古人是如何知道矿石能够炼铁炼铜的？
一直在做古代金属器科技史的科普和研学，这个问题本来也是一些场合我做线下科普的开场介绍部分，在这里赘述一番：
古人与金属矿石打交道的时间很久远，比通常想象的更久远，要以万计，早于大家认知的文明史；
同样的，古人对金属矿和金属器的认认知，也比通常想象的更缓慢，即便是认知速度相对飞快的古代中国。
可以先放下我们作为现代人，对金属有着或多或少的认知。
金属矿石，首先也是石。
因此这个问题最早可以上溯到旧石器时代，人类对不同石头的挑选和改造。
这里就出现了人类最早可以认知的第一类金属器：
天然形成的自然金属
一个显而易见的事实是，这些自然金属对于古人类而言，是一类特殊的石头。
这一金属类型非常有限，大致分两大类：
其中一类极为罕见，来自外太空，比如天然铁，尽管地球的铁元素非常丰富，但地表没有能形成自然铁的环境。
只有一种罕见来源——铁陨石。
北美原住民（被称作印第安人）就使用陨铁制作铁器。下图是一片陨铁，上面有原始加工痕迹，被有些学者认为是附近 2000 年前墓葬内铁器的来源。
著名的此类物件，如出土自图坦卡蒙墓的铁匕首，就由铁陨石制成，并不代表当时古埃及拥有锻铁的技术，时间约 3300BCE
另一类是化学性质不活泼的贵金属，比如自然铂、金、银、铜。
比如天然富集的大块金，又被称作狗头金
纯度高的金属，硬度普遍不足，但性质稳定、总量稀少，因此主要有两大用途：
一是作为货币；二是作为装饰。
自然铜
铜在这里首次出场。
人类最开始对铜的使用，从现有的考古学证据来看，就是自然铜。
而限制早期人类使用自然铜的主要因素是地域分布和地表储量。
这一年限可以非常早，可能随着更多考古新发现继续往前推：
例如，在对北美古铜器的铅同位素比对（这是另一个很大的议题，这里不展开）以及 C14 测年显示，北美原住民（被称作印第安人）在 9500 年前就开始利用自然铜，但在 5000 年前中止了。
这一结论打破了此前一些学者认为的，进入金属器历史后不会再退回石器的思维。
其实，仅仅使用自然铜的情况下，如前文所言，自然铜只会被认为是诸多石材之中的一种。在金属硬度并不显著的情况下，自然铜被其他石材替代是可以理解的。
这是新大陆的情况，而在旧大陆，人们对自然铜的应用历史同样悠久，并进一步形成了对金属器的一系列热锻加工。
低温冶炼金属
天然形成金属的量是非常有限的，但有另一颗科技树，可以获得金属——高温。
并非高温的火堆就能还原金属。
高温氛围必须分氧化性氛围和还原性氛围，而冶炼金属必须是还原性氛围。
还原性氛围
这里就牵扯到另一个与冶炼共用部分科技树的领域——陶瓷。
熟悉我国古代陶器的读者们知道，陶器有不同的颜色：比如仰韶文化、马家窑文化时期等流行的红陶、还有龙山文化时期流行的灰陶。
类似的，大家会看到，明清时期很多城墙房屋使用青砖、而 20 世纪我国的建筑以红砖为主。
这里面其实就与氧化性氛围和还原性氛围有关。
地球的地表含有丰富的铁元素，但都是以二价铁（失去两个最外层电子）或三价铁（再失去一个次外层电子）的形式存在。
初中化学介绍：二价铁离子多为浅绿色，三价铁离子多为红褐色。这是在可溶性水溶液的情况下。
在土壤这种混合的条件下，二价铁呈现出青灰色，三价铁呈现红色，红土的颜色也由此而来。
以砖的制作方式为例，就能看出氧化性氛围和还原性氛围的差别。
