三星堆分布在马牧河西岸东、南、西三面的台地上，是三座长约数十米至百米、高约5米至8米，连结成一线的土堆。关于三星堆，有一个美丽的神话。传说玉皇大帝从天上撒落三把泥土，落在了广汉的湔江之畔后形成了三座大土堆，突兀地立于平原之上，犹如一条直线上分布的三颗金星，故名三星堆。在牧马河对岸，有一高出周围的弧形台地，富于奇想的人们于是将这片台地起名为月亮湾。三星堆与月亮湾隔河相望，亘古而来，形成了广汉八景之一—三星伴月。
三星堆遗址的发现，始于当地农民燕道诚与儿子燕青于1929年春耕偶然发现的一坑玉石器，其中有圭、璧、琮、玉圈、石珠等，一共300多件。1931年春，在广汉县传教的英国传教士董笃宜听到这个消息后，找到当地驻军帮忙宣传保护和调查，还将收集到的玉石器交美国人开办的华西大学博物馆保管。根据董笃宜提供的线索，华西大学博物馆馆长葛维汉和助理林名钧于1934年春天组成考古队，经四川省教育厅颁发执照，广汉县政府批准，由广汉县县长罗雨仓主持，在燕氏发现玉石器的附近进行了为期十天的发掘。发掘收获丰富，共出土文物600多件，有陶器、石器、玉珠、玉杵、玉璧、玉圭等，这些文物后交由华西大学博物馆收藏。此次考古发掘的成果被葛维汉整理成《汉州发掘简报》，发表于1936年的《华西边疆月刊》，文中将这批出土的文物命名为“广汉文化”。遗憾的是，三星堆遗址自1934年首次发掘以后，发掘就长期停滞。 20世纪50年代开始，考古工作者又恢复了在三星堆的考古工作。四川省博物馆的王家佑、江甸潮等调查三星堆、月亮湾，首次发现三星堆存有大片古城遗址，当时还没有认识到三星堆遗址的巨大规模，所以将三星堆遗址北部的月亮湾地点和南部的三星堆地点各自当作一个遗址，分别命名为“横梁子遗址”和“三星堆遗址”。 1963年，由冯汉骥领队，四川省博物馆、四川大学历史系组成的联合考古队再次发掘了三星堆遗址的月亮湾等地点，展现了三星堆遗址和文化的基本面貌。当时，冯汉骥教授曾认识到，三星堆“一带遗址如此密集，很可能就是古代蜀国的一个中心都邑”。冯先生当时曾预言，三星堆很可能是古蜀人的遗址，说不定就是古蜀人的“都城”。 对三星堆的初步考古发掘，一直持续到上世纪80年代。根据已有成果，考古学家推测三星堆、月亮湾是商周时期古蜀国都邑所在，但是并未找到代表商周文明的青铜器皿，更没有找到相应的文字记载。而三星堆也渐渐成为当地砖厂取土作业的场所，偌大的土堆渐渐被夷为平地。
20世纪八九十年代以后，三星堆遗址迎来了大规模连续发掘时期，前后长达20年。1980～1981年的发掘，清理出成片的新石器时代的房址遗迹，出土标本上万件，还发现了具有分期意义的地层迭压关系。这次发掘的发掘报告《广汉三星堆遗址》中指出，三星堆是“一种在四川地区分布较广的、具有鲜明特征的，有别于其它任何考古学文化的一种古文化” ，已经具备了夏鼐提出的命名考古学文化的三个条件，建议命名为“三星堆文化”。 1982年和1984年，考古工作者分别在三星堆地点西南和西泉坎地点进行了两次发掘，发现三星堆遗址最晚期的遗存。
