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东下冯遗址冶铸遗存研究

原标题:东下冯遗址冶铸遗存研究

摘要:本研究对东下冯遗址出土的17 件第三期冶金遗物进行了金相和扫描电子显微镜- 能谱分析。其中1 件附渣冰铜块的检测表明该遗址的铜有独立于锡、铅料的来源。熔铜渣及铜块的分析表明第三期时已经使用锡青铜,同时还有铅青铜、铅锡青铜、砷铜等合金种类的应用。青铜合金通过向红铜中添加锡、铅物料(可能含砷)得到,与二里头等遗址类似。

东下冯遗址是晋南夏商时期最重要的中心聚落之一。发掘报告将东下冯遗址分为六期,其中一至四期与二里头类型一至四期相当或稍晚,五、六期为早商文化的二里岗下层及上层遗存。东下冯遗址出土了一批铜器及石范、铜渣等冶金遗物,其中出土冶铸遗物的有第一、四、五发掘地点。本研究对出土冶金遗物较为集中的第五发掘地点属于三期的17 件铜块、熔铜渣等进行检测研究,以揭示其青铜冶金技术的面貌,为相关研究提供参考。

一、样品状况及检测方法

1.样品状况 

17 个冶铸遗物取样情况及样品性状见表一及图一。

2. 检测方法

样品截取小块以酚醛树酯热镶,经打磨抛光至光镜下不见明显划痕,喷碳后用于扫描电子显微镜- 能谱分析,抛去碳膜用于金(矿)相观察。

用扫描电子显微镜(JSM6480LV)与能谱仪(Noran System six)进行成分和显微组织分析。每个金属样品的基体成分测量4次取其平均值,见表二,对基体及外层氧化或锈蚀层物相也作了观测。

以铜及其合金为基体的样品先后经9% 过二硫酸铵(NH4)2S2O8水溶液和添加了少量焦亚硫酸钠Na2S2O5的硫代硫酸钠Na2S2O3饱和水溶液浸蚀。熔铜渣、冰铜块未浸蚀。以Nikon 公司的Epiphot 显微镜外接Nikon D300 数码相机拍摄金、矿相照片。

二、检测结果

可将17 件遗物分为冰铜块(1 件)、熔铜渣(3件)、铜块(铅青铜1 件,含铅、锡或砷的红铜12 件)三类。

1. 冰铜块

冰铜块 1 件, 编号XDXF03,带破裂面块状,表面灰黑色带绿锈。经检测为含铁量甚少的高品位冰铜,即白冰铜。表面粘附炉渣为FeO-SiO2-CaO 渣系,其中有含少量铁的铜颗粒(图二)。

2. 熔铜渣

熔铜渣 3 件。熔铜渣XDXF06,氧化亚铜基体,其中分布大量四边形或针状二氧化锡骸晶,部分中空二氧化锡骸晶中包裹纯铜(图三)。样品XDXF05,锈蚀严重,主体为锈蚀产物铜的碳酸盐,残留少量氧化亚铜,发现少量二氧化锡晶体(图四)。样品XDXF17,氧化亚铜基体和锈蚀产物铜碳酸盐、氯铜矿等(图五)。

3. 铜块

铜块 共13 件。

铅青铜块1 件,XDXF02,扁平块状,边缘圆滑,表面覆盖黄白色风化或沉积产物及少量绿锈。经检测其基体含铅10.64%,铅分布不均匀,以网状分布于晶间或球状不均匀分布,表面有铅及其氧化物的积聚,基体中发现微量富硒碲相和二氧化锡骸晶(图六)。金相为受热再结晶的等轴晶和孪晶(图七)。

其余12 件均为红铜或含少量铅、砷、锡的红铜。其中少量的铅、砷、锡既有金属形态,也以氧化物夹杂形式存在(图八、九)。

金相检测表明这12 个铜基样品中的11个样品为晶体粗大的铸造组织(图一〇~图一三),只有XDXF 15 为铸造后受热再结晶组织,可见原铸态组织的残留痕迹(图一四)。

