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盐化知识

《咸说历史》(3)——改变地球的产业

成都的都江堰,是享誉世界的古代水利工程。主持设计和建造它的,是战国时期秦国镇守四川的行政长官李冰。作为水利工程专家,李冰因都江堰而名垂青史、蜚声世界。但是,很少有人知道,这位学者型的官员还开创了一项伟大的事业,这就是用凿井的方式寻找埋藏在地下的盐卤资源。这一创举不仅改变了中国西部政治、经济和文化的格局,后来还引发了一项非常重要的产业,这项产业为全人类带来了一场革命,而这场革命深深地影响着我们每一个人的生活,甚至改变了我们所居住的地球。可是当年,李冰却并没有意识到这一切。

两千多年前,当李冰来到成都出任蜀郡郡守时,秦国正在三峡地区与楚国展开残酷的争夺战。因为这里有天然的盐泉,它们是熬制食盐的宝贵资源。在那个年代,中国南方内陆地区的天然盐资源是极其稀少、极其珍贵的。为了它,秦、楚两国反复争夺,死伤无数,战争持续了几十年。作为行政长官,李冰必须把富饶的成都平原建成重要的后勤基地,为秦帝国在三峡的争夺战、乃至于统一天下的战争提供物质保证。在此背景之下,兴修都江堰水利工程、改善成都平原的灌溉条件、大力发展农业就显得极为重要。

从地质学的角度看,秦国为了盐在三峡地区与楚国大打出手,的确太可笑了。在他们占领的成都平原,地面之下埋藏着巨大的盐卤资源。只是当时的人们尚不了解脚下的那片土地。

在远古的地质时期,四川盆地是一片广阔无垠的海洋。由于地壳运动,盆地的四周开始隆起,逐渐形成一个巨大的内陆咸水湖,就像今天中亚地区的里海和咸海一样。在那个炎热干燥的年代,这里的淡水被不断蒸发,湖的面积越来越小,湖水越来越咸,于是,湖底逐渐沉淀、积累了大量的盐分。后来,这些盐分被其他的沉积物所覆盖,在漫长的地质时代里形成了以食盐为主的岩石地层。而它上面的湖水则越来越少,积存在盆地的低洼地带。随着地壳的进一步运动,湖水逐渐被封存在地下,形成一个巨大的地下卤水层。与这些卤水共生的,还有大量的石油和天然气。

这些宝贵的资源并没有完全藏匿于地下,在某些地方,地下深层的卤水会在压力的作用下,沿着地层中的裂缝上升并汇集在地表浅层,甚至冒出地面。然而,这些冒出地面的盐卤往往零星分布在荒山野地之中,很难被人发现和重视。

历史似乎等待着李冰的出现。

秦国的首都咸阳地处关中平原,农业灌溉系统比较发达,所以秦国的很多官员精通水利工程,这本来并不奇怪,但是李冰为何又擅长盐卤矿脉的勘探呢?史学家们觉得不可思议。

其实查阅一下他的出生地,问题就有了答案。李冰出生在山西运城,那里不仅有中原地区唯一的大盐湖,地下也蕴藏着大量的盐卤资源。大约从三皇五帝时代起,当地就开始开采盐卤,因此这方面的经验非常丰富。作为一个技术性的官僚,李冰对于家乡的特产和开采技术应该不会陌生。

由于李冰的贡献,成都平原不仅变成了沃野千里的天府之国,长期缺盐的历史也由此改观。到了汉代,成都平原上陆续开凿了很多盐井,盐业成为支柱型产业,中国凿井煮盐的历史由此开创。

进入宋代庆历年间,四川的少数民族发明了卓筒井。据记载,卓筒井在施工时很像古代的舂米,所不同的是,它的锥头下吊着一种特殊的圆锉,里面有一把直刃。圆锉的直径与南方的楠竹相当,因此卓筒井的井孔呈圆形。在人力的作用下,锉不断地被高高吊起,然后依靠自身的重力不断地冲击地下的泥土和岩石。圆锉每冲击一次之后就换个角度,以便锉内的直刃把井底的岩石击碎。这种钻井方式叫做冲击式顿钻法

为了把击碎的泥土和岩石捞上来,古代四川的匠人们又发明了唧筒。唧筒是一截粗大的楠竹,除去里面的竹节,在竹筒底部的竹节上装一块牛皮。打捞之前,先将泥水灌入井内,使它与井底的碎岩石一起成为泥浆。然后将唧筒放入井底,唧筒在自身的重力下反复地冲击泥浆,使泥浆不断地顶开唧筒底部的牛皮进入筒内,待到唧筒将满时再把它拉起来,筒内的泥浆会紧紧地压住牛皮而不致泄漏。这样,井底的泥土和岩石就被打捞出来,盐井可以再接着往下钻。

由于井孔很小,加上金属锉刀的顽强锉进,卓筒井往往能钻透较深的岩石地层,找到更加优质的卤水,这是李冰时代的大口盐井所远远不及的。

找到卤水之后,钻井工作就结束了。匠人们再用粗大的楠竹打通竹节后制成竹管,竹管的外径略小于盐井的内径,然后再把多根竹管头尾相联组成一根长长的竹套管,缓缓地放入井内。这样,竹套管就初步起到了保护盐井井壁的作用。

凿井、护井工作完成后,抽提卤水的问题就简单了。它的原理和打捞泥浆的唧筒完全一样。

与大口盐井相比,宋代的卓筒井采用了完全不同的方式开凿,它更深、更安全、更有效、更经济。

然而,发明卓筒井的背景却令人啼笑皆非。首先,它的发明者是谁,史书上并没有记载。宋代的文献说,这是当地的少数民族为了逃避缴纳盐税而私自开凿的,属于政府打击和取缔的对象。但是它投资少、见效快,而且隐蔽性很强。其次,卓筒井究竟何时被人发明出来也不清楚,只是到了宋代的庆历年间,非法的卓筒井仅在四川乐山一个地方就已成千上万。

所以,卓筒井的发明就像盗墓者发明的洛阳铲一样,简单实用、奥妙无穷,往往令所谓的专家们觉得汗颜。

到了明清时期,四川工匠们的凿井技术日益改进,井口逐渐变大,用木制套管代替了竹套管。但是,他们都没有突破卓筒井的基本原理。不过在解决井下事故方面,四川自贡地区的工匠们创造了多项奇迹,他们的聪明才智即使到现在也令中外专家叹为观止。

一般来说,井下最容易出现的事故,是由于绳索断裂而导致钻井的锉或者是提卤的唧筒掉入深达几百米的井中,怎样把它打捞起来呢?

在钻井的过程中,由于种种原因会导致盐井的方向出现歪斜,这不但会导致井壁的垮塌,也会影响今后唧筒的提卤。应该如何修正凿井的方向,修补歪斜的井孔呢?

另外,当盐井深入到地下坚硬的岩层之后,就不再有套管保护井壁,那么一旦出现垮塌,又如何加以修复呢?

这些几乎都是无法完成的使命。首先,因为盐井的内径太小,无法将人送到井底打捞。同时,由于井底很深,里面经常伴有致命的天然气,所以,即便是盐井的内径足够大,人也不能下到井底。

这些不识字的工匠们却并不缺乏想象力和智慧,他们创造了很多巧夺天工的器具。

比如说打捞唧筒或者是钻井的锉,工匠们会用这种名叫偏肩的工具,它的设计非常灵巧

据说偏肩是清朝末年一位名叫颜蕴山的工匠发明的,它的种类有很多,不同的偏肩打捞不一样的物体。说得更邪乎的是,当年有位盐商为了打赌,把一块手表扔进了一口深达800米的井里,但是颜蕴山不知用什么工具很轻松地就打捞了起来。那位盐商为此支付了50两白银的工钱。

从技术的角度看,当年的偏肩就是今天所谓的机械手的鼻祖,尽管它们看起来是如此的简单。

用简单的方法解决不简单的问题,这正是自贡工匠们的绝技。

比如上面提过的修正井孔,工匠们会首先用直径略小于盐井内径的唧筒,来测量出开始歪斜的地段的深度,然后用锉把一个稻草扎成的草把塞到这个歪斜部位下某个地方,再使用一种特殊的材料塞满这一歪斜部位,这种特殊材料用桐油、石灰等伴和,凝固之后非常坚硬,丝毫不逊色于今天的水泥。待歪斜井孔填补之后,工匠们再用一种类似于唧筒的长筒锉修改盐井的方向。这种长筒锉紧贴着井壁的内径,能够严格确保垂直的方向,不再出现歪斜。

而对于井壁的垮塌,工匠们会用两种特殊的工具来测量出垮塌部委的上部和下部,同样用草把之上加桐油、石灰的办法来填充垮塌部位,待到那种填充物完全干燥、坚如磐石之后,再用长筒锉重新锉通这口井。

随着凿井技术的日益进步,自贡地区的盐井越钻越深。道光十五年,也就是公元1835年,自贡的燊海井凿穿了厚厚的岩层,井底咸度很高的黑色卤水喷涌而出,令在场的所有人激动万分。然而,他们不知道的是,燊海井此时的深度,如果按西方的长度单位换算的话,已深达1001.42米,成为人类第一口超过千米的深井,后来它作为中国古代工程技术方面的伟大成就而被载入了世界科技的史册。

可以想象,如果时光能够倒流,当我们告诉他们创下了世界纪录时,那些道光年间的先民们不知会有何反应。他们可能会不以为然,因为在鸦片战争开战前的1835年,那个年代中国人的心目中,大清乃是万邦仰慕的天朝帝国,样样东西都领先世界,所以创一项世界纪录应当是理所当然的事情。

的确,当年中国确有很多技术是领先世界的。比如说自贡的盐井中同步开采天然气的技术,这种看似简单的技术就是在今天也十分先进。

这里是自贡的东源井,它从1892年起就既出产卤水也出产天然气。在自贡,由于地质构造的原因,地下的盐卤资源往往与天然气一起伴生,这样就为当地的盐业生产提供了优质的燃料,这也是它的盐业经济异常发达的重要原因。

在自贡,同样的盐井有很多,它们一般都是在采集卤水的同时收集天然气。按今天石油天然气行业的标准,这是极其危险的。因为天然气很容易与空气混合之后发生爆炸,它里面含有的有害气体硫化氢也会在悄无声息之中将人毒死。

然而,自贡历史上却极少发生这类事故,工匠们如何解决这些问题呢?

这是东源井工作台面之下收集处理天然气的特殊装置,名叫炕盆,所有的秘密全在里面。据说,曾有西方的工业间谍费尽心机地想打探它的奥妙,但是当他们看到里面的一切之后,西方的天然气专家们却百思不得其解。

炕盆其实很简单,就是一个插着很多管道的大木盆,里面什么也没有。为什么它既不爆炸也没有毒气泄漏呢?

我们知道,天然气比空气轻,温度比空气高,还带着一部分水汽。当它顺着盐井上升到井口的炕盆时,由于空间变大,天然气的压力就会马上降低。同时,随着地面温度的降低,天然气中的部分水气凝结成液态水,进一步降低了气压。这样它就不会因为气压太大而到处泄漏。

另外,炕盆的四周插了很多管道,这些管道连接着盐井之外几百口煮盐的天然气灶口,由于这些灶口都比炕盆高,且日夜燃烧,所以,管道内会产生很大的气压差,迫使天然气自动、快速地流向各个灶口,而不会大量泄漏到炕盆之外。当然,也会有少量空气会进入到炕盆中与天然气混合,但它们也马上被各个灶口抽吸过去,并不会大量集聚在炕盆中导致爆炸。

为了以防万一,炕盆上还有一个盖着木板的烟囱。当盐井内的天然气压力突然增大发生井喷时,高压的天然气会冲开烟囱上面覆盖的木板,直接排放到比较高的空气中,而不会导致毒气泄漏。

据说,弄清炕盆的奥妙之后,西方的天然气技术专家们个个都沉默不语,似乎不愿意相信眼前的一切。因为它实在太简单了,却解决了现代天然气生产中的某些难题。这不免令那些长期从事技术研究的专家们觉得惭愧。唯一能安慰他们的是,那些安装和使用康盆的中国工匠们却无法说出康盆的技术原理。这在中国古代太正常了,科学的理论往往远远落后于技术的进步。

在自贡,由于盐业生产的分工和发展,煮盐的灶房与盐井有时离得很远,需要长距离输送卤水或者是天然气,它们正是通过这些支架和管道爬上丘陵、跨过小河、穿越集镇,被输送到各个煮盐的灶房。这种管道输送系统叫做竹笕,它与盐井上抽提卤水的木质井架一起成为了自贡的标志。

竹笕一般用粗大的楠竹制成,它与卓筒井内竹套管的制作原理基本一样。为了经久耐用,竹笕的外表必须用竹篾密密地捆扎,在两根竹笕的接口处,还要用抹布包裹并抹上桐油、石灰以防止泄露。

竹笕通过水位的自然落差自流输送卤水,所以,卤水从盐井中抽出来自后,必须将它提升到较高的位置,这种地方就叫做提水站。为了穿越丘陵,山坡上往往建有很多提水站逐级提水。这样就形成了类似过山车的巨大支架。

在提水站里,健壮的公牛推动着沉重的水车,将地面的卤水提到高处。从这部抗战期间的电影里可以看出,老牛极不情愿地被人拉上提卤站去上班,然而在下班时,老牛总是一路小跑,一幅如释重负的样子。

今天的金属管道主要通过转接头来解决管道拐弯和分支的问题,但是竹笕却无法做到这一点。于是,当地的工匠们在每一个需要拐弯和分支的地方安装一个大木盆,让卤水先流进木盆里,再通过它分流到其他的管道中。这种木盆在自贡叫做笕窝

在没有海拔高度表的古代,这的确是个很大的问题。

假设,要在两个面对面的山坡上分别安装一个笕窝,怎样来确定它们之间谁更高、高多少呢?

古代工匠们又一次展示出他们无与伦比的聪明才智。

他们首先找来一截很直的竹子,把中间的竹节锯掉一半,做成一个水平仪。然后用麻绳布设出两个笕窝之间的线路。开始测量时,从上游的笕窝出发,把竹子水平仪的一端放在笕窝上,另一端顺着麻绳的方向水平悬空,然后在悬空处放下一个用棉线系着的金属锥子,使锥子刚好接触地上的麻绳,量出棉线和锥子的长度。接着,把竹子水平仪的一端放置在刚刚锥子接触的地面上,另一端继续顺着麻绳的方向水平悬空,用棉线和锥子找出下一个麻绳测量点,量出棉线锥子的长度。如此这般,顺着麻绳所布设的线路一路下山、上山测量过去。最后,把下山测量的总高度减去上山测量的总高度,如果有余数,说明上游的笕窝高,高度差就是那个余数。如果不够,说明下游的笕窝位置高了,需要调整。

所以,在那个没有海拔高度表的时代,工匠们用自己的方法照样解决了所有工程方面的问题,而且他们还记载了整个竹笕系统沿途所有提水站、笕窝和各个煮盐灶房之间的相对高度差,这样,就为竹笕系统今后的发展和维修提供了整套的数据资料。

竹笕自身通畅的问题被民间的工程师们解决之后,不喜欢过早进入工业时代的古人又提出了问题。

自贡地区的盐井和煮盐灶房遍布城乡各地,庞大的竹笕系统密如蛛网、纵横交错,它们在城市里、河流上、道路间蔓延穿梭,怎样使这些工业管道不影响人们的生产和生活呢?

在地下埋藏了几百万年的卤水和天然气被工匠们开采出来,又经过竹笕的千转百折终于被输送到煮盐的灶房。在这里,天然气用大火昼夜煎制卤水,这似乎令人们想起相煎何太急的故事来。但是不久之后,卤水就脱胎换骨变成了白花花的食盐。随后它们又进入到千家万户,成为我们生命中不可缺少的物质。

当初在派遣李冰修建都江堰水利工程时,秦国的国君可能没有想到,他那位能干的地方官居然还精通盐卤资源的勘探,从而在四川开创了井盐这一新兴产业。当然,李冰也可能没有想到,后世的工匠们居然如此聪明,他们在井盐的开采中充分展示了中国人的绝顶智慧,赢得了天下所有同行们的尊敬。

然而,盐都自贡的故事还远远没有结束。本集中所有的早期电影资料和大部分的老照片,都是由一位名叫孙明经的人于1938年在自贡拍摄的,孙明经是一位见多识广的电影摄影师。但是他认为,他在自贡看到了一幅与中国其他地方很不一样的社会景象。因为这是一座在战争中兴旺起来的城市。

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