Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

Подождите немного. Документ загружается.

- 30 -

1.2.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ

АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ВМЕЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Физической основой магнитометрического метода поисков и разведки

есть отличие магнитных свойств искомых объектов и вмещающей их среды.

Это главная физическая предпосылка применения магнитной разведки при

изучении археологических объектов и памятников. Чем больше отличается

искомый объект своей магнитной восприимчивостью или степенью намагни-

ченности, тем выше поисковые возможности метода (при равном действии

других факторов, влияющих на размеры и амплитуды аномалии, создаваемой

этим объектом).

Это фундаментальное для магниторазведки условие соблюдается

практически для всех археологических объектов и памятников, но, прежде

всего, во всех случаях, когда в состав искомых археологических объектов

входят материалы типа обожженных глин.

Магнитные свойства обожженной глины обусловлены эффектом термо-

остаточного намагничивания. Величина

термоостаточной намагниченности

глин намного превышает их естественную нормальную намагниченность и

зависит от процентного содержания в ней ферромагнитных минералов

(магнетита, гематита, маггемита и некоторых других), а также от температуры

обжига и напряженности магнитного поля Земли ко времени их последующего

остывания.

Магнитные характеристики археологических объектов, состоящих из

обожженных глин, кирпича и других

подобных материалов изменяются в

довольно широких пределах. Величина остаточной намагниченности в этих

случаях колеблется от 0.1 до первых единиц СИ (А/м). При этом остаточная

намагниченность трипольских площадок и гончарных печей значительно

выше, чем материала бытовых печей. В то же время магнитная восприим-

чивость всех видов подобных археологических объектов более

или менее

одинакова, что говорит о сходстве минерального состава материала, исполь-

зованного при их сооружении.

По указанной причине археологические объекты, которые содержат

сильно обожженные глины (гончарные и бытовые печи, обожженные остатки

глинобитных сооружений и некоторые другие), отмечаются наиболее

высокими значениями магнитных характеристик. При этом вследствие обжига

глинистого материала его намагниченность возрастает

не только за счет

термоостаточной составляющей, но и вследствие роста его эффективной

магнитной восприимчивости и, соответственно, более высокой индуктивной

намагниченности современным геомагнитным полем.

Археологические объекты, сложенные материалом типа обожженных

глин, конечно, наиболее благоприятны для их выявления и исследования

средствами магнитной разведки. Но на этом далеко не исчерпывается

перечень объектов, доступных

для их изучения средствами магнитной

разведки.

По структуре, химическому составу культурный слой археологических

памятников довольно близок грунтам, развитым на тех же территориях. То же

можно сказать и о материалах заполнения большинства ям, землянок, рвов и

подобных объектов. Поэтому сначала целесообразно рассмотреть магнитные

свойства почв.

- 31 -

Как показал Ле Борн

, при нагреве почвы до 350

С слабомагнитные

минералы, в основном – гематит, переходят в магнетит, который затем при

охлаждении в воздушной среде окисляется до маггемита. За счет этого

магнитная восприимчивость большинства почв возрастает в несколько раз. В

своих работах он отмечает, что магнитная восприимчивость почв во всех

случаях превышает восприимчивость подстилающих осадочных пород, даже в

тех

случаях, когда содержание магнитных минералов в породах достаточно

велико. Ле Борн провел серию исследований по изучению магнитных свойств

почв Франции, но полученные ним выводы справедливы и для других

регионов, учитывая сходство процессов, влияющих на магнитные свойства

грунтов.

Последующие исследования магнитных свойств почв, начавшиеся в

начале 50-х годов, полностью подтвердили выводы об

их сравнительно высо-

кой магнитной восприимчивости. Было установлено, что магнитная воспри-

имчивость почв меняется с глубиной и связана с их кислотностью. Ее

коэффициент корреляции с PH почвы близок 0.7. Существует и зависимость

магнитной восприимчивости от процентного содержания гумуса, хотя она

выражена несколько слабее.

Кроме того, магнитная восприимчивость почв обладает зональностью.

