Металлургические шлаки из поселения Кент (к проблеме начала получения железа на территории Казахстана)

Массовый переход к использованию железа для обеспечения разных сфер жизнедеятельности в I тыс. до н. э. стал основой для дальнейшего развития человеческой цивилизации. Однако, в археологии и истории металлургии Евразии по-прежнему остается немало вопросов касающихся особенностей производства, времени перехода к металлургии железа и др. Железные и биметалические изделия, полученные из кричного сырья, известны на достаточной широкой территории Евразии [6; 14] и отражают длительный процесс формирования металлургии железа в общем информационном пространстве огромного ареала культур Евразийской металлургической провинции.

Информация о находках железистых руд, железных шлаков и железа в памятниках бегазы-дандыбаевской культуры известна давно. Шлаки встречены на поселениях Кульман, Суук-Булак, в штольне одного из рудников Саякской группы меднорудных месторождений [15; 17]. По сообщению А. Х. Маргулана в поселении Шортанды-Булак был найден железный наконечник стрелы [15]. Видимо, бегазы-дандыбаевские металлурги предпринимали попытки освоения новых металлов, в первую очередь, железа.

С 1985 г. одним из отрядов археологической экспедиции Карагандинского государственного университета им. Е. А. Букетова ведутся исследования на поселении эпохи бронзы Кент. Поселение занимает оба берега небольшой речки Кызылкеныш (рис. 1). При разведочном обследовании окрестностей поселения Кент в 1985 г. в районе впадения в Кызылкеныш левого притока ручья Алат были зафиксированы поселения Алат, Алат I, Алат II.

Интенсивные раскопки на поселении Алат, ведущиеся с начала XXI века, дали материал — керамика валикового типа, бронзы, костяной инвентарь, предметы из камня — хронологически и культурно идентичный находкам из Кента, что стало основанием для объединения всех четырех памятников в один — поселение Кент в статусе протогорода [2]. Таким образом, алатские комплексы — это часть Кента, представлявшая собою производственный квартал. С начала XXI века стали появляться сообщения о раскопках металлургических печей и находках шлаков на поселении Алат [4; 7—13].

Металлургические шлаки поселения Кент с правого берега реки Кызылкеныш изучались С. А. Григорьевым [5]. Им представлена минералогическая характеристика медеплавильного шлака, в котором были обнаружены магнетит, кварц, малахит, куприт, стекло, корольки меди. В качестве медных руд, по мнению автора, использовался малахит.

Железные шлаки впервые были найдены в 1985 г. на противопожарной минерализованной полосе на участке Алат, тогда же на месте находок был заложен шурф. В шурфе, на глубинах от 0,2 до 0,4 м были найдены куски шлаков вместе с керамикой валикового типа. Шлаки черного и бурого цвета с желто-ржавым налетом, бугристые, пористые. Размеры шлаков от 3×2×4 до 10×7×6 см. Абсолютная датировка кентских шлаков устанавливается в комплексе всех находок на памятнике и соответствует среднему этапу его существования. Для бегазы-дандыбаевской культуры, самой яркой из культур восточного блока общности культур валиковой керамики, в настоящее время обосновано существование в пределах второй половины II тыс. до н. э. — X вв. до н. э. [3]. По древесному углю из раскопа 11, вещевой комплекс и керамика из которого идентичны алатским находкам, существует

Рис. 1. Поселение Кент. План (Авняков А. Д., Варфоломеев В. В.).

надежная дата 14С — 3180 ± 35 лет [2]. Представляется убедительным датировать железные шлаки из Кента временем не позднее XII в. до н. э., а возможно и ранее. Все сделанные ранее находки железного шлака диагностированы на основании визуальных определений, но эти находки не анализировались и их состав не был известен.

