Kemisk-teknologisk forskning og radiokarbon AMS-datering af vægmalingsfragmenter fra ruinerne af kirken fra det XII.-XIII. århundrede e.Kr. fra arkæologiske udgravninger i byen Smolensk, Rusland

Alle rester af templerne, der blev bygget i perioden før den mongolske invasion af Rus’ landområder i 1237-1240 e.Kr., betragtes som sjældne arkæologiske fund. Ingen af de tidligere kendte arkæologiske komplekser i forbindelse med gamle russiske templer blev imidlertid undersøgt ved hjælp af et kompleks af naturvidenskabelige forskningsmetoder, herunder den parallelle gennemførelse af kemiske og teknologiske analyser af prøver af vægmalerier (undersøgelse af gipsbasis; bestemmelse af pigmenter anvendt i malerier) og radiokarbondatering af kulstofholdige vægmalerifragmenter og murværkselementer i templet ved hjælp af atomisk massespektrometri.

I 2012 e.Kr., 61 år efter det sidste lignende fund, blev resterne af en hidtil ukendt gammel russisk kirke uventet opdaget under arkæologiske udgravninger i byen Smolensk på Krasnoflotskaya Street 1-3. Det rekonstruerede areal af dette firesøjlede enkeltkuppel-tempel med gallerier med fire søjler er ca. 250-300 m2. I forbindelse med den historiske topografi lå det på stedet for det middelalderlige område ved navn ” Pyatnitsky End ” , på højre bred af Pyatnitsky-bækken, som løb langs bunden af en 7-10 m dyb kløft. Det område, hvor kirken blev fundet, støder op til ydersiden af den ydre side af sporingslinjen af den ødelagte del af Smolensk Kremls befæstningsmur, der blev bygget i 1595 AD-1602 AD, ikke langt fra det sted, hvor det nu nedlagte Pyatnitskaya-tårn tidligere var placeret (Fig. 1), og ligger på venstre bred af Dnepr-floden i en afstand af ca. 150 m fra flodbredden.

I 2012 foretog specialister fra forskningsholdet fra Hovedstadens Arkæologiske Bureau (” CAB “) en foreløbig rydning af fragmenterne af det fundne tempel, hvorefter disse fragmenter blev undersøgt af et hold af arkitektoniske arkæologer fra Institut for Arkæologi under Det Russiske Videnskabsakademi. På dette tidspunkt foretog forskningsgruppen ” CAB ” arkæologiske udgravninger på det område, der støder op til templet. Undersøgelsesområdet nær templet (udgravning 1) bestod af sektionerne “Introduktion” og “Resultater og diskussioner” med et samlet areal på 205 m2, der målte 10 × 10 og 10 × 10,5 m (fig. 2), opdelt i kvadrater på 2 × 2 m. Litologiske aflejringer i udgravningen med en kapacitet på op til 3,2 m bestod af sandet ler med brune og grå farvenuancer. Det bevarede kulturlag indeholdt artefakter og begravede genstande fra det X.-XVI. århundrede e.Kr.: rester af bygninger fra et kommercielt område fra det XI.-XIII. århundrede e.Kr. i form af 95 søjlehuller og en nekropol fra det XIII.-XVI. århundrede e.Kr., som omfattede 91 begravelser (fig. 2). Kulturlaget blev demonteret i henhold til nominelle lag (2-9) med en tykkelse på 0,20 m hver med rumlig instrumentel organisering af genstande og fund .

Den mest betydningsfulde lokalitet, der gik gennem den østlige væg af det undersøgte område (udgravning 1, linje af kvadrater 10-15-20-25) var struktur 4, med et areal på 6,4 m2 (fig. 2). Det var den sydvestlige del af gallerierne i den gamle russiske kirke, der blev bygget kronologisk senere end selve kirken og dateret tilbage til det XIII. århundrede e.Kr. Galleriernes fundament, der var afrømmet på et areal på 6,4 m2 og bestod af aflange sten med glatte kanter og en længde på 11-23 cm, blev skåret i jorden fra niveauet for lag 6 (- 108-117 cm fra det nominelle nulpunkt) til en dybde på 0,5 m til de niveauer, der svarer til lag 7-8.

