热处理技术与燃料木材密度决定了硅质岩碎片边缘的几何形态

《Journal of Archaeological Science: Reports》：Heat treatment technique and fuelwood density shape silcrete flake-edge geometry

　　

• 比较了未经加热、沙浴加热和余烬加热条件下的硅岩石片。
• 显微CT成像和多尺度曲率分析定量刻画了边缘几何特征的互补性。
• 热处理使石片边缘更加锋利，并平滑了相邻边缘的轮廓。
• 余烬加热使石片边缘更加锋利；燃料密度主要影响沙浴加热的结果。
• 温度模型显示，燃料密度效应更倾向于阈值式而非连续式。

引言

硅岩原料的热处理被认为是一项重要的技术创新，它扩展了史前石器制造者改善原料打制质量的能力（Schmidt & Mackay, 2016）。在南部非洲，有文献记载早在约16.4万年前就已经有意加热硅岩以增强其剥片性能（Brown等, 2009）。实验研究表明，加热可以改善硅岩石核的剥减效果和石片产出结果（Pargeter & Schmidt, 2020），同时还能增强所产生切割边缘的功能性能（Key等, 2021）。与未加热的硅岩相比，热处理后的硅岩通常所需的剥片力更小，且产生的切割边缘更加锋利（Key等, 2021）。因此，硅岩的热处理对石器技术中两个相关但不同的阶段可能产生了重要影响。

在此背景下，石片边缘的锋利度尤其具有参考价值，因为它衡量了从热处理的成本与风险中所能获得的潜在回报之一。由于石片边缘在使用初期就会丧失大部分初始切割效果（Key等, 2018），史前石器制造者很可能优先考虑频繁更换或重新磨利变钝的石片边缘，从而使生产锋利边缘成为石器技术组织中的重要考量因素。从力学角度看，锋利度描述的是一个边缘开始切割的难易程度，通常通过改变加工材料所需的力和功来衡量（Reilly等, 2004, Atkins, 2009, Key, 2016）。从微观几何角度看，边缘锋利度通常由边缘顶端的半径或曲率来定义。较小的半径（因而较大的曲率）能将施加的载荷集中在较小的接触面积上，因此通常可以减少在加工材料中引发断裂（即切割）所需的力。对石片进行的受控切割实验表明，石片边缘曲率可以预测石制工具的性能，解释了切割力变化中高达59%和做功变化中高达63%的差异（Key等, 2024）。因此，石片边缘曲率提供了一个有意义的衡量指标，用于评估不同的加热技术是否在硅岩中产生了具有功能重要意义的变化。

早期对中石器时代人群如何实现硅岩热处理的解释假设认为，需要缓慢且精心控制的过程才能在硅岩结核中引起有意义的变化（Wadley, 2013）。基于其他材料（如燧石）的民族志和实验数据，考古学家最初提出南部非洲的硅岩结核是通过沙浴技术在火堆下埋入沙子或沉积物中进行加热的，以确保温和、均匀分布的加热（Brown等, 2009）。这种方法通过缓慢地将热量辐射到沉积物和封闭的石块中来最小化热冲击，但它也需要长时间、高燃料消耗的烧制才能达到目标温度。由于石头周围的沉积物吸收了大量热量，地下加热每结核消耗的木材燃料比直接暴露于火中的热处理技术更多。Brown等人（2009）甚至假设，硅岩在中石器时代周期性出现受到木材燃料丰富程度的限制，因为成功的沙浴加热可能需要大量木柴。简而言之，传统观点认为需要精心准备（保温沙层、缓慢加热速率、充足燃料）才能防止硅岩热处理失败。

