華北唐宋古瓷窯興起的自然條件：煤系地層出露

劉 婕，梁漢東*

（1.煤炭精細勘探與智能開發全國重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 1000831）

0 引言

以燃煤蒸汽機的使用為代表的“工業革命”是人類文明進步史上的重大事件，其出現的自然條件無疑是英國廣泛賦存淺埋藏的石炭紀煤及其煤系地層［1-2］，該地層在地表多有出露。早在公元13 世紀初，英國諾森伯蘭莫爾佩斯附近的僧侶就已經開采利用當地的天然出露煤［3］。中國煤炭資源豐富且分布廣闊［4］。中國煤系地層曾經歷了多期大地構造運動導致其出露并不鮮見，這同樣很可能為華夏古人認識和利用煤亦或煤系地層所含原材料提供了自然條件。

中國華北廣泛分布著石炭紀—二疊紀煤及煤系地層［5-6］，且該區域內含煤盆地的邊緣常有煤層出露，尤其是古老隆起旁側的成煤拗陷帶，如太行山東緣。華北石炭紀—二疊紀煤的廣泛出露無疑使該區域的古人易于接觸煤或煤系地層所含礦產等資源。煤田地質上，該區域豐富的高嶺巖無一例外的賦存于石炭紀—二疊紀煤系地層乃至煤層本身并以煤矸石形式出現［7］。瓷器考古上，前人已經觸及華北唐宋古瓷與煤矸石或煤系高嶺巖的關系。如秦大樹等對定窯的考古進行總結時，發現定窯附近出產優質的制瓷原料“靈山白矸石”［8-9］；李鑫等人發現唐代邢窯的白瓷在化學組成上與煤矸石一致，并認為隋唐五代時期北方許多有名的白瓷窯場使用的制胎原料主要來自于含煤地層中高鋁低硅的高嶺瓷土資源［10］；程在廉曾提出“中國北方較大的古瓷窯在制瓷時所采用的原料大多是含煤地層中的瓷土礦層”的觀點［11］。然而，唐宋古瓷與煤系地層或更確切而言與煤系高嶺巖（土）的關系，迄今缺乏整體性和系統性的科學探討，本文將從華北唐宋古瓷全局探討其興起與含煤地層出露的關聯現象與關聯實質。

1 唐宋著名古瓷窯址分布與石炭紀—二疊紀煤系地層出露

1.1 唐宋著名古瓷窯址分布特征

基于考古資料和文獻記載，收集華北唐宋代著名古瓷窯址共54 個（圖1a），其中唐代窯址19 個，宋代窯址35個［12］。這些窯址均坐落在山地邊緣地帶，且主要分布在太行山東緣地區，整體呈現“東密西疏”的分布格局（圖1b）。具體表現為定窯（河北曲陽）、邢窯（河北內丘）等大多數窯址較集中分布在太行山邊緣尤其是東緣。此外，耀州窯（陜西銅川）和旬邑窯（陜西旬邑）看似偏離但實際上仍坐落于太行山脈余脈橋山地帶；而山東淄博窯和泰安寧陽古磁窯則分布在泰山邊緣地區。

圖1 華北著名唐宋古瓷窯址（a.行政區劃分布圖；b.高程與構造疊合簡圖；c.空間分布橢圓和核密度圖）Figure 1 Famous ancient porcelain kiln sites of the Tang and Song dynasties in Northern Chinaa.Distribution by administrative divisions；b.Elevation and tectonic overlay sketch；c.Spatial distribution ellipse and kernel density maps

窯址的分布中心位于山西省建寧鄉（圖1c）。長半軸投影距離為596.87km，短半軸投影距離為357.51km，橢圓轉角為62.14°，呈現出“東北－西南”的空間分布特征。窯址分布可劃分成兩個主要密度區，其中河南中部為高密度區，該區有太行山東麓斷裂帶，斷層密集［13］，礦產資源發育好。其次是由輝縣、鶴壁、安陽、磁縣和林州組成的次密度區，此處有湯東斷裂。其他窯址散布在周邊區域，呈現小集聚性（圖1c）。

1.2 石炭紀—二疊紀煤系地層

地質歷史上中國華北主要有兩大成煤期，亦即石炭紀和二疊紀［14］，涵蓋這兩個成煤期的沉積地層常被稱之為石炭紀—二疊紀煤系地層。這兩個成煤期之間及前后曾出現過火山和巖漿等地質活動，使得該地層含有30 多個煤層且賦存豐富的與煤層呈互層的巖層，如黏土巖層、頁巖層、石灰巖層、砂巖層、白云巖層、鋁土巖層等，其中黏土巖層包含高嶺巖層或高嶺巖與其他黏土巖混層等。在產出層位方面，高嶺巖常位于煤層頂板、底板或夾層之間。其中，位于煤層頂底板的稱為“泥巖”或“黏土巖”，夾在煤層之中的稱為“夾矸高嶺巖”或“煤矸石”。中國華北的這類高嶺巖被稱之為“煤系高嶺巖”。該區域賦存的高嶺巖大多都與煤系地層相關聯。

華北地區石炭紀—二疊紀煤系地層有黏土巖，主要分布于上石炭統本溪組和太原組、二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組，既有堅硬致密的高嶺巖，也有疏松的軟質和半軟質的。細節上，窯址集中分布區的煤系高嶺巖主要包括上石炭統本溪組底部的鋁土質高嶺巖以及太原組和山西組煤層中的夾矸高嶺巖（圖2）。華北作為中國高嶺土的主產區，其原料主要源自石炭紀—二疊紀煤系地層的煤系高嶺巖。譬如，唐山和淄博因賦存優質煤系高嶺巖資源至今仍然是我國重要瓷器及瓷制品生產基地［15-16］。

圖2 太行山區域煤系地層柱狀圖Figure 2 Columnar diagram of coal-bearing stratum in the Taihang Mountain region

1.3 華北煤田分布與地層出露

地質構造上，華北晚古生代石炭紀—二疊紀含煤盆地在主要聚煤期后，經歷了多期不同強度和性質的構造運動［17］，后期構造運動會使包括含煤地層在內的沉積盆地發生垂向升降和水平縮張［18-19］，導致原型含煤盆地遭受強烈破壞，即被分割成多個孤立的含煤區［20］，這也就使周圍區廣泛出露煤層，尤其是含煤盆地的邊緣地區［14］。窯址所在區域也不例外，新近紀以來的喜馬拉雅運動，在中國東部造成與擠壓方向垂直的EW 向拉張作用，致使新近紀和第四紀期間太行山各發生一次強烈的抬升［21］。正因為在新生代區域裂陷作用下的伸展隆升，上部地層遭受剝蝕，使得煤系局部埋深較淺，部分煤層出露于地表。

地理上，太行山邊緣山脈及其余脈與華北石炭紀—二疊紀含煤盆地的邊緣近乎一致，這種現象表明太行山山體的邊緣實際就是煤系地層盆地邊緣，這也進一步說明了沿太行山邊緣分布的唐宋古瓷窯均位于石炭紀—二疊紀含煤盆地的邊緣地帶亦即煤層出露區。譬如，太行山余脈橋山地區的耀州窯和旬邑窯在空間上是沿著渭河谷地分布的，而渭河谷地北岸崖壁正是石炭紀—二疊紀出露地層典型剖面。泰山邊緣的淄博窯和泰安寧陽古磁窯也不例外，該區恰分布著山東省域石炭紀—二疊紀煤系地層的兩個出露區［22］。這說明唐宋著名古瓷窯址分布在石炭紀—二疊紀煤系地層邊緣的現象在整個華北地區較為普遍（圖3）。

圖3 華北煤系地層與唐宋古瓷窯址分布Figure 3 Distribution of coal-bearing stratum and ancient porcelain kiln sites in the Tang and Song dynasties in North China

中國華北煤系資源分布區廣泛被深厚的第四紀沉積黃土所覆蓋。在廣大黃土覆蓋區都沒有窯址分布，這種現象說明唐宋時期制瓷原料并非取自第四紀黃土，而是可能采用了如煤系高嶺土等其他瓷土資源。其實在早期古陶研究中也有類似發現，中科院上海硅酸鹽研究所對新石器時代至商周的65 件陶器樣本進行了分析及模擬燒制，結果顯示不同遺址出土陶器的胎泥并非取自普通黃土或華北地表最普遍的第四紀沉積黃土［23］。陶作為瓷的前身，不采用黃土，瓷也不會將黃土用作制胎原料。

華北唐宋著名古瓷窯址分布與石炭紀—二疊紀煤系地層出露區相吻合。究其原因很可能是唐宋制瓷采用了富含煤系高嶺巖的黏土巖，且只有煤層出露區才容易獲得煤系高嶺巖。由此，可以說華北石炭紀—二疊紀煤系地層的出露為唐宋古瓷的興起提供了得天獨厚的自然條件。

2 煤系高嶺巖風化及其資源可用性

煤炭資源勘查的規律通常是由淺入深，即從露頭煤到淺埋煤再到深埋煤［24］。目前，我國華北石炭紀—二疊紀煤主要僅供地下深層開采，煤系高嶺巖作為煤的共半生礦物也主要出自于地下［25-26］。而古人受技術限制無法開采深埋煤藏，只有條件取用淺埋煤藏及伴生礦產資源，尤其是出露于地表的煤及礦物原料。從地球化學角度而言，出露與深埋藏的煤之間無疑會存在差異，前者不可避免地會受到地球化學風化作用，特別是晚古生代以來的多期地質構造運動使得華北許多出露煤層經歷了至少百萬年級別的自然風化。

