金山岭长城出土明代火药的成分和功能分析

王春艳 单迎红

(1.承德石油高等专科学校电气与电子系，承德 067000；2.河北省滦平县博物馆，滦平 068250)

金山岭长城出土明代火药的成分和功能分析

王春艳1单迎红2

(1.承德石油高等专科学校电气与电子系，承德 067000；2.河北省滦平县博物馆，滦平 068250)

火药是中国四大发明之一，对世界文明的发展作出了重要贡献。但由于古代火药存留至今的非常罕见，所以学界对古代火药的研究主要集中在对文献的整理和分析上。本文以河北金山岭长城出土的明代火药样本为研究对象，检测火药的成分，对其结果进行分析，并对其所属的石雷功用提出看法。

明代火药 成分 分析

1 中国古代火药配比和功用

众所周知，火药是中国的四大发明之一。不同的史料记载火药最早起源的时间各有不同，但可以肯定的是，从唐代晚期以来，火药才逐渐被应用于战争。宋代时期，火药武器在中国进一步发展，形形色色通过火药做助推或爆炸的火器被应用到战争中，并在宋元之际被传到阿拉伯乃至欧洲，推进了世界历史的进程。

火药在中国从萌芽到推广经历了相当长的时间，早在汉代的《神农本草经》中就有对硝石、硫磺等物质化合性能的认识。比较明确记载火药配方的有唐代晚期炼丹家清虚子在其所著《铅汞甲辰至宝集成》中所提及的“伏火矾法”，这是用硝石、硫磺、碳化的马兜铃组合的炼丹方[1]，已经比较接近火药的配比，因而被认为是最早制备火药的记载。宋人孟要甫的《诸家神品丹法》卷五中记载了“伏火硫黄法”[2]的一种炼丹方，也是这三种物质的组合，只不过用碳化的皂角代替马兜铃。

宋代火药制造日益成熟，北宋第一部官修军事著作《武经总要》一书中出现了三种详细的火药配方，包括火球用火药([3]，622页)、蒺藜火球用火药([3]，635页)、毒药烟球用火药的详细配方([3]，623页)，用不同的添加剂，达到或燃烧、或爆炸、或放出毒烟雾等目的。

明代出现了各种兵书，如《武备志》[4]《火龙经》《火龙神器药法篇》[5]，还有新近发现的《克敌武略荧惑神机》[6]等等，其中记载的火药配方就达几十种之多，且功效各不相同。比如有信药方、大炮药方、起火药方、爆火药方、喷火药方、炮火药方、火毬药方、喷筒药方、烟火药方、铳药方、药线方。在这些火药配方中，按照其不同的功效，硝、硫磺、木炭的组成比有相应的变化。戚继光《纪效新书》(1548)对火药的配方有详细记载，其中制合乌铣药方含硝酸钾75.8%、硫10.6%、碳13.6%[7]，与现代标准军用火药无异[8]。另外有特殊功用的毒火药，添加了各种矿物、植物类的有毒成分，可以增加对伤口的附加伤害，用以增大杀伤力，分别应用于各种战争场合。

目前为止，对古代火药的研究进行了多年，主要集中在两个角度，一是从文献角度对火药配方的体系进行了梳理和阐述[9]，二是模拟实验角度，比如对古代火药配方——最早的记载见葛洪《抱朴子》[10]和宋代孟要甫《 诸家神品丹法 》中用伏火硫黄法进行模拟实验[11]，分析早期火药配方和性能。还有对明代特殊功用的火药如神火药方(偷营劫寨)、毒火药方(冲锋破阵)、烈火药方(烧营寨焚人马)进行模拟制造，并爆炸燃烧测验其功能[12]。但由于古代火药的实物出土极少，其成分配比情况如何，基本无人研究过。而河北滦平县金山岭长城明代石雷出土的一定量火药，对其成分进行检测研究，将填补这一学术空白。

2 明代火药样品成分检测及分析

图1 明代石雷

金山岭长城位于河北省北部滦平县境内，兴建于明代隆庆年间(1567)，一直沿用到崇祯末年。1982年，文物工作者在几个敌楼进行考古探查，清理出一批明代守边士兵遗留下的文物，包括武器类的铁炮、石雷、箭头、铁弹丸等；还有生活用品如石臼、瓷灯、瓷碗、石杵、钱币、陶罐等。金山岭长城出土的石雷数量非常多，有上百个，分为两种：一种呈正圆形，直径25厘米，绝大多数为实心，做礌石之用途；另外一种石雷呈鼓形，大小不一，中间凿空，内装火药，并用黄泥封口。出土火药的石雷通高25cm、腹径20cm、顶面径15cm、底径14cm、孔深12cm、孔径5cm，重量为14kg，材质为当地的花岗岩石质，见图1、图2。石雷里面装有一斤多明代火药(编号：Lb3391 Z288)，出土后仍能点燃并发出咝咝的响声(图3)。

