Изучая найденные во время раскопок артефакты, археологи используют самые разные инструменты из арсенала точных наук. Большое значение имеет точное датирование. Для этого, применяются различные методы, например, такие как радиоуглеродный метод и дендрохронология, для чего измеряется толщина годичных колец спиленных деревьев. Чтобы узнать о способе и месте создания предмета, изучаются его химический состав и распределение различных веществ.
В.И. Завьялов: Планомерное применение естественно-научных методов в археологии началось на рубеже 40-х годов XX века, когда в Институт археологии РАН пришел Борис Александрович Колчин. Сначала он проводил исследования изделий из черного металла с помощью металлографии. На рубеже 50-60 гг. он обосновал возможности применения дендрохронологического метода для датирования остатков древних деревянных построек.
В 1967 г. по его инициативе в Институте археологии было создано специализированное подразделение – Лаборатория естественнонаучных методов. Эта структура успешно работает и в настоящее время. Мы занимаемся исследованиями изделий из черного металла методом металлографии, исследованиями изделий из цветного металла методом спектрального анализа, археозоологическими и археоботаническими исследованиями и исследованиями пыльцы.
С Андреем Альбертовичем Ширяевым и ИФХЭ РАН мы начали сотрудничать в 2019 году. До этого рентгено-флюоресцентный анализ я проводил у моего коллеги доктора Иржи Гошека в Институте археологии Чешской академии наук в Праге. Сначала мы исследовали собственно изделия, потом пришли к выводу, что наиболее интересную информацию о производстве металлов дают металлургические шлаки. По их составу и структуре мы многое узнаем как о процессе производства, так и об источнике руды.
Железные руды можно условно разделить на руды с высоким содержанием фосфора и руды с низким содержанием фосфора. Фосфор оказывает значительное влияние на свойства железа. Известны, например, случаи целенаправленного применения железа с высоким содержанием фосфора. По-настоящему плавить железо научились только в XIX веке, потому что для этого нужна температура 1540 градусов. Ранее умели достигать температур в 1100-1300 градусов. При этой температуре железо в жидкое состояние не переходило; тем не менее, я буду называть этот процесс «плавкой». Если после «плавки» оставались высокофосфористые шлаки, то можно предполагать, что таким же было железо.
Например, существует знаменитый археологический памятник Гнездово под Смоленском. Это памятник времен пришествия викингов на Русь: конец IX — начало XI века. Нами были проведены металлографические исследования обнаруженных там изделий, и оказалось, что значительное количество ножей было произведено с использованием фосфористого железа. А другие предметы — шилья, серпы, косы — составили две группы: небольшую группу предметов из железа с высоким содержанием фосфора и большую —из железа с низким содержанием фосфора. Это противоречит тому, что мы увидели при исследовании ножей. Когда же мы исследовали шлаки, оставшиеся от металлургического производства, оказалось, что фосфора в шлаках мало.
Этим фактам можно предложить два объяснения. Либо все ножи импортные и принесены на Русь своими владельцами. Технология производства металлоизделий с использованием высокофосфористого железа, по всей видимости, зародилась в Скандинавии в VI-VII веке. В исследуемую эпоху (конец IX — начало XI века) она была широко распространена и на территории Восточной Европы.
Вторым объяснением присутствия в коллекции из Гнёздова железных предметов как из фосфористого, так и из «обычного» железа может быть то, что в поселении существовала ещё одна, пока ещё не открытая археологами, мастерская, которая работала с фосфористыми рудами.
— Получается, они везли в эту мастерскую другую руду?
В.И. Завьялов: Нет, руду не возили. Возить руду — это гигантские затраты. Все известные металлургические памятники находятся около рудопроявлений.
— Руда – наша болотная?
В.И. Завьялов: Не обязательно. Есть луговая руда. Основными железо-содержащими минералами, которые могли быть использованы в металлургических процессах древности, являются сидерит, лимонит и ряд гидроокислов железа. Гематит в наших краях в промышленных количествах встречается редко.
— Какие приборы из ИФХЭ РАН востребованы для археометрии?
