黑曜岩的考古学研究综述

黑曜岩的考古学研究概述

刘爽1，2 吴小红1 陈全家2

（1 北京大学考古文博学院 2吉林大学边疆考古研究中心）

摘要：本文介绍了黑曜岩的产生条件、物化性质、用途及产地分布，并总结了相关的考古学意义及考古学研究课题。

关键词：黑曜岩；考古学研究；成份分析；产源

中图分类号：K871 文献标识码：A

1 黑曜岩的基本性质

1．1黑曜岩的产生

黑曜岩是在火山喷发过程中由粘性较大的酸性熔岩迅速冷凝形成的火山玻璃。因此，黑曜岩的产生需要三个基本条件：

（1） 火山喷发

（2） 酸性熔岩

（3） 迅速冷凝

在地质学中，根据SiO2 相对含量多少，将岩浆和岩石分为酸性（SiO2＞65％）、中性（SiO252—65％）、基性（SiO245—52％）和超基性（SiO2＜45％）。越是酸性的岩浆，粘性越大、温度越低，不易流动，因而凝固越快，在迅速冷凝的条件下越容易形成非晶质的玻璃态，因此，火山玻璃多以酸性岩为主。又由于酸性岩浆的火山以爆烈式喷发为主，而在剧烈的火山喷发过程岩浆混合充分，使得形成的黑曜岩质地通常是比较均匀的。而不同时期不同地域的火山喷发形成的黑曜岩具有不同的地球化学特征，这就是能够利用黑曜岩进行产源判断的最主要的理论依据。

1．2黑曜岩的化学性质

黑曜岩的化学组成与流纹岩相似，以SiO2 为主，其含量通常为70－75％，Al2O3含量为10－15％、（FeO＋ Fe2O3）含量为1－5％、 Na2O含量为3－5％、K2O含量为2-5%。以上为主量元素。含量在1%以下的为微量元素，一般情况下，微量元素对判源起决定作用，“微量元素组成曾成功地示踪古代大理石和黑曜石等石制品…的原料产地，因为石制品…的加工制造过程仅改变了原材料的物理性质和晶相结构，而原材料的化学组成并没有发生显著地变化，作为原材料产地指纹的微量元素组成依然被保留”［1］。对于黑曜岩而言，起比较显著的矿源指征作用的微量元素有Rb、Sr、Y、Zr、Nb和Ba等，我们称其为矿源的“特征元素组”，通常由一系列特征元素来指征一个源，而不同源的特征元素组并不一定相同。

下表显示黑曜岩与燧石化学组成上的区别（北京大学科技考古实验室的仪器LA-ICP-AES测试）：

硅质石叶(%)燧石(%)黑曜岩（和龙西山1）(%) Na2O 0.0000 0.0000 3.4244

MgO 0.1822 0.17350.0625

Al2O3 1.9156 1.876310.9429

SiO2 95.8271 96.092569.9300

K2O 0.2126 0.1432 4.2576

CaO 1.1520 1.15690.2601

TiO2 0.02970.0229 0.0959 MnO20.0369 0.03700.0331

Fe2O3 0.34900.1803 1.4228

CoO 0.00200.00050.0000

CuO 0.0007 0.00060.0003

ZnO 0.0000 0.00080.0001

Sr O 0.0009 0.0043 0.0000 Ba O 0.0042 0.0071 0.0054 Ni 0.0156 0.01800.0000

V 0.25280.25350.0000

Ce 0.0158 0.02810.0001

Nd 0.0017 0.0022——

利用黑曜岩是火山喷发过程中产生的含铀的玻璃质物质，可以对它进行裂变迳迹法测年。测年的结果代表黑曜岩形成或最后一次受热事件以来的年龄［2］。目前，这种方法也被用来判断遗址中的黑曜岩石器的矿料来源，但对于那些产生于同时期源的区别判断就显得无能为力。此外，也可以利用质谱仪通过锶同位素探寻黑曜石的产地，其主要的理论依据为锶、铅、钕是3种其同位素组成在自然界有显著地区和矿源涨落的中等重量以上的元素，不同地区可能具有不同的锶同位素组成［3］。而锶同位素结合铷、锶的浓度研究似乎更为有效，但相比常规分析也更为昂贵费时［4］。

