陕西高陵杨官寨遗址考古发掘现场遗迹劣化机理初步研究
陕西高陵杨官寨遗址考古发掘现场遗迹劣化机理初步研究
考古与文物2011年第6期
孙丽娟1、2 王博1 赵丛苍1 王炜林3 张伟3
(1．西北大学文化遗产学院，陕西西安市710069;2．西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安市710069;3．陕西省文物考古研究院，陕西西安市710054)
杨官寨遗址位于高陵县姬家乡杨官寨村四组，地处泾河下游北岸的一级阶地上，南距泾河约1公里，海拔498．5米，面积约为80万平方米，为关中地区新石器时代中晚期所罕见中心聚落遗址。2004年以来陕西省考古研究院对该遗址已发掘17678平方米。遗址内的文化堆积主要为仰韶文化的庙底沟类型和半坡四期类型。前者重要遗迹就是遗址北区发现的庙底沟期完整的聚落环壕，后者则是南区断崖上发现的东西向成排分布的房址和陶窑。
对于土遗址而言，遗迹一旦暴露于露天环境下，长期受气候环境(温度、湿度、蒸发量、降雨量等)及各种动植物侵害，表面就会劣化严重，产生龟裂、酥碱、裂隙、雨水溅蚀、泥浆流痕、冲沟、坍塌等病害。为了进一步分析研究土遗址受各种自然因素破坏的成因，2008年5、6月间，笔者在杨官寨遗址考古现场选择典型遗存，测试其土壤中含水量、土壤可溶盐、腐殖质等微量元素，并对各遗存发掘环境、保存环境及其病害产生发展演变进行监测，综合分析土遗存的劣化机理。阐述如下:
1遗址土样介绍
主要对壕沟、灰坑以及文化层进行采样(表一，表二，表三)，采集地点为T5040、T2907、G8－1(H776)、G8－2、T5433;采样分为:同一高度随时间变化采样;相同高度不同类型遗址采样;随发掘高度递进采样。
1.2测试
土壤的含水率、pH值、腐殖质、钙、镁、氯化物、硫酸盐、二价铁及土壤的微观结构等对土壤的稳定性起决定性作用。因此，经初步筛选对采集土样进行测试。
1．2．1土壤基本因素测定
(1)现场土样含水率测试(表四)。
1.2．2土遗址原状土样显微分析
采用ZEISS的SIPNO．MIC00014型显微镜对Y2008001、Y2008002、Y2008003、Y2008004、Y2008005、Y2008010、Y2008011、Y2008012、Y2008013、Y2008023、Y2008024、Y2008025、Y2008026、Y2008027;Y2008040、Y2008048、Y2008054、Y2008055、Y2008056样品放大50
倍，土样的微观结构(图一，1～18)。
2遗址发掘现场监测
随着考古发掘工作的进行，遗迹逐渐暴露出来，遗迹所处环境的原有平衡被打破，再加上土遗址自身性能脆弱，遗迹将产生一系列损毁。其中遗迹揭露初期，发生破坏速度和程度都是最大的。
*依照LaMotte土壤手册提取样品(参照农业标准)。
我们往往看到在考古发掘过程中，随着考古遗迹的揭露，在温湿度、蒸发、降雨、动植物等条件影响下，遗址遗迹表面产生风化、龟裂、溅蚀、泥浆流痕、冲沟、坍塌、裂隙、酥碱、表面污染、动物活动、杂草丛生等各种劣变，对遗址遗迹的研究、保护极为不利［3－7］。因此对影响考古发掘现场土遗址保存的主要环境因素(包括温湿度、蒸发量、降雨等)进行监测;对遗迹出现的主要病害(裂隙、龟裂、崩塌、生物破坏等)的产生发育演变进行监测，了解遗址病害发育演变速度和规律;对遗址周围存在的工程建设、交通运输及动植物的生长繁殖等进行观测。确定遗迹出土后所处环境及环境变化对遗迹保存的影响，得出病害产生机理［9，10］。
2.1环境监测