现代砖基本都是氧化性氛围，高温烧砖带来的熊熊火焰，天然就是个氧化过程，后续冷却为自然冷却，也并未改变氧化性氛围，因此砖土中的铁是三价铁，呈红色；
如果需要制作青砖，需要在烧砖时加水，这样就有了：
（加热条件）
而一氧化碳和氢气都是还原性的，因此将砖土中的三价铁还原成二价铁，最终烧制成青砖。
只有在还原性氛围下，矿石才可能被还原成金属；
否则，在氧化性氛围下，不可能获得任何金属。除非你把地球烧穿了，可以从地核去拿铁。
因此，人类掌握冶炼的历史要远比掌握用火的历史短，当时的人们必须从偶然制造还原性氛围到稳定制造还原性氛围。
低温可冶炼金属
在认识到还原性氛围，且周边能捡拾到矿石的情况下，首先认识下什么是低温。
这种历史极其悠久的制陶方式称为——平地堆烧法，简单易行，是最早的制陶工艺之一。
温度一般能达到 600℃，有时能更高（约 900℃）。
我们来看一下这一温度下的低温可冶炼金属：
汞 Hg—— -39℃
锡 Sn—— 232℃
铅 Pb—— 327℃
锌 Zn—— 419.5℃
当然了，虽然存在钾 K——63℃，钠 Na——98℃这类低温金属，但都是化学性质极其活泼的碱金属，一方面无法通过碳等常规方式低温还原出来的，另一方面自然界也没有可供还原的直接产物。
人类认识这几种金属的时间也比较长。
当然了，这类纯金属很软，汞更是又毒又是液体，拿来打打杀杀太不像话。
偶然所得
铺垫了这么久，终于开始聊到冶炼了？
别急，让我们跟着人类认识金属的缓慢节奏来慢慢认识人类的冶炼史。
热处理的偶然所得
这是一块明显被高温洗礼过的混合物，其中能看到多孔的铜泛着黄色光泽，时间大约是 10800 年前，出土自安纳托利亚的 Gre Filla 遗址。
这能说明当时的人们开始冶炼和获取铜了吗？
不好说，但这一标本非常好地为我们展示了人类认识金属的过程。
安纳托利亚是自然铜和铜矿石都相对丰富的地区，因此，人们在制作石器，以及偶然遇火热加工后，会看到一类石头的异样。
如果这类现象有点意思可以用用，哪怕只是玩一玩，那就可以去拿石头的地方多拿几块。
如果这一现象可以复现，那这一族群就暂时拥有了某项技术。
由于该地也有自然铜和自然铜工具，
如果有人因为各种原因拿火去烤自然铜器，再拿石头敲一敲，可能就逐渐学会了铜的基本热处理——热锻。
但很可惜，倘若这一族群迁徙或者被并被灭，这一不成熟的技术就可能湮没。
可以称之为偶然所得。
合金的偶然所得
古代中国也参与到偶然所得这一环节之中，并且这一记录还不好打破。
我们还未谈论金属冶炼，更别提合金了，但就在约 6600 年前的关中临潼姜寨，考古出土了目前世界上已知最早的黄铜器！
黄铜是铜 - 锌合金，前文提到过锌。
黄铜的出现通常远晚于青铜，因为锌还有一个特性，低沸点——907℃，而铜的熔点是 1083℃。
因此，当铜 - 锌在激烈还原的过程中，可能铜尚未充分还原，锌就挥发了。
而黄铜器的首秀，锌含量高达 30+%！
现代学者使用铜矿和锌矿混合，做过模拟冶炼，推测与矿石的含锌量有关。
但黄铜的冶炼技术并未因此就流传开，虽然后续在山东又出现个别黄铜器，也均为偶然所得。
这里的偶然并不一定都是运气，而是说对规律的认知不到位，以至于技术难以传承或推广，仅有极小产量。
从偶然所得，到总结出一项规律、掌握一项技术，在当时，可能都是上百年的积累、遗忘、消灭、再发现，直到不同的人群开始了解到：有一类石头，在还原性氛围的高温环境下，可以得到另一种特殊的石头！
这是冶炼模糊的开端。
铜矿和铜矿石
铜是人类最早使用的金属当中，用途最广泛的。
尽管当时很可能不懂什么是金属，而是继续把铜当作一种特殊的石头，但早在八九千年前，不同地方的人群（包括古代中国），开始认识到冶炼。
那就必须去寻找能得到铜的那种石头，我们称为铜矿。
前文已知，自然铜是存在，但又是非常少的。
在此基础上，铜在化学性质上是非常亲硫 S 的，因此铜的大部分矿产以硫化矿的形式存在。
不用着急，那时候的人们根本用不了硫化的铜矿。
还剩一类重要的铜矿——铜的氧化矿，可以满足早期的冶炼。
早期的铜矿一定是地面浅表层的。
古人开矿是不会有文物保护意识的，最初的古矿冶很难保存下来，因为最初开挖的区段很容易被后续的区段给覆盖掉，丧失了早期的信息。
想要找到铜的氧化矿，且听名字：
赤铜矿
，黑铜矿
，蓝铜矿
，孔雀石
等等
这为早期寻找到地表和浅层矿提供了不小的方便，一些矿石在作为矿石用途之前，就因为其色彩而成为了装饰物。
比如石家河文化时期尚未出土任何金属器，但出土了孔雀石饰物。
因此，当殷商人群南下，在盘龙城建立城池时，不难向当地土著打探到，你的孔雀石是从哪来的。
古汉字里，矿写作“卝”，为竖井状，
实际上，古代中国已发现的早期铜矿，已经是人们对铜矿有了很深的认识之后才能开采到的。
比如，古铜矿里最著名的铜绿山遗址。
这座遗址是一座铁 - 铜混合矿，并且是铁矿在上层形成了铁帽，下方才是铜矿。
如果没有对铜矿有足够的认识，不可能开采铜绿山，因此表层几乎全是当时无法开采的铁矿。
《管子》载：上有慈石者其下有铜金。符合这一解释。一些典籍也记载了各地矿产情况和矿产知识，是古代中国采矿朴素的知识积累。
铜绿山铜矿能保存下来的一个重要原因，更是开采者有意先开采下层，先下后上，随后用矿渣和废弃物填下层，这样才创造了非常优异的古矿冶保存环境，得以保存至今。
读过一些论文，不少人在探寻早期矿场时，会带入现代立场，从现代铜矿丰富的地方去想，忽视了早期只有开采地表浅层小型矿的能力，想象力极为丰富。
但当我们现在想要找到确凿的古矿冶证据时，确实有些犯难。
首先是上文提到的后采会破坏先采的痕迹，其次是缺少测年手段。
始于 1982 年的铜矿铜器铅同位素比例方法，能帮助我们分析这类问题，近年来，又涌现出了铜同位素比例和锡同位素比例测试，希望在将来能获得更多的数据，帮助我们了解更多古人采矿的认识。
后记：研学概况
这篇文字，其实基本上是我在线下做青铜（也包括陶瓷）研学时，开场所要介绍的：
我通常从科技史这一少见的视角切入，梳理人类文明进步的演进历程。
在讨论完上述内容后，再去探讨对铜器、铜合金、铁器乃至钢铁的不同认识与技术进步，并聚焦于它们在开采、冶炼、铸造、装饰等工艺上的提升。
尤其是，对于古代中国，虽然金属史成熟的晚，但成熟最快。
由于古代中国对高温科技树的独到之处，使得古代中国的金属科技史出现了两大特色：
一是特殊、大量的青铜重器；
二是独步古代世界史的快速金属技术迭代，和明代以前唯一能熔融铁的文明体系（含周边文明）。
对我而言，如果缺少这个源头性的铺垫，讲解一场青铜展和金属史——尤其是青铜通史展——那些精美的器物，便如同“天生石猴”一般，仿佛凭空从石头缝里蹦出。因此，这段介绍至关重要，它为我们理解青铜器的缘由提供了必要的背景和起点。
如果朋友们对这类科技史（青铜、陶瓷等）的研学活动感兴趣，欢迎私信交流。
这是我在上博青铜馆科技史研学的简介示例：