西班牙羅馬礦洞的秘密/上(公元70年以後)

領先世界近二千年既採礦技術:
1世紀末既古羅馬人率先掌握水力壓裂技術開採黃金?

怪石嶙峋的地形
響西班牙西北部既Las Médulas,巨大既紅色砂岩山丘拔地而起,崖面近乎垂直,當中好多山峰高度超過100米。呢個奇異既地貌延綿接近20公里,但長久以黎,冇人知道佢到底係點形成。直到20世紀末,考古學家發現Las Médulas呢大片深遂既峽谷係激烈水流沖蝕既結果。1988年開始既有系統測量同考古,發現左原來Las Médulas係羅馬時代曾經大規模開採既金礦。但呢個事實起初亦都令歷史學家非常困擾,因為要做到Las Médulas既地形,就即係要將整座大山夷平,即使用黑色火藥採礦都好難做到相同既效果。根本未有火藥既羅馬人到底有咩獨門既技術,可以一次過短時間內炸開、夷平呢大片既山脈呢?


冬天時分被白雪覆蓋既Las Médulas古羅馬礦山遺址

為左解答呢個問題,考古學家開始對整個地區進行詳細既測繪同地質碪探,而佢地所搵到既答案將逼使研究古代科技史既學者重新評估羅馬人既採礦技術水平。


羅馬時代西班牙北部黃金礦區地圖,考古學家對兩個遺址Las Médulas和Astorga進行詳細既測繪同碪探

Las Médulas礦區風景

文獻記載
事實上,響Las Médulas被詳細研究之前,早已經有古羅馬作者提及公元1世紀末西班牙地區金礦既運作。響古典時代,今日既伊比利亞半島就已經因礦產資源豐富而聞名。希臘學者斯特拉波(Strabo)《地理學》(Geographica)一書中曾經記載用水沖刷礦脈既採礦技術。而古羅馬學者老普林尼(Pliny the Elder, 公元23-79年)響佢既傳世巨著《自然史》(Naturalis Historia)入面就更詳細。唔止有提及西班牙既深礦,而且有記錄利用水力夷平整座山,並沖出藏響礦山黃金既技術。響《自然史》入面就有咁樣一段記載:

「佢地將本來沿山脊流動既河流改道,用水黎沖刷塌陷既礦石,甚至可以沖出100羅馬里咁遠。」


圖左:希臘學者斯特拉波(Strabo,公元前64年—公元24年),圖右:羅馬自然哲學學者、博物學者、政府高級官員老普林尼(Pliny the elder,公元23年—79年),公元79年以羅馬海軍統帥身份親自指揮及參與維蘇威火山大爆發既救災行動而殉職。老普林尼在生時名氣已經很大,公元73-74年,有人開價40萬Sesterces (相當於4,000枚金幣的代價)想買下他的160卷著作

雖然老普林尼曾經響1世紀70年代擔任羅馬帝國西班牙行省總檢察官,加上描述非常仔細,可信性甚高;但一直以來,學者對於羅馬人是否有大規模利用水力採礦仍然半信半疑。主要既原因,係因為利用高壓水衝刷礦床既技術,係工業革命正如火如荼既19世紀中期先發明。直到Las Médulas同Astorga之類遺址發現之後,考古學家先至開始有確鑿既證據證明老普林尼冇吹牛,佢甚至好有可能曾經親身踏足礦山,視察水力採礦既進行並進行記錄。


現代學者考察古羅馬礦洞遺址,礦洞壁留下明顯人工開鑿既證據

考古證據
Las Médulas礦山既開採,係由地勢較高既東面開始。羅馬人總共建造左7條總長超過100公里既水道橋,當中最長一條達到50公里。杜羅河(Duero River)同賽河(Sil River)既支流為水道橋提供大量源源不絕既水源。建造呢d超級工程既工人,大部分都係受薪既自由民而非奴隸,歷史學家估計,大約有6萬名礦工為工資自願響Las Médulas礦山參與極其危險既開礦工作。7條輸水道既終點係礦山上方開鑿出黎既巨大蓄水池。據老普林尼記載,呢d蓄水池可以有200羅馬尺見方,10羅馬尺深(60米X60米X3米)。而響Las Médulas發現既蓄水池總儲水量達到24,000立方米。呢d水池儲存呢d看係柔弱無力既水,最後將會用黎做出老普林尼形容為「遠超過巨人所為」既地形改造工程。


Las Médulas引水道既走向以及蓄水池分佈位置

其中一條引水到礦山地區既引水道,Las Médulas總共有七條引水道,總長超過100公里,可謂工程浩大

領先世界的水力採礦技術
響蓄水池既附近,工程師指示礦工開鑿豎井,呢d豎井深入山體岩層裡面,當到左預定既深度,就開始打開橫向既礦洞,形成一個L形既礦坑。有趣既係,呢d L形既礦坑係堀頭冇出口既,而用水力開山劈石既秘密就在於呢d L形既特殊礦坑度。當所有野就緒後,羅馬工程師經小心計算,將蓄水池既水閘打開,響L形礦坑底部瞬間形成高壓水柱。響100米深既礦坑底部,單單係靜壓已經達到160磅/平方英吋。將蓄水池既水全部放出釋放既勢能,相當於24000萬兆焦耳(megajoule)既能量,呢個能量級別大約相當於5,740公斤TNT烈性炸藥,或9,000公斤黑色火藥。當高壓水柱響L形礦坑末端無路可逃既時候,巨大既水壓壓裂山體岩層,能量由裂縫釋放。簡單黎講,巨大既礦井水壓會將整座山沖塌,而包含響礦山當中既黃金,就會被沖到下游既木柵,以人手進行篩選。


古羅馬水力採礦工序示意圖

右邊山崖可以明顯睇見構向礦洞既出口。響進行水力採礦前,礦洞係冇出口既,礦山崩塌產生斷崖壁,令山體內既礦洞曝露在外

礦洞口特寫照

堀頭L形特殊礦坑示意圖

利用巨大水壓壓裂岩層天然裂縫示意圖

小結
通過呢個方法,古羅馬人將金礦既開採技術推到一個前所未有既水平。L形礦坑注水壓裂岩層既技術,雖然同現代用黎開採頁岩氣(shale gas)既橫向鑽井(horizontal drilling)同水力壓裂技術(hydraulic fracturing)有唔少分別,但利用水壓輾碎岩層的原理係相通,有異曲同工之妙。而老普林尼(Pliny the Elder)既著作中亦稱,通過引進呢d先進既採礦技術,單單係西班牙三個利用水力開採既產礦區Asturia、Callaecia同Lusitania,一年就已經產出相當於20,000羅馬磅(6,578 kg)既黃金,而礦區運作既250年間,大約就有165萬公斤黃金被開採出黎。除左西班牙,現代既考古學家亦都響英國Dolaucothi發現利用水力採金礦既證據,說明羅馬時代呢個技術不僅限於西班牙,而係已經被廣泛採用。由於當時老普林尼(Pliny the Elder)曾經響西班牙行省做過總檢察官,負責代表羅馬政府向礦場徵稅,所以佢所引既數字相信有一定既可信性。羅馬帝國全境貴金屬礦估計每年產出10公噸黃金同200公噸白銀,足夠生產137萬枚成色99%羅馬Aureus金幣,以及5,900萬枚純白銀第納爾幣。貴金屬礦既產量決定左羅馬帝國既貨幣供應,而貨幣供應正正就係驅動經濟運行既重要因素,由此可見金、銀礦既開採對羅馬經濟扮演既重要作用。

參考資料:
http://whc.unesco.org/en/list/803
Bird D. (2002) Pliny’s Arrguia Water power in Roman gold-mining.
Hirt A. M. (2010) Imperial Mines and Quarries in the Roman World Organizational Aspects 27 BC-AD 235. Oxford University Press.