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煤炭被用作燃料供给人类文明的历史

2023.7.27

　　自人类掌握用火技术之时起，燃料资源就在人群生活中占据了不可或缺的地位。寻找开发新型燃料资源的问题始终与人类社会的发展相伴。其中，煤炭被用作燃料供给人类文明已有很长的历史。

　　据了解，人类系统开发利用煤炭燃料的历史可以追溯到公元前一千纪后半叶，而煤炭燃料的广泛利用则出现在公元后。其中煤炭自中国的宋代起变得更加重要，并在欧洲的工业革命中扮演了重要角色。

　　尽管在一些旧石器晚期和青铜时代的遗址中曾有过零星的关于燃煤证据的发现，但早于距今2500年的系统开发煤炭燃料的实证仍然空缺。

　　近期，兰州大学环境考古团队联合新疆维吾尔自治区文物考古研究所、中国人民大学及多家国内外研究机构，对中国新疆伊犁尼勒克县吉仁台沟口遗址发掘出土的煤炭遗存展开了多学科研究，深入探索了这一世界已知最早系统用煤案例的内涵。该项研究将人类系统开发煤炭燃料的历史推前了约1000年，对理解史前人与环境的相互作用具有重要意义。相关成果发表于《Science Advances》上。

　　考古发现及碳十四定年

　　“考古发现有其偶然性，一些不起眼的基建考古项目，往往隐藏着惊人发现。”新疆文物考古研究所副研究员王永强告诉《中国科学报》记者。

　　2015年，根据安排，新疆文物考古研究所开展了吉仁台沟口墓地的考古发掘，在发掘一座屈肢葬的墓葬时，意外发现这座墓葬竟然打破了早期遗址。

　　据记者了解，吉仁台沟口遗址位于天山中段，是中国新疆伊犁河上游地区的一处青铜时代大型聚落遗址。

　　研究人员根据发掘经验，类似的屈肢葬墓葬当属青铜时代遗存，显而易见，遗址的年代应该更早。

　　随后，新疆文物考古研究所阮秋荣研究员、王永强副研究员和中国人民大学韩建业教授率领考古队对吉仁台沟口遗址进行了较大面积的揭露。房址、灰坑及相关遗物的出土使得遗址的性质和时代逐渐明晰，于是吉仁台沟口遗址的全貌及系统开发煤炭燃料的证据链就此展现在大众面前，也成就了中国新疆的又一重要考古发现。

　　“该遗址出土了大量的煤炭遗存，为探索当地先民于何时、因何动机、以何种方式将煤炭作为其主要燃料的问题提供了宝贵的线索。”兰州大学环境考古团队博士生仇梦晗告诉记者。

　　国内最早的关于燃煤的记录不是在战国时期吗？

　　带着问题，研究人员首先对吉仁台沟口遗址的绝对年代进行了系统厘定。通过大量的碳十四定年，结合贝叶斯模型分析，将遗址年代厘定为早、晚两期，时间分别为距今约4500–4300年和3600–2900年。其中遗址主体的年代为距今3600–2900年，出土有丰富的煤炭遗存和燃煤证据，包括煤堆、未燃尽的煤炭、煤灰、煤矸石等。

　　考古发掘显示，遗址中的煤炭被储存在房址附近，有较为固定的堆放方式，并在生活区作为燃料燃烧，同时还有可能被用于冶金和制陶。

　　“吉仁台沟口遗址燃煤几乎贯穿了遗址的始终，煤类遗存极为丰富，地层中有大量煤块、煤颗粒、煤灰等遗存，尤其是在灶的周围，煤灰、煤渣随处可见，甚至可以看到未燃烧或未燃尽的大块原煤。”王永强告诉记者，这些考古学现象揭示了一个完整的有关煤炭燃料开发的证据链，表明煤炭在当地的生活和生产中具有多种用途。炭屑遗存在这一时期的遗迹中也有所出土，但不如煤炭普遍。

　　对于遗址中出土的煤，考古队员们进行了仔细的清理、照相、记录及系统采样，并约请资质单位对遗址煤样进行检测分析。为明确遗址中煤的来源，研究人员对遗址附近煤矿进行了调查、采样和对比研究。

　　煤炭的野外调查及地球化学分析

　　史前人群是如何开发煤炭作为其主要燃料资源呢？

　　带着这个疑问，研究人员对遗址周边煤层露头开展了调查。调查共标记了六处煤层露头，分别是暴露在恰勒格尔村后山上的三处，以及在河谷冲积平原上的三处地方。

　　这些煤炭露头距离遗址约3–4 km，是距离相对最近的一批。鉴于对大量煤炭进行长距离运输会耗费巨额的劳动力，且很不方便，这些煤炭露头是遗址最合理的煤炭来源。

　　为了探究遗址所用煤炭的性质和来源，研究工作对遗址出土煤炭和遗址附近多个煤层露头的煤炭样品进行了煤质鉴定和地球化学分析。根据元素和同位素地球化学分析显示，遗址中的大部分煤炭可能主要来自河谷冲积平原上的三处地方。

　　“根据煤质鉴定结果显示，遗址中的煤炭和附近煤层的煤炭样品均属于烟煤，品质优于常见的褐煤。遗址中的煤炭很可能来自周边6处煤层露头中的3处，且碳含量普遍较高，表明当时的人群可能有意识地选择了更优质的煤炭。”仇梦晗告诉记者。