Методика исследований

Три образца шлаков из подъемных сборов были переданы в лабораторию химического анализа Химико-металлургического института им. Ж. Абишева, г. Караганда. Из одного образца шлака было изготовлено 4 полированных препарата. Эти препараты анализировались в Институте минералогии УрО РАН, г. Миасс, методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на портативном приборе Innov X alfa (метод позволяет определять элементы тяжелее Ti) (режим Process Analytical, время экспозиции 30 с). После чего исследования проводились методами оптической микроскопии в отраженном свете (оптические микроскопы Axiolab Carl Zeiss, Olympus BX51). Состав минералов шлака и стекла установлен на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 SBU с энерго-дисперсионной приставкой Oxford Instruments X-act; ускоряющее напряжение 20 кВ, время набора спектра 120 с) Формулы минералов рассчитывались анионным методом: оливина на 4 атома O, вюстита на один атом O.

Характеристика шлаков

Химический анализ трех образцов шлака показал разное, но сравнительно высокое содержание железа при полном отсутствии меди (табл. 1).

Таблица 1

Шлаки из поселения Кент.

Данные химического анализа

№ пробы	Содержание, %
	Fe	Cu
1	56,30	Не обнаружено
2	10,32	Не обнаружено
3	42,53	Не обнаружено

Образец железного металлургического шлака размером 10x8x5 см, изученный в Институте минералогии УрО РАН, имеет черный, бурый цвет. Шлак обладает средней степенью пористости (количество пор приблизительно 10—20% от общего объема шлака). Шлак магнитен, на спиле (без полировки) быстро окисляется, покрываясь бурыми пленками гидроксидов железа. Минеральный состав шлака представлен оливином, вюститом, железом, находящимся в матрице стекла. Шлак характеризуются порфировой (вкрапленники минералов погружены в стекловатую массу) структурой. Текстуры шлака весьма разнообразны: пятнистая (отличается неравномерным распределением в породе вкрапленников, а также неоднородной раскристаллизацией стекла), пористая (обусловлена наличием в породе незаполненный полостей), редко паркетовидная (характеризуется похожим на паркет расположением удлиненных кристаллов оливина и вюстита). Под микроскопом хорошо видна неоднородность шлака: встречаются как участки обогащенные железом, так и зоны, где железо составляет доли процента, а основную массу составляют зерна оливина, стекло, скелетные кристаллы вюстита (рис. 2).

Оливин (фаялит) является основным минералом шлака. В металлургии фаялит является минеральной основой кислых сталеплавильных, медеплавильных и других шлаков цветной металлургии [18]. В шлаке поселения Кент образует идиоморфные удлиненные, игольчатые, скелетные кристаллы, а также дендритовидные, перистые индивиды. Также часто встречается в виде мелких (меньше 1 мкм) удлиненных и скелетных микролитов в стекле. Состав фаялита близок к стехиометрическому, примеси Mg и Mn являются характерными для минерала (табл. 2) [1].

Вюстит — минерал образуется при высокотемпературном окислении Fe или восстановлении Fe 2 O₃ и Fe₃O₄. Широко распространен в окалинах, железорудных агломератах, металлизованных окатышах сталеплавильных шлаках, неметаллических включениях в стали [18]. В шлаке с поселения Кент вюстит встречается практически повсеместно, образуя дендриты, ксеноморфные (каплевидные, «кляксовидные») агрегаты, симплектиты в зернах оливина и вростки в стекле. Скелетные кристаллы вюстита зачастую развиваются под прямым углом относительно друг друга. Минерал характеризуется составом Fe_0,98Al_0,01O — Fe_0,99Al_0,01O.

Железо. Единственный металлический компонент в шлаке. Образует расплавные включения неправильной, кляксовидной, реже изометричной формы. В шлаке распределено неравномерно: от редких мельчайших включений до скоплений, где доля металла от общего объема шлака составляет 50—60%. По составу железо чистое, не загрязненное примесями.

Стекло — твердое аморфное вещество, не обладающее высокоупорядоченной структурой кристаллов, в большинстве случаев представляющее собой переохлажденную жидкость с очень высокой вязкостью [18]. В шлаке зачастую включает в себя мелкие кристаллиты оливина и червеобразные вростки вюстита. Ниже приведен состав стекла шлака, однако анализ может быть неточен (по содержаниям FeO, SiO₂и CaO) из-за попадания в область пучка электронов микролитов фаялита (табл. 3).

