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考古发掘现场脆弱文物新型临时固型保护技术及应用
2020年04月10日 13:16 来源:《中国文物报》2020年3月13日第5版 作者:容波 等 字号

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  ▲2019年度国家奖励证书(左);

  2020年元月人民大会堂参加授奖大会(中);

  2019年度国家奖励证书(右)

  考古发掘现场脆弱文物与遗迹众多,将其完整、安全、有效地提取到实验室进行永久保护,不但是考古发掘现场保护亟待解决的问题,也是濒危文物抢救、中华文化遗产保护的重大需求和任务。

  而在考古现场,随着发掘工作的进展,文物遗迹所处的环境瞬间发生了巨大变化,温度、湿度、光照、氧气等环境因素作用,使得文物迅速因失水、收缩、开裂以及变色而产生破坏。由于出土现场临时固型材料介入程度不足,某些珍贵脆弱的文物遗迹在现场得不到及时保护,常常出现文物遗迹一经发掘出土即遭损毁的现象,导致珍贵完整的考古信息丢失或脆弱遗迹信息提取不全。

  1 既有脆弱性遗迹提取技术的局限

  目前脆弱性遗迹提取工作还未有成熟的技术方法,现有保护工作均属应急性、抢救性工作。传统的办法用石膏套箱加固提取,但石膏加固遗迹用量大,固化过程持续散热,加固遗迹后难以去除;环十二烷也于1998年开始应用于考古发掘现场遗迹临时加固和提取,但其价格昂贵,具有生物富集性,造成持久性危害;安全性未知,使用起来有潜在的危险。因此寻找更安全、更有效,且性能优于环十二烷的临时固型材料,是我们现场保护需要解决的问题。

  2 新型临时固型材料——

  薄荷醇及其衍生物的研制应用

  项目研究团队在“十二五”国家科技支撑计划及国家重点基础研究发展计划等重点课题的支持下,率先提出绿色安全、可控去除、临时固型材料设计原则,在对100余种候选材料学习的基础上,建立了材料构效关系数学模型,通过模型预测了3000余种新型拟选材料,构建了临时固型拟选材料数据库,从中选择了8种材料进行评价,综合材料的可行性、安全性、可控挥发性以及性价比等因素,首次研制出具有不同温度、不同挥发速度、不同渗透深度、不同亲水性的系列临时固型材料——薄荷醇及其衍生物;创新了多种不同的固型技术(涂刷、喷雾、微注射、蒸汽)以及辅助加热与降温方法,满足了我国广大地区不同季节提取脆弱性文物的迫切需求;利用薄荷醇及其衍生物成功提取了多种材质文物(彩绘遗迹、纸张、漆木器、壁画、棺板、骨骼、麻织物等)以及动物化石。

  3 薄荷醇的优势

  天然薄荷醇来源于植物薄荷和欧薄荷中的挥发油,也可通过化学合成而得。它主要作为一种调料或芳香剂,广泛应用于非处方药(如:咳嗽糖浆、滴鼻剂、止痒润肤剂、局部麻醉药、镇痛膏等)、日用品(如:牙膏、漱口水、呼吸清新剂、剃须产品、皮肤及头发的护理液等)、香烟、酒类、饮料、糖果、口香糖等。目前市售的薄荷醇通常是由薄荷的茎叶经过水蒸气蒸馏提纯得到,是无色针状或粒状结晶。早在两千年前,薄荷就被用来入药,具有止痒、止痛、安定皮肤的作用;薄荷醇还可用作牙膏、香水、饮料和糖果等的赋香剂。作为药物和食品添加剂,薄荷醇的毒理毒性数据健全,在规定日常接触剂量范围内(日摄入量 0~ 0.2mg/kg)被认为是无毒无害的。2012年之前,中国一直是全球最大的薄荷种植国,薄荷油、薄荷醇产销量和出口量约占当时国际市场的50%。由于薄荷醇常温下有挥发性,凝固时具有范德华力,在室温状态下可自行去除,符合文物形貌原状处理、最小干预、可再处理等文物保护修复原则,诸多优势是我们青睐它作为新型考古发掘现场临时固型材料。

