翁牛特旗大营子冶炼遗址研究

2019-06-13李延祥董利军陈建立朱延平

文物保护与考古科学 2019年1期

李延祥，董利军，陈建立，朱延平

(1．北京科技大学冶金与材料史研究所，北京 100083;2．内蒙古师范大学科学技术史研究院，内蒙古呼和浩特 010022;3．北京大学文博学院，北京 100871;4．中国社会科学院考古研究所，北京 100070)

0 引言

大营子冶炼遗址(以下简称“遗址”或“大营子遗址”)是根据当地村民提供线索发现的。笔者等先后于2003年1月，2008年6月、9月、11月对大营子遗址进行了4次考察。遗址位于翁牛特旗五分地镇大营子村南侧的大山的北坡上(图1)，中心点 GPS 数据为 N 43°10'06.6″，E 118°26'45.1″，海拔921 m，北距著名的林西县大井古铜矿遗址60 km。

遗址可分为东西两区。东区最大特征是有一座边长40 m的正方形山城，从山城向东跨过一深沟即为东区主体部分。据当地村民介绍，东区于2002年秋季有大量墓葬被盗，2003年1月考察时见有被盗墓葬约百余座，皆为典型的夏家店上层文化石板墓(图2)。西区的主要迹象为大营子村西一深沟西侧底发现一灰坑遗址(图3)。东区地表散布被盗掘出的大量夏家店上层文化陶片、人骨及石板，证实此区实为一墓区。在墓区盗掘出的土中及其东缘沟坡上，采集到大量炉渣、陶片、石器(图4)及人骨。上述迹象显示东区的冶炼遗迹应在墓地建成之前形成，并为后建墓葬所覆盖或打破。西区灰坑内集中堆积有炉渣、木炭颗粒等遗物，附近可采集到矿石、陶片等遗物。

遗址东区上共采集到24件典型陶片和2件石器残件样品(图4)，陶片样品均为夹砂红陶，其中包括9件圆锥体状鬲足(长度为5～10 cm)，1件器物耳部(中间一排右三)和三足器的裆部(下排左四)，其余均为厚度约0.8 cm的器壁残片。器物耳部残片与两件面积较大的陶片(中间一排左一和右一)表面呈黑灰色。以上遗物均属夏家店上层文化。

遗址东区上共采集到28件炉渣样品(图5)，均为粘有炉壁的炉渣。炉渣呈黑褐色，大部分炉壁呈土黄色，5件样品(上数一排右三，第二排左二和右三，第三排右二与右四)的炉壁部分呈砖红色。炉渣体积相对其他遗址较大，最大两块(上数一排和第二排左三)长度在10 cm左右，6块炉渣体积在5 cm×5 cm×3 cm到8 cm×8 cm×4 cm之间，有2块样品体积不足2 cm×2 cm×2 cm。遗址西区灰坑所处炉渣与东区采集炉渣形貌相同，附近共采集到6块矿石样品，最大一块体积约为4 cm×3 cm×2 cm，其余5块体积都不大，约为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm。6块矿石均为黄褐色脉石上附着的蓝色和绿色层状铜矿物。

1 样品检测

1.1 炉渣分析

遗址上采集炉渣呈黑褐色，结构致密，大块渣多数带有红褐色草拌泥质的炉壁，选取11个样品进行分析，其中 DYZ1～DYZ6共6个样品出自东区，DYZ7～DYZ11共5个样品出自西区灰坑。使用日本电子公司JSM6840LV扫描电镜和美国热电公司Noran System six能谱仪对样品进行观测及拍照。分别对炉渣基体和炉渣中金属颗粒的成分进行能谱分析。工作加速电压为20 kV，能谱分析的驻留时间为60 s。基体成分经能谱分析结果见表1。在其中9个样品中找到19个较大金属颗粒，经能谱仪分析的各金属颗粒成分见表2及图6～11。

表1 炉渣基体成分SEM－EDS分析Table 1 SEM－EDS analysis on the slag matrix (%)

表2 炉渣中金属颗粒成分SEM－EDS分析Table 2 SEM－EDS analysis on prills in the slag (%)

1.2 矿石分析

对遗址西区采集到的6块矿石进行了扫描电镜观测(设备型号与观测条件同前文)，分别观测到以铜、锡、砷、铅、银为主的物相，据此推断遗址使用的是铜锡砷铅并含有银的共生矿石，典型矿石物相参见图12～15。为方便起见，各图中直接标出了各主要物相的位置和主成分或相应矿物。

