伊朗五千年前的古代炉渣揭示世界首批金属工匠五千年前的秘密

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）据今日科学新闻：五千年前，在现在的伊朗，古老的手将碎石投入熊熊烈火。他们看着矿石软化、分离，慢慢露出惊人的光芒：铜，像捕捉的日出般闪耀。那一刻标志着人类最早踏入冶金领域的一步之一。居住在那里的人们将原石变成工具、武器和装饰品，引发了一场技术革命，如今其痕迹大多埋藏或锁在博物馆中。

如今，这些物品本身太珍贵，无法随意解剖。早期冶金学家依赖的技术是由碎片、猜测和罕见考古发现组成的谜题。但在发表在《公共图书馆一号》上的一项新研究中，麻省理工学院的研究人员揭示了一种方法，可以在不破坏其证据的情况下解读这个古老故事。他们的方法不是从珍贵的文物开始，而是从更卑微的东西开始：炉渣，冶炼后留下的黑暗硬化废料。

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。”

炉渣看起来像一块焦黑的岩石，但对研究人员来说，它是一个时间胶囊。当矿石被加热时，矿物熔化，金属分离，不需要的成分以炉渣的形式漂浮到地表。随着这些熔融废料冷却，它冻结了液滴、空洞和矿物残留物。里面的每个口袋都记录着那些古代冶金学家所做的事情以及他们是如何做到的。

挑战一直是，获取这些记录通常需要切割炉渣，破坏部分，只显示出其结构的一个狭窄视图。在这项新研究中，萨巴蒂尼和资深作者安托万·阿拉诺尔使用了一个完全不同领域的工具：CT扫描。

“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。“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

CT扫描因其医疗用途广为人知，使得在不切开物体的情况下看到物体内部。为这项研究，研究人员扫描了特佩希萨尔的炉渣样本，该古老聚落可追溯至公元前3100年至公元前2900年。这些样本由宾夕法尼亚大学博物馆于2022年借出，来自已知最早的铜加工遗址之一——一个有组织的贸易社会，冶金可能在这里最早蓬勃发展。

炉渣以复杂著称。它含有矿石残余、未反应金属以及石灰石等添加剂。有些成分，比如砷，使情况更加复杂。“炉渣废料在化学上解释复杂，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，”阿拉诺尔解释道。但砷容易溶解并渗出，因此作为长期线索不可靠。“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。”

研究团队需要一种非侵入式的方式来解读幸存物资。他们转向工业CT扫描仪，与剑桥本地一家初创公司合作，并使用麻省理工学院自有的扫描仪。“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。

CT扫描绘制了每个炉渣碎片的详细视觉图，暴露出孔隙、矿物纹理，最重要的是捕捉到微小的金属液滴。这些特征帮助研究人员精确选择样本切片位置，使用X射线荧光、X射线衍射和扫描电子显微镜等传统工具进行深入分析。

没有扫描，选择切割很大程度上是猜测。扫描则以知识为导向。“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。”

特佩希萨尔的一些炉渣此前已显示出铜的迹象;另一些则完全不含铜。CT图像澄清，部分样品中存在完整的含铜液滴，证实其与铜生产有关。扫描还揭示了气体曾经泄漏的蜿蜒通道，留下空洞，保存了关于古代冶炼事件温度、化学成分和时间的线索。

但最具争议的元素是砷。早期研究显示某些炉渣中含有金属砷化合物，引发了对其运动和用途的质疑。CT扫描显示砷行为不可预测，出现不同阶段并在炉渣中迁移，甚至完全逸出。这种不稳定性意味着砷不能成为古代冶金技术的唯一指标，这一认识可能会重塑考古学家对特佩·希萨尔等遗址的解读。

该研究的优势在于新旧方法的结合。CT扫描提供了初始地图;传统方法则填充了化学和结构细节。它们结合起来，形成了比单独任何方法更清晰的图景。研究人员表示，这种混合方法有可能改变考古冶金学。

“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。“这让我们能够认识腐蚀的作用以及文物的长期稳定性，从而不断学习。这将成为想要研究这些问题的人的重要支持。”

这项工作的意义远超炉渣本身。通过打开一扇新窗口，了解那些通常过于脆弱或过于稀有而难以解剖的材料，CT扫描为考古学家提供了一种重建塑造最早复杂社会技术的方法。它使研究人员能够追溯古代人如何学会控制火灾、转化矿物以及创造改变人类历史的工具。曾经被青铜时代金属工匠丢弃的炉渣废料，如今已成为讲故事的人，现代科学终于找到了倾听的方式。

通过CT扫描，研究人员展示了即使是最不起眼的遗骸，也能展现出世界上最早冶金学家的技艺、创造力和实验精神。理解他们如何将岩石转化为金属，丰富了我们对人类智慧的理解——也为考古学提供了发掘构建我们世界的技术的强大新工具。

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