泥河灣盆地火山角礫巖原料的熱處理實(shí)驗(yàn)

仝廣 李鋒 趙海龍 閆曉蒙 高星

關(guān)鍵詞：舊石器時(shí)代晚期；泥河灣盆地；熱處理；細(xì)石葉；實(shí)驗(yàn)考古學(xué)

1引言

舊石器時(shí)代晚期，大量細(xì)石器遺存在泥河灣盆地被發(fā)現(xiàn)，其中以兩面器、楔形細(xì)石核最具特色。長久以來，學(xué)者們圍繞相關(guān)發(fā)現(xiàn)展開了大量研究，從剝片序列、文化面貌、人類行為、環(huán)境適應(yīng)及生計(jì)活動(dòng)等視角進(jìn)行了詳細(xì)、全面的解析，明確了以兩面器技術(shù)為基礎(chǔ)的細(xì)石葉技術(shù)在泥河灣盆地出現(xiàn)的年代和分布范圍[1-3]。然而，仍有許多問題懸而未決，細(xì)石核的原料問題便是其中之一。以采集自遺址附近的河床或盆地內(nèi)基巖中的同類巖石為石料開展的打制實(shí)驗(yàn)表明，天然狀態(tài)的石料難以支撐精致的修型和連續(xù)的細(xì)石葉壓剝，但泥河灣盆地的細(xì)石器組合中有許多使用優(yōu)質(zhì)火山角礫巖制作精美的楔形細(xì)石核的破裂面細(xì)膩光滑，有油脂性光澤。這種反差現(xiàn)象和石制品的表面特征，暗示遺址中的石料很可能經(jīng)過了熱處理。

熱處理是古人類通過改變加熱改變石料物理性質(zhì)，提高剝片性能的行為。目前已知最早的熱處理石制品出現(xiàn)于南非PinnaclePoint遺址[4]，年代為距今164ka。我國水洞溝遺址第2和第12地點(diǎn)也有過相關(guān)報(bào)道[5]。除此之外，實(shí)驗(yàn)考古學(xué)表明熱處理有效地提高細(xì)石葉技術(shù)的生產(chǎn)效率[6]。因此泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期的古人類是否采用了熱處理方法對石料進(jìn)行改造這一問題亟需研究。

本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)考古學(xué)的研究方法，綜合熱處理和剝片模擬實(shí)驗(yàn)，對熱處理前后石料剝片性能、物理性質(zhì)進(jìn)行比較分析，確定鑒別熱處理現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)，為探討泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期的遺址中是否存在熱處理行為提供方法學(xué)基礎(chǔ)。

2研究材料與方法

2.1原料

部分研究者提出泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期細(xì)石器遺存的石料應(yīng)出自泥河灣村對岸的南山（即周家山）[2]，但該區(qū)域的巖石顏色以黃、綠、紅為主，僅在油房遺址中被大量地用來生產(chǎn)石葉、細(xì)石葉[7]，其他遺址中很少見到。也有學(xué)者提出細(xì)石器遺址中使用的火山角礫巖應(yīng)產(chǎn)自桑干河流域以南的山區(qū)[8，9]，其山前沖溝中有大量遺址中所用的火山角礫巖，但石質(zhì)堅(jiān)硬、粗糙，難以生產(chǎn)細(xì)石葉。根據(jù)以往的調(diào)查和研究，籍箕灘南山、新廟莊、馬主部一帶存在火山角礫巖的基巖，蔚縣浮圖村南部也出露同類基巖。本次實(shí)驗(yàn)使用的原料在新廟莊附近采集（圖1）。

