Состав и технология древних материалов

К оглавлению книги «Методы археологического исследования» / К следующей главе

Разнообразие методов изучения состава и технологии древних материалов становится труднообозримым. Кратко рассмотрим методы, наиболее широко известные и апробированные.

Выбор того или иного метода изучения состава древних предметов диктуется историко-археологическими задачами Таких задач в общем немного, но решаться они могут разными средствами.

Металл в виде сплавов, керамика и ткани — первые искусстввенные материалы, сознательно созданные человеком. Таких материалов нет в природе. Создание металлических сплавов, керамики и тканей знаменовало собой качественно новый этап в технологии: переход от присвоения и приспособления природных материалов к изготовлению искусственных материалов с заранее заданными свойствами.

При изучении состава древних материалов имеются в виду, как правило, следующие вопросы. Изготовлена ли данная вещь на месте или вдали от места находки? Если вдали, то можно ли указать место, где она была изготовлена? Является ли данный состав материала, например сплава каких-то металлов, преднамеренным или случайным? Какова была технология того или иного производственного процесса? Каким был уровень производительности труда при использовании той или иной техники обработки камня, кости, дерева, металла, керамики, стекла и т. д.? С какой целью использовались те или иные орудия? На эти и другие подобные вопросы можно ответить опираясь в основном на два типа исследований: анализ вещества и физическое моделирование древних технологических процессов.

АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВА

Наиболее точным из традиционных методов анализа вещества является химический анализ. Исследуемое вещество обрабатывается в различных растворах, в которых те или иные составляющие элементы выпадают в виде осадка. Затем осадок прокаливается и взвешивается. Для такого анализа нужна проба не менее 2 г. Ясно, что не от каждого предмета можно отделить такую пробу, не разрушая его. Химический анализ очень трудоемок, а археологу нужно знать состав сотен и тысяч предметов. К тому же ряд элементов, присутствующих в данном предмете в
мизерных количествах, химическим путем практически не определяется.

Оптический спектральный анализ. Если небольшое количество вещества в 15—20 мг сжечь в пламени вольтовой дуги и пропустив свет этой дуги через призму, затем спроецировать его ка фотопластинку, то на проявленной пластинке будет зафиксирован спектр. В этом спектре каждый химический элемент имеет свое строго определенное место. Чем больше его концентрация в данном предмете, тем интенсивнее будет спектральная линия этого элемента. По интенсивности линии определяется концентрация элемента в сожженной пробе. Спектральный анализ позволяет улавливать очень небольшие примеси, порядка 0,01% что очень важно для некоторых вопросов, встающих перед археологом. Разумеется, здесь изложен только самый общий принцип спектрального анализа. Его практическая реализация осуществляется с помощью специальной аппаратуры и требует определенных навыков. Приборы для спектрального анализа выпускаются серийно. Техника анализа не столь сложна, и при желании археолог осваивает ее в достаточно короткий срок. При этом исключается очень непродуктивное промежуточное звено, когда археолог не сведущий в технике анализа, должен объяснять свои задачи сиектральщику, плохо ориентирующемуся в вопросах археологии. Поэтому идеальной представляется ситуация, когда профессионал-спектральщик, работающий в научном коллективе археологов, настолько вживается в археологическую проблематику, что уже сам может формулировать задачи по исследованию состава древних материалов.

Спектральный анализ археологических находок позволил получить много интересных результатов.

Древняя бронза. Наиболее важные исследования с помощью спектрального анализа относятся к вопросам происхождения и распространения древней металлургии меди и бронзы. Они позволили перейти от приблизительных визуальных оценок (медь, бронза) к точным количественным характеристикам компонентов сплава и к выделению различных типов сплавов на основе меди.

Еще сравнительно недавно считалось, что металлургия меди и бронзы ведет свое происхождение из Месопотамии, Египта и Южного Ирана, где она была известна с IV тысячелетия до н. э. Массовое производство анализов бронзовых предметов позволило поставить вопрос не о регионах, а о конкретных древних горных выработках, к которым можно с определенной вероятностью «привязывать» те или иные типы сплавов. Руда из каждого месторождения обладает специфическим, присущим только данному месторождению набором микропримесей. При выплавке руды состав и количество этих примесей может несколько меняться, но поддается учету. Таким образом, можно получить определенные «метки», характеризующие особенности металлов того или иного месторождения или группы месторождений, горнорудных центров. Хорошо известны характеристики таких горнорудных центров, как Балкано-Карпатский, Кавказский, Уральский, Казахстанский, Среднеазиатский.