1.3 铅同位素分析

目前所知的夏家店上层文化铜矿遗址只有林西大井古铜矿遗址［1］，且该遗址冶炼遗迹规模与采矿遗迹规模不匹配，必有大量矿石外运它处冶炼，巴林右旗塔布敖包冶炼遗址的研究已显示其矿石来源于大井古铜矿遗址［2］。大营子遗址的矿石也很可能来源于大井古铜矿遗址。为证实此点，选取了大营子遗址4个炉渣(来自东区)和1个矿石(来自西区)样品，以及大井古铜矿遗址炉渣、矿石各6个样品委托核工业地质研究院测试中心进行铅同位素比值和微量元素分析。使用设备为ISOPROBE－T热电离质谱仪，依据GB/T 17672—1999《岩石中铅锶钕同位素测定方法》进行，矿石和炉渣中的铅富集是通过离子交换树脂来实现的。铅同位素比值分析结果见表3。

表3 大井古铜矿遗址与大营子遗址矿石、炉渣铅同位素比值表Table 3 Lead isotopic analysis on the ores and slag from the Dajing and Dayingzi Sites

(续表3)

大营子遗址的4个炉渣样品的铅同位素比值数据中，206Pb/204Pb最大值(炉渣DYZ18)为18.367，最小值(炉渣DYZ19)为18.317，算术平均值为18.339;207Pb/204Pb最大值(炉渣 DYZ18)为15.604，最小值(炉渣 DYZ19)为 15.543，算术平均值为 15.572;

1.4 微量元素分析

微量元素的分析委托核工业地质研究院测试中心分析微量元素测试使用Finnigan MAT制造的高分辨电感耦合等离子体质谱仪(HR－ICPMS)，依据DZ/T 0223—2001电感耦合等离子体质谱(ICP－MS)方法通则进行。大营子遗址微量元素测定使用了与铅同位素比值分析共同样品。本208Pb/204Pb最大值(炉渣 DYZ18)为38.336，最小值(炉渣DYZ19)为38.140，算术平均值为38.232。

把大营子遗址与大井古铜矿遗址的炉渣和矿石的铅同位素比值数据进行比较，分别作铀铅图和钍铅－铀铅图(图16～17)。研究仅给出了特征明显的Zn、Mo、Pb的测定结果，见表4。

1.5 碳十四年代测定

为获得大营子遗址东西两区冶炼遗存的绝对年代，对东区炉渣中发现的2个木炭样品及西区与炉渣共存的1个木炭样品在北京大学使用AMS法进行了年代测定，结果见表5。

表4 大井古铜矿遗址与大营子遗址矿石、炉渣微量元素分析Table 4 Trace element(Zn，Mo and Pb)analysis on the ores and slag from the Daying and Dayingzi Sites (μg/g)

(续表4)

表5 大营子遗址年代测定结果Table 5 Carbon dating results of the Dayingzi Site

2 讨论

2.1 大营子遗址冶炼产品

大营子遗址炉渣基体成分以SiO2－FeO为主。炉渣中含Cu量比较低，11个样品中有8个样品的Cu含量低于2%。炉渣中大多数金属颗粒含As和Sn，但含量高低不均。19个颗粒中11个含As，最高的含量为11.36%，平均含量为6.21%。有13个颗粒中含 Sn，最高含量为 26.64%，平均含量为10.02%。其中有5个颗粒同时含有As和Sn。这些大小不一的合金颗粒处于形成过程之中，未及沉降到炉底而残留于炉渣中，无数个上述颗粒汇集到一起就会形成最终产品，因此可以判定大营子遗址东西两区的冶炼产品是铜锡砷三元合金，不同炉次的具体产品在砷锡含量上可能有波动。

2.2 大营子遗址矿石来源

从图12～15观测结果看，大营子遗址矿石含有铜氧化矿物、铜砷氧化铅矿物、砷氧化矿物、锡石及少量铅氧化矿物等，与多种文献报道的大井铜矿所含矿物种类吻合。

从图16和图17中可以看出，大营子遗址的矿石、炉渣的铅同位素比值数据都落在大井古铜矿遗址的矿石和炉渣数据分布的范围内。

大营子遗址矿石样品的206Pb/204Pb值比大井遗址矿石的均值低0.010，这个差值远远低于大井遗址6个矿石样品206Pb/204Pb数值的极差(0.043);207Pb/204Pb值比大井矿石均值高0.005，这个差值远远低于大井遗址6个矿石样品207Pb/204Pb数值的极差(0.036);208Pb/204Pb值比大井遗址数据的均值低0.030，这个差值也远远低于大井遗址矿石样品数值的极差(0.126)。