铜块XDXF10、11、14 中的铅以颗粒形态存在,少量砷以固溶形式存在于α 相中,其中XDXF10、11 中还发现少量的γ相(图一五),样品XDXF11、14 中还发现硫化亚铜Cu2S 夹杂(图一五)。

铜块XDXF07,含铅砷锡的红铜,含砷1.39%,少量的铅、砷、锡以氧化物夹杂形式分布于金属基体中(图一二),局部为典型枝晶组织并有少量γ相Cu3As 析出,显示物相和组织的不均一(图一二)。

铜块XDXF12 金属基体含砷1.45%、锡0.82%、铅0.37%,基体中锡、砷以固溶形式存在,铅以金属或氧化态的颗粒存在,更多的锡、铅、砷以氧化物形式存在于表面氧化亚铜中(图一六)。

铜块XDXF13 沿晶间严重锈蚀,残留晶粒平均含砷0.79%,更多量的砷以锈蚀产物橄榄铜矿(图一七)存在。

样品XDXF01,靴状实体,表面覆盖绿锈,报告称“残铜器”,据其外形应是流铜块或浇口铜,材质为含砷的红铜,检测未见其他微量元素及夹杂物(图一〇)。

铜块XDXF04,含砷的红铜基体(图一一),表面锈蚀中裹挟木炭碎屑,在较大的检测面积中只发现1 颗呈针状的二氧化锡骸晶。表面锈层中裹挟木炭颗粒,据纤维组织特征是某种硬木——烧制木炭的好薪材。

铜块XDXF08、09、15、16,均为红铜基体,微量或少量的铅、砷以混合氧化物夹杂形式分布于基体中,XDXF08、09、16 中还有少的二氧化锡晶体分布,呈细长针状或块状(图九、一八)。

铜块XDXF13、16 基体中还发现有含铜的银颗粒(图一八)。

三、讨论

1. 检测结果综述

检测样品中有3 件为熔铜渣。其中XDXF05(图四)和XDXF17(图五)几乎完全锈蚀,外部铜的碳酸盐应是锈蚀产物,内部部分氧化亚铜可能是残留的原物相熔铜渣XDXF06,氧化亚铜基体中分布的二氧化锡骸晶中包裹纯铜(图三),说明该样品是铜锡合金熔炼过程中被氧化的产物,骸晶形态的二氧化锡是金属形态锡被氧化产生的。

熔铜过程溅洒或余留的铜块13 件,有扁平块状、不规则圆条或小块状、小珠状等形状,符合溅洒或余留铜块的特征。铅青铜块XDXF02 所含微量富硒碲相(图六)应源自共生矿物,其受热组织(图七)可能是铜块在冶铸场地受热造成的,不是有意识行为造成的。其余12 件红铜样品中所含少量的铅、砷、锡既有金属形态,也以氧化物夹杂形式存在(图八、九),显示了熔铜铸造过程中空气对铜液不同程度的氧化作用。从金相检测结果来看这12 件样品中的11 个样品为晶体粗大的铸造组织(图一〇~图一三),只有XDXF 15 为铸造后受热再结晶组织,可见原铸态组织的残留痕迹(图一四),其受热应是冶铸场所的高温操作偶然造成的。

铜块XDXF10、11 中因凝固过程中不能达到平衡状态而析出的少量γ相 以及样品XDXF11、14 中源自冶炼过程的硫化亚铜Cu2S夹杂(图一五)表明这3 个样品在熔炼过程中铜液受到较好的保护,未充分暴露于氧化气氛下,可能是熔铜过程中添加合金物料之前铜液尚未被搅动没有吸收氧而遗落的铜块。铜块XDXF07 物相和组织的不均一应是氧化作用的不均匀造成的(图一二)。铜块XDXF12 表层氧化亚铜中的锡、铅、砷比金属基体中相对更高是由于锡、铅、砷比铜更为活泼,在熔炼的氧化气氛下更容易被氧化。

