六 金屬偏光顯微鏡及Alpha－Step 100對環玦飾製品觀察及測量報告
鄧聰(香港中文大學)
(一)前言
玉石製作痕跡的鑑別除肉眼及一般手提放大鏡外，可以用偏光顯微鏡，觀察玉石表面痕跡的特徵；以表面剖測器(Surface Profiler)，測量玉石表面痕跡細部之剖面形態。上述兩者精密的儀器，對玉石製作過程中，所出現不同的微痕特徵的分類與解釋，提供了微觀剖析的根據。
是次觀察的標本，包括黑沙遺址出土的環玦飾物製品，圖V－16No.17－20。爲了解玉石器打磨至拋光各階段表面形態特徵的變化，筆者又自香港大嶼山白芒遺址出土器物中，增選先秦時期的N474、N1O1兩件環玦標本測量。由於觀察標本數量不多，報告集中就環玦製作工藝過程穿孔取芯及磨平拋光兩項討論。
(二)微痕與粗糙度
偏光顯微鏡在自然科學中特別是岩石學觀察中起著積極的作用(黑田吉益、諏訪兼任1983)。近年來，偏光顯微鏡在考古學範疇中發揮出重要的作用。石器的製作過程、使用期間以至石器被埋藏後，石器由於埋藏條件所產生變化等的微痕，近二十年來在國際考古學界已成爲一門專科石器的微痕學問(Keeley 1980：阿子島香1989)。石器的微痕的觀察，一般硏究者最常用金屬偏光顯微鏡Olympus BHM系列。石器表面一般較粗糙，金屬偏光顯微鏡焦距極淺，因應觀察對象需要，一般最常用以50x－400x倍率。玉石器在觀察之先，均需潔淨處理。Olympus BHM配合自動曝光機(Olympus Exposure Control Unit)拍照。
表面剖測器Alpha-Step 100爲理工學部常用作測量固體物質表面粗糙程度(Rough－ness)的精密儀器。在工學上粗糙程度的定義：
1. 相對地微細的表面凹凸體，其高度、寬度與方向所構成的表面形狀；
2. 表面凹凸體的峰與谷之間微細距離(Davis 1992∶387)。參考圖Ⅶ－6－1爲粗糙圖式表示，本文中所談及粗糙字義以第二義爲根據。此外，工學上所論述粗糙程度一般有Centreline Average (CLA)與Root Mean Square Surface Roughness兩種。CLA又稱爲算術平均數Arithmetical Average (AA)，是一種表達物體表面粗糙程度的計算方法。CLA的數字一般以μm(微米)或micro－inches表示。CLA値是物體表面偏離中心線的凹凸體切面面積的算術平均値。假若標本的測量長度爲
，而偏離中心線的上下面積分別爲a1至a7，則此平面的CLA値寫爲：(圖Ⅶ－6－2)(John 1990：67)。
下文所談及粗糙程度，將以中位基線平均値即CLA數據爲討論依據。
(三)穿孔技術
穿孔技術，一般分爲管鑽(空心)與鑽頭鑽(實心)兩種。鑽頭鑽起源較早。東北亞洲由西伯利亞、華北至日本北海道等地區，在更新世晚期階段，一些玉石、動物牙齒或貝殼和駝鳥蛋皮等均以鑽頭鑽穿孔被加工作飾物(木村英明l992：47)。至於管鑽的出現，可能已是新石器時代。中國東北地區遼寧省阜新市查海遺址出土距今7，600年前玦狀玉器(方殿春l991)。藤田富士夫認爲查海的玉玦是用了管鑽法開孔(藤田富士夫l995)。長江流域一帶，可能在距今6，000年前或更早階段，已出現管鑽的資料。稍晚期的崧澤遺址出土的玉琀(M60∶10)，可能是一件玉芯(黃宣佩、張明華1987)。對於管鑽技術的硏究，一方面可以根據管鑽過程出現的環與芯資料分析，比較理想的是芯與環的接合資料。還有是直接實驗工作複製的嘗試。
