垣曲商城与中条山铜矿资源
垣曲商城与中条山铜矿资源
佟伟华(中国国家博物馆田野考古研究中心)
《考古与文物》 2019年
(一)坐落于中条山铜矿资源分布区内的垣曲商城
(1)控制与索取中条山铜矿资源是城址择选位置的重要指向。
在早期国家形成之后的夏商时期，一座座城池平地而起。这些城址兴建的初衷主要在于其政治、军事与经济等各项功能的实现，而城的这几项功能又是相互作用密不可分的。有的城的建立，可能主要是为了扩张领土的需要，以城为中心，征战四方，消灭敌对势力，实现其政治军事目的。而有的城则可能首要考虑的却是控制和占领各类经济资源，以城为中心，从事各类生产活动，进而以经济的繁荣促进国家的发展，由此看来，各城址始建的初衷各有不同。当然，经济发展的最终目的仍是为了实现征服天下的目的。垣曲商城兴建于商王朝京畿之地的西北周边，地处中条山南麓的深山峡谷之中，地理位置偏僻，若以此偏居一隅的城为基地，向由崇山峻岭阻隔的周边扩张领土，这里似乎并不占地理优势。那么，为什么要在这一封闭的区域建立一座城池呢?我们认为，此城建立的主要目的是为了占领及控制这里丰富的水、木材、铜、锡、铅有色金属等自然资源，尤其是铜矿资源，所以商城择建于黄河北岸，亦即中原地区最大的中条山铜矿分布区内。商代二里岗时期，青铜文化呈高速发展的态势，地处中原的偃师商城①和郑州商城②两座王都需要大量代表当时最高生产力的青铜器，以满足生产、生活以及各种政治、经济、宗教等活动的需要。因此，青铜器生产已成为当时生产力发展的标志，更是巩固早期国家的物质基础，而中原地区最大的铜矿产地就是中条山，因而垣曲商城的兴建，是商王朝为了占领与控制中条山铜矿派驻的桥头堡，它的建立为商王朝攫取铜矿创造了极大便利，也为巩固商王朝统治奠定了物质基础。无疑，控制铜矿资源对于早期国家的巩固发展具有重要意义①。
垣曲商城位于晋南黄河北岸，地处中条山南麓的崇山峻岭之中，向南越过黄河为河南渑池县境，西北毗邻山西平陆、夏县、闻喜、绛县，东与河南济源、新安交界。发源于中条山的沉河和毫清河自北向南穿越山谷奔腾不息，在古城镇东南汇流后注人黄河，形成低平的冲积扇，即垣曲盆地之所在。商城遗址坐落于盆地中央，位于黄河北岸陡立的高台地上，向南俯瞰奔腾的黄河，向西北远眺起伏的中条山。这里依山环水的自然环境极其优越，气候温和、雨量丰沛，动植物及矿产资源丰富，极适宜人类生存。数千年来，在这块水源充足、土地肥沃的山间小盆地内分布着许多从史前仰韶文化、龙山文化到夏商周三代的聚落址，多位于黄河、沉河、亳清河两岸及其支流的河旁台地上，商城遗址便是其中规模最大的城堡聚落②。在垣曲盆地以北约30～40千米的山间峡谷便是中条山铜矿的集中分布区。
根据现代资料统计，中国的铜矿分布以位于华南及西南部的江西、西藏、云南三省区的储量为最多，可占全国储量的近一半。而地处中原的山西省也是我国铜储量较多的省份之一，可排在全国前10位之列，晋南的中条山铜矿集中区是我国铜矿资源的重要产地之一，也是华北地区最大的产矿地点。它位于华北地台南缘，即太行山、中条山、吕梁山、贺兰山组成的“山”字形构造的顶端，属于中条古裂谷，裂谷呈不同方向控制着各铜矿，是一条蛇曲形延脉③。矿区位居中条山东段，北纬35°19',东经111°40′,海拔620米。南起胡家峪、犁耙沟，北到铜矿峪、虎坪，西自篦子沟，东到落家河，矿区南北约20余千米，东西约10余千米，现有大小铜矿点30余处。矿藏主要有黄铜矿、铜蓝矿、斑铜矿、辉铜矿、黄铁矿、孔雀石等，含铜品位0.67%～1.5%,并伴生有钴、钼、金、银、黄铁矿、铝、铅、锌等十多种有色金属矿产④。这一矿区已发现的铜矿床分为多种类型，铜矿峪矿为斑岩铜矿，胡家峪矿、篦子沟矿属变质岩层状铜矿。胡家峪—篦子沟型矿床赋存于下元古界中条群篦子沟组，以黄铜矿、黄铁矿为主，矿床成因类型为沉积变质热液型。铜矿峪矿床赋存于太古界绛县群骆驼峰组，含矿岩性主要为变石英晶屑凝灰岩，含铜矿物以黄铜矿为主，其次为斑铜矿、辉铜矿①。中条山铜矿资源矿量分布不均匀，在目前的保有储量中，铜矿峪可占95%,是具有百万吨保有储量的大型矿床②。
