历史考古与上古文明|石家河文化：东亚自创的青铜文明（上）（一）矿业工具2、矿料磨碎工具（二）冶炼设备与相关配件

_本文原题：石家河文化：东亚自创的青铜文明（上）
摘要
中国青铜技术本土起源，是长江中游上古大文明的贡献。从最早认识氧化铜矿和发明还原法，到了石家河文化常用氧化铜与硫化铜搭配着冶炼，并自行原创发明了锡铜以及锡铅铜三元合金技术。少量发现的铸造的小型铜器直接显示，石家河人熔铜并用铜液铸造，应归类为青铜文明。
石家河文化考古遗址中已可见相对完整的冶铜操作链及相配套的工具和器物。包括用来打碎矿石、洗选矿、研磨矿料粉、鼓风、冶炼、熔铜液、锻造、铸造、加工铜器等等。大部分工具的性质与其它古文明冶铜工具颇为相似，但石家河冶铜技术最独特具代表性的工具是胎很厚的陶质炼缸。厚重而夹粗砂的炼缸陶片经常见于石家河文化冶炼遗迹，并伴出大量炭末、烧土和各种灰烬坑，里边偶尔还会发现炼渣。但是由于长江中游的冶炼技术已足以从矿料全部提炼出铜，所以石家河文化炼渣富含硅、铁、铝而很少会检测出铜。
在石家河文化社会中，已将冶炼上升到精神层面，在祭坛上进行与冶炼相关的礼仪，与之相关的还有祭坛设置与安排，如摆放套缸。在其精神文化中，炼缸内部被视为全新生命产生之处，因此炼缸内部空间充满神秘意义。石家河人亦随葬炼缸或用炼缸做瓮棺，寓意转化与永生。
从石家河文化中期以来，因冶铜需求和规模增加，发展出可以批量生产的固定式熔铜炉以及长条形龙窑式炼铜装置。同时，因矿业、冶铜业走向专业化，冶铸技术深入矿区，在矿山边安排专业化遗址。在矿区定居的工匠社会为冶铜技术进一步创新和突破做出了重大贡献；同时，专业工匠们在寻求和实验不同炉壁材料的基础上，从炉壁瓷化现象观察到硬陶制作方法，从而在无意中开启了另一场新的材料技术革命。
石家河时期东亚其它地区都没有同等程度的技术，正是石家河青铜文明奠定了其后高度发达的商青铜文明的基础。因此， “中国青铜文明外来”的理论恐要被商榷。
关键词：长江中游、石家河文化、冶金考古、操作链、青铜文明炼缸
作者：郭静云、邱诗萤、郭立新
出处：《南方文物》2019年第4期。
一、前言石家河文化因在今湖北省天门市石河镇发现的最大遗址而得名。石家河文化的中心地带是古云梦泽周边诸城，该文化整个分布范围包括今湖北大部、湖南洞庭平原以及河南南部。在石家河文化遗址中，经常会发现铜料、小铜块，还有和冶炼活动相关的遗迹、遗物。目前所知已明显有冶炼活动的石家河文化遗址，包括汉北地区石家河、殷戴家湾、屈家岭、一百三十亩；随枣走廊金鸡岭；幕阜山区大路铺、观音垴、香炉山、蟹子地、尧家岭、童家；洞庭平原七星墩、车轱山等等。令人遗憾的是，长江中游气候、土质、水网密集等自然条件，都不利于在土中保存小铜器，尤其是因为小件铜器的抗锈蚀能力很差。除此以外，几千年以来人们生产生活活动频繁，包括稻作水田、房屋、村落、城市等大规模的建设，都严重影响甚至破坏冶铜相关遗存，使得在田野发掘中辨别、认识冶铜遗存并非易事。而且长期以来由于潜意识中以黄河流域为中心的成见，导致对长江中游早期文明的系统性忽视和遮蔽；所以，甚至在考古发掘中已然发现了的铜块也经常不被记录，留下来的少量记录也模糊不清，没有得到仔细深入研究。
饶是如此，随着石家河文化遗址发掘增多，仍不断地有新的冶铜遗存发现。这些发现使考古界对石家河青铜文化性质的认识，正逐渐从完全否认到半信半疑；目前大体上已能接受在石家河文化遗址中会出土铜料这样一种事实。不过对出土铜料的遗存的性质，学界还远未有共识，经常只是将其当作用途和目的不明的孔雀石原料；在讲到中国青铜文明历史时，总还是习惯性地从西北地区河西走廊讲起。分页标题
笔者的研究表明，中国青铜技术“西来说”至少从两方面不能成立。第一是时空及文化交流方面存在矛盾，第二是冶铸技术、矿料、炼法及合金发展的规律颇不相同。
就空间、路线及文化交流层面来说，虽然河西走廊通过黑水河和居延海绿洲可以通到南草原和阿尔泰地区，但实际上，殷周之前在此路线上没有发现任何交流的足迹。从陶器、工具、聚落、农作物、墓葬结构等方面来看，无法看出黑水地区的文化有源自中亚文化的因素。而且，若为西来，则越西边出现铜应越早。但实际上，无论是河西走廊的西城驿，或者黄河中游的陶寺，其冶炼活动的年代却早于其西邻的南草原炼铜遗址。 [1]而如果在这方面将河西地区早期冶炼遗存与长江中游早期冶炼遗存进行比较，则不难发现，长江中游年代早得多：河西地区西城驿文化早期冶炼遗存的年代上限为公元前2200年左右， [2]那时候在长江中游早就有专业化的锡铜冶铸技术（后石家河文化），而最早的冶炼遗存不晚于公元前3800年（大溪三期文化和油子岭文化）。
从技术层面来说，长江中游的技术成型早，长期发展，因此与同时期西北地区技术比较，更加稳定和发达，并了解如何配合不同矿料而建造不同结构的炼炉。比如说，根据笔者观察，以西城驿文化的炼炉技术，没办法从氧化铜矿提炼出铜；也用肉眼可以看到炼渣内有尚未提炼出来的铜料颗粒；对炉内附渣做扫描电镜观测表明，其炼渣确实含有很多未提炼出来的铜料（炉渣里含铜比例为3%─9%），其中包括标志着氧化铜提炼失败的赤铜（氧化亚铜cuprite, Cu2O）废料（图一）。此外，西城驿文化选矿并不严谨，虽然可能以次生硫化铜为多，但就炼渣的成分来看，经常将不同的矿石放在开放灶式的炼炉里烧，导致废弃料多[3] 。而长江中游选矿严谨，提炼很干净。以时代比西城驿还要早200－300年的湖北阳新大路铺遗址东区第8层的炉渣为例，其铜含量或者只有万分之几（硫化铜的炉渣），或者为零（氧化铜的炉渣），只有少数炼渣含铜量比例会到达百分之一（图二，表三）[4] 。这是因为长江中游地区自公元前第四千纪以来就已尝试冶炼，先采集地表的孔雀石，地表采完后再开采，且自行原创冶炼氧化铜矿的技术，并从石家河文化中期以来（约公元前2700年起），还可以见到氧化铜及硫化铜搭配的冶炼法。从技术与文化发展的脉络来看，商青铜文明也主要传承石家河青铜文化，属于长江中游冶铸技术脉络。

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图一、1─2. 西城驿文化炉渣；3. 炉内附渣扫描电镜观测（摘《考古与文物》），红圈为笔者标出的Cu2O废料。

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图二、大路铺遗址早期遗存的炉渣和矿渣：炉渣03ET2407⑧:13（含铜0.04%）；炉渣03ET2507⑧:3（含铜0
