自年至今,考古工作者对湖北大冶铜绿山矿冶遗址进行了大规模的考古发掘,所获资料表明楚国在铜矿的开采和冶炼方面已达到较高的水平。
一、找矿方法楚人在没有任何现代科技勘探手段的情况下,如何准确地找到铜矿呢?大冶铜绿山古矿冶遗址发掘资料表明,在春秋战国时期,楚国劳动人民已经掌握了以下寻找铜矿的方法:
1,寻找铜草花
铜草花,学名海州香蕾,颜色多为紫红色,形似牙刷。当土壤中的含铜量较高时,这种植物就生长茂盛。每至深秋,铜绿山漫山遍野盛开铜草花,吸引着一代又一代的古代矿工聚集铜绿山开采铜矿。
2,寻找孔雀石
在长期的生产实践中,人们发现铜矿石露出地面部分的颜色为绿色,用此方法可以准确地寻找铜矿。清代《大冶县志》记载,铜绿山“山顶高平,巨石对峙,每骤雨过时,有铜绿如雪花小豆点缀土石之上,故名”。铜绿山因为铜矿资源丰富,在大雨冲刷之后就会显露出呈铜绿色的雪花小豆,这是一种铜矿石即孔雀石,铜绿山也因此得名。
,寻找铜矿共生矿
远古时代,我们的祖先即已总结出矿物共生的规律,他们发现山地表面有丹沙地下有金矿,表面有磁石的下有铜矿,表面有陵石的下有铅、锡、红铜,表面有赤土的下有铁矿,这就是山上出现矿苗的情况。铜绿山矿床的原生矿石矿物以磁铁矿、*铜矿、斑铜矿为主。因此春秋战国时期的楚国人根据铜、铁矿物共生的关系作为寻找铜矿的另外一种依据。
4,勘探铜矿
找到铜矿产地之后,如何确定富矿的矿脉走向,除依据矿脉露头处进行确定外,春秋战国时期的楚国人还采取了另外两种追踪矿源的方法:
(1)挖掘较小的竖井探矿
大冶铜绿山发掘情况表明,有一些竖井离群孤立存在,有一些竖井横断面很小,只有毫米x毫米见方,这些应该是探矿用的,先打探井,再掘进群井采矿。
(2)采用重力选矿法
具体做法是采用一种用整木凿成的工具,因其外形酷似小船而名为“船形木斗”。用它装上矿石粉末,在水中淘洗,利用岩石与矿物比重的差异,鉴定矿石含量的高低,以便追踪矿源,从而指导矿井开挖的具体走向。考古发掘情况表明,在铜绿山古矿冶遗址中,古矿井几乎都是沿着矿源的矿脉走向逐步延伸的,这充分表明了先秦时期楚国选矿水平的高超。
二、采矿技术铜矿的开采,最早是在露天开采,当地表浅层的矿石采完后,为了进一步开采地下的矿石,人们发明了挖掘井巷的方法来开采地下的矿石。
1,开采
古铜矿遗址是在铜绿山矿区露天开采中发现的。矿区已探明的12个矿体,古代曾进行过不同程度的开采。在春秋战国时期,也就是楚人占据铜绿山以后,铜矿的开采已经采用了竖井、平巷、盲井结合的方式进行深井开采,在地下形成了初步的开采系统。它们层层叠压、纵横交错却不失规律。
竖井,在地面有垂直出口的井称竖井。其开采深度一般在0~40米,有的深达60余米,已低于当地潜水位2米。
平巷,当竖井向下挖掘到一定深度后,矿工通过船形木斗利用重力选矿的原理,测定矿石的含量高低,决定继续采掘的方向,平行掘进的巷道称为平巷。
斜井,利用重力选矿之后,依据矿脉的走向,有的井会出现一定的倾斜度,这就是斜井。
盲井,在平巷的底部,往往还有盲竖井,因为井口不直接通向地面,所以人们形象地称它为“盲井”。
2,安全支护
铜绿山的古矿井岩石比较破碎,适合当时矿工们所采用的较原始的工具进行开掘。但由于岩石破碎,岩层崩塌的危险性也较高,就需要采取矿井支护,保障井下作业的安全。现有的发掘情况表明,大冶铜绿山经历了两千多年的漫长岁月,其中相当一部分矿井仍然能保留到今天,甚至还没有倒塌,也没有发现矿井内倒塌伤人的迹象,这足以说明,当时所采用的各种支护方法的科学性、安全性。
为了防止矿井坍塌,古人用木料做成方框形的支架,保护矿工的生命安全。支架制作的方法有两种,早期矿井用榫卯连结方框,即在四根方木或圆木的两端砍凿出长榫或榫孔,然后将其相互穿接而成。并将有榫眼的两根木料的两端削出尖头,插入井壁以固定框架。竖井中的框架上下平行排列,间距约40厘米,其间用细木条、竹、绳等加以固定,防止崩塌。榫卯法构建的井口较小,直径约60厘米。
