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讲座回顾丨苏荣誉教授谈“中国冶金考古新问题与方法论思考”
发布时间:2020年07月08日 11:30    作者:    点击:[]

2020年7月3日下午,永利网址文化遗产研究院长风论坛(鳌山012期)之“中国冶金考古新问题与方法论思考——铜冶金”讲座顺利举办。本次讲座由中国科学院自然科学史研究所苏荣誉教授担任主讲嘉宾,永利网址文化遗产研究院王全玉教授主持。

 

 

苏荣誉教授首先对讲座内容进行“解题”。第一个解题对象是“冶金考古”。“冶金”的具体内涵有狭义与广义之分,前者指技术冶炼与合金化,后者则包括金属开采、冶炼、合金化、加工等多个方面的内容。“考古”是通过古代遗迹、遗物研究古人和古代社会的一门学科,包括对古代遗址的调查、发掘和遗物的研究,手段不限,领域宽广,且还在不断发展之中。由此,“冶金考古”也分为狭义和广义,狭义的“冶金考古”主要研究古代金属冶炼、合金化和金属制品,实验室分析是惯常的研究手段。广义的“冶金考古”则涉及古代金属矿开采、矿石加工、金属冶炼、合金化和器物制作等多个领域,专业性强,往往需要开展田野调查和发掘,同时也依赖实验室分析研究。第二个解题对象是“铜”。铜是古代七大金属之一,《汉书食货志》称之为“赤金”。其原子序数是29,原子量63.55,颜色为鲜桃红色,密度8.94g·cm-3,熔点1084.62℃,面心立方晶体结构,莫氏硬度为3.0,具有极好的延展性和导热、导电性,耐腐蚀,在地壳上分布广泛。苏荣誉教授介绍,中国古代的冶金分为火法与湿法,前者为高温还原,后者为常温液态还原(置换)。胆铜是湿法冶金的产物,出现于魏晋南北朝,在宋代形成规模化生产,《大冶赋》对此有记载。火法冶金是中国古代冶金技术的主流,本次讲座的内容也是主要针对火法冶金。

 

 

接着,苏荣誉教授重点介绍了几个与铜冶金考古研究相关的重要问题。问题一,“铜矿及其处理”。中国的铜矿主要分布于长江中下游,相比于世界其他地区,中国的铜矿储藏不算丰富。目前已知的铜矿有240多种,具有开采价值的只有10余种,可分为三类,分别是自然铜、硫化矿、氧化矿;其中自然铜为铜单质,在自然界比较少,而后两者含铜量较高。现代铜冶金90%来自硫化矿,10%来自氧化矿,极少来自自然铜。学界有一个问题一直没有解决,即古代采矿和冶矿的铜矿品位是多少。现代开采的铜矿品位在1%左右,也许这个标准能够为上述问题的解决提供参考。我们所说的铜矿石其实是铜矿、伴生金属矿、有害金属矿物和脉石的混合物。其中,铜含量大于2%的铜矿通常被称为富矿,铜含量介于1% ~ 2%的为中等矿,铜含量低于1%的为贫矿。需选矿富集成铜精矿,使品位达到15% ~ 30%才能冶炼。中国古代冶炼同样需要选矿,主要有手选和重(浮)选两种方法,前者需要经验,要将矿石不断破碎甚至研磨,后者则需要大量水。选矿和富集过程中会产生大量尾砂和破碎石锤,它们是判断古代冶炼规模和流程的重要指标,对于研究人员组织、开采等问题同样具有重要价值。现代铜精矿粒度一般小于0.074mm,那么古代的铜精矿粒度是多少?浮选的水源在哪里?不同矿石的选矿方法有何差别?地质条件不同的矿藏如何开采?这些内容都是生产操作链中不可缺少的重要环节,研究时必须谨慎思考。

问题二,“坩埚与竖炉”。目前已知的最早铜冶炼约在公元前5500年,比较好的坩埚材料发现在伊朗地区。欧洲竖炉的出现时间可能要到中世纪左右,所以早期的冶铜基本是坩埚冶炼。冶铜是古埃及的重要手工业之一,有丰富的文字、图像材料记录冶铜过程,壁画中有具体的坩埚图像。埃及流行的号角形坩埚在中国没有被发现,不过很多“鼓风管”形状与之类似,所以有必要重新审视这些材料。号角形坩埚在两河流域的安纳托利亚地区时有发现,年代在公元前1800年前后,有专家对其冶炼过程进行了复原。除此之外,专家学者还对古埃及号角形坩埚各部分的结构和粘连物进行了研究,以进一步了解坩埚内炼铜反应的发生过程。郑州商城发现了一件大口尊,被考古学家视为中国最早的坩埚。它的口部为何被打断,其内壁和外壁的纹饰该如何解释,如何加热,这些问题都有待进一步研究。中国古代的坩埚数量有限,但竖炉保存相对较好,如大冶铜绿山的铜炉是目前所知早期最完整的。专家曾对复原竖炉进行冶炼实验,发现其运行良好,但问题是鼓风依据不强,鼓风口太少,鼓风工具不得而知。

