CT扫描揭示了早期伊朗古代铜冶炼的隐藏细节
先前剖面的炉渣H76-S39显示嵌在第二层内的木炭包裹体。图片来源：uux.cn/PLOS One（2025年）。DOI：10.1371/journal.pone.0336603
（神秘的地球uux.cn）据麻省理工学院（作者：扎克·温恩）：大约5000年前，生活在现今伊朗地区的人们开始通过加工矿石从岩石中提取铜，这一活动被称为冶炼。这一划时代的转变为他们带来了强大的新技术，可能标志着冶金学的诞生。不久之后，世界各地的人们开始使用铜和青铜（铜和锡的合金，或铜与砷的合金）来制作装饰品、武器、工具等。
研究人类如何制造此类物品具有挑战性，因为现存的证据极少，幸存的文物被精心保护和保存。
在发表于PLOS One的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员展示了一种揭示最早期冶金过程细节的新方法。他们利用包括X射线计算机断层扫描（CT扫描）在内的技术，研究了5000年前冶炼矿石的副产物炉渣废料。在他们的论文中，他们展示了这种主要用于医疗领域的非侵入性成像技术，能够揭示古代炉渣碎片中结构的细节。
博士后本杰明·萨巴蒂尼说：“虽然炉渣可能无法给我们完整的画面，但它讲述了过去文明如何从矿石提炼原料，再炼成金属的故事。”“这反映了当时的技术能力，也为我们提供了大量信息。目标是从头到尾了解他们是如何制造这些闪亮金属产品的。”
在论文中，萨巴蒂尼与资深作者、冶金学教授、材料科学与工程希瑟·N·莱希特曼教授安托万·阿拉诺尔结合了CT扫描与更传统的古代文物研究方法，包括切割样品进行进一步分析。他们证明了CT扫描可以补充这些技术，揭示样品中不同材料的孔隙和液滴。这些信息可能揭示地球上最早冶金学家所使用的材料及其技术水平。
“早期青铜时代是人类与金属之间最早的互动之一，”阿拉诺尔说，他同时也是麻省理工学院考古与民族学材料研究中心的主任。“当时该地区的文物在考古学中极为重要，但这些材料本身在我们对底层材料和化学过程的理解上并不十分明确。CT扫描方法是对传统考古方法的转变，用于确定切割和分析样本的方法。”
炉渣H76-S39的三维及二维XCT图像。图片来源：uux.cn/PLOS One（2025年）。DOI：10.1371/journal.pone.0336603
考古学中的新工具
炉渣在矿石加热以产生金属时，以熔融的高温液体形式产生。炉渣中还含有矿石中的其他矿物，以及未反应的金属，这些金属通常与石灰石等添加剂混合。在混合物中，炉渣的密度低于金属本身，因此可以上升并被移除，冷却时会像熔岩一样凝固。
“炉渣废料在化学上解释起来很复杂，因为在我们现代冶金工艺中，它含有最终产品中所有不需要的成分——尤其是砷，它是铜原始矿物中的关键元素，”阿拉诺尔说。“考古冶金学一直存在一个问题，就是我们是否能在这些遗骸中使用砷及类似元素来了解金属生产过程。
“这里的挑战在于，这些矿物，尤其是砷，非常容易溶解和渗出，因此它们的环境稳定性在解释6000年前制造时的这个物体的意义上带来了额外的难题。”
研究人员使用了伊朗一处名为特佩希萨尔古遗址的炉渣进行研究。该炉渣此前被定年为公元前3100年至公元前2900年，并于2022年由宾夕法尼亚大学博物馆借给阿拉诺尔进行研究。
“该地区常被认为是铜加工和物品生产证据最早发生的地方之一，”阿拉诺尔解释道。“这里保存得非常好，是早期拥有远程贸易和高度组织社会的遗址。这就是为什么它在冶金学中如此重要。”
研究人员认为这是首次尝试利用CT扫描研究古代熔渣，部分原因是医疗级扫描仪价格昂贵且主要部署在医院内。研究人员通过与剑桥一家生产工业CT扫描仪的本地初创公司合作，克服了这些挑战。他们还在麻省理工学院校园内使用了CT扫描仪。
“我只是出于好奇，想看看有没有更好的方法来研究这些物品，”萨巴蒂尼说。
除了CT扫描外，研究人员还采用了更传统的考古分析方法，如X射线荧光、X射线衍射以及光学和扫描电子显微镜。CT扫描提供了炉渣内部结构的详细整体图景，以及孔隙和不同材料碎片等有趣特征的位置，补充了传统技术，以更完整地传递样品内部信息。
他们利用这些信息决定样本的切区，指出研究人员常常猜测样本切区，甚至不确定样本最初是朝上还是朝下。
“我的策略是锁定那些看起来仍然完整的高密度金属液滴，因为它们可能最能代表原始工艺，”萨巴蒂尼说。“然后我可以用一块碎片对样本进行破坏性分析。CT扫描能准确显示你最感兴趣的内容，以及你需要研究的大致布局。”
在炉渣中寻找故事
在之前的研究中，特佩希萨尔遗址的一些炉渣样本含有铜，因此似乎符合其铜产出的说法，而另一些则完全没有铜的证据。
研究人员发现，CT扫描使他们能够识别含铜的完整飞沫。它还使他们能够识别气体的演化位置，形成空洞，储存炉渣的产生信息。
该遗址的其他炉渣此前也发现含有少量金属砷化合物，导致关于砷在早期金属生产中的作用存在争议。麻省理工学院的研究人员发现砷在样品中存在不同阶段，可能在炉渣中移动甚至完全逃逸，这使得仅凭砷研究推断冶金过程变得复杂。
展望未来，研究人员表示，CT扫描有望成为考古学中揭示复杂古代材料和过程的强大工具。
“这应成为对铜冶炼中铜方面更系统研究的重要杠杆，同时也有助于继续理解砷的作用，”阿拉诺尔说。“这让我们能够意识到腐蚀的作用以及文物的长期稳定性，从而继续学习更多。这将成为那些希望调查这些问题的人的重要支持。”
更多信息：Benjamin Sabatini 等，《X射线计算机断层扫描在伊朗特佩希萨尔古铜渣相形成、矿物副生成物及内部特征的特性描述与解释中的新颖应用》，PLOS One（2025年）。DOI：10.1371/journal.pone.0336603
