水下考古脆弱文物提取技术研究与实践

水下考古作为考古学的一个特殊分支，是陆地考古面向海洋的延伸。水下考古工作环境的复杂性意味着这门学科在诞生之初便有着较高的技术门槛，涉及潜水物理、潜水医学、海洋物理、海洋化学、海洋生物、遥感物探、水下工程等相关领域技术。关于水下文化遗产的保护方式，虽是以原址保护作为首选，但是受限于人类活动的影响，以及现阶段原址保护技术研究还处于起步阶段，水下脆弱文物的原址保护存在很多无法解决的复杂难题。为了防止水下脆弱文物由于腐蚀等作用受到损害甚至消失，考古人员需要将其发掘、提取出水后再加以保护研究。如何将脆弱文物安全提取出水是水下考古与文物保护研究需要首先解决的一个关键问题。

目前水下考古工作对于脆弱文物的提取，通常是使用不同器具来支撑或盛装，包括使用具有内衬防护泡沫的带盖容器、聚乙烯盒、自封袋等，对于体量较大的水下凝结物等脆弱文物，主要使用金属框装载的方式提取。针对水下脆弱文物的原状提取技术研究，丹麦国家博物馆近些年在实施SASMAP项目中，设计使用了绷带包裹法、碳纤维/环氧树脂包裹法和液氮冷冻法等方式对文物进行加固，在水下文物保护研究中进行了一些创新性的尝试。国家文物局考古研究中心在其承担的国家重点研发计划项目“海洋出水木质文物保护关键技术研究”中专门设立课题“脆弱木质文物水下固型提取技术研究”，针对目前脆弱文物水下原状提取的难题，研究水下临时固型材料和打包搬迁出水技术。与浙江大学、北京科技大学共同研发了藜芦醛加固材料和水下环氧树脂多层材料固形体系等新技术，突破提取过程中水下原状固定、整体加固、出水搬运以及可控去除等关键科学技术问题，填补了目前国际上水下考古脆弱文物原位固型提取、人为可控去除材料和技术的空白。

近年来，临时加固方法已广泛应用于陆地考古发掘过程中。因为所使用的材料具备凝固快、易挥发的特点，可以完成脆弱文物的原位提取，且该过程是可逆的，不会对文物本体造成破坏。但目前使用的材料密度均小于水，无法在水下完成从液态到固态的转变。研究者们筛选了大量的材料，最终发现藜芦醛这种材料符合水下临时固型提取的要求。自然界中的藜芦醛存在于爪哇香茅油中，常温下呈淡黄色结晶状，是一类食品级的香料分子。它的熔点较低（40−43℃），密度大于海水（1.1708 g/cm-3），几乎不溶于冷水，常温下易溶于乙醇等常见的有机试剂。根据其理化特点，可以使用该材料在水下结晶固化来加固脆弱文物，并且易于去除无残留。

通过在实验室中完成藜芦醛在水下对不同材质基质的提取量、渗透深度、抗压强度等测试，以及盐度、静水压力、温度对藜芦醛结晶速率的影响等研究，对材料的各项性能指标有了较为充分的认识，根据藜芦醛的结晶固化特点设计了脆弱文物的水下加固方案。同时，由于藜芦醛易溶于乙醇的特性，在文物提取后可使用乙醇/水的混合溶剂浸泡清除藜芦醛，并且去除速率可以通过调节乙醇的添加比例进行调控，该方法对出水文物的影响小，可以保证出水文物后续的脱盐、脱水、凝结物的清除和文物修复工作的安全性。

研究者在实验室条件下完成了水下陶罐、漆盘等样品的提取实验。在此基础上，开展了平静水域脆弱文物水下提取实验，在淡水环境下7米深的水池中，以南宋沉船南海I号饱水船木为文物样本进行水下加固提取。验证了藜芦醛在水下大环境中加固提取脆弱文物的可行性，整体操作也可应用于海洋沙底或泥底水下埋藏环境中考古文物提取。同时，根据提取实验操作中所遇到的问题，研究者也对水下加固技术进行了改进，使之更加贴合水下考古实地应用。

