郑州地区商代都邑夯土建筑材料研究
[谷天旸1, 2 
, 师东辉3 , 杨树刚3 , 宋国定4, * , 张玉修5, * ]
, 师东辉, 张玉修]
引用本文
谷天旸, 师东辉, 杨树刚, 宋国定, 张玉修. 郑州地区商代都邑夯土建筑材料研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(7): 2078-2086.
GU Tian-yang, SHI Dong-hui, YANG Shu-gang, SONG Guo-ding, ZHANG Yu-xiu. Research on the Rammed Earth Construction Materials of Shang Dynasty Capital Sites in Zhengzhou[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(7): 2078-2086.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)07-2078-09
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GU Tian-yang, SHI Dong-hui, YANG Shu-gang, SONG Guo-ding, ZHANG Yu-xiu. Research on the Rammed Earth Construction Materials of Shang Dynasty Capital Sites in Zhengzhou[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(7): 2078-2086.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)07-2078-09
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郑州地区商代都邑夯土建筑材料研究
作者简介: 谷天旸,女, 1999年生,南开大学历史学院考古学与博物馆学系博士研究生 e-mail: gutianyang21@mails.ucas.ac.cn
摘要
夯土建筑遗址是郑州地区商代考古的重要发现之一, 为了解商代的建筑技术提供了实物证据, 也蕴含着与社会组织、 生产活动和文化现象相关的大量信息。 以郑州地区商代都邑——郑州商城和小双桥遗址建筑夯土为对象, 测定其硬度、 孔隙度和界限含水率指标, 开展X射线衍射分析、 X射线荧光分析、 扫描电镜观察, 深入了解夯土材料的主要元素组成、 物理性质和力学性能等, 分析夯土材料的成分特征, 以及夯筑前后夯土内部结构、 性质的变化特征和所反映的人类活动特点。 结合样品的考古学背景信息, 认为郑州地区商代都邑性遗址建筑夯土的夯筑质量较高, 这一阶段的夯土建筑技术处于平稳发展期, 其原材料大多取自遗址附近较为常见的黏质土壤。 某些特定建筑类型或部位夯土样品的成分和性质呈现出显著差异, 表明先民基于对区域环境和土壤特性的初步认识, 在夯土原材料的选择和处理上可能与不同建筑类型、 部位的功能需求有关。 此外, 在总结经验的基础上提出对夯土科技分析的思考与展望, 为后续研究提供有益借鉴。
关键词:
商代都邑; 夯土建筑; 夯筑工艺; 物理性质; 化学成分
中图分类号:TU411.2
文献标志码:A
Research on the Rammed Earth Construction Materials of Shang Dynasty Capital Sites in Zhengzhou
Abstract
Rammed earth constructions are recognized as important archaeological discoveries of the Shang Dynasty in Zhengzhou, providing physical evidence for understanding the architectural materials and techniques of the period and containing a wealth of information related to social organization, production activities, and cultural phenomena. This study focused on the rammed earth at the Zhengzhou Shang City and Xiaoshuangqiao site, through the determination of hardness, porosity, moisture content limits, as well as X-ray diffraction analysis, X-ray fluorescence analysis, and scanning electron microscopy observations, a deeper understanding of the elemental composition, physical properties, and mechanical performance of rammed earth materials has been achieved. At the same time, an analysis of the compositional characteristics of the rammed earth materials, the changes in internal structure and properties before and after rammed construction, and the characteristics of human activities reflected within has been conducted. Based on the archaeological background information of the samples, it is believed that the rammed earth quality of the constructions at the Shang Dynasty capital cities in Zhengzhou is relatively high. During this stage, the rammed earth construction technique is considered to be in a period of stable development, with most of the raw materials being sourced from the common clay found near the sites. Significant differences in the composition and properties of the rammed earth samples from certain specific building types or parts have been observed, indicating that the choice and handling of rammed earth raw materials may be related to the functional requirements of different construction types and parts, based on the ancestors' preliminary understanding of the regional environment and soil characteristics. Reflections and prospects for analyzing rammed earth technology are also proposed based on summarized experiences, which provide valuable references for future research.
