史前玉石器机械加工装置的复原实验研究【德辅博物馆 王冬力 】
原文刊于《渤海大学学报哲学社会科学版》2020.6期P33-P40
摘要：本文主要探讨中国北方地区西辽河流域新石器早期玉石器磨制和钻孔技术，通过实验考古的方法利用馆藏文物，复原史前先民掌握机械磨制和钻孔技术的轮轴动力机械加工装置，从而确定史前玉石器由打制向磨制技术演变的时间节点。
关键词：史前；石器磨钻；机械加工装置；实验
中图分类号：K85 文献标识码：A 文章编号：1672-8254（2020）06-0033-08
收稿日期：2020-08-20
作者简介：王冬力（1967-），男，高级工程师，朝阳市德辅博物馆馆长，渤海大学历史文化学院客座教授，从事中国北方史前文化研究。
机械磨制和钻孔技术是史前玉石器加工过程中的一项重大的技术革命，通过对馆藏文物中与机械加工装置有关联的组成构件（如石质辘轳轴承、石质轴承压盖、石动力传动轮、石质磨轮和不同材质的钻头的原物复原组装）成功再现了史前机械加工装置的动力系统，并利用考古实验方法，对石器的磨制和钻孔进行了详实的实验加工。
结合国家考古发掘成果，充分论证从旧石器时期打制石器向磨制石器的过渡演变，正是因为熟练掌握了机械加工装置才得以实现这一重大的技术革命，为人类科技进步和发展打下了坚实的基础。这一时间节点处于中国北方新石器早期的小河西文化晚期和兴隆洼文化早期的结合时间段。
一、研究背景：
1982年，辽宁查海兴隆洼文化遗址被发现，考古人员进行了7次考古发掘，出土了被当时认为是“石钻”的带有明显螺旋磨痕的文物。
1995年，澳门黑沙遗址考古发掘出土了带有明显螺旋磨痕的“砺石”，后被香港学者邓聪先生研究小组最终定名为“辘轳轴承器”，并从此拉开了辘轳轴承器的研究序幕。[1]
辽宁省博物馆研究员孙力先生多年从事史前琢玉工艺研究，并于2007年撰文《史前琢玉工艺的模拟实验研究》。对砺石琢玉、线性切割、竹骨管钻孔、砣具使用等进行了考古试验，掌握了大量的第一手资料和数据。
德辅博物馆馆藏文物中与加工玉石器有关联的文物较为丰富，通过对文物原件的复原组装，成功再现了史前机械加工装置。
二、史前机械加工装置的文物遗存
1、辘轳轴承器与压盖
目前发现最早的辘轳轴承器出土于辽宁查海聚落遗址，位于第二层堆积中，发掘者命名为“石钻”。[2]
1995年，邓聪主持发掘澳门黑沙遗址，发掘面积32平方米。在1996年出版的《澳门黑沙》报告中，称之为“环砥石”，“是一种对器物的内面研磨工具，其功能主要是打磨环状器物的内环剖面”，报告还第一次标识了这类石器的部位名称及测量（图1）[3]。
图1辘轳轴承各部位名称
不久，在重新讨论交流之后，邓聪结合珠海宝镜湾的发现，把这类石器改为“辘轳轴承”。[4]
朝阳市德辅博物馆馆藏多件石质辘轳轴承器，属于兴隆洼文化时期，如图2：左一长8厘米，直径3—5厘米，重272克；左二长6厘米，直径3—4厘米，重78克；左三长5.5厘米，直径2.5—4厘米，重79克；左四长5.5厘米，直径3—4厘米，重77克；左五长5.5厘米，直径2.5—4厘米，重66克；左六长6厘米，直径2.5厘米，重62克；左七长7厘米，直径2—3厘米，重77克。[5]此组（图3）石轴承材质为石英岩质和砂岩质，两端呈圆锥状，且满布长期旋转使用的螺旋纹。为石器加工机械装置中与顶端压盖和钻杆相连的转动构件，起到轴承的作用。
图2石辘轳轴承器（德辅博物馆藏）
图3石辘轳轴承器细节图
朝阳市德辅博物馆馆藏压盖多件，同属兴隆洼文化，材质为石英岩质，其中最大的压盖（图4a）长24厘米，宽15厘米，厚6厘米，重981克。外形呈梯形，单面中间长期磨损留一深凹坑，坑壁螺旋痕迹明显，另一面平齐。小型压盖（图4b）若干件，中间一排整体呈圆形，上下两面的中部皆有磨制使用的浅圆坑，直径在4至5厘米的范围之间。最下排压盖已断为半截，应是由于长期磨制使用，导致厚度减薄，最后在外力向下压的过程中断裂。压盖作为石器加工机械装置中最顶端与石轴承相接触的构件，起到稳定重心和保证轴承旋转的作用。
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图4石轴承压盖
2、动力装置类
朝阳市德辅博物馆馆藏环状石器（图5a），属于兴隆洼文化，国家三级文物。直径30厘米，孔径10厘米，高13厘米，重13，000克。灰白色石质，器身满布厚厚的白色碱壳，呈圆柱体，上下两平面为磨制，中心钻有上下贯通大孔，外周束腰明显并遗留多道环装磨痕，似为软绳长期缠绕磨损所致。馆藏与此件文物形制极其相似的还有一件环状玉器（图5b），同属兴隆洼文化时期。直径30厘米，孔径10厘米，高13厘米，重20000克。为灰绿色地方玉质，呈圆柱体，上下两平面为磨制，器身满布厚厚的白色碱壳，较为坚硬，厚重。中心位置钻有上下贯通一大孔。弧形缘边不规整，外周打制束腰，应为兴隆洼文化时期加工较大体积石器的大型机械装置中的动力传动和惯性输出装置，与软绳和木轴配合使用。[5]28
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图5环状器（德辅博物馆藏）
3、磨具、钻具类
黑龙江饶河县小南山遗址2015年Ⅲ区发掘出钻坑石器TN545E4803：24，细粒花岗岩。仅存一半。扁长条形，两面有对钻凹坑。残长5.91、宽4.28，厚2.71厘米，重96.4克（图6a）15M6:19，近扁圆形，两面钻出大小不一的圆坑。长8.28、宽6.2、厚2.73厘米，重146.9克（图6b）。
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图6钻坑石器
钻，15M6:9，灰色扁长条形砾石。细端有磨圆痕迹，其形状和大小与钻坑石器上的坑吻合。两器共出同一座墓葬，推测其为钻坑所用的钻。长10.68、宽2.74、厚1.53厘米，重55.16克（图7a）。砺石，15M6:11，黄色细腻砂岩。长条形，四面均有内凹的研磨痕迹，其中顶面有长期使用形成的两个长凹坑。长17.44、宽9.38、厚4.35厘米，重1004.5克（图7b）。[6]
a钻
b砺石
图7钻和砺石
2002年浙江省文物考古研究所对位于良渚遗址群内的塘山遗址进行了发掘，在一处被认为是良渚文化玉器作坊的遗址中，出土的标本以石质制玉工具为主。这些标本大致可分为三类，其中重要的一类就是砺石。器型较大者均为粗砂岩，表面经反复磨砺，多见凹弧状的磨面。器型较小者形状各异，有棒形、条形、球形等，用于琢玉过程中对玉器不同部位的磨砺，均为砂岩，像锉刀一样可以握在手中，主动去磨砺玉料。[7]
朝阳市德辅博物馆馆藏砺石（图8a），右长15厘米，宽11厘米，厚3厘米，重810克；左长14厘米，宽8厘米，厚2.5厘米，重450克。同式共2件，红褐色石英岩，杂有白色沁斑及黑色斑点，硬度较高。扁状，横剖面近似芒果形，底面较平，正面弧状。正面有三道平行凹槽，应为磨制骨器、石器、玉器所遗留下的磨槽。[5]114馆藏钻具大小不一，材质包括石质、骨质、玉髓质等（图8b）。
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图8砺石和钻具（德辅博物馆藏）
4、表面痕迹明显的玉石器
兴隆洼文化玉玦的钻孔切割技术最具代表性，其文化命名地兴隆洼遗址位于内蒙古自治区赤峰市敖汉旗兴隆洼镇兴隆洼村东部一处小丘西坡，1983年至1993年先后6次对该遗址进行科学发掘，共揭露面积3000㎡，清理出土了大量包括玉玦在内的石、陶、骨、玉等遗物。以M130出土玉玦为例（图9）。
图9兴隆洼遗址M130出土玉玦
M130出土的两件玉玦直径均为4.77厘米，分别出土于墓主人头骨两侧，其中于头骨左侧者厚0.73厘米，右侧0.74厘米。这两件玉玦石迄今为止发现的兴隆洼文化玉玦中器形最为对称的一对，其重量、孔径尺寸也相对接近，表明当时制玉、钻孔工艺已达到较高的水平。[8]
朝阳市德辅博物馆馆藏玉器种类丰富，尤以兴隆洼文化时期和红山文化时期的玉器居多。如玉锛（图10），属于兴隆洼文化。长8厘米，宽3.8厘米，厚1.3厘米，重78.4克。深绿色，透闪石玉质，质地细腻坚硬，上有白色絮状及黑色条带状纹理，纳端及一侧有显著的碱壳。纳端为斜面，略有凿痕，单面刃，弧刃较锋利，刃角略翘。两侧磨制圆润。斧身一面存有一道纵向的槽状切割痕。[5]30