Наибольшие

значения наблюдаются в верхнем гумусовом горизонте черно-

земов, а в каштановых и серо-зеленых почвах она уменьшается. Увеличение

магнитной восприимчивости гумусовых горизонтов объясняются новообразо-

ваниями маггемита (либо магнетита). Источником энергии для такого превра-

щения являются геохимические процессы в почве, протекающие с разло-

жением почвенной органики.

Таким образом, повышенные значения магнитных характеристик

почв

можно считать достоверно установленным фактом.

Культурный слой, заполнение землянок, жилищ, хозяйственных ям, рвов

и т.п. представлены материалом, магнитные свойства которого близки свой-

ствам грунтов. Уже поэтому им присущи те же свойства, что и почвам. Но

магнитные характеристики всех этих материалов, как правило, еще несколько

выше по сравнению с

ненарушенным грунтом вследствие их обогащения

остатками деятельности человека – обломками керамических изделий,

камней, мелкими кусочками обожженных глин и грунтов, в ряде случаев –

железными предметами, отходами металлургических производств и т.п.

Отличие магнитных свойств этих материалов от грунтов и коренных осадоч-

ных образований может быть и невелико, но в большинстве случаев

достаточно, для

того чтобы локальные скопления таких масс создавали в

окружающем пространстве магнитные аномалии, которые могут быть обнару-

жены высокоточными магнитометрами. Таким образом, существует реальная

возможность выявления магнитной съемкой объектов типа заполнения земля-

нок и углубленных жилищ, хозяйственных ям, рвов и т.п.

Довольно часто наблюдаются случаи, когда грунт или материал куль-

турного слоя, будучи обогащен ферромагнитными минералами, вследствие

воздействия огня на локальном участке приобретает заметную термооста-

точную намагниченность. За счет этого интенсивность магнитных аномалий

над такими участками значительно возрастает. Это позволяет с помощью

магнитной съемки обнаруживать места древних кострищ, сожженных деревян-

ных (не глинобитных) домов и др.

- 32 -

Далее рассмотрим такие объекты, как остатки древних сооружений,

представленные остатками зданий, полуразрушенными стенами, а также

склепов, покрытых наносами фрагментов древних дорог, мощенных камнем,

других сооружений, возведенных из камня. Во многих случаях они могут

рассматриваться как объекты, вполне доступные исследованиям магнито-

метрическим методом. Важно, чтобы каменный материал, из которого они

сложены,

имел более высокие показатели магнитных характеристик сравни-

тельно с вмещающими породами.

Рыхлый (в том числе – мелкообломочный) и каменный материал,

входящий в состав перечисленных выше объектов, не имеет, как правило,

высокой остаточной намагниченности. Некоторые виды камня определенного

минерального состава часто вовсе лишены этой характеристики. То же можно

сказать во многих случаях и

о тех массах сыпучего, рыхлого и измельченного

вещества, потерявшего свойства исходных материалов вследствие процес-

сов, которые привели к их дроблению. При химическом выветривании проис-

ходит окисление магнитоактивных минералов, которые входили в первичный

состав материала, при механическом выветривании – измельчение и пере-

мешивание исходного материала. То и другое сопровождается потерей согла-

сованной

ориентировки магнитных моментов отдельных частичек, вследствие

чего их суммарный магнитный момент становится близок нулю.

Несмотря на эти деструктивные процессы, как рыхлый, так и каменный

материал, обладая определенной магнитной восприимчивостью, приобретает

под действием современного магнитного поля Земли некоторую индуктивную

намагниченность. Эта намагниченность, конечно, намного ниже, чем, скажем,

термоостаточная намагниченность обожженных глин. Однако

объекты, состо-

ящие из таких материалов, способны во многих случаях создавать заметные

магнитные аномалии, которые могут быть зафиксированы высокоточной

магнитной съемкой. С довольно высокой степенью вероятности можно ожи-

дать на успех магнитометрических исследований почти всех подобных объек-

тов, за исключением тех, к сожалению – многочисленных случаев, когда

мелкообломочный материал практически не

магнитный, а каменный материал

представлен известняком, отдельными разновидностями песчаника, кварцита

и некоторыми другими горными породами, магнитная восприимчивость кото-

рых близка нулю.

