射线成像技术与商周青铜器铸接

苏荣誉

(中国科学院自然科学史研究所，北京 100190)

北宋金石学的建立，与青铜器的著录密切相关，是若干青铜器爱好者如杨元明、欧阳修、刘敞、吕大临和宋徽宗等推动的结果。刘敞概括的“礼家明其制度，小学正其文字，谱牒次其世谥”，即是金石学的纲领，铭文是其核心。这一取向一直延续至今，青铜器铭文的数量是其核心价值。而青铜器的制作技术，自宋至清的近千年间却鲜有问津者[1-4]。

19世纪和20世纪之交包括X射线被发现的科学革命，将科学技术应用到考古学、艺术史和历史硏究，不仅诞生了科学技术史学科，古代青铜器的材料和制作技术亦受到重视，海外收藏的中国青铜器的技术问题率先被关注，冶金考古也得以在中国发轫。这些进展体现在西方学者编纂的相关图录中，但还未涉及青铜器的铸接问题[5-6]。随着西学东渐，考古学和包含古器物学的艺术史逐步传入我国并相继被确立为学科，虽适逢清末至民国青铜器著录的繁盛阶段[7]，却相互陌路，未见影响。

20世纪50年代开始，我国大规模的考古调查和发掘，不仅出土了大量的商周青铜器，还发现了若干铸铜遗址。青铜技术成为考古学家关心的问题，更有若干科学家和科技史家投入到这一论题的硏究中[8]387-445，成果积累的标志是巴纳(Noel Barnard，1922—2016)于1961年出版的《古代中国青铜铸造与青铜合金》，著作对此前的硏究做了阶段性总结，但尚未涉及铸接[9]。

1951年，史密森学会弗利尔美术馆(Freer Gallery of Art，Smithsonian)第二任馆长、艺术史家温利(Archibald G.Wenley，1898—1962)敦请盖滕斯(Rutherford J.Gettens，1900—1974)帮助建立实验室以硏究亚洲古代材料和工艺。自1958年开始，实验室在盖滕斯的带领下，对馆藏中国青铜器，无论有无疑问，都进行了系统的硏究。

他们很快发现了商周青铜器的铸接现象。一件春秋晚期带盖附耳蹄足鼎(藏品号：47.20，图1)，三蹄足中塞满红色泥芯，每足两侧都有一条垂直的铸造披缝。由于锈的遮掩，足与腹的关系不清楚。仔细清理一只足与腹的结合处，不仅露出了披缝，还能看到腹部不规则溢出且叠压着足根(图2)，一双附耳以同样的形式与腹连接，没有镴焊痕迹，不知足、耳如何与腹连接。

图1 弗利尔美术馆藏鼎47.20[10]491Fig.1 Ding (Freer Collection 47.20)

图2 弗利尔美术馆藏鼎47.20足根铸接痕[11]Fig.2 Trace of cast-on method for leg attachment (Freer Collection 47.20)

馆藏的一件参考品(藏品号：SC587)早年购自中国，与鼎47.20风格接近，但两条腿已经脱落(图3)。为明了其结构，便采用机械切割的方法，将一只足用金刚砂锯对半切开，清晰地展现出空心足壁厚相当均匀，其中实以泥芯，且泥芯带着芯撑，足分铸并且先铸。先铸的足根顶部泥芯出露，为铸接牢靠，将贴足壁的泥芯掏出一圈，所形成的一圈凹槽形状不很规则，而顶部内收的足壁口小下边大，有若接榫，先铸的足安置在鼎腹铸型的恰当位置，浇注后青铜充满足的凹槽，冷凝后与足壁加持着足根，原来那圈凹槽中的青铜有若环形突榫(图4)，形成了锁扣(lock-on)结构，结合紧密(图5)。剖面图清晰地表现出二者的叠压关系，说明足先铸成形。另一件参考品春秋青铜鼎(藏品号：SC613)，两条腿的纵切不仅表现出相同的铸接，还直观表现了一足的早期补铸。对一件参考品盘(藏品号：SC537)附耳耳郭的纵切，证明其没有分铸，系浑铸成形(图6)[10]490-495，[11]xv-xvii，76-84，98-99。这些虽成为判断铸接的经典之作，但切开器物的作法有其不得已和特殊的境况，难以效法。

图3 参考鼎SC587[11]Fig.3 Ding (Freer Collection SC587)

图4 参考鼎SC587一足剖面图[11]Fig.4 Profile of a leg (Freer Collection SC587)

图5 参考鼎SC587足铸接结构[11]Fig.5 Trace of cast-on method for leg attachment (Freer Collection SC587)

图6 切开的参考盘SC537耳[11]Fig.6 Cut ear of a Pan (Freer Collection SC537)

事实上，就鼎足而言，切开后固然可直观看到足壁、芯及背面的芯撑，但其他部位的结构甚至芯撑的形状都不清楚。于是，不断发展的高能射线，特别是X射线成像技术，被考虑用于分析检测。

当时，史密森学会并没有高能X射线设备，但位于马里兰银泉的白栎海军军械实验室(Naval Ordnance Laboratory，White Oak，Silver Spring，Maryland)有，盖滕斯与他们合作，对28件馆藏器物(其中三件为参考品)进行了成像检测，旨在认识其结构、制作及连接工艺，再现补缀、修复和镴焊。鼎SC587足的正面成像，不仅表现出其壁厚均匀，而且图片中上大下小的两个长方形灰黑区即芯撑(芯头)设置处形状清楚(图7)，既与侯马铸铜遗址出土的芯相一致，也和多伦多安大略皇家博物馆(Royal Ontario Museum)收藏的两件春秋时期青铜鼎(编号：933.23.64、933.23.63)的足铸接相同[11]80-83，159-170，[12]。

图7 参考鼎SC587足X射线成像[11]Fig.7 Radiograph of legs (Freer Collection SC587)

这次X射线成像检测，铸接只是其中的一项内容，并且与器物的内部结构密切相关。事实上，成像所揭示出大量前所未知的中国青铜器信息，内涵十分复杂，既涉及到器物的缺陷与修补，也能说明器物的真假或局部的作假。随着大功率X射线装备的发展，自70年代以后，这一装备陆续进入博物馆和文物保护实验室，使X射线成像技术逐步成为检查器物的常规手段。我国也于70年代后期将该技术用于分析平谷刘家河商代墓葬出土铜钺的铁刃铸接，80年代用于检测司母戊方鼎双耳的铸接[13-14]。

弗利尔美术馆藏西周早期四出戟卣(藏品号：30.26，图8)，陈梦家认为1929年出自宝鸡，与波士顿美术馆(Museum of Fine Arts Boston)所藏一件(藏品号：34.66)成对，十分华丽[10]284-289，[15]。对这件卣进行X射线成像后发现：首先，盖钮中空，其中有锥形泥芯，盖两侧伸出的兽头中空而其壁厚均匀(图9)；
其次，四长戟中空，壁厚均匀且分铸，盖滕斯据X光片判断出戟大焊(hard soldering)在卣腹上，为强化结合，出戟根部套在卣腹壁突出的接榫上(图10)。

图8 弗利尔美术馆藏四出戟卣30.26[10]285Fig.8 You (Freer Collection 30.26)

图9 出戟卣盖及其X射线成像[11]Fig.9 Cover and its radiograph (Freer Collection 30.26)

图10 出戟卣长戟及其X射线成像[11]Fig.10 Appendage and its radiograph (Freer Collection 30.26)

图11 出戟卣长戟销孔[11]Fig.11 Hard solder securing the appendages to the side of the vessel was applied in a neat ribbon around the join (Freer Collection 30.26)

青铜器造型不规则、结构复杂、厚度变化大，X射线成像技术虽然革命性地揭示出很多前所未知的情况，但仍然由于某些重要部位受遮挡阻隔而使其应用和效果被大大制约(如无法解析鼎47.20足与腹的关系，也不能清楚展示卣30.26长戟接榫、销钉和“绑带“的关系等)。

基于X射线成像技术发展出的计算机断层扫描(computed tomography，CT)技术在20世纪60年代出现，于70年代发展成熟。大功率的工业CT装置在80年代诞生，并随即被应用于考古样品和馆藏文物的分析[18-19]，如千叶国立历史民俗博物馆将其用于检测泉屋博古馆收藏的瓠壶[20]。90年代，圣路易斯艺术博物馆(Saint Louis Art Museum)采用设在辛辛那提的通用电器航空发动机质检中心(GE Aircraft Engines Quality Technology Center in Cincinnati)的工业CT分析了五件馆藏青铜容器。其中一件春秋早中期龙耳方座簋(编号：223：1950，传出自山东临沂)，侈口失盖，束颈鼓腹置于体量过大的方座上，腹与座满布环带纹，腹中向两侧伸出一对曲作S形龙耳，龙面向外侧，转弯处附有一圆雕兽饰，长尾回卷(图12)。龙耳根有一个大约3 mm见方的凹坑，在附兽尾上也有一个，Hargrove以为是排气孔(图13)，并指出龙耳披缝清楚，系对开分型，但龙头顶部和两侧则另设范。根据CT结果，确知龙耳曾严重残破，使用了不少胶和镴修复，另一耳局部后配。CT图像表现出龙耳中空，腹部伸出榫头插入耳根中，耳根的一对穿孔，从一侧浇注熔融的金属，流入后包裹榫头，并从相对的一侧和足根溢出(图14～图16)，以焊接龙耳至簋腹[21]131-133，148-153，171-172。如此直观的结构，是X射线成像无法提供的，体现了CT技术的优势。

图12 龙耳方座簋223：1950[21]32Fig.12 Gui (Saint Louis Collection 223：1950)

图13 龙耳根孔洞[21]32Fig.13 Holes on an ear (Saint Louis Collection 223：1950)

图14 金属从孔洞溢出[21]32Fig.14 Hole as the exit for molten metal (Saint Louis Collection 223：1950)

图15 龙耳与簋腹结合的CT图[21]32Fig.15 CT image showing the combination of the body and ears (Saint Louis Collection 223：1950)

图16 龙耳铸焊的CT图[21]32Fig.16 CT image showing cast-on and soldering of an ear (Saint Louis Collection 223：1950)

进入新千年，工业CT在古器物检测上的应用日益广泛，世界上重要博物馆纷纷组建了CT实验室。以日本为例，两个国立文化财研究所(京文硏与奈文硏)和四个国立博物馆(东京、奈良、京都和九州)都先后组建了CT实验室。从2007年开始，在九州国立博物馆开始批量检测泉屋博古馆(Sen-oku Hakukokan Museum)收藏的中国青铜器。

这一检测持续了数年，提供了一大批十分独到且重要的信息，122件器物的扫描结果已经发表。在铸接方面，两件商晚期青铜觥颇为突出。一件是虎鸮觥(藏品号：彝232)，其腹后端设C形鸟兽鋬，双翅在觥腹(图17)。外观难以确定鋬是否分铸，但CT图清晰地表现出鋬不仅分铸，而且为了铸接牢固，觥腹设两个半环形接榫，铸接鋬的青铜穿过半环与之结合(图18)，自然较普通的接榫结合牢固。另一件象纹觥(藏品号：彝94)后端设一更大的兽形鋬，鋬下另附两圆雕爬兽(图19)。CT图表现出鋬分铸，但与虎鸮觥不同，腹与鋬的结合点，上面设半环，下面的设突榫，后铸鋬的青铜包裹半环和突榫并完成销(链)接和榫接(图20)[8]264-273，[22]。就妇好墓青铜容器而言，绝大多数鋬的铸接都是榫接式[23]，此二觥的环形接榫当然十分特别，应该是某组铸工的偏好或特点，而两件觥的不一致，则体现了不同铸工的不同手法。

图17 泉屋虎鸮觥[22]90Fig.17 Owl-shaped Gong (Sen-oku Hakukokan collection)

图18 虎鸮觥鋬铸接结构CT图[8]Fig.18 CT image of the cast-on method for the handle of the Gong (Sen-oku Hakukokan collection)

图19 泉屋象纹觥[22]91Fig.19 Elephant-patterned Gong (Sen-oku Hakukokan collection)

图20 象纹觥鋬铸接结构CT图[8]Fig.20 CT image of the cast-on method for the handle of the Gong (Sen-oku Hakukokan collection)

上海博物馆在国际上久负盛名，20世纪末即筹划建设CT实验室。在建设期间，丁忠明等分析山东新泰周家庄齐墓出土的复合剑，揭示出一种独特的铸镶低锡青铜条工艺(图21)[24]，获得了前所未知的铸接现象。

图21 姬剑铸镶红铜断面CT图[24]Fig.21 CT image of the cross section of a bronze sword

上海博物馆CT实验室于2015年建成，软硬件系统和员工配备俱佳，很快产出了一批高水平的检测结果。对馆藏春秋早期子仲姜盘(图22)的分析，不仅揭示出虎形附足的铸接，而且发现在足内侧设置了四个均布的竖直金属栏，铸接时青铜流过金属栏空隙进入虎体的空腔，并包裹金属栏，使之连接牢固(图23)。对盘内可在柱头旋转的圆雕动物，CT分析更能发挥优势，清楚地揭示出柱和动物的结构及其间隙配合方式(图24)，这两点都是古代青铜器结构上新的重要发现[25]。

图22 子仲姜盘(周亚先生惠供)Fig.22 Zi Zhong Jiang Pan

图23 子仲姜盘虎形附足CT图[25]Fig.23 CT images of the tiger-shaped legs of Zi Zhong Jiang Pan

