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“2019年北京大学冶金实验考古暑期班”收获——一个考古人的体会

日期:2019-10-09 来源: 评论:

[摘要]近年来,随着文物考古事业的不断发展,多学科合作开展文物考古工作已成为业界的常态。湖南商周青铜器问题一直是学术界意见分歧比较大的一个问题。在传统考古学无法达成一致意见的情况下,我所尝试与北京大学、北京科技大学、中国科学院自然科学史研究所等单位...……

近年来,随着文物考古事业的不断发展,多学科合作开展文物考古工作已成为业界的常态。湖南商周青铜器问题一直是学术界意见分歧比较大的一个问题。在传统考古学无法达成一致意见的情况下,我所尝试与北京大学、北京科技大学、中国科学院自然科学史研究所等单位合作,联合开展冶金考古工作,试图揭开湖南商周青铜器之谜。

2017—2018年,我所与北京科技大学等单位联合在湘江、澧水和沅水流域开展了冶金考古的调查工作。虽然调查结果并不理想,几乎没有发现商周时期的冶金遗存,但通过调查过程中学习到的有关冶金考古的知识,加上过去考察湖北大冶铜绿山、安徽阜南台家寺等遗址的收获,我感觉在过去的田野工作中,我们可能忽视了与冶金相关遗存的信息采集工作。因此,得知北京大学考古文博学院将在桂阳举办冶金实验考古暑期班的消息后,我主动报名参加,目的是想看看古代人是如何进行冶炼、铸造的?在冶金活动现场会留下那些遗存?我们在今后的考古工作中遇到的哪些遗存可能会与冶金活动有关以及如何开展冶金遗存信息的提取等。

本次的冶金实验考古活动内容比较丰富,包括了青铜冶炼、生铁制钢、高炉和坩埚炼铅、灰吹法炼银等。我重点关注了青铜冶炼的全过程:从燃料的准备、炉子的建造到铜矿石炼铜、浇铸铜器等。关于冶炼的具体过程,由于已有学员进行了详细的介绍,我就不再赘述了,在此我主要谈一下参加这次冶金实验考古的体会和收获。

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冶金活动不一定需要很大的场地

过去我一直认为,冶金是一项比较复杂的劳动,需要足够的场地和大量的人员分工协作。这次的冶金实验改变了我的认识:简单的冶金活动,如矿石炼铜、以及铸造小件的工具、兵器等,需要的场地并不大,人员也并不多。此次我们建造的冶炼炉并不大,底径只有12厘米,口径只有22厘米,深也只有15厘米(图一),即可进行内加热将矿石冶炼成铜。后期外加热熔铜铸造时需要较高的温度,炉子有所扩大,也不过口径32厘米,深38厘米。加上操作空间,一个探方的面积(5×5m²)足矣。至于人员,考虑到鼓风的因素,2—3人足矣。

图一  炼铜的地炉

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小规模的冶金活动留下来的遗存很少,极其容易被忽视或误判

小型的冶金活动留下的遗存,最有可能被发现的有炉子、木炭、鼓风管等(图二)。鼓风管是冶金活动不可缺少的工具,形制比较特殊,倒是一种判断冶金遗存的指针性器物,但不一定每个遗址都会出土。炉子和木炭,发现的概率较高,但却极其容易被误读。冶炼炉体积不大,而且由于后期的清理或破坏等原因,我们在考古时发现的很可能就是带有一圈红烧土的小坑。如果不多加考虑,我们的第一反应很可能会认为是日常生活中经常使用的灶。另外从实验的结果来看,小规模的冶金活动留下的炼渣极少,而且在分离铜的过程中往往会被砸碎,因此极不容易被发现。(这可能也是我们在湖南进行冶金考古调查时收获甚微的原因之一,是否暗示着湖南商代只能铸造简单的工具和兵器,没有成熟的青铜工业。)这些现象都提醒我们在今后的考古工作中要带着问题去发掘,要有意识地去分辨各种迹象,寻找各种遗物,及时开展科技检测与分析。不然即使遇到冶金遗存,也很可能会被我们放过。

图二  冶炼后的地面

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及时开展科技检测与分析有助于判断相关遗存的性质

在此次实验考古活动中,我们及时开展了科技检测与分析,以检验试验效果。围绕冶铜炉,我们主要开展了三项检测:实验前后冶炼炉附近地面的检测,冶炼炉的检测和坩埚的检测。

冶炼炉周边环境检测的目的是为了了解冶炼过程对周边环境的影响。通过检测可知,这种小规模的地炉冶炼从总体来看没有造成周边土壤元素的明显改变。但在砸矿筛矿区域和浇铸区域,检测到铜含量有明显升高。因此周边环境的检测原则上可以作为是否存在冶炼活动的一个参考。