На этот случай следует заметить, что разность магнитных характеристик

искомых объектов и вмещающей среды – «избыточная» намагниченность –

может быть как положительной, так и отрицательной. Иначе говоря, объекты,

обладающие магнитными характеристиками, более

низкими чем у вмещаю-

щих породам, тоже могут быть обнаружены, но по магнитным аномалиям

«обратного» знака, по «относительно отрицательным» аномалиям или

локальным участкам пониженных значений аномального магнитного поля. То

есть, даже в упомянутых выше неблагоприятных случаях, когда искомые

сооружения состоят из практически немагнитных разновидностей камня, выяв-

ление подобных объектов магнитной

съемкой вполне реально при условии,

когда вмещающая среда имеет заметно более высокие магнитные характери-

стики.

В частности, известны районы распространения палеогрунтов, которые в

специфических климатических и геохимических условиях приобрели ано-

мально высокую намагниченность. Археологические объекты, представлен-

- 33 -

ные материалами с низкими значениями магнитных характеристик, но связан-

ные с нарушением залегания слоя палеогрунта, могут быть уверенно выде-

лены именно по этому признаку – как локальные участки пониженных значе-

ний аномального магнитного поля.

Таким образом, не только объекты, которые содержат остатки обожжен-

ных глин, но и культурный слой, заполнение древних

жилищ, ям, рвов и

множество других объектов археологических памятников, могут считаться

достаточно перспективными для поисков и изучения магнитометрическим

методом.

Все эти выводы, хотя и небезосновательные, но остаются на уровне

более или менее аргументированных предположений. Магнитометрия, как

наука точная, требует более строгого обоснования.

Окончательный вывод относительно наличия благоприятных физических

предпосылок для применения

магнитной разведки археологических памят-

ников может быть надежно обоснован исключительно на основе данных

измерений магнитных характеристик разнообразных материалов, как тех, что

входят в состав искомых объектов, так и коренных пород и культурного слоя,

которые образуют вмещающую их среду.

- 34 -

1.3. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

1.3.1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ УКРАИНЫ

Данные о магнитных характеристиках археологических объектов крайне

необходимы как на стадии проектирования работ при оценке ожидаемых ано-

мальных эффектов, создаваемых намагниченными археологическими объек-

тами, так и при проведении качественной и количественной археологической

интерпретации магнитометрических данных, решении задач моделирования,

прогноза и реконструкции археологических памятников.

Целенаправленные, тем более – планомерные исследования магнитных

характеристик

разнотипных археологических объектов и вмещающей их

среды специалистами в области магнитной разведки не проводились. Все, что

мы знаем об этом, получено исследователями других научных направлений.

Многие тысячи результатов определений магнитных свойств образцов

получены

– в период формирования археомагнетизма, как отрасли науки о

магнитном поле Земли и археомагнитного метода датирования археологи-

ческих

памятников (С.П. Бурлацкая, Т.Б. Нечаева и др.),

– при исследованиях структуры археовековых вариаций геомагнитного

поля на Украине и в Молдове за последние 5500 лет (Г.Ф. Загний,

О.М. Русаков),

– при решении вопросов палеомагнитной стратиграфии (А.Н. Третяк,

Л.И. Витлянская, З.Е.Волок, В.П. Дудкин, А.Ю. Митропольский

– в процессе других исследований (специалистами геологической

отрасли и др.).

Опубликована лишь небольшая часть этих исследований, причем, чаще

всего, в аспекте той науки, для решения проблем которой и был предпринят

отбор и лабораторный анализ образцов. Фактический материал – результаты

измерений магнитных свойств образцов – по достижении поставленных

унитарных целей был уже никому не

нужен. Он затерялся в разных

официальных и приватных архивах или просто уничтожен. Так или иначе, этот

огромный массив информации для нас, по-видимому, безвозвратно утерян.

Несмотря на то, что сведения о магнитных характеристиках архео-

логических объектов Украины представлены во многих литературных источ-

никах, использование этих данных для дальнейшей обработки, определения

статистических характеристик исследуемых параметров и применения в

магниторазведочной практике практически невозможно. В большинстве слу-

чаев они имеют чисто качественный, иллюстративный характер и не могут

быть использованы ни для надежного обоснования постановки магнитной раз-

ведки археологических памятников в тех или иных условиях, ни для археоло-

гического истолкования результатов магнитометрических исследований.

Так, в

частности, Г.Ф. Загний

использовал измерения магнитных

свойств более 4000 образцов. Однако результаты представлены только в

виде пределов изменения намагниченности и магнитной восприимчивости,

которые соответствуют минимальному и максимальному значению этих

характеристик в выборке и, естественно, настолько широки (например, для

- 35 -

намагниченности трипольских площадок – от 20 до 20000

⋅10

-6

СГС), что их

использование для практических целей невозможно. Гистограммы распреде-

лений исследуемых величин не соответствуют ни нормальному, ни логнор-

мальному закону. Это наводит на мысль о недостаточной численности выбо-

рок, неоднородности выборочных данных или субъективном, тенденциозном

подходе к их истолкованию. То же можно сказать и о работе А.Н. Третяка и

З.Е. Волок

, где без необходимой статистической обработки приводятся

только иллюстрации и пределы изменения магнитных свойств образцов

вмещающих пород различных наименований, без расчета их основных статис-

тических характеристик.

Подобные материалы сохранились и в архиве В.П. Дудкина. В течение

ряда лет было отобрано более 1000 образцов на археологических памятниках

различных эпох в регионах Украины

и Молдовы – на поселениях трипольской

культуры, античных памятниках Северного Причерноморья, памятниках

рубежа нашей эры и раннеславянских в Среднем Поднепровье и Приднес-

тровье, древнерусских поселениях на территории Украинского Полесья (в

Киевской области).

Изучение магнитных свойств образцов было предпринято в процессе

археомагнитных и палеомагнитных исследований. Это наложило отпечаток и

на процедуру отбора образцов

(преимущественно – ориентированных), и на

фундаментальность их анализа. В процессе раскопок древних памятников из

археологических остатков исследуемых объектов, культурного слоя, запол-

нения жилищ и хозяйственных ям пробы материалов отбирались в виде

ориентированных образцов по общепринятой при археомагнитных исследо-

ваниях методике. Значительная часть исследованных объектов вмещала

обожженные глины. Магнитные характеристики образцов определялись

астатическим лабораторным магнитометром МА-21. Результаты измерений

представлены в таблицах 1.1–1.3 и на рис. 1.1.

Сравнивая данные о магнитных свойствах образцов, отобранных,

например, из памятников Северного Причерноморья, можно заметить, что

магнитная восприимчивость заполнения древних жилищ и ям, судя по преде-

лам изменения параметра, в среднем выше, чем у вмещающих пород и

культурного слоя

Сравнение данных по другим регионам приводит к аналогичным

выводам. Наиболее высокими значениями магнитных характеристик отмеча-

ются археологические объекты, содержащие сильно обожженные глины:

гончарные и бытовые печи, обожженные остатки глинобитных построек и

другие (табл. 1.3). Вследствие обжига глинистого материала возрастает не

только намагниченность таких объектов за счет термоостаточного намагни-

чивания, но и

их магнитная восприимчивость, что подтверждает теоре-

тические предпосылки.

Однако оценки, основанные на сравнении такого признака, как пределы

изменения магнитных свойств различных объектов, без строгого статистиче-

ского анализа первичных данных, дают возможность лишь сугубо при-

ближенно судить о наличии благоприятных предпосылок для постановки

магнитных съемок. В процессе распознавания магнитных аномалий при

их

археологической интерпретации, полученные оценки могут быть использо-

ваны лишь на уровне рекомендаций и применимы только для аномалий

сравнительно высокой интенсивности.

- 36 -

Таблица 1.1. Магнитная восприимчивость

основных компонентов археологических памятников

некоторых регионов Украины.

Магнитная восприимчивость, κ ⋅ 4π 10

-6

СИ

№

п/п

Археологический

памятник

Культурный

слой

Заполнение

жилищ, ям, рвов

Вмещающие

породы

Северное Причерноморье

1 Б.Черноморка–ІІ 91–334 91–167 24–47

2 Закисова Балка–І 140–141 62–130 70–74

3 Скелька 46–59 55–69 22–25

4 Мыс Станислав 159–165 70–74

5 Лупарево–І 65–68 165-179 22–25

6 Лупарево–ІІІ 124–130 21–24

7 Куцуруб–ІІІ 59–69 45–70 26–28

8 Дмитровка–І 72–76

9 Аджигольская Балка–І 201–215 29–73

10,11 Днепровка–І,II 55–105 120–140 25–36

12,13 Яселка–I,ІІІ 64–70 20–35

14 Бейкут 87–101 124–183 20–43

15 Античн. город «Ольвия» 40–47 75–100 21–40

16 Красный Маяк 30–40 14–15

Крым

17 Межводное–І 30–35 43–56 4–13

18 Черноморское–І 40–54 68–74 30–38

19 Кошары–І 51–64 107–129 2–5

20 Херсонес 46–48 15–34

Среднее Поднепровье

21,22 Николаевка–І,III 65–91 17–35

23 Николаевка–ІІ 70–78 113–129 21–35

24 Монастырек 29–93 10–27

25 Пилипенкова Гора 27–63 11–19

26 Завадовка 56-84 11–13

27,28 Ходосовка–I,ІІ 39–53 120–126 29–34

29 Митьков Кут 17–21 1–3

30 Старые Безрадичи 29–63 97–112 14–21

31 Белгород 50–58 64–96 20–34

32 Обухов–ІІІ 84–141 13–32

Среднее Поднестровье

33,34 Рашков–І,III 24–35 20–62 9–16

35 Рашков–ІІ 40–47 53–67 9–13

36 Ковятчина 31–51 38–50 39–43

Украинское Полесье

37 Урочище «Пасичисько» 35–45 45–60 15–20

38 Урочище «Баштан» 30–45 12–30

39 Урочище «Грабовцы» 45–50 75–85 30–35

40 Громада–І 80–150 10–30

- 37 -

Ю г о - з а п а д У к р а и н ы

С е в е р н о е П р и ч е р н о м о р ь е

К р ы м

С р е д н е е П о д н е

п р о в ь е

У к р а и н с к о е П о л е с ь е

Мо

= 15

3 - 4

, ед СИ

Мо

= 35

Мо

= 54

100

, ед СИ

Мо

= 40

, ед СИ

Мо

= 30

, ед СИ

Мо

= 91

, ед СИ

100 120

140

160

180 200 220

Мо

= 50

, ед СИ

Мо

= 132

, ед СИ

100

120

140

160 180

200 220

Мо

= 53

, ед СИ

Мо

= 19

20 40

, ед СИ

60 80

Мо

= 17

, ед СИ

Мо

= 104

, ед СИ

100 120 140

Мо

= 47

, ед СИ

Мо

= 44

, ед СИ

Мо

= 93

, ед СИ

100

120 140

Мо

= 18

, ед СИ

Мо

= 45

, ед СИ

Мо

= 66-64

, ед СИ

100

120 140

Мо

= 60

, ед СИ

Рис. 1.1. Гистограммы распределения магнитной восприимчивости основных

компонент археологических памятников Украины:

1 – вмещающие породы; 2 – культурный слой; 3 – заполнение жилищ;

4 – заполнение хозяйственных ям и рвов.

- 38 -

Таблица 1.2

. Остаточная намагниченность и магнитная

восприимчивость образцов обожженных глин

археологических объектов Украины и Молдовы.

№

пор

Местонахождение

объекта

Характеристика

объекта

Пределы

значений

намагни-

ченности,

⋅10

-3

СИ

Пределы

магнитной

восприим-

чивости,

⋅ 4π10

-6

СИ

1 Арбузин

(Корсунь-Шевченковский р-н)

Трипольские

площадки

104–1599 43–859

2 Трехщетинка

(Луганская обл.)

Железоплавильный

горн

630 311

3 Шкаровка

(Белоцерковский р-н)

Трипольские

площадки

168–

13020

92–2248

4 Киев (Житний рынок)

Производственная

печь

580–5180 123–1445

5 Козаровичи (Киевская обл.)

Древнеславянская

печь

197–522 91–647

6 Ходосовка (Киевская обл.) Бытовая печь 200–1782 136–480

7 Сахновка (Киевская обл.) Бытовая печь 556–1430 162–498

8 Киев (ул.Ирининская) Печь для обжига

извести

12998–

24458

123–739

9 Сороки (Киевская обл.) Гончарная печь 8820–

18760

524–869

10 Жуковцы (Киевская обл.) Бытовая печь 162–497 92–200

11 Варваровка (Молдова) Трипольские

площадки

1352–

17956

138–888

Любимовка

(Херсонская обл.)

Гончарная печь 313–626 59–146

13 Бринзены Остров (Молдова) Бытовая печь 157–678 146–750

14 Требужены (Молдова) Бытовая печь 40–1690 86–409

15 Требужены (Молдова) Гончарная печь 84–4480 54–798

16 Дверново Урочище

«Моудлингтон» (Молдова)

Бытовая печь 116–1859 189–818

17 Старый Орпей (Молдова) Производственная

печь

441–702 216–513

18 Старый Орпей (Молдова) Бытовая печь 215–1755 92–446

Шкаровка

(Белоцерковский р-н)

Производственная

печь

319–6369 157–1197

Александровка

(Одесская обл.)

Трипольские

площадки

3036–

6006

860–1750

- 39 -

Таблица 1.3

. Пределы намагниченности и магнитной

восприимчивости обожженных глин

археологических объектов.

Вид объекта

Коли-

чество

объек-

тов

Коли-

чество

образ-

цов

Место-

положение

образца

Остаточная

намагни-

ченность,

⋅ 10

-3

СИ

Магнитная

восприим-

чивость,

⋅ 4π 10

-6

СИ

Горн железо-

плавильный

4 22

под

стенка

4000–19000

1200–12000

700–1900

250–800

Гончарная

печь

12 70

под

стенка

6000–18000

800–5000

200–600

200–500

Печь для обжига

извести

3 12

под

стенка

1200–4000

600–800

300–700

120–250

Печь

бытовая

27 136

под

стенка

1300–1700

400–1200

200–400

50–150

Трипольская

площадка

9 49

верхний

слой

нижний

слой

5000–13000

800–1600

700–1200

100–250

Для расчетов аномальных эффектов, ожидаемых над искомыми

объектами, и проведения интерпретации выявленных съемкой магнитных ано-

малий необходимо располагать не пределами значений, а вполне определен-

ными, обоснованными расчетом конкретными значениями магнитных харак-

теристик археологических объектов.

1.3.2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Изученность магнитных свойств археологических объектов (с требуемой

для магниторазведки полнотой) на территории Украины близка нулю, как

можно судить из изложенного в предыдущем подразделе. Из всего много-

тысячного массива экспериментальных данных, полученного в прошлые

десятилетия, оказалась доступной лишь небольшая часть материалов

необходимого нам содержания и качества. Это – материалы из упомянутого

выше

архива В.П. Дудкина. Первоначально в нем содержались сведения

примерно о полутора тысячах результатов измерений магнитных свойств

материалов из различных археологических объектов и вмещающих их пород

(судя по данным, приведенным в таблицах 1.1–1.3 и на рис. 1.1). Многие

оказались утеряны, но по 710 образцам сохранились фактические данные

лабораторных исследований, которые оказались пригодны

для полноценной

статистической обработки. Результаты статистической обработки этих дан-

ных, любезно предоставленных В.П. Дудкиным, опубликованы в работе

автора

и в откорректированном виде приводятся ниже.

В этот локальный массив результатов измерений магнитных характе-

ристик материалов вошли образцы, отобранные из следующих археологи-

ческих объектов: