铁器时代初期铜冶金中的铁元素：来自高加索地区一个采矿和冶炼遗址的关于铁器发明的见解

《Journal of Archaeological Science》：Iron in copper metallurgy at the dawn of the Iron Age: Insights on iron invention from a mining and smelting site in the Caucasus

铁的起源与铜冶炼技术的关系分析——以高加索Kvemo Bolnisi遗址为例。研究通过化学与显微分析发现，该遗址实为铜冶炼场所，但存在铁氧化物熔剂的刻意添加，表明铜冶金工人在铁氧化物应用上的认知突破，为铁冶炼技术起源提供了关键证据。

　　铁是人类历史上最重要的工业金属之一，其发明和应用一直是考古学与冶金学研究的重要课题。尽管铁在历史上的地位显赫，但其技术起源仍然存在诸多未解之谜。近期对位于格鲁吉亚南部的Kvemo Bolnisi冶炼遗址的重新分析，提供了关于铁冶炼技术发展的重要线索，特别是在铜冶炼工艺中对铁氧化物的有意使用。这项研究不仅重新评估了早期关于Kvemo Bolnisi遗址的结论，还揭示了该遗址与铁冶炼技术发明之间的潜在联系。

### 铁的发明与铜冶炼技术的关联

铁和铜在地质上常常共生，尤其是在铜矿床的氧化带（gossans）中，铁氧化物如赤铁矿（Fe?O?）和磁铁矿（Fe?O?）经常与铜矿物（如黄铜矿、孔雀石）共同存在。这种自然共生现象导致早期的铜冶炼工艺不可避免地接触到了铁氧化物，从而引发了关于铁冶炼技术是否由铜冶炼工匠发明的讨论。然而，以往的研究未能提供足够的实证证据来支持这一假设，导致该理论一直存在争议。

Kvemo Bolnisi遗址的初步研究曾将其定性为铁冶炼地点，主要基于遗址中发现的大量赤铁矿堆积。然而，这一结论并未得到充分的化学和显微分析支持。通过重新分析该遗址的冶炼废料和矿物样本，研究团队发现，这里的冶炼活动实际上主要是铜冶炼。赤铁矿虽然存在于冶炼废料中，但其并非来源于铜矿石，而是被有意作为助熔剂添加到冶炼炉中，用于降低硅质矿石的熔点，从而形成更易分离的熔渣。这种发现使得Kvemo Bolnisi成为目前最早的、明确记录了铁氧化物作为助熔剂在铜冶炼中被有意使用的遗址之一。

### 铁氧化物的有意使用与冶炼技术的演变

在Kvemo Bolnisi遗址的冶炼废料中，铁氧化物的加入明显地改变了冶炼过程。通过光学显微镜和扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS），研究团队发现，铁氧化物被独立地添加到冶炼炉中，作为助熔剂使用。这种做法不仅表明铜冶炼工匠对铁氧化物的物理和化学性质有深入理解，还表明他们具备调整冶炼配方的能力，以优化冶炼效果。铁氧化物的加入提高了熔渣的流动性，有助于从铜金属中分离出更多的金属成分，从而提高了冶炼效率。

在古代冶金实践中，铁氧化物的使用通常与铜矿石中的自然氧化物有关。然而，Kvemo Bolnisi遗址的分析显示，这里的铁氧化物并非来自铜矿石，而是被单独收集并添加到冶炼炉中。这表明铜冶炼工匠已经意识到铁氧化物作为独立材料的价值，并开始有意使用它来改进冶炼技术。这种认知和技术的转变对于铁冶炼技术的发明具有重要意义。

### 铁氧化物的有意使用与铁冶炼技术的发明

Kvemo Bolnisi遗址的冶炼废料显示，铁氧化物的加入使得冶炼过程中的熔渣更加流畅，从而提高了金属回收率。这种现象在古代冶金技术中并不常见，表明铜冶炼工匠已经掌握了较为先进的冶炼技术。同时，这种做法也暗示了他们在冶炼过程中对材料行为的深入理解，包括如何平衡助熔剂与矿石的比例，以达到最佳的冶炼效果。