在这些铜矿中，铜矿峪矿位于垣曲商城西北约36千米，胡家峪位于垣曲商城西北方向约32千米，篦子沟位于垣曲商城西北方向约34千米，落家河位于垣曲商城东北约22千米，它们与垣曲商城的直线距离约为32～36千米。只有落家河距离垣曲商城最近，仅有20余千米。这些较大铜矿的四周还分布着数量较多的小矿井，主要有位于篦子沟附近的刘庄冶，位于胡家峪附近的桐木沟、老宝滩，位于同善附近的虎坪、位于横岭关附近的庙疙瘩等。据报道，中条山地区还发现了不少古代铜矿，1958年有学者曾在运城洞沟发现古代矿峒遗址及铁锤铁钎等挖矿工具，据矿峒附近的摩崖题记载，其时代可早到东汉灵帝光和二年(公元179年)③。此外，在铜矿峪、胡家峪、篦子沟、落家河等现代铜矿周围也发现不少古矿冶遗址，分布于这一区域的古铜矿主要有位于铜矿峪附近的铜锅、篦子沟附近的刘庄冶、胡家峪附近的店头和马蹄沟、胡家峪与篦子沟之间的桐木沟以及同善附近的李巴沟、横岭关附近的庙疙瘩等。在这些古矿井中发现有古代开采的矿洞、老窟、采矿巷道及支护、废石堆、渣堆及大量炼渣、炉渣、渣灰层、石块等，出土瓷片、陶片及瓦片。其中，店头的时代可能早到战国时期，马蹄沟、铜锅因出有瓷片，或可到唐宋时期④(图一)。从垣曲商城与中条山铜矿分布区的距离来看，在黄河之滨，距铜矿分布区数十千米兴建的垣曲商城，其战略地位与铜矿资源应是密不可分的。
(2)城址的地理与生态环境具有青铜冶铸的优越条件。
前已述及，垣曲商城与中条山铜矿集中区的直线距离不过数十千米，与铜矿产区这样近距离相邻的城址极为罕见，距离近可使中条山开采的矿石免除远距离运输耗费的人力、物力，顺着发源于中条山的沉河及亳清河水路可直达商城所在的古城地区，沿着沉河及亳清河谷地的陆路也不难在短时间内将矿石运输到商城所在。因而，拥有充足的矿料来源为垣曲商城所独有，就地取材的便利为其他城址所不具备。
中条山茂密的林木资源是垣曲商城青铜冶铸丰富的燃料来源。除了有色金属资源以外，中条山还是我国华北地区最大的原始森林所在地，垣曲盆地及周边地区的植被覆盖率极高，山地草原、森林面积是人口居住面积的5~6倍。中条山群山矗立，沟壑纵横。主峰历山自沁水县蜿蜒而东，长30、宽5千米，顶峰舜王坪海拔高度2300米，这一地区的深山峡谷至今仍被浓密的原始森林覆盖，其木材储量为中原地区之最。植被的类型有亚高山草甸、山地温性针叶常绿林、暖湿性夏绿阔叶林、灌木草本植物带、河漫滩植被等。近代既然如此，那么不难想象，在3000年前的商代，这里林木资源的数量及种类会比当下丰富数倍，早期的青铜冶炼需要大量木炭作为燃料，而中条山种类繁多的植物特别是大量的乔、灌木植物均是良好的燃料薪材，这为垣曲商城的冶炼活动提供了良好的条件。
另外，垣曲商城三面环水，南部为奔腾不息的黄河，东、北面的沉河与毫清河为垣曲盆地内黄河的两条较大的支流。三水交汇带来的丰沛水源为垣曲商城火法冶炼所需的大量水源以及生活用水提供了保证。