图10玉斧及细节图（德辅博物馆藏）
图11玉玦（德辅博物馆藏）
玉玦（图11），兴隆洼文化，二级文物，直径3厘米，孔径1厘米，厚0.5厘米，重7.2克。青蓝色天河石材质，器身表面有褐色沁。玦体为圆环状，内直壁缘，外壁微弧圆，中间穿孔两面钻。一侧切玦口，切割平直。通体磨光。[5]42
玉管，兴隆洼文化，两件长度均为2.4厘米，直径1.53厘米，孔径0.42~0.52厘米，总重15克。青黄色透闪石玉质，玉质晶莹剔透，有积脂感。呈圆柱状。端平齐，另一端为斜面。两面对钻成孔，孔内壁留有明显螺旋痕（图12）。[5]46
图12玉管（德辅博物馆藏）
另外，朝阳市德辅博物馆馆藏多件玉料芯、石料芯，表面均有明显的管钻痕迹（图13）。以右二玉料芯为例，三级文物，直径3.1厘米，厚1.8厘米，重37克。深绿色透闪石玉质，玉质细腻，器表大面积泛有黄褐沁色。玉料呈圆柱形，扁体。上下两面皆磨制平滑，且有明显凿点。柱身有数道环状突棱为管钻切割痕，中部有一道明显台痕，应为对钻的中间对接线。[5]144管钻痕迹明显。系制作玉饰的余料，对研究玉料的切割工艺有重要的价值。
图13玉料芯（德辅博物馆藏）
三、利用文物原件的组合复原
近年来，北方地区的诸多考古新发现让人们对国内玉器的分布、最早年代和玉石器制作的认知有了新的突破，馆藏文物中与史前玉石器、史前机械加工相关的文物藏品也越来越丰富。在没有金属的史前时代如何巧妙地利用资源组合成可以打磨玉石器的工具呢？朝阳市德辅博物馆依据考古发掘资料和专家学者的相关研究，在现有馆藏文物的基础上作出了设想和可行性研究，并成功复原出机械加工复合装置。
机械加工装置结构如图所示（图14）。
图14利用文物原件组合的复原装置
复原的机械加工装置结构由四件馆藏石质文物为主要构成部件，并选用了最符合当时生产力水平的木桩和麻绳作为辅助结构部件。邓聪先生在《史前玉器大型钻孔技术实验研究》一文中，主要研究范围集中于东南沿海地带，选用的实验装置车桩的材料为南方常见的陈年老竹。本文实验基于北方地区的特点并考虑与动力传动装置及磨轮配套使用，装置的转轴选用了直径约10厘米的圆木轴，整体的设定为立置状态。轴承压盖选用了木质，可以灵活装卸和更换以及添加润滑油，推测当时也可半固定于某处，并在压盖上加配重物，使装置更平稳运转。固定辘轳轴承器，轴头形状为山状，并有两道深1厘米的润滑油槽，上部接触轴承压盖，下部趋于尖状，卡插在轴承托内。轴承托选用了体积大小与轴承相适应的短木桩，为达到观察与展示效果，将轴承托纵向剖开，截面展示了与轴承器的相接状态。木轴中部套置的动力传动装置为馆藏三级文物环状石器。环状石器外周为明显束腰形，可在内凹处环绕一指粗麻绳三至四匝。人们可以通过拉动麻绳带动起动力传动装置，使中心木轴随之高速旋转起来。木轴中下部安装一件石质磨轮，下端部还可安装能够装卸更换的钻具，当木轴旋转时，带动石质磨轮和钻具高速旋转，其速度将远远高于人工手动打磨的速度，且节省了人力成本。结合细砂和流水，就可以进行玉石器的粗磨和粗钻工序了。至此，我们利用馆藏文物组合复原的大型机械加工装置整体结构基本成功，既符合当时的生产力发展水平和可以利用的原材料，同时也符合力学原理和人体利用工具的适宜程度。
史前的石器机械加工装置是玉石器加工的一项重要技术，是打制石器向磨制石器过渡的一次手工业发展的技术革命。此技术成熟使用的时间节点发生在兴隆洼文化的中期，结合小河西文化时期出现过少量的磨制石器现象，认为此项技术是本土文化自身发展，而非受外来文化的影响，意义重大。
接下来我们将利用现有的石、木、麻等原材料，以实物复原的机械加工装置为蓝本，同比例复制一组机械加工装置，并进行石斧加工实验。
四、同比例复制机械加工装置及实验
1、实验环境
实验地点位于朝阳市德辅博物馆修复工作室，机械加工装置安装固定于长112厘米的长木桩上，木桩固定于墙壁。整个装置从顶部至地面高度为150厘米。
