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中国古代的矿物学和采矿技术

[作者:杨文衡]  [2007/8/3]
由于“管子六条”是实践经验的总结,因此,它是符合实际的,有科学价值的。各条的科学价值是:

第一条,无疑是从采矿实践中总结出来的经验。它基本上适用于邯郸、邢台式、大冶式和某些鞍山式铁矿。

第二条,是古人从开发铜矿中总结出来的经验。适用于铜绿山类型的铜矿。
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第三条,这里的“铅”主要指方铅矿,“银”指自然银或辉银矿。自然银主要是次生的,赋存于铅银(或银铅)矿床上部的氧化带中。《楚雄县志》说:“铅乃银之母,银乃铅之精也。”辉银矿的成因有次生的,也有原生的。原生辉银矿经常和方铅矿共生。

第四条,丹砂和自然金在汞或金的原生矿脉中,除少数外,一般不存在共生关系。这条规律,对于原生脉金矿床来说,没有实际意义。不过先秦时期的汞矿或金矿都以砂矿为主。在汞和金共生的砂矿床中,这条规律是确切的,是反映实际情况的。

第五条,陵石,《太平御览》地部三引作绿石,就是孔雀石。因此,这条规律适用于以铅为主的铅锌铜多金属矿床,上有绿石、下有锡的现象也是存在的,而上有绿石、下有赤铜是实际情况的确切反映。

第六条,也是古代采矿经验的总结。这种银在上、汞在下的上下关系,是两种矿产赋存于时代不同的两个地层中的上下关系,而不是一个矿体(脉)中金属矿产的垂直分带关系。①

除了“管子六条”外,古人对矿物和围岩的关系也有所认识,并且把它用于找矿。比如唐代陈藏器把粉子石作为金矿的标志(见《本草纲目》卷八)。宋代,苏颂把白石作为辰砂矿的标志(见《重修政和经史证类备用本草》卷三)。

清初孙廷铨(1616—1674)在《颜山杂记》中记载了人们利用岩层和矿床的关系找矿,说:“凡脉炭者,视其山石,数石则行,青石、砂石则否。察其土有黑苗,测其石之层数,避其沁水之潦,因上以知下,因近以知远,往而获之为良工。”这段话的意思是:凡是找煤矿的人,必须先观察山上的岩石性质。假如山上有页岩出现,就可能有煤。如果山上全是石灰岩、砂岩,就没有煤。当看到土地上有黑色的煤层露头时,就要仔细测量煤层上下岩石的层次,避开涌水。从上面的岩层情况推测地下的各种情况,从近处的岩层情况推测远处的各种情况。这样去找煤矿就容易找到。这样的人才是优秀的煤矿勘探者。
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在探矿理论方面,南北朝的梁代出现了新的理论著作,体现了新的方向。这就是有名的地植物找矿著作——《地镜图》。《地镜图》原书已佚,现在只能从后人的引文中看到它的部分内容。它的主要观点是把地下的矿床和地表的植物联系起来,是现代指示植物找矿或生物地球化学找矿方法的肇端,是一个很有科学价值的新创见,新理论。当然,这个新理论也是逐步产生的,并不是突然出现的。往上追溯,我们发现,《荀子·劝学篇》就说过:“玉在山而草木润”,首次提出了山上赋存的矿物和周围植物生态有关的思想。晋张华《博物志》也说:“山,……有谷者生玉”。到《地镜图》,内容就大大充实了。书中说道:“二月中,草木先生下垂者,下有美玉。五月中,草木叶有青厚而无汁,枝下垂者,其地有玉。八月中,草木独有枝叶下垂者,(下)必有美玉。有云,八月后草木死者亦有玉。十二月中,草木独有枝叶垂者,下有美玉。山有葱,下有银,光隐隐正白。草茎赤秀,下有铅;草茎黄秀,下有铜器。”唐代段成式(?—863)对它作了初步的整理,说:“山上有葱,下有银;山上有薤,下有金;山上有姜,下有铜锡;山有宝玉,木旁枝皆下垂。”(《酉阳杂俎》卷十六)这些记载,不一定完全和实际相符,但是他所指出的利用指示植物找矿的方向是对的。

对中国古代利用指示植物找矿理论的发明和发展,英国科学史家李约瑟曾经作过恰当的评价,他说:“中国人在中古代所进行的观察,确实可以说是仍在迅速发展中的、范围十分广阔的现代科学理论和科学实践的先驱。”①

