X-ray computer tomography in the studies of ceramic vessels

Изучение технологии изготовления древней керамики, несомненно, является очень сложной задачей. Если способы обработки поверхности сосуда можно определить с помощью бинокулярного микроскопа, не разрушая изделие, то особенности исходного сырья, рецептуры формовочных масс и конструирования, согласно методике А. А. Бобринского (1978), следует проводить по свежим изломам керамики, что позволяет более четко различить следы работы гончара. В этом случае вне поля зрения исследователя оказываются целые сосуды, входящие в состав керамической коллекции археологического памятника.

В попытках заглянуть «внутрь» стенок сосуда, не разрушая его, археологи давно ( Titterington , 1935) используют рентгенографию, пытаясь с ее помощью

1 Работа выполнена по гранту МОН РК № АР05131861 «История населения степной зоны Казахстана эпохи бронзы – начала раннего железного века (по данным гончарной технологии)».

определять характеристики минеральных и органических примесей, изучать технологию изготовления (см., например: Сайко , 1966. С. 42, 43, 61, 62; 1982. С. 63, 64; Софейков , 1990. С. 94; Rye , 1977; Braun , 1982; Foster , 1985; Berg , 2008) и даже идентифицировать черепки, принадлежащие одному изделию ( Carr , 1993). Однако получаемые изображения в большинстве случаев затруднительно правильно интерпретировать в силу проецирования на одну двухмерную плоскость всего трехмерного объема сосуда, в результате чего наблюдается расфокусированное взаимное наложение внутренних структур и объектов (например, пустот и минеральных включений).

Данного недостатка лишен метод компьютерной томографии (КТ), за разработку которого А. Кормак и Г. Хаунсфилд получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1979 г. ( Cormack , 1992; Hounsfield , 1992).

Первоначально КТ была разработана как медицинский диагностический инструмент, поэтому логично, что археологи начали применять ее к древним человеческим останкам. В конце 1970-х гг. КТ была впервые использована для изучения египетских мумий ( Lewin, Harwood-Nash , 1977; Harwood-Nash , 1979), с начала 1990-х гг. КТ-исследования применяются в палеопатологии ( Hodler et al. , 1990; Anderson , 1991). Об использовании КТ для изучения археологических артефактов (некерамических) впервые сообщил К. Mазанский ( Mazansky , 1993).

В 1998 г. автор данной статьи предложил использовать компьютерную томографию в качестве неразрушающего инструмента для изучения конструирования целых и относительно целых сосудов. Предварительные результаты были опубликованы ( Ломан , 1998; 2004).

К сожалению, дальнейшая работа в этом направлении была прекращена по причине дороговизны КТ-исследований и малодоступности медицинских КТ-сканеров. Лишь в недавнее время, когда КТ-оборудованием располагает любое современное медицинское учреждение, появилась возможность провести исследования в более широком масштабе.

В настоящей статье излагаются некоторые результаты изучения большой серии (более 200 экз.) разновременных керамических сосудов, полученные с помощью современного рентгеновского компьютерного томографа.

Методика

Рентгеновская томография использует способность рентгеновского излучения проникать сквозь предметы. На пути сквозь объект к детектору рентгеновского излучения часть излучения поглощается материалом объекта. Уровни яркости на рентгеновском изображении зависят от плотности областей, через которые проходят лучи. Наиболее ярким участкам объекта соответствуют значения максимальной плотности.

При обычном рентгене излучение проходит сквозь предмет в одном направлении (одной проекции). В результате создается изображение с эффектом суммации всех структур объекта. При компьютерной томографии источник рентгеновских лучей вращается вокруг объекта, выполняя по определенной программе серию снимков под разными ракурсами. Полученные данные обрабатываются компьютером, формирующим послойные изображения-срезы без эффекта суммации, что помогает, например, увидеть пустоты и включения в керамике, которые иначе мы могли бы упустить из виду.

Для проведения исследований на компьютерном томографе была подготовлена серия целых и археологически целых керамических сосудов, происходящих из раскопок казахстанских памятников эпохи бронзы и раннего железного века. Измерения проводились с использованием мультисрезового КТ-сканера Hitachi ECLOS 16 (рентгеновская трубка от 3,5 до 5 MHU, мощность генератора 48 кВт).

