金山嶺長城出土明代火藥的成分和功能分析

王春艷 單迎紅

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子系，承德 067000；2.河北省灤平縣博物館，灤平 068250)

金山嶺長城出土明代火藥的成分和功能分析

王春艷1單迎紅2

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子系，承德 067000；2.河北省灤平縣博物館，灤平 068250)

火藥是中國四大發(fā)明之一，對(duì)世界文明的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。但由于古代火藥存留至今的非常罕見，所以學(xué)界對(duì)古代火藥的研究主要集中在對(duì)文獻(xiàn)的整理和分析上。本文以河北金山嶺長城出土的明代火藥樣本為研究對(duì)象，檢測(cè)火藥的成分，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)其所屬的石雷功用提出看法。

明代火藥 成分 分析

1 中國古代火藥配比和功用

眾所周知，火藥是中國的四大發(fā)明之一。不同的史料記載火藥最早起源的時(shí)間各有不同，但可以肯定的是，從唐代晚期以來，火藥才逐漸被應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)。宋代時(shí)期，火藥武器在中國進(jìn)一步發(fā)展，形形色色通過火藥做助推或爆炸的火器被應(yīng)用到戰(zhàn)爭(zhēng)中，并在宋元之際被傳到阿拉伯乃至歐洲，推進(jìn)了世界歷史的進(jìn)程。

火藥在中國從萌芽到推廣經(jīng)歷了相當(dāng)長的時(shí)間，早在漢代的《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有對(duì)硝石、硫磺等物質(zhì)化合性能的認(rèn)識(shí)。比較明確記載火藥配方的有唐代晚期煉丹家清虛子在其所著《鉛汞甲辰至寶集成》中所提及的“伏火礬法”，這是用硝石、硫磺、碳化的馬兜鈴組合的煉丹方[1]，已經(jīng)比較接近火藥的配比，因而被認(rèn)為是最早制備火藥的記載。宋人孟要甫的《諸家神品丹法》卷五中記載了“伏火硫黃法”[2]的一種煉丹方，也是這三種物質(zhì)的組合，只不過用碳化的皂角代替馬兜鈴。

宋代火藥制造日益成熟，北宋第一部官修軍事著作《武經(jīng)總要》一書中出現(xiàn)了三種詳細(xì)的火藥配方，包括火球用火藥([3]，622頁)、蒺藜火球用火藥([3]，635頁)、毒藥煙球用火藥的詳細(xì)配方([3]，623頁)，用不同的添加劑，達(dá)到或燃燒、或爆炸、或放出毒煙霧等目的。

明代出現(xiàn)了各種兵書，如《武備志》[4]《火龍經(jīng)》《火龍神器藥法篇》[5]，還有新近發(fā)現(xiàn)的《克敵武略熒惑神機(jī)》[6]等等，其中記載的火藥配方就達(dá)幾十種之多，且功效各不相同。比如有信藥方、大炮藥方、起火藥方、爆火藥方、噴火藥方、炮火藥方、火毬藥方、噴筒藥方、煙火藥方、銃藥方、藥線方。在這些火藥配方中，按照其不同的功效，硝、硫磺、木炭的組成比有相應(yīng)的變化。戚繼光《紀(jì)效新書》(1548)對(duì)火藥的配方有詳細(xì)記載，其中制合烏銑藥方含硝酸鉀75.8%、硫10.6%、碳13.6%[7]，與現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)軍用火藥無異[8]。另外有特殊功用的毒火藥，添加了各種礦物、植物類的有毒成分，可以增加對(duì)傷口的附加傷害，用以增大殺傷力，分別應(yīng)用于各種戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)合。

目前為止，對(duì)古代火藥的研究進(jìn)行了多年，主要集中在兩個(gè)角度，一是從文獻(xiàn)角度對(duì)火藥配方的體系進(jìn)行了梳理和闡述[9]，二是模擬實(shí)驗(yàn)角度，比如對(duì)古代火藥配方——最早的記載見葛洪《抱樸子》[10]和宋代孟要甫《 諸家神品丹法 》中用伏火硫黃法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[11]，分析早期火藥配方和性能。還有對(duì)明代特殊功用的火藥如神火藥方(偷營劫寨)、毒火藥方(沖鋒破陣)、烈火藥方(燒營寨焚人馬)進(jìn)行模擬制造，并爆炸燃燒測(cè)驗(yàn)其功能[12]。但由于古代火藥的實(shí)物出土極少，其成分配比情況如何，基本無人研究過。而河北灤平縣金山嶺長城明代石雷出土的一定量火藥，對(duì)其成分進(jìn)行檢測(cè)研究，將填補(bǔ)這一學(xué)術(shù)空白。

