南庄头遗址早期陶器烧成温度研究_周理坤.pdf

2010 年 4 月 April 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 29，No． 2 148 ～152 收稿日期 2009- 04- 15; 修订日期 2009- 08- 10 基金项目 国家自然科学基金项目资助 10875169 ; 中国科学院知识创新方向性项目资助 KJCX3． SYW． N12 ; 国家社会科学基金项目资助 07CKG001 作者简介 周理坤 1983 － ， 女， 江西南昌人， 硕士， 科技考古专业， 现在重庆中国三峡博物馆工作。 E- mail zhoulkun1983 gmail． com。 通讯作者 王涛 1976 － ， 男， 陕西户县人， 副教授， 史前考古专业。E- mail wangtao gucas． ac． cn。 文章编号 02545357 2010 02014805 南庄头遗址早期陶器烧成温度研究 周理坤1，王涛1*，李珺2，任雪岩3，王昌燧1 1． 中国科学院研究生院科技史与科技考古系，北京100049; 2． 山西大学历史文化学院，山西 太原030006; 3． 河北省文物研究所，河北 石家庄 050031 摘要 采用热膨胀仪高温和低温测试方法， 结合模拟试验和 X 射线衍射分析， 对华北地区重要的新石器时代 早期遗址 河北徐水南庄头遗址所出早期陶片的烧成温度进行综合分析， 从而为平地堆烧工艺提出较为 科学的证据。模拟实验表明， 所采用的热膨胀仪能适应低温法测温实验; 用热膨胀高温法测出早期陶片中有 一块样品原始烧成温度略高于900℃， 其余5 块样品皆低于 900℃; 通过热膨胀低温法较为准确地测出这五 块样品原始烧成温度是分别介于550 ～650℃、 650 ～750℃、 750 ～900℃三个范围， 而 X 射线衍射分析结果从 物相成分的角度证明了测温结果的可靠性。样品总体原始烧成温度呈一种较低温、 不均匀分布的情况， 与民 族学调查的平地堆烧工艺有共同之处， 这表明当时南庄头先民的制陶工艺还在平地堆烧阶段。 关键词 南庄头; 早期陶器; 烧成温度; 热膨胀测温法; 平地堆烧工艺 中图分类号 K876． 3文献标识码 B Firing Temperature Analysis of Early Pottery from Nanzhuangtou Site ZHOU Li- kun1，WANG Tao1*，LI Jun2，REN Xue- yan3，WANG Chang- sui1 1． Department of Scientific History and Archaeometry，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China; 2． The Archaeology Department of Shanxi University，Taiyuan030006，China; 3． The Institute of Archaeology and Cultural Relics of Hebei Province，Shijiazhuang050031，China Abstract The firing temperature of early pottery from Nanzhuangtou site in Xushui，Hebei province， which is an important early Neolithic site in north China， was systematically analyzed through simulation experiments and measurement by dilatometer and XRD． The whole analysis results provide scientific proof for the open firing process． Simulation experiments make sure that the dilatometer is able to detect the expansion changes in low temperature． The high temperature reheating process with dilatometer analysis indicate that the firing temperature are little higher than 900℃ for one sample and lower than 900℃ for other five samples with firing temperature ranges of 550 ～ 650 ℃，650 ～ 750 ℃ and 750 ～ 900 ℃． The results from mineral composition analysis of the samples by X- ray diffraction provide further evidence of the reliability of the thermal expansion measurement． From these experiments，the conclusion that the firing temperature of the samples is low and uneven could be obtained，which is consistent with that in ethnology report about open firing． So it seems that our ancestor in Nanzhuangtou used open firing process to make pottery at that time． Key words Nanzhuangtou; early pottery; firing temperature; thermal expansion ; open firing process 841 ChaoXing 南庄头遗址是我国华北地区的一处重要的新石 器时代早期遗址， 位于河北省徐水县高林村乡南庄 头村， 坐落于华北平原西部边缘的瀑河冲击扇上， 遗 址面积约20000 m2。该遗址发现于1986 年， 1987 年 和1997 年曾进行过两次发掘， 发现陶片、 石器、 骨角 器等遗物， 经14C 测定， 其年代距今10500 ～9700 年。 该遗址共发现50 余片陶片， 为华北地区早期陶器的 研究提供了宝贵的实物资料 ［ 1 －2 ］。 陶器， 特别是新石器时代早期的陶器， 其原始烧 成温度的测定， 对探索当时社会的工艺、 技术水平极 为重要 ［ 3 ］。过去的研究认为， 南庄头遗址新石器早 期陶片通常含有粗颗粒的矿物， 如角闪石、 白云石 等， 其晶形保持完好， 由此估计其烧成温度在 700℃ 左右 ［ 4 ］。自20 世纪中叶以来， 一些学者基于陶瓷器 的热膨胀性能随温度变化的规律， 建立了测定陶瓷 器原始烧成温度的方法 ［ 5 －6 ］。实际上， 这一方法有 两点假设的前提， 即测试温度低于原始烧成温度时， 样品的膨胀是可逆的; 一旦测试温度超过了原始烧 成温度， 样品在保持线性膨胀的同时， 将附加一个收 缩效应， 其热膨胀曲线便相应出现一个拐点 此拐点 的意义与数学定义上的拐点有所不同， 数学中的拐 点为同一连续曲线 y f x 上凹弧与凸弧的分界 点 ［ 7 ］， 而本文所提的拐点为线性膨胀线与收缩曲线 的交点， 即出现收缩效应的起始点 ; 通常， 拐点对应 的温度即为样品的原始烧成温度。该方法因精度较 高， 故被长期应用于陶瓷器原始烧成温度的测定。 然而， 近年来的实验发现， 陶片的原始烧成温度只有 高于900℃时， 这些假设才能成立。若原始烧成温 度低于900℃， 则可依次从较低温度按50℃或100℃ 间隔反复加热陶片， 当加热温度低于、 等于或第一次 高于陶片的原始烧成温度时， 其膨胀率曲线始终保 持基本相重， 而当加热温度再次高于陶片的原始烧 成温度时， 膨胀率曲线将向下偏移， 据此可判断样品 原始烧成温度的范围 ［ 8 －9 ］。 本文对南庄头遗址出土早期陶片的原始烧成 温度进行测试和分析， 结合模拟试验和 X 射线衍 射分析， 对陶器尤其是早期陶器烧成温度的测试方 法进行进一步的探索和实践， 以期对古代人类陶器 制作技术探讨提供科学依据， 也希望从技术史的角 度对当时人类的行为有一定程度的了解。 1模拟实验和分析结果 1． 1模拟实验 考虑到早期陶片相对较少， 弥足珍贵， 因此有 必要在测试陶片之前， 先进行模拟试验， 来验证本 实验采用的德国 Netzsch 公司生产的 DIL402 C 型 热膨胀仪是否具备测试低温陶片的能力。取一些 易熔黏土样品， 加入适量的水后， 按热膨胀仪测试 的要求制成 3 片待测样品。将这 3 片样品依次置 于热膨胀仪内， 分别升温至600℃、 700℃和800℃， 保温 0． 5 h 后， 自然冷却至室温， 得到了 3 片已知 原始烧成温度的样品。按照后述热膨胀低温法的 测试步骤， 依次测定 3 片模拟制备的样品。为简明 起见， 这里仅给出原始烧成温度为 600 ℃样品的测 定结果， 如图 1 所示。 