考古學(xué)是依據(jù)古代物質(zhì)遺留以了解古代人類行為與當(dāng)時(shí)社會(huì)文化的學(xué)問，分析研究古代遺跡，獲取其豐富的潛在信息，探索古代人類社會(huì)歷史以及人類與自然的相互關(guān)系。到20 世紀(jì)中期出現(xiàn)了一個(gè)新的考古學(xué)派, 形成了一門新的學(xué)科, 那就是“科技考古學(xué)"?？萍伎脊艑W(xué)就是利用自然科學(xué)和考古學(xué)的理論、方法和手段, 分析研究古代實(shí)物遺存, 獲取豐富的“潛"信息, 以探索人與自然的關(guān)系以及古代人類社會(huì)歷史的科學(xué)。從考古學(xué)的發(fā)展上看出，自然科學(xué)的學(xué)科在理論和方法上的新成果被引入考古學(xué)中後，都促使考古學(xué)開辟新研究領(lǐng)域和有力推動(dòng)考古學(xué)的發(fā)展?？茖W(xué)分析概念用以研究推論出土遺物的性質(zhì)與來(lái)源，也經(jīng)常得以作為考古學(xué)家分析的研究材料。

  X射線光熒光分析儀應(yīng)用范圍廣泛，包括環(huán)保、地質(zhì)學(xué)(geology)、原料成份分析、ROHS有害物質(zhì)分析等相關(guān)應(yīng)用，同時(shí)亦可應(yīng)用於古文物分析。

  在考古研究中, X 射線熒光光譜分析屬於非破壞性檢測(cè)，達(dá)到無(wú)損分析的成效，主要是測(cè)定古物中的成分, 從而達(dá)到各種分析目的, 進(jìn)而推斷和判斷當(dāng)時(shí)的人類社會(huì)文化。X 射線熒光光譜分析在考古學(xué)中主要應(yīng)用有鑒定古物的年代、真?zhèn)?、產(chǎn)地、制作工藝以及如何進(jìn)行文物保護(hù)。

  早在20 世紀(jì)50 年代中期, 英國(guó)牛津大學(xué)就建立了考古研究室, 該研究室中就有X 射線熒光分析技術(shù)。一般認(rèn)為,國(guó)際上一些先進(jìn)國(guó)家應(yīng)用X 射線熒光進(jìn)行文物考古研究始于20 世紀(jì)50 年代未到60 年代初。此后50 多年的時(shí)間內(nèi),X射線熒光分析技術(shù)在考古中的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。我國(guó)的X 射線光譜分析起步較晚, 直到20 世紀(jì)50 年代后期,才在儀器的制造、應(yīng)用分析等方面開始研究工作。而對(duì)考古樣品的分析研究, 則始于20 世紀(jì)70 年代。此后, 發(fā)展迅速,特別是在陶瓷、青銅器考古方面, 已經(jīng)做了大量的工作, 如對(duì)宋代五大名窯之一的汝瓷燒制工藝的研究; 又如XRF 在建立中國(guó)古陶瓷成分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)方面的應(yīng)用等等。這些工作說明了X 射線熒光分析技術(shù)在我國(guó)考古中的豐富實(shí)踐和豐碩成果, 并成為現(xiàn)代科技手段在考古中一個(gè)極為重要的應(yīng)用。

應(yīng)用一：文物的鑒定

  1.材質(zhì)鑒定

  有些文物用肉眼就可以分辨, 是陶器還是青銅器; 有些文物用肉眼就不好分辨, 考古學(xué)家們有時(shí)為一件文物是什么材質(zhì)爭(zhēng)論不休。如安徽東至發(fā)現(xiàn)的南宋關(guān)子鈔版,當(dāng)時(shí)有人認(rèn)為是鐵的, 經(jīng)X 射線熒光分析是鉛; 再如, 漢代白金三品,有人認(rèn)為是銀的, 有人認(rèn)為是錫鉛合金, 有人還從合金的組成上推斷是錫, 經(jīng)X 射線熒光分析, 結(jié)果是鉛；再如, 蟻鼻錢, 是先秦楚國(guó)的貨幣, 又叫鬼臉錢, 由于是春秋、戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的, 很多考古學(xué)家理所當(dāng)就地認(rèn)為是青銅器, 經(jīng)X 射線熒光分析, 雖然也是銅錫鉛合金,但有的含鉛量達(dá)70 %～80 % , 有的含錫量達(dá)68 % , 含銅量超過50 %的, 17 個(gè)樣品中只有3 枚, 這說明蟻鼻錢的配料沒有統(tǒng)一的規(guī)定, 將它歸納到青銅類顯然是不妥的。

青銅器 馬踏飛燕

  2.真?zhèn)舞b定

  亂世黃金，盛世古董。超高的利益驅(qū)使造假高手技術(shù)越來(lái)越高。真的與假的, 雖然在外表上一樣, 但在成分上存在著區(qū)別。如汝官瓷與仿汝瓷, 雖然現(xiàn)代仿汝瓷可以以假亂真, 但成分上有區(qū)別, X 射線熒光光譜圖是不一樣的,有的仿汝瓷含鋅量高, 有的仿汝瓷含鍶量高, 古代的成分含量現(xiàn)代人是燒不出來(lái)的。再如銀元, 真的是銀, 假的是白銅。古代的金、銀器與現(xiàn)代的也不一樣。古代的內(nèi)雜質(zhì)較多, 現(xiàn)代的較純。再如古畫, 古代用的顏料與現(xiàn)代的是不一樣的, 美國(guó)曾對(duì)迭戈在1658 年畫的奧地利的瑪麗安娜皇后的油畫進(jìn)行鑒定, 用X 射線熒光分析了畫中的白色顏料, 用的是鉛白和石膏, 證明此畫是真的,因?yàn)?870 年以后油畫的白色顏料只用鈦白了。

應(yīng)用二：文物斷代

  同一類型的古物, 各朝代在制作工藝和配料上是不一樣的, 反映到成分上是有區(qū)別的, 可以利用X 射線熒光分析進(jìn)行文物的斷代。例如銅鏡, 漢代普遍使用高錫含鉛的青銅鏡, 唐代在青銅鏡中大量加入鉛, 宋代青銅鏡中含鉛量較高, 達(dá)30 %以上, 并開始加入鋅, 元以后大量使用白銅鏡,明中期后使用黃銅鏡, 通過X 射線熒光分析就可以推斷它們的年代。陶瓷也是一樣, 如景德鎮(zhèn)的瓷器, 瓷胎的主要成分在各朝代是有區(qū)別, 唐代SiO2 的含量在75 %以上, Al2O3的含量在20 %以下; 宋元明, SiO2 的含量在70 %以上,Al2O3的含量在20 %左右; 清代, SiO2 小于70 % , Al2O3 大于20 %。用同步輻射X 射線熒光光譜分析了明朝景德鎮(zhèn)官窯青花瓷釉的成分, 從青花圖紋中的Fe/ Mn , K/ Ca 和Ti/Zn 值來(lái)判斷明朝各代青花瓷器。

青花瓷器

  在恒定的自然環(huán)境中, 實(shí)物自身的變化如果是有規(guī)律的, 也可以作為時(shí)代的標(biāo)尺。例如骨骼中的鈾(U) 含量是隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加, 用X 射線熒光測(cè)定骸骨中的含鈾量, 就可以確定其時(shí)代。 用X射線熒光分析技術(shù)來(lái)確定文物的成分, 根據(jù)文物的成分來(lái)斷代, 此工作比較艱巨, 需要建立各類文物的數(shù)據(jù)庫(kù), 要測(cè)試大量樣品, 獲得大量的數(shù)據(jù)。有了數(shù)據(jù)庫(kù), 被測(cè)物的測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)照, 就可斷代了。例如,在西伯利亞和阿拉斯加之間的圣羅倫司島上曾發(fā)現(xiàn)了青銅盔甲, 經(jīng)X 射線熒光分析, 其成分與十九世紀(jì)船上用的青銅器一致, 說明其是相當(dāng)晚的東西, 經(jīng)判斷是與愛斯基摩人通商的船只帶到島上的。

陶瓷碗

應(yīng)用三：文物產(chǎn)地及其礦料來(lái)源分析

  時(shí)空框架的建立是考古學(xué)的基礎(chǔ), 斷代測(cè)年是為古代遺存提供時(shí)間標(biāo)尺, 文物產(chǎn)地及其礦料來(lái)源是為古代遺存提供空間坐標(biāo)。文物的成分與其制作時(shí)間、地點(diǎn)存在著一定的關(guān)系。文物通過X射線熒光分析可知其成分, 經(jīng)聚類分析和其他方法的旁證, 可確定其產(chǎn)地及其礦料來(lái)源。這可為研究先民遷移路線和各種文化之間的關(guān)系, 提供有意義的信息。

