Магнитная разведка археологических памятников

И.Н. Кошелев

МАГНИТНАЯ РАЗВЕДКА АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ

Киев • 2005

Электронная библиотека Портала «Археология России» www.archeologia.ru

Настоящая работа размещена в библиотеке Портала «Археология России» как электронная публикация. При цитировании ссылка на источник обязательна: Кошелев И.Н., Магнитная разведка археологических памятников, Киев, 2005 // http://www.archeologia.ru/Library/Book/14dc8c0aeabc Копирование и распространение настоящей работы в любом виде и объеме возможно только с письменного разрешения автора. Кошелев Игорь Николаевич [email protected]

И.Н. Кошелев. Магнитная разведка археологических памятников. Стр. – 313, рис. – 68, табл.– 24.

О чем и для кого эта книга? В книге изложены физические основы магнитометрического метода археологических исследований. На примерах древних памятников Украины описаны структурные, геометрические и физические особенности археологических объектов. Приведены результаты статистического анализа магнитных свойств их вещественного состава и физико-археологическое обоснование метода. Проведено сравнение магнитометрии с другими методами геофизической разведки и анализ возможностей их включения в комплекс исследований археологических памятников. Значительное внимание уделено составлению, расчету и использованию физико-археологических моделей. Рассмотрены основные положения методики и техники полевых исследований, приведены необходимые сведения об измерительной аппаратуре. Проанализированы различные методы обработки и преобразований исходной магнитометрической информации из числа наиболее простых, но способных обеспечить достаточно высокое качество, надежность, полноту и результативность археологического истолкования магнитометрических данных. Показано, что проблема обнаружения и изучения скрытых в земле памятников истории, военно-исторических объектов (сооружений, военной техники и др.), а также объектов техногенного происхождения по своим целям и средствам их достижения принципиально не отличается от проблемы поисков и картирования археологических памятников. Для поисков и изучения таких объектов предложенная технология магнитометрических исследований может быть использована с не меньшим успехом, чем при решении археологических задач. Материал изложен в легко доступной, по возможности, форме и иллюстрируется достаточным числом примеров использования магниторазведки при археологических, а также военно-исторических и техногенных исследованиях. Книга предназначена, главным образом, для археологов, специалистов по охране памятников археологии и истории, геофизиков, изыскателей объектов военной истории, но может быть полезна строителям, мелиораторам, метеоритологам, другим специалистам, деятельность которых связана с исследованиями приповерхностного слоя геологического разреза, а также студентам перечисленных специализаций. ________________ На титульной странице: Пространственная модель аномалий магнитного поля над западной половиной трипольского поселения Ламойна 2 (Молдова).

-2-

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Глава 1. ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

15

1.1. Физические основы магниторазведки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.1. Основные характеристики магнитного поля Земли . . . . . . . 1.1.2. Магнитные характеристики вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Аномалии магнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Градиенты магнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18 20 22

1.2. Характерные особенности археологических памятников как объектов магнитометрических исследований . . . . . . . . . . . 1.2.1. Структурные особенности археологических объектов и памятников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Общая характеристика магнитных свойств археологических объектов и вмещающей среды . . . . . . . . 1.3. Магнитные свойства археологических и техногенных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Состояние изученности магнитных характеристик археологических памятников Украины . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2. Исходные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Методы анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4. Результаты исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5. Зависимость между магнитной восприимчивостью и намагниченностью . . . . . . . . . . . . . . 1.3.6. Определение вероятности разделения археологических объектов по магнитометрическим данным . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.7. О дальнейших исследованиях магнитных свойств археологических объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.8. Магнитные свойства техногенных объектов . . . . . . . . . . . . 1.4. Физико-археологические модели объектов исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Составление физико-археологических моделей. . . . . . . . . 1.4.2. Физико-археологические модели некоторых характерных археологических объектов . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Комплексирование магниторазведки с другими геофизическими методами исследований. . . . . . . . . . -3-

24 25 30 34 34 39 41 44 45 51 54 60 63 63 65 80

1.5.1. Сравнительная характеристика геофизических методов археологических исследований . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2. Комплексирование методов магнитометрических исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3. Электрические и электромагнитные методы археологических исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4. Геолокационный метод исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 2. ПОЛЕВЫЕ МАГНИТОРАЗВЕДОЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

80 83 84 89 93

2.1. Выбор цели и анализ условий проведения магнитной разведки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

2.2. Классификация магнитных съемок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

2.3. Сеть и точность магнитометрических наблюдений. . . . . . . . . . .

101

2.3.1. Выбор точности магнитной съемки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Общие принципы выбора сети наблюдений . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Способы расчета сети наблюдений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Практические приемы расчета сети наблюдений . . . . . . . .

101 101 104 107

2.4. Техническое обеспечение магнитометрических исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111

2.4.1. Магнитометрическая аппаратура российского производства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Магнитометрическая аппаратура западных фирм . . . . . . .

111 119

2.5. Методика проведения высокоточных магнитных съемок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122

2.5.1. Вариации магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2. Общие положения методики магнитных съемок. . . . . . . . . 2.5.3. Методика магнитной съемки археологического назначения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122 127 130

2.6. Техника проведения полевых магнитометрических наблюдений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

140

2.7. Топографо-геодезическое обеспечение магнитометрических съемок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

143

2.7.1. Основные требования к геодезическому обеспечению магнитометрических работ . . . . . . . . . . . . . . 143 2.7.2. Полевые топографо-геодезические работы . . . . . . . . . . . . 144 2.7.3. Современные средства геодезического обеспечения картографических и изыскательских работ . . . . . . . . . . . . 148 2.8. Градиентометрические съемки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

150

2.9. О сметной стоимости магниторазведочных исследований. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

155

-4-

Глава 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

157

3.1. Первичная обработка результатов магнитометрических наблюдений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

157

3.2. Приведение магнитного поля участка съемки к единому уровню . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162

3.2.1. Коррекция систематических ошибок по алгоритму Н.И. Жарких . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Исключение профильных погрешностей . . . . . . . . . . . . . .

162 164

3.3. Общие принципы анализа и разделения магнитных полей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

166

3.3.1. Анализ исходного поля аномалий магнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Характеристика магнитных аномалий различного происхождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Общие принципы разделения магнитных аномалий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Выделение локальных аномалий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

166 169 172 177

3.4.1. Разделение локальных и региональных аномалий методом усреднения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2. Метод вариаций магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3. Выделение локальных аномалий исключением наиболее вероятного уровня регионального фона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4. Исключение регионального фона второго порядка . . . . . . . 3.4.5. Выделение локальных аномалий исключением тренда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6. Выделение локальных аномалий на основе аналитического продолжения в верхнее полупространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.7. Разделение региональных и локальных аномалий методами фильтрации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.8. Экстраполяции исходных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.9. Сравнительная характеристика методов выделения локальных магнитных аномалий. . . . . . . . . . .

184

3.5. Фильтрация случайных помех. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

194

3.6. Статистические и корреляционные методы выделения аномалий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

197

3.6.1. Метод обратных вероятностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Метод взаимной корреляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3. Статистические методы анализа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

197 199 200

-5-

177 179 181 183

185 185 188 189

3.7. Градиенты магнитной индукции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

202

3.8. Оценка намагниченности источников магнитных аномалий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

206

3.9. Выделение наиболее перспективных аномалий по комплексу признаков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 3.9.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9.2. Статистическое моделирование по эвристическому алгоритму А. Никитина . . . . . . . . . . . . . 3.9.3. Создание композитных файлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9.4. Оценка достоверности комплексных магнитных аномалий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

210 211

3.10. Пример обработки экспериментальных данных. . . . . . . . . . . . .

214

3.11. Компьютерная технология обработки магнитометрических данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

224

3.12. Моделирование археологических объектов по магнитометрическим данным . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

229

3.12.1. Археологическая интерпретация магнитных аномалий как процесс моделирования археологических объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12.2. В поисках оптимального алгоритма Моделирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 4. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИМЕРЫ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

209

213

229 235

246

4.1. Трипольское поселение Коновка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

248

4.2. Памятник трипольской культуры – Майданецкое . . . . . . . . . . . . .

251

4.3. Магнитометрические исследования городища раннеславянского времени Монастырек . . . . . . . . . . .

254

4.4. Магнитометрические исследования гончарных горнов и древнего рва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

270

4.4.1. Поиски и исследования гончарных горнов. . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Картирование древнего рва. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

270 274

4.5. Распознавание магнитных аномалий археологического и техногенного происхождения. . . . . . . . . . . .

281

4.5.1. Техногенные объекты линейной формы. . . . . . . . . . . . . . . . 282 4.5.2. Объекты изометрической формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 4.5.3. Основные приемы распознавания Археологических и техногенных объектов. . . . . . . . . . . . . 296 -6-

Глава 5. О ДАЛЬНЕЙШЕМ РАЗВИТИИ МЕТОДА МАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ

302

5.1. Область применения магнитометрического метода археологических исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

302

5.2. Перспективы развития магниторазведки и ее применения в археологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

305

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

310

Приложения (Рецензии) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

314

-7-

_________________________________________________________________

ВВЕДЕНИЕ Естественнонаучные методы археологических исследований Археология долгое время была чисто гуманитарной, описательной наукой. Однако, начиная с середины прошлого столетия, все шире стали применяться естественнонаучные методы археологических исследований. Они заимствованы из многих естественных и технических наук – от физики и химии до ботаники и зоологии – и адаптированы применительно к решению археологических задач. Кто-то из любителей изобретать новые термины объединил все эти методы исследований (а их число уже около четырех десятков) под единым названием – археометрические. С этим определением можно было бы согласиться (на две буквы все-таки короче чем «естественнонаучные»), если бы оно отвечало требованиям научного термина. В действительности археометрия – не наука, и «археометрическими» можно назвать разве что те из методов археологических исследований, которые связаны с проведением различного рода измерений. К группе археометрических еще можно было бы отнести спектральный, металлографический и другие методы анализа, радиоизотопный метод датирования археологических памятников и т.п., но никак не палеоботанические, зоологические и множество других методов исследований, не связанных прямо с процессами измерений. Процесс внедрения естественнонаучных методов в практику археологических исследований свидетельствует не о зарождении новой науки – археометрии, но лишь о том, что на данном этапе исторического развития происходит интеграция археологии с другими науками. Еще не наступило время дифференциации единой археологической науки, когда какие-то ее ветви начнут отпочкование и формирование в виде самостоятельных (или вспомогательных) наук археологической ориентации (подобно тому, как из единой, в прошлом, геологии, выделились геофизика, геохимия, геоморфология и проч.). Но даже когда это время наступит, вряд ли можно ожидать, что какая-то из отделившихся от археологии наук получила бы название «археометрии», учитывая множество и разнородность компонентов, включаемых в это понятие. Скорее можно ожидать дифференциацию археологии не по признаку используемых средств исследований, а по древним культурам. Подобное расслоение археологов в зависимости от их специализации наметилось уже в наши дни, и специалисты, скажем, по Триполью, не всегда понимают «древних русских». Учитывая все сказанное, в процессе изложения материала мы будем называть группу методов естественных наук – естественнонаучными, избегая употребления иных сомнительных определений. Многие из естественнонаучных методов привнесли в чисто гуманитарную ранее археологическую науку возможность на основе измерений или эталонных сравнений получать количественные оценки тех или иных пара-8-

метров, свойств, показателей, разнообразных характеристик исследуемых археологических объектов. Это могут быть определения химического состава, физических и иных свойств предметов и материалов из памятников далекого прошлого, оценка их абсолютного возраста, исследования технологии древних производств, состояния окружающей природной среды и оценки множества других особенностей и характеристик древних культур. Такие количественные оценки основаны на результатах измерений, анализов или иных исследований, выполненных с определенной точностью. Тем самым начался и продолжается переход археологии из категории наук описательных в науку точную, насколько это позволяет специфика археологических данных и достижения естественных и технических наук. Благодаря широкому использованию естественнонаучных методов исследований археологическая наука обеспечила себе достойное настоящее и обнадеживающее будущее. Одним из естественнонаучных методов археологических исследований есть магнитная разведка археологических объектов и памятников. Изложению основ этого метода археологических исследований и посвящена данная книга. Магнитометрический метод археологических исследований Исследования археологических объектов методами магнитных измерений на основе использования магнитного поля Земли были в самом начале нацелены в двух направлениях. Одно из них утвердилось как магнитометрический метод археологических исследований. Он заключается в проведении измерений магнитной индукции Земли в регулярно расположенных на местности точках с целью выявления перекрытых наносами намагниченных археологических объектов, их картирования и детального изучения. Дальнейшее развитие другого направления применения магнитных измерений в археологии привело к зарождению и формированию археомагнитного метода исследований. По данным измерений магнитных характеристик образцов пород и материалов, специально отобранных в некоторых точках археологических объектов, этим методом решаются задачи археологического датирования. Таким образом, он принципиально отличен от магнитной разведки археологических памятников как по целям и методам исследований, так и по качественному составу и объему получаемой археологической информации. Сосуществование обоих методов вносит определенную неоднозначность и путаницу в понятиях и терминологии. Во избежание этого будем употреблять термины «магнитометрическая» или «магнитная съемка», «магнитная разведка» (но не «археомагнитная», что ассоциируется с названием совсем другого метода). По той же причине будем использовать выражения: «магнитометрическая информация», «магниторазведочные исследования», «магнитометрический метод» (поскольку «магнитный метод» археологических исследований уже получил общепринятое название «археомагнитного»). За прошедшие полвека магнитная разведка археологических памятников на многочисленных примерах доказала свои высокие разрешающие способности в решении разнообразных археологических задач. Высокая археологи-9-

ческая информативность магнитной разведки дает достаточно оснований для ее полноправного участия в комплексе археологических исследований древних культур. Быть или на быть ..? Несмотря на впечатляющие результаты археологических исследований магнитометрическим методом, нельзя сказать, что он нашел себе широкое применение при изучении археологических объектов и памятников. Он занимает едва ли не последнее место в широком комплексе археологических исследований методами естественных наук. И вовсе не потому, что уступает им по степени археологической информативности или превосходит непомерными расходами на проведение исследований. В этом отношении все, как раз, наоборот – магнитная разведка известна как метод изучения археологических объектов, способный дать весьма ценную, часто – уникальную археологическую информацию, недоступную другим методам исследований, при мизерных затратах на ее проведение. В связи с этим попытаемся проанализировать причины, вследствие которых магнитная разведка не получила ни признания, ни распространения в практике археологических исследований, более того – не находит применения вот уже более десятка лет. 1. Наиболее вероятная причина ограниченного использования магнитометрических исследований в археологической практике кроется, очевидно, в недостаточной информированности специалистов-археологов относительно сущности метода, физико-археологических предпосылок его применения, технологии проведения полевых работ, а также о способах обработки и археологического истолкования магнитометрических данных, а главное – о возможностях магнитной разведки. Есть надежда, что публикация предлагаемой книги положит начало восполнению информации о магнитной разведке археологического назначения. В помощь тем, кто намерен освоить основные положения магниторазведки и успешно применять этот метод в практике своих археологических исследований, и написана эта книга. 2. В качестве другой возможной причины отрицательного отношения археологов к вопросам внедрения магниторазведки можно предположить существовавшую до недавнего времени некоторую недоработку метода, в частности, несовершенство средств, методов и приемов обработки и археологической интерпретации магнитометрических данных. Этот недостаток был в значительной мере устранен. В течение последних 10 лет существенно усовершенствована технология полевых магниторазведочных работ, основанная на современной аппаратурной базе. Практически с нуля разработана система комплексной компьютерной обработки магнитометрической информации и методика археологической интерпретации магниторазведочных материалов. Доработка и совершенствование технологии магнитных съемок археологического назначения, разработка приемов и методов обработки и археологической интерпретации магниторазведочных данных, апробирование магнитометрического метода исследований на нескольких десятках памятников древних культур выполнены в НИИ памятникоохранных исследований Министерства культуры Украины в процессе тематических исследований в направлении разработки неразрушаю- 10 -

щих методов поисков и разведки археологических памятников. Работы этого направления выполнены, в основном, автором данной книги. Автор далек от мысли присвоить одному себе заслугу создания данной книги. Она лишь творческая доработка того, что было известно ранее. Теоретические основы магнитной разведки разработаны более полувека назад выдающимися учеными и остались незыблемы. Заслуга формирования начальных положений методики магнитной съемки археологических памятников и выработки общих подходов к археологической интерпретации магнитных аномалий принадлежит В.П. Дудкину, Г.Ф. Загнию и О.М. Русакову, которые провели первые магнитометрические исследования древних поселений еще в 60-х гг. прошлого века. К сожалению, в последующие десятилетия эта технология магниторазведочных работ не претерпела существенных изменений и представляла собой неоправданно упрощенную копию технологии магнитометрических исследований в геологоразведке, с нарушением некоторых важных положений методики, что не могло обеспечить достаточно высокого качества получаемых материалов. Состояние разработки магнитометрического метода исследований применительно к решению геологоразведочных задач достигло высокого уровня. Метод имеет надежную физическую и математическую теоретическую базу, стандартизованную технологию полевых работ, регламентированную Инструкцией по магниторазведке 27, и разветвленную систему приемов и способов обработки и геологической интерпретации магнитометрических данных, описанную в Справочнике геофизика 39 и множестве других литературных источников. Но археологические и геологические объекты поисков принципиально отличаются формой, размерами, глубиной залегания и другими характеристиками. Поэтому формальное применение «геологоразведочного» варианта магнитометрии в археологии бесперспективно – потребовалась глубокая адаптация метода, учитывающая специфику целей и условий археологических исследований, поиск новых решений и подходов, отбор и апробирование приемов и методов полевых и камеральных магниторазведочных работ, наиболее эффективных в новых условиях применения. В предлагаемой книге изложен модернизированный вариант магнитной разведки археологических памятников, разработанный на основании опыта предшествовавших исследований (как положительного, так и отрицательного), достижений магнитной разведки геологического назначения и использования современной аппаратурной базы и компьютерной техники. Нельзя сказать, что разработка метода магнитной разведки применительно к археологии, предпринятая в последние годы, доведена до совершенства. Но можно утверждать, что она доведена до того состояния, которое обеспечивает применение магнитометрии в практике археологических поисков и разведки с не меньшим успехом, чем в геологоразведке, где магнитометрические исследования нашли весьма широкое распространение. 3. Одной из возможных причин неприятия магнитной разведки в археологии может быть необоснованное представление о невысоких разрешающих способностях метода. В ответ на это можно возразить, что магнитная разведка применима для выявления объектов ∗ любой формы и любой культурной ∗

Содержание понятий «объект» и «памятник» (в магниторазведочном смысле) изложено в главе 1 (раздел 1.2).

