考古學是依據(jù)古代物質遺留以了解古代人類行為與當時社會文化的學問，分析研究古代遺跡，獲取其豐富的潛在信息，探索古代人類社會歷史以及人類與自然的相互關系。到20 世紀中期出現(xiàn)了一個新的考古學派, 形成了一門新的學科, 那就是“科技考古學"?？萍伎脊艑W就是利用自然科學和考古學的理論、方法和手段, 分析研究古代實物遺存, 獲取豐富的“潛"信息, 以探索人與自然的關系以及古代人類社會歷史的科學。從考古學的發(fā)展上看出，自然科學的學科在理論和方法上的新成果被引入考古學中後，都促使考古學開辟新研究領域和有力推動考古學的發(fā)展?？茖W分析概念用以研究推論出土遺物的性質與來源，也經(jīng)常得以作為考古學家分析的研究材料。

  X射線光熒光分析儀應用范圍廣泛，包括環(huán)保、地質學(geology)、原料成份分析、ROHS有害物質分析等相關應用，同時亦可應用於古文物分析。

  在考古研究中, X 射線熒光光譜分析屬於非破壞性檢測，達到無損分析的成效，主要是測定古物中的成分, 從而達到各種分析目的, 進而推斷和判斷當時的人類社會文化。X 射線熒光光譜分析在考古學中主要應用有鑒定古物的年代、真?zhèn)?、產(chǎn)地、制作工藝以及如何進行文物保護。

  早在20 世紀50 年代中期, 英國牛津大學就建立了考古研究室, 該研究室中就有X 射線熒光分析技術。一般認為,國際上一些先進國家應用X 射線熒光進行文物考古研究始于20 世紀50 年代未到60 年代初。此后50 多年的時間內,X射線熒光分析技術在考古中的應用得到了迅速的發(fā)展。我國的X 射線光譜分析起步較晚, 直到20 世紀50 年代后期,才在儀器的制造、應用分析等方面開始研究工作。而對考古樣品的分析研究, 則始于20 世紀70 年代。此后, 發(fā)展迅速,特別是在陶瓷、青銅器考古方面, 已經(jīng)做了大量的工作, 如對宋代五大名窯之一的汝瓷燒制工藝的研究; 又如XRF 在建立中國古陶瓷成分數(shù)據(jù)庫方面的應用等等。這些工作說明了X 射線熒光分析技術在我國考古中的豐富實踐和豐碩成果, 并成為現(xiàn)代科技手段在考古中一個極為重要的應用。

應用一：文物的鑒定

  1.材質鑒定

  有些文物用肉眼就可以分辨, 是陶器還是青銅器; 有些文物用肉眼就不好分辨, 考古學家們有時為一件文物是什么材質爭論不休。如安徽東至發(fā)現(xiàn)的南宋關子鈔版,當時有人認為是鐵的, 經(jīng)X 射線熒光分析是鉛; 再如, 漢代白金三品,有人認為是銀的, 有人認為是錫鉛合金, 有人還從合金的組成上推斷是錫, 經(jīng)X 射線熒光分析, 結果是鉛；再如, 蟻鼻錢, 是先秦楚國的貨幣, 又叫鬼臉錢, 由于是春秋、戰(zhàn)國時期的, 很多考古學家理所當就地認為是青銅器, 經(jīng)X 射線熒光分析, 雖然也是銅錫鉛合金,但有的含鉛量達70 %～80 % , 有的含錫量達68 % , 含銅量超過50 %的, 17 個樣品中只有3 枚, 這說明蟻鼻錢的配料沒有統(tǒng)一的規(guī)定, 將它歸納到青銅類顯然是不妥的。

青銅器 馬踏飛燕

  2.真?zhèn)舞b定

  亂世黃金，盛世古董。超高的利益驅使造假高手技術越來越高。真的與假的, 雖然在外表上一樣, 但在成分上存在著區(qū)別。如汝官瓷與仿汝瓷, 雖然現(xiàn)代仿汝瓷可以以假亂真, 但成分上有區(qū)別, X 射線熒光光譜圖是不一樣的,有的仿汝瓷含鋅量高, 有的仿汝瓷含鍶量高, 古代的成分含量現(xiàn)代人是燒不出來的。再如銀元, 真的是銀, 假的是白銅。古代的金、銀器與現(xiàn)代的也不一樣。古代的內雜質較多, 現(xiàn)代的較純。再如古畫, 古代用的顏料與現(xiàn)代的是不一樣的, 美國曾對迭戈在1658 年畫的奧地利的瑪麗安娜皇后的油畫進行鑒定, 用X 射線熒光分析了畫中的白色顏料, 用的是鉛白和石膏, 證明此畫是真的,因為1870 年以后油畫的白色顏料只用鈦白了。

應用二：文物斷代

  同一類型的古物, 各朝代在制作工藝和配料上是不一樣的, 反映到成分上是有區(qū)別的, 可以利用X 射線熒光分析進行文物的斷代。例如銅鏡, 漢代普遍使用高錫含鉛的青銅鏡, 唐代在青銅鏡中大量加入鉛, 宋代青銅鏡中含鉛量較高, 達30 %以上, 并開始加入鋅, 元以后大量使用白銅鏡,明中期后使用黃銅鏡, 通過X 射線熒光分析就可以推斷它們的年代。陶瓷也是一樣, 如景德鎮(zhèn)的瓷器, 瓷胎的主要成分在各朝代是有區(qū)別, 唐代SiO2 的含量在75 %以上, Al2O3的含量在20 %以下; 宋元明, SiO2 的含量在70 %以上,Al2O3的含量在20 %左右; 清代, SiO2 小于70 % , Al2O3 大于20 %。用同步輻射X 射線熒光光譜分析了明朝景德鎮(zhèn)官窯青花瓷釉的成分, 從青花圖紋中的Fe/ Mn , K/ Ca 和Ti/Zn 值來判斷明朝各代青花瓷器。

