩陶纹饰接近，在年代较晚的墓葬中还出土有铁器残渣。F3及M10等柳树沟晚期遗址墓葬的年代约为771BC～474BC，与哈密地区的焉布拉克墓地和黑沟梁墓地属于同一时期。

表1　柳树沟遗址及墓地碳十四测年结果

本研究所取样品为来自哈密柳树沟墓地出土的23件青铜器物，其中3件来自晚期墓葬，其他20件均来自早期墓葬。按用途分为饰品（10件）、工具（5件）、兵器（5件）和不明用途的残片（3件）。样品信息见表2。

表2　柳树沟墓地出土青铜器样品信息表

2.金相分析

本文对两件保存较好的样品——铜珠（2013HLM82：2）和铜刀（2013HLM42：3，残），进行了金相分析，样品经过严格的除锈等预处理后，用工具夹取下一小块，以纵截面为金相检测面，样品经镶样机镶好后，用不同粒度的砂纸由粗至细逐级磨光，最后在抛光机上抛光得到所要观察的镜面。抛光好的样品经三氯化铁盐酸酒精溶液侵蚀后，在型号为Leica DMLM microscope的金相显微镜下观察显微组织。金相显微分析结果见图1、2。

#图1 HL16　铜刀(残) 金相组织(200×)

#图2　HL1　铜珠　金相组织(200×)

金相显微分析结果表明，这两件器物均为铸造成型。其中2013HLM42：3铜刀（残）为典型的树枝晶偏析组织，基体存在一定程度的腐蚀，边缘可见树枝状α固溶体已腐蚀成灰黑色，在中心合金本体保存较好区域可见少量灰色岛屿状(α＋δ)共析体分布于树枝晶间；2013HLM82：2铜珠亦为典型的α固溶体树枝晶偏析铸造组织，且整体保存状况较好。

3.合金成分分析

所取样品经过除锈等预处理后，利用扫描电镜能谱仪（SEM-EDS）进行成分分析。SEM-EDS分析所用仪器为配备美国布鲁克公司Quantax70能谱仪的Hitachi TM3030扫描电子显微镜。除锈过程中发现本次所取的23件样品中，有8件样品锈蚀情况较为严重，因此，本文仅分析了15件铜器的合金成分，结果见表3。表现为：多数器物为Cu-Sn二元合金，分别为7件饰品、3件兵器和1件铜器残片，合计11件，占总数的73%；另外有两件Cu-Sn-Pb三元合金，其铅含量均在2%～3%之间，占总数的13%；还有两件含有少量Sn、As的红铜器物，占总数的13%。此批铜器具有一个共同的特征，即除一件铜耳环2013HLM18：2之外，所有器物中均含有一定量的砷。少量的砷可能来自含砷铜矿。

表3　柳树沟墓地出土青铜器样品SEM-EDS分析结果（Wt%）

4.铅同位素分析

铜器的矿料来源既能反映冶金技术的起源和传承关系，又能讨论选矿、采矿、运输等生产关系。主要研究方法为微量元素示踪法和铅同位素示踪法。[8]同位素地球化学研究表明，不同地区金属矿物的铅同位素比值一般存在差异，而且铅同位素比值在冶铸过程中不会产生分馏效应，[9]其比值能够保持不变，可以指示不同地区的矿料来源。因此，本文对柳树沟墓地出土青铜样品进行铅同位素分析，以探讨其矿料来源等问题。实验仪器为VG Elemental型多接收电感耦合等离子质谱仪（MC-ICP-MS），实验所得数据见表4。

表4　柳树沟墓地出土青铜器样品铅同位素分析结果

成分分析结果表明（表3），此批器物的铅含量均低于3%。Gale等学者认为当铜器中的铅含量在50ppm至4%之间时，铜器中的铅可以认为源自铜矿。[10]崔剑锋等学者指出，由于锡石等比较纯，相对铜含量而言，铜器中的锡含量比较低，因此一般认为铜器中的铅同位素主要指示铜矿或铅矿，指示锡矿的信息有限。[11]因此，我们可以认为此批样品的铅同位素比值指示的是铜料来源。由于样品量比较少，HL5未能进行铅同位素分析。从样品的铅同位素分析结果（表4）看，²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb介于17.7899～18.3289之间，²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb介于15.4828～15.6455之间，²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb介于37.7390～38.4131之间，均属于“普通铅”，而非“高放射性成因铅”。根据铅同位素地球化学省分区可知，[12]其均与新疆北部铅同位素地球化学省最为相似。因此，初步判断柳树沟墓地出土青铜器很可能使用了来自新疆北部地球化学省的铜料。

