Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

Подождите немного. Документ загружается.

- 280 -

5) Для обеспечения необходимой точности (

±0.25...0.50 м) определения

геометрических и физических параметров древнего рва (размеров, глубины

залегания, намагниченности материала заполнения) по результатам коли-

чественной интерпретации магнитных аномалий желательно, чтобы измере-

ния по интерпретационным профилям проводились с максимально высокой

точностью и с шагом до 0.5 м между точками наблюдений.

На основании приведенных данных можно сделать вывод о высокой

эффективности магнитометрического метода не только для поисков гончар-

ных печей, но и при поисках и исследованиях древнего рва. В том и другом

случае на основе количественной интерпретации выявленных магнитных

аномалий определены основные характеристики археологических объектов и

построены их ожидаемые модели. Вывод о высоких разрешающих способ-

ностях магнитного метода поисков и исследований

археологических объектов

базируется на сопоставлении моделей с результатами экспериментальных

раскопок.

Обобщая полученные результаты, можно вполне обоснованно утвер-

ждать, что высокоточные и прецизионные магнитные съемки могут успешно

применяться также для выделения хозяйственных ям, объектов типа запол-

нения жилищ, остатков древних построек, ритуальных сооружений, в ряде

случаев захоронений и многих других типов

археологических объектов. Необ-

ходимо только, чтобы магнитная съемка проводилась методически правильно,

с высокой точностью и по достаточно густой сети наблюдений.

Так, в частности, для поисков и прослеживания объектов типа гончарных

печей сеть наблюдений должна быть не реже 2

×1 м

, чтобы не пропустить

объект, 1

×1 м

для его детализации и, кроме того, рекомендуется провести

дополнительные наблюдения с шагом 0.5 м по интерпретационным профи-

лям. При этом достаточно провести высокоточную съемку со среднеквадрати-

ческой погрешностью

ε = ± (3...4) нТ.

Для поисков и картирования древних рвов сеть наблюдений может быть

от 2

×1 м

до 5×1 м

с последующей детализацией с шагом 0.5 м по интер-

претационным профилям. Магнитные съемки должны быть, по возможности,

прецизионными, с точностью не ниже

±1–2 нТ.

Вопросы выбора оптимальной сети наблюдений при магнитной разведке

объектов других типов, форм и размеров рассмотрены ранее в главе 2.

- 281 -

4.5. РАСПОЗНАВАНИЕ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ

АРХЕОЛОГИЧЕСКОГО И ТЕХНОГЕННОГО

ПРОИСХОЖДЕНИЯ

При проведении магнитометрических исследований археологических

памятников необходимо учитывать, что в верхних, приповерхностных слоях

земли располагаются не только исследуемые археологические объекты, но и

так называемые техногенные объекты самого различного происхождения.

Они, как правило, обладают повышенной намагниченностью и создают в

окружающем пространстве свои магнитные аномалии, которые могут накла-

дываться на аномалии археологической

природы и искажать общую картину

их распределения.

Под термином «техногенные» обычно понимают объекты промышлен-

ности, строительства или коммуникаций. Наряду с этим существует множе-

ство других источников магнитных аномалий-помех антропогенного происхож-

дения. На территориях, длительное время подвергавшихся антропогенному

воздействию, в грунте, как правило, накапливается множество крупных и

мелких железных предметов – свалки

мусора и металлолома, скопление

деталей сельскохозяйственной техники, предметов быта (металлические

кровати, печи, остатки кровельного железа, гвозди и т. п.). Магнитные анома-

лии, создаваемые такими предметами, не представляют, естественно, ника-

кого интереса. Значительную часть антропогенных объектов составляет мно-

жество захоронений военной техники, оружия, боеприпасов и другого иму-

щества, которые сохранились со

времен Великой отечественной войны.

Учитывая, что основным магнитоактивным материалом, как собственно

техногенных (промышленных), так и антропогенных (бытовых) объектов явля-

ется железо, различить их по магнитометрическим данным практически невоз-

можно. Как те, так и другие, имея локальные размеры и залегая на небольшой

глубине, создают на поверхности земли магнитные аномалии, весьма близкие

по

форме и протяженности аномалиям от археологических объектов. В

процессе археологических и памятникоохранных исследований такие анома-

лии должны быть отбракованы. В связи с этим в дальнейшем для сокращения,

говоря о техногенных объектах, мы будем иметь в виду и объекты антропо-

генного происхождения.

