Kemisk-teknisk forskning och radiokarbon-AMS-datering av väggmålningsfragment från ruinerna av kyrkan från XII-XIII00-talet e.Kr. från arkeologiska utgrävningar i staden Smolensk, Ryssland

Alla rester av templen, som byggdes under perioden före den mongoliska invasionen av Rus’ landområden 1237-1240 e.Kr., anses vara sällsynta arkeologiska fynd. Inget av de tidigare kända arkeologiska komplexen i samband med forntida ryska tempel undersöktes dock med hjälp av ett komplex av naturvetenskapliga forskningsmetoder, inklusive det parallella genomförandet av kemisk och teknologisk analys av prover av väggmålningar (studiet av gipsbasen; bestämning av pigment som använts i målningarna) och radiokarbondatering av kolhaltiga väggmålningsfragment och murverkskomponenter i templet med hjälp av atomisk masspektrometri.

Under 2012 e.Kr., 61 år efter det senaste liknande fyndet, upptäcktes oväntat resterna av en tidigare okänd gammal rysk kyrka under arkeologiska utgrävningar i staden Smolensk vid Krasnoflotskaya Street 1-3. Den rekonstruerade arean av detta fyrakolonniga enkelkupoliga tempel med gallerier är cirka 250-300 m2. Inom ramen för den historiska topografin låg det på platsen för det medeltida territoriet med namnet ” Pyatnitsky End ” , på den högra stranden av Pyatnitsky bäcken, som löpte längs botten av en ravin med ett djup på 7-10 meter. Det område där kyrkan hittades gränsar till den yttre sidan av spårningslinjen för den förstörda delen av Smolensk Kremls befästningsmur, som byggdes 1595 AD-1602 AD, inte långt från den plats där det numera nedlagda Pyatnitskaya-tornet tidigare var beläget (Fig. 1), och ligger på den vänstra stranden av floden Dnepr på ett avstånd av ca 150 m från flodbanken.

Under 2012 utförde specialister från forskargruppen vid Capital Archaeological Bureau (” CAB ”) en preliminär röjning av fragmenten av det funna templet, varefter dessa fragment undersöktes av en grupp arkitektoniska arkeologer från Institute of Archaeology of the Russian Academy of Sciences. Vid denna tidpunkt genomförde forskargruppen ” CAB ” arkeologiska utgrävningar på territoriet i anslutning till templet. Undersökningsområdet nära templet (utgrävning 1) bestod av sektionerna ”Introduktion” och ”Resultat och diskussioner” med en total yta på 205 m2 , med måtten 10 × 10 och 10 × 10,5 m (fig. 2), indelade i rutor på 2 × 2 m. Litologiska avlagringar i utgrävningen med en kapacitet på upp till 3,2 m bestod av sandig lera i bruna och gråa färgnyanser. Det bevarade kulturlagret innehöll artefakter och begravda föremål från X-XVI00-talen e.Kr.: rester av byggnader från ett kommersiellt område från XI-XIII00-talen e.Kr. i form av 95 pelarhål och en nekropol från XIII-XVI00-talen e.Kr. som innehöll 91 begravningar (fig. 2). Kulturlagret monterades ner enligt nominella lager (2-9) med en tjocklek på 0,20 m vardera med rumslig instrumentell organisation av föremål och fynd .

Den mest betydelsefulla platsen som går genom den östra väggen i det undersökta området (utgrävning 1, raden av rutor 10-15-20-25) var struktur 4, med en yta på 6,4 m2 (fig. 2). Det var den sydvästra delen av gallerierna i den gamla ryska kyrkan, som byggdes kronologiskt senare än själva kyrkan och daterades till 1200-talet e.Kr. Galleriernas fundament, som var 6,4 m2 stort och bestod av långsträckta stenar med slätputsade kanter och en längdmått på 11-23 cm, skars ner i marken från nivån på lager 6 (- 108-117 cm från den nominella nollpunkten) till ett djup av 0,5 m till nivåerna som motsvarar lagren 7-8.

Ett stort antal föremål med anknytning till denna kyrkas arrangemang och dekoration hittades i lager 6-8 i utgrävning 1: fragment av en väggmålning, fönsterglas, en del av en rösthögtalare av lerkäramik (en lerkruka som byggts in i väggarnas murverk, omvänt i den inre delen av byggnaden. Rösthögtalare användes för att minska belastningen på byggnadernas väggar och förbättra lokalernas akustiska egenskaper), detaljer av blyramar från fönster och fragment av glaserade kakelplattor. År 2013, efter att arkitekturarkeologernas arbete avslutats, utförde forskargruppen ” CAB ” konserveringen av de upptäckta resterna av kyrkan, under vilken proverna av kol och trä från murverket och strukturerna i det gamla ryska templet valdes ut för radiokarbon AMC-datering. Trä från kyrkans konstruktioner samlades också in för dendrologisk analys. De träkolstycken som valdes ut för forskning var en del av murbruket i templet, för vilket de var speciellt preparerade. Fragment av träplankor från templet som togs för undersökningen var kraftigt förkolnade, vilket tyder på en brand i templet som förstörde dess träkonstruktioner.

Delar av glasmålningar, blyklamrar, glaserade kakelplattor (fig. 3), ekplankor från templet (fig. 4) och fragment av väggmålningar (fig. 5) som hittades under utgrävning 1, gör det möjligt för oss att få en del av den ursprungliga utformningen av templet. Träkonstruktionerna inne i kyrkan var enligt resultaten av den dendrologiska analysen gjorda av ek, golven och, kanske, väggelementen var dekorerade med glaserade kakelplattor i gulbruna och mörkröda färger, små glasbitar i blyklämmor med en längd på cirka 10 cm användes vid konstruktionen av fönstren och de huvudsakliga färgtonerna på väggmålningarna var mörkblått och grönt.

Sampelforskningsmetodik

Väggmålningsfragmenten undersöktes med hjälp av radiokarbon AMC-datering, XRD, SEM/EDS. Optisk mikroskopi användes också för visuella observationer av proverna av väggmålningar. Flera väggmålningsprover användes för radiokarbon AMS-datering. Vi hade möjlighet att undersöka ytterligare 12 fragment av väggmålningar (fig. 6) med en genomsnittlig storlek på cirka 5 cm2 och 1,8-2,3 cm i tjocklek, som representerar resterna av icke-rekonstruerade väggmålningar från bakgrunden av dekorativa kompositioner och rester av kläder av de karaktärer som en gång var avbildade.

Radiokarbon AMS-datering

För att bestämma radiokarbonåldern på väggmålningsfragmenten utfördes radiokarbon AMC-datering av 4 prover av väggmålningsfragmenten, i Center for Applied Isotope Studies (CAIS) vid University of Georgia, USA. Proverna av karbonat och kol från de insamlade fragmenten av väggmålningen analyserades med AMS-teknik enligt den etablerade metod som normalt används för konstföremål. Proverna behandlades med 5 % HCl vid 80 °C i 1 timme, tvättades sedan med avjoniserat vatten genom glasfiberfiltret och sköljdes med utspädd NaOH för att avlägsna eventuell kontaminering med humussyror. Proverna behandlades sedan med utspädd HCl igen, tvättades med avjoniserat vatten och torkades vid 60 °C. För AMS-analysen förbrändes de rengjorda proverna vid 900 °C i evakuerade, förseglade ampuller i närvaro av CuO. Den resulterande koldioxiden renades kryogeniskt från de andra reaktionsprodukterna och omvandlades kata-lytiskt till grafit med hjälp av metoden från Vogel et al. (1984) . Grafitens 14C/13C-förhållanden mättes med hjälp av CAIS 0,5 MeV-acceleratormasspektrometer. Provernas förhållande jämfördes med det förhållande som uppmättes från oxalsyra I-standarden (NBS SRM 4990).

Därefter jämfördes resultaten av radiokarbon AMC-dateringen av fragment av väggmålningarna med resultaten av radiokarbon-dateringen med en liknande metod av prover tagna från kolhaltiga delar av de arkitektoniska resterna av templet – kalkbrukets murverk och brända ekbrädor.

X-RAY diffraktometri

För att bestämma sammansättningen och strukturen hos väggmålningarnas gipsbas och pigment av blå, gröna, bruna färger som användes vid skapandet av kyrkans väggmålningar analyserades prover nr 1-12 (fig. 6). Undersökningarna gjordes på en ARL X’TRA röntgendiffraktometer med Cu Kα-strålning (kopparanod) och en accelerationsspänning på 35 kV; strålströmmen var 40 mA; vinkelområdet var 3-80°; med ett vinkelsteg på 0,02°. Vikten av varje prov var 10 mg. Föreningarna identifierades med hjälp av databasen PDF-2 från International Center for Diffraction Data (ICDD). Vid undersökningen av prov nr 1 togs diffraktogrammet av originalfragmentet av väggmålningen, bläckskiktet på ytan var intakt. Från väggmålningsfragmentens ytor (prov nr 1-12) togs mekaniskt ett prov av färgskiktet, vilket delvis fångade spackelskiktet av muralputsbasen, som innehöll kaolinit. Det resulterande provet krossades till pulver med en partikelstorlek på högst 20 mikrometer. Följande prov av gipsbasen med en storlek på 2 × 2 mm togs från de inre delarna av detta fragment av väggmålningen (prov nr 1), som inte hade exponerats för luft: för detta ändamål rensades väggmålningsprovet mekaniskt från ytföroreningar och damm.

Scanningelektronmikroskopi

För att göra en elementanalys av gipsunderlaget i prov nr 1 och en kvalitativ jämförelse av sammansättningen av färgblandningen i proverna nr 1, 3-12 (fig. 6) analyserades dessa prover i ett Quanta 3D 200i skanningselektron-jonmikroskop tillverkat av FEI (Holland). Undersökningen genomfördes i lågt vakuum i vattenånga för att undvika problem med elektrisk laddning av icke-ledande prover, med hjälp av referensprover i enlighet med den algoritm som föreslagits av Pukhov och Kurbatov . Vid SEM/EDS-analys kan den kvantitativa beräkningen av elementsammansättningen utföras korrekt under följande villkor: provet har en homogen elementsammansättning inom den elektroniska sondens skanningsområde; provytan har inga ojämnheter som är större än 30-300 nm, beroende på den accelerationsspänning som används, dvs. provytan måste vara polerad vid analys på tillräckligt stor yta.

Kvalitativ analys av gipsbasen för prov nr 1 utfördes i sju forskningsområden (fig. 10a). Provförberedelse för elementanalys bestod av att såga prov nr 1 med en diamantskiva tills det bildade ett jämnt snitt. Ingen särskild förberedelse av proverna för att bestämma den kemiska sammansättningen av pigment som finns på ytan av proverna nr 1, 3-12 utfördes. På grund av de subtila och ömtåliga färgskikten på de undersökta proverna av väggmålningen var det omöjligt att polera dem i samband med provberedningen. Därför genomfördes SEM/EDS-analysen på färglagrets naturliga ojämna yta, vilket hindrade oss från att erhålla data för en lämplig kvantitativ beräkning av den elementära sammansättningen av de studerade färglagren på fragment av väggmålningen.

Optisk mikroskopi

Väggmålningsprov nr 1, 7-9 (fig. 6) undersöktes under ett stereomikroskop LEICA MZ 125 (Tyskland) i enkelt reflekterat och transmittat polariserat ljus vid en förstoring på 40 gånger och fotograferades från olika vinklar med hjälp av ett optiskt mikroskop KEYENCE VH-Z100UR (Microscope Multi Scan; Japan). 3D-förstoringen av prov nr 1 visas vid bildens axlar. Strukturen på gipsunderlaget i väggmålningsfragmenten studerades också, liksom pigmenten.