Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

Подождите немного. Документ загружается.

110

аномалии, одна из которых отмечает глинобитную печь жилища 12, другая —

печь-каменку жилища 6. Налицо – высокие разрешающие способности

магнитной разведки при исследованиях объектов типа древних городищ.

02468101214161820

-10

-3

-1.3

-1.8

-1.2

-0.9

Ж.16

-1.1

-0.9

Ж. 12

Ж. 6

-1,5

-1.0

-1.35

-1.2

Ж.6

Условные

обозначения

- контуры

жилищ

- глинобитная

печь

- печь-

камянка

- хозяйственная

яма

- вмещающие

породы

- карта

изолиний В лок

B лок, нТ

Рис. 2.3. Городище Монастырек: а – пример правильного, б – неправильного

выбора густоты сети наблюдений; в – результаты археологических раскопок.

Совсем другую картину поля мы бы получили в результате съемки,

проведенной по сети наблюдений, разреженной в 2 раза (2

×4 м

). При этом,

как видно на рис. 2.3, б, локальные магнитные аномалии становятся нечет-

кими, их форма, размеры, амплитуды настолько изменяются, что археологи-

ческое истолкование аномалий становится затруднительным.

Сеть наблюдений магнитной съемки на городище Монастырек (1

×2 м

)

рассчитанная в соответствии с рассмотренными выше правилами (см. также

табл. 2.3) исходя из размеров ожидаемых объектов с поперечными разме-

рами порядка 3–4 м. Как видно из рассмотренного примера, такая густота сети

является оптимальной в данных условиях и позволяет уверенно решать

поставленные поисковые задачи.

111

2.4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Определившись с целевым назначением магниторазведочных работ и

техническими характеристиками магнитной съемки, проектируемой для дости-

жения поставленных целей в заданных физико-археологических условиях,

необходимо выбрать вид применяемой магнитометрической аппаратуры. В

решении этого вопроса могут помочь справочные сведения, приведенные в

данном разделе. Сведения заимствованы из проспектов аппаратуры и из

Интернета. Популярное изложение

принципов работы некоторых типов рас-

сматриваемой аппаратуры приведено в учебном пособии автора

2.4.1. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Для проведения магнитных съемок археологических памятников могут

быть использованы любые типы и марки переносных магнитометров, обеспе-

чивающих точность отсчитывания не ниже

±1 нТ в диапазоне до 80 000–

100 000 нТ. Этим условиям отвечают современные протонные и квантовые

магнитометры.

В настоящее время в практике магниторазведочных работ наиболее

широко применяются протонные и квантовые магнитометры. Приборы, выпус-

каемые в России ГНПП «Геологоразведка» (С.-Петербург), более доступны по

цене по сравнению с аппаратурой западных фирм. Немаловажен и тот факт

что немало таких приборов прежних лет выпуска сохранилось со времен

бывшего СССР. Многие приборы сохранили свою работоспособность и

высокие метрологические качества.

Независимо от типа и марки магнитометра типичную конструкцию при-

бора можно представить в виде двух основных блоков – магнитоизмери-

тельного преобразователя и измерительного блока. В комплект прибора

входит также блок

питания, который может быть оформлен в виде отдельного

узла или вмонтирован непосредственно в измерительный блок.

Магнитоизмерительный преобразователь (датчик) преобразует величину

магнитной индукции в точке измерений в сигнал определенной частоты.

Датчик магнитометра укрепляется на немагнитной штанге и соединяется с

измерительным блоком кабелем. Во многих магнитометрах на противополож-

ном конце штанги размещается вспомогательный

электронный блок, обес-

печивающий работу датчика.

Измерительный блок прибора обеспечивает управление магнитометром,

обработку сигнала от датчика и его преобразование в последовательность

импульсов, соответствующую двоичному коду величины измеряемой магнит-

ной индукции.

Результат измерений выводится на цифровой индикатор и записывается

устройством памяти (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ), если оно

предусмотрено. Наряду с записью

значений магнитной индукции последние

модели магнитометров позволяют регистрировать время измерения и коорди-

наты точек наблюдений (номера профилей и пикетов). Магнитометр транспор-

тируется по профилю в специальной ранцевой подвеске.