个别熔铜(渣)块表面裹挟木炭颗粒表明可能存在向铜液中加入木炭保护铜液不被过多氧化的工艺。

2. 铜的来源

所检测17 件样品中,16 件为熔铜、铸造遗留的熔铜渣或铜块,与炼铜相关的遗物仅发现1 件冰铜块(XDXF03)。结合发现的石范等遗物说明东下冯遗址的冶金活动以熔铜、铸造为主。从冶铜资源(矿石、木炭等)和运输成本考虑,矿石在邻近采矿地点的遗址冶炼成红铜后再输向东下冯等地区性中心聚落更为合理。

黏附炉渣的冰铜块是冶炼红铜的产物,保留了冶炼过程的原始信息。冰铜块表面粘附炉渣为FeO-SiO2-CaO 渣系,表明其为源自冶炼过程产品之一,并未进一步进行焙烧和还原冶炼,渣中的钙可能源自矿石或人为配料添加,渣中的铜颗粒则说明相应的冶炼过程产出了较纯的红铜。

鉴于该遗址未发现冶炼渣块、矿石等其他冶炼遗物,冰铜块可能和红铜一样是从其他存在冶炼活动的遗址输入的。冰铜可以进一步焙烧冶炼成红铜,但这种冶炼应该并不是该遗址冶金活动的主要内容,相应冶炼过程产生的炉渣数量也很少,不易被发现。附渣冰铜块的检查结果证明东下冯遗址的铜与锡、铅有独立的来源。近期在晋南开展的早期冶金考古调查在中条山北段及周边发现了多处夏商时期中小型遗址中有冶炼红铜的证据,东下冯遗址的铜可能就源于这些遗址。

铜块、熔铜渣等冶金遗物中微量银、硒、碲等杂质元素( 表二) 应源自共生矿,相关物相的发现与确认也为进一步通过微量元素研究其矿料来源与产品去向提供了重要线索。

3. 铜合金技术

夏商时期重要的中心聚落遗址如:二里头遗址、垣曲商城、郑州商城、偃师商城等都出土有铜器以及铜渣等铸铜遗物。对其中铜器及冶金遗物研究最多的为二里头遗址,前后有超过一百余件的铜器经过分析并发表数据,这些成分分析结果表明二里头出土铜器除少量红铜和砷铜外,其中大部分为青铜,包括铅青铜,锡青铜和铅锡青铜。梁宏刚的博士论文除了分析铜器外,还对17 件冶金遗物进行了检测分析,揭示了二里头遗址冶金技术的发展历程。李延祥、许宏进一步检测研究了二里头出土的16 个炉渣,发现其均为熔铜遗物,所熔炼的有红铜、砷铜、砷锡铜、砷锡铅铜、锡铜、铅铜、铅锡铜等多种合金,通过熔铜遗物中的高锡物相等判断存在一种在铜熔化后添加锡铅合金(可含砷)的合金配制技术。除二里头遗址外,垣曲商城的少量铜器和炉渣等冶金遗物也得到了检测分析。垣曲商城二里岗上层时期墓葬M1 出土的爵、鼎、斝3 件铜器均为铅锡青铜。对6 件二里岗上层时期炉渣及炉壁的检测研究显示其铜合金也有锡、铅、砷三种合金元素,而另1件含砷渣块的分析表明存在一种人工添加含砷矿物配制砷铜的合金技术。

东下冯遗址出土三至六期铜器共33 件,其中5 件铜器曾进行了湿法化学分析、光谱定性分析及金相分析,结果表明所检测的除1 件三期铜凿为红铜外,四期2 件铜镞、五期1 件铜镞及1 件残铜器(可能也是镞)均为铅锡青铜或含铅的锡青铜。从以往所检测的4 件器物来看,东下冯四期以及五期可能形成了以铅锡青铜为主的铜合金使用特征。但由于所检测铜器数量较少,器型单一,产地不明,并不能全面反映其铜合金利用情况及冶金技术。而三期的铜合金技术因为只有1 件红铜器得到分析,需要通过熔铜块和熔铜渣等其他遗物的研究来揭示。

虽然所分析的东下冯遗址三期16 件熔铜渣及铜块在熔铜过程中受到不同程度的氧化作用,金属基体中的合金元素有不同程度的损失或其他变化,但仍可以根据这些熔铜遗物的成分和物相推测所熔炼的合金种类。这些熔铜遗物对应的熔炼金属及合金可能包括了红铜、砷铜、锡青铜、铅青铜、铅锡青铜等,从数量上看红铜以及各种铜基合金都占有一定比例。单纯从目前各样品的成分和微观物相特征还不能判断锡、铅、砷是以何种方式引入铜中的。所检测16 个熔铜铸造遗物中的13 个铜块和1 个熔铜渣都含有砷,含量0.4-1.45%,普遍不高,结合个别样品中含量较高的锡、铅的情况,说明该批青铜合金中锡、铅为主要合金元素,砷为次要合金元素。砷不是作为主要合金元素添加的,可能是随其他金属原料进入青铜中的。而所发现和分析的附渣冰铜块揭示该遗址所输入的铜料为不含锡、铅、砷的红铜以及可以冶炼成红铜的白冰铜,可以推测铜合金中的砷可能主要是随锡、铅物料引入的。冰铜块附渣中的红铜颗粒含有少量的铁,说明其直接源于冶炼过程而未经熔炼或合金化。熔铜渣及铜块样品中个别含合金元素较高的样品,如铅青铜块XDXF02 和锡青铜熔渣XDXF06 能确认为有意添加锡、铅物料进行合金化的直接产物,另外更多的含少量锡、铅、砷的红铜可能是合金熔炼过程中合金元素的氧化损失造成的,或者是红铜在熔炼过程中由多次使用的炉具引入炉壁上残留的少量合金元素造成的。东下冯三期应存在向红铜中添加锡、铅物料(可能含砷)配制青铜的技术。

东下冯、二里头及垣曲商城3 遗址都以锡青铜、铅青铜和铅锡青铜的使用为主,同时还有一定量的红铜和含砷铜合金的利用,锡、铅、砷等合金元素与铜有着独立来源,青铜的配制通过向红铜中添加锡、铅物料(可能含砷)达到,显示其铜合金技术基本相同的面貌。推测东下冯三期青铜合金中的合金元素很可能与二里头遗址类似,是以可能含砷的金属锡、铅或锡铅合金加入铜中。

4. 冶铸地点及冶铸遗存

从发表的资料看,东下冯遗址至少有两个铸铜地点。

第一个铸铜地点位于中区的第五发掘地点。东下冯三期时在此处开挖了里外两圈沟槽,沟槽内有一当时的大土坑,各类遗迹沿沟槽及土坑边缘密集分布,其中可能与冶金相关的遗迹有H501 和H504。灰坑H501 出土斧范4 件(H501:1),以及本研究所分析的铅青铜块1件(H501:4a:1 ,实验号XDXF02)。灰坑H501是该遗址唯一集中出土石范的遗迹单位,所出土石范已破碎成小块,可缀合成较大两块斧范,另有两块较小的斧刃部范,都基本完整,应是使用损毁后就地废弃的。推测灰坑H501 曾被作为器物铸造或相关物资存放场所使用。灰坑H504 出土冰铜块(H504:3,实验号XDXF03)1件,其用火痕迹可能与冰铜的进一步冶炼处理或其他冶铸活动有关。第五发掘地点四期地层中出土凿范1 件(T5501:3D:18)及少量铜渣,说明该铸铜地点可能沿用至四期。五期时,沟槽更外围修筑了城墙,第五地点发掘范围分布一群排列整齐划一的圆形建筑基址,不应有冶金活动,该地点五期地层中出土有多用范(T5512:3C:1)1 件应属于三期或四期遗物。从冶铸遗物分布看,熔铜渣及铜块主要出土于大土坑北侧的T5524 等探方地层,石范主要出土于相距约十米的大土坑南侧的灰坑H501,另有零星遗物出土于其他单位中。虽然出土冶铸遗物数量有限,但结合遗物分布范围和冶铸活动专用设施H501 的情况看,该地点的冶铸活动有一定规模,应属于由该遗址贵族阶层控制的手工业作坊。

