Con người nung chảy kim loại lần đầu vào khoảng thiên niên kỷ thứ 6–5 trước Công nguyên, và kim loại đó là đồng. Trước đó vài nghìn năm, người Anatolia và Lưỡng Hà đã biết dùng đồng tự sinh (đồng nguyên chất có sẵn trong đá) nhưng chỉ đập nguội. Bằng chứng luyện đồng từ quặng sớm nhất được chấp nhận rộng rãi hiện nay là xỉ đồng ở Belovode (Serbia), niên đại khoảng 5000 năm trước Công nguyên, cùng các nồi nấu ở cao nguyên Iran.
Đồng tự sinh là gì và vì sao đồng đến trước mọi kim loại khác?
Hầu hết kim loại trong tự nhiên nằm trong khoáng vật, gắn với ôxy, lưu huỳnh hay cacbonat. Đồng là ngoại lệ hiếm hoi: ở một số nơi, nó nằm thành cục, thành mạch, thành lá mỏng màu đỏ ánh kim lẫn trong đá. Người ta gọi đó là đồng tự sinh. Vàng cũng có dạng tự sinh, nhưng vàng quá mềm và quá hiếm để làm công cụ. Đồng cứng hơn, gặp nhiều hơn, lại đập thành tấm, thành kim được.
Những đồ đồng cổ nhất được biết đến không hề qua lửa nấu chảy. Ở di chỉ Çayönü (đông nam Thổ Nhĩ Kỳ), các nhà khảo cổ tìm thấy hạt chuỗi, dùi nhỏ bằng đồng tự sinh có niên đại khoảng thiên niên kỷ thứ 9–8 trước Công nguyên. Thợ thời đó đập nguội cục đồng, có lúc hơ nóng cho bớt giòn rồi đập tiếp. Hơ nóng như vậy là bước ủ sơ khai: đồng bị đập nhiều sẽ cứng và dễ nứt, nung lên vài trăm độ thì mềm lại. Nhưng đó vẫn là gia công đồng ở thể rắn, chưa phải luyện kim.
Ranh giới quan trọng nằm ở hai bước khác hẳn nhau:
- Nấu chảy: đưa đồng kim loại lên trên khoảng 1.085 °C để nó thành chất lỏng, rót vào khuôn.
- Luyện quặng (hoàn nguyên): lấy đồng ra từ khoáng vật như malachit, azurit — những viên đá xanh lục, xanh lam — bằng cách nung chúng với than trong môi trường thiếu ôxy.
Bước thứ hai mới thật sự mở ra thời đại kim loại, vì đồng tự sinh có hạn, còn quặng đồng thì nhiều hơn rất nhiều.
Lửa trại có làm chảy được đồng không?
Không. Một đống lửa củi để ngoài trời thường chỉ đạt khoảng 600–800 °C ở vùng nóng nhất, thấp xa so với điểm chảy của đồng. Muốn đạt trên 1.100 °C, người xưa phải giải quyết cùng lúc ba việc: nhiên liệu đủ năng lượng, giữ nhiệt không cho thoát, và thổi thêm không khí.
Nhiên liệu là than củi. Gỗ đốt yếm khí thành than cháy nóng và đều hơn gỗ tươi rất nhiều. Giữ nhiệt bằng cách đào hố, đắp thành đất sét. Thổi gió bằng ống thổi: những ống sậy hay ống đất nung, nhiều người cùng thổi bằng miệng vào lòng lò. Tranh tường trong một số mộ Ai Cập thời Cổ vương quốc vẽ cảnh thợ ngồi quanh lò thổi ống, cho thấy cách làm này còn dùng rất lâu về sau. Bễ da (túi da bóp tay hay đạp chân) xuất hiện muộn hơn, khoảng thiên niên kỷ thứ 3–2 trước Công nguyên tuỳ vùng, và tăng lượng gió lên đáng kể.
Khi than đủ nóng và thiếu ôxy, khí cacbon monoxit (CO) sinh ra lấy ôxy khỏi khoáng vật đồng. Phản ứng hoàn nguyên malachit có thể bắt đầu từ khoảng 700–800 °C, nhưng lúc đó đồng chỉ là những hạt li ti lẫn trong đá. Phải lên quá 1.100 °C thì hạt đồng mới chảy, gom lại thành giọt, và phần đá thừa mới chảy thành xỉ để tách ra.
Xỉ, nồi nấu và khuôn: khảo cổ học nhận ra luyện kim bằng cách nào?