1．3 黑曜岩的物理性质［5］［6］

通常在火山玻璃构成的基质中，常含有少量石英、长石等矿物的微晶、斑晶及骸晶。在偏光镜下，黑曜岩表现为光性均质体，但又略显明暗变化，主要是由于基质中的微晶造成的，微晶有球状、棒状等形态。在显微镜下，可观察到“雏晶”包体、似针状包体。其晶系和结晶习性为非晶质体，也就是说，它内部结构质点分布作不规则排列，因此不具有晶体的自限性、各向异性、对称性、最小内能和稳定性等基本性质。

黑曜岩具有玻璃光泽，其颜色有黑色、褐色、灰色、黄色、绿褐色、红色等，黑色不透明，其它颜色色调浅的透明度较好，色调深的透明度较差。颜色有时并不均匀，常带有白色或其他杂色的斑块和条带，是一种含斜长石聚斑状的黑曜岩，主要矿物为隐晶及玻璃质，斑晶由白色斜长石组成，有少量钾长石。古人加工黑曜岩作工具通常选用质地匀净的优质石料，以黑色不透明居多。

黑曜岩通常无紫外荧光，无特征吸收光谱。它的摩氏硬度接近5，无解理，断口多呈贝壳状，非常容易剥片, 适合加工细小精致的石器。

黑曜岩的密度G=2.33－2.46g/cm3 ，折射率N=1.48－1.52，多为1.49。一般情况下，其折射率在N=1.480-1.510，密度G=2.13-2.42g/cm3之间变化，随着地域的不同而表现出细微的差别，如下表所示：

地区密度G ,单位g/cm3折射率N

黄石公园 2.353 1.482

复活节岛 2.400 1.490

格陵岛 2.412 1.4939

墨西哥 2.394 1.4889

哥伦比亚 2.352 1.4830

尼圭多 2.336 1.484

利帕里Lepari岛（意） 2.363 1.490

黑曜岩矿物表面可以机械吸附水分子，其含量不固定，随温度和湿度不同而不同。作为非晶质物质，其水胶凝体中的胶体水被微弱的联结力固着在表面，胶体水是矿物的固有特征，是黑曜岩表面水合层形成的原因。

研究石质标本，首先面临的问题就是判断它是否被人加工和利用过，也就是确定人工制品的标准，如具有台面、打击点、半锥体、锥疤、同心纹及辐射线等，黑曜岩作为一种优质石料，各种特征往往都表现得很清楚［7］，如图：

超景深三维显微系统VHX-600

在矿料产源研究中，也有对不同产地黑曜岩的物理性质进行分类的研究工作，在某些特定地区取得了一定的成果，如在地中海撒丁岛，对各个源通过颜色、透明度以及微晶等区分，结合化学成分进行产源判断［8］，但总的来说，这种方法不具有普适性，发展前景并不乐观。

2 黑曜岩的用途

黒曜岩边锋锐利，容易加工，是一种引人注意、品质优良的石材，早在10万年前，就被非洲创造了阿舍利文化的远古人类利用来制作手斧。在希腊罗马时代，曾被作为一种珍贵的石材载入史册［9］。

纵观历史，人类对黑曜岩的使用不外乎两种，一、利用它具有乌黑光亮的玻璃光泽制作精美的装饰品（首饰、垂饰等）、日用品（石瓶、镜子等）及祭祀用的礼器和随葬冥器。二、利用它具有锋利的边刃制作锋刃工具和武器等。以后一种使用更为普遍。如打制石器中的刮削器、雕刻器、石片以及可供打猎的投矛器、捕鱼用的鱼叉、采集用的由多片石叶复合而成的石镰等。在秘鲁帕拉卡斯前印加文明遗址中，有成套的黑曜石手术刀，与之相关的是一种对颅骨施行环锯术、分布于美洲、非洲、中东、太平洋新赫布里底群岛的改变头形的习俗。

