杨炯,张跃峰,丘志力,陈国科,王辉,张钰岩,郑昕雨
(1.中山大学地球科学与工程学院;广东 广州510275;2.泰山学院旅游学院,山东 泰安,271021;3.甘肃省文物考古研究所,甘肃 兰州730000;4.广东省地质过程与矿产资源重点实验室,广东 广州510275;5.广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室,广东 广州 510275)
自旧石器时代开始,石器工具经历了漫长的历史时期,一直延续到新石器时代晚期才逐渐衰落。对石器工具的研究可以帮助人们复原历史,了解早期人类文明演化发展的轨迹。近年来,国内外学者除了从考古类型学的视角分析石器工具的形制特征、制作年代、加工和功能外[1-10],开始尝试利用地球化学分析的方法,如通过主微量元素或同位素的比较来约束石器工具产地[11-13],通过经济地理学的方法探讨石器时代人地关系的发展[14],多学科交叉融合探讨早期人类工具材料使用演化的轨迹是研究的基本趋势。敦煌地区处于河西走廊的西段,是丝绸之路的要道。目前该区发现的史前考古学文化遗存较少,主要有西城驿文化、四坝文化和骟马文化等文化遗存[15-17]。
敦煌旱峡古玉矿(闪石玉)遗址由甘肃省文物考古研究所和中山大学地球科学与工程学院2015年野外联合考古及地质勘察时确认,是继2007年和2014年肃北马鬃山径保尔草场玉矿遗址、寒窑子草场玉矿遗址的发现之后,又一重要的发现。陈国科等[18]认为,敦煌旱峡古玉矿遗址开采时代大约在公元前一千纪,是国内目前确认的年代最早的古玉矿(《敦煌旱峡古玉矿遗址考古调查报告》,甘肃省文物考古研究所,中山大学地球科学与工程学院,未发表)。旱峡古玉矿遗址的发现,不仅为研究敦煌地区文化发展脉络提供了素材,亦为揭示中国先秦玉石采矿业发展提供了新的重要案例。
目前有关敦煌旱峡古玉矿遗址采矿石锤材料地球化学方面的研究未见有报道。为此,本文利用偏光显微镜、X射线荧光谱仪(XRF)、等离子体质谱仪(ICP-MS)等设备对敦煌旱峡古玉矿遗址9件石锤进行了综合研究。
敦煌旱峡古玉矿遗址位于敦煌市东三危山的东南部,面积约300万m2,其东西及北部分布有榆林河、党河及疏勒河3条河流。遗址共发现地面遗迹145处,其中采矿坑114处、采矿沟8条、岗哨12处、房址8座、选料区3处。已经调查确认的玉矿矿脉3条,沿山体走向呈近东西向分布。各类遗迹沿矿脉走向分布于山体南北两侧。矿坑均为露天开采,多为古代遗存,也有部分现代居民采留下的矿坑。地表遗物包括玉料、石器和陶片等[18]。
敦煌地块位于塔里木克拉通东部,北侧为北山造山带,西北为且末-星星峡断裂,东南为阿尔金断裂(图1),总体上处于塔里木克拉通、华北克拉通和中亚造山带的连接部位。典型的敦煌杂岩出露于三危山、旱峡、党河水库、东巴兔山、石包城和红柳峡河等地,在北山地区少量出露。研究表明,敦煌地块西部地区自早古生代以来经历过广泛的构造-热事件,出露有早古生代花岗岩、晚古生代埃达克质花岗岩、斜长花岗岩和中生代基性岩墙[19-24]。
图1 敦煌旱峡古玉矿遗址地质简图[23-24]Fig.1 Geological sketch map of ancient Hanxia nephrite mining site in Dunhuang area[23-24]
石锤是石器时代较普通和常用的工具之一[1-3,25-27]。在世界范围内,石锤自旧石器时代开始使用,一直沿用到新石器时代晚期,但在部分落后地区或特殊的情况下(如采矿),石锤至今仍然有部分被使用。
我国石锤分布较广,主要分布于燕山南北的辽西、蒙东、鄂皖交界的长江沿岸古铜矿区以及中原的秦晋豫交界地区,而新疆和甘肃等地采矿石锤也不断被发现[9-10]。另外,先怡衡等[10]归纳了世界上已报道的亚腰石锤,除中国外,亚腰石锤还出现在爱尔兰、印度、北美以及中美洲等地,尤其是美洲印第安文化区出土的亚腰石锤最多。
