Dnr 420-03357-2006 GEOARKEOLOGI Granskning av slagger från en järnåldersboplats St Ursvik RAÄ 44 Sundbybergs sn Uppland G A L Geoarkeologiskt Laboratorium Analysrapport nummer 13-2007 Avdelningen för arkeologiska undersökningar UV GAL Lena Grandin Daniel Andersson
Sammanfattning Geoarkeologiskt Laboratorium (GAL) vid Riksantikvarieämbetet, Avdelningen för arkeologiska undersökningar, har gjort en analys av arkeometallurgiskt material från en arkeologisk undersökning i St Ursvik, RAÄ 44, i Sundbybergs sn, Uppland, genomförd av Riksantikvarieämbetet UV Mitt. Materialet kommer från en liten boplats, daterad till järnålder, med ett litet treskeppigt hus. Ett intilliggande, eventuellt samtida, gravfält är också undersökt. Det analyserade materialet utgörs av slagg, bränd och smält lera och järnrika klumpar. Det begränsade arkeometallurgiska materialet som har undersökts och analyserats visar några viktiga moment och detaljer från smide av järn. I sammanfattning ger det en bild av att smeden som arbetat på platsen har haft tillgång till ett mjukt järn från en hopslagen lupp, eller enklare ämnesjärn, som inledningsvis har behövt rensas på slagg för att sedan direkt smidas vidare till föremål. Den järnkvalitet, ett mjukt järn, som har observerats, är användbar till en mängd olika föremålskategorier. Även om inga konstruktioner där hantverket har ägt rum har undersökts kan vi dra slutsatsen att smidet har skett i en lerinfodrad härd med kol av lövträd, bland annat ek, som bränsle. Abstract Geoarchaeological Laboratory (GAL), Department of Archaeological Excavations, national Heritage Board, has made analyses on archaeometallurgical material from an excavation of an Iron Age settlement site in St Ursvik, RAÄ 44, Sundbyberg parish, Uppland. A grave field, probably contemporary, was also investigated. The analysed material contains slag, burnt and vitrified clay and iron-rich lumps. The achieved results from the very limited material present some important details from iron forging. In summary the slag and iron samples reveal that the blacksmith at the site had access to a wrought iron in a bloom or simple currency bar, i.e. is in a form that required cleansing of slag before it could be forged to an item. The material quality is suitable for a number of applications. Although no constructions for iron forging were observed and excavated, the analysed slag and vitrified clay indicate that the smithing hearth was lined with clay and the charcoal of deciduous tree, among them oak, was used as fuel. 1
Inledning Geoarkeologiskt Laboratorium (GAL) vid Riksantikvarieämbetet, Avdelningen för arkeologiska undersökningar, har gjort en analys av arkeometallurgiskt material från en arkeologisk undersökning i St Ursvik, RAÄ 44, i Sundbybergs sn, Uppland. Uppdraget kommer från Ann Vinberg och John Hamilton, Riksantikvarieämbetet UV Mitt som har genomfört en arkeologisk undersökning. Materialet kommer från en liten boplats, daterad till järnålder, med ett litet treskeppigt hus. Ett intilliggande, eventuellt samtida, gravfält är också undersökt. Frågan från UV Mitt är om det arkeometallurgiska materialet är slagg, vad det i så fall representerar och om huset som det påträffades i kan vara en smedja. Materialet som GAL har fått för granskning och analys utgörs av två fyndposter. I den ena finns en tyngre, magnetisk klump som kan innehålla en del metalliskt järn. I den andra finns flera fragment som mestadels är slagger men även har inslag av bränd och smält/sintrad lera. För att besvara frågor om vilket processled i järnhanteringen det representerar och om några tekniska detaljer om denna process kan besvaras trots att anläggningar som ugn eller ässja saknas genomför GAL en granskning av slaggerna och en detaljerad analys i mikroskop av en av dem. För att få ytterligare kunskap om järnets sammansättning och kvalitet görs en metallografisk undersökning av det magnetiska provet. Metoder Okulär granskning En okulär genomgång av materialet från St Ursvik gjordes. Detta innebär att med hjälp av stereolupp, magnet och vid behov sågning skapa en preliminär uppfattning om materialets karaktär, för att kunna indela det i kategorier och typer. I samband med detta moment söktes också efter inneslutna kolstycken för datering. Petrografisk undersökning Av en slagg från Fnr 25 tillverkades tunnslip (MINOPREP, Hunnebostrand) av en yta som täcker slaggens hela tjocklek, så när som på de allra nedre millimetrarna, för att kunna få en detaljerad bild av vilket processled den representerar och hur processen fungerat. Petrografiska undersökningar utfördes i genomfallande och påfallande (planpolariserat) ljus för att identifiera materialets olika komponenter och texturella drag. Undersökningen gjordes i ett Zeiss Axioskop 40A polarisationsmikroskop. Slagger består huvudsakligen av olivin, wüstit och glas. Vanliga inslag är också hercynit, magnetit, leucit, limonit och metalliskt järn. Olivin är ett silikatmineral med den allmänna formeln A 2 SiO 4, där A oftast är järn (fayalitisk sammansättning) men mangan, magnesium och kalcium kan förekomma i mindre mängder. Wüstit, FeO, är också ett mycket vanligt inslag i slagger från blästbruket. Om höga koncentrationer av wüstit förekommer är slaggens totala järnhalt vanligtvis också hög. Glas utgör slaggernas restsmälta och kan därför variera kraftigt i sammansättning beroende på vilka mineral som tidigare kristalliserat, slaggernas totalsammansättning och avkylningsförlopp. Magnetit, Fe 3 O 4, kan förekomma i stället för wüstit om temperatur och/eller syretryck är högre. Ett mineral som kan förekomma i slagger med relativt höga aluminiumhalter är hercynit, FeAl 2 O 4. Höga aluminiumhalter i kombination med höga kaliumhalter återfinns i leucit, KAlSi 2 O 6, som i vissa slagger kan förekomma i stället för den vanligare glasfasen. Droppar av metalliskt järn, några mikrometer stora, är också vanligt inslag i slagger från reduktionsprocessen. Limonit, järnhydroxider med varierande sammansättning, är huvudkomponent i sjö- och myrmalm och kan uppträda i slagger som oreducerade rester men vanligtvis förekommer limonit som en sekundär bildning, dvs. i form av rost. 2
Metallografisk undersökning Fnr 24 delas och ett tvärsnitt gjuts in i plast, slipas och poleras. Samma moment görs för en liten del av Fnr 25. Proverna används i den metallografiska undersökningen, med syfte att bedöma järnkvaliteten. Under mikroskopet framträder järnets olika texturer i prover, som etsats med 2 % nitallösning, beroende på kemisk sammansättning och bearbetningssätt. Metoden är alltså användbar för att bedöma kolhalten i materialet, t.ex. om det är ett mjukt järn eller ett hårt kolstål. Metoden kan också avslöja ett fosforinnehåll, vilket påverkar materialets hårdhets- och seghetsegenskaper. Även mängden och typen av slagginneslutningar kan studeras för att ytterligare kunna bedöma styckets kvalitet och ändamål. Undersökningen gjordes i ett Zeiss Axioskop 40A polarisationsmikroskop. Några termer som används för att beskriva järnprover är ferrit som är mjukt järn utan kolinnehåll, cementit som är en förening av järn och kol (Fe 3 C), och perlit som är en struktur uppbyggd av omväxlande ferrit och cementit. Generellt medför alltså en större mängd perlit en högre kolhalt och ett hårdare material. Stål är samlingsbenämning på en smidbar järn-kol-legering med mindre än 2 % kol och som byggs upp en kombination av ferrit, cementit och perlit. Innesluten slagg består vanligen av flera mineral, bland annat olivin som är ett järnsilikatmineral, wüstit som är en järnoxid, och en glasfas som är en finkornig huvudsakligen ickekristallin fas vars sammansättning kan variera över stora intervall. Resultat Fnr 24 Okulär granskning: Oregelbundet rostfärgat till gråsvart stycke (Fig. 1). Ca 35 30 25 mm, 36,5 g. Magnetiskt. I sågat snitt framträder en koncentration av oregelbundet metalliskt järn (Fig. 2), delvis med några millimeter stora hålrum, och omgivet av korrosionsprodukter och/eller slagg. Ett snitt är valt för metallografisk analys. Metallografi: Koncentration av metalliskt järn (Fig. 3) omgivet av rost som också lokalt går in i metallen. De hålrum som finns är sekundärt bildade, i nedbrytningsfasen. I den omgivande rosten finns också kolstycken fastkittade tillsammans med sandigt/grusigt material. I såväl metall som rost i mer centrala delar av snittet finns en del större, oregelbundet rundade slagginneslutningar med mycket wüstit. I järnet, ibland tillsammans med en del av slagginneslutningarna, finns också några kolstycken. Slaggen domineras av wüstit (inte alltför finkornig), med glas och olivin i mindre mängd. Slagg av samma typ förekommer också i snittets ytterkant. Dessutom finns en betydligt glasigare slagg, med innehåll av finkornig wüstit och magnetit i den del som är fastkittad på järnet. Järnet är huvudsakligen kolfritt eller kolfattigt med dominans av ferrit (Fig. 4) i metallens centrala delar. Mot ytterkanterna ökar kolhalten något (Fig. 5) och ferriten övergår till ferrit och perlit, lokalt även enbart perlit. I området med större slagginneslutningar är järnet huvudsakligen ferrit med små förekomster av cementit i korngränserna. Ferriten är tämligen grovkornig, eventuellt med diffusa subkorngränser i centrala delar. Bland de kolstycken (Fig. 6) som finns inneslutna i stycket har tre kunnat identifieras som lövträd av Ulf Strucke på UV Mitt. Bedömningen är gjord utifrån bilder från polerprovet och alltså inte normalt analyssätt för vedartsbestämning. Ett av styckena kunde närmare specificeras som kärnved av ek. Tolkning: Järnet har varit tämligen tätt, men med slagginnehåll, och kompakterat men inte smitt, innan det har rostat. Sannolikt är det avfall från blästprocessen eller från en första 3
hopslagning av luppen (primärsmide). Järnet är mjukt i mitten och något hårdare i ytterkanterna. Under någon del av processen har lövträd, däribland ek, använts som bränsle. Fnr 25 Okulär granskning: Fyndposten består av två större och elva mindre fragment av trögfluten slagg inklusive glasigt material med osmälta korn av silikatmineral. De mindre och oregelbundet formade slaggfragmenten utan tydliga ytterformer, är materialmässigt av samma karaktär som de större. Ett fragment består av sintrad, blåsig, lera på en sida och rödbränd lera med enstaka större korn av kvarts/fältspat (Fig. 7). Liknande lera förekommer på kanten av ett av slaggstyckena. Leran är av tämligen grovt gods. Ole Stilborg på Keramiska Forskningslaboratoriet har gjort en bedömning att styckena innehåller endast en liten mängd lera som inte är kraftigt omvandlad och mer detaljerade analyser ger sannolikt därmed inte så mycket mer information. Den största slaggen är 110 40 mm i plan och ca 45 mm tjock vilket är ursprunglig tjocklek, vikt 275,8 g. Överytan (Fig. 8) är plan, fluten och gråglasig, bottenytan är i det närmaste plan, trögfluten och brunare. I botten (Fig. 9) finns enstaka kolavtryck och kolstycken som är några millimeter stora. Slaggen är omagnetisk förutom lokalt på överytan där den är svagt magnetisk. I snitt (Fig. 10) framträder en delvis skiktad slagg med egentlig slagg i den nedre delen och mer glasigt material med inneslutna bergartsfragment i den övre tredjedelen. Vid delning av slaggen framträder denna skiktning tydligare i vissa delar men i andra är uppdelningen mellan de båda komponenterna heterogenare med inblandning av det glasiga materialet i slaggen även på lägre nivåer. I slaggen i nedre delen framträder enstaka koncentrationer av metalliskt järn några millimeter stora. I den övre delen, troligen där slaggen är magnetisk finns en större koncentration av järn. Den senare har valts för metallografisk analys. Slaggen har valts ut för petrografisk analys från botten- till överytan där två tydliga skikt kan urskiljas. Enstaka kolstycken, som förefaller vara tämligen utbrända har observerats i bottenytan. I bottenytan finns även kolavtryck. Kolstycken och kolavtryck har samma relation till slaggen, dvs slaggen är deformerad av dem och därmed hör kolstycken sannolikt till samma process som den som bildat slaggen. De har inte fastnat vid senare tillfälle. Däremot kan de ha funnits i utrymmet där slaggen bildades från ett tidigare processtillfälle. Om anläggningen använts kontinuerligt för samma hantverk bör dock inte tidsspannet mellan träkolet och slaggbildningen vara större än normalt för kolstycken i slagger. Ett fåtal, mycket fragmentariska kolstycken har provtagits från bottenytan och lämnats till uppdragsgivaren. Metallografi: Litet prov med koncentration av metalliskt järn från slaggens överyta. Järnet är oregelbundet i formen i några större och mindre formationer, från tämligen täta till svampigare (Fig. 11). Järnet omges närmast av en slagg som består av en glasfas med olivinlameller. På lite större avstånd från järnet består slaggen av varierade mängder glas, olivinlameller och finkorniga magnetitkristaller, lokalt även små mängder leucit. Ställvis förekommer nästan enbart en glasfas och i denna finns inneslutna kvartskorn. Järnet är lokalt korroderat. I de större järnansamlingarna finns slagginneslutningar som mestadels har samma mineralförekomst som närmast liggande slagg, men några är glasigare. Järnet är genomgående ferritiskt, med väldefinierade kornkontakter (Fig. 12), i enstaka fall med små cementitmängder i kontakten. 4
Petrografi: Slaggens hela tjocklek, så när som på de allra understa millimetrarna, ingår i provet (Fig. 13). Den skiktning som framträdde med blotta ögat i tvärsnittsytan syns även i mikroskopet och ytterligare skikt kan urskiljas. Längst ner består slaggen huvudsakligen av olivinkristaller, som lokalt är zonerade, en glasfas och leucitkristaller. Detta skikt avgränsas av en tunn film av järnoxider och korroderat järn längs vilken leucitkristaller är koncentrerade. Över denna zon förekommer huvudsakligen samma mineral men olivinlamellerna är mer långsmala och leucitkristallerna mindre och färre. Dessutom finns finkorniga järnoxider, sannolikt magnetit, i glasfasen. I detta lager (Fig. 14) finns också enstaka koncentrationer av wüstit och metalliskt järn. Över detta lager finns ett skikt av delvis smält silikatrikt material, främst kvartskorn. Kornen har spruckit och delvis smält och blandats med slagg (Fig. 15). Kornen varierar i storlek från ca 0,5 mm till ca 4 5 mm. Över det silikatrika lagret finns en tunnare zon av slagg som består av en glasfas (som delvis är av samma slag som i lagret under) och magnetitkristaller samt långsmala koncentrationer av järnoxid (Fig. 16). De senare liknar glödskal i såväl form som sammansättning. Tolkning: Järnet är homogent i sammansättning, ett mjukt, i det närmaste kolfritt järn. Dess form indikerar att det är bildat under reduktionsprocessen. Däremot antyder dess placering i slaggen en bildning under senare processled. Möjligen har metallen ombildats eller bildats under lokalt reducerande miljö i härden, även om en del magnetitförekomster indikerar rikligare syretillgång. Stycket ska också betraktas tillsammans med hela slaggen som är skiktvis uppbyggd. Mest utgörs den av egentlig slagg som huvudsakligen har tämligen lågt totalinnehåll av järn eftersom den domineras av silikatrika mineral som olivin. En relativt hög aluminiumhalt indikeras av leucitförekomsten. Varierande temperaturer ses i form av zonerade olivinkristaller, vilket är vanligt i sekundärsmidesslagger. Ytterligare indikationer på varierande förhållanden är gränsen mellan de två nedre slaggskikten där det finns både järnoxider och en koncentration av leucit. I de övre delarna utgör det kvartsrika lagret ett markant inslag. Kvartskornen varierar något i storlek, de är delvis uppsmälta och blandade med slagg för att sedan täckas av ett tunt lager slagg med koncentrationer av järnoxider, främst magnetit och glödskalsliknande formationer. De övre lagren antyder en användning av vällsand för att skydda järnet eller sammanvällning, men ytterkanten av det järnföremål som har bearbetats har ändå ramlat av i tunna oxiderade skal som delvis hamnat i slaggen. Tolkning och diskussion Det begränsade arkeometallurgiska materialet som har undersökts och analyserats visar några viktiga moment och detaljer från ett metallhantverk även om ingen fullständig bild kan framkallas. Den lilla järnrika klumpen, Fnr 24, är inte nämnvärt bearbetad och förefaller vara förlorad i ett tidigt skede i processen. Det är kompakterat/hopslaget men inte utsmitt. Genom att se enbart på stycket blir tolkningen att det har gått förlorat i samband med primärsmidet, innan något föremål har börjat ta form. Fyndposten kunde också bidra med information om bränsle eftersom en den innehåller en del inneslutna kolstycken med välbevarad och karaktäristisk struktur som visar att lövträd, däribland ek funnits med i bränslet. De olika materialen i Fnr 25 ger oss ytterligare detaljer om smidesprocessen. Dels finns det keramiska materialet, en lera av tämligen grovt gods, och som delvis är kraftigt smält. Liknande material finns också på kanten av ett slaggstycke. Sannolikt är det del av infodringen från härden eller den försänkning där slaggen samlats under smidet. De mest kompletta slaggerna har också former som är karaktäristiska för smidet. Den slagg som vi har undersökt i detalj ger en något komplex bild av processen där det inneslutna järnet, likt järnet 5
i Fnr 24, snarast indikerar ett tidigt skede i smidet, vilket den nedre delen av slaggen också skulle kunna göra, men slaggens övre delar representerar ett senare skede när de färdiga järnföremålen smids och lämnar ifrån sig tunna oxiderade skal som vanligen hittas som enskilda glödskal runt städet men i detta fall också har följt med in i härden och hamnat i slaggen. Slaggens detaljerade sammansättning visar också att temperaturen har sänkts och höjts växelvis, vilket också är typiskt för föremålssmidet. Huruvida det lager av bergartsfragment och kvartskorn som finns i de övre delarna och som delvis har smält och blandats med slaggen har tagit en aktiv del i smidet för att skydda metallen från att oxidera är mer osäkert. Det metalliska järn som har undersökts är huvudsakligen ett mjukt järn med endast lokalt låga kolhalter som inte ger någon genomgående förhöjd hårdhet. Ett sådant järn är användbart till en mängd olika föremålskategorier. I sammanfattning ger det undersökta materialet oss en bild av att smeden har haft tillgång till ett mjukt järn från en hopslagen lupp, eller enklare ämnesjärn, som inledningsvis möjligen har behövt rensas på slagg för att sedan direkt smidas vidare till föremål. Smidet har skett i en lerinfodrad härd med kol av lövträd som bränsle. 6
Figurer Figur 1. Fnr 24. Oregelbunden, något rostfärgad och magnetisk klump. Figur 4. Fnr 24. Ferritiskt järn (ljust med tunna blåfärgade kornkontakter) i kontakt med slagginneslutning. Etsat prov. Figur 2. Fnr 24. Stycket är delat. En koncentration av oregelbundet format metalliskt järn med hålrum och omgivet av korrosionsprodukter framträder. Figur 5. Fnr 24. Övergång från det ferritdominerade järnet till vänster till mer perlit, och därmed högre kolhalt till höger. Etsat prov. Figur 3. Fnr 24. Metalliskt järn (ljust), korroderat järn (grått) och större slagginneslutningar med dendritisk wüstit (gulgrå) och en glasfas (mörkare grå). Figur 6. Fnr 24. Kolstycke inneslutet i korrosionen. Kärnved av ek. 7
Figur 7. Fnr 25. Stycke som består av rödbränd lera. Figur 8. Fnr 25. Slagg med plan, fluten överyta. Figur 11. Fnr 25. Metallprov från slaggens övre del. Översikt på svampigt järn omgivet av slagg. Närmast järnet finns olivinlameller och en glasfas. På lite större avstånd består slaggen av varierade mängder glas, olivinlameller och finkorniga magnetitkristaller. Figur 9. Fnr 25. Slagg med plan, trögfluten bottensida med enstaka kolavtryck. Figur 12. Fnr 25. Detalj på delar av järnet som är ferrit (ljust med tydliga korngränser). Den omgivande slaggen är mörk. Etsat prov. Figur 10. Fnr 25. Slaggen delad. Nedre delen utgörs av egentlig slagg. Övre delen består av glasigt material med osmälta bergartsfragment. 8
Figur 16. Fnr 25. Slaggens övre del som består av en glasfas (mörk) med järnoxider i form av ljusa kantiga magnetitkristaller och långsmala, ljusa koncentrationer med samma form som glödskal. Figur 15. Fnr 25. Detalj från slaggens övre tredjedel där kvartskorn av varierande storlek (ljusa med sprickor) finns insmälta tillsammans med slagg (mörka ytor). Figur 13. Fnr 25. Det utsnitt av slaggen som undersökts i mikroskop (se följande figurer). Figur 14. Fnr 25. Detalj från slaggens mer centrala delar. Här finns långsmala olivinlameller (ljusare grå) en glasfas (mörkare grå), leucit (nästan svart) och järnoxid (vit) främst som magnetit. 9