垣曲商城所在的古城南关遗址经历了从二里头晚期至商代二里岗时期长时期的发展进程，为商城从事青铜冶炼这种高技术水平的生产活动奠定了深厚的物质基础。从二里头晚期至商代二里岗时期这里始终是垣曲盆地中最大的中心聚落，尽管早期的青铜冶炼会对植被、水源、气候等生态环境造成负面影响，导致一定程度的环境退化，但由于垣曲商城先天具备优越的地理地貌及生态环境，初期的冶炼活动规模较小，使这种退化进程较为缓慢，尚不足以在一定时间内影响生活及生产的发展，因此这里从二里头晚期直至商代始终保持着垣曲盆地中心聚落的位置。聚落考古调查的结果表明，垣曲盆地二里头晚期共发现聚落41个，可分为4个聚落群，古城南关是本区域聚落群的中心。商代二里岗下层时期共发现聚落12个，此期修建的商城是盆地中最大的城堡聚落。到了二里岗上层时期，盆地内的聚落数量有所减少，共发现10个，此城仍是垣曲盆地中最大的城堡聚落①。从二里头晚期、二里岗下层到二里岗上层时期，分布于古城南关周边的其他聚落规模都明显较小，属从属聚落。可以认为，古城南关二里岗期城堡若没有二里头晚期规模巨大的环壕聚落的基础，是不可能建立的，更不可能使青铜冶铸业快速发展。青铜的生产代表着当时生产力的顶峰，只有中心聚落才有人力、物力等条件从事这种高技术水平的生产活动，由于城址具有源自二里头晚期开始积累的农业、手工业、家畜饲养等生业的物质基础，还有制陶、制石、制骨等发达的手工业技术、设施与人才基础，故这里能够发展成为青铜冶铸中心就不足为奇了。
(3)城址独具匠心的设计重点是护卫青铜冶铸重地。
垣曲商城在战略上选择了与中条山铜矿资源近邻，在军事防御上选择了踞守高台的优越地势，在生态环境上选择了三水交汇、靠近河口的近水位置，使垣曲商城成为即有利于交通又便于生产、生活的中心。进而，如何有效地占领及控制中条山铜矿产地，护卫城堡内的青铜冶铸重地，更是城址建设中需要重点考虑的因素，从这一目的出发，商人在城址的具体定位、城墙加固、城门屏蔽等诸多方面进行了精心设计，用以加强城池的坚固性，使商城成为易守难攻的城堡。
垣曲商城所在的高台地呈西北高东南低之势，东、北两面有沉河与毫清河环绕，南面濒临黄河，城址定位在台地的东南角，与河床高差较小，以便靠近水源，有利于各种生产活动和生活的需要，特别是青铜冶铸对于大量水源的需要。
垣曲商城的平面形状略呈梯形，北城垣现存于地面之上，其余三面墙均埋没于地下。城址东西约350米、南北约400米，周长1470米，总面积13万平方米。为了加强防守，西、南两面设计了双道城垣，西墙长度395米，在中段偏北距西北角140米处为西城门，城门以北为较宽的单墙，城门以南修筑了双道夹墙，外墙将内墙城门屏蔽在夹墙中。南墙现存总长375米，已被黄河冲为四段，中段被一冲沟截断，仅余两块夯土，有可能是城门之所在。南墙西段亦修筑了双道夹墙，与西城墙南段的夹墙一样均通向西南角出口。西墙外还有一条与墙完全平行的护城壕，全长446米。城址的四面城墙可能都有城门，东、北两座门很可能是为生产与生活设置的，而西、南两门的设置则主要是为了保卫城内青铜冶炼生产的需要，如此加固的城垣，使城门隐蔽于城内，有效地护卫了紧靠西城门内进行的冶炼活动①。
(二)垣曲商城发现的青铜冶铸遗迹遗物
在垣曲商城近20年的发掘中，曾陆续在二里岗下层与上层的一些灰坑、道路及地层中发现了铜炼渣、炉壁残块、坩埚残块以及小件青铜制品，这些遗物是遗留在废弃后的有关遗迹中的，散布于城内各处。另外，还在2座铜器基中发现了数件青铜容器。极为重要的是，在西城门内道路L2的两侧发现了数个青铜冶炼遗迹，虽然只遗留底部，却使商城内存在着青铜冶炼活动得到确认。
1.二里岗下层时期
二里岗下层时期发现的冶炼遗物有炉壁残块和青铜炼渣两种，数量较少，仅在6个灰坑等单位中发现(其中H661采样2个),有4处位于城址东南部的居民区内，1处位于城址西城门内，1处位于城址西南部(表一；图二)。这些遗物常常与大量的木炭、炭粒及红烧土块同出。有4个单位出土了青铜炼渣，这些炼渣是冶炼或熔炼后排出的废弃物，或呈颗粒状或呈大小不等的块状，形状多不规则，表层呈铜绿色，重量较沉，如91T3865H576:1,铜渣呈颗粒状。还有2个单位出土了炉壁烧结层的残块，大小不等，有的略呈弯弧形，如92T3752H639:1,炉壁呈较大的块状，从残炉壁的剖面看可分为内外两层，烧结层内壁为铜绿色蜂窝状的凝结物，内壁面较平，呈灰绿色，层中间布满密集的孔隙，层厚0.5~1.5厘米。外壁为泥质红陶，类似草拌泥，层厚0.5厘米，两层紧密黏接。灰坑中与铜炼渣同出的还有各种兽骨、卜骨及大量陶器、石器、骨器等，有的灰坑中还出有人骨架。
