Горно-геологический аспект технологии строительства пирамид Гизы

Введение

Ученые-египтологи полагают, что пирамиды Хеопса, Хефрена и Микерина построены из известняковых блоков, вырубленных из породы. Однако в последнее время все чаще появляются мнения, что блоки литые. Я решил разобраться с этим вопросом. Изначально меня не интересовали такие подробности, как инструменты строителей пирамид, проблемы датировки, различные теоретические способы изготовления блоков, их доставки на место строительства и т.д.

Плато Гиза: геологическое строение

Плато Гиза расположено западнее долины Нила и сложено отложениями карбоната двух периодов – среднего эоцена (Mokattam) и верхнего эоцена (Maadi). Северная часть плато накрыта слоем известняка формирования Mokattam, южная также в верхней части имеет слой известняка, но формации Maadi, то есть образованного позднее. Пласты имеют угол погружения 5-10 градусов, снижение верхнего уровня происходит в юго-восточном направлении. На северной и восточной сторонах плато в известняковых пластах имеются выступы. Сама долина Нила сложено из аллювиальных отложений. Великие пирамиды Гизы построены на востоке плато, на известняках эпохи Mokattam. Из них вырезан и Сфинкс.

Это величественное сооружение являет собой обнажение горных пород, выполненное руками человека. Его высота – 19.8 м, ширина – 14.0 м, длина – 73.2 м. По заключению ученых, Сфинкс выполнен из карбонатов, состоящих из слоев известняка (толщины  - от 0.4 до 2.0 м) и мергеля (0.1 – 0.6 м). На шею приходится слой мергеля, голова состоит из пяти пластов доломита коричневого оттенка.

Выделяют три формации карбоновых пород в отложении Mokattam: нижняя пачка (Rosetau Member) состоит из больших рифогенных известняков, имеющих шероховатую поверхность, которая выходит на поверхность в нижней части Сфинкса. Средняя пачка (Setepet Member), которая является основой тела Сфинкса, имеется слой пластов толщиной 1-2 м. Чем выше пласт, тем меньше его толщина, кроме 5 слоя. Общая толщина всех слоев – около 10 м. Петрографические исследования образцов, взятых из нижней и верхней частей пластов, показывают, что они состоят из карбонатов, песка, глины и ила. Более менее однородны пласты 3 и 6 – содержание карбонатов находится на уровне 93.5 – 95.7%. В общем снизу доля карбонатов меньше: 1 слой – 70.3/91.8 (нижняя/верхняя границы пласта), 2 слой – 88.1/93.7%, 4 – 86.8/94.3%, 5 – 88.1/95.9%. Верхняя пачка, Akhet Member, имеет толщину 9 м. Нижние пласты (1-3) состоят из более мягких известняков, с включениями кластических фракций. Именно из них вырезана шея скульптуры. Выше залегают известняки с более твердой структурой, разбавленной известняками с плотностью несколько ниже. Из них выполнена голова Сфинкса. Они считаются одними из самых прочных известняков в долине Нила.

Если двигаться в направлении на юго-запад от Сфинкса, то мы попадем в место выхода пачки Setepet на поверхность. Целик коренных пород довольно массивен, его размеры – 45.8 на 45.5 м высотой 10м...  Другое место искусственного обнажения пачки  - южнее пирамиды Хеопса. Причем естественные процессы выветривания обнажили породу, показав ее пластовую структуру. В тех местах, где породы оказались мягче, природа образовала ниши. Имеется довольно обширная трещина, пересекающая пласты в северо-западном направлении.

Пласты пачки Akhet имеют обширное горизонтальное плато, вырубленное во время строительства пирамиды Хефрена. Ее обрамляют вертикальные ниши на севере и западе.

Отчетливо видны пласты 2 и 3 по нумерации Тюрина на северном уступе, сверху пролегает пласт 4, имеющий дефекты, вызванные эрозией. Снизу можно рассмотреть верхний слой пласта 1. Все эти пласты состоят из массивного известняка, толщина третьего пласта достигает 1.5 м,  второго – 1.2-21.3 м. На всем протяжении через пласты проходят вертикальные трещины, имеющие преимущественно субмеридиальное направление. Между пластами массивных известняков имеются пачки пластов Akhet, состоящих из таких же известняков, из которых сложена шея Сфинкса. Этим слоям в рассматриваемом разрезе можно поставить в соответствие  карстовые полости.

Особенности пород известняков пачек Setepet и Akhet

Если говорить об отличиях известняков пачек Setepet и Akhet, то важными для нас являются три основных. Рассмотрим их. Раковины фораминифер известняков внутри состоят из кальцитов, эти слои сцементированы карбонатным илом в небольшом количестве. Такая особенность отличает их от массивных известняков, а для лучшего понимания внесем некоторую ясность в некоторые озвученные термины. Массивные известняки в дальнейшем будем называть «твердыми известняками», а известняки, описанные выше – «мягкими известняками». Так вот, породы пачек Setepet и нижней части Akhet – «мягкие», в отличие от «твердый» известняков верхних пластов пачки Akhet. Мергель мы будем относить также к «мягким». Эти известняки при выветривании образуют так называемый карбонатный песок, имеющий структуру раковин, скрепленных известковым илом. По нему имеется возможность определить размеры отдельных зерен – они составляют около 0.3-.06 мм. Зерна по форме являются округлыми раковинами и сложены кальцитом. Таким образом, большая часть кальцита, находящегося в породе, встречается именно в зернах. Некоторая доля кальцита попадается  в межзерновом пространстве, в равных пропорциях с илом и глиной. Вклад последних в структуру мягких известняков – от 1.8 до 25.9%.

Вторая не менее основополагающая особенность известняков – это бросающееся в глаза содержание в них галита и гипса. Вызывает интерес, что эти породы находятся в известняке в кристаллическом виде. Гипс встречается в больших количествах в отложениях Mokattam, а вот галит, известный как легкорастворимый минерал, встретить в кристаллической форме довольно странно. Объяснения такому факту пока нет.

В некоторых публикациях по геологии и археологии встречается утверждение, что формация Mokattam сложена из известняка, который известен под названием нуммулитовый. Нуммулитами называют одноклеточные микроорганизмы подкласса фораминифер. Они имеют раковину вытянутой овальной или дисковидной формы с диаметром от 1 до 10, а иногда и 16 см. Нуммулиты обитали на придонном мелководье субтропических и тропических морей в верхнем меле и палеогене.

Обычно в нуммулитовом известняке раковины нуммулитов видны невооруженным глазом. На самом деле не весь известняк плато Гиза относится к нуммулитовому. Раковины моллюсков просматриваются только в породах пачки Akhet, а в мягких известняках нет вообще включений больше 1-2 мм.

Третья особенность известняков формации Mokattam – это большое количество железа в них, что, кстати, в литературе не отмечено. Именно примеси железа окрашивают мягкий известняк в желтый цвет. Соединения металла образовывают на поверхности известняков толстый слой темно коричневого цвета («пустынный загар»), что видно в строительных блоках и обнажениях породы. Соединения металла пронизывают трещины породы, и после разрушения его верхнего слоя, эта смесь из трещин оказывается сверху и выступает над породой на несколько сантиметров, формируя красивый рисунок.

Заключение о материале, из которого сложены блоки пирамид

Египтологи полагают, что пирамиды Гизы сложены из камней, которые древние добывали в трех известных карьерах. Строительные блоки вырубались из нуммулитового известняка формации Mokattam. Для удобства пирамиды строили в непосредственной близости от карьеров. Низ пирамид Хефрена и Микерина облицованы гранитными плитами из Асуана. Этот карьер располагался  на юге Египта на расстоянии 934 км по Нилу, являющемуся в то время основным средством сообщения. Пирамида Микерина сохранила несколько рядов этой облицовки до наших дней. Вышестоящие области пирамид облицованы известняковыми блоками Турского карьера, расположенного южнее Каира в 13-17 км от пирамид на восточном побережье Нила.

Если подсчитать объем облицовки из гранита и известняка, то он окажется сравнительно небольшим относительно общих объемов строительного материала. Значит, мнение  о преобладания камня с Турского и Асуанского карьеров имеет место на жизнь, а вот высказывания о преобладающем влиянии нуммулитовых известняков вызывают некоторые сомнения. Из твердого известняка Moqattam состоят нижние ряды всех трех пирамид. Выше уже идут мягкие породы, в которых нуммулитов нет. Это важно, потому что в специальной литературе этот момент не оглашается.

Границы карьера на плато Гиза

Местоположение карьеров плато Гиза показана на рисунке. Скорее всего, размеры карьеров на самом деле намного больше, и тогда можно говорить не о карьерах, а об одном карьере, который определяется довольно точно – по направлению на юго-восток от пирамид.  Если исходить из такой локализации, то тогда расстояние, на которое транспортировались строительные блоки, будет таким: до пирамиды Хеопса – 600м, Хефрена – 500м, Микерина – 200м. Альтитуда основания пирамиды Хеопса – 68м, Хефрена – 62 м. Топографический расчет показывает, что максимальное превышение от основания пирамид до карьера таковы: для пирамиды Микерина – 25 м, Хефрена – 30м, Хеопса – 45м.

Справедливости ради отметим, что в литературе встречается мнение, что то понижение рельефа, которое отмечается к югу и юго-востоку от пирамид, имеет естественное происхождение, вызванное деятельностью сезонных водотоков. Действительно, отрицать наличие временных водотоков севернее уступа, сформированного пластом "Ain Musa Bed", никто не собирается. Но если предположить, что эти потоки произвели такой объемный размыв породы на большой территории, то просто таки обязан существовать приличного объема выносной конус, которого не наблюдается на топографической карте в том месте, где он должен находиться. А если взглянуть на это место из космоса, то на фотоснимке можно убедиться, что видны очертания именно карьера, а не русла временных потоков.

Авторы публикации [Raynaud, 2010] на основании проведения геоморфологических исследований утверждают, что под основаниями пирамид Хеопса и Хефрена находятся природные образования, сложенные известняком. Объем этих образований составляет соответственно 23% и 12% от объема пирамид. Авторы выполнили реконструкции рельефа на момент, предшествующий строительству, предполагая, что твердые известняки формации Mokattam на юго-восточном направлении имели ограничения в виде уступов, частью которых и были те возвышенности, на которых потом было начато строительство. Это в корне неверно. Рельеф вокруг пирамид был сформирован антропогенно. То понижение, которое мы наблюдаем, было образовано по причине наличия карьера, чего авторы не учли. И хотя в основании пирамид существуют блоки, которые вырезаны из известняковой породы без отделения их от пластов, все они находятся ниже пластов известняка, подрезанных в процессе выравнивания площадки для строительства пирамид. Следовательно, реконструкция, выполненная авторами публикации  [Raynaud, 2010], является совершенно недостоверной.

Реконструкция геологической эволюции известняков и изготовленных из них блоков

Изучить свойства известняков, из которых построены пирамиды плато Гиза, можно в местах открытого залегания породы и в самих строительных блоках. Однако следует учитывать, что горная порода в момент начала строительства и сейчас – это не одно и то же. Скажем, твердый нынче турский известняк тысячи лет назад при его добыче в карьерах легко резался и без труда поддавался обработке. И это не исключение.

Такими же временными характеристиками обладает латерит – глиноподобная порода красноватого оттенка, которая образовалась как результат выветривания горных пород в тропиках. Его состав – гидраты окиси железа и свободные гидраты глинозема. Другими словами, латерит образуется в результате выветривания алюмосиликатов во влажном климате под воздействием повышенных температур. Именно в тропиках прогревание земной коры на 10-15 градусов выше, чем в умеренных зонах, что приводит к возрастанию интенсивности выветривания, поэтому почвенная органика окисляется быстрее, затрудняя вынос железа, что и придает латериту красный оттенок. Физические свойства латерита таковы, что при добыче он легко режется с помощью лопаты, но на воздухе быстро твердеет, что связано с трансформацией железистых соединений. Из этого материала построены знаменитые храмы в Ангкоре (Камбоджа), применяли его и до сих пор применяют при строительстве в Индии.

Весь Египет находится в зоне высокой температуры окружающей среды. Повышенная влажность существует только в долине Нила. Здесь роль сезонных дождей отводится сезонным разливам, испокон веков дававших жизнь всему региону. Корой выветривания, из которой вымываются железо и его соединения, является ил, сформированный в верхней части Нила под действием размыва изверженных пород Кенийского нагорья.

Таким образом, соединения железа вымываются из ила в низлежащие геологические слои и выпадают в виде гидроокислов. А соединения алюминия -  в виде глинозема. Все эти процессы происходят только при смене окислительной среды на восстановительную, а в нашем случае восстановительная среда – это карбонатные пласты. Следовательно, налицо все условия протекания процесса латеризации. Однако самого образования латерита не происходит – весь процесс заключается в обогащении известняков железистыми и алюминиевыми соединениями.

Процесс латеризации будет происходить не только непосредственно в долине Нила, но и на всех территориях, куда в больших количествах попадают пластовые воды – и это вполне могут быть известняки формации Mokattam плато Гиза, а также те участки, которые гипсометрически находятся выше их. У этого процесса есть еще одно побочное действие – пластовые воды вымывают из породы легко растворимые минералы, например, кальцит. Это процесс приводит к образованию карстовых полостей и вымыванию кальцитового цемента из межзернового пространства, что никоим образом не придает твердости материалу. Точно такие же процессы происходили и в турском известняке. Поэтому он в залегающей породе достаточно мягок, но на воздухе гидроокислы железа переползают в твердые минералы, и при этом происходит их цементирование. Известняк становится твердым. Доказательством наличия в известняке железа является его желтый цвет.

После того, как подготовленные блоки укладывались на свое место, их геологическая жизнь продолжилась. Они подвергались точно таким же процессам выветривания, как и обнаженные породы – на их поверхности начала образовываться корочка пустынного загара, представляющего собой слой толщиной 0.5-5.0 мм темно-коричневого цвета с матовым блеском. Состав корки – окислы железа и марганца, и в небольших количествах глинозема и кремнезема. Как следует из названия, пустынный загар образуется в засушливых районах. Имеется он, конечно же, и на известняках искусственных обнажений плато Гиза, на строительных блоках пирамид и практически на всех других исторических объектах плато. Можно утверждать, что пирамиды по своей сути – это гигантские испарители. Влажность в камерах пирамид достигает 83%, что для этого региона является вопиющей аномалией. Испаряемые воды выносят к поверхности не только плохорастворимые соединения, но и гипс и галит. Подтверждением этого факта стало проведение петрографических исследований известняковых пород.

Эволюция известняков мягких и твердых пород различается. На массивных известняках твердых пород вырастает пустынный загар, что мы видим сегодня. После затвердения мягкого известняка он тоже начинает покрываться пустынным загаром, но формирующие такой загар соединения откладываются не только снаружи, но и в межзерновом пространстве недалеко от поверхности. То есть слой загара является более толстым и прочность камня возрастает.

Кроме того, в строительный материал из мягкого известняка попадает влага из окружающего воздуха, благодаря пористой структуре материала. Влага проникает на небольшую глубину – 5-7 см, и здесь начинается процесс растворения кальцита и железистых соединений, что приводит к цементированию зерен кальцита и выносу их в зону пустынного загара. Таким образом, в мягких известняках под зоной загара образуется ослабленная вымытыми пустотами область.

И наконец, третий процесс, происходящий в мягких известняках – эрозия, протекающая в зоне пустынного загара. С течением времени эта зона неизбежно разрушается, и на поверхность через образовавшиеся трещины вываливаются зерна кальцита. При этом от блока отваливается и фрагмент зоны загара, и на этом месте начинается новый процесс. Так происходит до тех пор, пока блок не разрушится полностью. Примеры такого рода можно наблюдать на средних и верхних областях пирамид Гизы.

Сегодня большинство блоков, из которых построены пирамиды, находятся на том жизненном цикле, когда зона загара и ослабленная область с их  наружной стороны осыпались. При  этом над той частью блока, которая подверглась эрозии, нависает зона пустынного загара, образованного на горизонтальной плоскости блока. На некоторых блоках новая корка загара начала формироваться на месте старой. Блоки нижних рядов, выложенных из твердого известняка, тоже загорели, но еще не разрушаются. На части блоков зона загара осыпалась недавно и такие блоки имеют желтый цвет. На тех блоках, где уже началось формирование нового слоя загара – цвет светло-коричневый. Горизонтальные поверхности с загаром, выступающие в местах эрозии вертикальных, имеют темно-коричневый цвет.

Сделаем маленькое отступление. В 1974 году американо-египетская экспедиция выполнила исследования по просвечиванию пирамиды Хеопса электромагнитным излучением. Характеристики излучения подобрали исходя из изучения образцов обнажений известняков. Эксперимент закончился неудачей, которую объяснили высокой влажностью внутри пирамиды. На самом деле электромагнитные волны подверглись рассеянию в зонах пустынного загара, которые имеют хорошие отражательные свойства для электромагнитного излучения.

Цементный раствор и литые блоки

Сейчас уже точно установлено, что при строительстве пирамид использовался раствор на основе гипса и песка.

В 80-х годах двадцатого столетия Дж. Давидович высказал гипотезу, что блоки пирамид Гизы были отлиты целиком из бетона. В качестве наполнителя использовались частицы известняка, а в качестве связывающего раствора – алюмосиликаты.

Для проверки этой гипотезы необходимо найти в блоках пирамиды соединения  кремния и алюминия в достаточных количествах. Проведенные исследования действительно показали наличие повышенного количества этих элементов.

В работе [Barsoum, 2006] приводятся результаты петрографического исследования образцов строительных блоков. В межзерновом пространстве обнаружен магний, алюминий, кремний и железо. На основании этих данных авторы разделили все блоки на те, которые не являются литыми с большой долей вероятности, и те, которые создают впечатление, что они литые. Причем ко вторым авторы относят блоки из мягкого известняка. Зерна его состоят из кальцита, в межзерновом пространстве присутствует алюминий, кремний и железо.

А. Т. Фоменко и Г. В. Носовский представили свою версию фактов в поддержку гипотезы литых блоков. По показаниям очевидца, им был отколот кусок блока от пирамиды Хеопса, для чего ему потребовалось купить специальное разрешение – и на всех блоках в этом месте были видны следы опалубки. Было это на стороне пирамиды, противоположной входу на высоте 50 м.

Авторы предложили также свой вариант получения литых блоков – в качестве наполнителя они назвали известковый щебень, связующим раствором был материал из перетертого в порошок известняка.

Если принять во внимание легкость обработки мягкого известняка,  это может поставить крест на гипотезе литых блоков. Из известняка можно вытесать блоки размерами, позволяющими их простое перемещение с помощью специальных блоков и допускающее их легкую и точную укладку.

Но это не совсем так. Все дело в том, что литые блоки аналогично могут быть сделаны с малыми трудозатратами. Ведь в мягком известняке уже имеется естественный затвердитель – гидроокислы железа, которые на воздухе цементирует состав.

Можно даже попробовать провести эксперимент: взять мягкий известняк, расколоть его не отдельные зерна кальцита, насыпать в посудину, и через некоторое время гидроокислы железа химическим путем перейдут в окислы, сцементировав нашу смесь. Наверное, именно так и делали монолитные блоки в Древнем Египте. Очевидно, что технология изготовления такого состава должна предусматривать минимальный контакт растертого известняка и продуктов его окисления до того, как смесь попадет в форму. Один из возможных способов добиться этого – разбивать мягкий известняк на зерна в водной среде, например, в колодце. Такие колодцы возле пирамид имеются. И при этом их назначение до сих пор точно не выяснено. На мой взгляд, они строились для того, чтобы пронизывать пласты мягкого известняка формации Setepet, который водопроницаем, и по нему проникать на 2 м в твердые породы известняка пачки Rosetau. Способ прост – в колодцы наливают воду, насыпают мелкие кусочки известняка, затем их дробят еще больше с помощью, например, бревна до тех пор, пока известняк не будет раздроблен до отдельных зерен кальцита и налипшей на них межзерновой смеси. После чего вся эта масса заливается в форму с осколками мягкого известняка, выступающего в роли наполнителя. Схема получения материала для литых блоков может быть и другой, но в любом случае изготовленные таким способом блоки не будут сильно отличаться от блоков, вырубленных из породы. Геологическая эволюция литых блоков принципиально не отличается от схемы, описанной выше. Таким образом, даже по прошествии времени отличить литые блоки от вырубленных можно только по косвенным признакам. Поэтому результаты петрографического исследования образцов, выполненные Дж. Давыдовичем, можно воспринимать двояко.

Некоторые особенности распределения толщин рядов пирамиды Хеопса

Замеры толщин рядов блоков пирамиды Хеопса в северо-восточном ее углу были произведены G. Goyon и W. Petrie. Замечено две закономерности: уменьшение толщин рядов по мере продвижения вверх и наличие хорошо различимых циклов, характеризующихся началом ряда с большой толщиной. Потом идет постепенное уменьшение рядов по мере увеличения их номеров. Потом цикл начинается с более толстого ряда, и так 11 раз.

Горно-геологические условия карьера долины Гизы

Как мы уже рассматривали выше, известняки формации Mokattam состоят из пластов разной толщины и состава. Причем толщины эти имеют размеры 0.3 – 1.5 м, что сопоставимо с размерами строительных блоков пирамид (0.5-1.5 м). Пласты практически по всей площади разрезаны вертикальными трещинами. В восточной части карьера они выходят на поверхность. В южной стороне формация перекрывается мергелем Maadi. Толщина твердых пород известняков составляет 6-8 м, а общая толщина всей пачки  - 13 м. Мягкие известняки на момент их добычи были слабо консолидированы и отличались тем, что на воздухе затвердевали. Поэтому можно смело говорить о том, что на плато Гиза существовали практически идеальные условия для продуктивного малозатратного процесса изготовления строительных блоков для пирамид, неважно каким способом – литья или вырубки.

Нижняя часть пирамид (с 1 по 7 ряд у пирамиды Микерина и по 10 ряд у пирамиды Хеопса) состоит из твердого известняка. В верхней части преобладает мягкий известняк. Для успешного строительства необходимо было выполнять одно условие: минимизировать время между добычей мягкого известняка и изготовлением из него строительных блоков. И наоборот, после изготовления блокам нужно было дать некоторое время на затвердение. Циклический характер разработок карьера как нельзя лучше соответствует такой схеме работ.

Заключение

Для реконструкции технологии строительства пирамид в долине Гизы, таким образом, никаких препятствий не имеется, если не учитывать крайнюю запутанность взглядов египтологов на эту проблему. Они строят свои предположения, основываясь на том, что в строительстве принимали участие тысячи и тысячи рабов, что приводило к завышению оценок трудозатрат на порядок, а то и два. Оказалось, что профессиональные археологи и геологи способны делать такие оценки более объективно, не основываясь на каких-то гуманитарных представлениях.

По материалам supernovum.ru