華北石炭紀—二疊紀煤系地層除伴生高嶺巖外，還伴生山西式富鐵礦巖層［27］。然而，地調發現此類鐵礦層在空間上存在明顯的分帶規律，即深部埋藏的鐵礦多以黃鐵礦形式賦存，中部除黃鐵礦外還混合有赤鐵礦，而淺層及出露的鐵礦卻只有赤鐵礦。依據分帶特征可將鐵礦層劃分為原生帶、過渡帶和風華帶。造成這種深淺鐵礦層分帶差異的原因無疑是淺層及出露之處的鐵礦層受到長期化學風化和氧化作用，使得原生黃鐵礦逐漸演變為赤鐵礦（圖4）。這一風化氧化的結果也為中原地區最早煉鐵遺址河南鞏義漢代鐵生溝冶鐵提供了自然條件。

圖4 石炭紀—二疊紀煤系地層關聯層位的地球化學風化示意圖Figure 4 Schematic of geochemical weathering of correlative strata of Carboniferous-Permian coal-bearing stratum

對比而言，煤系高嶺巖作為一種黏土巖，暴露于地表受到了空氣和水等百萬年的侵蝕，無疑會經受地球化學風化和氧化，尤其隨著煤層由下往上，風化作用和淋濾作用會明顯增強［28］。我們認為它同樣存在原生帶、過渡帶和風化帶。原本堅硬致密的高嶺巖在風化作用下逐漸解聚、破碎、蓬松和分解［29］。期間，煤層風化形成的豐富腐殖酸（主要是富里酸）會導致局部微環境條件的酸化，進而會對煤系高嶺巖等其他周圍巖石進行溶解、淋濾，形成低濃度的硅鋁膠體溶液［30］。再者，高嶺巖所含的原生黃鐵礦會伴隨風化產生硫酸，也會促進雜質礦物及元素的溶解、遷移和純化。與此同時，降水或地下水也會淋濾洗去煤系高嶺巖石中的有機雜質，久而久之，當殘存有機質含量越來越少，煤系高嶺巖就會不斷軟化、白化、富化和純化，最終演變為凝膠狀富含水的泥土，亦即高嶺泥。

這種風化高嶺泥不僅富含高嶺石的化學和礦物學成分，而且具有白度高、可塑性好、土質純凈、耐磨耐火性強和燒結性良好等優點，是制作瓷胎的優質原料，也可將其稱之為“瓷泥”。風化瓷泥暴露于地表很容易被古人發現，并且很可能被古人直接取用進而嘗試將其直接做瓷胎或經簡單處理后做瓷胎。因此，我們認為華北唐宋著名古瓷窯址在瓷胎原料上與明清時期南方景德鎮截然不同，不是利用致密塊狀的高嶺巖［31］，也未采取汰洗、研磨、沉淀、過濾、晾曬等復雜冗長工序，而是直接取用泥狀物即經過百萬年自然風化后的高嶺泥。

3 結語

華北唐宋著名古瓷窯址均坐落在石炭紀—二疊紀煤系地層邊緣出露區，一定范圍以內甚至就位于出露點內。此種空間分布關系為唐宋古人認識和利用煤及煤系地層所含礦產等資源提供了先決自然條件。而華北地區煤系高嶺巖無一例外的賦存于煤系地層中，倘若古人制瓷想要取用這種富含煤系高嶺巖的黏土巖只能在煤系地層邊緣亦即出露區找到，由此才可能出現唐宋古瓷窯址全部坐落在煤系地層邊緣地區這一普遍現象。由此可以說唐宋古瓷窯址乃至更為早期的古窯址分布在該區煤系地層出露的狹長條帶及面或點是古人自發嘗試而逐漸適應自然的結果。因為，非出露處的高嶺巖不僅堅硬而且就古人而言深不可及（埋藏于數百米地下）。

目前，我國華北煤炭資源區井工開采出產豐富的高嶺巖，其質地堅硬難以直接利用，因此現代工業常采用粉碎和研磨等工藝將其加工為高嶺土，以便其廣泛利用［32］，其中不乏用作陶瓷原料。然而，立足風化地球化學觀，回溯含煤盆地與山地隆起邊緣接觸帶特有的含煤地層出露的地質現象，原本堅硬的高嶺巖經歷了百萬年以上的天然水和空氣給予的風化作用，必然會被汰洗成高齡泥亦或松散易取的高嶺土。自然風化所得的高嶺瓷泥作為瓷胎的關鍵原材料很可能影響著唐宋古瓷窯址的興亡。我們認為在古瓷窯興起之初，華北唐宋著名古瓷窯址的工匠們不只是采用了煤層出露區的高嶺石，而是直接取用了更加便捷的自然風化高嶺瓷泥，這直接促進了唐宋古瓷在該區域的興起，也很可能影響到后期唐宋古瓷在該區的衰落。英格蘭的煤系地層出露及淺埋藏以其優越的自然條件最終成就了歐洲的十八世紀的工業革命。中國華北煤系地層出露卻提前十個世紀成就了古瓷興起。