Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

Подождите немного. Документ загружается.

методы цифровой обработки сигналов к результатам радиолокационного

зондирования. Вместе с тем применяются и другие специфические методы

обработки данных, в частности, такие, которые разработаны для цифровой

обработки изображений. В конечном итоге по линиям наблюдений получают

электромагнитные разрезы, внешне напоминающие сейсмические.

Поисковые возможности георадаров определяются отличием искомых

объектов от вмещающей среды по

таким электрофизическим параметрам, как

диэлектрическая и магнитная проницаемость и электропроводность. Общее

представление об электрических характеристиках некоторых почв и пород при

частотах поля 100 МГц можно получить из таблицы 1.10, заимствованной из

работы М.Н Финкельштейна, В.А. Кутева и В.П. Золотарева

Таблица 1.10. Электрофизические характеристики некоторых материалов

Материал

Электри-

ческая

прово-

димость,

См/м

Удельное

затухание

сигнала,

дБ/м

Относи-

тельная

диэлектри-

ческая

прони-

цаемость

Фазовая

скорость

распростра-

нения

сигнала,

м/мкс

Воздух 0 0 1 300

Пресная вода 10

-3

0.18 81 33

Морская вода 4 330 81 33

Песчаная почва сухая

1.5⋅10

-4

0.14 3 170

Песчаная почва влажная

7⋅10

-3

2.3 25 60

Глинистая почва сухая

2.5⋅10

-4

0.28 3 170

Глинистая почва влажная

5⋅10

-2

20 15 78

Гранит сухой 10

-8

-5

5 130

Гранит влажный 10

-3

0.6 7 110

Глинистый сланец

влажный

-1

45 7 110

Песчаник влажный

4⋅10

-2

24 6 120

Известняк влажный

2.5⋅10

-2

14 8 110

Геолокатор позволяет выделить геологические границы, инородные

структурные включения, области отличного минералогического состава, повы-

шенной влажности и, естественно, отдельные объекты как археологического,

так и техногенного происхождения.

Некоторое представление о материалах, получаемых по данным дистан-

ционного электромагнитного зондирования с помощью георадара, можно

получить из следующих иллюстраций, заимствованных, с любезного согласия

авторов, из

работы А.А. Борисова и др.

. На рис. 1.18, а приведены резуль-

таты геолокационных исследований в районе Китаево. По профилю зонди-

рования №1 обнаружено христианское захоронение XI века. В интервале

координат 7–9 м на глубине 0.6 м раскопками найдено два черепа; далее по

профилю раскопки не проводились. Ниже предполагается захоронение более

раннего периода.

На следующем рисунке (рис. 1.18, б) отображены результаты электро-

магнитного зондирования по одному из профилей на территории Киево-

Печерской Лавры вблизи Успенского собора (внешняя территория). На

рисунке отмечается характерная особенность поля, которая интерпретируется

как недокументированный ранее склеп.

12 14 16

Р а с с т о я н и е, м

Г л у б и н а, м

Р а с с т о я н и е, м

Г л у б и н а, м

Склеп

аб

Китаево

Профиль №1

Киево-Печерская Лавра

Успенский собор

Рис. 1.18. Электромагнитные разрезы по данным геолокационных исследований

георадаром: а – в районе Китаево: 1 – христианское захоронение XI в., 2 – пред-

полагаемое захоронение более раннего времени; б – вблизи Успенского собора,

Киево-Печерская Лавра.

Приведенные рисунки дают лишь самое общее представление о возмож-

ностях метода. Однако и на этих примерах можно убедиться, что метод

чувствителен главным образом к верхним кромкам исследуемых объектов.

(Например, труба большого диаметра фиксируется, главным образом, верх-

ней четвертью ее поверхности). В большинстве случаев геолокация (как

аналог метода отраженных волн в

сейсморазведке) мало перспективна для

картирования подошвы искомых объектов. Этот недостаток отчасти можно

компенсировать построением набора горизонтальных электромагнитных сре-

зов на разных глубинах, хотя это и не решает проблемы в целом.