Keyword:
Shang Dynasty capital city; Rammed earth construction; Rammed earth construction technique; Physical properties; Chemical composition
引言
物理性质和化学成分等指标作为土壤的天然属性, 是评估夯土建筑工程性能, 了解原料组成和来源的重要指标, 能够为研究夯土建筑的工艺、 技术特征提供切入点。 目前学术界已在多个考古遗址开展过相关研究, 形成了一套较为成熟的研究方法和技术路线, 也涌现出大量可用于开展横向和纵向比较研究的研究成果与实验数据[1, 2, 3, 4]。 然而, 现有研究对象普遍集中于年代较晚的长城、 城墙类遗址, 对于早期建筑夯土的成分和性质了解尚不深入, 也鲜少关注夯土物化特征与建筑类型及部位之间的关系。
在一组宫殿或宗庙建筑之下整体垫土加高是商代建筑的标准做法, 早商以来, 夯土建筑基础成为城址中主要的奠基和建筑形式, 尤其是这一时期高台建筑的萌芽与发展为后来的技术进步奠定了坚实基础。 虽然高台建筑在夏商之际尚不是主流的建筑形式, 但其在春秋战国时期日益盛行, 至秦汉时期成为高等级建筑主体殿堂的主要处理方式。 “ 高台榭, 美宫室” 逐渐成为权力、 地位和财富的象征, 也代表了时人对建筑美学的追求。
郑州商城位于河南省郑州市老城区内, 是商代早期重要的都邑遗址, 具备“ 内城外郭” 的城市布局形态, 基本呈现了早商时期城市文明发展的最高水平, 发现有夯土城墙和大量集中连片的夯土基址, 这些城墙与基址很可能与宫殿和宗庙祭祀性质的建筑有关[5]。 郑州小双桥遗址位于郑州市石佛乡小双桥村西南, 与郑州商城相距约20 km, 综合年代、 位置和文化面貌等特征, 应是商代中期早段比较重要的一处具备都邑性质的遗址, 繁荣阶段与郑州商城前后相接。 除了大量夯土建筑基址外, 遗址内还发现一处三层的商代夯土高台, 当地人称之为“ 周勃墓” , 现存高度约12 m, 在其顶部发现了大量商代建筑遗迹[6]。
郑州及其周边地区商代都邑性遗址的发掘和研究资料较为丰富, 发现了大量规模宏大、 质量优良的夯土基址, 其中小双桥遗址“ 周勃墓” 高台形夯土基址可能是迄今发现年代最早的高台建筑之一。 但既往研究多侧重于依托遗迹地层的考古解剖来探讨大型夯土基址的性质和复原问题, 科技考古手段的参与程度不高, 且相关研究尚未触及建筑工艺和技术方面的核心问题[5, 6, 7, 8]。
本研究以年代、 地理位置相近的郑州商城和郑州小双桥遗址的夯土建筑基址为对象, 开展物理性质和化学成分的分析与比较研究, 有助于了解商代夯土建筑的结构和成分特征, 为文物建筑的保护和研究提供借鉴。
 | 图1 遗址位置与研究区域地貌特征Fig.1 Site locations and the geomorphological features of the research area |
1 实验部分
1.1 样品来源与考古背景信息
郑州商城的样品基本采集自其内城范围内, 在塔湾和书院街北发掘地点采集了建筑基础部位的夯土样品(ZZSC004— 006、 ZZSC014— 015); 在郑州商都遗址博物院、 郑州市管城区东城垣遗址博物馆获取了商代和战国时期的城墙夯土样品(ZZSC002— 003、 ZZSC007— 008)。
郑州小双桥遗址的样品采集自“ 周勃墓” 台基的基槽(ZXZ001、 ZXZ006)和台基外侧的商代建筑(ZXZ005)。 基槽部分土色深褐, 夯层分明, 夯窝明显, 部分位置可见木骨结构痕迹; 外侧夯土建筑部分土色浅褐, 夯筑迹象不甚明显。 从小双桥遗址商代文化层还获取了水井夯土(ZXJ1)和对照样品(ZXZ011)。 对照样品选取自遗址附近, 是先民可能获取的土壤来源, 通过成分分析可以探讨其与夯土的关联性。
1.2 研究方法
1.2.1 物理性质测定