笔者在研究长江中游商代之前的冶炼问题时，遇到的最大困难是铜器和铜渣等作为直接证据的资料太少。原因在于：第一，石器制造或留下很多石片、石块等废料，而长江中游人所用的矿料几乎不会留下冶炼废料；第二，在使用过程中用坏破碎的石器、陶器被有效再利用的比率很低，而用坏破碎的铜器被有效再利用的比率很高。石器用坏后，有时候会重新加工，以新的功能使用，但最后还是会形成废器实体，甚至可以看到前后不同的使用痕迹。陶器不再使用后，均被弃置于土中，仍会以破碎形式存在，所以被考古者发掘到的可能性较高。但是，铜器若坏，则很少被丢弃而埋藏于土中，被重熔重制的比例非常高。因此田野考古发掘偶然发现的铜器件数远不能代表曾经实际使用过的铜器数量，后者要远多于前者。尤其是夏商时代之前，当时还没有形成象后世那样的制造永宝用礼器的传统。青铜礼器是一次铸造，极少会被重熔再铸，所以留下来的器物很多；而铜质工具一般会被重熔重制，所以留下来的器物少。由于早期制作的主要是小型工具或装饰品，所以重熔重制所造成的考古资料损失，是各地早期冶金考古研究中都会遇到的难题[5] 。分页标题
除此之外，长江流域还有其自身特殊性：小件铜器在该地区肥沃的泥土中被埋藏数千年后，多会经过化学反应而完全失去原貌。比如说在湿暖的环境中，氧化铜吸收水与碳化物，以自然的方式重新回复到原来碳酸氧化铜的状态，即孔雀石（malachite, Cu2CO3(OH)2）或石青（蓝铜矿azurite, Cu3(CO3)2(OH)2）：
Cu2O+ H2O+CO3→Cu2CO3(OH)2
2CuO+ H2CO3→Cu2CO3(OH)2
2CuO+ H2O+CO2→Cu2CO3(OH)2
3CuO+ H2CO3+CO2→Cu3(CO3)2(OH)2
自然界实际发生的过程当然更复杂一些，但总体来说，铜锈被碳酸化后，就变成为典型的孔雀石。
在富含有机物的土壤中氧化铜还会经过磷酸化的反应。测试表明，长江中游肥沃泥土中富含磷酸盐，若氧化铜埋在这种土里，从自然环境会吸收磷酸和羟基而产生磷酸氢铜[6] ，形成所谓“假孔雀石”（pseudomalachite ，包括吸收水份最多的蓝磷铜cornetite, Cu3PO4(OH)3；水分少一些的reichenbachite, Cu5(PO4)2(OH)4和libethenite Cu2PO4(OH) 等假孔雀石结构：
3CuO+H3PO4→Cu3PO4(OH)3
5CuO+H4P2O7→Cu5(PO4)2(OH)4
2CuO+HPO3→Cu2PO4(OH)
次生的碱式碳酸铜与次生的碱式磷酸铜这两类氧化矿物一起出现在铜锈上。
不过上述次生矿化现象，还算是最轻微的反应（在此情况下我们还有机会发现铜料），更多见的则是小型铜器完全粉末化，混在黏土中而无法辨别出来。在此情况下，田野发掘者会根本没办法发现有形状的、可辨识的铜器。因此不能仅仅只根据发现铜质标本的数量少就低估当时冶铜和使用铜器的规模。
本研究首先了解和掌握冶炼科学技术的一般规律和要求，尝试汇整早期冶炼遗存的各种细节，仔细观察其间的呼应、搭配耦合与差异，通盘思考隐藏在各种直接和间接证据之下的线索和脉络，从而尝试厘清石家河文化冶铜技术与文化发展的整体情况。由于已有足够的直接资料证明，长江中游地区自创发明了冶炼技术，并到石家河文化时（约公距今5000年起）已形成青铜文明；是故，本文拟从不同的角度讨论石家河青铜文明的面貌，包括冶铸技术的操作链和走向专业化的发展，以及冶铸铜对社会和精神文化的影响等。
二、石家河文化使用矿料与矿业的萌生（一）从纯氧化铜矿的冶炼到氧化铜矿与硫化铜矿搭配的冶炼法就铜矿性质来说，硫化铜矿脉均埋藏于地下，而在地表上铜料受到空气的影响而形成氧化铜，主要是碳酸氧化铜。所以人们基本上是从氧化铜矿开始认识铜，尤其是氧化铜矿外表为蓝绿色，绚丽醒目，容易引起人的注意。如果在原来没有冶炼过氧化铜的地区，从一开始就看到冶炼硫化铜的遗存，这基本上可以说明，该地区的人们并不是独立自行认识到铜料，而是从其他地方了解到，所以有目的性地挖矿，从矿脉中开采。譬如，黄河流域及河西地区未见逐渐认识从氧化铜到硫化铜的过程，而长江中游早期的冶炼无疑是从在地表上看到并有意识采集氧化铜矿石开始的。
不过，氧化铜矿石因裸露于地表而易于发现的事实，并不说明它容易冶炼。以西城驿为例，河西走廊早期炼炉在氧化气氛中冶炼铜矿而无法从氧化铜矿中提炼出铜。这是因为在氧化气氛里，既使增加温度却仍不足以获得金属，甚至如果能够到达1232℃ ，也只是会熔化成氧化的铜液，需要到达1800℃ ，化学结构才会衰变。
碳酸氧化铜矿主要性质是孔雀石和石青，后者不稳定，在长江中游湿润环境下容易吸收水变成孔雀石：2Cu3(CO3)2(OH)2+H2O→3Cu2CO3(OH)2+CO2 ，因此，长江中游矿山虽然有石青，其比例远低于孔雀石。不过在冶炼中，石青的反应与孔雀石一样，冶炼法亦相同。第一阶段是从250℃开始，从孔雀石中产生水气、二氧化碳以及氧化铜（黑铜tenorite, CuO）；第二阶段则在550℃以上（在710℃以上较为稳定）发生氧化铜与一氧化碳的反应，产生二氧化碳和金属铜。分页标题
I.（孔雀石） Cu2CO3(OH)2→2CuO+H2O↑+CO2↑
（石青）Cu3(CO3)2(OH)2→3CuO+H2O↑+2CO2↑
II. CuO+CO→Cu+CO2↑
除了碱式碳酸铜之外，还有碱式磷酸铜（即所谓“假孔雀石”），其结构的基础依然是氧化铜（CuO）。不过这在自然界是极罕见的矿物，更多仅见于次生的铜锈，因此对冶铜历史不起作用。
冶炼氧化銅的关键之处在于使用温度高但抽力低的炼炉，在缺氧还原气氛中才能发生化学反应。在实际操作中，为了增加温度就必须增加氧气，这就使得在炉内同时获得高温和一氧化碳是一件并不容易的事，所以需要很精准的技术，才能达成氧化铜全部反应成金属铜。长江中游从大溪文化以来，已稳定掌握在保持还原气氛的同时达到高温的烧陶技术。由此可见，长江中游早期冶炼起源符合两个互不可少的条件：既有充足的机会在生活区附近地表发现氧化铜矿而开始认识铜料，又具备足够从氧化铜矿提炼出金属铜的技术。
不过，零星公布的炼渣资料表明，到了石家河文化中期，已开始采用氧化铜及硫化铜搭配的冶炼法。 [7]这种情况一边表明，人们已不仅是从地表采集矿石，而已经开始在地表之下的矿脉里开采。考古资料也补证，石家河文化时，在矿山区大量出现定居遗址，这是石家河文化矿业发展的直接指标，专业工匠在矿区生活，开采、加工矿料，并进一步认识不同性质的矿物，这使他们有机会发现，如果地表的孔雀石与埋在其下的铜蓝石（硫化铜covellite, CuS）、辉铜（硫化亚铜chalcocite, Cu2S）等硫化铜矿一起冶炼，其效果比单独冶炼孔雀石好得多。
