微束大面积元素成像光谱仪解密罗马剑：M4 TORNADO重现日耳曼战士的献祭之刃

      考古文物具有特殊性，且对自身结构的改变极为敏感，检测时需格外谨慎。此类检测对文物修复及制造工艺探索至关重要。通常仅需分析文物的微小局部，而微束大面积元素成像分析（Micro-XRF）作为快速、常用的元素分析方法，可实现高灵敏度且无损的检测。

      本报告描述了对一柄罗马剑的局部分析。在清除腐蚀层后，使用布鲁克公司的微束大面积元素成像光谱仪 M4 TORNADO 对该剑进行了检测。

样品

      检测对象为一柄罗马短剑（Gladius，见图1），出土于德国东北部帕瑟瓦尔克镇附近。其制造特征表明该剑非本地生产，可能由日耳曼战士携带，后折断并献祭于神，剑体已高度腐蚀。

图1.清理后残留腐蚀层的罗马剑照片。

材料结构检测

      首阶段检测在柏林应用科技大学（HTW Berlin）进行，通过X射线成像分析发现：剑体上部呈现富碳与贫碳区的夹层结构（图2左），即"Damascus steel"——兼具硬度与弹性的钢材。近剑柄区域的X射线图像显示剑身两侧各有一处镶嵌装饰（图2右）。

      一侧镶嵌飞翔的胜利女神维多利亚（Victoria），她是罗马皇帝的守护神；另一侧为罗马军团象征——鹰（图3）。后续研究聚焦于镶嵌物与剑身的元素组成，并利用元素成像系统重建镶嵌纹饰。

图2.X射线CT图像清晰呈现钢材的大马士革结构及镶嵌物纹饰。

仪器分析

      本次检测使用布鲁克M4 TORNADO微束大面积元素成像分析法（Micro-XRF），具体测量条件如下：

      · 测量环境：空气

      · 激发条件：50千伏，600微安

      · 分布分析：采用HyperMap技术

      · 分析区域：约22×16毫米（450×330像素）

      · 单像素采集时间：10毫秒

      · 总测量时长：约30分钟

图3.镶嵌物线描图：展示女神维多利亚（Victoria）与鹰的图案

分析结果

      元素分布分析结果如图4所示。该映射区域较小，呈现了维多利亚头部的轮廓。镶嵌物疑似由含镍的铜锌合金制成；刀身部分材质为钢材，符合预期。在镶嵌物不同位置采集了单点光谱（见图6）。通过HyperMap功能可以整合不同区域的光谱图，测量点位在所有检测元素的混合图像中以高亮标示。

      元素分布需按以下逻辑阐释：

      镶嵌物（测量点MP2）：材质为黄铜（含Cu、Zn）。单元素分布暗示含镍（Ni），但图7红色谱线证实无镍存在，高铜锌峰产生的背景干扰导致误判，定量分析已修正此误差。

      剑身（测量点MP3）：材质为钢材（图7绿色谱线），含铁（Fe）及微量锰（Mn）、镍（Ni）。谱线中铜（Cu）、锌（Zn）、钙（Ca）源于镶嵌物污染及长期埋藏的环境渗透。

      测量点MP1（图7蓝色谱线）：钙含量高，铁、锰、镍浓度低，铜锌强度高于MP3。此差异可能源自金属表面腐蚀层的成分微变。光谱评估后的定量结果见下表。

图4.剑体上部镶嵌物的元素分布图

图5(左).剑身镶嵌纹饰实物图

图6(右).胜利女神头部区域的钙、铁、镍、铜、锌多元素分布图（标注测量点MP1/2/3）

结论

      微束大面积元素成像技术可高效、可靠地检测脆弱珍贵的考古文物，尤其适用于局部区域的无损快速分析。

      此罗马剑由低合金钢制成，剑身镶嵌胜利女神纹饰。光谱分析量化了剑身钢材与镶嵌物的元素组成，并证明需谨慎解读元素分布以避免谱峰重叠或背景干扰。元素成像图精准还原了镶嵌纹饰形态，无需额外处理即可重建原貌。定量成分数据对制定修复方案至关重要——修复工艺的选择直接取决于样本组成。

图7.测量点光谱图（MP1蓝/MP2红/MP3绿）

作者

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

Bruker Nano GmbH

Natalie Lehnhardt

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin

致谢

特别鸣谢Landesamt für Kultur und Denkmalpflege Mecklenburg-Vorpommern的Dr. C. Michael Schirren、Lorenz Bartel