再探三星堆，考古人带来了“一屋子”高科技
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中国考古学诞生100周年之际，三星堆器物坑重启考古发掘。这次，有备而来的研究人员正在发起一场高科技助力的多学科“综合考古”。 |
撰文 /记者 李鹏 编辑/丁林
新媒体编辑/陈炫之
采访专家：
刘庆柱 （中国社会科学院学部委员、中国社会科学院考古研究所原所长）
赵志军（中国社会科学院考古研究所研究员）
吴小红（北京大学考古文博学院副院长、教授）
吴秀杰（中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员）
位于四川省广汉市鸭子河（沱江支流，又名湔江）南岸的三星堆遗址，被誉为20世纪最伟大的考古发现之一。
三星堆遗址最早发现于上世纪20年代末，分布面积约12平方公里，是四川盆地目前发现的夏商时期规模最大、等级最高的中心性遗址，也是迄今在我国西南地区发现的范围最大、延续时间最长、文化内涵最丰富的古文化遗址。
1986年，考古工作者从遗址的“1、2号器物坑”（也称祭祀坑）发掘出了众多堪称奇异诡谲并且独一无二的旷世神品：流光溢彩的黄金面具、黄金权杖，2.62米高的青铜立人、1.38米宽的青铜面具、高达3.95米的青铜神树等。
△民众参观三星堆与金沙遗址出土文物（图片来源：中国政府网）
近两年，考古工作者又在同一地点发现了6座新的文化器物坑。2019年12月，当考古人员在1、2号坑周围小规模试掘时，意外找到一件绿色青铜器一角，拉开了本次发掘的序幕。目前，新器物坑的发掘工作还在有条不紊地进行，已出土大金面具残片、鸟型金饰片等重要文物500余件，部分器物在形制方面前所未有。随着发掘进程的推进，器物坑中有可能还有更多的“意外惊喜”。
与30多年前不同的是，如今的三星堆考古发掘工作，增加了一系列先进考古技术的坚实保障，成为了我国考古学诞生100周年之际科技考古能力的集中体现。
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“考古方舱”开创发掘新模式
1986年，三星堆1、2号器物坑的系统性发掘，让沉睡数千年的古蜀文明“一醒惊天下”。但限于当时的技术和条件，三星堆遗址的文物发掘和后续保护措施都比较“粗犷”。例如，参与当年发掘的当地村民杨永成在接受媒体采访时回忆说，他们对2号坑进行挖掘时，只是用竹竿搭建了一个围栏。挖出来的文物多用纸来包住，放进木制箱子运出去。
然而这种处理方式如今看来显得有些“潦草”，不仅可能使某些脆弱的出土文物受到破坏，还会让考古成果打折扣。吸取了此前的经验和教训，本次考古团队事先做了充分的准备，不仅在考古现场搭建了2000余平方米的大棚来阻挡日晒雨淋，还针对6个发掘坑搭建了4座玻璃房子，即“考古方舱”，它们能够维持发掘现场恒温恒湿环境，让文物在出土时免受剧烈环境变化的影响。
△发掘现场的四座“考古方舱”示意图
中国社会科学院考古研究所研究员赵志军告诉记者，这是我国首次采用“考古方舱”的形式开展工作，开创了田野考古发掘的一种新模式。
每个方舱里配备了集成发掘平台，并设置有多功能考古操作系统，采用了平行桁架、自动化载人系统等装置，实现出土文物调运的功能。工作平台可以像吊篮一样将穿着防护服“全副武装”的考古人员放进坑内悬空作业，并随时变换位置、方向和角度，尽量减少发掘坑中的文物和填土遭受发掘者带入的污染。仓内的起重机也足以应付各类器物的提取工作。
考虑到很多文物出土后会迅速被空气氧化，发掘现场的大棚内还备有有机实验室、无机实验室、应急分析实验室、微痕应急保护实验室、文保工作室、考古工作室等，很多材料出土后很快就可以在现场进行理化实验。
△考古发掘舱内保持恒温恒湿并配备多功能考古操作平台，考古人员身穿防护服作业
“现在的考古就像在医院治病一样，该用什么药就用什么药，该上什么样的手术就上什么样的手术。”中国社会科学院学部委员、中国社会科学院考古研究所原所长刘庆柱说。
文物并非发掘出土后就万事大吉，能否予以科学保护是必须要重视的问题。发掘出土文物因出土后人为忽略或者保护水平的限制导致毁坏，有过不少令人痛心的案例。
明十三陵中，安葬万历皇帝的定陵是我国唯一有计划地进行考古发掘的帝王陵寝。定陵的发掘在当时（1956年）引起轰动，结果却令人唏嘘。大量的文物在接触空气后立即被氧化破坏，其中有件珍贵的龙袍采用了缂丝工艺织造，十分精美奢华，但因保存技术不到位，出土后就开始逐渐碳化，失去了原来的色彩，并最终腐坏成一堆如破碎宣纸般的布料。
吸取了这些沉重教训，有关单位在距离发掘现场几公里处，又建成了三星堆开放式文物修复馆。本次考古中新出土的文物，也成为修复馆的第一批“客人”，在这里进行保护处理和修复研究。据三星堆博物馆副馆长朱亚蓉介绍，此次考古发掘设置了专门的分析检测室，可为文物修复和保护提供更科学的依据。
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先进仪器成为考古学者的“眼睛”
地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，因此光谱被视为辨别物质的“指纹”。 高光谱成像技术正是基于所检测物质的光谱，精准地判断其组成成分。近些年来，该技术被越来越多地应用到考古和文保领域。
例如，在古代壁画的考古、修复和保护上，高光谱成像已经成为不可或缺的手段。无论是敦煌莫高窟，还是唐代墓葬、秦代兵马俑，古代的颜料多以矿物质、植物等自然材料为主。但是，同一种颜色可以用不同的物质表达，例如红色就包括朱砂、赭石、铅丹等物质，黄色则可能是纤铁矿、密陀僧（矿物）或雌黄等。考古人员看到某种颜色，也无法立刻判断到底是哪种颜料，这会给修复和保护带来麻烦。高光谱成像技术通过非接触式的扫描，可获取表面颜料的光谱信息，便于研究者更有针对性地进行颜色模拟或开展修复。
△考古人员用高光谱成像扫描仪对3号坑文物进行光谱拍摄，以识别文物的材料和属性
在本次三星堆考古发掘中，高光谱成像技术也大显神威。记者从西安光机所了解到，该所光谱成像技术实验室张朋昌团队全程参与此次发掘，尤其研制了专用的低照度考古高光谱成像扫描系统和桁架式红外高光谱成像扫描装置，实现了对坑内文物的原位高光谱成像扫描，为考古人员研究器物坑形成过程、三星堆文化的祭祀方式，以及对后期修复和保护各种文物提供了重要数据和技术支撑。
考古人员通过高光谱成像分析坑内的灰烬等物质，就可以分辨和研究当时农业、纺织业的一些情况。例如，在肉眼看来只是黑色“土块” 的物质，在高光谱成像仪等“黑科技”设备下，就会原形毕露——本次挖掘的4号坑中，一些丝绸制品的残余就是这样发现的。研究者通过后续检测，证实了丝蛋白的存在，这为“古蜀是中国古代丝绸的重要起源地之一”的理论提供了确凿的证据。在中国丝绸博物馆的协助下，这些丝绸的功能、材质分析及后续保存正在进行中。
这也是首次在三星堆遗址中发现丝绸。赵志军表示，其实考古界长期以来一直认定三星堆遗址会有丝绸残留，但是此前就是没有找到证据。
△“黑色灰烬”到了显微镜下，显示出纺织物的纹理
有人将此次三星堆考古发掘喻为“连拆6个盲盒”。其实，现场考古团队还配备了其他许多“犀利的眼睛”，包括可以看清文物细节的视频显微镜，以及扫描电镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、高光显微镜、便携式X射线荧光光谱仪（XRF）等多种科学仪器。现场还安装了8台400万星光级网络摄像机、1台工业全景相机，专门用于考古过程的全程记录，并将视频实时传输到现场应急会诊室，实现文物的远程专家会诊功能。
借助这些仪器，考古工作者可以更好地还原遗址所属时期的生活、生产信息，揭开很多未知古文化、古文明的秘密。
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3D打印“文物保护壳”
三维激光扫描技术于上世纪90年代中期出现，随后得到越来越广泛的应用。该技术能够大面积、高分辨率地快速采集被测对象表面的空间点位信息，然后用搜集到的数据进行三维重建计算，在虚拟世界中创建物体的数字模型。
在考古领域，相关技术的应用可以帮助制定更为完善的发掘方案，并有利于对出土文物实施精细的修复和保护。例如，1987年在珠江口以西发现的宋代商船“南海Ⅰ号”沉船位于水面下20米的深处，工作环境的艰难程度超乎常人想象。为了帮助打捞及记录沉船的历史原貌， 2007年将沉船打捞出水前，首先对其进行了三维激光扫描。
△考古人员使用FARO三维激光扫描仪扫描7号坑
此外，从2005年起云冈石窟研究院便与北京建筑大学开展合作，双方攻克技术难题，首次成功利用三维激光扫描技术，生成了完整的云冈石窟外立面点云及正射影像图，在此图基础上绘制的云冈石窟实测线描图，为云冈石窟走进三维数字时代奠定了数据基础。
本次针对三星堆的考古发掘中，不仅三维扫描技术被应用到多个环节中，3D打印技术也得以大显身手。例如，3号坑的大口尊连同内部填土重达几百公斤，不易发掘。为了确保万无一失，现场发掘专家们为它量身3D打印出了“硅胶壳”：首先三维扫描该铜器，获取数字模型，再据此打印一个薄的硅胶体覆盖在铜尊表面，形成保护。随后大尊被装入用于固定的木质套箱，再利用“文物起重机”取出。
△三星堆遗址考古发掘现场制作的一件青铜器保护壳
其实，在文物修复乃至复建方面，3D扫描和打印技术越来越受到青睐。研究人员运用这类新技术，解决一些实质性的“老难题”。例如，为了更好地保存原件，陕西历史博物馆利用3D打印技术，制作了国宝级文物“鹿形金怪兽”的复制品。
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更新换代的碳-14测年技术
“蚕丛及鱼凫，开国何茫然！尔来四万八千岁，不与秦塞通人烟。”李白在著名诗篇《蜀道难》用夸张的“四万八千岁”描述了古蜀王国难以考证的遥远渊源。而自三星堆遗址首次考古发掘以来，我们对古蜀国的年代有了越来越精确的认识。
△（图片来源：“三联书情”微信公众号）
在考古实践中被广泛应用的“碳-14测年法”通过测定有机物质所含碳-14同位素的比例，判断某些物质的年代。历史上的常规放射性碳-14测年法因为需要的测试样品多、测试时间长、准确度低的原因，已经逐渐被考古领域淘汰。如今国内外考古学界，凡是用到碳-14测年法时，主流的选择都是加速器质谱碳-14测年法。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员吴秀杰表示，测定5万年以内（尤其是4万年以内）的有机质文物样品，加速器质谱碳-14测年法是测定精度最高的一种，因此该技术是目前1万年以内考古遗址中占据统治地位的测年方式。良渚、红山、龙山等我国重要的古人类文化遗址的考古，主要也依据这种测年方式。
此前在三星堆遗址采集的19个标本采用了碳-14测年，得出的年代范围在公元前2471年~公元前1260年之间。因此专家们认为1、2号坑的年代不会晚于公元前1260年。
针对本次三星堆遗址6个器物坑中采集的73份炭屑样品，北京大学考古文博学院副院长、教授吴小红主导的联合团队采用了精确度、灵敏度更高的加速器质谱碳-14测年法进行了分析。其中，4号坑年代最有可能是在公元前1199年~公元前1017年，年代区间属于商代晚期。
△4号坑的碳十四树轮校正日历年代分布图（来源：央视新闻）
不过赵志军提示，虽然新技术的测年误差理论上可以控制在±25年之内，但是由于测试技巧、机器灵敏度等方面的原因，实际误差往往要更大。正因如此，考古测年常常是多点检测，并经过综合分析判断后，得到最有可能的结果。
这次进行发掘的6个器物坑和原来的1号、2号器物坑，集中在仅几百平方米的范围之内。这8个器物坑究竟是属于同一年代还是分属于不同年代的埋藏呢？如果它们的测年结果一致，说明什么问题？不一致又说明什么问题？这都是接下来需要搞清楚的问题。
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植物学考古揭秘三星堆人食谱
植物考古也是三星堆遗址考古的重头戏。除了作为碳-14测年的样本，出土植物本身的类型研究也十分重要。考古人员根据对三星堆遗址提取的植物标本进行浮选分析认为：稻谷是当时这片土地上古蜀人的主要食物之一。
其实本次发掘之前，成都市文物考古研究院的学者就曾对成都平原先秦遗址进行过长达9年的植物考古，并判断成都平原的古蜀先民早在4000多年前就已经吃上了大米饭，这比三星堆文化还要早很多。
△广汉联合遗址出土的陶猪（图片来自网络）
“三星堆遗址发现水稻并不新鲜，重要的是这片地方曾经还发现了小米等北方作物，这背后代表的是来自北方的文化和农业生产传统。”赵志军说。考古学家曾在四川岷江河谷的茂县发现距今5000年左右的营盘山遗址，并找到了粟（小米）、黍（黄米）等农作物的碳化种子。
经过对人祭坑中部分人骨进行体质人类学分析鉴定，可知营盘山遗址的人群来源并不单一，且其中的一些人类头骨具有典型的中国古代西北人群特征，与四川本土先民有着明显的区别。两个成年牙齿标本的检测结果表明，其早年食谱分别以鱼、小米为主。此外，营盘山遗址的彩陶有明显的甘肃省马家窑文化特征。
一些考古研究者因此推断：甘肃到四川从远古时就存在一条堪称“彩陶之路”的人口迁徙通道——早在距今6000年左右，黄河上游甘肃、青海一带的先民就因气候变化等原因，开始向南迁入长江上游的岷江河谷台地，后又逐步迁徙到四川盆地，并将小米、黄米等旱作农业作物带到了那里。
△古蜀人可能的迁徙路线（图片来源：华西都市报）
“最早进入四川盆地的农作物是小米等耐旱作物。后来随着人口的迁徙，水稻也沿着长江溯江而上，进入到了四川盆地，两种不同的农业生产在四川交汇。”赵志军说。在三星堆文化时期，当地应该是同时种植有小米和水稻，只是由于四川的气候更适合水稻生长，水稻最终取得了主导地位。
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高分子材料保护脆弱象牙
在考古直播中，器物坑中大量的象牙引人瞩目。其实早在1986年第一次发掘时，考古人员也在现场发现了大量象牙。“这些象牙刚出土时还挺好的。”赵志军说。
可惜的是，由于当时缺乏相应的保护，许多象牙出土后不久就因为脱水出现了大量的裂纹，有的破坏甚至极为严重。由于象牙已经埋藏于较高湿度的土壤中长达3000多年，有些在埋藏之前可能还经历过焚烧，因此提取与保护难度极大。
年代较新的象牙，主要由无机矿物成分和有机纤维蛋白组成，其中无机物赋予象牙硬度和刚度，而纤维蛋白则赋予象牙弹性和韧性。在3000多年的埋藏过程中，三星堆象牙中起粘接作用的蛋白质已降解殆尽，几乎所有的象牙内部都形成了大量的空洞，并被潮湿的泥沙充填，一旦暴露在空气中，就会迅速失水“散架”。
2001年，距离三星堆50公里的金沙遗址发现大量象牙后，工作人员立即对质地酥脆的象牙开展了预加固处理——涂刷加固剂、包裹保鲜膜等等，同时在保鲜膜外侧分段灌注石膏，这才将脆弱的象牙清理出土。文保人员随后采用有机硅将出土的40余根象牙暂时封存，使象牙与外部环境隔绝，总算避免了象牙的毁坏。
这些封存在硅胶中的象牙至今已有20载。记者去年在金沙遗址博物馆考察时发现，硅胶的颜色已发生明显变化。目前，博物馆计划将象牙取出，重新进行有机硅灌装，同时对原有硅胶成分进行研究，重新评估这种保护方法的安全性。
△有机硅封存的象牙，陈列于金沙遗址博物馆（摄影：李鹏）
近年来，各种有机高分子材料在文物表面封护、文物加固、粘接等方面，都有广泛的应用。例如，环氧树脂因具有优良的防水性和安定性能，能够较好地阻止水和盐类对石质文物的破坏，常被用作石质文物的保护材料。
在本次的发掘中，考古人员对露出发掘层的象牙首先进行了保湿处理，避免其迅速开裂，再利用高分子材料对象牙的结构进行加固，随后才取出象牙，并立即送往文物保护修复中心。不过，如今采用的有机高分子材料也不能一劳永逸地保护古蜀象牙，业界期待着相关新材料技术的发展升级来应对这一难题。
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本次发掘是我国科技考古能力的集中体现
2021年是中国考古学诞生100周年，在三星堆开展的考古实践和探索，是当前我国科技考古能力的一个集中体现。本次发掘工作涉及到了文物保护技术、体质人类学、动物学、环境学、冶金学、地质学、化学、材料学等等多种学科，共有30多家国内的科研机构和高校参与。多学科、多机构的专业团队支撑，为这次科技考古提供了充分的保障。
不过赵志军等研究人员认为，三星堆的这次考古发掘，主要采用的依旧是田野考古中已经十分成熟的技术和手段。
目前，三星堆遗址的发掘只完成了“冰山一角”。从1934年开展首次考古发掘以来，三星堆遗址已有正式发掘共37次，总共的发掘面积不到2万平方米，而三星堆遗址总的分布面积达12平方公里，目前发掘面积仅占总面积的2‰。