 

 

问题三,“木炭与环境支持”。木炭是火法冶金最重要的燃料,是不完全燃烧的产物,明炭比重在1.2 ~ 1.3,浮炭比重0.8 ~ 0.9,燃烧值在8000K左右。木炭需要具有一定强度,与其他炉料混装时不溃散。在古代遗址中,我们还没有发现木炭窑,这也是个问题。炼铜需要大量的燃料,也就是说在古代条件下需要大量树木。森林是炼铜规模化和持续化的保障,这也是长江流域成为主要铜产地的重要条件之一。数十年的冶炼会严重损坏森林,所以不得不停歇以待新森林长成,形成类似农田的“休耕”结构,但长江中下游铜冶矿研究还没有发现此现象。由森林的大量需求可以推测缺少树木的西北地区很难会有大规模炼铜工业的产生。

问题四,“炼渣”。考古发现皖南和铜绿山古铜矿冶遗址出土较多炼渣,这个发现能够证明炼铜遗址的存在。

 

 

问题五,“鼓风”。冶金需要温度和风,因此鼓风是冶金的必要工具,鼓风工具有风匣等。鼓风是冶金过程中劳动强度较大的程序。目前对于中国早期的鼓风工具的研究尚显不足,侯马遗址出土的坩埚上虽有疑似风管构件,但是尚不确定,应与古埃及的相关发现进行比较研究。

问题六,“砷铜、锡青铜与铸锭”。目前国内多将第二种物质含量超过2%的金属定义为合金,但是国外也有以超过0.2%即定义为铜合金。铜合金包括砷铜、锡青铜、铅青铜,在研究时需要判定砷、锡、铅金属是有人为添加元素还是自身杂质。目前的研究成果表明,两河流域早期青铜时代的青铜器多为砷铜,主要原因在于其铜矿资源含有砷元素,并且在后期有意识在炼铜中添加含有砷元素的石。但是在中国河西走廊发现的早期砷铜是否和两河流域有关还亟待研究。因为河西走廊的含砷铜矿有待调查,此外也无法确定到底是两河流域传入中国的炼铜技术只针对含砷铜矿,还是将含砷铜矿石传入了中国。第二个锡青铜的问题是虽然商周时期锡的产量很高,但其具体来源还有待确认。在两河流域早期,铜锭是重要的贸易品,形状相对固定,但在早期中国,铜锭有圆饼形、长条形等多种情况,两者差异的原因同样需要进一步研究。

问题七,“金属产地研究”。金属产地研究的方式有很多,苏荣誉教授重点谈了铅同位素方法。他介绍道,牛津理论认为铅同位素比值不因冶炼而变化,故可能用来追溯来源,但是不是所有的铅矿都遵循这个规律,还需要地球化学和成矿理论研究。另外,假如几种来源不同的材料混合,铅同位素比值又会怎样的?这个问题需要探讨。同时,我们还需要思考理论的适用性问题。苏荣誉教授详细介绍了英国Mark Pollard 提出的“牛津理论”,这个理论主要是根据铜器中砷、锑、银、镍四种微量元素的有无对材料进行分组研究,然后处理相关研究数据,旨在解释回收与重熔现象,最后发现每重熔一次就会有0.1%的烧损。但是这种方法与冶金学没有任何关系,仅仅是数字讨论,无法进行实验证明,因此需要深思这个理论的合理性。苏荣誉教授介绍到,基于“牛津理论”,Pollard教授组织了一项Flame课题,基于对大量器物的化学组成和同位素特征规律的解读,探究这些规律如何随地域、时代、器物类型和考古背景的迁移而变化。但是这项课题显得概念空洞、方法含糊,存在很大问题。

讲座的最后,苏荣誉教授对参会人员提出的问题进行了悉心解答,王全玉教授对讲座进行了简单总结和致谢。本次讲座采用腾讯会议和哔哩哔哩在线形式,吸引了众多永利网址考古文博专业师生及全国各地考古文博单位的同仁参加。受限于篇幅,诸多问题在此未展开详细论证,读者和听众可进一步关注即将发表的学术论文。(文/刘艳菲 图/孔凡一)

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