铁氧化物的有意使用在古代冶金中并不罕见，尤其是在铁冶炼技术发展之后。然而，Kvemo Bolnisi遗址的发现表明，这种做法可能早在青铜时代晚期就已出现。这为理解铁冶炼技术的起源提供了新的视角，即铁冶炼技术的发明可能与铜冶炼技术的演变密切相关。铁氧化物的使用不仅反映了对材料的深入认知，还表明了对冶炼过程的主动实验和调整。

### 与其他地区的比较

与西部格鲁吉亚的Colchis地区相比，Kvemo Bolnisi的冶炼废料在化学成分和矿物学特征上存在显著差异。Colchis地区的冶炼废料通常含有较高的硫化物和自由铁氧化物，而Kvemo Bolnisi的冶炼废料则以较高的硅酸盐和较低的硫化物为特点。这种差异可能反映了不同地区的冶炼技术发展路径，以及对不同矿石类型的适应性调整。

此外，Kvemo Bolnisi的冶炼活动与矿石和居住区的位置关系也值得注意。这里的冶炼作坊直接位于矿石附近，与居住区相邻，这表明了冶炼活动与矿石开采和加工的紧密联系。相比之下，Colchis地区的冶炼活动似乎与居住区和矿石开采活动分离，这可能意味着不同的组织模式和技术发展路径。

### 铁氧化物的有意使用与冶金技术的演变

Kvemo Bolnisi遗址的冶炼废料不仅提供了关于冶炼技术的直接证据，还揭示了古代冶金工匠对材料行为的深刻理解。铁氧化物的使用表明，他们已经意识到铁氧化物作为助熔剂的潜在价值，并能够通过调整冶炼配方来优化冶炼效果。这种认知和技术的转变是冶金技术发展的重要里程碑。

在其他地区，如南黎凡特和南美洲，也有类似的铁氧化物使用记录。然而，这些记录大多集中在铁冶炼技术发展的后期。Kvemo Bolnisi的发现表明，铁氧化物的有意使用可能早在青铜时代晚期就已经出现，这为理解铁冶炼技术的起源提供了新的线索。

### 铁氧化物的有意使用与冶金知识的积累

铁氧化物的有意使用不仅反映了古代冶金工匠对材料行为的深入理解，还表明了他们在冶炼过程中对材料特性的实验和调整。这种知识的积累是冶金技术发展的重要基础，使得后来的铁冶炼技术成为可能。通过在铜冶炼过程中使用铁氧化物作为助熔剂，工匠们可能已经积累了足够的经验，以认识到铁氧化物在冶炼中的作用，并进一步发展出独立的铁冶炼技术。

Kvemo Bolnisi遗址的冶炼废料显示，铁氧化物的使用可能与冶炼工艺的优化密切相关。通过调整冶炼配方，工匠们能够更有效地分离金属和熔渣，从而提高冶炼效率。这种技术的演变不仅影响了铜冶炼，还可能为铁冶炼技术的发明提供了必要的基础。

### 结论

Kvemo Bolnisi遗址的重新分析表明，该地的冶炼活动主要是铜冶炼，而铁氧化物的使用则是有意为之。这一发现为理解铁冶炼技术的起源提供了重要的实证支持，表明铜冶炼工匠在冶炼过程中对铁氧化物的使用可能促进了铁冶炼技术的发明。铁氧化物的有意使用不仅反映了对材料的深刻理解，还表明了对冶炼过程的主动实验和调整。这种技术的演变和认知的转变是冶金技术发展的重要标志，也为后续的铁冶炼技术奠定了基础。未来的研究需要进一步调查其他2000-500 BC时期的铜冶炼遗址，以确认铁氧化物的有意使用是否在更广泛的区域内普遍存在，并进一步揭示铁冶炼技术的起源和演变过程。