2 明代火藥樣品成分檢測(cè)及分析

圖1 明代石雷

金山嶺長城位于河北省北部灤平縣境內(nèi)，興建于明代隆慶年間(1567)，一直沿用到崇禎末年。1982年，文物工作者在幾個(gè)敵樓進(jìn)行考古探查，清理出一批明代守邊士兵遺留下的文物，包括武器類的鐵炮、石雷、箭頭、鐵彈丸等；還有生活用品如石臼、瓷燈、瓷碗、石杵、錢幣、陶罐等。金山嶺長城出土的石雷數(shù)量非常多，有上百個(gè)，分為兩種：一種呈正圓形，直徑25厘米，絕大多數(shù)為實(shí)心，做礌石之用途；另外一種石雷呈鼓形，大小不一，中間鑿空，內(nèi)裝火藥，并用黃泥封口。出土火藥的石雷通高25cm、腹徑20cm、頂面徑15cm、底徑14cm、孔深12cm、孔徑5cm，重量為14kg，材質(zhì)為當(dāng)?shù)氐幕◢弾r石質(zhì)，見圖1、圖2。石雷里面裝有一斤多明代火藥(編號(hào)：Lb3391 Z288)，出土后仍能點(diǎn)燃并發(fā)出咝咝的響聲(圖3)。

此類裝有火藥的石雷從其外觀和形制推測(cè)應(yīng)該屬于守城的爆炸性武器。《克敵武略熒惑神機(jī)》(卷九)中記載有一種“防城石”：“用粗石不拘大小，其中鏨空，旁鏨一小眼安藥線，內(nèi)裝火藥用石塞緊，散于城下，線牽城上，敵人近城，火至石碎擊人?！?[6]，53頁)這種“防城石”和此類石雷功能大致類似，只不過石雷外表經(jīng)過整修，基本都成圓鼓狀，應(yīng)該是為了滾動(dòng)，與“防城石”不盡相同，但是推測(cè)其爆炸的功效是類似的。

圖2 明代石雷上的火藥腔

圖3 明代火藥

把出土的火藥經(jīng)過均勻攪拌后取樣，使用Thermo Scientific FLASH 2000 CHNS/O 元素分析儀，選用高純度氦氣為載體氣體，選用CHNS測(cè)定模式，火藥樣品在錫囊中稱量質(zhì)量后，放在燃燒管中，在純氧的氛圍下燃燒。燃燒后，把其中的有機(jī)元素的氧化產(chǎn)物二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)、二氧化氮(NO2)等通過氣相色譜柱進(jìn)行氣體分離，再導(dǎo)入TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器。測(cè)定出樣品完全燃燒后生成氣態(tài)產(chǎn)物的質(zhì)量，并根據(jù)樣品原有質(zhì)量進(jìn)行換算，最終可求出樣品中氮(N)、硫(S)、碳(C)等物質(zhì)的百分含量。

檢測(cè)結(jié)果表明樣品中和火藥組分有關(guān)元素的質(zhì)量百分比為——氮元素：0.4%；硫元素：0.937%；碳元素：40.7%；其它無機(jī)類氧化物占57.96%，系埋藏混入的雜質(zhì)?；鹚幍某煞謩t主要是硝石(KNO3)、硫磺(S)和木炭(C)，所以樣品中氮元素來源于硝酸鉀，硫元素來自硫磺，碳元素則來自于木炭，去除雜質(zhì)后經(jīng)過化學(xué)式折算可知?dú)埩艋鹚幹腥N組分的質(zhì)量百分比為：硝石6.5%，硫磺2.1%，碳91.4%。

這一比例基本不符合常規(guī)火藥成分配比。一般來說，火藥中含量最大的就是硝石(硝酸鉀)，例如戚繼光記載的火銃所用火藥配方就是硝石75.8%、硫10.6%、碳13.6%。此火藥中硝酸鉀這么少是可以解釋的。因?yàn)橄跛徕浺兹苡谒?，在這近400年的時(shí)間內(nèi)，石雷經(jīng)歷過多次進(jìn)水，那么易溶的硝酸鉀很容易流失。內(nèi)蒙古出土的元代火藥檢測(cè)后硝酸鉀含量也是微量。但是硫磺不溶于水，而且常溫下很難化合，所以其含量應(yīng)該是最初狀態(tài)?？v觀從宋代到明代幾十種火藥配方，無論哪一種，其中硝酸鉀的含量都是遠(yuǎn)大于木炭的，因此，如果把硝酸鉀質(zhì)量恢復(fù)到原來正常水平，那么硫磺的重量比必然更為降低，不到1.0%左右，可以說，這種火藥中硫的含量非常少。硫磺含量少意味著什么呢？這要從不同硝硫配比的火藥性能說起。

明代諸多火器書，如《火龍經(jīng)》《克敵武略熒惑神機(jī)》中都對(duì)硝石和硫磺在火藥中的功能給予了介紹，敘述基本相同：

硝性主直，直發(fā)者以硝為主。

硫性主橫，橫發(fā)者以硫?yàn)橹鳌?/p>

灰性主火，火各不同以灰為主有箬灰柳灰杉灰樺灰葫蘆灰之異。

性直者主遠(yuǎn)擊硝九而硫一，性橫者主爆擊硝七而硫三。([6]，5頁)

其中的“直”指的是噴射，“橫”指的是爆炸?！靶灾闭咧鬟h(yuǎn)擊，硝九而磺一”，也就是說，以噴射為目的的火藥，硝硫含量比為9∶1，而以爆炸為目的的火藥，硝硫含量比為7∶3。這也和現(xiàn)代火藥爆炸理論接近。

因此在古代火藥配方中，凡是體現(xiàn)噴射功能的火藥，硝硫含量比較高，凡是體現(xiàn)爆炸功能的火藥，硝硫含量比要降低很多。比如《火龍經(jīng)》中的大炮藥方是“硝火一兩，硫火一錢，杉炭一錢七分”([9]，161頁)，硝硫含量比為10∶1；火炮藥方是“硝火一兩，硫火一錢，炭七錢，斑蝥一錢二分”([9]，161頁)，硝硫含量比為10∶1?！犊藬澄渎詿苫笊駲C(jī)》中的銃藥方為“凈硝一斤，硫黃一兩”([6]，65頁)，硝硫含量比為10∶1；噴筒藥方是“凈硝一斤，硫黃八錢”([6]，64頁)，硝硫比達(dá)12.5∶1；朝天銃藥方是“凈硝一斤，硫黃五錢”([6]，65頁)，硝硫比達(dá)20∶1?！痘瘕埥?jīng)》中記載的“流星發(fā)藥方”：“硝火十兩，流炭一兩五錢，火酒碾拌極細(xì)”([9]，161頁)，還有《火龍神器陣法》中的“起火藥方”：“硝一兩，炭九錢”([5]，30頁)，都屬于無硫火藥的范疇?？梢钥闯龇彩求w現(xiàn)噴射功效的火藥，硫的含量非常低，有的甚至不含硫。而爆炸類火藥中硫磺含量明顯變高，例如《克敵武略熒惑神機(jī)》中提到“轟天霹靂猛火炮”([6]，38頁)，是一種投擲到敵營中的罐形鐵殼炸彈，其火藥配方中有“硝一斤，磺八兩”([6]，52頁)，硝硫比為5∶4，還有功能近似地雷的荔枝炮其配方為“焰硝一斤硫黃四兩”([6]，50頁)，硝硫比為5∶2。

從目前國內(nèi)一共出土的為數(shù)不多的火藥樣本來看，火藥中的硝石基本都溶解殆盡，而木炭和硫磺則保留穩(wěn)定，因此完全可以根據(jù)木炭和硫磺的含量來推測(cè)大致的硝硫比。金山嶺長城出土的明代火藥，出土于石雷之中，考古工作者們很自然地推測(cè)其為一種爆炸性武器，類似于現(xiàn)代的炸彈。但是從檢測(cè)結(jié)果來看，其中火藥中硫的含量很少，硝硫比非常低，按照前述，這種火藥功能更為可能是作為噴射之用，而非爆炸之用。

3 結(jié)論

借助科技手段對(duì)明代火藥進(jìn)行科技檢測(cè)，這是科技考古以前所做不到的。這種科技檢測(cè)為火藥遺存和古代文獻(xiàn)之間架接了一個(gè)認(rèn)知的橋梁。

利用科技手段檢測(cè)也面臨一些局限。本研究嘗試剔除一些影響因素，比如保存條件的限制，水分浸染造成的成分流失等，這是使用科技手段要解決的問題。通過實(shí)驗(yàn)分析可以看出，金山嶺長城出土的明代晚期石雷內(nèi)填充的火藥，其功能以噴射為主，爆炸性不強(qiáng)。這一情況似乎并不符合常理上的推測(cè)，以往一般認(rèn)為石雷是爆炸所用，但是考古研究必須要以事實(shí)為基礎(chǔ)，不應(yīng)按照我們認(rèn)為的常理來否定已經(jīng)發(fā)生的史實(shí)。為什么在通常被認(rèn)為是炸彈的石雷中出現(xiàn)噴射性質(zhì)的火藥？有待進(jìn)一步深入研究。

近年來，在河北山海關(guān)、北京懷柔等明長城遺址上又發(fā)現(xiàn)相當(dāng)多的石雷，并同時(shí)發(fā)現(xiàn)殘留的明代火藥。隨著這些考古新發(fā)現(xiàn)，可以繼續(xù)開展對(duì)火藥成分科技分析的工作，這項(xiàng)工作的進(jìn)展將會(huì)更加準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)明代火藥的成分，進(jìn)而幫助我們了解石雷之功用和長城城防中的效用，最終促進(jìn)對(duì)明代火藥火器諸多問題的研究。

致 謝 本文的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到中國科學(xué)院大學(xué)科技考古系楊益民教授的熱心指導(dǎo)和幫助，特此致謝!

1 (唐)清虛子. 鉛汞甲辰至寶集成·卷二[A]. 道藏[M]. 第595冊(cè).

2 (宋)孟要甫. 諸家神品丹法·卷五[A]. 道藏[M].第594冊(cè).

3 (宋)曾公亮. 武經(jīng)總要(前集卷十二) [M].

4 (明)茅元儀. 武備志[M].臺(tái)北: 華世出版社.1985.

5 (清)佚名. 火龍神器藥法篇[M]. 清抄本.中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所館藏.

6 (明)佚名. 克敵武略熒惑神機(jī)[M].明抄本.浙江博物館館藏.

7 (明)戚繼光. 紀(jì)效新書[M](手足篇第三).北京: 中華書局, 2001. 58.

8 丁儆.古代火藥技術(shù)簡(jiǎn)史[J]. 爆炸與沖擊. 1983,(4): 7.

9 孟乃昌. 中國火藥的理論體系[J]. 自然科學(xué)史研究. 1991,(2): 157—164.

10 趙匡華, 駱萌.關(guān)于我國古代取得單質(zhì)砷的進(jìn)一步確證和實(shí)驗(yàn)研究[J].自然科學(xué)史研究, 1984,(2): 105.

11 孟乃昌, 呂躍成. 中國煉丹術(shù)伏硫黃、硝石、袍砂諸法的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 自然科學(xué)史研究, 1984,(2) : 113.

12 徐新照. 明代火藥多成分配方的研究[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2001,(2):62—66.

Analysis on the Composition and Function of Powder in the Ming Dynasty in Jinshanling Great Wall

WANG Chunyan1， SHAN Yinghong2

(1.ElectricalandelectronicDepartment，ChengdePetroleumCollege，Chengde067000，China; 2.LuanpingCountyMuseum，Luanping068250，China)

As one of China’s four great inventions， the gunpowder had promoted the development of the world’s civilization. However， due to the ancient gunpowder remains very rare， the study of ancient gunpowder mainly focused on analysis about literature. The paper focused on the powder samples of Ming Dynasty， which unearthed in Jinshanling Great Wall of Hebei Province， tested and analyzed its composition， and gave some opinions on the function of the weapons with the powder.

Ming Dynasty powder， ingredient, analysis

2017- 00- 00；

2017- 00- 00

王春艷，1977年生，河北灤平人，承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子系講師，研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)。單迎紅，1979年生，河北灤平人，河北省灤平縣博物館副館長，研究方向?yàn)槲奈锟脊排c博物館陳列。

N092

A

1673- 1441(2017)02- 0198- 05