Опытным путем было установлено, что оптимальное количество сосудов для одного сеанса сканирования должно быть не более двух. Если же высота сосуда превышает 30 см, то не более одного. Сосуды размещались один за другим вдоль продольной оси стола томографа. Время томографического сканирования одной партии составляло пять – семь минут.

На следующем этапе полученные данные обрабатывались с помощью программы Radiant DICOM Viewer, позволяющей просматривать виртуальные срезы объекта в различных плоскостях, применять фильтры для улучшения сканированных изображений, а также создавать трехмерные реконструкции, определять сравнительную плотность в разных точках сосуда, производить точные измерения его параметров (рис. 4: 2 ). Файл объемных данных каждого образца был восстановлен с помощью надлежащих алгоритмов из примерно 400 необработанных рентгенографических 2D-изображений.

Результаты

В общей сложности с применением рентгеновского компьютерного томографа автором было изучено более 200 керамических сосудов. В качестве примера в настоящей статье представлены результаты исследования пяти экземпляров. Технология изготовления сосудов № 1–3 была предварительно изучена по методике А. А. Бобринского с применением бинокулярного микроскопа МБС-10 ( Бобринский , 1978). Для того чтобы понять, как обнаруженные особенности конструирования могут отобразиться на КТ-изображениях, было проведено КТ-сканирование сосудов (параметры: ток рентгеновской трубки – 250 мА, напряжение рентгеновской трубки – 120 кВ, толщина продольного среза 1,25 мм, толщина поперечного среза 0,6 мм).

Сосуд 1 (рис. 1: 1 ).

Происхождение: могильник Каратугай (Карагандинская обл., Казахстан), сооружение 4, могила. Памятник относится к саргаринско-алексеевской культуре конца эпохи бронзы, датируется XI–X вв. до н. э. ( Ломан , 2019а. С. 144). Сосуд археологически целый, реконструированный.

На КТ-изображениях, после их дополнительной программной обработки, хорошо заметны спаи между строительными элементами, показывающие их форму и траекторию наложения (рис. 1: 3 ). Визуализация спаев подтверждает результаты, полученные ранее по методике А. А. Бобринского ( Ломан , 2019б.

С. 118): начин – донно-емкостный лоскутно-комковатый, дно укреплено внутренним слоем лоскутов; полое тело – однослойное лоскутно-комковатое. Воротничок изготовлен из налепной глиняной ленты.

Кроме того, оказалось, что КТ-сканы могут дать представление о форме, размерах и общей концентрации частиц минеральных примесей в формовочной массе (рис. 1: 2 ). К сожалению, определить качественный состав добавок (шамот, дресва, песок) пока затруднительно, поскольку, например, шамот плохо контрастирует с исходным сырьем сосуда.

Сосуд 2 (рис. 2: 1 ).

Происхождение: могильник Сатан (Карагандинская обл., Казахстан), ограда 1, могила 5. Памятник относится к раннему этапу алакульской культуры эпохи бронзы ( Евдокимов , 1981) и датируется 1877–1701 гг. до н. э. ( Кукушкин и др. , 2019. С. 130). Сосуд археологически целый, реконструированный. По результатам томографирования (рис. 2: 2, 3 ) подтверждена донно-емкостная программа конструирования начина. При изготовлении полого тела использовались лоскуты, накладывавшиеся по спиральной траектории, причем в нижней части емкости наблюдается двойной слой лоскутов (рис. 2: 3 ).

Сосуд 3 (рис. 3: 1 ).

Происхождение: могильник Сатан (Карагандинская обл., Казахстан), курган 2. Сосуд археологически целый, реконструированный, происходит из погребения раннего железного века, впущенного в насыпь раннеалакульского кургана. Начин донно-емкостный, из двух слоев лоскутов, накладывавшихся по спиральной траектории, как и полое тело (рис. 3: 2–4 ).

Сосуд 4 (рис. 4: 1 ).

Происхождение: могильник Енбек-Суйгуш (Карагандинская обл., Казахстан), ограда 13. Памятник относится к бегазинскому варианту саргарин-ско-алексеевской культуры конца эпохи бронзы ( Ломан , 2013. С. 257). Сосуд археологически целый, реконструированный. КТ-сканирование позволило определить особенности конструирования сосуда без его разрушения: начин – донно-емкостный (заметна непрерывность линий спаев на переходе от днища к тулову), спирально-лоскутный; полое тело – спирально-лоскутное (рис. 4: 2, 3 ). Венчик изготовлен из отдельного жгутика.

