四 科学技术与二里头文化研究

考古学是人文学科中与自然科学关系最为密切的一门学科。考古学自其产生之日起就与自然科学有着不解之缘。众所周知，考古学的两大基本方法论地层学（或者“层位学”）和类型学（或称“标型学”）都是借鉴有关自然科学的理论方法而建立起来的。考古地层学是移植了地质学中的地层学理论并加以改造而形成的，而考古类型学则是从生物学中的生物分类方法中获得了借鉴，将其应用于人类文化遗存的分类，也同样在进化论思想指导下，研究其发生、发展、变化与消亡的规律。在考古学发展历史上，自然科学不同学科的理论和方法都或多或少地引入考古学，从田野调查、发掘到研究的各个环节都能看到自然科学和技术的巨大作用。在二里头文化以往的考古发掘和研究中，自然科学技术的应用主要体现在科学测年、地域考古及考古勘探等方面。下面分别简述之。

（一）自然科学测年技术与二里头文化研究

考古学对于历史研究的最大的贡献，在于其重构古代社会（尤其是史前时代和原史时代）的时空架构方面。根据地层学和器物类型学方法，考古学能够将复杂的古代遗存整理出先后次序，为认识同一文化的不同发展阶段的特征及其发展演变规律、不同文化或遗存之间的因果关系提供必要的前提。但是，地层学和类型学方法也有其难于克服的局限性。第一，它只能应用于同一文化或相近文化的分布范围以内，或者遗存面貌有一定程度的相似性。如果两个文化相距较远，文化遗存的面貌又十分不同，既没有相互叠压或打破的地层关系，便无法进行类型学的对比，因而也就无法确定其相对年代顺序。第二，地层学和类型学研究结果所表示的年代只是相对早晚关系，不能说明两者相隔多长的时间。可以相差很多年，也可能只隔很短的时间。对于缺少文字证明的古代遗存，也难以判断其距现在的年代到底有多少。要克服这一缺陷，唯一的途径就是通过对绝对年代的研究，而进行绝对年代的研究又必须依靠自然科学的理论和方法。19世纪以来，随着自然科学各学科的飞速发展，在物理学、化学及生物学有关原理的指导下，科学家们发明了古地磁法、裂变径迹法、热释光法、电子自旋共振法、钾—氩法、铀系法、树木年轮法、氨基酸外消旋法、放射性碳素（即碳十四）断代法和加速器质谱法等多种测定物质绝对年代的方法。有了自然科学测年方法的帮助，考古学家终于能够得到其梦想的绝对年代了。

在上述测年技术中，对考古学而言意义最重大的当推放射性碳素（即碳十四）测年技术了。1949年，美国科学家利比（W.F.Libby）创建了碳十四测年方法，应用于考古、地质断代获得成功^[134]。这一重要成果受到世界各国的重视，并纷纷建立碳十四测年实验室。它使考古学对年代的描述从定性叙述变为定量表达，堪称考古学的一场革命。中华人民共和国成立后不久，夏鼐于1955年首先在《考古通讯》上详细介绍了碳十四测年方法的原理和应用，紧接着亲自筹划和指导建立中国自己的碳十四测年实验室^[135]。1965年，中国科学院考古研究所碳十四实验室终于建成，并成功地测出了第一批比较可靠的考古年代数据^[136]。“文化大革命”结束后，北京大学考古学系实验室和地质方面的研究所等多家单位也先后建起了碳十四实验室，测出了更多的考古年代数据。

碳十四测年技术在二里头文化考古研究中起了非常巨大的作用。首先，夏鼐根据一批碳十四测年数据，初步建立起了我国新石器时代文化遗存的绝对年代框架。二里头文化的绝对年代，上接新石器时代晚期，下延至青铜时代初期，正好能够与文献记载中的夏商历史对应起来，从而为判断二里头文化是夏文化或商文化提供了坚实的依据^[137]。其次，所有参与二里头文化性质讨论的研究者，无论持何种观点，在论证时都无可避免地使用碳十四测年的结果作为其论据之一。