Таблица 2.4. Магнитометрическая аппаратура, выпускаемая ГНПП «Геологоразведка» (РФ).

М а г н и т о м е т р ы

П р о т о н н ы е ( я д е р н о - п р е ц е с с и о н н ы е) К в а н т о в ы е

Основные

технические

характеристики

ММП

– 203*

ММП

– 203М1

ММП

– 203М2

ММ

– 61*

ММП

−203МС

ММП

– 303*

ММ

– 60*

ММ

– 60М1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Диапазон измерений, нТ 20 000 – 100 000 20 000 – 100 000

Разрешение, нТ

± 1 ± 0.1 ± 1 , ± 0.1 ± 1 , ± 0.1 ± 0.01 ± 1 , ± 0.1 ± 1 , ± 0.1 ± 0.01

Систематическая

погрешность,

не более, нТ

± 3 ± 2.5 ± 2.5 ± 2.5

2.5 20 20 20

Нестабильность

показаний

за 8 ч работы, нТ

± 1

Ориентационная

погрешность,

не более, нТ

± 3

± 1

± 3

± 1

± 7

± 5

± 3

Устойчивая работа

в полях с градиентом

до, нТ/м

500 – 1000

1000

600 – 1000

1000

2000

Продолжение таблицы 2.4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Время установления

рабочего режима,

не более

60 с

10 с

60 с

10 с

30–45 мин

30 мин

Время одного

измерения, с

3 3 3 3 2–3 0.15 0.15 0.1

Срок эксплуатации

рабочего вещества

1 год

5 лет

Не

ограничен

(керосин)

1 год

5 лет

–

Регистрация показаний:

– встроенная память

(ОЗУ) на 7500

измерений:

– разгрузка ОЗУ на

компьютер (интерфейс

RS-232C):

нет

Разгрузка

ОЗУ

на

кассетный

нако-

питель

ОЗУ+

Интер-

фейсный

блок

(RS-232C)

Цифро-

печата-

ющий

реги-

стратор

ОЗУ+

Специ-

альное

устройство

интер-

фейсное

УИ–01

ОЗУ+

Интер-

фейсный

блок

(RS-232C)

Интервал регистрации

в автоматическом

режиме, с

3 – 3600

3 –3600

10, 20, 40,

20, 40, 60

10, 30, 60

Питание напряжением, В

± 3 13 ± 2 13 ± 2 13 ± 3 13 ± 2 12 ± 2 12 ± 2 12 ± 2

Масса комплекта, кг

6 4.2 3.4 6 12 13 13

- 114 -

Рис. 2.4. Внешний вид некоторых приборов, выпускаемых в России.

Протонные магнитометры: а– ММП-203 (первый выпуск, рабочее вещество –

керосин): 1 – магнитоизмерительный преобразователь со штангой, 2 –

измерительный блок, 3 – батарейный отсек; б – ММП–203М1С; квантовые

магнитометры: в – М-33 (первый выпуск): 1 – датчик со штангой, 2 –

измерительный блок, 3 – блок питания, 4 – кабель; г – ММ-60М1; д – походное

положение датчиков

магнитного градиентометра POS 2 (на базе ММП-203).

- 115 -

Электронный теодолит,

лазерный/ультразвуковой

дальномер

Полевая

археолого-геофизическая

лаборатория

Спутниковая система

определения координат

(GPS)

Магнито-

вариационная

станция

Программно-

аппаратурный

вычислитенльный комплекс

(АРМ)

Магнито-

метрическая

аппаратура

Протонный

магнитометр

Магнитный

градиентометр

Квантовый

магнитометр

Рис. 2.5. Основные компоненты программно-аппаратурного комплекса

археолого-геофизической лаборатории.

Подобным образом устроены магнитометры как российского, так и

западного производства.

Технические характеристики магнитометров, выпускаемых в России,

приводятся в таблице 2.4.