二、讨论

1.合金技术与加工工艺

金相分析表明，柳树沟墓地出土两件保存较好的铜器均为铸造成型。潜伟曾对哈密天山北路墓地出土的各种类型铜器进行过科技分析，发现该文化不同时期铜珠等器物一直采用铸造的制作工艺。柳树沟墓地出土铜珠仍旧延续了哈密天山北路的制作工艺，为铸造而成。

本次所取样品的合金成分特征与已发表的天山北路墓地铜器合金特征存在极大的相似性。潜伟等对天山北路墓地89件铜器做了成分分析，其中材质为Cu-Sn的铜器占总数的69%，材质为Cu和Cu-As的铜器均占11%，其余材质Cu-Sn-As、Cu-As-Pb和Cu-Sn-Sb等三元合金均为少量。对比哈密天山北路墓地青铜器与柳树沟墓地青铜器的合金成分可知，它们器物中均以铜锡合金为主要材质，所占比例均在70%左右，二者铜器中均含有一定量的砷。这表明，柳树沟墓地出土青铜器与哈密天山北路墓地出土青铜器合金技术较为一致，结合考古学文化可知，哈密天山北路文化对柳树沟墓地出土青铜器产生了深厚影响。

2.铜料来源

（1）与新疆境内其他铜器及冶铜遗物的对比分析

相比中原地区而言，目前已发表的新疆境内出土青铜器铅同位素数据相对较少。我们辑录了目前已发表的新疆地区所有铜器及冶铜遗物的铅同位素分析数据，一共78例。其中来自以哈密天山北路墓地、腐殖厂墓地、庙尔沟及黑沟梁墓地为代表的新疆东部地区出土铜器的铅同位素分析数据11例，[13]来自奴拉赛古铜矿遗址的铜矿、铜渣及铜锭的铅同位素分析数据16例，[14]来自伊犁州博物馆藏铜器铅同位素分析数据34例，[15]来自准噶尔盆地周缘出土铜器的铅同位素数据12例，[16]来自察吾呼墓地出土青铜器铅同位素数据5例。[17]可见，以往的铅同位素分析结果多来自新疆西部的伊犁地区及其周边，而新疆东部、中部及北部等其他地区的分析数据较少。因此，本文提供的关于柳树沟墓地出土23件铜器的铅同位素分析数据具有较为重要的价值。

进一步对比柳树沟墓地出土青铜器与新疆境内已发表铜器及冶铜遗物的铅同位素数据可知（见图3），柳树沟墓地出土青铜器的铅同位素比值有相当一部分与伊犁州博物馆藏铜器和奴拉赛古铜矿遗址出土冶铜遗物铅同位素比值重叠，也存在一个与新疆东部哈密天山北路墓地出土铜器青铜器同位素比值完全重叠的样品，而与察吾呼遗址和准噶尔盆地周缘的铜器基本没有重叠。

由此可见，柳树沟墓地出土的部分青铜器极有可能与伊犁州博物馆馆藏青铜器具有相同的矿源，且此部分矿源很可能来自奴拉赛古铜矿。同时，少量柳树沟青铜器也与天山北路墓地青铜器存在共用同一矿源的可能。

（2）与新疆、甘肃现代铜矿的对比分析

为了探究柳树沟墓地出土青铜器的具体铜料来源，本文还辑录了来自墓地附近的土屋延东铜矿、其他已知新疆北部地球化学省铜矿及甘肃省部分邻近区域铜矿的铅同位素比值数据，共计13个矿区（点）、121个铜矿铅同位素数据。

对比柳树沟墓地青铜器与周边区域铜矿铅同位素比值可知（图4），其铅同位素比值只有少量处于哈密境内的土屋延东铜矿铅同位素范围内[18]，而大部分落在位于新疆伊犁地区的群吉萨依铜矿[19]、甘肃北祁连山的石居里铜矿[20]和折腰山铜矿[21]的铅同位素比值范围内，也有一件落在喇嘛萨依铜矿[22]和白银厂铜矿[23]的铅同位素比值范围内。但是，与西天山南段柳树沟铜矿[24]、小土尔根铜矿[25]、伽师铜矿[26]、梅岭铜矿[27]的铅同位素比值区域相差较大。结合前述分析表明，柳树沟墓地出土部分铜器很可能与伊犁州博物馆馆藏青铜器具有同一矿源，且此部分矿源很可能来自奴拉赛古铜矿，而奴拉赛古铜矿与群吉萨依铜矿处于同一成矿带，[28]考古发掘工作表明，奴拉赛遗址是迄今为止在新疆地区发现的年代最早的青铜矿冶遗址，距今约2500年。[29]因此，从年代上看奴拉赛古铜矿遗址与柳树沟墓地还存在较大的缺环。当然，由于该矿冶遗址还没有全面系统地发掘，其是否存在更早的冶金遗迹，目前也是不能完全排除的。同时，相对于新疆地区的铜矿而言，柳树沟墓地青铜器与甘肃省铜矿的铅同位素数据重叠部分更多，这表明柳树沟墓地出土较多青铜器的铜料很可能来自于甘肃地区。因此我们初步推断柳树沟墓地出土较多青铜器很可能使用了甘肃北祁连山铜矿区的铜料，另有部分铜器使用了来自新疆西部群吉萨依铜矿所在成矿带的铜料。同时，也有少量柳树沟青铜器与天山北路墓地出土铜器具有同一矿源，使用了少量来自附近土屋延东铜矿的铜料。

3.小结

综合以上分析可知，柳树沟墓地青铜器与天山北路文化青铜器，不论是器型还是制作工艺、合金成分都有着密切的联系，可以推断两者存在传承关系，即柳树沟墓地出土青铜器与天山北路文化青铜器一脉相承，应为本地铸造而成。

柳树沟墓地出土青铜器既有少量铜料来自附近的土屋延东铜矿，又有部分器物铜料来自新疆西部的群吉萨依铜矿所在成矿带，还较多使用了来自甘肃折腰山铜矿与石居里铜矿的铜料。这表明柳树沟墓地既与天山北路文化存在密切渊源，又可能同时与新疆西部及甘肃西部的青铜文化产生交流与互动，很可能是沟通甘肃西部与新疆西部青铜文明的枢纽。

三、结语

经过上述分析，我们获得以下认识：

1.本次分析的柳树沟墓地出土青铜器均为铸造而成，其合金配比以Cu-Sn二元合金为主体，几乎所有器物中均含有一定量的砷。

2.柳树沟墓地出土青铜器的铅同位素比值与少量天山北路墓地出土铜器铅同位素比值一致，而较多器物与伊犁州博物馆馆藏青铜器及奴拉赛古铜矿遗址出土冶铜遗物的铅同位素比值重叠。

3.柳树沟墓地出土青铜器应为当地铸造而成，其铜料有少量来自附近的土屋延东铜矿，有部分来自新疆西部的奴拉赛古铜矿与群吉萨依铜矿所在成矿带，较多器物的铜料来源指向了甘肃北祁连山铜矿区。

4.以上研究表明，柳树沟墓地出土青铜器无论在器型、制作工艺还是合金类型上都与天山北路文化存在密切关系，与天山北路文化铜器应系一脉相承。部分青铜器矿料来自新疆西部伊犁州地区，表明以柳树沟为代表的东天山地区铜器矿源与新疆西部地区可能存在密切关系；较多铜器的矿源与邻近的甘肃西部地区铜矿联系紧密，说明东天山地区很可能同时与新疆西部及甘肃西部地区的青铜文化存在交流与互动。

本文只分析了柳树沟墓地出土的23件青铜样品，采集到的铅同位素数据也有限，且甘肃地区部分青铜时代遗址出土铜器的铅同位素数据目前仍未见公开发表，这必将限制本文的对比分析。新疆境内早期铜器很可能存在若干集中的铜料来源，相关问题的解决有待于冶金考古学者与考古学家及地质学家的密切沟通与合作。

后记：罗武干先生为本文的通讯作者，本研究得到“西北大学文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室开放课题”的资助。新疆文物考古所工作人员在取样过程中给予了热情帮助，北京大学考古文博学院崔剑锋教授、北京科技大学李延祥教授在实验分析及论文撰写与修改过程中给予了大力帮助，在此一并深表感谢！

注释

滑动查阅

[1]孙淑云，韩汝玢：《甘肃早期铜器的发现与冶炼、制造技术的研究》，《文物》1997年第7期，第75～84页。

[2]潜伟：《新疆哈密地区史前时期铜器及其与邻近地区文化的关系》，知识产权出版社，2006年，第34～48页。

[3]梅建军，刘国瑞，常喜恩：《新疆东部地区出土早期铜器的初步分析和研究》，《西域研究》2002年第2期，第1～10页。梅建军，平尾良光，夏本淳子：《新疆准噶尔盆地周缘地区出土早期铜器的科学分析》，《古代文明》(辑刊)，2003年，第230～240页。