这一时期出土的铜器制品较少，除了两件为铜容器外，其余为小件兵器和工具，器形有爵、翠、镞、针等。爵、犟两件容器出土于M16中，是二里岗下层发现的唯一一座出土铜器的墓葬，两件器物壁较薄，器形与郑州商城出土的同类器近似。畢为敞口、平沿、圆鼓腹、圜底，底附三锥状足，颈腹之间置半圆形錾，口沿上置二对称的三棱状柱。器物的装饰花纹简单，颈下部饰凸弦纹两周，其间饰乳丁纹，弦纹下为圆圈纹。爵为椭圆形敞口，前流窄长，后有尖尾，束腰，腰腹间有明显的折棱，鼓腹，平底，下附三棱状尖足外撤，颈腹间附扁形錾，口流相接处附对称的三棱状柱，腰部饰一周单层饕餮纹。此外，在一座灰坑中还出土了一件残石范，似制作镞的外范，表明这一时期仍使用石质范进行冶铸。
2.二里岗上层时期
二里岗上层时期发现的熔炼冶铸遗迹和炉壁、炼渣等遗物比二里岗下层时期明显增多，据统计，在二里岗上层时期的19个地层及灰坑等单位中发现了熔炼冶铸的遗迹以及炉壁、炼渣等遗物(表二；图二)。它们的分布分为三个区域，一个地点是位于城址东南部的一般居住区内，有6处；另一地点是位于城址西南部的手工业区附近，有3处；还有一片最为集中的地点位于城址西部略偏北的西城门内，有10处，其中道路L2两侧有9处，灰坑中1处(H646采样4个)。
冶炼遗迹发现于西城门内的道路L2两侧，L2是西城门通往宫殿区的东西向道路，这条道路是填埋了二里头晚期的两条聚落围沟G26、G27后形成的略低于地面的路沟，已揭露路面东西长约96米，南北宽11.8～13.6米，方向108°。路基在城门附近呈西高东低的坡状，再向东部则基本平坦，没有太大的起伏。路面的纵剖面略呈凹弧状，路土层层叠压，通常上层宽于下层，堆积的横剖面大体呈下凹的弧形，中部厚、南北两侧薄。路土堆积主要有3层，局部分布5层，第1层为褐色土，层面呈凹弧形，较平坦，质坚硬，经人工铺垫踩实，层厚0.75～0.85米，出土有商代二里岗上层时期的夹砂或泥质粗绳纹陶片；第2层为灰黑土，层面呈凹弧状，土质坚硬，经人工踩踏而成，
层厚0.05～0.1米，堆积中含有大量烧土粒及炭粒，出土商代二里岗上层时期的夹砂或泥质粗绳纹陶片；第3层为灰褐土，层面亦呈凹弧状，土质较硬，为人工踩踏而成，
层厚0.4～0.5米，堆积中含有大量烧土粒、木炭、铜炼渣，亦出土商代二里岗上层时期的夹砂或泥质粗绳纹陶片，主要器形有鬲、罐、盆、豆等。在道路南北两侧这几层路土坚硬的踩踏面上，发现了9处青铜冶炼遗迹，路的北侧有5处，南侧有4处。每处遗迹都呈不规则的片状，长、宽多在几十厘米，清理后出现成片分布的黑色木炭和黑、红色的烧土块，其间夹杂不少青铜冶炼遗物，铜绿的斑点与炭黑、红色烧土相间分布，这些遗迹很可能是熔炼或铸造等生产活动后遗留，由此判断，这一区域应是商城最集中的冶炼场地之所在。这些小片遗迹的分布不连续，从已揭露的部分看，范围自西城门以东约20余米处一直向东延续约70米。
冶炼和熔炼铸造遗物铜炼渣及炉壁与二里岗下层相同，亦出土于灰坑及地层中，与之同出的亦常见大量的木炭、炭粒及红烧土块。灰坑中与铜炼渣同出的还有原始瓷器、各种兽骨、卜骨及大量陶器、石器、骨器，有的灰坑中还出有完整的人骨架及狗等动物骨架。遗物分为两种，一种为炼渣，形状多不规则，或呈颗粒状，或呈大小不等的块状，块状炼渣多呈黑灰色，表层多瘤状凸起，露出不少铜绿色斑点，重量较沉，如94T6127L2②:1,渣块较大，而93T5933H646⑤:3等均较小，呈绿色颗粒状。另一种为炉壁烧结层残块，大小不等，如92T3552④A:1,炉壁呈块状，较小。94T6127L2③:1,呈较大的块状，数量较多，残炉壁分为内外两层，烧结层内壁亦为铜绿色的凝结物，蜂窝状，层中间有密集的孔隙，层厚0.5～1.5厘米；外壁为泥质红陶，类似草拌泥，