图1 显示， 原始烧成温度为 600℃的模拟样品， 其550℃曲线和650℃曲线靠近， 而 750℃曲线向下 倾斜， 表明其原始烧成温度在550 ～650℃， 这与已知 的600 ℃ 原始烧成温度一致。由此可见， 采用 DIL 402 C 型热膨胀仪进行低温法测试陶器样品的 原始烧成温度是可行的。 图 1 600℃土样模拟试验结果 Fig． 1Thermal expansion chart of simulation sample at 600℃ 1． 2热膨胀高温法测试陶片 从南庄头遗址出土早期陶片中随机选取 6 片 作为测试样品 编号为 NZT －1 ～ NZT －6 ， 样品特 征描述见表 1。先将陶片逐一制成约 1. 0 cm 0. 5 cm 0. 5 cm 的小长方体， 置于热膨胀仪中， 将每片 样品加热至 1200 ℃， 用 Netzsch Proteus － Thermal analysis 软件分析每条热膨胀曲线的拐点。物体在 温度升高△t 后， 长度增量为△L， △L/L 为热膨胀 率 ［10 ］， 本文的分析结果图中纵坐标以微分形式表 示热膨胀率， 分别用 3 个相对单位表示 dL/L0、 dL/L010 －3、 dL/L 0 10 －6。如图 2 所示， NZT － 3 拐点在 915℃左右， 表明其原始烧成温度在 915 ℃ 左右， 而其余 5 片陶片的原始烧成温度皆低于 900℃， 需采用低温复烧法做进一步分析。需要说 明的是， 热膨胀曲线在 0 ～200 ℃出现大收缩， 并不 是因为陶片自身的水分和有机质在加热过程中释 941 第 2 期周理坤等 南庄头遗址早期陶器烧成温度研究第 29 卷 ChaoXing 放， 如一些文献所遇到的情况 ［11 ］， 而是因为本实验 仪器的自身原因导致。图3 为 Netzsch 公司提供的 氧化铝标准样品的热膨胀测试曲线， 同样也存在低 温大收缩现象， 仪器的这一性能使得测试样品的线 性膨胀曲线下移， 由常规的膨胀表现为反常规的负 膨胀， 但这并不影响线性膨胀曲线和收缩曲线相交 点的位置判断， 即拐点温度判断， 而且本文所用数 据均为 200℃以上生成， 所以是可信的。 表 1样品特征描述① Table 1Description of samples 编号地层单位特征描述 NZT- 11997XNT6⑤3 夹砂灰陶， 原有两片; 质地疏松， 一片似为口 沿， 内外壁均见表层剥落， 出露稍显粗糙的胎 芯， 疑为表面涂一层泥浆; 胎稍呈褐色; 可见泥 条拼接迹象 NZT- 2 1997XNT6⑤13夹砂灰褐陶， 外壁灰色， 内壁褐色， 胎芯为黑色 NZT- 31997XNT6⑤1 夹砂灰陶， 似为两段泥条拼接， 每段宽约 1. 5 cm; 下端斜平， 稍内凹 NZT- 4 1997XNT6⑤22 1997XNT6⑤23 夹砂褐陶， 表面褐陶， 从内壁看此前应有一层 泥浆涂壁， 后来脱落; 其中有较大砂粒， 粒径 0. 5 cm; 可见一钻孔; 一段斜平 两片可拼合 NZT- 5 1997XNT6G389 夹细砂灰褐陶， 外壁较光滑， 内壁可见平行， 向 工具刮抹痕迹; 胎芯部分黑色 NZT- 61997XNT6⑤2 夹砂灰褐， 内外壁均见表层剥落， 断面内外为浅 灰色， 胎芯则呈黑色; 内壁可见灰黑色残留物 ① 测试样品由河北省文物研究所提供。 图 2高温法热膨胀曲线 Fig． 2Thermal expansion chart from high temperature 图 3标准样品热膨胀曲线 Fig． 3Thermal expansion chart of standard sample 图 2 的膨胀率曲线显示 NZT － 3 的原始烧成 温定约在 915 ℃， 根据表 2 的 X 射线衍射结果可 知， 其物相成分中只有石英、 长石和非晶物质， 不见 蒙脱石、 绢云母、 伊利石等黏土相。一般说来， 蒙脱 石、 绢云母、 伊利石在 600 ℃ 以上脱去结构水， 800 ～850℃以上结构发生变化， 温度超过1000℃会生 成尖晶石、 莫来石 ［12 －13 ］， 由此可见， 其原始烧成温 度为 915℃， 是合理可信的。 表 2 X 射线衍射分析 Table 2Analytical results of samples by XRD 样品编号晶相组成样品编号晶相组成 NZT －1石英、 长石、 云母NZT －4石英、 长石、 云母、 闪石 NZT －2石英、 长石、 云母、 闪石NZT －5石英、 长石、 云母、 蒙脱石 NZT －3石英、 长石NZT －6石英、 长石、 白云母、 蒙脱石 1． 