考古學研究與社會:出土物成分透漏的資訊

 
2017/12/07 王冠文 | 中央研究院歷史語言研究所     154
 

考古學者可以經由文物的外觀,推測文物的文化歸屬或使用功能。但有許多潛在的資訊是無法僅僅從文物的外觀得知,出土物的成分就是其中之一。那麼,成分分析能提供什麼樣的資訊呢?

 

成分分析是什麼

 

考古學透過出土文物的研究,重建過去人類社會的生活、互動與環境。考古學者可以經由文物的外觀,推測文物的文化歸屬或使用功能。但有許多潛在的資訊並無法僅僅從文物的外觀得知,出土物的成分就是其中之一。那麼,成分分析能提供什麼樣的資訊呢?

 

透過分析出土文物的化學或礦物成分,可以了解出土物的原料來源,讓考古學者推敲這些文物是否產自當地,或是當地社會與其他地區接觸後所帶進來的。此外,成分分析也可以用於了解文物的製作配方,而這些配方反映的是不同文化、年代或地區工藝作坊所掌握的製作傳統與知識。這篇文章以台灣新石器時代的玉器與鐵器時代的玻璃珠為例,告訴大家考古學者如何透過這些資訊了解文物的流動,重建過去人們的互動情況。

 

新石器時代的玉器

 

玉器的使用是台灣新石器時代很重要的文化現象,大約在西元前3千年至西元前後,台灣住民經常使用玉石製作日常生活的工具或裝飾品。考古學者與地質學者合作,分析這些玉器後發現都屬於綠色的閃玉,產地來自現在的花蓮豐田一帶。

 

閃玉的化學式是Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2,主要的礦物組成是透閃石與陽起石。兩者在化學成分上最主要的差別在於鎂(Mg)、鐵(Fe)比例的不同,陽起石是透閃石中一部分的鎂離子被鐵離子取代後的產物。在地質學上,以Mg∕(Mg+Fe)的比率來區分,透閃石的比率約大於0.9,而陽起石的比率約小於0.9。來自不同礦脈的閃玉,因為所受地質作用的不同,透閃石與陽起石的組成比例也不盡相同。因此,透過分析鎂、鐵成分的比例,可以約略判斷閃玉的來源是否相同。

 

中研院地球科學研究所飯塚義之博士與澳洲國立大學洪曉純博士分析了台灣新石器時代的玉器,也分析了世界各地的閃玉,發現這些台灣玉器的Mg∕(Mg+Fe)比率都小於0.93,礦物組成同時帶有陽起石與透閃石,大致上符合台灣豐田閃玉的特徵。但同樣特徵的閃玉並不僅限於豐田地區,甘肅一帶與西伯利亞一帶的閃玉,鎂與鐵的比例也落在相似的範圍。那麼,又要如何判斷這些玉器真正的來源呢?

 

在這種類型的閃玉中,時常含有黑色的鉻鐵礦包裹體。這些鉻鐵礦中含有少量的鋅,由於鋅並不是鉻鐵礦生成的主要元素,因此鋅的含量便可能與鉻鐵礦的地質來源有關。飯塚博士與洪博士運用這個概念,分析來自豐田、甘肅、西伯利亞的閃玉玉料,再與台灣新石器時代的玉器比較,發現台灣的玉器與豐田的玉料中鋅的含量都偏高,約在2~10%,而甘肅與西伯利亞的閃玉中鋅含量都小於2%,因此確認了台灣新石器時代玉器原料的確來自豐田一帶。

 

有趣的是,在同一時期的東南亞也出土了許多材質相似的玉器,甚至在一些遺址發現用來製作玉器的玉石廢料或半成品。飯塚博士與洪博士也分析了這些玉器、玉石廢料與半成品,發現這個時期菲律賓、越南南部、馬來半島、婆羅洲的玉器與玉石廢料,也都和豐田的閃玉帶有相同的礦物化學成分特徵,表示這些地方的玉器原料都來自豐田。

 

確認之後,進而分析台灣與東南亞玉器的外形,發現兩者並不相同。東南亞一帶流行的是三突起及雙頭獸玉耳飾,但這兩種外形的耳飾卻很少在台灣的遺址中發現。相反地,當時台灣流行的多是圓形環狀的玉耳飾。

 

綜合這些結果,飯塚博士與洪博士認為在新石器時代,台灣從花蓮一帶採集玉料,出口到東南亞的玉器作坊。工匠再按該地的文化或社會需求,製作出具有當地特色的玉耳飾。

 

鐵器時代的玻璃珠

 

進入鐵器時代以後,玉器文化在台灣逐漸式微,取而代之的是考古學家開始在這個時期的遺址中發現數量不一的玻璃珠飾。這些珠飾的外觀非常簡單,幾乎都是單一顏色,包括紅、橘、黃、綠、藍色,直徑大多不超過1公分,形狀多是略不規則的管狀或扁圓狀。由於這些單色玻璃珠的不規則外形,考古學者很難僅僅透過珠飾的外觀確認玻璃珠的來源地,化學成分分析就扮演了重要的角色。

 

在考古出土的玻璃中,矽酸鹽玻璃是最常見的玻璃成分。在矽酸鹽玻璃中,氧化矽四面體是最基本的組成結構。但氧化矽的熔點高達攝氏1,700度,因此在製作玻璃時必須添加助熔劑來降低熔點,以減少製作難度,含有鹼金族元素如鈉或鉀的化合物便是常見的助熔劑。此外,鹼土族中的鈣和鎂扮演穩定劑的角色,用來提升玻璃的穩定性,增加抗腐耐蝕能力。

 

考古學家與地質學家及化學家合作,針對台灣鐵器時代遺址出土的玻璃珠進行化學分析,發現在約西元10世紀以前的遺址中,出土的玻璃珠大多屬於鈉鋁矽酸鹽及鈉鈣矽酸鹽兩個系統。這兩個系統的玻璃中,鈉含量都高於10%,表示這兩類玻璃都使用鈉做為助熔劑。透過成分分析,可以了解它們的助熔劑原料並不相同。

 

在矽酸鹽玻璃中,矽的來源可能取自含有矽的砂石,做為助熔劑的鹼金族化合物則可能採集自礦物或植物灰。助熔劑原料來自於礦物或植物灰,可以由玻璃中的鎂含量做初步判斷。使用礦物為助熔劑的玻璃,氧化鎂的含量通常小於1.5%,而使用植物灰為助熔劑的玻璃,氧化鎂則高於1.5%。在這批台灣出土的玻璃中,鈉鋁矽酸鹽玻璃的氧化鎂含量小於1%,表示這種玻璃的助熔劑原料來自於礦物,而鈉鈣矽酸鹽玻璃的氧化鎂含量大於1.5%,表示這種玻璃的助熔劑來自於植物灰。

 

為了閱讀方便,下面把鈉鋁矽酸鹽玻璃稱為「礦物鈉玻璃」,把鈉鈣矽酸鹽玻璃稱為「植物灰玻璃」。這兩類玻璃的化學成分反映的,是來自南亞與西亞兩個區域不同的玻璃製作傳統。

 

礦物鈉玻璃是在約西元前4世紀左右發源於印度一帶的玻璃製作技術,在東南亞、南亞、東亞,甚至非洲東岸都很常見,從西元前4世紀一直延續至14世紀。東南亞地區礦物鈉玻璃的出現,大多是在西元前4世紀到西元10世紀之間,由印度傳播至東南亞一帶。目前,只確定在南亞有製作礦物鈉玻璃的證據,但玻璃製作的知識是否也隨著珠飾的流傳一起由南亞進入東南亞或其他區域的作坊,則尚不明朗。

 

透過化學成分分析,知道來自不同地理區域與不同時期的礦物鈉玻璃化學組成不盡相同,可能是因為採集的原料來自不同地質區域。有趣的是,學者分析了台灣的礦物鈉玻璃後,發現這些玻璃中的鋇含量高於500 ppm,鈾含量小於10 ppm,這個特色和當時東南亞出土的礦物鈉玻璃相符,表示台灣的礦物鈉玻璃可能來自東南亞一帶。

 

植物灰玻璃反映的則是來自西亞的傳統。植物灰的使用最早可以追溯到古埃及的青銅器晚期(約西元前16~12世紀),之後在薩珊時期(約西元3~7世紀)與伊斯蘭時期(約西元8~13世紀)開始在西亞一帶復甦。做為原料的植物主要是生長在沙漠旱地、海岸等地質環境的鹽生植物,使用這類植物做成的玻璃通常帶有較高的鈉、鎂含量。

 

東南亞地區植物灰玻璃的傳入,大約在西元6、7世紀以後,特別常見於馬來半島、蘇門答臘及婆羅洲一帶,顯示這個時期東南亞與西亞已經有一定程度的交流。那麼,台灣鐵器時代的植物灰玻璃是從哪裡傳入的呢?學者檢視了台灣的植物灰玻璃以及考古脈絡後,發現當時台灣並沒有明顯與西亞地區互動的現象,因此認為這些帶有西亞傳統的玻璃成分是輾轉經由東南亞交易到台灣的。

 

化學成分的其他訊息

 

上述例子說明了可以透過化學成分了解出土物的來源及交易路徑。此外,化學成分還能告訴我們出土物原料的訊息,讓我們了解當時的工藝知識。以礦物鈉玻璃為例,學者在分析這些玻璃微觀結構的成分時,發現這些玻璃中時常有斜長石、鹼性長石與其他礦物的殘留。綜合考量這些玻璃偏高的鋁含量,推論製作這類型玻璃的原料可能是未經過精煉的花崗砂。另外,在斜長石與鹼性長石中已經含有一定比率的鈉,說明當時用來製作礦物鈉玻璃的砂的原料中,已經含有少許的鈉做為助熔劑。

 

化學成分也可以讓我們判斷出土物的製作過程。以植物灰玻璃為例,學者分析這些植物灰玻璃後,發現有些過渡金屬元素的濃度比一般的植物灰玻璃高,而這些偏高的過渡金屬元素並不是製作這類玻璃所不可缺少的成分。

 

例如,黃色不透明玻璃的著色劑是錫酸鉛,但在這些黃色玻璃中,時常帶有偏高的錳或銻含量,而這兩種元素並非製作黃色不透明玻璃所需要的成分。這說明當時東南亞的工匠可能重新熔融來自西亞的玻璃,另外加工製作成玻璃珠再交易到其他地區。而在重熔的過程中,來自不同玻璃的過渡金屬元素的濃度產生累積,就形成現在看到的化學成分組成。

 

拼湊出考古故事

 

綜合前述的例子,經由出土物的成分分析,可以知道史前時期的台灣與東南亞有著密切的往來。新石器時代的台灣,採集玉料交易到東南亞地區,到了鐵器時代,台灣的角色轉變,開始由東南亞進口玻璃珠等物品。

 

在這些例子中,甚至明顯地印證「大海不是阻隔,而是道路」。透過成分分析,我們知道史前時代的東南亞與南亞、西亞都有密切的往來,而這些往來所帶來的物的流動,不只使東南亞當地產生轉變,也間接影響了台灣與東南亞交易的物品。

 

這些出土物的成分告訴我們的不只是科學上的數字,而是隱含著物的流動以及區域之間的互動。這些互動影響了台灣當時的文化和社會,形成了考古上所見的不同時期與不同區域的文化差異。而這些差異必須透過考古學家與科學家的合作,抽絲剝繭才能把這塊土地上發生的故事完整地呈現在我們面前。