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重返青铜时代:千年湖泊沉积揭示青铜历程

2008-07-06
重返青铜时代:千年湖泊沉积揭示青铜历程
2008年07月06日 新京报

学者认为铜绿山矿山遗址的发掘已显示出古人矿山开采的规模与深度。

  湖泊淤泥沉积重建中国冶金史揭示古楚国青铜历程

  从公元前3000年开始,铜、锌、铅、镍等的含量开始增加,到了公元前467年到公元后221年左右,这些金属含量突然猛增,出现了相当明显的峰值。

  它正好与春秋战国的楚国兴盛相对应。

  湖北省大冶市的梁子湖,湖水清澈,盛产武昌鱼。几年前,来自中国内地和香港的科学家从湖底淤泥取了样品,分析了微量金属沉积在不同深度时的含量,并比较了铅同位素的比值,结果反映了所知的历史:战国时期,楚国身陷战乱,此时又正值该地青铜鼎盛时期,当地在附近著名的铜绿山附近大肆制造武器等青铜工具。而这一金属沉积的再次高峰,是2千年后的工业革命。这一发现刊登在近期的《环境科学与技术》期刊上。

  研究方法 千年沉积记录人类历史

  科学家探测史前气候的一个方法就是在北极冰层里钻孔,通过冰层里二氧化碳沉积断代来探测远古时期二氧化碳的含量。同样,如果要考察古代冶金史,金属沉积则是必不可少的要素,而最佳的储藏器就是泥炭、沼泽、湖泊淤泥等等被人类开发所遗弃的地方。

  “梁子湖是我国现阶段少存的相对清洁的湖泊,也是没有受到近期人为环境污染的湖,这样使样品分析出的数据具有可靠性和少人为污染的干扰;另外,梁子湖与我国江汉平原区是华中地区典型的沉积盆地,且沉积稳定,湖泊中沉积物连续,中间没有间断。”中国地质大学地球科学学院教授祁士华解释说,这两项就是本次研究的科学基础。

  梁子湖位于长江南岸,跨武汉市和鄂州市,与保安湖、三山湖和鸭儿湖紧邻。现人多还有对古时“云梦泽”的猜测,认为这些湖在春秋战国以前曾经连为一个巨大的内陆湖盆,那就是多份古籍中记载的“云梦泽”。然而此后,“云梦泽”随泥沙淤积或气候变化而逐渐消退,变成江汉内陆大大小小的上万个湖。

  而进入现代以后,当其他湖泊或骤减,或受污染的情况下,梁子湖现湖水清澈,较少受影响,“它的水都是可以直接喝的,它是湖北保护得最好的一个湖。”另一名研究者,中科院广州地球化学研究所研究员张干说。

  正因为此,这个鲜少受人类活动影响的湖成了相对而言最合适的研究位置。而更重要的是,梁子湖附近有着中国青铜时代最重要的矿山之一的铜绿山。这座山虽然并不为普通大众所知,但却是中国冶金史界各方专家都曾拜访过的地方。

  铜绿山距大冶市区3000米左右,经考古发掘有古采矿井、巷360多条,古代冶铜炉7座,采掘深度达50余米。残余炼渣40余万吨。井下散存有铜斧、铁锤、船形木斗、辘轳等多种采矿工具。铜绿山古铜矿遗址70年代被发现,是我国最早发现的古铜矿遗址,上世纪80年代它被列为全国重点文物保护单位。

  其实,这一研究的灵感竟然来自于一盘棋。祁士华在一次与该校退休老教授的下棋聊天中,无意产生了这么个想法:“湖北铜绿山是中国青铜时期最著名的矿山之一,为什么不在附近的梁子湖测量金属含量和铅同位素,看看铜绿山到底是什么时候开始开采的呢?”

  这只是研究的一个初步目的,此后,研究得到了中科院广州地球化学研究所和香港理工大学的支持,几方专家从各方开始调动起来。他们的分析,果然与5000年前战乱中的楚国青铜时代相对应。

  钻研过程 湖底如何被“污染”?

