新疆吐鲁番胜金店墓地出土煤精制品的科技分析

孙诺杨，王 龙，韩 宾，饶慧芸，杨益民

(1． 中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044；2． 中国科学院大学考古学与人类学系，北京 100049； 3． 新疆吐鲁番学研究院，新疆吐鲁番 838000)

0 引 言

煤精又名煤玉、雕漆煤、黑碳石、黑琥珀等，属褐煤的变种之一，且不同于普通煤炭，是一类颇具树脂光泽、质密体轻、坚韧稳定的黑色有机宝石[1]，其地位可与琥珀相提并论。煤精由埋置于细粒淤泥中的桦、松、柏等植物腐烂后经漫长的石化作用转变而成，是多种有机化合物和无机矿物质组成的复杂混合物，常与煤矿伴生，多存在于煤层之间[2-4]，但分布远不如煤炭广泛。世界优质煤精的产地以英国约克郡惠特比(Whitby)附近的沿岸地区为主。法国朗格多克省，西班牙阿拉贡、加利西亚、阿斯图里亚，美国犹他、科罗拉多州，以及俄罗斯，意大利，加拿大等国也有煤精产出。而在中国，煤精多产自辽宁抚顺，山西浑源、大同，山东新汶、青州、枣庄，贵州水城，陕西鄂尔多斯盆地[1，5]，其中抚顺煤精最为出名。

凭借独特的质地与光泽，煤精成为制作装饰品和工艺品的重要原料之一，深受世界众多文化推崇，而其作为艺术载体在我国的出现，至少可追溯到七千余年前的新石器时代中期。根据已发表的考古资料，珠子、印章及各式雕刻品在煤精制品中占据主流[4，6]，以沈阳新乐遗址出土的煤精珠饰和陕西旬阳出土的独孤信多面体煤精组印尤具代表性。这些煤精制品的发现不仅拓宽并丰富了我国煤炭开发利用史，也为考证史料、探究古代科技发展提供了重要信息。目前，国内主要依据外观形貌(通体呈黑色、表面光亮致密、不透光)，划痕颜色或开展破坏程度较大的煤岩学分析[7-8]对煤精制品进行鉴定，无损或微损的科技分析基本属于空白。此外，红外光谱、X射线荧光光谱、X射线成像、扫描电子显微镜、热裂解气质联用及岩石学和孢粉学方法常被国外学者用于煤精、烛煤、褐煤、油页岩等的区分[9-10]。虽然这些方法取得了一定成效，但其主要针对于煤制品大类中不同煤种间的辨别，在煤精鉴定方面的应用还较为匮乏。

2008年吐鲁番西汉时期胜金店墓地M33中出土了一枚黑色珠子，疑似煤精制品。为保持珠子完整性，本工作利用之前建立的科技分析方法[11]，使用有机溶剂浸泡提取样品中的有机成分以开展气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析，并采用便携红外光谱及同步辐射显微CT(SR-μCT)技术分析该样品，以期鉴别其材质，并探究其加工工艺。

1 样品与方法

1.1 样品介绍

胜金店墓地位于吐鲁番市胜金乡胜金店村南郊、火焰山北部的坡地上，西距吐鲁番市40 km。墓地于2006年配合312国道吐鲁番-鄯善段复线工程调查时被发现，次年10月吐鲁番学研究院考古研究所对其展开抢救性发掘，出土了大量随葬品，以木器和皮、毛质制品为主，还有石器、陶器、铜器、铁器及大量珠饰类器物。根据墓葬形制及出土文物特征，相关学者认为该墓葬群与吐鲁番地区先前发现的苏贝希文化有着强烈的共性。胜金店墓地的碳十四测年结果表明其距今约2 200～2 050年，应处西汉时期。据《汉书·西域传》记载，西汉中期以前吐鲁番盆地周围居住的是姑师人，故有学者推测胜金店墓葬的墓主人为姑师人[12]。

本研究中的珠子样品(发掘原始编号：08TSM33-19)发现于M33，位于女性干尸胸部，呈扁球状，通体乌黑光亮，表面结构致密，稍有风化。珠子直径约1.3 cm，中部有圆形穿孔，孔径约4 mm(图1a)。利用静水称重法测得珠子的比重约为1.31 g/cm3，且其在强光下仍保持不透明状态(图1b)；在纸上轻轻刻划时会留下深巧克力色划痕(图1c)。以上特征均表明珠子的原料并非琥珀一类，而更可能为煤精[13-15]。为进行对比分析，一块产自辽宁抚顺西露天煤矿区的现代煤精(编号为抚顺煤精1)被作为参照材料纳入研究。

