New methods in dendroarchaeology: possibilities for studying charcoals from archaeological sites (the case of the Kara-Dyt II site, Republic of Tyva)

Full Text

Развитие спектра естественнонаучных методов во второй половине прошлого века позволило широко применять их и в археологии. Этот опыт оказался настолько успешным, что обращение к ним прочно вошло в повседневную практику ученых. Один из самых точных естественнонаучных методов датирования с разрешением в год/сезон – дендрохронологический. Он повсеместно стал применяться при обнаружении древесины удовлетворительной сохранности (Büntgen et al., 2019; Жарников и др., 2020; Мыглан и др., 2020). Однако исследователи сталкиваются с рядом ограничений, которые существенно затрудняют процесс датирования памятников. Первое – плохая сохранность археологической древесины, второе – отсутствие для ряда регионов длительных древесно-кольцевых хронологий, пригодных для датирования.

Внедрение цифровых методов в дендрохронологическую практику (т.е. переход от непосредственного полуавтоматического измерения ширины годичных колец на образцах древесины под стереоскопическим микроскопом к измерению параметров годичных колец на цифровых изображениях высокого разрешения, полученных с помощью разного рода сканеров, фотоаппаратов, микроскопов и т.п. оборудования) подталкивает к переосмыслению названных ограничений в дендроархеологии, в первую очередь связанных с плохой сохранностью древесины. Яркий пример – древесные угли, которые широко распространены и часто фиксируются в ходе археологических раскопок. Тем не менее до сих пор древесные угли рассматривались как неперспективные в дендрохронологическом плане, пригодные только для определения видового состава и радиоуглеродного датирования (Филатова, Филатов, 2021). Считалось, что из-за их хрупкости процесс пробоподготовки и измерения существенно затруднен, а в силу небольшого размера и сильной фрагментарности они содержат небольшое количество древесных колец. В итоге потенциал древесных углей как источника информации оставался нераскрытым.

В рамках настоящей статьи рассматривается эффективность нового подхода пробоподготовки древесных углей из археологического памятника Кара-Дыт II (Республика Тыва, Россия), что снимает ранее существовавшие ограничения. Разработанная методика позволила использовать древесные угли как полноценный источник дендрохронологической информации, строить по ним древесно-кольцевые хронологии, а значит, выполнять календарную перекрестную датировку, что ранее считалось трудно осуществимым. Результаты исследования наглядно показывают, что в настоящее время древесный уголь превращается в весьма перспективный источник информации о прошлом.

Материалы и методы. Места сбора образцов располагаются в Республике Тыва, в северо-западной части Убсунурской котловины (рис. 1). В ходе разведки полевого сезона 2019 г. отдельным отрядом Тувинской археологической экспедиции Института истории материальной культуры РАН на берегу р. Кара-Дыт выявлена стоянка Кара-Дыт II, расположенная в 24.32 км к юго-западу от с. Саглы, в 4.4 км к северо-западу от дороги Хандагайты-Саглы, высота над уровнем моря – 1666–1668 м (рис. 2). Кара-Дыт – тюркское словосочетание, которое переводится как “черная лиственница”. Вероятно, названием река обязана лиственницам с обугленной корой в результате степных пожаров, которые и сегодня встречаются по ее берегам.

 

Рис. 1. Карта-схема района отбора образцов, в результате исследования которых построены древесно-кольцевые хронологии. 1, 2 – верхняя граница леса, хронологии Mongun и Kolch (соответственно); 3, 5 – лесостепная зона, хронологии Bora и Han (соответственно); 4 – стоянка Кара-Дыт II, хронология KD.

Fig. 1. A schematic map of the area, which provided samples for the study. Based on its results tree-ring chronologies discussed in the paper were constructed

 

Рис. 2. Общий вид окрестностей стоянки Кара-Дыт II, вид с севера.

