早在20世纪40年代初，夏鼐等老一辈考古工作者在黑水国发现有马厂式陶片。五六十年代，国际友人路易·艾黎曾多次前往黑水国考察，也找到不少彩陶片。20世纪80年代文物普查过程中，从黑水国拣到不少彩陶片及几件打制石斧，但由于沙埠纵横弥漫，遗址未能发现。1992年，笔者在黑水国沙窝漩中考察时，发现较多的彩陶片，继续查寻，找到马厂文化堆积层，后来对周围地段进行了全面调查，共找到史前文化遗址5处，分别编号为MA点、MB点、MC点、MD点、ME点。
MA点位于南城西，西临面粉厂农场，北临汉代大型建筑遗址，面积约100平方米，地面散布较多的夹沙陶片，均为细绳纹，未见彩陶，从采集陶片分析，器型有鬲、双耳罐等，石器有双孔石刀、打制石斧、琢制石斧、环形石器、斧形小石器（打制），另见有骨锥和泥质陶珠等物，该遗址堆积层较薄，1996年因开垦荒地而全被毁坏。
MD点居东，东南距黑水国南城约1公里，地表发现灰层，有少数网纹彩陶片和打制石块。
MB、MC、ME三处遗址堆积层较厚、分布面积较大，位于MA、AD点之间，MB点与MC点被一条古河床隔开，古河床填满了沙土，其中也夹杂不少陶片。
MC点与ME点被一道沙丘隔开，这三个遗址应该是一个整体，从西南向东北延伸，总面积约35万平方米。从古河床冲刷的断面看，堆积层最厚为1.8米，最薄处接近地表，根据甘肃省考古研究所专家简易调查，堆积有8层，遗址上有密集的残碎陶片和较多的石器。陶片绝大多数为夹沙红陶，极个别为泥质红陶和灰陶，从器表纹饰来看，彩陶为主，印纹陶次之，多数大件器物片和少数小件器物为素面。印纹陶有绳纹陶、条纹陶和麻窝纹三种。另有划纹陶、窝点纹、附加堆纹、附加凸线压成锯齿纹或联珠纹。
彩绘一般在陶衣上进行，银白色陶衣陶器的彩绘料为暗黑红色，这类陶片极少见，其余彩绘料均为黑色。彩绘纹饰均以直线构成，有三条线、粗细平行线、锯齿纹、宽带纹、三角网、网纹、菱形纹、菱形网纹和三条线网纹，网纹绘成三角纹、菱形、拆带、连续回纹等图案。器型有罐、勺、豆、碗、陶、纺轮、釜、盆、单耳杯、瓮和带角状鋬、凹尖葵叶形器盖的陶器。器型特征上，容器除碗、豆、釜外均为平底，侈口大罐和高领罐较少，短直领撇沿罐较多。鼓腹罐较多，圆腹罐次之，深腹罐较少，鼓腹罐双耳之下多有乳状装饰，或称乳突。遗址中仅见一件锥状袋足。彩陶胎厚多数在0.5厘米左右，大型容器胎厚可达1厘米，遗址中见有胎厚0.3厘米的彩陶片。多数黑彩绘颜料精细，渗入胎内，少数彩绘有凸起的现象。
黑水国史前文化遗址的石器有打制石器、磨制石器，兼有琢制方法。石器以斧、刀、杵、石锛、纺轮、盘状敲砸器、打磨器为主要特色，同时伴有大量的细石器。这是甘肃、青海地区马家窑文化诸类型普遍的特征。
从彩绘上来看，以网格纹、平行线纹、菱形纹、折线（带）纹为主要形式，属于典型的马厂文化类型，与甘肃东部地区马厂文化彩绘稍有不同之处是，该遗址中不存在圆圈纹，这种以直线和直边几何形构图的彩绘形式对河西的齐家文化、四坝文化、火烧沟文化、沙井文化都有较深的影响。晚于该文化的张掖四坝文化遗址的彩陶，颜料粗糙且浓度大，手摸有凸起的感觉，颜色黑中发红，或作土红色，彩绘不如黑水国马厂文化彩陶之规整细密，彩陶在整个陶器中所占比例也较少。从陶质上看，以夹沙陶为主，这也与东部马厂文化陶器不同，河西地区后来的齐家文化、四坝文化、火烧沟文化、沙井文化均以夹沙（沙质）陶为主。