然而，在过去十年中，新的实验和考古发现挑战了这一传统模式。研究人员表明，硅岩可以比先前假设的更快地进行热处理，即使在开放的火堆中——没有保温的沙子层也能实现（Schmidt等, 2019）。例如，Schmidt等人（2013）表明，南非硅岩能够承受相对较快的加热速率，并且可以在数小时内通过直接暴露于余烬中成功转化。值得注意的是，他们发现加热硅岩不需要设置专门的加热环境，并且可能与日常篝火活动同时进行。在这种情况下，硅岩石块可以被放置在普通木柴壁炉中或附近，在被称为开放余烬加热或表面火加热的过程中更直接地加热。这一观点认为，硅岩热处理可能是一个相对简单的过程，需要很少的额外时间或燃料，这与早期假设相矛盾，即只有缓慢的、沙子绝缘的加热才能产生可靠的热处理结果。一些研究人员仍然持怀疑态度；例如，Wadley和Prinsloo（2014）的实验表明，开放火堆无法可靠地实现热处理，更倾向于认为沙浴是一种更安全、更可靠的技术。尽管如此，越来越多的实验和考古证据表明，南部非洲的硅岩在技术上可以采用多种热处理技术，包括地下沙浴加热和直接在火中或余烬中加热（Brown等, 2009, Wadley和Prinsloo, 2014, Schmidt等, 2015, Delagnes等, 2016, Botha等, 2025）。

关键的是，最近的研究表明，没有单一的热处理方法在所有情况下或所有类型的硅岩中都是最优的。不同的硅岩来源和不同的条件可能需要不同的策略。Mackay等人（2019）通过一系列受控实验展示了这种变异性。在他们的实验中，来自澳大利亚两个来源的硅岩结核被快速加热，结果从完整到破裂爆炸不等，具体取决于特定原料和加热方案。他们发现，硅岩对快速加热速率的容忍度在不同来源之间差异很大，甚至比结核大小甚至达到的最高温度等因素差异更大。他们的推论，得到了对南非硅岩的额外测试的证实，是过去石器制造者可能根据正在处理的特定硅岩及其对热的反应性来调整他们的加热方法。换句话说，热处理并非一种适用于所有类型硅岩的统一配方。

对中石器时代组合的考古分析揭示，史前人群在硅岩上应用热处理的方式表现出灵活且因情境而异的行为。例如，Schmidt等人（2024）检查了Klein Kliphuis避难所（南非）的硅岩文物，发现热处理实践在时间上存在显著变异性。在一个后豪威森斯波特时代背景下，大约60%的硅岩工具经过热处理，而在两个略早的豪威森斯波特层中，这一数字约为85%。此外，Schmidt等人（2024）认为，早期人类并不以僵化的方式依赖热处理，虽然许多硅岩鹅卵石在剥片顺序的早期（在大多数剥片之前）就经过加热，但遗址也显示晚期热处理偶尔被用来延长小型、几乎耗尽的石核的使用寿命。在他们的样本中，一些小型硅岩石核在初始剥片后被加热，据推测是为了改善它们的剥片性能并在原料稀缺或需要最大化产出时再提取几片石片。这一发现表明，中石器时代石器制造者根据原料可获得性和技术需求调整其热处理方法，要么事先投资加热大结核，要么后来机会性地重新加热较小的石块。

这种灵活性突显了热处理是技术库中的一种工具，根据需要部署，而不是在每个案例中作为强制或标准化的程序。与这一观点一致，Schmidt & Mackay（2016）在Mertenhof岩避难所的研究发现，硅岩热处理的频率与燧石等高质量替代品的可获得性成反比。当燧石丰富时，Mertenhof的觅食者进行的硅岩热处理较少；当燧石稀缺时，他们越来越多地对硅岩进行热处理以改善其可加工性。Pargeter等人（2018）报告在Boomplaas石器记录中发现了类似的原料模式。在整个南非，热处理的硅岩发生率似乎对生态和供应因素敏感。正如Watson（2025）所指出的，中石器时代组合中热处理的普遍性和时机取决于石核剥减策略、景观利用和获取其他细粒原料的渠道等因素。在某些情况下，硅岩经常加热，而在其他情况下则以原始状态使用，这暗示热处理是一种灵活策略，而不是硅岩工具生产中的必要步骤。

另一个近期进展在于量化特定的热处理变量（如温度和持续时间）如何转化为打制结果。Watson等人（2024）对来自多个来源的硅岩进行受控剥片实验，将其加热到不同的峰值温度。他们观察到，热处理的好处（在石片尺寸和质量方面）仅在有限的温度范围内发生，并且严重依赖于来源。在特定温度阈值之上或之下，或者使用反应较差的硅岩类型，加热可能收益甚微甚至导致不理想的结构变化。Watson及其同事认为，我们必须超越关于热处理作用的广泛概括，转而关注结果如何随硅岩来源和加热方案的具体细节而变化。简而言之，热处理并不在所有情况下都能均匀改善所有石头；其效果取决于特定材料的参数。这一观点与考古学家所称的热处理可能包含各种不同做法的理念相符。的确，Mackay等人（2025）指出，热诱导的改变在种类和程度上可能有所不同，从颜色和光泽的变化到断裂力学的变化，并且并非所有的加热实例在目的或强度上都是相同的。例如，低温或短暂加热可能会使硅岩表面变红，而不完全改变其内部，但这种方法可能仍能提供一定的打制益处（Mackay等, 2025）。

最后，燃料使用和燃烧的研究为理解热处理策略增添了另一层复杂性。与一系列南非本地木柴燃料合作，Botha等人（2025）证明，在硅岩热处理中塑造火灾性能的不只是作为燃料使用的木材种类，还有木材的密度。高密度木材（通常是硬木）燃烧时间更长，产生更持久的较高温度，并产生更持久的余烬，而低密度燃料燃烧快速且不均匀。从史前觅食者的角度来看，这些差异可能影响了加热硅岩的可行性和风险。基于他们的实验，Botha等人（2025）假设，将硅岩埋在沉积物下绝缘的沙浴方法需要长时间稳定的加热才能达到有效温度，因此对可用燃料木材的密度（质量）高度敏感。如果手头只有快速燃烧的轻质木材，那么在沙子下维持缓慢、温和的加热将很困难，增加了火焰在石头充分加热之前熄灭的风险。相比之下，开放余烬方法将结核直接暴露于火中，减少了对长燃烧燃料的依赖（因为即使是短暂而猛烈的火也可以直接加热石头），但反过来增加了因更快速加热而导致热冲击和破裂的风险。这些见解表明，木材燃料密度可能是影响硅岩热处理结果的重要参数。

综上所述，这些研究表明，硅岩热处理是一种复杂的、对情境敏感的做法，而不是一种单一的标准化程序。早期人类可能采用了多种技术，并根据硅岩的类型和质量、木材燃料的可获得性以及工具生产阶段等因素调整了他们的方法。因此，相关问题不仅是沙浴和开放余烬或开放火加热技术是否能转化硅岩，而是它们是否在产生的石核和石片中产生了可比较的结果。本研究基于这一视角，直接检验不同的加热配置和木材燃料特性是否产生可测量的不同石器结果。在之前证明硅岩热处理显著改善石片边缘锋利度的工作的基础上（Key等, 2021），我们检验了这样一个假设：在沙浴中加热硅岩与在开放余烬中加热将导致产生的石片上出现不同程度的边缘增强（锋利度和边缘几何形状）。这个问题很重要，因为如上所述，一个长期假设是较慢、更受控的加热（沙浴）可能需要达到最佳结果，而更快的方法可能面临过热或不能完全释放材料的剥片潜力的风险。通过比较使用这两种配置热处理产生的石片，我们检验一种方法是否产生更锋利且几何更平滑的边缘。

如果不同的加热设置（沙浴对比开放余烬）产生显著不同的边缘锋利度和几何特性，这将表明史前石器制造者的技术选择可能直接影响工具性能。

然而，正如 Botha 等人（2025）所指出的，这些技术的有效性也可能取决于燃料的能量特性，密度更高的木材能维持更热、燃烧时间更长的火。沙浴和明火余烬加热条件可能会调节木材燃料密度的影响。因此，对热处理有效性的任何评估必须不仅考虑加热配置，还要考虑其与燃料木密度的相互作用。考古学热处理实践的变异性可能是由功能目标（例如，最大化石片边缘锐度或最小化断裂风险）和生态约束（例如，获取特定木材燃料）的组合所塑造的。或者，如果无论燃料木密度如何，两种方法都能产生可比的石片边缘锐度和几何形状，这将表明存在通往相似结果的多条可行途径，突显了石器时代工具制造者的行为灵活性。因此，我们在此重点关注量化加热技术和燃料木密度如何相互作用以影响石料边缘锐度和边缘几何形状，超越将热处理视为统一实践的假设，朝着对其变异性进行更细致入微的理解迈进。

章节片段 原始材料和样本制备
本实验使用的硅化岩取自南非西南开普省的 D9-1 来源地（图 1）。来源地 D9-1 是覆盖在主要由石英砂岩组成的桌山群地层之上的格雷姆stown 组中的细粒、基质支撑硅化岩（F 结构）。该来源地位于尖峰角考古遗址群附近，约 13 公里处（Marean, 2010, Jacobs et al., 2025）。研究人员此前在一个大规模方法中研究过该来源地...

木材燃料密度如何影响每种硅化岩加热条件下的温度参数？
木材燃料密度在沙浴和余烬加热下对温度曲线的影响不同（图 5，表 2）。在沙浴条件下，低密度和高密度木材燃料产生了相似的最高温度（分别为 395.5 和 400.9°C）和升温速率（分别为 0.95 和 0.89°C/min），而高密度木材燃料曲线保持在 350°C 以上的时间比低密度木材燃料曲线短（342.4 分钟对 430.5 分钟）。燃料密度的差异更...

讨论
我们的结果表明，热处理改变了硅化岩石片边缘几何形状的两个互补组成部分。BFC 指标追踪石片边缘的圆钝度，因此提供了更直接的尖端锐度测量。通过这一指标，我们看到加热技术是主要预测因子，因为余烬加热的石片比沙浴加热的石片具有更大的 BFC 曲率（偏 η2 = 0.20）。相比之下，TPS 指标追踪石片边缘的局部曲率以及逐渐增大的部分...

结论
未加热、沙浴加热和明火余烬加热的硅化岩石片实验比较表明，热处理以互补的方式改变了微边缘几何形状。与未加热的对照组相比，加热后的石片显示出更大的 BFC 曲率，表明有效的边缘更锐利，以及更低的 TPS 曲率，显示石片边缘和相邻表面的轮廓更平滑。在加热处理的石片中，余烬加热产生了最锐利的边缘。燃料木密度调节了两种石片边缘...

CRediT 作者贡献声明
Justin Pargeter: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，方法论，形式分析，数据管理，概念构思。Alastair Key: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念构思。Susan Botha: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，方法论，调查。Jan de Vynck: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，方法论，调查。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本研究中使用的部分设备得益于英国研究与创新署艺术与人文研究委员会（AHRC）剑桥遗产科学中心（CHERISH）倡议的“藏品能力”（CapCo）基金资助（AH/V011685/1）。本研究中的计量部分由波兰科学与高等教育部资助 – 项目编号：POIR.04.02.00-00-D012/20-00，题为“NSMET 波兰波兹南理工大学国家计量坐标网络”。Tomasz Bartkowiak 的...

Justin Pargeter|Alastair Key|Susan Botha|Jan de Vynck|Patryk Mietlinski|John K. Murray|Danielle A. Macdonald|W.James Stemp|Michal Wieczorowski|Giuseppe Castelli|Tomasz Bartkowiak