Магнитометры типа ММП–203 вначале выпускались как ядерно-

прецессионные, использующие в качестве рабочего, богатого протонами

вещества керосин. Позднее были разработаны усовершенствованные модели

магнитометров данного типа.

- 116 -

С начала 90 гг. протонные магнитометры российского производства,

работают на принципе динамической поляризации ядер, основанной на

применении эффекта Оверхаузера. Он наблюдается в системах, содержащих

два вещества с сильным взаимодействием ядерных магнитных спинов одного

из них с электронными спинами другого. Вследствие этого можно создать

дополнительную поляризацию одной спиновой системы – ядерной, за счет

другой – электронной.

В магнитометрах типа ММП–203, работающих по этому принципу,

используется протонсодержащая жидкость (гептан), в которой растворяется

специальное вещество, образующее свободные ион-радикалы с одним или

несколькими неспаренными электронами. Благодаря эффекту Оверхаузера

величина ядерной прецессии возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с

поляризацией, полученной без его использования. Соответственно возрастает

интенсивность сигнала прецессии и точность измерений при сокращении вре-

мени наблюдений на точке. Значительно сокращается также энергопотреб-

ление прибора.

Недостатком первых выпусков приборов этого типа была неустойчивость

специального вещества, растворяемого в гептане, вследствие чего рабочее

вещество необходимо было менять ежегодно. И только начиная с середины

90-х гг. появились российские магнитометры

с более долгоживущим рабочим

веществом, обеспечивающим бесперебойную работу прибора в течение 5

лет.

При планировании прецизионных магнитометрических исследований

предпочтение отдается самому высокоточному из доступных магнитометров.

Однако в большинстве случаев разрешение (точность отсчитывания) не

играет решающей роли при выборе аппаратуры, так как с любым из пере-

численных в таблице 2.4 магнитометров всегда можно

достичь достаточно

высокой точности съемки.

Важной характеристикой магнитометров, определяющей выбор аппара-

туры для проведения съемки, является способ регистрации магнитометри-

ческой информации. Более совершенная технология регистрации данных

предусматривает возможность вывода результатов измерений непосред-

ственно на компьютер. В магнитометрах российского производства эта

проблема решается оснащением прибора оперативным запоминающим

устройством (ОЗУ) с последующей

разгрузкой ОЗУ на компьютер.

Альтернативным вариантом является использование переносного порта-

тивного компьютера или оперативная передача результатов измерений на

стационарный компьютер по каналу полевой радиосвязи (в российских

магнитометрах не предусмотрено). Так или иначе, непосредственный вывод

результатов измерений на компьютер практически полностью исключает ввод

и первичную обработку магнитометрических данных вручную и обеспечивает

возможность

автоматизированной обработки магнитометрической информа-

ции по программам на компьютере.

В случае использования современных магнитометров, позволяющих

выводить результаты измерений непосредственно на компьютер, в сочетании

с применением спутниковой радионавигационной системы GPS для геодези-

ческой привязки пунктов наблюдений и полевого (базового) компьютера,

получаем полностью автоматизированную систему аппаратурно-програм-

много обеспечения магнитометрических исследований археологических

- 117 -

памятников. Схема такой археолого-геофизической лаборатории представ-

лена на рис. 2.5.

Как видно из таблицы 2.4, современные магнитометры, как протонные,

так и квантовые, отличаются высокой точностью, многие их них обеспечивают

возможность вывода измерительной информации на компьютер. Для того

чтобы остановить свой выбор на том либо другом типе магнитометров

следует учитывать их метрологические

и эксплуатационные характеристики в

комплексе. По технико-эксплуатационным характеристикам приборы заметно

отличаются, в связи с чем можно разделить области их преимущественного

применения.

1) Применение квантового магнитометра в труднопроходимой местности

затруднительно, так как съемка выполняется двумя операторами, при этом в

момент измерения операторы с магнитоизмерительным преобразователем

(датчиком) и измерительным блоком должны

быть удалены один от другого на

расстояние порядка 5 м (на длину кабеля).

Протонный магнитометр транспортируется в специальной ранцевой

подвеске и обслуживается одним оператором, что, помимо экономии трудо-

затрат, создает преимущество использования прибора в труднопроходимой

местности.