Et stort antal genstande relateret til indretningen og udsmykningen af denne kirke blev fundet i lag 6-8 i udgravning 1: fragmenter af et vægmaleri, vinduesglas, en del af en lerkeramisk stemmehøjttaler (en lerkrukke bygget ind i murværket af væggene, omvendt i den indre del af bygningen. Stemmehøjttalere blev brugt til at reducere belastningen på bygningernes vægge og til at forbedre de akustiske egenskaber af lokalerne), detaljer af blyrammer fra vinduer og fragmenter af glaserede fliser. I 2013 efter afslutningen af arkitektoniske arkæologers arbejde gennemførte forskningsholdet ” CAB ” konserveringen af de opdagede rester af kirken, hvorunder prøverne af kul og træ fra murværket og strukturerne i det gamle russiske tempel blev udvalgt til radiocarbon AMC-datering. Træ fra kirkens konstruktioner blev også indsamlet med henblik på dendrologisk analyse. De stykker trækul, der blev udvalgt til undersøgelse, var en del af murværksmørtlen i templet, som de var specielt fremstillet til. Fragmenter af træbrædder fra templet, der blev taget til undersøgelsen, var stærkt forkullede, hvilket tyder på en brand i templet, som ødelagde dets træstrukturer.

Dele af glasmalerier, blyklammer, glaserede fliser (fig. 3), egetræsplader fra templet (fig. 4) og fragmenter af vægmalerier (fig. 5), der blev fundet under udgravning 1, giver os mulighed for at få et delvist billede af den oprindelige indretning af templet. Træstrukturerne inde i kirken var ifølge resultaterne af den dendrologiske analyse lavet af egetræ, gulvene og måske vægelementerne var dekoreret med glaserede fliser i gulbrune og mørkerøde farver, små glasstykker i blyklemmer på ca. 10 cm blev brugt til at bygge vinduerne, og de vigtigste farvetoner på vægmalerierne var mørkeblå og grønne.

Stikprøveforskningsmetodik

Vægmalerifragmenterne blev undersøgt ved hjælp af radiokarbon AMC-datering, XRD, SEM/EDS. Optisk mikroskopi blev også anvendt til visuelle observationer af prøverne af vægmalerierne. Flere prøver af vægmalerier blev brugt til radiokarbon AMS-datering. Vi havde mulighed for at undersøge yderligere 12 fragmenter af vægmalerierne (fig. 6) med en gennemsnitlig størrelse på ca. 5 cm2 og en tykkelse på 1,8-2,3 cm, der repræsenterer resterne af ikke-rekonstruerede vægmalerier fra baggrunden af dekorative kompositioner og rester af tøj fra de engang afbildede figurer.

Radiokulstof AMS-datering

For at bestemme radiokulstofalderen af vægmalerifragmenterne blev radiokulstof AMC-datering af 4 prøver af vægmalerifragmenter udført i Center for Applied Isotope Studies (CAIS) ved University of Georgia, USA. Prøverne af karbonater og kul fra de indsamlede fragmenter af vægmaleriet blev analyseret med AMS-teknikken i overensstemmelse med den etablerede metode, der normalt anvendes til kunstgenstande. Prøverne blev behandlet med 5% HCl ved 80 °C i 1 time, hvorefter de blev vasket med deioniseret vand gennem glasfiberfilteret og skyllet med fortyndet NaOH for at fjerne eventuel forurening med humussyrer. Prøverne blev derefter behandlet med fortyndet HCl igen, skyllet med deioniseret vand og tørret ved 60 °C. Til AMS-analyse blev de rensede prøver forbrændt ved 900 °C i evakuerede, forseglede ampuller i nærværelse af CuO. Den resulterende kuldioxid blev kryogent renset fra de andre reaktionsprodukter og kata-lytisk omdannet til grafit efter metoden af Vogel et al. (1984) . Graphit 14C/13C-forholdet blev målt ved hjælp af CAIS 0,5 MeV-acceleratormassespektrometeret. Prøveforholdene blev sammenlignet med forholdet målt ud fra oxalsyre I-standarden (NBS SRM 4990).

Dernæst blev resultaterne af radiocarbon AMC-dateringen af fragmenter af vægmalerierne sammenlignet med resultaterne af radiocarbon-dateringen efter en lignende metode af prøver taget fra kulstofholdige elementer af de arkitektoniske rester af templets kalkmørtelmurværk og brændte egetræsbrædder.

X-RAY diffraktometri

For at bestemme sammensætningen og strukturen af gipsunderlaget til vægmalerierne og pigmenter af blå, grønne, brune farver, som blev brugt i skabelsen af kirkens vægmalerier, blev prøver nr. 1-12 (fig. 6) analyseret. Undersøgelserne blev foretaget på et ARL X’TRA røntgendiffraktometer med Cu Kα-stråling (kobberanode) og en accelerationsspænding på 35 kV; strålestrømmen var 40 mA; vinkelområdet var 3-80°; med et vinkeltrin på 0,02°. Vægten af hver af prøverne var 10 mg. Forbindelserne blev identificeret ved hjælp af PDF-2-databasen fra det internationale center for diffraktionsdata (ICDD). Ved undersøgelsen af prøve nr. 1 blev diffraktogrammet af det originale fragment af vægmaleriet taget, og blæklaget på overfladen var intakt. Fra overfladen af vægmalerifragmenterne (prøver nr. 1-12) blev der mekanisk udtaget en prøve af malingslaget, som delvist indfangede spartellaget af murpudslaget, som indeholdt kaolinit. Den resulterende prøve blev knust til pulver med en partikelstørrelse på højst 20 mikrometer. Den følgende prøve af pudslaget med en størrelse på 2 × 2 mm blev udtaget fra de indre dele af dette fragment af vægmaleriet (prøve nr. 1), som ikke havde været udsat for luft: med henblik herpå blev vægmalingsprøven mekanisk renset for overfladeforureninger og støv.

Scanningelektronmikroskopi

Med henblik på elementanalyse af pudslaget i prøve nr. 1 og kvalitativ sammenligning af sammensætningen af malingsblandingen i prøverne nr. 1, 3-12 (fig. 6) blev disse prøver analyseret på et Quanta 3D 200i scanning-elektron-ionmikroskop fremstillet af FEI (Holland). Undersøgelsen blev udført i lavvakuum i vanddamp for at undgå problemer med elektrisk opladning af ikke-ledende prøver, idet der blev anvendt referenceprøver i overensstemmelse med den algoritme, der er foreslået af Pukhov og Kurbatov . Ved udførelse af SEM/EDS-analyser kan den kvantitative beregning af grundstofsammensætningen udføres korrekt under følgende betingelser: prøven har en homogen grundstofsammensætning inden for den elektroniske sondes scanningsområde; prøveoverfladen har ikke ruheder, der overstiger 30-300 nm i størrelse, afhængigt af den anvendte accelerationsspænding, dvs. prøveoverfladen skal være poleret, når der analyseres på et tilstrækkeligt stort område.

Kvalitativ analyse af gipsbasis for prøve nr. 1 blev udført i syv forskningsområder (fig. 10a). Prøveforberedelsen til elementanalyse bestod i at save prøve nr. 1 med en diamantskive, indtil den dannede et jævnt snit. Der blev ikke foretaget nogen særlig forberedelse af prøverne til bestemmelse af den kemiske sammensætning af de pigmenter, der findes på overfladen af prøverne nr. 1, 3-12. På grund af de fine og skrøbelige farvelag på de undersøgte prøver af vægmaleriet var det umuligt at polere dem i forbindelse med prøveforberedelsen. SEM/EDS-analysen blev derfor foretaget på farvelagets naturlige ujævne overflade, hvilket forhindrede os i at opnå data til en passende kvantitativ beregning af den elementære sammensætning af de undersøgte farvelag på fragmenter af vægmaleriet.

Optisk mikroskopi

Vægmalingsprøver nr. 1, 7-9 (fig. 6) blev undersøgt under et stereomikroskop LEICA MZ 125 (Tyskland) i simpelt reflekteret og transmittet polariseret lys ved en forstørrelse på 40 gange og blev fotograferet fra forskellige vinkler med et KEYENCE VH-Z100UR (Microscope Multi Scan; Japan) optisk mikroskop. 3D-forstørrelsen af prøve nr. 1 er vist ved billedets akser. Strukturen af gipsunderlaget på vægmalingsfragmenterne blev også undersøgt, ligesom pigmenterne blev undersøgt.