湖南七星墩遺址中紅燒土建筑材料的科學(xué)分析

王慶宇,吳又進,毛龍江,王良智,單思偉,張云逸

(1． 南京信息工程大學(xué),江蘇南京 210044; 2． 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽合肥 230026;3． 湖南省文物考古研究所,湖南長沙 410005; 4． 武漢大學(xué)歷史學(xué)院,湖北武漢 430072)

0 引 言

新石器時代以來,中國古人類的居住方式較舊石器時代有了很大的發(fā)展。至遲在七千年前的新石器時代中期,生活在中華大地上的我國先民已經(jīng)營造從穴居到干闌建筑以及地面房屋等多種類型的居住建筑[1]。已有的考古發(fā)掘資料表明,在長江中游新石器時代房屋建筑方面,地面式房子出現(xiàn)早、推廣快,又較早地修建臺基式房址,廣泛利用紅燒土材料(房址墊層、居住面、筑墻、散水、燒土臺基等),最早發(fā)明了土坯砌墻[2]。

燒土材料作為最早的人工建筑材料,使人類的居住環(huán)境得到了根本性的改善。學(xué)界關(guān)于紅燒土建筑的成因,存在有意識的人為烘烤處理的建筑[3-4],緣自火焚[5],捐棄習(xí)俗[6],戰(zhàn)爭火攻[7]等多種觀點。對史前建筑中燒土材料經(jīng)熱溫度的研究,有助于探究燒土建筑的成因,豐富史前建筑史研究。目前,色度法、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、穆斯堡爾譜、電子順磁共振光譜和磁化率等方法常被用于指征受熱黏土材料中的鐵氧化物組成,并用于識別考古遺址中的用火區(qū)域[8]。針對考古遺址的磁學(xué)研究發(fā)現(xiàn),含鐵硅酸鹽或黏土礦物在加熱過程中會新生成強磁性礦物(如磁鐵礦、磁赤鐵礦等)并改變磁性礦物顆粒的大小,可導(dǎo)致土壤及其他沉積物磁性顯著增強[9-11]。2012年,Rasmussen等[12]通過測定實驗室模擬燒制黏土制品,發(fā)現(xiàn)當(dāng)重?zé)郎囟鹊陀谠紵蓽囟葧r,其磁性幾乎不會再發(fā)生變化;但當(dāng)重?zé)臏囟冉咏虼笥谠紵蓽囟葧r,樣品中磁性礦物的破壞或生成,會引起礦物磁性的改變,分析磁化率隨溫度變化特征(X-T曲線)可得到陶器的燒成溫度。近年來,磁化率法成功應(yīng)用于古代陶器的燒成溫度研究,但卻較少運用于燒土材料的受熱溫度研究[13-14]。本研究選取了湖南七星墩遺址中不同時期的燒土樣品作為研究對象,嘗試采用磁化率法測定這一類低溫?zé)频乃炙绅ね翗悠返脑紵蓽囟?并結(jié)合XRD法、XRF法和色度法等從物相組成、元素成分、色度等對樣品進行綜合分析。

1 樣品和方法

1．1 實驗樣品

七星墩遺址位于湖南省華容縣東山鎮(zhèn)東旭村,西南距華容縣城約30 km,北距長江10 km,海拔28～36 m,因其有七個高出地面的土墩而得名“七星墩”(圖1)。該遺址發(fā)現(xiàn)于1978年,2011年被公布為省級文物保護單位,同年岳陽市文物考古研究所對其進行試掘。2018年3月底,正式展開對七星墩遺址的調(diào)查和勘探工作,調(diào)查面積約20平方公里,勘探面積10萬平方米,發(fā)掘面積400 m2。通過斷面清理,可以確定高出遺址地表的土墩為人工堆筑,并大致了解了城內(nèi)布局。內(nèi)城西北部和北部為居住區(qū),該區(qū)域發(fā)現(xiàn)大型建筑遺跡,可能屬于貴族生活區(qū)域;外城西南部的居住區(qū),其居民地位比內(nèi)城居民稍低一些;在東區(qū)的瓦山咀也發(fā)現(xiàn)有居住區(qū),該處居民地位可能更低?？脊虐l(fā)掘表明,七星墩擁有“外圓內(nèi)方”雙重城垣,面積約6萬平方米,外城面積達(dá)到25萬平方米,始建于5000年前的屈家?guī)X文化時期,在石家河文化時期達(dá)到繁盛,又在肖家屋脊文化時期逐漸走向衰落[15-17]。