1986年7月18日，当地砖厂取土的工地上传来消息，工人在那里挖出了一块玉石器。省文管会接到报告后立即派考古队前往调查，发现那是一块长约40厘米的玉璋，已经被挖碎。考古队立即封锁现场，进行抢救性发掘。从7月18日至8月14目，共开掘25平米的探方6个。7月23日凌晨2点30分，考古人员发掘出了一根黄金手杖，手杖的芯为木质，以黄金卷包，上有奇特图案，分别是2只背对的鱼、2只背对的鸟、2颗对称的头戴五齿高冠的人头，这样的手杖在中国考古史上尚属首次发现，决非等闲之物。考古人员在出土金杖的地方，发现了一个大坑。坑为长方形，口大底小。坑口长约4.5米，宽约3.5米；坑底平整，长4.1米，宽2.8米，深逾1.6米。坑内出土了金、铜、玉、石、骨、陶、象牙等质料的文物420件，其中青铜器178件，金器4件，玉器129件，另外还有海贝和大约3立方米左右的烧骨碎渣。玉戈、玉璋等形制较大的玉石器，主要集中分布在东南坑壁的东端；玉凿、玉锛、石斧、玉斧等形制较小的玉石器，主要分布在坑的西角；坑中部散见少量玉石器；铜“瑗”分布在整个坑内；铜人头像、铜人面像、铜田、铜尊等大型铜器，主要分布在坑的西南部；象牙主要分布在坑中部一带；金杖出于坑的中部偏西。根据器物的叠压情况，专家推测这些器物绝不是被随意摆放，而是按一定次序放置的：首先投放玉石器，然后投放金杖、铜人头像，铜人面像、铜田、铜尊等大型铜器，再倒入烧骨渣，最后放置陶盏、陶器座、铜戈等器物。骨渣在坑内由南向北呈斜坡状堆积，最厚处竟达60厘米～80厘米。骨渣大多数泛白，一部分呈蓝黑色，里面杂有竹木灰烬，但坑内不见烟熏痕迹。为什么坑内会有这么多的骨渣呢？这些骨渣作何用途？经过观察，考古人员发现这些骨渣在入坑前就已焚烧砸碎，并推断这些骨渣正是将用于祭祀的牺牲“燔燎”后的残余物质，燔燎指的是将牺牲焚烧祭天。坑内出土的铜人头像，颈部呈倒三角形，内装海贝，或插象牙，也均被火烧过。有人认为这些器物象征着被古蜀人祭祀的神灵，不过也有专家提出异议，认为据史载和考古发现，商代祭祀有“人祭”和“杀牲祭”两种，以“俑”代替人牲作为祭品则始于殷墟妇好墓中随葬的玉人、石人。祭祀坑内的铜人头像应该是象征被杀的“人牲”，而非象征被祭祀的对象。从殷墟甲骨文中，可以看到很多有关“燎祭”的卜辞，祭祀名目繁多，对象广泛，祭品有牛、羊、豕等。而三星堆祭祀坑内有经火燔燎敲碎的骨渣，金器、青铜器、玉石器、陶器、象牙、贝等也皆有火烧过的痕迹。种种迹象表明，坑内的遗物正是古蜀人在举行一次规模浩大、祭典隆重的“燎祭”活动后瘗埋下的。绝大部分学者都同意该坑距今约3400年，正是古蜀人进行祭祀活动后留下的遗物，因而命名为一号祭祀坑。这是在巴蜀文化中首次发现的祭祀坑，坑内所出文物对了解古蜀人祭祀礼仪、宗教意识等，提供了极有价值的材料。其中金杖、金面罩、青铜人头像等文物，在中国冶金史和雕塑史上有特殊的意义。
8月14日下午6点，在距一号坑约30米远的地方，砖厂工人取土时又发现了一个大坑。考古工作人员闻讯赶至，向坑中一望，发现一个青铜面具已经显露出来，他们立即掩盖回填，保护好现场。请示上级并得到批准后，从8月20日开始到9月17日，又进行了抢救性发掘清理。考古人员将这个新发现的坑命名为二号坑，这个大坑的发掘，更令人兴奋和震惊不已。坑为长方形竖穴，坑口距地表深0.55米～0.65米，长5.3米，宽2.2米～2.3米。坑口至坑底深l.4米～1.68米，坑底长5米，宽2米～2.1米。坑底西南高，东北低，坑内填黄色五花土，填土都经夯打。根据出土时的堆积迭压情况，坑内的遗物可分为上、中、下三层。