Эксперимент начинает расшатывать теорию

Итак, одно из основных положений в истории освоения металлов, как это формулируется в учебниках, заключается в том, что в костер древнего человека попали куски самородной меди, которые при этом расплавились, а затем при остывании вновь отвердели. Столь странное свойство «камня» будто бы и было подмечено человеком, который в дальнейшем решил использовать его.

Но обратим теперь внимание на самый первый из выше перечисленных факторов, которые влияют на успешность выплавки металлов из руд, а именно – на температурный режим. И возьмем из книги «Металлургия железа в истории цивилизации» (авторы – П.Черноусов, В.Мапельман, О.Голубев; издание МИСиС, 2005 г.) график, который иллюстрирует доступные нашим предкам температуры в разные периоды истории, – см. Рис. 31.

На этом графике я специально отметил точку, которая соответствует температуре плавления меди – 1083,4^оС. Как легко видеть, эта точка оказывается весьма далеко от той части температурной кривой, которая находится в левой области графика и соответствует температурам, достигаемым в обычном костре (который на приведенной иллюстрации обозначен словами «гончарный очаг»).

Рис. 31. Температурный уровень термообработки изделий и извлечения металлов из руд (Черноусов и др.)

Тогда – как в обычном костре, где реализуются температуры существенно ниже точки плавления меди, человеку удалось бы случайно ее все-таки расплавить?.. Это просто противоречит самим основам физики!..

И каким бы образом при этом человек мог столкнуться с расплавленным металлом, имя в своем распоряжении только костер и самородки меди?..

Иногда можно встретить утверждение, что сначала человек научился плавить золото, а потом уже медь. Однако подобное утверждение в данном случае совершенно не спасает ситуацию, поскольку температура плавления золота всего на два десятка градусов ниже, чем у меди, и составляет 1064,4^оС, что также оказывается вне возможностей обычного костра.

В свете такого противоречия специалисты в области истории металлургии сейчас уже не говорят о случайном расплавлении самородных металлов. Вместо этого они ведут речь о выплавке меди непосредственно из руды, для чего требуются действительно существенно более низкие температуры – порядка 700-800^оС, вполне достижимые в костре при определенных условиях.

«Хотя мы и говорим, что в костре можно выплавить медь, это не значит, что ее удается получить в расплавленном виде. Путаница в этих терминах, к сожалению, весьма обычна даже в археологических работах. Ча­сто археологи пишут «плавленая» медь, когда в дей­ствительности имеется в виду медь, выплавленная из руды. Плавление означает перевод металла в жидкое состояние, в то время как выплавление является совер­шенно отличным процессом, с помощью которого из руды получают чистый металл через ее нагревание и соответствующие химические превращения. До откры­тия специальных горнов, высокая температура в кото­рых достигалась искусственным дутьем с использова­нием мехов, получить медь в расплавленном виде было невозможно» (Н.Рындина, «Человек у истоков металлургических знаний»).

Рис. 32. В обычном костре расплавить медь невозможно

Но как мы видели ранее, одной только температуры для выплавки металла из руды вовсе не достаточно. Что и продемонстрировали еще самые первые эксперименты, в которых пытались получить медь из различных руд. И весьма показательны здесь упомянутые ранее опыты Коглена.

«Сложенный конусом уголь, в середину которого были помещены двумя рядами мелкие куски малахита, был подожжен в ветреный мартовский день и горел несколько часов. Замеры температуры показали, что она достигла необходимого для восстановления уровня – 700-800°С. Но руда только обожглась, и чистой меди не получилось. Этому препятствовал обильный приток воздуха» (Н.Рындина, «Человек у истоков металлургических знаний»).

Из-за того, что в костре невозможно было выполнить второе условие – обеспечить восстановительную атмосферу, Коглен вместо ожидаемой металлической меди получил лишь ее оксид. Аналогичный отрицательный результат был достигнут и в следующей попытке, когда вместо малахита использовали куприт. Причина неуспеха заключалась в избытке воздуха в зоне реакций.

Н.Рындина утверждает, что большего успеха удалось добиться советским ученым В.Пазухину и Ф.Тавадзе, много лет посвятив­шим исследованию древнейшей металлургии.