Некоторые модели современных георадаров зарубежного производства

позволяют получить трехмерное изображение погребенных объектов на

основе использования методов дифракционной томографии. Однако такие

модели приборов изготовляются, как правило, по заказу и, к сожалению, в

настоящее время археологам практически недоступны из-за непомерно

высокой стоимости.

В целом геолокационный метод исследований обладает большими, в

ряде случаев – уникальными возможностями дистанционного неразрушаю-

щего исследования археологических объектов. Однако, как отмечает

А.А Борисов

, «...георадар, безусловно, не является 100% универсальным

средством. Применение георадаров имеет свои ограничения в случае слож-

ных по структуре подземных областей или при наличии высокой влажности,

когда имеют место сильное затухание сигналов. В таких случаях требуется

комплексный подход с использованием других геофизических методов

исследований. Существенной проблемой является насыщенность верхнего

слоя разреза... разного рода объектами на глубинах до 2 м». Последняя

проблема («насыщенности») может оказаться решающей для ограничения

применения метода в конкретных физико-археологических условиях.

Кроме того, георадар эффективно работает в грунтах и средах с

высоким удельным электрическим сопротивлением: сухие пески, льды,

пресная вода, известняки, граниты и другие кристаллические породы. Однако

чувствительность прибора уменьшается в грунтах типа глины, суглинка, при

возрастании влажности пород. Это тоже ограничивает применение метода.

Следует

также учесть высокую стоимость аппаратурного комплекса –

порядка 20–50 тысяч долларов. Можно, конечно, проводить работы на правах

аренды или по заказу. Тем не менее, вполне очевидно, что покрывать сетью

электромагнитных профилей весь археологический памятник с помощью

георадарной установки было бы слишком расточительно. Это может быть

допустимо только в случае уникальной ценности исследуемых

объектов.

Поэтому в общем случае целесообразно было бы сочетать проведение

недорогих площадных магнитометрических исследований всего памятника с

профильными геолокационными работами на отдельных профилях или

участках, в пределах которых поисковые задачи решаются магнитометрией не

полностью или не однозначно.

Подводя итог данному разделу, следует отметить, что комплекси-

рование магниторазведки с другими геофизическими методами

, особенно – с

электромагнитными, во многих случаях необходимо и полезно. Однако,

независимо от того, какой метод дополнительно включен в комплекс

исследований, это всегда приводит к существенному удорожанию работ. Для

того чтобы избежать далеко не всегда необходимого комплексирования,

достаточно придерживаться следующих простых рекомендаций.

1) Поисковая результативность магнитометрии прямо и однозначно

определяется достигнутой точностью

съемки и густотой сети наблюдений.

Чем выше точность и гуще сеть наблюдений, тем более надежно выявляются

археологические объекты или их детали заданных размеров. Практически нет

таких аномальных магнитных эффектов, создаваемых локальными археологи-

ческими объектами или их относительно крупными фрагментами, которые

нельзя было бы обнаружить современными магнитометрами, обладающими

точностью измерений до

±0.01 нТ.

2) При археологическом истолковании магнитометрических данных не

следует ограничиваться результатами непосредственных измерений магнит-

ной индукции, которые в большинстве случаев трудно интерпретируемы.

Следует применить такие приемы и методы обработки магнитометрических

данных, которые даже в трудных условиях позволяют достигнуть максималь-

ного уровня фильтрации неизбежных помех, усилить полезные особенности

выявленных аномалий и представить

информацию об исследуемых архео-

логических объектах в четкой, наглядной форме. Некоторые из этих приемов и

методов обработки в упрощенном виде рассматриваются в главе 3.

____________________________________________________

Глава 2

ПОЛЕВЫЕ МАГНИТОРАЗВЕДОЧНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Магниторазведочные исследования археологических памятников – это

не простое множество измерений магнитного поля в произвольно выбранных

точках местности. Магнитометрические наблюдения должны быть выполнены

на исследуемой площади по определенной системе и с заданной точностью, и

только в этом случае могут называться съемкой. Методика и техника (техно-

логия) проведения магнитных съемок представляет собой совокупность

взаимосогласованных правил и рекомендаций, следуя которым можно обеспе-

чить требуемое качество магнитометрических данных и в конечном итоге –

достижение поставленных поисковых целей.