第二个铸铜地点位于东区,包括第一发掘地点和第四发掘地点在内的范围内出土铜渣、石范等冶铸遗物,这些遗物相对第一个铸铜地点较少且分散。冶铸活动可能也早至第三期,延续至第五期。

由于第二个铸铜地点冶铸遗物较少,使用年代不够明晰,这两处冶铸地点可能有共时关系,也可能是不同时期冶金活动地点的迁移造成的,除此之外可能还有其他冶铸作坊或地点的存在。第五地点三期的冶铸作坊位于同期沟槽西角内,一定程度上反映了青铜冶铸作为重要工业生产部门的地位。四、五期的冶铸遗存与聚落其他功能区及五期城墙的布局与关系则有待进一步的考古工作和研究。

5. 石范铸造与铜器的生产及流通

东下冯遗址一、二期遗存很少,未见文化层,也未见铜器和冶铸遗物,三期遗存数量激增,铜器和冶铸遗物也于三期时同时出现。三至六期出土铜器计有爵1,刀6,凿2,镞21,残铜器3,共33 件。出土10 件石范中,除2 件不明器物范外,有斧范6 件,镞、凿、斧多用范1件及凿范1 件。从有限的铸范来看,其中斧为该遗址铸铜作坊的主要产品,而遗址出土器物中却没有斧。斧有可能因为器型稍大在完成使用寿命之后作为珍贵物资被全部回收,或者其中的大部分作为产品输向其他遗址。铜器中镞为大宗,特别是五期的铜镞10 件,占到各期出土铜镞总量近一半,暗示夏商交替之际及初期,军事力量在该遗址的影响。较少的镞范和相对较多的铜镞对比说明该遗址出土的相当一部分铜镞可能是随军事力量带入的。

该遗址唯一1 件铜礼器爵出土于六期(二里岗上层期)规格最大的墓葬M4,除陶器外同出还有1 件带齿玉器,其墓主当为贵族。礼(容)器和乐器作为权力象征物被使用是二里头文化时期形成的青铜时代中原文化传统。东下冯六期墓葬的铜爵与其他五、六期遗存都强烈表明二里岗时期商王朝与该遗址的紧密关系。另1 件出土于四期地层被怀疑为爵流残片的残铜器表明该遗址礼(容)器的使用传统可能早至二里头时期。相应的,该遗址冶铸遗物中却没有爵等其他容器范,甚至没有陶范,而石范也不适于铸造青铜容器。由于该遗址六期没有发现任何与冶金直接相关的遗物,有冶铸活动的三至四期的铸范又都为石范,因此不能排除该遗址所出土铜爵由其他遗址输入的可能性。

四、结论

基于对东下冯遗址有限的冶金相关遗存的考察与研究可以勾勒出东下冯遗址青铜冶金业的大致面貌。东下冯遗址从三期开始就掌握了青铜合金技术,有铜器的使用和铸铜活动的发生,经历夏商文化的交替,冶金业延续并在技术上有所发展。铸铜手工业作坊利用从其他遗址输入的红铜及锡、铅料等铸造以工具和武器为主的铜器。东下冯遗址三期的铜合金技术就与二里头遗址相近,而石范表明其铸造器类与二里头遗址有一定的差别。

致谢:本研究得到了韩汝玢教授和孙淑云教授的诸多指导,金矿相实验结果曾与洛杉矶加州大学的David A. Scott 教授讨论,从中受益匪浅。在此致以衷心感谢!

(作者:李建西 陕西省考古研究院; 李延祥 北京科技大学科技史与文化遗产研究院; 田建文 山西省考古研究所 原文刊于《考古与文物》2018年第1期 此处省略注释,完整版请点击左下方“阅读原文”)返回搜狐,查看更多

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