庙底沟遗址出土仰韶文化彩陶的科学研究

庙底沟遗址出土仰韶文化彩陶的科学研究

赵灵委1, 2， 陈海龙3， 赵虹霞1， 董俊卿1， 李青会1*

1. 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心， 上海 201800 2. 中国科学院大学光学精密机械研究所， 北京 100049 3. 深圳大学光电工程学院， 广东 深圳 518060

摘要：彩陶文化作为新石器时期的重大发明， 改变了远古先民的审美方式， 而著名的仰韶文化以其彩陶的优美造型、绚丽色彩和丰富的纹饰揭示了原始的艺术特征， 承载了史前时期重要的社会文化信息。而利用现代光谱分析技术准确、 无损和微损的特点， 可以为文物保护的研究提供更科学的技术支撑。研究应用相位辅助光学三维扫描、多光谱成像、X射线荧光、激光拉曼光谱分析技术， 对河南省陕县庙底沟遗址出土的新石器时代晚期仰韶文化彩陶碗进行面、点相结合的综合分析， 获得了较为完整的文物物理和化学信息。利用三维扫描技术所构建的彩陶碗数字化模型对样品进行了几何尺寸的非接触测量和虚拟修复， 利用多光谱成像技术所获得的灰度图像对样品表面化学特征相似区域进行了区分， 结合X射线荧光和激光拉曼光谱分析技术对彩陶残片的分析结果， 确定了所分析彩陶样品的主要化学成分特征和颜料物相组成。综合研究结果， 提出了建立彩陶文物多源信息数字化模型的构想， 为这类文物的数字化保护和展示提供了基础科学信息。

关键词：彩陶；三维扫描；多光谱成像；激光拉曼光谱；文物保护

引言

仰韶文化是黄河中游地区一支重要的新石器时代晚期文化， 是中国田野考古最早发现和确认的新石器时代文化， 在中国考古学研究中具有相当重要的地位， 它以陕西、 河南、 山西为中心， 影响远至甘肃、 青海、 湖北、 河北和内蒙古边缘地区[1]。河南陕县庙底沟遗址是仰韶文化的一个典型遗址， 庙底沟遗址内包括仰韶文化遗存(仰韶文化庙底沟类型)和仰韶文化向龙山文化过渡时期的遗存(庙底沟二期文化)。庙底沟仰韶文化遗址， 面积约24万m2， 出土陶器等文化遗物十分丰富， 彩陶曲腹盆、 双唇口尖底瓶、 鼓腹罐、 釜、 灶为代表的陶器群具有明显特征， 是仰韶文化繁荣时期的代表遗址[2]。庙底沟遗址的发现， 为研究仰韶文化与龙山文化的年代早晚及源流关系提供了重要的实物例证。鉴于仰韶文化广泛的分布范围、 丰富的内涵和明显的区域特征， 学术界甚至提出仰韶文化群， 将半坡、 庙底沟和西王村文化称为三个前后相续的典型仰韶文化， 代表了仰韶文化早、 中、 晚三个发展阶段， 分别距今6700～5900年、 5900～5300年、 5300～4800年。整个仰韶文化最显著的文化特征是彩陶， 一度有“彩陶文化”之称[1]。仰韶文化等彩陶文化， 以黄土高原为基础， 本质上是“黄土的儿女”所创造的一种旱作农业文化。在“丝绸之路”之前， 彩陶是早期中西文化交流的重要载体， 韩建业指出“彩陶之路”是早期中西文化交流的首要通道， 是以彩陶为代表的早期中国文化以陕甘地区为根基自东向西拓展传播之路， 也包括顺此通道西方文化的反向渗透， 对中西方文明的形成和发展都产生过重要影响[3]。

加强对彩陶的研究， 有助于探讨早期中西文化交流， 以往通过传统对彩陶的图案纹饰[4-6]、 纹饰分期[7]、 文化内涵、 艺术风格、 分布范围[8-9]、 文化传播[7]、 制作工艺[10]、 量化研究[11]等， 但科技分析相对较少， 主要涉及彩陶的颜料种类、 胎体形貌和物相等[12-14]， 多偏重于微观特征， 且仰韶文化彩陶的科技研究更少。本工作拟采用相位辅助光学三维扫描、 多光谱成像、 X射线荧光和激光拉曼光谱分析技术， 以庙底沟仰韶文化彩陶为例， 对其进行多角度分析， 探索建立彩陶文物多源信息数字化模型， 为这类文物的数字化保护和展示提供了基础科学信息。

1 实验部分

1.1 样品

研究采用的样品出土于河南省三门峡市陕县庙底沟遗址， 时代为新石器时代晚期的仰韶文化(公元前3900年—公元前2780年)， 样品包括3件较为完整的彩陶碗和6件器物残片， 均由河南省文物考古研究院提供。样品信息如表1所示, 部分样品的照片如图1所示。