В настоящее время древнейшие следы выплавки и обработки меди и свинцовые изделия обнаружены в Малой Азии (Чатал-Хююк, Хаджилар, Чейюню-Тепеси и др.). Они относятся ко времени как минимум на тысячу лет раньше, чем подобные находки из Месопотамии и Египта.

Анализ материалов, полученных при раскопках на древнейшем в Европе медном руднике Аи-Бунар (на территории современной Болгарии), показал, что уже в IV тысячелетии до н.э. Европа имела свой источник меди. Бронзовые изделия производились из руд, добытых в Карпатах, на Балканах и в Альпах.

На основе статистического анализа состава древних бронзовых предметов удалось установить основные направления эволюции самой технологии бронзы. Оловянистая бронза появилась в большинстве горно-металлургических центров далеко не сразу. Ей предшествовала мышьяковистая бронза. Сплавы меди с мышьяком могли быть естественными. Мышьяк присутствует в ряде медных руд и при плавке частично переходит в металл. Считалось, что примесь мышьяка ухудшает качество бронзы. Благодаря массовому спектральному анализу бронзовых предметов удалось установить любопытную закономерность. Предметы, предназначавшиеся для использования в условиях сильных механических нагрузок (наконечники копий, стрел, ножи, серпы и т. п.), имели примесь мышьяка в пределах 3—8%. Предметы, которые не должны были при использовании испытывать какие-либо механические нагрузки (пуговицы, бляшки и другие украшения), имели примесь мышьяка 8—15%. В определенных концентрациях (до 8%) мышьяк играет роль легирующей добавки: он придает бронзе высокую прочность, хотя внешний вид такого металла невзрачный. Если концентрацию мышьяка увеличивать выше 8—10%, бронза теряет свои прочностные качества, но приобретает красивый серебристый оттенок. К тому же при высокой концентрации мышьяка металл становится более легкоплавким и хорошо заполняет все выемки литейной формы, чего нельзя сказать о вязкой, быстро остывающей меди. Текучесть металла важна при отливке украшений сложной формы. Таким образом, были получены бесспорные доказательства того, что древние мастера знали свойства бронзы и умели получать металл с заранее заданными свойствами (рис. 39). Разумеется, это происходило в условиях, не имеющих ничего общего с нашими представлениями о металлургическом производстве с его точными рецептами, экспресс-анализами и т. п. У всех древних народов кузнечное ремесло было овеяно ореолом магии и таинственности. Бросая в плавильную печь ярко-красные камешки реальгара или золотисто-оранжевые кусочки аурипигмента, содержащие значительные концентрации мышьяка, древний металлург скорее всего осознавал это как некое магическое действие с «волшебными» камнями, имеющими почитаемый красный цвет. Опыт поколений и интуиция подсказывали древнему мастеру, какие добавки и в каких количествах нужны при изготовлении вещей, предназначенных для различных целей.

В ряде районов, где не было запасов мышьяка или олова, бронзу получали в виде сплава меди с сурьмой. Благодаря спектральному анализу удалось установить, что среднеазиатские мастера еще на рубеже нашей эры умели получать такой сплав, который по составу и свойствам был очень близок современной латуни. Так, среди предметов, найденных при раскопках Тулхарского могильника (II в. до н. э. — I в. н. э., Южный Таджикистан), было много серег, пряжек, браслетов и других латунных изделий.

Спектральный анализ большого количества бронзовых изделий из скифских памятников Восточной Европы указывал на то, что в рецептуре сплавов скифской бронзы не прослеживается преемственность от предшествующих культур позднего бронзового века данного региона. В то же время здесь встречаются вещи, состав сплавов которых близок по составу концентраций сплавам восточных районов (Южной Сибири и Средней Азии). Это служит дополнительным аргументом в пользу гипотезы о восточном происхождении культуры скифского типа.

