Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников
Подождите немного. Документ загружается.
- 270 -
4.4. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГОНЧАРНЫХ ГОРНОВ И ДРЕВНЕГО РВА
В данном разделе высокая эффективность магнитного метода разведки
иллюстрируется примерами картирования таких различных по природе
объектов, как гончарные горны и заполнение древнего рва. Они настолько
отличаются один от другого по форме, размерам и магнитным свойствам, что
в некотором смысле их можно считать «полярными» – расположенными на
противоположных краях всего спектра всевозможных
вариантов археологи-
ческих объектов. Успешное решение поисково-картировочных задач на этих
объектах гарантирует не менее успешное решение аналогичных задач на
множестве других объектов с промежуточными геометрическими и физиче-
скими параметрами.
4.4.1. ПОИСКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ГОНЧАРНЫХ ГОРНОВ
В 1969-70 гг. поисково-разведочные археологические работы проводи-
лись на поселении гончаров VII ст. Перед геофизической разведкой стояла
задача выяснить местоположение гончарных горнов. По предположениям
автора раскопок А.Т. Смиленко
52
, горны должны были располагаться скорее
всего на склонах балки Канцерка на юго-восточной окраине села Любимовка.
Полевые магниторазведочные работы были выполнены В.П. Дудкиным.
Обработка и интерпретация магнитометрических данных проведены автором
данной книги 30 лет спустя, в 2000 г. Результаты исследований с согласия
автора были опубликованы В.П. Дудкиным
16
.
О возможности выделения гончарных горнов магнитометрическим мето-
дом свидетельствовали как материалы раскопок прошлых лет, так и экспе-
риментальные геофизические исследования протонным магнитометром М-20,
проведенные Г.Ф. Загнием на одном из локальных участков. Такой вывод
подтверждался и тем, что остатки гончарных горнов состоят из больших скоп-
лений сильно обожженной глины (до 1000
кг) и образуют, согласно расчетам,
значительные аномалии магнитного поля (до нескольких сотен нанотесла). На
этом основании представлялось возможным использовать для поисков гон-
чарных печей широко распространенные в то время оптико-механические
магнитометры типа М-27.
Главная трудность поисков состояла в выборе рациональной методики,
которая бы учитывала глубины залегания искомых объектов (от 0.5 до
2 м) и
их редкое и неупорядоченное размещение на исследуемой площади. Для
выявления остатков гончарных печей на склонах балки были проложены
несколько зигзагообразных профилей примерно, через 3–5 м один от другого.
Наблюдения по профилям проводились с шагом 2 м.
Такая система наблюдений позволяла не пропустить искомые аномалии
и приближенно оценить их форму и
размеры. Всего было зафиксировано 6
аномальных зон. Измерения проведены
ΔZ-магнитометром М-27 с точностью
± (3–4) нТ. На участках выявленных аномальных зон проводилась детали-
зация по сети 1
×1 м
2
.
- 271 -
Наблюдения выполнялись по циклической методике (опорная точка – 10
замеров – опорная точка). Такая методика съемки позволяла учесть неста-
бильность показаний магнитометра во времени и практически полностью
исключить влияние вариаций магнитного поля Земли. После обработки
результатов измерений, учета необходимых поправок и исключения регио-
нальной составляющей геомагнитного поля строились карты изолиний верти-
кальной составляющей
Z
a
вектора напряженности магнитного поля Земли,
которые служили основным материал для археологического истолкования
магнитометрических данных.
а
5678910
0
1
2
3
4
-60
-40
-20
0
20
40
75
100
Z а, нТ
м
б
123456789
0
1
2
3
4
5
-60 -40 -20 0 20 40
Z a, нТ
60
м
Рис. 4.16. Карта изолиний вертикальной составляющей напряженности
магнитного поля (Z
a
) над гончарными горнами: а – однокамерным,
б – двухкамерным (по В.П. Дудкину).
Характер аномалий на четырех участках отвечал в первом приближении
аномалии над однородно намагниченной полусферой (рис. 4.16, а), что соот-
ветствовало представлению об однокамерном гончарном горне. На двух
участках аномалии имели более сложную форму (рис. 4.16, б), отвечающую
модели двухкамерного горна.
Процесс интерпретации магнитной аномалии над гончарным горном
рассмотрим на примере однокамерного горна.
По профилям съемки прове-
дено аналитическое продолжение аномалий в нижнее полупространство на
глубины 0.5, 1 и 1.5 м методом, предложенным В. Барановым
3
. Результат,
полученный, в частности, по профилю 2, проходившему через эпицентр интер-
претируемой аномалии, представлен на рис. 4.17.
Как видно на рисунке, амплитуда магнитной аномалии над гончарной
печью с глубиной значительно (в несколько раз) возрастает. На карте изо-
линий Z-составляющей вектора напряженности геомагнитного поля, постро-
енной в вертикальной плоскости (рис. 4.17, б), четко
определяется контур об-
ласти расположения аномального объекта с повышенной намагниченностью.
Судя по форме аномалии в плане, намагниченные археологические
остатки концентрируются в пределах аномальной зоны изометрической
формы, при этом наличие сопутствующих минимумов свидетельствует об
ограниченной глубине залегания объекта. Дальнейшая количественная интер-
претация магнитной аномалии, создаваемой таким изометрическим телом
небольшого распространения на
глубину, иллюстрируется рис. 4.18.
- 272 -
Глубину верхней кромки
аномального изометрического
объекта (не предопределяя его
формы) можно оценить по фор-
муле Д.С. Микова
45
по абсцис-
сам x
1
и x
2
характерных точек
интерпретируемых кривых Z
a
на
двух различных уровнях над
поверхностью наблюдений:
h
xx
x
h Δ
−
=
12
1
(4.3)
где
Δh – интервал между уров-
нями поля по высоте; x
1
и x
2
–
абсциссы точек перехода через 0
кривых Z
a
на каждом из уровней.
Определив значения x
1
и x
2
из графиков магнитного поля,
приведенных на рисунке 4.18
(2x
1
= 2.5 м – на нижнем уровне и
2x
2
= 4 м, соответственно – на
верхнем), и подставляя их в
формулу (4.3), получим глубину
h = 0.3 м.
Так как нижний уровень
расположен на 0.5 м ниже по-
верхности наблюдений, истинная
глубина залегания верхней кром-
ки объекта будет на 0.5 м боль-
ше: h
1
= h+0.5 = 0.8 м.
Из соотношения площадей,
ограниченных кривой Z
а
и осью
абсцисс на уровне наблюдений
(S
o
) и на некоторой глубине h
(S
h
), можно определить глубину
залегания центра источника ано-
малии методом Б.Д.Полетаева и
В.Н. Розенберга
48
. В частности,
для объекта изометрической
формы глубина залегания центра намагниченных масс определяется по
формуле:
)1(
0
0
−
Δ
=
k
SS
h
h
(4.4)
Z, нТ
400
300
200
100
0
-100
1
23
45 м
Уровень наблюдений
h = 0 м
400
300
200
100
0
-100
1
2
34
5 м
h = 0.5 м
Z, нТ
400
300
200
100
0
-100
1
2
3
4
5 м
h = 1.0 м
Z, нТ
400
300
200
100
0
-100
12
3
4
5 м
Z, нТ
h = 1.5 м
0
0.5
1.0
1.5
Глубина
1
2
3
45 м
Рис. 4.17. Аналитическое продолжение
магнитной аномалии от гончарного горна по
профилю 2 на глубины 0.5, 1 и 1.5 м:
а – графики напряженности магнитного поля
(Z
a
), б – карта изолиний Z
a
в вертикальной плоскости.
- 273 -
Величина h
0
составляет в
данном случае 1.3 м.
Для контроля оценим глу-
бину залегания центра интерпре-
тируемого объекта методом ха-
рактерных точек по кривой Z
a
(0.5),
рассчитанной для глубины
h = 0.5 м. Глубину залегания
центра тела изометрической фор-
мы можно рассчитать по форму-
лам (Д.С. Миков
45
):
,2
;41.1
min0
00
hxh
hxh
+=
+
=
(4.5)
где h – глубина уровня отобра-
жения аномалии; x
0
и x
min
– коор-
динаты точек кривой, в которых
значения напряженности магнит-
ного поля Z
a
= 0 и Z
a
= Z
min
.
Определим из рис. 4.18 по
графику Z
a
при h = 0.5 значения
абсцисс характерных точек: x
0
=
1.20 м и x
min
= 1.60 м.
Подставляя их значение в
формулу (4.5), получим, соответ-
ственно, h
0
=1.35 м и h
0
= 1.3 м, что хорошо согласуется с результатом прове-
денных ранее вычислений.
Зная глубину верхней кромки объекта и его центра, легко оценить пре-
дельную глубину, на которой можно еще ожидать находки археологических
остатков. В данном случае нижняя кромка археологического объекта залегает
на глубине порядка h
2
= h
1
+2(h
0
– h
1
) = 1.8 м.
Поперечные размеры объекта можно оценить по ширине аномалии на
уровне половины ее максимума или по величине интервала между точками
перехода через нуль графика второй горизонтальной производной Z-состав-
ляющей вектора напряженности магнитного поля (Z
xx
). В данном случае оба
приема приводят к близкому результату и можно принять, что поперечные
размеры интерпретируемого аномального объекта не превышают 1.8 м
(отрезок 2x
0.5
на рис. 4.18). Учитывая изометрическую в плане форму тела, его
радиус можно оценить близким R
≈ 0.9 м.
Таким образом, аномально намагниченные археологические остатки
расположены в ограниченном объеме радиусом, примерно, 0.9 м и высотой
порядка 1 м. В соответствии с этим модель археологического объекта типа
гончарного горна можно представить в виде полусферы либо вертикального
цилиндра, ограниченного по глубине. Дальнейшие раскопки полностью под-
твердили выводы, полученные по данным геофизической разведки.
Границы
гончарных горнов были определены на местности до начала раскопок с
точностью 0.3–0.5 м.
12
3
4
5 м
200
100
0
-100
0.5 Z max
Z xx (0.5)
Z a (0.5)
Z a (0)
Z a, нТ
Z xx, усл. ед.
2 X
05
0
2 X
2 X
min
h, м
0
1
2
2
1
3
4
5 м
h
= 0.8 м
1
h
h
= 1.3 м
= 1.8 м
0
2
Рис. 4.18. Пример количественной
интерпретации магнитной аномалии,
создаваемой гончарным горном
.
- 274 -
Для выяснения природы археологических остатков, заполняющих объект
исследований, необходимо оценить степень их намагниченности. Магнитную
восприимчивость намагниченного объекта изометрической формы (типа
вертикального цилиндра) можно приближенно вычислить по формуле:
,2 SM
=
κ
(4.6)
где M = h
1
2
Z
max
– магнитный момент намагниченного тела; S =
π
R
2
– площадь
поперечного сечения; R – радиус аномальной зоны.
Принимая глубину залегания верхней кромки цилиндра h
1
= 8 м и радиус
R = 0.9 м, получим при Z
max
= 100 нТ величину магнитной восприимчивости
археологических остатков
κ= 503·10
-6
СГС или, переходя к международной
системе единиц измерения,
κ
СИ
= 503·4π10
-6
СИ. Такая магнитная восприим-
чивость, в соответствии с данными, приведенными в главе 1 (табл. 1.4),
отвечает материалам, представленным обожженными глинами. Такой вывод
является важным доказательством принадлежности исследуемых архео-
логических объектов (учитывая их форму и размеры) к типу гончарных печей.
Так как материал остатков гончарного горна имеет, по-видимому, не
только индуктивную,
но и остаточную намагниченность, ее можно оценить по
формуле (1.16), приведенной в главе 1:
227
1610
πκ
СИСИ
J = .
Рассчитанное выше значение магнитной восприимчивости приближенно
соответствует намагниченности J = 2530
⋅10
-3
СИ, что примерно отвечает ниж-
нему пределу значений этой характеристики, оценка которой приведена в
табл. 1.4.
Таким образом, по данным количественной интерпретации аномалий
над гончарными горнами сравнительно легко оценить форму, размеры,
глубину залегания и магнитные характеристики (а, следовательно, и природу)
археологических объектов. При этом важно отметить, что поиски гончарных
печей
обычными археологическими средствами представляют, в частности, в
данном районе, значительные трудности. Выявление таких объектов сопря-
жено с большими расходами на поисковые горные работы в связи со значи-
тельной глубиной залегания искомых объектов, их разбросанностью на
местности и отсутствием каких бы то ни было поисковых признаков на
поверхности. Целесообразность и необходимость применения
магнитной раз-
ведки в данных условиях археологических исследований не вызывает никаких
сомнений. Археологические раскопки на основе использования данных
магнитной разведки были проведены при минимальных затратах средств и
времени.
4.4.2. КАРТИРОВАНИЕ ДРЕВНЕГО РВА
В качестве другого примера успешного применения магнитометрии в
поисковой археологии рассмотрим результаты магнитометрических исследо-
ваний оборонительного рва на поселении трипольской культуры у с. Каза-
ровичи Киевской области. Графики наблюденного над линией рва магнитного
- 275 -
поля были предоставлены исполнителем полевых работ В.П. Дудкиным,
археологическая интерпретация магниторазведочных данных выполнена
автором данной работы в 2000 г. Результаты исследований опубликованы
В.П. Дудкиным
16
.
Геофизические работы имели экспериментальный характер. Магнитной
съемкой, была выявлена узкая линейная магнитная аномалия шириной 2–4 м.
Аномалия уверенно отмечена на четырех соседних профилях, пройденных
через 4 м один от другого, и продолжается, по-видимому, и за пределами
участка съемки. Измерения по профилям выполнены, к сожалению, с шагом
1 м, что не позволяет непосредственно
по результатам наблюдений отобра-
жать с достаточной степенью детальности исследуемые аномалии и прово-
дить их количественную интерпретацию. Поэтому исходные данные были
предварительно преобразованы к меньшему (в 2 раза) шагу по профилю
путем линейной интерполяции значений поля между соседними пикетами.
Кроме того, пришлось продлить графики магнитного поля по профилю в обе
стороны
от их концов на постоянном уровне, отвечающем значениям поля на
концевых пикетах профиля. Такие искусственные приемы не могли, конечно,
повысить качество исходного материала, но обеспечили, по крайней мере,
возможность проведения необходимых трансформаций аномалий в процессе
их интерпретации.
Распределение магнитных аномалий по данным съемки представлено
на карте изолиний, в виде пространственной модели
поля и на карте графиков
магнитной индукции (рис. 4.19).
Выделенная линейно вытянутая аномалия соответствует объекту линей-
ной формы, контуры которого можно приближенно установить простым
приемом – по ширине аномалии на уровне ее полумаксимума. Установленный
таким образом контур исследуемого объекта в плане, показанный на
рис. 4.19, в, позволяет предположить наличие объекта типа рва.
По всем профилям проведено аналитическое продолжение аномалий в
нижнее полупространство на уровни 0.5, 1 и 1.5 м ниже поверхности наблю-
дений для получения наглядного представления о распределении ано-
мальных магнитных масс на глубине. Результаты пересчетов на глубину
иллюстрируются рисунком 4.20. Верхняя часть рисунка представляет карту
изолиний магнитного поля на уровне наблюдений, а в нижней
части показаны
вертикальные разрезы Z-составляющей вектора напряженности магнитного
поля по каждому из профилей съемки. На каждом разрезе четко выделяется
локальная магнитная неоднородность, которая связана с наличием на глубине
масс вещества с повышенной намагниченностью и уверенно прослеживается
на всех профилях съемки. Учитывая линейную форму магнитной аномалии в
плане и характер распределения
магнитного поля ниже плоскости наблю-
дений, с большой степенью достоверности можно предположить связь ано-
малии с археологическим объектом типа рва.
Для целей количественной интерпретации аномальный объект в первом
приближении можно аппроксимировать мощным вертикальным пластом, удов-
летворяющим условию 2b>h
1
, где 2b – горизонтальная мощность пласта, h
1
–
глубина залегания его верхней кромки.
- 276 -
Ba, н
Т
04812
0
4
8
12
П р о ф и л ь
-1
1
3
5
7
9
11
13
Ba, нТ
0
10
20
по данным съемки по данным
моделирования
04
8
12 м
048
12 м
Аномалии магнитной индукции
Карта изолиний
Пространственная
модель магнитного
поля рва
0
1
2
3
П р о ф и л ь
0
1
2
3
0.5 В max
Контур
рва
а
б
в г
Карты графиков магнитной индукции
Рис. 4.19. Результаты магнитометрических исследований
оборонительного рва на трипольском поселении.
1.5 м
0
0
48
12
16
20
24 м
Профиль 4
3
2
1
Рис. 4.20. Аналитическое продолжение магнитных аномалий
над трипольским рвом в нижнее полупространство.
- 277 -
Процесс количественной интерпретации иллюстрируется рисунком 4.21
на примере профиля 2, по которому проведены опытные раскопки. Резуль-
таты раскопок представлены на рис. 4.21, в. Расчет параметров аномального
объекта выполнен по формулам, приведенным в «Справочнике геофизика»
39
.
Полумощность пласта b и глубина залегания его верхней кромки h
1
определяются по абсциссам x
0,5
и x
0,25
характерных точек кривой Za на уровне
наблюдений, где значения напряженности магнитного поля составляют соот-
ветственно Z
max
/2 и Z
max
/4:
.
;
2
22
5.0
5.0
2
5.0
2
25.0
1
hxb
x
xx
h
−=
−
=
(4.7)
В частности, для аномалии по профилю 2, определив из рис. 4.21
значения x
0.5
и x
0.25
, получим: h
1
= 0.4 м, b = 0.95 м.
Глубину залегания центра аномальных магнитных масс можно оценить
по формуле:
,
max
0
i
i
i
ZZ
Z
xh
−
=
(4.8)
где Z
i
– значения магнитной индукции в точках, удаленных на расстояние x
i
от
эпицентра кривой – точки со значением Z
max
. Усредняя результат расчета по
нескольким точкам, получим h
0
≈ 0.9 м.
Зная глубину залегания верхней кромки h
1
и центра масс h
0
, можно
оценить глубину нижней кромки археологического объекта: h
2
= h
1
+ 2(h
0
–
h
1
) = 1.4 м.
Такой результат получен исходя из представления аномального объекта
прямоугольной призмой ограниченного распространения на глубину, имеющей
ширину 2b и вытянутой по горизонтали на значительное расстояние (контур 1
на рис. 4.21, б). Вполне логично предположить, что профиль рва книзу будет
сужаться. В предельном случае сечением такого аномального тела будет
треугольник с глубиной
нижней кромки h’
2
≥ 1.5h
0
≈ 2 м (при том же располо-
жении центра масс на глубине h
0
). На рис. 4.21, б он обозначен контуром 3. В
действительности следует ожидать более плавных очертаний границы
аномального объекта, например в виде трапеции с закругленными краями
(контур 2). В этом случае оптимальная глубина нижней кромки тела составит
около 1.6 м.
Для приближенной оценки намагниченности материала, заполняющего
ров, можно воспользоваться соответствующей формулой для принятой
модели (пласт
большой мощности). Более надежной, однако, будет оценка,
основанная на использовании результатов пересчетов магнитной аномалии
на глубину 0.5 м, которая близка, в данном случае, поверхности залегания
практически неизмененного вещества заполнения рва. При этом намагни-
ченность аномального тела может быть вычислена из простого соотношения:
- 278 -
,
sin2
10
I
Z
J
a
Δ
⋅
π
= (4.9)
где
ΔZ
a
– амплитуда магнитной аномалии, I – магнитное наклонение на
участке съемки, 10 – масштабный множитель для согласования единиц
измерений. Принимая угол наклонения близким нормальному значению для
наших широт, – I
≈ 70
o
, и амплитуду аномалии по профилю 2 (см. рис. 4.21)
ΔZ
a
= 22 нТ, получим: J = 39⋅10
-3
СИ.
Z, нТ
20
15
10
5
0
-5
16
18
20 м
Z(0)
0.5 max
Z(0)
Z(0)
0.25 max
max
Z(0.5)
max
0
-1
-2 м
14
16
18
20 м
h1
h2
h0
1
2
3
Условные обозначения
- почвенный слой
- лессовидный суглинок
- глина
- песок
- смешанное заполнение рва
- темное гумусированное заполнение рва
- контур рва по данным количественной
интерпретации магнитной аномалии
Г л у б и н а
0
-1
-2 м
Уровень наблюдений
14
16
18
20 м
а
б
в
Рис. 4.21. Пример интерпретации магнитной аномалии по профилю 2:
а - графики магнитного поля на уровнях 0 и 0.5 м ниже поверхности
наблюдений; б – предполагаемый разрез с моделями призм различного сечения;
в - результаты опытных раскопок по профилю 2.
В свою очередь, зная величину намагниченности, принимая форму тела,
близкой горизонтальному круговому цилиндру, и полагая его радиус равным
полумощности пласта b, можно еще раз оценить глубину залегания центра
масс (оси цилиндра) из формулы:
,
2
max
Z
M
h =
(4.10)
- 279 -
где M = J
⋅
S – магнитный момент единицы длины цилиндра; J – величина
намагниченности; S =
πR
2
– площадь, R – радиус поперечного сечения.
При
ΔZ
a
= 22 нТ, J = 39⋅10
-3
СИ и R = b = 0.95 м, получим h
0
= 1.0 м, что
хорошо согласуется с ранее проведенным расчетом по формуле (4.8).
Количественная интерпретация проведена по всем профилям съемки.
Результаты представлены в таблице 4.1.
Таблица 4.1. Результаты количественной интерпретации
магнитных аномалий над трипольским рвом.
Профиль h
1
, м b, м h
0
, м h
2
, м
J
⋅10
-3
СИ
0 0.50 0.70 0.85 1.20 26
1 0.45 0.85 0.90 1.35 31
2 0.40 0.95 0.90 1.40 37
3 0.35 1.00 1.00 1.65 43
Сопоставляя полученные данные с результатами опытных археологи-
ческих раскопок, проведенных по профилю 2 (рис. 4.21, в), можно отметить
следующее.
1) Глубина верхней кромки исследуемого объекта по данным
интерпретации магнитных аномалий несколько завышена, примерно на 10–
20 см. Это можно объяснить ослаблением намагниченности верхней части
объекта за счет процессов окисления заполняющего ров вещества.
2) Глубина залегания
нижней кромки аномального объекта (предельная
глубина рва) определяется приближенно. Более достоверно может быть
установлена глубина центра магнитных масс.
3) Горизонтальные размеры аномального объекта (мощность или
ширина рва) по магнитометрическим данным устанавливается в пределах,
близких границам распространения темного гумусированного заполнения рва.
Так называемое смешанное заполнение рва (в основном различными
геологическими породами) не
приводит к заметному воздействию на форму и
амплитуду магнитной аномалии.
4) В данном случае нет оснований для предположения о наличии
остаточной намагниченности материала заполнения рва. Вполне очевидно,
что материал заполнения может быть только индуктивно намагничен
современным геомагнитным полем. В соответствии с соотношением J =
κT,
где T
≈ 0.5 Э, вычисленная величина намагниченности аномального объекта
J = (26..43)
⋅10
-3
СИ отвечает магнитной восприимчивости материала заполне-
ния рва
κ = (50..80)⋅4π 10
-6
СИ. Судя по данным статистической обработки
отобранных по регионам Украины образцов (табл. 1.4), такая величина
данной характеристики близка среднему значению магнитной восприимчи-
вости заполнения ям и рвов. Таким образом, предположение о связи выяв-
ленной аномальной зоны с древним рвом получает дополнительное подтвер-
ждение.