SASMAP项目曾设计了一种利用环氧树脂固化来实现水下文物临时固型的装置，主要为内部包含经过环氧树脂浸渍的碳纤维片、吸收多余树脂并作为软接触层的充气毡以及两个脱模布构成真空袋。该方式由于环氧树脂固化过程中会释放热量并且需要与水隔绝的固化环境，对真空度及外包材料密封性有相对严格的要求，主要适用于水下相对小型文物的提取。相比较而言，我国水下考古工作主要集中在近海海域，水下能见度较差，水下环境复杂，工作中需要材料制备与水下提取操作更为简便的固型方式。为此，项目组研发了可以在海水中固化使用的水下环氧树脂多层材料及相应的打包固型技术体系。

研究者通过对数十种环氧树脂、固化剂、稀释剂和促进剂进行实验筛选和对水下考古工作具体需求的调研，最终研发出一套可以对环氧材料固化后刚性和柔韧性进行调节的水下环氧树脂固化体系。在实验室中，从凝胶时间、环氧树脂的固化时间、玻璃化转变温度和应力-应变曲线这四个方面研究了不同稀释剂、固化剂和促进剂比例对环氧树脂多层材料性能的影响，如稀释剂的添加量一方面会影响涂布性能，另一方面也会影响固化物的玻璃化转变温度，进而影响到材料固化后的刚性。在使用时，将根据环境温度等地域差异及水下脆弱文物的多样性，对固化剂和稀释剂的含量进行调整，最终影响水下提取包裹的整体固型效果。

在平静水域水下固型提取实验中，不仅使用水下环氧树脂多层材料完成了对脆弱木质文物整体打包提取，对成组堆叠瓷器试样也进行整体打包提取，实验效果较为理想。多层材料外壳对于文物包裹的随形性，固化后的硬度、拉伸性能和弯曲强度都可以满足文物提取工作需求，能够对文物起到良好保护效果。研究者在实际操作过程中也对提取方式多次进行优化，为海洋环境水下考古发掘工作的实际应用积累了宝贵经验。

平静水域水下提取实验

根据水下考古工作需求，水下脆弱文物提取技术在2022年福建漳州圣杯屿元代沉船遗址考古发掘工作中进行了实际应用。考古调查中发现有成摞的碎裂瓷器堆积、糟朽船木和锚绳等脆弱有机质文物。对于这些特殊堆积结构、脆弱文物以及沉船内部的特殊遗迹，如采用以往水下考古的一般提取方式，势必会破坏文物结构，对脆弱文物造成损伤甚至是遗失。为此，项目组使用水下环氧树脂多层固形材料，根据文物的不同保存状况设计打包方案并进行了整体提取。

圣杯屿元代沉船遗址位于福建省漳州市古雷港圣杯屿海域，水深27−31米，海底环境表层为砂石底质，水温约为26摄氏度，水下能见度较差，多数情况下只有不足1米的可视范围。为了能以最大限度获取待提取遗存的完整信息，考古工作者使用小型水下吹泥设备对表面覆盖的泥沙进行精细清理。确定整体提取范围之后，首先使用准备好的包裹材料对文物的上表面及四周做包裹固形，随后根据文物尺寸使用拼接钢板进行底切处理。为保持水下环氧树脂在固化过程中包装材料对待提取文物包裹的紧实性，使用软性钢条在表面做随形加固并以沙土压实。待环氧树脂完全固化后，水下考古队员再次下水将包裹进行捆扎加固，最后使用吊机或浮力袋将文物提取至工作平台。

圣杯屿元代沉船水下考古提取示范

水下环氧树脂多层固形材料不仅在水下考古发掘工作中对文物起到了保护作用，同时，在将文物从工作船运输到陆地实验室的过程中也起到了文物包装箱的作用，文物保护者在实验室内完成包裹内文物的清理提取和保护。相比在水下进行的零散提取，整体打包提取后的实验室考古工作可以更为详细的记录瓷器原始的堆积状态和层叠关系，完整地保存了碎裂瓷器的各部分细小残片。对锚绳与糟朽船构件这类经过数百年的水下埋藏，已呈饱水状态，质地松软，结构强度极低的脆弱文物，水下固型提取技术也能在最大程度上保持文物的完整性。

综合这些技术创新，针对脆弱文物的水下提取工作现已做到从临时加固材料，到内部软性缓冲材料填充，再到最终的整体固形打包提取技术，全部环节都具备了相对完善的文物保护措施。未来该技术也将逐步应用于各类型水下遗存的考古调查和发掘工作中，为水下文物的提取与保护保驾护航。