气候环境与温湿度有着密不可分的关系，温湿度变化集中体现了气候环境变化情况，发掘初期对遗址破坏最大的季节是春季。西安气候属暖温带半湿润大陆性季风气候。春季(3～5月)气温上升快但不稳定，降水量约为全年的23%;夏季(6～8月)炎热但湿度较大，平均气温高于25℃，降水量约为全年的40%，多雷雨;秋季(9～1月)凉爽舒适，气温速降，平均降水量达186.7毫米，为全年降水量的33%，平均降水日达12d;冬季(12～2月)寒冷少雨雪，一月份平均气温降至2℃，最强寒流可使气温低于－10℃，空气干燥，三个月降水量仅为24mm，约为全年降水量的4%。年平均风速1．6m/s［11］。因此，本文首先主要选择了对遗址影响较大五月份进行记录;温湿度为每小时记录一次数据，每两小时记录一次环境蒸发量及晚间总蒸发量;而降雨虽不是普遍现象但对遗址破坏严重，因此按降雨次数记录降雨总量。
2．1．1温湿度
地表的温度通常都要经历日变化与年变化等周期变化。常规下物体热胀冷缩，这种变化随着温度的周期变化而变化。对于土遗址，这些变化产生的张缩应力，必然导致土体稳定性的下降，具体表现为开裂、脱落等。另外，由于温度传导的梯度，导致内外收缩膨胀不均，产生张力，破坏也很大。空气中湿度的变化是土壤表面风化的重要影响因素。通常情况下白天湿度低，晚上湿度高，温度低于露点时，水分会在土壤表面冷凝，造成土体表面风化破坏;湿度的循环变化可使迁到表面的可溶盐反复溶解结晶，产生破坏作用;高的空气湿度还容易促进霉菌的生长繁殖［4］。这种现象在遗迹暴露于自然环境初期劣化非常强烈，西安地区一般五月中旬已经非常炎热，属于典型的高温低湿天气，因此选择5月14、15、16日三天白天对T5040的温湿度进行监测记录(表六)。
2．1．2遗址现场蒸发量
通过测试遗址中装有水的烧杯中水分蒸发减少量，通过公式(1)换算得出蒸发量(以mm为单位)。
其中H为:蒸发量(mm)，M2为蒸发一段时间后水的重量，M1为蒸发前水的重量，ρ为水的密度，S为烧杯的面积。针对遗址揭露环境特点，记录五月份15、16、17、25、26、27六天蒸发量
2．1．3遗址现场降雨量的监测
降雨量测试方法与蒸发量测量相似，记录烧杯中水分增加量，通过公式(1)换算得出降雨量，在5月13日～5月30日杨官寨有一次强降雨，为5月25日20:00－24:00，降雨量为8.9mm。
2．2病害监测
病害是发掘现场遗迹揭露前后受环境突变影响产生的病变，病害的发育可导致遗迹现象观察记录困难，严重时破坏遗迹稳定性;通过监测分析遗迹病害的产生发展情况，对相同情况下遗迹病害的发展趋势进行预测，是考古发掘现场遗迹风化机理研究的重要内容，也是研究保护土遗址工作的中心环节。本文针对杨官寨遗址病害特点，主要监测了遗迹产生的裂隙、龟裂、起翘、崩塌、生物破坏等病害［5、6］。
2．2．1裂隙
裂隙的存在，破坏了遗迹的整体稳定性，严重影响了遗迹的安全。择六个典型裂隙监测其发育的深度与宽度。裂隙1，2，3，4，随发掘进度进行监测;裂隙5，6是在遗址发掘半年后进行的监测，纵向发育到底(表八)。
2．2．2龟裂
龟裂是遗迹土壤自身含水量高或雨水渗入后，随环境温度升高湿度降低，蒸发量增加，土壤颗粒富水膨胀失水收缩，在收缩应力作用下产生开裂。监测期发现经过5月25日降雨，2天后遗址表面产生大面积龟裂、起翘，对遗迹观察与记录造成困难。
2．2．3崩塌
考古发掘中较大立面遗迹，长期孤立放置，未采取加固措施，受降雨、大风或人为活动等影响下受力不均，导致遗迹塌毁、消失。
2．2．4生物破坏
生物对遗址遗迹的破坏较大，范围广泛，一般遗址发掘一个月左右，如蝼蛄、白蚁、蚂蚁等在土遗址内营穴生存，草类在土遗址表面的生长，
影响遗迹信息提取，并破坏遗迹整体稳定性。
2.2．5人为破坏
来自工程施工、交通等方面的震动对土遗址造成危害主要表现在使表层颗粒脱落、土体开裂坍塌、结构不稳［4］。杨官寨遗址西邻公路，北接建筑工地，南有灰场，震动、噪声以及灰尘等因素，加速破坏遗迹。
3结果与讨论
3.1土壤因素分析
(1)对典型土样含水率的测试分析
由表1－4可见，在2008年5月22日中午温度偏低，湿度较高，日蒸发量较低情况下，同一遗址、同一高度土样Y2008006、Y2008007、Y2008009含水率变化不大，遗址本身水分含量较稳定。土样Y2008015～Y2008017;Y2008018～Y2008022;Y2008023～Y2008027，三个不同高度中200cm为灰土层含水率相对最高，280cm处与地下水位较接近，含水量相对偏高。120cm处接近地表，受地表蒸发影响较大，含水量偏低。