據(jù)天鎮(zhèn)K-50-31幅1/20萬地質(zhì)圖，新廟莊附近的地質(zhì)地層和巖性描述如下：

串嶺溝組：底部紫紅色砂質(zhì)頁巖、頁巖及鐵礦層，其上白云巖，石英砂巖；

高于莊組：主要為灰色、黑色白云巖，含燧石團(tuán)塊或條帶，底部燧石條帶尤多，且呈網(wǎng)狀；

霧迷山組：灰色厚層燧石條帶，白云巖與黃灰色中厚層或黑色頁片狀瀝青質(zhì)粗晶白云巖互層；底部為分灰色中厚層燧石角礫白云巖；

徐莊組：紫紅、灰綠色砂質(zhì)頁巖與紫紅、灰色薄層灰?guī)r互層；夾泥質(zhì)灰?guī)r，底為頁巖；

張夏組：上部為深灰色厚層鮞狀灰?guī)r；下部為灰色中厚夾薄層灰?guī)r及少量砂質(zhì)頁巖；

九龍山組：上部紅色凝灰質(zhì)砂巖、泥巖；中部砂質(zhì)頁巖；下部凝灰質(zhì)砂巖、砂礫巖。底部雜色礫巖；

髫髻山組：安山質(zhì)集巖塊、安山質(zhì)角礫巖、安山巖互層，夾凝灰?guī)r、礫巖，上部夾玄武巖。底部凝灰質(zhì)礫巖；

蔚縣玄武巖組：致密氣孔狀橄欖玄武巖、輝石玄武巖夾黏土、褐煤；

火山角礫巖主要分布在侏羅系淺層侵入巖和震旦系燧石白云巖的圍巖之間多為粉色、白色、紅色，石料各向異性明顯，質(zhì)量參差不齊，同一塊石料不同部位存在很大差異，內(nèi)部多節(jié)理，表面粗糙（圖2）。

2.2熱處理方式和剝片實(shí)驗(yàn)

雙條嶺基巖地點(diǎn)的火山角礫巖自然狀態(tài)下韌性大、抗力性強(qiáng)、延展性差，很難剝下較大的石片，軟錘剝片、加工難度大，壓制法剝片的難度更大。我們采用實(shí)驗(yàn)的方式以確定熱處理是否可以提高此類原料的剝片性能。

為了更好地控制溫度，使得實(shí)驗(yàn)具備可控制性，熱處理實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。使用馬弗爐（蘇珀箱式電阻爐YTH-4-10）精準(zhǔn)地設(shè)置加熱的時(shí)間和溫度，對石料進(jìn)行不同級(jí)別的熱處理。馬弗爐能夠控制溫度和時(shí)間的同時(shí)，還能夠利用封閉的爐腔結(jié)構(gòu)保障石料能夠緩慢降溫，避免溫度劇烈變化對石料造成結(jié)構(gòu)性破壞。

熱處理的加熱溫度為100°C、200°C、300°C、400°C、500°C、600°C、700°C、800°C，每個(gè)溫度段分別進(jìn)行1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)的加熱，共計(jì)24個(gè)加熱組。待熱處理完成后，首先將石料進(jìn)行簡單剝片制作新的破裂面，利用顯微鏡觀察破裂面的表觀特征并進(jìn)行記錄。其次，選取不同的實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行連續(xù)剝片，檢測經(jīng)過不同程度熱處理的火山角礫巖的一般剝片性能。最后，利用加熱后的石料預(yù)制細(xì)石核、剝制細(xì)石葉，檢測其壓制剝片能力的變化。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1熱處理后的表觀特點(diǎn)

將實(shí)驗(yàn)樣本新形成的破裂面置于顯微鏡下放大200倍觀察時(shí)，能夠幫助我們更好地了解石制品的表觀特征。首先，在加熱溫度較低時(shí)，石制品表面晶體多且成簇出現(xiàn)[5（]圖3：a），隨著加熱溫度的升高，晶體逐漸融合，形成平整的面；其次，石制品表面有許多片狀結(jié)構(gòu)交疊在一起（圖3：b），同樣隨著溫度的升高而較少；平滑程度指石制品表面是否平整、光滑，取決于晶體和片狀結(jié)構(gòu)的多少；最后，剝片性能則指剝片難易的直觀感受，分為一般、良好、優(yōu)秀三個(gè)等級(jí)。