Fig. 2. A general view of the surroundings of the Kara-Dyt II site, north view

 

На правом пойменном берегу реки зафиксирована небольшая площадка однослойной стоянки cо смешанным слоем и без каких-либо выявленных конструкций. Культурный слой насыщен фрагментами красноглиняной лепной керамики и железных шлаков, костями животных, найдена игла из медного сплава. Изучено 133 м² из общей площади в 450. В 2022 г. разведывательный шурф (2 × 1 м) в 195 м ниже по течению реки позволил почти полностью раскрыть один из сильно разрушенных горнов. В его заполнении в перемешанном состоянии зафиксированы фрагменты шлаков (71.5 кг) с крупными включениями древесных углей, фрагменты глиняных обмазки и воздуходувных сопел. Как сказано выше, среди артефактов, обнаруженных на памятнике, значительную часть составляют находки, связанные с металлургическим и кузнечным производством: куски железной руды, железные шлаки, фрагменты кричного железа. Вероятно, что пребывание людей на стоянке было связано именно с производственными процессами и носило временный характер.

Анализ существующих решений по пробоподготовке древесных углей показал их низкую результативность применительно к задаче быстрой обработки (в России отсутствуют исследования, связанные с построением древесно-кольцевых хронологий (далее ДКХ) по углям). Кратко остановимся на них. Классический способ подразумевает разламывание угля в поперечном направлении (Stokes, Smiley, 1996. P. 42). Несомненно, на разломе хорошо (четко) видны годичные кольца и отсутствуют следы внешних загрязнений. Однако в нашем случае сложно разломить крупные угли (диаметром более 50 мм), а мелкие (до 8 мм) часто разрушаются в результате механического воздействия. Главные недостатками этого подхода – отсутствие возможности стабильно получать ровную плоскость по линии разлома и потеря образца в случае неудачи. Существует способ, опирающийся на ручную подрезку лезвием поверхности углей под микроскопом (Rybnicek et al., 2022). Результат подрезки можно улучшить последующим контрастированием (порошком мела, пастой и др. мелкодисперсными составами), но, несмотря на хороший конечный результат, этот способ требует существенных трудозатрат и высокую квалификацию персонала, а значит, он плохо применим для массовой обработки материала. Вариант, связанный с пропиткой сложными составами с последующей подрезкой (шлифовкой), позволяет получать превосходное по качеству изображение (Rossi et al., 2006), но себестоимость оборудования и расходных материалов для подготовки образцов не позволяет использовать данный подход на массовом материале.

В результате для решения стоящей задачи сотрудниками Сибирской дендрохронологической лаборатории разработан авторский подход, позволяющий с минимальными трудозатратами выполнить быструю и качественную пробоподготовку большого числа древесных углей практически любого размера и формы. Важно подчеркнуть, что метод опирается на использование стандартного (обычного) шлифовального и микроскопического оборудования, имеющегося в распоряжении практически любой естественнонаучной лаборатории (которая занимается изучением древесины), т.е. имеет высокую степень доступности (воспроизводимости).

Образцы поступили в лабораторию в виде двух шлаков с включениями древесных углей (весом в пределах 5 кг). В процессе пробоподготовки потребовалось провести работу по извлечению хрупких древесных углей с наименьшими потерями материала. Для этого шлаки разламывали с помощью кирки, в некоторых случаях применялась углошлифовальная машина с алмазным диском. Всего извлечено 23 образца угля (рис. 3).

 

Рис. 3. Образец KD 004. Обозначения: а – подготовленная поверхность древесного угля под 30-кратным увеличением; фигурные скобки – границы годичных колец; цифры – порядковый номер годичного кольца; вертикальные отрезки – границы ранней древесины годичного кольца; кресты – границы поздней древесины.

Fig. 3. KD 004 sample

 

Древесные угли шлифовались на тарельчато-ленточном шлифовальном станке (лента P600, P1000, круг Р1000). В процессе шлифовки образцов образуется угольная пыль, которая заполняет трахеиды и препятствует визуализации клеточной структуры. Для ее удаления использовался бытовой пылесос. Для качественного (полного) удаления пыли очень важно предварительно высушить угли (до уровня не более 7%-ной влажности), поскольку при избыточной влажности образцов пыль забивает трахеиды и слипается, при высыхании затвердевает и ее невозможно удалить.

Для измерения годичных колец все чаще выполняется сканирование поверхности образцов с помощью профессиональных сканеров высокого разрешения (Brossiera, Poiriera, 2018). В нашем случае подготовленная торцевая поверхность древесных углей фотографировалась в отраженном свете при 30-кратном увеличении с помощью микроскопа AXIO zoom.V16 (CARL ZEISS), оснащенного моторизированным предметным столиком (рис. 3а). Применение микроскопа обусловлено наличием в образцах депрессий прироста годичных колец, ширина которых неразличима на изображениях, полученных при помощи сканера (с разрешением 4800 dpi). Полученные фотографии годичных колец образцов сшивались в программном пакете ZEN (CARL ZEISS), дополнялись сопроводительной информацией об увеличении, масштабе и т.п., после чего конвертировались в формат TIFF (Tagged Image File Format). В дальнейшем изображения обрабатывались в программе CooRecorder 9.8 (CR) (Larsson, 2013), где в ручном режиме выполнялось измерение линейных размеров по трем параметрам ширины: годичного кольца; ранней древесины годичного кольца; поздней древесины годичного кольца (рис. 3а). Графическое представление полученных данных выполнялось в программе CDendro 9.8 (Larsson, 2013). Датирование всех измеренных серий проведено посредством сочетания графической перекрестной датировки (Douglass, 1919) и кросс-корреляционного анализа в пакете специализированных программ для дендрохронологических исследований – DPL (Holmes, 1983) и TSAP v3.5 (Rinn, 1996).

В ходе процедуры происходило выявление выпавших колец и ошибок измерений, с последующим обращением к цифровым изображениям (проверялся факт наличия или отсутствия годичного кольца, вносились поправки в измерения). Возрастной тренд измеренных серий убирался путем стандартизации сплайном в ⅔ от длины каждой серии (Cook, Krusic, 2008). Выбор такого способа стандартизации определялся наличием у отдельных образцов коротких периодов с резким увеличением прироста (что характерно для прироста деревьев из лесостепной зоны). Оценка качества построенных хронологий выполнялась на основе применения традиционных показателей: коэффициентов корреляции (множественной и Пирсона), стандартного отклонения, EPS (чувствительность ДКХ к изменению внешних факторов (зависит от количества анализируемых образцов и показывает, как конкретная ограниченная выборка отражает сигнал популяции или генеральной совокупности)), RBAR (среднее значение коэффициента корреляции между отдельными сериями) и др. (Wigley at al., 1984).

Результаты. Из 23 образцов 21 оказался пригоден для измерения линейных параметров годичных колец. Измеренные индивидуальные серии прироста были перекрестно датированы относительно друг друга, т.е. одна индивидуальная серия принималась за эталон и выставлялась на нулевой год, относительно которого выполнялась перекрестная датировка остальных рядов измерений. Параметры измеренных и датированных друг относительно друга индивидуальных серий прироста приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Параметры индивидуальных серий прироста, полученных по древесным углям

Table 1. Parameters of individual growth series obtained from charcoal

№ лаб.	Порядковые номера ГК в общей относительной ДКХ	Длина ДКХ, лет	R	Средняя ширина ГК, мм	Максимальная ширина ГК, мм	SD
kd001	45–109	65	0.73	0.63	1.48	0.32
kd003	75–111	37	0.40	0.99	1.51	0.28
kd004	1–125	125	0.70	0.39	1.49	0.34
kd005	51–98	48	0.51	0.73	1.65	0.37
kd006	36–66	31	0.51	0.86	1.70	0.37
kd007	20–95	76	0.88	0.59	1.88	0.34
kd008	37–87	51	0.61	0.35	0.66	0.15
kd009	48–91	44	0.62	0.48	0.96	0.20
kd010	45–73	29	0.72	0.46	0.90	0.21
kd011	27–65	39	0.71	0.44	1.01	0.19
kd012	28–78	51	0.82	0.36	0.92	0.20
kd013	99–138	40	0.69	0.46	0.97	0.20
kd014	88–124	37	0.65	0.22	0.42	0.08
kd015	51–95	45	0.81	0.44	0.94	0.25
kd016	49–130	82	0.59	0.16	0.66	0.15
kd017	54–80	27	0.89	0.31	0.64	0.15
kd018	74–97	24	0.50	0.32	0.54	0.09
kd019	64–89	26	0.78	0.33	0.64	0.14
kd020	33–48	16	0.70	1.09	1.81	0.31
kd021	34–77	44	0.78	0.37	0.72	0.17
kd022	79–113	35	0.77	0.45	0.98	0.23
Среднее значение		46	0.68	0.50	1.07	0.23

Примечание: № лаб. – номер лабораторный, ГК – годичное кольцо, ДКХ – древесно-кольцевая хронология, R – коэффициент множественной корреляции, SD – стандартное отклонение.

 

Качество полученной выборки (число повторений и согласованность прироста) позволило построить стандартизированную древесно-кольцевую хронологию длительностью 138 лет, которая на периоде в 75 лет отражает внешний климатический сигнал (рис. 4).

 

Рис. 4. Стандартизированная древесно-кольцевая хронология KD (черная линия). Другие обозначения: серые линии – индивидуальные серии прироста; заливка – период при обозначенном стандартном отклонении, EPS.

Fig. 4. Standardized KD tree-ring chronology (black line)

 

Радиоуглеродная дата. С целью определения времени существования горна отобраны образцы древесного угля из заполнения рабочей камеры, по которым получена дата 1648±25 ВР (2σ 265–535 calAD) (SPb-3816). Перевод радиоуглеродных дат в календарные проводился при помощи программы OxCal 4.4. Результаты получены в Лаборатории изотопных исследований кафедры геологии и геоэкологии Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена (Санкт-Петербург).

Последующая калибровка радиоуглеродной даты проводилась при помощи программы OxCal 4.4. Из рис. 5 хорошо видно, что с наибольшей вероятностью время заготовки древесного угля приходится на интервал с 352 по 441 г. н.э.

 

Рис. 5. Калибровка радиоуглеродной даты в программе OxCal.

Fig. 5. Calibration of radiocarbon dates in the OxCal program

 

Наш опыт работы в дендроархеологии наглядно показывает, что увеличение доступности профессионального технического оборудования и цифровизация приводят к быстрому увеличению качества, расширения возможностей применения существующих и появлению новых подходов пробоподготовки. Это расширяет область применения дендрохронологического метода, в первую очередь для анализа материалов, ранее считавшихся непригодными к обработке, например, появляется возможность использовать древесные угли для построения тысячелетних древесно-кольцевых хронологий в лесостепной зоне. Несомненные преимуществами предложенного нами подхода – существенное снижение затрат на приобретение оборудования; повышение качества (точности) измерения годичных колец; появление возможности полноценной удаленной работы по измерению образцов (достаточно установить специализированную программу CooRecorder на подходящий по параметрам компьютер); снятие проблемы верификации (качество измерений на изображении легко проверяется независимыми исследователями); расширение диапазона измеряемых параметров годичного кольца (помимо ширины годичного кольца такой подход позволяет одновременно получить значения ширины ранней и поздней частей годичного кольца, оптическую плотность и др.). Важно подчеркнуть, что полученное изображение фиксирует клеточную структуру образца в момент оптимального состояния (достигнутое качество поверхности углей при пробоподготовке со временем неизбежно снижается, т.е. в дальнейшем не придется тратить время на повторную подготовку).

Не менее важный момент связан с возможностью применения новой методики пробоподготовки углей применительно к древесным углям на разных территориях. В нашем случае новая методика пробоподготовки успешно применена во второй раз (первый опыт см. Мыглан и др., 2023), т.е. продемонстрировала универсальность, и самое главное – масштабируемость, применимость к любым древесным углям.

Следует отметить, что полученная радиоуглеродная дата – это достаточно “грубая” календарная датировка, поскольку при отборе образца на радиоуглеродное датирование не удалось избежать “эффекта старого дерева”. Суть данного явления заключается в том, что при датировке древесины ключевое значение имеет факт наличия подкорового кольца, который прямо указывает на дату заготовки древесины. В случае древесных углей крайне сложно определить количество потерянных периферийных колец, что ведет к ошибке в датировке (сдвигу в прошлое на величину утерянных годичных колец). Классический подход к решению такой проблемы заключается в том, что перед проведением радиоуглеродной датировки отбирается материал с углей, ширина годичных колец которых указывает на близость подкорового кольца. За год заготовки древесины в таком случае принимается группа наиболее поздних близкорасположенных дат (Vodysov et al., 2020). Но на наш взгляд, такой подход следует применять с большой осторожностью, поскольку проведение радиоуглеродных датировок без привлечения дендрохронологического анализа (в случаях когда это возможно) намного увеличивает вероятность ошибки.

Наиболее оптимально использование при датировании метода “wiggle matching”, который дает большую точность датировки вплоть до нескольких лет (следует учитывать, что точность метода зависит от наклона калибровочной кривой). В данном случае при наличии древесно-кольцевой хронологии KD (построенной из перекрестно датированных относительно друг друга древесных углей) появляется возможность через известные интервалы времени (например, 30 лет) отобрать несколько проб материала для радиоуглеродного анализа. Для того чтобы обеспечить необходимый вес пробы, материал может отбираться не только с одного, но и с нескольких образцов древесного угля, так как они содержат годичное кольцо, датируемое одним годом.

Принципиальный вопрос, с которым сталкивается любой исследователь древесины с археологического памятника, связан с поиском источника происхождения древесины. Для решения этого вопроса нами выполнено сравнение параметров древесно-кольцевых хронологий, полученных по древесным углям (KD), с хронологиями, построенными по прилегающим участкам лесной растительности в степной части Убсунурской котловины (хронология Han, Bora, Тайник и др., 2022) и верхней границе леса (хронология Kolch, Тайник, 2019) (рис. 1).

Сравнение параметров хронологий (табл. 2) показало, что такие параметры ДКХ KD, как средняя ширины годичного кольца, – сопоставимы с параметрами остальных хронологий; максимальная ширина годичного кольца меньше, чем у остальных ДКХ, скорее всего, по причине того, что образцы углей из хронологии KD представляют собой фрагменты стволов деревьев, у которых отсутствуют начальные (центральные) кольца периода “большого роста”. Обращаясь к другим параметрам хронологий (межсериальный коэффициент корреляции, чувствительность и стандартное отклонение), можно констатировать, что простое сопоставление параметров ДКХ для прилегающих лесостепных участков и верхней границы распространения древесной растительности не позволяют однозначно разобраться в этом вопросе.

 

Таблица 2. Параметры древесно-кольцевых хронологий (ДКХ) для лесостепной зоны и верхней границы произрастания древесной растительности

Table 2. Parameters of tree-ring chronologies (TRC) for the forest-steppe zone and the upper limit of woody vegetation growth

Название хронологии		KD	Han	Bora	Kolch
Высота над уровнем моря, м		1680	1550	1550	2220
Количество образцов, шт.		21	32	16	50
Протяженность ДКХ	длина, лет	138	485	335	1452
	интервал, годы	1–138	1534–2018	1679–2013	561–2012
Средняя длина индивидуальной серии, лет		46	249	182	284
Ширина годичного кольца, мм	cредняя	0.47	0.27	0.53	0.43
	максимальная	1.88	3.33	3.05	3.72
Межсериальный коэффициент корреляции		0.69	0.84	0.77	0.66
Чувствительность		0.25	0.54	0.37	0.29
Стандартное отклонение		0.33	0.56	0.49	0.35

 

Учитывая, что калиброванная радиоуглеродная дата древесного угля приходится на интервал с 352 по 441 г. н.э., для решения вопроса об источнике происхождения древесины привлечена 2367-летняя региональная хронология по ширине годичного кольца для верхней границы произрастания древесной растительности – Mongun (Myglan et. al., 2012). Место отбора образцов (рис. 1, 1), по которым получена ДКХ Mongun, расположено в 120 км условно западнее стоянки Кара-Дыг II (рис. 1, 4), по образцам с которой получена хронологии KD, а ее качество позволяет датировать образцы палеодревесины с верхней границы леса в Республике Тыва и прилегающих территориях за весь указанный период. Проведенная перекрестная датировка ДКХ Mongun с KD (в программе COFECHA) показала, что хронологии не датируются. Это свидетельствует о том, что в древесных углях с памятника Кара-Дыт II не содержится сигнал, связанный с изменением температурного поля на данной территории.

Следует отметить, что построение ДКХ KD по древесным углям для аридной зоны Южной Сибири имеет принципиальное значение. В прикладном аспекте ее календарная привязка позволит дать точный ответ о времени функционирования металлургических печей, которые могут быть связаны с функционированием стоянки Кара Дыт II. В более широком аспекте проведение дальнейших исследований позволит привлечь археологическую древесину (древесные угли) в качестве важного источника экологической и палеоклиматической информации (Омурова и др., 2018). Дендрохронологические исследования исследуемой территории показали, что средний возраст лиственницы достигает 300 лет, а максимальный – более тысячи (Тайник и др., 2022). По этой причине работа в этом направлении приближает нас к возможности построения двухтысячелетней ДКХ для лесостепной зоны. На сегодняшний день наибольшая длительность ДКХ в этой зоне достигает 1102 года, а опубликована только 778-летняя часть этой хронологии (Taynik et al., 2023).

Получение региональной ДКХ такой длительности откроет широкие возможности для выполнения реконструкции режима увлажнения исследуемой территории, засух с высоким разрешением (год). Кроме того, закладывается прочный фундамент для решения старой научной проблемы, связанной с проведением календарной датировки образцов древесины из многочисленных курганов, расположенных в степных долинах Южной Сибири.

Итак, разработка нового подхода к изучению древесных углей из металлургических печей Республики Тыва и внедрение современных способов анализа дендрохронологических материалов открывают новые перспективы в деле изучения климатических изменений и культурного наследия прошлого. Проведение дальнейших исследований в этом направлении потенциально позволит решить принципиальную проблему, связанную с построением тысячелетней древесно-кольцевой хронологии и календарной датировкой многочисленных курганов в аридной зоне Южной Сибири.

Кроме того, радиоуглеродный возраст углей, извлеченных из шлаков, соответствует времени существования носителей кокэльской археологической культуры (III–V вв.) и позволяет перейти к соотнесению этих данных с материалами стоянки Кара-Дыт II, на которой зафиксированы аналогичные следы плавки и обработки железа. До сих пор культурно-хронологическая привязка памятника оставалась дискуссионной из-за сильно переотложенного культурного слоя и отсутствия каких-либо важных маркирующих поселенческий слой находок (предметов из металла хорошей сохранности, серий венчиков сосудов и т.д.). Продолжение исследований на правом берегу р. Кара-Дыт поможет определить границы производственной зоны и сделать эту связь более точной.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда, проект № 23-78-10118.

About the authors

Vladimir S. Myglan

Siberian Federal University

Author for correspondence.
Email: vmiglan@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

Anna V. Taynik

Siberian Federal University

Email: ataynik@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

Valentin V. Barinov

Siberian Federal University

Email: vvbarinov@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

Maya O. Filatova

Institute of Archaeology and Ethnography, Siberian Branch RAS

Email: mayaphylatova@gmail.com
Russian Federation, Novosibirsk

Varvara S. Busova

Institute for the History of Material Culture RAS

Email: kulturnijkarman@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

Olga V. Sycheva

Institute for the History of Material Culture RAS

Email: olysycheva@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

Oksana V. Naumova

Siberian Federal University

Email: ovnaumova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

Zakhar Yu. Zharnikov

Siberian Federal University

Email: zzharnikov@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

References

Supplementary files