  科学家在梁子湖中央位置提取了2.68米长的淤泥样品,从这段长度中,可以看出7000年内金属沉积物的含量。

  无论是北极的冰层还是湖底淤泥,只要没有受破坏,样品层都会随着时间逐层增加沉积物,最后就形成了树轮一样的断代纪录,要判断各层分别是哪个年代,C14就是测年最好的工具。

  自然界中的碳有三个同位素,C12和C13是稳定同位素,只有C14是放射性同位素,半衰期是5730年。由宇宙射线在大气中产生的C14,与氧结合成二氧化碳进入生物,并随着有机体死亡,以固定的量存留在其体内。

  因为在5730年的半衰期内,C14逐渐衰弱,因此,只要在含碳的物质中测定剩余的放射性C14,就可以推断出其年代。正因为此,C14成为史前考古学和第四纪晚地质学重要的断代手段。

  因为金属并不含碳,所以C14测年法永远没法运用在金属上,但是,因为伴随着金属沉积的同时,有大量同时期的木炭、柴枝等含碳物的沉积,因此,只要考证金属沉积物所处整个淤泥层的年代,就可以判断出金属沉积物的岁数。

  不过,C14也不是万能的,因为其误差在几百年左右,因此只能测“代”,而不能测“年”,近到百年中的环境检测就根本没法用C14来做。同样,也有一些科学家认为,本次梁子湖的研究采用C14的方法误差略嫌大了些,因为春秋战国本身就只有几百年的时间。

  揭示原因 金属沉积三种途径

  微量金属进入湖底淤泥的途径主要有三种:大气沉降、地表径流和湖面及湖泊周围的人类活动。

  古人炼青铜时,会有金属颗粒在燃烧时飘到湖泊中。制铜的过程中,大量的铜元素和其他杂质金属颗粒会随着炉子飘出去,随风撒向各方,附近的梁子湖自然接受的颗粒就更多了。当地农民在用金属农具耕种时,也会让金属颗粒连土一起被风吹起进入湖中。

  大自然也有自己的金属颗粒沉降,最典型的活动就是火山爆发,它会产生大量的金属颗粒。如果没有很强的人类活动干扰,这些金属沉积物含量应是固定的。

  另一个途径是地表径流。炼铜燃烧时产生的金属颗粒也可能被降雨等冲入湖泊或附近泥土中,或者冷却时使用的废水都会汇入附近的湖泊中。另一位科技考古学者、中国科技大学的金正耀教授也认为,古人可能用水选矿,用水的动力把富矿和贫矿分出来,这些采矿、炼矿过程中产生的废水都会汇到湖里去。

  第三个途径就是在湖面或湖泊周围直接的人类活动。“在这一时代比如秦朝,有很多很大的工程。这使得梁子湖受到很大的人类活动的影响。”张干说,在这些工程中,会增加金属沉积物的含量。

  最终结论 战争打造冶金高峰

  从研究结果来看,从公元前3000年开始,铜、锌、铅、镍等的含量开始增加。公元前467年到公元后221年,金属含量突然猛增,说明了出现了很强的人类活动。这与文献记载的湖北青铜制造的发展相吻合。

  学界普遍认为,我国青铜制造从夏代开始,商晚期和西周早期是高峰阶段。不过,这些假设都主要立足于器物考证上,重点在以商朝河南为中心的北方地带。而南方楚国的崛起,是春秋初期才开始的事情。

  峰值显示的那个时代,正好与春秋战国的楚国兴盛相对应。而汉代早期(公元前206到公元后220年)同样战争频繁。可以想象,战争年代,一切都以制造武器为中心。这需要大量的铜。

  从此,峰值只出现了两次。汉初以后,铜等金属沉积含量开始逐渐下降并保持平稳,直到近现代也就是中国开始出现工业革命以后才再次出现高峰。

  祁士华表示,这种通过现代手段,探测记录在沉积物里的地球环境变化,较完整、系统地反映中国铜矿开采的研究并不多。历史学家李学勤认为,这次研究很有意思,“是很新颖的研究”。而中国科技大学的金正耀教授则指出,此前的研究也不是没有。“铜绿山矿山遗址发掘已直接表现了开采规模的深度,田野里挖出来的东西更容易得到别人的承认。只有在缺乏直接的文献资料和田野资料的情况下,比如更早的夏商周,地球化学的方法才可能更有价值。”

  铜从何处来,又向何处去?