В некоторых случаях техногенные объекты их категории военно-

исторических

могут представлять непосредственный поисковый интерес.

Однако множество находок времен последней войны, как правило, военно-

исторического интереса не представляют. При проведении магнитных съемок

они создают аномалии-помехи, осложняющие археологическое истолкование

полученных данных. Техногенные объекты, связанные с гражданской деятель-

ностью населения также не представляют, как правило, научного интереса и

не подлежат учету и

охране. Поэтому заслуживает особого внимания про-

блема их своевременной диагностики и исключения из перечня объектов,

относящихся к историко-культурному наследию.

В связи с этим важно получить ответы на два вопроса: 1) как, в случае

необходимости, осуществляется картирование техногенных объектов и 2) как

осуществляется распознавание археологических и техногенных объектов,

- 282 -

если они встречаются на одной и той же площади? Выяснению именно этих

вопросов и посвящен данный раздел.

Немало есть опубликованных (и еще больше, к сожалению, – не опубли-

кованных) примеров успешного применения магнитометрического метода

поисков объектов, представляющих определенный интерес для историков,

специалистов в области военной техники, а также объектов типа скрытого

земле склада боеприпасов, представляющих повышенную опасность для

населения. Известны также примеры специальных поисков и картирования

средствами магниторазведки скрытых в земле техногенных объектов различ-

ного назначения – трубопроводов, остатков гидромелиоративных сооружений

и т.п. С целью сокращения объема иллюстративного материала ограничимся

разбором лишь нескольких примеров с использованием данных, приведенных,

в частности, в

работах Ю.А. Ружина и А.К. Станюковича

50,56

, которые привле-

кают единым подходом к вопросам методики магнитометрических исследо-

ваний и интерпретации магнитных аномалий от объектов весьма разнообраз-

ных по природе, форме и условиям залегания.

4.5.1. ТЕХНОГЕННЫЕ ОБЪЕКТЫ ЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ

1. Экспериментальные магнитометрические исследования

на Дубоссарском гидротехническом полигоне

В качестве характерного примера отображения в магнитном поле типич-

ного техногенного объекта приведем результаты экспериментальных магнито-

метрических исследований на части площади гидротехнического полигона в

Дубоссарском районе (Молдова). Работы проводились под руководством

В.П. Дудкина по договору с НИИ Гидромелиорации (УкрНИИГиМ) в 1989 г.

Первичная и повторная (в 2001 г.) обработка и интерпретация

полученных

результатов магнитометрических исследований выполнена автором данной

книги.

Исследования планировались для достижения следующих целей: выяс-

нение возможностей магнитометрического метода при трассировании под-

земных трубопроводов, оценка информативности и экономической эффек-

тивности магнитометрии по сравнению с альтернативными исследованиями

методами электроразведки, а также выявление связей характерных особен-

ностей магнитного поля с техническим состоянием трубопровода

. Для сокра-

щения объема материала последние два аспекта целевого задания не

рассматриваются.

Экспериментальные исследования проведены в пределах двух участков

площадью 120

×20 м

каждый, выделенных заказчиком в качестве наиболее

интересных. С целью сокращения иллюстративного материала ниже рассмат-

риваются результаты исследований только по одному из участков (№2).

Длинная ось участка съемки ориентирована широтно (вдоль оси трубо-

провода), профили – меридианально. Длина профилей (20 м) выбрана с таким

расчетом, чтобы обеспечить выход графиков аномалий магнитной индукции в

фоновое

поле. Магнитная съемка проведена по сети 1×1 м

протонным магни-

тометром ММП-203 при установке датчика прибора на высоте 0.3 м над

поверхностью земли.