基于样品的性质和保存状况, 参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123— 2019)测量其硬度、 孔隙度和界限含水率。 首先使用LX-A型邵氏硬度计测定样品表面硬度。 其次运用比重瓶法测定土粒比重和颗粒密度, 结合土粒比重(G)、 干密度(ρ )、 含水率(w), 可进一步换算获得孔隙率(n)、 孔隙比(e)。 最后使用gys-2型数显式液塑限测定仪测算样品的液限(Wl)、 塑限(Wp)和塑性指数(Ip)。
1.2.2 化学成分分析
1.2.2.1 扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)
扫描电镜和能谱仪的结合可以获取样品的微观结构和化学成分信息。 选取代表性样品块, 使用Quanta FEG450场发射环境扫描电镜在200X、 400X、 800X倍数下对黏土矿物进行鉴定、 摄像和能谱元素分析。
1.2.2.2 X射线衍射分析(XRD)
样品自然干燥后在研钵中碾碎备用, 将粉末样品压制在20 mm× 14 mm× 1.5 mm的铝质框架中供上机测定。 仪器型号为日本理学Rigaku Ultima IV, 铜靶, 波长1.54 Å , 电压40 kV, 电流40 mA。 参照《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163— 2018)使用Jade软件进行数据处理, 通过与标准矿物衍射数据进行对比, 根据对应特征衍射峰位置鉴定矿物, 选定矿物后进行图谱拟合, 半定量地分析计算样品中的主要矿物成分。
1.2.2.3 X射线荧光分析(pXRF)
使用奥林巴斯Vanta M Series手持式荧光光谱仪对粉末样品进行检测, 每个样品选取5个测量点, 每次持续45 s。 使用Geochemistry模式, 测试元素包含Si、 Al、 Fe、 K、 Ca、 Ti、 Ni、 Cu、 Zn、 As、 Rb、 Sr、 Zr、 Ba、 Pb等, 其中前六种元素以其氧化物的形式表示。
2 结果与讨论
2.1 物理性质测定
2.1.1 硬度
土壤的硬度受到成分、 粒度、 含水率等多种因素的影响, 能够比较直观地反映压实程度。 郑州商城商代城墙、 建筑基础和小双桥遗址商代台基、 水井夯土样品的邵氏硬度均超过90 HA, 战国时期城墙夯土的邵氏硬度约80 HA, 质地较为坚硬; 但小双桥遗址“ 周勃墓” 台基外侧商代建筑和郑州商城书院街北遗址所取的建筑基础部位夯土的硬度较低(43~69 HA), 质地较为松软。
2.1.2 孔隙度
土壤土粒之间存在着形态、 大小不一的空间, 称为土壤孔隙。 孔隙度是衡量夯土结构的一项重要指标, 孔径分布情况与夯土材料的硬度、 渗透性、 压实性等有密切关系。 以原状夯土薄片为基础在徕卡DM4P偏光显微镜下面估孔隙度和渗透率, 并通过比重瓶法计算孔隙率和孔隙比, 了解样品的孔隙状态。
2.1.2.1 显微镜下面估法
面估法反映自然状态下的土壤孔隙情况, 受土壤自身性质和水动力条件影响较大。 通常粒度较粗、 黏土含量低、 分选性和磨圆度较好的土壤结构成熟度高, 孔隙发育; 反之则孔隙度低。
通过观察样品薄片, 面估相应的孔隙度和渗透率发现, 郑州地区商代和战国时期各类型夯土材料均属于低孔、 低渗结构类型, 发育泥质微孔, 孔隙度粗略估计介于10%~20%, 吸水性较好, 但渗透性差, 渗透率约5~6毫达西(md)。
2.1.2.2 比重换算法
土壤孔隙率(n)的常见值为30%~50%, 孔隙比(e)能够反映土体的密实程度, 该值越大土体越疏松, 越小则土体越密实, 可以作为确定地基承载力的一项重要指标, 当e< 0.6时, 土体呈密实状态, 为良好地基。 土壤孔隙率、 孔隙比可以通过测定密度、 比重和含水率, 进而换算获知。
经计算可知, 郑州地区商代和战国时期夯土的孔隙率介于29%~48%, 除小双桥遗址“ 周勃墓” 台基外侧建筑堆积ZXZ005以外, 均呈现出显著低于对照样品的较低孔隙率, 且孔隙比基本接近或低于0.6, 表明土体经过强烈的压实作用, 质地密实, 作为建筑的基础部位能够发挥较好的承载能力与稳定性, 不易下陷。
