Marian Hertrich, Mitch Jie-A-Looi, Miroslav Vrzba, etc., Разработки и применение археологических геофизических работ в Швейцарии

Подождите немного. Документ загружается.

first break том 28, август 2010

Малоглубинная геофизика

Разработки и применение археологических геофизических работ в Швейцарии.

Developments and applications of archaeo-geophysics within Switzerland

В этой иллюстрации геофизических методов при современных археологических исследованиях, Marian

Hertrich,

* Mitch Jie-A-Looi,

Miroslav Vrzba,

Beat Horisberger,

Patrick Nagy

и Alan Green

представляют

результаты двух съемок, проведенных через погребенные Римские виллы в северной части Швейцарии.

Главной целью археологических исследований является

восстановление повседневной жизни и культуры древних

обществ с помощью изучения объектов, оставшихся после

их существования. Многие из этих объектов погребены под

тонкими слоями почвы или осадков. Кроме небольших

артефактов (например, гончарные изделия, ювелирные

изделия и предметы кустарного промысла), следы

нетронутых сообществ, отдельные строения, места,

выделенные для ритуалов или религиозных обрядов, и

кладбища могут поставлять важную археологическую

информацию. Хотя эти раскопки представляют

производящие глубокое впечатление строения, сокровища и

экзотические предметы искусства, самым важным является

то, что они дают информацию о разработке и использовании

средств и композиции и изготовлении изделий кустарного

промысла, древних поселений, портов и торговых путей,

которая обычно поставляет самые важные сведения о том,

как функционировали и развивались древние общества.

Большая часть археологических объектов не раскапывается,

хотя она является важной для правительств и общества,

чтобы знать детальные местоположения, размеры и характер

этих объектов с тем, чтобы принять информированное

решение при проектировании и создании новых строений и

инфраструктуры

. Задача археологических съемок на всех

уровнях (т.е., от граждан до крупных городов) заключается в

том, чтобы выявить и установить археологические объекты,

исследовать их без раскопок, а затем заархивировать по

возможности полную информацию в целях сохранения и

защиты самых важных объектов. Следовательно, самым

важным являются надежные и эффективные по затратам

схемы быстрой археологической съемки больших областей.

Традиционные археологические методы включают анализ

аэрофотоснимков, полевые маршруты, иссдедование

археологических находок в музеях и частных коллекциях,

изучение топографических карт и рукописных источников и

сбор образцов почв в качестве возможных показателей

глубинных особенностей. В течение прошедших

десятилетий эти методы были пополнены малоглубинными

геофизическими методами (Clarke, 1986, 1990; Scollar et al.,

1990; Conyers and Goodman, 1997; Ellis, 2000). Как

только

выявлены перспективные объекты, необходимо пробурить

ограниченное количество малоглубинных скважин или

раскопать несколько траншей, чтобы определить или

подтвердить природу находок. Полный масштаб раскопок

предпринимается только в редких случаях.

Погребенные археологические объекты могут быть

распознаны визуально на поверхности благодаря их

влиянию на топографию, почву и/или растительность. Те же

особенности могут быть

также выявлены малоглубинными

геофизическими методами. К тому же геофизические

измерения реагируют на контрасты физических свойств

геологической среды, не видимые на поверхности. Эти

Рисунок 1 Геофизические исследования,

проведенные на древнеримских археологических площадях в

Швейцарии, использующие (а) пару оптических цезиевых

магнитометров, (b) площадную установку электродов в

трехмерной съемке ERT и (с) GPR с парой экранированных

антенн с частотой 250 МГц.

контрасты могут быть прямыми показателями погребенных

археологических остатков, или они могут представлять

изменения в геологии подповерхностной среды, которые

являются

результатом присутствия или присутствия в

прошлом археологических объектов. Магнитные,

геоэлектрические и радарные (GPR) методы являются

предпочтительными способами при археологических

исследованиях (см. рисунок 1).

Магнитные методы, которые реагируют на контрасты

магнитной восприимчивости и остаточный магнетизм, могут

быть использованы для съемок больших площадей быстрым и

недорогим способом (рисунок 1а; Clarke, 1986, 1990; Scollar et

al., 1990; Ellis, 2000). Они обычно предоставляют

региональную информацию и детали о местоположении

умеренных до интенсивно магнитных ферромагнитных

объектов, очагов, кирпичных кладках, каменных стен, и более

слабых магнитных контрастах, связанных с изменениями в

почве или осадках, которые могут быть диагностическим

критериями сгущенной сети канав (рвов) или примитивных

жилищ (т.е., прежние разведочные скважины). Может быть

трудно установить различия между

магнитными признаками

современных и древних особенностей, выделить эффекты

небольших аномалий, наложенных на более крупные, и

извлечь надежные детали о глубинах до магнитных

источников.

Institute of Geophysics, ETH Zurich, Sonneggstrasse 5, CH-8092 Zurich, Switzerland.

Baudirektion Kanton Zürich, ARV Amt für Raumordnung und Vermessung, Kantonsarchäologie, Stettbachstrasse 7,

CH-8600 Dübendorf, Switzerland.

' Автор-корреспондент, E-mail: hertrich@aug.ig.erdw.ethz.ch

специальная тема

Малоглубинная геофизика

first break том 28, август 2010

Рисунок 2 Распределение древнеримских поселений в Швейцарии (Flutsch, 2002). Отметим преобладание

древнеримских вилл (фермерских построек).

Специально для археологических исследований разработано

широкое разнообразие геоэлектрических систем (Clarke,

1986, 1990; Scollar et al., 1990; Ellis, 2000). Они реагируют на

контрасты в удельном электрическом сопротивлении и

обычно включают ограниченное количество гальванических

или емкостных соединенных электродов, которые

перемещаются по площади исследования. Не считая

небольших ферромагнитных объектов, объекты, пригодные

для магнитной съемки, могут быть также исследованы

геоэлектрическими методами. К сожалению,

Рисунок 3 Реконструкция типичной древнеримской виллы

(фермерской постройки), которая включает главное здание

(МН) и купальню (ВН), окруженные стенами (EW), и

вспомогательные постройки (Markus Schoch, Illustrator,

Winterthur).

геоэлектрические системы, предназначенные для

археологии, страдают теми же ограничениями, что и

магнитные методы. Хотя более дорогостоящие и

длительные, современные двумерные и трехмерные

томографические съемки удельного сопротивления (ERT)

(рисунок 1b) способны проявлять больше способности для

распознавания и предоставлять ценную глубинную

информацию.

GPR является новейшим геофизическим методом,

который может использоваться в археологических целях

(рисунок 1с; Conyers and Goodman, 1997; Ellis, 2000).

Отражения высокочастотных (10-2000 Мгц)

электромагнитных волн присутствуют везде, где существует

контраст диэлектрической проницаемости и/или

электрического удельного сопротивления. Радарные

отраженные волны дают изображения самой высокой

разрешающей способности по сравнению с любым

геофизическим методом. В частности, съемка GPR получает

детальную информацию по латерали и вертикали о

погребенных объектах. Основным недостатком метода GPR

является его неспособность проникать в небольшие слои

проводящих мокрых глин. Археологические документы в

северной Швейцарии чаще всего приурочены к периоду

после того, как отступили гигантские

EAGE

first break том 28, август 2010

Малоглубинная геофизика

Рисунок 4 (а) Аэрофотоснимок археологической площади Kloten-Egetswil с слабыми следами построек, которые включают

древнеримскую виллу (фермерское строение), видимую по слабому различию в высоте и/или цвете поверхности. Параллельные кривые

линии являются следами фермерских дорог. (b) Предварительная археологическая интерпретация (а) высвеченного главного здания (1)

и купальни (2). (с) Карта магнитных аномалий (полутона) большей части площади, показанной

на (а) и (b). Суммарная карта

отражений GPR по приблизительно той же площади. Коэффициент отражения показан интенсивностью цветовой раскраски.

Особенности, выявленные числами от (3) до (6), обсуждены в тексте

ледники ∼14000 лет назад. За редким исключением ледники

в этом регионе уничтожили доказательства любого более

раннего обитания. Относительно мягкий климат сделал с тех

пор северную часть Швейцарии предпочтительной областью

для поселения, поэтому она богата археологическими

остатками с Неолита до настоящего времени.

Древнеримский период в северной Швейцарии

распространялся от приблизительно 30 ВС

до 450 AD.

Древнеримские воины и иммигранты привезли в этот район

новые растения, животные, методы строительства и

культуру. Они построили армейские лагери и гражданские

поселения, деревни, рынки и древнеримские виллы.

Распределение известных древнеримских поселений в

Швейцарии, приведенное на рисунке 2, демонстрирует

распространенный характер древнеримской деревни. Эти

жилые дома на ферме были экономически независимыми

комплексами

, которые также производили продукцию для

армейских лагерей и других групп населения. Они обычно

включали основной дом и баню (купальню), часто

окруженные стенами и вспомогательными постройками

различного предназначения (рисунок 3). Виллы обычно

строились через равное расстояние (например, через

несколько километров) вдоль гребня холма или на склонах

пологих холмов, чтобы гарантировать сухие условия.

Использование геофизики в швейцарских

археологических исследованиях в основном приурочено к

северной и западной частям страны. Herwanger и др. (2000)

разработали и применили магнитный градиентометрический

метод для выявления примитивных жилищ и оценки их

размера, а Leckebusch (2003, и ссылки к этой статье)

использовал новый мини-трактор с электродами,

смонтированными на колесах, чтобы собирать

геоэлектрические данные. Полное магнитное поле и

градиентометрические данные с тех пор

регулярно получают коммерческие компании по

контрактам с кантональной археологической службой.

Leckebusch и Green (2000) и Leckebusch (2000, 2003)

доложили о результатах применения методов GPR для

решения разнообразных задач, представляющих

археологический интерес.

В этой статье мы приводим первые результаты

геофизических съемок, проведенных на двух древнеримских

виллах вблизи г. Цюрих, одна в Kloten-Egetswil, а друга в

Schleinikon (рисунок 2). По вилле Kloten-Egetswil

мы

представляем трехмерные данные GPR, в виде новой

суммарной карты отражений, на которой разным цветом

представлены структуры на различной глубине.

Участок Kloten-Egetswil

На топографической карте, созданной в 1667 году на

площадь древнеримской виллы Kloten-Egetswil, заметны

руины крупного комплекса. Четкое доказательство

древнеримских объектов на этой площади и в ее

окрестностях известно с 10-ого века. Выявление виллы в

Kloten-Egetswil первоначально было основано на

аэрофотоснимках, полученных в период разведочной

съемки в 1998 (рисунок 4а). Правильные линейные рисунки

на

поверхности были четким доказательством особенностей

археологической природы. Различие в высотах поверхности

и/или цвете были обусловлены различным характером почв,

что явилось результатом присутствия расположенных ниже

руин. На рисунке 4b крупные линейные структуры,

отмеченные (1) и (2), были интерпретированы как остатки

главного здания и купальни соответственно. Для поиска

других структур, связанных с фермерским комплексом, мы

собрали наземные магнитные данные, используя пару

оптических цезиевых магнитометров (рисунок 1а). К

сожалению, зарегистрированные магнитные данные

(рисунок 4с) предоставили небольшое доказательство

правильных структур в дополнение к наблюденным по

аэрофотоснимкам. Даже магнитные данные в окрестности

строений (1) и (2) содержали до некоторой степени

www.firstbreak.org

специальная тема

Малоглубинная геофизика

first break том 28, август 2010

Рисунок 5 (а) Срезы GPR на различных высотах

через интерпретированное главное здание древнеримской

виллы (фермерской постройки) на площади Kloten-Egetswil.

(b) Карта суммарной отраженности GPR, показывающая

все особенности на одной диаграмме. (с) То же, что и (b), но

в цветовом коде, соответствующем высоте преобладающих

особенностей. Числа от (i) до (v) на различных диаграммах

подчеркивают общие особенности

неправильные (нерегулярные) аномалии. Происхождение

линеамента (3) неизвестно, а широкая отрицательная

магнитная аномалия (4) вероятно имеет малоглубинную

геологическую природу.

Наши данные GPR, полученные приблизительно по той же

самой площади, дают информацию о структурах под

поверхностью земли с гораздо более высокой разрешающей

способностью. Изображение на рисунке 4d представляет

нечто необыкновенное, так как оно показывает все

существенные

отражения по зарегистрированным данным

GPR. Это скорее является картой суммарных отражений (см.

далее), чем обычным временным срезом. В этом виде

информация GPR может быть удобно объединена с

системами GIS, которые являются в настоящее время

стандартными при новейших археологических

исследованиях. Резкие отражения на рисунке 4d

оконтуривают стены главного здания (1) и купальни (2).

Другие особенности, наблюдаемые на изображении GPR,

включают таинственный линеамент (3), вероятную

геологическую структуру (4), второстепенные стены или

площадки виллы (5) и дренажную систему неизвестного

происхождения (6).

Для более детального анализа данных GPR в окрестностях

главного здания мы выполнили конверсию времени в

глубины, используя скорость волны в 0.1 м/нс, оцененную по

схеме разности времен вступления гиперболы преломленной

волны, и проанализировали полученные

в результате

изображения. Стандартно обработанные трехмерные данные

GPR требуют многократных вертикальных поперечных

разрезов и/или многократных горизонтальных срезов, чтобы

адекватно отобразить погребенные особенности. Рисунок 5а

показывает сумму срезов топографически

откорректированных глубин главного здания. Длинная

дренажная система (i) расположена на возвышенности в

∼538.5 м, а стены главного здания (ii) расположены на склоне

возвышенности на

высотах 537-538 м. Комната (iv) в юго-

восточной части здания расположена на более низком уровне

∼536.5 м с немного более высокой задней стеной (iii) ∼537 м

и более низкой передней стеной (v) ∼535 м.

Как предполагалось рисунком 5а, подробности

конфигурации и глубин различных глубинных особенностей

могут быть исследованы с помощью анализа изображений

на различных глубинных

срезах. Для количественного

анализа геометрических особенностей необходимо

рассмотреть скорее обзор в плане отдельных срезов, чем

перспективный обзор расположенных друг над другом

срезов, приведенный на рисунке 5а. Очевидно, что

предпочтительно объединять информацию, содержащуюся в

большом числе срезов, в одной или нескольких картах. Это

является основой для создания карт суммарных отражений

рисунков 4d и 5b, которые содержат всю отраженную

энергию внутри интервала между основанием

непосредственно поверхностной волны и глубиной, где

помехи начинают преобладать в данных. Изображение на

рисунке 5b содержит все важные особенности от (i) до (v),

выявленные по отдельным глубинным срезам рисунка 5а.

Хотя карта суммарных отражений показывает все

значительные особенности, она не имеет информации о

высотах, которая необходима для корректной

интерпретации археологической обстановки. На рисунке 5с

различные цвета представляют изменяющиеся высоты,

которые определены по временам максимума амплитуды

огибающей, а интенсивность цвета является величиной

суммарного коэффициента отражения. Эта высотно-

суммарная карта отражений хорошо представляет все

особенности площади археологического исследования,

содержащие в сущности ту же важную информацию,

которая

приведена на рисунке 5а.

Площадь Schleinikon

Развалины древнеримской виллы в Schleinikon ZH,

Grosszelg известны с первой половины 19 века. Первые

раскопки проходили в 1844 году. С того времени имели

место разнообразные несистематические частные раскопки

и несколько государственных научно-исследовательских

проектов. Они выявили хорошо сохраненные расписные

стены, каменные колонны и двери, настенную роспись и

множество других интересных находок. Чтобы определить

истинный размер и обеспечить дальнейшие детальные

исследования на интерпретированном древнем фермерском

доме, археологическая служба кантона взяла на себя

2010 EAGE

Рисунок 6 Карта магнитных аномалий по

археологической площади Schleinikon с виллой,

оконтуренной зеленым прямоугольником. Участки,

оконтуренные зелеными и красными прямоугольниками,

выделены на рисунке 7 (данные, зарегистрированные GGH,

Freibur

i. Br

)

first break том 28, август 2010

Малоглубинная геофизика

Рисунок 7 (а) Магнитные аномалии внутри зеленого прямоугольника на рисунке 6. (b) Срез GPR на глубине

∼

1 м,

выявляющий стены и перекрытия внутри того же участка, который показан на (а). (с) Срез трехмерной модели удельного

сопротивления на глубине

∼

1 м показан в пределах красного треугольника. Синий и красный цвета представляют низкие и

высокие значения удельного электрического сопротивления соответственно.

обязательство получить качественные магнитные данные,

зарегистрированные по всей большой площади. Часть карты

магнитных аномалий, которую занимает вилла, приведена

на рисунке 6. Большинство аномалий на этой карте,

вероятно, обусловлены погребенными объектами

древнеримских строений (I) - (III),

но подобно магнитным

данным, полученным на площади Kloten-Egetswil, в

некоторой степени смазанные особенности не могут быть

надежно интерпретированы как отдельные археологические

особенности. Чтобы получить дополнительные данные, мы

собрали данные GPR по площади, отмеченной зеленым

прямоугольником на рисунке 6, и зарегистрировали

трехмерный набор данных ERT по площади, выделенной

красным прямоугольником.

Рисунок 7 b показывает горизонтальный срез полностью

обработанных

данных GPR на глубине ∼1 м. Он

предполагает существенно новую детальную информацию.

Например, регулярные линеаменты без сомнения являются

стенами (IV), но их первоначальное предназначение до сих

пор не установлено. Археологи стремились определить

источник области равномерно высоких отражений (V),

которая представлена более хаотическим характером

магнитных аномалий (рисунок 7а). В частности, может ли

система каналов

с дном, нагреваемым горячим воздухом,

включающая относительно ровное дно и уровни

фундамента, разделенные пустотой в 1 м, поддерживаемая

колоннами из кирпичей, объяснить отражающую

способность GPR и магнитные аномалии? В противном

случае, кирпичи и камни древнеримских строений были

удалены и заменены поверхностными почвами (т.е.,

глинами и гумусом). Слой глин также может создавать

сильные

отражения. Геоэлектрические данные предлагают

вниманию возможность провести различие между

гипотезами с каменным дном, имеющим относительно

высокое удельное сопротивление и глинистым слоем с

низким удельным сопротивлением. Чтобы решить этот

вопрос, были зарегистрированы трехмерные данные ERT.

Использование трехмерной системы ERT показано на

рисунке 1b, а результаты по отдельному глубинному срезу

трехмерной инверсии зарегистрированных данных

представлены

на рисунке 7с. Контур высоких удельных

сопротивлений на глубине 1 м совпадает с областью

высокого отражения на той же глубине по данным GPR,

таким образом, подтверждая гипотезу канала с горячим

воздухом под дном.

Выводы

Несмотря на то, что некоторые археологические объекты

могут быть источником слабых топографических

особенностей или характеристик почвы и/или

растительности, основная масса их, вероятно, невидима

невооруженным глазом. Малоглубинные геофизические

методы предоставляют археологам рассмотреть в

разведочных целях разрез под поверхностью.

Разнообразные геофизические методы предоставляют

информацию разного уровня, причем магнитные методы

являются наиболее пригодными для быстрой региональной

съемки, а методы GPR наиболее пригодны для детальных

исследований. Комплексная интерпретация многочисленных

геофизических данных, сочетаемая с информацией,

поставляемой наблюдениями на поверхности и

ограниченными раскопками, наиболее правдоподобна для

получения более достоверной информации.

Благодарности

Мы благодарим руководство (Joseph Doetsch, Jan

Walbrecker, Jochen Lehmann-Horn and Mark Blome) и

участников полевого курса Joint Master в 2008 и 2009 годах

за содействие в получении и первоначальной обработке

геофизических данных и различных фермеров, которые дали

нам доступ на их поля. Этот проект был финансирован ETH

Zurich и Swiss National Science Foundation.

Литература

Clark, A. J. [1986] Archaeological geophysics in Britain. Geophysics, 51,

1404-1413. Clarke, A.J. [1990] Seeing beneath the soil.

B.T. Batsford Publishers, London.

Conyers, L.B. and Goodman, D. [1997] Ground-Penetrating Radar: An

Introduction for Archaeologists. AltaMira Pres, Walnut Creek.

Ellis, L. [2000] Archaeological Method and Theory. Garland Publishing,

New York. Flutsch,

L., Niffeler, U., Rossi, F. [2002] Die Römerzeit in der Schweiz. Die

Schweiz vom Paläolithikum bis zum frühen Mittelalter 5 – SPM

V, Basel.

Herwanger, J., Maurer, H.R., Green, A.G. and Leckebusch, J. [2000] 3-D

inversions of magnetic gradiometer data in archeological

prospecting. Geophysics, 65, 849-860.

Leckebusch, J. [2000] Two and three-dimensional georadar surveys across

a Medieval choir: a case study in archaeology. Archaeological

Prospection, 7, 189-200.

Leckebusch, J. [2003] Ground-penetrating radar: a modern three-dimen-

sional prospection method. Archaeological Prospection, 10, 213-

240.

Leckebusch, J. and Green, A.G. [2000] Georadar. In: Ellis, L. (Ed),

Archaeological Method and Theory. Garland Publishing, New

York, 251-258.

Scollar, I., Tabbagh, A., Hesses, A. and Herzog, I. [1990] Archaeological

Prospecting and Remote Sensing. Cambridge University Press,

Cambridge.

www.firstbreak.org

специальная тема