战国时期楚人占据铜绿山后,开始用搭接法连接方框,这种方法是将圆木的两端砍出台阶状,由四根搭接成一个方框,整个矿井用这种方框层层叠压而成立体式。搭接法相对于榫卯法更加坚固,能更好地承受巷道的顶压、侧压和底鼓,同时井口直径扩大,最大在1.1~1.米左右。
,开采工具
考古工作者在已经发掘的铜绿山古矿井内,发现了斧、凿、锤等铁制或铜制工具,还发现了木斗、木铲等木制工具以及生活用品。
大铜斧,大冶铜绿山古矿井中出土了许多有柄铜斧,小的重2~4公斤,大的重15~17公斤。其中一件有柄大型铜斧,重17公斤,堪称铜斧之王,在大冶铜绿山古矿附近出土,出土时没有锈蚀,仍然泛着青铜的光泽,但斧的刃部磨损严重,表面布满了与刃成垂直的划痕,有的划痕还很深,足以说明这是一件当时采矿用的工具。
当挖掘横巷在水平方向遇到坚硬的地层或石层时,先用火烧烤石层,接着用浇泼冷水的方法使之骤然炸裂,最后采用大型的铜斧进行开掘。
铁斧,直柄铁斧是挖掘矿井的有力工具。在当时,开掘竖井是采用类似挖水井的方法进行的,向下掘进一段支护一段,直到挖至矿石层。在向下掘进的过程中,当遇到坚硬的地层或矿石层时,可用直柄铁斧直立于坚硬的岩层上,用铁锤从上端夯砸,这样的方法比较容易击碎岩层,获得矿石。
到春秋晚期,特别是战国时期,由于冶铁技术的进步和发展,铁制工具逐步代替铜制工具,这也反映了楚人采矿技术上的进步。
4,提升装运工具
将挖掘好的井下矿石、岩石运往井外地面的运输工具,主要种类有铲、锹、耙、锄、竹筐、辘轳、木钩、绳索等。
装运工具,在铜绿山古矿井中出土有盛矿石用的竹篓、竹筐或藤筐等。其中的扁方形竹筐,一次可以装下20~0公斤的矿石,另外还出土了绑扎着绳索的木钩,绳索的残长还有8米之多,据推测,在井深20~0米的情况下,由一到二人用手提拉就可以运往井外。
辘轴,发掘资料表明,至少在战国时代,铜绿山采矿已经使用起重装置——辘,有效地提升矿石和运送器材。辘轴通长厘米,两端砍成较小的轴头,轴身两端各有两排环绕一圈的长方孔,可插入木条。在复原研究中,有学者认为外围方孔插上木条后,可起到“制动闸”的作用;也有学者认为,这是使用齿轮牵引辘轴时,用于咬合齿轮的孔眼;第三种观点认为,外圈方孔眼是插入辐条,加粗辘直径,以提高提升效率用的。
5,矿井通风、排水、照明
当矿井达到一定深度后,井下通风、排水和照明问题就必须有效解决。
通风,从湖北大冶铜绿山古铜矿遗址的发掘情况看,当时矿井的通风主要是采用自然通风法,即是利用井口的高低不同形成气压差,利用自然风来调节巷道中的空气。同时采取填塞废弃巷道的方法来控制气流,使新鲜空气流向深处作业区。
排水,铜绿山古矿井大多是挖在潜水面以上,但井下排水问题依然存在。有些古矿井已经挖得比较深,因此还存在着地下水的问题。为了及时排出矿井中的积水,在一些平巷内的一侧铺有排水的木槽,多节木槽互相连接,在木槽连接处都涂有一层青灰泥以防渗漏。当木槽必须经过提升矿石的竖井或主巷时,就在这一段木槽的上面铺垫一层木板,使它成为一条暗槽。当积水被木槽引入到水井中,再用木桶、绳索和木钩、辘等工具将水提出井外。
对于地下涌水的治理,除了排水外,古人还采用了堵水的方法。一是使用了方框支柱填充法开采后,经充填的采场涌水量明显减少;二是用坑木和粘土封闭涌水的巷道。这在开采比较浅的情况下,都能取得较好的效果。
照明,大冶铜绿山古矿井内曾经发现有20~0厘米厚的竹材燃烧后的灰烬、未燃烧完的竹签等,说明当时矿井内曾使用长竹签用作照明工具。我们知道,大冶山区盛产竹子,就地取材方便易行,而且竹条容易燃烧,燃烧后烟雾较小,故而用于井下照明相对安全。