2、实验工具材料及结构（图15）
图15同比例复制机械加工装置
装置中的木质构件选用槐木，包括压盖、固定木座、圆木轴、小圆木基座、基座。压盖长50厘米，宽8厘米，厚5厘米。位于装置最上部，一端插嵌入长木桩，另一端可手握控制。压盖中部留有凹槽，可卡入辘轳轴承器端部（图16a）。
固定木座长24厘米，宽8厘米，厚5厘米，共两个，一个位于辘轳轴承器与动力传动装置之间，一个位于钻具与磨轮之间，起到固定装置的作用。
圆木轴直径3.5厘米，通长120厘米。圆木轴是整个装置的连接构件，贯通动力传动装置和磨轮。采用榫卯结构，两端制为榫槽，插入轴承及钻头作为榫头，并用麻绳捆绑结实。
在钻具最下端配备小圆木基座及大基座，小圆木基座垫于钻头之下，最下方放置大基座，两基座之间保证光滑平整（图16b）。
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图16结构细节图
石质构件选用火成岩，包括辘轳轴承器、动力传动装置、磨轮、钻具。
辘轳轴承器，呈山形，一端插入圆木轴，一端与压盖相接，可装卸更换（图17a）。
动力转动装置外径22.5厘米，孔径3.5厘米，厚15厘米。中间收腰，可缠绕麻绳。
磨轮直径22.5厘米，孔径3.5厘米，厚5厘米。当圆木轴带动磨轮快速旋转时，磨轮表面及边缘可作为磨制石斧的摩擦面，是磨制石斧最为直接的工具（图17b）。
钻具，可选用石质、骨质等材质，安装于圆木轴底端，并用麻绳捆绑结实，是石斧钻孔最为直接的工具。
麻绳若干、足量的水、砂。
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图17结构细节图
3、实验目的：用同比例复制的机械加工装置进行石斧的磨制和钻孔工艺。
4、实验材料：石斧料坯（图18），长20厘米，宽8—10厘米，厚4.5厘米。
图18石斧料坯
5、实验过程：先将石料手工打制成石斧的料坯，再用复制的机械加工装置对料坯进行磨制、钻孔加工。实验前调整装置，利用导管引水流，水流以适宜的角度对准磨轮，试转（图19）。
图19调整装置水流与试转
表1.磨制石斧实验记录
打磨时长
平均转速
累计时长
累计转数
实验平均转速
实验效果
5min
80转/min
5min
400转
76转/min
（图20a）
6min
80转/min
11min
880转
7min
90转/min
18min
1510转
23min
77转/min
41min
3281转
（图20b）
19min
70转/min
60min
4611转
63min
75转/min
123min
9336转
（图20c）
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b
c
图20打磨实验效果
表2 石斧钻孔实验记录
打磨时长
平均转速
累计时长
累计转数
实验平均转速
实验效果
20min
75转/min
20min
1500转
90转/min
图21
35min
95转/min
55min
4825转
41min
93转/min
96min
8638转
图21钻孔实验效果
实验结果：磨制石斧累计消耗时间为123min，总转数9336转，平均转速76转/min（表1）。机械加工装置的石磨轮在参与磨制时会有砂粒脱落，在水的作用下继续参与研磨。源源不断的流水可以带走细小粉末，也可起到降低摩擦温度的作用（图22）。底部钻头下方的小圆木基座磨损较大，且产生了高温。石斧表面磨制光滑，刃部明显。
图22磨制过程及石斧角度示意图
石斧钻孔实验主要以水和砂为媒介，累计消耗时间为96min（表2），总转数8638转，平均转速90转/min。本次实验借助机械加工装置，采用对钻方式进行钻孔。石斧钻孔外缘较宽，孔内磨损台痕明显，与钻具磨损痕迹一致，呈螺旋状。从实验效果来看，利用机械加工装置进行磨制和钻孔，可以在很大程度上节约人力和时间成本。（图23）
图23钻孔实验过程
6、实验证明：
从被加工的物体做运动到加工工具做运动，从平面磨到立体琢，加工工具的机械化、多样化，都是技术上的进步和细化。制作工艺的丰富和完善，减小了人工消耗，提高了制作工具的效率，节约了时间和人力成本，让磨制工艺和钻孔技术操作更简单实用，更普遍利用，极大的促进了几千年前北方地区玉石器的发展，也促进了当时的渔猎业和手工业发展。
结论：
中国旧石器时代文化遗存分布很广泛，从早期的云南元谋人遗址、山西西侯度和匼河遗址、陕西蓝田人遗址到中期的山西丁村文化遗址、北京周口店文化遗址，再发展到晚期的北京山顶洞人遗址、山西峙峪人文化遗址、东北地区海城小孤山遗址、哈尔滨阎家岗遗址、喀左鸽子洞遗址，前后经历了近三百万年的漫长发展历程。
从最初的利用原石到粗略打砸成砍砸器，再到新石器早期利用机械加工装置制作成精美成熟的磨制石器，其间经历了漫长的沧桑岁月。它不但为人类的祖先在旧石器时代创造了必需的生存条件，而且将人类带进了距今近万年以精美磨制石器为代表的新石器时代，并最终创造了人类第一缕文明的曙光。
新石器时代，在现代考古学上是指石器时代的最后一个阶段，是以使用磨制石器为标志的人类物质文化发展阶段。“新石器时代”这一名称是由英国考古学家卢伯克于1865年首先提出的。
新石器时代和晚期智人走出非洲，迁徙扩散到全世界的过程有着密切的关系，众多考古资料显示，晚期智人走出非洲之后，石器的制作和早期智人差异很大，不再是数百万年以来一直未变过的简单打制切割用途，诞生了一系列种类繁多，制作工艺和使用目的巨大变化的新种类石器。
中国北方属于新石器早期距今8500—9500年的小河西文化晚期，和距今7400—8200年的兴隆洼文化早期考古发掘出土的大量规矩成型的打制石器，诸如：石锄、石斧、石铲、石饼等工具与随之出现的磨制石器仅仅相差只是一个“磨”的工序而已，在辽宁阜新查海兴隆洼文化遗址第二层堆积中和河北保定市北福地遗址二期、三期，以及香港涌浪新石器时代遗址、澳门黑沙玉器作坊遗址都曾发现了石质“辘轳轴承器”。
朝阳市德辅博物馆馆藏文物中也有大量的单头和双头石英质“辘轳轴承器”和不同尺寸和形状的石质“轴承压盖”、石质动力传动轮、石质磨轮，骨质、石质、玛瑙质钻头以及众多玉质、石质管钻料芯。这些都充分证明将打制石器制作成磨制石器的关键“磨”制工序是在原始的玉、石器机械加工装置的发明才得以便捷完成实现的。于是德辅博物馆完成了前文中利用兴隆洼文化时期的文物原件对原始玉石器机械加工装置的复原，并在此复原基础上又利用1:1复制装置，成功地完成了一件磨制石斧的加工。
我们得出了如下结论：在没有增加太多时间和劳动力成本的前提条件下，玉石器加工由打制工艺过渡到磨制工艺这个时间节点被清晰地还原在距今八千多年前的小河西文化晚期和兴隆洼文化的早期这一时间阶段，重叠于两种文化的交集时间区间为距今8500年左右。
考古学界对新石器的标志条件：1、磨制石器使用；2、农业的出现；3、家畜饲养业；4、陶器的制作使用。比照小河西文化后期和兴隆洼文化早期的考古资料：1、磨制工艺已开始大量出现于石斧、石铲、石棒、石锄等工具中。2、内蒙古敖汉旗兴隆沟遗址中筛选出了1400多粒黍和粟炭化颗粒。证明兴隆洼文化时期的先民已经掌握了黍和粟的旱作农作物的驯化和广泛种植，从而产生了农业。3、内蒙古敖汉旗兴隆洼文化遗址在F180房址中的M118居室墓葬里，发现了一雌一雄两头猪的陪葬，陕西半坡遗址和浙江余姚河姆渡遗址都出土了狗的骨骼，说明新石器早期先民已经开始了家畜的驯化和饲养。4、小河西文化和兴隆洼文化遗址中出土了大量的人工加砂深腹陶器，外壁饰有复杂精美的纹饰，说明陶器已经普遍使用。
通过以上对比分析，足以说明在中国北方的小河西文化的晚期与兴隆洼文化早期相互重叠，距今8500年左右的时间节点，先民们掌握了打制石器向磨制石器过渡的关键性原始机械加工装置的使用，使“磨”这一工序变成了可能。同时又掌握了动植物的驯化和陶器的制作和广泛使用。人类正式开始步入了新石器时代，并最终导致了城市、国家和文明时代的到来。
参考文献：
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