石器是人类早期的主要生产工具，其使 用是人类发展历史上的一个重要里程碑。考 古研究发现，古人类在制造和使用石器的过 程中逐渐形成了用火对石器原材料进行热处 理的习惯。目前发现人类最早对石料热处理 是在南非南部海南的 Pinnacle Point 遗址， 这表明人类早在十几万年前就开始对石料进 行热处理 [1]。旧石器时代的不同时段都发现 了大量的用火遗存，特别是更新世晚期古人 类的用火行为已相当普遍，热处理技术已广 泛分布于世界大部分地区，法国、黎巴嫩、 美洲大陆、西伯利亚、印度、巴基斯坦、阿 富汗等地都发现了热处理行为。
2003 至 2010 年我国宁夏水洞沟遗址出 土了丰富的石制品，而且还发现了许多用 火遗物 [1] 。该遗址位于银川盆地东部边缘， 毛乌素沙地西南缘 , 银川以东 28km，海拔 1200m。地理位置如图 1 所示。经考古研究 证实水洞沟遗址存在距今 2 万多年的热处理 石制品，填补了此前东亚地区未发现热处理 石制品的空白，这为探索现代人行为在中国 的出现及其表现形式提供了重要证据。
考古学界最初认为古人类“烧石头”这 一行为是从无意识变为有意识：经热处理的 石料一般会发生颜色改变，表面出现裂纹且 呈现油脂状光泽，满足了古人类精神上对颜
图 1 宁夏水洞沟遗址地理位置图 [1]
色的需求，并提升了交换价值。实验室结果 也确实证明了石料经热处理后确实存在外观 上的变化。然而，在当时的物质条件下，古 人类的生存需求是第一位的，他们应该更关 心石器切割食物的使用价值， “好看”这方 面的精神需求不足以支撑热处理技术传播扩 散。一个更合理的推测是：热处理技术的出 现和流传必然和石器的使用性能有关。
为此，中国科学院古脊椎动物与古人类 研究所及中国科学院力学研究所科研人员以 水洞沟遗址采集的砾石为研究对象，探索了 热处理究竟如何改变了原始石料的力学性能 [2] 。砾石的主要成分是硅质白云岩，是水洞 沟遗址石制品的主要石料类型。为模拟古人 类采用火塘加热石材的过程，先在水洞沟遗 址区构筑了户外火塘，并采集分析火塘在热 处理过程中温度的分布和变化等参数，然后在实验室用高温炉按照采集的火塘加热参数 对石料进行热处理。热处理前后石料存在色 彩上的明显变化，如图 2 所示。
图 2 水洞沟遗址采集的砾石 [2]
(a)热处理前；(b)热处理后
使用材料试验机对热处理前后的白云岩 石料样品进行压缩试验。结果如图 3 所示。 可以看出：由于石料样品采自砾石(和古人 类遗迹一致) ，材质的一致性差，因此力学 性能试验结果比较分散。但热处理后试验结 果的一致性有明显改善， 并且热处理后应力 - 应变曲线出现锯齿状波动现象，说明石料内 部存在多个“局部开裂”过程。
图 3 白云岩样品热处理前后应力—应变曲线对比 [2]
(a)未热处理；(b)450℃热处理；(c)550℃热处理
石料材质 XRD 分析结果显示(图 4) ，
热处理后白云岩石料的硅质含量减小，钙质 含量增加。硅质含量的减小使得石料强度降 低，同时钙质含量的增加会使石料变脆，更 容易出现裂纹。这种材质上的变化和压缩试 验中发现的抗压强度下降、延性提高、应力 - 应变曲线出现锯齿状波动现象吻合。经过 热处理的样品在压缩过程中内部出现多次开 裂，延缓了最终全部开裂破坏的发生。在打 制石器过程中，这种多次开裂特性为古人类 调整打击点、打击方向和打击力度创造了机 会，更易于剥取长石片。
图 4 白云岩样品 XRD 检测结果 [2]
(a) 未经热处理；(b) 450oC 热处理；(c) 550oC 热处理
在现代专业考古人员模仿打制的过程中 发现，450℃热处理的白云岩石料打制的石 器，形态趋于规整，剥取的石片长度增加， 石片远端崩断几率降低， 石片边缘更加锋利。 打制过程中对裂纹开裂方向、延伸距离更易 于控制，打击力度降低。而 550℃热处理的 石料，会产生大量肉眼可见的粗颗粒，导致 破裂面明显粗糙，甚至很难剥取石片，损害 石料的打制性能。这和压缩试验中石料力学 性能的变化吻合。
人类对世界的探索始终伴随着尝试与实 践。热处理技术反映了古人类对石料的深度 应用，是人类进化的重要里程碑。古人类受到当时认知水平的限制，对石料的力学性能 认识并不明确，但他们在生产实践中通过对 石料的质地、可用性进行经验性判断，发展 了改善石料性能的热处理技术，并将这种技 能扩散、传承下去。今天，现代化的力学研 究手段揭开了其中的科学道理，让我们更深 入地了解了古人类“烧石头”的奥秘。
【参考文献】
[1] 周振宇 , 关莹 , 高星等 . 水洞沟遗址的 石料热处理现象及其反映的早期现代人行为 [J]. 科学通报 , 2013, 58: 815-824.
[2] 邵亚琪 , 郇勇 , 代玉静 , 周振宇 , 高星 , 杨海陞 . 热处理对水洞沟遗址石器原料力学 性能的影响 [J]. 人类学学报 , 2015, 34(03): 330-
337.
郇勇，正高级工程师， 非线性力学国家重点实验室。 研究领域：实验固体力学、 飞机地面动力学、植介入力 学与医疗技术。
李钰，硕士研究生，非 线性力学国家重点实验室。 研究领域：实验力学与植介 入医疗技术。