野外考察发现(图 2a),敦煌石锤散落在矿坑周边几米-数十米范围内,部分石锤特征与矿区及附近出露的深色岩石脉体的外观特相似(见图2b-d)。根据其形态可以分A、B、C型。A型的形态呈近似梯形,一端较大,扁平状,一侧或两侧使用(图 2f);B型为长条或长方形,一端或两端使用均有(图 2g);C型为近球状,一端使用为主(图 2h);其中发现一件带钻孔的残件可能是和木棍结合使用的“组合石锤”(图2e);石锤的大小多为10 cm×20 cm不等,个别大可达25 cm。石锤颜色主要为灰白色、黑色,部分浅绿色,颜色深色居多,比重较大,质地坚硬。
旱峡古玉矿的石锤样品采自旱峡古玉矿遗址矿坑附近。本文选取了其中代表性的9件石锤进行了薄片鉴定。薄片观察在中山大学地球科学与工程学院、广东省地质过程与矿产资源重点实验室完成。
9件敦煌旱峡古玉矿遗址石锤样品的全岩主微量成分测试在澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素采用ME-XRF06熔片分析方法进行分析,X射线荧光谱仪(XRF)仪器型号为荷兰生产的PAN alytical AXIOS,检出限为0.01%,分析精度和准确度优于5%。微量元素分析采用ME-MS81方法完成,样品粉末与LiBO2均匀混合后高温熔融,冷却后用HNO3定容,最后使用电感耦合等离子体质谱仪定量分析,测试仪器为美国生产的Elan 9000型电感耦合等离子质谱仪,微量元素分析精度和准确度优于10%[28-29]。
薄片鉴定发现,石锤的岩性以岩浆岩为主,包括中酸性的花岗闪长玢岩、闪长玢岩、英安岩、以及基性的玄武岩及辉绿岩等多种岩浆岩(图3)。
图2 旱峡古玉矿遗址野外照片及代表性石锤照片(a)旱峡古玉矿遗址及露天矿坑;(b)基性岩脉穿插在基岩中;(c)风化破碎的基性岩脉;(d)矿坑边上磨圆的砾石石锤;(e)带有钻孔的石锤(残件)及软玉碎片;(f-h)代表性样品:DH-T01英安岩(A型);DH-T04闪长玢岩(B型);DH-T07玄武岩(C型,使用端有破口)Fig.2 Field photographs and typical stone hammer samples of Hanxia jade(nephrite) mine site(a) ancient Hanxia nephrite mining site and open pits; (b) basic dike intruded into bedrock; (c) weathered and broken basic dike; (d) stone hammers near mining pit; (e) stone hammer drilled and nephrite fragment; (f-h) typical stone hammer samples: DH-T01: dacite (A type); DH-T04:dacite (B type); DH-T07: basalt (C type)
花岗闪长玢岩(DH-T08,DH-T11,DH-T12)和闪长玢岩(DH-T09):具似斑状和聚斑结构,斑晶为斜长石、角闪石或黑云母,部分可见熔蚀边和暗化边,花岗闪长玢岩的角闪石含量较低,基质中石英微晶含量较高。斑状斜长石多具有环带,含量在10%~12%,角闪石绿色或褐色,含量在8%~12%;基质为微晶斜长石、角闪石、黑云母、石英,具显微晶质结构和显微交织结构。部分样品绿泥石化明显、可见绢云母化、碳酸盐化。其中DH-T12可能更接近火山岩,岩石特征与遗址区内及周边出露的常见火山岩类似。
辉绿岩(DH-T02):具辉绿-次辉绿结构,主要矿物为长柱状或板条状斜长石和长柱状辉石,呈放射状分布,其间充填粒状的单斜辉石和暗色不透明矿物(磁铁矿),部分样品含少量橄榄石。斜长石斑晶多为自形板状,发生不同程度绢云母化;单斜辉石和磁铁矿等暗色矿物填充于交错的斜长石和辉石空隙中。
玄武岩(DH-T07,DH-T03):具斑状结构,斑晶为斜长石,基质为间粒结构,主要矿物为单斜辉石,含少量磁铁矿。含少量气孔,气孔内充填碳酸盐矿物。
英安岩(DH-T01,DH-T04):斑状结构,局部见流纹构造。斑晶主要为柱状或粒状斜长石,10%~13%,环带和卡钠复合双晶常见;少量黑云母,占6%,黑云母绿泥石化,可见暗化边及靛蓝异常干涉色;少量石英斑晶。基质以长英质微晶为主,隐晶质、霏细结构。
9件敦煌古玉矿遗址石锤(XRF)主量元素测试分析显示,SiO2含量变化范围为48.9%~69.4%,可归入基性和中酸性岩浆岩(表1)。
在SiO2-(Na2O+K2O)图解(TAS图解中)(图4a),基性岩浆岩石锤(DH-T02、DH-T03、DH-T07)投影点落在粗玄岩-玄武岩区域;DH-T09投影点落在安山岩区域,5件中酸性石锤(DH-T01、DH-T04、DH-T8、DH-T11、DH-T12)的投影点落在英安岩区,靠近流纹岩,和薄片矿物观察结果一致。
图3 敦煌旱峡古玉矿遗址石锤正交下显微照片 Bt-黑云母,Pl-斜长石,Cpx-单斜辉石,Hbl-角闪石,Cal-方解石(气孔填充)Fig.3 Microphotographs of the stone hammers from ancient Hanxia nephrite mining site Bt-Biotite, Pl-Plagioclase, Cpx-Clinopyroxene, Hbl- Hornblende, Cal-Calcite(filled pore)
辉绿岩石锤(DH-T02)和玄武岩石锤(DH-T07)主量元素中SiO2含量(wB/%)分别为50.9%和51.5%,MgO含量为5.48%和5.91%,Mg#为47.3和50.7,Na2O+K2O为4.38%和3.96%,Na2O/K2O为3.92和5.09,里特曼指数δ分别为2.43和1.84,属于钙碱性岩;另1件玄武岩石锤(DH-T03)Mg#为42.7,里特曼指数δ约为4.17,属于碱性岩;在FeOT/MgO-SiO2图解中投影(图4b),3件样品均属于拉斑质岩石。
石锤DH-T9 SiO2含量较低,为58.5%,里特曼指数δ约为1.45。另5件中酸性石锤主量元素组成相对稳定,SiO2含量介于66.0%~69.4%之间,MgO含量从0.92%变化到1.48%,Mg#介于34.0~43.8之间,Na2O+K2O从6.75%变化到7.07%,Na2O/K2O为1.01~2.77,里特曼指数δ为1.45~1.98,同属钙碱性岩石。
6件中酸性石锤A/CNK为0.88~1.00且CNK>A>NK,表明中酸性石锤为准铝质—偏铝质(图4c)。
9件敦煌古玉矿遗址石锤等离子质谱(ICP-MS)分析结果见表1。其中,2件基性岩浆岩石锤DH-T02和DH-T07的微量元素和稀土特征较一致,与另一件玄武岩石锤DH-T03明显不同。6件中性-中酸性岩浆岩石锤DH-T09、T01、T04、T08、T11、T12的微量元素和稀土元素特征基本一致,Eu轻微负异常,Ce无明显异常。其中石锤DH-T11稀土元素总量偏低,且Eu、Ce无明显异常。
2件基性岩石锤(DH-T02和DH-T07)原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图5a)显示,它富集Rb、K、Sr等大离子亲石元素,没有Nb、Ta、P和Ti等高场强元素的明显亏损,具有EMI型洋岛玄武岩(OIB)的特征[30];基性石锤DH-T03大离子亲石元素Ba、U、La富集,Ta轻微亏损,Th明显亏损,但由于烧失量大,蚀变明显,较难分析其原岩的特点。
表1 敦煌旱峡古玉矿石锤主量元素(wB/%)及微量元素(wB/(μg·g-1))Table 1 The major element (wB/%) and trace element (wB/(μg·g-1))compositions of stone hammers from Hanxia jade mine site
1)Mg#=100×MgO/(MgO+FeOT)
图4 敦煌旱峡古玉矿石锤SiO2-(Na2O+K2O) (a)、FeOT/MgO-SiO2(b)和A/CNK-A/NK (c)图解Fig.4 Whole-rock SiO2-(Na2O+K2O) (a), FeOT/MgO-SiO2 (b) and A/CNK-A/NK (c) classification diagrams of stone hammers of Hanxia nephrite ming site
5件中酸性岩浆岩石锤(DH-T01、T04、T08、T11、T12)的微量元素原始地幔标准化蛛网图显示(图5b),除了大离子亲石元素U、Th、K、Sr富集外,其高场强元素Nb、Ta、P和Ti强烈亏损,较低的Mg#和TNT负异常,呈现出岛弧构造环境下经过复杂演化岩浆岩的特点。DH-T11较之其它5件样品,除了Th亏损,高场强元素Nb、Ta的亏损更加强烈。
全部样品的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线右倾明显(图6a,b),轻稀土富集,重稀土亏损的特点,Ce无明显异常;其中,3件基性和1件中性石锤Eu异常不明显(图6b)。
基性岩浆岩石锤DH-T02和DH-T07的稀土元素总量ΣREE分别为78.7 μg/g和69.0 μg/g,LREE/HREE分别为3.43和3.36,(La/Yb)N值比较接近分别为3.96和3.74。δEu分别为1.05和1.06,δCe分别为1.00和0.98;球粒陨石标准化配分曲线略右倾,较平坦且中稀土略有上隆的分布特征。
图5 旱峡古玉矿遗址基性(a)和中酸性(b)石锤及区内部分岩石微量元素蛛网图Fig.5 Spider diagrams of trace elements in the basic (a) and intermediate-felsic (b) stone hammers from ancient Hanxia nephrite mining site and other similar rocks nearby
6件中性及中酸性岩浆岩石锤稀土元素地球化学特征较一致,除了石锤DH-T11稀土元素总量较低外,另外5件稀土元素总量较接近,介于145~160 μg/g之间,LREE/HREE为10.8~12.5,(La/Yb)N为13.1~18.9,δEu 0.76~0.98,δCe为0.99~1.02。DH-T11的稀土元素总量偏低,仅为57.7 μg/g,但(La/Yb)N高达304,表明轻重稀土分馏明显。中性和中酸性石锤具有富铝、K2O/Na2O<1且高Sr的特征,在构造环境判别图中其投影点落在火山弧花岗岩VAG区域(图7),认为它们的原岩形成于岛弧环境。
图6 旱峡古玉矿遗址基性(a)和中酸性(b)石锤及区内部分岩石球粒陨石标准化稀土元素分布模式图Fig.6 Chondrite-normalized REE element distribution pattern of basic (a) and intermediate-felsic stone hammers (b) from ancient Hanxia nephrite mining site and other similar rocks nearby
图7 中酸性石锤与党河水库花岗岩体Nb-Y和Ta-Yb构造环境判别图[33-34]WPG-板内花岗岩,ORG-洋中脊花岗岩,VAG-火山弧花岗岩,COLG-碰撞花岗岩Fig.7 Tectonic setting identification diagram using Nb-Y and Ta-Yb for intermediate-acidic rocks stone hammers and granite rocks in Danghe reservoir[33-34] WPG-Within Plate Granites, ORG-Ocean Ridge Granites, VAG- Volcanic Arc Granites, GOLC-Collision Granites