觀測結(jié)果表明當(dāng)加熱溫度為100～300°C時(shí)，火山角礫巖未發(fā)生肉眼可見的變化，加熱前后剝制的破裂面狀態(tài)近似，顯微鏡下的破裂面粗糙，晶體顆粒明顯，多鱗片狀結(jié)構(gòu)，抗力性、延展性等剝片屬性沒有改善（圖3：1）。進(jìn)行400～500°C的熱處理后，石料晶體顆粒和鱗片狀結(jié)構(gòu)大幅度減少，破裂面開始變得平整，部分顏色發(fā)生改變，剝片的延展性有所提升，但硬度仍較大，抗力性強(qiáng)（圖3：2）。經(jīng)過600～800°C的熱處理后，部分石料顏色變紅，晶體結(jié)構(gòu)和鱗片狀結(jié)構(gòu)消失，破裂面平滑細(xì)膩，呈現(xiàn)油脂性光澤；剝片時(shí)，延展性大幅度提高，抗力性降低（圖3：3）。由此可知，600°C是該類火山角礫巖發(fā)生質(zhì)變的最低溫度要求。通過對600～800°C溫度時(shí)不同時(shí)長的熱處理石料觀察，可確定在加熱溫度達(dá)標(biāo)的情況下，加熱1小時(shí)即可使石料質(zhì)地發(fā)生質(zhì)變（圖3：4）。

3.2熱處理后石料的一般剝片性能

根據(jù)室內(nèi)熱處理的結(jié)果，并結(jié)合剝片實(shí)踐，筆者將熱處理后的火山角礫巖分為3個(gè)等級(jí)，其中I級(jí)是未經(jīng)加熱或加熱后各項(xiàng)特征未發(fā)生變化，包括0～300°C；II級(jí)石料微觀結(jié)構(gòu)剛剛發(fā)生變化，剝片性能有提升，但差別不大，此階段的溫度參數(shù)為400～500°C；III級(jí)石料出現(xiàn)油脂性光澤，質(zhì)地細(xì)膩圓潤，剝片性能得到很大提升，加熱溫度為600～800°C。熱處理結(jié)束后，分別使用3個(gè)級(jí)別的石料嘗試復(fù)原楔形細(xì)石核技術(shù)，評(píng)測熱處理后火山角礫巖的一般剝片性能。

選擇三塊重量約70g，尺寸相似的石制品進(jìn)行簡單剝片，然后比較剝片數(shù)量，以及長、寬、厚。結(jié)果顯示，III等級(jí)的石料剝片數(shù)量最多，寬、厚數(shù)值整體偏小，I級(jí)和II級(jí)石料整體偏大；II和III級(jí)石片長度比I級(jí)長，但可能受石核形態(tài)的影響。綜合來看，III級(jí)石料剝片數(shù)量大幅度提高，石片厚度和寬度明顯下降，石料的剝片性能得到優(yōu)化（圖4）。

3.3熱處理后的細(xì)石葉壓剝能力

為檢驗(yàn)不同級(jí)別熱處理石料的細(xì)石葉壓制剝片性能，本文開展了10組預(yù)制細(xì)石核后剝制細(xì)石葉的實(shí)驗(yàn)，分別編號(hào)HT1～HT10。其中，HT1和HT2使用I級(jí)石料，HT3-HT6使用II級(jí)石料，HT7-HT10使用III級(jí)石料。

評(píng)測實(shí)驗(yàn)表明，I級(jí)石料剝片性能差，HT1、HT2只能剝離長度為6mm左右的片疤，無法預(yù)制細(xì)石核和剝制細(xì)石葉；II級(jí)石料（HT3～HT6）剝片性能有所提升，但石核預(yù)制難度大，核體修理程度低，無法連續(xù)剝制細(xì)石葉；III級(jí)石料的剝片性能得到極大的改善，即使質(zhì)地較差的石料經(jīng)過III級(jí)熱處理，也能夠成功地預(yù)制細(xì)石核和連續(xù)剝制細(xì)石葉。實(shí)驗(yàn)顯示質(zhì)地差的石料經(jīng)過400°C的加熱剝片性能并未得到有效改善，質(zhì)地較好的石料石核預(yù)制難度大，對其進(jìn)行稍加修理后剝制細(xì)石葉，但難度大，獲取的細(xì)石葉有限（HT4，圖5：2）；質(zhì)地差的石料甚至無法預(yù)制細(xì)石核（HT6，圖5：1）。經(jīng)過600°C的再加熱后，這些石料的質(zhì)地發(fā)生質(zhì)變，預(yù)制細(xì)石核的難度降低（HT10，圖5：3，4），還能夠連續(xù)地剝制細(xì)石葉（圖5）。因此，合適溫度的熱處理能夠有效地提高火山角礫巖的剝片性能，用以制剝制細(xì)石葉。