(2)对土样pH值、腐殖质、钙、镁、氯化物、硫酸盐、二价铁等分析
根据土壤微量元素分析，杨官寨遗址T5040和T2907两个探方中土壤均为弱碱性。T2907第三文化层中腐殖质含量较高且相对稳定，T5040第一和第二化层中腐殖质含量较低，且有较大的不均匀性。T5040第二文化层镁离子含量较高，第一文化层较低，T2907第三文化层中镁离子含量差别较大。硫酸盐含量T5040第一和第二文化层含量较低;T2907第三文化层含量略有偏大且不均匀。氯化物中T5040第二文化层和T2907第三文化层中含量一致，二价铁离子含量也一致均较低。
3．2显微分析
通过对遗迹采集样品显微观察，由Y2008001，Y2008002，Y2008003，Y2008004，Y2008005，Y2008011，Y2008012，Y2008013放大50倍的显微照片可见，同一地层中土壤样品颜色一致包含物相似，但土壤微观孔隙分布不均，存在较多大的贯穿性裂隙，土壤颗粒结合不牢固，随发掘时间和发掘进度的进行，遗址从表面向内部发育，遗址稳定性将遭到破坏。由Y2008023，Y2008024，Y2008025，Y2008026，Y2008027的显微照片可见，第三文化层中土壤颜色为灰色，土质疏松，土壤颗粒之间较松散，第三文化层和下面的土壤有明显界面，Y2008026从颜色上就可明显看出其过度的临界状态，颜色介于两层之间。由Y2008040，Y2008048，Y2008054，Y2008055，Y2008056分别是灰坑，壕沟，耕土，房址，窑址五种不同类型遗址土样，从显微图片可见灰坑土样为深灰色，土质酥松，颗粒结合不牢固，杂质较多;壕沟土质灰色较浅，土壤中裂隙较大，土壤结构非常不均匀，土体稳定性非常差，遗址极易表面风化;耕土也为灰色，但土壤颗粒结合的较为牢固，表面裂隙较少;房址中富含杂质较少，灰色成分较低，土壤颗粒细密均匀，结合的较牢固;窑址中土壤颗粒结合牢固，颗粒分布较均匀，但存在较多透气空隙。通过对部分样品的显微观察，土遗址土壤颜色，杂质分布及颗粒结合等可初步判断遗址整体稳定性。
目前所测样品不系统，在后面通过对样品进行全面系统的观察分析，进一步为遗迹劣化机理研究提供依据。
3．3环境分析
3．3．1温湿度
由图二日温湿度变化曲线可见，早晨温度较低，湿度较大，对遗迹的观察记录有利，而中午温度达到最高，湿度最小，遗迹表层水分蒸发，遗迹土壤颗粒间呈松散状态，土壤颗粒易于迁移，现象模糊，不利于记录。日最高温差可达19.6℃，日相对湿度差可达37%，温湿度迅速变化，在遗址发掘初期，伴随着土壤中的可溶盐等微量元素，在温湿度交替变化下产生溶解结晶，产生盐害、结壳等破坏，进而对土体的结构和稳定性造成影响。
3．3．2蒸发量的分析
由图三可见一天内，蒸发量最高值在午后两小时出现，早晨和下午蒸发量较低，在夜间蒸发量总量也比较低。蒸发量高在发掘过程中，揭露的遗址表面水分蒸发迅速，可溶盐易于析出，土壤表面干燥，遗迹现象不易辨识，长期处于蒸发量较高的环境下，遗址裂隙发育，加剧破坏遗址的稳定性。
其中5月16日蒸发普遍偏高，当日天气晴朗，风力大约为2～3级。在高温和风的作用下，蒸发量很高。而5月25日是阴天湿度较大、温度较低，蒸发量较低。
综合分析，温湿度变化曲线和蒸发量的变化曲线可以看出，一天中，早上遗址现场温度较低，湿度较大，蒸发量较低，对刚刚揭露的遗址表面破坏较小;而中午时分随着温度升高，湿度降低，蒸发量增大，遗址表面水分迅速挥发，遗址表面病害发育迅速，随着温湿度与蒸发量的不断交替变化将给遗址造成不可恢复的破坏。
3．4病害分析
3．4．1裂隙
通过裂隙监测结果做裂隙长度和裂隙宽度随时间变化曲线(图四、图五)。