此类装有火药的石雷从其外观和形制推测应该属于守城的爆炸性武器。《克敌武略荧惑神机》(卷九)中记载有一种“防城石”：“用粗石不拘大小，其中錾空，旁錾一小眼安药线，内装火药用石塞紧，散于城下，线牵城上，敌人近城，火至石碎击人。”([6]，53页)这种“防城石”和此类石雷功能大致类似，只不过石雷外表经过整修，基本都成圆鼓状，应该是为了滚动，与“防城石”不尽相同，但是推测其爆炸的功效是类似的。

图2 明代石雷上的火药腔

图3 明代火药

把出土的火药经过均匀搅拌后取样，使用Thermo Scientific FLASH 2000 CHNS/O 元素分析仪，选用高纯度氦气为载体气体，选用CHNS测定模式，火药样品在锡囊中称量质量后，放在燃烧管中，在纯氧的氛围下燃烧。燃烧后，把其中的有机元素的氧化产物二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)、二氧化氮(NO2)等通过气相色谱柱进行气体分离，再导入TCD热导检测器。测定出样品完全燃烧后生成气态产物的质量，并根据样品原有质量进行换算，最终可求出样品中氮(N)、硫(S)、碳(C)等物质的百分含量。

检测结果表明样品中和火药组分有关元素的质量百分比为——氮元素：0.4%；硫元素：0.937%；碳元素：40.7%；其它无机类氧化物占57.96%，系埋藏混入的杂质。火药的成分则主要是硝石(KNO3)、硫磺(S)和木炭(C)，所以样品中氮元素来源于硝酸钾，硫元素来自硫磺，碳元素则来自于木炭，去除杂质后经过化学式折算可知残留火药中三种组分的质量百分比为：硝石6.5%，硫磺2.1%，碳91.4%。

这一比例基本不符合常规火药成分配比。一般来说，火药中含量最大的就是硝石(硝酸钾)，例如戚继光记载的火铳所用火药配方就是硝石75.8%、硫10.6%、碳13.6%。此火药中硝酸钾这么少是可以解释的。因为硝酸钾易溶于水，在这近400年的时间内，石雷经历过多次进水，那么易溶的硝酸钾很容易流失。内蒙古出土的元代火药检测后硝酸钾含量也是微量。但是硫磺不溶于水，而且常温下很难化合，所以其含量应该是最初状态。纵观从宋代到明代几十种火药配方，无论哪一种，其中硝酸钾的含量都是远大于木炭的，因此，如果把硝酸钾质量恢复到原来正常水平，那么硫磺的重量比必然更为降低，不到1.0%左右，可以说，这种火药中硫的含量非常少。硫磺含量少意味着什么呢？这要从不同硝硫配比的火药性能说起。

明代诸多火器书，如《火龙经》《克敌武略荧惑神机》中都对硝石和硫磺在火药中的功能给予了介绍，叙述基本相同：

硝性主直，直发者以硝为主。

硫性主横，横发者以硫为主。

灰性主火，火各不同以灰为主有箬灰柳灰杉灰桦灰葫芦灰之异。

性直者主远击硝九而硫一，性横者主爆击硝七而硫三。([6]，5页)

其中的“直”指的是喷射，“横”指的是爆炸。“性直者主远击，硝九而磺一”，也就是说，以喷射为目的的火药，硝硫含量比为9∶1，而以爆炸为目的的火药，硝硫含量比为7∶3。这也和现代火药爆炸理论接近。

因此在古代火药配方中，凡是体现喷射功能的火药，硝硫含量比较高，凡是体现爆炸功能的火药，硝硫含量比要降低很多。比如《火龙经》中的大炮药方是“硝火一两，硫火一钱，杉炭一钱七分”([9]，161页)，硝硫含量比为10∶1；火炮药方是“硝火一两，硫火一钱，炭七钱，斑蝥一钱二分”([9]，161页)，硝硫含量比为10∶1。《克敌武略荧惑神机》中的铳药方为“净硝一斤，硫黄一两”([6]，65页)，硝硫含量比为10∶1；喷筒药方是“净硝一斤，硫黄八钱”([6]，64页)，硝硫比达12.5∶1；朝天铳药方是“净硝一斤，硫黄五钱”([6]，65页)，硝硫比达20∶1。《火龙经》中记载的“流星发药方”：“硝火十两，流炭一两五钱，火酒碾拌极细”([9]，161页)，还有《火龙神器阵法》中的“起火药方”：“硝一两，炭九钱”([5]，30页)，都属于无硫火药的范畴。可以看出凡是体现喷射功效的火药，硫的含量非常低，有的甚至不含硫。而爆炸类火药中硫磺含量明显变高，例如《克敌武略荧惑神机》中提到“轰天霹雳猛火炮”([6]，38页)，是一种投掷到敌营中的罐形铁壳炸弹，其火药配方中有“硝一斤，磺八两”([6]，52页)，硝硫比为5∶4，还有功能近似地雷的荔枝炮其配方为“焰硝一斤硫黄四两”([6]，50页)，硝硫比为5∶2。