大营子遗址4个炉渣样品的206Pb/204Pb的均值比大井遗址炉渣的均值低0.016，这个差值远远低于大井遗址6个炉渣样品206Pb/204Pb数值的极差(0.071);207Pb/204Pb均值比大井炉渣均值低0.023，这个差值也远远低于大井遗址6个炉渣样品207Pb/204Pb数值的极差(0.096);208Pb/204Pb值比大井遗址数据的均值低0.081，这个差值也远低于大井遗址炉渣样品数值的极差(0.307)。

地质文献显示大井铜矿具有高锌、低钼的特征［3，4］，魏国锋［5］的分析及本研究的分析也都显示大井遗址矿石和炉渣确有高锌、低钼，本研究对大井大营子遗址矿石的微量元素呈现出高锌、低钼的特点，与大井古铜矿矿石非常吻合。大营子遗址炉渣含铅量较大井古铜矿遗址炉渣低很多，表明其冶炼或因时间较长、或因温度较高，致使铅得以充分沉降进入了产品合金中。

综上，从铅同位素、微量元素分布看，大营子遗址的矿石来自于大井古铜矿遗址无疑。

2.3 大营子遗址的年代

大营子遗址东西两区所出带有炉壁的炉渣、陶片等在类型学上与大井古铜矿遗址、塔布敖包遗址所出者完全相同，因此可以肯定大营子遗址所有冶炼遗物属于夏家店上层文化无疑。

大营子遗址东区获得的炉渣中经破碎获得的两个木炭标本测定的年代(表5)分别为1 511—1 388 BC(置信度92.9%)、1233—1011BC(置信度94.0%)，表明其最早年代为1 500 BC，最晚年代也达到1 000 BC。

赤峰北部有关夏家店上层文化的年代测定主要来自林西大井古铜矿和克什克腾旗龙头山遗址。大井古铜矿碳十四年代测定数据共有4个［6］，分别为BK77024的距今2 720±90年(树轮校正为896—788 BC)，BK77028的距今2 970±115年(树轮校正为1 260—920 BC)，ZK－0411的2 780±100年(树轮校正为976—800 BC)，ZK－0412的距今2 795±85年(树轮校正为981—808 BC)。被认为是夏家店上层文化典型遗址的克什克腾旗龙头山遗址碳十四数据有3个［7］，第一期遗存中的Ml棺木测定结果树轮校正为距今3 240±150年(1 290±150 BC即1 440—1 140 BC)，第二期H21木炭测定结果树轮校正为距今2 650±135年(700±135 BC即835—565 BC)，第四期祭坑测定结果树轮校正为距今2 455±80年(505±80 BC即585—425 BC)。这其中最早的是龙头山遗址第一期遗存中的M1棺木测定结果，为1 440—1 140 BC。

冶炼所使用的木炭系以当地树木烧制而成，其原料为直径较小(约10 cm)枝干，其本身生存年代仅数年，不可能造成很大的年代误差，因此使用炉渣中残留木炭测得的年代应能准确代表冶炼活动的年代。大营子遗址东区的上述年代测定结果是目前所测定的夏家店上层文化中最早的，表明大井古铜矿早在1 500—1 400 BC就得到了开发，其矿石外运到了大营子遗址进行冶炼，在该遗址的东区的冶炼活动持续了约四五百年，因而留下较多的冶炼遗存。

与近年发掘的克什克腾旗喜鹊沟采矿遗址年代测定结果［8］相比较，大营子东区的前述测年结果还表明辽西青铜时代早期(夏家店下层文化及其后续文化)与晚期(夏家店上层文化)之间是有部分时段是重叠的。

大营子西区灰坑中与炉渣共存的木炭测定年代为902—801 BC(置信度95.4%)，表明其所代表的冶炼活动比东区晚，应是东区冶炼场所废弃并被作为墓地后另开辟的冶炼场所，两区之间的冶炼活动在年代上可能是接续的。