层厚0.5厘米，两层紧密黏接。此外，还发现了一件坩埚残块，92T3752④A:3,为近底部的器壁残段，弯弧形，内壁黏有一层铜绿色颗粒，外壁为泥质红陶，两层相黏接，厚1~2.5厘米。
二里岗上层的铜器数量也较少，但略多于二里岗下层。容器较少，有鼎、犟、爵3件，出土于铜器墓M1中，器壁都较薄，多素面。鼎为圆腹，圈底，口沿附二方耳，三尖锥状实足，腹饰阴弦纹。犟为素面，大敞口，束腰，附圆形錾，三尖锥状空足。爵为椭圆口，尖尾，长流，双柱，腰部饰一周单层饕餮纹，扁圆盤，下腹外鼓，平底，三尖锥状空足外撤。其余多为小件工具或兵器等，器形有刀、镞、销等。还有一些器物残片，可以辨识的器形有爵底部残块、长条三棱器、圆形铜块以及残铜片等，这些铜器多出土于灰坑中。
还有一个值得我们关注的现象是，在二里岗上层的陶器中发现了部分仿铜器造型的陶礼器，器形为簋，分为两种。一种为宽平沿、矮体、鼓腹，如H310:2,泥质灰陶，通体磨光，沿面略鼓，口沿内外饰两道弦纹凹槽，沿下附加双桥形耳，上宽下窄，上连口沿下接腹部，耳中央及两侧各有纵向脊，之间有圆乳丁两个。口以下有多道凸棱纹带，其下的一周宽带被划分为八个方框，内模印饕餮纹，纹饰规整严谨。下腹大部分素面，仅饰一道细弦纹，近底部饰斜向中绳纹再抹平，圈足缺失。另一种为平沿、
深直腹，如H793:9,泥质灰陶，直口弧腹略圈底，圈足缺失，腹中上部两条凸棱之间夹八组饕餮纹图案，模印而成，器底有交错中粗绳纹，其余部分素面，口部及外壁全部磨光。这些器物上装饰着与铜器完全相同的饕餮纹，这些繁复花纹的出现，表明当时已具备了制作铜礼器的技术。
(三)垣曲商城是中条山地区青铜冶炼的重地
古代冶金史的研究成果表明，古代火法炼铜主要采用三种工艺：氧化矿石直接还原冶炼成铜，简称为“氧化矿—铜”工艺；高品位硫化矿石焙烧后还原冶炼成铜，简称为“硫化矿—铜”工艺；低品位硫化矿石(焙烧后)先炼成冰铜，再将冰铜焙烧、冶炼提高品位，最后烧死、还原冶炼成铜，简称为“硫化矿—冰铜—铜”工艺①。
垣曲商城炉渣、炉壁以及铜器制品等遗物的发现，向我们提出了一个重要问题，即对这些炉渣的检测和化学分析，能否为我们提供有关青铜冶炼、熔铸等方面的信息?如果能够证实这里确实曾经存在过冶炼熔铸等生产活动，那么从已发现的遗迹遗物中，我们还能够进一步获得青铜工艺类型、熔炼方法、技术水平等方面的哪些信息?对于这一问题，冶金考古学家李延祥、洪彦若先生在《炉渣分析揭示古代炼铜技术》一文中对炉渣作出了解释：“炉渣是冶炼产物之一，在冶炼温度下呈融熔状态，排放到炉外凝结成致密的固体。”“炼铜炉渣是由矿石、造渣剂、炉衬等在冶炼温度下相互作用而形成的，主要含FeO、SiO₂、Al₂O₃等氧化物的硅酸盐体系，并含有少量铜的残余矿物，固态炉渣中大量的硅酸盐作为基体溶解并包裹着铜的残余矿物。”他们还指出：火法炼铜的“氧化矿—铜工艺”、“硫化矿—铜工艺”、“硫化矿—冰铜—铜工艺”三种工艺的炉渣分为两种：还原熔炼得到铜及还原渣，富集熔炼得到冰铜及冰铜渣。由于还原熔炼与富集熔炼的矿石和产品的区别在于铜与硫的赋存状态及相对含量(Cu/S)不同，可表明还原渣与冰铜渣的区别，“氧化矿—铜工艺”、“硫化矿—铜工艺”只排放还原渣，“硫化矿—冰铜—铜工艺”可数次排放冰铜渣，最后排放还原渣，故冰铜渣的存在直接标志“硫化矿—冰铜—铜工艺”的使用，还原渣的存在，需借助其他遗迹遗物判定，才能得出结论。总之，根据上述区别以及炼渣基体的成分分析，并结合地质、考古等证据，可判定冶炼的工艺类型②。
