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西周冶铜用青冈栎木炭作燃料,根据出土的炉渣

来源:http://www.onkenibk.com 作者:新濠天地之前登录网址 时间:2019-09-23 18:53

  2018年4月28日,湖南省文物考古研究所牵头,联合中国科学院自然科学史研究所、香港中文大学、郴州市文物处、桂阳县文管所等单位,根据以往工作积累的线索,针对桂阳县雷坪镇舂陵江江畔的黄田村两处较大冶炼遗址进行专项调查(图一)。

2015年9月20日至23日,北京大学与湖南省文物考古研究所组成联合考察队,以北京大学考古文博学院陈建立教授为领队,在桂阳县文化工作者的指引下对桂阳县古代矿冶遗址开展调查。根据遗址内涵及分布,共实地考察12处古代矿冶遗址,下面以陡岭下遗址和桐木岭遗址为例,将调查情况作一简介。

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1、陡岭下遗址

南陵位于安徽省芜湖市南44公里,其民俗殊异于他县者,历年祀“工山神”。稽之县乘,则有宋代知县郭荛《申免工山坑冶札子》一文云:“自六朝至唐,南陵号为坑冶之地。”查南陵置县,肇自梁武503-548年在位,两汉时为丹阳郡春谷、芜湖、宣城县地,曾置全国唯一之铜官于此。战国时属楚国边郡“陵阳”。西周、春秋均为吴越辖地。先秦史料屡有“江南金锡”、“吴越之金锡”、“陵阳之金”的记载。汉代为“丹阳铜”的主要产地,梁朝则是“梅根冶”的所在。建国以来,考古工作者先后在内蒙古西林大井、湖北大冶铜录山、湖南麻阳等地发现过若干采掘、冶炼氧化铜矿的遗址,而“吴越地区”却从来未见报道。为了解这一历史悬案,我们对皖南地区的一些产铜地点进行了徒步踏查。先后发现各朝代、各类型的古代采矿、炼铜遗址40余处,它们集中分布于南陵大工山区,范围达400平方公里,其中戴镇乡江木冲西周冶铜遗址面积1.5平方公里,文化层厚1-2米,炼铜弃渣堆积总量在50万吨以上。1988年至1991年,安徽省考古研究所先后对南陵大工山区的江木冲、塌里牧、沙滩角、刘家井、西边冲等地进行考古发掘,发现各类遗迹26处,其中西周至唐代的炼铜竖炉19座,硫化矿焙窑4座、采矿井3座。江木冲炼炉遗迹14C测定年代为公元前775年,沙滩角古矿井测定年代为公元前805年。由此,我们对西周硫化矿炼铜技术进行了分析。

图一 桂阳县两处炼铜遗址位置图

位于桂阳县正和镇官溪村,在一低矮山地环境中,海拔高度220至235米。在靠近西水(官溪河)北岸的山坡上分布大量炼渣堆积。炉渣堆积分布左右长度约500米,上下随自然地势宽度约150米,厚度在1至10米不等。

炼炉结构 南陵地区的炼铜炉皆为竖炉,由炉基、炉缸和炉身三部构成。经复原,从炉缸底到炉顶部高1.2-1.5米,料柱1-1.2米,容积约0.35立方米。炉缸截面呈椭圆形,长轴长90-100厘米,短轴长60~70厘米,高30-35厘米。炉壁厚25-45厘米。炉缸一端设有“金门”,以排放炼渣和铜液。炉缸以下为“炉基”。顺长轴方向筑有“风沟”,从而构成炉下空腔,以利于防潮和保温。风沟长2.5、宽0.6、深0.4米。竖炉在不同部位,使用了不同配方的耐火材料,主要有网状红土、高岭土、石英砂、铁矿石粉等。目前尚未发现鼓风设备。