圖1 七星墩遺址位置示意圖Fig.1 Geological map of Qixingdun site

實驗燒土樣品取自屬于七星墩遺址中三個不同文化分期的紅燒土堆積區(qū)域,如表1所示,樣品照片如圖2所示。初步判斷樣品為燒土建筑構(gòu)件。其中W01和W04樣品中夾存有陶片,可能為建筑取土?xí)r無意混入了土層中的陶器碎片。

表1 七星墩遺址紅燒土樣品信息Table 1 Information of burnt clay samples from Qixingdun site

圖2 七星墩遺址紅燒土樣品照片F(xiàn)ig.2 Photos of the burnt clay samples from Qixingdun site

1．2 實驗儀器及方法設(shè)計

樣品的X射線衍射分析(XRD)、能量色散X射線熒光分析(XRF)實驗、色度分析實驗在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技考古實驗室完成。樣品的磁化率測試在南京信息工程大學(xué)科技考古與文化遺產(chǎn)實驗室完成。XRD測試的儀器為日本理學(xué)Rigaku TTR-Ⅲ型號樣品水平型大功率X射線衍射儀,測角儀精度為1/10000°。XRF測試的儀器為島津的能量色散型X射線熒光光譜儀(島津EDX-8100)。色度檢測儀器是Kolibri CR400色度分析儀,采用CIE-L*a*b*體系。磁化率測試的儀器為英國Bartington儀器公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀,交變磁場強度約80 A/m,分析精度為1%,檢測限值約1×10-6(SI-units)。方法為:實驗前預(yù)先將紅燒土樣品在陰涼通風(fēng)條件下自然風(fēng)干24 h,并除去碎石、木屑以及雜草等。用瑪瑙研缽研碎過篩。將樣品分別進行精確稱重,然后裝入石英坩堝內(nèi)。隨后,將W01-W06共6組樣品在Carbolite 1100 CWF電阻爐中以5 ℃/min的升溫速度加熱至450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃并恒溫2 h,自然冷卻至室溫。為保證測試精度,高、低頻均重復(fù)測試6次,分別測得樣品的低頻磁化率和高頻磁化率,并求得低頻質(zhì)量磁化率(χlf)、高頻質(zhì)量磁化率(χhf)、頻率磁化率(χFD)及其百分?jǐn)?shù)(χFD%)。

2 結(jié)果與討論

2．1 紅燒土樣品的元素成分和礦物組成分析

W01-W06紅燒土樣品的XRD譜圖結(jié)果顯示6件樣品的主要礦物均為石英、鈉長石、鈣長石與伊利石,物相組成基本一致,且峰值差異很小,如圖3,說明這些紅燒土樣品黏土的礦物組成大體相同。

圖3 七星墩遺址紅燒土樣品XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the burnt clay samples from Qixingdun site

W01-W06燒土樣品XRF分析結(jié)果如表2所示,結(jié)果顯示W(wǎng)05、W06的Al2O3含量相較于其他四塊略高,而SiO2含量略低于其他四件樣品。整體而言,6件樣品的Fe2O3含量較高,其中W01-W04的SiO2、Al2O3化學(xué)組成基本一致,說明這些樣品所用土料大體相同,而W05、W06的部分元素含量與其他四件樣品有所區(qū)別,推斷可能與燒土的取土位置不同有關(guān)。6件樣品相較生土樣品P2O5含量較高,可能是泥料中作為羼和料加入的植物殘骸或者房址墻體的木結(jié)構(gòu)層在焙燒過程中碳化所致[18],進一步應(yīng)證了燒土塊可能來自草拌泥包裹木柱燒制而成的木骨泥墻建筑構(gòu)件。燒土中夾雜的三件陶片元素組成與紅燒土、生土存在較大差異,其中Al2O3含量均達(dá)到20%以上,W01T的P2O5含量更是高達(dá)10%以上。綜合比較七星墩遺址中紅燒土樣品、生土樣品和陶器樣品的元素組成,推測建筑燒土應(yīng)為就地取土。

表2 七星墩遺址紅燒土樣品的主量成分Table 2 Main components of the burnt clay samples from Qixingdun site (%)

(續(xù)表2)

2．2 紅燒土樣品的色度和磁化率分析

黏土顏色是黏土性狀的主要特征之一,系統(tǒng)的色度測量可對磁性礦物組成及變化有重要的指示意義,其中紅度可作為黏土中針鐵礦、褐鐵礦和磁鐵礦隨加熱轉(zhuǎn)化成磁赤鐵礦和赤鐵礦程度的重要指標(biāo)[19-20]。將樣品W01-W06以50 ℃為一個區(qū)間,自450 ℃加熱至900 ℃,分別測量出其色度并繪制其變化趨勢圖(圖4)。在重新加熱至450 ℃后,6件樣品的紅度a*值均發(fā)生了一次較為明顯的上升,推測可能與樣品內(nèi)部中的FeO氧化生成磁赤鐵礦進而導(dǎo)致燒土的紅度明顯增加[21];當(dāng)實驗室加熱至450～600 ℃時,六件樣品的色度均降低,并逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)加熱溫度大于650～700 ℃時,六件樣品的紅度均隨加熱溫度增加而增加,推測可能已超過其原始燒成溫度導(dǎo)致樣品中氧化鐵-氫氧化物(針鐵礦和褐鐵礦)中的結(jié)晶水完全逃逸生成赤鐵礦,同時磁赤鐵礦也轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦[8]。而赤鐵礦磁化率相對較低,因此當(dāng)重?zé)郎囟瘸^原始燒成溫度磁化率數(shù)值與a*(紅度)值往往會呈現(xiàn)出反比關(guān)系[21]。

圖4 七星墩遺址紅燒土樣品色度變化趨勢圖(a*值)Fig.4 Diagram of the chromaticity change trend of the burnt clay samples from Qixingdun site (a*)

將樣品W01-W06以50 ℃為一個區(qū)間,自450 ℃加熱至900 ℃,分別測量出其低、高頻磁化率值、頻率磁化率及百分?jǐn)?shù)并繪制成變化趨勢圖,如圖5。

圖5 七星墩遺址紅燒土樣品的磁化率隨加熱溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of the magnetic susceptibilities with heating temperatures of the burnt clay samples from Qixingdun site

在樣品加熱不高于600 ℃時,六件樣品的χlf、χhf、χFD大致保持同一水平線,說明在此過程中樣品內(nèi)部基本沒有強磁性礦物生成,生成強磁性礦物所需的熱不穩(wěn)定的含鐵硅酸鹽或黏土礦物已經(jīng)消耗殆盡[22]。當(dāng)加熱溫度達(dá)到650～700 ℃后,6件樣品的χlf、χhf、χFD開始下降,標(biāo)志著該溫度區(qū)間內(nèi),樣品內(nèi)部有新的礦物生成或原有礦物發(fā)生改變,加熱溫度應(yīng)已超過其原始燒成溫度,與色度實驗結(jié)果一致[23]。

頻率磁化率(χFD)及其百分?jǐn)?shù)(χFD%)可以有效反映細(xì)顆粒(主要是處于超順磁/單疇邊界附近的顆粒)磁性礦物的含量。因此,計算6件樣品的頻率磁化率(χFD=χlf-χhf)及其百分?jǐn)?shù)(χFD%=χFD/χlf×100%)并繪制出6件樣品χFD與χFD%的(X-T)曲線圖。從平面分布上來看,6件樣品的χFD%值都較高,說明樣品中含有大量超順磁/單疇(SP/SD)邊界的磁性顆粒[21]。綜合上述曲線結(jié)果,并與前文中的XRF數(shù)據(jù)、色度分析結(jié)果相結(jié)合,皆可證明七星墩遺址紅燒土樣品中含有大量鐵磁性礦物,進一步說明樣品可能經(jīng)歷過高溫?zé)綶8]。

