Археологические и аналитические данные
по свидетельствам древней металлургии на Каргалах

К археологическим свидетельствам металлургии, полученным в результате исследования археологических памятников Каргалинского рудного поля (поселение Горный 1), относятся яркие следы выплавки руды, включая громадное количество образцов меди (медные капли и сплески, фрагменты слитков), насыщенность культурного слоя кусками медных руд - малахита и азурита, многими находками (более 4500 экземпляров) шлаков. С металлургией следует связывать и подготовку руды к выплавке металла – ее обогащение. Свидетельства этого процесса проявляются в обнаружении на поселении Горном 1 так называемых рудотерок – более двух десятков песчаниковых плит с характерными округлыми углублениями на их плоскостях. При наличии бесспорных археологических свидетельств древней металлургии на Горном 1 бросается в глаза отсутствие даже небольших фрагментов глиняных сопел для дутья, что объясняется исследователями особенностями местной металлургии. Однако, такого рода сопел практически нет и на других производственных памятниках срубной культурно-исторической общности, что является более общей спецификой металлургии в рамках этого археологического образования.

В меньшей степени по отношению к металлургии обнаружены на поселении Горном 1 свидетельства металлообработки, включая литейные формы из местного песчаника для разных изделий, отходы обработки металла в виде обрезков, обломов с литников и прочего. Ее направленность, по мнению исследователей, также была подчинена основному занятию местного населения эпохи поздней бронзы – горному делу и металлургии, что следует из специфики изготавливаемых металлических орудий, среди которых преобладали горнопроходческие.

Лабораторные исследования свидетельств
древней металлургии на Каргалах

Исследования древней металлургии эпохи поздней бронзы на Каргалах имели комплексный характер. Значительное место в них занимали лабораторные работы, которые в основном проводились под руководством С. Ровира в разных лабораториях Испании в рамках специальных проектов, выполнявшихся под общим руководством Марии Исабель Мартинес Наваррете (Высший Совет Научных исследований Испании). В изучении проб от археологических свидетельств древней металлургии зафиксированных на Горном 1 использовались сканирующий электронный микроскоп, оптический микроскоп, методы металлографии и рентгено-структурной спектрометрии.

Полученные данные позволяют сделать следующие обобщения.

Было установлено, что в эпоху поздней бронзы на Каргалах в качестве основных рудных минералов для древней металлургии использовались вторичные руды малахит и азурит, извлеченные из жил и линз песчаников пермского возраста. Содержание меди (в виде СuО) в проанализированных образцах высокое - от 20% до более 80%. Рудовмещающая среда, как правило, силикатная. Постоянно отмечаются малые количества окислов железа и кальция, а также барит.

Для теоретических представлений о способе выплавки меди из руд и особенностях теплотехнических устройств среди свидетельств металлургического процесса определяющее значение имеют аналитические данные по шлакам. Было установлено, что шлаки, представленные в малых кусках, отличаются гетерогенной композицией, проявляющейся как в их структуре, так и в пропорции элементов. Стекловидный материал шлаков с «луковичной» поверхностью свидетельствует, что они были оплавлены или сильно обожжены. Множество пузырей заключено внутри шлаковых лепешек, в которых даже визуально определяются сферические включения красноватой меди и серого сульфида меди. Большинство образцов шлака с Каргалов (поселение Горный 1) относится к типу пироксеновых, включающих сложную силикатную структуру в виде анортита, мелилита и реже - фаялита. В шлаках постоянен и кремнезем, не измененный температурными воздействиями, а также и магнетит.

В целом, аналитические данные по шлакам приводят исследователей к выводу о прямом восстановлении металла из руды без присадки флюсов, происходящем в окислительной атмосфере плавильной печи, температуры в которой были в пределах 1100-1200 градусов. Таким образом, на основе физико-химических анализов шлаков, которые показывают, что на Горном почти нет обогащенных кремнием и бедных железом шлаков, следует вывод о примитивной технике выплавок меди. По мнению исследователей, на способы примитивной выплавки металла указывают и данные по содержанию меди в шлаках. Для Каргалинского горно-металлургического центра характерно изобилие медных капель в шлаковой массе и в не восстановленных медных минералах. Присутствием барита в руде расценивается содержание 1% серы в черновой меди.

Имеющиеся теоретические представления о металлургии, опирающиеся и на археологические данные, позволили высказать предположение о своеобразии древней металлургии Каргалов и, судя по контексту интерпретации данных лабораторных исследований, ее примитивности.

Полученные представления были дополнены результатами экспериментальных исследований, связанных с моделированием данного производственного процесса в полевых условиях на Каргалах.

Эксперименты по выплавке меди на Каргалах

С целью реконструкции некоторых методов архаической плавки в 1997 и 1998 гг. в полевых условиях под руководством С. Ровира и Ж. Апп на базе Каргалинской археологической экспедиции был проведен ряд экспериментов по древней металлургии (рис.2 и 3). Один из них осуществлялся без использования искусственного дутья при подаче воздуха в печь. По мнению экспериментаторов этот способ был возможен для местной выплавки меди в эпоху бронзы, с чем не соглашается руководитель исследований на Каргалах Е.Н. Черных. Во всех остальных экспериментах применялось искусственное дутье для подачи воздуха. Для этого использовались глиняные сопла, которые лепились из местной красноватой глины и затем обжигались на открытом огне костра, а также использовалось разное количество кожаных мехов. Приведем описание этих экспериментальных выплавок меди.

Летом 1997 г. произведен эксперимент выплавки меди в небольшой печи-яме, глубиной и диаметром около 30 см. Два сопла были укреплены камнями и направлены к дну ямы навстречу друг другу. Устья сопел были разделены промежутком в 15 см. Емкость двух кузнечных мехов равнялась 45 литрам. Период предварительного прокаливания печи продолжался около 30 минут. Раздробленная руда была насыпана слоем поверх горящего угля; затем все попеременно засыпалось тонкими слоями угля и дробленой руды. Общий вес медных минералов при этом составил около 400 гр.

Температура в печи достигала приблизительно 1200°С. В целом, температура во время всего процесса восстановления металла, по данным экспериментаторов, оказалась в пределах 800-1200°. Оба меха обеспечивали ритмичное поступление кислорода для поддержания высокой температуры в печи. После четырехчасовой выплавки было получено около 300 гр. пористого шлака, содержащего крохотные капельки восстановленной меди.

Следующие две плавки были проведены в гораздо меньших по размеру печах (20 и 15 см диаметром). Это обеспечивало в их полости более высокую температуру, однако восстановить медь в виде слитка экспериментаторам вновь не удалось.

В сезон 1998 г. была проведена четвертая экспериментальная выплавка, при которой использовались обнаруженные и извлеченные из культурного слоя селища медные минералы (куски с большим содержанием малахита и азурита). За неимением окончательных результатов анализов долю меди в этой отобранной руде, примерно в пределах 10%., экспериментаторы оценивали приближенно. Далее рудные минералы дробились молотом вплоть до очень мелких фрагментов.

Из местной красной глины смешанной с песком были изготовлены сопла для подачи воздуха и тигли различных форм и размеров, использование которых предполагалось в экспериментах по тигельной выплавке металла и для переплавки черновой меди в слитки.

В четвертой экспериментальной выплавке основу конструкции составляла большая по размерам шахтная печь (диаметр камеры 40 см, а общая высота - 50 см.), сложенная из песчаниковых плит на глиняном растворе (см.: рис. 2, 1,2). В нижней части печи под углом 120° располагались три сопла, концы которых от дна внутренней полости печи (пода) были на высоте 10 см.

В общем, данная экспериментальная конструкция не соответствовала археологическим находкам с Горного 1 и была произвольной, исходя из предположений о крайней простоте реальных печей на этом памятнике.

После 45 минутного разогрева печь загружалась мелко дроблеными медными минералами, общим весом около 3 кг последовательно и послойно в сочетании с березовым углем. После 4-х часовой выплавки и последующего времени остывания печи был получен большой кусок шлака. Слитков шлака и металла получить не удалось.

Результаты экспериментов и обнаруженные в культурном слое поселения Горный 1 шлаки наводили исследователей на мысль об их дроблении. Поэтому экспериментальный шлак от последнего опыта дробился каменной галькой-молотом на желобчатой песчаниковой плите в порошок. Медь в виде мелких капелек из дробленого шлака извлекалась с легкостью, чему способствовала и промывка размельченного порошка шлака водой. Выход металлургической меди составил 4% от используемой руды – 125 гр.

Для получения слитка эта медь расплавлялась в тигле, помещенном в небольшую ямку и применяя подачу воздуха через изогнутое сопло в полость тигля от пары мехов (рис. 3,1). Через 30 минут образовался слиток меди в 90 гр. весом. Остатки металла в виде редких капелек «прикипели» к внутренним стенкам тигля. Медь еще раз расплавлялась в тигле для очистки (огневое рафинирование), после чего тигель был извлечен при помощи сырой палочки и медь излита в деревянную изложницу продолговатой формы. Вес конечного слитка составил 85 гр.

В результате проведенных опытов обращено внимание на то, что экспериментальные шлаки были более пористыми и легкими, по сравнению с древними - археологическими, что исследователи объясняют более мощной подачей воздуха в экспериментах (до 800 литров в минуту), чем в эпоху бронзы. Однако у экспериментаторов возникают сомнения и по поводу использования мехов на Каргалах в эпоху бронзы, исходя из факта отсутствия обломков глиняных наконечников сопел среди археологических находок. Глиняные сопла и их фрагменты не обнаружены и на других производственных памятниках срубной культурно-исторической общности эпохи поздней бронзы, но этот феномен не отрицает использование искусственного дутья в древней металлургии и металлообработке, что подтверждается анализом других артефактов и, прежде всего, шлаков.

Учитывая экспериментальные данные в Каргалинской экспедиции, было сделано и предположение о том, что в металлургическом процессе участвовали не менее трех-четырех специалистов-металлургов, что позволяло получать более пятисот граммов металла, но при условии более богатой руды, чем та, которая использовалась в экспериментах.

Следует заметить, что полученные продукты экспериментальной выплавки меди оценивались не только визуально, но и были проанализированы естественнонаучными методами, однако в полной мере не опубликованы.

www.patriotvrn.ru/files/Publikacii_Savrasova/Posobie_Chast_1.doc‎;

Не могу найти, где-то должна быть книги:
Ровира С. Металлургия меди: изучение технологии // Каргалы, Т. III. М., 2004.
Ровира, С. Технология выплавки меди в эпоху поздней бронзы на Каргалах / С. Ровира // Российская археология. - 2005. - N 4. - С. 79-83

и еще
Ферстер Б.К. Заметка о разработке песчаных медных руд в Каргалинской степи Оренбургской губернии // Горный журнал. 1868. Том II.