  科学家分析青铜中铅同位素比值,追踪青铜冶炼技术流传与交融

  一幅绘有青铜冶炼过程的埃及壁画。它们同样是文明交流的结果。

  铅和锡的使用,让青铜变得更坚韧,这样青铜剑才成了伤人利器。

  通过铅同位素测量,可以确认这些日本出土的铜镜是否源于中国。

  铅是青铜中所含的重要金属成分。这一元素在自然界拥有四种同位素。不同来源的铅,这四种同位素的相互比值也不相同。因此,如果能精确测定这个比值,就可以追踪青铜中铅的来源,并在一定程度上探索到不同地区之间青铜冶炼技术流传与相互交融的过程。

  事实上,经过对梁子湖微量金属沉积的分析,研究者们发现,春秋战国时期的铅同位素比值与附近的铜铝山的铅同位素比值类似。而当公元500年之后,梁子湖铅同位素比值的变化意味着更多其他地方特别是南方的矿山的矿进入该地区。借此,我们或许也可以确认东亚青铜技术与更早出现的两河流域青铜技术之间的关系。

  铅质的“历史示踪器”

  如果说,用碳14测定断代层,用微量金属沉积含量反映人类活动影响还不够全面的话,那这份研究再次把铅同位素的科技考古问题提到议题上来。研究中,不仅对微量金属如铜铅等含量进行了测定,从峰值与历史时代一一对应,而且也对铅同位素进行了测定,结果发现,春秋战国时期的铅同位素比值与附近的铜铝山的铅同位素比值类似。而当公元500年之后,梁子湖铅同位素比值的变化意味着更多其他地方特别是南方的矿山的矿进入该地区。

  “微量金属含量测峰值,铅同位素是测来源。”张干说。

  在中国考古界,尽管有争议,但铅(Pb)同位素比值的方法还是被很多学者使用。铅有四个同位素:Pb204、Pb206、Pb207、Pb208.通过对同位素之间比值的测定,可以知道哪儿的铅来自哪儿。

  “其中,只有铅204是从地球形成以后到现在是没有变化的。”一直在做铅同位素比值研究的金正耀解释到。他打个比方,“好比一家生了四胞胎兄弟,但是其中一个孩子一直没有生长,生下来多大就长多大,另外三个则不停的得到各种营养,以不同的速度增长。”

  “每个地方的矿山就像不同的村子,每个村子都有一个四胞胎,通过对每个孩子身高或面相的比较,就可以看出他们分别是哪个村子的。”

  在所有人类活动造成的金属中,铅的比值已知的最多。这就是说,在世界大多数知名的矿山中,铅的“指纹”是已知的,很容易进行比较。假如在中国一个青铜器的铅同位素比值,与罗马或埃及某处矿山的比值一样,那就意味着其材料甚至技术都来自外地。

  增加铜的流动性

  铜器里为何会有铅呢?古人制铜,并不只用铜,会加锡或铅。铜的熔点很高,达到1083度,在这样的高温下,把铜水倒出来时,它的流动性很差。“好像过年打糍粑一样,总是粘锅,最后倒到模子里以后,不能填充到每个地方,最后得到的铜可能就是这儿一个孔,那儿一个洞的。”而加了锡和铅以后,就降低了铜的熔点,改善了流动性,使得铜器光滑美观。

  铅和锡的另一个作用就是增加铜的韧性。纯铜有很好的延伸性但硬度不够,而青铜剑如此薄却是杀人利器,是因为里面添加了锡。

  锡易变,不能保持矿山时期的同位素特征。因此,金正耀认为铅同位素就成为了判断文物来源的重要工具。“任何含铅的器物,都可以用这种方法来测定。”通过铅同位素的考证,可以得知中国最早的玻璃是从两河流域进来的。此外,陶瓷器中的铀也含铅,可以同理考证。在青铜器真伪的考证上,铅同位素的考证也同样有用。

  化学上,铅被称为“示踪”金属,可以像跟踪器一样跟踪器物,其他此类的金属还比如钡,现代医学常用“钡餐”跟踪胃部疾病。

  可是,铅同位素有个致命的弱点:一旦不同产地的东西混在一起,铅同位素测量方法就失效了。“铅同位素的比值越高,就表示来源越单一化,相当于来自同一个生产厂家,而比值下降就表示进入沉积物的铅的来源发生量变化,或者一些低比值的矿床,尤其是一些超大型的矿床,生产出来的铅同位素比值影响了整个世界。”张干说。

  而工业革命后的历史,基本上铅同位素的方法就失效了,因为全球工业化和贸易全球化导致了铅的来源全混在一起了。不过,张干认为,于此同时,也可以凭借铅同位素比值的下降判断工业革命的开始,比如,他们这次研究中,就看出了中国的工业革命要晚于西方。“铅同位素比值下降,这是典型的工业革命的标志”。

  位置重要,时段也重要

  因为铅同位素的方法只有在来源单一的情况下才能比较,因此,合适的位置几乎就成了决定研究成败的关键因素。

  金正耀认为,尽管铅同位素可以用来判断工业革命的起点,但其更多的作用还在于判定以前的工作。“三代以后的时期有更多的历史文献记载,就不必费力做这些东西了”。他举例说,目前发现已知的商代矿山只有两处,但商代历时四五百年,肯定不会只开采两处矿山。如果能够用铅同位素发现更多的古矿山,那意义就很大了。

  此外,铅同位素还可以判断文化交流的程度,比如《三国志》记载,魏明帝曾向倭女王赠“铜镜百枚”。日本现在也出土了很多汉代的青铜器,有些是中国原料制造的,有些是仿品。铅同位素的方法可以成为鉴别工具。

  青铜器最早产生于两河流域。而东亚的青铜器技术是否由外地传入还是本土产生一直存在争议。我国发现最早的铜器是仰韶文化铜器,产于公元前三四千年左右,晚于西亚一千多年。“不排除两河流域的技术进入中国。”金正耀说。

  不过在国内,铅同位素比值的效用到底有多大还是存在争议。“这可以判定一些问题,但在很多情况下需要做大量的数据。光凭几件东西很难说。”科技史学家华觉明说。

  李学勤也认为,铅同位素的比值在冶炼时,或从矿石变成金属再变成器皿的过程中发生了变化,那这个方法也很难再测了。不过他同时认为,像梁子湖研究是从环境而非青铜直接做,性质可能不同,但其中的铅同位素比值到底有没有发生变化,还需要进一步研究。

  “凭一两个青铜的铅同位素比值来判定,算是一种说法还是可以的,但要下结论的话,还得从很多方面来做研究。”华觉明说,“也许我们永远也得不出结论。”

  - 延伸

  为中国冶金史断代

  该研究将中国冶金史分为了五个阶段:史前阶段、早期青铜时代、晚期青铜时代、后青铜时代和近现代。

  1、史前阶段

  在公元前3000年之前,每种金属沉积含量都很低,基本属于自然形成。

  2、早期青铜时代

  公元前3000年到公元前328年,金属沉积含量开始增加,说明了采矿业的增加和金属的使用。

  3、晚期青铜时代

  到了公元前467年到公元224年的晚期青铜时代,各类金属沉积物都开始剧增,这个时期正好是战国时期与汉代初期。

  4、后青铜时代

  到了西汉末年,也就是公元220年开始,制陶业开始发展,铁器也开始慢慢推广起来。

  5、近现代

  进入近现代(1900年后)以后,各类金属沉积物的含量出现了历史上的第二次高峰,这同时也意味着工业革命在中国的展开。从沉积物可见,从元末明初开始,铜、铅、锌的含量开始增加,而明初正好是农民起义遍地,战乱频繁的时代。此后贯穿整个明代,铜和铅含量有所减少,直到19世纪开始才继续增加,不过在清末1830年至1880年的五十年旱灾期间又有所减少。

  到20世纪初,各类金属沉积含量都开始明显增加。

  新知专题采写/本报记者 金煜

  本专题感谢:

  张干(中科院广州地球化学研究所研究员)

  金正耀(中国科学技术大学科技史与科技考古系教授)

  李学勤(清华大学教授)

  华觉明(原中国科学院自然科学史研究所副所长)

  祁士华(中国地质大学教授)
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