- 11 -

принадлежности, если только магнитные свойства материалов этих объектов заметно отличаются от магнитных характеристик вмещающей их среды, а это практически всегда имеет место, как это показано в предлагаемой книге. В частности, это условие практически всегда соблюдается для таких объектов, как древние жилища. Их остатки обычно содержат обожженные глины, использованные для сооружения печей, очагов, обмазки стен и перекрытий сгоревших впоследствии домов и т.п. Под действием высоких температур глины приобретают высокую термоостаточную намагниченность, вследствие чего над остатками жилищ фиксируются локальные магнитные аномалий достаточно высокой интенсивности. О высокой эффективности и археологической информативности свидетельствует и опыт магниторазведочных исследований прошлых лет. Это было доказано уже первыми магнитными съемками археологических памятников, проведенными в Украине еще в 60-х гг. В.П. Дудкиным (1966 г.), Г.Ф. Загнием и О.М. Русаковым (1967 г.). В 70-х гг. магниторазведочные исследования были продолжены. К числу наиболее выдающихся достижений магнитной разведки тех лет следует отнести результаты исследований под руководством В.П. Дудкина крупнейших поселений трипольский культуры в Черкасской области – «протогородов» Майданецкое (площадь съемки 180 га) и Тальянки (230 га). Всего магнитной съемкой изучено более четырех десятков древних поселений. На 30 из них исследования проведены под руководством В.П. Дудкина на Поднестровье (в Молдове), Буго-Днепровском междуречье и Среднем Поднепровье. К настоящему времени есть положительный опыт магнитометрических исследований не только поселений трипольской культуры, но и раннеславянского и доскифского времени (городище Монастырек, поселение Суботов – см. главу 4). Достоверность выделения искомых археологических объектов по магнитометрическим данным доказана многочисленными раскопками. По итогам проведенных автором исследований и апробирования полученных результатов есть все основания констатировать, что магнитная разведка есть, в сущности, единственный и безальтернативный метод неразрушающих археологических исследований. По данным высокоточной магнитной съемки представляется возможным определять точное местоположение и примерные контуры искомых археологических объектов практически без раскопок (с которыми, именно, и связаны необратимые разрушения исследуемых памятников). Таким образом, предположение о низкой разрешающей способности магнитной разведки в решении археологических задач не имеет под собой никаких оснований. 4. Продолжая разбор затронутого вопроса, отметим, что археологическая эффективность магнитной разведки памятников древних культур в значительной мере определяется тем, используется ли этот метод как «кладоискательский» (как средство простого обнаружения искомого объекта с целью принятия решения, где копать) или для изучения древнего памятника в целом, как множества составляющих его объектов. В «кладоискательском» варианте магниторазведку используют не только кладоискатели, но и изыскатели техногенных объектов или искатели захороненных в земле танков и другой военной техники для сдачи обнаруженного металла в металлолом. В таком аспекте - 12 -

исследований магнитная разведка использовалась и в археологи полвека назад, на заре своего формирования и становления. Вряд ли стоит доказывать несомненную пользу решения такой частной археологической задачи, как поиски отдельных объектов для раскопок. Но наши исследования убедительно показывают, что наибольший прирост археологической информации может быть получен при проведении магнитной разведки всего древнего памятника (поселения). Информация обо всех постройках на территории памятника и общем плане застройки поселения – уникальна. Она не может быть получена никаким другим методом, разве что посредством 100% раскопок всего поселения (и тем самым, – полного разрушения памятника). Но главное – это получение принципиально новой археологической информации не об отдельном жилище, а обо всем древнем поселении. На основании плана поселения, воссозданного по данным магнитной разведки, можно не только установить местоположение множества существовавших там построек и сооружений, но и составить представление об архитектуре памятника в целом, обоснованно оценить назначение отдельных строений. Можно подсчитать общее число построек, оценить численность населявших их жителей и решить множество других важных вопросов, включая оценку достижений строительного искусства и общего уровня культуры исследуемой цивилизации. Таким образом, использование магнитной съемки с целью поисков отдельного объекта для раскопок не исключено, но главная область применения магнитной разведки – это исследования памятника в целом. Именно в этом случае будет получен максимальный прирост археологической информации. Ясно, что площадь съемки памятника должна существенно превосходить площадь планируемых раскопок отдельного объекта (или 2–3 таких объектов). Эта работа сопряжена, конечно, с более высокими расходами сравнительно с поисками отдельного интересующего объекта, но она не будет потрачена впустую. Ведущий раскопки ничего не потеряет, а только приобретет, имея по данным магнитной съемки план всего поселения, что позволит ему и выбрать наиболее интересный объект исследований, и оценить плоды раскопок объекта, и вернуться в последующие годы к продолжению раскопок других интересующих его объектов (на этот раз без проведения новых магнитометрических исследований). Получение сведений о масштабах поселения, его структурном плане и главных демографических характеристиках, безусловно стоит того, чтобы небольшую часть ассигнований, добытых для проведения археологических раскопок, выделить на выполнение опережающих магнитометрических исследований памятника. Множество примеров, свидетельствующих в пользу именно такого широкого применения магнитной разведки при исследованиях археологических памятников, рассматривается в другой книге автора 34. Она посвящена результатам магнитной разведки трех десятков поселений трипольской культуры. 5. Вряд ли стоит считать нормальным тот факт, что основы магниторазведки археологического назначения, возможности метода, технология проведения полевых работ, методы обработки полученных данных и методика их археологического истолкования известны только узкому кругу лиц, в - 13 -

основном – геофизикам, в то время как археологи – главные «потребители» магнитной разведки – знают обо всем этом лишь понаслышке. Такая «монополия» может быть не главной, но существенной причиной торможения процесса внедрения магнитной разведки в археологии, и для пользы дела должна быть разрушена. Одним из средств такого разрушения может стать издание данной книги. Публикация сведений о магнитной разведке археологических памятников обеспечивает доступность этой информации для широкого круга специалистов (археологов, геофизиков) и создает благоприятные условия, для того чтобы любой из них мог без проблем овладеть основами магнитной разведки и успешно использовать этот метод в процессе своих исследований. Это, можно сказать, одна из главных целей автора работы. Широкое применение магнитометрии в практике археологических исследований неизбежно, так что издание предлагаемой книги с полным изложением основ магнитометрического метода археологических поисков и разведки древних памятников представляется и полезным и актуальным. Зачинатель магнитной разведки в Украине В.П. Дудкин, возглавлявший названный выше Институт памятникоохранных исследований, в связи высокой административной загруженностью не смог, к сожалению, принять непосредственного участия в дальнейшей разработке магнитометрического метода археологической разведки, ограничившись инициализацией и поддержкой научно-методических исследований данного направления. Промежуточные результаты этих исследований опубликованы в ряде статей 15–20. Автор выражает глубокую благодарность В.П. Дудкину как за оказанную поддержку в процессе исследований, так и за предоставление архивных полевых материалов о магнитных съемках прошлых лет. В процессе разработки магнитометрического метода и подготовки материалов для данной книги были использованы, с любезного разрешения А.П. Кутовой, результаты проведенных нею интересных исследований физико-археологических моделей характерных объектов трипольских поселений, за что автор книги выражает ей свою искреннюю признательность и благодарность. Неоценимую помощь в обработке исходных магнитометрических данных оказал Н.И. Жарких. Он разработал алгоритм и программу уравнивания системы планшетов съемки и их объединения в единый массив 17. Без этого часть первичных материалов магнитных съемок прошлых лет была бы непригодной для дальнейшей обработки из-за их низкого качества (что вполне понятно ввиду недоработок технологии и использования магнитометров, уступавших по качеству современным). Таким образом, представленную книгу можно считать результатом труда целого коллектива авторов. Представляя читателям эту книгу (как и последующую 34, упомянутую ранее), автор полагает, что сделал все, от него зависящее, для того чтобы специалисты-археологи сделали правильный выбор, решая вопрос: «Быть или не быть магнитной разведке в археологии?».

- 14 -

_________________________________________________________________

Глава 1 ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Ранняя история человечества изобилует множеством различных эпох, культур, давно ушедших в прошлое цивилизаций. Древние памятники культуры разных времен и народов в чем-то значимо отличны, в некоторых отношениях – подобны друг другу, но, как правило, с археологической точки зрения всегда неповторимы. При изучении археологических памятников мы сталкиваемся с таким разнообразием объектов, что создать более или менее стройную их классификацию можно лишь с достаточной степенью приближения. И в то же время имеется одно общее свойство, присущее практически всем археологическим памятникам. Это свойство – повышенные, как правило, магнитные характеристики материалов, слагающих скрытые в земле археологические объекты самых различных типов и назначения. Именно эта особенность позволяет для их поисков успешно использовать магнитометрический метод исследований. Что общего могут иметь магнитометрия и археология со свойственным ей многообразием объектов исследований? Что измеряют магнитометристы и как по результатам этих измерений можно обнаружить скрытые под слоем наносов разнообразные археологические объекты, в то время как даже их классификация вызывает затруднения? Множество подобных вопросов можно сформулировать в общем виде: на чем основано применение магнитометрии в археологии? Освещению этого вопроса и посвящена данная глава. Учитывая практическую направленность данной книги, изложение теории метода приводится максимально упрощенно, избегая разбора положений, требующих знания высшей математики. Неизбежные при этом упущения легко восполнить, обратившись, при необходимости, к каким-либо иным литературным источникам специального назначения 33,37,39. Полный отказ от разбора теоретических основ магнитометрического метода исследований существенно затруднил бы восприятие остального материала. Без ознакомления с теорией невозможно добиться полного и ясного понимания целей, задач и возможностей метода, способов обработки и археологического истолкования магнитометрической информации. Поэтому разумным компромиссом будет хотя бы общее ознакомление с основными положениями теории метода в объеме, минимально необходимом для понимания физического аспекта проблемы. Физико-археологическое обоснование магнитометрических исследований базируется на трех составляющих: – теоретические положения метода; - 15 -

– описание характерных особенностей археологических памятников как объектов магнитометрических исследований; – количественные оценки, которые основаны на анализе магнитных свойств искомых археологических объектов. И только по совокупности всех трех компонентов может быть сделан окончательный вывод относительно степени обоснованности применения данного метода исследований, ожидаемого уровня его археологической информативности и эффективности. Важным обобщением всех названных компонентов физико-археологического обоснования магнитометрических исследований является формирование представления о физико-археологических моделях, которое широко используется на всех стадиях работ – от проектирования до археологического истолкования магнитометрических данных. Все это, в конечном итоге, и определяет последовательность изложения материала данной главы. Обоснование магнитометрического метода археологических исследований было бы не полным без сравнения с возможностями других методов геофизической разведки и анализа перспектив их комплексирования. Эти аспекты обоснования рассматриваются в двух заключительных разделах главы. Существенно отметить исключительную важность объективной и надежной оценки наличия благоприятных условий для проведения магнитной разведки археологических объектов и памятников. От этого непосредственно зависят и выбор оптимальных технических характеристик проектируемой магнитной съемки и качество материалов, которые будут получены в результате ее проведения. Ошибочное решение вопроса относительно благоприятных условий для постановки магнитометрических исследований может привести к нежелательным последствиям, начиная от невозможности достижения всех поставленных целей и вплоть до частичной или полной дискредитации магниторазведки как эффективного метода исследований некоторых типов археологических объектов при определенных условиях их существования.

- 16 -

1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТОРАЗВЕДКИ 1.1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Земля как планета обладает собственным магнитным полем. Не касаясь вопросов теории и происхождения геомагнитного поля, отметим только необходимые общие сведения. В первом приближении магнитное поле Земли представляет собой поле диполя или однородно намагниченного шара. Всякое отклонение от поля диполя можно считать магнитной аномалией. Наиболее крупные из них, связанные с глобальными неоднородностями земной коры и соизмеримые по размерам с площадью континентов, называются материковыми аномалиями. Обычно они не являются объектами поисков. Поэтому в качестве нормального магнитного поля принимают сумму поля диполя и материковых аномалий. Отклонения значений магнитного поля, измеренных на местности, от такого нормального поля представляют собой аномалии в магниторазведочном смысле. Такие аномалии создают любые намагниченные объекты. Их собственное магнитное поле воздействует на измерительный прибор и фиксируется магнитометром совместно с нормальным полем Земли. Энергетической характеристикой поля является магнитный потенциал, который измеряется величиной работы, затрачиваемой на перемещение единичного магнитного полюса из бесконечности в данную точку пространства. Теория потенциала хорошо разработана математически и широко используется в теоретических разделах различных геофизических методов (магниторазведки, гравитационной разведки, электроразведки). Однако измерение магнитного потенциала представляет определенные трудности и при магнитометрических исследованиях не практикуется. В любой точке земной поверхности магнитное поле может быть количественно охарактеризовано величиной напряженности (Т). Это силовая характеристика поля, более удобная для измерения. Она характеризует величину и направление сил, действующих на полюсы намагниченных тел, и сравнительно просто связана с магнитным потенциалом. Напряженность магнитного поля представляет собой первую производную магнитного потенциала и определяется разностью потенциалов в соседних точках, удаленных одна от другой на единицу расстояния в данном направлении. В системе СГС напряженность магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), миллиэрстедах (мЭ) или гаммах (1 гамма=10-5 Э); в системе СИ – в единицах ампер/метр (А/м). Вектор напряженности магнитного поля Земли в северном полушарии во всех точках земной поверхности ориентирован в плоскости магнитного меридиана наклонно вниз под углом к горизонту, который называют углом наклонения I. Угол между плоскостями магнитного и географического меридианов, называется углом склонения D. Пространственное положение вектора напряженности может быть определено либо углами его склонения и наклонения, либо составляющими вектора по осям координат x, y и z , соответственно – X, Y и Z (ось x направлена на север, y – на восток, z – вертикально вниз). В 50-80 гг. выпускались магнитометры, позволяющие проводить только относительные измерения вертикальной составляющей вектора напряжен- 17 -

ности геомагнитного поля – оптико-механические ΔZ-магнитометры. Феррозондовые трехкомпонентные магнитометры позволяли определять все три составляющие вектора напряженности по осям координат (X, Y и Z), но они не получили широкого распространения. Поиски и исследования археологических памятников в этот период времени осуществлялись по аномалиям Zсоставляющей вектора напряженности магнитного поля Земли.

1.1.2. МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕЩЕСТВА Любое намагниченное тело, находящееся в земле, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Его можно охарактеризовать величиной напряженности, однако более общей характеристикой следует считать магнитную индукцию. Измеренная величина магнитной индукции В определяется напряженностью внешнего магнитного поля T и интенсивностью собственной намагниченности тела J:

B = μ 0T + μ 0 J ,

(1.1)

где μ o = 4π 10 −7 н ⋅ А−2 – магнитная постоянная ∗. Напряженность магнитного поля T определяет тот вклад, который дают внешние источники, главным образом – магнитное поле Земли. Намагниченность тела определяется его магнитными свойствами. Любая частица вещества обладает некоторым магнитным моментом. Если вещество не намагничено, отдельные магнитные моменты составляющих его частиц ориентированы хаотично и суммарный магнитный момент тела равен нулю. Процесс намагничивания вещества можно себе представить как приобретение согласованной ориентировки магнитных моментов отдельных его частиц, в результате чего суммарный магнитный момент тела становится отличным от нуля. Количественно намагниченность вещества (J) определяется величиной магнитного момента (P) единицы объема вещества:

J = P /V .

(1.2)

Намагниченность материалов происходит под воздействием внешнего магнитного поля, в нашем случае – магнитного поля Земли. При этом интенсивность намагниченности пропорциональна напряженности намагничивающего поля:

J = κT.

(1.3)

Коэффициент пропорциональности κ (каппа) называется магнитной восприимчивостью и характеризует свойство вещества приобретать собственную намагниченность под воздействием внешнего поля. Различные вещества в ∗ Здесь и далее соотношения, определяющие магнитные характеристики, приводятся для упрощения в скалярной форме.

- 18 -

зависимости от их магнитной восприимчивости могут быть диамагнетиками ( κ <0), парамагнетиками ( κ >0) или ферромагнетиками ( κ >>0). Материалы объектов археологического и техногенного происхождения, так же как и горные породы, представляющие для этих объектов вмещающую среду, содержат компоненты, обладающие различными магнитными свойствами. Среди них могут быть как диамагнетики (минералы: кварц, кальцит, гипс и другие; металлы – Cu, Zn, Au; неметаллы – Si, S), так и парамагнетики (слюды, полевые шпаты, хлорит, пирит и другие минералы; металлы – Ca, Mn, Ni, Pt) и ферромагнетики (железо, сталь, окиси железа и титана – магнетит и титаномагнетит, некоторые разновидности гематита, маггемит и другие минералы). Диамагнетики и парамагнетики намагничиваются прямо пропорционально напряженности внешнего магнитного поля в соответствии с соотношением (1.3). Такую намагниченность называют индуктивной (Ji). При этом парамагнетики намагничиваются в направлении намагничивающего поля, а диамагнетики приобретают весьма слабую намагниченность обратной ориентировки. Закон намагничивания ферромагнетиков более сложный. Процесс намагничивания происходит не линейно, а в соответствии с так называемой «петлей гистерезиса». При некотором значении напряженности поля Т намагниченность ферромагнетика достигает насыщения (Js). Если после этого уменьшить намагничивающее поле до нуля, ферромагнетик сохранит некоторую величину остаточной намагниченности (Jr). Замечательное свойство ферромагнетиков состоит в том, что остаточная намагниченность может во много раз превосходить величину индуктивной намагниченности современным магнитным полем Земли. Другое важное отличие ферромагнетиков связано с тем, что с повышением температуры их магнитная восприимчивость значительно возрастает. По достижении некоторой критической температуры (точки Кюри) магнитная восприимчивость резко падает до нуля. Однако если те или иные минералы и материалы археологических объектов в прошлом нагревались до высокой температуры, близкой температуре Кюри, а затем охлаждались до нормальной температуры, то, будучи ферромагнетиками (или становясь таковыми при сильном нагревании), они могли сохранить весьма высокую термоостаточную намагниченность. В частности, именно этим свойством обладают обожженные глины, почвы, в некоторых случаях – обожженный каменный материал или остатки сооружений из кирпича-сырца. Это создает благоприятные условия применения магнитометрии в археологии. Такими же свойствами обладают и многие сорта современного кирпича, и, естественно, металлические изделия и конструкции техногенных объектов. Таким образом, любое намагниченное тело, в состав которого входят ферромагнетики может обладать как индуктивной, так и остаточной намагниченностью. В таком случае суммарная намагниченность тела представляет собой векторную сумму намагниченностей того и другого происхождения:

r r r J = Ji + Jr .

