珊瑚島一號沉船遺址石質文物清理技術探討

□ 王昊 萬鑫 張治國 席光蘭

序言

珊瑚島位于中國西沙群島永樂環礁的西北部，清末宣統元年（1909年）李準巡海時發現此處珊瑚極多，因此名之珊瑚島。最早在上世紀70年代，漁民在其附近海域發現有石質文物，1996年西沙水下普查時發現并確認了該水下遺址，命名為珊瑚島一號沉船遺址。2015年，國家文物局水下文化遺產保護中心與海南省文物局聯合對其進行正式的水下考古發掘。

珊瑚島一號沉船遺址以石質文物和瓷器碎片為主要堆積，石質文物包括建筑構件、石像和生活用具三類，這些文物為研究古人在南海海域的生產、生活等社會活動提供了實物依據。從珊瑚島一號沉船遺址的文物類型、價值、水深、水質及現有旅游基礎條件等多方面因素來看，該遺址具有良好的水下原址保護與展示利用的條件，有必要對其進行科學的保護，充分揭示、展示文物價值，然而由于長期埋藏于海洋環境當中，石質文物表面多被各類海洋凝結物和海洋生物所包裹，有些文物被珊瑚砂掩埋而只露出少許，對于遺址保護和利用的首要任務則是遺址水下石質文物污染物病害研究及清理保護工作。

一、石質文物保存狀況調研

珊瑚島一號沉船遺址發現的石質文物共274件，主要為石質建筑構件，有255件；另有石像10件、石質生活用具9件。這批石質文物在石材、規格、雕刻技藝、造型、裝飾風格及功用上都非常相近，其中建筑構件里的雕花石板、雕花圓形石柱等文物，根據其紋飾形制等信息可判定制作時代為清晚期；石像的衣著紋飾等雖為明代人物風格，但此類雕像的制作一直延續至清晚期，而文物所用石材相近，因此可將文物的制作時代定為清晚期[1]。

這些石質文物在珊瑚島一號沉船遺址東西寬50米、南北長142米的范圍內皆有發現。大部分遺物分布在珊瑚島東北部礁盤的北部，東北部礁盤的南部僅發現11件石質類文物及少量散落瓷片。礁盤南部的11件石質類文物呈南北向線性分布，延伸分布長度達12米，主要有石板和石條二類。東北部礁盤北部的石質類文物散落面積較大，主要集中分布于二條東北—西南向的沖溝內和沖溝之間的海床表面，沖溝內多為石板、石條、石像，而沖溝之間的海床表面多為石板、石條、石像、石柱等。

圖一 水下石質文物疊壓堆積情況

表1 珊瑚島一號沉船遺址石質文物狀況

表2 珊瑚島海域水質檢測離子濃度

根據遺址水下石質文物保存現狀調查的統計，這批石質文物的分布在珊瑚礁的海床和沖溝當中各占一半，其中有三分之一的石質文物存在疊壓情況（圖一），會對文物清理工作造成一定的影響。石質文物表面污染物主要為海洋生物污損、鈣質沉積物和海洋藻類等生物造成的色斑污染，數量上看，幾乎所有的石質文物表面都覆蓋有鈣質沉積物和色斑污染，有超過100件的文物表面生長有珊瑚為主的海洋生物。

二、埋藏環境與污染物病害

1.珊瑚島一號沉船遺址環境概況

珊瑚島一號沉船遺址海底為板結較硬的珊瑚和珊瑚砂，有少量低矮的礁石，海床高低起伏不平，水深不一。遺址生態系統水環境pH值為8.10，鹽度為3.58×104mg/L，溶解氧含量為7.8mg/L。以μg/L 為單位檢測沉積物，其中 Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As均未檢出，表明珊瑚島一號沉船遺址沉積物質量良好，是健康狀況非常好的生態系統。