这是因为，一方面硫与氧发生反应时会释放热量，具有自热效应，起到增加炉内温度的效果；另一方面硫有还原剂作用，吸收氧气产生二氧化硫，使炉内还原气氛增加。所以，氧化铜矿与硫化铜矿放在一起冶炼，有利于在炉内形成稳定的高温还原环境。
我们以搭配孔雀石与铜蓝石为例观察还原铜的过程。炉内的化学反应经过三个阶段。第一阶段，从250℃开始从孔雀石中飞出水气和二氧化碳气体并产生黑铜（CuO）。第二阶段，炉内温度在达到358℃时，开始发生从铜蓝（CuS）出硫衰变为辉铜（Cu2S ，又称为“白冰铜”）的现象，而自由的硫发挥其还原剂作用，从氧化铜吸收部分氧，产生赤铜（Cu2O）和二氧化硫气体（如果用辉铜矿就没有这个第二阶段）。第三阶段是辉铜与赤铜（或与黑铜）产生化学反应，以还原金属铜而飞出二氧化硫气体。
I. （孔雀石+铜蓝）2Cu2CO3(OH)2+2CuS→4CuO+2CuS+2H2O↑+2CO2↑
（石青+铜蓝）4Cu3(CO3)2(OH)2+6CuS→12CuO+6CuS +4H2O↑+8CO2↑
（孔雀石+辉铜）Cu2CO3(OH)2+Cu2S→2CuO+Cu2S+H2O↑+CO2↑
（石青+辉铜）2Cu3(CO3)2(OH)2+3Cu2S→6CuO+3Cu2S +2H2O↑+4CO2↑
II.（孔雀石+铜蓝）4CuO+2CuS→2Cu2O+Cu2S+SO2↑
（石青+铜蓝）12CuO+6CuS→6Cu2O +3Cu2S+3SO2↑
（孔雀石+辉铜）2CuO+Cu2S
（石青+辉铜）6CuO+3Cu2S
III. （孔雀石+铜蓝）2Cu2O+Cu2S→6Cu+SO2↑
（石青+铜蓝）6Cu2O+3Cu2S→18Cu+3SO2↑
（孔雀石+辉铜）2CuO+Cu2S→4Cu+SO2↑
（石青+辉铜）6CuO+3Cu2S→12Cu+3SO2↑
【历史考古与上古文明|石家河文化：东亚自创的青铜文明（上）（一）矿业工具2、矿料磨碎工具（二）冶炼设备与相关配件】从以上公式可知，孔雀石、石青、铜蓝、辉铜，都可以一起冶炼，相辅相成，所有的矿料都同时会还原成金属铜。从上述公式另可见，在没有一氧化碳的气氛中，也会发生还原反应。不过在实际操作中，为了增加温度需要鼓风，加压输入氧气，为抵消炉火的氧气，因此也需要一氧化炭参加反应。硫和碳互补吸收炉内的氧气，以在保留高温度的同时，增加还原气氛，接着从氧化铜吸收氧，以全部还原金属铜。由此可见，这是一种无废料的化学生产方式。只是如果加斑铜矿或黄铜矿，炼渣中会含更多的金属铁。这也确实是石家河文化和后石家河文化的炼渣的共同特点。分页标题
总而言之，硫化铜与氧化铜互补搭配的炼法是效率最高，铜料损失最低的生产方式，古冶金专业试验数次证明这一点。 [8]而石家河文化中期以来的冶炼遗存表明，长江中游地区先民此时开始从地下矿藏中开采氧化层之下的硫化铜矿，因此有机会发现这种搭配不同铜料的冶炼方法的优势。
石家河人在矿山区开拓和定居，除了开采铜矿，也增加各方面的试验，寻找更坚固、易铸、耐用的材料，所以开始有意识地添加其他矿物，由此独立自创发明了合金技术。
（二）自创锡铜合金技术的蛛丝马迹很多石家河文化遗址出土铜的碎块，其实包括矿料、冶炼废料、器物残块等。虽然是在问题意识不足，甚至有偏见而倾向于否定冶铜技术的情况下所做的发掘，却仍然能够在很多遗址发现铜块、铜料，说明数量其实已经很多，铜已普遍进入当时人们的生活。不过，大部分铜块的性质不清楚，早期发掘大部分没有公布照片，最近出土的，虽然能看到，铜锈很深，形状不明，成份结构分析很少。但是从少量做过成份结构分析的标本可知，石家河铜器中已有含铅和锡，证明石家河文化已从红铜冶炼时代进入到青铜时代，并自行发明了锡铜技术。
最早的出土记录源自石家河遗址罗家柏岭的玉器制作坊，里面发现青铜工具碎片，虽然没有做过成份分析，但由于红铜性质过于柔软，不适合用于雕刻玉器，所以推测这种治玉工具应该属于青铜。 [9]
接着我们要提到的是石家河城内邓家湾出土的铜刀（T42:11）。关于其成份结构，早晚不同时期的检测结果不一致，铜之外或检测到锌和铅，并无砷，或检测到砷，并无锌，迄今未见有更详细的研究。 [10]这件红铜、青铜或黄铜（Cu-Zn合金）刀，在湖北省博物馆展出时，展厅曾有说明：“这是目前长江中游新石器文化所见唯一的金属冶炼遗物。 ”这种说明有着两个关键问题。第一，迄今已累积不少从油子岭文化以来的与冶炼活动直接有关的资料和证据，所以这并不是“唯一的金属冶炼遗物”；第二，既然早已有冶铸技术，就不能再称之为“新石器文化” ，石家河文化已是颇为成熟的青铜文明。中国学界习惯以大型青铜礼器的出现作为青铜时代到来的标志，这与世界上通行的考古学时代的定义有很大落差。比如，草原地带被公认为青铜时代的“安德罗诺沃文化” ，其铜器其实都不大，实际发现的数量也不多，很多遗址虽然有冶炼活动的遗迹，但却没有发现铜器。如果采用这种标准，是不是安德罗诺沃文化也应该被称为“新石器文化”？恐怕不妥，所以这是我们需要改变态度，采用国际标准定义文化性质。此外，邓家湾标本AT203:35含铅和锌，且其铜的比例达到67.77%[11] ，说明其原本有可能是某个青（黄）铜器的部件，因为未做进一步检测，具体情况尚难以判断。其他更多石家河遗址出土的铜块只是被简单提及，但没有被检测过，甚至免记录。
有关铅料来源，幕阜山区的湖北阳新县银山遗址处于铅锌矿区（图二一：9），可惜，遗址被后期法雨寺建筑破坏。此外湖南平江县属于石家河文化晚期、后石家河前段的童家遗址也位于铅矿区（图二一：11 ，表一）。该遗址的兴起是否与开采铅料有关？这个问题还需要进一步研究。
屈家岭遗址石家河中期地层出土了一件外形似斧的铜锭（2016HQQTN26W4110:5），绝对年代为公元前2600－2500左右[12] 。该铜锭是提炼出的铜颗粒一起熔化、备于铸造的半成品；或许也可能是把用坏的铜器放在一起重新熔化而做成铜锭，用于重新制造铜器。（铜器若坏，很少会被丢弃或埋藏于土中，其被重熔重制的比例非常高。）屈家岭遗址出土的铜锭标本还保留有熔铜坩锅或炼缸底部的弧形底部形状，是目前所知东亚最早的铜锭（图三：3）。对其成份的分析表明，其以纯铜为主，不过同时也含一点锡料（表二）。该铜锭里锡的含量明显超过自然杂质的成分，但又未达到人工合金的比例。参照其他地区古代青铜器的研究经验可知，与这种含锡比例最相符合的情况是铜器重制。这是因为，在重制的时候，将原本为红铜或青铜质的废器放在一起重新熔化铸造。通过这种方式混合，使得锡的比例变得很少，但却超过一般矿物中含有的天然杂质量。当然，亦可能存在其他情况，所以该问题迄今并无确定的答案。我们只能从前述事实做出初步假设，即石家河文化应该已经认识到锡，且慢慢开始用锡料做合金。当然，将来有待于发掘更多资料和证据，并进行深入研究，才能厘清长江中游社会发明Cu-Sn合金的具体年代。分页标题
