CC BY
39
УДК 552.22
КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЕЩЕСТВЕННАЯ СПЕЦИФИКА ПРОДУКТОВ ДРЕВНЕГО ЖЕЛЕЗОДЕЛАТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В ПРИБАЙКАЛЬЕ
© И.С. Степанов1
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт геохимии им. А.П. Виноградова» Сибирского отделения Российской академии наук, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
На территории Прибайкалья известны центры, где в I тыс. до н.э. - первой половине I тыс. н.э. получали железо, что фиксируется в многочисленных различных продуктах и «следах» древнего производства. В статье представлены результаты изучения морфологических и вещественных характеристик этих образований, которые послужили основой для разработки их классификации. В последней выделены исходные продукты для выплавки железа (сырье) - руды, флюсы, древесный уголь; «следы» (новообразования) - расплавные и спеченные шлаки, футеровки горнов, железо. Использование классификации позволяет на научной основе продуктов и «следов» древнего железоделательного производства определять принадлежность к конкретному их типу и проводить сравнительный анализ образований одинаковой природы для установления сходств и различий для реконструкции древних технологий получения железа в центрах Прибайкалья в разные исторические периоды. Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: железоделательное производство; шлак; железо; археоминералогия; археометрия; геохимия.
CLASSIFICATION AND COMPOSITIONAL FEATURES OF ANCIENT IRON-MADE PRODUCTS IN BAIKAL REGION I.S. Stepanov
A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1a Favorsky St., Irkutsk, Russia, 664033.
Numerous items and "traces" of ancient iron smelting indicate that in the pe riod of 300-100 B.C. - 600 A.D. there were several centers of iron production on the territory of the Baikal region. The paper presents the results of studying morphological and compositional features of these materials that make the basis of their classification development. The last distinguishes initial products for iron smelting (raw material) including iron ores, fluxes, charcoal and "traces" (new fo r-mations) including molten and baked slags, kiln lining, and iron. It allows to classify the products an d "traces" of ancient ironmaking on a scientific base as well as to conduct a comparative analysis of the items of identical nature in order to reveal similarities and differences between them for reconstructing ancient iron smelting technologies in Baikal region iron making centers during different historical periods. 2 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: ironmaking production; slag; iron; archaeomineralogy; archaeometry; geochemistry.
Введение. На территории Иркутской области известно достаточно много археологических объектов, связанных с получением железа [6, 5]. По своим размерам и обилию характерных разнообразных «следов» и продуктов примитивного получения железа они могут рассматриваться как центры древнего железоделательного производства, где в I тыс. до н.э. - первой половине I тыс. н.э. осуществлялась, как и во всем мире того исторического периода, сыродутная выплавка железа и его обработка. Часть центров находится в долине реки Ангары, а другие - на территории Западного Прибайкалья - в Приольхонье и на о. Оль-хон (рис. 1).
В долине реки Ангары объекты в основном представлены одиночными, разрозненными металлургическими остатками производства. Среди них стоянки Каймыс II (Усть-Удинский район), Макарьевская V (Ну-кутский район), поселение Нельхай I (Аларский район) [4]. В железоделательных центрах Западного Прибайкалья фиксируется весь цикл получения железа - от добычи и обогащения руды до обработки «крицы». В Приольхонье наиболее крупные центры обнаружены и исследованы в пади Бурун-Хал (Бурун-Хал II, Бурун-
Рис. 1. Карта расположения железоделательных центров Западного Прибайкалья: 1 - Барун-Хал I; 2 -Барун-Хал II; 3 - Курма XVIII; 4 - Курма XXVIII; 5 - Курминское озеро I; 6 - Восточный Хунгай; 7 - Харанса VI; 8 - Улан-Хушин
1Степанов Иван Сергеевич, аспирант, тел.: 89501462864, e-mail: ivanstep208@yandex.ru Stepanov Ivan, Postgraduate, tel.: 89501462864, e-mail: ivanstep208@yandex.ru
Хал III) и вблизи н.п. Курма (Курма XVIII, Курма XXVIII, Курминское озеро I) [6], а на о. Ольхон - в окрестностях с. Харанцы (Харанса VI) [5] и мыса Восточный Хунгай (Восточный Хунгай I). На о. Ольхон известны одиночные находки «следов» древнего производства железа (Улан-Хушинский залив) [1].