图24 子仲姜盘中心鸟CT图[25]Fig.24 CT images of the bird of Zi Zhong Jiang Pan

对皿方罍的扫描分析，不仅发现芯撑有定位和撑持的不同功能，就双耳的铸接，在上面的结合点，耳根中设有一立柱(图25)，其作用和泉屋觥的半环接榫相若，目的是使之铸接牢固。类似的现象不仅出现在此器下腹的一只耳，也出现在春秋中期晋公盘双耳根部(图26)。至于山西灵石旌介商墓出土的驘簋，CT分析确认双耳铸焊，为早期焊接找到了确切证据[26-28]。

图25 皿方罍双耳铸接结构CT图[26]Fig.25 Cast-on method for two handles of Min Fanglei

图26 晋公盘双耳铸接CT图(丁忠明先生惠供)Fig.26 Cast-on method for two handles of Jin Gong Pan

科学技术史昭示，19世纪末到20世纪初的科学革命，提出了许多新的硏究方向和问题，极大地推动了学科的交差和范式(paradigm)的转变。关涉技术史、考古学和艺术史等诸多学科的古代青铜技术被给予关注，中国古代青铜技术亦不例外。不断的考察和分析，使青铜铸接工艺逐步凸显，为认识这一工艺，盖滕斯等于20世纪60年代在弗利尔美术馆剖切器物，获得了许多新认识。

这一时期大功率X射线装备的成熟，被敏锐的盖滕斯用于检测中国青铜器，无损分析不仅直观表现铸接，而且获得了更多的新发现。X射线成像技术的普及使其逐步成为古物的常规检测手段，也是辨伪利器。但古代器物结构复杂，一些关键部位往往被遮挡而影响成像。

孕育于X射线成像的CT技术在70年代成熟，大功率的工业CT装置在80年代刚出现，即被用于检测考古样品和馆藏文物，包括中国青铜器，实现了青铜器结构无损检测的又一飞跃。龙耳方座簋双耳铸焊的确定，即是一个新的重要发现。进入新千年，对泉屋博古馆藏青铜器的大批量检测，获得的信息量十分庞大，就青铜铸接而论，半环接榫即是很有价值的新发现。

上海博物馆密切跟踪学术潮流，早就动议组建CT实验室。丁忠明等即对新泰周家庄出土复合剑的分析，发现了前所未知的铸镶低锡青铜现象。实验室建成后迅即对一批重要的青铜器(如子仲姜盘、皿方罍、晋公盘和驘簋等)进行了检测，不仅发现了更多铸接现象，也揭示出不少复杂的铸焊工艺，至于修复、垫片等工艺，具有质的突破和认识。

从X射线照射到CT所给出的青铜器内部结构的立体图像，对认识青铜器铸接和其他方面都有跃升性的推进，但后者对前者并非完全的替代关系。相对于CT的模拟成像，X射线照射成像更为直接，清晰度和分辨率均较高，对表现垫片、缩松或裂纹等更直观，但其应用受限于器形也很突出。

实际上，CT成像也受到器形特别是厚度的影响，经常出现大面积噪点而无法成像，或者成像模糊。前揭坂本五郎旧藏的四出戟卣，造型和工艺尚有疑问，寄望CT技术解决悬疑。2020年在奈良文化财研究所举办的亚洲铸造实验考古学会议中，承丹羽崇史研究员周到安排，笔者在会议期间造访奈良国立博物馆，鸟越俊行博士出示了对该卣的扫描结果，因器壁很厚，扫描图像颇为模糊，块垒依然在胸。相信随着扫描技术和成像算法的发展，厚壁青铜器的扫描结果会有若X射线照片一样清晰。

简要回顾对中国青铜器铸接的认知历史，问题的提出基于关注其制作工艺和对器物的细致考察，为深入理解该工艺，盖滕斯等不惜剖切器物。日趋成熟的大功率X射线装置，给了他无损分析的机会。工业CT的成熟为圣路易斯艺术博物馆提供了条件，突破了X射线成像的局限，成为领先的检测手段。日本和我国都急起直追，在青铜器上均有众多的发现，提出了更多的新问题。

分析这段五六十年的历程，不难发现美欧学者和机构在进行着原创性的探索。中华文明源远流长，文物极盛，更需要创新性的理论、方法和装置，将其内涵发扬光大，很多课题亟待科学技术的突破。

致 谢：感谢上海博物馆于2022年10月组织的文物X射线成像技术应用国际研讨会，会上东京国立博物馆鸟越俊行研究员的报告揭示了千叶国立历史民俗博物馆于20世纪80年代开始采用CT技术研究中国青铜器。1990年检测泉屋博古馆藏瓠壶的报告，承奈良文化财研究所丹羽崇史研究员帮助复制，与他会上发表的PPT《成像技术和商周青铜器制作技术研究：以日本近期研究为例》一并惠赐，特此志谢。

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