中国古代的采矿技术

我们的祖先对矿物的大量需要,必然要以发达的采矿业做基础,也必然会从生产实践中产生先进的采矿技术。下面分述几种主要采矿业和采矿技术。

铜矿的开采

中国铜矿石的开采极晚到商代已经初具规模,虽然历史上这方面的记载缺乏,但是从商代大量铜器的出现和铜矿遗址的发现,我们可以得出这个结论。

据1989年一月二十七日《中国文物报》报道,江西瑞昌铜岭发现一处商代中期大型铜矿遗址,是目前发现的中国最早的一处采铜遗址。遗址面积约二十五万平方米(一平方里),在已发掘的三百平方米范围内,有竖井二十四口,平巷三条,露天采矿坑一处,选矿槽一处。这说明当时已经采用竖井、平巷、坑采等联合开采方法。井巷有木材支护结构,井壁贴有扁平木板或小木棍,井体采用榫卯式和内撑式方框支架组接,井深大都在八米以上。还有一条斜巷。提升工具有辘轳,采掘工具有青铜弧刃钺形斧。

1979年四月,湖南麻阳发现一处春秋战国时期的铜矿遗址,有古矿井十四处,其中一处是露天开采,其余是矿井式地下开采。一般是在地表沿矿脉露头开口后,就沿矿脉倾向由上而下进行斜井开采。矿井不规则,宽窄不一,呈弯曲的鼠穴式。垂直深度约八十米。在跨度大的采空区间内,留有矿柱或隔墙,在跨度比较大的相邻矿柱之间,又辅以木支柱,以防止矿井顶板因压力过大而下塌。
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1974年,湖北大冶铜绿山发掘出了春秋战国时期的古铜矿井,比较完整,是一部很有价值的实物历史。铜绿山铜矿富集,主要有孔雀石、自然铜、黄铜矿等。这些矿物有的呈孔雀绿,有的呈金黄色,颜色鲜明,容易发现和采选,含铜的品位也很高。矿床类型属接触变质的铜铁矿床。这一古代矿井(当地称老窿)是在露天采矿过程中被揭露出来的,老窿从南到北呈不规则条带状分布。考古工作者选择发掘了两处:“十二线老窿”和“二十四线老窿”,两处南北相距三百米。“十二线老窿”发掘点距地表四十多米,在五十平方米发掘面积里,出现了八个竖井和一个斜井。支护木料是直径五到十厘米的圆木。竖井井口直径约八十厘米。“二十四线老窿”发掘点距地表井口五十多米,大约一百二十平方米发掘面积里,有五个竖井,一条斜巷和十条平巷,支护用的圆木直径一般在二十厘米左右,竖井井口直径一般是一百一十到一百三十厘米,比“十二线老窿”的竖井大。竖井是交通孔道,从这里把矿石和地下水提出地面,把井架支护木送到井下。五十米深的竖井分几段,就是掘一段竖井,挖一段平巷,每一条平巷都装有辘轳,这样逐级提运,接力完成。十条平巷的方向不一致,宽窄也不一样。最大的是二号巷道,内空高一米六,宽一米九五,其他巷道的高宽一般在一米三到一米五。斜巷和平巷的作用不同,从矿层表面开斜巷斜穿到底部,主要是为了探矿;再沿水平方向开平巷,从矿层底部向上回采。已采的矿石在井下进行初选,把贫矿和废石充填进采空区,这样,既可以有选择地进行开采,又可以使出窿的矿石品位比较高,减少提运量。总之,矿床的开采采取了竖井、斜井、斜巷、平巷相结合的采掘方式。同时又用各种技术手段初步解决了井下通风、排水、提升和巷道支护等一系列复杂的技术问题。比如矿井工人利用不同井口气压差的高低,形成自然气流,并且采取密闭已经废弃的巷道,来控制气流沿着采掘方向前进,保证气流到达最深处的工作面;井下,矿工们又利用船形木盘等器具,进行重力选矿,以测定矿石的品位,决定采掘方向。他们十分准确地选择了断层接触带中矿体富集、品位高的地方进行开采。这个古铜矿井的被发掘,以十分生动的事实说明了当时高水平的采矿技术。

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第 1 楼 幻想
感谢艺术中国,都是好东西啊,深深感谢精神支持中国。
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