崔春鵬 李延祥 陳樹祥

(1.中國國家博物館 考古院，北京 100006；2.北京科技大學 科技史與文化遺產(chǎn)研究院，北京 100083；3.湖北省文物考古研究所，湖北 武漢 430077)

地處長江中下游銅鐵金多金屬成礦帶西段的大冶地區(qū)保留有豐富的古代礦冶文化遺存(如圖1)，附近銅綠山、大路鋪、蟹子地、香爐山等一系列代表性的商周時期礦冶遺址的發(fā)現(xiàn)為荊楚文明以及我國青銅文明起源與早期發(fā)展研究提供了有力的論據(jù)[1-4]。2012年以來湖北省文物考古研究所為配合銅綠山古銅礦遺址博物館新館建設，對位于大冶銅綠山大巖陰山(Ⅶ號礦體)北麓的四方塘遺址進行了搶救性發(fā)掘。遺址由墓葬區(qū)和冶金區(qū)兩部分構成，具體情況見發(fā)掘報告[5-6]，其中2014—2015年發(fā)掘的四方塘遺址墓葬區(qū)是國內首次發(fā)現(xiàn)礦冶工匠的墓地，極大地填補了中國礦冶考古的空白，并榮獲“2015年度全國十大考古新發(fā)現(xiàn)”。

本文選取四方塘遺址冶煉區(qū)出土的20枚爐渣進行檢測，年代為春秋時期。這批樣品除24378黏有爐壁外，其余爐渣為不規(guī)則片狀，外觀呈黑褐色，厚度集中在1～5 cm之間。爐渣斷口大部分為黑色，少量為青灰色或黑色泛彩，較為致密，有的可觀察到少量小氣孔，熔融狀態(tài)和流動性均較好。大冶四方塘遺址的發(fā)掘是銅綠山古銅礦自1985年停止發(fā)掘后，近30年來再次在銅綠山一帶開展考古工作。對該遺址出土爐渣等冶金遺物開展科學分析，有助于推動大冶地區(qū)商周時期礦冶文明的整體研究以及深度揭示其冶金技術的發(fā)展歷程。

圖1 大冶一帶商周時期礦冶遺存

一、樣品檢測

對爐渣清洗、編號后進行截取、鑲嵌、打磨、拋光和噴碳，然后使用SEM-EDS對樣品物相進行微區(qū)檢測。掃描電鏡配能譜儀型號為：德國ZEISS EVO18高分辨掃描電鏡配BRUKER Nano X-Flash Detector 5010型X射線能譜儀。

樣品基體使用能譜儀計算主要造渣元素鐵、硅、鈣、鋁、鎂和鉀并進行配氧，具體成分見表1。樣品微區(qū)觀察及分析見圖2—7。

圖2 樣品24391電鏡結果

圖3 樣品24393電鏡結果

圖4 樣品24379電鏡結果

圖5 樣品24395電鏡結果

二、分析討論

(一) 冶煉技術

四方塘遺址爐渣的主要夾雜顆粒為彌散分布的金屬銅，直徑多在2～60μm之間，因而樣品的冶煉產(chǎn)品為紅銅。大部分紅銅顆粒外都裹有暗灰色銅硫化物，該物相多為輝銅礦(Cu2S)。根據(jù)次生銅硫化物工藝礦物學研究[7]，樣品銅硫化物中還存在藍輝銅礦(Cu1.92S-Cu1.8S)和方輝銅礦(Cu>1.96S)，如樣品24391邊緣可見藍輝銅礦(見圖2)，銅分子數(shù)為1.8。樣品24393邊緣可見方輝銅礦(見圖3)，銅分子數(shù)為1.97。紅銅顆粒內還可見暗灰色不規(guī)則條塊狀、粒狀的輝銅礦物相及鉍顆粒(見圖2)。樣品24379可觀察到氣泡上附著有直徑約65μm的紅銅顆粒(見圖4)。該紅銅顆粒明顯大于周圍的銅顆粒，有研究認為爐氣中的CO、SO2以及原料中的CaCO3、NaCO3、BaCO3等活性物質都是爐渣氣泡產(chǎn)生的潛在因素[8]，而隨機形成的氣泡向上逸出過程中，附著的銅顆粒由于表面張力不斷吸附周邊細小甚至相對大的銅顆粒而聚集生長。

爐渣成分均屬于SiO2-FeO-Al2O3渣系，并落入三元相圖的理想熔融區(qū)域(見圖8)，這與當時較高的選礦工藝有關。SiO2含量集中在38.59%～43.29%，均值為40.03%；FeO含量集中在38.44%～45.66%，均值為42.50%；Al2O3含量集中11.30%～12.60%，均值為12.02%；CaO含量較低，均值為2.53%。爐渣基體以深灰色樹突狀或柱狀鐵(鈣)橄欖石和黑褐色非晶質玻璃相為主要架構，有的還可見毛細狀鐵橄欖石雛晶(見圖5)、淺灰色不規(guī)則狀浮氏體或白灰色等軸多邊狀磁鐵礦物相(見圖6)。

四方塘遺址爐渣基體成分、銅含量、渣系與銅綠山的Ⅶ礦體、農(nóng)行、動力科冶煉氧化礦石所形成爐渣的檢測結果基本相似(見圖8)[9]。實際上，四方塘遺址與1993年在Ⅶ礦體的取樣位置為同一地點，Ⅶ礦體、農(nóng)行、動力科三處遺址是使用化學分析方法檢測爐渣的銅、硫含量，動力科、農(nóng)行含銅量均值為0.78%、0.84%，銅硫比遠大于4，冶煉工藝為“氧化礦—銅”；Ⅶ礦體含銅量均值為0.49%，銅硫比略大于4，所使用礦石中應混有少量硫化礦，但冶煉工藝仍屬“氧化礦—銅”。四方塘遺址雖然是使用SEM-EDS方法測量爐渣的銅、硫含量，但銅含量仍處于較低水平，均值為1.43%，不僅低于希臘基斯諾斯島青銅時代氧化礦石煉銅渣含銅量均值1.77%[10]、阿曼青銅時代氧化礦石煉銅渣含銅量均值2.67%[11]，還低于美國近代亞利桑那州氧化礦石煉銅渣含銅量均值1.97%[9]，并且四方塘遺址爐渣的硫含量均低于檢測下限，總體說明了春秋時期四方塘遺址所在銅綠山的“氧化礦—銅”工藝處于較高水平。

圖8 四方塘遺址出土的爐渣成分在FeO-SiO2-Al2O3系中分布

(二) 磁鐵礦物相

古代爐渣中磁鐵礦物相的存在反映了煉爐內氧化條件的存在[12]，其中的鐵橄欖石分解后，F(xiàn)eO氧化生成的Fe2O3與未反應的FeO結合為磁鐵礦(Fe3O4)，析出之前是以一種非化學計量鐵氧化物FeO1+X(浮氏體)存在。在降溫結晶過程中如果濃度過飽和以及體系自由能變高就會有磁鐵礦的析出并長大，細小的磁鐵礦晶粒逐漸被大晶粒吞噬。四方塘遺址爐渣所見的磁鐵礦物相中Fe元素含量浮動范圍不大，如樣品24390(見圖6)，約71.12%～73.35%，但較理論值偏低，與物相中常含有鋁、鎂、硅和鈦等元素以及與非晶質玻璃相、鐵橄欖石交錯嵌布有關[13]。

黏有爐壁的樣品24378基體還可見大量(浮氏體+磁鐵礦)物相和紅銅顆粒(見圖7)，這與爐渣接近氣氛與溫度復雜多變的爐壁區(qū)域有關。該樣品面掃成分含銅達3.71%，渣銅分離相對較差。據(jù)冶金實驗報道[12]，隨著磁鐵礦、浮氏體大量析出，形成的隔離層降低了銅與爐渣的界面張力，因而有較多的銅滯留在渣層。樣品24378磁鐵礦內還含有少量紅銅，關于爐渣中紅銅在磁鐵礦內的賦存形態(tài)，金建文認為銅在磁鐵礦中固溶度很低[13]，其內金屬銅應以細粒包裹體形式存在。山口(Yamaguchi)認為銅在磁鐵礦中應以Cu2+形式存在[14]，當冶煉溫度降到980℃以下而還原氣氛較弱時，CuFe2O4-Fe3O4固溶體共析為銅鐵礦+磁鐵礦(+赤鐵礦)物相?；羝仗芈?Hauptmann)則以約旦菲丹(Fidan)遺址1 000℃Cu-Fe-O體系相平衡態(tài)下冶銅渣為例[15]，認為磁鐵礦內的銅以金屬銅、赤銅礦、銅鐵礦的形式共存。