基于冶金科学的技术支持，发掘者将垣曲商城出土的炼渣、炉壁、铜器制品等两批样品分别交与北京科技大学冶金与材料史研究所和北京大学考古文博学院进行分析检测。北京科技大学所取的样品为铜炼渣及炉壁烧结块，其中5个为炉渣块，2个为炉壁烧结块，对这些标本运用偏光矿相显微镜、扫描电镜及X射线能谱分析等方法，分析了出土炉渣及炉壁样品中主要合金元素Cu、Sn、Pb、As在炉渣中的分布及存在形式，同时分析了炉渣渣相的矿物组成①。北京大学所取的样品有10个为铜炼渣及炉壁，5件为青铜制品，对这些样品进行了金相显微观察、扫描电镜观察以及外接能谱成分分析检测。通过分析和研究得知，垣曲商城的确存在着青铜冶炼活动，而且当时的冶炼技术已达到了相当的水平②。
(1)多种铜合金元素及微量元素的分布代表着硫化矿还原冶炼工艺的使用。北京科技大学的检测分析表明，7个炉渣及炉壁样品中有5个含有铜金属颗粒，有2个含有红铜金属颗粒，另有1个为锡青铜、锡铅青铜合金组，还有2个渣块中发现有铜硫化物或铜蓝矿物的结晶体。由此表明，在炉渣和炉壁等铜冶铸遗物渣中，多种铜合金元素及微量元素的分布基本符合铜冶炼渣的特征，是使用多金属共生矿进行冶炼的证据。其中铜合金颗粒的存在是冶炼铜合金共生矿或铜熔化后合金配置的结果。另外，渣中铜颗粒中硫化物的分布，又表明矿石原料中硫化矿的存在③。北京大学的检测分析也表明，垣曲商城的冶炼工艺是以硫化矿死焙烧还原熔炼的方法进行的，这是我国最早使用硫化矿炼铜的地区④。
(2)铅锡青铜的存在表明铅和锡是当时的两种主要合金。
北京科技大学的检测表明，部分铜渣为锡青铜，部分为铅锡青铜，有的铅含量较高，这是当时的两种主要合金⑤。北京大学的检测表明，铜渣有含铅较低、含铅较高的铅锡青铜，这表明高铅锡青铜是当时铸造容器使用的主要合金类型，低铅锡青铜也被广泛使用。使用高铅的铅锡青铜铸造铜器是夏商时期普遍存在的现象，垣曲商城出土铜器也是如此，这与本地出土铜渣含铅量较低的情况不符，或许这些铜器并非本地铸造⑥。
(3)加锡青铜的存在表明在金属熔化过程的后期配置合金进行铸造的过程。
北京科技大学的检测分析样品中有5个含SiO₂结晶颗粒，含量较高的有4个，有的炉壁烧结层中含有二氧化锡，很可能是在金属熔化过程的后期，在准备铸造前有意加入的，即加入金属锡配置合金。故炉渣中大量SiO₂结晶的存在，应该表明人为加锡配置Cu、Sn合金进行铸造的过程。同时，高铅和高锡炉渣的存在，也表明它们是在铜熔化的后期加入，应是铸造渣①。
北京大学的检测也表明，有的铜渣是配制合金时排出的合金渣，系使用低砷青铜直接加锡，将铜渣中砷的去除和锡的加入同时进行，这是一种直接用金属锡和金属铜配炼合金的技术。还有的合金铜渣反映了冶炼者使用金属锡进行锡青铜的配炼，这种工艺是将硫化铜矿加砷钴镍矿经第一次冶炼后，再直接投入金属锡料，得到As、Co、Ni含量较高的多元锡青铜合金，少部分形成Cu、Sn、Ni含量近似的三元合金。此前，关于锡青铜的锡料如何加入问题始终没有解决，此次发现为解决这一问题提供了可能，表明这种工艺可能处于使用铜矿配金属锡的阶段②。
(4)砷铜冶炼技术的出现。
冶金考古学家指出，古代铜冶金的发展经历了自然铜、人工冶炼红铜、铜的合金化(先是砷铜，后为锡青铜，最后为锌黄铜)的漫长过程。砷铜即铜砷二元合金，是
人类历史上使用的第一种合金，为早于锡青铜之前流行的工艺。尽管这种古老的砷铜的硬度和抗拉强度不及锡青铜，但其在很高形变率下能进行冷热加工，具有固熔强化、加工硬化、延展性和热锻性好等多种机械性能。砷铜的制法可用含砷的氧化矿直接冶炼，也可用含砷的硫化矿分为直接还原和共熔还原两种方法冶炼，还有向熔解金属中加入砷单质和砷的氧化物进行合金化的制作方法③。