Table 1 The painted pottery samples of the YangshaoCulture from the Miao-Di-Gou site

图1 样品照片

Fig.1 Photographs of samples

1.2 仪器及实验方法

实验中用到的器材有相位辅助光学三维数字化仪、 自主搭建的多光谱成像系统、 X射线荧光光谱仪、 共焦激光拉曼光谱仪。

表1 庙底沟遗址出土仰韶文化彩陶样品信息表

(1)相位辅助光学三维数字化仪

三维成像系统与建模系统硬件结构由：投影发生器、 相机、 投影采集同步控制组成。硬件系统参数：单色CCD相机(PointGrayGrasshopper 50S5M， 相机接口 IEEE 1394B, 分辨率2 448×2 048)， 镜头(Fijinon 5M 12 mm)， DLP原理投影仪(LG HX300G-JE， 分辨率1 024×768)、 基于FPGA的同步控制系统、 可控式旋转载物台等。可对10～50 cm的物体三维成像与建模， 成像精度0.1 mm， 时间小于45 s。

(2) 自主搭建的多光谱成像系统[15]

主要部件有CCD(日本 Bitran公司， BU-56DUV， 响应波段为200～1 000 nm)、 定焦镜头(德国 JENOPTIK Optical Systems 公司， 60 mm UV-VIS-IR APO Macro)、 滤波轮(配有6个滤波片安装孔)， 半峰全宽均在10 nm左右的6枚窄带滤光片(美国 Andover公司)、 另有定标白板、 照明光源、 三脚架等组件， 并配合采用自主开发的多光谱实时采集及处理软件(Y_UV_VIS_IR_C56AplV2.0) 进行采集控制和后期数据处理。

(3) OURSTEX 100FA高性能便携式能量色散型X射线荧光光谱分析仪(pXRF)

仪器配置金属钯(Pd)为X射线源， 50WX射线源， 焦斑直径2.5 mm。设备由探测器单元、 高压单元、 控制单元和数据处理单元(PC)四部分组成。仪器相关参数及定量分析方法参阅文献[16]

(4) LabRAMXploRA便携式激光共焦拉曼光谱仪(LRS)

仪器内置了532和785 nm的高稳定固定激光器以及相应的滤光片组件， 可以全自动切换波长并通过计算机软件控制激光功率的衰减程度。同时配有高稳定性研究级显微镜物镜包括10×， LWD50×和100×。采用针孔共焦技术， 与100×物镜配合， 空间分辨率横向1 μm， 纵向2 μm， 选用532 nm时光谱范围为70～4 000 cm-1， 785 nm时光谱范围为150～3 100 cm-1， 光谱分辨率≤2 cm-1， 光谱重复率≤0.2 cm-1[17]。

2 结果与讨论

2.1 三维扫描成像结果分析

三维激光扫描是集光、 机、 电和计算机于一体的高新技术， 具有扫面精度高、 收集信息快速准确、 无接触等优点， 在文物保护行业已经得到越来越多的应用[18]。利用三维激光扫描设备获取新石器时代晚期的仰韶文化彩陶碗的三维点云数据， 再将点云数据导入GeomagicStudio软件中， 进行删除冗余点云数据、 去噪、 平滑等一系列操作， 得到彩陶碗的三维数字化重建模型和剖面图， 如图2和图3所示， 将实物进行虚拟展示， 再现彩陶碗的表面纹理信息和形状外观。同时通过测量点之间的空间距离获得彩陶的高度和口径大小，如图4所示， 首先在样品MDG-1的三维数字模型碗口所在平面选定两个点， 获得两点之间的坐标， 其两点X值的绝对值之和就是碗口的直径， 如图4(a)所示。在选点过程中， 为了保证测量数据的准确性， 控制其Y值在零点位置。经过测量得到样品MDG-1的碗口直径是139.3 mm， 而高度值就是图4(b)中两点的Z值绝对值之和， 结果为63.4 mm。

图2 彩陶样品的三维数字模型

Fig.2 Three dimensional digital model of painted pottery sample

图3 彩陶样品的剖面图

Fig.3 The profile of painted pottery sample

图4 彩陶样品MDG-1的测量示意图(a): MDG-1样品口径测量；(b): MDG-1样品高度测量

Fig.4 The Survey chart ofpainted pottery sample MDG-1(a): Measurement of MDG-1’s caliber; (b): Measurement of MDG-1’s height