从目前国内一共出土的为数不多的火药样本来看，火药中的硝石基本都溶解殆尽，而木炭和硫磺则保留稳定，因此完全可以根据木炭和硫磺的含量来推测大致的硝硫比。金山岭长城出土的明代火药，出土于石雷之中，考古工作者们很自然地推测其为一种爆炸性武器，类似于现代的炸弹。但是从检测结果来看，其中火药中硫的含量很少，硝硫比非常低，按照前述，这种火药功能更为可能是作为喷射之用，而非爆炸之用。

3 结论

借助科技手段对明代火药进行科技检测，这是科技考古以前所做不到的。这种科技检测为火药遗存和古代文献之间架接了一个认知的桥梁。

利用科技手段检测也面临一些局限。本研究尝试剔除一些影响因素，比如保存条件的限制，水分浸染造成的成分流失等，这是使用科技手段要解决的问题。通过实验分析可以看出，金山岭长城出土的明代晚期石雷内填充的火药，其功能以喷射为主，爆炸性不强。这一情况似乎并不符合常理上的推测，以往一般认为石雷是爆炸所用，但是考古研究必须要以事实为基础，不应按照我们认为的常理来否定已经发生的史实。为什么在通常被认为是炸弹的石雷中出现喷射性质的火药？有待进一步深入研究。

近年来，在河北山海关、北京怀柔等明长城遗址上又发现相当多的石雷，并同时发现残留的明代火药。随着这些考古新发现，可以继续开展对火药成分科技分析的工作，这项工作的进展将会更加准确认识明代火药的成分，进而帮助我们了解石雷之功用和长城城防中的效用，最终促进对明代火药火器诸多问题的研究。

致 谢 本文的实验检测得到中国科学院大学科技考古系杨益民教授的热心指导和帮助，特此致谢!

1 (唐)清虚子. 铅汞甲辰至宝集成·卷二[A]. 道藏[M]. 第595册.

2 (宋)孟要甫. 诸家神品丹法·卷五[A]. 道藏[M].第594册.

3 (宋)曾公亮. 武经总要(前集卷十二) [M].

4 (明)茅元仪. 武备志[M].台北: 华世出版社.1985.

5 (清)佚名. 火龙神器药法篇[M]. 清抄本.中国科学院自然科学史研究所馆藏.

6 (明)佚名. 克敌武略荧惑神机[M].明抄本.浙江博物馆馆藏.

7 (明)戚继光. 纪效新书[M](手足篇第三).北京: 中华书局, 2001. 58.

8 丁儆.古代火药技术简史[J]. 爆炸与冲击. 1983,(4): 7.

9 孟乃昌. 中国火药的理论体系[J]. 自然科学史研究. 1991,(2): 157—164.

10 赵匡华, 骆萌.关于我国古代取得单质砷的进一步确证和实验研究[J].自然科学史研究, 1984,(2): 105.

11 孟乃昌, 吕跃成. 中国炼丹术伏硫黄、硝石、袍砂诸法的实验研究[J]. 自然科学史研究, 1984,(2) : 113.

12 徐新照. 明代火药多成分配方的研究[J]. 火炸药学报, 2001,(2):62—66.

Analysis on the Composition and Function of Powder in the Ming Dynasty in Jinshanling Great Wall

WANG Chunyan1， SHAN Yinghong2

(1.ElectricalandelectronicDepartment，ChengdePetroleumCollege，Chengde067000，China; 2.LuanpingCountyMuseum，Luanping068250，China)

As one of China’s four great inventions， the gunpowder had promoted the development of the world’s civilization. However， due to the ancient gunpowder remains very rare， the study of ancient gunpowder mainly focused on analysis about literature. The paper focused on the powder samples of Ming Dynasty， which unearthed in Jinshanling Great Wall of Hebei Province， tested and analyzed its composition， and gave some opinions on the function of the weapons with the powder.

Ming Dynasty powder， ingredient, analysis

2017- 00- 00；

2017- 00- 00

王春艳，1977年生，河北滦平人，承德石油高等专科学校电气与电子系讲师，研究方向为分析化学。单迎红，1979年生，河北滦平人，河北省滦平县博物馆副馆长，研究方向为文物考古与博物馆陈列。

N092

A

1673- 1441(2017)02- 0198- 05