考古现场发掘重设无氧或低氧模拟方案设计

郭姜++董瑞瑞++孙华蓉++于永平

[摘要]本文主要通过模拟实验以及案例分析，介绍氧气对纸质文物和青铜钱币两类文物的影响。并通过查找资料，简述国内外运用的一些创造无氧或低氧环境的技术手段，以期对减少氧气对文物的不利影响有所帮助。

[关键词]考古发掘；文物保护；模拟方案

本文为西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目成果，项目编号：201610742022。

随着近年来，每年都有重要的考古发现展示在世人面前，为考古学、历史学等相关学科的研究不断补充新的内容。众所周知，人类在历史进程中创造的这些遗存，不少已毁灭消失，保存下来的仅是一小部分，有的还埋在地下未被发掘，有的已经因为人为破坏不得不发掘。但发掘出土的文物在出土瞬间因温湿度等环境的改变，腐朽速度加快，从而不易于文物信息的收集。

一、选题目的意义及范围

本选题通过模拟实验，探讨氧气对出土文物的不利影响，分析减少文物在出土前后受到的不利影响的方法，从而使文物能够更好的发挥其价值。在选题研究的范围上，根据材质分类，本实验选纸质文物与青铜钱币作为实验材料。因为它们具有便宜易得、操作简单等优点。此次模拟实验的主要目的是为案例的研究提供实验基础。

二、氧对文物的间接危害

当文物埋藏在地下密闭的土壤环境时，土壤团粒之间挤压密实，不存在能够传输氧气的通道，文物基本处于无氧或低氧状态，因此腐蚀反应会得到极大的延缓。随着文物出土发掘，接触到大气环境，在没有任何保护的条件下，大气中的氧气和水分直接接触文物表面，促使一系列腐蚀反应发生，导致文物出现腐蚀等病害。1氧气还可充当催化剂，加快Cl-、SO42-等离子对青铜器及铁质等文物腐蚀反应的速度。另外，氧气也会在光的作用下影响纸质文物。纸质文物的纤维素、半纤维素与木质素在光氧化反应的作用下会发生断裂，纸张的色度也会受到影响。2

（一）氧对青铜钱币的危害

常温干燥环境下，青铜钱币中的铜不与氧气发生反应，但在潮湿环境下，尤其是在有Cl-离子存在时，铜的氧化锈蚀速度极快，会在青铜钱币上形成层状结构的锈蚀。当继续处在潮湿的环境下，水将钻入到锈层内部后反应生成盐酸。若接触到铜的本体时，在氧的作用下又发生化学反应，使表面铜体进一步受到腐蚀，形成新的氯化亚铜。经过上述反应，铜逐渐经过CuCl阶段而转化为Cu2O，继而生成碱式碳酸铜。青铜钱币上一般会有年号或花纹等，若经过上述的反应，便失去其历史、艺术价值。3

（二）氧对纸质文物的危害

古代纸质文物的原材料一般都是植物纤维，而植物纤维的细胞壁主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。这三种主要成分都易水解，从而破坏纸张结构，同时强度也会受到影响，使纸张变脆。另外，木质素易氧化，尤其是在光的照射下，氧化更快。木质素氧化后变脆是纸张发黄变脆的主要因素。所以说，常温干燥环境下，纸质文物受氧气的影响不大，但当纸质文物处于潮湿、含酸且有光的环境下，纸质文物受到侵蚀的速度更快。

三、模拟实验设计

文物一般常年埋藏在地下，已达到相对稳定的状态。在发掘的过程中，一旦暴露在另一个环境中，打破了原来所处的平衡环境，文物很快受到二次严重伤害，尤其是金属类文物和有机质文物。在本研究中，除了查询资料外，还采取了模拟实验。主要是针对文物临时储存环境做了简单的实验。在这个实验设计中，利用控制变量法来达到实验效果。主要的变量是有氧和无氧氛围，其他的条件只是辅助作用。

（一）实验方法

实验原料：在现有的实验条件下，此次模拟考古发掘现场的实验选取青铜钱币、报纸、宣纸和A4纸作为实验材料。

实验设备：MIT纸张耐折度测定仪；CM-700d分光测色计，日本柯尼卡美能达。

1.青铜钱币腐蚀模拟实验

实验一：制作常温、高湿、含氯、酸性条件、氧化气氛环境。在干净的玻璃干燥器的底部先后放入盛有过氧化氢溶液、碳酸氢钠溶液、盐酸溶液、烧开的蒸馏水的四个小坩埚。再用滴管滴几滴碳酸氢钠溶液于过氧化氢溶液的小坩埚，在装有碳酸氢钠溶液的小坩埚中滴几滴盐酸溶液。盖紧干燥器盖，置于室内自然环境中，并在玻璃干燥器外做好标签。观察两周，拍照记录。

实验二：制作常温、高湿、含氯、酸性条件、无氧气氛环境。在实验一基础上少加一个盛有过氧化氢的小坩埚。

2.纸质文物腐蚀模拟实验4

实验三：制作常温、高湿、酸性条件、氧化气氛环境。在干净的玻璃干燥器的底部先后放入过氧化氢溶液、盐酸溶液与烧开的蒸馏水的三个小坩埚，再用滴管滴几滴碳酸氢钠溶液于过氧化氢的小坩埚，盖紧干燥器盖，置于室内自然环境中，并在玻璃干燥器外做好标签。观察一周后取出，晾干。测量数据。

实验四：制作常温、高湿、酸性条件、无氧气氛环境再实验一基础上少加一个盛有过氧化氢的小坩埚。

（二）实验结果与分析

1.实验前后青铜钱币与结果分析

（1）实验前

通过上述图片可以看出，在有氧环境下，青铜钱币的腐蚀面积较实验前和无氧环境下的大，而在无氧环境下，基本和实验前时的钱币相似，没多大的变化。

2实验前后纸张性能检测与结果分析

（1）纸张色度检测

纸张纤维的变化会表现在纸张的颜色上，因此可以通过纸张颜色的变化分析纸张性能的影响。颜色可以用L、a、b来表示。其中，L表示明度，a、b表示颜色，a表示红绿，b表示黄蓝，△E为NBS色差单位。通过测出各材料的L、a、b值来分析纸张性能的变化。

经色度检测可以看出无论是在实验前还是试验后这三种纸的明度都较高；就颜色的黄蓝而言，据数据显示，经过有氧氛围后A4纸的偏蓝程度减弱，报纸由原来的偏蓝逐渐偏黄，宣纸的偏黄程度增加；无氧或低氧氛围数据显示这三种纸与实验前的黄蓝程度大致相同。从NBS单位的感觉值来看，实验三中的色差感觉值基本都为可觉察，而实验四的色差感觉值基本為轻微，表明氧气的含量对纸质文物有一定的影响。

（1）纸张耐折度测定6

从实验数据中可以看出不同的纸质在相同作用力下，耐折度不同；相同的纸质在不同氧气含量的环境下保存一段时间后，在相同的作用力下，耐折度也不同。而考虑到折叠次数小于10或大于10000时，数据的准确性会降低，故分别挑选一种适合这三种纸的作用力，以便更好的测量与分析。通过对不同纸张与相同纸张的比较，试验后纸张的耐折度均有不同程度地降低，表明氧气含量会影响纸质文物的机械性能。

（三）小结

据上述的实验现象和数据证明，有氧和无氧的氛围对文物的影响不一样。因此，在考古发掘时，临时环境的制作是非常有必要的。在制作的过程中，需要仔细的勘测所处遗迹的环境，尽可能做到相似，尤其是影响文物的因素。最重要的是临时环境的密闭性。

四、案例研究

在我国博物馆等相关机构中，文物低氧或无氧保存运用的相对广泛，例如北京房山云居寺“石经回藏”就是运用氮气库技术实施低氧环境来保护石经的。当然，还有一些案例是使用除氧剂或其他有关化学试剂来控制氧气含量，这为延长文物寿命提供有利的帮助。7

而在考古发掘现场，使用低氧或无氧技术的案例并不多，江西西汉海昏侯墓建立低氧工作仓可以说是国内首例。它在考古发掘中运用了低压氧仓文物保护设备等大量高新技术，即使用研制出的“移动式低氧气体工作站”“低氧工作室”、“低氧储藏柜”等高新技术，来制作出用于发掘现场文物临时保护的低氧链系统及成套设备。8其中的低氧工作站的设计为本研究提供了实践基础。9

因此，在考古发掘现场，大面积的低氧处理可以参考海昏侯墓发掘现场，而小面积的无氧、低氧处理可以制作一个小环境，根据不同的文物用物理或化学的方法制作出相应的小环境，关键是密封的处理。

五、结语

通过相关资料以及实验可以看出，氧气对于出土文物会产生影响，但是单一的氧气因素对出土文物的影响不大。一般情况下，会与温湿度、光、霉菌、空气中的其他有害气体等一起作用于文物，使文物因这些环境的变化而被破坏。就氧气而言，氧的分子结构决定了其化学活性较强，与其它元素结合时，氧原子和氧分子都可以作为形成化合物的基础。因此，对文物材料，尤其是金属文物和有机质文物有较为显著的氧化作用，从而引起文物材料微观等结构的变化。

因此，对于考古现场文物来说，在最短时间内将刚出土的文物放置在缺氧环境中保存，即临时环境的制作，能够最大程度避免文物因所处环境骤变带来的破坏。

[注释]

18周华华：《低氧工作间在国内考古工作中首次使用》，《中国文物报》，2015年11月20日第9版；郭宏、赵静：《氧气（O2）对文物材料的劣化作用》，《文物保护与考古科学》，2006年第4期，第55～59页。

2王成兴、王蕙贞、尹慧道：《文物保护技术》安徽大学出版社2005年版，第 页；《文物保护技术》，文物出版社2009年版，第 页。

3郭宏、周浩、祝鸿范、蔡兰坤、王蕙贞、朱 虹、宋迪生：《文物保护环境概论》，科学出版社2001年版，第100～101页；《铁器文物脱盐清洗溶液中硅酸盐缓蚀性能的研究》，《文物保护与考古科学》，2002年第14期（增刊），第51～62页； 《秦汉铁器锈蚀机理探讨及保护方法研究》，《文物保护与考古科学》，2003年第1期，第7～11页。

4实验三和实验四实验前的数据一样，且在实验操作时，实验三和实验四的材料需一一对应，以便试验后数据的分析。

5黄敏：《纸张白度的测定及色差的控制方法》，《中小企业科技》，2002年第11期，第21～22页。

6本实验每一种纸做五组实验，求出平均值，减少偶然误差。

7陈菲：《低氧技术在档案有害生物控制领域的应用》，《档案事业改革与创新——2013年全国青年档案工作者研討会论文集》，2013年；