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.

Для оценки точности съемки на ряде точек (5 – 10% от общего количества) ведутся повторные наблюдения и рассчитывается средняя квадратическая погрешность измерений. Требования к точности наблюдений при наземной съемке устанавливаются в зависимости от масштаба съемок и напряженности магнитного поля. В слабых полях точность наблюдений должна быть высокой: среднеквадратическая погрешность съемки не больше 5 нТл при мелкомасштабных съемках и не больше 2 нТл при крупномасштабных.

В результате полевой съемки по наблюденным составляющим T, ΔT, ΔZ рассчитываются аномальные магнитные поля:

T_a = T – T_n – T_var,

ΔT_a = ΔT – ΔT_var,

ΔZ _a= ΔZ – ΔZ_var,

где Т_n – нормальное поле, Т_var, ΔТ_var, ΔZ_var – вариации поля, измеренные на контрольном пункте и соответствующие измерениям на рядовых точках профилей.

При построении карт профилей на карте наносятся профили наблюдений, а перпендикулярно им откладываются аномалии. На картах у каждой точки записываются аномальные значения геомагнитного поля и проводятся линии равных значений (изолинии). Сечение изолиний при построении карт должно быть в 2 – 3 раза больше точности определения аномалий.

При обработке данных магнитных съемок определяются геометрические параметры (форма, размеры, глубина залегания) и магнитные свойства (остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость) археологических объектов, и вместе с результатами магнитного картирования передаются археологам для планировки и проведения археологических раскопок.

В качестве примера на Рис. 3 приведена карта градиента аномального поля, построенная по результатам высокоточной микромагнитной съемки:

Рис. 3 – Микромагнитная съемка градиента аномального поля на месте археологических раскопок в районе Грейт-Бенд в центральном Канзасе. Author: Pöhönen, GNU Free Documentation License.

ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ

Метод электропрофилирования реализуется в виде электроразведочной установки с питающими и приемными электродами, с помощью которых измеряется кажущееся удельное электрическое сопротивление грунта и его аномалии вдоль заданного направления (профиля).

Через питающую линию пропускается постоянный или низкочастотный переменный ток от аккумуляторных батарей или от генератора. Измеряется сила тока в питающей цепи. На приемных электродах измеряется разность потенциалов между ними. В качестве электродов используются металлические стержни, выполненные из стали (питающая линия) и латуни (приемная линия). Провода должны быть прочными на разрыв, иметь надежную изоляцию и достаточно низкое удельное электрическое сопротивление.

Рис. 4 – Схема электроразведочной установки с питающими и приемными электродами.

Наиболее распространенной электроразведочной установкой является четырехэлектродная симметричная установка AMNB. Питающие и приемные электроды этой установки располагаются на одной прямой линии профиля, причем приемные электроды M и N отстоят от центра отрезка AB на одинаковых расстояниях, центры питающей и приемной линий находятся в одной точке.

Если расстояние между приемными электродами MN меньше одной трети расстояния между питающими электродами, то такая установка называется установкой Шлюмберже.

Установка Веннера имеет равные расстояния между приемными и питающими электродами (AM=MN=NB).

Кажущееся удельное сопротивление рассчитывается по формуле:

𝜌_k = k (Δ𝑈_MN) / (𝐼_AB),

где:

𝐼_AB – величина тока в амперах на отрезке АВ;

Δ𝑈_MN – разность потенциалов в вольтах на отрезке MN;

k – коэффициент установки:

k = π (AM*AN/MN) для установки Шлюмберже;

k = 2π*MN для установки Веннера;

AM, AN, MN – расстояние между электродами, м.

Для установки Веннера расчетная формула упрощается:

𝜌_k = 2𝜋𝑠 (Δ𝑈_MN) / (𝐼_AB),

где:

s = AB/2 – величина полуразноса установки, м.

Удельное электрическое сопротивление слоев почвенного грунта зависит от многих факторов и может сильно различаться – от долей Ом·м до десятков тысяч Ом·м.