  一、盘家遗址

发现有炼炉遗迹,尤其是一处保存相对较好,形制较为清楚的一组并排炼炉土台遗迹。该土台长约20米,残高0.6米。是用红色黏土夯筑,剖面上可见一个人字形屋脊形式。炼炉左右对称,每侧有25个,共50个。炼炉为圆形,直径约0.35,残高0.5米。这一组炼炉遗迹是建筑在一平整的工作面之上,在靠近山坡的部位有使用残废的坩埚修筑的护坡,护坡是使用刚出炉的炉渣作为粘合剂材料。

焙烧设施 西周遗址未发现专门用于焙烧的设施,但在炼炉周围往往有十几乃至几十平方米的“硬面”,厚20-40厘米,是用石英砂粒、炼渣颗粒和铁矿石粉加水浇筑成的混凝土面层,可能是用作堆烧硫化矿的堆烧场。此外,废弃的炼铜炉也可兼作焙烧炉。

  位于雷坪镇盘家自然村北面,在舂陵江东岸,距舂陵江约100米,原始地貌应该是一个朝向舂陵江的缓坡。遗址沿着舂陵江大体呈南北向分布,南北约长250米,东西约长200米,面积约5万平方米(图二)。遗址地表都为炉渣堆积,没有树木生长,炉渣堆积非常集中,但厚薄不一,最厚处约7米。矿渣堆积部分是原生堆积,局部被后期扰乱。炉渣多数为片状、块状,少数呈碗状或长舌条状(图三)。调查还发现碎矿石臼、青花瓷片(图四)、陶罐残片、陶盖残片、炼锌冶炼罐等遗物。

在炼渣中发现大量瓶形坩埚及部分陶片、瓷片。根据出土的炉渣初步判断该遗址为炼锌遗址。推测遗址于明代时期开始冶炼。

燃料熔剂 燃料和溶剂因时代不同而各有差异,西周冶铜用青冈栎木炭作燃料。汉代以后用当地采掘的煤作燃料——这是迄今全国发现最早使用煤作工业燃料的例证。熔剂主要是二氧化硅,西周采集河床中的石英卵石,汉代以后则专门开采石英石。冶铜工艺 我国古代冶铜生产有湿法与火法两种,而后者则是普遍使用的方法。火法炼铜的实质是铜矿石逐步富集成铜的过程,它有三种工艺:一是将氧化铜矿与木炭熔剂配伍,分批加入熔炉,在摄氏1100度左右的气氛中,还原成金属铜。二是先将硫化铜矿物进行氧化焙烧,在摄氏750-800度的条件下,与空气中的氧起作用,变金属硫化物为金属氧化物,然后再入炉熔炼,还原成金属铜。三是将硫化铜矿直接入炉炼成冰铜,再将冰铜重复熔炼,使之逐步富集成金属铜。以上三种工艺实质上只是两种熔炼过程,即“还原熔炼”和“冰铜熔炼”。

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还原熔炼:上述一、二种工艺属此类。其原理是氧化亚铜被一氧化碳还原成金属铜。其工艺虽然简单,但炼渣中的铜损失较大,矿料来源也较贫乏,是青铜时代初期的获铜方法。

图二 盘家遗址航拍照

图一 陡岭下遗址大面积的坩埚遗存分布

冰铜熔炼:上述第三种工艺属此类。其原理是铜对硫具有除锰以外的最大亲合力,易于形成高温下稳定的化合物。并且硫化亚铜与硫化亚铁易于以任何比例互熔,形成铜和铁的复式硫化物——冰铜。冰铜熔炼虽较还原熔炼复杂,但弃渣中的铜损失较小。更重要的是硫化矿的蕴藏量要比氧化矿丰富得多,故大规模的冶铜生产,必须仰仗于硫化矿的开采和使用。

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1977年,安徽贵池出土了一批东周青铜器,其中有7件铜锭。80年代初,华觉明、张敬国等对这批铜锭进行了分析,其化学成分为铜64.88%、铁34.35%、硫2.03%,结论:冰铜锭。这一发现,把我国使用硫化矿冶铜技术的发明时间,向前推至“春秋晚期至战国初期。而1984年南陵江木冲西周冶铜遗址上发现的冰铜锭及冶铜竖炉,则将这一技术的发明时间又上推了400余年。