А.А. Ширяев: Рентгено-флюоресцентный анализатор позволяет с относительно маленькой площади — миллиметр и меньше — получить данные о химическом составе образца. Например, если мы возьмем неоднородный образец, то мы можем сделать не валовый, не усредненный по всему изделию, анализ, а рассмотреть конкретные области. Мы можем анализировать шлаки и отдельные вкрапления и обнаруживать неоднородности. Например, в одном из образцов была обнаружена очень четкая разница по химическому составу между наружной и внутренней частями ножа. Мы также проводили серии анализов, которые показали, какие изделия были выполнены из руд, полученных из разных источников.
— На что указывает неоднородность?
А.А. Ширяев: Можно обнаружить примеси: марганец, магний, титан - и выйти на источник руды. Например, была серия, где в изделиях было много марганца, и вдруг в каком-то изделии его нет. Значит, для этого изделия использована руда из другого месторождения.
— Может быть, мастера вносили какие-то примеси?
В.И. Завьялов: Внести примеси можно в жидкий расплав. Поэтому есть разные сорта бронзы. А при сыродутном процессе в металл ничего внести нельзя; в железо мог проникать только углерод. Все примеси и весь фосфор находились в руде изначально.
— А как древние мастера догадались, что можно вносить углерод? Сталь как появилась?
В.И. Завьявлов: Это большой исторический вопрос. Науглероживание железа открыли, вероятно, в 12 веке до нашей эры. Железо науглероживается в ходе восстановления, когда его нагревают вместе с древесным углем при металлургическом процессе в сыродутном горне. В ходе этого процесса получали так называемую крицу, из которой при ковке удаляли шлаки. Мы считаем, что металл, который тогда производили, не был железом, а был сырцовой сталью, получавшейся в ходе восстановления железной руды. Соблюсти точную пропорцию руды и угля, чтобы получить чистое железо, очень сложно; к тому же разные руды имеют разный состав и разные примеси других элементов. Поэтому чистое железо древние металлурги получать, скорее всего, не могли. Получался металл: малоуглеродистый, неоднородный, так что там могли быть участки чистого железа. Но в целом это была, хотя и малоуглеродистая, но сталь. Зарубежные авторы пишут, что клинок из такой стали превосходил клинок из лучшей бронзы. Чистое железо начали получать в раннем Средневековье. Может быть, что-то такое умели в Древнем Риме, но про Рим мы знаем мало. Там очень мало сделано анализов.
А.А. Ширяев: Рим слабо изучен? Почему?
В.И. Завьялов: Я не знаю, почему. Возможно, никто этим не занимался. Возможно, нет материала для исследования. Я видел, что приморские коллекции находятся в очень плохом состоянии. Они все проржавели и разрушились. Чтобы делать обоснованные выводы, нужны большие серии анализов. По металлографическим анализам в нашем Институте собран самый большой в мире банк данных — более 14000 анализов. Мы его собирали с начала 70-ых годов прошлого века, т. е. почти 50 лет. В Европе 30-40 анализов считается большой серией, а мы работаем с сериями порядка 100 анализов.
— Это для одного памятника?
В.И. Завьялов: Да. Сейчас мало кто занимается археологической металлографией. На одной конференции был заявлен доклад «Железные изделия эпохи викингов». Доклад меня очень заинтересовал, но оказалось, что для него было проведено всего 11 анализов, из них 4 анализа ножей.
— Во времена викингов уже умели определять качество руды?
В.И. Завьялов: Конечно. В конце XVIII века появилась записка норвежского естествоиспытателя Оле Эвенстада; он выделяет 8 сортов руды, из которых 3 непригодны для металлургии. Есть записка Никиты Демидова начала XVIII века; он выделяет 23 сорта руды, из которых только некоторые годны для производства оружия.
— Это же не X век.
В.И. Завьялов: По X веку у нас нет документов. Но, чтобы процесс был успешным, мастера должны были уметь определять качество руды.
— Какие еще выводы удалось сделать с помощью накопленных данных?
В.И. Завьялов: Викинги принесли на Русь очень интересную технологию — технологию так называемого «трехслойного пакета». Железное изделие состоит из трех частей: по краям железные полосы, а в центре сталь. Но, когда у нас накопился большой объем анализов, выяснилось, что существовало два варианта трехслойного пакета.
Один — мы его назвали «северо-европейским»: по бокам изделия, например, ножа, расположены пластинки из фосфористого железа, а середина — высокоуглеродистая сталь. Именно эта технология зафиксирована в Скандинавии в VI-VII веке. Там, правда, сделано очень мало анализов. И помимо такого классического варианта на Руси существовал другой технологический вариант, мы его назвали «восточно-европейский». Там либо железо обычное, а не фосфористое; либо в центре так называемая «сырцовая сталь» (с неравномерным содержанием углерода или низкоуглеродистая). По форме такие ножи отличаются от скандинавских.