Технология полевых магниторазведочных исследований хорошо раз-

работана применительно к решению геологоразведочных задач. Она дове-

дена до уровня стандарта, регламентируется технической инструкцией по

магниторазведке

и обеспечивает высокую эффективность решения задач

геологического картирования и поисков месторождений полезных ископаемых.

Многие положения этой технологии (сохраним за ней название «стан-

дартной») могут и должны быть использованы и при магниторазведочных

исследованиях археологических памятников.

Однако стандартная технология съемки применительно к археологии не

в состоянии обеспечить той же эффективности, что и

при решении гео-

логических задач. Это связано со спецификой условий археологических

исследований. К таким условиям относятся: весьма малые по геологическим

масштабам размеры и глубины залегания искомых объектов, их, как правило,

слабая корреляция в пределах памятника, сравнительно небольшие аномаль-

ные эффекты, требующие более высокой точности измерений, необходимость

более тщательного учета вариаций магнитного

поля Земли и ряд других. Из

этого следует, что магнитные съемки археологических памятников не могут не

отличаться от съемок геологического назначения по целевому назначению,

сети и точности наблюдений, методам и приемам полевых исследований,

обоснованию благоприятных предпосылок для проведения магнитораз-

ведочных работ. По технологическим особенностям съемки археологических

памятников наиболее близки, так

называемым микромагнитным съемкам.

Однако микромагнитные исследования предназначены совсем для других

целей, на практике применяются крайне редко и отличаются наименее раз-

работанной, упрощенной технологией.

В то же время, за последние полвека накоплен некоторый опыт магнито-

метрических исследований непосредственно в археологии. Технология этих

исследований апробирована на многочисленных археологических памятниках

различных культур в разных

физико-археологических условиях. Положи-

тельный (как и отрицательный) опыт этих исследований заслуживает

внимания и подлежит учету при разработке оптимальной технологии прове-

дении магнитных съемок археологического назначения.

Таким образом, требуется синтез опыта магнитометрических исследо-

ваний в археологии с основами стандартной технологии магнитных съемок.

Излагаемая в данной главе технология полевых магнитометрических исследо-

ваний археологических памятников является попыткой такого синтеза и, не

претендуя на уровень

стандарта, рекомендуется для практического исполь-

зования. Наряду с вопросами применения магнитной разведки в археологии

рассмотрены также возможности использования данного метода при поисках

и картировании объектов техногенного происхождения.

2.1. ВЫБОР ЦЕЛИ И АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ

МАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ

При поисках и разведке, как археологических памятников, так и различ-

ных объектов техногенного происхождения могут быть использованы различ-

ные методы геофизических исследований. Одним из наиболее эффективных

и в то же время простых и экономически выгодных является метод магнитной

разведки.

Магниторазведочные исследования могут проводиться для достижения

следующих целей:

– получение первичной информации

о наличии предполагаемых, скры-

тых в земле археологических объектах для выделения инвестиций под рас-

копки;

– выявление и картирование скрытых наносами отдельных объектов или

всего памятника древней культуры (или истории);

– выявление характерных особенностей археологического памятника;

– детальные исследования археологических памятников различных

культур с целью построения планов расположения древних построек и струк

турных планов поселений с упорядоченным характером их застройки;

– решение вопросов охраны погребенных археологических памятников,

оценки их состояния, обеспечение сохранности в процессе строительных

работ, прокладки дорог и подземных коммуникаций;

– уточнение местоположения отдельных объектов перед началом архео-

логических раскопок или строительных работ;

– оценка формы и глубины залегания искомых объектов;

– экстраполяция

контуров исследуемых объектов в процессе раскопок за

пределы периметра раскопа;

– экономия финансовых затрат на поисковые археологические раскопки;

минимизация затрат труда и времени на изучение памятника.

Определившись с целью (или группой целей) магнитометрических иссле-

дований, можно приступить к анализу условий, как благоприятных, так и

неблагоприятных, для проведения магниторазведочных работ заданного

целевого

назначения.

Магнитометрические исследования в археологии успешно применя-

ются для выделения отдельных, достаточно крупных археологических объек-

тов – остатков жилищ, построек хозяйственного и ритуального назначения,

печей, хозяйственных ям, фортификационных сооружений и многих других, а

также с целью воссоздания или уточнения плана древних поселений в целом.

В течение последних десятилетий накоплен большой опыт подобных работ,

который требует анализа и обобщения.

Физической основой магнитного метода разведки есть различие магнит-

ных свойств (намагниченности) искомых объектов и вмещающей их среды.

Это фундаментальное для магниторазведки условие соблюдается практи-

чески

на всех археологических памятниках.

В одних случаях повышенная намагниченность археологических памят-

ников связана с наличием значительных масс обожженной глины и изделий

из нее в местах расположения остатков жилищ (стен, пола, печей и др.).

Например, трипольские площадки, по материалам раскопок, содержат иногда

до нескольких тонн обожженной глины и имеют размеры в плане

до 50 м

более. Вследствие термоостаточной намагниченности обожженных глин, во

много раз превосходящей их естественную намагниченность, археологические

объекты могут создавать значительные магнитные аномалии, которые, в

частности, на трипольских поселениях, характеризуются амплитудами от

нескольких десятков до нескольких сотен нанотесла.

В других случаях погребенные слоем наносов остатки археологических

объектов – жилищ, ям, рвов и многих

других – образуют локальные участки

размером до нескольких метров, заполненные материалом с повышенными

магнитными характеристиками по сравнению с вмещающими слоями пород.

Подобные объекты, залегают обычно неглубоко, и даже при небольшом

различии магнитной восприимчивости коренных пород и перекрывающего их

слоя наносов фиксируются магнитными аномалиями с амплитудой, вполне

достаточной для их выявления высокоточной магнитной

съемкой.

Наконец, с археологическими памятниками тесно связан культурный

слой, содержащий остатки предметов и продуктов деятельности человека, в

том числе изделий из металла, обожженной глины, камней из кристал-

лических пород и других. В некоторых случаях культурный слой может быть

отождествлен с самим памятником. Хотя культурный слой в среднем слабо

отличается от

вмещающей среды по физическим свойствам, но ряд участков,

насыщенных магнитоактивным материалом, может быть выделен вполне

уверенно.

Магнитные характеристики большинства типов археологических объек-

тов регионов Украины и Молдовы исследованы на сравнительно небольшом

количестве образцов, отобранных из нескольких десятков археологических

памятников, расположенных на территории Среднего Поднепровья, Украин-

ского Полесья, Северного Причерноморья, Крыма, Юго

-запада Украины и

Молдовы. Тем не менее, по результатам исследований, приведенным в

предыдущей главе, установлено, что археологические объекты различных

типов значительно отличаются по магнитным свойствам один от другого и от

вмещающей их среды (см. табл. 1.4). На основании анализа статистических

характеристик археологических остатков доказана высокая вероятность

обнаружения и выделения ряда археологических

объектов по магнитометри-

ческим данным (табл. 1.5).

Таким образом, в большинстве случаев физические предпосылки для

постановки магниторазведочных работ на археологических памятниках доста-

точно благоприятны.

К числу других условий, благоприятных для постановки магнитной

съемки, относятся следующие:

– однослойность археологического памятника;

– небольшая глубина и мощность культурного слоя;

– хорошая сохранность археологических остатков;

– выдержанность магнитных характеристик однотипных археологических

объектов на всей площади исследуемого памятника;

– значительные размеры намагниченных объектов по сравнению с глу-

биной их залегания;

– значительная

глубина залегания коренных (кристаллических) пород, по

сравнению с глубиной залегания искомых археологических объектов;

– отсутствие в верхней части геологического разреза слоя пород с повы-

шенной магнитной восприимчивостью, который может экранировать магнит-

ное поле нижележащих искомых объектов;

– благоприятные геометрические параметры археологических объектов;

– достаточно большой объем магнитных масс и аномальный эффект,

создаваемый

искомыми объектами;

– относительно низкий уровень магнитных помех, особенно в почвенном

слое;

– отсутствие магнитных помех техногенного происхождения;

– отсутствие современных ям, траншей, мест выбора камня и послед-

ствий других горных работ на территории памятника;

– спокойный рельеф дневной поверхности и подстилающих пород;

– отсутствие на территории археологического памятника свалок желез-

ного лома,

бытового мусора и т.п.