(三) 礦料特征

據(jù)田野發(fā)現(xiàn)，四方塘遺址與所在的銅綠山古銅礦有密切的礦料來源關系。銅綠山古銅礦留有大量商周時期采礦遺跡，東周、西漢時期豎井深度可達50～60 m[1]，開采位置已處于氧化帶下層或混合帶。而西周或更早的采礦者雖可將氧化帶上層的礦石采盡，但圍體中以浸染團塊狀及散粒狀富集的斑銅礦經(jīng)過一段時間風化淋濾又能形成一定厚度的氧化層，該層的次生礦石也能被晚期采礦者順勢開采。

本文的科學分析進一步深化了四方塘遺址礦料來源關系的認識。四方塘遺址爐渣的熔融狀態(tài)和流動狀態(tài)較好，主成分SiO2、Al2O3、FeO含量也相對集中穩(wěn)定(見表1)，變異系數(shù)均在10%上下，反映了這些元素的來源并不復雜，基體成分受礦料影響較大而非耐火材料。同時，四方塘遺址爐渣的基體成分特征與銅綠山銅礦的表層巖體化學屬性有著良好的溯源關系，主要表現(xiàn)為三點：1)兩者均具有富鋁、低鎂鈣的化學成分特征。馬光在研究鄂東南銅鐵金礦床的地質特征、成因模式時指出，銅綠山銅礦主體巖株為花崗閃長巖，其鋁飽和度(Al2O3/[Na2O+K2O+CaO])范圍為1.21～1.44[16]，屬于過鋁質花崗巖。而淺部硫化礦體經(jīng)次生淋濾形成的酸性溶液又長期與圍巖發(fā)生表生蝕變，造成長石巖質高嶺石化(Al2O3·2SiO2·2H2O)，這會使得氧化帶的脈石中多見高嶺石、鐵鋁榴石、蒙脫石、綠簾石、黑云母等含鋁礦物或鋁硅酸鹽。2)銅綠山巖石化學硅鋁比參數(shù)與四方塘遺址爐渣較為接近[17]，前者SiO2/Al2O3≈3.666-3.903，后者SiO2/Al2O3≈3.012-3.537。3)四方塘遺址爐渣SiO2均值為40.03%，但CaO、MgO均值不高，分別為2.53%、1.69%。謝桂青研究包括銅綠山在內的鄂東南侵入巖地球化學成因時認為[17]，富集地幔熔融所形成(后期有下地殼物質混染)的巖漿經(jīng)歷過鎂鐵質礦物的結晶分離，使得侵入巖的SiO2與CaO、MgO顯示出負相關。

比較發(fā)現(xiàn)，四方塘所在銅綠山一帶的煉銅爐渣基體成分與周邊的陽新大路鋪商周遺址、大冶五里界春秋城址煉銅爐渣有明顯差異[18-19]。這兩處遺址的煉銅爐渣基體成分特征相近，鋁含量都很低，均值約為2%；鈣含量相對較高，大路鋪遺址65件爐渣的鈣含量浮動范圍較大(0%～30%)，均值約為9%，五里界城址的兩件爐渣一件含鈣9%，另一件含鈣24%，可能與使用富鈣、低鋁的礦料冶煉或者爐渣中混入爐壁等耐火材料有關。考慮到鄂東南地區(qū)多金屬礦山大范圍出露，不同地質成因礦床的造巖礦物地球化學特征多種多樣，推測大路鋪遺址、五里界城址所用礦料與四方塘遺址所在銅綠山矽卡巖型銅礦的地質成因有所差異，如五里界城址數(shù)公里外且發(fā)現(xiàn)商周采礦遺跡的龍角山銅礦[1]，其地質成因與鈣離子富集的水巖反應密切關聯(lián)[20]。但考慮到時代相對較早的大路鋪遺址冶煉技術可能落后以及五里界城址樣品較少，尚不排除爐渣基體成分受爐壁等耐火材料影響的可能。

(四) 產(chǎn)業(yè)格局

近些年在當?shù)匚牟﹩挝坏闹С窒?，北京科技大學對長江中下游商周時期礦冶遺址的考察闡述了該地區(qū)冶金規(guī)模較小、中小型聚落上也能從事青銅冶煉或禮容器鑄造的產(chǎn)業(yè)格局特征[3,21-23]，大冶地區(qū)這類代表性遺址有香爐山、蟹子地、苦蓮山、木魚墩等，主體年代為西周或更早。但在春秋時期特別是春秋中晚期，強勢文化進入鄂東南并控制當?shù)氐那嚆~產(chǎn)業(yè)鏈。《史記·楚世家》：“成王(熊)惲元年(公元前671年)……使人獻天子，天子賜胙，曰：‘鎮(zhèn)爾南方夷越之亂……’於是楚地千里”，以及最近四方塘遺址墓葬區(qū)的發(fā)掘[5]，均反映了春秋時期楚國對銅綠山所在鄂東南地區(qū)的掌控。

楚文化勢力這種沿江漢向鄂東南的輻射與楚人對銅綠山資源的經(jīng)營有著密切關系，從青銅產(chǎn)業(yè)格局層面看有如下幾個方面：1)專業(yè)化模式上，四方塘以及動力科、農(nóng)行、Ⅶ礦體等典型煉銅遺址圍繞銅綠山古銅礦集中分布且有相當規(guī)模[1]，這就需要一定的物力和人力支撐，也暗示了強權支配機構以及復雜社會等級所建構文明形態(tài)的存在。2)工匠身份上，冶煉者應存在著特定的人身依附關系，專業(yè)化工人的出現(xiàn)以及被束縛于冶煉場所方能完成如此規(guī)模的專業(yè)化生產(chǎn)，后勤補給也趨向于專業(yè)化較強的分工管理。3)產(chǎn)業(yè)鏈管理上，四方塘排出的爐渣均為較好還原氣氛下的紅銅冶煉渣，未發(fā)現(xiàn)青銅冶煉信號的存在，紅銅產(chǎn)品應是運往高等級遺址內進行復雜的再生產(chǎn)、再分配工序。近期李延祥教授對銅綠山30公里開外的陽新銀山礦區(qū)考察還發(fā)現(xiàn)當時專門的鉛冶煉生產(chǎn)區(qū)[24]。楚人對于鄂東南礦冶產(chǎn)業(yè)鏈的管理機構，誠如陳樹祥教授所認為[25]，自上而下至少分為工尹、城址、礦山、采選冶場4個層級。4)工藝水平上，四方塘遺址以及附近遺址已分析的爐渣熔融狀態(tài)、流動性、基體成分及還原氣氛良好，熔化溫度(集中于1 100℃～1 250℃)也落在相圖的最低區(qū)域(見圖8)，說明其選礦配料、操作經(jīng)驗、產(chǎn)品工藝已達到相當程度的專業(yè)化水準。以上四點就與中原地區(qū)青銅時代的冶鑄工序相分離，銅、鉛、錫料來源各自獨立，以及合金配比與禮容器鑄造置于王權禮制嚴格控制之下(位于城市或中心遺址)的產(chǎn)業(yè)格局特征相類似[26]。但不可否認，在時間上銅綠山春秋時期這種特征的青銅產(chǎn)業(yè)格局要晚于夏商時期以山西絳縣西吳壁遺址為代表的晉南地區(qū)[26-27]?？梢哉f，楚文化對銅綠山這種資源兼并形式的區(qū)域間互動成為當?shù)匚拿鬟M步的重要動力，其青銅產(chǎn)業(yè)格局的變遷歷程也締造著社會組織和等級結構的發(fā)展、重組與鞏固，以及更大地理范圍的文化交流、融合，與社會復雜化事件密不可分。

三、結語

對四方塘遺址出土爐渣的科學分析表明，青銅時代與鐵器時代交替時期的大冶銅綠山已掌握成熟的“氧化礦—銅”冶煉技術，此時銅綠山Ⅺ號礦體冰銅爐渣的發(fā)現(xiàn)說明春秋時期的銅綠山還已存在“硫化銅—冰銅—銅”工藝[28]。銅綠山這一承前啟后的冶金史時期代表著礦冶文明發(fā)展的一個重要階段，無疑是社會復雜化達到相當程度的技術面貌展現(xiàn)，與強勢文化融入當?shù)厣a(chǎn)生活密切相關。四方塘遺址冶煉技術的綜合探討對于系統(tǒng)認識銅綠山在我國考古學以及冶金考古上的地位具有重要價值，也為研究楚文化對鄂東南的擴張?zhí)峁┝巳碌募夹g材料。