- 283 -

Съемка выполнялась по упрощенной методике: короткими (30–40 мин)

рейсами, которые начинались и заканчивались на контрольном пункте. Это

позволило в достаточной мере учесть влияние вариаций магнитного поля

Земли. Вследствие высокого уровня магнитных помех, создаваемых желез-

ными предметами в верхних слоях грунта, задача достижения высокой точ-

ности не ставилась. Фактически достигнутая точность съемки

близка ±10 нТ.

Учитывая высокую интенсивность аномалий (до 2000 нТ) и градиентов

магнитной индукции (нередко – свыше 500 нТ/м), точность съемки в данных

условиях можно считать вполне удовлетворительной.

На карте аномалий магнитной индукции участка №2 (рис. 4.22, А) линия

трубопровода отмечается цепочкой линейно вытянутых положительных ано-

малий, которые в отдельных местах прерываются аномалиями отрицатель-

ного

знака.

Подобная характерная особенность распределения магнитных аномалий

является типичной и наблюдается практически на всех трубопроводах. Трубо-

провод из стальных цельнометаллических труб фиксируются, как правило,

цепочкой магнитных диполей, отвечающих отдельным трубам (или секциям

труб). Каждый такой диполь отмечается интенсивной положительной анома-

лией и расположенной рядом с ней аномалией обратного знака, близкой по

форме и амплитуде. Вследствие этого типичная аномалия от трубопровода

приобретает четкообразный характер.

Из опыта исследований, опубликованных в работах Ю.А. Ружина и А.К.

Станюковича, чередование положительных и отрицательных аномалий над

трубопроводом обычно имеет более регулярный характер (см. ниже) и прояв-

ляется более контрастно, чем на Дубоссарском полигоне. Эта объясняется,

по-видимому, тем, что в данном случае мы имеем дело не с цельнометал-

лическими трубами, а с бетонными конструкциями, армированными железом.

Вследствие ячеистого заполнения стенок труб магнитоактивным материалом

их остаточная намагниченность значительно уступает намагниченности цель-

нометаллических железных труб. По-видимому, из-за более низких значений

остаточной намагниченности (или ее полного отсутствия

) над трубопроводом

ярко выраженных дипольных эффектов практически не наблюдается.

В пользу такого предположения говорит следующий факт. Если намаг-

ниченность труб вызвана главным образом индуктивной составляющей, то

вектор намагничивания труб должен быть ориентирован в плоскости маг-

нитного меридиана. При широтном, как в данном случае, залегании трубо-

провода следовало бы ожидать, что

вектора его индуктивного намагничивания

будет направлен ортогонально или под небольшим углом к оси трубопровода.

Тогда влияние нижнего полюса наклонно намагниченной трубы должно

проявляться минимумом к северу от ее оси. И, действительно, к северу от оси

трубопровода наблюдается цепочка линейно вытянутых минимумов, сопут-

ствующих главным положительным аномалиям.

В какой-то мере четкообразный

характер магнитной аномалии трубо-

провода отмечается и на Дубоссарском трубопроводе. Периодически с интер-

валом 4–5 м наблюдается резкое уменьшение амплитуды аномалии и пере-

жимы (сужения) аномальной зоны нередко до нуля. Регулярность подобных

деформаций дает основание предположить, что четкообразный характер

аномалии объясняется, в данном случае не дипольным эффектом, а, скорее

всего, естественным

уменьшением магнитных характеристик материала на

- 284 -

участках стыков отдельных труб. И только четыре высокоинтенсивные

минимума в районе профилей 15–20, 34–40, 96–100 и 117–120 связаны,

возможно, с проявлением так называемой обратной намагниченности. Это

может иметь место при использовании здесь цельнометаллических труб,

обладающих высокой остаточной намагниченностью.

Несмотря на специфические деформации линейной аномалии магнитной

индукции, линия трубопровода уверенно фиксируется на всем его протяжении

(3 на рис. 4.22, А).

0 102030405060708090100110120

-2000

-1000

-200

250

1000

-1000

-600

-200

100

400

800

Аномалии вертикального градиента магнитной индукции

Аномалии горизонтального градиента магнитной индукции

0 102030405060708090100110120

-1000

-400

-200

200

550

700

1000

B z, нТ/м

1600

B a, нТ/м

Карта аномалий магнитной индукции

B x, нТ/м

Условные обозначения:

1 - вентили

2 - металлический столб

Ось трубопровода:

3-основного, 4 - заброшенного (?)

Пространственная модель

аномалий магнитной индукции

над трубопроводом

Рис.4.22. Результаты магнитометрических исследований

на Дубоссарском гидротехническом полигоне.

- 285 -

Эпицентр трубопровода располагается вблизи максимума аномалии в

точках, где магнитная индукция близка величине B

= B

max

– |B

min

|. По данным

трансформаций исходных аномалий магнитного поля, зона трубопровода

отличается высокими значениями горизонтального и вертикального гради-

ентов магнитной индукции. При этом на карте горизонтального градиента

(рис. 4.22, Б) ось трубопровода прослеживается по нулевым значениям

параметра в области перехода от высокоинтенсивных максимумов к

минимумам. Еще более контрастно линия трубопровода отображается в поле

вертикального градиента магнитной индукции (рис. 4.22, В) и совпадает с

зоной линейно вытянутых максимумов. Наиболее рельефно особенности

аномальной зоны отражены на пространственной модели поля (рис. 4.22, Г).

Деформации аномального магнитного поля в районе профилей 50–60 в

значительной мере связаны с наличием здесь вентилей, колодцев и устройств

антикоррозионной защиты. Вентили (1 на рис. 4.22, А) отмечаются

отрица-

тельными магнитными аномалиями. Положительная аномалия к северу от

основной ветви трубопровода в районе профилей 50–60, по-видимому, свя-

зана с наличием там резервуара специального назначения и подводом к нему.

Еще одну аномалию-помеху отрицательного знака с центром в конце профиля

78, создает расположенный там металлический столб (2 на рис. 4.22, А).

Параллельно

основной зоне положительных аномалий наблюдается еще одна

цепочка максимумов меньшей интенсивности, расположенная на расстоянии

4–5 м к югу от оси трубопровода (4 на рис. 4.22, А). Аномалии этой зоны

имеют прерывистый характер, значительно меньшие размеры и амплитуды.

Так могла бы выглядеть старая полуразрушенная ветвь трубопровода.

Для оценки формы, глубины залегания и магнитных характеристик

источника аномалии по ряду профилей съемки проведена количественная

интерпретация.

Процесс интерпретации магнитометрических данных на примере про-

филя 10 иллюстрируется рисунком 4.23. Кроме графика аномалии магнитной

индукции на уровне наблюдений – В(0), на рисунке приведена также кривая

распределения значений магнитной индукции В(1) на высоте 1 м над уровнем

наблюдений, которая рассчитана методом, описанным в предыдущей

главе.

Нулевой уровень аномалии выбран исходя из особенностей формы

интерпретируемой кривой. В соответствии с условием B

= B

max

– |B

min

| начало

координат (точка 0) принято на пикете 10.

Полагая, что источник аномалии имеет форму горизонтального кругового

цилиндра, глубину залегания трубопровода можно рассчитать несколькими

способами по формулам, приведенным в работе Д.С. Микова

, – по харак-

терным точкам кривой:

58.0

065

min

h ==

(4.11)

или, из соотношения амплитуд аномалий на уровнях 0 и

Δh метров над

поверхностью наблюдений:

- 286 -

−

Δ=

. (4.12)

Расчеты по формулам (4.11), (4.12) дают следующие значения h: 1.4, 1.5

и 1.4 м, соответственно.

Относительная погреш-

ность определения глубины в

данном случае не превышает

5 см. Близость полученных

значений глубин подтверждает

правильность выбора формы

аномального объекта. Учитывая,

что наблюдения проведены на

уровне 0.3 м над поверхностью

земли, истинную глубину зале-

гания центра трубопровода в

районе

профиля 10 можно при-

нять в среднем близкой 1.1 м.

Магнитный момент гори-

зонтального кругового цилиндра

связан с другими параметрами

соотношениями:

SJhBM ⋅=⋅= 2

max

, (4.13)

где S =

πR

– площадь попереч-

ного сечения цилиндра радиуса

R; J – модуль вектора намаг-

ниченности.

