Методы естественных и технических наук давно используются в археологических исследованиях. Сегодня их применение стало ещё шире благодаря развитию современных технологий. В изучении археологического материала задействуют 3D-моделирование, методы элементного и структурного анализа, дистанционное зондирование и ГИС-технологии. Все эти высокотехнологичные инструменты сосредоточены в Центре коллективного пользования (ЦКП) Института археологии РАН.

ЦКП ИА РАН был организован в 2020 году в рамках национального проекта «Наука и университеты» и предназначен для исследований в области археологического материаловедения, палеоантропологии, подводной археологии и полевых работ. За четыре года работы ЦКП выполнил более 190 исследовательских заявок, в том числе от иностранных научных организаций — Беларуси и Сербии.

«Сегодня наш ЦКП работает в нескольких больших направлениях. Первое — это археологическое материаловедение. Мы продолжаем изучать элементный состав, технологию изготовления, свойства глины, металлов, керамики, камня, костей и всех тех органических остатков, которые мы можем найти в ходе наших раскопок. Для этого у нас есть ряд высококлассных приборов», — рассказала научный руководитель Центра коллективного пользования ИА РАН Ирина Сапрыкина.

Реконструкция древнерусских технологий

Важнейшим направлением исследований в области древнего материаловедения является изучение технологий, использовавшихся при изготовлении археологических объектов: здесь необходимо применять несколько разных приборов. Так, один из ключей к разгадке тайн древних живописцев — портативный рамановский экспресс-анализатор «ИнСпектр». Он использует неразрушающий метод, пробы для него отбирать не нужно, поэтому он может быть применим к особо ценным артефактам, таким как хорошо сохранившиеся изображения на фресках.

Принцип его работы основан на взаимодействии электронного пучка с поверхностью образца. В результате возникает характеристическое излучение, которое улавливается высокочувствительным детектором, что позволяет определять, из каких химических элементов он состоит.

«Здесь установлен спектрометр, который подключён к оптической системе микроскопа, и мы можем наводиться на интересующую нас точку, получая спектр, который, словно отпечатки пальцев, уникален для различных минералов, пигментов, веществ», — объясняет младший научный сотрудник лаборатории архитектурной археологии и междисциплинарного изучения архитектурных памятников ИА РАН Евгений Зубавичус на примере фрагмента фрески XII века, найденного при раскопках в Юрьевом монастыре в 2023 году.

По словам учёного, метод позволит понять, какими знаниями обладали наши предки — изучить технологии живописи, минеральный состав пигментов.

«Иногда мы можем увидеть какую-то преемственность. Важным открытием было то, что новгородские художники, которые расписывали церковь Благовещения на Городище, до этого работали в Суздали. Даже если сама роспись утрачена, из сохранившихся фрагментов мы можем извлечь информацию и о знаниях людей, и об истории развития древнерусской живописи», — добавил сотрудник института.

Новые возможности для реконструкции древних технологий производства открывает сканирующая электронная микроскопия. Сотрудники института продемонстрировали принцип работы прибора TESCAN VEGA Compact LMH на примере серебряной лунницы из Воздвиженского клада, обнаруженной экспедицией ИА РАН в 2024 году при раскопках на Софийской набережной Великого Новгорода.

Электронный микроскоп использует комбинированный подход, объединяющий несколько методов анализа: часть детекторов обеспечивает изображения с высоким разрешением, детализацией и композиционным контрастом, другие определяют элементный состав образца.

Ещё один необходимый инструмент изучения археологических памятников — оптический поляризационный микроскоп ADF U300P, который позволяет определить минеральный состав находок, изготовленных из различных горных пород.

Методика исследования включает изготовление тонких шлифов толщиной 30 микрон, которые затем изучаются в проходящем поляризованном свете. Благодаря этому природные минералы проявляют характерные оптические свойства, что дает возможность идентифицировать их состав и структуру.

Данный метод микроскопического анализа представляет собой ценный инструмент для реконструкции древних технологий производства и определения места происхождения археологических материалов, однако он является разрушающим, поэтому применяется только к массовому материалу.

«У всех минералов есть свой цвет, структура, угол погасания, спаянность и другие оптические свойства, которые говорят нам о том, какой это минерал, как и при каких температурах он образовался. Таким образом археологи могут определить состав материала, который использовал древний человек, чтобы изготовить черепок. Так мы узнаём рецепт, например, рецепт древнего человека для изготовления керамики», — отмечает младший научный сотрудник лаборатории архитектурной археологии и междисциплинарного изучения архитектурных памятников ИА РАН Екатерина Яновская.

Палеоантропологические исследования

Одно из таких устройств, ставшее незаменимым при изучении палеоантропологии — промышленный 3D-сканер Artec Space Spider, предназначенный для создания цифровых моделей путём сканирования их поверхности. Прибор использует структурированный свет, фиксируя мельчайшие детали формы и текстуры, и создаёт высокоточную виртуальную копию объекта. В дальнейшем 3D-модели могут быть использованы для анализа морфологии, реконструкции утраченных фрагментов и сравнительных исследований.

Младший научный сотрудник отдела сохранения археологического наследия ИА РАН Кристина Петрова рассказала, почему технология востребована в современных антропологических исследованиях: «Во-первых, она обеспечивает быстрый доступ к информации и долгое хранение для будущих исследователей. Во-вторых, визуализацию объекта — мы можем просмотреть травмы, швы, зубные патологии, что хорошо выражено на сканах. В-третьих, с появлением 3D-сканирования стал доступен новый метод геометрической морфометрии. Его суть в том, что на ключевых точках цифрового черепа ставятся метки, затем при помощи специальной программы измеряются расстояние между ними, и в результате мы можем проследить индивидуальную, внутригрупповую и межпопуляционную изменчивость».

Она добавила, что в настоящий момент формируется база данных по черепам, собранным в ходе раскопок Ярославля, Твери, Торжка, Боровска, Тулы, Можайска и села Перхушково.

Портативность прибора позволяет проводить оцифровку артефактов непосредственно на раскопках. Процедура применима к любым объектам — от глиняной посуды до наконечников стрел, хотя, по словам младшего научного сотрудника, сферические предметы сканируются проще благодаря удобству соединения контрольных точек.

Внутренняя структура объектов, в свою очередь, изучается на многофункциональной передвижной рентгеновской установке (ПРДУ). Она позволяет исследовать морфологические особенности скелета, определить биологический возраст, наличие индикаторов физиологического стресса, выявить палеопатологии, признаки заболеваний и даже родство.

Точная карта памятников

Кроме того, сотрудники института показали уникальный комплекс для лидарной съёмки (LiDAR), который применяется для создания трёхмерных моделей местности. «Комплекс подходит для составления цифровых моделей топографических планов известных памятников археологии, съёмка которых при помощи других приборов затруднена», — отметил специалист по информационным технологиям ИА РАН Алексей Фатьков.

В частности, при перемещении в пространстве сканер за счёт окружающих его объектов понимает, где он находится, и одновременно сканирует эти объекты. В итоге работы с лидарным комплексом археологи получают подробную карту, на которой выделены особенности ландшафта и любые наземные объекты.

Например, с помощью комплекса для пешеходного сканирования специалисты ИА РАН за три дня составили план крепости середины XVII века Белый город в Юрьевце в Ивановской области. В результате был получен топографический план крепости с точным расположением и размерами крепостной стены, вала и пятиугольных бастионов, за которыми проходила линия крепостного рва. Подобная съёмка с помощью спутниковой системы навигации и тахеометра заняла бы около 10 дней.

При обработке собранных данных лидар позволяет убрать с карты все зелёные насаждения, жилые постройки, транспорт, оставив только поверхность земли. Археологи получают возможность увидеть на заросшей лесом территории следы археологических памятников, а также определить их точные границы.