Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ совместно с коллегами из Института археологии Российской академии наук (ИА РАН) и Египетского агентства по атомной энергии (EAEA) применили метод нейтронного активационного анализа и алгоритмы машинного обучения, чтобы установить точное происхождение и рассчитать содержание химических элементов в русской средневековой керамике. Результаты работы могут стать основой для будущих геохимических исследований и разработки новых методов классификации найденных артефактов.
Исследуемые образцы керамики
Керамика по праву считается одним из самых информативных видов археологических находок. Состав глины и примесей хранит в себе уникальный геохимический «след» места добычи сырья, а также отражает технологические особенности древнего гончарного дела. Точное определение места производства предметов позволяет реконструировать торговые пути, изучать процессы культурного обмена и специфику организации ремесла в Средневековье.
До настоящего времени строгие количественные исследования происхождения русской керамики этого периода проводились редко. Подобным изысканиям препятствовали ограниченный объем выборки доступных материалов и отсутствие эталонных баз данных геохимического фона артефактов.
Для решения этой проблемы специалисты из ЛНФ ОИЯИ, ИА РАН и Египетского агентства по атомной энергии проанализировал 149 фрагментов керамики XIII–XVII веков. Среди изученных предметов были образцы глиняной посуды из Московского Кремля, Твери и Селитреннского городища, ремесленная керамика из Болгара (Булгара) и Биляра — крупнейших центров средневековой Волжской Булгарии, а также артефакты из других регионов. В частности, ученые работали с фрагментами византийских амфор и керамических изделий из древнего государства Хорезм, располагавшегося на территории Центральной Азии.
Элементный состав образцов ученые определяли с помощью метода инструментального нейтронного активационного анализа (ИНАА) на импульсном реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ, а также на других установках с применением рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Сочетание этих методов позволило с высокой точностью выявить концентрации 29 химических элементов в каждом образце.
Отличительной чертой исследования стало применение алгоритмов контролируемого машинного обучения: метода опорных векторов (SVM), алгоритма случайного леса (RF), градиентного бустинга (GB) и многослойного персептрона (MLP). Они использовались для классификации керамических фрагментов с неопределенным местом происхождения на основании их геохимического состава. При тестировании на независимой контрольной выборке точность распознавания достигла 85–88 %, что подтверждает устойчивость предложенного подхода. Также благодаря этим алгоритмам удалось пополнить базы данных керамики Болгара новыми верифицированными образцами.
Важным итогом работы стало вычисление геохимических фоновых значений для 25 элементов в булгарской керамике. Задействовав четыре независимых статистических метода (IQR, MAD, CDF и байесовский вывод с использованием марковских цепей Монте-Карло), физики доказали, что реальные фоновые показатели концентраций систематически превышают обычное среднее арифметическое. Это означает, что использование лишь усредненных величин в качестве эталона несет высокий риск ошибки при интерпретации происхождения археологических артефактов.
Диаграмма демонстрирует распределение рассчитанных фоновых значений относительно соответствующих значений верхней континентальной коры (UCC)
Кроме того, ученые выяснили, что надежными геохимическими маркерами, обособляющими керамику Болгара от изделий из других регионов, выступают хром, сурьма, марганец, мышьяк и никель. Эти элементы наилучшим образом отражают специфику геологического состава местных источников глинистого сырья и характерные традиции средневековых гончарных мастерских.
Данная работа стала первым в России исследованием, успешно объединившим ядерно-физический метод анализа с машинным обучением для изучения происхождения древней керамики и расчета фоновых значений для артефактов Болгара. Ученые предложили новую воспроизводимую количественную методологию атрибуции археологических находок. Такой подход позволит с высокой точностью определять место производства обнаруженных фрагментов и составлять подробные карты торговых сетей средневековых русских городов.
«Мы планируем расширить массив данных за счет включения дополнительных керамических групп и археологических памятников. Это поможет существенно дополнить геохимический атлас средневековой русской материальной культуры, — прокомментировал результаты исследования ведущий научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Ваель Бадави. — Эта работа ярко демонстрирует огромные междисциплинарные возможности, которые открываются благодаря применению методик, объединяющих ядерную физику, геохимию и гуманитарные науки».
Статья «Neutron activation analysis and machine learning models for elemental characterization of archaeological pottery» опубликована в журнале European Physical Journal Plus. В исследовании приняли участие Ваель Бадави (ЛНФ ОИЯИ/EAEA), Владимир Коваль (ИА РАН), Максим Булавин (ЛНФ ОИЯИ) и Мохамед Солиман (EAEA).
Фотографии с раскопок на территории Болгарского городища (респ. Татарстан, Россия). Из архива Владимира Коваля.
Пресса