  临时固型提取技术工艺

  薄荷醇提取脆弱遗迹时,首先对该遗迹进行清理,对于脆弱的表面彩绘,边清理边加固。可用毛笔涂刷或小喷瓶雾化喷洒加固剂,加固处理中密切关注遗迹外观是否处于稳定状态。每次喷洒完毕,用塑料薄膜盖住遗迹,尽量减少因蒸发引起的遗迹干燥。预加固后,寻找最佳清理分割范围,避免对周围遗迹造成破坏。再用棉制纱布平铺于遗迹表面,整体包裹,脆弱部位在外围用捆扎带捆绑。用加热器将薄荷醇水浴加热,直至完全融化,加热熔融过程薄荷醇易挥发,操作时戴上口罩及防护眼镜,再用毛刷蘸取融化的薄荷醇溶液刷在遗迹表面的纱布里,注意裂缝的部位多涂刷。涂刷应尽量快且表面均匀,加固后切割遗迹,将遗迹提离地面,在底部插入金属板,手托铁板使遗迹离开地面,转移离开发掘现场。

  ▲临时固型提取保护技术工艺流程示意图

  提取工艺可总结为:

  01

  提取前的准备工作。提取前详细记录原始信息,使用拍照、绘图、信息描述、档案记录等措施。拍整体照片时,在文物旁放置比例尺,拍照还要细化至各细节、局部,多拍照片,尽可能让影像资料更全面,并在坐标纸上绘制文物线图。信息描述要尽可能详细,包括出土遗迹的尺寸、坐标、地理位置、材质判断、彩绘信息、病害情况、初步保护建议等,后期再补充填写档案,作为遗迹的“身份证”,保留存档。

  02

  采集样品。加固、提取遗迹前,采集原始样品,采集的样品要全面,包括泥土、污染物、彩绘颜料、遗迹本身及其它残留物,并贴上标签,填写编号与样品信息。

  03

  遗迹表面及浮尘、浮土、污染物的清理。用毛刷、竹片或手术刀等工具,初步清理露出遗迹大致轮廓,珍贵遗迹细部清理,确定遗迹边缘,并使整个遗迹置于土台基上。

  04

  遗迹预加固处理。针对材质疏松、脆弱、严重糟朽的遗迹,采取渗透加固的方法,少量多次滴渗于遗迹表面。

  05

  勘查确定遗迹提取范围及是否分割提取。体型较小、形状规则的遗迹可整体提取;形状不规则的遗迹,沿着遗迹裂隙处分块提取,分割时再次小心谨慎预加固,避免新的损坏。

  06

  医用纱布包裹遗迹。把纱布裁剪成条状(可根据需要裁剪其它形状),充分将遗迹缠绕、包裹在遗迹表面。

  07

  涂刷薄荷醇。薄荷醇采取水浴加热的方式,在大烧杯(1000毫升)里装三分之二的固体薄荷醇,置于水浴锅内,整个放在电磁炉上缓慢加热,烧杯中的固体薄荷醇完全熔化成透明状液体后,使用毛刷沾取适量液体涂刷在纱布包裹的遗迹表面,薄荷醇熔融液很快会渗进遗迹。

  08

  提取遗迹。待薄荷醇熔融液凝固后,用钢板插入遗迹土台基的底部实施提取。

  09

  遗迹存放。提取好的遗迹放至室内通风处,薄荷醇升华后实施保护修复处理。

  临时固型提取保护研究成果提出的同时,我们在秦始皇帝陵博物院一号坑、河南信阳城阳城、江西南昌海昏侯、南海一号等重要考古发掘工地应用实施,取得了良好的示范效果。

  案例1 秦俑一号坑出土T23:

  G11:0023号弓弩遗迹的提取

  ▲弓弩遗迹出土现场

  T23:G11:0023号弓弩遗迹发掘于秦俑一号坑23探方11过洞,遗迹保存完整,但分布环境十分复杂,遗迹右弓中间压于G11:32号俑前身衣袍处,并且该部位是整个遗迹最为薄弱的部位,最薄处连带土壤仅有1厘米左右,紧紧贴附在G11:32号俑双腿处。该遗迹东临G11:0072箭束,北临G11:39踏板,南临G11Q1009立柱,弩臂末端临G11:0071矢箙。

