Микроморфологическая и минералогическая диагностика древних антропогенных отложений (культурного слоя)

МИКРОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДРЕВНИХ АНТРОПОГЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

A.A. Каздым1, М.П. Верба2, H.A. Черных1

Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия 2Почвенный институт им. В.В.Докучаева,

Пыжевский пер., 7. 109017, Москва, Россия

Рассматривается минералогическая и микроморфологическая характеристика древних антропогенных отложений — культурного слоя археологических памятников V века до н.э. Отмечено специфическое микростроение культурного слоя, отличное от естественных горных пород и почв.

В настоящее время исследования древних антропогенных отложений — культурного слоя поселений, приобретают все большее значение. Петрографическая и микроморфологическая диагностика, в совокупности с морфологическими и химическими исследованиями, позволяют более детально изучить древнее антропогенное воздействие на горные породы и почвы.

Нами были исследованы два известных археологических памятника — Барсова гора и Павлиново городище. Памятники датируются эпохой раннего железного века, примерно V веком до н.э., расположены в различных био-климатических зонах: селище Барсова гора — на территории таежно-лесной зоны Западно-Сибирской низменности (Сургутский район Ханты-Мансийского АО), Павлиново городище — в лесостепном Зауралье (Курганская обл.). При исследовании данных объектов, расположенных в разных биоклимати-ческих и почвенных зонах, отличных друг от друга по геологическому строению, ставилась задача уловить черты сходства на микроуровне с применением методов петрографии и микроморфологии.

Исследование проводилось в прозрачных шлифах ненарушенного сложения (Каздым A.A., 1999; 2002), химический анализ почв проводился в лаборатории химии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева.

Урочище Барсова гора расположено в 350 метрах к З-Ю-З от поселка Бар-сово, в 100-150 метрах к западу от ж/д Тюмень-Сургут. Географически район расположен на территории Сургутской низменности, в Сургутском Приобье, в бассейне р. Обь.

Объекты исследований (селища) располагаются на поверхности берегового вала и непосредственно на 2-й надпойменной террасе р. Обь. Геологические отложения берегового вала представлены песками — мелкими, пылеватыми, преимущественно кварцевого состава, с прослоями суглинков и супесей, с включениями мелкого гравия, реже валунов и гальки. Гранулометрический состав представлен в табл. 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав геологических отложений Барсовой горы

Размер фракций в мм 1,0 - 0.5 0,5 - 0.25 0.25 - 0,1 Менее 0.1

Содержание в % 2,5 12,0 40,3 45,2

Почвы селища Барсова гора представлены слабо дифференцированными дерново-мелкоподзолистыми иллювиально-железистыми почвами. Для фонового разреза можно выделить следующие почвенные горизонты:

АО 0—0,5 см, лесная подстилка;

- А0А1 2—3 см, темно-серый гумусированный горизонт бесструктурный;

- А2 3—17 см, светло-светло-серый (белесый) горизонт, подзолистый (песок мелкий, до пылеватого, рыхлый бесструктурный, с корнями растений; элювиальный горизонт; граница с нижележащим горизонтом языковатая, переход резкий);

ВЙ1 17—20 см, иллювиально-гумусо-железистый, ржаво-бурый, плотный, ожелезненный, сцементированный окислами и гидроокислами железа и марганца, с многочисленными ортшгейнами — железомарганцевыми конкрециями;

ВГ 20—50 см, иллювиально-железистый, светло-желтый песок, мелкий, до пылеватого, в нижней части с черными примазками марганца;

С 50 см—ниже, светло-желтый песок, мелкий.

Для естественной подзолистой почвы (табл. 2) селища Барсова гора характерны следующие показатели (по данным Махониной Г.Н., 2002 и авторов)*.

Таблица 2

Физико-химическая характеристика почв Барсовой горы

Горизонт, глубина, см Гумус, % pH Сумма обменных оснований Са+* + Мд*\ мг-экв/100 г почвы р2о5 мг/100 г почвы К20 мг/100 г почвы

АО 0-4 н/о н/о н/о 4*5 19,8

н\о н/о 3,46 н/о н/о н/о

А1А2 4—5 Ц5 3.13 4*6 1.12 ¿8

н/о н/о н/о н/о н/о н/о

А2 5-10 0.03 3.52 М М и

12-16 0,06 0,03 0,85 0,5 1,2

В1 10-23 0.086 4,51 М 19.75 2.02

29-34 0,36 5,05 0,84 35.73 1,2

В2 23-41 0.017 4,58 М 15,75 5*0

40-42 0,07 4,61 0,23 13,8 1,2

*Примечание: в числителе — данные Махониной Г.Н. [3], в знаменателе — авторов

Культурный слой селищ Барсова гора находится в стадии затухающего функционирования, т.е. деградации культурного слоя после снятия антропогенной нагрузки и прекращения его развития. Мощность культурного слоя составляет первые десятки сантиметров, реже около метра. Образование культурного слоя происходит на поверхности древней дерново-подзолистой почвы вследствие засыпки поверхности при строительстве жилищ (обваловки), на горизонтах АО и А1. Также образование культурного слоя происходит вследствие антропогенного воздействия на почвенные горизонты А2В и В: при строительстве обваловок жилищ, а также при строительстве глубоких очагов.

При формировании культурного слоя селища Барсова гора можно выделить целенаправленное и нецеленаправленное механическое воздействие. Механическое целенаправленное воздействие — срезание дерна, срезание почвенных горизонтов АО, А1, в ряде случаев полное уничтожение почвенного профиля до горизонта С (ямы, обваловки жилищ), срезание верхних почвенных горизонтов, реже практически полное уничтожение профиля.

Механическое нецеленаправленное воздействие (лежаки, нары, внутренняя часть жилищ) — утаптывание поверхности, строительство внутреннего обустройства жилища. Механическо-пирогенное воздействие (очаги и кострища), отмечено, как на поверхности древней почвы, так и на глубине почвенного профиля до первых десятков сантиметров.

Культурный слой визуально выделяется в ряде случаев по цветовой гамме

— более темный (темно-серый) цвет, чем горизонты естественных почв. Также можно отметить, что фиксируются многочисленные угольки, мелкие кости, реже прокалы. Литологически культурный слой представлен песком мелким, до пылеватого, светло-серого, серого, темно-серого, серо-желтого, желтого различных оттенков, ржаво-бурого, с включениями мелкой и крупной гальки, мелкого и крупного гравия, реже мелких валунов.

Результаты химического исследования культурного слоя селища Барсова гора показали повышенное содержание гумуса (до 3,58 %), в ряде случаев поглощенных оснований (кальция, до 2,24 мг-экв/100г почвы), высокое содержание фосфора (до 124 мг/ЮОг почвы), повышенное содержание калия и натрия (соответственно до 2,44 и 1, 62 мг-экв/100г почвы). Для очагов характерно повышенное содержание гумуса, аномальное содержание фосфора (до 363 мг/ЮОг почвы), калия, натрия. Содержание кальция во внутрижилищном пространстве в большинстве случаев близко к содержанию в фоновой почве на глубине 60-65 см, что может быть связано с засыпкой пола жилища при строительстве.

Для внутренней части жилищ («нар», «межнарового пространства», центральной части жилищ) характерно повышенное содержание калия и натрия, в ряде случаев на 30 — 50% превышающее фоновые значения. Эго связано с загрязнением золой (К2СО3), разложением дерева.

При исследовании минералогических характеристик отмечен весьма однородный минеральный состав, представленный на 95 — 97% кварцем. В качестве акцессорных минералов встречаются плагиоклазы (полевые шпаты), ортопироксены (диопсид), халцедон, окатанные обломки различных горных пород, в основном метаморфизованных (глинистые и слюдистые сланцы). В ряде случаев отмечен более пестрый минералогический состав (несколько большее количество полевых шпатов и обломков метаморфизованных горных пород), что связано с геологическим строением, более близким расположением к пойме, большим удельным весом минералов (для кварца удельный вес 2,6 — 2,8 г/м3, для пироксенов — 3,2 — 3,5 г/м3).