關於管鑽技術，一般估計是由竹管或者靑銅管穿孔。如何根據玉石器上的穿孔痕跡來區別靑銅或竹管鑽具，目前有一定的困難。有關竹管穿孔技術方面，據周曉陸、張敏的推測是：
……把已截割好的玉料，定好圓心之後，將開了槽的竹管安放在圓心上，管子的上端可能用木板或石塊加一定的壓力，一人穩定竹管，並不斷向槽內加水添砂，也可借此人氣力，向下加以壓力，另外一人或兩人用皮條的兩端來回拉，使管子轉動，以帶動砂粒磨擦而鑽圓孔。……認爲由於晃口的原因，而形成上小下大的圓台體。(周曉陸、張敏l984：49)
中口裕曾以竹管成功在軟玉上穿孔(寺村光晴1971：144；中口裕1975)。s.H.Hansford用竹管和一般建築用的砂材，同樣成功在軟玉上穿孔。據Hansford氏描述，該孔形狀亦爲錐狀孔。他解釋錐狀孔的形成與竹管的逐漸磨耗相關(HanSford 1950：94－95)。
另一方面，目前一些學者認爲商代管鑽可能以靑銅管穿孔(陳志達1986：216)。據北京市玉器廠技術硏究組(以下簡稱「北玉組」)分析指出，管鑽上透孔之所以出現台階痕或螺旋紋，原因有4點：
1. 由於當初技術設備不完善不嚴謹，因而管鑽在鑽進玉料以後，旋轉時容易晃口，這樣就會在孔壁上造成不規則螺旋紋；
2. 由於當初用的靑銅管質軟，管壁也厚，而在鑽孔過程中管壁逐漸磨損變薄，結果一方面也會造成所鑽的孔壁上口較大，下口較小的現象，而且還會在孔壁上造成一定的小台階；
3. 可能由於頭一鑽打偏之後，不得不矯正位置重新打孔；
4. 管鑽快要把孔鑽透時，沒有再繼續鑽進，而是把孔的底口敲開，因而孔壁底口邊上就會留下一個薄薄的「小台階」。(北玉組l976：232)
爲甚麼現代玉器金屬管穿孔的壁孔垂直，而古代玉器的壁孔則呈錐狀，確是値得深究的問題。就以上總結爲：Hansford認爲錐狀孔與竹管磨耗有關。周曉陸、張敏基本接受晃口說的解釋。「北玉組」的3、4與錐形孔的形成沒有直接關係，在此處不作討論。以下集中「北玉組」的第1、2項兩點討論。
第1點的說法：可以歸納爲「晃口」說。學者們主張由於晃口而形成上小下大的圓台體(周曉陸、張敏l984：49)。根據從中原殷墟(陳志達等l987)、香港萬角咀(Davisand Tregear l961)、白芒(鄧聰1992)、台灣卑南(連照美、宋文薰l986)、越南Cho－Ganh(Colani l928)、長睛(Nguyen 1994)、柬埔寨Samrong Sen(Loofs－Wissowa l982：65)所出土的毛坯或石芯上穿孔未穿透的玉石資料觀察，穿孔的痕跡均整齊且集中(圖Ⅶ－6－3)。未見有明顯晃口移動痕跡。白芒一件單面鑽的石芯厚95、上徑22、下徑30 mm。晃口可以做成孔壁上一些不規則的螺旋紋，但晃口說無法解釋如石芯上下徑相差竟8 mm之多。晃口現象與石芯的剖面呈上小下大圓台的關係，可以不必考慮。
第2點的說法：「北玉組」第2點靑銅管說在學術界有一定的影響。有些學者認爲商代鑽孔是中間有一條開縫的靑銅管工具，蘸拌水的硏磨砂在玉器上鑽孔(陳志達1986)。
首先，有關管鑽的管口壁形態，是頗値得討論的。根據芬神父l935年所發表香港赤柱發現石芯與環接合資料(Finn 1932－36)與及大嶼山白芒數以百計石芯、環的剖面形態顯示，管鑽具的管口壁均爲上寬下窄呈V字形。據筆者觀察白芒N897號標本石芯，其上有第二環(Second Ring)穿孔的初步痕跡。此穿孔痕下陷不足1 mm，斷面亦呈V形。穿孔痕的痕徑1.5－2 mm。此外，據萬角咀出土未穿透石芯資料，穿孔痕的徑分別爲3－5 mm，管口壁亦呈V形。據此，至少在環珠口地區內，先秦時期穿孔管一般厚2－5 mm，更且管口壁前端形態呈V形(圖Ⅶ－6－3)。
另一方面，迄今所觀察的單面管鑽的石芯資料中，石芯的剖面均呈梯形。如果進一步仔細觀察，單面鑽孔的石芯管鑽面表面，是上下起伏的。筆者命名此種在管鑽面上的特徵爲「波紋式推進」，可觀察到有波峰、波長及波谷的結構(圖Ⅶ－6－4)。此種波狀起伏所顯示，穿孔的直徑在不斷擴大的過程中，亦有縮小的階段。在黑沙No.17石芯爲單面鑽，石芯剖面呈梯形，上窄下寬。曾以Alpha－Step 100在No.17石芯管鑽面的一側測量。如圖Ⅶ－6－5a所顯示，No.17石芯鑽管面在約l，000 μm以內，規律性的出現五個主要的波峰，波峰距分別是130.3、206.1、169.7、169.7 μm，波峰高分別18.6、12.1、18.7、16.6 μm。4個波峰距與波峰高値均相當接近。以上的資料顯示約每距168.95 μm左右，就出現一次高約16.5 μm的波峰。這可以解釋作爲No.17水晶石芯穿孔的「波紋式推進」的實態。白芒遺址出土標本號N850石芯，管鑽面的波紋式推進痕跡明顯，就算肉眼亦可以淸楚鑑別。圖Ⅶ－6－4c爲石芯的4倍放大。從圖Ⅶ－6－4c淸楚反映鑽孔到CC’以後，在DD’範圍管鑽孔直徑明顯收縮變短。圖Ⅶ－6－4a顯示DD’比CC’直徑明顯短。DD’與BB’長度差不多一致。這些都是波紋式推進的實例。
要之，石環穿孔運動的推進，是一種波狀起伏，管口的直徑總的傾向是不斷的變大，但在變大的過程中管口亦出現收窄縮小的現象，如此使石芯管鑽面自然呈現出一節奏性波狀起伏的螺旋紋痕跡。管口變大變小其中原因之一，我們推測可能是與在穿孔過程中管鑽上加壓的力量有關。管口大小的變化迅速明顯，很可能鑽管是一些較具有柔韌性的工具，如竹管。更且，此種波狀起伏變大變小的鑽孔形式，並非靑銅管鑽的說法可以解釋。
在金屬偏光顯微鏡觀察方面，以100x倍率檢查黑沙No.17石芯剖面兩側，可以淸楚發現，管口自上而下逐漸擴大過程中，尙有多次的收縮現象。管口的擴大與收縮相互交替。筆者認爲，以上討論並非完全否定靑銅管鑽技術存在的可能性。但至少在環珠江口範圍內，竹管鑽普遍被使用的可能性更大。
彩版7a－h是從黑沙No.20水晶石芯以偏光顯微鏡所拍攝各細部型態。No.20石芯是由對鑽形成的，對孔的一側有2至3 mm錯位，上下口鑽口接合的部位，出現一些連續性細微的打擊痕跡。7b就是這種打擊痕的破裂面擴大照像。按破裂面大小在1 mm以下，排列整齊，打擊點淸晰，破裂的方向一致等特徵觀察，我們估計這些破裂痕部份可能與石芯修邊工序相關。7c淸楚反映破裂面疤痕打破管鑽面的硏磨痕。破裂面的前沿波紋(Rings)相當集中並且完整。大量小型的放射線痕由破裂面邊沿發生，放射線痕的尾部方向指向破裂的起點(北川英夫、小寺澤良—1980)。7d爲石芯上下對鑽交接部份，交接部位如一線狀隆凸起，兩側傾斜，是正確吻合對鑽的痕跡，可以簡稱之爲切線。7e—h爲石芯管鑽面的微痕。e爲100x擴大照片，可見淸晰大致同一方向線狀光澤痕。7f是線狀光澤痕交織成的束狀光澤。g、h是一些波谷與帶狀光澤痕的痕跡。h畫面可見明顯下陷溝狀結構(波谷)。彩版8的光斑面非常奪目。光斑散發，無秩序性，且光斑點周沿並無過渡性變化區域，顯得相當突然。估計可能是一些被埋藏後形成的光斑，有待進一步的鑑定。
(四)磨平與拋光
由磨平至拋光是環玦飾物製作兩個必經的階段。磨平(Rough Griding)是初步將截割或打製成型的素材硏磨成型。磨平方法是將玉料固定，用礪石加水在玉料上硏磨；另一是將礪石固定，用玉料加水在礪石上硏磨。在黑沙遺址出土環玦飾物資料中，環玦素材在打製成型後，即進行第一次的磨平工序。砥礪方面的工具，寺村光晴分爲「平砥石、筋砥石、內磨砥石、特殊砥石」四種(寺村光晴l971)。筋砥石是一種有溝砥石，溝由淺而深。內磨砥石與本報告中所指環砥石是相同的。黑沙出土「平砥石」圖V－9No.1。黑沙環玦毛坯的磨平與礪石關係，尙有待進一步的確認。
圖Ⅶ－6－5b是No.17石芯表面4 mm橫距的剖測圖，波峰高在20－30 μm左右變化。CLA數値爲9.45。彩版7－a爲No.20石芯的表面50x拍攝圖像。因爲石芯表面粗糙，彩版7－a無法取得一全面較淸晰照像。估計No.20與No.17、No.l5兩件石芯的表面狀態相近。
No.18環玦飾物殘件，我們估計此件殘件已進行初步的拋光，圖Ⅶ－6－5c爲該環玦表面粗糙實測圖，波峰高在5－10 μm之間。CLA數値爲3.16。圖Ⅶ－6－5d和e是白芒石英N474、水晶N101環玦飾物殘件表面粗糙實測圖。N474峰高在0.5μm之間，CLA數値爲0.24。N10l峰高在0.5—lμm之間，CLA數値爲0.61。
總結以上水晶飾物CLA測量數値可以得出如下初步結論。No.17水晶石芯在第一步磨平後，CLA數値在於l0左右。No.18水晶環經初步拋光狀態，CLA數値在3左右。Nl0l和N474分別CLA數値爲0.61至0.24。水晶飾物由初步磨平CLA10，至完全拋光CLA0.2間的全部過程，是硏究中國古代玉石工藝特別是水晶寶石最後表面拋光技術的科學數據。過去有關「拋光」一詞，難有準確的定義。拋光的英語譯爲“Mirror Grinding”，日語譯作「豔出し」。寶石加工者一般解釋拋光爲：「硏磨後的寶石翻面上有許多磨痕，雖然有時硏磨材料很細，但磨痕總是存在。……拋光就是把這些磨痕拋平、拋亮」(王慧峰、蔣廣福1992)。從上述分析我們可以初步指出，環珠江口地區先秦時期水晶飾物拋光完成之確定，可以訂定在CLA0.6－0.2之間。今後我們希望測得更多數値資料，建立各時期玉石器表面拋光技術的演變。
在現代寶石製作工藝工序中，尤著重寶石最後的拋光工序，使寶石放出瑰麗斑斕的異彩。在處理硬度7級的寶石如水晶之拋光工序，首先以180－320目的金剛石磨片進行粗磨，然後換600目以上細金剛石磨片進行細磨，最後用紫銅片和拋光有機玻璃板，加氧化鍶硏磨料或硏磨膏拋光(王慧峰、蔣廣福1992)。在3，000至4，000年前環珠江口地區先民，對水晶拋光技術已充份掌握。至於當時使用甚麼傳統方法完成拋光工序，是否在獸皮或竹枝上拋光，獸皮動物性脂肪呈弱酸性，竹子莖杆亦含呈弱酸性「竹瀝」(周曉陸、張敏1984)，尙有待進一步實驗考古學之證明。此外，寺村光晴曾提及以砥糞及桐砥的拋光方法。日本島根縣後原玉石作坊遺址，曾發現過用作拋光之木砥(寺村光晴1971：141)。
本文撰寫過程中，承蒙中文大學黃世平博士、嚴輝博士、陳國偉先生協助以Alpha－Step 100對水晶標本表面剖測及計算。李松基先生、陳方正博士亦曾給予指導及幫助，謹致謝忱。
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