- 19 -

(1.4)

Для оценки этой особенности вещества, кроме намагниченности и магнитной восприимчивости, иногда используется еще одна характеристика – фактор Q, которая оценивает отношение остаточной и индуктивной намагниченности: Q = J r J i Величина намагниченности измеряется в единицах СИ, которые выражаются в А/м. Для удобства обращения с магнитными характеристиками вещества часто употребляют долевые единицы измерения вида 10–n ед. СИ (обычно 10–3 СИ или 10–6 СИ). Магнитная восприимчивость измеряется в ед. СИ, 10–n СИ или, для упрощения соотношений с применявшейся ранее системой единиц СГС, – в единицах 4π 10 − n СИ . Часто встречающиеся в литературе сведения о намагниченности и магнитной восприимчивости, выраженные в системе единиц СГС, приводятся к единицам СИ соотношениями: 1 СГС J =103 CИ J и 1 СГСκ= 4π СИκ. В данной работе для удобства сопоставления данных намагниченность везде, по возможности, указывается в единицах 10-3 СИ, а магнитная восприимчивость – в единицах 4π СИ.

1.1.3. АНОМАЛИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Магнитная индукция, как видно из приведенной выше формулы (1.1), представляет собой сумму внешнего (намагничивающего) поля и поля собственной намагниченности исследуемых объектов. По сравнению с напряженностью магнитная индукция является более общей характеристикой магнитного поля и в связи с этим кажется более трудной для восприятия. Можно попытаться выяснить смысл этой характеристики поля на основе какого-либо из ее определений. Рассмотрим, для примера, одно из них: магнитная индукция – это магнитный поток, проходящий через единицу площади в перпендикулярном к ней направлении. Но возникает новый вопрос – что такое «магнитный поток»? Ответ на этот вопрос порождает новые вопросы. Так что, по-видимому, такой путь объяснения не самый короткий. Другие определения индукции магнитного поля не лучше этого. Между тем, магнитная индукция представляет собой не что иное, как силовую характеристику магнитного поля, подобную напряженности. В этом легко убедиться путем несложных преобразований приведенных выше формул. Если в соотношении (1.1) заменить интенсивность намагниченности J через напряженность поля Т в соответствии с формулой (1.3), получим:

B = μ 0 T (1 + κ ) . Введем также обозначение: μ = 1 + κ и получим окончательно:

B = μ 0 μT ,

(1.5)

где μ 0 – магнитная постоянная, которая представляет собой магнитную проницаемость физического вакуума; размерность и численное значение μ 0 зависят от системы единиц измерения и не зависит от среды (в СИ - 20 -

μ 0 = 4π10 −7 н ⋅ А −2 );

μ – относительная магнитная проницаемость среды, в которой производится измерение магнитной индукции. В вакууме, магнитная восприимчивость которого κ =0, магнитная проницаемость μ = 1 + κ = 1 и магнитная индукция B0 = μ 0 T . В любой другой среде, магнитная восприимчивость которой отлична от нуля, μ > 1 , и магнитная индукция определяется по формуле B = μ 0 μT . Отсюда легко установить смысл относительной магнитной проницаемости:

μ = B / B0 . Как видно из полученного соотношения, относительная магнитная проницаемость характеризует магнитное влияние среды, показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде превышает магнитную индукцию в вакууме. Таким образом, из двух рассмотренных характеристик магнитного поля – напряженности и магнитной индукции – основной, более общей является магнитная индукция. Именно она воздействует на измерительный прибор при проведении магнитной съемки. Однако сам прибор помещается обычно в немагнитной среде (воздух), магнитная восприимчивость которой κ ≈ 0. Поэтому в данном случае магнитная проницаемость μ ≈ 1 и B = μ 0 T . Это означает, что магнитная индукция, как и напряженность, есть силовая характеристика магнитного поля, только выраженная в других единицах. Соотношение единиц измерений напряженности и магнитной индукции определяется магнитной постоянной μ 0 . В качестве единицы измерения магнитной индукция принят вебер на квадратный метр (Вб/м2), который получил название тесла (Т). Это очень большая величина, поэтому в практике магнитометрических измерений используется долевая единица – нанотесла (нТ); 1 нТ=10-9 Т. Для выражения напряженности в единицах магнитной индукции (и наоборот) можно воспользоваться соотношением: 1 А/м численно равен 4π⋅10-7 тесла. Это, конечно, не очень удобно, зато соотношение долевой единицы магнитной индукции и широко применявшейся ранее единицы измерения напряженности поля выглядит потрясающе просто: 1 нТ численно равна 1 гамме (т.е. 10-5 Э). Магнитная индукция, как силовая характеристика магнитного поля, представляет собой вектор, в большинстве случаев совпадающий с направлением вектора напряженности поля. Она характеризует силы, действующие на полюсы намагниченных тел, движущиеся электрические заряды и проводники с током. Магнитная индукция описывает магнитное поле Земли, так же как и напряженность, а положение вектора индукции в пространстве определяется все теми же углами склонения и наклонения, что и для указания пространственного положения вектора напряженности поля. Современные протонные или квантовые магнитометры, широко применяемые в практике магнитометрических исследований археологических памятников, предназначены для измерения величины (модуля) магнитной индукции. Измеренное в любой точке земной поверхности поле магнитной индукции можно представить как сумму нескольких составляющих:

Bнабл = Bно р м + Bгеол + Bа р х + ΔBва р , - 21 -

(1.6)

где Bно р м – нормальное магнитное поле Земли; Bгеол – влияние намагниченных геомагнитным полем геологических объектов земной коры; Bа р х – магнитные аномалии, создаваемые локальными объектами археологического (или техногенного) происхождения, которые под воздействием внешних источников поля приобретают собственную намагниченность; Bпомех – аномалии-помехи случайного характера; ΔBва р – вариации магнитного поля Земли, вызванные изменением радиационной активности Солнца. Если влияние внешних источников магнитного поля исключить (а именно это и является главной целью последующей обработки магнитометрических наблюдений), то в результате получим аномальный эффект, связанный, главным образом, с локальными намагниченными телами, которые являются объектами археологических поисков и исследований. В заключение отметим, что магнитная индукция и напряженность поля изменяются обратно пропорционально кубу расстояния до источника аномальных магнитных масс. Это весьма важное свойство широко используется как при разбраковке аномалий в процессе полевых работ, так и при проведении различных преобразований магнитного поля с целью подавления аномалий-помех и выделения нужной составляющей наблюденного поля (полезного сигнала).

1.1.4. ГРАДИЕНТЫ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Описание характеристик магнитного поля будет не полным, если не упомянуть о градиентах магнитной индукции. Градиент магнитного поля характеризует изменчивость магнитной индукции (или напряженности поля) в заданном направлении, обычно – по горизонтали или вертикали. Изменчивость магнитной индукции по горизонтали представляет собой горизонтальный градиент, а в вертикальном направлении – вертикальный. Количественно градиент характеризуется скоростью изменения индукции магнитного поля по данному направлению, т.е. величиной изменения магнитной индукции на каждую единицу расстояния по направлению x (по горизонтали, обычно – по линии профиля) или z (по вертикали). Математически градиент представляет собой первую производную магнитной индукции:

ΔB ∂ B = , Δx = 0 Δx ∂x ΔB ∂ B Bz = lim = . Δz = 0 Δz ∂z B x = lim

(1.7)

С точностью, достаточной для практических нужд, градиенты магнитного поля могут быть вычислены приближенно по формулам:

B x = ΔB Δx , Bz = ΔB Δz , - 22 -

(1.8)

где ΔB – изменение магнитной индукции на отрезке Δx по горизонтали или Δz – по вертикали. Для получения удовлетворительной точности результатов достаточно, если для Δz (или Δx) соблюдается условие: Δz ≤ h/5, где h – расстояние до источника магнитной аномалии. Приближенные оценки градиентов возможны и при более высоких значениях Δz (или Δx) относительно h. В качестве единицы измерения градиентов магнитной индукции принята 1 нанотесла/метр (нТ/м). Аномалии вертикального градиента магнитной индукции в большинстве случаев не требуют дальнейших преобразований и используются непосредственно при археологическом истолковании магнитометрических данных наряду с аномалиями магнитной индукции и результатами их трансформаций. В отличие от аномалий магнитной индукции градиенты лучше отражают «тонкую структуру» сложных аномалий. И это вполне понятно, если учесть, что градиент характеризует скорость изменения магнитной индукции в заданном направлении, а она, в свою очередь, – скорость изменения магнитного потенциала. Таким образом, градиент отмечает более высокую степень изменчивости потенциала, образно говоря – его «ускорение» (если опереться на понятия из области механики). Главная особенность градиентов состоит в том, что их величина убывает пропорционально четвертой степени расстояния до источника магнитной аномалии, в то время как значения магнитной индукции изменяется значительно медленнее – обратно пропорционально кубу этого расстояния. Так, удаление от источника аномалии в два раза приводит к уменьшению аномалии градиента в 16 раз, а магнитной индукции – только в 8 раз. Это свойство градиентов используется как в процессе проведения магнитных съемок (для отбраковки аномалий-помех, связанных с приповерхностными магнитными неоднородностями), так и при дальнейшей обработке результатов магнитометрических наблюдений с целью исключения регионального поля, выделения локальных аномалий и представления их в контрастной форме. Некоторые из этих приложений теории градиентов магнитной индукции рассмотрены ниже в главах, посвященных методике полевых исследований и камеральной обработке магнитометрических данных.

- 23 -

1.2. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ КАК ОБЪЕКТОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Перед началом изложения определимся, какой смысл мы будем вкладывать в некоторые часто употребляемые термины. В частности, понятие «объект» в археологической практике трактуется уж слишком широко. Объектом археологических исследований могут быть и обломок старинной керамики, отдельное орудие труда, и доисторическое жилище, поселение, состоящее из множества таких жилищ, а подчас и древняя культура в целом. Почти такое же широкий смысл имеет и термин «памятник», который стал почти синонимом понятия «объект». Неопределенность толкования этих терминов затрудняет их использование при описании результатов магниторазведочных исследований. Магнитная съемка не предназначена для поисков отдельных обломков керамики или орудия каменного века и других мелких предметов. Точно так же магнитная съемка не может определить и древнее поселение как единое целое, отображаемое одной крупной магнитной аномалией или единой аномальной зоной. Наименьшим (и главным) объектом магнитометрических поисков и исследований являются остатки отдельных старинных зданий или других сооружений, соизмеримых с ними по размерам – землянок, курганов, склепов, других захоронений, больших хозяйственных ям и т.п. Каждому из таких объектов отвечает «единица» магнитометрической информации – локальная магнитная аномалия. Во многих случаях применение магнитной съемки позволяет обнаружить также и некоторые другие сооружения, которые определяются несколько меньшими размерами, чем отдельное здание, – остатки печей, гончарных горнов, рва и т.п. Именно этот «квант» информации – объект ↔ сооружение, мы и будем вкладывать в термин «археологический объект». Тогда «аномальная зона», состоящая из нескольких близко расположенных локальных аномалий, будет отвечать «группе объектов». Поселение древней культуры, определяется как территориально ограниченное сосредоточение отдельных зданий и других сооружений (объектов). Множеству этих объектов будет соответствовать «поле локальных аномалий» археологического происхождения. В отличие от принятого нами толкования понятия «объект», за поселением, городищем, древним городом и другими крупными комплексами локальных объектов сохраним обобщающее название – «памятник». Заметим, что обсуждение терминов «объект» и «памятник» не имеет ничего общего с попыткой изменить устоявшуюся в археологии терминологию. Оно предпринято с единственной целью – показать, какой мы будем вкладывать смысл в эти понятия при дальнейшем изложении материала.

- 24 -

1.2.1. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ПАМЯТНИКОВ На примере археологических объектов и памятников Украины, независимо от их возраста, культурной и этнической принадлежности, можно выделить следующие основные группы: – поселения и городища, – производственные, хозяйственные и оборонительные сооружения и комплексы, – похоронные сооружения и некрополи, – культовые сооружения. В соответствии с этой предельно упрощенной классификацией рассмотрим характерные особенности каждой из названных групп объектов археологических исследований. Однако вначале необходимо хотя бы в кратком изложении осветить вопрос относительно такого феномена человеческой деятельности, как культурный слой. Культурный слой. Общим почти для всех древних памятников есть наличие культурного слоя. Под культурным слоем имеется в виду исторически сформированная система наслоений, которые образовались в результате деятельности людей и их взаимодействия с окружающей природной средой. Культурный слой отличается структурой и составом от окружающего его грунта. Обычно он состоит из двух основных компонентов: остатков древних сооружений и толщ разного строительного и бытового мусора или структурно измененного грунта. Культурный слой всегда с большой тщательностью изучается археологами как важный источник информации о жизнедеятельности людей и истории древних поселений или отдельных объектов. Он может непосредственно выходить на поверхность или бывает перекрыт более поздними современными наслоениями. Мощность культурного слоя колеблется от первых сантиметров до нескольких метров. Так, культурный слой памятников палеолита в среднем имеет мощность от нескольких до первых десятков сантиметров и обычно залегает под значительной толщей естественных отложений (от 1 до 10 м), которые представлены чаще всего глинами, суглинками, лессами. Характерным его признаком есть значительная насыщенность кремневым и костным материалом, иногда – углистыми включениями. По цвету и структуре он не всегда четко отличается от вмещающих пород. Важным признаком позднепалеолитического культурного слоя может служить присутствие в нем остатков древних жилищ, значительными скоплениями костей больших животных: мамонта, шерстистого носорога и большерогого оленя, иногда – рассеянного каменного материала. Размеры жилищ в плане достигают 10–15 м2, остатки жилищ сконцентрированы в прослойке толщиной 0.5 до 1 м на глубине нескольких метров. Культурный слой памятников мезолита и неолита, как правило, маломощный, залегает близко к поверхности и слабо насыщен древними остатками. Отличительным признаком может служить повышенное содержание органических компонентов и фосфатных соединений. Площадь памятников мезолита и неолита, как и палеолита, незначительная, лишь в редких случаях, достигает одного гектара. На стоянках неолита чаще всего встречаются - 25 -

землянки и жилища, которые углублены нижней частью в породы, подстилающие культурный слой. Остатки таких объектов можно рассматривать как постороннее линзовидное включение на границе грунта и подпочвы. В плане они прямоугольные или близкие овалу. Заполнение землянок и углубленных жилищ отличается от окружающего грунта более интенсивной окраской и большим содержанием органики. Глубина залегания незначительна (до 1 м), а нижняя часть, которая углублена в подстилающие породы, редко залегает глубже 0.5–0.8 м. Памятники энеолита довольно разнообразны как по условиям залегания, так и по типу и составу объектов. Диапазон отличий достаточно широкий – от небольших поселений раннеямной культуры до гигантских «протогородских» конгломератов трипольской культуры. Общим признаком культурного слоя на памятниках этого типа есть незначительная мощность и крайне низкое содержание интересных для изучения следов материальной культуры. При исследовании памятников этого времени на первое место выдвигается задача выяснения местоположения отдельных жилищ. То же можно сказать и о памятниках эпохи бронзы, предскифского и скифского периода. Наиболее сложным типом античных памятников является город. Практически на всех городах Северного Причерноморья наблюдается развитие мощного культурного слоя, который достигает, как, например, в Ольвии, 12 м и более. Культурный слой античного городища содержит колоссальное количество обломков керамики и значительное число разнообразных остатков сооружений разного назначения. Культурный слой памятников I тыс. н.э. представляет собой тонкие прослойки, насыщенные остатками органики и археологическим материалом. Мощность пласта, как правило, незначительная, как и наслоений, которые его перекрывают. Наконец, относительно культурного слоя памятников эпохи Древней Руси. Он имеет сложную структуру: от более или менее однородного, обогащенного гумусом культурного слоя древнерусских поселений мощностью 0.5– 1 м со значительным содержанием железных предметов, до мощного (3–5 м) наслоения, насыщенного строительными остатками древнерусского города из древесины и камня. В целом, культурный слой довольно хорошо проявлен в местах постоянного пребывания древнего человека – на стоянках, древних городищах, производственных центрах, святилищах. Заканчивая рассмотрение вопроса относительно культурных наслоений прошлого, заметим следующее. Невзирая на все богатство культурного слоя и его несомненный интерес для археологов, он, взятый в целом, в большинстве случаев не может быть объектом магнитометрических исследований. Учитывая высокую степень неоднородности культурного слоя, он не может рассматриваться как единое целое, точнее – как единый объект, способный проявить себя в окружающем пространстве в виде одной протяженной и непрерывной магнитной аномалии. Культурный слой представляет интерес, прежде всего, как среда, в которой могут быть сконцентрированы искомые археологические объекты (в магниторазведочном понимании этого слова). Но во многих случаях культурный слой, который, как правило, отличается от грунта и коренных пород по своим магнитным свойствам, может считаться и объектом магнитометри- 26 -

ческих исследований. Речь идет о локальных участках, где магнитоактивный материал культурного слоя сконцентрирован в ограниченном пространстве (заполнение углубленных в землю жилищ, землянок, хозяйственных ям, рвов и др.). Поселения и городища. Наиболее распространенным типом археологических объектов, которые могут считаться объектами магнитометрических поисков и исследований на поселениях и городищах, являются землянки и углубленные жилища, которые уже упоминались при рассмотрении культурного слоя эпохи палеолита и неолита. Они распространены как характерные структурные детали поселений многих других культур. Землянка и полуземлянка – наиболее характерный тип жилищ и на поселениях эпохи поздней бронзы, раннего железного века и Древней Руси. Наряду с многочисленными находками остатков землянок, встречаются также разные сооружения из необработанного камня. Одной из неотрывных частей как наземного, так и углубленного жилища есть печь или открытое кострище. Остатки печи почти всегда представлены небольшим (до 1 м) скоплением камней или обожженной глины, грунта. Печи могут иметь разную конструкцию. Часто встречаются печи, составленные из булыжника, иногда это глинобитные конструкции, или же сооружения из кирпича-сырца. Остатки костров и печей всегда интенсивно обожженные. Находятся в нижней части землянки или углубленного жилища на границе заполнения и подстилающих пород. Их можно охарактеризовать как цилиндрические или шарообразные скопления магнитоактивного материала. Как внутри, так и рядом с жилищем часто встречаются хозяйственные ямы и разные углубления в подпочве, заполненные культурным слоем. В плане они имеют, преимущественно, круглую или овальную форму от 0.5 до 2 м в диаметре и могут быть описаны как вертикальные образования цилиндрической формы с соотношением оси к диаметру близким 1:1 или 2:1. Среди разнообразных памятников эпохи энеолита и раннего металла, известных в Украине, наиболее благоприятные условия применения магнитометрических исследований существуют для поселений трипольской культуры. В V–III тыс. до н.э. трипольская культура получила распространение на значительной территории – от Дуная до Среднего Поднепровья. Важной особенностью трипольских поселений есть остатки глинобитных жилищ, представленные большими скоплениями кусков сильно обожженной глины в пласте толщиной до 30–40 см. Размеры жилищ колеблются в пределах 100– 250 м2, а мощность культурного слоя и прослойки перекрывающего их грунта – от 30–40 см до 2 м. Обобщенно остатки жилища (т.н. «трипольские площадки») можно рассматривать как тонкий пласт обожженной глины и остатков материальной культуры. Этот слой сконцентрирован в объеме горизонтального сильно вытянутого тонкого параллелепипеда. Особое место занимают остатки сооружений на античных памятниках. Среди архитектурных остатков необходимо отметить фундаменты и частично сохраненные стены жилых домов, храмов, складов, арсеналов, портовых сооружений, театров, оборонительных комплексов и т.п. Для большинства античных поселений характерно наличие в культурном слое больших развалов камня, в основном известняка. Породы, которые подстилают и окружают остатки археологических объектов, представлены чаще всего осадочными образованиями типа лессовидных суглинков, лессов, глин, а иногда, как - 27 -

в Херсонесе и Пантикапее, – известняками. Материалом для стен античных домов чаще всего служили известняк, песчаник, изредка гранит, мрамор, кирпич-сырец, обожженный кирпич и некоторые другие. Большинство архитектурных остатков на античных поселениях залегают в культурном слое. Толщина остатков стен колеблется от первых десятков сантиметров в жилых домах, до нескольких метров в оборонительных сооружениях. Для большинства античных поселений характерны большие развалы камней, которые занимают площадь от единиц до многих десятков квадратных метров. Глубина залегания строительных остатков от одного до нескольких метров, в зависимости от продолжительности существования поселения и условий формирования культурного слоя. Производственные, хозяйственные и оборонительные сооружения и комплексы. Значительный интерес для поисков геофизическими методами представляют разные хозяйственные и производственные сооружения, так или иначе связанные с деятельностью жителей поселения. Таковы, например, античные гончарные печи – круглой или прямоугольной в плане формы, построенные из кирпича-сырца и глины. Их развалы мощностью до 2.5 м достигают нескольких квадратных метров в плане, при глубине залегания не более 1–2 м. Не менее значительны по размерам глинобитные гончарные печи ранних славян и Киевской Руси. К этому типу объектов относятся также металлургические горны и комплексы кузнечных и металлообрабатывающих мастерских. Характерным поисковым признаком таких объектов есть наличие больших скоплений отходов металлургического и гончарного производства. Остатки древних хозяйственных сооружений представлены разными типами ям и цистерн. Наиболее характерны зерновые ямы и цистерны для хранения воды античных поселений Северного Причерноморья. Зерновые ямы имеют, преимущественно, грушевидную форму и достигают нескольких метров глубины при диаметре нижней части до 3–4 м. В ранний период существования античных поселений Причерноморья зерновые ямы облицовывались изнутри плиткой рваного камня. В более позднее время они обмазывались глиной и слегка обжигались. Нередки массивные каменные обкладки верхних частей ям. Цистерны имеют грушевидную форму, как и зерновые ямы, и приблизительно такие же размеры. Они или просто вырыты в пласте коренных пород, или дополнительно еще и оштукатуренные. Резко отличаются от них рыбозасолочные ванны, в виде составленных из кирпича прямоугольных помещений, покрытых изнутри известковым раствором. Большинство хозяйственных ям были углублены в пласты коренных пород и заполнены культурными остатками вперемешку с грунтом. К числу хозяйственных сооружений необходимо также отнести склады и хранилища. В античных складах нередко в большом количестве находятся глиняные сосуды: от огромных пифосов до небольших по размерам амфор. Из оборонительных сооружений перспективными для поисков геофизическими методами являются разные рвы и остатки каменных оборонительных стен (последние, в основном, проявлены в античных городах). Характерное свойство рва – это четкое отличие структуры и содержимого его заполнения сравнительно с вмещающими породами, а также значительная линейная протяженность. - 28 -

Похоронные сооружения и некрополи. Следующую большую группу археологических объектов составляют места захоронения – могильники и некрополи. Существенно отметить, что на территории некрополей культурный слой почти всегда отсутствует. Этот факт не усложняет, а даже облегчает решение задач поисков и исследований объектов данного типа в связи с отсутствием аномалий-помех, вызванных неоднородностью культурного слоя. Каждая археологическая культура имела определенные устоявшиеся похоронные обряды, которые часто резко отличались один от другого. Этим обусловлено большое разнообразие типов некрополей – от простых грунтовых погребений эпохи неолита до величественных скифских курганов. Простейшим типом погребений есть прямоугольная в плане яма, которая прорезывает почвенный слой и углублена на несколько десятков сантиметров в подстилающие породы. Структура заполнения подобной могильной ямы всегда в большей или меньшей мере отличается от структуры вмещающей среды. Простая могильная яма может быть осложнена разными каменными закладками. Другой вариант захоронений – это так называемые «каменные ящики». Такие похоронные сооружения представляют собой каменные плиты, составленные в виде вытянутого прямоугольника и накрытые сверху каменной крышкой. Погребения типа каменных ящиков перекрыты, как правило, небольшим пластом грунта мощностью до 1 м. Значительно сложнее устроены погребальные сооружения типа склепов. Они состояли из вертикального или наклонного колодца, ведущего в похоронную камеру, и самой камеры, которая вырубалась в скале, вырывалась в плотном лессе или суглинке, а иногда укреплялась каменными плитами или целиком облицовывалась ими. Глубина залегания склеповых камер колеблется от одного до нескольких метров от поверхности земли, объем – в пределах нескольких кубических метров. Характерным поисковым признаком большинства склепов есть наличие в их верхней части линзовидной пустоты. Существуют также разные типы урновых погребений, трупосожжений, погребений под жилищем, подкурганных погребений и т.п. На рассмотрении их характерных признаков не станем останавливаться, поскольку аномалии магнитного поля, создаваемые такими объектами, настолько незначительные, что применение магнитной разведки для их выявления и изучения мало перспективно. В частности, места подкурганных погребений намного производительнее можно отыскать на основе анализа микрорельефа местности, а современная методика археологических раскопок курганов требует их полного сноса, что делает магнитометрические поиски этих объектов практически не целесообразными. Культовые сооружения. Древние святилища могут содержать большие скопления золы и древесного угля. Античные и древнерусские храмы имеют те же поисковые признаки, что и любые другие большие сооружения соответствующего времени. Для периода античности наиболее характерны каменные культовые сооружения. Храмы Киевской Руси, кроме этого, имеют еще один яркий поисковый признак: остатки стен и фундаментов могут состоять из хорошо обожженного кирпича.

- 29 -

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 намагниченности, 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 термоостаточного 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 восприимчивость всех видов подобных археологических объектов более или менее одинакова, что говорит о сходстве минерального состава материала, использованного 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. - 30 -

Как показал Ле Борн 72, при нагреве почвы до 350о 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 высокой магнитной восприимчивости. Было установлено, что магнитная восприимчивость 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 черноземов, а в каштановых и серо-зеленых почвах она уменьшается. Увеличение магнитной восприимчивости гумусовых горизонтов объясняются новообразованиями маггемита (либо магнетита). Источником энергии для такого превращения являются геохимические процессы в почве, протекающие с разложением 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 свойствам 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 осадочных 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 обнаружены высокоточными магнитометрами. Таким образом, существует реальная возможность выявления магнитной съемкой объектов типа заполнения землянок и углубленных жилищ, хозяйственных ям, рвов и т.п. Довольно часто наблюдаются случаи, когда грунт или материал культурного слоя, будучи обогащен ферромагнитными минералами, вследствие воздействия огня на локальном участке приобретает заметную термоостаточную намагниченность. За счет этого интенсивность магнитных аномалий над такими участками значительно возрастает. Это позволяет с помощью магнитной съемки обнаруживать места древних кострищ, сожженных деревянных (не глинобитных) домов и др. - 31 -

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 магнитометрическим методом. Важно, чтобы каменный материал, из которого они сложены, имел более высокие показатели магнитных характеристик сравнительно 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 процессов, которые привели к их дроблению. При химическом выветривании происходит окисление магнитоактивных минералов, которые входили в первичный состав материала, при механическом выветривании – измельчение и перемешивание исходного материала. То и другое сопровождается потерей согласованной 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, состоящие из таких материалов, способны во многих случаях создавать заметные магнитные аномалии, которые могут быть зафиксированы высокоточной магнитной съемкой. С довольно высокой степенью вероятности можно ожидать на успех магнитометрических исследований почти всех подобных объектов, 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 которых 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 вмещающих 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, выявление подобных объектов магнитной съемкой вполне реально при условии, когда вмещающая среда имеет заметно более высокие магнитные характеристики. В частности, известны районы распространения палеогрунтов, которые в специфических климатических и геохимических условиях приобрели аномально высокую намагниченность. Археологические объекты, представлен- 32 -

ные материалами с низкими значениями магнитных характеристик, но связанные с нарушением залегания слоя палеогрунта, могут быть уверенно выделены именно по этому признаку – как локальные участки пониженных значений аномального магнитного поля. Таким образом, не только объекты, которые содержат остатки обожженных 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 памятников 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.

- 33 -

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 аномальных эффектов, создаваемых намагниченными археологическими объектами, 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 археологических 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 археологических объектов Украины представлены во многих литературных источниках, использование этих данных для дальнейшей обработки, определения статистических характеристик исследуемых параметров и применения в магниторазведочной практике практически невозможно. В большинстве случаев они имеют чисто качественный, иллюстративный характер и не могут быть использованы ни для надежного обоснования постановки магнитной разведки археологических памятников в тех или иных условиях, ни для археологического истолкования результатов магнитометрических исследований. Так, в частности, Г.Ф. Загний 24 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 - 34 -

намагниченности трипольских площадок – от 20 до 20000⋅10-6 СГС), что их использование для практических целей невозможно. Гистограммы распределений исследуемых величин не соответствуют ни нормальному, ни логнормальному закону. Это наводит на мысль о недостаточной численности выборок, неоднородности выборочных данных или субъективном, тенденциозном подходе к их истолкованию. То же можно сказать и о работе А.Н. Третяка и З.Е. Волок 62, где без необходимой статистической обработки приводятся только иллюстрации и пределы изменения магнитных свойств образцов вмещающих пород различных наименований, без расчета их основных статистических 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 Приднестровье, 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, заполнения жилищ и хозяйственных ям пробы материалов отбирались в виде ориентированных образцов по общепринятой при археомагнитных исследованиях 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 пределам 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 отмечаются 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 намагничивания, но и их магнитная восприимчивость, что подтверждает теоретические предпосылки. Однако оценки, основанные на сравнении такого признака, как пределы изменения магнитных свойств различных объектов, без строгого статистического анализа первичных данных, дают возможность лишь сугубо приближенно судить о наличии благоприятных предпосылок для постановки магнитных съемок. В процессе распознавания магнитных аномалий при их археологической интерпретации, полученные оценки могут быть использованы лишь на уровне рекомендаций и применимы только для аномалий сравнительно высокой интенсивности. - 35 -

Таблица 1.1. Магнитная восприимчивость основных компонентов археологических памятников некоторых регионов Украины. № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,11 12,13 14 15 16 17 18 19 20 21,22 23 24 25 26 27,28 29 30 31 32 33,34 35 36 37 38 39 40

Магнитная восприимчивость, κ ⋅ 4π 10-6 СИ Культурный Заполнение Вмещающие слой жилищ, ям, рвов породы Северное Причерноморье Б.Черноморка–ІІ 91–334 91–167 24–47 Закисова Балка–І 140–141 62–130 70–74 Скелька 46–59 55–69 22–25 Мыс Станислав 159–165 70–74 Лупарево–І 65–68 165-179 22–25 Лупарево–ІІІ 124–130 21–24 Куцуруб–ІІІ 59–69 45–70 26–28 Дмитровка–І 72–76 Аджигольская Балка–І 201–215 29–73 Днепровка–І,II 55–105 120–140 25–36 Яселка–I,ІІІ 64–70 20–35 Бейкут 87–101 124–183 20–43 Античн. город «Ольвия» 40–47 75–100 21–40 Красный Маяк 30–40 14–15 Крым Межводное–І 30–35 43–56 4–13 Черноморское–І 40–54 68–74 30–38 Кошары–І 51–64 107–129 2–5 Херсонес 46–48 15–34 Среднее Поднепровье Николаевка–І,III 65–91 17–35 Николаевка–ІІ 70–78 113–129 21–35 Монастырек 29–93 10–27 Пилипенкова Гора 27–63 11–19 Завадовка 56-84 11–13 Ходосовка–I,ІІ 39–53 120–126 29–34 Митьков Кут 17–21 1–3 Старые Безрадичи 29–63 97–112 14–21 Белгород 50–58 64–96 20–34 Обухов–ІІІ 84–141 13–32 Среднее Поднестровье Рашков–І,III 24–35 20–62 9–16 Рашков–ІІ 40–47 53–67 9–13 Ковятчина 31–51 38–50 39–43 Украинское Полесье Урочище «Пасичисько» 35–45 45–60 15–20 Урочище «Баштан» 30–45 12–30 Урочище «Грабовцы» 45–50 75–85 30–35 Громада–І 80–150 10–30 Археологический памятник

- 36 -

Юго-запад Украины %

80

= 15

60

80

80

= 35

60

Мо

%

%

%

80

= 54

60

Мо

40

40

40

40

20

20

20

20

0

20

0

, ед СИ

40

1

20

, ед СИ 0

60

40

20

, ед СИ 0

80 100

, ед СИ

60

40

4

%

= 91

60

Мо

Мо

40

40

20

20 0

40

20

80

60

0

, ед СИ

60

40

20

80

, ед СИ

100 120 140 160 180 200 220

1 40

20

Причерноморье

= 30

60

Мо

3

Северное %

60

40

2

= 40

60

Мо

2

%

40

= 132

Мо

20

%

= 50

Мо

20

0

20

40

60

80

0

, ед СИ

100 120 140 160 180 200 220

20

40

3 %

р

ы

%

80

80

= 19

60

= 53

60

Мо

40

, ед СИ

80

4 К

80

60

м %

80

= 104

60

Мо

60

Мо

40

40

%

40

20

20

20

20

0

, ед СИ 0

, ед СИ 0

, ед СИ 0

20

1

40

40

20

2

60

80

Среднее %

60

Мо

= 18

40

60

% Мо

40

20

40

60

1

, ед СИ

%

80 Мо=

17

60

Мо

0

20

40

%

80

= 44 Мо

80

60

0

20

40

60

3-4

80 100 120 140

%

80

60

Мо

= 93

60

40

20

20

20

0

, ед СИ 0

0

, ед СИ 0

1

, ед СИ

40

2

60

, ед СИ

60

, ед СИ

Полесье

20

20

40

20 , ед СИ

40

40

4

= 66-64

40

20

20

40

2

60

3

100 120 140

%

= 45

Украинское 80

80

60

Поднепровье

20

0

60

20

40

20

= 47

Мо

%

= 60

Мо

40

20

40

60

3

80 100 120 140

, ед СИ

20

40

60

4

80

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.

- 37 -

Таблица 1.2. Остаточная намагниченность и магнитная восприимчивость образцов обожженных глин археологических объектов Украины и Молдовы.

№ пор

Местонахождение объекта

1 Арбузин (Корсунь-Шевченковский р-н) 2 Трехщетинка (Луганская обл.) 3 Шкаровка (Белоцерковский р-н) 4 Киев (Житний рынок) 5 Козаровичи (Киевская обл.) 6 Ходосовка (Киевская обл.) 7 Сахновка (Киевская обл.) 8 Киев (ул.Ирининская) 9 Сороки (Киевская обл.) 10 Жуковцы (Киевская обл.) 11 Варваровка (Молдова) 12 Любимовка (Херсонская обл.) 13 Бринзены Остров (Молдова) 14 Требужены (Молдова) 15 Требужены (Молдова) 16 Дверново Урочище «Моудлингтон» (Молдова) 17 Старый Орпей (Молдова) 18 Старый Орпей (Молдова) 19 Шкаровка (Белоцерковский р-н) 20 Александровка (Одесская обл.)

Характеристика объекта

Пределы Пределы значений магнитной намагни- восприимченности, чивости, J⋅10-3 СИ κ ⋅ 4π10-6СИ 104–1599 43–859

Трипольские площадки Железоплавильный 630 311 горн Трипольские 168– 92–2248 площадки 13020 Производственная 580–5180 123–1445 печь Древнеславянская 197–522 91–647 печь Бытовая печь 200–1782 136–480 Бытовая печь 556–1430 162–498 Печь для обжига 12998– 123–739 извести 24458 Гончарная печь 8820– 524–869 18760 Бытовая печь 162–497 92–200 Трипольские 1352– 138–888 площадки 17956 Гончарная печь 313–626 59–146 Бытовая печь Бытовая печь Гончарная печь Бытовая печь

157–678 40–1690 84–4480 116–1859

146–750 86–409 54–798 189–818

Производственная печь Бытовая печь Производственная печь Трипольские площадки

441–702

216–513

- 38 -

215–1755 92–446 319–6369 157–1197 3036– 6006

860–1750

Таблица 1.3. Пределы намагниченности и магнитной восприимчивости обожженных глин археологических объектов. Вид объекта

Горн железоплавильный Гончарная печь Печь для обжига извести Печь бытовая Трипольская площадка

Количество объектов

Количество образцов

4

22

12

70

3

12

27

136

9

49

Местоположение образца

Остаточная намагниченность, Jr ⋅ 10-3 СИ

под стенка под стенка под стенка под стенка

4000–19000 1200–12000 6000–18000 800–5000 1200–4000 600–800 1300–1700 400–1200

Магнитная восприимчивость, κ ⋅ 4π 10-6 СИ 700–1900 250–800 200–600 200–500 300–700 120–250 200–400 50–150

верхний слой нижний слой

5000–13000

700–1200

800–1600

100–250

Для расчетов аномальных эффектов, ожидаемых над искомыми объектами, и проведения интерпретации выявленных съемкой магнитных аномалий необходимо располагать не пределами значений, а вполне определенными, обоснованными расчетом конкретными значениями магнитных характеристик 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 многотысячного 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 данных, любезно предоставленных В.П. Дудкиным, опубликованы в работе автора 18 и в откорректированном виде приводятся ниже. В этот локальный массив результатов измерений магнитных характеристик материалов вошли образцы, отобранные из следующих археологических объектов: - 39 -

– трипольские площадки, представленные слоем кусков сильно обожженной глины мощностью до 20–35 см; – гончарные и производственные печи для обжига посуды, черепицы, отжига извести; – бытовые печи древних жилищ; – культурный слой – почва и подстилающие породы, преобразованные деятельностью человека; – заполнение древних жилищ, ям и рвов; – вмещающие породы (без следов деятельности человека). На объектах первых трех типов отбирались образцы обожженных глин, на остальных – рыхлый материал, характерный для данного типа объектов. Регионы и памятники, на которых производился отбор образцов, перечислены в приведенных выше таблицах. После формирования выборок по типам объектов стало ясно, что имеющегося материала для проведения анализа исходных данных по региональному признаку явно недостаточно. Статистическая обработка этих данных по регионам, хотя и была бы весьма желательна, но, судя по гистограммам распределений, приведенным на рис. 1.1, практически невозможна из-за малочисленности выборок в каждом отдельном случае и большой дисперсии изучаемых параметров. Поэтому пришлось ограничиться группированием данных по типам археологических объектов. В условиях ограниченности собранного фактического материала объединение результатов измерений магнитных свойств образцов по типам археологических объектов, столь широко разбросанных географически, представляется вполне оправданным на данном этапе исследований. Так, по данным выполненного в прошлые годы качественного анализа информации о магнитной восприимчивости и намагниченности обожженных глин, проведенного Г.Ф. Загнием 24, установлено, что их магнитные свойства на памятниках Украины и Молдовы зависят, в основном, от степени обжига глин, а не от местоположения или принадлежности объекта к определенной эпохе (культуре). Магнитные свойства культурного слоя и заполнения археологических объектов в малой степени зависит от времени их образования и принадлежности памятника к той или иной археологической культуре. По данным исследований было установлено, что не существует прямой зависимости между аномальной магнитной восприимчивостью заполнения археологических объектов и валовым содержанием в них железа. Основными материалами для формирования культурного слоя и заполнения древних жилищ и ям являются окружающая почва и подстилающие породы, преобразованные деятельностью человека. Их магнитные свойства лишь в незначительной степени зависят от времени образования памятника, а тем более от принадлежности его к той или иной археологической культуре. Образование аномальной магнитной восприимчивости археологических объектов происходит в процессе их заполнения культурным слоем и обуславливается мелкодисперсным магнетитом. Источником энергии на образование магнетита служит повышенное содержание органики в материале заполнения. Что касается вмещающих пород, то они повсеместно представлены в различной комбинации почвами, суглинками, лессовидными суглинками, обогащенными гумусом глинами и т.п. Их магнитные свойства слабо - 40 -

дифференцированы и различие можно было бы установить лишь при массовом отборе образцов каждой разновидности. Из множества литературных источников по этому вопросу следует отметить работу А.Н. Третяка и З.Е. Волок 62, в которой непосредственно по рассматриваемому диапазону регионов отмечается закономерное убывание магнитной восприимчивости от глинистых красноцветных разновидностей до зеленых и серых глин и песков. Однако, по тем же данным, средние значения магнитной восприимчивости этих разностей пород убывают, соответственно, от 25⋅10-6 до 17⋅10-6 СГС. Таким образом, хотя дифференциация магнитных свойств вмещающих пород и имеет место, но различия их магнитных характеристик пренебрежимо малы. Учитывая все это, без ущерба для последующих выводов можно рассматривать имеющиеся данные о магнитных свойствах вмещающих пород разных регионов, как одну общую статистическую совокупность. Дальнейшая статистическая обработка (см. ниже) полностью подтверждает правомерность включения в одну выборку данных по всем разностям вмещающих пород. При этом вариационная кривая (4 на рис. 1.2) имеет одну вершину (т.е. выборка однородна) и сохраняется симметричной, что говорит о соответствии распределения нормальному закону.

1.3.3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА В результате обработки имеющихся данных установлено, что для всех без исключения археологических объектов распределения намагниченности и магнитной восприимчивости соответствуют не нормальному, а логнормальному закону (нормальному закону распределения логарифмов исследуемых параметров). По нашим данным все анализируемые выборочные совокупности соответствуют (по критерию χ2) нормальному распределению при уровне значимости 0.95, за исключением малочисленной выборки по гончарным и производственным печам, для которой уровень значимости падает до 0.90. Последняя выборка наиболее разнородна, поскольку сюда включены данные не только по гончарным горнам, но также и печам для обжига извести, железоплавильным и другим производственным печам, предназначение которых не расшифровано в этикетках образцов. В качестве примера на рис. 1.2 приведены гистограммы намагниченности трипольских площадок в предположении нормального и логнормального распределений. Такие же сравнения проведены по остальным объектам. Гистограммы логнормального распределения исследуемых параметров приведены на рис. 1.3. Логнормальное распределение легко отличается от нормального по резкой положительной асимметрии (со смещением максимума влево) вариационной кривой или гистограммы, если их построить в арифметическом масштабе. При выборе логарифмического масштаба по оси абсцисс графика вариационная кривая и гистограмма приобретают «нормальный», симметричный вид. Соответствие распределения магнитных свойств горных пород и руд логнормальному закону в геологии давно известно. Наши исследования подтверждают, что аналогичный характер распределения намагниченности и магнитной восприимчивости имеет место и для археологических объектов. - 41 -

50

30

b

a 40

20

30

20

10 10 0

0

10000

J

20000

0

lg J 1

2

3

4

5

Рис 1.2. Нормальное (а) и логнормальное (b) распределение намагниченности образцов из трипольских площадок.

Нормальное распределение логарифмов магнитных характеристик археологических объектов представляется вполне закономерным. Логнормальный закон распределения, наряду с нормальным, является одним из наиболее распространенных в природе. Логнормальное распределение имеет место обычно в тех случаях, когда какой-либо из факторов, существенно влияющих на значение исследуемого параметра, систематически проявляется в большей степени, чем остальные. В частности, анализируя распределение концентрации в породе того или иного химического элемента, Д.А. Родионов 49 пришел к выводу, что такое распределение будет нормальным, если элемент в равных долях содержится в нескольких минералах, или близким логнормальному, когда элемент содержится в одном минерале породы. Вывод, полученный для параметра «концентрация химического элемента», справедлив и для таких параметров, как намагниченность и магнитная восприимчивость. Определяющим их величину химическим элементом является железо, и в исследуемых образцах оно концентрируется только в магнитоактивных минералах. Это главным образом окислы и гидроокислы железа и, прежде всего, – магнетит. Применение метода анализа, исходя из гипотезы о логнормальном законе распределения, позволяет получить более правдоподобные значения статистических характеристик исследуемых выборочных совокупностей по сравнению с данными их обработки в предположении нормального распределения. Так, для трипольских площадок (рис. 1.2), по данным обработки, исходя из нормального закона распределения, среднее арифметическое значение намагниченности составляет Jср =3 283⋅10-3 ед. СИ. По тем же данным обработка в соответствии с логнормальным законом распределения приводит к - 42 -

результату: lg Jср = 3.229, откуда максимально правдоподобная оценка арифметической середины составит Jср=3506⋅10-3 ед. СИ. 30

40

1

40

2

30

30

20

20

10

10

3

20

10

0

1

2

lg J

3

5

4

40

0

1

4

3

2

40

4

5

lg J

0

30

30

20

20

20

10

10

10

lg K 1

2

3

50

4

0

lg K 1

2

40

7

4

3

0

6

lg K 1

60

8

3

2

4

9a

9b

50

40

30 40

30

30

20 20

20

10

10 0

4

40

5

30

0

lg J 3

2

1

10

lg K 0

1

2

3

0

0

1

2

3

lg K

0

lg K 1

2

1

2

Рис. 1.3. Гистограммы намагниченности и магнитной восприимчивости археологических объектов: 1, 4 – трипольские площадки; 2, 5 – гончарные печи; 3, 6 – бытовые печи, 7 – вмещающие породы, 8 – культурный слой, 9a – заполнение жилищ, 9b – заполнение ям.

Среднее арифметическое, стандарт и другие характеристики логнормального распределения намагниченности и магнитной восприимчивости археологических объектов рассчитываются по широко известным формулам (см., например, в книге М.С. Арабаджи, Э.А. Бакирова и др. 2 или Д.А. Родионова 49): - 43 -

2

x = exp(ln x + 0.5sln ) ; Me = exp(lnx )

[

]

D = x 2 exp( sln2 ) − 1 ; s x = x sln2 + 0.5 sln4 ; Δ x = ± t

sx . (1.9) n

В приведенных формулах x , Me, D, s x – соответственно: среднее арифметическое (максимально правдоподобное значение среднего), медиана, дисперсия и среднеквадратическая погрешность определения арифметической середины логнормального распределения; n – количество измерений; Δ x – доверительный интервал для средней величины исследуемого параметра в соответствии с критерием Стьюдента (t) для выбранного уровня значимости. При n >30 доверительный интервал Δ x определяется с доверительной вероятностью 68% при t = 1 и 95% при t = 2;

1 n 1 n 2 ln x = ∑ ln xi ; sln = ∑ (ln xi − ln x) 2 . n i =1 n i =1 В случае использования при обработке данных не натуральных, а десятичных логарифмов, следует пользоваться формулами:

x = 10 D = x 2 (10

M slg2

lg x + 0.5 M slg2

− 1) ; s x = x

;

Me = 10lg x ;

M 2 slg2 + 0.5M 4 slg4 ; Δ x = ± t

sx n

,

(1.9`)

где M = ln 10 = 2.3026 – модуль перехода от натуральных логарифмов к десятичным. Результаты расчетов с использованием логарифмов с различным основанием идентичны. Однако удобнее, вероятно, пользоваться расчетными формулами для натуральных логарифмов, которые несколько проще и чаще встречаются в литературных источниках.

1.3.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Основные статистические характеристики по всем исследованным археологическим объектам приведены в таблице 1.4. Как видно из таблицы, анализируемые выборки имеют объем от 31 до 180 элементов и по этому признаку могут считаться представительными. Судя по гистограммам исследуемых параметров (рис. 1.3), распределение магнитных характеристик имеет одну вершину, что свидетельствует об их однородности. Заметные в ряде случаев асимметрия и эксцесс объясняются, по-видимому, недостаточным числом элементов выборки, что говорит о необходимости дальнейшего наращивания отбора образцов для измерений магнитных характеристик в процессе последующих магнитометрических исследований. - 44 -

Для всех выборок, особенно для объектов, содержащих обожженные глины, характерны высокие значения стандарта. Это объясняет значительные расхождения между медианой и средним арифметическим (математическим ожиданием) исследуемых величин. Одновременно это свидетельствует о высокой дисперсии данных в выборках, что говорит об их недостаточной численности и необходимости дальнейшего накопления экспериментальных данных. Таблица 1.4. Статистические характеристики магнитных свойств археологических объектов. № пор

Наименование объектов

КолиПределы чество изменения: образцов J⋅10-3СИ, κ⋅4π10-6СИ 1. Намагниченность

Медиана

Среднее J⋅10-3СИ, κ⋅4π10-6СИ

1 Трипольские площадки 2 Производственные и гончарные печи

47

104 – 17956

1694

3506±810

31

84 – 24458

1885

5819±2288

3 Бытовые печи

49

40 – 1859

490

699±98

2. Магнитная восприимчивость 47

43 – 2248

446

660±203

31

54 –1445

319

532±237

49

86 –818

239

293±59

7 Культурный слой

111

24 – 183

61

65±7

8 Заполнение жилищ

132

10 – 340

70

83±10

9 Заполнение ям

40

23 – 141

51

56±8

180

7 – 209

23

29±3

4 Трипольские площадки 5 Производственные и гончарные печи 6 Бытовые печи

10 Вмещающие породы

1.3.5. ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ И НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ Имеющиеся данные позволяют предположить существование зависимости между магнитной восприимчивостью и остаточной намагниченностью объектов, в состав которых входят обожженные глины. Воспользовавшись тем, что для каждого из образцов, отобранных из таких объектов, имеются сведения о той и другой магнитной характеристике, попытаемся установить предполагаемую зависимость между ними. Вначале были совместно проанализированы данные о намагниченности и магнитной восприимчивости для трипольских площадок, гончарных и бытовых печей раздельно. В результате установлены корреляционные - 45 -

зависимости κ от J, которые на примере трипольских площадок иллюстрируются рис. 1.4. lg K 4

2000

K

б

a 1500

3

1000

2

500

lg K = 0.90+0.54 lg J r = 0.73

1

1/2

K = 10 J lg J

2

3

4

0

0

5000

10000

15000

J 20000

Рис. 1.4. Зависимости между магнитной восприимчивостью κ и намагниченностью J трипольских площадок для логарифмов (а) и натуральных значений группированных параметров (б).

Ограничиваясь случаем линейной корреляции данных, для трипольских площадок получим следующее соотношение: lg κ = 0.90+ 0.54 lg J, r = 0.73. Для гончарных и бытовых печей получены коэффициенты корреляции 0.65 и 0.75, соответственно. Во всех случаях связь между параметрами устанавливается достаточно надежно, так как при существующей численности выборок (N) соблюдается отношение:

r r = 2 sr (1 − r )

N

≥5.

Корреляционные зависимости для разных объектов оказались достаточно близкими, что естественно, так как независимо от названия объекта предметом исследований оставались обожженные глины. Некоторый разброс значений коэффициентов корреляционных формул можно объяснить локальными особенностями объектов разных типов и, отчасти, недостаточным количеством образцов по каждому из них. В целом для объектов, сложенных обожженными глинами, можно с достаточной степенью точности принять общую формулу: lg κ = 0.85+ 0.55 lg J.

(1.10)

Так как логарифмами значений на практике пользоваться неудобно, перейдем к натуральным значениям параметров. После потенцирования выражения (1.10) и анализа результата, в качестве лучшей аппроксимирующей формулы получено следующее выражение: - 46 -

κ = 102 .86 ⋅ J .

(1.11)

Окончательно, для простоты расчетов можно принять:

κ = 10 J .

(1.12)

Данная формула получена для случая, когда κ и J выражены в микроединицах СГС (1 м.е. СГС = 10-6 СГС), использованных при анализе корреляционной зависимости κ от J. Таким, образом, если значения J подставляются в расчетную формулу в микроединицах СГС (то есть, без указания множителя 10-6), то и результат будет в таких же единицах. Практически это не всегда удобно, поэтому рассмотрим и другие варианты формулы. Если для расчетов значения J подставляются в единицах СГС, то есть в виде n⋅10-6 СГС, то значения κ, выраженные в единицах СГС (как m ⋅10-6 СГС), могут быть получены по формуле:

κ СГС = 10 −2 J СГС .

(1.13)

Если, например, J = 2500⋅10-6 СГС, то по формуле (1.13) получим:

κ = 10 −2 ⋅ 50 ⋅ 10 −3 ед. СГС = 500 ⋅ 10 −6 ед. СГС . Для проведения расчетов в системе СИ следует воспользоваться следующей формулой:

κ СИ = 4π ⋅10 −4 10 J СИ .

(1.14)

Магнитная восприимчивость, рассчитанная по формуле (1.14), будет получена в единицах 4π ⋅10 −6 СИ . Если, например, намагниченность J = 2500⋅10-3 CИ (что, как и в предыдущем примере, в системе СГС отвечает намагниченности J = 2500⋅10-6 СГС), получим: κ = 10 −3 ⋅ 50 ⋅ 10 −2 4 π СИ = 500 ⋅ 10 −6 4 π СИ , что соответствует в системе СГС ранее вычисленному значению магнитной восприимчивости κ=500⋅10-6 СГС. Интерес представляют и вычисления остаточной намагниченности по значениям магнитной восприимчивости, которые могут быть проведены по формулам: 2 J СГС = 10 4 κ СГС ,

J СИ = 10 κ 7

2 СИ

(1.15)

16 π . 2

(1.16)

Примечание. Приведенные формулы применимы для всех рассмотренных объектов, сложенных обожженными глинами, но если быть точным, следует отметить, что исходные формулы типа (1.10) для каждого из них различны. Для трипольских площадок и бытовых печей κ = 11 J , для гончарных и производственных печей –

- 47 -

κ = 7 J . Поэтому расчеты одной магнитной характеристики через другую по приведенным выше формулам для первых двух типов объектов будут несколько завышены (примерно на 10%, что вполне допустимо), а для гончарных печей – заметно занижены. Вероятнее всего, расхождения объясняются недостаточной численностью выборки для производственных и гончарных печей и широким разбросом значений исследуемых параметров. Возможно, при дальнейшем наращивании исходных данных погрешность общих расчетных формул для материалов типа обожженных глин удастся снизить. Но если установленная связь между J и κ для гончарных печей подтвердится, придется вести расчеты для данного типа объектов по формулам:

κ СГС = 7 ⋅ 10 −3 J СГС , (1.13`); κ СИ = 4π ⋅ 7 ⋅ 10 −5 10 J СИ ,

(1.14`);

2 2 J СГС = 2 ⋅ 10 4 κ СГС , (1.15`); J СИ = 2 ⋅ 10 7 κ СИ 16 π 2 ,

(1.16`).

Установленные зависимости между значениями J и κ могут найти практическое применение, в частности, при решении следующих задач. Задача 1. Определение намагниченности объектов, сложенных обожженными глинами, по магнитной восприимчивости (или – наоборот, если по результатам измерений известна только одна из характеристик). Задача решается применением расчетных формул (1.10) – (1.16). Задача 2. В практике магниторазведочных работ нередко приходится проводить расчеты (решение прямой задачи) с целью оценки ожидаемых аномальных эффектов, создаваемых намагниченными объектами. Такие оценки необходимы, как на стадии проектирования магнитных съемок, так и в процессе последующей археологической интерпретации полученных магнитометрических данных. Расчеты проводятся по известным в теории магниторазведки формулам, общий вид которых при однородной намагниченности массы объекта можно представить соотношением вида:

T = J эфф F ( x, y, z , h, α, i ) ,

(1.17)

где Т – напряженность магнитного поля, Jэфф – величина эффективной намагниченности исследуемого объекта, F ( x, y, z , h, α, i ) – функция геометрических параметров объекта в координатном поле (x, y, z), глубины его залегания h, угла наклонения i вектора намагниченности и азимута профиля α. Геометрические параметры искомых объектов и предполагаемую глубину их залегания всегда можно оценить с достаточной надежностью из опыта работ прошлых лет с учетом характерных особенностей разных типов объектов и памятников определенных культур. Проблемой всегда остается вопрос о намагниченности объектов поисков. Под «эффективной» будем понимать общую намагниченность объекта, определяемую суммой векторов остаточной намагниченности, приобретенной объектом в процессе истории его образования, и индуктивного намагничивания современным геомагнитным полем. В общем, наиболее распространенном случае можно полагать, что фрагменты масс объекта не претерпели значительных перемещений в пространстве, а направление вектора остаточного намагничивания, вызванного древним магнитным полем, ненамного отличается от ориентировки вектора напряженности современного геомагнит- 48 -

ного поля. При соблюдении таких условий величина эффективной намагниченности масс объекта, определяемая как модуль геометрической суммы векторов индуктивного и остаточного намагничивания, практически совпадающих по направлению (тот и другой ориентирован в направлении вектора напряженности геомагнитного поля), может быть определена по формуле:

J эфф = J ост + J инд .

