山西垣曲盆地新石器时代及早期青铜时代陶器的产地分析研究

山西垣曲盆地新石器时代及早期青铜时代陶器的产地分析研究

成小林 郝少康 戴向明 崔剑峰 王金霞

内容提要：本文作者对山西垣曲盆地新石器及早期青铜时代的陶器进行了主量、微量和微量元素的测定，并采用统计学方法（主成分分析PCA）对测量数据进行整理和对比研究。结果表明，山西垣曲盆地各个不同时期的陶器群，同一时期不同类型的陶器群均使用相同的原料。通过与当地窑址出土陶器标本的比较，可推断该地区古代居民烧造陶器主要是就地取材。

一 考古背景与样品来源

垣曲盆地位于山西与河南交界处，大部居于山西境内、黄河北岸，临近中原腹地。这里经过20多年的考古发掘积累了大量资料。经历次调查总共发现50余处新石器时代至早商时期的遗址，其中多处遗址已被不同的考古队所发掘，包括由国家博物馆田野考古部发掘的古城东关和古城南关遗址。东关和南关遗址涵盖了从新石器时代至早期青铜时代各个时期的遗存，并反映了从简单的平等社会到复杂的分层社会的变化过程。陶器是古代遗址中最常见的遗物，也是古人生活用器中重要的组成部分。通过研究陶器可了解这期间生产方式的演变及其社会的进步，从而更深入揭示该区域早期文明兴起和发展的途径。对此，戴向明已在其博士论文《中国中北部垣曲盆地的陶器生产、聚落形态和社会复杂化的发展》（英文版）①中做了较充分的探讨。本文旨在运用科技考古的手段，通过对陶器成分进行测试分析，将这方面的研究进一步扩展和推向深入。

我们从垣曲东关遗址的仰韶早期（约前4600-前4200年）、庙底沟二期（约前2900-前2500年）、南关遗址的二里头晚期（属夏代，约前1800-前1600年）、二里岗期（早商，约前1600-前1300年），选取约100个陶器标本（陶片）作为测试的样品。上述四个时期恰好代表了社会进化过程中类似部落、酋邦、国家社会的几个阶段，具有典型意义。而在每个时期丰富的陶器群样品中，包含了各种不同质地、不同风格的器物，大部分器物为常见的器型，部分器物器型较为特殊；更有研究价值的是，有10个样品来源于当地窑址，特殊器形中有7个为珍贵的原始瓷样品（表一）。

除二里岗期的原始瓷片外，所谓特殊样品主要是指东关庙底沟二期中具有南方屈家岭文化特征的高圈足杯，南关二里头晚期和二里岗期属于陶礼器或仿铜陶礼器的正、爵、箧等。这些陶器不同于上述各期本地所出的主流器物，不仅数量很少，而且形态上表现出外来风格或不同于一般日常用器的礼器特点，从而成为我们在分析和比较中特别关注的对象。

二 实验部分

1.分析测试所用方法

陶器的主要原料是黏土矿。根据地球化学理论，粘土携有其产地的特征信息，如化学成分、同位素比值和矿物结构等②。其中陶器主量元素包括钠、镁、铝、硅、钾、钙和铁等决定了陶土的性质及原材料种类，反映出陶器制作工艺的信息。而微量元素（含量低于0.5%）则基本不受制陶工艺、埋藏和风化等因素的影响③，可反映原料的产地信息。

山西垣曲盆地陶器的成分检测分别用X射线能谱分析（EDX）和电感耦合等离子发射光谱（ICP-AES）两种方法。EDX主要测量样品中的主量元素，该检测是在香港中文大学物理系完成的，仪器为装在LEO扫描电镜（SEM）上的Oxford Instrument Link Ⅱ EDX,激发电流为InA,电压为20KV,校正方法使用标准曲线法。ICP-AES主要用于分析样品中的微量元素和部分主次量元素，仪器为北京大学考古系Leemanlabs prodigy high dispersion,高频发生器功率为l.lKw,冷却器流量为20L/min,辅助器压力为294Kpa,校正方法亦使用标准曲线法。本实验主要分析的微量元素有：Zn、Ba、Sr、Co、Er、Ga、Gd、La、Mn、Nd、Ni、Sc、Th、V、Zr、Cr、Hf等17个。

