顯微CT技術(shù)用于隋唐禮冠腐蝕飾件的結(jié)構(gòu)研究

杜靜楠，楊軍昌，2，3，盧艷平

[1. 西北工業(yè)大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院，陜西西安 710072； 2. 西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西西安 710072；3. “一帶一路”文化遺產(chǎn)科技保護(hù)國際聯(lián)合研究中心(西北工業(yè)大學(xué))，陜西西安 710072；4. 重慶真測科技股份有限公司，重慶 401332]

0 引 言

隋唐命婦禮冠是一類特殊的文物，從時(shí)代和制度的角度來說，它們有總結(jié)前朝女性冠飾形制，并影響后世制度制定的承上啟下的特性，讓女性冠飾和男性冠飾一樣具有了“名貴賤，等秩序”的作用[1-2]。這些冠飾都是該時(shí)貴族婦女所佩戴的，出土實(shí)物和圖像資料較少，因此出土文物珍貴，有損分析雖有開展[3-4]但數(shù)量不多，現(xiàn)有研究成果主要基于無損的宏觀與顯微觀察，或是利用無損的成分分析手段取得[5-11]。隋唐禮冠由不同材質(zhì)的飾件組合而成，且組成禮冠飾件構(gòu)件的尺寸小、工藝多樣，比如隋煬帝蕭后冠、西安昆侖公司發(fā)現(xiàn)的隋末唐初M2出土禮冠、唐閻識微夫婦墓出土裴氏冠等。筆者所在團(tuán)隊(duì)在對這些冠飾開展保護(hù)修復(fù)研究的過程中發(fā)現(xiàn)，這些禮冠飾件大多保存狀況較差、劣化嚴(yán)重，劣化產(chǎn)物與泥土的混合物覆蓋表面，影響我們對飾件的技術(shù)研究。

為了了解冠飾的內(nèi)部情況，探查冠飾內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)，獲取飾件原始結(jié)構(gòu)信息，本研究引入了顯微CT技術(shù)，亦稱為micro-CT、微焦點(diǎn)CT或者微型CT[12]、μ-CT、X射線微斷層攝影術(shù)[13]。它在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但針對文物材料的學(xué)術(shù)研究卻很少[14]，或是所用CT技術(shù)不具備顯微功能[15]。該非侵入觀察技術(shù)能逐層掃描到樣品的微觀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)一定的算法進(jìn)行三維圖像重建[16-17]，獲得內(nèi)部高分辨率的三維結(jié)構(gòu)信息。高分辨率顯微CT無疑能為珍貴文物內(nèi)部探視提供最先進(jìn)的檢測手段。

本研究以裴氏冠和昆侖M2婦女冠上的金屬飾件各一為樣品，依托重慶真測科技股份有限公司，通過X射線顯微CT技術(shù)，無損探測冠飾件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1 X射線顯微CT原理

顯微CT(micro-CT)的基本結(jié)構(gòu)由三個(gè)部分組成：X射線源、可旋轉(zhuǎn)載物臺和高分辨率探測器(圖1)。錐形X射線束由X射線源出發(fā)，穿過在載物臺上的樣品并被其部分吸收，剩余未被吸收的X射線則被高分辨率探測器收集，最終在計(jì)算機(jī)中經(jīng)由一定算法顯示出某一角度的二維圖像。X射線信號伴隨樣品的旋轉(zhuǎn)源源不斷地生成不同角度和層次的二維圖像，這些二維圖像則又通過投影和圖像重建算法再現(xiàn)為三維圖像。

圖1 顯微CT的基本結(jié)構(gòu)及成像原理圖[13]Fig.1 Basic structure and imaging principle diagram of micro-CT

與單純的X射線攝影相比，CT可以揭示更多關(guān)于樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。而micro-CT又可以提供高分辨率二維截面圖像和三維數(shù)值模型重建，micro-CT對樣品的要求主要有材質(zhì)和尺寸兩方面。由于是利用X射線對樣品進(jìn)行掃描并獲得內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)信息的，這就使得樣品的材質(zhì)必須能被X射線穿透且尺寸需符合微觀觀察的要求，密度更大的金屬物體需要更高的能量，且會(huì)導(dǎo)致分辨率方面有所下降[15，18]。相較于一般CT，micro-CT具有更高的空間分辨率，耗損更低的能量和電流，特別適合研究毫米級別內(nèi)的小體積物體[19]。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本研究的樣品為裴氏冠飾件GCG002和昆侖M2冠飾件XY-8(圖2)。裴氏冠出土于西安馬家溝，是閻識微夫人裴氏的禮冠，主要材質(zhì)為純銅鎏金[20]。昆侖M2冠飾件出土于西安昆侖公司基建時(shí)發(fā)現(xiàn)的墓葬內(nèi)，缺少墓主人信息，飾件樣品材質(zhì)基體經(jīng)表面檢測推測為鎏金純銅和黃銅[21]，鑲嵌有珍珠和鉀鈣硅酸鹽玻璃[2，22]。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品Fig.2 Experimental samples

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究使用的是型號為CD-130BX μ-CT(重慶真測科技股份有限公司)的micro-CT掃描設(shè)備，能量150 kV，電流66 μA，X射線波長在0.012～0.050 nm范圍內(nèi)，屬于硬X射線。針對裴氏冠飾件樣品的CCD探測器的空間分辨率為30.0 μm，曝光時(shí)間為500 ms，掃描角度為360°。針對昆侖冠飾件樣品的CCD探測器的空間分辨率為100.0 μm，曝光時(shí)間為800 ms，掃描角度為360°。

3 結(jié)果與討論

3.1 裴氏冠飾件GCG002

采用micro-CT掃描了GCG002的一小部分，獲得了高分辨率的內(nèi)部特征信息(圖3)，呈現(xiàn)了樣品的三個(gè)不同維度的掃描結(jié)果。這三個(gè)掃描面互相垂直，圖3d是這樣不同維度各層掃描后的擬合結(jié)果。圖3a～圖3c可見GCG002被掃描部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所顯示出的不同灰度值可在一定情況下說明材料的區(qū)別，肉眼觀察圖片可見約四種明顯不同的組織，結(jié)合以往的研究結(jié)果，樣品表面的高亮薄封層和內(nèi)部的灰色使得這個(gè)鎏金純銅飾件的鎏金層的情況可以被清楚地觀察到，根據(jù)圖片可以估測GCG002的鎏金層厚度約為40 μm，金屬粒和金屬絲的深灰色和灰色區(qū)域表明它們被嚴(yán)重腐蝕，顆粒之間與焊絲連接處為淺灰色參雜灰色的物質(zhì)，該物質(zhì)應(yīng)與基體被腐蝕的純銅材質(zhì)不同，結(jié)合以往研究，推測是焊接用的焊料，后經(jīng)有損分析，推測是銀銅焊料。整體來看可知GCG002是先焊接成一個(gè)整體再進(jìn)行鎏金的。

圖3 裴氏冠飾件GCG002的micro-CT結(jié)果Fig.3 Micro-CT results of Lady Pei’s Crown ornament GCG002

為了使結(jié)果更直觀，圖片還進(jìn)行了顏色的擬合(圖4)，雖然micro-CT不能直接確定具體材質(zhì)，但是不同的顏色能更直觀地表達(dá)出材料的區(qū)別。根據(jù)圖片和以往成分分析結(jié)果推測GCG002樣品中藍(lán)色包裹紫色的部分為鎏金層，黃色部分主要為銅的銹蝕產(chǎn)物，綠色部分為純銅，藍(lán)色與綠色混雜的部分是銀銅焊料。由于金(密度19.32 g/cm3)、銀(密度10.49 g/cm3)和銅(密度8.96 g/cm3)的密度區(qū)別明顯，同等強(qiáng)度的X射線穿透這些不同金屬的能力區(qū)別明顯，所以在之后的研究中僅通過顏色也可以對材質(zhì)做出大致的判斷。不過需要注意的是，X射線穿透力與樣品自身厚度也有關(guān)系，所測物品需注意整體的厚度差別是否過大。

