四羊方尊口沿和羊角残片科学研究

       四羊方尊是我国现存商周青铜器中最大的方尊，通高58.6厘米，重约34.5千克，1938年出土于湖南省宁乡县月山铺转耳仑，现藏中国国家博物馆(图一)。四羊方尊造型奇特，花纹复杂，在尊身四角的四个羊头上，各有一对卷曲的羊角，羊头之间还有四个龙头，全器表面漆黑发亮，有明显的商代晚期风格1。四羊方尊在中国古代青铜铸造技术史上有着非常重要的地位，不少学者讨论过它的铸造工艺，认为其为泥范块范法铸造而成，采用了分铸技术。四羊方尊曾被测过合金成分，是含锡21.27%、含铅0.12%的高锡青铜2。

      据高至喜先生调查，四羊方尊是1938年由姜景舒兄弟发现，在抗日战争期间曾经消失，直到1952年重新发现，破损严重，后经修复，1959年调中国历史博物馆(即中国国家博物馆)3。1963年，宁乡县黄材炭河里遗址出土兽面纹提梁卣，卣内还有一千多件玉管，高先生至此调查和征集，同时了解到四羊方尊的出土地，又到月山铺进行调查，在姜景舒家里了解四羊方尊的出土情况，也看到了四羊方尊的口沿残片。高先生动员姜家将残片交给湖南省博物馆，但姜家不同意。高先生将此事委托当时的宁乡文物专干周佑其先生，周先生多次到姜家做工作，1977年姜家终于将口沿残片和羊角残片捐赠给湖南省博物馆。2010年，湖南省博物馆为姜景舒办理了正式的捐赠证书4。

       2015年6月，在湖南省博物馆库房对四羊方尊的口沿(图二)和羊角残片(图三)进行取样，希望通过对其显微组织、合金成分、微痕等方面的研究，深入研究四羊方尊的铸造工艺。另外，湖南省博物馆还藏有一块西周时期兽面蕉叶纹铜罍残片，也做了取样分析，结果附于文后。

       在中国科学院自然科学史研究所中国科技史综合实验室，将所取样品用丹麦Struers公司的环氧树脂镶嵌，环氧树脂与硬化剂质量比为25∶3，搅拌2分钟、静置2分钟后浇注，经一夜固化，用丹麦Struers公司磨抛机(LaboPol-1LaboForce-3)、磨抛盘及磨抛液进行多道磨抛至1微米。用德国Leica DM6000M金相显微镜进行观察并拍照；用三氯化铁盐酸酒精溶液浸蚀后，再进行观察并拍照。由于金相显微镜不易分辨细小的铅颗粒、孔洞和硫化物夹杂物，故用捷克Tescan Vega3扫描电子显微镜配合观察，所用加速电压20千伏，工作距离15毫米。在扫描电镜的背散射模式下，孔洞呈黑色，铅颗粒为白亮相，硫化物夹杂物为深灰色。

      结合金相显微镜和扫描电子显微镜，四羊方尊两件残片样品的显微组织为：

(1)四羊方尊口沿残片样品为典型的铅锡青铜铸造组织，α固溶体树枝晶，(α+δ)共析体连成网状，大量铅颗粒弥散分布在共析体中，最大的铅颗粒直径可达20微米，最小的铅颗粒不足1微米(图四、图五)。偶见细小的孔洞和细小的硫化物(Cu-Fe-S)夹杂。

(2)四羊方尊羊角残片样品为典型的锡青铜铸造组织，α固溶体树枝晶，(α+δ)共析体连成网状。部分区域有较多不规则形状、大小不一的铸造缩孔，最大孔洞长达0.5毫米，部分区域孔洞较少、较小(图六、图七)。存在少量细小孔洞，偶见细小的铅颗粒，未见有硫化物夹杂。

       使用捷克Tescan Vega3扫描电子显微镜及德国Bruker XFlash 6160能谱仪(SEM-EDS)，所用加速电压20千伏，工作距离15毫米，采集时间为100秒。采用无标样定量法，在200倍下对样品未锈蚀部位做3次面扫描，取平均值代表样品的整体成分。另外，使用北京大学考古文博学院的日本Horiba XGT-7000型X射线荧光光谱仪(XRF)，所用加速电压50千伏，束斑直径为1.2毫米，工作时间为120秒。采用有标样基本参数法，对样品未锈蚀部位做3次分析，取平均值代表样品的整体成分。