在国家九五科技攻关项目“夏商周断代工程”中，专门设置了“碳十四测年技术的改进与研究”课题，并在此课题内设置了三个专题：常规法技术改造与测试研究；骨质样品的制备研究；AMS法技术改造与测试研究。专家们经过艰苦努力，将常规碳十四测年法与加速器质谱法结合使用，很好地完成了“工程”布置的测年任务，为夏商周年代学框架的建立做出了贡献。“夏商周断代工程”测定了一批二里头文化的碳十四样品，包括二里头遗址、王城岗遗址、南寨遗址和郑州商城洛达庙类型文化的样品。对二里头遗址采集的系列含碳样品进行了年代测定和拟合，并与考古分期成果相整合，初步推定出二里头文化各期的绝对年代范围。已经公布的数据共18个，分别为二里头遗址一到四期的含碳样品所测得^[138]。新的测年结果较之三十年前的数据更丰富、更精确，虽然还不能将二里头文化绝对年代之说定于一尊，也无法决定二里头文化到底为夏还是商，或者哪一部分是夏是商，但对于考古学研究而言，具有思想上和方法论上的促进作用。

（二）二里头文化的地域考古学研究

所谓地域考古学，即文化遗物（或者其制作原料）的空间属性研究，就是利用现代自然科学技术对古代文物进行分析，提取其中的潜信息，结合考古学理论和背景知识，探讨考古遗物的产地和矿料来源，并进而探讨人们共同体内部及不同人群之间相互关系，研究古代人类社会历史的一门科学^[139]。从研究领域和研究方法看，它是科技考古学的重要分支，因而也是考古学的重要分支学科。二里头文化的遗物包括了铜、石、玉、陶（及原始瓷）、骨、蚌、漆木器等，其中有些是本地取材制造的，有些则是通过贸易、纳贡或战争掠夺的形式得到的外部产品，有些则可能是用外地材料在本地制造的。运用考古类型学的方法虽能在一定程度上对文化遗物空间属性及有关问题进行探讨，但毕竟有很大的局限性。例如，单凭经验对器物形态和装饰风格进行观察，推论结果带有不确定性。外形相似的物品，其产地来源却未必相同。对器物的矿料成分、产地来源等，无法凭经验获知，必须依靠科学的仪器和方法来检测，寻找特征性“指纹”信息，方有可能得到正确的认识。从大范围看，二里头文化的青铜器、玉器、白陶器、硬陶（或原始瓷器）等高等级物品或者其原料很有可能是从远方输入的，反映着二里头遗址（文化）同东、西、南、北各方的关系。从小范围看，二里头遗址数量最多的文化遗物陶器以及工艺技术水平最高、最具划时代意义的青铜器，其生产、分配、流通及使用等环节也都包含了巨量的文化信息。所以，把自然科学的方法与考古学的类型学等相结合，才能最大限度地发掘出文化遗物中所蕴含的信息。以上这些都是地域考古学研究的范围。已经开展过的二里头文化地域考古研究中，较为重要的是青铜器和印纹硬陶两方面的工作。

1.青铜器矿料来源与产地研究

二里头遗址出土了我国最早的一批青铜容器爵、斝、盉、鼎及生产工具和武器等，从而证明二里头文化是目前可以确认的中国最早的青铜文化。二里头文化青铜器上承新石器时代晚期（或铜石并用时代）文化，下启商周灿烂的青铜文明，在青铜文化史上占有极为重要的开创者的地位。因此，对二里头文化铜器进行全方位、多角度的研究具有恒久的学术意义。自然科学技术在青铜器矿料来源研究中的方法主要有两种：一是铅同位素比值示踪法；二是微量元素示踪法。有关学者曾经对二里头遗址60余件铜器作了铅同位素分析，对其中的13件进行了金属成分分析。分析结果发现，二期的1件铜锥是砷铜制品，而砷铜是古代两河流域及欧亚大陆青铜文明早期常见的合金类型。同位素分析表明，第二、三期的矿料来自同一产地。由微量元素组成水平大致相似，推测其冶炼及熔铸技术基本相同。已经分析过的器物中没有发现铜铅合金类型。对第四期铜器的分析发现，晚期已经流行高铅含量的铅锡青铜合金。由第四期铅同位素比值特征与二、三期的差别推测，约在三、四期之间二里头遗址制铜原料的来源发生了变化。供应二里头遗址铸铜原料的矿产地相对集中，其中二、三期基本上集中于一地，四期也基本上集中于一地^[140]。