圖4 裴氏冠飾件GCG002的micro-CT色彩處理結(jié)果Fig.4 Micro-CT color simulation of Lady Pei’s Crown ornament GCG002

3.2 昆侖冠飾件XY-8

本研究又對昆侖M2冠飾件XY-8進(jìn)行了micro-CT拍照(圖5)，從中可以觀察到飾件背后的支撐環(huán)也是以焊接的形式結(jié)合于飾件整體，且制作支撐環(huán)用的銅片表面不平整。除此之外也可以觀察到鎏金層和銅銹蝕，但是XY-8的銹蝕程度比GCG002的要低，基體保存狀況更好。

圖5 昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾部分micro-CT結(jié)果Fig.5 Micro-CT results of Kunlun M2 Crown ornament XY-8

為了觀察micro-CT對飾件整體的觀測能力，還對昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾整體做了CT掃描和三維重建并做以色彩擬合處理。其中圖6a是XY-8杏葉飾整體的平面圖，當(dāng)因觀測范圍放大導(dǎo)致樣品厚度差別較大且材料復(fù)合程度增加時(shí)，micro-CT的色彩擬合對材質(zhì)的區(qū)分并不明顯，更多是材質(zhì)和厚度同時(shí)對X射線穿透能力產(chǎn)生了影響，特別是飾件外圍的一圈“連珠紋”雖然和內(nèi)部一樣都是鎏金純銅，但是這部分的純銅厚度較大，顯示出了紫色乃至深紅色。

圖6 昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾整體micro-CT色彩處理結(jié)果Fig.6 Micro-CT color simulation of Kunlun M2 Crown ornament XY-8

4 結(jié) 論

檢測結(jié)果顯示了裴氏冠飾件GCG002和昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，二者均能觀察到明顯的表面封層、基體、銹蝕和焊接痕跡。結(jié)合以往研究可基本確定它們是鎏金層、銅基體和銅銹蝕，裴氏冠的焊料為銀銅硬焊料，昆侖冠的焊料不明，在制作時(shí)不同形式的銅基體(銅片、銅絲、銅珠粒)是先焊接在一起后再通體鎏金的。這兩件隋唐時(shí)期的冠飾基體制作在選材和工藝上具有高度的一致性。

通過micro-CT還可以觀察到微觀的銹蝕形態(tài)，而且可以看到裴氏冠飾件GCG002比昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾內(nèi)部的銹蝕更為嚴(yán)重。

在觀察的范圍足夠小且樣品整體的厚度較為均勻的情況下，micro-CT的色彩擬合處理可以很直觀地表現(xiàn)出復(fù)合材質(zhì)樣品中不同密度材料的區(qū)別，結(jié)合形貌的觀察可以得到更多文物內(nèi)部細(xì)節(jié)信息。而當(dāng)觀察范圍較大且厚度差別較大時(shí)，micro-CT的色彩擬合直接受X射線穿透樣品的能力影響，即同時(shí)受材質(zhì)和樣品厚度尺寸的影響。

以往因無損科學(xué)分析手段有限，冠飾件類文物的內(nèi)部細(xì)節(jié)情況無法獲知，而通過micro-CT可以觀察文物樣品內(nèi)部的微觀詳細(xì)信息，結(jié)合表面成分分析可以無損地對被測樣品的材質(zhì)、工藝和保存情況做出以往靠有損分析才能做出的判斷。相信隨著CT技術(shù)的不斷發(fā)展，未來可以獲取更加詳細(xì)的文物內(nèi)部信息，同時(shí)服務(wù)于文物和文物保護(hù)研究。