2) Недостатком протонных магнитометров является высокая чувстви-

тельность к помехам и высоким градиентам измеряемого магнитного поля

(свыше 500–1000 нТ/м), вследствие чего может происходить срыв сигнала (на

цифровом индикаторе фиксируются нули). Квантовый магнитометр работает

практически при любых известных градиентах магнитного поля Земли и лучше

приспособлен для работы в условиях интенсивных помех.

3) Время измерения на точке наблюдений протонным магнитометром

составляет порядка 3 с, а квантовым – всего 0.1 или 0.14 с.

Поэтому

измерения с протонным магнитометром нужно проводить с остановкой на

пункте наблюдений. С квантовым магнитометром возможны измерения в

движении, без остановки на каждой точке. В сочетании с автоматической

регистрацией показаний прибора устройством памяти это обеспечивает

максимальную при пешем передвижении производительность работ (в усло-

виях легко проходимой местности), недостижимую для протонных магнито

метров.

4) Протонный магнитометр по сравнению с квантовым имеет меньшую

величину азимутальной и ориентационной погрешностей и практически не

имеет систематической составляющей погрешности, не требует получасового

прогрева для выхода в рабочий режим. Техника измерений доведена до

предельной простоты: управление магнитометром осуществляется с

помощью одной ручки, выполняющей функции включателя, переключателя

диапазонов и пусковой

кнопки. Кроме того, протонный магнитометр рассчитан

на работу при более низких температурах (до –30

С) чем квантовый (–10

С).

Обладая такими особенностями, протонные магнитометры, при прочих

равных условиях, имеют существенное преимущество по сравнению с кван-

товыми.

5) Для измерения магнитных вариаций тип магнитометра не имеет

значения. Желательно только, чтобы прибор позволял автоматически фикси-

ровать результаты измерений на устройстве памяти, и был оснащен блоком

- 118 -

интерфейса для вывода данных на компьютер. Этим условиям отвечают

последние модели как протонных, так и квантовых магнитометров.

Из приведенной сравнительной характеристики приборов следует, что

на участках легкопроходимой местности и в районах с высоким уровнем помех

или высоким градиентом магнитного поля (более 500–1000 нТ/м) съемки

целесообразно проводить квантовыми магнитометрами, в остальных

случаях

– протонными.

При детальных исследованиях археологических объектов может быть

весьма полезен магнитометр переносной феррозондовый трехкомпонентный

МПФ–3. Прибор выпускается ГНПП «Геологоразведка» по заказу и служит для

раздельного измерения вертикальной (Z) и горизонтальных (X и Y) составляю-

щих вектора напряженности магнитного поля Земли.

Для проведения метрологических испытаний, калибровки и эталониро-

вания квантовых

, протонных и феррозондовых магнитометров тем же пред-

приятием выпускается квантовый цезий-гелиевый магнитометр КЦГМ, обла-

дающий высокой стабильностью работы и точностью измерений (случайная

составляющая погрешности –

±0.01 нТ, систематическая погрешность – не

более 10

-4

%).

Кроме магнитометров, рекомендуется оснастить археолого-геофизиче-

скую лабораторию приборами для измерений магнитных свойств пород и

материалов археологических объектов. Отметим несколько приборов такого

назначения, выпускаемых ГНПП «Геологоразведка» (Россия).

Измеритель магнитной восприимчивости переносной ПИМВ-М

предназначен для измерения кажущейся магнитной восприимчивости

материалов в полевых и лабораторных условиях. Диапазон измерений 10

-5

–

1.0 ед. СИ, максимальная погрешность 10%. С помощью этого портативного

прибора непосредственно в полевых условиях, не проводя отбор образцов,

можно легко получить экспресс-информацию о кажущейся магнитной воспри-

имчивости объектов исследований и вмещающей их среды, крайне необхо-

димую как для оценки природы выявленных магнитных аномалий, так и для

последующей качественной и количественной

интерпретации магнитометри-

ческих данных. Измерения магнитной восприимчивости производятся в

отдельных точках археологических раскопов, в местах обнаружения археоло-

гических остатков. В ряде случаев целесообразно провести каппаметрическую

съемку исследуемого объекта или отдельных его частей по сети 0.5

×0.5 м

или меньше.