4討論

4.1熱處理的溫度閾值

通過火山角礫巖的剝片實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)過≥600°C的熱處理可以有效地提高石料剝片性能，使其能夠被用于復(fù)雜的石器技術(shù)，這種剝片性能提升的原因應(yīng)與火山角礫巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變密切相關(guān)。對熱處理后石料的微觀觀察表明，當(dāng)溫度達(dá)到600°C甚至更高時(shí)火山角礫巖的破裂面平滑有光澤，說明此時(shí)石料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序、規(guī)整，石料內(nèi)部的力傳導(dǎo)可順利地沿著既定方向傳播，因此能夠很順利地剝制長石片。此外，這種情況下剝片所需力量的損耗減少，剝片難度降低。

熱處理是改善石料剝片性能的有效途徑，但并非所有的石料都可以進(jìn)行熱處理。例如石英很難被改變，石灰?guī)r遇熱粉碎，硅質(zhì)巖大多可以通過熱處理提高剝片性能，但不同石料剝片性能發(fā)生質(zhì)變的閾值不同。經(jīng)筆者實(shí)踐表明，瑪瑙經(jīng)過400°C的熱處理就可以提高剝片性能，若繼續(xù)提高溫度將無法進(jìn)行剝片；泥河灣盆地周家山的燧石，經(jīng)過250°C左右的加熱剝片性能略有改變，但若將溫度提高至300°C石料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，無法形成貝殼狀斷口。此外，水洞溝遺址的白云巖和火山角礫巖，以350～400°C溫度進(jìn)行熱處理后力學(xué)性能改善明顯，當(dāng)熱處理溫度高于450°C時(shí)，各種特征改善不明顯或脆性降低、裂隙增多，不具備剝片性能[9]；泥河灣盆地的火山角礫巖則表現(xiàn)出令人詫異的熱處理屬性，加熱溫度不小于600°C才能夠?qū)崿F(xiàn)剝片性能的質(zhì)變。因此進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，要針對具體的材料進(jìn)行不同溫度區(qū)間的加熱，以探索其剝片性能質(zhì)變的最適宜溫度。

此外，熱處理的具體實(shí)踐方式也多種多樣，進(jìn)而可引出諸多值得探索的考古學(xué)問題。例如，石料是直接加熱還是破裂成小塊后再進(jìn)行加熱，石料置于燃料上面還是下面，是明火加熱還是待火焰消失后再加熱，如何維持火塘的溫度，用于熱處理的火塘結(jié)構(gòu)和其他火塘是否存在差異，如何辨識(shí)遺址火塘中的熱處理跡象等。

4.2熱處理的特征

實(shí)驗(yàn)證明，熱處理能夠有效地改善泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期細(xì)石器遺址中常用的火山角礫巖質(zhì)地，滿足細(xì)石葉技術(shù)對石料質(zhì)量的要求。這雖然說明了熱處理的實(shí)效性和必要性，但針對具體的考古學(xué)研究，需要找出系列證據(jù)，方可明確遺址中的熱處理行為。

石料經(jīng)過熱處理后顏色變深、變紅，并呈現(xiàn)油脂性光澤，據(jù)此可判斷遺址中是否存在熱處理產(chǎn)品，但實(shí)驗(yàn)表明部分石料顏色始終未變，且一些石料天然顏色就比較深、紅，類似熱處理后的變色，長期陽光照射、埋藏環(huán)境也會(huì)使得石制品表面呈現(xiàn)出油脂性光澤，這些都會(huì)阻礙鑒別熱處理產(chǎn)品。其他學(xué)者的研究中也曾提到這種情況，認(rèn)為顏色和光澤并非鑒別熱處理的有效指標(biāo)[5，11，12]。一些科技手段，如X射線衍射（X-raydiffraction）和掃描顯微鏡等為甄別熱處理產(chǎn)品提供了有益幫助，但它們大多成本高昂、耗時(shí)長，并可能會(huì)損害文物本體。當(dāng)面對遺址中出土的大量考古標(biāo)本時(shí)，這些方法的效率相對較低。因此，快速、準(zhǔn)確且便捷地識(shí)別熱處理石制品的方法成為當(dāng)前熱處理研究的關(guān)鍵，這可通過可靠的石制品表觀特征的變化實(shí)現(xiàn)通過對熱處理前后石料的打制實(shí)踐和觀察，我們發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)火山角礫巖未經(jīng)加熱時(shí)剝片形成的破裂面粗糙、缺乏光澤，一些質(zhì)地細(xì)膩的石料雖然破裂面平整，但同樣缺乏光澤。加熱后，有的火山角礫巖的顏色會(huì)變紅，有的顏色始終不變，外表面一如原狀，依舊粗糙、無光澤，但新形成的破裂面光滑、細(xì)膩，甚至泛出油脂性光澤，與之反差明顯。

選取未經(jīng)熱處理的、500°C-3小時(shí)和700°C-3小時(shí)熱處理的火山角礫巖進(jìn)行剝片，破裂面的顯微觀表明，未經(jīng)加熱的火山角礫巖破裂面鱗片狀結(jié)構(gòu)交疊在一起，凹凸不平，十分粗糙；經(jīng)過500°C-3小時(shí)加熱的石料破裂面已經(jīng)得到明顯改善，整體平整、光滑，但仍存在一些鱗片狀結(jié)構(gòu)；700°C-3小時(shí)的熱處理使得火山角礫巖的破裂面更加平整光滑，沒有其他的雜質(zhì)結(jié)構(gòu)，但它未經(jīng)加熱時(shí)形成的破裂面依舊粗糙，未發(fā)生改變。

因此，熱處理雖然改善了火山角礫巖的剝片性能，或使其顏色發(fā)生變化，但無法改變石料的原始外觀形態(tài)；加熱前剝片形成的破裂面保持不變，與加熱后新剝制的破裂面在宏觀和微觀尺度差異明顯，這可以幫助我們有效地甄別遺址中是否存在熱處理的石制品，即同時(shí)保留粗糙和平整片疤的石制品很可能經(jīng)過熱處理（圖6）。PatrickSchmidt等在實(shí)驗(yàn)中也觀察到這一現(xiàn)象，并用于南非石器時(shí)代中期（MiddleStoneAge）遺址中熱處理石制品的鑒別[11]。

當(dāng)然，在實(shí)踐中這一標(biāo)準(zhǔn)的使用應(yīng)有充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。首先，應(yīng)對熱處理前后的石料反復(fù)剝片，了解不同狀態(tài)下石制品的破裂特征；其次，通體觀察石制品的片疤外觀表現(xiàn)，尋找疑似熱處理的產(chǎn)品；接著，確定石制品是否保留兩種狀態(tài)（平滑和粗糙）的片疤，分析它們的先后關(guān)系；然后，借助顯微鏡，對片疤進(jìn)行微觀觀察進(jìn)行驗(yàn)證，若平滑的片疤微觀結(jié)構(gòu)細(xì)膩無雜質(zhì)結(jié)構(gòu)，且與未經(jīng)加熱的石料片疤狀態(tài)差異很大，那么該石制品很可能經(jīng)過熱處理，反之則不然。

此外，熱處理導(dǎo)致的其他破裂也可以用來判斷石料是否經(jīng)過加熱，如茶壺狀破裂、石片劈裂和表面細(xì)紋等[10]。此外，與石料熱處理相關(guān)的用火跡象的發(fā)現(xiàn)也是石料熱處理行為存在的系列證據(jù)之一。