Сосуд 5 (рис. 5: 1 ).

Происхождение: могильник Шоиндыколь (Павлодарская обл., Казахстан), раскоп № 2, могила 7. Сооружения раскопа № 2 относятся к федоровской культуре эпохи бронзы ( Варфоломеев , 1989.С. 76). Сосуд полностью целый, технология конструирования определена с помощью КТ. Диагональное расположение линий спаев между лоскутами в продольном разрезе сосуда говорит о спирально-лоскутном способе конструирования емкости. При этом хаотичность линий спаев в днище показывает лоскутно-комковатый способ его изготовления. Емкостный начин сосуда определяется по хорошо заметным вертикальным пустотам в придонной части между днищем сосуда и его стенками, что свидетельствует об их раздельном изготовлении (рис. 5: 2, 3 ).

Рис. 1. Сосуд 1

• 1    – фотография сосуда;

• 2    – исходная томограмма;

• 3    – обработанная томограмма.

Здесь и далее красной пунктирной линией выделены спаи между глиняными лоскутами

Рис. 2. Сосуд 2

1 – фотография сосуда;

2 – исходная томограмма;

3 – обработанная томограмма

слоями лоскутов

R а спай между двумя

Рис. 3. Сосуд 3

1 – фотография сосуда; 2 – исходная томограмма; 3 – обработанная томограмма (поперечный срез); 4 – обработанная томограмма (продольный срез)

Рис. 4. Сосуд 4

1 – фотография сосуда;

2 – исходная томограмма с обозначенными параметрами сосуда;

3 – обработанная томограмма

12.86 см венчик из жгутика спай между шейкой итуловом

Рис. 5. Сосуд 5

• 1    – фотография сосуда;

• 2    – исходная томограмма;

• 3    – обработанная томограмма

  
  
  

Выводы

Компьютерная томография (КТ) высоко ценится как эффективный медицинский диагностический метод. Вместе с тем, преимущества КТ делают ее мощным аналитическим инструментом для специалистов по древней гончарной технологии: во-первых, она дает возможность изучать сосуд, не повреждая его; во-вторых, это делается сравнительно быстро; в-третьих, можно единовременно наблюдать особенности изготовления сосуда по всей его высоте и объему. В-четвертых, полученные данные имеют цифровой формат, что позволяет хранить их, а также просматривать в специальных программах для постобработки КТ-сканов (RadiAnt DICOM Viewer, Vidar DICOM Viewer, Sante DICOM Viewer и др.). Такие программы дают возможность производить с полученными изображениями различные действия: масштабировать, корректировать резкость, яркость и контрастность для лучшей визуализации линий спаев и мелких деталей, оценивать показатели плотности различных участков, точно определять размеры отдельных элементов, в том числе минеральных примесей, а также параметры сосуда (высоту, диаметр, толщину стенок и днища), получать виртуальные разрезы сосуда в любой плоскости, строить трехмерные реконструкции, создавать видеопрезентации, экспортировать файлы в графические форматы JPEG/ BMP и др. Скан по центральной вертикальной оси позволяет получить точный абрис внешнего и внутреннего контуров сосуда. Если внешний контур еще можно воспроизвести, например, с помощью фотографирования, то внутренний контур целого сосуда невозможно изобразить обычными для археолога способами. Между тем, по мысли А. А. Бобринского (Цетлин, 2010. С. 237), внутренний контур передает более древние представления гончаров о форме сосуда.

Цель написания данной статьи состояла в демонстрации неоценимого потенциала КТ при изучении технологии изготовления древней керамики. В будущем предстоит изыскать возможности применения в данной области более мощных компьютерных томографов, использующихся в промышленности; компьютерных микротомографов для изучения фрагментов керамики; а также следует создать базу экспериментальных и археологических эталонов для уточнения признаков, по которым можно диагностировать конструктивные особенности лепных глиняных сосудов. Безусловно необходимо, чтобы интерпретация полученных данных проводилась специалистом, обладающим соответствующими знаниями в области древней гончарной технологии.

Благодарности

Автор выражает благодарность за содействие в проведении исследований на компьютерном томографе сотрудникам ТОО «Медицинская фирма “Гиппократ”» (г. Караганда) Генеральному директору Н. Ю. Хохловой, главному специалисту по лучевой диагностике О. М. Мазурчаку, лаборантам КТ-кабинета Г. М. Бакишевой и Т. Л. Лукьянченко.