北京科技大学对垣曲砷铜进行的研究指出，垣曲出土的一块铜渣含有砷铜颗粒、钴(镍、铁)氧化物、钴的硅酸盐、含钴砷氧等物相。不是使用含砷的氧化矿或硫化矿冶炼而成的，而是在熔铜的过程中，添加砷、钴、镍矿物以获得砷铜，钴镍应与砷同源，是引入砷而带入的，其目的是获得砷铜合金。在熔铜的过程中，添加砷、钴、镍矿物以获得砷铜的方法，也称为点炼技术。这一渣块应是使用砷钴(镍)矿物点炼砷铜合金的残留物，代表着一种人工添加含砷矿物配置砷铜合金技术的存在。而这种技术应与当地的矿产资源有关，垣曲的中条山铜矿是我国钴矿床的主要产地，就地取材即可得到矿料，这种地利之便极大地推动了砷铜冶炼的发展①。北京大学也对从3块铜渣中检测出的砷铜进行了研究，他们认为，垣曲发现的砷铜渣，是还原熔炼结束后排出的炼渣，是在硫化矿中加入含砷钴镍的矿石共同冶炼的，形成砷铜合金时可得到含砷量高(10%)的砷铜，后又经过重新熔化，砷减少了约一半(4%),得到含砷较低的最终产品砷铜②。在国际上，各国考古学家在新旧大陆发现了数以万计古代砷铜，研究表明，砷铜的使用都早于锡青铜。但在中国，砷铜的发现较少，主要发现于我国西北河西走廊的玉门、酒泉、民乐等四坝文化铜器中，新疆、青海、内蒙古、北京房山等地区也有发现，而中原地区夏商周三代却少有砷铜发现。有的中国学者曾提出，中国青铜时代是否也存在砷铜阶段，其冶炼技术来自何处?这是当今冶金考古需要解决的一个重要问题③。垣曲砷铜的发现为解决这一课题提供了可贵的资料，说明夏商时期的中原地区不仅使用砷铜器物，而且存在着使用本地矿料冶炼制作砷铜的技术，因而我们有理由认为，中国也同世界其他地区相同，同样走过了从砷铜发展到锡青铜的阶段。我们相信中原地区将来会有更多的砷铜发现④。
(5)高锡淬火炼铜技术的出现。
北京大学对一件残铜削进行检测分析后发现，该削刀为锡含量达23%的高锡青铜，显微结构显示曾经淬火，由组织中出现的大量变形硫化物夹杂和少量的α相孪晶可以判断该铜器最初受过热锻加工，表明商代已掌握了高锡青铜的热处理性能，丰富了我国古代青铜器加工工艺的种类。目前所知，经淬火的高锡青铜器主要发现在中国，如吴国、巴国的青铜兵器、广东罗定的战国篾刀，其时代最早为春秋战国时期，故这是一件迄今发现的我国最早的淬火高锡铜器。同时表明青铜器淬火的技术可能起源于中国⑤。
(四)垣曲商城青铜冶炼的矿料来源
前面我们从垣曲商城与中条山铜矿所处的地理位置以及生态环境等方面讨论了垣曲商城青铜冶炼所需的矿料可能来源于中条山铜矿，为了使这一课题的研究不断深入，北京大学考古文博学院通过铅同位素的比值分析，对垣曲商城青铜冶炼的矿料来源进行了追踪研究。
冶金史学家指出：“Pb同位素示踪方法应用于青铜器考古研究的基本原理在于，由于地球上铜、锡、铅金属矿床在其形成的地质年代以及形成过程中环境物质中铀钍浓度条件方面的差异，其Pb同位素组成亦各有差异，即Pb的4种稳定同位素
(Pb、2Pb、2Pb和Pb)的含量比率各有特征；4种稳定同位素在古代青铜业的一般冶炼、铸造等加热过程中不会发生分馏，与微量元素相比，可更好地保留原产地的信息。所以，通过比较青铜器样品和矿床的Pb同位素分析数据，可以进行青铜金属原料来源的产地研究。”①
北京大学对垣曲商城出土的13个冶炼渣、熔炼渣及铜器样品进行了铅同位素比值研究，其中包括冶炼渣3个，熔炼渣5个，铜器4件(5个样品)。分析结果显示，8个炉渣样品的铅同位素比值变化范围虽比较大，但大致集中于两个区域，其中比较集中的是20Pb/Pb介于0.86～0.87之间，20Pb/Pb介于2.12～2.14之间，该区域共有5个样品，其余3个则较为分散。根据这些炉渣的显微结构和成分分析表明，无论是冶炼渣还是熔炼渣，铅含量都非常低，因此渣的铅同位素比值应该代表了铜矿的产地信息。同时，研究者将已发表的中条山铜矿的铅同位素比值与炉渣和铜器的数据作了对比。