青花瓷器

  在恒定的自然環(huán)境中, 實物自身的變化如果是有規(guī)律的, 也可以作為時代的標尺。例如骨骼中的鈾(U) 含量是隨時間的增長而增加, 用X 射線熒光測定骸骨中的含鈾量, 就可以確定其時代。 用X射線熒光分析技術來確定文物的成分, 根據(jù)文物的成分來斷代, 此工作比較艱巨, 需要建立各類文物的數(shù)據(jù)庫, 要測試大量樣品, 獲得大量的數(shù)據(jù)。有了數(shù)據(jù)庫, 被測物的測試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對照, 就可斷代了。例如,在西伯利亞和阿拉斯加之間的圣羅倫司島上曾發(fā)現(xiàn)了青銅盔甲, 經(jīng)X 射線熒光分析, 其成分與十九世紀船上用的青銅器一致, 說明其是相當晚的東西, 經(jīng)判斷是與愛斯基摩人通商的船只帶到島上的。

陶瓷碗

應用三：文物產(chǎn)地及其礦料來源分析

  時空框架的建立是考古學的基礎, 斷代測年是為古代遺存提供時間標尺, 文物產(chǎn)地及其礦料來源是為古代遺存提供空間坐標。文物的成分與其制作時間、地點存在著一定的關系。文物通過X射線熒光分析可知其成分, 經(jīng)聚類分析和其他方法的旁證, 可確定其產(chǎn)地及其礦料來源。這可為研究先民遷移路線和各種文化之間的關系, 提供有意義的信息。

  德國的拉德肯(Rathgen) 實驗室用X 射線熒光光譜分析了尼羅河流域的古陶器, 發(fā)現(xiàn)一般低質產(chǎn)品各地都有出產(chǎn),而高質量產(chǎn)品, 則來自于位于尼羅河中部地底比斯幾個中心產(chǎn)地。

  用X 射線熒光光譜分析了一批南宋低嶺頭越窯青瓷的胎和釉的成分, 并與北宋汝瓷和寺龍口傳統(tǒng)越窯瓷的數(shù)據(jù)比較。測試結果表明南宋低嶺頭窯所燒的青瓷器的胎是用當?shù)啬戏酱墒髟系? 為就地取材；而釉的成分與汝瓷釉相近,是借用了北方汝瓷釉的配方。因而燒制出與傳統(tǒng)越窯風格相去甚遠、而與汝瓷外觀頗類似的低嶺頭窯仿汝瓷類型的產(chǎn)品。這說明南宋低嶺頭窯在汝瓷技術南傳過程中很可能起了承前啟后的作用。

越窯瓷

應用四：制作工藝的研究

  通過對文物的X 射線熒光光譜分析, 可得到文物的成分, 從成分上推斷當時的制作工藝。例如, 埃及第五或第六王朝時期的2個“銀面"花瓶, 過去推測, 認為是表面含銻(Sb) 所致的。經(jīng)X 射線熒光分析, 得知這種花瓶的“銀面"是由于表面含砷(As) 所致, 從而推測是在銅(Cu) 表層上涂一層氧化砷(As2O5) , 加鋪炭末燒紅, 砷被還原滲入表面, 冷卻后拋光就成了“銀面"。

  隋朝敦煌莫高窟佛像上的涂金粉, 經(jīng)X 射線熒光分析,發(fā)現(xiàn)鉛( Pb) 的含量是金(Au) 的4 倍多, 而表面呈金色, 涂層極薄。從而推測, 在佛像上先涂鉛粉再涂金粉, 這樣可以節(jié)省金的用量。  

  汝瓷在釉胎之間, 用肉眼和實體顯微鏡可以明顯地看到一個中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡看不到, 通過對汝瓷從釉到胎成分的同步輻射和能量色散X 射線熒光線掃描分析, 發(fā)現(xiàn)在釉胎之間的確存在一個中間層, 且各元素濃度從釉到胎是連續(xù)變化的。從而推測, 汝瓷的燒制工藝是二次燒成的, 釉胎間的中間層是在瓷胎經(jīng)素燒、上釉后, 在再燒制過程中瓷釉成玻璃態(tài)而滲入瓷胎表面而形成的。由于中間層中的釉是玻璃態(tài), 故在實體顯微鏡可以明顯地看到汝瓷釉胎間的中間層, 而偏光顯微鏡和掃描電鏡下卻看不到。

汝瓷

應用五：文物保護

  文物保護離不開X 射線熒光分析, 首先要分析文物的成分, 確定文物的材質; 在查明文物損壞的過程和機理時, 要分析文物材料質變產(chǎn)物的成分; 保護得如何, 也要通過X 射線熒光分析來觀察文物的成分有無變化。在研究文物在地下埋葬環(huán)境時, 地下水和文物周圍的土壤的成分也要靠X 射線熒光分析來確定。在研究文物包護的佳環(huán)境時,要用X 射線熒光技術分析文物周圍大氣中的氣溶膠和化學污染物。因此, X射線熒光分析是文物保護工作的“眼睛"。