有关石家河文化的锡料来源，在鄂湘赣三省交界的幕阜山区有易开采的锡矿，矿区边上有石家河文化和后石家河文化遗址，如通城尧家岭遗址等（图二一：13、表一），这可以直接证明锡铜合金是本土起源的。此外，大冶香炉山遗址调查时发现了锡铅铜的炼渣，在其旁边发现典型的屈家岭文化陶片及以降的遗物，故虽然香炉山炼渣标本的年代尚不能确定，但也有可能属于石家河文化。 [13]除了幕阜山区，我们在赣西北的九岭山脉调查时，也发现有容易开采的锡矿砂，且其周围有古人活动留下的遗存，根据从其中一处遗址的文化层下部采集的碳样所测得年代，其年代上限为公元前3600左右（表一）。该地区较多的遗物具有石家河时代的风格。具体矿藏和采矿情况、年代和文化关系等，还需要详细调查和研究。
到了石家河文化晚期至后石家河文化时期（初步评估其绝对年代约为公元前2400~公元前2000年间），在阳新大路铺遗址第七层冶炼区中出土了一件特别有意思的三元合金铜片（03ET23077:13 ，图三：1），这可能不仅是中国，甚至是世界历史中最早的锡铅铜三元青铜合金之一。该铜片呈绿色扁平状，检测其成份有Cu 19.84%、Pb 25.02%、Sn 41.34%、Fe 7.07%[14] 。这块铜片的成份，铜、铅、锡比例均高于自然生成矿物的比例，显然是人为添加而成。只不过，其合金比例极不合理，锡的含量过高，而铜的含量过少（这或许应该考虑铜锈流失的因素）。这种比例在铸造时就足以使器物破碎（含30%以上锡料的合金特别易碎。或许为了减少易碎的后果，该铜片又加入过多的铅，但仍无法解决问题）。 “从成份构成来看，这应该不是器物的残片，而是反映古人的试验，说明其时尚处于努力提升冶炼技术，铸造大型坚固青铜器的摸索和试验阶段。 ”[15]所以这可能是4000多年前长江中游某位冶炼专家的试验品，也是一件具有世界性意义的重大发现。
合金技术的起源与发展，首先涉及到矿源问题。由于西亚地区早期合金以砷青铜（Cu-As铜和砷的合金）为主，锡青铜相对晚出。学界以西亚为榜样而普遍认为，冶炼发展从纯铜经砷铜到锡铜。就铜矿结构来说，氧化带下部的胶结带常有黝铜矿脉，包括以Cu12As4S13为基楚的砷黝铜矿，如Cu6[Cu4(Fe,Zn)2]As4S13等。学界一般认为，因为含砷的铜硬度高，经过多年的经验，古人开始故意选择这种天然含砷的铜料，之后认识并能提炼出砷而开始做砷铜合金。这种理解相当合理，但是忽略了砷黝铜并非主矿，而是以脉性的形式零散地出现。砷黝铜脉有时候会包含在斑铜矿（bornite, Cu5FeS4）或黄铜矿（chalcopyrite, CuFeS2）等主矿内，但有时候只是在其它基岩中作细小的矿脉。其次，砷黝铜脉在西亚、欧洲有较密集的堆积；而在东亚较稀薄、并非普遍，虽然中国境内黄河中游的中条山、长江中下游的安徽地区、内蒙古的林西铜矿大井均有此类铜料，但矿脉小、含量也相对低；至于长江中游地区，砷黝铜脉更少。由于这种自然情况，东亚地区尤其是长江中游并没有发现所谓“砷铜阶段”[16] 。同理，学界以西亚为榜样而普遍认为，对铜料的认识是从用孔雀石做装饰品开始，然后进一步了解从孔雀石还原铜。但是这种模式却不符合长江中游冶炼发展的历程。此地孔雀石很纯而缺钙，因此易磨碎而不能用来雕刻，所以本地对铜矿的认识不可能是从做装饰品开始。
长江中游零星资料表明：第一、在遗址中开始出现孔雀石，这是冶炼技术起源的指标；第二、冶炼技术似乎是经过长期的纯铜阶段后，在此基础上直接发展到锡铜（中间可能还有锌铜）[17]；第三，较很早开始用铅，以改善金属的屈服度。

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图三：1. 大路铺锡铅铜片03ET2307⑦:13（1.3*0.7*0.2~0.3 cm ， Cu 19.84%, Pb 2
零星的考古发现表明，从公元前第四千纪以来（从大溪、屈家岭文化起），人们就经常来到幕阜山多种金属矿藏区，尝试采集铜矿料，摸索和发展采冶技术。他们应该是尝试了解各种不同的矿石的功能，而最后自行发明了铜液流动性好而易铸造且坚固耐用的铅锡铜三元合金。在这些探索、试验的基础上，接续石家河及后石家河文化的盘龙城文化[18] ，以武汉盘龙城遗址为代表，所出青铜器亦属于铜铅锡合金，其三元合金比例与同时代二里头、二里岗等黄河流域遗址所出铜器相比较，更为稳定，且按其比例制造出的青铜器耐锈蚀，硬度和抗拉度宜于制造锋刃器[19] 。盘龙城时期除了通城锡山的锡矿之外，也开拓其它锡矿区。如江西九江荞麦岭遗址，被认为很可能与本地锡矿开采有关系，其年代依发掘者判断，相当于盘龙城三至六期（图二一）。徐长青和饶华松认为，荞麦岭遗址具有水路交通便利的特点，易于受控制，且其发展与盘龙城遗址铸造大型青铜器的时间一致，所以，该遗址应与盘龙城文化开拓矿源，向赣北推进有关。 [20]
我们认为盘龙城青铜器之所以比例稳定，是因为长江中游地区经过长期摸索而确定最理想的配方，但未必把自己艰辛摸索到的“专利权”全部传授给其他地方，以盘龙城为中心的商王国尽量对技术细节保密，国家势力强的时候，很容易垄断自己的技术，工匠也不会轻易溜走，因此盘龙城国外产品质量不如国内所造。
尽管迄今盘龙城遗址的发掘面积远少于郑洛地区二里头和郑偃，但盘龙城出土的铜器，无论在种类、数量和质量上，都远超二里头和郑偃。河南境内所谓早商铜器也只有150余件，其中不少是小型器物，而盘龙城出土的青铜器，总数已达400余件[21] ，这还不算早年出土或被盗挖的青铜礼器。据当地老人回忆，二十世纪四十年代，大雨过后人们提篮子到李家嘴湖滨捡取青铜箭镞之类，有时一捡就是半个篮子[22] 。此外，各个博物馆收藏的部分所谓夏代和早中商青铜器，很可能源于盘龙城[23] 。盘龙城青铜器的耐锈性很高，其他地区时代更晚的青铜器常有蓝绿相杂的深层铜锈，而盘龙城青铜器全身变黑，铜病状态较少；据此推测，那些流散到各地博物馆的全身黑色的早商青铜器，有可能源自盘龙城。盘龙城之外，江西、湖南原属于虎国文明的青铜器也耐锈蚀[24] 。长江中游生活在最不利于保存铜器的自然环境中，早期的铜器易全锈而变成氧化铜粉。或许因为如此，人们经过长年试验，创造屈服度、硬度和抗拉度都很合适的最稳定的耐锈合金技术。