而通过数字雕刻和绘画软件ZBrush将彩陶碗三维数字化重建模型进行UV展开， 如图5(a)所示， 不仅得到其表面清晰的纹理贴图， 将表面的受损程度和石膏修复的区域也展示的一览无余。最重要的是后期人工修补的区域已经缺失了纹理信息， 而通过该软件可以根据现有实物照片进行虚拟修复， 使修补后的数字图像和表面的纹饰达到原图的视觉效果， 如图5(b)所示。

图5 彩陶纹饰的修复图(a): 彩陶碗的UV展开；(b): 彩陶碗的虚拟修复

Fig.5 The repair of painted pottery decoration(a): UV expansion of the painted pottery bowl; (b): Virtual repair of the painted pottery bowl

2.2 多光谱分析

利用多光谱灰度成像对彩陶碗进行面分析， 区分彩陶碗表面的图案显色差异， 为下一步LRS的点分析起到初步的筛选， 确保信息的完整性。同时将彩陶碗与其材质相似的残片进行多光谱成像对比， 得到不同区域的反射率谱线图， 如图10所示， 同一区域的反射率谱线虽然存在差异， 但变化趋势基本相同， 说明样品间的物相组成存在某种相似性[21]， 因此可以利用pXRF和LRS具体分析残片的主要化学成分特征和颜料物相组成来确定彩陶碗的成分组成。

对610， 700和850 nm处采集到的彩陶碗表面进行整体区分和归纳， 并计算分区的可见-近红外发射率谱线， 从不同波段的彩陶碗灰度图像和反射率谱线可以得出：彩陶样品表面洁净且颜色层次分明， 同色物质的光谱响应近似， 将彩绘和陶衣区域鲜明区分(图6—图8)。从不同彩陶碗的彩绘区域反射率谱线(见图9)发现， 样品MDG-1的彩绘区反射率比样品MDG-4和MDG-7的大， 因此灰度图像中样品MDG-4和MDG-7的彩绘深度较黑， 吸收率大， 但三件样品在不同波段的变化呈现相同的趋势， 推测样品的彩绘区颜料成分组成可能存在某种相似性。而在不同波段的样品陶衣反射率谱线得出：样品MDG-4的陶衣颜料反射率都明显高于其他两件样品， 样品MDG-1次之， 样品MDG-7陶衣反射率最低， 从灰度图像中也可以验证这种差异。但样品的釉面反射率谱线变化趋势相同， 可以推测出釉面的呈色物相也存在某种相似性。

图6 样品在610 nm波段的反射光谱灰度图像

Fig.6 Gray-scale image of the samples at 610 nm

图7 样品在700 nm波段的反射光谱灰度图像

Fig.7 Gray-scale image of the samples at 700 nm

图8 样品在850 nm波段的反射光谱灰度图像

Fig.8 Gray-scale image of the samples at 850 nm

图9 样品的反射率谱线(a): 样品陶衣区；(b): 样品彩绘区

Fig.9 Reflectance spectra of the sample(a): Pottery coating; (b): Coloured drawing

图10 反射率谱线对比(a): MDG-1与其残片；(b): MDG-4与其残片；(c): MDG-7与其残片

Fig.10 The comparison of Reflectance spectra(a): Between MDG-1 and fragments;(b): Between MDG-4 and fragments;(c): Between MDG-7 and fragments

表2 彩陶样品化学成分分析结果(Wt%)

Table 2 The results of chemical compositions of paintedpottery samples (Wt%)

注：“N.D”表示此种组分含量低于本方法的检出限而无法检测到。

图11 样品的拉曼光谱(a): 锐钛矿；(b): 石英；(c): 赤铁矿；(d): 黑锰矿

Fig.11 Roman spectra of samples(a): Analase; (b): Quartz; (c): Hematite; (d): Hausmannite

2.3 X射线荧光光谱和拉曼激光光谱检测结果分析

首先利用pXRF对彩陶碎片的分区进行化学成分测试分析， 获得样品分区的主要化学元素含量， 初步推测出各个部位的显色元素见表2。从表2可以发现， 彩陶的彩绘区Fe2O3和MnO含量很高， Fe2O3质量分数达到12%～16%， MnO质量分数达到2%～10%， 初步推测黑色显色元素为Fe和Mn。陶衣区以SiO2， Al2O3， CaO为主， SiO2质量分数为45%～60%， Al2O3质量分数为7%～20%， CaO质量分数为3%～10%， 而显色元素Fe的质量分数为6%～7%。通过pXRF获得不同区域化学元素成分后进一步采用LRS进行详细分析各区域的颜料物相组成。

通过LRS检测结果发现， 样品MDG-2的彩绘区域黑色显色物质有赤铁矿(Fe2O3， 212， 287， 389， 583 cm-1)[20]、 黑锰矿(Mn3O4， 665 cm-1)[21]、 无定形碳(C， 1 307， 1 571 cm-1)[22]， 而彩绘的化学成分分析中Fe2O3和Mn3O4含量分别达到12.33%和1.14%， 验证了拉曼的结果。在胎体区域发现了锐钛矿(TiO2， 149， 198， 377， 625 cm-1)[23]和石英(SiO2， 136， 196， 458 cm-1)的存在， 如图11所示。

表3 彩陶样品的主要拉曼峰以及物相组成

Table 3 The number and The phase composition of the paintedpottery samples

样品MDG-3的彩绘区域(见图11)检测到了赤铁矿(Fe2O3， 216， 254， 307， 412， 492， 616 cm-1)[20]、 黑锰矿(Mn3O4， 660 cm-1)[21]和无定形碳(C， 1 350, 1 578 cm-1)[22]， 说明彩绘颜料的显色物质是赤铁矿， 黑锰矿和无定形碳组成。在pXRF的检测数据中发现， 样品MDG-3的彩绘区域Mn元素的含量比其他区域高的多， 达到10.40 Wt%， 而LRS检测中也发现了黑锰矿(Mn3O4， 309， 364， 654 cm-1)[21]的存在， 如图11(d)所示。样品MDG-3在1 004 cm-1处出现了很强的拉曼峰， 如图11(c)所示， 根据文献[24]， 1 004 cm-1强拉曼峰与硬石膏(CaSO4) 的[SO4]2-基团的振动峰吻合， 说明彩陶中含有少量硬石膏， 而硬石膏的混入也冲淡了彩陶的颜色。在胎体中还检测到了锐钛矿(TiO2， 149， 198， 387， 503， 623 cm-1)[23]和石英(SiO2， 124， 139， 200， 392， 450 cm-1)的存在。样品MDG-9中也检测到含有较高的CaO(10.02%)， 同时拉曼光谱也检测到硬石膏的特征拉曼峰(表3)。

其余四件残片样品中彩绘区也发现了赤铁矿(Fe2O3, 212～224, 280～286, 387～408, 452～503, 589～603 cm-1), 黑锰矿(Mn3O4, 662～667 cm-1)和无定形碳(C, 1 332～1 340, 1 581～1 591 cm-1)的峰， 胎体区存在石英(SiO2， 106～124, 192～200, 250～258, 454～460 cm-1)和锐钛矿(TiO2， 143, 194～198, 381～390, 628～630 cm-1)， 具体物相见表3所示。

根据以上的分析结果， 总结了彩陶碎片样品的物相组成见表3所示。彩绘的黑色颜料是赤铁矿和黑锰矿， 还掺有石墨碳颗粒。陶衣区域显色元素是Fe， 同时检测到了锐钛矿， 据文献可知赤铁矿(α-Fe2O3, Hematite)是三方晶系， 晶体结构属刚玉型。一般与磁铁矿、 尖晶石、 铁钛矿、 金红石等定向连生， 有时含TiO2， SiO2和Al2O3等杂质成分[25]， 检测到的白色颗粒是硬石膏， 而硬石膏的掺入导致彩陶的黑彩颜色变浅。

3 结 论

通过以上综合分析的结果， 获得了彩陶碗的三维数字化模型附加其几何尺寸信息， 并将模型进行UV展开获得其表面的纹理贴图， 对受损区域进行了虚拟修复， 为文物的修复， 残缺纹饰虚拟展示和还原提供科学依据。同时通过多光谱的面分析对彩陶碗表面特征进行了区分和归纳， 推测不同彩陶碗之间颜料组成存在相似性后， 对颜料组成相似的区域进一步采用pXRF和LRS相结合的科学分析确定了彩陶碗不同区域的显色物相， 实验显示彩绘区黑色显色物相是赤铁矿和黑锰矿， 还掺有无定形碳颗粒， 陶衣区域的显色元素是Fe元素， 还含有一定量的锐钛矿， 同时检测到部分彩陶的彩绘区域还掺有少量的硬石膏。最终经科技分析， 初步构建了一个具有彩陶碗物理和化学信息的多源信息数字化模型， 如图12所示。该数字化模型综合了样品彩绘和陶衣区的多光谱灰度图像， 反射率曲线， pXRF元素定性分析图， LRS物相图， 显微图像， 几何尺寸信息， 揭示了彩陶碗的灰度图像， 元素组成， 物相组成和几何大小， 为这类文物的数字化保护和展示提供基础科学信息， 有望为文物的共享， 传播提供便利。

图12 样品的多源信息数字化模型

Fig.12 Digital model of multi-source informationof sample

References

致谢： 感谢河南省文物考古研究院樊温泉， 胡永庆研究员， 深圳市易尚展示股份有限公司以及深圳大学光电工程学院刘晓利教授在实验过程中的帮助。

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基金项目： 国家自然科学基金项目(11374314和51402326)资助