矿石炼铜采用的是内加热的方法,即在炉内温度达到1000℃左右时,直接往炉内加铜矿石冶炼出粗铜。本次冶炼时,在炉底放置了一个土制坩埚。可能是温度不够的原因,出炉时冶出的铜成块状,不是液体(图三、四)。冶炼完成后,我们对坩埚进行了检测,结果在坩埚内没有检测到铜的成分。

图三  往炉内加铜矿石

图四  出炉的坩埚和铜块

熔铜浇铸采用的是外加热的方法,即将铜锭(黄铜块)装在坩埚中、盖上盖子放入炉内加热使其熔化后浇铸。由于在矿石炼铜的过程中土制坩埚烧裂,为保证浇铸成功,这次换成了更耐高温的石墨坩埚。冶炼完成后,我们发现坩埚内底泛红(图五)。实验结束后,我们对坩埚的不同部位和盖子进行了检测,结果在盖子上没有发现铜的成分;坩埚上部也没有发现铜的成分;但在坩埚内底部泛红的部分检测到很少的铜元素存在。考虑到石墨坩埚密度较大、表面光滑等原因,如果换成土制坩埚,铜的成分应该会稍微高一些。

图五  冶炼后的坩埚底部泛红

整个实验结束后,我们还对冶铜炉进行了检测,结果在炉壁上没有发现铜的成分,但在炉底检测到铜含量存在。考虑到外加热时坩埚不存在泄漏的可能,因此炉底的铜元素应该是矿石炼铜时留下的。

从上述检测结果来看,环境的检测有助于判断冶炼活动的存在;一般情况下,内加热冶炼矿石时,炉底或多或少会有金属元素残留;坩埚从总体来看,金属残留物不多,但如果是多次使用或使用时间较长,还是会在内底或多或少有一些成分残留的。

上述结果是在冶炼现场检测得出的成果。但如果是在遗址中,情况会比较复杂,因为遗址是经过历朝历代有意无意的清理破坏后残存下来的部分,情况比原状要差很多,也会发生变化。据严弼宸博士介绍,在北京房山第一次冶金实验考古中,对生产区域进行过清理后,铜元素异常的区域会发生转移。而考古发现的很多推测用于铸造铜器的坩埚“将军盔”中,并未检测到铜元素的存在,其原因至今不明。因此,金属成分的检测与分析虽然可以为判断冶炼遗址提供帮助,但具体操作起来难度不小。

相对来说,严弼宸博士提供的利用红烧土的烧成温度来判断是否存在冶金活动的方法倒显得简便易行。红烧土是我们在发掘古代遗址时经常遇到的遗存。一般来说,冶铜、冶铁都需要达到1000℃以上的高温,因此,修建炉子时,最靠近火的一层土必须是耐高温的耐火土。严弼宸博士通过对炼炉壁不同层次的检测发现:耐火土的烧成温度一般都在1000℃以上;耐火层以外的炉壁,烧成温度急剧降低:紧靠耐火层的,尚有700——800℃左右,再向外,就只有300——400℃了。而一般红烧土的烧成温度,无论是灶还是墙壁、地面等,都只有300——400℃,有的甚至只有200℃左右。因此理论上,如果发现烧成温度达1000℃以上的烧土,就可以肯定这是炼炉的耐火壁;即使发现不了这层耐火壁,如果发现有烧成温度高达700——800℃的红烧土,也可以确定它是炼炉的壁,因为一般的红烧土达不到这个烧成温度。虽然目前这项研究尚在继续进行中,但我觉得对我们今后的工作有很重要的参考意义。

在此次冶金实验考古中,还有一个意外的收获。因为炼铅的高炉一旦生火后就不能熄灭,为了节约燃料同时保持炉子不灭,晚上我们在炉口放了一些坩埚、砖头将炉子封住,结果第二天早晨发现在坩埚、砖头的受火面以及炉子口的部位有一层绿色玻璃状的釉。以前在湖南发掘汉晋墓葬时,时常可以发现带有绿色釉的青砖,而且有些青砖的火候并不高;此外在湖南出土的大量印纹硬陶罐上,也可以发现这种绿色釉,这种釉一般位于罐的最大径(肩部)以上和内底处。通过观察,我们认为这种釉可能不是有意施的,而应该是在烧制过程中自然形成的。此次的发现证明这种推测还是有一定合理性的。

图六  炉子口和坩埚上的绿釉

参加此次冶金实验考古活动,感受最深的是老师和学员们高涨的热情。冶炼是一个很辛苦的活,参加这个班的老师和学员都是来自各著名大学、中学、研究所的老师、学生以及各行各业的成功人士。如果说我们这些从业者还是为了研究的话,那么大多数学员纯粹是因为兴趣。不管是因为哪一种目的而来,大家都非常投入,非常认真,留下了很多感人的画面和故事(图七、八、九、十)。

图七  变成花脸的女学生

图八  甘当加炭工人的北大帅哥

图九  黄兴副教授在除炉渣

图十  学员的偶像严弼宸博士在操作

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