圖二 文物表面生長的各類珊瑚

在遺址內共調查到珊瑚種類13種，包括疣狀杯形珊瑚（Pocillopora verrucosa）、多曲杯形珊瑚（P.meadrina）、鹿角珊瑚（Acropora）、巨錐鹿角珊瑚（A.monticolusa）、多孔鹿角珊瑚（A.millipora）、簡單鹿角珊瑚（A.austera）、細枝鹿角珊瑚（Acropora cerealis）、橙黃濱珊瑚（Porites lutea）、板狀多孔螅（Millopora）、角蜂巢珊瑚（Favites sp.）、黃廯蜂巢珊瑚（Favia favus）、秘密角蜂巢珊瑚（Favites abdita）和菊花珊瑚（Montastrea sp.），均為國家二級保護野生動物。在科級組成中鹿角珊瑚科和蜂巢珊瑚科為科級優勢類群[2]。然而人為干擾，導致不同海域珊瑚生態系統正在退化，近岸工程、過度捕撈、長棘海星侵蝕、采挖珊瑚、炸魚、排放污水污物等，多種原因導致珊瑚面臨退化趨勢，過度潛水旅游觀光也會對珊瑚及其生態環境造成影響[3]。

整個沉船遺址分布范圍內最大水深為4米，最淺為1米。在人為干擾較小，透明度較好海域，6米水深的光照強度、波能、水溫等各種環境因子的綜合結果較合適珊瑚生長。平均氣候下2米水深左右，波浪作用較激烈，在熱帶氣候或強寒潮的影響下，5米水深以下，波浪作用激烈，水深6米則波浪作用減弱[4]。因此，珊瑚島一號沉船遺址水深1～4米，受到波浪作用較激烈，會抑制珊瑚的迅速生長，遺址東北-西南向有多條沖溝，沖溝最深處約4米，沖擊力較強，沖溝內文物上較少有珊瑚生長。遺址中石質文物上生長的部分珊瑚生物已經死亡，文物上可見碳酸鹽沉積。沉積物主要由珊瑚骨架和內源性沉積物（endogenous sediments）構成，以生物成因的碳酸鹽沉積為主[5]。

圖三 珊瑚島一號沉船遺址中的巨錐鹿角珊瑚等各類珊瑚

表3 石質文物表面污染物的物相組成（wt%）

2.污染物病害分析

2015年西沙水下考古工作隊在打撈發掘工作中，打撈出包括7尊石像在內的37件石質文物，文物現保存于海南省博物館和中國（海南）南海博物館。對文物所用石材的分析主要通過偏光顯微鏡來完成，其石材類型主要為兩類，一類為青色的輝綠輝長巖，主要礦物構成是斜長石、輝石、閃石類、云母、鐵質不透明物；另一類為白色的花崗巖，主要礦物構成是斜長石、堿性長石、石英[6]。

對表面鈣質沉積物使用X射線衍射儀（XRD）進行定性分析，所用儀器型號為Rigaku D/max 2200。對出水文物表面白色疑似海洋鈣質沉積物進行分析，其結果為碳酸鈣，該類沉積物覆蓋于文物表層，與石材結合比較緊密。文物表面的紅褐色附著物以及疑似生物殘骸的黑色附著物，分析結果則為石英。

另外，對文物表面硬質的結垢物進行定量X射線衍射（XRD）分析確定其化學組成，使用的儀器為Rigaku D/max 12kW粉末衍射儀。結果顯示，結垢物主要為白云石（(Ca,Mg)CO3）和文石（CaCO3）不同比例的混合物[7]。由于白云石（摩氏硬度為3-4）和文石的硬度（摩爾硬度為3）不同，所以不同比例的結垢物硬度也會有所不同。在水下進行結垢物清除時，也需要注意根據其硬度來選擇合適的清洗技術和工具。