图1 吐鲁番珠子样品的形貌及特征Fig.1 Morphology and characteristics of the Turpan bead sample

1.2 GC-MS分析

将珠子样品放入4 mL二氯甲烷液体中，超声振荡10 min后弃去提取液，重新加入4 mL二氯甲烷，超声振荡15 min后保留上清液，重复2次；混合提取液并在氮气下吹干；加入50 μL正己烷和50 μL BSTFA，于70 ℃恒温反应1 h，冷却至室温后用氮气吹干；加100 μL正己烷重溶，再加10 μL正三十四烷标样，进行GC-MS测试。

GC-MS分析所用设备为Agilent 7890A/5975C型气相色谱-质谱联用仪，色谱条件：DB-5HT弹性石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.1 μm)；载气为高纯氦气；分流比为10∶1；进样量1 μL；进样口温度300 ℃；接口温度350 ℃。升温程序：初始温度50 ℃保持1 min，以15 ℃/min升温至100 ℃保持1 min；再以10 ℃/min升温至375 ℃，保持5 min。质谱条件：离子源为EI源，电子能量为70 eV，离子源温度230 ℃，四极杆检测器，扫描范围：50～650 u。

1.3 ATR-FTIR分析

测试所用设备为Agilent公司Agilent 4300型便携式傅立叶变换红外光谱仪，配ATR附件。将样品清洗干净后直接置于ATR附件采样器的晶体上，调整角度使检测信号最佳，以空气为实验背景数据进行测试。扫描次数32次；分辨率4 cm-1；波数范围4 000～650 cm-1。使用OMNIC 8.0软件分析处理数据。

1.4 SR-μCT分析

SR-μCT实验在中国科学院上海光源X射线成像实验站(BL13W1)开展。能量为16 keV；CCD探测器的空间分辨率为9 μm。使用Mimics 12软件进行数据处理。

2 结果与讨论

2.1 材质鉴定

样品提取液的GC-MS总离子流色谱图(TIC)上的谱峰归属及相应化合物信息总结于表1。结果显示存在一系列正构烷烃、类异戊二烯烃及萜类化合物等典型的煤类生物标记物。正构烷烃碳数从C16～C28连续分布；萜烃包括属倍半萜的卡达烯、二萜的惹烯和五环三萜类的藿烷[16-20]。其中，卡达烯是一种双环芳烃，来源于具有相似结构骨架的母体化合物，通常被视为高等植物的生物标记物[21]；惹烯则由陆生高等植物尤其是松柏类植物树脂衍生而来，可指示针叶树来源，在成岩作用过程中松香酸脱羧、脱烷基及芳构化是其形成的主要途径[18，21-22]。此外，以萘、菲及其甲基取代物为主的多环芳烃和杂环化合物二苯并呋喃等煤中常见组分[23]在提取液中也有检出；还包括从正壬酸到正二十二烷酸连续分布的饱和脂肪酸。脂肪酸的极性使其易于进入煤网络结构中，并与骨架分子形成氢键，然而在长期煤化过程中，脂肪酸会发生脱羧反应生成脂肪烃，因此正构烷酸常被认为是正构烷烃的前体[24-25]。综上所述，珠子应当为煤制品，且原料中含有来自陆源高等植物的成分。

表1 样品提取液色谱图的谱峰归属及相应化合物信息Table 1 Peak assignments related to the chromatogram and the description of the compounds identified in the sample extract

与煤岩学萃取法[18-19，26]相比，本工作对提取方法进行了适当调整，尤其缩短了提取时间，降低了提取温度，使整个过程变得更加缓和以避免外界损伤，因此提取进行的并不彻底，提取液不能充分反映样品的成分信息，难以依据正构烷烃、芳烃、脂肪酸或其他标记物的分布来区分煤的等级、种类和来源。而红外光谱作为常用的光谱学方法之一，能够提供物质的分子结构信息，配合ATR附件可对样品进行无损检测[27]，有助于进一步确定珠子的具体煤种。

图2为抚顺煤精(编号为抚顺煤精1、抚顺煤精2[2])、英国煤精[分别来自惠特比(Whitby)、基默里奇(Kimmeridge)][10]、宁夏常乐汉墓出土煤精珠[11]及吐鲁番珠子样品的红外光谱图。珠子样品与煤精的谱图类似：2 922、2 852 cm-1处为脂肪烃的C-H伸缩振动；1 453、1 373 cm-1为甲基、亚甲基的弯曲振动；1 600 cm-1附近的吸收峰是煤的典型特征，通常被认为源自芳环的伸缩振动，且由于1 260 cm-1处酚基的存在得以增强；900～690 cm-1为芳环中C-H的面外振动[10，28]；1 700 cm-1处的吸收峰由C=O伸缩振动而引起，推测来自于脂肪酸中的羧基。前人研究表明，煤化程度较低的低阶煤在1 700 cm-1左右有较强的吸收峰，随着成熟度增加，C=O基团因脱羧作用而逐渐消失，导致1 700 cm-1处的吸收减弱[29]。抚顺煤精2、两种英国煤精及常乐煤精珠在1 700 cm-1处仅有一微弱肩峰，可能是由于其成熟度略高于抚顺煤精1和吐鲁番珠子样品。1 030 cm-1附近的吸收峰归属于硅酸盐矿物[10]，为煤精的无机组成部分，其含量存在一定差异，因而导致六个样品在1 030 cm-1处的吸收强度略有不同。综合珠子的外观形貌、划痕颜色以及最为重要的FTIR比对结果，可判断其原料确为煤精。

图2 吐鲁番珠子样品、常乐煤精珠[11]及不同产地煤精[2，10]的红外光谱对比图Fig.2 Comparison of the Turpan bead sample， Changle jetbead and jet from different areas by FTIR

2.2 不同产地煤精的红外光谱特征

由于地质年代及地质条件等差异，不同产地煤精在同一官能团的吸收峰会有所变化，获取相关微信息可为煤精产地鉴定提供一定的辅助作用。1 500 cm-1左右为芳烃的C=C伸缩振动，Watts和Pollard[10]曾利用此吸收峰对Whitby、Kimmeridge地区的煤精进行区别：Whitby煤精中表现为肩峰；Kimmeridge煤精中为尖峰。而在抚顺煤精中均未观察到明显吸收峰。根据Iglesias等[10，29]的研究，1 500 cm-1处峰的强度和位置与芳环的取代模式和缩合程度有关，说明不同产地煤精的有机成分存在差别。常乐煤精珠及吐鲁番煤精珠的红外光谱在该波段均无明显吸收峰，然而前者在1 453、1 373 cm-1处谱带的强度与抚顺煤精差异较大；后者则符合抚顺煤精的特点，与抚顺煤精在红外上较为相似，但由于国内其他产地煤精的相关分析工作尚未开展，难以进行对比研究追踪古代煤精制品产地。后续可对各地煤精开展ATR-FTIR分析，建立不同产地煤精的红外光谱数据库，以期重现古代煤精传播路线，探讨其背后的文化交流。

2.3 显微分析

SR-μCT扫描图提供了珠子横切面和纵切面的断层照片(图3)：珠子主体部分呈现均匀的灰色，而其内部散落分布着少量更为明亮的颗粒。在CT图像中，灰度能反映物体对X射线的吸收情况，与各部位化学成分及密度相关。通常重元素具有更高的X射线吸收率，因而在CT扫描图上呈现出更为明亮的区域[30]。由此可知，珠子是以有机化合物为主，无机矿物质为辅共同组成的混合物，且内外结构特点一致、组成较为均匀。

珠子的CT纵切面图像直观地展现了其穿孔形貌(图3b)：孔道呈较规则圆柱体，自两端向中部渐缩且两端穿孔位置无明显偏移；孔壁较光滑，无可见台痕。表明采用了对钻钻孔工艺并对孔壁进行了打磨、修整处理[31]。

图3 珠子的CT扫描图Fig.3 CT scanning of the bead

2.4 文化意义

煤炭在人类生活中已有数千年利用史，其不仅是众所周知的燃料，还常被用于书写、化妆、入药、制作实用器和工艺品，在中国古代社会中应用广泛[32]。然而，世界上众多地区早期煤的利用似乎均与装饰品有关，且大多为煤精制品。作为一类具有独特色泽、硬度及韧性的煤种，煤精更适于雕刻、抛光[7]。人们选择用煤精来制作器物，表明当时的人们已经认识到这些差别，对煤有了区分意识；也反映出人们对这种易加工的黑色材料的喜爱与追捧，甚至将其与神灵联系起来，赋予其神秘的属性[4，32-34]，因此煤精制品也常作为陪葬品伴随墓主人一起下葬。与胜金店墓地出土的其他串珠不同，M33中出土的这颗煤精珠单独呈现，没有与其他装饰品形成组合关系，这或许体现出其对于墓主人而言较为特殊的地位。

不同于普通的煤，煤精多产生于煤层之间，通常在煤炭开采过程中才能获得[7]，因此成批煤精制品的出现在某种程度上可以反映古代煤炭开发利用的水平及规模。汉代是我国煤炭利用的第一个高峰期，日常生活、冶金和烧窑等诸多需求促进了煤炭业的发展[35]，使得煤精材料的稀缺性降低，煤精制品更易于普及。西汉之前，煤精制品主要见于皇室、贵族及高阶官墓中，如宝鸡竹园沟西周墓地M1、M5、M7、M9、M13、M20，宝鸡茹家庄西周墓地M1、M2，山西曲沃西周墓地M92，三门峡虢国墓地M2012，梁带村芮国墓地M26及秦公一号大墓等[4，36-40]；西汉以来，煤精制品逐渐出现在低阶人群墓葬中，诸如在宁夏常乐墓地墓M9，宝丰廖旗营墓地墓M6，辽阳鹅房墓地墓M53，蘑菇山墓群墓M1、M3、M5，扎赉诺尔墓群以及广州地区的几处东汉墓葬中均有出土[6，11，41-44]。本研究中的煤精珠亦来自于平民墓葬。这种转变或许反映了煤精制品在汉代煤的大规模利用背景下，其消费群体开始扩大，使用日趋大众化。而自汉代以后，煤精制品出现的频率明显降低，一方面存在考古发掘及报告整理的影响；另一方面也可能与各式雕刻材料日益广泛的利用有关。此外，新疆民丰尼雅遗址、高昌故城丝路沿线及胜金店墓地等地[4，45]出土了煤精制品，但尚未发现新疆地区汉代之前的煤精制品；汉代开始突然出现煤精制品，暗示新疆地区的煤精很可能是通过物品交流或技术传播的方式而开始利用，这可能反映了“凿空”西域后，汉文化对新疆地区的深刻影响。但这一推论需要今后对该地区出土的汉代之前的黑色制品进行材质鉴定，以及汉代以来的煤精制品进行产地分析来验证。

目前，关于煤精的称呼尚未有统一说法，众多考古资料中使用的名称也不尽相同，诸如煤精、炭精、炭根、煤根、煤玉、石炭等。有学者认为石炭是煤炭、石墨、焦石的别称[46]；有学者认为煤根不同于煤精[47]；亦有人认为煤根是煤炭的称谓之一[32]；炭精在现代则多指碳的同素异形体石墨；而有机宝石学中则将煤精、煤玉、黑碳石并称[1]。这些称谓之间的关系究竟是怎样的，不同名称背后实际指代的到底是何种材质，目前尚不能确认。鉴别出土器物的材质一直是考古学研究的前提与基础。根据考古资料中的描述，以上材料均具有黝黑致密、可供雕琢的特点，仅凭外观形貌难以进行鉴定；而科技分析能够从分子层面提供信息，有助于准确揭示古代样品的来源，在考古学研究中具有重要意义。

3 结 论

采用气相色谱-质谱联用、红外光谱及同步辐射显微CT技术，对吐鲁番胜金店墓地M33西汉墓出土的一枚黑色珠子进行了科技分析。GC-MS结果显示存在一系列正构烷烃、多环芳烃、类异戊二烯烃及萜类化合物等煤类生物标记物，说明珠子属于煤制品；又经ATR-FTIR分析，并通过与现代样品的对比研究，进一步证明其原料为煤精；而CT图像则表明珠子结构均匀，制作时采用了对向钻孔工艺，且孔壁经过了一定程度的打磨、修整处理。不同产地煤精在红外谱图上差异较大，暗示红外光谱具有煤精产地溯源的潜力。

汉代是我国煤炭开发利用的第一个高峰期，煤炭业迅速发展促使煤精稀缺性降低，因此煤精制品在西汉的普及很可能与煤的首次大规模利用有关。新疆地区自汉代开始零星出现煤精制品，推测新疆地区的煤精可能是通过物品交流或技术传播的方式而开始利用，这可能是汉代时期汉文化对新疆地区深刻影响的体现之一。

致 谢：感谢安捷伦公司的张晓丹对本工作中ATR-FTIR实验过程的指导。