2.样品的前处理

首先去除样品表面污染层，并打磨成相对平整的表面，然后分别用水和无水酒精进行超声波清洗，烘干后放入扫描电镜的样品室内，将被测平面水平放置，关闭样品室，抽真空，将电压与电流加到上述条件。测量时选取较为平整的区域，并尽量避开砂粒，每个样品约取5个区域，之后计算平均值。

对于SEM-EDX数据，我们选用GSD10,GSD11,GSD12,GSS1、GSS2,GSS5,GSS7、GSS8,GSR2,GSR3、GSR4与GSR5共12个标样，称取一定的量，在10CTC的烘箱中烘2小时，之后压片测试。每个样品至少测试5个区域，后计算平均值。将该值与标准值对比，通过建立各测量元素的标准曲线来校正陶器标本的测量值，同时该标样兼有校验标样的作用。

用SEM-EDX检测完后，将样品用玛瑙研钵小心粉碎，控制力度，以免样品内砂粒破碎，之后将砂粒剔除。将研磨好的样品过200目的铜筛，之后通过强酸联合微波消解法进行微波消解前处理，将处理好的样品进行ICP-AES仪器检测。

三 分析结果

1.EDX分析结果

EDX测量数据是校正后的数据（表二）。需要说明的是，SEM-EDX并未对样品进行烧失量的检测，表二的数据均经过归一化处理。

先用EDX数据对垣曲盆地不同时期的陶器样品进行产地判别，看能否从主成分数据的统计分析中区分该地区不同时期陶器来源的异同，以及同一组合（同一遗址同一时期）不同风格陶器群产地来源的异同。鉴于原始瓷成分的差异性，我们没有对其数据进行分析，相关研究将另行报道。图一（数字为样品序号，以下类同）是不同时期陶器样品EDX数据的主成分分析（PCA）图，图二、三分别为庙底沟二期和二里头、二里岗期（因这两个时期时间跨度较小，可视为同一时期）不同风格陶器群主成分分析图，主成分分析的原理见文献④。图一、图二与图三是采用SPSS软件降维后生成的散点图，图中的X与Y轴为第一主成分（PC-1）和第二主成分（PC—2）。在图一中，元素Na、Mg、P和S因样品“采样适宜度”低而被舍弃,PCA分析中第一、二主成分能解释总方差的64.1%（42.9%+21.2%）；在图二中，舍弃的元素为Na、Si、P和S,第一、二主成分能解释总方差的65%（39.2%+25.8%）；而图三中舍弃的元素为Na、Mn,P和S,第一、二主成分能解释总方差的82.7%（50.9%+31.8%）。从以上数据可知，EDX的PCA分析结果应是有意义的。

从图一来看，垣曲盆地各个时期的陶器样品区分不开，说明该地区不同时期的制陶原料相同，只有一些离散点，如5（小口瓶IVH77：31）、51（圆腹罐H199：8）、61（鬲H122：3）、62（鬲H149：20）、66（圈足杯IH262：10）、68（圈足杯IH251：48）、77（篋G14：l）、78（篋H736：16）、80（篡H310：2）、81（爵T2768（4）A：13）、84（小罐窑IIIYL1）、89（鬲窑Y9（±）：7）和90（鬲窑Y10J1）号样品。由图一也可看出，常见器型样品和特殊器型样品以及窑址出土样品均区分不开，可说明该地区的制陶原料应来源于本地，且所谓的特殊器型也皆在本地制作，应非通过贸易往来获得。而图二说明，庙底沟二期不同风格的陶器群也是区分不开的，可见这些陶器群使用相同来源的制陶原料，但也存在一些离散点，如］6（学IH61：109）、17（肆IH122：33）、23（鼎IH94J5）、34（圈足杯IH251：48）和39（小罐窑IIIY1：1）号样品。图三可说明同样的问题，二里头至二里岗时期的不同陶器群也使用相同的制陶原料，离散点包括6（圆腹罐H199：8）、16（鬲H122：3）、17（鬲H149：20）、27（篦G14：l）、31（爵T2768⑷A：13）、36（鬲Y9（上）：7）和37（鬲Y10：ll）号样品，这些离散点基本包括在图一的离散点中。

