Текст книги "Геофизические методы в археологии. Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях"

Геофизические методы в археологии
Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях
Виктор Харебов

© Виктор Харебов, 2024

ISBN 978-5-0062-9612-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ВВЕДЕНИЕ

Одной из задач современной археологии является поиск и раскопки археологических памятников, являющихся основой для исторических реконструкций и изучения культуры прошлых эпох. К археологическим памятникам относятся остатки архитектурных сооружений, фундаменты и кладки стен, курганы, могильники, включающие отдельные археологические объекты – керамику, предметы быта и другие находки, находящиеся в грунте или различных отложениях, называемых культурным слоем.

Сегодня методы исследований в археологии становятся все более совершенными, благодаря применению методов и технических решений естественных наук, прежде всего – наук о Земле. К ним относятся методы прикладной геофизики: магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка. Особое значение имеют методы построения физико-археологических моделей и современная геофизическая аппаратура для измерений и обработки данных.

Геофизика в археологии (или археогеофизика) – новое направление в изучении археологических памятников до начала раскопок. При помощи разных методов прикладной геофизики можно обнаружить скрытые под землей объекты и дать археологам ценные сведения об их свойствах, форме, размерах и глубине залегания. Kроме того, геофизический анализ и картирование планируемой зоны раскопок позволяет существенно снизить сроки и финансовые затраты на проведение археологических исследований.

Другой, не менее важной задачей является датировка найденных археологических находок. Определение абсолютного возраста производится с помощью различных физических методов (радиоуглеродный, археомагнитный, термолюминесцентный и др.).

Основной задачей археогеофизики является обнаружение и выделение отдельных археологических объектов (аномалий) с последующим изучением их состава, формы и влияния вмещающей среды. При исследовании используется отличие физических свойств аномалий от свойств вмещающей среды, например, разница в плотности, различные электрические и магнитные характеристики, упругие свойства, и др., неодинаково реагирующих на естественные и искусственно создаваемые внешние воздействия. Зная параметры аномалии можно рассчитать физическое поле, создаваемое этой аномалией, то есть решить прямую задачу археогеофизики.

Методы прикладной геофизики при археологических исследованиях решают обратную задачу археогеофизики – по данным измерения аномального поля, создаваемого археологическим объектом определяются его размеры, форма, глубина залегания и другие физические характеристики (металл, диэлектрик, кожа, каменная кладка, древесина).

В первой главе книги дано краткое описание современных методов прикладной геофизики применительно к задачам археологии. Описаны процедуры проведения отдельных измерений и геофизических съемок на предмет обнаружения археологических объектов и картирования исследуемого участка.

Во второй главе приведены характеристики лучших профессиональных образцов геофизической аппаратуры на современном рынке. Дано описание действующего макета магнитометра и технические характеристики его отдельных модулей и блоков. Макет создан автором в демонстрационных целях.

В третьей главе приведены результаты микромагнитной съемки в тестовом режиме с использованием макета магнитометра.

В Приложении приведены принципиальная электрическая схема макета магнитометра, общий вид отдельных модулей макета, программный код (microPython) а также инструкция по установке среды разработки (IDE).

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Наиболее перспективными методами прикладной геофизики для археологических исследований являются магниторазведка, электроразведка и сейсморазведка.

Магниторазведка основана на изучении естественного геомагнитного поля и его аномалий. По выявленным магнитным аномалиям можно обнаружить слабо намагниченные археологические объекты, определить их форму, размеры и глубину залегания в культурном слое.

Считается, что метод высокоточных магнитных измерений является одним из самых эффективных методов прикладной геофизики, применяемых в археологии.

Электроразведка, как правило, используется в комплексе с магнитными измерениями. К числу наиболее популярных методов относятся следующие методы малоглубинной электроразведки:

– Электропрофилирование (ЭП);

– Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ);

– Электротомография (ЭТ).

При электропрофилировании с помощью постоянного или низкочастотного питающего поля определяются структура и удельное электрическое сопротивление культурного слоя в горизонтальном направлении, а при электрозондировании – по вертикали (в глубину). По картам аномалий удельного электрического сопротивления грунта выявляют археологические объекты, находящиеся в поверхностном слое и производят их пространственную реконструкцию. Относительная простота этих методов и возможность проведения с их помощью детальных профильных и площадных съемок позволяет археологам заменить трудоемкие сплошные раскопки выборочными.

Электротомография представляет собой комбинацию электрического зондирования и профилирования. Особенностью метода электротомографии является многократное включение одних и тех же электродов на профиле наблюдений в питающие и измерительные цепи. При интерпретации полученных таким способом данных получают детальные двухмерные и трехмерные модели георазреза, которые значительно отличаются по информативности от стандартных горизонтально-слоистых моделей.

Сейсмические методы в археологии менее популярны, из-за существенного превышения затрат на них применение, по сравнению с методами электро– и магниторазведки. Методы сейсморазведки наиболее эффективны при изучении древних строительных сооружений, пустот, различных укреплений относительно большой протяженности. Современные сейсморазведочные технологии позволяют получать качественные двух– и трехмерные изображения подобных археологических объектов с большой точностью.

Для обнаружения отдельных археологических объектов из обожженной глины или металлов наиболее применимы электро– и магниторазведочные методы исследований.

Из индуктивных методов прикладной геофизики применяемых в археологии наиболее популярен метод незаземленной петли. Источником переменного поля служит прямоугольная петля больших размеров, внутри которой производятся измерения магнитных компонент, обычно вертикальной компоненты поля. Измерения проводятся в ближней (или индукционной) зоне источника поля, где расстояния между источником поля и точками его наблюдения меньше длины волны источника поля.

Метод незаземленной петли применяется для обнаружения археологических объектов обладающих низким удельным сопротивлением либо высокой магнитной проницаемостью.

Тепловая съемка местности проводится с целью обнаружения археологических объектов, обладающих аномальными тепловыми свойствами по отношению к тепловым свойствам поверхностного слоя грунта. Данные о температурном поле исследуемого участка грунта может быть получены путем обзора его поверхности приемником теплового излучения. По зарегистрированному тепловому излучению определяется так называемая радиационная температура, которая обычно ниже физической, поскольку она зависит еще и от излучательной способности поверхности грунта.

Специальная аппаратура преобразует тепловые контрасты в тоновые и регистрирует их в виде массива данных измерений или термографического изображения.

Перспектива использования тепловой съемки при археологических исследованиях эффективна на местности, где различие между дневными и ночными температурами достаточно большое, чтобы тепловые следы археологических объектов или других конструкций проявлялись на тепловых изображениях.

В основе метода георадиолокации, применяемого в последнее время для построения детальных георазрезов и картирования археологических объектов лежит кинематическая аналогия процессов волнового распространения электромагнитных волн в среде с процессами распространения сейсмических волн в малоглубинной сейсморазведке. Приборы с помощью которых производится радиолокационное зондирование называются георадары или GPR (Ground Penetrating Radar).

Результаты радиолокационного зондирования с помощью георадаров имеют большое внешнее сходство с данными, получаемыми при сейсмической разведке по методу отраженных волн. По линиям георадарных наблюдений получают электромагнитные разрезы, внешне напоминающие сейсмические, однако, георадарные модели основаны не на разности упругих свойств среды (как в сейсморазведке), а на разности диэлектрических свойств исследуемых объектов и поверхностного слоя грунта.

МИКРОМАГНИТНАЯ СЪЕМКА

Основной задачей микромагнитной съемки при археологических исследованиях является изучение строения поверхностного слоя грунта и обнаружение находящихся в нем археологических объектов по различию их магнитных свойств с магнитными свойствами грунта.

Аномальный эффект от почвенных неоднородностей может достигать 20 нТл, объекты из обожженной глины (керамика, древние очаги, печи) могут формировать аномалии до 1000 нТл, а железные предметы и шлаки – до 2000 нТл.

Различают два вида магнитных съемок: маршрутные (профильные) и площадные, при которых выявляются участки с аномальными значениями магнитного поля и его градиентов.

Точки наблюдения обычно располагаются по системе параллельных профилей, ориентированных перпендикулярно предполагаемому простиранию изучаемых археологических объектов и имеют протяженность, в 5—10 раз превышающую их поперечные размеры.

Рис. 1 – Сетка профилей и размер шага по профилю в зависимости от величины аномалии археологического объекта.

Расстояния между профилями должны быть по крайней мере в три раза меньше продольных размеров исследуемых объектов для того, чтобы аномалия фиксировалась на трех и более соседних профилях.

Шаг по профилю определяется исходя из поперечных размеров археологических объектов, и он также должен быть по крайней мере в три раза меньше их поперечных размеров. Это необходимо для получения четкого аномального эффекта не менее чем на трех-пяти точках каждого профиля.

Возможные соотношения расстояний между профилями и точками наблюдений по профилю приведены в Таблице:

Подготовительный этап включает в себя следующие шаги:

1. По параметрам выбранной археогеофизической модели исследуемого объекта рассчитывается ожидаемая аномалия и строится ее график.

2. По амплитуде рассчитанного значения аномалии создаваемой археологическим объектом определяется точность съемки. В большинстве случаев при аномалиях меньше 100 нТл погрешность должна составлять 2—3 нТл.

3. После обоснования оптимальной точности съемки определяются густота и форма сети наблюдений (расстояние между профилями и шаг наблюдений по профилю).

4. Расстояние между профилями выбирают таким образом, чтобы они прослеживались не менее чем на трех соседних профилях. Выбранное расстояние будет определять масштаб съемки.

5. Шаг съемки зависит от ширины аномалии и проектной точности съемки. Профили ориентируются вкрест ожидаемого простирания изучаемого археологического объекта.

6. Маршрут должен начинаться и заканчиваться на опорном (контрольном) пункте. По наблюдениям на опорном пункте устанавливают нуль-пункт прибора – отсчёт, соответствующий полю, принятому за нормальное (определяется по картам нормального поля).

Рекомендуемый масштаб микромагнитных съемок для обнаружения слабомагнитных археологических объектов составляет 1:10—1:50 с постоянным уточнением положения сети профилей в зависимости от простирания археологического объекта.

При микромагнитной съемке производится исследование небольших участков грунта с равномерной и густой сетью точек наблюдения (5 × 5 м, 3 × 3 м, 1 × 1 м). Для измерений модуля напряженности магнитного поля Т и градиентов ΔТ, ΔZ применяются высокоточные полевые магнитометры и градиентометры (протонные или квантовые).

Рис. 2 – Квантовый магнитометр (модель Geometrics G-858) для наземной магнитной съемки в долине Сюрприз, Калифорния. Author: Jonathan Glen, USGS, CC0 License, Public Domain.

Чтобы исключить влияние геомагнитных вариаций измерения на рядовых точках профилей (пикетах) производятся одновременно с измерениями на одном и том же опорном (или контрольном) пункте. По результатам измерений на контрольном пункте в наблюденные значения на профилях вносят поправки за геомагнитные вариации, через несколько замеров на рядовых точках.