Отсюда можно определить

величину намагниченности ис-

точника аномалии:

max

⋅

. (4.14)

Принимая R = 0.4 м, h = 1.4 м, B

max

= 1030 нТ, получим: J ≈ 20 A/м.

Угол наклона вектора намагниченности можно оценить по величине

смещения максимума аномалии магнитной индукции на уровне

Δh над

поверхностью наблюдений из соотношения:

hditg

3 , где d – смещение

максимумов интерпретируемой аномалии при пересчете на высоту h. В нашем

случае при d = 0.6 м получим: i = 61

Таким образом, основные характеристики исследуемого объекта в

данном случае могут быть определены простейшими приемами, основанными

на использовании характерных точек интерпретируемой кривой.

10 12 14 16 18 20

0 5 10 15 20

200

400

600

800

1000

-200

B(0)

B(1)

0.65

max 0

min

B a, нТ

h=1.25

200

400

( h=1 м)

B a, нТ

max 1

Рис. 4.23. Пример интерпретации

магнитной аномалии по профилю 10:

а – методом характерных точек,

б – по алгоритму С.П. Левашова.

- 287 -

Недостатком этого метода интерпретации является его сравнительно

невысокая точность (порядка 10–20%) и заметная зависимость величины

вычисленных параметров от выбора нулевого уровня интерпретируемой

кривой. Поэтому целесообразно было бы сравнение полученных результатов

с данными интерпретации каким-либо другим методом.

С этой целью проведена интерпретации той же аномалии принци-

пиально иными средствами – методом последовательного

накопления и

разрастания аномальных масс по алгоритму С.П. Левашова

8,36

. В этом случае

для расчета распределения величины намагниченности интерпретируемого

объекта в плоскости вертикального разреза достаточно указать предельную

величину верхней и нижней

границ глубин залегания и

максимальную величину его

предполагаемой намагни-

ченности.

Задавшись границами

глубин 0.5 и 2 м и макси-

мальной намагниченностью

J = 20 А/м, получим геомаг-

нитный разрез, представ-

ленный на

рис. 4.23, б. На

фоне нулевой намагничен-

ности вмещающей среды

контур сечения трубопро-

вода отмечается изолини-

ями интенсивности намагни-

чивания в интервале 12–

20 А/м с центром на глубине

1.25 м. Такое совпадение

результатов интерпретации

различными методами гово-

рит о высокой степени до-

стоверности определения

геометрических и физиче-

ских параметров исследу-

емого объекта

О распределении характеристик трубопровода на всей площади иссле-

дований дают представление данные количественной интерпретации ано-

малий по ряду других профилей, выбранных на участках наименьшего ис-

кажения поля магнитной индукции помехами. Как видно из табл. 4.2, глубина

залегания оси трубопровода в зависимости от форм микрорельефа местности

колеблется в пределах 0.75–1.2 м. Намагниченность отдельных

секций труб

изменяется от 5.8 до 20 А/м, а угол наклона вектора намагниченности близок

углу наклонения вектора напряженности геомагнитного поля и составляет в

среднем около 60

С целью уточнения природы упоминавшихся ранее интенсивных отрица-

тельных аномалий проведена также количественная интерпретация по про-

филю 18 через область минимума, ближайшего к описанному выше интерпре-

тационному профилю 10. График магнитной индукции по профилю 18, пред-

Таблица 4.2.

Результаты количественной

интерпретации

Номер

профиля

Средняя

глубина

залегания,

h, м

Намагни-

ченность,

J, А/м

Угол

наклона

вектора

намагничи-

вания

i, градус

10 1.1 20.1 61

11 0.8 13.3 61

30 0.75 7.2 56

31 0.75 5.8 56

70 0.8 9.2 61

74 0.8 10.5 61

113 0.95 16.8 61

114 0.8 8.4 65

18 1.2 –18,0 -119

- 288 -

ставленный на рис. 4.24, а явно не соответствует аномалии, создаваемой

нормально намагниченным («по полю») горизонтальным цилиндром

(рис. 4.23). Но если построить зеркальное отражение исходной кривой, полу-

чим такой график магнитной индукции, который по форме вполне соответ-

ствует аномалии от нормально намагниченного горизонтального цилиндра.

Более того, аномалия поддается количественной интерпретации, например,

рассмотренными

выше методами.

Результаты интерпретации изображены на рис. 4.24, б и представлены в

табл. 4.2. Направление вектора намагниченности J указано на чертеже не

для «обращенной», а для исходной кривой магнитной индукции. (Искажения

аномалии в районе пикетов 12–13 не принимались в расчет, так как, судя по

распределению поля на уровне 1 м, они быстро затухают с

высотой и,

следовательно, связаны с мелкими приповерхностными магнитными

неоднородностями).

Исследования по профилю

18 подтверждают правильность

предположения об обратной

намагниченности части труб в

зонах интенсивных минимумов.

Величину намагниченности и

магнитной восприимчивости по

объекту в целом можно оценить

непосредственно по магнито-

метрическим данным. Восполь-

зовавшись методом, описанным

в «Справочнике геофизика»

можно вывести эмпирическую

формулу:

∑

−=

kiB

iJ )(

)12(2

)(

(4.15)

Поправочный коэффици-

ент C зависит от формы ано-

мального объекта. Для случая

трубопровода из бетонных,

армированных железом труб по

данным количественной интер-

претации аномалий (табл. 4.2)

коэффициент принят равным

С = 3.8.

Определив намагничен-

ность J, из известного соот-

ношения J =

κT можно оценить также величину эффективной магнитной вос-

приимчивости объекта, приняв в первом приближении T

≈ 0.5 Э. Результат

расчетов приведен на рис. 4.25.

10 1

-400

-800

B(0)

B(1)

B(0)

min

0.65

max 0

max 1

200

-200

400

600

800

1000

200

400

B a, нТ

( h=1 м)

-200

-600

200

-1000

B a, нТ

Рис. 4.24. Интерпретация магнитной

аномалии по профилю 18:

а – исходный график магнитной индукции,

б – «обращенная» кривая.

- 289 -

Как видно на рисунке, линия трубопровода отмечается высокими

значениями, как магнитной восприимчивости – в среднем на уровне

(30...50)

⋅10

-3

4π СИ, так и интенсивности намагничивания – от –30 до + 300

А/м.

В поле магнитных характеристик стыки труб отмечаются более

контрастно, чем на карте магнитной индукции. На рис. 4.25 они для

наглядности отмечены вертикальными линиями разрыва. На участках стыков

труб магнитная восприимчивость уменьшается до 5

⋅10

-3

4π СИ и менее, что

вполне понятно, так как стыки – наиболее слабые места трубопровода, где

процессы коррозии и ослабление магнитных характеристик протекают

наиболее интенсивно. На графике распределения интенсивности намагни-

чивания труб вдоль трассы трубопровода (рис. 4.25, Б) видно, что в местах

стыка намагниченность труб уменьшается практически до нуля. Причем,

подобная картина наблюдается

не только при переходе участков нормальной

намагниченности в обратную, но и на стыках нормально намагниченных труб

(в районе профилей 76–77, 106).

0 102030405060708090100110120

20 40 60

100

120

-10

-20

-30

J, А/м

Аномалии магнитной восприимчивости

Распределение интенсивности намагничивания

вдоль оси трубопровода

110

к, 10

-3

Рис. 4.25. Магнитные характеристики трубопровода.

Как видно из рассмотренного примера, задачи, поставленные перед

экспериментальными магнитометрическими исследованиями Дубоссарского

полигона, были решены, в основном, успешно. Это не означает, что

магнитометрический метод исследований трубопроводов следует считать

универсальным и единственно возможным, однако свидетельствует о его

высоких разрешающих способностях и высокой информативности.

Исследование особенностей магнитной аномалии на Дубоссарском

трубопроводе, быть

может, и не имеет прямого отношения к археологическим

и памятникоохранным исследованиям, выполняемым в благоприятных для

магнитной разведки условиях. Однако он позволяет получить представление о

методах распознавания магнитных аномалий в неблагоприятных условиях –

на фоне интенсивных помех техногенного происхождения, когда требуется

более глубокий анализ результатов магнитометрических исследований.