Постановка проблемы. «Следы» (остатки) производства, представленные исходными компонентами для получения железа - железными рудами, флюсами, древесным углём и конечными продуктами металлургических операций - шлаками, футеровками (обмазками) горнов, железом являются единственным свидетельством древнего железоделательного производства на территории Прибайкалья. Какие-либо другие литературные, исторические источники отсутствуют. Обилие и разнообразие «следов» древнего железоделательного производства в Прибайкалье вообще и Центральной Азии в частности делает крайне актуальным их типизацию с разработкой классификации как исходных продуктов (сырья), так и различных «следов» производства (шлаки, футеровки). Классификация должна охватывать всю совокупность известных на настоящий момент образований древней производственной деятельности, прежде всего шлаков, и сочетать в себе как их морфологические структурно-текстурные, так и вещественные (количественные) характеристики. Само железо наблюдается в крице - выделениях разнообразной формы, включенных в шлак,- которая использовалась в дальнейшем для непосредственного получения изделий из железа. В прибайкальских центрах, как и во всем мире, железо практически отсутствует, ведь оно в те времена ценилось дороже всех других соединений, поэтому человек выбирал даже шлаки с мелкими каплями железа.
Морфологические характеристики главных продуктов («следов») производства - шлаков фиксируют структурно-текстурные и фазовые соотношения новообразованных кристаллических и стеклянных, реликтовых ксеногенных фаз, железа, отражая условия кристаллизации расплавов, которые в зависимости от соотношения исходных компонентов - используемой руды, флюса, древесного угля - определяют состав и соотношение наблюдаемых в «следах» силикатных и окисных минералов, железа и стекла. Присутствие в шлаках среди флюсов карбонатов - кальцита, доломита, полевых шпатов - калиевого (микроклина, ортоклаза) и кальций-натриевого (плагиоклаза) кварца, а среди руд гематитовых и магнетитовых разностей может фиксировать как особенности технологий получения железа в разных центрах Прибайкалья, так и возможные изменения технологий во времени. К тому же остается пока неясным, различали ли древние металлурги используемые минералы флюсов - карбонаты, полевые шпаты, кварц. На настоящий момент известны центры, в которых в качестве флюсов использовались все эти минералы, и центры, на территории которых преобладают или кварц, или карбонаты. Последние применяются в современном металлургическом производстве.
Вещественные характеристики различных «следов» железоделательного производства отражают
состав и количественные соотношения входящих в них кристаллических минеральных фаз, стекла, железа, иногда присутствие в них ксеногенного материала (руды, флюсы). Именно они в совокупности определяют химические ^Ю2, ТО2, Al2O3, Fe, MnO, MgO, CaO, P2O5, Na2O) и редкоэлементные (Ы, Rb, Ba, Sr, Sn, La, Ce, Y, Zr, Zn, Pb, V, N Sc) осо-
бенности. Эти характеристики информативны для выявления вещественной специфики использованных технологий древнего железоделательного производства, ибо они даже при очевидных их различиях в разные исторические периоды отражают химические особенности руд, флюсов и глин для огнеупоров, которые добывались недалеко от горнов. Сравнительный вещественный анализ «следов» древнего производства необходимо проводить для образований одинакового происхождения и близкого фазового состава.
Фактический материал и методы исследований. «Следы» железоделательного производства (около 350 образцов) изучались макроскопически и под бинокулярным микроскопом. Были изготовлены шлифы (85 шт.) исходных продуктов и «следов» железоделательного производства, всех без исключения разновидностей шлаков с целью идентификации кристаллических фаз, стекла, ксеногенных минералов, определения их количеств и взаимоотношений между собой. В аншлифах (62 шт.) устанавливался состав рудных фаз, взаимоотношения с ними железа. Кроме того, идентификация фаз, определение их количеств дополнительно к диагностике под микроскопом проводились рентгеноструктурным методом (91 проба; аналитик Л.П. Феоктистова). Этим же методом в ряде случаев проводилась диагностика минералов.
Определение до 50 макро- и микроэлементов в 165 пробах для 10 центров было выполнено при использовании методик количественного и полуколичественного атомно-эмиссионного анализа с дуговым разрядом [2]. Высокая точность и достоверность результатов РФА, АЭА и других аналитических методов, использованных в работе, продемонстрирована на примере оценки стабильности во времени материала геохимических стандартных образцов [3].