敦煌地块特殊的地理位置和复杂的地质及构造特征一直为学术界关注,前人对敦煌地区地质构造和出露的岩石进行了大量的研究工作并取得了系列成果。研究认为,敦煌地区经历了多期构造活动和岩浆作用的改造,其构造演化具有复杂性、长期性和多阶段性的特点[19-24,35-38]。
本文对石锤岩石地球化学的测试结果与前人的研究的对比发现有如下特点:
1)冯志硕等[20]对三危山基性岩墙群进行了研究,确定它为亚碱性辉绿岩,属拉斑玄武岩系列。该类岩石富集大离子亲石元素,特别是K和Sr富集最明显;亏损高场强元素,其中Nb和Ta亏损程度明显低于Th。该类岩石的稀土含量较低,介于69.0~107 μg/g之间,(La/Yb)N为3.93~4.66,轻稀土富集,Ce稍有负异常(δCe为0.75~0.84),基本无Eu异常(δEu为1.02~1.17),稀土元素分布模式曲线平滑。旱峡基性岩石锤DH-T02和DH-T07的微量元素地球化学特征与三危山基性岩墙的高度一致,后者可能是前者的产出地。
2)旱峡古玉矿玄武岩石锤DH-T03的主微量及稀土特征和王晓丰等研究的酒西盆地中生代白垩纪基性火山岩(105 Ma)较为一致[32,35]。旱峡火山岩稀土含量相对较高,其总量介于212~237 μg/g;(La/Yb)N为12.5~13.8;Ce稍有负异常(δCe为0.84~0.86),基本无Eu异常(δEu为0.94~1.06),稀土元素分布模式曲线是一条右倾的平滑曲线。富集大离子亲石元素,以Sr、Ba等大离子亲石元素富集程度最高;相对富Nb(大于20 μg/g)但轻微亏损高场强元素Ta、Zr、Hf。根据岩石学和地球化学特征对比,DH-T03石锤的原料可能和酒西盆地白垩纪基性火山岩有关。
3)6件中性及中酸性岩浆岩石锤岩石地球化学特征与党河水库花岗闪长岩相似,与敦煌三危山晚泥盆世斜长花岗岩((363±2)Ma和(365±3)Ma)明显不同[22,33]。据王楠等[33]的研究,敦煌地块党河水库早古生代的岩浆岩(461.7~438.1 Ma)的SiO2含量为63.2%~74.1%,FeOT含量为1.12%~4.67%,MgO含量为0.42%~1.79%,Na2O含量为3.16%~3.55%,K2O含量为1.71%~3.51%,Na2O+K2O含量为5.20%~6.99%,Na2O/K2O比值为0.93~2.03。在Na2O+K2O-SiO2图解(TAS图解)中,落入花岗闪长岩和花岗岩区域内。王楠等[33]的研究还显示,党河水库花岗质岩石富集大离子亲石元素K、Rb、Ba,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti。岩体稀土配分模式为轻稀土富集重稀土相对亏损的右倾型,ΣREE为113~252 μg/g,(La/Yb)N为11.6~41.9,其δEu为0.54~0.74,Ce基本无异常。上述研究显示,中性及中酸性石锤的岩石地球化学特征与党河水库花岗质岩石的十分相似。此外,在Nb-Y和Ta-Yb构造环境判别图上(图7),6件中性及中酸性岩浆岩石锤与党河水库花岗质岩石的投影点均落在造山的火山弧花岗岩(VAG)区。据此,本文认为玉矿遗址中性及中酸性石锤更可能和党河水库花岗质岩石有关。
与前人的研究结果的对比显示,旱峡古玉矿遗址工具石锤宏观和微观特征、主微量及稀土元素特征,成岩环境等几个方面与遗址附近出露的岩浆岩体及其同源岩石明显相似。可以认为,旱峡古玉矿遗址工具石锤均是就地/就近取材(以遗址为中心直径100 km范围内,部分很可能就在遗址附近)。
甘青地区大约在公元前二千纪后半叶进入青铜时代。旱峡古玉矿遗址陶片以手制夹砂灰陶和红褐陶为主,素面居多,部分有饰戳印纹、斜绳纹、刻划纹等特征,敦煌旱峡古玉矿属于骟马文化遗存[18],大量选矿工具被遗弃散布在矿坑附近,可能和当时河西走廊石器工具已日渐式微,该矿为短暂矿场,以及河西走廊西部晚全新世由温暖湿润气候转入干旱期的环境[39-42],石锤材料较容易获取有关。
石锤是一种古老的石器工具,肯尼亚Lomekwi 3地点发现距今330万年的石制品中就有石锤[26],中国在(70~60)万年的遗址中也发现有较多一面经过打制的砍砸器和石球。例如,百色旧石器时代遗址,洞庭湖区的澧水流域、安徽省东南部的水阳江流域旧石器时代遗址(68万年)、汉中盆地、北京周口店等[7,25-27],这些石锤和石球通常与尖状器、手斧、刮削器等石制品共存。石器大多数是用砾石直接加工而成,制作方法主要为锤击法,个别使用碰砧法,单面加工,器身保留较多砾石面,材料来自附近河流(或河流阶地)的砂岩、粉砂岩、石英岩等砾石,因此属于砾石石器,是加工石器、狩猎或生产的古老工具之一[2,7,43]。
从材料学的角度,敦煌旱峡古玉矿遗址的石锤既有原岩碎块打制的,也有磨圆河滩砾石类型,但多数情况下,石锤可见双面打击痕迹。同时,石锤没有和其它类型的细石器伴生,没有见到其它类型的石器制品,显示其与一般狩猎或生产生活联系较少,应该只是一种与选矿有关的工具。
敦煌旱峡古玉矿遗址的石锤根据其形态特点可以分为厚饼A型、长方(圆)柱状的B型和球-椭球状C型3种类型,石器类型与敦煌地区发现新石器时代石器的器型不同,其中A型和B型石锤在形态特点与山东乳山县史前遗址石锤[44](胶东半岛)(大汶口文化遗存)及山东著名大辛庄商代遗址石器石锤的形态具有明显相似性的特点[45],没有在爱尔兰、印度、北美以及中美洲等地采矿遗址常见的典型亚腰型石锤,与我国燕山南北辽西、蒙东地区、鄂皖交界长江沿岸古铜矿区以及中原秦晋豫交界地区、西北新疆和甘肃地区的采矿石锤也明显不同[9-10]。
根据以上特点以及旱峡古玉矿遗址石锤分布(遗弃)地点更多和选玉平台有关,可以推测,目前所见的石锤更多是作为选矿(玉)的辅助砸击工具(由于遗址没有正式发掘,是否存在其它的类型仍然需要等遗址发掘后进一步认识)。古人将开挖出来的矿石筛选后,用石锤砸去废石料、去粗取精,然后带走质量较好的玉料,以节省运输成本并提高工作效率。
科学考古学诞生之初,考古器物类型学除了被用来解决年代学问题外,在文化历史学中还被用来了解考古学文化的时空分布和分辨人群身份[46]。近年来,虽然石器类型学研究的重要性已被“操作链”、“技术系统”等研究所替代;但石器产品作为人类行为和社会系统力量的“技术表现”,不同人群工匠大脑里特定的“概念型板”必将反映在器物的形制上的认识仍然具有合理性[47]。换言之,打制石器作为反映各种生产、食物加工和采办活动的“产品”/“器物”,其形制必然和制作、使用人群的生活习惯、对工具效率的把握具有明显的联系。
但就目前的证据而言,利用敦煌旱峡古玉矿遗址的石器来探索采矿人群的工作仍然有待深入,有关的研究有赖更多材料证据的发现。
得到初步的结论和认识如下:
1)根据旱峡古玉矿遗址工具形态特点可以分为A、B、C三种类型,目前所见旱峡古玉矿遗址石锤工具主要为选矿(玉)工具。
2)遗址的石锤岩性主要包括闪长玢岩、花岗闪长玢岩、英安岩、辉绿岩及玄武岩。2件基性石锤的主微量元素及稀土元素特征与三危山中生代白垩纪基性岩墙地球化学特征一致;1件基性石锤的主微量及稀土特征与酒西盆地白垩纪旱峡基性火山岩的特征基本一致;6件中性—中酸性岩浆岩石锤主微量及稀土特征与敦煌地块党河水库早古生代的花岗闪长岩岩体的特征一致。
3)遗址工具石锤材料与敦煌三危山附近地区出露的岩浆岩的地球化学特点高度一致,显示其时选矿石锤的材料选用的范围不会超过以遗址为中心的直径100 km范围内,主要是就地/近取材,大量遗弃散落石锤的存在显示河西走廊四坝-骟马文化时期石器工具日渐式微以及气候干旱、石块材料较容易获得有关。
致谢:感谢两位评阅专家对论文提出的修改意见,有关建议对论文的完善有明显的帮助。