以上成果对探讨二里头时代中国青铜生产技术工艺及不同地区文化间交流关系均具有重要意义。

2.陶瓷产地与矿料来源

古陶产地研究是利用现代自然科学技术手段，通过对古陶瓷的胎釉结构及化学成分的测定分析，得到有关古陶产地和矿料来源的信息，并结合考古学背景，探讨古代陶器的生产、传播、贸易、交流等文化内涵和社会问题，为探索古代人与自然界、人与人之间相互关系，寻找历史真相提供科学和定量的依据^[141]。因此，进行古陶产地研究是考古学研究的重要方面。二里头遗址陶器的自然科学研究工作也已经开展，中国科学院上海硅酸盐研究所和二里头考古队合作，对二里头遗址的7个陶瓷样品进行了化学分析、显微结构分析和物理性能测定，结果发现，其中5个样品的烧成温度达1160℃左右，可判定为硬陶（或原始瓷）。结合其他信息，判断其可能产自浙江、江苏一带。另外两个样品为普通软陶^[142]。王增林等对二里头遗址出土的72件不同文化期的陶器残片，运用中子活化分析技术测试了微量元素和痕量元素，采用分层聚类和因子分析方法对元素含量数据进行了归类研究，发现若干器类胎土变化的规律，而若干具有外来风格的陶器，是用本地原料生产的^[143]。显而易见，对陶瓷器及其他遗物运用产地分析方法进行研究，可为复原当时社会不同地区之间的交流关系提供极有价值的信息。

（三）其他自然科学技术在二里头文化考古中的应用

自然科学技术在二里头文化考古研究中的应用除了以上所述之外，还有诸如考古物探、环境考古和制陶工艺等方面。

在我国，最常使用的考古勘探方法是铲探法，即通过人力将探铲垂直向下打孔，观察不同深度土层、土质、包含物的变化，借以判断地下遗迹现象的方法。这种方法的优点是简单易行、费用较低且准确性高。不过，其缺点也是显而易见的。人力打探孔效率较低，即使是熟练技工每天也只能打为数不多的几个到几十个。如果碰巧打在石头上或较厚的沙土层，这个探孔就废了。因此，对规模较大的遗址的钻探任务，单凭人力很难在短期内完成，若要了解大范围遗迹的分布情况的则更是无能为力的了。地球物理勘探是将物理学的理论和技术应用于地质调查的技术。由于考古学与地质学在某些方面的相似性，将地质调查和勘探方法应用于考古学成为必然，其中高精度的磁法、电法勘探技术等皆曾成功用于考古勘查。1990年，二里头考古队与河南省地矿局、新乡物理探测队和澳大利亚专家合作，对二里头遗址了物探考古调查。他们先使用澳大利亚研制的仪器来探测地下遗迹，再根据探测结果反映出来的遗迹现象，运用铲探法予以验证，结果发现了大面积夯土，并在夯土上发现一座二里头文化墓葬^[144]。

环境考古工作者对二里头遗址所在的洛阳盆地的古代土壤沉积、河道变迁、地形地貌、植被和动物群的研究，为我们了解二里头文化的形成与二里头都邑的出现，提供了极为重要的环境解读^[145]。