При помощи спектрального анализа можно изучать характер распространения во времени и пространстве не только бронзы, но и других материалов. В частности, успешный опыт имеется в изучении распространения кремня в эпоху неолита, а также стекла и керамики в различные исторические периоды.

В последние годы в практике археологических исследований возрастает роль современных, а для археологии — новых методов исследования.

Стабильные изотопы. Подобно тому как упоминавшиеся выше микропримеси в древних металлах, кремне, керамике и других материалах являются природными метками, своего рода «паспортами», примерно такую же роль в ряде случаев играет соотношение стабильных, т. е. нерадиоактивных, изотопов в некоторых веществах.

На территории Аттики и на островах Эгейского моря при раскопках памятников энеолита и раннего бронзового века (IV—III тысячелетия до н. э.) встречаются серебряные изделия. При раскопках Шлиманом микенских шахтных гробниц (XVI в. до н. э.) были найдены серебряные предметы явно египетского происхождения. Эти и другие наблюдения, в частности известные древние серебряные копи в Испании и Малой Азии, стали основанием для вывода о том, что древние жители Аттики своего серебра не добывали, а ввозили его из указанных центров. Такое мнение было общепринятым в западноевропейской археологии до самого недавнего времени.

В середине 70-х годов группа английских и немецких физиков и археологов начала цикл исследований древних рудников в Лаврионе (близ Афин) и на островах Сифнос, Наксос, Сирое и др. Физические основы исследования состояли в следующем. Древние серебряные изделия в силу несовершенства методов очистки содержат примеси свинца. Свинец имеет четыре стабильных изотопа с атомными весами 204, 206, 207 и 208. После выплавки из руды изотопный состав свинца, происходящего из данного месторождения, остается постоянным и не меняется при горячей и холодной обработке, от коррозии или сплавления с другими металлами. Соотношение изотопов в данном образце с большой точностью фиксируется специальным прибором — масс-спектрометром. Если выяснить изотопный состав образцов различных руд, происходящих из определенных рудников, а затем сравнивать их по изотопному составу с образцами серебряных изделий, можно точно указать источник металла для каждого изделия.

Древние рудники эксплуатировались столетиями и тысячелетиями, а в данном случае было важно знать, на каких именно из обследованных более 30 древних месторождений серебряно-свинцовые минералы добывались в эпоху бронзы. По С14 и термолюминесценции керамики удалось датировать отдельные выработки, относящиеся к концу IV—III тысячелетия до н. э. Тогда образцы руд из этих выработок были подвергнуты масс-спектроскопическому исследованию на свинец. Изотопные соотношения свинца в образцах из разных древних выработок распределились по непересекающимся областям, указывая на «метки», присущие каждому местрождению (рис. 50). Затем было проанализировано соотношение изотопов в самих серебряных предметах. Результаты оказались неожиданными. Все вещи были сделаны из местного серебра, происходящего либо из Лаврионских, либо из островных рудников, в основном с острова Сифнос. Что касается египетских серебряных предметов, найденных в Микенах, то они были сделаны из серебра, добытого в Лаврионе, вывезенного в Египет. Изготовленные в Египте из афинского серебра вещи были привезены в Микены.

Аналогичная задача рассматривалась для идентификации мраморных предметов с источниками мрамора. Этот вопрос важен с разных сторон. Произведения греческой скульптуры или архитектурные детали, сделанные из мрамора, находят на большом расстоянии от материковой Греции. Иногда очень важно ответить на вопрос, из какого, местного или привозного из Греции, мрамора сделана скульптура, или капитель колонны, или какой-либо иной предмет. В музейные собрания попадают современные подделки под античность. Их нужно выявлять. Источники мрамора для того или иного сооружения необходимо знать реставраторам и т. п.

Физические основы те же: масс-спектрометрия стабильных изотопов, но вместо свинца измеряется соотношение изотопов углерода ,2С и 13С и кислорода ,80 и 160.
Главными месторождениями мрамора в Древней Греции были в материковой части (горы Пентеликон и Гиметтус близ Афин) и на островах Наксос и Парос. Известно, что паросские мраморные карьеры, а точнее, шахты,— самые древние. Измерения образцов мрамора из карьеров и измерения образцов от древних скульптур (анализ неразрушающий: требуется проба в десятки миллиграмм) и архитектурных деталей позволили связать их между собой (рис. 51).

Подобные результаты можно получить и обычным, петрографическим или химическим анализом. Например, было установлено, что образцы гандхарской скульптуры, хранящиеся в музеях Таксилы, Лахора, Карачи, Лондона, сделаны из камня, добытого из карьера в долине Сват в Пакистане, в округе Мардаи близ монастыря Тахт-и-Бахи. Однако анализ на масс-спектрометре более точен и менее трудоемок.

Нейтронно-активационный анализ (НАА). Нейтронно-активационный анализ является, пожалуй, самым мощным и эффективным средством определения химического состава того или иного объекта сразу по длинному ряду элементов. К тому же это неразрушающий анализ. Его физическая суть состоит в том,

что при облучении любого вещества нейтронами происходит реакция радиационного захвата нейтронов ядрами вещества. В результате происходит собственное излучение возбужденных ядер, а его энергия своя у каждого химического элемента и имеет свое определенное место в энергетическом спектре. К тому же чем больше концентрация данного элемента в веществе, тем больше энергии излучается на участке спектра данного элемента. Внешне ситуация аналогична той, что мы наблюдали при рассмотрении основ оптического спектрального анализа: каждый элемент имеет свое место в спектре, а степень почернения фотопластинки в данном месте зависит от концентрации элемента. В отличие от других нейтронно-активационный анализ обладает очень высокой чувствительностью: он фиксирует миллионные доли процента.

В 1967 г. в Музее искусств Мичиганского университета (США) была устроена выставка сасанидского серебра, на которой были собраны предметы из разных музеев и частных собраний. В основном это были серебряные блюда с чеканными изображениями различных сцен: сасанидские цари на охоте, на пирах, эпические герои и т. п.). Специалисты подозревали, что среди подлинных шедевров сасанидской торевтики есть современные подделки. Нейтронно-активационный анализ показал, что больше половины экспонатов выставки было сделано из современного серебра такого очищенного состава, который в древности был недостижим. Но это, так сказать, грубая подделка, и такую подделку сейчас очень легко обнаружить по химическому составу. Но среди предметов этой выставки были блюда, которые хотя и отличались от подлинных по своему химическому составу, но не настолько, чтобы только на этом основании признать их подделками. Специалисты полагают, что в данном случае нельзя исключить более изощренную подделку. Для изготовления самого блюда мог быть использован лом древнего серебра. Мало того, даже отдельные накладные чеканные детали могли быть подлинными, а вся остальная композиция — искусно подделанной. На это указывают некоторые стилистические и иконографические тонкости, заметные только опытному глазу профессионала-искусствоведа или археолога. Из этого примера следует важный для археолога вывод: любой, самый совершенный физико-химический анализ должен сочетаться с культурно¬историческим и археологическим исследованием.

Методом нейтронной активации решаются археологические задачи разного уровня. Установлено, например, месторождение, в котором были добыты огромные монолиты железистого кварцита для изготовления гигантских статуй (15 м высоты) храмового комплекса Аменхотепа III в Фивах (XV в. до н. э.). Под подозрением было несколько месторождений, расположенных на разных расстояниях от комплекса: приблизительно от 100 до 600 км. По концентрации некоторых элементов, особенно по чрезвычайно низкому содержанию европия (1-10%), удалось установить, что монолиты для статуй были доставлены из самого удаленного карьера, где добывался кварцит достаточно однородной структуры, пригодной для обработки.

При всей своей заманчивости метод нейтронной активации пока нельзя считать общедоступным для археолога, таким же, как, например, спектральный анализ или металлография. Для того чтобы получить энергетический спектр вещества, его нужно облучить в ядерном реакторе, а это не очень доступно, да и дорого. Когда речь идет о проверке подлинности какого-либо шедевра, это одноактное исследование, и в данном случае, как правило, не считаются с расходами на экспертизу. Но если для решения рядовых текущих научных задач археологу нужно анализировать сотни или тысячи образцов древней бронзы, керамики, кремния и других материалов, метод нейтронной активации оказывается слишком дорогим.

