В МИРЕ НАУКИ. (Scientific American. Издание на русском языке). Август 1988. Стр. 72-79
Первые печи для получения
железа в Центральной Африке
Более 2500 лет назад племена, жившие близ озера Виктория, начали получать железо в высоких печах, в которых выделялось необычно большое количество тепла. Авторам удалось разгадать секреты этой древней технологии
ФРЕНСИС ВАН НОТЕН, ЯН РЭЙМАКЕРС
ВНАЧАЛЕ 50-х годов люди племени бакунда в Южном Заире обнаружили близ своей деревни в песке глиняные предметы, похожие на грубый кирпич. Многие из этих предметов были украшены отпечатками в виде круга или линии. Осмотреть находку пригласили двух сотрудников Института научных исследований в Центральной Африке: Жана Иерно и Эмму Маке. Произведя раскопки, они установили, что из этих кирпичей была выложена часть высокой печи для получения железа. Технология получения железа в высоких печах не была известна людям племени бакунда. Археологи предположили, что печи были построены в древности людьми, обладавшими сложной технологией получения железа.
Это предположение оказалось верным. Археологические открытия, сделанные в прошлом десятилетии, показывают, что высокие печи представляют собой замечательный образец технологии раннего железного века, широко распространенной в Межозерье — районе Центральной Африки, включающем восток Заира, Руанду, Бурунди, север Танзании, юго-запад Кении и Уганду. Используя лишь простые материалы, металлурги того времени могли достигать температур до 1500 °С, необходимых для получения железа из руды. Технология выплавки железа появилась в Межозерье в первом тысячелетии до нашей эры и использовалась во многих районах вплоть до начала XX в. Хотя ее происхождение пока неясно, благодаря систематическим раскопкам и этнографическим исследованиям начала вырисовываться подробная картина того, как работали эти высокие печи.
ЖИТЕЛИ Межозерья (лежащего между озером Виктория и цепью меньших озер) являются потомками мигрантов говоривших на языках банту. Эти переселенцы прибыли из области, которую сейчас камерунцы называют Грассфилдс. Несколько тысяч лет назад они начали миграцию в южном направлении и в конце концов осели в районе, простирающемся от Южной Африки до Камеруна и Кении. В этом районе живут племена, говорящие на 650 языках банту. Основной областью нашего исследования было Межозерье, где, как показывают результаты недавних раскопок, в ранний железный век существовала постоянная, или однородная, технология получения железа.
Это постоянство было как пространственным, так и временным. Недавние исследования показывают, что для раннего железного века в указанном районе характерна пространственная однородность. Кроме того, датировки появления технологии железного века почти одинаковы в областях, исследованных до сих пор. В то время, когда Иерно и Маке проводили свои первые раскопки, метод радиоуглеродной датировки не применялся широко, поэтому первые находки невозможно было достоверно отнести к какому-то времени. Впоследствии этот метод позволил датировать ряд находок в Руанде, Бурунди, Уганде, Судане, Кении, Танзании и Заире. После этого стало очевидным, что во всех этих районах технология раннего железного века появилась примерно к началу VII в. до н.э.
Культура раннего железного века в Межозерье характеризуется не только существованием технологии получения железа, но также и особым типом керамики, почти всегда связанным с этой технологией. Один из авторов (Ван Нотен) назвал комбинацию этой культуры, ее керамики и способов получения железа промышленным комплексом раннего железного века. После своего появления в первом тысячелетии до нашей эры промышленный комплекс просуществовал более 1000 лет. Он достиг вершины развития в первой половине первого тысячелетия н. э., затем его заменили в VIII в. более богатые общества позднего железного века с более выраженной социальной стратификацией.