(1.18)

При наличии данных об остаточной и индуктивной намагниченности материала, слагающего исследуемый объект, задача решается элементарно. Но во многих случаях мы располагаем данными об одной только магнитной восприимчивости. Эта характеристика магнитных свойств археологических остатков обычно изучена чаще, чем другие. Оценка намагниченности может быть выполнена на основе простого соотношения:

J i = κT ,

(1.19)

полагая при этом в первом приближении Т ≈ 0.5 Э (СГС) или Т ≈ 0.5⋅103/4π (СИ) либо используя более точное значение напряженности поля, если оно известно для участка магнитной съемки. Полученная на основе этого соотношения оценка намагниченности вещества применима к объектам, которые состоят из парамагнитных материалов и практически лишены остаточной намагниченности. Это могут быть вмещающие породы, грунты, рыхлый материал культурного слоя, заполнение жилищ, ям, рвов. Но в случае объектов, обладающих остаточной намагниченностью, например, содержащих обожженные глины (печи, трипольские площадки и др.), расчет намагниченности по этой формуле дает ошибочный результат. Докажем это на примере трипольских площадок. По результатам измерений (табл. 1.4) магнитная восприимчивость таких объектов κизм = 662⋅10-6 4π СИ. Их намагниченность по формуле (1.19) оценивается величиной Jинд = κизм T = 660⋅10-6 4π⋅(0.5⋅103/4π) = 330⋅10-3 CИ. Это на порядок ниже остаточной намагниченности объекта, которая, по табл. 1.4, составляет Jост = 3506⋅10-3 СИ, соответствует одной только индуктивной составляющей намагниченности и не может отвечать эффективной намагниченности материала объекта. В действительности имеем: J эфф = J ост+J инд = 3506⋅10-3 + 330⋅10-3 = 3836⋅10-3 СИ. В данном случае мы воспользовались известной величиной остаточной намагниченности. Если мы не располагаем такими данными, остаточная намагниченность может быть рассчитана по формулам (1.15), (1.16). Для нашего примера ожидаемая величина остаточной намагниченности трипольской площадки составит: Jост = 107⋅κизм2 / 16π2 = 4356⋅10-3 СИ, что, судя по данным табл. 1.4, близко верхней границе колебаний остаточной намагниченности этого типа объектов. - 49 -

Приблизительная величина эффективной намагниченности трипольских площадок, согласно этому расчету будет близкой Jэфф = Jост+Jинд = 4356⋅10-3 + 330⋅10-3 = 4686⋅10-3 СИ, что всего на 20% превышает «точную» величину эффективной намагниченности, рассчитанную по экспериментальным данным. Задача 3. В некоторых алгоритмах моделирования (например, в том, что использован при подготовке физико-археологических моделей к разделу 1.4) для расчета ожидаемых аномальных эффектов от исследуемых объектов требуется задать величину их магнитной восприимчивости. Эта величина должна быть такой, чтобы рассчитанный магнитный эффект был близок магнитной индукции, создаваемой соответствующим реальным источником аномалии. По аналогии с «эффективной намагниченностью» назовем такую магнитную восприимчивость «эффективной» (термин принят условно, исключительно для удобства изложения, так как под «эффективной магнитной восприимчивостью» в теории магнетизма понимают общую магнитную восприимчивость исследуемого образца с учетом коэффициента размагничивания, зависящего от формы тела). При моделировании слабомагнитных объектов, состоящих из парамагнитных материалов и не обладающих остаточной намагниченностью (вмещающие породы, заполнение жилищ, хозяйственных ям и др.), в качестве эффективной может быть принята средняя величина магнитной восприимчивости, полученная по данным измерений этой характеристики. Если же объекты обладают остаточной намагниченностью (например, печи или трипольские площадки), расчет моделей по экспериментально полученным значениям магнитной восприимчивости приводит к заниженному результату. В этом случае эффективная магнитная восприимчивость не равна фактически измеренной и должна быть рассчитана, исходя из соотношения (1.19): Jэфф = κэфф T, откуда κэфф = Jэфф /T, где Т – напряженность магнитного поля Земли, Jэфф = Jост+Jинд – эффективная намагниченность, расчет которой рассмотрен при разборе предыдущей задачи. Пример. Трипольская площадка, κизм = 660 ⋅10-6 4π СИ (табл. 1.4). κэфф = (107 κизм2/16π2 +κизм (0.5 ⋅103/4π))/(0.5 ⋅103/4π) =9372⋅10-6 4π СИ. Трипольская площадка тех же геометрических параметров с такой «эффективной» магнитной восприимчивостью материала, не обладающая остаточной намагниченностью, но намагниченная современным магнитным полем индуктивно, будет создавать магнитную аномалию, близкую по амплитуде аномалии от реальной трипольской площадки, сложенной материалом с измеренной магнитной восприимчивостью и остаточной намагниченностью того порядка, что указан в табл. 1.4.

Таким образом, анализ взаимной связи магнитной восприимчивости и остаточной намагниченности, несмотря на ее формальный характер, позволяет получить выводы, представляющие определенный практический интерес. Следует только иметь в виду, что полученные формулы справедливы исключительно для тех названных выше материалов, магнитные свойства которых были экспериментально исследованы и проанализированы. - 50 -

1.3.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ Применение любого геофизического метода поисков и разведки основано на отличии горных пород по их физическим свойствам – плотности, электрической проводимости и т.п. Физической основой магниторазведки есть различие искомых объектов и вмещающей среды по магнитным свойствам. Оценка возможности выделения тех или иных объектов по данным магнитной разведки производится обычно сравнением средних значений магнитной восприимчивости или намагниченности. Такая оценка субъективна и весьма недостоверна, так как реальное распределение параметра характеризуется не только средним значением, но еще и дисперсией, т.е. степенью рассеивания, которая тем больше, чем шире вариационная кривая (пределы изменения случайной величины). Такие особенности распределения, например, магнитной восприимчивости присущи как исследуемому объекту, так и вмещающей его среде. В том и другом случае распределение магнитной восприимчивости описывается вариационной кривой. В зависимости от степени различия среднего значения и дисперсии эти вариационные кривые могут частично перекрываться, образуя область возможной встречи случайных значений параметра, присущих в равной мере, как исследуемому объекту, так и вмещающим породам. В связи с этим вероятность выделения объекта в той или иной среде должна рассчитываться путем совместного анализа соответствующих распределений, т.е. на основе сравнения их вариационных кривых. Простой способ такого анализа предложен О.А. Квачевским 31. Сущность метода состоит в следующем. Если вариационные кривые сравниваемых распределений получены при одинаковых интервалах группирования и построены в одном координатном поле, то площади, ограниченные кривыми и осью абсцисс, будут одинаковы: S1 = S2 = 100% ⋅ Δκ, где Δκ – ширина интервала группирования данных, ее можно условно принять за 1. Рассмотрим три возможные случая. 1) Кривые полностью изолированы, не пересекаются, область равнозначных величин исследуемого параметра отсутствует. Площадь, общая для двух распределений, S = 0. Вероятность равнозначных величин параметра P`= 0 и вероятность разделения объектов P = 1 – P` = 1 или 100%. 2) Если вариационные кривые полностью перекрываются, площадь, общая для обеих кривых S = S1 = S2, вероятность равнозначных величин параметра P` = S/S1 = 1, и вероятность разделения объектов P = –P` = 0. Это означает, что разделение объектов по данным геофизического метода, основанного на использовании данного физического параметра, невозможно. 3) В общем случае вариационные кривые перекрываются частично, образуя область равнозначных значений параметра S < S1. Вероятность равнозначных величин исследуемого параметра P` = S / S1 лежит в пределах 0< P`<100%, вероятность разделения объектов P = 100% – P`. При этом из опыта работ установлены следующие критерии: – при P ≥ 68% выделение объекта возможно с достаточно высокой степенью надежности; - 51 -

– при 68% P ≥ 50% разделение объектов возможно лишь при благоприятных условиях (при значительном различии особенностей магнитных аномалий по форме, амплитуде, размерам и т.п.); – при P < 50% выделение объекта геофизическим методом, основанным на использовании данного физического свойства практически невозможно. Площадь S, общая для двух исследуемых распределений, может быть вычислена как сумма значений частот в каждом из интервалов этих распределений в области их перекрытия. Процесс подобного анализа иллюстрируется примером сопоставления вариационных кривых магнитной восприимчивости трипольских площадок и вмещающих пород (рис. 1.5, а). Вероятность выделения трипольских площадок оценивается величиной 90%, т.е. задача их выделения по магнитометрическим данным решается вполне уверенно. Сравнивая распределения магнитной восприимчивости вмещающих пород и заполнения древних жилищ (рис. 1.5, b), получим вероятность разделения объектов P=61%. Это означает, что выделение объектов, соответствующих понятию «заполнение жилищ», возможно лишь при благоприятных условиях (например, при контрастном контакте с вмещающими породами и сравнительно больших размерах объекта). Совместный анализ распределений магнитной восприимчивости трипольских площадок и бытовых печей (рис. 1.5, c) показывает, что вероятность их разделения всего 39%. Следовательно, выделение бытовой печи на фоне трипольской площадки практически невозможно. Подобным образом проанализированы все имеющиеся распределения магнитной восприимчивости. Результаты анализа представлены в табл. 1.5. 50

a

P=90%

40

40

50 2

40

2

10

10 1

2

3

1

20

20

0

4

30

1

20

0

P=39%

30

3 30

c

P=61%

b

4

lg K 0

10

0

1

2

3

lg K 0

0

1

2

3

4

lg K

Рис. 1.5. Определение вероятности разделения археологических объектов по магнитометрическим данным. Вариационные кривые магнитной восприимчивости (lg κ): 1 – трипольские площадки, 2 – вмещающие породы, 3 – заполнение жилищ, 4 – бытовые печи.

Как видно из таблицы, задачи выделения археологических объектов по магнитометрическим данным в большинстве случаев решаются вполне успешно. Исключение составляют случаи разделения эффектов, создаваемых заполнением жилищ, ям и культурным слоем, а также выделения бытовых печей на фоне трипольских площадок. - 52 -

Из таблицы также видно, что практически не различаются распределения магнитной восприимчивости трипольских площадок и гончарных (производственных) печей. Это означает, что невозможно выделить гончарную печь на фоне трипольской площадки. Но никто такую задачу и не ставит. Гончарная печь – это совершенно обособленный от площадки объект, имеющий обычно меньшие размеры, и он успешно картируется по магнитометрическим данным на фоне вмещающих пород, культурного слоя или заполнения жилищ и ям. Приведенные выводы получены на основе совместного анализа распределений магнитной восприимчивости археологических объектов. Однако подобные результаты могут быть получены и из анализа распределений намагниченности объектов. По имеющимся данным это можно проверить только для объектов, где проводился отбор образцов обожженных глин. Так, по результатам анализа распределений намагниченности, вероятность разделение трипольских площадок и гончарных печей составляет всего 18%, трипольских площадок и бытовых печей – 41%, что хорошо согласуется с данными таблицы 1.5, полученными из сравнения распределений магнитной восприимчивости. Обобщая приведенные результаты анализа данных о магнитных свойствах археологических объектов и вмещающей их среды, можно с уверенностью утверждать, что физические предпосылки для применения магнитометрических исследований в практике археологических поисков весьма благоприятны. Таблица 1.5. Вероятность разделения археологических объектов по магнитометрическим данным. Наименование объектов

Триполь- Гончар- Быто- Вмеща- Куль- Запол- Заполские ные вые ющие турный нение нение ям площадки печи печи породы слой жилищ

Трипольские площадки

–

16*

39*

90

78

74

86

Гончарные печи

16*

–

35*

85

70

68

79

Бытовые печи

39*

35*

–

92

68

64

79

Вмещающие породы

90

85

92

–

56

61

54

Культурный слой

78

70

68

56

–

10*

28*

Заполнение жилищ

74

68

64

61

10*

–

42*

Заполнение ям

86

79

79

54

28*

42*

–

__________ * Разделение объектов по магнитометрическим данным невозможно.

- 53 -

Рассматривая возможности использования магнитометрии в археологии применительно к различным археологическим культурам, можно достаточно уверенно выделить следующие объекты, располагая их по степени эффективности применения метода магнитной разведки: а) гончарные печи, производственные сооружения, античные памятники; б) остатки сгоревших глинобитных жилищ трипольской культуры; в) кирпичные фундаменты древнерусских храмов и других сооружений; г) печи и кострища разного времени, включительно до ранних славян и Древней Руси; д) углубленные жилища и землянки культур неолита, энеолита, бронзы, скифов, периферийных античных памятников, жилища черняховской культуры, ранних славян и Древней Руси; е) хозяйственные ямы различного времени и назначения; ж) остатки рвов и границы культурного слоя памятников любой культурной принадлежности; з) погребения скифского периода, античного времени и Древней Руси, представленные глубокими ямами, катакомбами, склепами.

1.3.7. О ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Приведенные выше результаты исследований магнитных характеристик археологических объектов получены по данным измерений 700 образцов, отобранных в прошлые годы из археологических объектов разных типов. Объем этого фактического материала явно недостаточен для надежной характеристики многих тысяч археологических памятников различных культур, выявленных на исследованной территории. Полученные данные можно использовать лишь в качестве первых приближений. Отсюда следует необходимость существенного наращивания объемов и темпов дальнейшего отбора и исследования образцов для определения магнитных характеристик археологических объектов. Обсуждению методики и предпочтительной направленности этих исследований и посвящен данный раздел.

Методика отбора образцов Важность сведений о магнитных свойствах материалов, которые входят в состав исследуемых археологических объектов и составляют окружающую их среду трудно переоценить. Этот тезис достаточно аргументирован в предшествующих разделах главы. Данные о магнитных свойствах археологических объектов и вмещающих их пород крайне необходимы как на стадии проектирования магнитных съемок, так и при археологическом истолковании выявленных съемкой магнитных аномалий. Существует лишь один способ добыть эту необходимую информацию – экспериментально, путем непосредственных измерений магнитных свойств материалов на образцах, отобранных из исследуемых археологических объектов и вмещающих их пород, грунтов, культурного слоя древних памятников. Измерительная аппаратура для определения магнитных характеристик материалов археологических объектов, наиболее доступная по цене, выпускается в России. Портативный переносный прибор ПИМВ-М – измеритель маг- 54 -

нитной восприимчивости (каппаметр), предназначен для измерения магнитной восприимчивости материалов в полевых и лабораторных условиях. Измеритель магнитной восприимчивости образцов ИМВО позволяет определять как индуктивную, так и остаточную намагниченность, магнитную восприимчивость и анизотропию образцов, отобранных в процессе археологических исследований. Используется в условиях полевых и стационарных лабораторий. С целью определения остаточной намагниченности, магнитной восприимчивости и анизотропии образцов по результатам измерения их магнитных моментов используется магнитометр астатический лабораторный МА-036П. Технические характеристики приборов приведены ниже, в главе 2. Ориентируясь на эту аппаратуру, можем избрать одну из двух технологий изучения магнитных свойств интересующих нас объектов: – определение магнитных характеристик археологических объектов непосредственно на месте их нахождения с помощью портативных переносных приборов. – отбор образцов материалов во время полевых работ с последующим измерением их магнитных характеристик в лабораторных условиях. Наиболее целесообразным было бы сочетать то и другое, учитывая, что полевые исследования не дают возможность определить все интересующие нас магнитные характеристики. Общие правила отбора образцов для определения их магнитных характеристик сводятся к следующему. 1. Образцы каждого из исследуемых материалов должны отбираться в количестве, которое обеспечивает представительность выборки. Представительной считается выборка, состоящая не менее чем из 30 элементов. 2. Места отбора образцов должны быть, по возможности, равномерно размещены в контуре объекта, что дает возможность получить объективную, полноценную характеристику магнитных свойств материалов, которые входят в его состав. 3. Места отбора образцов необходимо выбирать так, чтобы они характеризовали типичные черты и свойства объекта и составляющих его материалов, игнорируя локальные особенности, какими бы интересными они ни были. 4. Каждый образец должен быть относительно однородным. Не следует отбирать такой рыхлый или каменный материал, который, по оценке на глаз, аномально обогащен посторонними примесями, в особенности частицами железа, железных шлаков и других магнитоактивных материалов, что могло бы привести к завышенной оценке магнитных характеристик образца. Точно так же не следует отдавать предпочтение и образцам, которые обеднены типичными примесями или отличаются отсутствием характерных признаков (изменение цвета, обогащение гумусом и др.), чтобы оценка их магнитных свойств не оказалась излишне заниженной. 5. Во всех случаях надо стараться отыскать такие места отбора образцов, которые не подвержены сильному механическому разрушению или интенсивному воздействию процессов выветривания. Для этого рыхлый материал отбирается не в местах выхода археологических остатков на дневную поверхность или в область интенсивных физико-химических воздействий, а на такой глубине, где начинается ненарушенный слой исследуемого - 55 -

материала. При отборе образцов каменного материала, например, остатков стен, печей, трипольских площадок и т.п., необходимо слегка обколоть внешнюю поверхность до получения свежего излома. 6. Желательно, чтобы не менее 10% образцов были отобраны с указанием их ориентации в пространстве для последующего определения направления вектора их остаточной намагниченности. Форма и размеры отбираемых образцов материалов определяются требованиями, которые накладываются применяемыми средствами измерений их магнитных свойств. В ряде случаев достаточно ограничиться изучением одной лишь магнитной восприимчивости. При отсутствии аппаратуры для полевых каппаметрических исследований, измерение магнитной восприимчивости отобранных образцов осуществляется в лабораторных условиях. Требования к форме и размерам образцов, отбираемых для измерения одной только магнитной восприимчивости, могут быть максимально упрощены. Рыхлые, сыпучие материалы надо отбирать в таком объеме, чтобы этого было достаточно для уверенного, надежного определения их магнитных характеристик каппаметром. Для этого необходимо, как минимум, чтобы в контуре 2×5 см слой рыхлого материала имел толщину не менее 2–3 см, что обеспечивает достижение эффекта насыщения при применении индукционного метода определения магнитной восприимчивости. (Для отбора и хранения таких образцов лучше всего использовать картонные или пластмассовые боксы). Таким образом, минимальный объем образца рыхлого материала ненамного больше спичечной коробки. Приблизительно такого же размера отбирают и образцы каменного материала. В случае необходимости измерений остаточной намагниченности образцов этого уже недостаточно. Необходимо отбирать рыхлый материал в виде сплошных (ненарушенных) образцов кубической формы, размером по ребру около 5 см, или образцов цилиндрической формы соответствующих размеров. Кроме этого, желательно отметить, где верх и низ образца и как он был ориентирован на месте залегания. Соблюдение этого условия позволяет определить не только величину вектора остаточного намагничивания, но и его направление в пространстве. Отбор таких образцов не составляет проблемы, когда мы имеем дело с пластическими или мягкими, увлажненными породами, а, большей частью, также и с материалом заполнения старинных жилищ, хозяйственных ям, культурным слоем. В случае сыпучих или рыхлых материалов приходится такие образцы еще и проклеивать, чтобы обеспечить сохранение их формы. Образцы каменного материала, обожженных глин и других подобных образований должны состоять из одного куска, по форме близкого кубу с ребром около 5 см, с грубо отесанными гранями, без значительных выступов и каверн. Методика отбора образцов для измерения их магнитных свойств определяется, главным образом, целевым назначением, в некоторой мере – этапом археологических исследований того ли другого объекта или памятника в целом. Отбор образцов на площади поселения как самостоятельный процесс, не связанный с археологическими раскопками не имеет смысла. Без раскопок можно отобрать, разве что, образцы грунтов, но даже и такая работа требует - 56 -

раскопки хотя бы неглубоких ям для достижения слоя свежего, нормально увлажненного, ненарушенного грунта. Примерно такие условия изучения физических свойств исследуемых объектов мы бы имели, сопровождая поверхностное археологическое обследование местности. Полноценные исследования магнитных свойств археологических объектов возможны только в процессе проведения раскопок, когда мы имеем непосредственный доступ к тем материалам, которые входят в состав этих объектов. Процесс отбора образцов следует рассматривать как составную часть общего комплекса археологических исследований памятника.