3黑曜岩的产地分布

3．1 世界分布

黑曜岩的产地与世界火山带的分布密切相关。其主要产地在美洲，如美国的夏威夷、黄石国家公园及科罗拉多州、内华达州、加利福尼亚州、亚利桑那州等，此外，还有地中海、东非、墨西哥、日本、新西兰、匈牙利、前苏联、冰岛、希腊、印尼的爪哇岛、意大利的利帕里群岛等。

3．2 中国的黑曜岩矿分布

在我国东北地区有火山群32处，主要分布在东部的老爷岭－长白山地区、北部的小兴安岭地区和西部的大兴安岭地区［10］。据目前掌握的资料，长白山区有一定数量的黒曜岩，如长白山天文峰［11］、天池北黑风口［12］、气象站小山包［13］等。黑龙江省中南部的松花江地区通河县浓河镇、内蒙古自治区东部的扎鲁特旗、冀北地区晚燕山期火山张家口组［14］、沽源县、广西梧州岑溪市吉太乡、广东省东北部的和平县、福州等地亦有黑曜岩矿产分布。

当然，并不是所有的黑曜岩矿都能够被古人发现和利用，即使对于远古人类能够到达的黑曜岩矿，还存在一个有针对性的选择问题。事实上，通过对周口店第一地点利用的石器原料情况的考察，可以看出至少在旧石器时代早期的中晚期，就存在古人舍近求远选择优质原料的现象［15］。

4 黑曜岩的考古学意义

黒曜岩的产生只与火山喷发有关，但并不是所有的火山喷发都能够产生黒曜岩，也就是说，并不是所有的火山岩浆都能形成火山玻璃，它需要有充足的硅质经快速冷凝才能形成。由于第三纪以前的黒曜岩多已脱玻化，所以与人类活动相关的矿源非常有限；而黑曜岩矿一经产生，就不会随时间及环境的变化而发生大的改变，除极特殊情况，火山剧烈的活动会使岩浆混合充分，因此某一特定源的化学组成通常是均匀的，一般情况下，不同的矿源可以通过特征元素组标示区分开来。

黑曜岩制品在多数史前人的物质文化生活中起着重要的作用，其分布范围常常远离原生

矿源几百乃至几千公里。因此，通过对黒曜岩制品与其原产地关系的判断可以勾画出史前人类交流迁徙的路线；在矿源附近的大量废弃的黑曜岩碎屑，有助于确定史前采石场的位置，并进一步估计当时开采和交换原材料的数量；通过对遗留的工具和小件的调查可以了解使用、收藏和废弃的情况，以及特定时间特定人群的活动范围。

黑曜岩是易碎的，因此具有较高的置换率，这一点与陶器相似。因此，通过检查遗址中黑曜岩的数量和消费的频率，可以提供史前社会经济生活状况的相关信息。同时，黑曜岩石器上遗留下来的使用加工痕迹可以用来判断当时人的生产技术、技艺水平和工具功用。

黑曜岩颗粒表面吸附水分子形成水合层，其厚度随时间增加，通过薄层显微观察，可以确定工具制造（计时零点）的年代，进而考察考古遗址的年代及遗址中石器制作的先后顺序，当然，考虑到史前优质石料的石器工具大量二次利用现象以及不同遗址水合率不同的等问题，这种方法的应用有一定的局限性。

5 黑曜岩的考古学研究课题

黑曜岩主要被史前人类用作锋刃工具，因此，符合一般石器工具的研究规律，可以做传统考古学中对石器类型学方面的研究，但由于黑曜岩不同于一般石料的特异性质，因此可以在制作技术、微痕研究、年代学等领域发挥特殊的作用，特别是在判断石料的产源方面，几十年的研究成果已证明其具有不可替代的优越性。

5.1 石器制作技术研究

对于黑曜岩石器制作技术的研究比较典型的例子是对阿兹台克印第安人制作长形石叶刀制作方法的研究：用一根T形拐角木杆的下方尖端顶住石核上的一个确定点，石核被放在地上，用双脚夹紧，然后以胸抵住拐杆上部，向下用力，以压力将石片剥落［16］。

5.2 石器的微痕研究

微痕分析是旧石器考古学中重要的研究方法之一。对于黑曜岩的微痕研究，日本学者Satomi Okazaki强调擦痕，通过试验她发现，使用黑曜岩石器会产生明显的擦痕，而不是光泽，认为研究擦痕密度和方向较之判断光泽程度更为现实客观，并得出结论：平行于工具边缘的擦痕是切割运动的结果，而垂向刃部的擦痕则是由刮削运动产生的［17］。

5.3 年代学研究

考古学是根据“零星不完整”而且是“被扭曲了”的实物遗存复原古代社会的科学，它的终极目标就是通过考察人类社会各阶段的遗迹遗物来重建人类文明演进史，因此，从某种意义上说，考古学是与“时间”密切相关的科学，寻找历史事件与时间关系的标尺是考古年代学首先要解决的问题之一。陈铁梅先生亦指出：研究人类进化必须要有时间标尺。将世界各地已发现的古人类化石安排在一个可信而客观的时间框架上，才能准确揭示人类进化的过程和古人类在空间中的迁移［18］。对于无文字记载的史前考古学，利用物质的物理和化学等自然属性，通过先进的实验仪器设备进行检测分析，确立愈加精确的时间标尺，是当今考古年代学的中心议题，其中，选择与考古事件相关的代表性样品以及确定“计时零点”是实验技术的关键所在。

5.3.1裂变迳迹法（FT）

利用黑曜岩是火山喷发过程中产生的含铀的玻璃质物质，可以对它进行裂变迳迹法测年。测年的结果代表黑曜岩形成或最后一次受热事件（计时零点）以来的年龄［19］。

5.3.2 黑曜岩水合断代在考古年代学中的应用：

黑曜岩作为一种内部结构质点分布作不规则排列的非晶质物质，它的表面对水具有极强的亲和力，会缓慢地从周围环境中吸收水分，从外向内随时间的增长逐渐扩散累积，形成水合层，其厚度的平方与时间具有线性关系，这就是黑曜岩水合层断代的原理。当黑曜岩被加工成工具时，新创面的水合层厚度为零，此为计时零点，之后开始水合作用，时间越长，厚度越大。其公式为：

D 2=Kt

D为水合层厚度（1-20微米）；t为黑曜岩表面暴露时间（年），即黑曜岩工具制作时间；K为扩散系数，它只与黑曜岩的化学成分和埋藏温度有关，而与湿度无关。

公式应用：（1）通过其他断代方法（如碳十四）测得与黑曜岩有联系的发现物的年代数据，确定给定遗址的K值，从而得出其他相同组成样品的制作时间；

（2）确定同一遗址相同组成的黑曜岩样品的相对年代；

（3）确定考古遗址的层位年代。

特点：相对断代法、使用显微镜、方便快捷、经济适用。

年代范围：500——10万年

注意事项：水合层会受到流水或风沙的磨蚀，当厚度达到20微米时容易脱落，这样的样品不适用。

5.4产地研究（黑曜岩产源研究文献综述详见专文《黑曜岩产源研究的国内外研究现状及发展趋势综述》，《边疆考古研究》第七辑 2008）

古人利用资源的方式主要有两种：一、就地取材；二、通过交换或长途跋涉获得远方的优质原料。针对第二种情况的产源的研究则一定程度揭示人类的活动范围、移动路径、利用和开发资源的情况以及社会贸易交换网络。

产源研究首要工作是详细具体的矿源分布调查，总结矿源的特征规律，并结合多种技术手段进行检测分析，互相验证。《黑曜岩产源研究的国内外研究现状及发展趋势综述》一文指出：目前国内外黑曜岩矿料产源的研究具有多学科综合研究的特点，应用各种现代科技方法（XRF、PIXE、INAA、LA－ICP-AES、ICP-MS、FT、K-Ar法测年等）进行地球化学矿料产源研究，从而进一步揭示人类行为变化的趋势和原因，并向矿源的全面调查和揭露、全样品数据库建设、提高方法精确度、数据的科学处理和解读以及多种方法结合等方向发展［20］。

以上介绍了黑曜岩的基本性质以及考古学意义等，目前，国外的黑曜岩考古学研究正方兴未艾，国内的研究工作以吉林大学陈全家教授和北京大学吴小红教授为首的合作刚刚起步，可以预期，这个具有广阔的发展空间的领域成果迭出的未来指日可待！

参考文献

［1］陈铁梅《科技考古学》[M],北京大学出版社 2008:138

［2］陈铁梅《科技考古学》[M],北京大学出版社 2008:35

［3］陈铁梅《科技考古学》[M], 北京大学出版社 2008: 134,222

［4］M.Steven Shackley，Archaeological Obsidian Studies Method and Theory [M], Plenum press, New York and Lindon 1998:70

［5］崔文元.吴国忠主编《珠宝玉石学GAC教程》[M]，北京：地质出版社，2006.458－459

［6］张蓓莉主编《系统宝石学》[M]，北京：地质出版社，1997.422－424

［7］王幼平《石器研究—旧石器时代考古方法初探》[M]，北京大学出版社，2005:66

［8］M.Steven Shackley，Archaeological Obsidian Studies Method and Theory [M], Plenum press, New York and Lindon 1998:74

［9］希罗多德《历史》[M]，北京：商务印书馆，1959:661

［10］张虎男《火山》[M]，北京：地震出版社，1986:140－141

［11］刘嘉麒《中国火山》[M]，北京：科学出版社，1999:81

［12］刘嘉麒《中国火山》[M]，北京：科学出版社，1999:72

［13］刘若新等《长白山天池火山近代喷发》[M]，北京：科学出版社 1998:12

［14］鲍亦冈 白志民.葛世炜等《北京燕山期火山地质及火山岩》[M]，北京：地质出版社，1995:46

［15］张森水《中国旧石器工业中的砸击技术》[A]，见北京大学考古学系编《“迎接二十一世纪的中国考古学”国际学术讨论会论文集》[C],科学出版社，1998:51—74

［16］Colin Renfrew etc.《Archaeology:Theories Methods and Practice 》[M]，Thames and Hudson Ltd， London 2000:326

［17］Colin Renfrew etc.《Archaeology:Theories Methods and Practice 》[M]，Thames and Hudson Ltd， London 2000:330

［18］陈铁梅《我国古人类年代学的几个问题与电子自旋共振测年》[A]，见《“元谋人”发现三十周年纪念暨古人类国际学术研讨会文集》[C],云南科技出版社，1998

［19］陈铁梅《科技考古学 》[M],北京大学出版社，2008:35

［20］刘爽，吴小红，陈全家《黑曜岩产源研究的国内外研究现状及发展趋势综述》[A]，《边疆考古研究》第七辑[M], 科学出版社2008

Archaeological Studies on Obsidian

Liu Shuang1，2, Wu Xiaohong1 ,Chenquanjia2

1 School of Archaeology and Museology, Peking University

2 Research Center for Frontier Archaeology, Jilin University

Abstract: This paper summarize the occurrence conditions of obsidian and its physics and chemistry properties, purpose, distribution, as well as archaeological meanings and projects concerned.

Keywords: obsidian, archaeological studies, chemical compositional analysis, provenance