三、冶炼技术铜绿山开采矿石后,就地筑炉冶炼,炼渣也就地处理,无须搬走。在这里,遗留的古代炼渣分布面积约14万平方米,有的地方炉渣堆积厚达米,总计达40万~50万吨。推算当时炼出纯铜不少于8万~10万吨。
炼炉,炼铜竖炉是用红色黏土、石英砂、铁矿粉、高岭土等耐火材料夯筑而成。
从炼炉的结构来看,它由炉基、炉缸、炉身三个部分组成。炉身部分坍塌,炉基在地表下,下设有风沟,风沟内壁有经高温烘烤的痕迹,有的沟底还有木炭和灰烬,可见风沟是对炉缸起防潮和保温作用的。
炉缸筑在炉基的上面,有椭圆形的,也有长方形的。在炉缸上沿设有鼓风口,需用鼓风器。有的风口可能是一对,用以解决鼓风不足、炉温降低的问题。炉缸一侧筑有金门,用以排放铜液和炼渣。由于渣和铜的比重不同,铜液沉于炉缸底部,炉渣浮于其上,只需在金门的上部和下部分别开口,即可将渣和铜分别排出炉外。
对炼炉复原和炼铜模拟实验证明,其炼铜的过程是将选好的铜矿石进行破碎,然后将燃料、木炭一起投入炼炉进行冶炼,其工艺是铜的氧化矿还原熔炼。使用这种竖炉,只要保证必要的风压、风量,使炉内木炭充分燃烧,即可进行冶炼生产。它可以连续加料,连续排渣,间断放铜,持续冶炼,显然这种坚炉有较高的冶炼能力。如果按一天投入炼炉的矿物料公斤、矿石的含铜量12%来推算,每日可生产粗铜00公斤。
炉渣,炼炉所排放的炉渣大多成薄片状,表面光滑,表明冶炼炉渣的流动性良好,其平均含铜量只有0.7%,由此可见楚人在冶铜时已掌握了较高的技术,相当于现代的冶炼水平。
四、铸造技术自春秋时期开始,周天子权威旁落,诸侯国自主性大大增强,随着社会经济的发展和审美观念等的改变,楚人一方面将商代和西周以来的青铜铸造技术发扬光大,另一方面博采众长,成就了青铜文化精湛的铸造技术和精美的装饰艺术。
1,失蜡法
失蜡法是先用蜡做模,然后用耐火的细泥浆浇淋在蜡模上,待干后再淋,如此反复多次,使之硬化形成外范。然后焙烧,蜡模遇热融化流出,外范剩下空腔,最后浇铸铜液形成铸体。
2,金银错
楚国青铜器表面以金银镶嵌出精美的花纹,这种工艺古代叫金错、银错。方法是:首先在青铜器的表面铸出花纹的浅槽,浅槽必须呈燕尾状即梯形,只有外小内大才能将金丝、银丝或金片、银片嵌入表面的花纹浅槽中,再经过打磨使表面光滑而不易脱落。有的刻槽细如毫发,为錾刻,为了使镶嵌物牢固,古人在浅槽中涂一层起粘合作用的漆,然后将金银丝嵌入。
其艺术特征是用隐嵌的技法形成金银线图案或文字,改变模铸纹饰的呆板和拘束,突破了传统的图形对称形式。金银错是我国青铜时代一项精细的装饰工艺,它是青铜工艺发展了一千多年以后,到春秋中晚期才兴盛起来的。
,鎏金
“鎏金”又称“金涂”。其工艺是将金粉和汞的合金涂在铜器表面,经烘烤,汞蒸发,金便留在器物表面上。经过鎏金处理的铜器,不但器物表面色泽美丽显得富丽堂皇,而且鎏金本身对保护铜器、避免铜器氧化也起着重要作用。
4,镶嵌绿松石
镶嵌绿松石的方法是:器物先铸成阴纹的纹饰,然后按照纹饰的规格制作不同形状的绿松石片或块备用。镶嵌时需用粘接剂,其成分有可能是树胶或漆,因为树胶是有机物,长期埋在地下即腐朽失去粘接的作用,所以发掘出土的镶嵌绿松石的器物,纹饰中的绿松石大多已经脱落。绿松石镶嵌于青铜器外表之后,一般要经过多次磨错,使之平滑。
5,复合剑铸造技术
战国时期,楚国青铜剑的铸造工艺有了巨大进步。在出土的楚剑中,发现了两次浇铸而成的复合剑,其剑脊和剑刃含锡量不同。铸造时,先用含锡量较低(约10%)的青铜铸成剑的脊部,使之韧性强不易折断;然后用含锡量较高(约20%)的青铜铸制剑的刃部,使之锋利无比。这种工艺铸成的宝剑脊部呈暗红色,刃口呈灰白色。复合剑的发明,使青铜剑的铸造工艺达到了最高水平。