从器型上来看，双大耳罐、高领罐与齐家文化相似，但这类器型较少，概不彩绘，有压印条纹，与新疆部分印纹陶相似，双耳下带乳突的陶罐从造型到彩绘上都与甘肃积石山齐家文化个别陶罐极为相似，民乐东灰山、西灰山的四坝文化中也有这类陶器，羊角状鋬在东、西灰山遗址中也多见，不同之处在于后者不作彩绘，有四个棱角，凹尖葵叶状器在后来的骟马文化中也有。
黑水国马厂文化遗址中夹杂有大量的细石器遗存，这与齐家文化武威皇娘娘台类型相似，四坝文化的山丹四坝滩类型、民乐东灰山类型、民乐西灰山类型在时代和性质上相同，也有人将四坝文化列为火烧沟文化类型之中，因为它们的时代和文化性质都是一致的，不同之处在于，西灰山遗址、火烧沟遗址中见有细石器，西灰山遗址中细石器传统还有，只能从极少的石核上看到，不论从数量上、类型上，还是在精细程度上均远远不如黑水国马厂文化遗址中的细石器。
火烧沟仅发现有极个别细小打制石器。武威皇娘娘台齐家文化遗址中发现有大量的细石器，甘肃西部到青海较早的马家窑，半山和马厂文化遗址中也有细石器的存在，如兰州雁儿湾、酒泉下河清、武威郭家庄、永昌鸳鸯、景泰张等，但在数量和石器结构上都不比黑水国马厂文化遗址细石器之丰富，这或许是调查所限。马家窑文化至四坝文化的诸遗址（或类型）中，细石器的存在与否并不能完全说明时间的早晚，主要说明生产、生活方式的不同。
另外，采集贝壳标本近10件，可能为装饰品或货币。遗址中多见有小型琏珠。从质地来分，有陶质、石质和珍珠等三类。陶珠作短管状，个别作蝌蚪状，石琏珠有环状和短管状，钻孔多以梃钻法钻成，孔细而均匀。有一种环状琏珠制作技术较先进：先选择石料钻孔，再磨成长管状，最后锯成若干个环状琏珠。
铜器：遗址中采集刀状铜片3件，锥状铜器1件，均为红铜。此外，发现有冶炼铜的原料——孔雀石块，可证在马厂文化时代，已掌握了冶炼铜的技术。
根据调查认定：黑水国原始遗存有马厂、齐家和四坝（或火烧沟文化）等四个文化类型。
马家窑与半山、马厂三个类型的年代，据碳—14测定，马家窑文化约在公元前3100—前2700年，半山类型约在公元前2600—前2300年，马厂类型约在公元前2200—前2000年，齐家文化约在公元前2050—前1955年，四坝及火烧沟未作碳—14测定，根据陶器与马厂及齐家文化密切的关系。有人认为四坝文化（或火烧沟文化）由马厂文化发展而来，或以为深受齐家文化影响，相当于齐家（13）。通过对黑水国马厂文化与四坝文化的比较，明显地看出前者早于后者，后者源于前者的关系，马厂文化的黑水国遗址与马厂文化的下河清遗址从年代到性质上是一致的，四坝文化与火烧沟文化的年代与性质一致，甘肃西部的马厂文化发展为四坝文化（或火烧沟文化）是无疑的。在甘肃中部及至西部武威一带，马厂文化深受常山下层文化的影响，发展成为齐家文化。马厂文化本身也存在东西地区的差别，东部马厂文化以农耕为主，不存在细石器，或者只存在个别并不代表细石器传统工艺的细小打制石器，西部马厂文化则普遍存在着狩猎活动，细石器较多；从彩绘上看，东部继承了半山文化的圆点、圆圈纹饰，西部则只继承了半山文化的直线和直边几何形构图纹饰；从陶质上看，东部以泥质陶为主，西部则以夹沙陶为主。接近四坝文化的齐家文化，尤其是皇娘娘台类型，也明显深受西部马厂文化影响，从陶质、彩绘、细石器上均可表明，由西部马厂文化发展而来的四坝文化同样存在区别：四坝滩与东灰山遗址不存在细石器遗存，西灰山有少量细石器遗存。至商周之际，河西走廊东部的齐家文化发展为沙井文化，西部的火烧沟文化发展为骟马文化，走廊中部的四坝文化发展为接近沙井文化的类型，在黑水国、东古城、小河滩、碱滩等地均有遗存，这个时期，金属生产工具大量出现，石器退化减少，陶器作沙质，不见彩绘，袋足炊器发现极少。由于普遍流行游牧，遗址零散，堆积层（灰坑）较薄。
黑水国石器有打制石斧、磨制石斧、石刀、石杵、盘状敲砸器、石球、石纺轮、砍砸器、石钻、打磨器、石网坠、石铲等。
1.打制石斧
打制石斧：一般是从大卵石块上剥下石片，再经打制、琢制成器，在使用过程中，不断加工刃部使之锋利，因此，有部分石斧头部很小，几乎只剩下柄部。这种打制石斧很有可能是绑在长木把上作砍伐工具，所以有部分石斧的柄部与头部断损，34件石斧标本中，有14件为石斧柄，4件为石斧的头部。用打制法制作石斧，并不断加工刃部，柄部与头部多有断损现象，这是黑水国史前文化遗址中打制石斧的三个基本特点，这三个特点一直延续到后来的四坝文化时期。石斧按造型分为有肩石斧和无肩石斧两类，按刃部特征可分为直刃石斧、弧刃石斧和不规则刃石斧几类。这里按造型分类。
（1）有肩石斧，共19件。柄部与头部区分明显，有“八”字形斜肩。柄端或作圆头形，或作鱼尾形，刃部或为直刃，或为弧刃，或为不规则刃。柄部有长柄与短柄之别，长柄可以手握，短柄只能安装在木质把上使用。
标本MB：003，黑色沙岩，柄端两角向外伸出，似鱼尾状，柄端经双向打击修理略成弧状，柄部两侧先打制后琢制，刃部由卵石面向剥裂面加工，由于连续加工，刃口已接近肩部，成不规则形。石器长14cm，头部宽8.5cm，柄宽5cm，厚2.5cm。
标本MB：007，黑沙岩石片制成，柄端及两侧经打琢，剥裂面未经加工，刃部自卵石面向剥裂面打击修理，柄端与刃口平直，器身宽大于长，作短身石斧，这件石斧看来并不适合握在手中砍伐，很有可能是附加在木质把上使用的。器身纵9.5cm，横12.5cm，厚2cm。
标本ME：028，黑沙岩石片制成，头部略呈圆形，这件石斧的刃部经过错向打击修理，柄部可能由于使用过猛而断损。
利用错向法修理打制的石斧也极少见。残长12cm，宽10cm，厚2cm。
标本ME：001，材料为灰色沙岩，柄端经双向打击修齐，两侧先打后琢，头部略呈方形，头部与柄部等长，刃口经双向打击修整，这种加工方法同样在本类石斧中极少见。石斧长17.5cm，宽10cm，厚3cm。
（2）无肩石斧，共6件。柄部与头部无明显区分，自柄端至刃部逐渐放宽，斧身侧边平直，呈长“八”字形。
标本ME：002，薄片卵石制成，柄端及两面均保留有卵石面，两侧经琢打，柄部浑圆，头部两侧稍呈刃状，石斧一侧平直，无肩石斧特征明显，另一侧略有曲折，似有肩石斧。刃部以单向加工为主，略有双向加工，刃口呈偏刃状。长20cm，宽4.5cm~8cm，厚3.3cm。
2.磨制石斧
磨制石斧共6件。斧身经磨制成四棱柱状或薄身铲状，四棱柱状石斧体型厚重，刃部有打击修整痕迹，刃口较钝。薄身铲状石斧刃部为磨制，较为锋利。磨制石斧在黑水国史前文化遗址中所占比例极少。
（1）棱柱状石斧，共4件。斧身厚度与宽度接近，呈四棱柱状，刃部有打击修理痕迹。
标本MC：002，材料为黑色火山岩，斧身呈棱柱状，尾端及四个面均经磨砺，刃部经单向打击修出偏刃，加工面留下参差不齐的破碴，刃口较钝呈凸弧刃。斧长12cm，宽5cm，厚3cm。
标本ME：013，材料为黑色火山岩，斧身较MC：002、MC：004更薄，一面为平整的劈裂面，尾端成钝刃状，两侧面及劈裂面相对的宽面经磨制，侧视磨砺的宽面略呈弓背形，刃口从磨面向劈裂面打击修理，成偏弧刃。斧身长14cm，宽5cm，厚2.5cm。
（2）铲状石斧，共2件。斧身薄，通体磨制，刃口锋利。
标本ME：006，材料为黑色火山岩，尾端断损，双面磨刃，刃口呈凸弧状。斧身长9cm，宽5cm，厚1cm。
3.石刀
石刀在该遗址中发现比较多，共采集到47件，它的制作过程是：先从卵石上剥下长条石片，一般保留卵石面，然后加工成长方形，再对钻出孔，最后磨制刃口，使之锋利，部分石刀的剥裂面亦经磨制，比较光滑。石刀有双孔石刀和单孔石刀两种，单孔者钻于石刀正中间，双孔有对称钻在石刀两半的，也有一上一下钻在石刀中间的。刀孔为石钻钻成，外大内小，材料均为沙岩，下面按半成品、单孔、双孔三个类型进行介绍。
（1）半成品石刀，从卵石块上剥下长石片后，或稍加工周边成长方形后停止加工，或钻孔未通后停止加工。
标本MB：015，石片已加工成长方形，卵石面和剥裂面各留有钻孔的小圆坑窝。石片长10.5cm，宽5.5cm，厚1cm，钻孔直径1.2cm，孔距刃口1.7cm，钻孔稍偏向刃口。
（2）单孔石刀，按钻孔位置分有置中、偏向刃口、偏向刀背等三种情况。
MB：004，石刀通体磨光，刀背作长条形磨制平面，刀刃较锋利，钻孔与刀背、刀刃等距，石刀一半缺失。残长5cm，宽4.5cm，厚0.7cm。
标本MB：030，石刀剥裂面、刀背及侧端均经磨制，一面保留卵石面，石刀一半缺损，钻孔偏向刀背。
残长5cm，宽5.5cm，厚1cm，钻孔距刀背1cm。
（3）双孔石刀，较钻孔位置分有左右孔石刀和上下孔石刀两种，其中上下孔石刀仅见一例。
标本MB：019，石刀两端缺损，余两孔之间部分，石刀经打磨加工，双面光滑，刀刃锋利，钻孔距刀背、刀口相等。石刀残长3cm，宽5cm，厚0.7cm，两孔相距2cm。
（4）异形石刀，共1件。标本MB：034，刀身呈新月形，剥裂面经打磨，无钻孔，刀背琢出两个缺口。石刀长9cm，宽3.5cm，厚0.6cm，两缺口相距3cm。
4.石杵
共采集石杵4件，杵身作圆柱状，圆侧经磨制，细端有使用痕迹。
标本MB：029，材料为沙岩，略呈圆柱状，尾部较粗，尾端为裂面，周缘略经加工，头部较细，顶端为使用留下的磨损面。石杵长13cm，柱体横断面直径为5cm~6cm。
标本ME：014，材料为火山岩，舌状厚卵石制成，尾端呈舌尖状，侧面局部经琢制，顶端呈扁圆形，有使用痕迹。长9.5cm，宽4cm，厚3.5cm。
5.盘状敲砸器
盘状敲砸器在黑水国史前文化遗址中非常多，它的制作与盘状石核相似，一般选择圆石片沿周边双向打击剥片，成S状圆刃。这类石器很可能是在琢制石器过程中使用的工具，其直径一般在10cm左右，最小直径为8cm。
6.石球
采集石球共4件，3件为打制石球，1件为卵石。
标本MB：039，火山岩卵石块打成，表面有较多的剥片疤痕，石球直径7cm。
7.石纺轮
共采集纺轮标本7件，其中4件为半成品，3件为残品。
标本MC：008，材料为黑色燧石，两圆面为较平整的劈裂面，周边稍经磨制，一面正中留有钻孔的小圆坑。直径7cm，厚0.4cm。
8.砍砸器
在较薄的石片一周双向加工成刃，即是砍砸器，黑水国大小砍砸器遗留随处可见，其中采集到大砍砸器2件。