При погружении металлических электродов в почву, на границе контакта каждого электрода возникает двойной электрический слой. Это приводит к тому, что между электродами приемной линии возникает дополнительная разность потеннциалов, которая называется ЭДС поляризации. У латунных электродов приемной линии ЭДС собственной поляризации обычно составляет 20—30 милливольт, при температурной нестабильности 10%. У стальных электродов ЭДС поляризации в несколько раз выше, и обычно составляет 150—170 милливольт, при температурной нестабильности 20%.

ЭДС поляризации может вносить существенную ошибку при измерениях слабых сигналов, поэтому ее либо компенсируют, либо устраняют различными способами. При наиболее точных измерениях применяют специальные неполяризующиеся электроды.

При подключении к питающей линии генератора низкой частоты (порядка нескольких герц) проблема ЭДС поляризации сводится к минимуму.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) заключается в измерении кажущегося сопротивления установкой с возрастающим расстоянием между питающими электродами, при постоянном положении ее центра. При этом увеличивается глубина проникновения тока в слой грунта и на результаты измерений начинают оказывать влияние объекты, залегающие на бóльшей глубине.

Зондирование методом сопротивлений относится к геометрическому зондированию, при котором глубинность зондирования зависит от расстояния между питающими и приемными электродами – чем больше расстояние, тем больше глубина зондирования. Чаще всего применяются четырехточечные (симметричные) зондирования, в которых изучают зависимость кажущегося сопротивления слоев грунта от полуразноса питающих электродов AB/2.

Археологические объекты, которые находятся в поверхностном слое грунта представляют собой неоднородности, нарушающие общую картину геоэлектрического разреза и являются объектами поиска.

Искажающее влияние объектов, находящихся в непосредственной близости от измерительных электродов, проявляется в виде вертикального сдвига кривой зондирования (или ее сегмента) по оси сопротивлений (Р-эффект). Кривая зондирования сдвигается вверх или вниз, причем значения увеличиваются или уменьшаются в зависимости от локального изменения плотности тока вблизи неоднородности.

Р-эффект возникает за счет изменения плотности тока над неоднородностью (вблизи приемных электродов) по сравнению с плотностью тока в горизонтальном поверхностном слое грунта. На геоэлектрическом разрезе Р-эффект проявляется как вертикальная аномалия.

С-эффект проявляется в виде заметного искажения кривой зондирования, когда питающий электрод А или B попадает на неоднородность, за счет резкого перераспределения плотности тока в геоэлектрическом разрезе. Обычно амплитуда С– эффекта меньше амплитуды Р– эффекта.

Рис. 5 – P-эффект – смещение кривой зондирования над неоднородностью.

Рис. 6 – C-эффект – локальная аномалия при пересечении неоднородности питающим электродом.

ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИЯ

Электротомография (Electrical Resistivity Тomography, Resistivity Imaging) – современное направление электроразведки представляющее собой комбинацию вертикального электрозондирования и электропрофилирования.

Суть методики наблюдений заключается в многократных повторных измерениях удельного сопротивления грунта вдоль системы профилей при разных положениях источника питающих линий. Результаты измерений представляются двухмерными и трехмерными томограммами.

Рис. 7 – Двухмерная модель геоэлектрического разреза полученная с помощью электротомографической съемки. Author: Surányi Gergely, Creative Commons Zero, Public Domain.

Разрешающая способность метода электротомографии зависит от числа и плотности измерений, обычно число измерений превышает несколько тысяч на профиле.

Для достижения максимальной эффективности метода электротомографии применяется специальная многоэлектродная аппаратура с программируемой автоматической коммутацией электродов. Каждый электрод может использоваться не только как измерительный, но и как питающий.

Однако, ввиду высокой стоимости многоэлектродной аппаратуры часто метод электротомографии реализуется в помощью стандартной одноканальной электроразведочной аппаратуры, совместно с блоком коммутации каналов. При этом коммутируются только приемные электроды, а питающие электроды переносятся вручную.