三、污染物清洗理念探討

沉沒于海洋的各類文物都容易受到海洋動物和植物有機體腐蝕的影響，從珊瑚島一號沉船遺址石質文物的調研結果可見，超過三分之一的石質文物表面已經生長有珊瑚等海洋生物（圖二），且部分文物已經被珊瑚礁所掩埋，幾乎所有的石質文物表面都覆蓋有鈣質沉積物。對這些石質文物表面的沉積物進行適當的清洗處理，不僅有助于控制文物表面污損生物的生長速度，也能夠重新展現污染物所掩蓋的紋飾等信息以供研究和展示。

珊瑚島一號沉船遺址內的海洋生物主要為鹿角珊瑚屬、杯形珊瑚屬等各類珊瑚（圖三），團扇藻屬等藻類（圖四），以及與珊瑚和海洋生物共生的鏈格孢菌等菌類。這些種類的珊瑚均在《瀕危野生動植物種國際貿易公約》（CITES）的附錄II中，在我國已列為國家二級保護動物，且根據2017年1月1日開始實施的《海南省珊瑚礁和硨磲保護規定》，在實施遺址內石質文物清洗工作時，需要注意避免對珊瑚和環境造成破壞。對于水下石質文物表面所覆蓋的已經死亡的珊瑚骨架及沉積物，如覆蓋了文物的重要紋飾等，對文物的研究價值和藝術價值造成影響的，應對其進行清除；而對于剛剛死亡的珊瑚軀體，如果其本身便具有可供觀賞的藝術價值，且不影響文物研究和展示的，則應予以保留。

珊瑚島海域的生態環境很好，非常適于珊瑚的生長且速度也較快。雖然該遺址的時代為清晚期，文物沉沒于礁盤內時間尚不算久遠，但是已有部分大型的石質建筑構件被逐年生長的珊瑚礁所覆蓋。如不能對文物受到海洋生物影響的狀態有所控制，很快便會有更多的文物將被掩沒于珊瑚礁當中。根據海洋生物污損發生的特點：第一階段為分子污損，基膜形成，主要為細菌、硅藻、真菌、原生動物等微生物的黏液層；第二階段為大型藻類、藤壺、龍介蟲等生物體；第三階段為貽貝、海鞘等生物體。有研究認為特定的大型生物體只有在基膜存在的情況下才會在表面定居下來。國外在石質文物于海洋環境中所受影響的實驗中還發現，自養和異養微生物引起的微生物腐蝕也在逐漸破壞石材并促進了其它海洋污損生物的腐蝕作用，而且藻類及微生物形成的色斑很大程度上影響了文物的藝術價值，且會形成難以去除的鈣化藻，所以需要盡可能地清洗去除此類污染物。

圖四 表面覆蓋的藻類污染物

四、石質文物水下清洗技術探討

水下石質文物的清洗保護，不同于實驗室的文物保護工作。不僅要本著“最小干預”的文物保護原則，不能對文物造成破壞且不留下潛在危害，還要考慮海洋環境的特殊性，保護工作不能對海洋自然生態環境造成影響。

珊瑚島一號沉船遺址位于珊瑚島附近的礁盤之上，石質文物散落范圍較廣。由于所處環境及保存狀況各不相同，存在著疊壓等情況，所以很難做到對所有水下文物全部實施清洗保護。對石質文物表面凝結物的清洗（圖五），主要以機械清洗為主。對于大塊的凝結物，可先使用鑿刀、鐵錘等工具去除凝結物的主體，如遇到過于堅硬且體積較大的凝結物，使用手工工具難以去除，則可借助于水下氣動工具，如使用氣動沖擊鉆。氣動沖擊鉆只需單獨連接氣瓶即可使用，較易攜帶至水下，但要在本體保存較好、石材基體堅固的文物上使用。由于沖擊鉆在工作過程中會產生較大震動，還需注意應用的文物要牢固臥于沖溝或海床表面，不會因震動而造成新的損傷。

剩余小塊的凝結物，可使用鑿刀、鋼絲刷等工具手工清除，或使用水下液壓動力工具及電動工具等設備進行清除。

國內水下進行清理施工所使用設備主要有高壓水槍、空化射流槍和液壓打磨機。高壓水槍槍身一般超過1.5米，重量超過15千克，運行時的噴射壓力通常在 10000～20000psi（約 70～140MPa），易對文物本體造成損傷，且施工期間的高壓水對潛水員有致命的風險，不建議在水下文物清洗工作中使用。

空化射流是一種新型的水下清洗技術，該設備施工時壓力相對較低，潛水員施工時的安全性較好，其起始壓力僅4.1～6.2MPa，最高不超過16MPa，相比高壓水槍也更為節能。該技術通過控制壓力、流速等參數使水流束經過空化噴嘴時產生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面的狹小區域內潰滅產生高達140～170MPa的微射流沖擊，可達到清理石材表面藻類等附著物和污垢層的目的。

國內最常使用的水下清理設備則是液壓打磨機，在使用該設備對水下石質文物進行清洗工作時，需要注意根據文物本體情況及污染物情況，設定合適的參數，包括液壓動力大小、機頭轉速和鋼絲刷硬度等。國外近些年開發了部分水下文物保護使用的電動工具，意大利高等保護和修復研究所ISCR（Istituto Superiore per la Conservazione ed il Restauro）在巴亞古城（Baiae）水下遺址保護的CoMAS合作保護項目中，合作開發了水下遺址保護工作可用的清潔和修復電動工具、能夠防止生物污垢形成的新型防護材料、適用于現場定期維護的ROV清潔工具，以及光電三維成像系統等（參考Barbara Davidde在2017年首屆海上絲路文明與文化遺產保護論壇上所作報告《面向未來的水下保護：新技術在巴雅水下遺址保護與加固中的應用）。這些多用途工具配備有力量、扭矩和速度傳感器以及數據記錄器，以便在清潔操作期間收集定量數據。水下文物保護工作需要精細操作，研發和使用此類電動工具也是其未來的發展方向。

五、結 語

圖五 文物表面覆蓋的海洋凝結物

西沙群島是中國最為美麗的海島，其水下文化遺產更是需要我們竭盡全力去守護。通過水下考古調查和文物保存狀況的統計，水下石質文物的病害主要為鈣質沉積物污染和藻類形成的色斑污染，表面海洋凝結物的主要成分為白云石和文石。目前，國內外關于海洋環境石質文物原址保護的相關研究還很少，我們針對遺址的環境概況探討可行的保護方案，并對相關的水下保護施工技術進行梳理，以期為我國未來的水下石質文物原址清理保護工作提供些許參考。

[1]鄧啟江、王霽《珊瑚島一號沉船遺址》，《博物院》2018年第 2期，50～60頁。

[2]何曉娜、吳鐘解、陳敏等《海南七洲列島周邊珊瑚分布及其健康狀況評價》，《濕地科學與管理》2018年第1期，11～15 頁。

[3]吳鐘解、王道儒、涂志剛等《西沙生態監控區造礁石珊瑚退化原因分析》，《海洋學報（中文版）》2011年第4期，140～146 頁。

[4]王道儒、李元超、蘭建新、吳鐘解《海南島東海岸長圮海域珊瑚分布與波能的關系》，《熱帶海洋學報》2011年第 2期，18～25頁。

[5]沈建偉、楊紅強、王月等《西沙永興島珊瑚礁坪的群落動態和淺水碳酸鹽沉積特征》，《中國科學：地球科學》2014年第 3期，472～487頁。

[6]包春磊、賈世杰、劉愛虹等《西沙群島出水石雕文物結垢物分析及處理》，《應用化工》2017年第 4期，804～808頁。

[7]張治國、劉婕、田興玲等《海洋出水石質文物表面凝結物的清洗技術研究》，《石材》2013年第12期，38～42頁。