图三 盘家遗址块状炉渣

图二 保存较完整的双排炼炉遗迹

为了进一步证实发明这一技术的可靠性,中国科技大学科学史研究室研究生穆荣平在李志超先生的指导下,根据冶铜学的原理,对南陵江木冲西周冶铜遗址各文化层采集的11个古炼渣标本,用化学元素成分分析;扫描电镜定量分析和X射线衍射仪定性分析等测试手段,利用炼渣中铜和硫赋存状态的差异,以及铜、硫比值的差异,来辨别样品是硫化矿冶炼所弃的冰铜渣,还是用氧化矿或死焙烧硫化矿冶炼所弃的还原渣。

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分析结果发现,南陵大工山区西周时已进行了大规模的炼铜作业,其炼铜技术相当高明;工人们不仅掌握了熔炼硫化矿成铜的工艺,在生产过程中,还掌握了冰铜富集熔炼技术,是我国目前发现最早使用硫化矿炼铜并采用硫化矿——冰铜——铜工艺的地区。

图四 盘家遗址采集青花瓷片

新濠天地之前登录网址,图三 陡岭下遗址用坩埚砌筑的护坎遗迹

  在调查的1万平方米面积的遗址范围内较为均匀地分布有四五处较为平整的台面,台面高度不一,由红色黏土填筑,一般厚约10厘米,较厚可达28厘米,这些台面应该是当时的工作面。遗址的一处断面上还发现有红色黏土填筑的两层工作面,上下间隔1米左右。该遗址的形成可能是先在靠近江边的台地上冶炼,随着炉渣逐渐堆积,逐步向上扩展。一个工作面,可能对应着一个作坊区。

2、桐木岭遗址

  经过简单勘探,发现冶炼炉3个。炉1位于遗址中心部位一处较大断面处,断面高5.5米,炉底之下高3.5米,炉底之上有2米炉渣堆积覆盖。该炉只保留一角,残长1.2米,残宽0.6米,残高0.7米。炉底与一工作面平行相接,清理出工作面长约5米、厚约25厘米,由红色黏土、砖块、炉渣混合铺筑而成。炉子由砖平铺砌筑,大部分使用完整砖块,长24、宽14.5、厚6.5米,砖已烧成红色。炉底部未见明显烧结面。距炉子后部(一侧),用残砖垒砌后部护围,间隔0.2米。炉内壁烧结严重,呈黑灰色。

遗址所在是一山地地形中,海拔高度316至336米。在一山体南侧山坡上分布大量炼渣堆积,并在现场发现多处冶炼遗迹。炉渣堆积分布左右长度约500米,宽度随自然山势分布约100米,堆积厚度在1至8米不等。

  炉2和炉3位于另一台面上,由炉渣、砖块、红色黏土堆筑而成。呈南北向,炉口朝东。南北长3、东西宽2.6米,呈土包状,开口于炉渣之下。两炉并排排列,大小接近,炉2长1.3、宽0.8、残高0.66米,炉3长1.07、宽0.86、残高0.6米。两炉的顶头(东端)炉壁用残砖砌筑,砌筑不甚规整,南北两侧都为炉壁烧结,炉内为红黄白色填土。

在山腰处发现一较大面积的平整工作面,长度约60米,宽度在20米左右。工作面上有使用炉渣铺筑的平整面工作面遗迹。在工作面平地靠近山坡外侧用残废瓶形坩埚修筑了护坎。该工作面上发现多处保存较好的冶炼遗迹,如有不同形制、不同大小尺寸的炼矿炉。根据发现的两种不同形状结构的炉渣,推断该遗址冶炼的金属种类不止一种。桐木岭遗址虽然位于山地地形之中,附近没有发现明显的河道,但该遗址周围有煤矿资源,附近的各种锌、铅、金矿料丰富。遗址靠近舂陵江,对外运输也相对较为方便。根据采集到的遗物推测遗址至少在明代就已开始冶炼生产。

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在该遗址中采集到两枚铜钱、部分陶片、瓷片、瓶形坩埚及两个碳标本。该遗址现为郴州市市级文物保护单位。

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