По классификационным характеристикам литогенные отложения являются песками мелкими и пылеватыми, с размером зерен от 0,1 до 0,25 мм, реже до 0,4 — 0,5 мм. Зерна окатанные, или слабоокатанные, угловато-окатанные, угловатых зерен мало. Для очагов и околоочажного пространства отмечено, что зерна минералов трещиноваты, в ряде случаев интенсивно разрушены, что связано с длительным термическим воздействием. Наличие подобных зерен минералов является определенным диагностическим признаком на микроуровне, позволяющим определять места кострищ и очагов, в настоящее время недоступные визуальному определению. Также для очагов характерны более мощные гумусо-глинистые пленки на зернах минералов.

В культурном слое селища Барсова гора не отмечены процессы новообразования минералов (аутигенеза), в ряде случаев характерных для культурных слоев поселений человека (Каздым А.А., 2001; 2002). Это связано со спецификой функционирования, развития и деградации культурного слоя. Несмотря на высокое содержание гумуса, в ряде случаев в 3-5 раз превышающее

содержание в фоновой почве, процессы аутигенеза отсутствуют. Литологическая и минеральная гомогенность отложений, климатические условия (интенсивный промывной режим), кратковременность техногенного седименто-генеза не способствовали интенсивным процессам первичного диагенетиче-ского преобразования техногенных отложений.

Из новообразований можно отметить органическое вещество своеобразного состава и формы, не встречающееся в фоновых почвах, характерное в основном для зон интенсивной жизнедеятельности (жилища) или ям. Характерно обилие углистых тканей разного размера (от 0,01 до 1 — 2 мм) и форм (микросгустки и с хорошо выраженным клеточным строением). Их связь с глинистым веществом является определенным маркером очагов и зон максимально интенсивной антропогенной деятельности. Кроме того, к новообразованиям можно отнести пленки различного состава (глинисто-гумусового, гумусо-глинистого, глинистого, глинисто-железистого и иного состава) на зернах минералов. Их мощность может свидетельствовать о более интенсивных процессах, связанных с деятельностью микробиоты, в большинстве случаев интенсифицированной антропогенной деятельностью. Также для тех мест, где антропогенная деятельность была более интенсивная, весьма характерны гифы грибов и следы жизнедеятельности почвенной мезофауны.

Минералогические и микроморфологические особенности культурного слоя Барсовой Горы хорошо отражают на микроуровне интенсивное антропогенное воздействие: разрушение и трещиноватость зерен минералов, связанное с термическим воздействием, образование пленок железистого, железисто-глинистого, глинисто-гумусового состава.

Микроморфологический метод, практически не применяющийся при исследовании древних культурных слоев, и примененный при исследовании культурного слоя селища Барсов Гора, сформированного на мономиктовых песках и дерново-подзолистых почвах Западно-Сибирской низменности, позволяет расширить и детализировать признаки, унаследованные от древнего антропогенного воздействия.

Павлиново городище. По географическим показателям район Павлинова городища расположен в северо-западной лесостепной подзоне Курганской области, относящейся к юго-западной части Западно-Сибирской низменности. Рельеф местности представляет собой слабоволнистую равнину, междуречье рек Ница — Пышма — Исеть. Облесенность района - примерно 35—45%, в основном березовые колки с примесью осины. Степные участки практически полностью распаханы.

Городище расположено на первой надпойменной террасе р. Исеть. Высота первой надпойменной террасы около 12,5 метров над урезом воды, отмечается слабое повышение рельефа к северу — северо-востоку. К западу и востоку отмечено местное понижение рельефа. Частично терраса в районе городища нарушена карьером и его отвалами, а также грунтовыми дорогами.

Геоморфологически район относится к субгоризонтальной аккумулятивной равнине с холмисто-увалистым слаборасчлененным рельефом (до 30-50 метров), расположенной на эрозионно-денудационном плато — Зауральском пенеплене. Для мезо- и микрорельефа характерно наличие блюдцеобразных котловин, озерных и болотных понижений, грив, всхолмлений.

На поверхность выходят только четвертичные отложения, представленные аллювиальными, озерно-аллювиальными, эоловыми (ветровыми) отложениями. Отложения кайнозоя (палеогена и неогена) лишь в отдельных случаях выходят на поверхность по долинам рек.