Несоблюдение каких-то из названных условий не означает, что приме-

нение магнитной разведки археологических памятников в данной ситуации

бесперспективно (исключая, вероятно, случай работы на участке с крайне

высоким уровнем помех техногенного или антропогенного происхождения). Но

это создает определенные неудобства или трудности при выполнении съемок,

требует вынужденное

усложнение технологии магнитных съемок или не

обеспечивает возможности надежного решения каких-то из сформулиро-

ванных выше задач.

Высокая эффективность магниторазведочных исследований в археоло-

гии доказана не только теоретически, но и положительным опытом практиче-

ского применения магнитного метода разведки в течение последних 50 лет на

многих десятках археологических памятников.

Магнитометрические исследования объектов

техногенного про-

исхождения также имеют надежную физическую основу.

Из всего множества подобных объектов будем рассматривать лишь те,

которые располагаются в непосредственной близости от земной поверхности

на глубинах до 1–5 м. Это могут быть:

– подземные трубопроводы, водопроводы, сооружения оросительных

систем;

– погребенные остатки военной техники и боеприпасов;

– захоронения времен Великой отечественной войны;

– подземные ходы, бункеры, другие подземные сооружения.

Все эти объекты в большинстве случаев представляют собой (или

содержат) изделия из металла (железо, сталь, чугун) или конструкции из

железобетона. По магнитным характеристикам такие материалы значительно

превосходят магнитные свойства археологических остатков. Кирпичные,

каменные кладки, многие конструкции из бетона также имеют повышенные

магнитные характеристики. По размерам техногенные объекты обычно

превосходят объекты археологического происхождения. Поэтому создавае-

мые ими аномальные эффекты могут значительно превышать аномалии от

археологических объектов. Таким образом, применение магнитометрии

при

поисках и разведке большинства техногенных объектов не менее эффек-

тивно, чем при исследованиях археологических памятников. В настоящее

время накоплен некоторый положительный опыт применения магнитной раз-

ведки для поисков техногенных объектов, свидетельствующий о высоких

разрешающих способностях данного метода исследований. Несколько приме-

ров таких поисков рассмотрено в главе 4.

Отдельную группу техногенных

объектов в приповерхностном слое

земли составляют линии подземных кабелей (силовых, телефонных) и других

коммуникаций для передачи сигналов или электрического напряжения. Для их

поисков и трассирования применяются, главным образом, электромагнитные

методы исследований.

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ СЪЕМОК

Магнитные съемки могут проводиться:

– протонными и квантовыми магнитометрами, измеряющими модуль

вектора магнитной индукции (напряженности) магнитного поля Земли;

– магнитными градиентометрами, предназначенными для измерения

вертикального (и/или горизонтального) градиента геомагнитного поля;

– компонентными магнитометрами, измеряющими X-, Y- и Z-составля-

ющую вектора магнитной индукции Земли.

В зависимости от измеряемой характеристики геомагнитного поля

различают съемки магнитные (магнитометрические), градиентометри-

ческие и компонентные (см. табл. 2.1). Градиентометрические съемки будут

рассмотрены в отдельном разделе, а компонентные в археологи пока не

практикуются.

Точность магнитной съемки является одной из наиболее важных ее

характеристик. Точность съемки оценивает ее качество. Определяется точ-

ность величиной среднеквадратической погрешности измерений магнитной

индукции. В

зависимости от точности наблюдений различают магнитные

съемки средней точности, высокоточные и прецизионные (съемки пони-

женной точности не рассматриваются).

Съемки средней точности выполняются со среднеквадратической

погрешностью до

±(5–8) нТ и обеспечивают возможность построения карт

изолиний магнитного поля с сечением 20 или 25 нТ. В практике археологиче-

ских исследований не применяются.

