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探矿和冶炼的立体教科书
铜绿山古铜矿遗址的发现和发掘,引起了国内外学术界的高度重视,具有重大的历史价值和科学价值。中国有举世闻名的青铜文化,大量的青铜器皿品种繁多、造型生动、铸造精美,古往今来受到人们的称颂和赞美。但是,铸造这些青铜器的铜是怎样开采、怎样冶炼的,由于文献缺乏,成为学术界十分关注的问题。铜绿山古铜矿遗址的发现和发掘,为回答中国青铜文化时代铜的来源问题提供了科学依据,说明中国青铜文化是一部独立的、完整的历史。铜绿山古铜矿的发现和发掘,填补了中国古代矿冶科技史的空白。在距今?2000~3000年前的历史岁月里,古代矿冶工匠们在铜绿山进行大规模的深井开采,成功解决了深井开采中的一系列技术问题,创造使用鼓风竖炉炼铜。这些珍贵的史料前所未有。
铜绿山古铜矿遗址的发现和发掘在世界采矿和冶金史上占有重要地位。人类自开始利用铜矿资源以来,在各个历史时期均进行了开采,但常常导致后期开采破坏了早期开采遗址,因而很难保存下来。铜绿山古铜矿遗址保存之完好,实为罕见,因此在史学研究中占有非常重要的位置。
湖北省考古研究所、中国地质大学(武汉)、湖北省地矿局、湖北有色金属公司及黄石市博物馆等科研工作者们的研究结果表明:铜绿山古矿冶遗址是我国乃至世界地质探矿和冶炼学科的一部立体教科书。
采用浅井和重砂分析探矿技术
铜绿山矿区内矿体多,储量大,品位高,埋藏浅,而且大部分矿体出露地表或接近地表。特定的地质环境,为古代开发利用铜绿山矿区提供了有利条件。
正是由于矿体出露地表,使不少铜的氧化物,如孔雀石、蓝铜矿、赤铜矿等经雨水的冲洗而形成“每骤雨过时,有铜绿如雪花小豆点缀土石之上”的自然景观。这是古代矿师们认识这个矿区的明显标志。此外,矿区内遍地生长的铜草(海洲香薷)也可能成为古代找矿的指示植物。
古代凭经验找到铜矿后,先进行露天开采,当露采达到一定深度时,则需转为地下开采。为追踪矿脉,当时已采用开凿井的方法进行探矿。在考古发掘中发现有一部分断面小的竖井,分布密集,有的开凿在花岗闪长岩内证明无矿;有的开凿在绢云母化矽卡岩内,证明接近矿体;有的则开凿在矿体内,并沿着矿脉进行边探边采。另一种探矿方法是采用重砂分析法。在发掘铜绿山古铜矿各个时期的古矿井中,均发现了一种类似现代淘金斗的木盘,有的呈船形,有的呈元宝形,有的呈长条形,同时在井下还发现了木杵和木臼。分析认为,这是一组利用矿物和岩石比重不同,即运用重砂分析法,鉴定岩粉和高岭土中的细粉矿物含量的工具。当用肉眼无法鉴定矿土中金属含量多少时,则将矿土在木臼中捣碎,装入木盘,然后在水中淘洗,泥土洗走后,金属矿物沉于盘底,沉淀愈多,说明品位愈高。采用重砂分析法,可以追踪富矿开采,达到指导井巷掘进方向的目的。铜绿山现代开采证实,凡是铜矿富集的地方,古代都进行过开采,说明用这种方法指导井巷开采是行之有效的。
开采技术自成体系
发掘资料说明,铜绿山古铜矿遗址开采技术最显著的特点是采用竖井、斜井、盲井、平巷联合开拓法进行深井开采。这些井巷相互贯通,层层延伸,最大井深可达60余米。而深井开采则需要解决井巷开拓、井巷支护、采矿方法、矿井提升、矿井排水、井下照明以及深井通风等一系列技术问题。从发掘资料分析,这些问题都得到了合理解决,并形成了一套完整的自成体系的地下开采系统。而且,随着生产经验的不断积累,这些技术不断地发展变化。
铜绿山古铜矿的生产,历经了西周、春秋、战国至秦汉几个不同时期。早期采用的群井跟踪矿脉采矿法,是从地表矿体露头向下开拓竖井,这样跟踪矿脉,逐渐向下延伸,有矿即采,无矿即停。井巷的开拓过程又是采矿过程,井巷开拓愈多,采矿工作面也愈大,矿石的产量也愈高。
春秋时期采用的是下向式水平分层采矿法,即从地表露头向下开拓竖井,到达富矿带时,即开拓平巷。数条平巷平行排列,沿矿脉走向水平延伸。平巷与平巷之间有时用巷道贯通,上层采完后,在平巷底部向下开凿盲井,于一定部位扩帮,再进行下一水平的开采。战国至汉代采用的是上向式方框支柱充填法,这种方法是将竖井式斜井开拓到矿体底盘,再凿穿脉平巷进入矿体,在富矿带内用大方框平巷沿矿体走向水平伸展,然后用小方框平巷回采矿石,下层采完后再采上层。上层方框的底梁坐落在下层方框的顶梁上,上层采的矿石经手选后运到地表,将贫矿及废石充填到下层巷道。这样既有效地处理了下层采空区,保证了上层采矿的安全,又减少了大量废石的运输。铜绿山古铜矿的开采方法还有护壁空场法、横撑支架开采法等。
成功采用鼓风竖炉炼铜技术
铜绿山矿区内遗存的数十万吨古代炼渣以及发掘出土的?10余座炼铜竖炉和其他冶炼遗物,为研究我国古代的冶炼技术提供了重要的实物资料。通过取样分析,当时选用红色黏土、铁矿粉、石英碎屑、高岭土、木炭粉为筑炉材料。
发掘出土的?10余座春秋早期的炼炉均由炉基、炉缸、炉身三部分组成。除炉基建于地面以下外,炉缸和炉身都高于地面,这一构筑形式已具备了竖炉的特点。冶炼过程实际上就是造渣过程,渣型越好,说明冶炼技术越高。铜绿山矿区内遗存着大量古代炼渣,这些炼渣呈薄片状,表面光滑,上有波纹,说明渣的流动性能良好。而渣的流动性是由渣的硅酸度决定的,要调整好渣的硅酸度,就需要配矿技术,即入炉的物料要达到合适的比例。对数百个渣样的分析表明,渣的成分合理,硅酸度合适,反映了我国古代成功地运用了配矿技术。
铜绿山遗址发掘出土的炼铜竖炉,采用的是炉内加热,这在冶金技术上是一次飞跃。经测试,渣熔点在?1200摄氏度左右,这一温度很适合铜的冶炼。铜绿山遗址的炼渣,含铜量一般都小于0.7%,说明矿石中的铜得到了较充分的提炼。渣中铁的含量在?30%~50%,说明矿石中的铁仍然保存在渣中,这是我国古代炉温控制技术的具体体现。
经过上述冶铜工艺,生产出的粗铜,纯度已达?93%以上。据测算,古代铜绿山古铜矿至少生产了10吨以上的粗铜,为当时的社会经济及文化的发展作出了巨大贡献。