Полученные результаты и их обсуждение. Выполненные исследования позволили разработать классификацию продуктов и «следов» железоделательного производства Прибайкалья. В ее основу положены морфологические и вещественные характеристики всех наблюдаемых образований производственной деятельности по получению железа в древности -исходных и новообразованных соединений. Были выделены следующие типы: исходные продукты для получения железа (сырье) - руды, флюсы, древесный уголь; новообразования - расплавные и спеченные шлаки, огнеупорные футеровки горнов (обмазки), железо со шлаком (крица). Последнее в Прибайкалье очень редкое образование - встречено в одном центре (Улан-Хушин) на о. Ольхон.
Исходные продукты - сырье для получения железа - железные руды в прибайкальских центрах практически не встречаются. Именно поэтому во многих случаях проблематичным является установление
руд, из которых, возможно, плавили железо. Пока можно констатировать, что использовалось несколько типов руд, остатки которых встречаются в спеченных шлаках. Древесный уголь иногда присутствует в горнах в виде скоплений, а также включений в шлаках. Флюсы отмечаются только в виде отдельных зерен в шлаках.
Железные руды. Предположительно в качестве руд использовались: 1) гематитовые болотные руды (р-он пос. Тонты, верховье р. Кучелга); 2) магнетито-вые обособления в гранитах, гранит-пегматитах, пегматитах (Приольхонье, о. Ольхон); 3) существенно гематитовые с гидроокислами железа руды из маломощных кор выветривания гнейсов и сланцев (о. Ольхон). Содержание железа в них > 45%. Вблизи каждого центра можно предполагать нахождение небольших проявлений железных руд, которые предположительно могли быть сырьем для получения железа. В наиболее крупных центрах Западного Прибайкалья, вероятно, использовались все три разновидности руд. Состав исходной руды влияет на состав шлаков, образованных в процессе ее плавки и отражается в вариациях содержаний в них ТЮ2, МпО, Р2О5, Б, 2г, 2п, Сг, V, N Со. Наибольшие включения реликтов руд в количестве до 20% отмечаются в спеченных рудно-стеклянно-окисно-силикатных шлаках.
Древесный уголь - сырье, необходимое для поддержания высоких температур в горне, получали при выжигании в ямах дерева местных видов. Он наблюдается в горнах в виде скоплений и в виде включений в шлаках.
Флюсы - минеральные добавки, применявшиеся с целью понижения температуры плавления расплава, его обогащения железом посредством вывода в шлак БЮ2, А1203, МдО, СаО, Р205, К20, №20. За счет флюсов достигалось разделение расплава на две части -окисную и силикатную. Добавки карбонатного и силикатного состава являлись наиболее распространен-
ными в древнем железоделательном производстве. Карбонатные флюсы состояли из карбонатных минералов - кальцита, доломита, силикатные - из кварца и полевого шпата - микроклина, ортоклаза, плагиоклаза. Зерна этих минералов отмечаются в спеченных шлаках.
Новообразованные продукты производства -
разнообразные шлаки, железо, огнеупорные футеровки горнов. Среди них наибольшим распространением пользуются шлаки, во многих случаях являющиеся единственным свидетельством древних технологий получения железа.
Шлаки. Когда говорят о «следах» железоделательного производства, прежде всего, имеют в виду именно их. Шлаки - это продукты с высоким содержанием кристаллических и некристаллических фаз (стекла), образованные в процессе получения железа из руды с добавлением флюсов или при его механической обработке. Плотность шлаков - 2,5-4 г/см3. Как правило, в шлаках содержание железа более 40 %, БЮ2 менее 30 % (таблица). Шлаки подразделяются на расплавные и спеченные, их фазовый состав приведен на рис. 2. В расплавных шлаках главными фазами являются силикатные минералы (фаялит, монти-челлит, кирштейнит, пироксен и др.), стекло и минералы окислов железа (вюстит, магнетит, гематит и др.). От силикатно-окисных к силикатно-стеклянным шлакам отмечается понижение количеств минералов окислов железа и повышение - стекла (рис. 2). В спеченных шлаках наряду с расплавными фазами (стеклом) присутствуют ксеногенные обособления руды, кварца, полевого шпата, карбоната и металлического железа. По содержаниям элементов каждый из типов шлаков имеет свою определенную, присущую только ему химическую специфику, обусловленную составом новообразованных расплавных и ксеногенных фаз, а также механизмом их образования (таблица).