3热膨胀低温法测试陶片 经验指出， 热膨胀仪内测温曲线的起始温度不 同， 曲线的低温部分将产生较大差异， 为此每次测 温， 其起始温度必须相同。通常将这一起始温度定 在 90℃。上述热膨胀高温法未能测出原始烧成温 度的样品， 将其剩余样品， 即未经热膨胀仪测试的 部分重新制备 5 片新样品， 逐一置于热膨胀仪内。 设置仪器于自动测量状态， 其起始温度为 90 ℃。 每片样品的测定， 皆先预热陶片至 300 ℃， 再自然 冷却至起始温度 90℃， 接着恒温至 450 ℃， 并在此 温度点恒温 0． 5 h 后， 自然降温至起始温度; 再以 相同速度升温、 0． 5 h 恒温、 自然降温至起始温度 等步骤反复进行， 依次获得升温至 550 ℃、 650 ℃、 750℃和 850℃的复烧热膨胀率曲线。需要指出的 是， 每获得一次新的复烧热膨胀率曲线， 应观察其 与前一条曲线的关系， 一旦新的曲线明显向下倾 斜， 原则上即可确定该样品的原始烧成温度， 拟及 时停止测试过程， 待仪器冷却后， 测试下一片样品。 图 4 为上述 5 片样品的测试结果。 图 4 显示在 200 ～ 400 ℃， NZT － 1、 NZT － 4、 NZT －6 的 550℃和 650 ℃两条复烧热膨胀率曲线 基本重合， 其 750 ℃ 的曲线开始向下倾斜， 由此可 判断， NZT －1、 NZT －4、 NZT －6 等 3 片样品的原始 烧成温度应介于 550 ～ 650 ℃。NZT － 2 的几条曲 线都较为靠近， 其 750℃和 850 ℃复烧的热膨胀率 曲线尤为接近， 表明 NZT － 2 的原始烧成温度较 高， 应介于750 ～900℃; NZT －5 的550℃、 650℃和 750℃三条曲线基本重合， 而 850 ℃ 曲线明显向下 倾斜， 表明其原始烧成温度介于 650 ～750℃。 051 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 1． 4X 射线衍射分析 逐一将陶片的一小部分放在装有化学纯酒精的 烧杯中， 用超声波振荡器清洗 10 min 后， 置于玛瑙 研钵内研磨成粉末。在中国科学院研究生院化学与 化学工程学院使用 MXAL －ⅡX 射线衍射仪进行测 试， 实验基本参数为 Cu 靶， Kα 线， λ 0. 15406 nm， 石墨单色器， 扫描速度 4/min， 角度 10 ～70， 发散 狭缝1， 接收狭缝0. 3， 防散射狭缝1。样品晶相组成 的分析结果列于表2。表2 所示的 X 射线衍射结果 指出， 这些陶片中都含有云母或蒙脱石之类的黏土 相， 同样反映了陶片的原始烧成温度较低。 图 4低温法热膨胀曲线 Fig． 4Thermal expansion chart from low temperature 1．1、 2．1、 3．1、 4．1样品复烧至 550℃、 650℃、 750 ℃、 850 ℃的曲线。 2讨论 中国新石器时代早期， 陶器的制作工艺较为原 始和简陋， 陶器的烧制往往带有很大的随意性， 到 目前为止还没有考古资料能确切证明陶器的烧制 地点和方式。一般认为， 当时陶器的烧制方式为平 地堆烧， 类似现在一些少数民族的制法， 而平地堆 烧的陶器一般烧制温度偏低并且不均匀。民族学 调查资料指出， 20 世纪 80 年代， 曾有学者用热电 偶测试云南少数民族平地堆烧陶器的温度， 最高可 达 900 ℃［14 ］。国外文献也记载美国西南部和尼日 利亚用平地堆烧法可以达到 900 ℃ 或者稍高的温 度， 但该文献同时也指出平地堆烧产生的温度不均 匀， 陶器的堆放位置直接影响其受热温度， 且加热 和保温过程都受到燃料种类和环境气候等因素影 响 ［15 ］。由此可见， 早期陶器存在烧制温度不稳定 的现象， 可能其中少部分能达到 900 ℃或以上的温 度， 但不能代表全部， 即使是同一批烧制的陶器， 甚 至同一件陶器， 都难以保证烧制温度在同一温度水 平。本文仅测试了 6 片样品， 取样是随机的， 测试 结果能较为准确地反映陶片烧成温度在一定的低 温范围中呈上下波动的现象， 因此在一定程度上仍 能够反映新石器时代早期陶器的烧制工艺， 即烧成 温度不够均匀， 总体偏低温。 从图 4 可见， 热膨胀低温法规律在 200 ～ 400℃较为明显， 而温度高于 400℃， 各条膨胀率曲 线几乎都没有趋同的现象。这种现象是否因为 200 ～400℃热膨胀曲线处于陶片明显的线形膨胀 区间， 这还需要今后的实验加以讨论。 目前本文的低温实验仅仅把测试温度定在 550 ～850℃， 精度定在 100 ℃， 至于温度范围是否 还能扩大， 精度是否能进一步缩小， 还需要今后的 模拟试验做进一步探讨。 