[4]王永强，张杰：《新疆哈密市柳树沟遗址和墓地的考古发掘》，《西域研究》2015年第2期，第124～126页。

[5]刘学堂，李溯源：《新疆发现的铸铜石范及其意义》，《西域研究》2008年第4期，第50～58页。

[6]王远之：《柳树沟遗址研究》，西北大学硕士学位论文，2015年。

[7] Reimer PJ，MGL Baillie，E Bard，A Bayliss，JW Beck，C Bertrand，PG Blackwell，CE Buck，G Burr，KB Cutler，PE Damon，RL Edwards，RG Fairbanks，M Friedrich，TP Guilderson，KA Hughen，B Kromer，FG McCormac，S Manning，C Bronk Ramsey，RW Reimer，S Remmele，JR Southon，M Stuiver，S Talamo，FW Taylor，J van der Plicht，and CE Weyhenmeyer.2004 Radiocarbon 46:1029-1058.

[8]金正耀：《中国铅同位素考古》，中国科学技术大学出版社，2008年，第255页。

[9]崔剑锋：《铅同位素考古:20世纪国际上关于铅同位素分馏问题的讨论》，《文物保护与考古科学》2004年第3期，第17页。

[10] Gale，N.，Stos-Gale，Z.，Lead Isotope Analyses Applied to Provenance Studies.In: Ciliberto，E.，Spoto，G.(Eds.)，Modern Analytical Methods in Art and Archaeology.John Wiley & Sons Inc.，Chicage，2000.

[11]崔剑锋，吴小红：《铅同位素考古研究》，文物出版社，2008年，第19页。

[12] Zhu B，The Mapping of Geochemical Provinces in China Based on Pb Isotopes，Journal of Geochemical Exploration，1995，55(1-3)：pp.171-181.

[13]梅建军，平尾良光，夏本淳子：《新疆东部出土早期铜器的铅同位素比值研究》，山东大学东方考古研究中心：《东方考古》第2集，科学出版社，2006年，第303～311页。

[14]梅建军，李延祥：《新疆奴拉赛古铜矿冶遗址冶炼技术初步研究》，《自然科学史研究》第17卷第3期，第289～295页。

[15]陈藩，陈坤龙，潜伟：《新疆伊犁博物馆藏史前时期铜器的初步科学研究》，《中国文物科学研究》2016年第3期，第49～53页。Lu W，Fan C，Copper Metallurgy in Prehistoric upper Ili Valley，Xinjiang，China，Archaeological and Anthropological Sciences，2018.

[16]梅建军，平尾良光，夏本淳子：《新疆准噶尔盆地周缘地区出土早期铜器的科学分析》，《古代文明》(辑刊)，2003年，第230～240页。

[17]梅建军，吕恩国，平尾良光：《新疆察吾呼墓地出土铜器的初步科学分析》，《新疆文物》2002年第3、4期，第109～115页。

[18]侯广顺，唐红峰，刘丛强：《东天山觉罗塔格构造带火山岩的铅同位素组成及意义》，《中国地质》2006年第33卷第3期，第509～515页。

[19]闫永红：《西天山群吉萨依铜矿床形成背景与成矿特征研究》，中国地质大学(北京)，硕士学位论文，2013年。

[20]宋忠宝：《北祁连山石居里铜矿硅、铅、硫同位素组成特征》，《西北地质》2003年第36卷第2期，第83～86页。

[21]甄世军：《甘肃折腰山铜多金属矿床地质及地球化学特征研究》，中国地质大学（北京)，硕士学位论文，2015年。

[22]段士刚，薛春纪，石海岗：《新疆西天山喇嘛萨依铜矿床地质和 C，O，S，Pb 同位素地球化学》，《现代地质》2014年第28卷第1期，第51～60页。

[23]王兴安：《甘肃白银厂铜矿田硫铅同位素地球化学研究》，《西北地质》1999年第1期，18～23页。

[24]孙现辉：《西天山南段柳树沟铜矿地质特征与成因分析》，西北师范大学硕士学位论文，2013年。

[25]樊献科，董永观，秦纪华：《新疆阿尔泰小土尔根铜矿床硫化物微量元素、S-Pb同位素特征及地质意义》，《地质论评》2016年第62卷第2期，第472～490页。

[26]王思程，薛春纪，李志丹：《新疆伽师砂岩型铜矿床地质及 S，Pb 同位素地球化学》，《现代地质》2011年第25卷第2期，第219～227页。

[27]于明杰，王京彬，毛启贵：《新疆东天山卡拉塔格矿集区梅岭铜锌（金) 矿床成矿流体特征及地质意义》，《矿床地质》2016年第4期，第829～845页。