铜陵、南陵地区古铜矿冶遗址炉渣的科技研究

安徽铜陵、南陵地区铜矿资源丰富，古代矿冶遗址数量众多，最早可追溯至二里头文化时期。各遗址遍地分布的炉渣、炉壁等矿冶遗物，为研究中国早期的铜矿冶炼技术提供了大量的实物资料。本工作采用X射线衍射分析（XRD）、X射线荧光分析（XRF）和扫描电镜能谱分析（SEM-EDS）等多种技术手段，对安徽铜陵、南陵地区古铜矿冶遗址的炉渣样品进行检测分析，以了解该地区早期的铜矿冶炼技术。XRD分析结果显示，所检测炉渣样品的物相以铁橄榄石、辉石、钙铁辉石为主，伴有石英、方石英、磁铁矿等矿物，符合炼铜渣的物相特征。根据炉渣的SiO₂，CaO和Fe₂O₃的含量，可将51个炉渣样品分为三大类：Ⅰ类炉渣、Ⅱ类炉渣和Ⅲ类炉渣。其中，Ⅰ类炉渣钙、硅、铁含量较高，其CaO含量远高于Ⅱ类和Ⅲ类炉渣，为铁硅钙系。相较而言，Ⅱ类炉渣为高铁系，其Fe₂O₃含量明显高于Ⅰ类和Ⅲ类炉渣；Ⅲ类炉渣为高硅系，其SiO₂含量较高，钙、铁含量较低。所有炉渣样品的铁含量均高于普通熔炼渣，结合其物相分析结果，可推测全部炉渣为冶炼渣。Ⅰ类、Ⅱ类炉渣的Ca和Fe含量呈现很强的负相关性，且波动范围很大，显示二者的含量并非人工调控，更可能是来自矿石中的天然成分。据此可以推测，本地区的早期工匠可能尚未认识到含钙和含铁助熔剂的作用，没有掌握不同类型铜矿石的配矿技术。SEM-EDS的分析结果表明，炉渣中的金属颗粒夹杂以冰铜、红铜和砷铜为主，表明该地区同时存在红铜和砷铜的冶炼活动。不同品位的冰铜颗粒大多来自不同遗址，尚没有在同一遗址发现较多品位依次升高的冰铜颗粒，因而难以确认冰铜熔炼环节的存在，不能证明上述遗址是否已采用了“硫化铜矿-冰铜-铜”的冶炼技术。所发现的冰铜颗粒，可能是采用硫化铜矿死焙烧工艺或混合矿原料冶炼的结果。铜陵夏家墩遗址炉渣中砷铜颗粒的存在，表明该地区早至西周时期，很可能已掌握了采用共熔还原法冶炼砷铜的技术。相关研究结果，对探讨砷铜技术的起源和传播，以及中国早期冶金技术的发展和生产组织状况均具有重要意义。     

汉中山河堰二堰和羊头堰灰浆的分析研究

陕西汉中三堰(山河堰、五门堰、杨填堰)在2017年10月被确认成功申报世界灌溉工程遗产并授牌,其中山河堰是汉中地区最早的灌溉工程。20世纪80年代,在水文考古普查时发现,山河堰砌体以木桩砌石为骨架,使用可能加入桐油、糯米浆的黄泥、沙、石灰搅拌而成的三合土作为填充物。为深入探究山河堰灰浆的成分和科学机理,对山河堰的灰浆样品进行了成分分析,并检测了样品的年代信息。该研究在山河堰二堰东堤和羊头堰取样,利用X射线衍射分析(XRD)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、差热分析、扫描电镜、岩相等科技手段,检测分析样品的组成成分。另外,利用碳-14检测对山河堰二堰灰浆进行断代分析。分析结果表明,山河堰二堰东堤石条粘合物经年轮校正后的年代为公元1150年—1226年(南宋时期),山河堰二堰东堤粘合物和夯土以及羊头堰粘合物的无机成分主要为方解石、石英及少量长石。其中,粘合物中石灰的添加量较高,夯土中石灰的添加量较低。红外分析和热分析结果表明,粘合物和夯土中似乎添加了某种有机物,结合文献资料分析该有机物很有可能为糯米浆。热分析结果显示,800℃以上出现的放热峰为水化硅酸钙的特征峰,推测石灰与水发生反应生成水化硅酸钙。水化硅酸钙能在水中或潮湿的环境中更好地硬化,它是水利工程可以保存数千年的主要原因。电镜检测结果显示,样品中尚未被碳化的消石灰(Ca(OH)2)脱水形成羟钙石晶体。另外,灰浆中加入的有机物和灰浆的缓慢碳化都有助于增强灰浆砌体的自我修复能力和抗风化能力,延长水利工程的使用期限。采用各种科学手段对山河堰灰浆进行科学研究,有助于探明水利工程灰浆材料的组成及其科学机理,为山河堰等水利工程遗产的保护修缮奠定科学基础,并可为现代水利工程材料的改良提升提供有益的启示。