Средний химический (масс. %) и редкоэлементный (г/т) состав шлаков и футеровок железоделательных центров Прибайкалья (73 пробы)
Номер выборки 1 (3) 2 (27) 3 (3) 4 (1) 5 (3) 6 (3) 7 (2) 8 (31)
Параметры X 01 X 02 X 03 X X 05 X 06 X X 08
бю2 10,0 9 5,53 22,16 2,27 26,64 0,62 31,55 19,43 6,74 17,39 5,28 36,29 56,27 7,00
ТЮ2 1,36 1,09 1,12 1,11 0,42 0,12 0,32 0,60 0,40 1,52 0,70 0,34 1,10 0,51
АЬОз 2,79 1,06 6,27 0,82 7,65 0,94 5,39 5,40 1,50 5,27 2,09 8,77 17,45 3,86
*Ре 61,7 4 5,40 48,09 3,24 40,48 1,83 38,01 51,54 6,66 51,95 7,69 34,43 10,44 4,13
МпО 0,42 0,18 0,57 0,37 0,48 0,13 0,63 0,33 0,10 0,56 0,24 0,30 0,26 0,17
МдО 0,74 0,37 1,08 0,42 1,57 0,83 2,86 0,96 0,18 0,70 0,31 1,34 1,65 1,01
СаО 2,47 1,61 5,40 2,92 10,75 3,72 9,00 4,29 1,94 2,06 0,54 6,39 3,79 3,40
Р2О5 0,10 0,16 0,18 0,12 0,14 0,03 0,19 0,21 0,06 0,50 0,37 0,28 0,36 0,36
Примечание. Х - среднее значение, а - стандартное отклонение. В скобках - число проб в выборке. 1-4 - расплавные шлаки: силикатно-окисный (1), окисно-стеклянно-силикатный (2), стеклянно-силикатный (3), силикатно-стеклянный (4); 5-7 - спеченные шлаки: рудно-стеклянно-окисно-силикатный (5), железно-окисно-стеклянно-силикатный (6), силикатно-стеклянный (7); 8 -футеровка.
*Содержание железа, выраженное в виде металла. Анализы выполнены в Институте геохимии СО РАН.
0,37 0,30 0,83 0,28 0,73 0,09 0,94 0,63 0,27 0,78 0,47 1,25 2,30 0,96
Na2O 0,17 0,12 0,34 0,21 0,23 0,04 0,22 0,23 0,09 0,42 0,24 0,74 1,50 1,62
и 2 1 6 2 8 2 7 5 1 5 2 11 21 10
Rb 6 4 15 5 15 6 20 15 6 13 7 25 70 56
Ba 211 109 465 137 542 186 770 344 64 413 182 445 813 442
Sr 79 59 188 115 117 18 220 143 64 119 39 269 463 500
Sn 14 11 7 7 3 0 3 4 2 11 4 2 5 3
La 13 18 28 23 9 6 15 15 5 34 10 18 76 63
Ce 23 31 44 35 21 15 13 29 6 57 11 33 159 135
Y 7 3 12 8 17 2 17 12 0 27 14 17 30 20
Zr 30 10 66 78 57 16 58 32 12 223 158 60 249 82
Zn 80 39 67 23 57 2 45 79 18 87 20 57 114 60
Pb 2 0 3 2 5 2 3 4 1 4 1 4 14 11
^ 37 22 35 21 29 4 65 51 32 31 9 39 57 27
21 5 40 35 37 7 100 55 18 80 30 70 76 49
V 282 234 167 159 105 14 110 227 227 399 186 96 149 94
Ni 12 6 10 5 9 2 13 18 1 42 16 50 47 27
^ 20 17 11 13 14 11 7 15 3 32 25 27 22 17
Sc 10 12 10 10 10 2 9 8 1 16 5 10 21 7
Расплавные шлаки - продукты, образованные только из расплава, без ксеногенных выделений в них флюсов и руды. Внешне большинство расплавных шлаков представляют выделения с флюидальной (струйчатой) текстурой с гладкой поверхностью. Такая морфология свидетельствует о быстром остывании неоднородного по составу расплава на воздухе. Рас-плавным шлакам присущи силикатные минералы, окислы железа и стекло. В зависимости от соотношений этих фаз выделяются силикатно-окисные, окисно-стеклянно-силикатные, силикатно-стеклянные шлаки (рис. 2).
Спеченные шлаки представляют агрегаты расплавных фаз (стекла) с ксеногенными реликтовыми выделениями флюсов или иногда с металлическим железом. Для спеченных шлаков характерно обилие неровных поверхностей, порфировые структуры. Это отражает механизм их образования - захват со спеканием твердых минералов флюса жидким расплавом
(стеклом). В спеченных шлаках присутствуют новообразованные силикатные минералы, окислы железа, стекло, металлическое железо, а также реликты руды, кварца, полевых шпатов, карбоната. В зависимости от их соотношений выделяются рудно-стеклянно-окисно-силикатные, железно-окисно-стеклянно-силикатные, силикатно-стеклянные шлаки (рис. 2). Распространенность спеченных шлаков в «следах» железоделательных центров может отражать нарушение используемых древних технологий низкими температурами внутри горна, плохо издробленной и перемешенной рудой, недостатком древесного угля, избыточным количеством флюса, человеческим фактором - разной квалификацией и ошибками «металлургов». Поэтому именно спеченные шлаки, по сравнению с расплав-ными, несут больше информации о технологиях и продуктах, используемых для получения железа, ибо в них сохранились остатки руд, флюса, присутствует железо.
100° о
50°о ф..... **♦♦♦♦ **♦♦♦* ****** *♦*»♦♦♦♦ 'уу/Л\ кШ. ►**♦♦♦♦
♦♦<■- --иг/, /, ********
'•♦С
09 о
1 2 3 4 5 6 7 8
= А 8 Б * В И Г Д "Е
Рис. 2. Фазовый состав шлаков и футеровок железоделательного производства: 1-4 - расплавные шлаки: силикатно-окисный (1), окисно-стеклянно-силикатный (2), стеклянно-силикатный (3), силикатно-стеклянный (4); 5-7 - спеченные шлаки: рудно-стеклянно-окисно-силикатный (5), железно-окисно-стеклянно-силикатный (6), силикатно-стеклянный (7); 8 -футеровка; А - силикатные минералы (фаялит, монтичеллит, кирштейнит, пироксен); Б - минералы
окислов железа (вюстит, магнетит, гематит); В - стекло; Г - реликты железных руд; Д - реликты кварца; полевых шпатов, карбонатов; Е - железо
Железо - главный продукт производства. В сыродутном горне оно присутствует в виде крицы - пористой, насыщенной шлаком массы. Известно, что в условиях сильно восстановительной среды выход железа наиболее значительный, а количество углерода -на уровне концентраций в стали (0,1-2 %). При обога-щенности руды P2O5, N ^ их содержания также высокие. В слабо восстановительной среде выход железа - минимальный, а металл не содержит углерода [8, 9]. Кричное железо, как правило, отсутствует на территории металлургических памятников мира. Это объясняется его высокой ценностью в древности, в отличие от «бесполезных» шлаков, и плохой сохранностью из-за коррозии. Однако включения металлического железа обычно присутствуют в шлаках. Наибольшее его количество в прибайкальских «следах» (до 10 %) наблюдается в спеченных железно-окисно-стеклянно-силикатных шлаках. Отсутствие металла в шлаках указывает на то, что в момент образования шлаков в расплаве еще не началось восстановление железа из окислов.
Огнеупорные футеровки горнов (обмазки) -
породы, представленные песчано-глинистыми смесями с фракциями минералов, которые присутствуют в краевой части горна. В процессе плавки эта смесь превращается в высокоогнеупорный материал, позволяющий, с одной стороны, изолировать горн от окружающих «холодных» пород с целью поддержания в нем более высокой температуры, а с другой - придать ему определенную форму, округлую, грушевидную. Технология изготовления материала, использовавшегося в футеровках, заключалась в смешивании песча-но-глинистого вещества с отощителями, снижающими пластичность глин и повышающими их огнеупорность, - кварцем и полевым шпатом. Футеровки отличаются от шлаков высоким содержанием стекла и ксеноген-ных реликтов кварца и полевых шпатов (рис. 2).
Расплавные силикатно-окисные шлаки - продук-
ты, в которых наряду с преобладающими окислами железа содержатся силикатные минералы. Для этих шлаков характерны значительная плотность (3,5-4 г/см3), повышенная магнитность, черная окраска, металлический блеск, зернистый излом, бурые корки окисления железистых минералов на поверхности. Окислы железа представлены вюститом и магнетитом. Выделения вюстита имеют глобулярную форму, магнетита - изометричную. Размер зерен 20-100 цм. Содержание окислов железа в шлаках составляет 50-80 % (рис. 2). Силикатные минералы представлены фаялитом. Форма его выделений - вытянутая, по удлинению до 50-500 цм. В шлаке отмечаются: фаялит - 1040%; стекло - 5-10%; ксеногенные зерна руды - до 5%; металлическое железо - до 1%. Содержание железа в силикатно-окисных шлаках довольно высокое -55-65%, а SiO2 относительно низкое - 7-17% (таблица, выборка 1). Шлакам присуща обедненность лито-фильными элементами А!^, Na2O, Ы, Rb, MgO, CaO, Ba, Sr, Y, которая обусловлена незначительным количеством стекла в шлаке. Концентрации Zn, Sn, а также группы железа (№, повышены (таблица). Присутствие расплавных силикатно-окисных шлаков может свидетельствовать: об использовании высокожелезистой руды (более 60 %), о неприменении флюсов силикатного состава, концентрировании железа именно в шлаке, относительно низком выходе металла при плавлении и безуглеродистом составе железа [9].
Расплавные окисно-стеклянно-силикатные шлаки состоят из силикатных минералов, стекла и окислов железа. Для этих шлаков характерны средняя плотность (3-3,5 г/см3), зеленые и серые окраски, полуметаллический блеск, неровный или занозистый излом. Силикатные минералы представлены фаялитом, мон-тичеллитом, кирштейнитом и составляют в объеме шлака 40-60% (рис. 2). Их зерна имеют вытянутую форму, длину 0,2-2 мм. Окислы железа представлены вюститом и магнетитом, их количество - 10-25%. Форма выделений вюстита - глобулярная, магнетита -изометричная. Размер выделений - 10-50 цм. Судя по показателям преломления в шлаках, отмечаются как железистые, так и безжелезистые силикатные стекла. Их количество - 25-35%. Содержание железа в окис-но-стеклянно-силикатных шлаках составляет 42-55%, а концентрации SiO2, Al2O3, Na2O, Ы, Rb, MgO, CaO, Ba, Sr, Y выше, чем в силикатно-окисных шлаках (таблица, выборка 1-2). Это обусловлено большим количеством стекла в окисно-стеклянно-силикатных шлаках. Широкая распространенность окисно-стеклянно-силикатных шлаков в центрах Прибайкалья свидетельствует о стандартных условиях сыродутной плавки, среднем содержании железа в руде - 50-60%, умеренном выходе металла.
Расплавные стеклянно-силикатные шлаки - продукты, в которых наряду с преобладающими силикатными минералами присутствует стекло. Для них характерны низкая плотность (2,5-3 г/см3), зеленые и светло-зеленые окраски, стеклянный или жирный блеск, занозистый или раковистый излом. Силикатные минералы представлены фаялитом, пироксеном, ме-
лилитом. Оливины и пироксены имеют вытянутую форму, до 1-2 мм в длину. Мелилит образует таблитчатые зерна размером 100*300 цм. Силикатные минералы в шлаках составляют 50-60% (рис. 2). Стекла, судя по разным их показателям преломления, - железистые и безжелезистые; их количество - 30-40%. Окислы железа представлены вюститом и магнетитом - 5-10 %. Металлического железа очень мало (до 1%). Соотношение в шлаках железа 41%, SiO2 27%, CaO 11%, MgO 1,57% (таблица, выборка 3) обуславливает в них широкое развитие пироксена, монтичеллита и кирштейнита.
Расплавные силикатно-стеклянные шлаки. Для них характерны легкая плотность (2,5 г/см3), зеленые и темные окраски, стеклянный или жирный блеск, занозистый или раковистый излом. Стекла (75 %) представлены высокопреломляющими железистыми и низкопреломляющими безжелезистыми разностями. Силикатные минералы (10-20%) - оливин, пироксен, мелилит; окислы железа (5 %) - вюстит и магнетит; металлическое железо (до 1 %) (рис. 2). Относительно других расплавных шлаков в силикатно-стеклянных шлаках отмечаются максимальные концентрации SiO2, CaO, MgO, K2O, Li, Rb, Ba, Sr, Y и минимальные - железа (таблица, выборка 4), что обусловлено большим количеством в них стекла. Распространенность рас-плавных стеклянно-силикатных и силикатно-стеклянных шлаков на территории металлургического центра может указывать на низкое содержание железа в руде (~45 %); применение флюсов силикатного состава; сравнительно высокий выход металла; присутствие углерода в составе железа (стали) [8].
Спеченные рудно-стеклянно-окисно-силикатные шлаки состоят из силикатных минералов, окислов железа, стекла и ксеногенных реликтов руды. Для шлаков характерны умеренная плотность 3-3,5 г/см3, обилие неровных поверхностей, повышенная пористость (30%), порфировая структура. Последняя обусловлена присутствием порфировых включений реликтов руды. Среди силикатных минералов преобладает оливин (35-45%), который образуют массивные и вытянутые зерна длиной 50-2000 цм (рис. 2). Окислы железа (1530%) представлены вюститом, который образует округлые зерна. Стекла составляют 15-20%, реликты руды - 15-20% (магнетит и/или гематит). Спеченным рудно-стеклянно-окисно-силикатным шлакам свойственны сравнительно высокие содержания железа 47-59% (таблица, выборка 5), что обусловлено присутствием реликтов руды.
Спеченные железно-окисно-стеклянно-силикатные шлаки - продукты, состоящие из силикатных минералов, стекла, окислов и металлического железа. Для них характерна плотность 3-3,5 г/см3. Агрегаты шлаков могут иметь чашевидную форму. Это обусловлено их формированием в топке кузнечного горна под крицей в процессе ее обработки [7]. Силикатные минералы (30-40%) представлены оливином, который образует зерна длиной 200-2000 цм (рис. 2). Окислы железа (10-30%) - вюстит и магнетит; стекла - 20-40%. Металлическое железо (1-15%) отмечается в виде нитевидных или округлых выделений размером 0,1-5 мм.
Металлическое железо также может присутствовать в окисленном до вюстита или магнетита виде. В этом случае оно представлено чешуйчатыми выделениями вытянутой, округлой или сферической формы. Размер чешуек окисленного железа 0,3-3 мм. Образование чешуек связано с тем, что при механической обработке железа от него откалываются частицы, которые попадают в вязкую массу шлака, где происходит их окисление. В шлаках фиксируются повышенные концентрации элементов группы железа Cr, V, Ni, Co, Sc, а также Zn, Sn (таблица, выборка 6), что может быть связано с повышенным содержанием в них металлического железа. Характерна обогащенность Zr и редкими землями (La, Ce, Y). Большинство спеченных железно-окисно-стеклянно-силикатных шлаков образуются в ходе железообрабатывающих операций, на что указывают их морфологические особенности, присутствие металлического и окисленного железа.
Спеченные силикатно-стеклянные шлаки - образования, в которых силикатные минералы и стекло включают ксеногенные реликты минералов флюса -кварц, полевой шпат, карбонат. Для этих шлаков характерны низкая плотность (2,5-3 г/см3), зеленые и темные окраски, стеклянный блеск, раковистый излом. Силикатные минералы (25-35%) - оливин, пироксен, мелилит (рис. 2). Стекла (40-50%) - высокожелезистые и низкожелезистые силикатные. Окислы железа (до 10%) представлены вюститом и магнетитом. Зерна ксеногенных минералов флюсов имеют угловатую форму, обусловленную их механическим дроблением. Размер зерен 0,5-3 мм, и их количество составляет 520%. Спеченные силикатно-стеклянные шлаки обеднены железом, обогащены SiO2, Al2O3 CaO, K2O, Na2O, Li, Rb, Sr (таблица, выборка 7), что обусловлено низкими содержаниями окислов железа, присутствием кварца, полевого шпата, карбоната.
Футеровки горнов Для них характерна низкая плотность (< 2,5 г/см ), неоднородность, слоистость, землистая и стекловатая структуры. Эти образования представлены стеклом, ксеногенными зернами кварца и полевого шпата, труднодиагностируемым в шлифах глинистым агрегатом (рис. 2). По химическому составу футеровки от шлаков отличаются пониженным содержанием железа (10%), более высокой суммой SiO2+Al2O3 (74%), повышенными концентрациями K2O, Na2O, Li, Rb, MgO, Ba, Sr, Zr, редких земель (La, Ce, Y), а также Zn, Cu, Pb и группы железа Cr, Ni, Sc (таблица, выборка 8). Различия в составе проанализированных футеровок обусловлены разным составом глин. Футеровка, субстратом для которой служили глины, богатые щелочными и щелочноземельными металлами, отличалась легкоплавкостью. При достижении высоких температур в горне она могла расплавляться и поступать в расплав. С внешней стороны футеровки имеют сцементированную структуру, с внутренней - подвержены остеклованию и ошлакова-нию. Между сцементированным и стекловатым слоями футеровок наблюдается постепенный переход. Соотношение компонентов сцементированного слоя: глинистое вещество - 40%, низкопреломляющие низкожелезистые стекла - 30%, ксеногенные реликты
кварца и полевого шпата - 30%. Вещественный состав стекловатого слоя отражает влияние расплава на вещество футеровки. Стекла представлены - высоко-преломляющими железистыми (30-50%) и низкопре-ломляющими безжелезистыми силикатными (20-30%). Ксеногенные реликты (30-40%) кварца и полевого шпата, как правило, подвержены оплавлению. Включения реликтов руды и металлического железа присутствуют в количестве < 1%. Толщина остеклованного слоя футеровки > 5 см свидетельствует о многократном использовании горна. Вообще, малая распространенность футеровок на территории металлургического памятника может быть обусловлена наземной конструкцией горна. Известно, что такие горны были более уязвимы в сравнении с печами ямного типа [6]. Отсутствие футеровок в железоделательном центре может характеризовать центр как железообрабатыва-ющий [9].
Выводы. Разработанная классификация продуктов и «следов» древнего железоделательного производства охватывает все их разновидности, которые различаются своими морфологическими и вещественными характеристиками. Их особенности позволяют по разработанной методике выявлять специфику сырья и продуктов железоделательного производства. Классификация является научной количественной основой для выделения определенных типов продуктов и «следов» древней металлургии, проведения сравнительного анализа образований одинаковой
природы для установления единообразий и различий в технологиях получения железа в разных центрах, регионах на ранних исторических периодах зарождения развитого человеческого общества.
Использование методов минералогических и геохимических исследований применительно к древнему железоделательному производству будет способствовать разработке научных основ познания производства железа в центрах на территории Восточной Сибири, обоснованию их возможной миграции из Китая в ранние периоды или самостоятельного зарождения в Прибайкалье, с последующей передачей технологий гунскими племенами и, возможно, Чингис-Ханом на территорию Европы и древней Руси.
Автор выражает благодарность докт. ист. наук, проф. А.В. Харинскому (НИ ИрГТУ), специалисту-археологу М.С. Кустову, докт. геол.-минералог. наук, проф. Н.О. Кожевникову (ИНГГ СО РАН, Новосибирск), доц. Г.Н. Ивановой (НИ ИрГТУ) за любезно предоставленные образцы для исследований и аналитикам Института геохимии СО РАН Л.П. Феоктистовой, А.Л. Финкельштейну, Е.В. Савенковой, Т.М. Вороновой, И.М. Хмелевской, Л.В. Алтуховой, Г.А. Погудиной, В.А. Русаковой, С.С. Воробьевой, О.В. Зарубиной, Н.Л. Чумаковой, М.В. Пажитных, И.Е. Васильевой, Е.В. Шабановой за проделанные анализы.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-05-00263.
Библиографический список
1. Иванова Г.Н., Левицкий В.И., Павлова Е.А. Вещественный состав материала железоделательного производства на острове Ольхон // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2007. Вып. 4(30). С. 100-111.
2. Васильева И.Е., Шабанова Е.В. Дуговой атомно-эмиссионный анализ для исследования геохимических объектов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78, № 1 (ч. 2). С. 14-24.
3. Васильева И.Е., Шабанова Е.В., Анчутина Е.А., Сус-лопарова В.Е. Исследование стабильности материала стандартных образцов состава горных пород СГ-3, ССЛ-1, СИ-2 и СИ-3 // Стандартные образцы. 2012. № 2. С. 13-30.
2. Кустов М.С. Разведка по правому берегу Братского водохранилища // АО 2005 года. М., 2007. С. 484-485.
3. Кустов М.С. Спасательные работы на поселенческо-производственном комплексе Харанса VI на о. Ольхон // АО 2007 года. М., 2008. С. 59.
4. Харинский А.В., Снопков С.В. Производство железа населением Приольхонья в Елгинское время // Известия. Лаборатории древних технологий. 2004. Вып. 2. С. 167-187.
5. Buchwald V.F. Iron and steel in ancient times. - Kgl. Danske Videnskabernes Selskab, 2005. 372 p.
6. Charlton M., Crew P., Rehren Th., Shennan S., Explaining the evolution of ironmaking recipes - an example from northwest Wales, Journal of Anthropological Archaeology 29, 2010, 352-367 p.
7. Serneels V. (1993): Archéométrie des scories de fer, recherches sur la sidérurgie ancienne en Suisse occidentale. Cahiers d'Archéologie Romande n°61, Lausanne, 1993, 240 p.