  ▲弓弩遗迹提取中

  ▲弓弩遗迹修复后

  该弩保存状况良好,形制完整,弓弧长145厘米,直线距离135厘米,弦通长130厘米,弓与弦及周围包裹土宽约20厘米,弩臂长78厘米,宽8厘米。弓弦通体光滑圆润,材质疑似动物筋。弓弩两端撑木上分别有3个小孔,孔径6毫米,撑木上可见红褐色朽迹。弩臂底端保留有青铜扣机,已完全锈蚀,开关处有较大凹陷,并且弩臂薄厚不一,很容易发生断裂。弩臂中间底部穿插有硬物,推断为残碎陶片。弓弩材质通体糟朽严重,整个遗迹布满细小裂纹,也有几处较大裂隙,结构十分脆弱,但整个遗迹形状、轮廓较为清晰完整,在一号坑出土文物中较为罕见。由于此弓弩遗迹出土现状比较复杂,处于残断的兵俑之间,土体内包含有陶俑残块,部分隐约已露出,下压陶俑战袍,整体倾斜变形,表面疏松,裂隙众多,各部位薄厚不一,再加上弓弩本身呈“T”型,结构复杂,提取难度非常大。

  ▲提取前弓弩遗迹局部

  为避免遗迹重力分布不均造成断裂和崩塌,从中间弩臂划分,左右弓弧切割分离,右边弓弩的尖端与中间最薄处分割,弩臂凹陷处分割,把扣机处与青铜部件单独分离出。基于前期的勘查,设计出弓弩遗迹提取方案:在不触及弓弩本体的情况下清理周围泥土,以便加固材料的渗透;使用医用纱布轻轻包裹覆盖在弓弩遗迹表面,薄荷醇熔融液涂刷在遗迹表面;待凝固后沿弩臂左侧切割弓的左半部分为一块;右半部分切割为两块;弩臂从包含弩机变形部分切割为两块;依次按顺序用有机玻璃板从遗迹土块下面插进,平缓抬取出每块遗迹,运送至修复室。由于施加薄荷醇的量较多,自然温度下升华较为缓慢,持续5个月后完全挥发,揭取表面的纱布,可以看到遗迹保存十分完好,在修复室内进行清理、拼对、粘接等后续修复工作。

  ▲环十二烷喷罐(左)和薄荷醇喷罐(右)

  在此提取中我们自行研制了薄荷醇喷罐。如同打开的香水瓶,手指按压稍给予压力,从阀门可以喷出薄荷醇熔融液,操作非常简单。与环十二烷喷灌相比,自行研制的薄荷醇按压喷罐阀门不容易堵塞,使得薄荷醇喷罐提取效果优于环十二烷喷罐。

  ▲考古现场脆弱文物提取工具箱

  根据多处考古工地的实际需求,我们配置了考古现场脆弱文物提取的工具箱。工具箱内集成了薄荷醇,加热工具,纱布,铲刀,防护面具,手套,采样用品等。工具箱整体较小,重量较轻,方便考古人员和现场文物保护工作者快速移动,并且不需要电、火就可以加热薄荷醇,特别适合野外条件艰苦地区使用。

  案例2 “南海Ⅰ号”木质

  古沉船木板提取保护

  ▲“南海Ⅰ号”的发掘现场(船尾)

  在干燥或半干燥的考古发掘现场,薄荷醇在提取脆弱文物时比较安全有效。相较于环十二烷、香豆素、乙基麦芽酚等临时固型材料,薄荷醇具有较好的亲水性、较高的渗透深度及较强的提取能力,我们运用薄荷醇在潮湿考古发掘现场实施了脆弱文物的临时固型和提取,在钟家港古河道遗址发掘提取中,用薄荷醇进行饱水编织物提取的小实验,随后我们又在南海一号对沉船木板提取保护。

  ▲待提取隔仓板保存状况

  (左:遗存的相对位置;右:局部图疏松和开裂)

  ▲隔仓板的整体提取 (左上:边缘清理与剥离;右上:插板提取支撑;下:整体提取后状态)

  在“南海Ⅰ号”木质古沉船保护现场,船体作为“南海Ⅰ号”出水文物载体,既是最重要的文物,也是亟需保护的对象。沉船木质结构遭受海水侵蚀,含水量极高,强度极低,非常糟朽,现场保护难度极大。为确保出水木质船体的原有形态,避免船体收缩和变形,尽可能提高糟朽饱水船体构件的强度,快速、高效、安全地将沉船上的木质文物及时提取转移到室内,是“南海Ⅰ号”沉船发掘现场的迫切需求。

  ▲隔仓板加固提取前处理

  (左:纸浆吸湿;右:纸浆吸湿后局部)

  针对待提取木质隔舱板的状况和现场工作条件,我们设计了基于薄荷醇技术的沉船木板现场加固提取工艺,采用纸浆贴敷在隔仓板上吸湿,用手轻轻按压,明水吸附后揭去表面敷纸,再使用热风机进一步降低隔仓板表面的水分,同时增加隔仓板表面温度,控制隔仓板表面没有明水,达到接近半干状态即可,防止木板失水过多造成开裂或变形。

  ▲薄荷醇加固两次后的隔仓板状态

  发掘现场条件有限,操作空间非常狭小,周围是强度极低的饱水木质文物,无法加热工具,因此使用简易的自加热装置融化薄荷醇。将纱布裁剪成比提取木板略大的尺寸,平铺在木板上,注意使纱布尽可能与木板完全贴合。然后用软刷快速的将薄荷醇融体涂刷上去,在刷的过程中,先从木板中间位置开始,逐渐向周边进行,第一遍涂刷完成后,再铺第二层纱布,用同样的方法将二次涂刷薄荷醇。对于极度脆弱的部位反复多刷一些。根据隔仓板的大小制作一块托板,对隔仓板周围的附着物进行清理,将隔仓板与周围遗存分离开。用铲子将隔仓板周围的淤泥和凝结物清除,清理后将托板从隔仓板的侧边慢慢插入,用力往里面深入,缓缓将隔仓板托起来。将提取出来的隔仓板转移到修复室。

  ▲薄荷醇脱除过程

  (上:揭取纱布;下:薄荷醇去除后局部形貌)

  修复实施前将提取出的隔仓板放置于清洗槽中,用浓度为30%乙醇溶液浸泡,持续浸泡后,隔仓板内的薄荷醇大部分已溶解进入乙醇溶液里,用盛有乙醇溶液的喷壶冲洗纱布,慢慢将纱布揭取下来,去除薄荷醇后的隔仓板和发掘现场出水时的形貌状态一致。至此,采用薄荷醇临时固型技术将糟朽饱水隔仓板安全提取回实验室,继续后续保护修复。这是首次关于薄荷醇用于高度潮湿环境考古出水脆弱质遗存保护完整过程的案例,为薄荷醇临时固型提取保护技术提供了良好的操作范例。

  技术总结与展望

  考古发掘现场脆弱遗迹的提取是保证文物后期修复与保护至关重要的一步。遗迹提取的成功与否,对文物的实验室保护是否会产生影响,与提取材料的使用有着直接关系。对考古发掘现场临时固型材料的选择,应遵循文物保护的基本原则,加固材料应满足要求。就目前而言,薄荷醇及其衍生物性能安全、成本低、环境友好、可有效地控制提取工作的节奏,因此在脆弱遗迹及文物的提取中优势明显。

  项目研究团队深入探索了多种形态的薄荷醇及其衍生物在提取文物方面的可行性、安全性及可控去除性,研究了脆弱文物临时加固提取技术、加固材料可控去除技术、加固材料对文物、环境、人体的安全性评价等,优化确定了临时加固提取工艺技术与标准,获得了多项国内外领先的创新性研究成果,并积极地将科研成果推广应用于多种不同材质脆弱文物及遗迹的提取与保护实践中,获得了文保单位的广泛好评,为考古发掘现场文物及遗迹的临时加固提取及后续的有效保护奠定了良好的基础,大大缩短了脆弱文物的提取速度,缓解了环境敏感性文物因长时间暴露于环境中产生的破坏,减少了传统方法(石膏提取、聚氨酯泡沫提取法、环十二烷等方法)提取文物时对文物的污染与损坏,有助于文物临时加固提取技术由被动的抢救性应急保护向主动的预防性科技保护转变,大大提升了我国考古发掘现场文物保护的科学技术水平,为我国考古发掘现场脆弱文物的保护提供了强有力的科学技术支撑。

  ▲2019年国家科技奖视频答辩照片

  该项成果获得了国内外考古领域专家的好评;成功提取保护脆弱性文物以及珍稀的恐龙、翼龙化石68处,现场抢救保护修复了大量珍贵文物;入选为耶鲁大学“文化遗产可持续保护”教科书案例。2016年获“‘十二五’文物保护科学和技术创新奖一等奖”;2019年获国家科学技术进步奖二等奖。

 

  (容波 韩向娜 罗宏杰)

作者简介

姓名:容波 等 工作单位:

转载请注明来源:中国社会科学网 (责编:齐泽垚)
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