Для поверхностных горных пород района Павлинова городища можно отметить (снизу вверх):

1. Плиоценовые отложения неогена (кустанайская свита), представленные сизо-зелеными, серо-зелеными глинами с включения карбонатов, частично опесчаненные, ожелезненные. Видимая мощность более 1 м.

2. Четвертичные (плейстоцен-голоценовые) эоловые отложения предлед-никовых и перигляциальных равнин, представленные светло-желтыми и желтыми суглинками и супесями, часто пылеватыми. Мощность до 1,5 м.

3. Современные аллювиальные отложения, представленные слоистым пойменным аллювием. Мощность на территории городища 20-40 см, видимая мощность пойменных отложений р. Исеть — 1,5 м.

Наиболее типичные почвы — черноземы выщелоченные средне-гумусные (Бахарева А.Ф., 1959). Мощность всего почвенного профиля в пределах 1, максимум 1,5 метров; глубина вскипания зависит от карбонатности почвообразующих пород и варьирует от 60 до 140 см, в основном 60-90 см. Механический состав неоднороден и разнообразен. Литологический состав алеврито-пелитовый или пелит-алевритовый. Основу почвенного поглощающего комплекса занимает кальций, магния около 10-15 %, небольшие количества натрия и калия. Для почв характерна слабокислая реакция, pH равно 6-6,5, с увеличением глубины щелочность возрастает до 8, что связано с присутствием карбонатов.

Для минерального состава характерны кварц, с содержанием до 50 %, (по-луокатанные и угловатые зерна), полевые шпаты (плагиоклазы альбит-олигоклазового рада), ортоклаз, микроклин, слюды (мусковит, реже биотит), глауконит (до 1%), циркон (около 1%), роговая обманка (около 1%), рутил (единичные зерна), ильменит, магнетит.

Основным глинистым минералом является монтмориллонит, в ряде случаев отмечена примесь каолинита. Содержание кальцита различно, в верхних почвенных горизонтах (А и АВ) 1-3 %, максимальное содержание в горизонте ВС — 12-17 % (Бахарева А.Ф., 1959). Минералогический состав свидетельствует об образовании почв на суглинках, в различной степени опесчаненных, в основном кварц-полевошпатного состава. Высокое содержание кварца и обедненность малостойкими минеральными видами является результатом неоднократного переотложения терригенных компонентов горных пород в условиях платформенного режима сноса. Характерными особенностями минералогической ассоциации являются: однообразие минеральных зерен, кварц-полевошпатовый состав легкой фракции, монтмориллонитовый состав илистой фракции, высокое содержание слюдистых минералов, присутствие терригенных минералов — циркона, рутила, роговой обманки, ильменита, магнетита.

При изучении минералогических и микроморфологических характеристик культурного слоя Павлинова городища были исследованы непосредственно культурный слой и вал, окружающий городище.

Культурный слой сравнивался с фоновым разрезом. Для фоновой почвы (глубина 15-20 см) характерен коричневато-серый плазменно-песчаный материал, угловато-окатанных форм с чистой поверхностью. Минеральный состав

— кварц, полевые шпаты, глауконит, пироксены, глауконит, амфиболы, биотит. Плазма — глинисто-гумусового состава, изотропная, микросгустковая. Микросгустки изолированы друг от друга, образуют скопления между песчаными частицами. В редких случаях они образуют агрегаты второго порядка за счет слипания микросгустков. Встречаются грибные тела и слаборазложив-

шиеся корни растений волокнистого строения. Материал в целом неострук-туренный. В организации глинисто-гумусовой плазмы велика роль почвенных микроорганизмов.

Нижележащий горизонт фоновой почвы (40-45 см) имеет существенно иную микроорганизацию глинисто-гумусовой плазмы, резко увеличилась ее распыленность и микродисперсность. Микросгустковость полностью отсутствует, характерна неоднородность в окраске тонкодисперсного вещества, связанная с различной интенсивностью прогумусцрованности. Минералогический состав не изменился. Наблюдается макроагрегированность с диаметром агрегатов до 1,5 — 2 см. Наблюдаются пленки на песчаных зернах, имеющие тесную связь с плазменным материалом.

Для верхнего горизонта вала поселения (7 — 12 см) характерна крупноплитчатая макроструктура, с толщиной плиток в среднем 1,5 см. По цвету, микроорганизации, сложению плазменного вещества похож на горизонт 45 — 50 см фона. Отличие в более высоком содержании самого тонкодисперсного вещества, связанного за счет сожженного вещества, т.к. много углистых тонкодисперсных частиц. Отмечены единичные фрагменты кости. Песчаные частицы имеют черные сплошные тонкодисперсные «одежды». В отдельных редких случаях эти пленки анизотропны и имеют глинистый состав.

Для нижележащего горизонта вала поселения (15-20 см) характерна неоднородность микростроения глинисто-гумусовой плазмы. Отмечены несколько типов ее организации: коричневато-серый микросгустковый с существенно меньшим размером агрегатов, чем в фоновом разрезе, тонкодисперсный гумус, распыленный, черного цвета. Характерны фрагменты углеподобного облика, неправильной формы, которые частично закрывают песчаные зерна. Также отмечены разрушенные тонкодисперсные включения костей. В определенных микрозонах этот слой имеет определенную схожесть с горизонтом (15-20 см) фоновой почвы.

Следующий нижележащий горизонт вала поселения (50 см) характеризуется специфическим тонкодисперсным веществом иного состава и строения. Гранулометрический состав более песчаный. Плазма глинистая, анизотропная, т.е. присутствуют признаки подвижности глинистого вещества. Наблюдаются мелкие включения металлургических шлаков. Ниже (60 см) — материал песчаный, с минимальным количеством плазменного материала. На песчаных частицах тонкие коричневые пленки. Глинисто-гумусовая плазма микросгустковая, т.е. похожа на слабопрогумусированный материал с биогенной переработкой.

Для разреза, характеризующего культурный слой Павлинова городища, можно выделить несколько горизонтов (верхняя часть почвенного профиля (0-27 см) представляет собой современный пойменный слоистый аллювий). Для верхнего горизонта (27-32 см) характерен песчаный материал с низким содержанием тонкодисперсного вещества. Плазма сосредоточена в виде гуму-со-глинистых анизотропных пленок и гумусовых темно-серых рыхлых изотропных микросгустков. Распределение песчаного материала в зонах, обогащенных плазменным материалом, хаотично. Размер плазменных зон различный — от 0,05 мм до 2 мм. Граница этих зон чаще всего неровная, но резкая. Вблизи этих зон и свежих срезов корней встречаются экскременты почвенной мезофауны (клещей). Свежие срезы растительных тканей имеют клеточное анизотропное строение. Отмечены включения кости. Песчаные зерна полуокатанные, сглаженно-угловатые, в углублениях зерен толщина глинистой и глинисто-гумусовой плазмы максимальная. По слабой прогумусиро-

ванности и наличию анизотропных глинистых пленок можно говорить, что это погребенный и переотложенный материал горизонта АВ.

Для нижележащего горизонта культурного слоя (40-45 см) микростроение и состав плазмы, ее цвет и микроорганизация характерны для погребенного гумусового горизонта черноземной почвы [А]. Горизонт песчаноплазменный. Плазма темно-серого цвета, изотропная, прекрасно острукту-ренная — черные, плотные, округлые зернышки, заполняющие межпесчаное строение. По характеру гумусовых микроагрегатов можно предположить условия повышенного гидроморфизма (влажности) при их образовании в совокупности с дополнительным поступлением органического материала при антропогенном воздействии. Органический материал в дальнейшем претерпел мощную биогенную переработку. Горизонт пористый, преобладают изолированные макропоры неправильных форм и тонкие межсгустковые поры. Песчаные зерна, так же как и в вышележащем горизонте, окатанные, слабоугловатые по форме, с изотропными гумусовыми пленками различной мощности. Характерны включения костей. Для горизонта (50-55 см) характерны те же признаки микростроения, что и в вышележащем горизонте.

Следующий горизонт (78-81 см) характеризуется более буроватым цветом и более тяжелым гранулометрическим составом. Тонкодисперсное вещество глинисто-гумусовое, изотропное. В отличие от материала вышележащего горизонта (50-55 см) хуже выражена его сгустковость и зернистость. Микросгустки здесь более рыхлые и значительно меньшие по размеру. В отдельных микрозонах материал практически аналогичен с материалом горизонта (45-50 см) фонового разреза. В отличие от вышележащих горизонтов песчаные зерна более угловаты по форме, много таблитчатых и прямоугольных частиц, покрытых изотропными пленками глинисто-гумусового состава. Пленки не связаны с микросгустковым межскелетным плазменным веществом. Много мельчайших фрагментов костей, ассимилированных почвенной массой. Горизонт более уплотнен по сравнению с вышележащим. Встречаются единичные поры-каналы.

В культурном слое Павлинова городища гумусовая плазма лучше скоагу-лированна по сравнению с фоновым разрезом, нет связи между глинистогумусовым веществом пленок на песчаных зернах и между зернами. На основании полученных микроморфологических данных можно предположить, что образование культурного слоя происходило на горизонте АВ древней почвы. При исследовании в отраженном свете отмечено, что в органическом веществе отсутствуют минералы железа. По сравнению с фоном в культурном слое нет четко выраженной макрооструктуренности. Минеральный состав культурного слоя отличается большим разнообразием набора минералов. В настоящее время микробиота перерабатывает специфическую органическую тонкодисперсную часть культурного слоя. Характерно полное отсутствие легкорастворимых солей.

Таким образом минералогическое и микроморфологическое исследование антропогенных отложений древних поселений — культурного слоя позволяет установить, что процессы древнего техногенного воздействия хорошо фиксируются на микроуровне. Несмотря на различие в биоклиматических условиях развития и функционирования культурного слоя, различного геологического строения, можно отметить определенные черты сходства в микростроении.

Авторы выражают благодарность начальнику Сургутской археологической экспедиции А.С.Сергееву, зав. археологической лабораторией исторического факультета Уральского Государственного Университета

В.И.Стефанову, научному руководителу Зауральской археологической экспедиции, д.и.н., проф. Л.Н.Коряковой, начальнику Зауральской археологической экспедиции А.А.Ковригину за возможность участия в полевых работах и сборе материала.

ЛИТЕРАТУРА

Каздым А.А. Применение синтетических полиэфирных смол при изготовлении прозрачных шлифов из рыхлых отложений и почв // Изв. ВУЗов, «Геология и разведка», 1999. - № 2. - С. 148-149.

Каздым А.А. Усовершенствованная методика изготовления прозрачных шлифов из почв и неконсолидированных горных пород на основе полиэфирных смол // Вісник ХНАУ. Серія «Грунтознавство, агрохімія, землеробство, лісове господарство» 2002. - №1. - С. 226-232.

Махонина Г.И. Почвы на археологических памятниках Барсовой горы. // В сб. «Барсова гора. 110 лет археологических исследований». Сургут, 2002. - С. 152-157 Каздым А.А. Техногенные неогеологические отложения - культурные слои и процессы аутигенного минералообразования // Вестник Российского Университета Дружбы народов. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». 2001. -№5. - С. 45-53.

Каздым АЛ. Литогеохимические особенности культурного слоя — продукта техногенного литогенеза // Уральский геологический журнал, 2002. - № 4(28). - С. 225-231. Каздым А.А. Культурный слой как один из видов техногенного литогенеза и его литогсохимические особенности // В сб. «Минералогия техногенеза - 2002». Ми-асс, 2002. - С. 226-247.

Каздым А.А. Техногенные минералы культурных слоев города // В сб. «Минералогия техногенеза-2001». Миасс, 2001. - С. 40-61.

Бахарева А.Ф. Почвы Курганской области. Курган, 1959. - 152 с.

MINERALOGICAL AND MICROMORPHOLOGY OF ANCIENT TECHNOGENICAL SEDIMENTS

A.A.Kazdym1, M.N.Verba2, N.A.Chernykh1

1 Ecological Faculty, Peoples Friendship Russian University,

Podolskoye shosse, 8/5, 113093. Moscow, Russia 2Soil Siens Institute, Puogevskiper., 7, 109017, Moscow, Russia

Hie mineralogical and micromorphology of ancient technogeiiical sediments - of culture layer of archeological monuments of the V th century B.C. are analyzed. Specific microstructure of culture layer that differs from natural rocks and soils determine.