杨杰对二里头遗址的动物遗存进行了研究，在全部可鉴定的22116个标本中鉴别出45种动物，其中绝大多数为野生动物，狗、猪、黄牛、山羊和绵羊等五种是家养动物。家养动物虽占动物群种类的九分之一，但个体数量比例加起来却占大多数，达到75%。猪、牛、羊、梅花鹿是四种主要的肉食来源动物，其中以猪为最^[146]。赵春燕等人运用锶同位素分析方法，对二里头遗址的猪、羊和牛三种主要家养动物的产地（饲养地）进行了探索。研究发现，猪是本地饲养的；羊和黄牛的情况稍复杂：二期的羊有从外地来的，三期以后多数为本地饲养；黄牛自二期至四期一直存在着本地和外来两种来源^[147]。

赵志军对二里头遗址出土的植物遗存进行了研究，发现了粟、黍、稻、小麦和大豆五种农作物。从数量上看，以粟最多，占总数的二分之一以上；其次为稻，约占总数的三分之一，是一种较特殊的现象，既有可能是中原地区稻作产量较高，也有一个可能是，稻作为贡品从其他地区运来。小麦的发现，再次证明二里头时期我国已经种植此种最早源于西亚的农作物^[148]。

张雪莲等对二里头遗址人骨进行了碳十三、氮十五分析，据以推断二里头人的食谱。研究发现，二里头文化人群以C4类植物为主食，很可能是小米；也有少量C3类植物的食物来源（水稻和小麦等）。有两例氮十五比值较高的，可能该人生前食肉量较多^[149]。

土壤科技工作者对二里头遗址古代土壤化学成分含量及其变化情况作了研究，研究区域内的土壤化学成分受到人为活动影响，有机碳、全磷和有机磷含量明显，元素含量比值发生了变化。这个结果反过来说明，该区域为古代人类活动区域^[150]。

吴瑞等对二里头遗址一批陶器进行了微观结构、晶相组成、材料性能和烧成温度等多项测试，认为二里头陶器烧制可能出现由分散到集中的过程，部分表面光滑的陶器，并非涂刷什么材料而是打磨处理的效果，部分器物内表面附着的富镁方解石结晶物可能是水垢，可能为方解石，也可能是制盐残存^[151]。鲁晓珂等人对二里头遗址出土的白陶、印纹硬陶和原始瓷的化学组成、烧成温度和晶相组成等进行了测试分析，以此为据对其制作工艺进行了研究，得到的认识是，这些特殊陶器的胎料属于瓷石类型，不同于普通陶器胎料；原始瓷烧成温度在1100℃，白陶的烧成温度在900℃—1000℃之间；白陶颜色深浅不同是由于陶胎内三氧化二铁含量不同造成的^[152]。

李延祥等人运用扫描电镜等方法对二里头遗址出土的熔铜坩埚、炼渣等冶铸遗物进行了观察分析，确认了几个重要的事实：炉渣都是配制冶金时产生的熔渣而非由铜矿石炼铜的冶炼渣；坩埚有多次熔炼修补的迹象；同一坩埚不同炉次熔炼的合金成分有别，所熔炼的种类有红铜、砷铜、砷锡铜、砷锡铅铜、锡铜、铅铜和铅锡铜等多种。这一研究结果超出了人们以往对青铜器合金配比的认识，大大深化了对二里头青铜冶铸技术的了解^[153]。陈建立和刘煜对二里头遗址出土的36件冶金标本进行了检测，确认其中30件铜器和6件铜渣。经过合金检测的22件标本中，有纯铜、砷青铜、锡砷青铜、铅锡砷青铜、锡青铜和铅锡青铜等6种，合金配比的不稳定情形，显示出青铜文化早期阶段的技术特征。砷青铜的存在，则提示研究者注意中原地区青铜冶金技术与西北地区的关系^[154]。

邓聪等学者对二里头文化玉器（包括绿松石）作了观察分析，判断出闪石玉圭和石钺上的装柄痕迹，和一些玉器上的片切割、锯切割、琢制、管钻孔和研磨抛光等技术证据及技术体系。他们还对绿松石片、珠、管的制作工艺进行了复原研究^[155]。