  德國(guó)的拉德肯(Rathgen) 實(shí)驗(yàn)室用X 射線熒光光譜分析了尼羅河流域的古陶器, 發(fā)現(xiàn)一般低質(zhì)產(chǎn)品各地都有出產(chǎn),而高質(zhì)量產(chǎn)品, 則來(lái)自于位于尼羅河中部地底比斯幾個(gè)中心產(chǎn)地。

  用X 射線熒光光譜分析了一批南宋低嶺頭越窯青瓷的胎和釉的成分, 并與北宋汝瓷和寺龍口傳統(tǒng)越窯瓷的數(shù)據(jù)比較。測(cè)試結(jié)果表明南宋低嶺頭窯所燒的青瓷器的胎是用當(dāng)?shù)啬戏酱墒髟系? 為就地取材；而釉的成分與汝瓷釉相近,是借用了北方汝瓷釉的配方。因而燒制出與傳統(tǒng)越窯風(fēng)格相去甚遠(yuǎn)、而與汝瓷外觀頗類似的低嶺頭窯仿汝瓷類型的產(chǎn)品。這說明南宋低嶺頭窯在汝瓷技術(shù)南傳過程中很可能起了承前啟后的作用。

越窯瓷

應(yīng)用四：制作工藝的研究

  通過對(duì)文物的X 射線熒光光譜分析, 可得到文物的成分, 從成分上推斷當(dāng)時(shí)的制作工藝。例如, 埃及第五或第六王朝時(shí)期的2個(gè)“銀面"花瓶, 過去推測(cè), 認(rèn)為是表面含銻(Sb) 所致的。經(jīng)X 射線熒光分析, 得知這種花瓶的“銀面"是由于表面含砷(As) 所致, 從而推測(cè)是在銅(Cu) 表層上涂一層氧化砷(As2O5) , 加鋪炭末燒紅, 砷被還原滲入表面, 冷卻后拋光就成了“銀面"。

  隋朝敦煌莫高窟佛像上的涂金粉, 經(jīng)X 射線熒光分析,發(fā)現(xiàn)鉛( Pb) 的含量是金(Au) 的4 倍多, 而表面呈金色, 涂層極薄。從而推測(cè), 在佛像上先涂鉛粉再涂金粉, 這樣可以節(jié)省金的用量。  

  汝瓷在釉胎之間, 用肉眼和實(shí)體顯微鏡可以明顯地看到一個(gè)中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡看不到, 通過對(duì)汝瓷從釉到胎成分的同步輻射和能量色散X 射線熒光線掃描分析, 發(fā)現(xiàn)在釉胎之間的確存在一個(gè)中間層, 且各元素濃度從釉到胎是連續(xù)變化的。從而推測(cè), 汝瓷的燒制工藝是二次燒成的, 釉胎間的中間層是在瓷胎經(jīng)素?zé)?、上釉? 在再燒制過程中瓷釉成玻璃態(tài)而滲入瓷胎表面而形成的。由于中間層中的釉是玻璃態(tài), 故在實(shí)體顯微鏡可以明顯地看到汝瓷釉胎間的中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡下卻看不到。

汝瓷

應(yīng)用五：文物保護(hù)

  文物保護(hù)離不開X 射線熒光分析, 首先要分析文物的成分, 確定文物的材質(zhì); 在查明文物損壞的過程和機(jī)理時(shí), 要分析文物材料質(zhì)變產(chǎn)物的成分; 保護(hù)得如何, 也要通過X 射線熒光分析來(lái)觀察文物的成分有無(wú)變化。在研究文物在地下埋葬環(huán)境時(shí), 地下水和文物周圍的土壤的成分也要靠X 射線熒光分析來(lái)確定。在研究文物包護(hù)的佳環(huán)境時(shí),要用X 射線熒光技術(shù)分析文物周圍大氣中的氣溶膠和化學(xué)污染物。因此, X射線熒光分析是文物保護(hù)工作的“眼睛"。