Это можно объяснить так: со скандинавами на Русь приходили мастера, владевшие технологией. Восточноевропейские мастера восприняли эту технологию, но по-своему. Фосфористое железо требует специальных приемов обработки, они могли их не знать. На Руси технология трехслойного ножа появляется неожиданно. До рубежа IX-X веков на памятниках нет ни одного такого артефакта. Потом очень быстро трехслойный пакет стал основой городского древнерусского ремесла. Во всех древнерусских городах с X по первую половину XII века трехслойный пакет доминирует. Его много и в сельских памятниках. Но во второй половине XII века трехслойный пакет исчезает, его сменяет технология наварки. Это тоже очень интересная технология: на основу ножа наваривается стальное лезвие. Эта технология была известна у западных славян в VII-VIII веке.
На нашей территории она появилась примерно в VIII веке, и потом полностью не исчезала. Если в городах наварные изделия редки, порядка 5%, то в сельских памятниках IX-XI веков орудия с наварными лезвиями составляют до 15%. Мы полагаем, что сельские кузнецы сохранили старинные славянские технологии, тогда как в городах использовали «модные» скандинавские. Но в середине XII века полностью исчезает «скандинавская вуаль», о скандинавах уже никто не говорит, и трехслойный пакет сменяется наваркой. Так что трехслойный пакет появляется взрывным образом, распространяется широко, доходит даже до Приуралья — но существует короткое время. Наварка, напротив, применялась очень долго. У меня были орудия XVIII века из поморских посёлков на Шпицбергене, и среди них были ножи с наварным лезвием. Даже в индустриальную эпоху в сельских кузницах технология наварки сохранялась.
— Что лучше с эксплуатационной точки зрения?
В.И. Завьялов: Наварное лезвие можно заменить, если оно стерлось. А трехслойный пакет используется до полного стачивания лезвия, он ремонту не подлежит. Мы находим очень узкие клинки, почти в сантиметр шириной — так сильно сточили их лезвие.
По моей просьбе кузнец-экспериментатор проводил работу по созданию трехслойного пакета. Он показал, что сделать трехслойный пакет проще, чем наварить лезвие. При создании пакета железные заготовки с двух сторон обхватывают стальную пластину и держат ее. Чтобы наварить лезвие, его нужно каким-то образом на пластине закрепить, и это непросто, потому что изделие длинное, ударишь по одному краю — отойдет другой. Борис Александрович Колчин считал, что наварка — это развитие трехслойного пакета. Нет, это совершенно разные технологии.
— Трудно провести металлографический анализ?
В.И. Завьялов: Металлографический анализ достаточно трудоемкий. Нужно выпилить образец, нужно его заплавить в специальный состав, отшлифовать, отполировать, протравить, посмотреть под микроскопом, сфотографировать структуру, измерить микротвердость... Это длительный процесс.
— Метод требует разрушения образца?
В.И. Завьялов: Да, и поэтому в Европе его применяют редко, да и у нас есть большие трудности с музейными коллекциями. Мы для исследования всегда старались брать сломанные предметы; нам не важно, целый нож или надломанный. Но сейчас музейные хранители не позволяют брать даже такие образцы. Все артефакты фиксируются в информационной системе, вплоть до их размера. Но ведь вещи со временем корродируют и рассыпаются.
— Даже в музеях?
В.И. Завьялов: Конечно. Когда предметов тысячи, все отреставрировать невозможно. И поэтому через 20-30 лет все эти предметы будут в коррозии. В ГИМе, например, хранятся металлические артефакты сарматов. Раскопки проходили в 50-х годах. К сожалению, предметы теперь полностью разрушены. Предлагали мне посмотреть коллекцию из Крыма: в ней нет ни одного предмета, пригодного для анализа. Процесс коррозии неостановим, если предмет не реставрировать или хотя бы не закрепить специальными ингибиторами. Образец, изъятый из среды, где он хранился тысячу лет, может полностью деградировать за 2 десятилетия.
— Какие есть неразрушающие методы?
А.А. Ширяев: Рентгено-флюоресцентный анализ не разрушает образцы, но все равно часто необходима пробоподготовка, например, без нее в ряде случаев мы будем исследовать не сам материал, а продукты его коррозии.
В.И. Завьялов: Поверхность артефакта может сильно отличаться от его внутренних областей. Например, существовал такой способ изготовления серебряных предметов, когда серебро сосредотачивалось во внешнем слое. Тогда, если взять пробу с поверхности, получится, к примеру, 80% серебра, а на самом деле серебра в предмете содержится около 20%. Поэтому изучение среза надежнее.
А.А. Ширяев: Существует много аналитических методов, применение которых дает информацию про археологические артефакты. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, поэтому противопоставление результатов смысла не имеет, метод надо выбирать под решаемую задачу. Например, электронная микроскопия – метод точный, но не очень представительный, поскольку исследуется очень небольшая область. Рентгеновская флюоресценция захватывает большую зону. Но все ученые согласны с тем, что металлография – единственный метод, который может дать информацию о способе создания предмета. Это очень трудоемкий метод: нужно приполировать, протравить, посмотреть в микроскоп и интерпретировать наблюдаемую картину.
В.И. Завьялов: Сейчас археологи иногда приносят артефакт аналитикам и говорят: «Посмотрите». Аналитику все равно, что смотреть. Он включает прибор и иногда выдает результат, на который археолог смотрит и не знает, что с ним делать. У меня был такой курьезный случай. В Ярославле при раскопках нашли саблю. Сабля — редкий и интересный артефакт. Отдали ее на инструментальное исследование, провели рентгеновскую томографию. Оказалось, что на фотографии края по яркости отличаются от середины. Я по снимку делаю вывод, что у сабли могли быть наварены лезвия. Потом, когда я посмотрел под металломикроскопом не снимок, а образец, оказалось, что все гораздо проще. Сабля когда-то попала в огонь, и внешние слои углерода выгорели. Осталось только чистое железо. Но сама сабля была очень интересная. Она сделана из литой тигельной стали. Тигельное литье существовало на Востоке еще в начале 1-го тысячелетия до нашей эры, а европейские металлурги его не знали. Потом саблю передали в химическую лабораторию и попросили определить ее состав. Лаборатория определила: в стали 12% углерода. Даже в чугуне углерода содержится 4%. У нас что, чугунная сабля? Другой аппарат показал 8% углерода.
А.А. Ширяев: Результаты 8% и 12% говорят о том, что в той лаборатории никогда не работали с металлическими образцами. Если требуется точный анализ, то надо понимать, что без калибровочного стандарта не обойтись. Для калибровки сложного прибора нужны процессы с «мокрой» химией, которые и трудоемки, и затратны, и расходуют много материалов. Этим методам по 200 лет, но без них современные дорогие приборы не выходят на правильные цифры.
— Сейчас многие занимаются реконструкциями или, как они это называют, экспериментальной археологией. В таких исторических поселениях всегда имеется кузница, работающая по старинным канонам. Как Вы думаете, это шоу для туристов или серьезные исследования?
В.И. Завьялов: Я бы не сказал, что есть много кузнецов, которые работают по старинным технологиям. Например, на Youtube-канале один кузнец-экспериментатор показывал, как делать дамасскую сталь. Мне было интересно; я этот ролик посмотрел и увидел, что он заготовку сваривает электросваркой и называет это созданием старинной дамасской стали.
— А древние русичи как делали наварную заготовку?
В.И. Завьялов: Точно неизвестно. Какие-то зажимы делали. Самая большая сложность — первичное соединение полос. Их надо зафиксировать.
— Правда ли, что Русь экспортировала железные изделия?
В.И. Завьялов: Это характерно для XVII века, когда появились заводы. Первый завод Виниуса — это 1630-ые годы. Азиатские государства закупали на Руси изделия из железа.
— Почему на Руси строили избы без единого гвоздя? Железо слишком ценно, чтобы его использовать как крепежный материал?
В.И. Завьялов: Просто гвозди не нужны, чтобы сделать избу. Один отряд моей экспедиции копал металлургический центр в Рязанской области. Там было обнаружено очень много гвоздей. Я копал город Переславль Рязанский, мы находили 1-2 гвоздя за сезон. Но Вы правы, железо ценили очень высоко, и все потерянные и сломанные гвозди перерабатывали.
Материал подготовлен: Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН