Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

- 60 -

дется ожидать того дня, когда этих данных будет достаточно для уверенного

анализа физико-археологических предпосылок применения магнитометрии с

целью изучения конкретных типов археологических объектов в определенных

условиях их существования.

В целом, приходится констатировать, что, придерживаясь методики

случайных, эпизодических исследований магнитных свойств археологических

материалов по ограниченному числу образцов, мы за много

лет не достигли

«сияющих вершин» и преодолели только начальный отрезок пути (да и то

благодаря результатам измерений образцов, отобранных, главным образом, в

процессе археомагнитных исследований). Возникает вопрос, следует ли и

дальше двигаться по этому пути, который по многим признакам может быть

определен как бесперспективный?

Наиболее целесообразным, имеющим ясные перспективы в

будущем,

следует считать, очевидно, сочетание первых двух вариантов методики

отбора образцов. При этом изучение магнитных характеристик типичных

объектов исследуемого памятника на каждом этапе его изучения осущест-

вляется с необходимой полнотой, в законченном виде. Реализация такого

подхода делает не нужным продолжение случайных, неупорядоченных,

растянутых на десятилетия исследований физических свойств археологи-

ческих остатков

в масштабах крупных регионов, поскольку накопление необ-

ходимых данных гарантируется внедрением методики полноценных, доведен-

ных до кондиции исследований отдельных поселений или объектов.

Принятие такой методики не только определяет методические приемы

отбора необходимого числа образцов археологических остатков (особенности

этого процесса могут широко варьировать в зависимости от обстоятельств).

Это означало бы изменение

методологического подхода к проблеме изучения

физических свойств материалов археологических объектов в целом, переход

к концепции упорядоченного, перманентного и законченного (на каждом этапе)

исследования магнитных характеристик этих материалов. Практическая

реализация подобного подхода создавала бы благоприятные условия для

оперативного построения физико-археологических моделей искомых археоло-

гических объектов, ускоренного роста информации об их физических

пара-

метрах, обеспечивала бы возможность сравнительного анализа накопленной

информации на уровне регионов, культур и отдельных поселений. В конечном

итоге это могло бы существенным образом повысить эффективность археоло-

гических исследований методом магнитной разведки.

1.3.8. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Магнитная разведка может быть использована не только для решения

поисково-разведочных археологических задач, но и при изысканиях любых

других намагниченных объектов, скрытых в верхнем слое земли, в том числе

объектов техногенного происхождения. В связи с этим интересно рассмотреть

перспективы и такого использования магнитометрического метода иссле-

дований.

При обосновании магнитометрических поисков

объектов техногенного

происхождения интерес представляют, прежде всего, магнитные свойства

- 61 -

материалов, находящихся в нормальном магнитном поле Земли напряжен-

ностью порядка T

≈ 0.5 Э, что соответствует магнитной индукции B ≈ 50000 нТ.

Рассмотрим несколько наиболее употребительных промышленных

материалов. Обожженный кирпич, изготовленный с применением различного

типа глин, обладает повышенными магнитными характеристиками вследствие

известных свойств глинистых материалов приобретать при остывании после

обжига более высокую магнитную восприимчивость и сильную термооста-

точную намагниченность. В связи с этим по данным магнитометрии успешно

решается задача обнаружения скрытой

наносами кирпичной кладки.

Застывший цементный раствор по магнитным характеристикам мало

отличается от окружающих рыхлых образований. Однако магнитные свойства

бетона уже значительно зависят от входящего в его состав каменного

материала. Как правило, такие добавки делаются из щебня кристаллических

горных пород, многие из которых по магнитным характеристикам заметно

превосходят рыхлые осадочные образования (см

. табл. 1.6). В таких случаях

конструкции из бетона можно обнаружить средствами магнитной разведки.

Таблица 1.6. Магнитная восприимчивость горных пород.

