北京市文物局 Beijing Municipal Administration of Cultural Heritage   搜索关键词:
融合多学科优势解决考古学问题--以延庆大庄科矿冶遗址发掘为例

时间:2016-12-28 14:28:07
】【打印】 【关闭

刘乃涛

    2015年适逢《北京文博》创刊20周年。11月16日,《北京文博》创刊20周年学术座谈会在首都博物馆召开。座谈会主题是"《北京文博》杂志与北京文博行业共同成长"。应北京市文物局图书资料中心祁庆国主任的邀请,本人以延庆大庄科矿冶遗址发掘为例,谈一谈自己对融合多学科优势解决考古学问题的想法。
    考古学是利用实物遗存来研究人类过去历史的一门学问。通过大量的实物遗存所反映的各种信息来解释人类历史,是考古学研究中的一个重要环节。考古材料包括两个方面,一是肉眼所见的所有人工制品,即显性材料;二是在这些物质材料中隐藏的所有信息,即隐性材料。通过研究这些显性材料和隐性材料来追寻人类遗失的过去。
    新形势下,我们不能像过去那样,单靠发掘一座墓葬、一处遗址,便做出简单的考古结论。全面科学的考古,需要我们综合多种学科、运用多种先进手段和方法进行,才能使考古成果更有说服力,更具权威性。多学科合作考古,使得地下埋藏的遗存较之以往能够提供更多的信息,而这些信息的成功提取和阐释又大大拓展了考古学研究的空间和角度。
    随着考古学的不断发展和自然科学技术的不断提高,越来越多的研究方法和手融合多学科优势解决考古学问题--以延庆大庄科矿冶遗址发掘为例刘乃涛段被引入到考古研究中来。考古学的研究越来越向着多学科综合科技研究的方向发展,一些重大的考古学问题的解决无一不需要多学科交叉综合研究。可以说,能否在考古学研究中有效地应用科技方法,已成为衡量考古学研究水平的重要标尺。
    出现这些新的变化是中国考古学自身发展和长期积累的结果,与现代科技的发展和西方考古学的影响有关,与文化遗产保护理念的深入存在着密切的联系。为了科学、准确地由遗存中获取更多的信息,田野考古在作业方面也提出一些新的要求。
    这种多学科合作的模式,在延庆大庄科矿冶遗址发掘中得到了比较好的体现,取得了一些研究成果。大庄科矿冶遗址群不是仅仅发掘了几座冶铁炉,而是发现了从采矿到冶炼的遗迹,并且找到了冶铁工匠工作、生活、居住的地方,遗址类型比较系统、丰富,取得了重要成果,填补了辽代冶铁史的空白,具有重要意义。
    大庄科矿冶遗址的研究模式为多单位、多学科自始至终联合开展,紧密结合,及时交流,共同推进。多位专家学者参与大庄科矿冶遗址发掘工作,涉及领域林林总总,研究课题包括年代学、自然环境、人类的生存活动以及生产行为等诸多方面。开展了考古学、历史学、文物保护、科技考古、冶金考古、环境考古、测绘技术、流体力学、现代科学分析技术、地质学、统计学、实验考古等工作。大庄科矿冶遗址考古工作积极开展多学科合作,融合多学科优势解决考古学问题。大庄科矿冶遗址是迄今为止,北京地区多学科研究介入比较多的一个遗址,是多学科合作模式的一个结晶,同时也是中国考古学学科发展的一个缩影。
    测绘在考古调查、勘探和发掘工作中是必不可少的一项流程,随着相关领域科学技术的发展,田野考古测绘工作也越来越精准和高效,不仅使考古资料更加充实和完善,为学术研究打下基础,同时也促进了田野考古的发展。新科技在田野考古测绘中应用的重要性显而易见。
    大庄科矿冶遗址位于燕山腹地,山区地形复杂。遗址分布面积广、遗迹分散。针对遗址的特点,采用深入调查、全面勘探、精确测绘、发掘为辅的工作思路,全面获取遗址信息。目的在于全面了解矿冶遗址的基本布局以及相关遗迹的分布及保存现状,为保护规划的制定提供翔实的资料。大庄科矿冶遗址考古工作注重引进先进的全站仪测量、实时动态测量(RTK)、航空摄影测量、三维激光扫描测量、考古遗址的三维虚拟复原等技术,在实际应用方面取得了较好效果。
    在考古工作中,采用现代测绘技术用于考古发掘现场的信息获取。测量结果显示,水泉沟冶铁遗址的选址非常典型,遗址中的4座冶铁炉沿着台地边沿排布。前面有出铁场所,背后有布料、整粒台地。台地逐级分布,高度级差与炉体高度相适应,适合上料等冶炼操作。前临溪水,取水便利。冶铁场两侧有小路,连通了河边、台地与背后的大路,便于运输。
    考古学要研究人类社会活动的时间、地点、环境方式、社会关系和精神内容等。考古学首先与时间有关,年代测定技术在考古学中占有重要的地位。地层学和类型学原理只能推知相对年代,不能确定绝对年代。地层在上的时代晚,在下的时代早。在一定时间、地域内出现的产品具有特定的可辨认的形态,形态相同,则时代相同或相近,形态不同则时代不同。大庄科矿冶遗址通过碳十四测年法测定了遗址所处的绝对年代。
    矿冶遗址群开采铁矿石的矿洞及部分露天采矿遗迹分布在山脚及半山坡范围内。采矿洞口清晰可见。榆木沟铁矿为致密块状磁铁矿,磁性很强。香屯矿山现存露天采矿遗迹一处,主要包括磁铁矿、赤铁矿及褐铁矿。东三岔铁矿矿体较长,在灰岩中呈团块状,储量较大。东王庄铁矿主要为磁铁矿、含锌磁铁矿。矿体是顺着裂隙侵入,洞内主要为大量的磁铁矿,部分矿物晶形较好。慈母川铁矿石以磁铁矿为主,黄铁矿、赤铁矿次之。
    矿山周边地形切割较为严重,地表径流排水较好,水流通畅,乡域水资源丰富。怀九河环绕于榆木沟、莲花山、香屯、东三岔、东王庄、汉家川、水泉沟等矿冶遗址周围,铁炉河环绕于慈母川、铁炉村等矿冶遗址周围。丰富的水资源不仅为矿石的运输提供便利,同时为冶炼过程中的用水以及矿冶管理机构、冶炼工匠的饮用水源提供了便利。
    采用孢粉分析法得知辽代文化层主要包含次生植被栗属 (Castanea)、蔷薇科( R o s a c e a e ) 及草本植物花粉蒿属( A r t e m i s i a ) 、禾本科(Gramineae)、百合科(Liliaceae)、豆科(Leguminosae)。孢粉分析说明,辽代大庄科地区存在大量栗树。这些栗树可为冶铁提供充足的燃料。
    钢铁的炼制过程中需要不断加热,维持极高的温度,冶铁业的燃料消耗数量极为巨大。炼制生铁、炒熟铁、锻钢等工艺过程均要消耗燃料。燃料的种类,硬木柴、煤炭与木炭皆可充任。虽然木柴、木炭皆可以在炼铁过程中应用,但木柴远不如木炭理想。木柴含碳量较低,燃烧不持久,木炭含碳量极高,可达87%-93%。同时,木炭通过加热处理之后,各种杂质含量大大降低,从而可以确保钢铁拥有较高的品质,所以在大庄科冶炼过程中更多使用木炭。
    冶炼技术可通过对矿石、炉渣、炉壁挂渣等冶炼遗物的分析进行综合判定,其中对炉渣的金属颗粒、物相组织和化学成分的科学分析,可较为准确地判定遗址的冶炼技术水平。通过金相组织观察、扫描电子显微镜观察和能谱仪化学成分分析(SEM-EDS),大庄科矿冶遗址群排出渣中残留金属颗粒均为铁颗粒并多呈圆滴状,炉渣基体为FeO-SiO2-CaO系的玻璃相硅酸盐,可判定遗址冶炼技术为生铁冶炼技术。矿石的物相成分分析(XRD)显示水泉沟所用的矿石主要为磁铁矿。湿法化学成分定量分析显示含铁量在40%-50%之间,品位中等偏下。矿石中含大量的镁、硅、钙类脉石,含有少量的锰、钒、钛等。而排出渣中含有大量的镁、钙,其不仅来源于矿石,而是添加了较多含钙的助熔剂的结果,如白云石等。水泉沟炉渣及金属颗粒中硫含量较低,认为主要使用了木炭作为燃料和还原剂。为研究大庄科冶铁炉的冶炼温度,将炉渣中各元素配氧做定性、半定量推测,水泉沟遗址炉渣中的玻璃相的软化温度大概在1300℃-1470℃区间。由于冶炼需要一定的过热度,实际的冶炼温度会高于以上推测的温度。
    汉代和唐宋时期是中国古代冶铁技术取得突破性进展的两个重要时期。炉型演变与鼓风技术、砌炉材料以及木炭强度的关系非常密切。宋辽时期冶铁炉的筑炉材料、鼓风技术发生了重大改变,衍生出多种炉型。唐宋时期,竖炉冶铁已经使用木扇、风箱等硬质封装鼓风器。此类鼓风器可承受更高气压,也能做得更大。采用水力或多人驱动,产生很高的风压和流量。
    采用活塞式结构,依靠活塞板往复运动鼓风,机械效率高于皮囊式鼓风器,鼓风性能大幅提升。这为提高炉体高度、扩大炉容提供了鼓风技术保障。由于受木炭材料耐压、耐磨等强度性能所限,炉料自身所能支撑的高度有限。中国古代主要是通过调整炉身曲线、增加炉壁对炉料的支撑力度来解决。此时期内,较早阶段仍使用夯土竖炉,纵向抗剪强度较低,夯土竖炉炉身角不能太大,炉身曲线变化有限。这种情况在唐宋交接之际发生了重大改变。
    鼓风技术是生铁冶炼技术的一个重要部分。鼓风设备对冶铁产量、效率有重大影响。古代冶铁技术的重大进步几乎都伴随着鼓风技术的改进。水泉沟冶铁遗址鼓风设备以宋元时期的鼓风技术为背景,进行复原研究。遗址中二号炉双鼓风口结构与木扇鼓风特征相符合,结合文献记载、档案以及现代遗物,复原了木扇实物,实测了木扇性能参数。
    冶炼生铁的关键之一是建立与燃料条件和操作制度相适应的炉型,以导引炉料、气流与热量合理运行及分布,追求"稳定、顺行、高产、低耗、长寿"等生产目标,获得最佳的冶炼效果。合理的炉型具有丰富的技术内涵和很高的应用价值,是竖炉冶铁技术乃至生铁及生铁制钢技术体系的核心技术之一。
    竖炉冶铁过程可概括为在尽量低能量消耗的前提下,通过受控的炉料及煤气流的逆向运动,高效地完成还原、造渣、传热及渣铁反应等过程,得到化学成分和温度较为理想的生铁,供下一步工序使用。冶铁竖炉内部过程非常复杂,各种物理变化和化学反应互相耦合,组成了一个巨大、复杂的系统。
    竖炉炉型为冶炼服务,但冶炼过程受到炉型与非炉型因素共同影响,造成炉型与工艺之间具有多层次关联。炉型对冶炼的影响首先体现在控制炉内物质和热量的分布与流动,进而与鼓风、装料、造渣等生产制度相配合,促进物质输运、温度分布、矿石还原等各环节的优化配置,最终实现生铁生产顺利、高效进行。
    炉型对冶炼过程影响的表现程度逐级淡化。竖炉内部处于高温、高压状态,无法直接观察。对渣铁产品采用实验室分析,如金相观察、电镜扫描和化学分析等,可以获得冶炼过程的部分信息,但不能反映炉型所起到的作用。新的方法出现以前,人们只能依靠长期冶铁实践经验和全套生产数据来分析炉型对冶炼的影响。
    现代冶金领域已经开始利用计算机技术模拟炉内冶炼状态,为生产提供辅助研究。大庄科矿冶遗址的炉型研究借鉴计算流体力学技术,使用FLUENT软件进行模拟分析。鉴于竖炉冶铁和其全状态模拟高度复杂,古代类型与现代高炉大不相同,生产过程标准化程度不高,也没有现成的数据可用,在此客观条件下,将遵循简单、合理、可信的原则,用模拟和比较来揭示各种炉型对气流场的影响。
    下一步,我们将仍然采用多学科合作模式,解决冶金遗物分析、遗址功能分区、冶铁生产管理、技术传播交流等一系列问题。
    多学科、跨领域的合作,使我们可以从考古发掘中获取更多的信息。就北京地区的考古学而言,多学科整合研究的广度和深度都还十分有限,我们还有很长的路要走。
    由于本人水平的局限和时间的仓促,不可避免地存在着谬误之处,敬请专家和同行批评指正,大家互相借鉴,取长补短。让我们共同努力,大家积极参与其中,融合多学科优势,把北京地区考古学研究推向一个新的高度。
    《北京文博》经历风风雨雨,走过20载春秋,可敬可贺。20年的辉煌历程,20年的丰收硕果,成效显著,厥功甚伟。祝愿《北京文博》在新的征程上再创辉煌。
    仅以此文纪念《北京文博》创刊20周年。

(作者为北京市文物研究所科技考古部主任)

地址:北京市东城区府学胡同36号 邮编:100007 | Address:No.36 FuxueHutong, Dongcheng District, Beijing, China. Post code:100007
值班电话(Tel):(86)010-6403.2023(办公室) 传真(Fax):(86)010-6407.4377
网站备案:京ICP05083570号 京公网安备11010102001441
推荐使用Internet Explorer 6.0 以上版本Web浏览器,1280*1024分辨率 浏览本站