由图3．3可见，裂隙1，2，3，4随发掘进度总向深度加大;其中，裂隙1，2，4发育较同步，在外界环境一致的情况下，裂隙发育分为三个阶段，发育最初的速度较快，当发育到一定程度后，裂隙处于亚稳定状态，进入缓慢发育期，在经过一段时间后，随发掘时间和深度递增，裂隙再次进入较快速发育阶段。裂隙3发育深度与时间基本上成正比，属于递进式发育。裂隙5，6已发掘
半年，裂隙纵向发育完全。
由图3．4可见，裂隙1，2，3，4随发掘进行，裂隙宽度发育也比较迅速，当达到一定宽度后，裂隙横向基本处于稳定状态，进入发育缓慢期。对于裂隙5，6来说，虽然纵向不再发育，但裂隙仍然不稳定，在外界环境变化下仍会继续发育，增加裂隙宽度。但宽度发育速度受外界环境影响较大。
3．4．2龟裂
杨官寨遗址位于西安东北部，4、5月份空气温湿度变化剧烈，昼夜温差较大。遗址发掘初期表面土体结构较为致密，但随着遗迹内水分不断蒸发，尤其蒸发量较大时，土体表面出现了大小、方向不均匀的裂纹，裂纹发育到一定程度将影响遗迹表面信息的观察与记录。若受降雨等天气的阴晴变化，土壤颗粒反复吸水膨胀，失水收缩，颗粒之间起连接作用进一步破坏，遗址表面龟裂起翘越发严重，最终导致遗迹表层土剥离，遗迹受到严重破坏。
3．4．3崩塌
杨官寨遗址内涵比较丰富，中期、晚期之间的叠压打破关系较多，存在诸多里面遗迹现象，土体本身受力不均，易于开裂、倾斜崩塌。
此外，地质作用而造成的崩塌也非常严重，如5．12特大地震使得原本遗址裂隙加深、加宽，乃至完全崩塌。
3．4．4生物破坏
主要有植物、动物和微生物三种破坏。遗址发掘一周内，遗迹表面就有各种植物生长，随着时间延长植物根系不断深植遗迹内部，致使遗迹结构和稳定性受到破坏。动物在遗迹内部打洞营巢，如蚂蚁、蚯蚓等造成遗迹破坏。另外，在潮湿区域或降雨后在遗址表面有青绿色霉菌生长繁殖，影响遗迹外观，降低遗迹表面抗风化能力。
3．4．5人为破坏
破坏主要有两点:第一是由于基础建设产生的震动、噪音、灰尘等对遗址造成损坏;第二是由于在发掘过程许多工作人员缺乏保护意识，而对遗址造成的破坏。
4结论
综合以上分析得出以下结论:
(1)杨官寨遗址壕沟土样呈碱性，腐殖质含量较高，而铁、氯化物、硫酸盐等元素含量相对较低，遗迹发掘初期土壤颗粒结合力较强，遗迹现象清晰，受环境影响，特别是温湿度变化土壤颗粒间的胶结强度迅速下降，遗迹表面土壤颗粒化，进而产生龟裂，盐析等病害。
(2)杨官寨遗址在发掘过程中，属于露天发掘，遗迹揭露后，表面温度升高，湿度降低，遗迹内原有的液态水平衡被打破，水分散失，土壤颗粒胶结强度下降，长期持续水分丧失，使得裂隙向纵深发育，尤其是立面位置的卸荷裂隙加速发育，最终导致崩塌;降雨不但在土遗迹表面产生雨水溅蚀、冲蚀等破坏，同时增加了遗迹土壤自身重量，导致卸荷力矩加大，从而引起遗迹整体崩塌，遗迹在雨后还会再次产生龟裂、盐析等病害，并且进一步加速了微生物及动植物生长繁殖。
(3)遗址发掘后，高温低湿高蒸发量环境中持续1－3天，遗址表层遗迹现象基本难于辨认，给考古信息的提取造成困难，这在监测构成中已经得到印证。
(4)随着考古发掘的进行，遗址裂隙不断发育，在监测过程中发现有些遗址已经发生坍塌，给遗址造成了不可恢复的破坏。尤其降雨后很多遗址发生了冲蚀，坍塌，2天后遗址表面发生了龟裂、起翘、剥离，使遗迹关系变得模糊不清。
(5)再有遗址发掘后经过一个月左右，遗址表面就有大量植物生长繁殖，遮挡遗迹现象，而根系发育也会破坏遗址稳定性。动物在遗址上营巢破坏遗址表面遗迹现象，长期下去影响遗址稳定性。
本文针对杨官寨遗址土壤性质及考古发掘现场环境情况，提出以下建议:
(1)建议在进行重要遗址发掘时搭建临时性保护棚，降低由降雨、日照、温度、湿度等环境因素的剧烈变化给遗址遗迹带来的破坏。
(2)采用有效加固剂材料对脆弱而重要的遗迹进行适当加固，以减缓土遗址的遗迹风化速度。
(3)对土遗址遗迹发掘环境(如温湿度、土样结构及稳定性等)进行定期监测，以了解遗址遗迹风化状况，及时采取措施。
(4)依照“预防为主，防治结合”的原则，对发掘出土的遗迹进行定期维护，早发现、早解决，预防遗迹发生毁灭性损毁。