4.3考古標(biāo)本的觀察

為確定泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期的細(xì)石器遺址中是否存在熱處理行為，我們選擇下卜莊遺址進(jìn)行對比觀察。下卜莊遺址位于浮圖講鄉(xiāng)下卜莊村東南大龍口峪處（圖1），該遺址分為上、下兩個(gè)文化層，其中上文化層主要文化遺存是以楔形細(xì)石核為主的細(xì)石器組合，碳十四測年為距今約1.6萬年[12]。在對下卜莊遺址的石制品組合進(jìn)行觀測后，我們發(fā)現(xiàn)多件具有熱處理特征的標(biāo)本，現(xiàn)選取兩件進(jìn)行介紹。

17XBZDT2：1303，片狀斷塊，長55.3mm、寬39.2mm、厚8.94mm，質(zhì)量16.8g，原料為火山角礫巖。一面是由片疤構(gòu)成的破裂面，雖然比較細(xì)膩，但無光澤；另一面主要為自然面，僅在一端有一小塊片疤，疤面平滑有光澤。顯微鏡觀察顯示，兩面差異明顯，無光澤破裂面存在較多的片狀結(jié)構(gòu)，平滑有光澤的疤面與熱處理后的石料相同（圖7：1）。

17XBZDT2：2473，楔形細(xì)石核毛坯，原料為火山角礫巖，長72.5mm、寬21.2mm、高37.8mm，質(zhì)量65.2g。石核左側(cè)后部的片疤粗糙，顯微鏡下可觀察到晶體顆粒和片狀結(jié)構(gòu)；底緣部分的片疤平整，顯微鏡下平滑無雜質(zhì)，和熱處理后的破裂面表現(xiàn)特征一致（圖7：2）。

結(jié)合針對火山角礫巖的熱處理實(shí)驗(yàn)與考古材料的初步觀察可知，泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期的細(xì)石器遺址中應(yīng)存在熱處理行為。熱處理很可能是楔形細(xì)石核技術(shù)中的重要一環(huán)，然而，熱處理石制品在石制品組合中所占比例、熱處理在技術(shù)組織中扮演的角色以及熱處理的具體方法等問題，仍有待進(jìn)行深入的研究。

5結(jié)語

泥河灣盆地細(xì)石核石料的優(yōu)質(zhì)表觀特點(diǎn)與自然狀態(tài)下巖石的粗糙形成的反差引發(fā)研究者的思考和討論；部分學(xué)者認(rèn)為這些石料可能經(jīng)過熱處理，但未有實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支撐。本文結(jié)合熱處理實(shí)驗(yàn)和剝片模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用適宜溫度加熱的雙條嶺火山角礫巖抗力性減弱、延展性提高，剝片性能得到了極大改善，能夠滿足細(xì)石葉技術(shù)的需求。對下卜莊遺址石制品的初步觀察發(fā)現(xiàn)石料熱處理的線索。針對泥河灣盆地舊石器時(shí)代晚期遺址開展系統(tǒng)的觀察應(yīng)可發(fā)現(xiàn)更多線索，為完整了解盆地內(nèi)古人類熱處理行為的表現(xiàn)方式，進(jìn)而探討晚更新世末人類行為的復(fù)雜性等提供新的素材。

熱處理是人類改變自然界材料物理性質(zhì)的一次成功嘗試，是人類演化史上的一項(xiàng)技術(shù)革新。確定是否存在熱處理僅僅是熱處理研究的第一步，相關(guān)的人類行為極具復(fù)雜性。泥河灣盆地雙條嶺火山角礫巖質(zhì)變的臨界點(diǎn)為600°C，而瑪瑙、白云巖等臨界溫度則不盡相同。古人類如何發(fā)現(xiàn)這一溫度，并維持這一溫度以達(dá)熱處理的目的，是值得進(jìn)一步探討的問題。石料是以何種形態(tài)（石片或天然石塊）被熱處理及其反映的社會(huì)組織方式及流動(dòng)性等也十分關(guān)鍵。此外，與熱處理相關(guān)的用火跡象的確認(rèn)和分析也值得深入研究。