下层堆积有大量草木灰烬、炭屑、小型青铜器件、青铜兽面、青铜树枝、玉石器及大量的海贝等；中层堆积主要是大件青铜器，如大型立人像、车形器、大型人面像、人头像、树干、树座、尊、彝等。上层堆积物主要为60余枚象牙。如此清晰的分层情况表明遗物的投放显然有一定先后次序。与一号坑相比，该坑距今约3100年左右，时间要晚于一号坑。出土遗物不论种类还是数量，都比一号坑丰富得多，清理出遗物1300余件，其中青铜器735件，金器61件，玉器486件，还有象牙器等，另有海贝4600余枚。其中大型青铜立人像、大型青铜人面具、青铜神树等是一号坑所没有的。这批文物的出土，进一步反映了古代蜀族的祭祀规摸和祭祀内容，同时也展示了古代蜀族的青铜文化水平和青铜艺术特点，为研究祭祀坑的时代以及古代蜀文化的政治、经济、艺术、冶金、宗教、礼仪等，提供了重要资料。不过令人费解的是，坑内大部分遗物都遭到了损坏，或已残缺，或做了特殊的处理。如青铜立人像由腰部折为两段，上半身位于坑的中部，下半身位于坑的西北部，被一青铜树座所压。尊、罍、彝等青铜容器主要位于坑的东南和东北两角，大部分容器外表都被涂成朱色，器内装有海贝、玉石器。青铜兽面被置于坑西北角，伴有大量的海贝。青铜人头像、青铜人面像主要分布于坑的四周，有的头像内还装有不少的海贝。头像和面像部分损毁并经过火烧，尤其是人面像，大部分被打坏或烧坏。象牙及骨器之类也明显有被烧焦的痕迹，有的玉石器被烧裂。有专家推测，大多数遗物是在入坑前人们举行某种仪式时有意损坏的，小部分是夯土时打碎的。1986年7月至9月间，两个大型祭祀坑的相继发现，4000余件精品文物的横空出世，轰动了世界。
1986年出土了大量遗物和复杂的地层迭压关系，根据这年的发掘材料，一些考古研究者开始了三星堆遗址分期的尝试。也正是在1986年，两处埋藏有丰宝藏的长方形器物坑被意外揭露出来，其包含的大量金属器的出土，引起了海内外学术界对位于中国西南的古蜀文明的重视。在三星堆遗址大规模发掘的同时，1985～1987年对成都市区的十二桥遗址进行了发掘，该遗址最下层的文化面貌与三星堆遗址最晚期遗存相同，为三星堆文化的去向等问题提供了重要材料。
1990年开始，对三星堆文化和文明的探索从成都平原延伸到了渝东地区和陕南地区。由于早于三星堆文化的四川盆地新石器时代文化面貌的初步揭示，并且有多处龙山时代的古城遗址和若干处具有新石器时代文化向三星堆文化过渡阶段遗存的发现，为三星堆文明研究的深入进行提供了更广阔的前景。
面对三星堆文明，四川大学博物馆馆长、考古学家童恩正无比激动地说：“这简直就是奇迹！”伦敦不列颠博物馆首席中国考古学家杰西卡·罗森也发自内心地赞叹道：“这些发现现在看来比有名的中国兵马俑更非同凡响。”香港《文汇报》报道称：“它比湖南马王堆的文物时间早、数量多，其历史价值和艺术价值更高，可以和西安的半坡遗址相媲美！”
2015年6月13日，四川新闻网记者获悉，广汉三星堆考古又有新发现，发现一段疑似北城墙的一段，加上之前发现的东西南城墙，三星堆古城城圈初步呈现。此外，在城墙的下还有三个墓葬，其中中间一个墓葬中人骨完整，还能看到手指，据称是新石器的人骨，比商周城墙早。
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