　　考虑到这几处煤矿与遗址的距离基本一致，且没有明显的地形阻碍，因此推断当时的人们可能已经意识到不同煤炭露头的品质差异，并选择性地采集了质量相对较好的煤炭作为燃料，这一行为体现了煤炭开发的系统性。该遗址用煤的系统性还体现在遗址中煤炭的储存是有序的，通常是成堆地放置在房址和冶金场所附近；其次，遗址先民燃煤取火是普遍的，且具有多种用途的。

　　为了更加全面地认识吉仁台沟口遗址的燃料资源利用策略，研究人员还对早期窑址和晚期房址中出土的炭化木材遗存进行了种属鉴定。

　　依据以往的研究惯例，所有树种被分为针叶树、阔叶树和灌木三大类，其中针叶树因其更软的质地和更优的燃烧表现被认为是更理想的选择。遗址早期窑址中的炭屑覆盖了这三个大类，且优先利用针叶材作为燃料；晚期房址中出土的炭屑则以阔叶树种占据主导，针叶树和灌木含量极少。

　　问题在于，晚期高强度的冶金活动应该带来了更大的燃料消费，这就使得放弃利用针叶树种变得不合逻辑。

　　值得注意的是，晚期地层出土炭屑的密度数倍低于早期地层，暗示了木质燃料在燃料资源中的衰落。简短来说，遗址中的燃料资源利用策略从早期的针叶材优先的木质燃料转变为晚期的煤炭主宰的矿石燃料。

　　这一能源转变现象背后的机制同样值得深思。

　　气候环境恶化导致能源使用发生转变

　　“遗址早期的人类活动发迹于更加适宜的气候环境状况下，该时段气候相对温暖，天山上的针叶林分布更加广泛。”仇梦晗表示，尽管这一时段伊犁河上游的考古证据相对稀缺，但通过类比仍不难发现，在这一铜器石器并用的时代，人群所采用的生活方式要比晚期人群的简单得多，这就导致早期人群在面对气候环境变化时的社会韧性相对较弱。

　　距今4200年前开始的一次全球性的气候恶化事件，可能是导致一些古代文明和文化衰落的驱动因素，这一事件在中亚地区的一些沉积物记录中同样有所体现。因此，很可能是这一气候环境恶化事件，导致了伊犁河上游地区距今4200–3800期间人类活动的衰落和断档。

　　自距今约3600年起，伊犁河上游地区多种农作物的种植和多种家畜的畜养，加上复杂的制铜工业，有效增强了吉仁台沟口遗址晚期时段社会的复杂化程度和稳定性，尽管这一时期的气候环境已经不再像遗址早期时段那样理想。

　　从另一面来看，遗址晚期时段相对寒冷的情况导致了周边针叶林的萎缩以及木本植被总量的下降，进而导致了木材资源供给的减少。

　　因此，研究人员认为更大的社群规模和更强的冶金活动所带来的燃料能源需求的增加，叠加上气候环境恶化导致的木材资源供给的减少，共同激化了当地社会与环境间的矛盾，从而最终推动当地人群打破原有的资源利用传统，改而开发替代性的燃料能源——煤炭。

　　“根据当前的观察，在炎热天气下，遗址周边暴露的煤炭发生自燃的现象十分普遍，因而推测当时的人们也很可能是受到了煤炭自燃现象的启发，从而知道了这些黑色的岩石可以用作燃料。当然，也有可能是将这些黑色石块作为灶址的建筑材料，在取火时发现其可以作为燃料使用。”仇梦晗说道。

　　遗址周边丰富的煤炭资源恰好缓解了遗址晚期人群所面临的能源危机，并促使该遗址的规模和冶金活动不断壮大。此外，遗址利用的烟煤也比常见的褐煤具有更高的品质，这种优质的燃料资源也成为了推动遗址发展成为区域中心性聚落和冶金中心的重要因素。

　　“煤炭燃料的使用在科技史上具有里程碑式的意义，它不仅改变了古代居民伐木为薪、燃木取火的生活能源结构，带来的光和热也极大地改善了人类生存的环境，尤其是温暖了新疆地区冬季的漫漫寒夜。”王永强告诉记者，燃煤还对“采此山石，冶此山铁”的原始冶炼进程有着足够的启示和极大的促进，是具有世界性意义的考古发现。

　　与那些更早的遗址中偶然燃烧褐煤的行为不同，吉仁台沟口遗址青铜时代晚期人群更为主动地、系统地将煤炭开发为燃料资源，体现在选择性开采质量更好的煤炭、有序的储存以及多用途的利用。

　　“煤火燃回春浩浩，炼炉照破夜沉沉。”

　　煤的开发和广泛使用，不仅带来了社会生产生活的进步，还推进了社会复杂化的进程，促进了吉仁台沟口遗址这一区域政治、经济、文化中心的形成。

　　吉仁台沟口燃煤证据的发现，将人类对煤的利用历史上推1000余年，也使中国新疆成为世界上已知最早系统开发利用煤炭燃料的地区。规整大气的大型房址、规模壮观的高台大墓、完备的冶金证据链条，以及冰鞋、木车等等的逐步揭露，充分展示了吉仁台沟口遗址的中心地位及其文明所达到的高度，具现了中国新疆重要的区位价值。新疆是祖国不可分割的一部分，新疆历史文化是中国多元一体文化的重要组成部分。最早系统用煤的发现是新疆之于中国历史文明的贡献，之于世界文明的贡献。

煤炭化学分析气候环境燃料资源

中国科学技术协会

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