3结语 综合以上分析和论述， 得到初步结论如下。 1 从模拟试验可见， 用热膨胀仪测温法较为 准确地测试陶片的原始烧成温度是可行的。 2 从测温结果来看， 南庄头遗址的6 片早期陶 片中， 仅1 片的原始烧成温度略高于900℃外， 其余皆 介于550 ～900℃的范围中波动。由于取样的随机性， 此结果能在一定程度上反映新石器时代早期陶器的 烧制工艺， 即其烧成温度不够均匀， 总体偏低温。 3 从上述样品的测温结果可以推测， 当时的 陶器烧制技术应该还在平地堆烧阶段。 151 第 2 期周理坤等 南庄头遗址早期陶器烧成温度研究第 29 卷 ChaoXing 需要指出的是， 在实验过程中， 一些尚未完善 的工作， 即进一步研究热膨胀曲线的规律， 扩大测 试温度范围和增加测试精度， 还需要今后的模拟实 验进一步深入。 致谢 在取样过程中得到河北省文物研究所所长韩 立森先生的热情帮助; 实验部分中国科学院研究生 院李迎华博士研究生亦有帮助， 在此深致谢意。 4参考文献 ［ 1］保定地区文物管理所． 河北徐水南庄头遗址试掘简 报［ J］ ． 考古， 1992 11 963 －966． ［ 2］郭瑞海， 李珺． 中国北方早期新石器文化特点初探 ∥［ C］ ． 河北省文物研究所． 河北省考古文集 二 ． 北京 燕山出版社， 2001 358 －364． ［ 3］赵朝洪， 吴小红． 中国早期陶器的发现与研究［J］ ． 陶瓷学报， 2000 4 228 －234． ［ 4］李家治， 张志刚， 邓泽群， 梁宝鎏． 新石器时代早期陶 器的研究 兼论中国陶器起源［J］ ． 考古， 1996 5 83 －91． ［ 5］周仁， 张福康， 郑永圃． 我国黄河流域新石器时代和 殷周时代制陶工艺的科学总结［ J］ ． 考古学报， 1964 1 1 －22． ［ 6］李士， 秦广雍． 现代实验技术在考古学中的应用 ［ M］ ． 北京 科学出版社， 1991 110 －111． ［ 7］南京理工大学应用数学系． 高等数学 上册 ［M］ ． 北京 高等教育出版， 2008 196． ［ 8］刘煜， 宋江宁， 刘歆益． 周原出土铸铜遗物的分析检 测［ J］ ． 考古与文物， 2007 4 49 －001． ［ 9］王昌燧， 刘歆益． 早期陶器刍议［N］ ． 中国文物报， 2005 －11 －11 7 ． ［ 10］ 华南工学院， 南京化工学院， 清华大学． 陶瓷材料物 理性能［ M］ ． 北京 中国建筑工业出版社， 1980 53． ［ 11］ 李家治， 陈显求， 邓泽群， 谷祖俊． 河姆渡遗址陶器 的研究［ J］ ． 硅酸盐学报， 1979， 7 2 103 －112． ［ 12］李家驹． 陶瓷工艺学［M］ ． 北京 中国轻工业出版 社， 2005 44． ［ 13］ 吴瑞， 吴隽， 李家治， 邓泽群， 许宏． 河南偃师二里头 遗址出土陶瓷的科技研究［ M］ ∥中国社会科学院考 古研究所． 科技考古 第二辑 ． 北京 科学出版社， 2007 98 －115． ［ 14］ 程朱海， 张福康， 刘可栋， 叶宏明． 云南省西双版纳 傣族和西盟佤族原始制陶工艺考察报告［J］ ． 硅酸 盐通报， 1984， 12 2 12 －17． ［ 15］ Prudence M R． Pottery analysis A Source Book［ M］ ． ChicagoThe University of Chicago Press，1987  152 －158． 2009 年度地质找矿十大成果 排名不分先后 山东省莱州市焦家金矿深部再现特大型金矿 项目主要完成单位 山东省第六地质矿产勘查院 河北省滦南县马城发现特大型铁矿 项目主要完成单位 中国冶金地质总局 南海珠江口盆地深水天然气勘探获得重大发现 项目主要完成单位 中海石油 中国 有限公司勘探部 四川盆地新场气田须家河组二段探明千亿方 大型整装气藏 项目主要完成单位 中国石化股份有限公司西南油气分公司 鄂尔多斯盆地华庆低渗透大型整装油田勘探新突破 项目主要完成单位 中国石油长庆油田公司 新疆塔中隆起发现大型油气田 项目主要完成单位 新疆塔里木油田公司 内蒙古东胜艾来五库沟 － 台吉召地区发现 超大型煤田 项目主要完成单位 内蒙古自治区地质矿产勘查开发局 新疆察布查尔县蒙其古尔铀矿床勘查取得 重大突破 项目主要完成单位 核工业二一六大队 西藏墨竹工卡县甲玛探明铜金多金属矿床 项目主要完成单位 中国地质科学院矿产资源研究所 河南省新安县郁山探明大型铝土矿床 项目主要完成单位 河南省地质调查院 251 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing