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中国商代矿物资源利用的几个地球化学谜案

已有 3577 次阅读 2011-1-31 17:04 |系统分类:人文社科| 考古, 商代, 人文地球化学

 

中国夏、商时期已进入青铜时代,广泛利用了铜、锡、铅、金、银、玉石等地球资源。商代青铜器无论在冶炼制作技术上,还是在艺术造型上均达到了今人难于想象的高超水平。然而商代在资源利用上存在着许多难解或不解之谜。如殷墟、三星堆、金沙等遗址具有独特高放射成因铅同位素组成的青铜金属资源来源问题;甘肃黑河流域齐家文化冶炼遗址(早商)存在冶炼稀有金属的锶、铅同位素证据;云南剑川海门口遗址(新石器时代至商)非常轻质的无机纤维材料和“陶形器”是用什么矿物材料制作的?等等。人文科学与地球化学之间在许多领域正在杂交,形成新的学科生长点;科技考古中资源来源和输送路径的地球化学追踪是其中一个重要领域。

1、甘肃黑河流域商代冶炼遗址稀有金属资源利用谜案

甘肃地区已发现了许多新石器至商早期(称为齐家文化)青铜器的采冶遗址。 与遗址相近的北山白山堂铜矿也有古代采矿遗址,同时发现的青铜器几乎不含锡,因此这些冶炼遗址应用本地资源的可能性较大。

使人感到奇怪的是其中一个炼炉矿渣的87Sr/86Sr=3.846; 206Pb/204Pb59.081 207Pb/204Pb17.403208Pb/204Pb 40.940。显然这个遗址冶炼了具有极高Rb/Sr U/Pb比的矿石。根据铅同位素组成判断,这种矿石的成矿时代应在1.5-2亿年左右。按这一年龄计算,矿石的Rb/Sr 比在3000左右;m值(238U/204Pb)在1300左右。显然任何一种铜-铅锌-锡矿石,或者各类岩石都不可能同时具有这样高的Rb/Srm值。唯一的可能是含锂云母、锂辉石、铯榴石(高Rb/Sr比,富锂铷铯),锆石、细晶石(高U/Pb比),绿柱石(含铍)和铌钽铁矿的伟晶岩矿石。同时这类伟晶岩在西北地区仅产在新疆可可托海和哈密等地区。富锂铷铯---钽的伟晶岩是不含铜锡铅的。那么遗址是冶炼什么金属呢?

根据元素化学性质、现代冶金技术和古代需求分析,对古代人应用这一矿物资源的目的可以有以下猜想: (1)利用锂铷铯氧化物来增加青铜器色泽:金属铷氧化可产生一系列有颜色的氧化物,特别是亮黄色和兰色加到青铜器上能使色泽非常鲜艳,称铷兰青铜。(2)利用其中的鈹制成铍青铜:铍青铜是铜合金中性能最优良的弹性合金,具有良好的导热,导电,耐热,耐磨,耐腐蚀,无磁性,弹性滞后小,冲击时不产生火花等优点,是航空,航天,军工等领域不可替代的战略金属材料。这显然是古代制作兵器的好材料。(3)应用铌钽金属或铌钽酸盐:钽铌主要用作生产高强度合金钢、改善各种合金性能和制作超硬工具的添加剂。将铌钽加到青铜合金中同样可以改善青铜器的性能。 (4) 将伟晶岩矿料作为陶瓷釉料: 伟晶岩的主要矿物成分是长石,而长石是制作釉料的主要成分。加有稀有金属的釉料色泽则更美观。因此古人可能用熔炼这些矿料来做陶瓷釉料。为了防止铅污染,现代釉料制作从铅釉走向无铅釉,也是添加了稀有金属。

2、云南剑川海门口遗址凹凸棒石矿物资源利用之谜

凹凸棒石粘土非金属矿有千土之王”“万种用途之美称,广泛应用于食品、环保、农业、化工、医药等领域。从现代科技发展历史看,凹凸棒石虽发现于1862年,但国内外凹凸棒石被开发利用的历史只有三十年左右。然而考古发现表明,我国早商时期似乎已利用了凹凸棒石粘土。云南剑川海门口遗址(新石器时代至早商)发现有一种非常轻质的“陶形器”,显然不是用普通粘土烧制的。在四川商代金沙遗址也有这样的“陶形器”。在海门口遗址还发现大量灰白色,比重小于1的无机纤维状材料,原来就是凹凸棒石。遗址的周围并没有发现凹凸棒石粘土层,因此应是异地开挖来的。轻质的“陶形器”可能是凹凸棒石加焦炭粉烧制成的。

3、商代青铜器利用了什么铜矿物资源?

长期以来人们一直认为我国的中原文明早于周边地区。上世纪八十年代,发现了殷墟墓青铜器具有同一矿料来源的高放射成因铅特征,206Pb/204Pb变化在19-24208Pb/204Pb 变化在15.8-16.5; 208Pb/204Pb变化在40-45.2殷商青铜器的主成分是铜、锡、铅合金,铅含量达到1-30%,因此高放射成因铅同位素组成应反映了铅的矿料特征。这样的高放射成因铅在现代开采的铅矿床中极为少见。从地球化学角度看分析,中原地区(秦岭-大别一带)没有具殷商青铜器高放射成因铅特征的铅矿资源,也不存在锡资源,因此殷墟青铜器制作应是运用了异地资源。其后在江西新干大洋洲,湖北黄陂盘龙城等地也发现了具有同样特征的高放射成因铅商代青铜器,也不是本地资源所能解释的。

根据中国大陆铅同位素填图的资料,只有滇东北永善、鲁甸、巧家一带铅锌矿的铅同位素组成与殷商青铜器高放射成因铅有一定的可比性。同时云南地区存在丰富的铜、锡资源,因此提出了殷墟青铜器矿料来自云南的假说。上世纪九十年代发现了商代三星堆遗址和本世纪发现了金沙遗址。这两个遗址离滇东北则更近,遗址中青铜器的铅同位素测定表明与殷墟青铜器具有一样的高放射成因铅组成,表明为同一矿料来源。

地球化学的推测将巴蜀文化研究推向一个新高潮。夏商时代的古蜀王国,原来是一个拥有灿烂青铜文化的文明古国,它不但是中国西部长江上游的古代文明中心,而且是中国古代文明的重要起源地之一,是中国古代文明不可分割的一个重要组成部分 滇东北从永善,鲁甸至巧家东北走向穿越的堂狼山是一条自然铜矿带,它的西南端是东川铜矿( 古代也称堂琅铜矿)。滇东北高放射成因铅矿床也位于自然铜矿带上的牛栏江两岸和金沙江边,似乎巧合与运输通道。上代青铜器铜同位素组成与自然铜一致(d65Cu0.1-0.3左右),区别于铜硫化物和氧化铜矿物。古代采冶遗址也沿上述成矿带分布。巧家、鲁甸与永善县境内古代采冶遗址分布相当普遍。鲁甸新石器时代晚期已进入到铜、石器并用时代。 金沙铅锌古矿冶遗址与先秦、殷商时期青铜文化密切相关。先民沿堂狼山开采铜矿与铅锌矿并通过牛栏江、金沙江和氓江运往成都平原,参与创造了辉煌灿烂的三星堆青铜文明,其中一部分经成都平原进入商王朝统治的中原,参与创造了殷商灿烂青铜文明。



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