通過計算樣品磁化率差值的平方,并繪制其隨溫度變化曲線圖,可以更準(zhǔn)確地測量樣品原始燒成溫度[24]。6件樣品的低、高頻磁化率的磁化率差值平方與重?zé)郎囟鹊年P(guān)系,如圖6所示。W01、W05和W06三件樣品的差值的平方圖(低頻和高頻)第一個較大的偏離零點都出現(xiàn)在600 ℃,說明樣品的等效燒成溫度區(qū)間為600～650 ℃;樣品W03和W04二件樣品的差值的平方圖(低頻和高頻)第一個較大的偏離零點都出現(xiàn)在550 ℃,說明樣品的等效燒成溫度區(qū)間應(yīng)為550～600 ℃;樣品W02差值的平方圖(低頻)偏離零點出現(xiàn)在550 ℃和650 ℃,差值平方圖(高頻)偏離零點出現(xiàn)在650 ℃,結(jié)合上文中的低、高頻磁化率變化曲線,因此推斷其等效燒成溫度應(yīng)在650～700 ℃之間。

圖6 七星墩遺址紅燒土樣品磁化率差值的平方隨加熱溫度的變化曲線Fig.6 Variation curves of the squared values of the difference values with heating temperatures of the burnt clay samples from Qixingdun site

上述實驗結(jié)果表明,七星墩遺址出土的紅燒土樣品的等效燒成溫度均超過了550 ℃,其中W01、W05和W06樣品為600～650 ℃,W02樣品為650～700 ℃,W03和W04樣品為550～600 ℃。前人模擬用火實驗表明,失火等自然火溫度一般在400 ℃左右[25],遠(yuǎn)低于七星墩燒土樣品的原始燒成溫度。同時七星墩遺址出土燒土塊顏色較為均勻,W01-W06均為經(jīng)歷高溫?zé)拘纬傻拇u紅色,與因失火導(dǎo)致廢棄的大地灣F901的燒土塊存在紅色、黃色,甚至泛白等顏色特征差異明顯[5],進一步說明紅燒土建筑材料經(jīng)歷了人為高溫烘烤。

3 結(jié) 論

通過應(yīng)用磁化率法、色度法、XRD法和XRF法對七星墩遺址出土的紅燒土建筑材料樣品開展了化學(xué)成分、礦物組成和樣品經(jīng)熱溫度的綜合分析,結(jié)合燒土樣品的考古學(xué)特征,得出以下結(jié)論:

1) 七星墩遺址的紅燒土建筑材料應(yīng)為就地取土,并在泥料中加入了稻殼和稻草等植物殘骸作為羼和料,并經(jīng)人工烘烤而成,推測其工藝應(yīng)是以木骨為架,黏土混合稻殼或草料包裹制成墻體,待干燥后,在面上鋪架柴草點燃燒烤成紅色硬面,使之堅硬光滑,提高了屋面的隔熱、防火和防水性能以及堅固程度,與該樣品為建筑構(gòu)件的認(rèn)識一致。

2) 七星墩遺址的紅燒土樣品的等效燒成溫度區(qū)間為550～700 ℃,表明至遲在屈家?guī)X文化時期,居住在此的古人類已經(jīng)熟練掌握了控火的能力并將其運用于建筑技術(shù)之中以改造生活環(huán)境,這對于新石器時期長江中游兩湖地區(qū)的建筑史研究具有重要參考意義。

3) 磁化率測溫法是一種有效的測溫方法,適用于這一類低溫?zé)扑炙绅ね粱蛭礋Y(jié)燒土樣品的燒成溫度研究,為未燒結(jié)黏土考古材料的燒成溫度研究提供了一種科學(xué)有效的方法,進一步可嘗試應(yīng)用于早期陶器(尤其低溫陶器)的燒成溫度研究。