数据表明，中条山铜矿的铅同位素比值基本可以覆盖垣曲商城铜炼渣的铅同位素比值分布范围，其中来自落家河的3个数据和垣曲商城最集中的5个炉渣样品的铅同位素比值范围几近重叠，说明它们可能具有相同的来源。而落家河、横岭关和铜矿峪各有矿石样品和另2个炼渣的铅同位素比值接近。只有1个铅同位素比值超过了中条山铜矿的一般范围。由于垣曲商城大部分炉渣样品的铅同位素比值落人中条山铜矿的铅同位素比值范围当中，这表明垣曲商城所冶炼或者熔炼的铜料很有可能来自商城附近的中条山铜矿。进一步的数据对比结果揭示，落家河矿区是最有可能提供矿料的铜矿区，而这一矿区与垣曲商城的直线距离恰恰是最近的，只有20余千米，为矿料的运输提供了极大的便利。
对于铜器的分析结果表明，4件铜器的铅同位素比值分析结果十分分散，仅有2件铜器的铅同位素比值和铜渣的相似，而其余2件则和铜渣的完全不同，落在中条山铜矿比值的分布范围之外，它们的铅含量都非常高，其中有1件铜片属于高放射性成因铅，铅的平均含量达到20%以上，其显微组织中出现铜铅的分层，因此其铅同位素比值指征的是铅矿的来源，说明高放射性成因铅可能并不来自中条山矿区。还有1件铜畢(取2个样品)铅含量在8%左右，属于高比值铅，根据地球化学研究，这种铅同位素比值主要分布于辽宁、河北和山东等省，因此这件铜犟的矿料则可能来自河北、山东等地①。
研究者对垣曲商城炉渣及铜器铅同位素比值研究的初步结果，为我们多年前提出的垣曲商城冶炼遗迹遗物的矿料来源于邻近的中条山铜矿区的推测，提供了极为可贵的证据支持，同时，对于探求垣曲商城的建城目的、城址性质等课题也具有极为重要的意义。
垣曲商城的青铜冶铸业经历了逐步发展、进步的过程，在商城兴建前的二里头环壕聚落时期，尽管也曾发现过零星的冶铸遗迹，如这一时期曾出土过嵌入人颈椎骨的铜镞和一件铸造铜锂的石范，但在大量的二里头遗迹单位中却未见铜炼渣出土，表明商城兴建之前，这里的冶铸业还很弱小，规模不大，而且尚处于使用石范进行铸造的初期阶段。到了二里岗下层时期，青铜冶铸业开始发展，但仅在6个单位中出现冶炼和熔铸的炼渣以及石范，出土的爵、犟、镞、针等青铜制品数量很少。而到了二里岗上层时期，青铜冶铸业有了明显的发展，冶炼遗迹遗物的出土数量大大增加，在19个单位中发现了较多的炼渣和炉壁烧结层残块，出土地点散布全城，除了城址东南部和西南部以外，最为集中的地点是西城门内道路两侧，成为集中的冶炼区。同时，这一时期还出土了鼎、犟、爵、镨、镞、刀等铜制品。由此看到，二里岗上层的青铜冶铸业有了长足的发展，其规模明显扩大，冶炼地点明显增多。出土的遗迹遗物表明，垣曲商城已经出现了以多种铜合金元素及微量元素所代表的硫化矿还原冶炼工艺，同时，还出现了砷铜冶炼技术以及我国最早出现的高锡淬火炼铜技术。铅和锡是当时的两种主要合金，加锡青铜的存在表明在金属熔化过程的后期配置合金进行铸造的过程。此外，铅同位素比值的研究表明，垣曲商城的大部分冶炼炉渣及部分铜器铅含量都很低，与中条山铜矿低铅含量的情况一致，两者的铅同位素比值大多接近，故垣曲商城冶炼青铜器的矿料来源极有可能是中条山铜矿区。
总之，垣曲商城出土的大量铜炼渣所代表的硫化矿还原冶炼技术和铸造前合金化的铜熔化技术以及遗留的数处片状的熔炼冶铸遗迹表明，这里确实存在着集冶炼、熔化、铸造为一体的铜冶铸过程，我们有理由认为，3000年前的垣曲商城曾经是中条山地区尽占地利优势、矿源充足的青铜冶铸重地，是一座燃烧着熊熊火焰的冶炼之都。
附记：此文的写作得到北京大学考古文博学院崔剑锋老师的协助，附图经王月前、田伟、王文武先生协助绘制，在此一并表示衷心的感谢。
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