中國古代的高溫技術與發(fā)明人工冶銅

供稿|毛衛(wèi)民，李一鳴，王開平

內容導讀

幾十萬年前中華文明地區(qū)就掌握了人工制造火、控制火并保留火種的能力，成為發(fā)展早期高溫燒制陶器的技術基礎。通過捶打在周邊環(huán)境中撿拾到的自然銅，人類逐漸掌握了變形加工以制作銅器的能力。相對于環(huán)地中海地區(qū)，新石器末期中國各地燒制陶器所使用的高溫加熱技術逐漸呈現(xiàn)出一定領先優(yōu)勢，不僅為發(fā)明人工冶銅并順利進入銅器時代提供了高溫技術支撐；而且隨后基于領先于全世界的高溫技術，率先發(fā)明了需1200 ℃以上加熱才能制作出來的瓷器，為人工冶銅技術的出現(xiàn)奠定了堅實的高溫基礎。早期銅器的化學成分主要取決于所獲得銅礦石的天然成分，高溫冶銅則有利于促使銅器化學成分的均勻化。

引言

考古研究顯示[1]，一百多萬年之前世界各地向現(xiàn)代人類轉變過程中的直立人已經(jīng)開始使用火。例如在中國，距今約180 萬年前的山西西侯度、約170 萬年前的云南元謀、約90 萬年前的陜西藍田等都發(fā)現(xiàn)了早期人類使用火的痕跡，但尚不能確定當時人類所能使用的是人工制造的火還是天然的火。在國內外獲得了較多認可的考古研究已基本證實，最早掌握人工制造火、控制火并保留火種的直立人是距今約70 萬至30 萬年前生活在北京周口店等地的直立人[1]。隨后，世界各地的人類族群使用火的行為越來越普及，人類用火烘烤食物、取暖、照明、驅趕猛獸等，并因而不斷地增強了在嚴酷自然環(huán)境中的生存能力。

在使用火的過程中人類逐漸發(fā)現(xiàn)，在壘砌爐灶中用火可以更高效、更高質量地烘烤食物；同時，隨著人類使用火的能力越來越嫻熟，爐灶中火的溫度也越來越高。在經(jīng)常使用爐灶的過程中可以體會到，長時間的用火可使爐灶中的爐壁變成比較堅硬的燒土（圖1），水與土混合成泥并經(jīng)過爐灶燒烤后會變硬，提高溫度和延長時間都可進一步提高燒制物的堅硬程度。如果事先把混合而成的泥預制成特定的形狀，該形狀在燒制后可以永久性地保留下來，這一過程就是制作陶器的過程。陶器不屬于自然界中存在的物質，而是由人類發(fā)明的一種新的器具或工具。距今一萬多年前，世界各地的人類先后發(fā)現(xiàn)了制作陶器的方法。開始大量使用陶器是人類社會擺脫舊石器時代、進入新石器時代的一個重要標志，自此人類社會開始了野蠻時代[2]。熟練使用火的能力以及用火所能達到的溫度是實現(xiàn)人工冶銅過程的關鍵性基礎之一，對人類社會進入后續(xù)的銅器時代和文明時代，以及對所形成文明的特征都會產(chǎn)生重要的影響[3]。

圖1 距今200 萬年至20 萬年期間北京周口店遺址持續(xù)在爐灶中用火留下的燒土（中國國家博物館）

人工冶銅技術的發(fā)現(xiàn)

銅是一種比較惰性的金屬，當自然界中的銅礦石遇到氫氣、天然氣、沼氣等還原性氣體的長期吹襲或接觸到對銅呈還原性的液體時就會逐步地轉變成疏松狀態(tài)的紅銅[4]，稱為自然銅（圖2）。在自然界中所有大、小銅礦區(qū)都可能生成一定比例的自然銅[5]。在舊石器時代，人類借助摔、打、敲、砸、捶擊、碰撞、研磨等方式加工自然界中的石料以改變其外形，使之轉變成所需的形狀，用作各種石質工具；捶打加工成為了早期人類改變石料形狀的加工手段。當人類在所生存的環(huán)境中撿拾到自然銅后很快就會發(fā)現(xiàn)，捶打加工可以簡便而直接地使自然銅塊變形，并加工成所需的形狀，進而制成性能優(yōu)良的銅質工具，且加工和使用銅工具的便捷程度遠高于石質工具[6]。因此，人類在發(fā)明人工冶銅技術之前已經(jīng)掌握了銅器的一些變形加工技術，并開始使用自然銅制作的銅器[5]。

圖2 自然界中存在的自然銅塊（安徽省地質博物館）

人類何時掌握把自然界中的銅礦石轉變成金屬銅的技術（即發(fā)現(xiàn)人工冶銅技術），存在著偶然性和難度。但總體上看，當人類嫻熟地掌握了燒制陶器的高溫技術以及借助捶打變形來加工自然銅的技術后，發(fā)明人工冶銅技術就不再是十分困難的事了。惰性較強的銅金屬以各種化合物的形式隱藏在各種銅礦石中，并可以在還原性氣氛下轉變成金屬銅。用柴草、煤、焦炭等可燃物加熱，可以產(chǎn)生還原性的活性炭或煤氣，并把置于其內的銅礦石轉變成金屬銅。在比較容易接觸到銅礦石的地區(qū)，制作燒陶窯爐的爐壁、爐底等部位的石料中難免會混入銅礦石。在長期燒制陶器的過程中，混入的銅礦石會自動地被還原成疏松的銅塊，并因不再適合繼續(xù)用于窯爐內的爐壁或爐底而被替換出來。能接觸到銅礦石的人類族群就可以接觸到自然銅，并掌握變形加工自然銅的經(jīng)驗；因此，自然會想到用替換出來的疏松銅塊去制作銅器，進而發(fā)展出：燒烤銅礦石、捶打還原出來的銅塊、制成所需形狀等系統(tǒng)性人工冶銅技術。

若想快速地把銅礦石轉變成金屬銅，就需要提高窯爐的加熱溫度，溫度越高，轉變速度越快。如果炭火的溫度達到800 °C，一些類型的銅礦石就會較快地經(jīng)加熱而轉變成海綿狀疏松的銅塊[7]，這一過程即是人類最早發(fā)明的低溫人工冶銅技術。借助低溫人工冶銅技術所制作銅器的尺寸往往受限于單塊銅礦石的尺寸，因此這種技術也被稱為塊煉銅技術；只有把多件低溫冶煉而成的銅塊借助諸如后續(xù)鍛打的方式拼接在一起[8]，才能制作出大尺寸的拼接銅器。純銅的熔點約為1083 °C，青銅的熔點可低至950 °C、甚至更低。如果人類所掌握的加熱溫度可達到或高于1000 °C，則所加熱的銅礦石可能會直接轉變成液體的銅（圖3）[9]；這是借助鑄造過程制作銅器的前提，這個制作過程即是高溫人工冶銅技術。高溫人工冶銅技術可以把源自眾多銅礦石塊熔煉而來的液態(tài)銅直接混合在一起，因而能輕易地制作出尺寸巨大的單件銅器，例如商代單件超過800 kg 的后母戊鼎（中國國家博物館）。

圖3 西周時期經(jīng)高溫人工冶銅過程熔化并凝固后的扁銅錠（中國青銅器博物院）

借助低溫人工冶銅技術可以直接加工多種類型的銅礦石，并制作成各種銅器。但有些類型的銅礦石通常需要利用高溫人工冶銅技術才能制作成銅器。另外，在使用某特定類型的銅礦石時，即便冶銅過程并未出現(xiàn)液態(tài)的銅，也需要在較高的溫度下才能制作出所需的銅器。

古代中國社會高溫技術的水平

早期人類所使用的燒陶溫度能夠達到800 °C 時就有可能發(fā)明低溫人工冶銅技術，當加熱溫度達到或高于1000 °C 時就有能力發(fā)展高溫人工冶銅技術；而且較高的冶銅溫度更有利于高效率地制作優(yōu)質的銅器。因此，人類所能實現(xiàn)的高溫技術對于推動人類社會發(fā)明人工冶銅技術以及因普及銅器的使用而盡早進入銅器時代等都發(fā)揮著重要的作用。

分析在新石器時代中、晚期眾多遺址中出土的陶器斷口及其化學結構，可以推斷出當時所能實現(xiàn)的燒陶溫度。例如，對河北武安磁山的砂質陶、遼寧旅順郭家村的紅陶、湖北枝江關廟山的紅陶、福建閩侯曇石山（下層）的細砂灰陶、青海樂都柳灣的夾砂紅陶、廣東曲江石峽的灰陶等地陶器的分析結果顯示，在新石器時代中、晚期這些地區(qū)的燒陶溫度都已經(jīng)達到或超過了1000 °C。表1 歸納了對新石器時代中晚期、中華文明萌生之前中國一些地方燒陶溫度的分析研究結果；總體上看，在中華文明區(qū)的甘肅、青海、山東、河北、河南、湖北、廣東、浙江、福建、內蒙古、遼寧等地的燒陶溫度均已經(jīng)達到或超過1000 °C[7,10]。

表1 對新石器時代中晚期中國各地燒陶溫度的分析研究

與表1 所示中華文明區(qū)的燒陶溫度對比，環(huán)地中海的南歐、西亞、北非等一些地區(qū)相應時期的燒陶溫度就顯得比較有限。一些文獻報道了對新石器石器晚期至銅器時期早期環(huán)地中海一些地區(qū)燒陶溫度的分析與研究。公元前5500 至前4900 年期間南歐地區(qū)克羅地亞的燒陶溫度在800～900 °C 范圍[11]，公元前5200 至前4100 年期間北非地區(qū)摩洛哥的燒陶 溫 度 多 數(shù) 在800～900 °C 范 圍，個 別 可 達950～1000 °C[12]，公元前4500 至前4050 年期間東南歐地區(qū)羅馬尼亞的燒陶溫度約為900 °C[13]，公元前3600 至前3500 年期間西亞地區(qū)敘利亞的燒陶溫度則仍低于900 °C[14]。

由此可見，與南歐、西亞、北非一些地區(qū)的燒陶溫度相比較，新石器時代中晚期中國各地在燒制陶器的高溫技術方面具備一定的優(yōu)勢，至少不遜色于環(huán)地中海各地的高溫技術。

傳統(tǒng)高溫技術的明顯優(yōu)勢

古代中國長期的燒陶實踐經(jīng)驗使人們總結出，適當?shù)倪x擇制陶所用的粘土原料和提高燒陶溫度后，可明顯提高所燒制陶器的硬度；因而在約公元前1300 年的商代制作出了印紋硬陶（圖4(a)）[9]；制作硬陶需要提高燒陶溫度，使其盡可能達到當時已可實現(xiàn)的1200 °C[10]。

圖4 中國早期高溫技術領先世界的優(yōu)勢所支撐的瓷器演變：(a)商代印文硬陶束頸罐（浙江省博物館）；(b)商代原始青瓷高足盤（重慶三峽博物館）；(c) 東漢青瓷罐（重慶三峽博物館）；(d)明代纏枝花卉紋折沿瓷盆（重慶三峽博物館）

當時人們所積累的經(jīng)驗顯示，選擇某些原料可以使燒成的陶器變白；如今已經(jīng)知道，原料中氧化鋁的含量越高及氧化鐵的含量越低則燒成的陶器越白。另一方面，燒制的溫度越高、陶器也越白。當燒成溫度超過1200 °C，斷口基本呈現(xiàn)白色，所制成的燒成器即變成了瓷器[7]。約公元前1300 年中國出現(xiàn)了瓷器的萌芽制品，即原始瓷（圖4(b)），東漢時期的青瓷制品反映出中國的瓷器制作技術已逐漸成熟（圖4(c)），到明清時期中的瓷器水平達到了頂峰（圖4(d)）。西文用“china”表示“瓷器”，這一詞隨后也成為了“中國”，即“China”，說明全世界公認瓷器是由中國發(fā)明。而制作瓷器所必須達到1200 °C 的高溫表明，新石器時期末期中國在高溫技術方面必然具有領先世界的明顯優(yōu)勢，進而成為了率先發(fā)明瓷器的基礎。

中國早期人工冶銅制作銅器的成分

約公元前3000 年以及更早時期中國各地已經(jīng)出現(xiàn)了多種借助人工冶銅技術制作的銅器，包括由純銅制成的紅銅器、以含適量鎳為主的白銅器、以含適量鋅為主的黃銅器、以含適量錫為主的錫青銅器和以含適量砷為主的砷銅器等[4]。然而，在5000 多年之前的遠古時代，全世界各地的人類均尚未獲得關于銅器化學成分的知識，也不掌握控制銅器成分的技能；因此所制作出不同化學成分的各種銅器很可能主要源于當時所獲得的天然銅礦石在化學成分上存在的差異[4]。

孔雀石（圖5(a)）是碳酸銅類的銅礦石[15]，借助低溫人工冶銅技術即可把孔雀石制作成紅銅器。鋅銅礦以含銅為主，同時也含有較多的鋅[16]，如圖5(b)所示的綠銅鋅礦石，人工冶煉鋅銅礦就可制作出黃銅器。銅鎳礦會同時含有較多的銅和鎳[17]，如圖5(c)所示的銅鎳硫化物礦，人工冶煉銅鎳礦就可制作出白銅器。許多銅礦石中會含有較多的砷[18]，如圖5(d)所示的硫砷銅礦，人工冶煉這類礦石就可制作出砷銅器。在一些銅礦石中，錫也經(jīng)常是除了銅以外的重要金屬元素[19]，因而經(jīng)人工冶煉可制成錫青銅器。

圖5 早期人工冶銅過程可能會使用到的各種銅礦石：(a)孔雀石（中國地質博物館）；(b)綠鋅銅礦（中國地質博物館）；(c)銅鎳硫化物礦（中國地質大學逸夫博物館）；(d)硫砷銅礦（中國地質博物館）

如上所述，遠古人類使用就近獲得的礦石可以直接冶煉出銅器，而今天的考古發(fā)掘發(fā)現(xiàn)它們分屬于化學成分不同的各種銅合金。但是當時并不存在精確控制銅器化學成分的人工冶銅技術，銅器化學成分的差異主要取決于偶然所獲得礦石的天然成分。如果所制作的銅器不屬于紅銅而是銅合金時[4]，就會涉及到不同合金元素在所制作銅器各部位的分布是否均勻的問題。一般來說，很難確保天然礦石中各種合金元素的分布是均勻的，而均勻分布的化學成分往往是確保所制成銅器呈現(xiàn)良好使用性能的前提。銅器中不均勻分布的各種元素有在高溫條件下借助擴散過程而自發(fā)均勻化分布的傾向，因此提高人工冶銅溫度有利于獲得成分均勻分布的銅器；即便是始終在未熔化的狀態(tài)下實施人工冶銅，偏高的溫度也有利于促使所制作銅器成分的更均勻分布。

結束語

新石器時代不斷地燒制陶器使得人類使用火的能力日臻嫻熟，陶窯的爐溫也越來越高。到新石器時代末期，中國各地陶窯的爐溫普遍達到了1000 °C或更高的溫度。較高的窯爐溫度不僅提高了所燒制陶器的質量，而且也有助于發(fā)明低溫人工冶銅技術，并為發(fā)展高溫人工冶銅技術創(chuàng)造了條件。商周時期當窯爐溫度可達到1200 °C 以上時就率先燒制出了原始瓷器，表明中國當時的高溫技術領先于全世界。因此中國很早就具備了發(fā)明人工冶銅技術的高溫加熱能力。公元前3000 年及之前，中國人工冶銅所制作銅器的化學成分主要依賴于所獲得銅礦石的天然化學成分，且較高的冶銅溫度也有利于使銅器獲得均勻分布的化學成分和良好的使用性能。