«Они доказали, что восстановительная среда, несомненно, возможна в обычной куче древесного угля, если его накопилось в костре много и если он достаточно уплотнен уложенными поверх поленьями и защищен тем самым от сквозного продувания ветром. В таком костре без всяких особых приспособлений им удалось выплавить чистую медь: малахит и хризоколла «отпотевали» под толстым слоем прогоревшего угля чистым металлом» (Н.Рындина, «Человек у истоков металлургических знаний»).

На основании этого и других опытов Рындина считает, что на ранних этапах – не только в костре, но и в тигле – древние металлурги получали медь в виде губчатой массы, спекшейся из отдельных раз­мягченных, но не расплавленных зерен металла.

Однако, на мой взгляд, Рындина серьезно преувеличивает успех Пазухина и Тавадзе. «Отпотевание» металлом руды вовсе не означает добычу металла. Каковой не является и получение губчатой массы спекшихся зерен меди.

Что бы делал древний человек с этой массой спекшихся зерен?.. Максимум, что ему было доступно в таких условиях – попробовать механически отделить эти зерна от шлака и попытаться обрабатывать их горячей ковкой. Но при этом как отделить саму медь от шлаковых примесей?.. Качество ее, несомненно получалось бы просто никудышным.

Подобные находки в виде губчатой массы на местах древних металлургических производств (например, на севере Перу, где уже вполне успешно использовалась тигельная плавка), указывают скорее не на ожидаемый работавшими тут металлургами результат плавки, а на обычный брак, который они допустили, не доведя температуру в печи до необходимой величины. А поскольку извлечь медь из такой массы было очень непросто, они этот брак просто выбросили…

Скептически относятся к возможности выплавки металла из руды в обычном костре также и сами экспериментаторы. Например, Григорьев и Русанов, проводившие опыты уже в конце ХХ века – в том числе и с тем же малахитом.

«Попытки выплавить медь из руды в костре успеха не имели. Во-первых, в костре недостаточная температура, и поддув с помощью меха решительно ситуации не меняет. Во-вторых, при костровой плавке невозможно добиться необходимой атмосферы» (С.Григорьев, И.Русанов, «Экспериментальная реконструкция древнего металлургического производства»).

Не приводит к успеху и замена руды.

«В начале 20 века австрийский исследователь М.Мух проверил возможность получения меди в костре из медных сернистых руд (главным образом халькопирита). Он складывал куски руды в кучи и разводил огонь. При горении сульфидов температура повышалась, и медь начинала восстанавливаться. Однако Мух установил, что медь таким образом можно получить лишь в ничтожных количествах (в виде тонких волосинок или мха)» (С.Иванова, «Металл: рождение для цивилизации»).

Положительный результат достигается лишь в том случае, если используется тигель – хотя бы в виде обычного горшка, что продемонстрировали опыты уже упоминавшегося Коглена.

«При повторных опытах ту же смесь руды и угля Коглен заложил в горшок, прикрыл крышкой, горшок засыпал древесным углем и поджег. На этот раз он получил медь. В первом опыте причиной неудачи был избыток кислорода и отсутствие окиси углерода, необходимой для восстановления меди из окислов. Заметим: Коглен исходил из того, что в воспроизводимую им эпоху уже была керамика. Таким образом, медеплавильное производство возникает при переходе от костра к горну» (С.Иванова, «Металл: рождение для цивилизации»).

Рис. 33. Без горшка с крышкой не обойтись

И вот тут возникает очень серьезный вопрос: а зачем древний человек мог решить положить камни в горшок, накрыть его крышкой и поставить на угли или засунуть в печь?.. Что могло бы подвигнуть его на это?..

Представляется вполне естественным, что с самых древних времен человек экспериментировал в области приготовления пищи. Но зачем ему могло понадобиться засовывать в кулинарный горшок вместо съедобных продуктов какие-то камни?.. Это выходит за рамки всякой логики!..

Развенчание мифов

Однако этим неожиданные открытия в ходе экспериментов не закончились. Оказалось, что даже при тигельной плавке в печи не так-то просто обеспечить необходимые восстановительные условия.

«Мы столкнулись с достаточно сложно разрешимой дилеммой: малая подача воздуха не позволяет получить высоких температур, а большая приводит к купритизации руды. В результате большинства наших опытов мы получили куприт, в котором были заключены корольки меди различных размеров. При этом образование куприта происходит непосредственно на стадии плавки руды, а не из выплавленной меди. Проверка была осуществлена следующим образом: в печь вместе с рудой были помещены медные опилки. В результате руда в значительной степени перешла в куприт, а медь осталась в неизменном виде... Проблема купритизации оказалась в наших экспериментах наиболее серьезной, так как бороться с образующимся купритом чрезвычайно сложно… Подобные проблемы стояли и перед древними металлургами. В частности, полученные нами купритизированные шлаки очень близки шлакам центральноказахстанского поселения Атасу, а также некоторым образцам иных памятников» (С.Григорьев, И.Русанов, «Экспериментальная реконструкция древнего металлургического производства»).

Говоря другим словами, чуть что-то сделаешь не так – и вместо металлической меди получаешь ее оксид. Процесс, как выяснилось, оказался очень капризным…

Экспериментаторы пытались решить проблемы самым разным образом. В том числе и регулированием потока воздуха, подводимого в зону плавки.

«Видимо, потребуется корректировка расположения сопел относительно шихты и повышение качества угля…
Другим способом борьбы с купритом является сильное уменьшение дутья или полное его прекращение к концу плавки и попытка создать восстановительную атмосферу. Некоторые из подобных опытов завершились успехом. Именно так было получено два небольших слитка меди» (С.Григорьев, И.Русанов, «Экспериментальная реконструкция древнего металлургического производства»).

Однако одной только регулировкой дутья дело явно не ограничивается.

«Следует, однако, учитывать при подборе оптимальной атмосферы и характер загружаемой руды. Имея дело с окисленной рудой, мы вынуждены решать проблему изъятия из нее кислорода. Проще всего это сделать, поместив в печь тигель, в котором мелкодробленая руда смешивается с углем. Подобные опыты нами тоже проводились. Частицы руды неплохо восстанавливались, но уголь мешал им соединяться в слиток. Выбрать их впоследствии из шихты было довольно сложно. Лучшие результаты получились при использовании окисленных руд вместе со вторичными сульфидами или просто вторичных сульфидов. Шихта в этом случае помещается в печь. Выгорание серы приводит к повышению температуры, и она забирает лишний кислород. Используя подобный состав шихты, нам и удалось получить слитки. Видимо, в этих направлениях и будет решаться в дальнейших работах проблема купритизации руды» (С.Григорьев, И.Русанов, «Экспериментальная реконструкция древнего металлургического производства»).

Рис. 34. Медные слитки, найденные в Великом Новгороде

Результат, полученный Григорьевым и Русановым в опытах с использованием сернистых руд (вторичных сульфидов), определенно пересекается с выводами американских экспериментаторов. Вот, что пишет по этому поводу Антонелла Алунни, изучавшая образцы древнего металлургического производства на севере Чили:

«До недавнего времени многие ученые утверждали, что доисторические народы были неспособны использовать сульфидные руды для извлечения из них металлов. Клер Паттерсон, геолог, утверждал, что жители Анд вообще никогда не выплавляли медь из сульфидных руд или медных сульфарсенидов [сернистые руды, содержащие мышьяк, – АС]. Историки металлургии, геологи и археологи Старого Света полагали, что в Западной Азии и в Европе единственным вариантом для древних металлургов извлечь металл из сульфидных руд был двухэтапный процесс: 1) обжиг руды для удаления серы в виде SO₂, 2) непосредственно плавка окисленной руды с использованием топлива, производящего CO.

Недавние эксперименты продемонстрировали, что простым способом выделения металлов из сульфидных руд является совместная плавка с оксидной рудой. В этом процессе, сера выступает в роли восстановителя, как показано в следующем уравнении:

8CuCO₃ + Cu₃AsS₄ → Cu, As + 4SO₂ + 8CO₂

Сера окисляется и выводится в виде газа SO₂.

Совместная плавка – одностадийный прямой режим плавки. Вполне вероятно, что она использовалась в Андах и в других местах, так как при добыче продуктов выветривания первичных сульфидных руд, то есть оксидов, примеси окисленных руд неизменно и часто встречаются. Эти два типа минералов загружались в печь вместе. Металлурги, привыкшие к прямой плавке руды, подошли бы к совместной плавке таким же образом, как они традиционно плавили оксидную руду» (А.Алунни, «Исследование остатков медеплавильного производства в Сан-Бартоло, Чили»).

Заметим, что данный вывод подкрепляется результатами аналитических исследований отходов древнего металлургического производства, обнаруженных в Сан-Бартоло на севере Чили…

И к тому же выводу пришли российские исследователи:

«В ходе экспериментальных работ некоторые гипотетически выявленные вероятности отсеиваются. Особенно это касается идей, базирующихся на традиционных «мифах». Вот только один пример. В свое время, кочуя из статьи в статью, в археологии утвердилась идея многоступенчатой плавки медных руд. В той или иной степени ей уделяли внимание многие авторы. Взята же она была из письма И.Т.Савенкова, которое опубликовал Д.Н.Лев. Савенков же записал ее со слов горного техника Г.Г.Тихонова. Первые же наши эксперименты убедили нас в том, что предположение о многоступенчатой плавке в древности не подтверждается практикой» (С.Григорьев, И.Русанов, «Экспериментальная реконструкция древнего металлургического производства»).

Рис. 35. Экспонат в Карагандинском историко-краеведческом музее

 

Обрушение стереотипов

А теперь обратим внимание на одну маленькую, но весьма важную деталь. В приведенной выше цитате Алунни речь идет о сернистых рудах, содержащих мышьяк. Мышьяк достаточно часто встречается в медных рудах в качестве примеси. Вообще практически невозможно встретить абсолютно «чистую» руду. Примеси в ней – обычное дело. Но мышьяк – примесь особенная.

Дело в том, что в уравнении химической реакции из этой же цитаты запись в виде (Cu, As) означает уже не просто медь, а мышьяковистую бронзу!..

Когда историки и археологи говорят о наступлении бронзового века по той схеме освоения металлов человеком, которая фигурирует в учебниках, они подразумевают оловянную бронзу – сплав меди и олова. Причем процесс получения оловянной бронзы представляется в виде нескольких этапов – сначала получение отдельно меди и олова, а затем сплавление этих двух металлов. Именно таков стереотип, засевший в наших головах с детства.

Выводы же Григорьева и Русанова, а также американских исследователей, указывают на то, что нескольких этапов здесь вовсе не требуется. Гораздо проще получать, в частности, ту же оловянную бронзу сразу при одновременной плавке смеси медной и оловянной руды. Хотя бы так, как это проделал в уже упоминавшемся ранее опыте 1910 года Гоулэнд, смешавший для плавки малахит (медную руду) с касситеритом (оловянной рудой). Так что наше традиционное представление о том, что получение оловянной бронзы было связано именно со сплавлением чистых металлов – устаревший миф, не имеющий никакого отношения к реальности.

Рис. 36. Бронзовая статуэтка «Амур с лютней»

Мышьяковистая же бронза разрушает другой стереотип – миф о связи бронзового века именно с оловянной бронзой. Миф, порожденный тем, что историки и археологи на определенном этапе просто запутались в терминологии.

По самому определению этого термина, бронза – сплав меди с другими металлами. Не обязательно только с оловом. А и с мышьяком в том числе.

Присутствие даже небольших количеств мышьяка в шихте заметно облегчает процесс выплавки металла из медной руды. А наличие мышьяка в итоговом сплаве заметно меняет его свойства. В частности, по механическим свойствам мышьяковистая бронза вообще практически не отличается от бронзы оловянной. У нее есть лишь два недостатка. Во-первых, производство мышьяковистой бронзы связано с испарениями мышьяка, очень вредного для здоровья человека. А во-вторых, при переплавке мышьяковистой бронзы мышьяк, обладая высокой подвижностью при высоких температурах, просто улетучивается, что сопровождается потерей качества бронзы.

Оловянная бронза лишена этих двух недостатков. Вполне возможно, именно поэтому она довольно быстро вытеснила в древнем мире бронзу мышьяковистую. Но вытесняла-то оловянная бронза именно бронзу (пусть и мышьяковистую), а вовсе не медь, как это нам рисуют учебники!..

Это «небольшое» уточнение терминологии имеет несколько очень важных последствий.

Прежде всего, значительно удревняется время освоения человеком бронзы, ведь мышьяковистая бронза в основных известным нам культурах Древнего мира (Средиземноморье, Ближний Восток, север Африки) появляется на тысячелетия (!) раньше бронзы оловянной. А следовательно и значительно смещается назад во времени переход человека в бронзовый век. При этом автоматически устраняется масса противоречий, накопившихся между теорией и реальными фактами. Например, совсем недавно в учебниках можно было встретить утверждение, что бронза в Египте появилась лишь чуть ли не в конце Среднего Царства, в то время как на полках местных музеев можно было увидеть бронзовые предметы, датируемые Древним Царством…

Рис. 37. Бронзовый сосуд, датируемый Древним Царством (VI династия, Абусир, Египет)

Но что более важно – возникает «крамольный», но весьма закономерный вопрос: а был ли вообще на самом деле так называемый «медный век»?!.

В самом деле, если посмотреть критическим взглядом на древние изделия, как считается, «из меди», то при более внимательном анализе оказывается, что зачастую историки и археологи лишь банально запутались в терминологии, и на самом деле эти артефакты сделаны вовсе не из меди, а из мышьяковистой бронзы (просто с низким содержанием мышьяка). А количество действительно медных изделий в реальности очень невелико. Более того, нередко из-за сильной изношенности артефактов их химический состав вообще невозможно определить. Следовательно, невозможно и уверенно утверждать, что они сделаны именно из меди.

Исключение здесь составляет уже рассмотренная ранее Северная Америка, где благодаря месторождениям района Великих озер получили широкое распространение изделия из самородной меди. Во всем же остальном мире количество действительно медных изделий ничтожно мало по сравнению с изделиями из мышьяковистой бронзы. Вдобавок, такие медные изделия чаще всего носят характер украшений и ритуальных предметов. Инструменты же из «чистой» меди можно буквально пересчитать по пальцам.

Можем ли мы в таких условиях вводить для всего человечества некий «медный век», если подтверждения для него находятся только в одном, пусть и немалом по площади, но все-таки весьма изолированном регионе на отдельном континенте, обладающем уникальными рудными условиями?..

Строго говоря, мы не имеем никакого права распространять это единственное исключение на весь мир без дополнительных археологических подтверждений. А таких подтверждений, как выясняется, совершенно не обнаруживается. Так что если сейчас кто-то из историков металлургии и продолжает придерживаться мнения, что до освоения выплавки бронзы человек прошел через некий период господства медных изделий, то делает он это, опираясь исключительно лишь на субъективную привычку подгонять все под традиционную схему эволюции металлургических знаний, а вовсе не на объективные данные.

Рис. 38. Бронзовые инструменты скульптора Древнего Царства (Сакара, Египет)

И между прочим, прямому переходу человека из каменного века в век бронзовый (минуя стадию придуманного историками «медного века») имеется простое логическое обоснование. Ведь, как уже говорилось ранее, по температурному фактору, гораздо проще было получать металл из руды, а не путем расплавления самородков этого металла, а руды крайне редко бывают абсолютно «чистыми» и чаще содержат примеси, среди которых есть и мышьяк. И по какой бы причине человек не решил вдруг засунуть руду в горшок и поставить этот горшок на горящие угли (в костер или печь), он гораздо скорее должен был получить сразу мышьяковистую бронзу, а не чистую медь. Тут даже по чисто статистическим соображениям, вероятность получения сразу бронзы существенно выше вероятности получения таким образом чистой меди.

В итоге вывод – «медного века» не было вообще!.. Он оказывается еще одним застарелым мифом, который ныне рушится под давлением археологических данных и результатов экспериментальной металлургии.