从比盘龙城晚的殷墟所出土的青铜器和冶炼遗迹，可以发现一种两方面互补相成的规律，使我们更加理解长江中游地区发现与掌握锡矿的重要性。一方面，学界均认同，殷墟一、二期前段的青铜器大部分是从外地输入，而不在殷墟本地铸造，只有到了殷墟二期后段和三期才开始在本地冶炼和铸造，并带有殷墟本地冶炼铸造的某些特征；殷墟发现的冶铸遗迹均属于三、四期，如殷墟孝民屯。 [25]另一方面，对殷墟青铜器合金成份的研究表明，从殷墟一、二期墓葬里出土的青铜器，是以铜锡铅三元合金为主，而殷墟三、四期青铜器经常表现出锡料缺乏的情况[26] 。孝民屯铸铜遗址的炼渣，虽然有铜锡铅三元合金的痕迹，但却以铜铅和铜铅砷合金为多，这种情况表明殷墟作坊存在锡料不足的情况。 [27]从铸造技术来说，殷墟三期及之后铸造的器物也明显不如当时南方所铸之器。 [28]
依我们浅见，这种情况所折射的历史背景是，殷商王国在武丁时期（殷墟二期）势力最为强大，此时很多青铜器是直接从南方获得，尤其是高等级墓葬的礼器，有明显是在长江流域铸造的特征[29] 。在武丁之后，殷商势力下降，有时候因能力不足，使其不能从长江中游输进足够锡料以供本地铸造青铜器之用。虽然东北辽西蒙东的林西县也有可能自夏家店下层以来即已开采的铜矿及锡矿[30] ，但从甲骨卜辞可知，当时此地是与殷商敌对的族团活动的舞台[31] ，导致殷商无论从哪里获得锡料都有一定的难度。与此形成对比的是，长江中游自鄂北到湘赣地区所出青铜器，在商周时代的合金配比一直很稳定，一直能够铸造精致的铜锡铅三元合金青铜器。此乃因长江中游地区铜锡铅金属资源丰富而全面，无短缺之虞，冶铸技术亦经由本地文化发展脉络得到稳定地传承。分页标题
除了铜锡铅三元合金之外，大冶香炉山发现了石家河文化的含锑的青铜炼渣，且检定报告认为，锑不是所含的杂物，而是人为加入的合金成份（图三：2）。此发现给我们一种启发：锑料加入到青铜合金中，可增加硬度，可以铸造薄胎青铜器。如果对香炉山铜渣的检测准确，我们或许还可以考虑长江中游古人对锑料早已有认识。世界最大的锑矿位于湘中地区冷水江市的锡矿山，从此地到幕阜山区的路线中间，恰好有后石家河时期的湘乡岱子坪遗址、宁乡罗家冲遗址以及商时期的宁乡炭河里遗址。从冷水江到宁乡的交通相当便利。周围地区曾出土很多精致的薄胎青铜器。笔者认为，该区域从岱子坪以来，定居生活一脉相承发展到商时期，周围的矿源对该区域经济的发展作用，还需要进一步调查和研究。其中，锑矿料与锡矿料表面上相似，活动于湘中地区的人们也许曾经将锑料当成锡料来采集，后来才认识到锑料的质地。为印证此假设，将来需要对宁乡青铜器成份、含锑合金及矿源等问题专门作研究，以进一步了解长江中游的青铜合金技术。
从上述资料可知，石家河文化人已有初步的合金技术，并能够铸造小型青铜器（工具或小型礼器和装饰品）。考虑到这样的时代与文化背景，当时必然配合有整套的冶铸操作链和相关工具，包括加工矿料的工具，冶金及熔铜液的设备，铸造模具和锻修的工具等。因此，下文拟从成套操作链的角度观察石家河文化的考古遗物，以试图复原当时冶铜技术的要点。这样做的目的，也是期待将来在田野工作时，工作人员能够特别注意和辨识出相关工具的残片和工作坊的残迹，并加以仔细记录。
三、初探石家河文化冶铸操作链（一）矿业工具冶金考古研究及试验表明，冶炼之前需要做很多预备矿料的事情，包括碎矿、洗矿、分选、粉磨等。所以，在有冶炼活动的遗址中必定会有成套工具。采集或开采出来的大块矿石首先需要砸碎，相应就会有用来碎矿的较粗重的石锤（hammerstone）和石砧（stone anvil）或石臼（mortar）；然后通过淘洗，选出铜精矿粒，就需要有洗矿斗（scoop），矿冶遗址一般都会有这两种功能的工具。在入炉冶炼前，还需要把矿粒进一步捣碎并磨成粉，所以需要用到较小的石臼或磨板石（abrasive plate），并搭配棒形石杵（pestle）或其它形状的研磨石（tamper）。 [32]
1、淘金斗木器
在石家河城的内城谭家岭出土了一件残船形木器（图四：1）[33] ，其形状和后世淘金斗十分类似，这使我们能够评估其可能的用途。
在大冶铜绿山遗址的矿井中发现几件船形木器，被认为是淘金斗，大约30－40厘米长，如第VII采矿井出土的淘金斗（VII(2):03 ，图四：2）。第VII矿井测年数据较多，都落在公元前1600年至公元前900年之间，这表明该采矿井的使用年代是从盘龙城三期即汤商早期至西周早期， VII(2):03标本属于年代偏早时期[34] 。这种木器也多有发现于长江流域商周时期的采矿遗址，经实验后证明，这是一种淘洗铜矿的工具，通过淘洗使矿物光泽清晰可见，有经验的矿工可以凭矿物质量光泽来判断铜矿质量和种类[35] 。淘金斗之所以发现于矿井中，是因为在地下开采矿时，需要不断辨别并明确矿脉走向，顺着矿脉开采。在黑暗的地下矿井中，矿工用不同的淘金斗分别从不同方向采集矿物，破碎和清洗后即可判断哪个方向的矿脉含铜量高，需要向哪个方向继续开采。

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图四1. 谭家岭出土石家河时期淘金斗IIIT0619⑨:15（残长32.2 ，宽15.8 ，内深3.5 ，底厚约3-4.5厘米
不过，淘金斗也有发现在矿井之外，这是因为冶炼前得借助淘金斗来判断那些矿石的成色质量，剔除部分杂质，选出金属含量高的精矿。分页标题
观察谭家岭出土的船形木器，与后世的淘金斗造型非常相似，大小弧度几乎一致。由此推论其用途也相同。可是，这一件没有出自矿业区，而出现于石家河城中。这种现象使我们思考几个问题。首先，淘金斗的出现表明当时已有专门的采矿业；可是，人们仍然将采选出来的矿石运回城，或许表明这时的矿业仍处于走向专业化的早期阶段。当时主要还是在城内，即在国家中心区做矿物的淘选和冶炼，也间接说明这时的冶炼还没有成长为一般性的工业。其次，在当时将碎石转化成金属铜是相当重要的事情，石家河文化早期的冶炼活动经常被安排在祭祀区，可能与社会特殊祭礼活动相配。只有到了石家河文化中晚期，在冶炼专业化分工得到很大发展以后，才在矿区附近建立专业化的矿冶聚落或据点，就近冶炼。

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图五大路铺出土商时期的遗物： 03EH105:10石砧与球型石锤（砧径长45─54、厚8.8─10.8厘米，锤直径5.

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图六 1─5. 蟹子地出土的遗物：1. H5:4早商时期的石砧；2. T1830③:9早商时期的棒形石锤；3. T193
谭家岭的淘金斗出土自2011年发掘区最下面第9层，根据简报描述，该层位除了石家河文化遗物外，也还发现一些油子岭文化遗物，而第9层之下还有可能建于油子岭或屈家岭文化时期的码头遗迹（即所谓木构遗迹1）。因此，我们或许可以考虑，这件淘金斗与码头遗迹相关。矿工可能用淘金斗分类筛选从矿区带来的矿石，装载矿石的航船到达城内以后，就在码头边上近水处再选、将品质低的矿石剔除，分类和定价，最后才被接受，在国家中心城市内派上用场。谭家岭淘金斗的年代，保守来看可能为石家河文化早期，希望将来能够有这方面的测年数据。
2、矿料磨碎工具位于幕阜山区北端的阳新县大路铺是一处矿冶遗址，在其商代地层中发现几件大型石砧，正面中部有明显的砸击凹痕，均发现于堆积其它冶铜废料的灰坑中。如开口于第6层下的H105 ，坑中土质疏松，夹杂烧土、炭渣，坑里堆积物除了几件陶器的碎片，还有石砧（03EH105:10-2）以及与之相搭配的上面有砸痕的球型石锤（03EH105:10-1 ， conglobate hammerstone / tamper），以及矿石碎块。开口于第5层下的H93 ，坑中土质疏松，夹杂烧土、炭渣，坑里堆积物混杂，除了各种陶片和石器之外，也出土了石砧（03EH93:52-1）和与之搭配的球型石锤（03EH93:52-2），锤上明显有砸痕，且锤身黏有绿色铜矿料粉渣，坑里还发现有炼渣（图五）。上述资料充分说明这种工具是用来敲碎、磨碎矿料的。
同样位于幕阜山区北端的大冶市蟹子地矿冶遗址，在商代地层中也发现有这种石砧以及尺寸可以互配的棒形石锤（图六：1─3）；同样的石砧也出自该遗址的后石家河文化地层中，素面石台中间有近圆形的浅臼窝，其尺寸大小正可用来敲碎一同共出的孔雀石（图六：4、5）。所以这一件粉碎矿料的工具也并非是单独出现，同时亦发现了矿料、炼炉、炼渣等成套的矿冶迹象[36] 。笔者在调查阳新观音垴早期专业化矿冶遗址时，也发现了同样的工具（图六：6）。陈树祥在对比其他资料后，认为这种工具在石家河及商周矿冶遗址中，功能相当明确。 [37]
古冶金考古研究和试验也表明，古人用较大的石锤砸碎矿石后，再用较小的石杵或研磨石来磨粉[38] 。根据长江中游的考古资料，石锤有棒形和球形，有时也使用没有加工过的砾石；研磨石同样也有棒形杵或较小的石球。
粉碎矿料的工具除了多见于矿区遗址外，其他遗址亦有出土。石家河遗址肖家屋脊在石家河文化早中期地层中也出土了一件石臼，虽然出土背景资料不详，但通过对照推论其用途或许一致。同一个地层也发现有似研磨石的工具，虽然这两件石器不在同处出土，但尺寸相近（图六：7、8）。肖家屋脊后石家河文化早期灰坑中也发现几件球型石锤，与大路铺出土的碎矿用球型石锤很像，表面上也有磨碎硬东西的砸痕和碎磨块（图七：3）。此外，在同一个H254灰坑中发现有27件棒形石杵，旁边的H230另发现17件（图七：2），并有发现破碎的石砧、砺石等[39] 。棒形石杵仅只堆积在这两个灰坑中，说明它们有特定作用，而非普通器物。这种工具大路铺也有，出土在炉壁块旁边（图二五：03ET2507⑧:14）。肖家屋脊在石家河文化和后石家河文化地层中都发现有铜料，亦发现有疑似冶炼工作坊的遗迹。 [40]所以，发现这些加工矿料的工具，其实一点也不奇怪。分页标题
随州金鸡岭遗址石家河文化中晚期地层中，同样的棒形石杵出土于烧土灰烬区边缘，我们同意发掘者的看法，认为其与烧土灰烬遗迹有直接关系，而且这里也曾有冶炼活动（图七：1）。

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图七 1. 金鸡岭7号烧土层遗迹和棒形石杵堆积（石杵标本左：堆积2:5 ， 10.7x2.6厘米， 54克；中：堆积2:9 ， 9
该遗址石家河文化早期的烧土堆积上，也出土了与大路铺一样的球型石锤，其一边还有使用留下的疤痕（图七：4）。这类石锤出土了好几件。此外，还出土有小型石球，其中发现有跟铜料同出于同一个探方的石家河文化早期地层（图七：5、9）。在附近位置的后石家河文化早期地层中，亦出土了石臼和石球，两者尺寸互相搭配，有可能是成套工具（图七：7、8），巧合的是，石臼的尺寸正好符合该遗址发掘报告记录的一块铜料的尺寸。 [41]
总的来说，金鸡岭遗址既发现有铜料，亦发现有各种碎磨矿的工具，包括磨石、石臼、石锤、石杵、石砧和研磨石等，但大部分器形比大路铺、蟹子地所出同类工具的尺寸要小，这可能是由于后者为矿区遗址而金鸡岭不在矿区的缘故。矿区遗址在石家河文化时期早已不仅是采集地面的铜矿碎块，而且已进入到专业开采铜矿的阶段，是故经常需要加工大型铜矿石块。而金鸡岭不在矿区，其冶铜业是依靠从矿区运来的铜料，在矿井开采时，为方便运输，早已先行将大型矿石敲碎、淘选，然后才将其运到象金鸡岭这样的冶炼作坊专业区，进行二次加工，再磨碎成粉备于冶炼，因此这里相配套的碎矿工具也较小。不过，金鸡岭碎矿工具的出土位置一同伴出灰烬烧土，也颇能说明其用途。总体观察该遗址的遗迹、遗物，笔者认为其中有不少与冶炼活动有关，将来还需要重新专门研究。
上述石质工具形状不复杂，不能因为发现石锤或磨石就简单地判断为冶炼遗存，因为这种形状的石器会还有其他用途。石器的功能问题，一定要从成套的考古遗迹、遗物来分析。例如湘阴青山早期冶炼遗址，磨板石上的磨痕告诉我们这不是磨制石器的痕迹，而是研磨硬质砂性的材料（图九：5）；磨板石出土于混杂着灰烬的灰黑土堆积坑里，并共出很多烧土颗粒、三件坩锅（图九：4）、一件鼓风嘴（图九：3）、一件石范（图十三：5）。这种背景足以让我们较为肯定地判断，共出的磨板石应该是用作研磨矿料的。
（二）冶炼设备与相关配件粉碎矿体之后的阶段，乃从矿物原料冶炼金属的过程，之后才可以锻造或再熔化铜液以铸器。无论是从铜矿提炼出铜或熔化铜液，都需要安排高温炼炉（smelting furance），因此需要安排适当的鼓风，在鼓风口需要有烧不坏的风嘴（tuyere）；此外，还需要制造耐火的坩锅（crucible）等配件。
1、鼓风器
古埃及画像石和壁画有造型当时冶炼、铸造过程，包过炼炉鼓风动作。在古王国的石刻可见有一群人持着空心筒口吹旺炉火。这种鼓风筒可以用芦苇或竹子的空心杆，但是为避免其在炉子里的鼓风嘴被烧坏，在靠近火的一端需要套上陶质管套，再用黏土密封和包裹，形成一个耐火的陶质风嘴[42] 。如公元前26世纪在位的卡夫拉（Khafra）法老的Meresankh III皇后丧庙画像石上，可见四个男生以半蹲略前倾的姿势，口吹鼓风器，鼓风器的吹气端很小，接近炼炉的一端因加陶质风嘴显得较大，整体呈棒槌形；炼炉不大，竖置，弧顶密封，高出于地面；在其左边有一位男生坐在石砧或石碫前，右手持石锤，左手按于石砧上，整个动作像是在磨碎矿料（备料用于冶炼）或者锻造铜器（将冶铸的产品作进一步加工）；显然这一幅图的两组画面显示的是同一种专业冶炼生产场景的两个互相搭配的环节（图八：1）。在卡夫拉的儿子Wepemnefert的丧庙画像石上，冶炼的过程用图画和文字表现得很完整：右边四位口吹鼓风炼炉；中间一位倒出铜液到模子里；左边两位在碫石上用锻打的方法修正铜器（图八：2）。在古王国石雕上，这种主题造型颇为常见，铜工以嘴吹用空心植物茎秆作的气管，另一端连着陶制风嘴，后者放置到炉子的鼓风口内。分页标题
在古埃及新王国壁画上可见更发达的鼓风器，这是一个用兽肚或兽皮制作的皮囊，上系一条细绳；操作时，铜工先用手拉绳，使皮囊充满气，然后用脚踏之，压出的气经风管和风嘴快速流入炼炉内，如此反复进行，持续鼓风入炉，且双手和双脚并用，同时操作两个气囊，如参公元前15世纪第十八王朝图特摩斯三世（Thutmosis III）时代Rekhmire丧庙的精致壁画，或公元前13世纪十九王朝拉美西斯二世（Ramesses II）的司库员丧庙壁画等[43]（图八：3；九：7）。尽管所用鼓风器有大或小，但伸入炼炉的风嘴同样必有陶制的套子即陶风嘴。
近几十年以来所有的古冶金试验和研究都表明，人们会先烧制这种陶质的风嘴（图九：1），要么用嘴吹气鼓风，要么用风箱吹气鼓风。无论是口吹，或用手动风箱（hand-operated bellows）、脚动风箱（foot-operated bellows）等，都会有空心管插入到炉子里，而在插入端一定会有带陶套的风嘴。如果用口吹，只能用较细的空心植物茎杆作风管，相应地，风嘴的直径也较细小；如果采用风箱，可用竹杆，风嘴较宽，直径较大。
在考古情境中，用来鼓风的空心植物茎杆或兽皮风箱都难以保留下来，能看到的只会是这些陶质风嘴的残片而已，而且这些残片也很难有机会看出其原初的形状，因为这些冶炼耗材在使用时会一直用到破裂、解体而成为碎片，最后成为难以复原的小块烧土。在这种情况下，我们不能因为在长江中游地区发现的风嘴残片数量少而低估其意义。

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图八古埃及丧庙壁上的冶炼铸造图：1. 摘自古王国第四王朝卡夫拉法老的皇后Meresankh III 丧庙壁画像石（局

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图九陶质风嘴：1. 模仿安德罗诺沃文化粗泥质风嘴试验标本（内径约0.5厘米）；2─3. 湘阴青山遗址出土的夹砂陶厚胎风
我们从大溪到屈家岭文化的遗存中发现有较小的鼓风嘴，其形状和尺寸恰好符合插入人们用口吹的空心芦苇杆之类导风管。如湘阴青山遗址发现了迄今所知东亚最早的冶炼活动遗存。遗址中发现两件风嘴。这两件风嘴均为厚胎夹砂红陶，外表面呈现很多不均衡的颜色驳杂的斑块，似为冶炼过程中受热渗透熏染所致；其内空孔径细小，大小尺寸恰好可以将用人嘴吹的细管塞入其中（图九：2、3）。其中一件（H11:147）与其它冶炼工具（图九：4、5）出自同一个灰坑；另一件虽然出自地层，但也共出有其它冶炼工具[44] 。
肖家屋脊屈家岭文化地层中也出土疑似风嘴的器物（AT10114:8），外形呈橄榄形，内孔径细小，其一端口部窄小，可能是出气口，另一端口部虽然略宽一点，但也只容许插入芦苇杆之类的吹气管[45] 。
发展到石家河文化阶段，已可见到相当大的陶质鼓风嘴，如屈家岭遗址石家河文化中期地层出土的（标本2016HQQ TN14W352），其形状大体为两边皆无底的圆筒形，外壁厚1.5─3厘米不均，孔内径达到3─4厘米，符合插入竹杆作为导风管，空心内壁也留下似竹节性形状的结构。该风嘴一端略窄小，直径7厘米，应为出气端；另一端略宽大，直径10厘米，是为进气端。风嘴外壁表面有一半光洁平滑，红色，这应是固定在地上即泥土里的那一部分；另一半的表面凹凸不平，有小孔，并呈现流渗而入的废料斑块（图九：6）[46] 。这种风嘴的出现，说明当时采用了较大型的鼓风箱，风嘴被固定安放在炉体特定位置。至于当时风箱材质和结构，是用单腔室的风箱结构（single-chambered bellows），或者双腔室的风箱结构（double-chambered bellows），是手动式或脚动式，因为没有保留像古埃及这样的图像造型，所以暂时没有办法厘清。分页标题
此外，模拟试验表明，用于冶铸业的风嘴上，表面都不会留下任何炼渣，其陶色在使用过程中也基本上不会有大的变化，这种情况增加了我们在考古情境中辩识风嘴的难度。实际上，除了鼓风器之外，固定式双烧室的炼炉也可能会埋设导气管[47] ，所以，若在考古中发现两端无底而中空的管形器，也许需要结合其形制、尺寸和出土情境，综合判断其具体作用。
热气流动、抽气力和鼓风的安排，对冶炼的成功有关键作用。如果冶炼氧化铜，炼炉不仅需要高温，还需要控制氧气，以便在还原气氛中能产生化学反应，所以在炼炉里安排鼓风，需要同时符合高温与缺氧这两种互相矛盾的目标。
2、炼炉与坩锅合为一体的炼缸：炼缸技术的发明是石家河文化出现的指标
由于长江中游最早是用氧化铜矿冶炼（主要是碳酸氧化铜孔雀石），所以发明并发展还原冶炼法，其技术至少可溯源至油子岭文化[48]；前述炼炉、鼓风器、坩锅等一套冶炼工具在公元前第四千纪长江中游大溪文化三（如青山遗址，图九：4）、四期、油子岭文化和屈家岭文化已零星可见（另文再详细讨论）。到距今5000年以来的石家河文化，仍继续使用还原冶炼法，且得到进一步发展，其中最关键的突破是发明了炼缸（“smelting” vat or “vat furnace”）。自此以后，长江中游冶金活动稳步迈向专业化，进而奠定中国青铜技术的重要基础，冶炼技术迅速上升并普遍化。炼缸把炼炉与坩锅合成一体，除了作炼炉之外，还可以作熔铜炉，既可用于从矿石冶炼铜，亦可以用于熔铜铸造。这是长江中游发明的独有的冶炼技术，古埃及、西亚、中亚、欧洲都未见到。
商周时期掌握青铜铸造技术的城址中，经常发现一种俗称为“将军盔”的缸形炼炉，其特点是夹粗砂陶质、壁厚重、在底部特别加厚、外底部突出。经模拟实验证实，炼缸的底部突出，与其用做浇铸的缸式熔铜炉有关。尖厚底的设计有利于铜液保温而不致于凝固，而且使操作者易于倒出铜液，方便浇注。炼缸厚实、多层的陶质结构，使其能够经受短时间内（20分钟）加温至1100℃以上而不至于破裂，这样的温度足以将铜料熔化，且操作者接触炼缸外壁时，不致太烫手，从而可以徒手操作。虽然该试验针对的是盘龙城时代商文化的炼缸[49] ，但是这种类型的陶炼缸，其实早已出现于长江中游，其始见时代正好是屈家岭文化演变为石家河文化之际，考虑到这种技术突破所具有的革命性意义，笔者建议将其出现作为石家河文化发生的关键指标之一。
屈家岭、石家河文化交接之际，大型炼缸的碎片发现于石家河城内冶炼场所和灰烬坑中，以及其他屈家岭、石家河文化遗址中，如汉北地区的京山屈家岭、江汉地区的城河城、澧阳平原的城头山、洞庭平原的七星墩、幕阜山区的大路铺等等遗址（图十：1─13；十三：2；二六：10；三三：2）。最早的炼缸上腹直壁，下腹斜收，小平底，在口沿部分壁厚1.5－3.3厘米；底部壁厚超过3-5厘米，多为夹粗砂红陶，因此可以耐高温。通常情况下，只有用作瓮棺葬具或祭坛上礼器（即从实用器转变为宗教仪式性用途）的炼缸，才会完整地保存下来；其他此类实用器，会一直使用到损毁为止，所以很难见到完整器出土，尤其是汇流铜液的底部，更难完整保存。

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图十 1─13. 屈家岭、石家河文化交接时期的炼缸：1. 城头山M385:2葬具（口径38 ，高48.5厘米）; 2.城
石家河文化早期，炼缸技术快速发展，出现了不同形制，如小平底、尖底、尖圆底和杯形底等几种特定形状的炼缸（图十：14─25；二五；二六：9、8；三三：1）。 [50]在后石家河文化（图十：26；二七）和盘龙城文化遗址中（图十二：2─5），炼缸依然是非常普遍的器物，形状与石家河文化一致。这一器物也更广泛地传播到其他地区，如江西吴城及淮黄流域。但该技术的源头是在约距今5000年前的长江中游。实际上，长江中游地区还可见到时代更早但尺寸较小的炼缸。对于炼缸技术的源头，笔者拟另文再讨论。分页标题
大型炼缸的出现反映当时冶炼技术的发展趋于系统化。使用炼缸还原铜，操作简单方便，只需要将粉碎的孔雀石和木炭都放在炼缸里边，点燃木炭，当缸内达到一定温度时，将炼缸口部盖住，控制氧气进入，即可形成还原气氛，使铜矿料在还原气氛中与一氧化炭发生化学反应而析出金属铜。如果矿料品质好、技术稳定，冶炼过程中不发错误，化学反应成功而缸壁也不会留下铜渣。学者们试验也证明，用品质好的孔雀石冶炼，出铜率超过90% ，且几乎没有炼渣，只偶尔会留下很少量的含铜量高的废品[51]；而用长江中游式的炼缸做炼铸试验表明， “陶缸内壁均未见粘有铜液和木炭屑之类的残留物。 ”[52]这表明，冶炼熔铜液时，在炼缸的壁上很少会留下渗炭或塞住炼渣的痕迹，这导致检测残留物实体的困难。
炼缸碎片的陶色，其底色一般为红陶，说明它们原本是在氧化气氛下烧造的，但同时经常在表面上（主要是内壁）见到灰黑斑，如报告里经常有诸如“夹粗砂红胎黑陶”之类的描述[53] ，其实可能是使用时在还原气氛环境中被熏黑的斑块或表皮。在冶炼时，如果炼缸是单独用作炉子，会导致器内发灰发黑，器外表面仍保留原来的红色；但是，如果将炼缸放在龙窑式的冶炼炉膛里，因里面炉气（主要为一氧化碳）浓厚，会导致炼缸内外表面被熏得都发灰[54] 。但是，当这些缸片保存在有机物丰富的粘土里长达数千年之后，冶炼过程中原本很少渗碳的事实，以及原本因使用过程中的还原环境而被熏黑并附着在炼缸内的灰烬痕迹，也都已经土壤化，表现为缸内夹的灰土，这经常导致能够反映炼缸原本用途的痕迹并不明显或清晰可见。尽管如此，偶见的少量直接证据、模拟试验，以及一直留传到商周的炼缸技术发展脉络，都提供了毋庸置疑的线索，可以证明这种器物原本是作冶炼用的。
从用炼缸提炼氧化铜的技术来思考，矿料放在炼缸中，需要特别注意矿料与入出风口之间的距离不能太近，至少需要有多于15厘米的距离，这中间的空间一般会装满炭，避免冶炼时发生氧化；此外，炼缸口部需要盖住，只保留鼓风口和出烟口。用炼缸冶炼过程分两个阶段。第一是快速鼓风阶段，当缸内温度达到220℃以上时，从孔雀石粉开始提炼出氧化铜；当缸内温度到达550℃以上时，部分氧化铜已还原成铜，但是为了化学反应全面成功，需要将温度稳定地保持在710℃以上，因此鼓风时间应该持续十几分钟。第二段，停止鼓风，塞住入出风口，使缸内因缺氧而形成大量一氧化碳，这段时间缸内温度一直不能低于710℃ ，这样一氧化碳就能稳定地从氧化铜还原出纯铜。同样，若将炼缸用作熔铜炉，在获取铜液时需要避免铜料氧化，所以工作流程相近，只是需要到达更高的温度，所以鼓风时间略久，而后面铜液密封的时间较短。
也就是说，先大量鼓风达致高温，后密封控制氧气进入是两个必要的阶段。如Rekhmire丧庙壁画所造型的，上一组有两个人在炉子两旁用力鼓风，另一个人用棍子在炉里搅动；下一组两个人不再用鼓风器，合力拿起一种盖具放在炉口上以密封炉室（图八：3）。
从上述技术分析可知，炼缸上必然有某种覆盖的器物。在从事专业化冶炼的阳新大路铺遗址，在其最下一面第⑩层的炼缸片堆积中，另发现一件似为盖纽的残片，与炼缸一样为夹粗砂厚胎褐陶，其他地层也有类似的盖片，或许就是炼缸盖的碎片（图二六：03ET230710:35、03EN46:16）。湖南华容车轱山遗址的整理者也有注意到与炼缸尺寸搭配的陶盖。除了直接用盖子，古人还会用其他缸口塞住的方式。虽然这类耗材均未保存下来，更难以复原，但是经过更系统的研究，或许能够复原炼缸发明之后长江中游地区的冶金操作链全过程。分页标题
发明炼缸之前，屈家岭文化先民可能已会冶炼之后，把提炼出来的铜料放在小坩锅里熔化铜液，这种方法效率很低，一次熔化能制造器物的大小和数量很有限。炼缸发明之后，炼缸的设计使得它们在保持还原气氛的同时，还有可能将缸内温度维持在1083℃以上，所以能一次熔化很多铜液。上述试验表明，一次可以熔化2~3.5公斤铜料，这意味着冶铸技术可以走向专业化。而且人们更进一步突破从前的热锻造法，使铸造技艺迅速发展。只有当人们因用炼缸而有能力获得较多铜液之后，才会进一步思考如何使它凝结成自己所希望的形状。综合各种资料和证据，我们认为长江中游的铸造工业滥觞于屈家岭文化之前，而到石家河文化时期迅速发展，此时可能已经发明用石范和陶范铸造的方法。
【说明】本文出自郭静云、邱诗萤、郭立新：《石家河文化：东亚自创的青铜文明》（上），《南方文物》2019年4期。如需引用或转载，务请以原文为准，并注明作者及出处。
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