Магнитная восприимчивость,

κ⋅10

-3

4π СИ

Горные

породы

0 – 0.03 0,3–0.15 0.15–0.5 0.5–1.5 1.5–5 5–15

О с а д о ч н ы е п о р о д ы

Пески, глины

++ + +

Лесс, суглинки

Песчаники

++ + +

Глинистые сланцы

++ + +

Мергель

Известняк

К р и с т а л л и ч е с к и е п о р о д ы

Граниты

+ ++ ++ + +

Гнейсы

+ + + ++ + +

Диориты

+ + + + ++ +

Пироксениты

+ + ++ +

Габбро

+ + + ++ +

Кристаллические

сланцы

+ + + ++ ++ +

Еще более высокими магнитными характеристиками отличаются железо-

бетон и бетон с железной арматурой. Естественно, что магнитометрические

поиски сооружений и конструкций из стали, чугуна и других сплавов железа

вообще не представляют проблемы. Ориентировочные значения основных

- 62 -

магнитных характеристик таких промышленных материалов в нормальном

геомагнитном поле, приводятся таблице 1.7 (по данным, представленным в

работе А.К. Станюковича и Ю.Я. Ружина

Таблица 1.7. Магнитные характеристики промышленных материалов.

№

пор

Материал

Магнитная

восприимчивость

,4 СИ

Индуктивная

намагни-

ченность

J СИ

,10

Остаточная

намагни-

ченность

J СИ

,10

1 Литая сталь 39.7 19.9 408 20.5

2 Мягкая сталь,

0.1% С

47.7 23.9 478 20.0

3 Сталь динамная

листовая

63.6 31.8 260 8.2

4 Железо Армко 79.5 39.8 318 8.0

5 Железо

отожженное

300.0 125.0 376 0.63

Искусственные сплавы железа, находящиеся в магнитном поле, обла-

дают значительно более высокой магнитной восприимчивостью, а, следова-

тельно, и индукционной намагниченностью по сравнению с естественными

минералами и обожженными глинами. Судя по литературным данным, оста-

точная намагниченность искусственных сплавов железа превышает остаточ-

ную намагниченность не только породообразующих минералов, но и желез-

ных руд

Техногенные объекты, содержащие перечисленные выше и некоторые

другие промышленные материалы с повышенными значениями магнитных

характеристик, находясь в земном магнитном поле, представляет собой

достаточно сильные постоянные магниты, которые вносят искажения в

структуру нормального поля Земли, то есть образуют магнитные аномалии.

Выявленная в процессе магнитометрических исследований аномалия дает

возможность определить местоположение объекта,

скрытого поверхностными

отложениями. Более того, как следует из опыта работ, по данным конди-

ционной магнитной съемки можно определить также глубину залегания,

поперечные размеры и другие параметры исследуемых объектов.

Таким образом, и для поисков техногенных объектов средствами магни-

тометрии имеются весьма благоприятные физические предпосылки.

- 63 -

1.4. ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.4.1. СОСТАВЛЕНИЕ ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Опираясь на многолетний опыт археологических и геофизических иссле-

дований типичных памятников древних культур, для большинства искомых

археологических объектов удается установить более или менее обоснован-

ные физико-археологические модели (ФАМ). Применение понятия ФАМ в

археологии было предложено еще в конце 80-х годов в работе В.А. Мачинина,

Т.Н. Смекалова и

др.

по аналогии с ФГМ (физико-геологическими моделями)

в геологоразведке.

Однако в практике археологических исследований понятие ФАМ еще не

приобрело надлежащее научное наполнение и распространение. Между тем,

концепция о физико-археологических моделях археологических объектов спо-

собна существенно повысить надежность и эффективность неразрушающих

геофизических методов исследований археологических памятников, в первую

очередь – магнитной

разведки. Именно это и послужило побудительной при-

чиной изложить в дополненном и расширенном виде вопросы практического

создания и использования ФАМ при изучении археологических памятников

средствами магнитной разведки.

Как отмечено в упомянутой работе

, погребенные в четвертичных

отложениях археологические объекты с точки зрения геофизики можно рас-

сматривать как локальные тела с набором определенных физических свойств.

Под ФАМ археологического объекта определенного типа понимается набор

возможных возмущающих тел приблизительная форма, размеры и физи-

ческие свойства которых с наибольшей вероятностью отражают реальные

физические и геометрические характеристики искомых

объектов. Сведения о

модели должны быть дополнены описанием обусловленных ними геофизиче-

ских аномалий. Важнейшими характеристиками ФАМ являются физические

свойства вмещающей среды и физико-геологическая модель окружающей

обстановки в целом, включая и сведения о рельефе перекрывающих и под-

стилающих пород.

Оценка физических свойств объектов поисков и вмещающей их среды

возможна только на

основе массовых измерений образцов, специально

отобранных в процессе исследований аналогичных археологических памятни-

ков, проведенных в прошлые годы.

Форму и размеры искомых объектов обычно оценить значительно легче.

Такая оценка может быть получена из опыта работ. Задача облегчается тем,

что археологические объекты всегда отличаются высокой пространственной

упорядоченностью, часто имеют правильные геометрические формы,

прямые

углы, регулярную планировку и другие характерные черты, присущие чело-

веческой деятельности и не свойственные естественным геологическим

образованиям. Поэтому археологические объекты, в отличие от геологи-

ческих, легче представить простыми модельными телами правильной формы

(шар, цилиндр, горизонтальный или вертикальный параллелепипед и неко-

торые другие). По данным магнитной разведки они нередко отображаются

гео-

метрически четкой или регулярной структурой поля локальных аномалий.

- 64 -

Физико-археологические модели можно составлять для отдельных

объектов или для памятника в целом. ФАМ памятника представляет собой

совокупность разнородных объектов, сгруппированных на площади посе-

ления. В связи с этим ФАМ памятника должна включать некоторое множество

ФАМ отдельных археологических объектов с различными физическими свой-

ствами и геометрическими характеристиками.

Физико-археологическая модель

любого уровня (объект, памятник,

группа памятников) создается путем последовательных приближений по мере

накопления опыта поисковых и разведочных работ. Естественно, что перво-

начальная ФАМ объектов исследований будет грубо приближенной, однако по

мере накоплений знаний и опыта становится все более близкой реальным

объектам поисков.

Физико-археологическая модель объекта является основой как для

расчета

и построения аномалий физических полей, связанных с ним (что

важно для обоснованного выбора сети и точности проектируемой съемки), так

и для археологического истолкования магнитометрических данных, то есть,

при решении обратной задачи – определении параметров тел по аномалиям

физических полей.

Физико-археологическая модель может быть построена с использо-

ванием данных одного или

нескольких методов разведочной геофизики.

Комплексная модель имеет, конечно, преимущества, но требует изучения

памятника комплексом геофизических методов. Но практически, большей

частью, приходится ограничиваться применением одного геофизического

метода, чаще всего – магнитной разведки. В таких обстоятельствах рекомен-

дуется максимально использовать „внутренние резервы” применяемого

метода, т.е. все доступные модификации магнитных аномалий, все физиче-

ские

характеристики, которые подлежат определению.

Исходя из этого, при дальнейшем изложении под физико-археоло-

гической моделью археологического объекта будем понимать:

1) сведения о его геометрических характеристиках, глубине залегания,

заполняющем материале, других особенностях;

2) данные о магнитных свойствах объекта, его составных частей,

вмещающей среды;

3) описание или изображение магнитных полей модели, включая

результаты трансформаций

наблюденного магнитного поля (амплитуды,

размеры, градиенты и другие особенности локальных аномалий, отвечающих

объекту).

С этой точки зрения весь комплекс преобразований исходных магнито-

метрических данных (ознакомлению с которым посвящена глава 3) можно

рассматривать как процесс пополнения ФАМ памятника новой полезной

информацией об исследуемых объектах. Таким образом, несмотря на то, что

приходится оперировать

одними лишь магнитометрическими данными, появ-

ляется реальная возможность выделения перспективных аномалий по ком-

плексу признаков – т.е. по тем или другим локальным особенностям маг-

нитного поля, которые отражают аномальный эффект в зависимости от

глубины залегания, размеров, магнитных свойств и других характеристик

искомых археологических объектов.

- 65 -

1.4.2. ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НЕКОТОРЫХ

ХАРАКТЕРНЫХ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Физико-археологическая модель объекта является основой как для

расчета и построения связанных с нею аномалий физических полей, (что

важно для обоснованного выбора сети и точности полевых наблюдений), так и

для археологического толкования геофизических данных, т.е. при решении

обратной задачи – определении параметров тел по физическим полям. В

данном разделе рассмотрено

в качестве примера несколько характерных

моделей археологических объектов. Такие модели обычно составляются еще

до начала полевых работ.

Моделирование выполнено А.П. Кутовой по алгоритму, предложенному

В.Н. Завойским

. Под моделированием в данном случае понимается реше-

ние прямых задач магниторазведки, с целью построения синтетических

магнитных аномалий, отвечающих характерным археологическим объектам

заданной формы.

Моделирование магнитного поля трехмерных археологических объектов

указанным методом требует задания магнитной восприимчивости материала

заполнения моделей и компонент вектора намагничивающего геомагнитного

поля. При проведении расчетов аномалий от трипольских

объектов принято

геомагнитное поле 3150 г. до н.э. Значения составляющих вектора напряжен-

ности определены по данным Г.Ф. Загния

: X=25300, Y=2200, Z=43100 нТ.

Для объектов типа заполнения жилищ, ям, вмещающих пород и других,

не обладающих остаточной намагниченностью, использовались эксперимен-

тально полученные значения магнитной восприимчивости, приведенные в

таблице 1.4. Моделирование объектов, сложенных обожженными глинами с

высокой термоостаточной намагниченностью, осуществлялось с использо-

ванием эффективной магнитной восприимчивости, вопросы расчета

которой

рассмотрены в подразделе 1.3.4.

Напомним, что под «эффективной» понимается такая магнитная воспри-

имчивость

эфф

, при которой под воздействием магнитного поля Земли моде-

лируемый объект в соответствии с соотношением J =

эфф

T приобретает

намагниченность, равную сумме ее индуктивной и остаточной составляющей.

В частности, при построении модели поля над гончарным горном эффектив-

ная магнитная восприимчивость принята 4000

⋅4π10

-6

СИ, что отвечает «истин-

ной» (измеренной) магнитной восприимчивости примерно 450

⋅4π10

-6

СИ (если

пользоваться методами расчета, рассмотренными в подразделе 1.3.4).

Расчет магнитных аномалий, создаваемых трипольскими площадками,

выполнен для различных значений эффективной магнитной восприимчивости

заполняющего материала. В качестве базовой выбрана трипольская пло-

щадка с эффективной магнитной восприимчивостью 4000

⋅4π10

-6

СИ, что отве-

чает измеренной магнитной восприимчивости примерно 450

⋅4π10

-6

СИ. Это

соответствует реальной магнитной восприимчивости объектов данного типа

на уровне нижней границы пределов изменения данной характеристики, так

как, согласно табл. 1.4,

изм

= (660±203)⋅4π10

-6

СИ. В связи с этим расчетные

аномальные эффекты несколько занижены. Но полученные результаты

достаточно близко отражают особенности локальных аномалий от триполь-

ских площадок в разных условиях их залегания. Отдельный расчет посвящен

анализу аномалий от площадок с различными значениями эффективной

- 66 -

магнитной восприимчивости – 4000, 2000, 1000, 400, 100 или 50

⋅4π10

-6

СИ,

которым отвечают, соответственно, значения фактической магнитной воспри-

имчивости 450, 320, 220, 140, 70 или 50

⋅4π10

-6

СИ.

Геометрические параметры моделей определены на основе обобщения

результатов раскопок соответствующих объектов, проведенных в прошлые

годы. Изображения модельных объектов и соответствующие им аномалии

магнитной индукции приведены на рис. 1.6–1.16.

Гончарный горн

Гончарная печь VII в. (рис. 1.6) аппроксимирована незаполненной полу-

сферой внутренним радиусом 0.4 м и внешним – 0.5 м. Глубина залегания

верхней кромки

горна 0.15 м, нижней – 0.65 м.

012345678

Карта изолиний

аномалии магнитного поля модели

Пространственное изображение

магнитного поля модели

Вертикальный

разрез модели

Трехмерное

изображение модели

0.8 м

1 м

Ва, нТ

0.5

012345678

100

120

140

160

Карта графиков

по системе широтных профилей через 0.5 м

Ва

Карта графиков

по системе меридианальных профилей через 0.5 м

Ва

-30

-20

-10

120

160

В а, нТ

Север

Рис. 1.6. Трехмерная модель гончарного горна VII в.

- 67 -

При заданных геометрических параметрах, глубине залегания и магнит-

ных характеристиках магнитная аномалия над гончарным горном имеет

изометрическую форму, амплитуду порядка 150 нТ и уверенно фиксируется

магнитной съемкой по сети 0.5

×0.5 м

на 4–5 соседних профилях. При

проведении съемки с густотой сети 1

×1 м

объект может быть пропущен или

зафиксирован недостоверно (из-за недостаточного числа точек наблюдений и

заниженной амплитуды).

Хозяйственные ямы

Проанализированы три модели хозяйственных ям наиболее распростра-

ненной формы с размерами, близкими средним.

Модель цилиндрической ямы круглого сечения и соответствующее

ей магнитное поле представлены на рис. 1.7.

Для расчета аномалии магнитной индукции

принято значение эффектив-

ной магнитной восприимчивости материала заполнения ямы (

κ=40⋅4π10

-6

СИ),

близкое средней величине этой характеристики для ям, определенное ранее

(табл. 1.4). Хозяйственная яма с указанными на рисунке параметрами отме-

чается изометрической магнитной аномалией амплитудой 26 нТ на 3–4

профилях через 0.5 м.

Хозяйственная яма воронкообразной формы овального сечения

(рис. 1.8) отличается от модели цилиндрической ямы только формой. Как и в

предыдущем случае,

яма уверенно фиксируется изометрической магнитной

аномалией амплитудой до 26 нТ на 3–4 соседних профилях, проложенных

через 0.5 м.

Хозяйственная яма грушевидной формы круглого сечения (рис. 1.9)

с геометрическими параметрами, указанными на рисунке, при той же маг-

нитной восприимчивости заполняющего материала отмечается магнитной

аномалией изометрической формы, фиксируемой и в этом случае на 3–4

профилях через 0.5.м.

Амплитуда аномалии, создаваемой этой моделью,

достигает 30 нТ.

Таким образом, хозяйственные ямы с указанными геометрическими и

физическими параметрами легко могут быть обнаружены высокоточной маг-

нитной съемкой, выполненной по достаточно густой сети наблюдений порядка

0.5

×0.5 м

Древний ров

Сооружения типа рвов обнаруживаются, главным образом, в процессе

раскопок. Естественно, встал вопрос о возможности их поисков и просле-

живания магнитометрическим методом. В качестве примера было смодели-

ровано поле надо рвом прямоугольного сечения (рис. 1.10). Параметры

модели выбраны по данным археологических раскопок вблизи с. Казаровичи.

При эффективной магнитной восприимчивость

материала заполнения рва

100

⋅4π10

-6

СИ ожидаемые магнитные аномалии достигают 15–20 нТ, На

рисунке представлена также карта графиков магнитной индукции, полученная

в процессе непосредственных полевых магнитометрических наблюдений.

Результаты интерпретации полевого материала рассматриваются в главе 4.

- 68 -

01234

Вертикальный разрез модели

1.2 м

Ва, нТ

012345

Карта графиков

по системе меридианальных профилей через 0.5 м

Ва

Карта графиков

по системе меридианальных профилей

через 0.5 м

Ва

Карта изолиний

аномалии магнитного поля модели

Пространственное изображение

магнитного поля модели

-4

-2

В а, нТ

Рис. 1.7. Модель цилиндрической хозяйственной ямы круглого сечения.

Верхняя кромка – на глубине 0.5 м; эффективная магнитная восприимчивость

заполнения ямы – 40

⋅

-6

СИ; шаг расчета магнитного поля модели 0.1 м на

высоте 0.1 м над поверхностью земли.

01234

Поперечные разрезы модели

по осям сечения

Ва, нТ

1.2

012345

1.7 м 1.2 м

Карта графиков

по системе меридианальных профилей через 0.5 м

Ва

Карта графиков

по системе меридианальных профилей

через 0.5 м

Ва

Карта изолиний

аномалии магнитного поля модели

Пространственное изображение

магнитного поля модели

-6

-4

-2

В а, нТ

Рис. 1.8. Модель хозяйственной ямы воронкообразной формы

овального сечения.

Размеры полуосей – 1.2 и 1.7 м, глубина – 1.2 м; верхняя кромка – на глубине

0.5 м; эффективная магнитная восприимчивость заполнения ямы – 40

⋅

-6

СИ;

шаг расчета магнитного поля модели 0.1 м по квадратной сети на высоте 0.1 м

над поверхностью земли.

Кошелев И.Н. Магнитная разведка археологических памятников

Подождите немного. Документ загружается.