Промышленный комплекс, представляющий начало технологии железного века в Межозерье, заключал в себе ряд проблем для историков. В 1960-х годах считалось, что распространение способов получения железа было связано с миграцией людей, говорящих на языках банту, из области Грассфилдс в Камеруне. Однако даты, относящиеся к VII в. до н. э., которыми отмечено появление технологии железного века в Межозерье, являются одними из самых ранних для Африки южнее Сахары. Они столь же ранние, как и даты, относящиеся к Грассфилдсу. Согласно современным представлениям, племена, говорящие на языках банту, начали свое движение из Грассфилдса задолго до появления там технологии железного века. Возможно, что эта технология была перенята при передвижении на юг; она могла возникнуть и независимо в Межозерье (хотя последнее представляется менее вероятным).
Даже если нам не удастся полностью объяснить происхождение этой замечательной технологии, мы можем установить ее сущность на основе как археологических, так и этнографических исследований. В основе этнографических исследований лежат ранние этнографические записи о получении железа в указанном районе, а также метод реконструкции первоначальных способов получения железа в железном веке, с помощью местных жителей. Такая этнографическая реконструкция возможна в Центральной Африке, поскольку эти способы еще сохранились в памяти стариков. Во время второй мировой войны, когда остро ощущалась нехватка импортируемого железа, благодаря старожилам в некоторых местах была возрождена технология железного века.
ВЫСОКАЯ ПЕЧЬ для получения железа, построенная народом фипа в Танзании. Под шахтой, сооруженной из глины, находится большая яма. Глиняные трубки у основания шахты (фурмы), служили для подачи в печь воздуха. Такие печи, впервые появившиеся в Центральной Африке в VII в. до н. э., использовались в некоторых районах и в 1914 г. Фотография, сделанная бельгийским этнографом Р.П. Уикертом, относится именно к этому времени.
Значительная часть нашей работы проводилась в Южной Руанде, в месте, называемом Кабуйя, где концентрация печей была необычайно большой: на территории радиусом всего 3 км были раскопаны 23 печи. Все они обнаружены случайно в результате эрозии почвы или в ходе строительных работ. После раскопок остатков печей у них были выявлены одни и те же характерные особенности и предметы: горн (часто с обожженным краем), обломки кирпичей, глиняные трубки, называемые фурмой, шлак, древесный уголь и в некоторых случаях немного железной руды. Иногда в той же печной яме находили фрагменты керамики, выполненной в стиле железного века.
Первый этап подготовки к получению железа состоит, естественно, в добыче достаточного количества сырья: гематита, или железной руды. Гематит — минерал подкласса простых окислов (Fe203) — встречается в виде кристаллов или буровато-красной массы. В Межозерье гематит находят на склонах некоторых холмов. В ранний железный век его, вероятно, собирали на поверхности земли или выкапывали — свидетельства существования в то время выемок практически отсутствуют. Наличие руды в Руанде отражено даже в названии некоторых мест. Так, наиболее известный город близ холмов Кабуйй называют либо Бутаре, либо Убутаре, что на местном языке киньаруанда означает «камень» или «железный камень».
РАЙОН МЕЖОЗЕРЬЯ в Центральной Африке расположен между озером Виктория и цепью меньших озер. Работа, выполненная в этом районе авторами и другими исследователями, показывает, что в ранний железный век там существовала на редкость единая технология получения железа в высоких печах. В Уреве была найдена первая керамика, относящаяся к раннему железному веку. На холмах близ Кабуйи были обнаружены 23 печи. Остатки высокой печи впервые обнаружены в Бишанге. Самые первые печи были обнаружены в Бухайе.
Собранную руду необходимо было обработать. Один из нас (Ван Нотен) наблюдал приготовление руды во время реконструкции процесса получения железа у народа мади в северной части Заира в 1970-х годах. Там руда предварительно нагревалась в течение получаса на очень сильном огне. Мади делали это с разной целью. Одна из них состояла в том, что обжиг гематита облегчал отделение железа в руде от других материалов. Кроме того, в результате нагревания руда становилась хрупкой и распадалась на небольшие куски, что облегчало процесс восстановления. Однако эти куски не должны были быть слишком маленькими, иначе они могли бы затушить огонь в печи. Поэтому куски руды просеивались для удаления мельчайших комков и пыли.
Подготовка к получению железа состояла не только в предварительной обработке руды, необходимо было еще топливо. В качестве такового использовался древесный уголь, который добывали из древесины специального сорта. Микроскопический анализ кусочков древесного угля, найденных в основании печей раннего железного века, показывает, что древние металлурги тщательно выбирали сырье. Они предпочитали использовать такие деревья, как унаби (Zizyphus sp.), имеющее твердую древесину и высокое содержание двуокиси кремния, чем обусловлено ее относительно медленное горение. Анализ древесного угля, найденного в печах раннего железного века, показал, что дерево добывалось в прилегающем районе — травянистой саванне, а не в удаленных горных лесах.
Для получения железа требовалось большое количество древесины. Интенсивная добыча древесины могла в конечном итоге привести к изменению местной окружающей среды. В 1978 г. был проведен эксперимент по получению железа в районе Кабуйй, близ города Гисагара. На растопку небольшой экспериментальной печи ушло около 95 кг древесного угля. Для получения такого количества угля потребовалось 15 деревьев диаметром 14—16 см. Этот пример показывает, что интенсивная добыча древесины на протяжении нескольких столетий (наряду со скотоводством и земледелием) могла привести к обезлесению. Из-за отсутствия древесины в результате обеслесения стало невозможным получение железа, и этим можно объяснить, почему в Кабуйе не было найдено печей, относящихся ко времени после 500 г. н. э. Возможно, люди оставили этот район, когда деревья были уничтожены.
СПОСОБЫ получения древесного угля хорошо изучены как по историческим записям, так и на основе этнографической реконструкции.В Руанде обычно сначала выкапывали яму диаметром 1—2 м и глубиной 60—80 см. В ней сжигали траву и ветки деревьев для образования слоя золы, на который укладывали небольшие сучки. Все это в свою очередь покрывали слоем влажной травы или листьев, что обеспечивало медленное сгорание древесины. Древесный уголь, сохранивший вследствие медленного горения первоначальную форму сучков, был готов через 24 ч.
В процессе получения древесного угля, вероятно, также подготавливали и печь. В Межозерье известны два типа печей. Первый из них, представлявший собой просто горн, хорошо известен по описаниям этнографов. Второй тип имел высокую шахту, в которую загружали древесный уголь и руду; этот тип печей тоже известен по этнографическим описаниям. Согласно этим описаниям, два типа печей располагались рядом; в высокой печи производилась первоначальная плавка, низкая же печь служила для очистки конечного продукта от примесей. В археологических исследованиях раннего железного века в Межозерье обнаружены остатки только высоких печей. Именно этот тип печей и будет рассмотрен здесь.
При сооружении высоких печей сначала выкапывали яму под горн. Насколько большими были такие ямы, сказать сложно, поскольку эрозия почвы и деятельность людей привели к разрушению их верхнего края. Судя по тем горнам, у которых сохранились обожженные края, некоторые ямы имели диаметр около 1,4 м и глубину примерно 75 см. Дно и стенки горна были иногда обработаны; в некоторых случаях обработка состояла в выравнивании их глиняной поверхности. По крайней мере одна печь в Кабуйе (названная Кабуйя I) была выложена деревянными шестами.
Все эти конструктивные элементы, несомненно, имели практическое назначение, однако в некоторых печах на дне ямы были обнаружены предметы, которые вряд ли можно назвать утилитарными. На северо-западе Танзании, в Бухайе, такой предмет представлял собой попросту кусочек железа, помещенный в небольшое углубление на дне горна и покрытый песчаником. В Бишанге в Киву (Восточный Заир), Иерно и Маке обнаружили в центре горна глиняные черепки. Они предположили, что черепки были остатками горшка, служившего для собирания железа со дна печи. Однако, как будет показано далее, при использовании высоких печей в этом не было необходимости.
Наиболее характерные образцы этих неутилитарных предметов были обнаружены в Руанде. В местах, обозначенных Кабуйя II и Мутварубона II, под горном были найдены небольшой горшок и крышка от него. Эти горшки весьма отличаются от утилитарной керамики, которую находят при раскопках печей. Их своеобразная форма позволяет предположить, что они были изготовлены скорее всего не горшечниками, которые делали обычные горшки, и специально для использования в процессе получения железа. В историческое время в Межозерье керамику изготавливали женщины, а получением железа занимались мужчины. Но, возможно, что именно эти горшки были изготовлены мужчинами-металлургами, и это составляло часть ритуального приготовления к получению железа.
ОСТАТКИ ГОРНА, находившиеся под шахтой высокой печи, были обнаружены в месте, обозначенном нами как Кабуйя I. Ширина горна примерно 70см (одно деление на стрелке - 20 см). В горне видны остатки кирпичей, из которых была выложена шахта, и фурм, служивших для подачи в печь воздуха.
ПОПЕРЕЧНЫЙ РАЗРЕЗ ГОРНА печи, обнаруженной в Кабуйе II. Обожженная глина справа и слева - это основание стен шахты. Отходом процесса плавления был шлак. В горшке под горном находился материал, имевший магическое значение в процессе получения железа.
О существовании подобных ритуальных приготовлений свидетельствует реконструкция процесса получения железа, выполненная с помощью представителей народа мади в Заире. Хотя мы попросили мади выполнить все действия при наблюдателях, они выкопали и приготовили яму до их прибытия. Под горном было сделано углубление. Когда мы настояли, чтобы его открыли, в нем оказалось бревно в вертикальном положении и аккуратно нарезанные щепки различных пород древесины. Сверху находилась гирлянда лоз дикого винограда и конструкция из трех палочек. До окончательного захоронения все это обычно покрывали листьями и дополнительными щепками. После проведения эксперимента по получению железа нам не разрешили раскопать эти предметы, и это явно свидетельствует о том, что они имели магическое значение.
В горн укладывали стебли папируса и траву. Стебли, вероятно, не служили в качестве топлива, поскольку их полуобгоревшие остатки, а также остатки свежих листьев находят в древних печах. Назначение слоя травы пока неясно. Было сделано предположение, что расплавленный шлак стекал через этот слой и таким образом происходило его отделение от железа. Этот метод разделения мог применяться в высоких печах. В низких экспериментальных печах, построенных мади, шлак стекал в яму, расположенную под горном. Если шлак действительно отделялся от железа с помощью слоя травы, то керамика, обнаруженная под горном в высоких печах, вряд ли могла служить для собирания железа, поскольку оно оставалось выше в печи, где и застывало.
После подготовки горна начинали готовить глину для сооружения шахты. Глина, использовавшаяся в Руанде в ранний железный век, содержала в большом количестве такие минералы, как кварц, слюда и полевой шпат, благодаря чему она имела повышенную жаропрочность. Хорошим источником глины, богатой минералами, являются муравейники. Некоторые этнографы наблюдали, как местные жители добывали глину, раскапывая муравейники. Глину затем месили, высушивали и обжигали в виде плоских пластин. Для повышения жаропрочности в нее иногда добавляли глиняные черепки.
Следующий этап состоял в сооружении шахты. Чтобы создать необходимый технологический режим, ее стены должны иметь хорошее теплоизоляционные свойства. Процесс получения железа состоит не только в отделении шлака, но также и в химическом восстановлении железа из окисла. Для этого требуется свести содержание кислорода в печи к минимуму. Именно с этой целью в печах использовалась высокая шахта. Как показывают результаты раскопок в Межозерье, атмосфера, необходимая для восстановления железа, достигалась за счет конструктивных особенностей шахты, сооружавшейся из кирпичей и длинных глиняных колец.
Из кирпичей, высушенных на солнце выкладывали нижнюю часть шахты. Кирпичи образуют конструкцию, способную, в отличие от глиняной, более легко расширяться и сжиматься без образования трещин, что имеет особое значение близ основания шахты, где температура максимальная. Кирпичи в основании шахты, видимо, предварительно не обжигали, а сушили на солнце, обжиг же происходил в процессе получения железа. Палеомагнитный анализ (основанный на том свойстве глины, что при высоких температурах она частично размягчается и кристаллы минералов внутри нее выстраиваются вдоль преобладающего магнитного поля) показал, что некоторые кирпичи были обожжены несколько раз в различных положениях; это говорит о том, что они, возможны, были взяты из развалин какой-либо старой печи и впоследствии использованы вторично.
Верхнюю часть шахты сооружали одним из «кольцевых» способов. Эти способы имеют древнее происхождение и все еще применяются для изготовления керамических сосудов. При изготовлении керамики сначала готовят диск из влажной глины. Другую порцию глины затем раскатывают в длинные, змеевидные формы, которые витками налепливают друг на друга; в результате образуется стенка горшка. После вылепливания сосуда его внешние и внутренние стенки выравнивают и украшают. Подобный кольцевой способ был использован для сооружения шахт, высота которых иногда превышала 3 м.
Археологические исследования позволили установить, как применялся способ кольцевого наложения слоев глины при сооружении шахты. Эти слои не склеивались, поскольку они не были влажными. Исходя из этого можно сделать вывод, что строительство шахты велось постепенно: перед наложением последующего слоя предыдущему давали высохнуть. Слои укладывались, вероятно, в направлении против часовой стрелки. Судя по оставленным в глине следам от пальцев, каждый новый слой строители впрессовывали руками. Некоторые археологи считают эти следы элементами украшения, однако, на наш взгляд, их происхождение связано с технологией строительства. Это подтверждается тем, что стены шахты покрывали внутри и снаружи штукатуркой, скрывавшей любое «украшение» на них.
Штукатурка укрепляла стенки и улучшала их теплоизоляционные свойства. Кроме того, повторное оштукатуривание позволяло обновить старую, давно не использовавшуюся печь. Именно так и сделали в Замбии во время второй мировой войны, когда значительно сократился импорт железа. Люди лунгу заново оштукатурили свои печи и стали получать железо по древней технологии.
ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА, используемый народом мади в Северном Заире, включает шесть этапов: А - разжигание огня (воронкообразная трубка - это фурма); B - огонь разожжен; С - шлак попадает из тигля в яму; D - процесс закончен, фурма удалена, полученная крица представляет собой губчатую массу; Е - куски железа удалены из печи; F - крица повторно нагрета и посторонние включения отбиты молотом.
Срок службы печи зависел от ее типа. Низкие печи использовались один раз, после чего их разбирали, чтобы достать железо. Строительство высоких печей требовало больших трудовых затрат. Печи, использовавшиеся до недавнего времени народом фипа в Танзании, имеют высоту 2—3 м. Высота печей, использовавшихся в ранний железный век, была, вероятно, 2 м и более. Перестраивать такие сооружения всякий раз после очередного получения железа было бы неразумно, поэтому высокие печи обычно служили много лет. Для обвязки шахты использовали виноградные лозы и ветки деревьев. Плиты обожженной глины, обнаруженные в остатках печей, возможно, служили дверками, через которые можно было доставать железо, не разбирая печь. Форма печей частично объясняется необходимостью поддержания в них соответствующего кислородного режима: высокую и узкую печь можно было загружать рудой и древесным углем, заполняя ими все пространство и сводя тем самым количество кислорода к минимуму. Тем не менее кислород требовался для поддержания процесса горения, поэтому необходимы были средства его подведения к месту горения, которые в то же время не позволяли бы ему распространяться по всей печи. Проще всего было сделать отверстия внизу ствола, через которые мог бы проходить воздух. Другой способ состоял в том, чтобы вдувать воздух в печь. Недавнее археологическое исследование показывает, что в высоких печах использовался второй способ - дутье.
ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА в высоких печах в ранний железный век был реконструирован авторами. Шахта была оштукатурена и скреплена виноградными лозами для придания прочности (7). В основании печи располагались фурмы. Шахта загружалась чередующимися слоями древесного угля и руды (2). В открытый конец фурм вставлялись меха, огонь разжигали тлеющим углем, а дополнительное количество древесного угля загружалось сверху (3). Конечным продуктом была крица (4).
ОСНОВНЫМИ элементами, позволявшими использовать дутье, были фурмы. Эти глиняные трубки известны по этнографическим описаниям, а также по археологическим раскопкам. Судя по этнографическим описаниям, все фурмы изготавливали одним способом. Тщательно приготовленную влажную глину налепливали на круглые шесты; после того как глина слегка высыхала, шесты вытягивали, и таким образом получались глиняные трубки. Эти трубки, иногда вставленные одна в другую, вводили в основание печи. Внешнему концу некоторых трубок придавали воронковидную форму, с тем чтобы облегчить вдувание воздуха. Воронковидный конец трубки был обнаружен в стене печи, раскопанной в Гисагаре. Эта находка подтвердила предположение о том, что в печах железного века использовалось дутье.
Вполне вероятно, что в открытый конец фурмы вставляли меха. До сих пор археологами не найдены меха, однако о них часто упоминается в этнографических описаниях, относящихся к Межозерью. Меха, используемые в этом районе и в настоящее время, состоят из крупного сосуда, изготовленного из глины или дерева, и трубки. Открытый конец сосуда покрыт шкурой животного, к которой иногда прикреплена палочка. Двигая палочку вверх-вниз, можно вдувать воздух через фурму глубоко в печь.
После завершения всех приготовлений печь была готова для загрузки. К началу загрузки стенки шахты, вероятно, были очень твердыми. Об этом свидетельствует тот факт, что в кирпичах, из которых выкладывали стенки, не было найдено кусочков древесного угля и руды. При загрузке уголь и руда помещались в шахту, вероятно, чередующимися слоями до полного его заполнения. Поскольку нижняя часть печи не имела больших отверстий, загрузка угля и руды производилась сверху.
Загруженную печь разжигали кусочком тлеющего древесного угля, введенного через фурму в центр печи в ее основании. По мере повышения температуры начинался процесс получения железа. Этот процесс обычно состоит из двух этапов: восстановления железа из окисла и отделения железа от минералов, которые превращаются в шлак. На первом этапе кислород, введенный через фурму, соединяется с углеродом, содержащимся в древесном угле. Двуокись углерода, образующаяся в результате восстановительных реакций, выделяется через шахту в атмосферу. Восстановление железа начинается при температуре примерно 800°С.
Второй этап — отделение шлака — начинается при температуре примерно 1150°С, при которой плавятся посторонние минералы. Температура плавления железа примерно 1540°С. Поскольку само железо не должно было плавиться, температура в печи поддерживалась в пределах 1150—1538°С. В результате процесса восстановления получалась твердая губчатая масса — крица — со шлаковыми включениями. Крицу снова нагревали и ударами молота отделяли шлак. Из полученного железа изготавливали оружие, орудия труда и украшения. Хотя технические аспекты древней технологии получения железа становятся все более понятными, социальный и культурный аспекты этой технологии, к сожалению, пока остаются мало изученными. Процесс получения железа был трудоемким и с точки зрения добычи сырья. Затраты труда требовались не только для доставки и обработки древесины, но также и для собирания руды, приготовления глины, строительства печи, изготовления фурм и работы с мехами. Координирование труда и контроль его продуктов предполагают эффективную организацию и, возможно, также централизованное управление. Однако пока не ясно, кем могло осуществляться это управление в ранний железный век.
Социальные и культурные аспекты технологии железного века гораздо сложнее выяснить, чем технические, ввиду отсутствия достаточных свидетельств. Однако можно с уверенностью сказать, что металлурги играли особую роль в Межозерье в ранний железный век. Они были хранителями знаний и технического мастерства, которые имели большое значение для их общества. Хотя мы пока не можем полностью понять существовавшие там социальные отношения, на основе недавних открытий становится понятной технология, которой они владели.
(Последние исправления - 1.3.2002)