考古文物具有特殊性，且對自身結(jié)構(gòu)的改變極為敏感，檢測時需格外謹(jǐn)慎。此類檢測對文物修復(fù)及制造工藝探索至關(guān)重要。通常僅需分析文物的微小局部，而微束大面積元素成像分析（Micro-XRF）作為快速、常用的元素分析方法，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度且無損的檢測。

      本報告描述了對一柄羅馬劍的局部分析。在清除腐蝕層后，使用布魯克公司的微束大面積元素成像光譜儀 M4 TORNADO 對該劍進(jìn)行了檢測。

樣品

      檢測對象為一柄羅馬短劍（Gladius，見圖1），出土于德國東北部帕瑟瓦爾克鎮(zhèn)附近。其制造特征表明該劍非本地生產(chǎn)，可能由日耳曼戰(zhàn)士攜帶，后折斷并獻(xiàn)祭于神，劍體已高度腐蝕。

圖1.清理后殘留腐蝕層的羅馬劍照片。

材料結(jié)構(gòu)檢測

      首階段檢測在柏林應(yīng)用科技大學(xué)（HTW Berlin）進(jìn)行，通過X射線成像分析發(fā)現(xiàn)：劍體上部呈現(xiàn)富碳與貧碳區(qū)的夾層結(jié)構(gòu)（圖2左），即"Damascus steel"——兼具硬度與彈性的鋼材。近劍柄區(qū)域的X射線圖像顯示劍身兩側(cè)各有一處鑲嵌裝飾（圖2右）。

      一側(cè)鑲嵌飛翔的勝利女神維多利亞（Victoria），她是羅馬皇帝的守護(hù)神；另一側(cè)為羅馬軍團(tuán)象征——鷹（圖3）。后續(xù)研究聚焦于鑲嵌物與劍身的元素組成，并利用元素成像系統(tǒng)重建鑲嵌紋飾。

圖2.X射線CT圖像清晰呈現(xiàn)鋼材的大馬士革結(jié)構(gòu)及鑲嵌物紋飾。

儀器分析

      本次檢測使用布魯克M4 TORNADO微束大面積元素成像分析法（Micro-XRF），具體測量條件如下：

      · 測量環(huán)境：空氣

      · 激發(fā)條件：50千伏，600微安

      · 分布分析：采用HyperMap技術(shù)

      · 分析區(qū)域：約22×16毫米（450×330像素）

      · 單像素采集時間：10毫秒

      · 總測量時長：約30分鐘

圖3.鑲嵌物線描圖：展示女神維多利亞（Victoria）與鷹的圖案

分析結(jié)果

      元素分布分析結(jié)果如圖4所示。該映射區(qū)域較小，呈現(xiàn)了維多利亞頭部的輪廓。鑲嵌物疑似由含鎳的銅鋅合金制成；刀身部分材質(zhì)為鋼材，符合預(yù)期。在鑲嵌物不同位置采集了單點(diǎn)光譜（見圖6）。通過HyperMap功能可以整合不同區(qū)域的光譜圖，測量點(diǎn)位在所有檢測元素的混合圖像中以高亮標(biāo)示。

      元素分布需按以下邏輯闡釋：

      鑲嵌物（測量點(diǎn)MP2）：材質(zhì)為黃銅（含Cu、Zn）。單元素分布暗示含鎳（Ni），但圖7紅色譜線證實(shí)無鎳存在，高銅鋅峰產(chǎn)生的背景干擾導(dǎo)致誤判，定量分析已修正此誤差。

      劍身（測量點(diǎn)MP3）：材質(zhì)為鋼材（圖7綠色譜線），含鐵（Fe）及微量錳（Mn）、鎳（Ni）。譜線中銅（Cu）、鋅（Zn）、鈣（Ca）源于鑲嵌物污染及長期埋藏的環(huán)境滲透。

      測量點(diǎn)MP1（圖7藍(lán)色譜線）：鈣含量高，鐵、錳、鎳濃度低，銅鋅強(qiáng)度高于MP3。此差異可能源自金屬表面腐蝕層的成分微變。光譜評估后的定量結(jié)果見下表。

圖4.劍體上部鑲嵌物的元素分布圖

圖5(左).劍身鑲嵌紋飾實(shí)物圖

圖6(右).勝利女神頭部區(qū)域的鈣、鐵、鎳、銅、鋅多元素分布圖（標(biāo)注測量點(diǎn)MP1/2/3）

結(jié)論

      微束大面積元素成像技術(shù)可高效、可靠地檢測脆弱珍貴的考古文物，尤其適用于局部區(qū)域的無損快速分析。

      此羅馬劍由低合金鋼制成，劍身鑲嵌勝利女神紋飾。光譜分析量化了劍身鋼材與鑲嵌物的元素組成，并證明需謹(jǐn)慎解讀元素分布以避免譜峰重疊或背景干擾。元素成像圖精準(zhǔn)還原了鑲嵌紋飾形態(tài)，無需額外處理即可重建原貌。定量成分?jǐn)?shù)據(jù)對制定修復(fù)方案至關(guān)重要——修復(fù)工藝的選擇直接取決于樣本組成。

圖7.測量點(diǎn)光譜圖（MP1藍(lán)/MP2紅/MP3綠）

作者

Dr. Roald Tagle、Ulrich Waldschl?ger、Dr. Michael Haschke

Bruker Nano GmbH

Natalie Lehnhardt

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

致謝

特別鳴謝Landesamt für Kultur und Denkmalpflege Mecklenburg-Vorpommern的Dr. C. Michael Schirren、Lorenz Bartel