       为了监测SEM-EDS和XRF数据的质量，对两个青铜标样5在上述条件下进行分析，发现SEM-EDS测含量高于2%的合金元素相对误差一般低于10%，测标样32XSN5B的铅含量(1%)相对误差较高；XRF所测数据质量类似，但测32XSN7A的铅含量相对误差竟接近100%。由此可见，对于含量高于2%的合金元素，SEM-EDS所测得数据较为可靠；而对含量不足1%的合金元素，可以参考XRF所测数据。

       因此，根据SEM-EDS结果，四羊方尊羊角残片为含锡19.5%、铅4.6%的铅锡青铜；而口沿残片为含锡19.1%的锡青铜，XRF测得铅含量为0.15%(表一)。

       微痕分析方法在石器研究领域已经有非常广泛和成熟的应用，根据其所用设备和放大倍数的不同，一般可分为“低倍法”“高倍法”和“电镜法”6。青铜器微痕的成因更加复杂，涉及铸型工艺、浇铸成形、铸后加工、埋藏流传及后期干预和锈蚀等方面。学界在这方面的探索才刚起步。关晓武、孙烈等运用体视显微镜的“低倍法”对湖南省博物馆藏的兽面纹大口铜尊、虫纹铜铙和楚公铜戈上微痕信息进行了采集和分析7。李秀珍等使用硅橡胶翻模法把秦始皇兵马俑坑出土青铜兵器上的刻铭和铸后加工痕迹印在橡胶模上，运用扫描电子显微镜的“电镜法”观察硅橡胶模上的印痕，研究了当时錾刻、锉磨和打磨的技法及所用的加工工具8。

       本文使用3M轻体硅橡胶印模材料对四羊方尊口沿残片右下角的云雷纹(图二)进行翻模，使用Tescan Vega3扫描电子显微镜在背散射模式下对橡胶模进行观察，所用加速电压为15千伏。观察发现口沿上云雷纹的特征为典型的铸造形态，纹饰局部有缺失，线条之间偶见连接和干涉现象；整个纹饰下凹线条的宽度较为一致，应与制作工具的截面宽度有关；纹饰的底面平整，侧面有断续、锐利、分层的加工痕迹，并存在较为一致的方向性，上端面与口沿素面平齐，可见较多细密的平行短线(图八、图九)。根据这些特征，初步判断口沿上的云雷纹为模作纹，是在素面上利用减地的手法制作的，器物在铸造完成后对整体或局部进行了打磨处理。另外，利用扫描电子显微镜的三维成像功能，合成了局部区域的三维模型(图十)，并在此基础之上测量了纹饰的深度，为0.35～0.5毫米(图十一)。

       此次尝试为解决商周青铜器表面纹饰模作还是范作这一学界关注的重要问题提供了思路。以上分析尚很粗浅，我们将在今后的研究中，结合其他手段，进一步推进青铜器制作技术等方面的探索。

04• 有关铸造工艺的讨论 •

四羊方尊由于其造型复杂，一开始被认为不用失蜡法无法铸成9。1978年《中国冶金简史》一书否定了失蜡法一说，发现其上有明显的范缝、错边、垫片等范铸痕迹，尊是倒过来浇铸的，羊角和龙头为先铸10；贝格立先生(Robert W.Bagley)认为四羊方尊的羊角和羊耳是先铸的，而龙头是后铸的11；凌业勤先生认为“最先铸成卷曲的羊角，嵌入羊头铸型内，铸成带角的羊头；整个羊头和龙头同时嵌进尊体的铸型内，即浇成完整的四羊尊”12；华觉明先生观察到羊首和羊角、蟠龙和器壁的接合处均有前者覆盖于后者之上的痕迹，认为“羊角是先铸的，嵌入范内，与羊首铸接，蟠龙则在尊体铸就后再于肩部铸接”13。另外，与四羊方尊风格类似的两件双羊尊，一件现藏大英博物馆(图十二)，一件现藏东京根津美术馆，它们可能来自湖南。王全玉对大英博物馆藏双羊尊作X射线探伤分析发现，羊角是先铸的，再嵌入器身的范中，与羊头铸接，而羊头和器身是一体铸造的(图十三)14。

       从四羊方尊口沿和羊角残片的显微组织和合金成分来看，羊角和器身都是铸造成形，羊角是铜锡合金，而器身是铜锡铅合金，两者采用了不同的合金配比，说明羊角和器身不是一次性铸成的，而是分铸的。根据前人对四羊方尊表面范铸痕迹的观察以及大英博物馆双羊尊X探伤分析结果，可以判断四羊方尊的羊角为先铸。但是，前人对四羊方尊羊耳和羊头是否先铸、龙头是先铸还是后铸，有不同的看法。弄清四羊方尊的分铸技术，还需要借助于X射线探伤或CT技术。

      有关四羊方尊的合金成分，高至喜先生曾报道四羊方尊含铜7 6.9 6%、锡21.27%、铅0.12%17。该数据为北京钢铁学院(现北京科技大学)于20世纪七八十年代对四羊方尊取样做的化学分析，取样部位不清18。从本文对四羊方尊口沿和羊角残片的成分分析结果来看，其口沿含锡19.5%、铅4.6%，而羊角含锡19.1%、铅约0.1%，说明高至喜所给的四羊方尊的成分可能来自羊角部位。这次所测口沿和羊角残片的锡含量约为19%～20%，相对于之前测的21.27%略低，可能是由于分析部位不同导致成分略有差别，也可能是分析方法存在误差造成的。

      虽然四羊方尊有独特的动物造型，但学界一般认为其装饰风格和铸造工艺与中原地区殷墟二期以后(含二期)的铜器相似，采用了中原地区的铸造工艺19。从成分上看，四羊方尊的合金成分与殷墟二期的妇好墓等贵族墓出土部分青铜礼器十分相似，多为高锡青铜合金20。通常青铜容器的锡含量在5%～15%之间较为合适，当锡含量超过18%时，锡青铜变得硬脆，这种高锡青铜一般适于制作兵器、刃具和铜镜等21。妇好墓等贵族墓部分青铜礼器使用高锡青铜，并不是出于铸造性能上的要求，而是由于当时锡是非常贵重的资源，贵族用高锡青铜作为其身份的象征22。四羊方尊采用高锡青铜，说明这件器物是商代晚期贵族使用的重要礼器，从合金成分的角度肯定了四羊方尊为殷墟二期或稍晚时期的器物，可能使用了殷墟的铸造技术。

      四羊方尊口沿和羊角锡含量类似，但是铅含量不同。对于青铜容器而言，一般会加入一定量的铅，以提高铜液的流动性和充型性，利于铸得表面光洁、纹饰精美的铜器。先铸的羊角未加入铅，存在较多铸造缩孔；而口沿部位(即器身)加入了少量的铅(约4%～5%)，几乎未见铸造缩孔。这可能意味着，铸造四羊方尊的工匠在配置器身和口沿的合金时选用了同样的铜锡比例，在铸造器身时有意识地加入了少量的铅，以提高其铸造性能，但是在铸造羊角时未加入铅，导致存在较多铸造缩孔。如果说古人是有意在铸造羊角的时候不加铅的话，那么可能就是为了让先铸的羊角有较高的熔点，与器身铸接时不至于熔化。不过，有的学者还认为羊角先铸、再铸接入羊头、羊头最后铸接入器身23，若真如此，需要知道羊头的合金成分，才能讨论不同铸接部位合金选择是否有规律的问题。

      兽面蕉叶纹铜罍残片(图十四)样品为典型的锡青铜铸造组织，α固溶体树枝晶，(α+δ)共析体连成网状。存在较多不规则形状、大小不一的铸造缩孔，最大孔洞长达0.3毫米。在共析体中有较多细小的铅颗粒和孔洞，偶见细小的硫化物(Cu-Fe-S)夹杂(图十五)。该样品SEM-EDS分析结果为含铜82.0%、锡17.7%、铅0.3%；XRF分析结果为含铜80.19%、锡18.78%、铅1.04%。

       [附记：本文是“湖南省博物馆藏商周青铜器技术研究”课题的阶段性成果之一，课题成员包括湖南省博物馆傅聚良、刘亮、李园、吴小燕和袁鑫，中国科学院自然科学史研究所苏荣誉、关晓武、孙烈、吴世磊和周文丽，北京大学考古文博学院胡东波教授和首都博物馆赵瑞廷先生，以及研究生谭鑫刚和李钟天。感谢湖南省博物馆提供四羊方尊口沿和羊角残片样品，感谢苏荣誉先生从取样、分析到数据解读的指导，感谢傅聚良、韩汝玢、王全玉、廉海萍、刘煜、崔剑锋、孙烈、张吉等在本文成文过程中的帮助。]