Измеритель магнитной восприимчивости образцов ИМВО предназ-

начен для определения индуктивной и остаточной намагниченности, магнит-

ной восприимчивости и анизотропии образцов, отобранных в процессе архео-

логических исследований. Используется в условиях полевых и стационарных

лабораторий.

Магнитометр астатический лабораторный МА–036П может быть

использован для измерения магнитных моментов образцов горных пород и

материалов, содержащихся в археологических объектах (например, обожжен-

ных глин) с целью определения их остаточной намагниченности, магнитной

восприимчивости и анизотропии. Диапазон измерений 1.5

⋅10

-7

– 6⋅10

-3

⋅

В заключение заметим, что магнитометрическая аппаратура довольно

быстро обновляется и совершенствуется, так что через несколько лет

некоторые модели приборов могут оказаться безнадежно устаревшими.

- 119 -

2.4.2. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

ЗАПАДНЫХ ФИРМ

Магнитометры западных фирм по своим техническим характеристикам

не уступают, а во многих случаях превосходят магнитометры российского

производства. В практике магнитометрических исследований зарубежных

фирм магнитометры классифицируются как звуковые и цифровые.

Звуковые магнитометры – самые дешевые, их стоимость около $600

США. Прибор длиной 1 м содержит репродуктор, который изменяет частоту и

амплитуду звукового сигнала вблизи

металлических объектов. В отличие от

«не железных» детекторов, реагирующих на такие металлы, как медь, этот

инструмент обнаруживает только железосодержащие материалы. Прибор при-

меняется при поисках не взорвавшихся снарядов, других железных предме-

тов, металлического мусора, Применение в археологии ограничено (выявле-

ние аномалий-помех), используется преимущественно при поисках техноген-

ных объектов. Подобные

приборы производятся различными фирмами;

Schonstedt, Chicago Steel tape и Fisher (США), Lietz, SECO Manufacturing Co.

Цифровые магнитометры отличается значительно более высокой

чувствительностью. По цифровым показаниям этих приборов строятся гра-

фики или карты изолиний магнитного поля, определяется местоположение и

форма погребенных археологических объектов, проводится количественная

интерпретация выявленных магнитных аномалий с целью определения глу-

бины залегания, предполагаемой массы объекта и других

характеристик.

В зависимости от реализуемого метода измерений магнитной индукции

Земли различают четыре основных типа цифровых магнитометров: протонные

– ядерно-прецессионные, протонные с использованием эффекта Оверхау-

зера, паро-щелочные, и феррозондовые. Не касаясь физических аспектов

работы этих приборов, отметим только, что любой из них пригоден для архео-

логических исследований.

Наиболее дешевыми является

протонные цифровые магнитометры. Они

имеют стоимость в диапазоне $3000–10000. Приборы предельно просты в

эксплуатации – имеют только одну ручку управления. Измеренное значение

поля регистрируется на цифровом индикаторе и затем переносится в полевой

журнал. В связи с этим такие магнитометры удобно использовать для архео-

логических исследований ограниченных участков, не требующих большого

объема работ (до

нескольких тысяч точек наблюдений). Подобные приборы

выпускаются фирмами многих стран: Англии – Littlemore Scientific Engeneering

Co. (магнитометр

∗

Elsec Type 770), Geoscan Research; Канады – Geotech Ltd.,

Gem System, Scintrex (модель МР–2) и некоторых других.

Если проведение магнитометрических исследований планируется в

больших объемах, лучше использовать более совершенные магнитометры,

которые обеспечивают сохранение измеренных данных в оперативной памяти

прибора для последующей компьютерной обработки. Применение компьютера

позволяет ускорить процесс измерений (не нужно записывать данные в

∗

Здесь и далее упоминаются модели магнитометрической аппаратуры, хорошо

зарекомендовавшие себя в практике археологических исследований 90-х годов.