2.ICP-AES分析结果

再用ICP-AES微量元素的测量数据来说明情况，其测量数据如表三所示。ICP-AES所分析的样品是从表一中挑选出具有代表性的标本，且每种陶器群样品数不少于3个。图四为不同时期陶器样品ICP-AES微量元素数据的主成分分析图，图五二里头、二里岗期不同风格陶器群微量元素数据的主成分分析图。图四中，PCA分析中舍弃的微量元素包括Nd、Mn、Zr和Zn,第一、二主成分能解释总方差的53.52%（35.22%+18.31%）；图五中，PCA分析中舍弃的微量元素包括Ba、Cd和Zn,第一、二主成分能解释总方差的58.53%（34.08%+24.45%）。

从图四来看，垣曲盆地各个时期的陶器样品还是区分不开，说明该地区不同时期的制陶原料的来源相同，这同EDX的分析结论是一致的。离散点包括9（夹砂罐IVG3：55）、11（小口高领罐IH63：3）、26（圆腹罐H303：56）、30（鬲H149：20）、31（鬲H251：2）、33（高圈足杯IH262：10）、44（箧G14：l）和57（鬲Y10：ll）号等样品。通过图五可说明，二里头至二里岗时期的不同陶器群也使用相同的制陶原料，离散点包括4（圆腹罐H303：56）、8（鬲H149：20）、9（鬲H251⑵、17（箧G14：l）和27（鬲窑Y10：ll）号等样品。

四 结论

通过对垣曲盆地约100个样品的EDX与ICP-AES数据的PCA分析，可得出如下初步结论：

1.两种分析手段均能给出相同的结论，即垣曲盆地各个不同时期，同一时期不同类型的陶器群均使用相同的原料来源。通过与当地窑址出土陶器的比较，可推断该地区古代居民制陶主要是就地取材。即便是那些形态风格或功能特殊的器物，也主要为本地制造；只不过是本地工匠模仿了外面其他文化的器物（如庙底沟二期的高圈足杯），或本地也能制作等级较高和功能特殊的陶礼器（如二里头和二里岗期的香、爵、箧等）。

2.从EDX主量元素数据的PCA分析来看，样品IVH77：3k H199：8、H122：3、H149：20、IH262：10、IH251：48、G14：l、H736：16,H310：2,T2768（4）A：1 3、Y10：ll、Y9（±）：7和IIIY1：1的主量元素明显不同于其他样品。经分析，位于图一右下方的样品IVH77：31、T2768⑷A：13、H122：3、H149：20,G14：l、H736：16、H310：2和Y10：ll为Ca。含量偏高（约3.5%-7%）；正上方的样品IH251：48和IH262：10为Si?含量偏高（约70%-72%）；左中方的样品IIIY1：1和Y9（上）：7为Si?含量偏高（72%-74%）,Fez。,含量偏低（1.06%-1.14%）；左下方样品田99：8为人12。3含量偏高（约25%）。

3.从ICP-AES微量元素数据的PC A分析来看，样品IVG3：55、IH63：3、H303：56、H149：20、H251：2,IH262：10,G14：l和Y10：ll微量元素明显不同于其他样品。

4.上述离散点样品的不同，是因污染物的引进，或添加物的引入，抑或制陶原料自身的不同？其中样品IVG3：55（夹砂罐）、IH63：3（小口高领罐）、H199：8（圆腹罐）、H303：56（圆腹罐）、G14：l（馔）和IIIY1：1（小罐窑）为夹砂陶；样品T2768（4）A：13（爵）和Y10：ll（鬲窑）夹有细砂。对于上述样品，添加物的引入可能是形成离散的原因之一，但对于其他离散点形成的原因，尚需进一步研究。

5.在上述离散点中，样品H149：20、G14：l、IH262：10和Y10：ll在两种分析结果的散点图中均分离开来。这些少量的离散点样品所属的陶器，不排除从垣曲盆地之外其他地点输入的可能性，包括少部分特殊的陶器和一般常见的器物；至于这些可能的外来物品是来自贸易交换还是其他形式的交换，因样品分布上无明显规律可循，故难以推断。