Обсуждение результатов, заключение

По сравнению с медными шлаками поселения Кент в железном шлаке отсутствует характерная медная минерализация и собственно, корольки меди. Отсутствие примесей Cu, Zn и других цветных металлов указывает, что этот шлак был получен при целенаправленной переработке железных руд именно для получения железа. Все минералы шлака с поселения Кент являются новообразованными при переплавлении железных руд. В шлаке не обнаружено реликтов минеральных включений или горных пород, устойчивых к воздействию высокой температуры, сохранившихся при плавке.

Это, скорее всего, связано с тем, что в качестве исходных руд использовались бурые железняки.

Рис. 2. Неоднородные зоны в металлургическом шлаке с поселения Кент. Присутствуют участки (вверху и снизу) и оторочки обогащенные железом (белое); участки развития скелетных кристаллов вюстита (светло-серое, справа) и участки, в основном состоящие из оливина (серое), стекла (темно-серое) и скелетных кристаллов вюстита (слева). Отраженный свет. Обр. КНТ-01

Таблица 2

Состав фаялита в металлургических шлаках с поселения Кент

№ п/п	№ анализа	FeO	SiO2	MgO	CaO	MnO	Сумма	Кристаллохим. формула
1.	15223e	66,95	30,18	1,56	0,84	0,58	100,11	(Mn0,02Ca0,03Mg0,08Fe1,87)1,99Si1,01O4
2.	15223f	66,48	30,58	1,79	0,73	0,57	100,15	(Mn 0,02 Ca 0,03 Mg 0,09 Fe 1,84 ) 1,97 Si 1,01 O 4
3.	15223g	66,23	30,72	1,93	0,77	0,53	100,18	(Mn 0,01 Ca 0,03 Mg 0,1 Fe 1,83 ) 1,97 Si 1,02 O 4
4.	15223h	66,78	30,75	1,34	0,73	0,55	100,15	(Mn 0,02 Ca 0,03 Mg 0,07 Fe 1,85 ) 1,96 Si 1,02 O 4
5.	15223i	66,96	30,64	1,13	0,92	0,53	100,18	(Mn 0,01 Ca 0,03 Mg 0,06 Fe 1,86 ) 1,96 Si 1,02 O 4

Примечание : анализы выполнены в Институте минералогии УрО РАН на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 SBU. Аналитик И. А. Блинов.

Таблица 3

Состав стекла в металлургических шлаках с поселения Кент

№ анализа	SiO2	Al 2 O 3	FeO	K 2 O	CaO	Na2O	P 2 O 5	SO3	Сумма
15223j	42,71	21,71	15,08	8,02	5,11	5,08	1,2	0,92	99,83

Примечание : анализы выполнены в Институте минералогии УрО РАН на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 3 SBU. Аналитик И. А. Блинов.

Авторы раскопок квартала металлургов предполагают завоз железной руды для переработки в Кенте из железорудного месторождения Кентюбе в 25 км к ССВ от Кента, где добыча руды ведется и в настоящее время. На месторождении зафиксированы древние выработки в окисленных железных рудах [16]. Однако, это предположение требует надежной аргументации.

При сравнении с железными шлаками Лузатии (Германия, VIII в. до н. э. — IV в. н. э.) [19] со шлаками поселения Кент отмечается похожее содержание железа: в шлаках Лузатии в среднем до 47%, в шлаках Кент до 56%, при том, что в чистом магнетите содержания железа достигают 72% [1]. Это свидетельствует о сопоставимых результатах извлечения железа из руд.

Таким образом, можно констатировать, что в Кенте зафиксированы достаточно ранние опыты получения железа на территории Казахстана, которые проводились металлургами бегазы-дандыбаевской (алексеевско-саргаринской) культуры восточной зоны общности культур валиковой керамики. Участок Алат (поселение Алат) может рассматриваться как ремесленный квартал протогорода Кент, в котором металлурги, изготовлявшие бронзолитейную продукцию оригинальных и традиционных типов Евразийской металлургической провинции, предпринимали попытки производства железа. Железных вещей в Кенте не найдено, но в раскопе 11 найден кусок железа неправильной формы. Дальнейшие исследования по вопросу производства железа на поселении Кент следует направить на изучение железорудной базы района поселения для обнаружения возможных источников металлургического сырья.