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ

Металлография. У археолога нередко возникают вопросы о качестве металлических изделий, их механических свойствах, о способах их изготовления и обработки (литье в открытую или закрытую форму, с быстрым или медленным остыванием, горячая или холодная ковка, сварка, науглероживание и т. п.). Ответы на эти вопросы дают металлографические методы исследования. Они весьма разнообразны и не всегда легкодоступны. Вместе с тем вполне удовлетворительные результаты в разных областях археологии получены сравнительно простым методом
микроскопического изучения шлифов. После некоторой стажировки этот метод может быть освоен самим археологом. Суть его состоит в том, что различные способы обработки железа, бронзы и других металлов оставляют свои «следы» в структуре металла. Отполированный участок металлического изделия помещают под микроскоп и по различимым «следам» определяют технику его изготовления или обработки.

Важные результаты получены в области металлургии и обработки железа и стали. В гальштатское время в Европе появляются основные навыки пластической обработки железа, редкие попытки изготовления стальных клинков путем науглероживания железа и его закалки. Хорошо заметно подражание бронзовым предметам по форме, подобно тому как в свое время бронзовые топоры наследовали форму каменных. Металлографическое изучение железных изделий последующей латенской эпохи показало, что в это время уже была полностью освоена технология изготовления стали, включая довольно сложные способы получения сварных лезвий с высоким качеством режущей поверхности. Рецепты изготовления стальных изделий практически без особых изменений прошли через все римское время и оказали определенное влияние на уровень кузнечного ремесла раннесредневековой Европы.

Синхронные позднему гальштату и латену скифо-сарматские культуры Восточной Европы тоже владели многими секретами производства стали. Это показано серией работ украинских археологов, широко использовавших методы металлографии.
Металлографический анализ медных изделий трипольской культуры позволил установить последовательность совершенствования технологии обработки меди на протяжении длительного времени. Сначала это была ковка самородной меди или металлургической, выплавленной из чистых окисных минералов. Технологии литья раннетрипольские мастера, по-видимому, не знали, но в технике ковки и сварки достигли больших успехов. Литье с дополнительной проковкой рабочих частей появляется только в позднетрипольское время. Между тем юго-западные соседи ранних трипольцев — племена культуры Караново VI — Гумельница уже владели разными приемами литья в открытую и закрытую форму.

Разумеется, наиболее весомые результаты получаются при сочетании металлографических исследований с другими методами анализа: спектральным, химическим, рентгеноструктурным и т. п.

Петрографический анализ камня и керамики. Петрографический анализ близок по своей технике металлографическому. Исходным объектом анализа в том и другом случае является шлиф, т. е. заполированный участок предмета или его проба, помещенные под микроскопом. Структура данной породы хорошо видна под микроскопом. По природе, размерам, количеству различных зерен тех или иных минералов определяются особенности изучаемого материала, по которым он может быть «привязан» к тому или иному месторождению. Это относительно камня. Шлифы, полученные от керамики, позволяют определить минералогический состав и микроструктуру глины, а параллельный анализ глины из предполагаемых древних карьеров позволяет идентифицировать изделие с сырьем.

При обращении к петрографическому анализу необходима четкая формулировка вопросов, на которые археолог хочет получить ответ. Петрографическое исследование довольно трудоемко. Оно требует изготовления и изучения достаточно большого количества шлифов, что обходится недешево. Поэтому такие исследования, как впрочем, и все остальные, не делаются «на всякий случай». Нужна четкая постановка вопроса, на которые хотят получить ответ при помощи петрографического анализа.

Например, при петрографическом исследовании неолитических орудий, найденных на стоянках и в могилах в нижнем течении реки Томи и в бассейне Чулыма, были поставлены конкретные вопросы: пользовались ли жители указанных микрорайонов сырьем из местных источников или из отдаленных? Был ли между ними обмен каменными изделиями? Анализ производился на более чем 300 шлифах, взятых от различных каменных орудий из месторождений камня на данной территории. Исследование шлифов показало, что примерно две трети от общего количества каменных орудий было сделано из местного сырья (окремненные алевролиты). Из местных же пород песчаника и глинистого сланца сделаны некоторые абразивные инструменты. В то же время отдельные тесла, отбойники и другие предметы были изготовлены из пород, имеющих месторождения на Енисее и в Кузнецком Ала-Тау (серпентин, яшмовидный силицит и др.). На основе этих фактов можно было сделать вывод, что основная масса орудий изготавливалась из местного сырья, а обмен был незначительным. Ответ на такого рода вопросы можно получить и другими методами, например, спектральным или методом нейтронной активации.

В отличие от жителей долин рек Томи и Чулыма неолитические племена Малой Азии активно обменивались орудиями труда или заготовками, сделанными из обсидиана. Это удалось установить при помощи спектрального анализа самих орудий и образцов месторождений обсидиана, которые четко различались между собой по концентрации таких элементов, как барий и цирконий.

К анализу структуры древних материалов следует также отнести изучение тканей, кожи, изделий из дерева, позволяющее выявлять особые технологические приемы, присущие данной культуре или периоду. Например, исследование тканей, найденных при раскопках Ноин-Улы, Пазырыка, Аржана, Мощевой Балки и других памятников, позволило установить пути древних экономических и культурных связей с весьма удаленными регионами.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДРЕВНИХ ТЕХНОЛОГИИ

Анализ вещества и структуры позволяет узнать о составе и технологии древних материалов и отвечать на разные вопросы культурно-исторического характера. Однако и здесь нужен комплексный подход, сочетание с другими методами. Наибольшая полнота понимания многих производственных процессов достигается средствами и методами физического моделирования древних технологий. Это направление в археологии сейчас получило широкое распространение под названием «экспериментальная археология».

Наряду с археологическими экспедициями, которые ведут раскопки древних памятников, в последние годы в университетах и научных учреждениях СССР, Польши, Австрии, Дании, Англии, США и других стран создаются совершенно необычные археологические экспедиции. Их главная цель состоит в том, чтобы на практике, опытным путем выяснить те или иные проблемы реконструкции образа жизни и уровня технологии древних коллективов. Студенты и аспиранты, профессора и научные работники изготавливают каменные топоры, рубят ими жерди и бревна, строят жилища и загоны для скота, точные подобия жилищ и других сооружений, изученных при раскопках. Они живут в таких жилищах, пользуясь только теми орудиями и средствами труда, которые существовали в древности, лепят и обжигают глиняную посуду, плавят металл, возделывают пашню, разводят скот и т. п. Все это подробно фиксируется, анализируется и обобщается. Результаты получаются интересными и порой неожиданными. Работы С. А. Семенова и его учеников позволили поставить под строгий контроль эксперимента гипотезы об уровне производительности труда в первобытных общинах. Производительность труда является одной из главных мер прогресса во все периоды истории. Представления ученых о производительности труда в каменном веке были весьма умозрительными. В старых учебниках можно встретить фразу о том, что индейцы шлифовали каменный топор так долго, что иногда на это не хватало целой жизни. С. А. Семенов показал, что в зависимости от твердости породы камня на эту операцию уходило от 3 до 25 часов. Оказалось, что по производительности трипольский серп из кремневых вкладышей лишь немногим уступает современному железному серпу. Жители трипольского поселка могли вчетвером убрать урожай колосовых с гектара примерно за три световых дня.

Опытные плавки бронзы и железа позволили детальнее понять целый ряд «секретов» древних мастеров, убедиться в том, что некоторые технологические приемы и навыки литейщиков и кузнецов не напрасно были овеяны ореолом волшебства. Советские, чешские и немецкие археологи много раз пытались получить из выплавленного в сыродутном горне губчатого железа крицу, однако устойчивого результата не получилось. Экспериментальная плавка медно-оловянной руды из древних выработок в Фанских горах (Таджикистан) показала, что в отдельных случаях древние литейщики занимались не столько подбором компонентов сплава, сколько использованием руд с природными ассоциациями разных металлов. Возможно, что и бактрийские латуни тоже являются результатом использования особой руды с природным составом медь-олово-цинк-свинец.

К оглавлению книги «Методы археологического исследования» / К следующей главе