 | 表1 夯土比重、 密度、 孔隙度 Table 1 Specific gravity, density, porosity of rammed earth samples |
2.1.3 界限含水率
界限含水率是用于评价土壤工程性质的重要指标, 在土壤的分类、 压实、 稳定性分析等方面具有重要意义。 液限(Wl)和塑限(Wp)分别为土壤从可塑状态转变为流动状态时, 以及从可塑状态转变为半固态时的含水量, 其差值称为塑性指数(Ip)。 塑性指数越大, 表明细粒土在可塑状态的含水率变化越大, 土壤中黏粒的含量越多, 可塑性越强。
郑州商城和小双桥遗址商代夯土样品的塑性指数约在5.91~7.17之间, 属于粉质土或粉质粘土, 粘粒含量较低, 具有较低的可塑性和变形能力, 一定范围内含水率变化时不易发生变形, 可以提供一定的承载能力和稳定性, 在现代工程中适合作为路基、 地基的填料或基础层。 战国城墙夯土样品(ZZSC008)塑性指数为17.05, 属于黏土, 粘粒含量很高, 在含水率变化时更容易发生变形, 具有较高的可塑性。
| 表2 夯土样品的界限含水率和塑性指数 Table 2 Limit moisture content and plastic index of rammed earth samples |
2.2 化学成分分析
2.2.1 扫描电镜-能谱分析
选取代表性样品ZZSC005和ZZSC008在扫描电镜高倍下观察颗粒间的黏土矿物等细粒物质并通过能谱分析其元素组成。 商代夯土(ZZSC005)中主要的黏土矿物为伊利石, 战国夯土(ZZSC008)中发现有伊利石和绿/蒙混层矿物, 伊利石的微观结构呈丝状、 片状形态, 赋存于颗粒表面或粒间孔隙内, 能谱测定其主要元素为Si、 Al和K, 富含钾元素; 绿/蒙混层矿物微观结构呈蜂窝状、 丝缕状和丝带状形态, 为蒙皂石向绿泥石转化阶段的中间产物, 能谱测定其主要元素Si、 Al、 Fe、 Mg、 Ca, 其中Fe、 Mg元素含量较高。 这类黏土矿物含量较高可能与当时气候干燥、 淋滤作用较弱的偏碱性沉积环境有关。
 | 图2 夯土样品中黏土矿物的扫描电镜特征 I: 伊利石; Ch/S: 绿/蒙混层矿物; K: 钾长石; Q: 石英; Ab: 钠长石Fig.2 Scanning electron microscopic characteristics of the clay minerals of rammed earth samples I: Illite; Ch/S: Chlorite-smectite mixed-layer mineral; K: K-feldspar; Q: Quartz; Ab: Albite |
 | 图3 伊利石和绿/蒙混层矿物的能谱分析图Fig.3 The energy spectrum analysis diagram of Illite and Chlorite-smectite mixed-layer mineral (Ch/S) |
2.2.2 X射线衍射分析
X射线衍射分析可获知夯土原料的矿物成分, 追溯其物料的来源[9]。 选取7件代表性样品进行了X射线衍射定性和半定量分析(表3, 图4)。 结果显示, 夯土样品的主要矿物成分有石英、 钠长石和白云母, 部分样品还包含少量或微量的正长石、 伊利石、 白云石等矿物成分, 各类型夯土的矿物组合比较相近, 也接近于当地土壤(对照样品)的矿物组成。 方解石的特征峰角度约在29.05~29.55之间, 在样品中并未发现与之吻合的物相, 表明其含量极低或在分析样品中没有检测到。
| 表3 夯土样品X射线衍射分析结果 Table 3 X-ray diffraction results of rammed earth samples |
 | 图4 夯土样品X射线衍射谱图Fig.4 XRD spectra of rammed earth samples |
在郑州商城书院街北所采集的商代建筑基础部位夯土样品ZZSC014和ZZSC015为同一层位掺杂的不同质地夯土, 肉眼观察发现前者为泥质, 质地湿润、 细腻; 后者为砂质, 质地干燥、 松散, 两种土壤在矿物成分上稍有区别, 数据差异的显著性略超其他对照组。
2.2.3 X射线荧光分析
X射线荧光分析可用于了解夯土原料的化学成分, 并通过对各类型样品数据进行因子分析, 进一步了解样品及其类型间的差异。 尽管这种方法在夯土科技分析中应用较少, 但它在陶器成分和原料产地研究中有广泛应用, 分析方法较为成熟[10, 11]。 pXRF的分析结果表明, 郑州商城和小双桥遗址夯土的主量元素有Si、 Al、 Fe、 K、 Ca、 Ti等。 其中, SiO2含量的变化范围介于48.91%~58.33%; Al2O3的含量在5.13%~8.31%之间波动; K2O在1.42%~2.27%之间; Fe2O3在1.00%~2.55%之间; TiO2含量普遍较低, 约为0.31%~0.58%。 值得注意的是, 不同样品间的CaO含量波动幅度较大, 小双桥遗址水井夯土的钙含量明显高于其他类型样品(表4)。 相较于上述主量元素, 两处遗址多种类型的夯土样品的Ni、 Cu、 Zn、 As、 Rb、 Sr、 Zr、 Ba、 Pb等微量元素含量差别较小, 除小双桥遗址水井夯土的Sr和Ba含量与其他样品差异明显以外, 各元素含量的变化范围不大(表5)。 水井样品较为明显的差异一定程度上也可能受到地下水中矿物溶解作用的影响[12]。
| 表4 夯土样品主量元素测试结果(单位: wt%) Table 4 Results of major elements of rammed earth samples (wt%) |
| 表5 夯土样品微量元素测试结果(单位: wt‰ ) Table 5 Results of trace elements of rammed earth samples (wt‰ ) |
整体而言, 绝大多数被测样品的主量和微量元素组成从遗址位置、 年代和建筑类型角度区分不甚明显, 数据点交错分布在一个比较聚集的范围内, 仅小双桥水井夯土(ZXJ1)的数据点较为离散, 与其他样品数据呈现出显著的差异, 尤其是在微量元素的散点图中反映的更加明显(图5, 图6)。
 | 图5 夯土样品主量元素因子分析散点图Fig.5 Scatter plot of major element factor analysis of rammed earth samples |
 | 图6 夯土样品微量元素因子分析散点图Fig.6 Scatter plot of trace element factor analysis of rammed earth samples |
3 郑州地区商代都邑建筑夯土的物化特征
3.1 夯土的物理性质
夯土材料的硬度与密度相关, 压实作用较强时硬度也普遍较高。 经测定, 郑州商城城墙和小双桥遗址“ 周勃墓” 高台等特殊类型建筑夯土的表面硬度明显高于郑州商城内城南部发现的普通建筑基础部位, 表明这些建筑类型对结构稳定性和承载力的要求较高, 可能经过了更高质量的夯筑过程。 不过, 由于这些夯土的颗粒级配良好(8.74~17.80), 颗粒组成与文化层土壤接近, 说明其主要是由遗址附近的土壤直接夯筑而成, 且未发现添加石灰、 糯米浆等能显著提高夯土强度的胶结材料[8], 其硬度显著低于此前在郑州商城宫殿区夯土表层所发现的平均硬度达80.5 HD的夯筑灰土材料[7]。
经过夯实后, 土壤中的孔隙结构和渗透能力发生了一定变化。 原本松散的土壤在反复锤打下被压实, 颗粒间的孔隙减少或缩小, 形态随外力作用发生变化, 孔隙结构更加紧密, 渗透能力显著降低, 使得建筑基础部位具有更高的密实度和承载力, 能够有效地分担和传递上层建筑物的荷载, 避免地基沉降或变形过大而导致结构失稳, 从而有效保障建筑结构的安全稳定。
界限含水率和塑性指数反映的是土壤在含水量变化时的塑性和流变特性, 是由土壤本身的颗粒结构和组成所决定的, 有助于更好地了解土壤性质, 从而为判断土壤在不同建筑类型或部位中的适用性提供参考。 塑性指数较低的土壤更适用于需要较高承载能力的建筑, 以确保稳定性。 分析结果显示, 郑州商城商代和战国时期城墙夯土的原材料在工程性质和应用特点上有明显差异, 前者性质稳定, 在夯筑城墙和建筑基础部位时具备更好的适用性; 后者则黏性和塑性较大, 在修补城墙时更利于粘结和塑形, 可能与不同建筑部位的性质和功能有关。
3.2 夯土的化学组成
多种定性、 半定量分析结果的相互印证, 进一步确认了夯土材料中粗粒级、 细粉粒级与泥级物质的组成。 从X射线衍射的分析结果来看, 郑州地区商代及战国时期建筑夯土的主要矿物组成与当地土壤相近, 主要为石英、 长石、 云母等, 部分样品含有少量的正长石、 伊利石、 白云石等矿物, 未发现明显的与碳酸钙相关的成分, 表明其为就近取土夯筑而成, 其中并未添加石灰等改性材料。 两种质地不同的夯土样品在矿物成分和比例上仅有细微差别, 其是否代表先民对不同类型土壤的人为掺合目前仍需要更多实验数据佐证。 由于样品属于混合物相, 除石英、 长石等主要矿物成分外还含有多种黏土矿物成分, 其衍射图谱是各种物相衍射峰的机械叠加, 多数黏土矿物占比很低, 衍射峰不明显, 因此较难进行准确的物相鉴定和定量分析, 对黏土矿物开展深入分析还需借助更精细的测试手段。
由PXRF分析结果可知, 除小双桥遗址水井夯土的化学组成特征与其他样品存在显著差异之外, 郑州商城和小双桥遗址夯土样品的化学成分整体比较相近, 其元素组成受到遗址位置、 年代和建筑类型的影响较弱, 与当地文化层土壤较为接近。 在郑州商城东城墙同一位置所取的商代和战国时期夯土也未显示出显著成分差异, 表明这两个时期对土壤原料的处理方式相似, 对土壤的成分并未施加明显的干预和控制。 由于郑州商城和小双桥遗址的地理位置相距不远, 地理与地质环境背景相似, 夯筑时所使用的原料在成分上可能较为接近, 因此在遗址之间并未发现显著的原料地域差异, 这种现象在两处遗址出土陶器的成分和产地分析中也有所体现[13, 14]。
扫描电镜-能谱分析结果显示, 郑州商城商代和战国夯土中主要的黏土矿物种类存在一定差异, 商代夯土中主要黏土矿物为伊利石, 战国夯土中包含伊利石、 绿/蒙混层等多种黏土矿物, 但XRD及pXRF分析发现这两种样品的成分差异并不明显, 考虑到样品量较少以及存在个体差异等原因, 不同时期夯土的成分和物料来源是否确实存在差异还有待进一步的论证。
4 郑州地区商代都邑建筑夯土材料的工艺特征与技术特点
结合对上述研究结果的分析论证, 可以初步认识郑州地区商代和战国时期夯土建筑材料的工艺、 技术特征, 及其所反映的人类活动特点。
夯筑行为对土壤的物理性质、 力学性能等方面均有显著改善作用。 为了更有效地评估郑州地区商代夯土的力学性质和工程质量, 从开展过类似测试的研究中收集多份遗址夯土样品的基本物理性质数据, 基于此进行了对比分析(表6)。 对比表明, 郑州地区商代和战国时期的建筑夯土不存在显著的质量差异, 其含水率低, 密度较高, 孔隙率与崩解速度和多数夯土遗址相差无几, 表明其整体夯筑质量较高, 具有较强的稳定性和承载力, 并不逊于后来朝代的部分夯土建筑。 反映出这一阶段夯土建筑技术处于平稳发展期, 尚未出现具有跨时代意义的革新。
| 表6 夯土样品基本物理性质测试结果对比 Table 6 Comparison of basic physical property results of rammed earth samples |
郑州地区商代夯土的主要矿物成分包括石英、 长石、 云母等, 部分样品中还含有少量正长石、 伊利石、 白云石、 绿/蒙混层矿物。 绝大多数样品与当地土壤的化学组成较为接近, 结合此前对两遗址夯土和对照样品的显微物相分析推断[8], 各类型建筑在夯筑时选用的极可能就是遗址周边较为常见的黏质土壤。 饶宗岳等此前对焦家遗址的地学考古观察揭示了城墙与壕沟之间的密切联系, 壕沟开挖和清淤所得的沉积物构成了城墙修筑的主要原料[15]。 城墙与城壕土壤的关联研究也为解释夯土建筑原料的近源性提供了辅证, 而且可能暗示部分遗址中夯土建筑(尤其是城墙等类型)的原材料或将与开挖城壕等建筑工程密切相关。
以小双桥遗址水井为代表的特殊类型夯土在化学元素组成上与其他样品数据存在显著差异, 除去矿物组成和水文环境等因素影响, 这一差异也可能暗示某些特定的建筑类型在原料选配或夯筑过程中存在特殊的处理方式。 相较于其他类型建筑夯土, 小双桥遗址水井夯土的数据呈现出明显的偏移和聚类特征, 表明先民在修建这种特殊的建筑类型时可能对土壤原料有特殊的选择意向, 抑或是在建筑过程中对土壤的使用和配比有所控制, 掺入了一些来源于其他地区的土壤, 从而使得其成分与当地原生土壤及其他类型夯土之间存在显著差异。
早商时期初修城墙与战国时期补修城墙时所用的土壤在黏土矿物种类、 工程性质和应用特点上均存在明显差异, 这可能与城墙不同部位, 以及初建和补修环节对土壤性质的不同需求相关。 郑州商城和小双桥遗址的商代夯土样品均取自城墙的中心或建筑的基础部位, 对承载力和稳定性的要求较高, 其原材料塑性指数较低, 土壤自身具备更好的稳定性, 遇水不易坍缩或变形, 在修建城墙和建筑基础部位中具有较高的适用性; 而战国城墙为在商代城墙基础上补筑而成, 对土壤承载力的要求相对较低, 其原材料土壤的黏性和塑性都较强, 在补修城墙时能够更好地发挥粘结和塑形的作用。 这一现象可能反映了先民已对土壤的性质有了一定的认识, 并根据不同夯土建筑类型或部位的功能需求, 对原材料有所选择。
5 古代夯土科技分析方法的思考
基于前期探索, 初步评估目前所应用技术手段在夯土研究中的数据质量和有效性, 获得了一些有益的思考, 或可为未来夯土科技分析的研究方向提供参考。
首先, 人们对土壤施加的夯筑行为主要是通过用力压实的方式, 以物理手段改变土壤的宏观和微观形态。 在这一过程中主要发生的是物理形变, 而非土壤成分的化学变化。 因此, 在研究以商代为代表的早期建筑夯土时, 应更加关注土壤的物理性质、 矿物成分和物料来源, 尤其是关注样品在微量元素、 黏土矿物及其他细粒物质上的差异, 合理选择相应的实验手段。
其次, 夯土科技分析的方法和体系仍处于探索初期, 但可以借鉴前人在陶器化学组成及原料产地研究方面的经验。 尽管夯土和陶器这两类遗物在外观和制作过程上难以直接关联, 但它们本质上都反映了古代先民对当地土壤的主观选择与改造过程。 前人在陶器成分及原料产地方面的分析方法和认识一定程度上可以为夯土研究提供有价值的参考。
总体而言, 人类活动并未在夯土本身中留下更多证据, 一方面反映出夯筑行为时间短、 强度较低; 另一方面, 与自然界漫长的地质作用相比, 人类活动的影响力是极为微弱的。 如何通过对土壤的成分、 结构、 微观形态等方面进行科学研究, 更好地从地质作用现象中有效提取、 剥离出人类活动所留下的迹象, 将成为未来不可避免的研究议题。
6 结论
商代是中国早期城市文明发展的关键阶段, 夯土建筑则是商代城址的显著标志。 郑州商城、 郑州小双桥遗址作为商代早、 中期重要的都邑性遗址, 在商代城市文明发展历程中占据重要地位。 本研究从物理性质、 化学成分与矿物组成等多个角度, 对郑州商城和小双桥遗址的夯土开展综合分析, 取得了如下阶段性认识:
郑州地区商代夯土的主要矿物成分为石英、 长石、 云母等, 与当地土壤相近, 部分样品中还含有少量的正长石、 伊利石、 白云石、 绿/蒙混层矿物等, 遗址周边较为常见的黏质土壤可能是大部分夯土建筑的主要物料来源。 夯土的成分和性质在不同建筑类型及其部位之间存在差异, 可能表明这一时期的先民已经对认识和利用土壤及环境资源, 营造夯土建筑, 尤其是高台形夯土基址方面具备了一定的认知和经验。 本研究在充分运用考古学常见方法手段的基础上, 融合了沉积学、 岩石学与矿物学、 地球化学等研究领域较为成熟的技术手段, 从方法和研究范式等方面为夯土建筑研究提供了新视角。
致谢: 感谢中国科学院大学地球与行星科学学院曾庆利老师、 吴金旭与刘浩宇同学, 中国科学院地质与地球物理研究所张庭伟博士, 中国石油勘探开发研究院西北分院黄成刚老师, 南开大学历史学院刘亦方老师、 张国文老师, 北京科技大学顾耀奇同学, 以及退休的宋丽红老师在实验研究、 数据处理和论文写作过程中给予的帮助。 感谢两位匿名审稿专家和编辑部老师们的中肯意见。
参考文献
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