Подведены итоги реализации научного проекта «Фундаментальные и экспериментальные археометаллургические исследования традиционных технологий Приуральского горно-металлургического центра эпохи бронзы», поддержанного грантом РФФИ и реализованного коллективом сотрудников Института степи УрО РАН в 2019-2020 годах.
Благодаря комплексному подходу к изучению горно-металлургического производства эпохи раннего металла, сочетанию когерентных методов археометаллургии и геоархеологии, включая сравнительно-исторический анализ, экспериментальную археометаллургию, методы полевых археологических, геофизических, геологических исследований, высокоточных лабораторных геохимических и др. анализов (рентгенофлуоресцентный - XRF, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой - ICP-MS, рентгенофазовый анализ, изучение изотопии меди и свинца, электронная микроскопия, радиоуглеродный и др.), участникам проекта – археологам Института степи УрО РАН за сравнительно короткий срок (2019-2020 гг.) удалось совершить прорыв в познании древней металлургии.
В 2019-2020 гг. в ходе масштабных полевых исследований изучено 270 ландшафтно-археологических комплексов, связанных с добычей и переработкой окисленных сульфидных и кремнекарбонатных рудных материалов конца пермского периода носителями культур бронзового века (IV-II тыс. до н.э.) степного Приуралья на территории Каргалинского рудного поля и сопредельных горно-металлургических районов Приуральского ГМЦ. Установлено, что основу рудного протолита, использованного в пирометаллургическом переделе, преимущественно, составлял халькозин (Cu2S) в ассоциации с другими сульфидами, сульфатами и оксидами меди из глинистых сланцев, залегающих в толще серых аркозовых песчаников конца пермского периода. Выявлена серия из 40 геоархеологических памятников эпохи бронзы нового типа – горно-перерабатывающих комплексов (ГПК), расположенных неподалеку от рудников, включавших обогатительные площадки, шламовые отвалы и ямы по пожогу и переделу сульфидно-окисных рудных материалов в обогащенные и рафинированные рудные концентраты – пиролит: Cu2S·Cu2O(CuO·CuSO4). Обогащенные и рафинированные рудные концентраты на длительное время (от трех месяцев до года) оставлялись в пожоговых ямах и заливались водой для окисления поташем (K2CO3) и др. реагентами, образующимися при пожоге руды. Минеральная смесь окислялась до состояния твердого раствора сульфида и дигидроксокарбоната меди – оксолита: Cu2S·2Cu2(CO3)(OH)2.
Восстановление меди происходило в углеродной атмосфере малых металлургических печей (диаметры огневых камер-горнил от 20 до 40 см) отражательного типа из мелкодробленой шихты (от 1,2 до 4,5 кг) на основе синтезированного оксолита с образованием пироксенового (ферросилитового) или оливинового (фаялитового) стекловатого шлака при использовании силикатного и кальциевого флюсов в температурном интервале от 1100 до 1300°С. Шихта загружалась в прогретую печь, заполненную горящими углями, через колошник. Колошниковые газы, прежде всего CO, а на заключительном этапе плавки - O2, разогретые свыше 1200°С, являлись основными восстановителями меди.
Принудительный поддув воздуха осуществлялся через фурмы, расположенные в придонной части печи горизонтально. Восстановительная плавка сопровождалась сегрегацией выплавляемых материалов на лепешкообразный слиток черновой меди (среднее содержание Cu – 97-98 %, S - 0,5–5 %) внизу, весом от 0,3 до 3 кг, и шлаковый короб вверху: Cu2S · 2Cu2(CO3)(OH)2 + Fe2O3 + 2SiO2 + CaCO3 + 2CO = 6Cu + Fe2Si2O6 + CaSO4 + 5CO2 + 2H2O.
Продолжительность плавки составляла от 1 до 1,5 ч, расход древесного угля составлял от 2 до 7 кг. Мог использоваться некрупный уголь из древесины любых пород, включая прикомлевые части степных кустарников. Выявленные и изученные нами технологии являются ключевым звеном пастушеской модели металлопроизводства Северной Евразии, разработанной в рамках проекта. Пастушеская модель металлопроизводства реализовывалась на протяжении эпохи бронзы с IV по II тыс. до н. э. в степном Приуралье и др. регионах Северной Евразии. От более ранней энеолитической древнеземледельческой модели её отличали высокая продуктивность, экокогерентность, особенности природно-климатической, территориальной, хозяйственно-культурной (скотоводческой) системы организации производства, специфика подготовки рудных материалов к плавке пиротехническим и химическим путями, способ восстановления меди в отражательных печах с сегрегацией выплавляемых материалов на шлаковый короб вверху и цельный лепешкообразный слиток черновой восстановленной меди (93–98 % Cu; 0,5–2 % Fe; 0,5–1,5 % S и др.) на дне печи в изложнице. Различные фазы горно-металлургического производства носили выраженный сезонный характер и отчетливо коррелировались со скотоводческими циклами. В степях Северной Евразии различные варианты пастушеской модели просуществовали несколько тысячелетий, объединяя две крупнейшие металлопроизводственные системы Старого Света — Циркумпонтийскую металлургическую провинцию (ЦМП) и Евразийскую (Европейско-Азиатскую) металлургическую провинцию (ЕАМП).
Финальные фазы производства металлических орудий, связанные с литьем и кузнечной обработкой изделий, существенно различались в отдельных культурах, но ключевые технологические алгоритмы производства меди на протяжении эпохи раннего металла эволюционировали несущественно. Металлургический бум в степях Северной Евразии, связанный с деятельностью горняков-металлургов срубной и алакульской культур позднего бронзового века во II тыс. до н.э., исчерпавший доступные запасы традиционных для IV-II тыс. до н. э. источников сырья - сульфидных руд в медистых сланцах и кремнекарбонатных руд в медистых песчаниках позднепермских отложений, а также вторичных сульфидов зон вторичного обогащения ультраосновных месторождений - привел к освоению халькопиритового сырья медно-колчеданных месторождений. Переработка халькопиритов на основе технологических алгоритмов сложившейся ранее пастушеской модели горно-металлургического производства в конце бронзового века во второй половине II тыс. до н. э., помимо вовлечения в пирометаллургический передел практически неисчерпаемого ресурса медного сырья, приводит к получению в металлургических печах побочного продукта - железа и кричных шлаков.
Теоретические положения пастушеской модели металлопроизводства верифицированы археологическими материалами, данными естественнонаучных анализов, а также серией из 23 успешных археометаллургических экспериментов по восстановлению меди и 93 экспериментов по рафинированию черновой меди и литью медных орудий с морфологическими, химико-металлургическими признаками древних орудий и, что особенно важно, с аналоговыми дефектами литья и ковки. Судя по данным ICP-MS и др. анализов химизм экспериментальных образцов черновой и рафинированной меди, пироксеновых шлаковых комплексов, медных орудий, полностью соответствует химико-металлургическим стандартам артефактов эпохи бронзы.
Авраменко С.В.
Богданов С.В.
Вальков Д.В.
Ткачев В.В.