Высокоточной считается съемка, выполненная со среднеквадратиче-

ской погрешностью не свыше

±(2–4) нТ, что позволяет строить карты изоли-

ний магнитного поля с сечением через 5 или 10 нТ. Это основной вид съемок

археологического назначения.

Прецизионные магнитные съемки проводятся с точностью не ниже

±(0.3–1) нТ, позволяющей строить карты изолиний магнитного поля с сече-

нием через 1 или 2 нТ. Применение таких съемок желательно для магнито-

разведочных исследований весьма слабо намагниченных археологических

объектов.

Таблица 2.1. Классификация магнитных съемок.

Наименование

съемок

Средняя квадрати-

ческая погрешность,

нТ

Сеть наблюдений,

Средней точности 5–8

(1..5)

×5, (2..5)×10

Высокой точности 2–3

от 4

× 4 до 0.5×0.5

Прецизионные 0.3–1

×1, 0.5×0.5

Градиентные не более 1–2 нТ/м

×2, 1×1

При археологических изысканиях наиболее часто применяются высоко-

точные съемки со среднеквадратической погрешностью не выше

±(2–3) нТ.

Достижение точности прецизионных съемок требует дополнительных затрат

(в частности, на проведение обязательных измерений вариаций геомагнит-

ного поля), поэтому применение прецизионных исследований должно быть

хорошо аргументировано. Для картирования объектов техногенного проис-

хождения используются съемки средней или высокой точности.

По назначению (в зависимости от решаемых задач) съемки классифи-

цируются как поисковые и

разведочные. Цель поисковых магнитометрических

исследований состоит в том, чтобы найти (не пропустить) аномалии,

связанные с искомыми объектами. Разведочные съемки планируются для

уточнения формы, размеров и других характеристик объектов исследований.

В зависимости от системы наблюдений различают съемки

маршрутные, профильные и площадные. Маршрутные съемки выполняются

по изломанным линиям наблюдений: вдоль полевых дорог,

берегов водо-

токов, балок, по дорогам, тропам, границам полей и т.п. Профильные съемки

проводятся по прямым линиям, проложенным инструментально (обычно – на

пересеченной местности). Наблюдения по профилям и маршрутам произ-

водятся, как правило, с постоянным шагом наблюдений.

Маршрутные и профильные съемки планируются обычно при реко-

гносцировочных или поисково-оценочных исследованиях, когда

необходимо

выяснить возможности магнитометрического метода исследований в данных

условиях, определить местоположение и общие размеры памятника или

отдельных его объектов, оценить аномальные эффекты, создаваемые иско-

мыми объектами, форму и размеры связанных с ними аномалий. Такие

исследования целесообразно выполнять на стадии проектирования магнито-

разведочных работ и совмещать, по возможности, с археологическим обсле-

дованием местности. Результаты наблюдений по профилям и маршрутам

отображаются графиками магнитного поля.

Основным, наиболее распространенным типом магнитной съемки есть

съемка по площади. Она выполняется по системе сближенных профилей,

проложенных на одинаковом расстоянии один от другого. Расстояние между

профилями выбирается в зависимости от продольных размеров искомых

аномалий и не должно превышать расстояние

между точками наблюдений по

профилям более чем в 3–4 раза. Соблюдение этого условия обеспечивает

надежную интерполяцию значений поля в интервале между профилями и

позволяет отображать магнитные аномалии в виде карт изолиний магнитной

индукции. В противном случае съемка считается профильной, и ее

результаты могут быть представлены лишь картой графиков аномалий

магнитного поля.

Расстояние между профилями и пунктами измерений по профилям

определяют сеть наблюдений магнитной съемки. Вопросы выбора густоты

сети съемки рассматриваются в следующем разделе.

Магнитометрические исследования техногенных объектов в зависимости

от их размеров и протяженности могут проводиться в варианте как

профильной (маршрутной), так и площадной съемки.

Масштаб магнитной съемки определяется густотой сети наблюдений

Согласно правилам, принятым в геофизике и топографии, масштаб опре-

деляется из такого расчета, чтобы расстояние между профилями укладыва-

лось приблизительно в 1 см карты. При этом знаменатель масштаба должен

быть кратным «круглому» числу (которое целое число раз укладывается в