珊瑚岛一号沉船遗址石质文物清理技术探讨

□ 王昊 万鑫 张治国 席光兰

序言

珊瑚岛位于中国西沙群岛永乐环礁的西北部，清末宣统元年（1909年）李准巡海时发现此处珊瑚极多，因此名之珊瑚岛。最早在上世纪70年代，渔民在其附近海域发现有石质文物，1996年西沙水下普查时发现并确认了该水下遗址，命名为珊瑚岛一号沉船遗址。2015年，国家文物局水下文化遗产保护中心与海南省文物局联合对其进行正式的水下考古发掘。

珊瑚岛一号沉船遗址以石质文物和瓷器碎片为主要堆积，石质文物包括建筑构件、石像和生活用具三类，这些文物为研究古人在南海海域的生产、生活等社会活动提供了实物依据。从珊瑚岛一号沉船遗址的文物类型、价值、水深、水质及现有旅游基础条件等多方面因素来看，该遗址具有良好的水下原址保护与展示利用的条件，有必要对其进行科学的保护，充分揭示、展示文物价值，然而由于长期埋藏于海洋环境当中，石质文物表面多被各类海洋凝结物和海洋生物所包裹，有些文物被珊瑚砂掩埋而只露出少许，对于遗址保护和利用的首要任务则是遗址水下石质文物污染物病害研究及清理保护工作。

一、石质文物保存状况调研

珊瑚岛一号沉船遗址发现的石质文物共274件，主要为石质建筑构件，有255件；另有石像10件、石质生活用具9件。这批石质文物在石材、规格、雕刻技艺、造型、装饰风格及功用上都非常相近，其中建筑构件里的雕花石板、雕花圆形石柱等文物，根据其纹饰形制等信息可判定制作时代为清晚期；石像的衣着纹饰等虽为明代人物风格，但此类雕像的制作一直延续至清晚期，而文物所用石材相近，因此可将文物的制作时代定为清晚期[1]。

这些石质文物在珊瑚岛一号沉船遗址东西宽50米、南北长142米的范围内皆有发现。大部分遗物分布在珊瑚岛东北部礁盘的北部，东北部礁盘的南部仅发现11件石质类文物及少量散落瓷片。礁盘南部的11件石质类文物呈南北向线性分布，延伸分布长度达12米，主要有石板和石条二类。东北部礁盘北部的石质类文物散落面积较大，主要集中分布于二条东北—西南向的冲沟内和冲沟之间的海床表面，冲沟内多为石板、石条、石像，而冲沟之间的海床表面多为石板、石条、石像、石柱等。

图一 水下石质文物叠压堆积情况

表1 珊瑚岛一号沉船遗址石质文物状况

表2 珊瑚岛海域水质检测离子浓度

根据遗址水下石质文物保存现状调查的统计，这批石质文物的分布在珊瑚礁的海床和冲沟当中各占一半，其中有三分之一的石质文物存在叠压情况（图一），会对文物清理工作造成一定的影响。石质文物表面污染物主要为海洋生物污损、钙质沉积物和海洋藻类等生物造成的色斑污染，数量上看，几乎所有的石质文物表面都覆盖有钙质沉积物和色斑污染，有超过100件的文物表面生长有珊瑚为主的海洋生物。

二、埋藏环境与污染物病害

1.珊瑚岛一号沉船遗址环境概况

珊瑚岛一号沉船遗址海底为板结较硬的珊瑚和珊瑚砂，有少量低矮的礁石，海床高低起伏不平，水深不一。遗址生态系统水环境pH值为8.10，盐度为3.58×104mg/L，溶解氧含量为7.8mg/L。以μg/L 为单位检测沉积物，其中 Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As均未检出，表明珊瑚岛一号沉船遗址沉积物质量良好，是健康状况非常好的生态系统。

图二 文物表面生长的各类珊瑚

在遗址内共调查到珊瑚种类13种，包括疣状杯形珊瑚（Pocillopora verrucosa）、多曲杯形珊瑚（P.meadrina）、鹿角珊瑚（Acropora）、巨锥鹿角珊瑚（A.monticolusa）、多孔鹿角珊瑚（A.millipora）、简单鹿角珊瑚（A.austera）、细枝鹿角珊瑚（Acropora cerealis）、橙黄滨珊瑚（Porites lutea）、板状多孔螅（Millopora）、角蜂巢珊瑚（Favites sp.）、黄廯蜂巢珊瑚（Favia favus）、秘密角蜂巢珊瑚（Favites abdita）和菊花珊瑚（Montastrea sp.），均为国家二级保护野生动物。在科级组成中鹿角珊瑚科和蜂巢珊瑚科为科级优势类群[2]。然而人为干扰，导致不同海域珊瑚生态系统正在退化，近岸工程、过度捕捞、长棘海星侵蚀、采挖珊瑚、炸鱼、排放污水污物等，多种原因导致珊瑚面临退化趋势，过度潜水旅游观光也会对珊瑚及其生态环境造成影响[3]。

整个沉船遗址分布范围内最大水深为4米，最浅为1米。在人为干扰较小，透明度较好海域，6米水深的光照强度、波能、水温等各种环境因子的综合结果较合适珊瑚生长。平均气候下2米水深左右，波浪作用较激烈，在热带气候或强寒潮的影响下，5米水深以下，波浪作用激烈，水深6米则波浪作用减弱[4]。因此，珊瑚岛一号沉船遗址水深1～4米，受到波浪作用较激烈，会抑制珊瑚的迅速生长，遗址东北-西南向有多条冲沟，冲沟最深处约4米，冲击力较强，冲沟内文物上较少有珊瑚生长。遗址中石质文物上生长的部分珊瑚生物已经死亡，文物上可见碳酸盐沉积。沉积物主要由珊瑚骨架和内源性沉积物（endogenous sediments）构成，以生物成因的碳酸盐沉积为主[5]。

图三 珊瑚岛一号沉船遗址中的巨锥鹿角珊瑚等各类珊瑚

表3 石质文物表面污染物的物相组成（wt%）

2.污染物病害分析

2015年西沙水下考古工作队在打捞发掘工作中，打捞出包括7尊石像在内的37件石质文物，文物现保存于海南省博物馆和中国（海南）南海博物馆。对文物所用石材的分析主要通过偏光显微镜来完成，其石材类型主要为两类，一类为青色的辉绿辉长岩，主要矿物构成是斜长石、辉石、闪石类、云母、铁质不透明物；另一类为白色的花岗岩，主要矿物构成是斜长石、碱性长石、石英[6]。

对表面钙质沉积物使用X射线衍射仪（XRD）进行定性分析，所用仪器型号为Rigaku D/max 2200。对出水文物表面白色疑似海洋钙质沉积物进行分析，其结果为碳酸钙，该类沉积物覆盖于文物表层，与石材结合比较紧密。文物表面的红褐色附着物以及疑似生物残骸的黑色附着物，分析结果则为石英。

另外，对文物表面硬质的结垢物进行定量X射线衍射（XRD）分析确定其化学组成，使用的仪器为Rigaku D/max 12kW粉末衍射仪。结果显示，结垢物主要为白云石（(Ca,Mg)CO3）和文石（CaCO3）不同比例的混合物[7]。由于白云石（摩氏硬度为3-4）和文石的硬度（摩尔硬度为3）不同，所以不同比例的结垢物硬度也会有所不同。在水下进行结垢物清除时，也需要注意根据其硬度来选择合适的清洗技术和工具。

三、污染物清洗理念探讨

沉没于海洋的各类文物都容易受到海洋动物和植物有机体腐蚀的影响，从珊瑚岛一号沉船遗址石质文物的调研结果可见，超过三分之一的石质文物表面已经生长有珊瑚等海洋生物（图二），且部分文物已经被珊瑚礁所掩埋，几乎所有的石质文物表面都覆盖有钙质沉积物。对这些石质文物表面的沉积物进行适当的清洗处理，不仅有助于控制文物表面污损生物的生长速度，也能够重新展现污染物所掩盖的纹饰等信息以供研究和展示。

珊瑚岛一号沉船遗址内的海洋生物主要为鹿角珊瑚属、杯形珊瑚属等各类珊瑚（图三），团扇藻属等藻类（图四），以及与珊瑚和海洋生物共生的链格孢菌等菌类。这些种类的珊瑚均在《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES）的附录II中，在我国已列为国家二级保护动物，且根据2017年1月1日开始实施的《海南省珊瑚礁和砗磲保护规定》，在实施遗址内石质文物清洗工作时，需要注意避免对珊瑚和环境造成破坏。对于水下石质文物表面所覆盖的已经死亡的珊瑚骨架及沉积物，如覆盖了文物的重要纹饰等，对文物的研究价值和艺术价值造成影响的，应对其进行清除；而对于刚刚死亡的珊瑚躯体，如果其本身便具有可供观赏的艺术价值，且不影响文物研究和展示的，则应予以保留。

珊瑚岛海域的生态环境很好，非常适于珊瑚的生长且速度也较快。虽然该遗址的时代为清晚期，文物沉没于礁盘内时间尚不算久远，但是已有部分大型的石质建筑构件被逐年生长的珊瑚礁所覆盖。如不能对文物受到海洋生物影响的状态有所控制，很快便会有更多的文物将被掩没于珊瑚礁当中。根据海洋生物污损发生的特点：第一阶段为分子污损，基膜形成，主要为细菌、硅藻、真菌、原生动物等微生物的黏液层；第二阶段为大型藻类、藤壶、龙介虫等生物体；第三阶段为贻贝、海鞘等生物体。有研究认为特定的大型生物体只有在基膜存在的情况下才会在表面定居下来。国外在石质文物于海洋环境中所受影响的实验中还发现，自养和异养微生物引起的微生物腐蚀也在逐渐破坏石材并促进了其它海洋污损生物的腐蚀作用，而且藻类及微生物形成的色斑很大程度上影响了文物的艺术价值，且会形成难以去除的钙化藻，所以需要尽可能地清洗去除此类污染物。

图四 表面覆盖的藻类污染物

四、石质文物水下清洗技术探讨

水下石质文物的清洗保护，不同于实验室的文物保护工作。不仅要本着“最小干预”的文物保护原则，不能对文物造成破坏且不留下潜在危害，还要考虑海洋环境的特殊性，保护工作不能对海洋自然生态环境造成影响。

珊瑚岛一号沉船遗址位于珊瑚岛附近的礁盘之上，石质文物散落范围较广。由于所处环境及保存状况各不相同，存在着叠压等情况，所以很难做到对所有水下文物全部实施清洗保护。对石质文物表面凝结物的清洗（图五），主要以机械清洗为主。对于大块的凝结物，可先使用凿刀、铁锤等工具去除凝结物的主体，如遇到过于坚硬且体积较大的凝结物，使用手工工具难以去除，则可借助于水下气动工具，如使用气动冲击钻。气动冲击钻只需单独连接气瓶即可使用，较易携带至水下，但要在本体保存较好、石材基体坚固的文物上使用。由于冲击钻在工作过程中会产生较大震动，还需注意应用的文物要牢固卧于冲沟或海床表面，不会因震动而造成新的损伤。

剩余小块的凝结物，可使用凿刀、钢丝刷等工具手工清除，或使用水下液压动力工具及电动工具等设备进行清除。

国内水下进行清理施工所使用设备主要有高压水枪、空化射流枪和液压打磨机。高压水枪枪身一般超过1.5米，重量超过15千克，运行时的喷射压力通常在 10000～20000psi（约 70～140MPa），易对文物本体造成损伤，且施工期间的高压水对潜水员有致命的风险，不建议在水下文物清洗工作中使用。

空化射流是一种新型的水下清洗技术，该设备施工时压力相对较低，潜水员施工时的安全性较好，其起始压力仅4.1～6.2MPa，最高不超过16MPa，相比高压水枪也更为节能。该技术通过控制压力、流速等参数使水流束经过空化喷嘴时产生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狭小区域内溃灭产生高达140～170MPa的微射流冲击，可达到清理石材表面藻类等附着物和污垢层的目的。

国内最常使用的水下清理设备则是液压打磨机，在使用该设备对水下石质文物进行清洗工作时，需要注意根据文物本体情况及污染物情况，设定合适的参数，包括液压动力大小、机头转速和钢丝刷硬度等。国外近些年开发了部分水下文物保护使用的电动工具，意大利高等保护和修复研究所ISCR（Istituto Superiore per la Conservazione ed il Restauro）在巴亚古城（Baiae）水下遗址保护的CoMAS合作保护项目中，合作开发了水下遗址保护工作可用的清洁和修复电动工具、能够防止生物污垢形成的新型防护材料、适用于现场定期维护的ROV清洁工具，以及光电三维成像系统等（参考Barbara Davidde在2017年首届海上丝路文明与文化遗产保护论坛上所作报告《面向未来的水下保护：新技术在巴雅水下遗址保护与加固中的应用）。这些多用途工具配备有力量、扭矩和速度传感器以及数据记录器，以便在清洁操作期间收集定量数据。水下文物保护工作需要精细操作，研发和使用此类电动工具也是其未来的发展方向。

五、结 语

图五 文物表面覆盖的海洋凝结物

西沙群岛是中国最为美丽的海岛，其水下文化遗产更是需要我们竭尽全力去守护。通过水下考古调查和文物保存状况的统计，水下石质文物的病害主要为钙质沉积物污染和藻类形成的色斑污染，表面海洋凝结物的主要成分为白云石和文石。目前，国内外关于海洋环境石质文物原址保护的相关研究还很少，我们针对遗址的环境概况探讨可行的保护方案，并对相关的水下保护施工技术进行梳理，以期为我国未来的水下石质文物原址清理保护工作提供些许参考。

[1]邓启江、王霁《珊瑚岛一号沉船遗址》，《博物院》2018年第 2期，50～60页。

[2]何晓娜、吴钟解、陈敏等《海南七洲列岛周边珊瑚分布及其健康状况评价》，《湿地科学与管理》2018年第1期，11～15 页。

[3]吴钟解、王道儒、涂志刚等《西沙生态监控区造礁石珊瑚退化原因分析》，《海洋学报（中文版）》2011年第4期，140～146 页。

[4]王道儒、李元超、兰建新、吴钟解《海南岛东海岸长圮海域珊瑚分布与波能的关系》，《热带海洋学报》2011年第 2期，18～25页。

[5]沈建伟、杨红强、王月等《西沙永兴岛珊瑚礁坪的群落动态和浅水碳酸盐沉积特征》，《中国科学：地球科学》2014年第 3期，472～487页。

[6]包春磊、贾世杰、刘爱虹等《西沙群岛出水石雕文物结垢物分析及处理》，《应用化工》2017年第 4期，804～808页。

[7]张治国、刘婕、田兴玲等《海洋出水石质文物表面凝结物的清洗技术研究》，《石材》2013年第12期，38～42页。