Đồ đồng thì có thể được mang đi xa, được nấu lại, được trao đổi. Muốn biết một nơi có luyện đồng hay không, nhà khảo cổ tìm những thứ không ai mang đi: phế thải của lò.
| Dấu vết | Trông ra sao | Cho biết điều gì |
|---|---|---|
| Xỉ đồng | Cục đen, xốp hoặc bóng như thuỷ tinh, đôi khi lấm tấm hạt đồng | Có luyện quặng tại chỗ; thành phần xỉ cho biết nhiệt độ lò |
| Nồi nấu | Bát đất nung dày, mặt trong bám lớp thuỷ tinh hoá, vết xanh của đồng | Có nấu chảy hoặc luyện trong nồi |
| Khuôn đúc | Đá hoặc đất nung, lòng khuôn hình rìu, dùi, thỏi | Có rót kim loại lỏng tạo hình |
| Ống thổi | Đầu ống đất nung bị cháy sém, chảy men một đầu | Lò được thổi gió để tăng nhiệt |
| Quặng vụn | Mảnh malachit, azurit bị đập nhỏ | Có chuẩn bị quặng trước khi nung |
Xỉ đặc biệt có giá trị. Khi phân tích, các nhà khoa học đo được lượng đồng còn sót, các khoáng vật hình thành khi nguội, và từ đó suy ra lò từng đạt bao nhiêu độ. Than củi lẫn trong xỉ có thể đem định tuổi bằng cacbon phóng xạ. Đồng vị chì trong xỉ và trong đồ đồng còn giúp lần ngược về mỏ quặng gốc.
Belovode, Iran hay Anatolia: đâu là nơi luyện đồng sớm nhất?
Đây là chỗ còn tranh cãi, và câu trả lời thay đổi theo từng đợt khai quật.
Cao nguyên Iran và Anatolia
Từ lâu, giới nghiên cứu nghĩ luyện kim bắt đầu ở vùng núi giữa Anatolia và Iran, nơi có nhiều quặng đồng lộ thiên. Ở Tal-i Iblis (đông nam Iran), người ta tìm thấy hàng trăm mảnh nồi nấu có dính đồng, niên đại khoảng thiên niên kỷ thứ 5 trước Công nguyên. Các di chỉ như Tepe Sialk, Tepe Yahya cũng cho thấy đồ đồng sớm.
Belovode ở vùng Balkan
Năm 2010, nhóm nghiên cứu do Miljana Radivojević dẫn đầu công bố xỉ đồng ở Belovode (Serbia), thuộc văn hoá Vinča, có niên đại khoảng năm 5000 trước Công nguyên. Xỉ này được tạo ra từ quặng malachit ở nhiệt độ khoảng 1.100–1.200 °C. Đây hiện là bằng chứng luyện đồng có niên đại chắc chắn sớm nhất. Gần đó, mỏ Rudna Glava cho thấy người Vinča đào hầm lấy quặng đồng từ cùng thời kỳ.
Những bằng chứng bị xét lại
Không phải phát hiện nào cũng đứng vững. Xỉ tìm thấy ở Çatalhöyük (Thổ Nhĩ Kỳ), có tuổi khoảng thiên niên kỷ thứ 7 trước Công nguyên, từng được coi là dấu vết luyện kim đầu tiên. Nghiên cứu lại sau này cho rằng đó nhiều khả năng là khoáng vật đồng bị nung ngẫu nhiên trong một trận cháy nhà, không phải lò luyện chủ ý. Bài học: một cục xỉ chưa đủ chứng minh có nghề luyện kim.
Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu nghiêng về khả năng luyện kim được phát minh ở nhiều nơi một cách độc lập, chứ không lan ra từ một điểm duy nhất. Balkan và Iran nằm quá xa nhau, lại gần cùng thời.
Mốc thời gian: từ cục đồng đập nguội tới lò luyện
- Khoảng 9000–8000 TCN: hạt chuỗi, dùi bằng đồng tự sinh đập nguội ở Anatolia và Lưỡng Hà (Çayönü và vài di chỉ khác).
- Khoảng 7000–6000 TCN: đồng tự sinh được hơ nóng khi đập (ủ); dấu vết khoáng vật đồng bị nung còn tranh cãi.
- Khoảng 5000 TCN: xỉ luyện đồng ở Belovode; nồi nấu đồng ở Iran; hầm mỏ Rudna Glava.
- Khoảng 4600–4200 TCN: nghĩa địa Varna (Bulgaria) với đồ vàng và đồ đồng đúc — cho thấy kim loại đã thành biểu tượng của địa vị.
- Thiên niên kỷ thứ 4 TCN: đồng pha asen phổ biến ở Cận Đông; luyện đồng quy mô lớn hơn ở thung lũng Timna và vùng Feinan (nay thuộc Israel và Jordan).
- Khoảng 3300 TCN: rìu đồng của Ötzi, người băng tìm thấy trên dãy Alps năm 1991 — phân tích cho thấy đồng có thể đến từ miền nam Tuscany (Ý), cách nơi ông mất hàng trăm cây số.
Thời kỳ dùng đồng trước khi có hợp kim đồng thiếc thường được gọi là thời đại đồ đồng đá (Chalcolithic): người ta vẫn dùng đá là chính, đồng còn hiếm, chủ yếu làm đồ trang sức, dùi, rìu nhỏ.
Vì sao đồng pha asen lại là "hợp kim tình cờ" đầu tiên?
Nhiều quặng đồng ở Cận Đông có lẫn khoáng vật chứa asen. Khi luyện, một phần asen đi vào đồng. Kết quả là đồng asen — cứng hơn đồng đỏ nguyên chất, dễ đúc hơn vì kim loại lỏng chảy loãng hơn. Thợ cổ không biết asen là gì, nhưng họ nhận ra quặng từ mỏ này cho đồng tốt hơn quặng mỏ kia.
Cái giá là khói. Asen bay hơi khi nung tạo khói độc, thợ luyện xưa hít phải hằng ngày. Điều chắc chắn: khi thiếc xuất hiện, đồng thiếc dần thay đồng asen, mở ra thời đại đồ đồng đúng nghĩa.
Từ lò luyện cổ tới nhà máy hôm nay: điều gì vẫn y nguyên?
Lò luyện đồng thời Belovode chỉ là hố đất nhỏ, mỗi mẻ được vài trăm gam đồng. Nhà máy luyện đồng hiện đại xử lý quặng sunfua (khác với quặng ôxit, cacbonat mà người xưa dùng), qua các bước nung, nấu thành sten đồng, thổi gió, rồi điện phân để đạt độ tinh khiết khoảng 99,99%. Quy mô khác nhau hàng triệu lần.
Nhưng nguyên lý cốt lõi không đổi: lấy ôxy hoặc lưu huỳnh khỏi kim loại bằng nhiệt và chất khử, rồi tách kim loại khỏi phần đá thừa dưới dạng xỉ lỏng. Người thợ thổi ống sậy bảy nghìn năm trước và kỹ sư điều khiển lò bây giờ cùng đối mặt một bài toán: đủ nóng, đủ thiếu ôxy, và để xỉ chảy loãng mà tách ra.
Cũng không đổi là nguy hiểm. Kim loại lỏng gặp nước hay đất ẩm sẽ làm hơi nước giãn nở đột ngột, bắn tung kim loại ra xung quanh. Khói từ quặng có asen, chì vẫn độc như xưa. Đó là lý do luyện kim chỉ diễn ra trong xưởng có trang bị, không phải việc làm thử ở nhà.
Muốn tìm hiểu thêm thì xem ở đâu, đọc gì?
- Ở Việt Nam: Bảo tàng Lịch sử Quốc gia (Hà Nội) trưng bày khuôn đúc đá, mảnh nồi nấu và đồ đồng từ các di chỉ tiền sử — cách người Việt cổ bước vào thời đại kim loại được bàn riêng ở danh mục Mỏ & luyện kim Việt Nam.
- Ở nước ngoài: Bảo tàng Khảo cổ Nam Tyrol (Bolzano, Ý) giữ thi thể và chiếc rìu đồng của Ötzi; Bảo tàng Quốc gia Serbia có hiện vật văn hoá Vinča; thung lũng Timna có công viên khảo cổ mở cửa tham quan.
- Đọc thêm: các bài tổng quan về khảo cổ luyện kim (archaeometallurgy), tài liệu của Viện Khảo cổ học về kỹ thuật đúc đồng tiền sử; sách giáo khoa Lịch sử lớp 6 có phần thời đại kim loại.
Một mẹo khi đọc: hễ thấy câu "luyện kim bắt đầu ở đâu đó năm X" thì hỏi ngay bằng chứng là gì — xỉ, nồi nấu hay chỉ là một món đồ đồng. Món đồ có thể được mang từ nơi khác tới; xỉ thì không.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại đầu tiên con người sử dụng là gì?
Đồng và vàng ở dạng tự sinh là những kim loại được dùng sớm nhất, từ khoảng thiên niên kỷ thứ 9–8 trước Công nguyên. Đồng quan trọng hơn vì cứng hơn, nhiều hơn và làm được công cụ. Ban đầu đồng chỉ được đập nguội, chưa nấu chảy.
Con người bắt đầu luyện kim từ khi nào?
Bằng chứng luyện đồng từ quặng có niên đại chắc chắn sớm nhất là xỉ ở Belovode (Serbia), khoảng năm 5000 trước Công nguyên. Ở cao nguyên Iran cũng có nồi nấu đồng gần cùng thời. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng luyện kim ra đời độc lập ở nhiều nơi.
Đồng nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Đồng nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.085 °C ở áp suất thường. Lửa củi thông thường không đạt mức này; người xưa phải dùng than củi, lò kín và ống thổi hoặc bễ để tăng nhiệt.
Xỉ là gì?
Xỉ là phần đá, khoáng vật thừa bị nung chảy và tách khỏi kim loại trong lò luyện. Xỉ nhẹ hơn kim loại lỏng nên nổi lên trên. Với khảo cổ học, xỉ là bằng chứng mạnh nhất cho thấy một nơi từng luyện kim tại chỗ.
Thời đại đồ đồng đá là gì?
Đó là giai đoạn chuyển tiếp khi con người đã biết dùng và luyện đồng nhưng công cụ đá vẫn chiếm phần lớn. Đồng lúc này chủ yếu là đồng gần nguyên chất hoặc đồng pha asen, chưa phải đồng thiếc. Giai đoạn này kéo dài khác nhau tuỳ vùng.