Целенаправленность процесса отбора образцов для изучения их магнитных характеристик Целевым назначением отбора образцов и дальнейшего определения их магнитных характеристик могут быть: – изучение магнитных свойств материалов, слагающих отдельный археологический объект; – изучение магнитных характеристик типичных объектов, из которых состоит памятник, с целью определения обобщенных средних показателей магнитных свойств определенных типов объектов – остатков древних жилищ, других сооружений, хозяйственных ям и др.; – отбор образцов для приближенной оценки магнитных характеристик некоторых археологических объектов на территории памятника, а также с целью накопления информации о магнитных свойствах типичных объектов определенного класса для последующего анализа собранной информации на уровне регионов или отдельных культур. В зависимости от избранной цели решаются как вопросы методики отбора образцов, так и обоснования их количества, которое обеспечивало бы представительность статистических выборок при последующей обработке полученных данных. Рассмотрим последовательно каждую из методик, которые определяются сформулированными выше целями. 1. Определение магнитных свойств материалов, входящих в состав отдельного археологического объекта, предусматривает получение достаточного объема информации обо всех главных разновидностях этих материалов и, кроме того, еще и тех, что образуют вмещающую среду. Это означает, что должно быть отобрано не менее 30 образцов каждой из разновидностей материалов, что обеспечивало бы представительность выборок данных для последующего статистического анализа результатов измерений. Общее число разновидностей материалов в пределах отдельного объекта редко превышает 4–5 видов. Например, для углубленных в землю жилищ это могут быть: материал заполнения жилища, коренные породы, культурный слой, материал печи, редко – остатки стен. Таким образом, на объекте потребуется отобрать не более 120–150 образцов. Желательно предусмотреть получение информации, как по площади объекта, так и по глубине. В связи с этим места отбора образцов определяются как система равномерно расположенных точек в 2–3 плоскостях последовательно раскрытого объекта на разных глубинах. Отбор образцов осуществляется по всей площади разреза в точках прямоугольной сетки со стороной ячейки 20–100 см. В границах локальных участков объекта, где - 57 -

размещены его важные составляющие (например, печь) плотность сети точек отбора образцов увеличивают. В обязательном порядке достаточным числом образцов должны быть охарактеризованы материал культурного слоя и вмещающих пород. Следует признать, что подобные исследования отдельных археологических объектов (с соблюдением требования представительности выборок по отдельным видам материалов) еще никогда не проводились. Но едва ли кто будет возражать, что полученный таким образом материал мог бы представлять определенный научный и практический интерес (в частности, для создания более совершенных физико-археологических моделей древних объектов с целью их использования при археологическом истолковании результатов магнитной разведки). В то же время, как видим, получение таких данных не требует больших затрат времени и средств. 2. Изучение магнитных характеристик типичных объектов археологического памятника, взятого в целом (как некоторое множество входящих в него отдельных объектов), требует совсем другого подхода. Для достижения такой цели достаточно ограничиться значительно меньшим количеством образцов из каждого из типов объектов, раскрытых археологическими раскопками. При этом остается в силе требование представительности выборок данных по каждому из типичных исследуемых объектов и каждому из видов материалов, которые входят в их состав. В зависимости от объема раскопок и количества раскрытых однотипных объектов, потребуется на каждом из них отобрать от 3–5 до 10 образцов по отдельным разновидностям материалов. Учитывая весомость в данных условиях каждого результата определения магнитных свойств материалов, образцы должны отвечать наиболее характерным, самым типичным представителям исследуемого материала. Места отбора образцов намечаются по линиям наиболее ярко выраженного изменения свойств исследуемого материала (по таким признакам как вещественный состав, структура, окраска, мощность слоя материала, степень сохранности, наличие примесей и др.). Направление опорных линий отбора образцов следует выбирать, по возможности, вкрест простирания магнитных аномалий, выявленных на месте археологического объекта к началу его раскопок. Точки отбора образцов по такому профилю следует распределить приблизительно равномерно, и предусмотреть, кроме этого, отбор нескольких образцов из вмещающих пород и культурного слоя. Для полноценной характеристики объектов значительной протяжности на глубину аналогичным образом проводится отбор образцов на нескольких глубинах по мере проведения раскопок. Следует признать, что и такие исследования до сих пор не проведены ни на одном из известных памятников археологии. А между тем, опираясь именно на данные подобных исследований, можно добиться существенного повышения объективности, конкретности и надежности археологической интерпретация материалов магнитных съемок, повысить однозначность распознавания археологических объектов по соответствующим магнитным аномалиям и качество воспроизведения планов застройки поселений, обеспечить более высокую точность определения контуров всех интересующих археологов объектов. - 58 -

Нет никаких сомнения, что именно упорядоченные и систематические исследования магнитных свойств материалов археологических объектов и памятников станут неотъемлемой составной частью общего комплекса магнитометрических и археологических поисков и разведки. Во всяком случае, это неизбежно произойдет, когда проведение параметрических раскопок памятников, изученных магнитометрическим методом, станет не исключением, а общепринятым правилом. 3. Наибольшее распространение в минувшие годы получила методика отбора ограниченного числа образцов (значительно ниже численности представительной выборки) с целью приближенной оценки магнитных характеристик некоторых материалов, которые входят в состав одного или нескольких археологических объектов древнего поселения. Образцы отбирались в ограниченном объеме и лишь на отдельных объектах некоторых из изученных памятников, которые часто удалены за сотни километров один от другого, размещены в разных физико-археологических, географических, геологических и климатических условиях, принадлежат разным древним культурам и отличаются рядом других признаков. Именно такие данные и были положены в основу приведенного выше анализа магнитных свойств некоторых типов археологических объектов, результаты которого приведены в таблице 1.4. Правомерность объединения подобных данных для общего анализа была довольно уверенно обоснована. В данном случае она базируется на том, что ряд процессов, которые приводят к повышению магнитных свойств материалов, протекает однообразно независимо от культурной принадлежности объекта или места его нахождения. Такими можно считать, например, процесс резкого возрастания намагниченности глин при высокотемпературном обжиге, некоторые другие процессы, обуславливающие повышение намагниченности грунтов, культурного слоя, заполнения жилищ. Именно поэтому полученные ранее данные, обобщенные в целом по Украине, можно рассматривать как несколько достаточно представительных выборок, а результаты их статистического анализа полагать вполне приемлемыми для общих, приближенных оценок возможностей исследований отдельных типов археологических объектов средствами магнитной разведки. Однако, как уже отмечалось, имеющихся данных, к сожалению, недостаточно для проведения исследований и сравнения результатов на уровне регионов или культур, не говоря уже о сравнении между собой отдельных памятников. А между тем, различия их магнитных характеристик неизбежны, учитывая, что даже однотипные объекты разных эпох (например, жилища) отличаются размерами, конструкцией, строительным материалом, степенью разрушения и рядом других признаков. Важно отметить и то, что перечень изученных материалов (табл. 1.4) далеко не исчерпывает все многообразие археологических остатков, которые встречаются на территории исследуемых памятников. Крупным недостатком применявшейся методики исследований следует считать также невозможность получения конечного результата иначе, как через несколько лет, на протяжении которых должны накапливаться исходные данные, пока их объем достигнет численности, отвечающей требованиям представительности выборок. При существующих темпах пополнения данных о магнитных свойствах материалов археологических памятников долго при- 59 -

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 осуществляется с необходимой полнотой, в законченном виде. Реализация такого подхода делает не нужным продолжение случайных, неупорядоченных, растянутых на десятилетия исследований физических свойств археологических остатков в масштабах крупных регионов, поскольку накопление необходимых данных гарантируется внедрением методики полноценных, доведенных 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 археологических объектов, ускоренного роста информации об их физических параметрах, обеспечивала бы возможность сравнительного анализа накопленной информации на уровне регионов, культур и отдельных поселений. В конечном итоге это могло бы существенным образом повысить эффективность археологических 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 исследований. При обосновании магнитометрических поисков объектов техногенного происхождения интерес представляют, прежде всего, магнитные свойства - 60 -

материалов, находящихся в нормальном магнитном поле Земли напряженностью 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 термоостаточную 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

Осадочные породы Пески, глины

++

+

+

Лесс, суглинки

++

Песчаники

++

+

+

Глинистые сланцы

++

+

+

Мергель

++

Известняк

++ Кристаллические породы

Граниты

+

++

++

+

+

Гнейсы

+

+

+

++

+

+

Диориты

+

+

+

+

++

+

+

+

++

+

+

+

+

++

+

+

+

++

++

+

Пироксениты Габбро Кристаллические сланцы

+

Еще более высокими магнитными характеристиками отличаются железобетон 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 - 61 -

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 56). Таблица 1.7. Магнитные характеристики промышленных материалов. № пор

Материал

Индуктивная Магнитная намагнивосприимчивость κ , 4 π СИ ченность J i , 10 3 СИ

Остаточная намагниченность J r , 10 3 СИ

Q=

Jr Ji

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, обладают значительно более высокой магнитной восприимчивостью, а, следовательно, и индукционной намагниченностью по сравнению с естественными минералами и обожженными глинами. Судя по литературным данным, остаточная намагниченность искусственных сплавов железа превышает остаточную намагниченность не только породообразующих минералов, но и железных 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 кондиционной магнитной съемки можно определить также глубину залегания, поперечные размеры и другие параметры исследуемых объектов. Таким образом, и для поисков техногенных объектов средствами магнитометрии имеются весьма благоприятные физические предпосылки.

- 62 -

1.4. ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.4.1. СОСТАВЛЕНИЕ ФИЗИКО-АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ Опираясь на многолетний опыт археологических и геофизических исследований типичных памятников древних культур, для большинства искомых археологических объектов удается установить более или менее обоснованные 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. 43 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 способна существенно повысить надежность и эффективность неразрушающих геофизических методов исследований археологических памятников, в первую очередь – магнитной разведки. Именно это и послужило побудительной причиной изложить в дополненном и расширенном виде вопросы практического создания и использования ФАМ при изучении археологических памятников средствами магнитной разведки. Как отмечено в упомянутой работе 43, погребенные в четвертичных отложениях археологические объекты с точки зрения геофизики можно рассматривать как локальные тела с набором определенных физических свойств. Под ФАМ археологического объекта определенного типа понимается набор возможных возмущающих тел приблизительная форма, размеры и физические свойства которых с наибольшей вероятностью отражают реальные физические и геометрические характеристики искомых объектов. Сведения о модели должны быть дополнены описанием обусловленных ними геофизических аномалий. Важнейшими характеристиками ФАМ являются физические свойства вмещающей среды и физико-геологическая модель окружающей обстановки в целом, включая и сведения о рельефе перекрывающих и подстилающих пород. Оценка физических свойств объектов поисков и вмещающей их среды возможна только на основе массовых измерений образцов, специально отобранных в процессе исследований аналогичных археологических памятников, 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 человеческой деятельности и не свойственные естественным геологическим образованиям. Поэтому археологические объекты, в отличие от геологических, легче представить простыми модельными телами правильной формы (шар, цилиндр, горизонтальный или вертикальный параллелепипед и некоторые другие). По данным магнитной разведки они нередко отображаются геометрически четкой или регулярной структурой поля локальных аномалий. - 63 -

Физико-археологические модели можно составлять для отдельных объектов или для памятника в целом. ФАМ памятника представляет собой совокупность разнородных объектов, сгруппированных на площади поселения. В связи с этим ФАМ памятника должна включать некоторое множество ФАМ отдельных археологических объектов с различными физическими свойствами 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 первоначальная 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 использованием 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 рекомендуется максимально использовать „внутренние резервы” применяемого метода, т.е. все доступные модификации магнитных аномалий, все физические характеристики, которые подлежат определению. Исходя из этого, при дальнейшем изложении под физико-археологической 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 магнитометрических 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, появляется реальная возможность выделения перспективных аномалий по комплексу признаков – т.е. по тем или другим локальным особенностям магнитного поля, которые отражают аномальный эффект в зависимости от глубины залегания, размеров, магнитных свойств и других характеристик искомых археологических объектов.

- 64 -

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 23. Под моделированием в данном случае понимается решение 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 напряженности определены по данным Г.Ф. Загния 24: X=25300, Y=2200, Z=43100 нТ. Для объектов типа заполнения жилищ, ям, вмещающих пород и других, не обладающих остаточной намагниченностью, использовались экспериментально полученные значения магнитной восприимчивости, приведенные в таблице 1.4. Моделирование объектов, сложенных обожженными глинами с высокой термоостаточной намагниченностью, осуществлялось с использованием эффективной магнитной восприимчивости, вопросы расчета которой рассмотрены в подразделе 1.3.4. Напомним, что под «эффективной» понимается такая магнитная восприимчивость κэфф, при которой под воздействием магнитного поля Земли моделируемый объект в соответствии с соотношением J = κэффT приобретает намагниченность, равную сумме ее индуктивной и остаточной составляющей. В частности, при построении модели поля над гончарным горном эффективная магнитная восприимчивость принята 4000⋅4π10-6 СИ, что отвечает «истинной» (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 площадка с эффективной магнитной восприимчивостью 4000⋅4π10-6 СИ, что отвечает 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, κизм = (660±203)⋅4π10-6 СИ. В связи с этим расчетные аномальные эффекты несколько занижены. Но полученные результаты достаточно близко отражают особенности локальных аномалий от трипольских площадок в разных условиях их залегания. Отдельный расчет посвящен анализу аномалий от площадок с различными значениями эффективной - 65 -

магнитной восприимчивости – 4000, 2000, 1000, 400, 100 или 50⋅4π10-6 СИ, которым отвечают, соответственно, значения фактической магнитной восприимчивости 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 полусферой внутренним радиусом 0.4 м и внешним – 0.5 м. Глубина залегания верхней кромки горна 0.15 м, нижней – 0.65 м. Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

8

Пространственное изображение магнитного поля модели

Север

7 6 5

В а, нТ 160

4

120 80

3

60 40

Трехмерное изображение модели

Вертикальный разрез модели

20

2

10 0

1

0.5

-10 -20

0 0

-30

1

2

3

4

5

6

7

0.8 м 1м

8

Карта графиков Ва по системе широтных профилей через 0.5 м

Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м

8

8

7

7

6

6

5

5

Ва, нТ 4

160 4 140

3

120 3 100

2

80

2

60 40

1

1

20 0 0

0 1

2

3

4

5

6

7

8

0 0

1

2

3

4

Рис. 1.6. Трехмерная модель гончарного горна VII в.

- 66 -

5

6

7

8

При заданных геометрических параметрах, глубине залегания и магнитных характеристиках магнитная аномалия над гончарным горном имеет изометрическую форму, амплитуду порядка 150 нТ и уверенно фиксируется магнитной съемкой по сети 0.5×0.5 м2 на 4–5 соседних профилях. При проведении съемки с густотой сети 1×1 м2 объект может быть пропущен или зафиксирован недостоверно (из-за недостаточного числа точек наблюдений и заниженной амплитуды). Хозяйственные ямы Проанализированы три модели хозяйственных ям наиболее распространенной 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 эффективной 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 отмечается 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 магнитной 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 магнитной съемкой, выполненной по достаточно густой сети наблюдений порядка 0.5×0.5 м2. Древний ров Сооружения типа рвов обнаруживаются, главным образом, в процессе раскопок. Естественно, встал вопрос о возможности их поисков и прослеживания магнитометрическим методом. В качестве примера было смоделировано 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. - 67 -

Пространственное изображение магнитного поля модели

Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

C

5

4

В а, нТ

3

26 20

2

15 10 5

1

2 0 -2

0

Вертикальный разрез модели

-4

1

2

3

4

1.2 м

0

Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м

6

Ва

5

1.2 м Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м

5 4

4

4 3

3

3 2

2

Ва, нТ 2

30

1

20

1

10

0 0

1

2

3

4

0

1

0 0

1

2

3

4

Рис. 1.7. Модель цилиндрической хозяйственной ямы круглого сечения. Верхняя кромка – на глубине 0.5 м; эффективная магнитная восприимчивость заполнения ямы – 40⋅4π10-6 СИ; шаг расчета магнитного поля модели 0.1 м на высоте 0.1 м над поверхностью земли.

- 68 -

5

Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

Пространственное изображение магнитного поля модели

5

4

В а, нТ

3

26 20 15

2

10 5 2

1

0 -2 -4

0

Поперечные разрезы модели по осям сечения

-6

0

1

2

3

4

1.2 м

1.2

1.7 м Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м 5

Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м 4

4

3

3

2

Ва, нТ

2

30 1

20

1

10 0 0

1

2

3

4

0

0 0

1

2

3

4

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⋅4π10-6 СИ; шаг расчета магнитного поля модели 0.1 м по квадратной сети на высоте 0.1 м над поверхностью земли.

69

5

Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

Пространственное изображение магнитного поля модели

9 8 7 6

В а, нТ

5

30 25

4

20 15 10

3

5 2

2

0

Вертикальный разрез и объемное изображение модели грушевидной ямы 1м

-1

1

-2 -4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2.5 м

0

2м

Карта графиков Ва по системе широтных профилей через 0.5 м

Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей через 0.5 м

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

Ва, нТ 2

1

30 20 10

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рис. 1.9. Модель грушевидной хозяйственной ямы круглого сечения. Верхний диаметр ямы – 1 м, нижний – 2 м; глубина – 2.5 м; верхняя кромка – на глубине 0.5 м; эффективная магнитная восприимчивость заполнения ямы – 40⋅4π10-6 СИ; шаг расчета магнитного поля модели 0.1 м по квадратной сети на высоте 0.1 м над поверхностью земли.

70

План древнего рва и система расчетных профилей

Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

24

Ba, нТ 20

16

12

Профиль 4

24

Профиль 3

15

5

Вертикальный разрез рва

Профиль 2

0

8

Профиль 1

1.4 м

1м

-5

-10

4 0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

Профиль 4

8

Ba, нТ 20

2

4

6

12

10

Профиль 1 0

30

16

Профиль 2

12

25

20

Профиль 3

16

20

Карта графиков Ва наблюденного магнитного поля

Карта графиков Ва магнитного поля модели 20

15

8

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0

8

0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

Рис. 1.10. Модель древнего рва прямоугольного сечения. Глубина залегания верхней кромки – 0.4 м, нижней – 1.4 м; расчетные профили – через 4 м, шаг по профилю – 0.5 м; эффективная магнитная восприимчивость материала заполнения рва – 100⋅4π10-6 СИ; геомагнитное поле – современное.

Культурный слой Но своим магнитным свойствам культурный слой заметно отличается от коренных пород и почвы, но трудно поддается моделированию, так как отличается неупорядоченным (хаотическим) расположением множества магнитных неоднородностей самых разнообразных форм и размеров, сосредоточенных в тонком слое разреза мощностью до нескольких дециметров. Одна из многочисленных моделей выбрана как набор небольших произвольно ориентированных тел с разнообразной (в некотором диапазоне значений) магнитной восприимчивостью. Подобная модель представлена на рис. 1.11. При этом принято: глубина залегания верхней кромки слоя – 1 м; мощность слоя – 0.1 м; уровень наблюдений над земной поверхностью – 0.1 м; эффективная магнитная восприимчивость различных участков слоя – в пределах (40÷80)⋅4π10-6 СИ; геомагнитное поле – современное. По результатам расчетов отдельные локальные аномалии, создаваемые магнитными неоднородностями такого слоя составляют 2–8 нТ. Выявление таких слабоинтенсивных аномалий представляет трудности даже для высокоточной съемки. Но обычно культурный слой не является непосредственным объектом магнитометрических исследований. Полученные данные дают представление об уровне фона магнитных помех, создаваемых этим слоем. 71

Схема расположения модельных тел

Карта изолиний аномалии магнитного поля модели

160

160

140

140

120

120

100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

0 0

20

40

60

80 100 120 140 160

0 0

20

40

60

80 100 120 140 160

Карта графиков Ва по системе меридианальных профилей

Карта графиков Ва по системе широтных профилей 160

160

140

140

120

120

100

100

80

80

60

60

40

40

Ва, нТ

20 0 0

Пространственная изображение магнитного поля модели

20

40

60

80

16 8 0

100 120 140 160

20 0 0

20

40

60

80

100 120 140 160

Рис. 1.11. Вариант модели культурного слоя.

Трипольские площадки Так называемые «трипольские площадки» являются главными объектами археологических исследований памятников трипольской культуры. Они представлены одним или несколькими слоями обожженной глиняной обмазки трипольских жилищ. Ниже рассмотрено несколько моделей объектов данного типа. В качестве базовой модели принят тонкий горизонтальный слой ограниченных размеров или горизонтальная прямоугольная призма. В приведенных примерах использована призма объемом 4×9×0.2 м3, залегающая горизонтально на глубине 0.5 м. Заполняющий материал – куски обожженной глиняной обмазки. Геометрические параметры объекта исследований определяют главным образом форму и размеры связанной с ним магнитной аномалии. Кроме этого форма аномалий зависит также от ориентации площадки по странам света, поскольку с этим связано направление намагниченности аномальных масс (не по вертикали, а наклонно в направлении, близком плоскости магнитного меридиана). 72

Пределы значений магнитных характеристик материала трипольских площадок определены по данным статистической обработки результатов непосредственных измерений на образцах, отобранных в процессе раскопок. На рис. 1.12, 1.13 приведены результаты расчетов, соответственно, по системе широтных и меридиональных профилей через 1 м. Расчет проведен для площадки указанных размеров с шагом 0.5 м на высоте 0.1 м над поверхностью земли при эффективной магнитной восприимчивости заполняющего материала 4000⋅4π10-6 СИ. Представленные на рисунках модели отличаются ориентацией длинной оси площадки по азимутам: а – 90о, б – 0о, в – 45о, г – 315о. Амплитудная характеристика аномалий определяется, главным образом, величиной намагниченности объекта исследований. Изменение формы и амплитуд аномалий от широтно-ориентированной трипольской площадки при различных значениях эффективной магнитной восприимчивости заполняющего материала иллюстрирует рис. 1.14. Геометрические параметры площадки те же, что и в предыдущем случае. Как видно из рисунка, сильно разрушенные площадки с «эффективной» магнитной восприимчивостью заполняющего материала менее 400⋅4π10-6 СИ (κизм ≈ 160⋅4π10-6 СИ) отмечаются весьма слабыми аномалиями искаженной формы. Площадка с магнитной восприимчивостью материала 100⋅4π10-6 СИ (κизм ≈ 70⋅4π10-6 СИ) фиксируется изолинией 6 нТ, что можно считать пределом для магнитных съемок высокой точности со среднеквадратической погрешностью наблюдений порядка ±2 нТ. При еще более низких магнитных характеристиках применение магнитной съемки для картирования трипольских площадок бесперспективно. Физико-археологические модели трипольских площадок с разными магнитными характеристиками материала заполнения могут быть полезны при составлении проектов магнитных съемок, но главное их предназначение – для использования в процессе археологической интерпретации магниторазведочных данных. Аномалии, создаваемые объектами данного типа (а рассмотренная модель – далеко не самая крупная), фиксируются не менее чем на 7–8 профилях четырьмя точками на каждом при съемке по сети 1×1 м2 или двумя точками на 4 профилях при густоте сети 2×2 м2. Если выявленные магнитные аномалии имеют высокую интенсивность и соизмеримы по размерам с трипольскими площадками, они уверенно идентифицируются с остатками сгоревших глинобитных домов. Более слабые аномалии значительных размеров, в зависимости от местонахождения и взаимного расположения, также могут интерпретироваться как трипольские площадки, хотя и разрушенные временем (процессами физического и химического выветривания, приводящими к разубоживанию археологических остатков магнитоактивными компонентами и снижению их магнитных характеристик). В большинстве случаев распознавание таких аномалий осуществляется уверенно, их трудно перепутать со столь же слабыми аномалиями небольших размеров, имеющих другое происхождение, например, связанных с хозяйственными ямами или остатками землянок и углубленных в землю жилищ. В целом по уровню интенсивности аномалий, предположительно связанных с трипольскими площадками, можно составить представление о степени сохранности памятника. 73

Карты изолиний магнитных аномалий при различной ориентации площадок

Карты графиков магнитных аномалий по системе широтных профилей через 1 м 11

11

C

а

10

10

9

9

8

8 7

7 6

Ва, нТ

6

5

80

5

4

4

3

60 40

2

20

2

1

0

1 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

14

В а, нТ

C

б

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

3

9 10 11 12

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

14 13

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

12 11 10 9 8 7

Ва, нТ

14

6

80

5

60 40

4

20

2

0

1 0

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

14

в

13

C

13

12

12

11

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

Ва, нТ 6

5

80

5

4

4

3

60 40

2

20

2

1

0

1

0

14

1

2

3

4

5

6

7

8

C

12

11

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

Ва, нТ 6

5

80

5

4

4

3

60 40

2

20

2

1

0

1

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

13

12

0

0

14

г

13

9 10 11 12 13 14 15

3

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

3

Рис. 1.12. Магнитное поле трипольских площадок различной ориентации по азимутам: а – 90о, б – 0o , в – 45о, г – 315о (система профилей – широтная).

74

11

Карты графиков магнитных аномалий по системе меридианальных профилей

Карты изолиний магнитных аномалий при различной ориентации площадок

14

C

а

10

13

9

12

8

11

7

10

6

9

5

8

4

7

3 Пр 2 Пк 1 0 1 2 3

Ва, нТ 4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

В а, нТ

14

C

б

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

6

80

5

60 40

4

20

2

0

1

3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

11 10 9 8 7

Ва, нТ 6 80

5

60 40

4

20

2

0

1

3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

14

14

в

13

13

C

12

12

11

11

10

10

9

9

8

8 7

7

6

Ва, нТ

6 5

80

5

4

4

3

60 40

2

20

2

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

3

14

14

г

13 12

13

C

12

11

11

10

10

9

9

8

8 7

7

Ва, нТ

6

6

5

80

5

4

4

3

60 40

2

20

2

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

3

0

Рис. 1.13. Магнитное поле трипольских площадок различной ориентации по азимутам: а – 90о, б – 0o , в – 45о, г – 315о (система профилей – меридиональная).

75

а

12 11

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1 0 0

1

2

3

4

5

6

4000 мк.ед. СГСМ

1

7

0 0

8

9 10 11 12 13 14 15

б

12

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

д

2

1

2000 мк. ед. СГСМ 1

2

3

4

5

6

7

8

1

9 10 11 12 13 14 15

в

12

0 0

100 мк.ед. СГСМ 1

2

3

4

5

6

7

8

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

9 10 11 12 13 14 15

е

12

11

2

1 0 0

400 мк.ед. СГСМ 1

12

11

0 0

г

12

1

2

3

4

5

6

1000 мк.ед. СГСМ

1

7

0 0

8

9 10 11 12 13 14 15

50 мк.ед. СГСМ 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

Схематическое изображение модели

Рис. 1.14. Магнитное поле широтно ориентированной трипольской площадки при различной эффективной магнитной восприимчивости материала: а – 4000, б – 2000, в – 1000, г – 400, д – 100, е – 50⋅106 4π СИ.

76

Север

0.5 м 4м

9м

0.2 м

Карты изолиний магнитных полей моделей Минимальное сечение изолиний 10 нТ 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Минимальное сечение изолиний 5 нТ 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 h=1м 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

C

h=0м 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 h = 0.25 м 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

В а, нТ 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 h = 0.5 м 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

h = 1.5 м 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 h=2м 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 1.15. Магнитное поле трипольской площадки при различной глубине (h) залегания верхней кромки.

77

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

15 14 C 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Расчетная сеть 1 Х 1 м

Расчетная сеть 0.5 Х 0.5 м 15 14 12

12 10

Ва, нТ

8

110

6

9

6

100

4

90 80

2

3

70 0 0

2

4

6

8

10

12

60

14

50

Расчетная сеть 2 Х 2 м

40 30

0 0

3

6

9

12

15

Расчетная сеть 3 Х 3 м 15

20 10

12

0 -10

10

-20

8

-30 -40 -50

4

5

-60 -70 -80

0 0

4

8

-90

12

0

0

5

10

Расчетная сеть 5 Х 5 м

Расчетная сеть 4 Х 4 м

Рис. 1.16. Аномалии магнитной индукции над трипольской площадкой северовосточной ориентации, рассчитанные для различных сетей наблюдений.

78

15

Амплитуда и в некоторой мере форма аномалий зависит также от глубины залегания объекта. Такая зависимость иллюстрируется рис. 1.15. С увеличением глубины залегания источника магнитных масс амплитуда магнитной аномалии значительно уменьшается, а контур приобретает упрощенную, сглаженную форму, близкую овалу. Это четко видно на примере трипольской площадки северо-восточной ориентации с указанными выше геометрическими параметрами и эффективной магнитной восприимчивостью заполняющего материала 4000⋅4π10-6 СИ. Как на стадии проектирования работ, так и при интерпретации полученных магнитометрических данных интерес представляет зависимость формы и амплитуды аномалий от густоты сети наблюдений. На рис. 1.16 представлены магнитные аномалии, создаваемые той же, что и в предыдущем случае, площадкой, рассчитанные при различной густоте сети наблюдений. По мере разрежения сети амплитуда аномалии в общем случае уменьшается. Очертания аномалии приобретают все более обобщенную, сглаженную форму и как бы «расплываются», увеличиваются в размерах и заметно выходят за рамки контура аномального объекта.

79

1.5. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МАГНИТОРАЗВЕДКИ С ДРУГИМИ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.5.1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ При поисках и разведке, как археологических памятников, так и объектов техногенного происхождения могут быть использованы различные геофизические методы. Возможность обнаружения археологических и техногенных объектов методами геофизики базируется на отличии физических свойств материалов, слагающих эти объекты, от свойств окружающей среды. Так, электроразведка основана на различии искомых объектов и вмещающих пород по электрическим свойствам (электрическому сопротивлению, поляризуемости и др.); сейсморазведка – на различии упругих свойств, определяющих скорость прохождения упругих волн; гравиразведка – на различии плотностей. В связи с этим применимость того либо иного геофизического метода в конкретных условиях оценивается, прежде всего, исходя из контрастности физических свойств объектов и вмещающей их среды. Однако кроме этого приходится учитывать также геометрические параметры объектов исследований, условия их залегания и, в конечном итоге, – создаваемые ими аномальные эффекты. В качестве примера приведем анализ применимости наиболее распространенных геофизических методов на античных поселениях Крыма. По данным, приведенным в работе А.К. Станюковича и Ю.Я. Ружина 56, особенностью таких археологических памятников в данном регионе является широкое использование практически немагнитного строительного материала – известняка. Вмещающая среда для известняковых стен (цоколей) представлена суглинком. Физические свойства этих материалов приведены в таблице 1.8. Учитывая практически нулевую намагниченность основного материала древних построек, их обнаружение магнитометрическим методом на первый взгляд представляется совершенно нереальным. В действительности все обстоит несколько иначе. Как видно из таблицы 1.8, благоприятные физические предпосылки имеются для применения гравиразведки, сейсморазведки и электроразведки. Однако применение гравиразведки оказывается невозможным. Несмотря на высокую избыточную плотность известняка (порядка 0.5 г/см3), массы каменного материала не столь уж значительны. Расчетные значения аномалий силы тяжести не превышают 0.005 мГл, что на уровне порога чувствиительности современных серийных гравиметров. Сейсморазведка, несмотря на заметный перепад скоростей упругих волн, также неприменима в данных условиях в виду слишком малых поперечных размеров остатков известняковых стен. В то же время магнитометрия оказывается достаточно эффективным методом. Как показано в цитируемой работе, над известняковыми стенами фиксируются локальные отрицательные аномалии амплитудой 2–10 нТ, 80

которые в большинстве случаев могут уверенно фиксироваться современными магнитометрами. Кроме этого по данным магнитометрии можно выделить характерные для античных поселений хозяйственные ямы, землянки, рвы и т.п. Вследствие различия магнитных свойств заполняющих материалов и вмещающих их суглинков такие объекты создают положительные локальные аномалии амплитудой до нескольких десятков нанотесла. Таблица 1.8. Физические свойства некоторых материалов античных памятников Крыма. Структурные элементы культурного слоя Известняковые стены Суглинок

Удельное Скорость Магнитная Плотность, распространения восприим- электрическое г/см3 сопротивление, упругих волн, чивость, -6 км/с Ом ⋅ м κ⋅ 4π10 СИ 1.8 – 2.9

1.0 – 5.6

0 –1

500 –700

0.8 – 1.5

0.8 – 1.8

40 – 64

20 – 60

Благоприятствует проведению магнитной разведки и наличие глинистого материала, который после обжига приобретает повышенную магнитную восприимчивость и сильную остаточную намагниченность. На археологических памятниках Крыма этот материал представлен керамическими сосудами и их фрагментами, черепицей, развалами сырцовых стен, глинобитными полами, гончарными печами и другими объектами. Как отмечается в той же работе 56, «...спецификой многих поселений Крыма, является слой обгорелых остатков – свидетельство внезапной гибели, поэтому заполнение помещений оказывается сильно магнитным, и некоторые стены выделяются не слабыми отрицательными аномалиями ΔТ, а по перепаду значений от высоких – внутри помещения до фоновых – за его пределами». Относительно электроразведки следует отметить, что все перечисленные объекты (кроме стен) для нее практически неразличимы, а при поисках цоколей стен получают, в основном, результаты, дублирующие магнитометрические данные. В связи с этим широкое применение электроразведки в данных условиях вряд ли целесообразно. Таким образом, наиболее информативным методом исследований античных памятников Крыма следует считать магниторазведку. Естественно, что в более благоприятных условиях, при изучении множества других памятников с высокой контрастностью магнитных свойств искомых археологических объектов эффективность магнитометрических исследований может быть значительно выше. Не исключено, что в иных условиях не меньшей разрешающей способностью будут обладать и другие геофизические методы. При выборе одного из нескольких, равнозначных по информативности методов геофизических исследований необходимо учитывать также затраты времени и средств, сложность технологии исследований и другие показатели. Некоторые из них представлены в таблице 1.9. 81

Таблица 1.9. Сравнительная характеристика различных геофизических методов. № пор

Показатель

1

Стоимость аппаратуры (аппаратурного комплекса)

Магнито- ЭлектроГравиСейсморазведка разведка разведка разведка Самая низкая

Высокая*

Низкая

Самая высокая

2

Степень сложности Самая Высокая* Высокая Самая обслуживания аппаратуры низкая высокая 3 Степень сложности Самая Низкая Высокая Высокая технологического процесса высокая 4 Квалификация Средняя Высокая,* Высокая Высокая исполнителей средняя 5 Производительность Высокая Низкая Низкая Низкая полевых работ 6 Сложность камеральной Низкая Высокая* Высокая Высокая обработки результатов наблюдений 7 Состав полевого отряда 1, 2** 2–3 1–2 3–5 (чел.) 8 Затраты на сопутствующие Низкие Низкие Высокие Низкие геодезические работы 9 Стоимость исследований Самая Самая Высокая Высокая единицы площади низкая высокая 10 Информативность Самая Высокая Низкая Средний (наиболее вероятный высокая уровень уровень) ______________________ * Высокий уровень показателей относится к сложным методам электроразведочных исследований (электромагнитным на высоких частотах, радиолокационным и некоторым другим) ** Численность полевой бригады с протонным магнитометром – 1 чел., с квантовым – 2 чел.

Как видно из таблицы, магниторазведка заметно превосходит по всем показателям другие методы геофизической разведки. Магнитометрический метод является наиболее универсальным, информативным, экспрессивным и экономически выгодным методом геофизических исследований в археологии. К этому следует добавить, что методы магнитометрии, как и другие геофизические методы (в отличие от традиционных археологических), позволяют проводить неразрушающие поиски и исследования археологических памятников и не оказывают при этом нежелательных воздействий на окружающую среду.

82

1.5.2. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МЕТОДОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Прежде чем включать в комплекс с магниторазведкой другие методы разведочной геофизики, необходимо вначале исследовать возможности комплексирования магнитометрии с градиентометрией и каппаметрией. Так, градиентометрическая съемки с одновременными замерами магнитной индукции на двух уровнях над земной поверхностью – ослабляет эффект от близлежащих магнитных объектов; – может уточнять карты магнитного поля участков, расположенных вблизи зданий, содержащих железо или кирпич; – минимизирует эффект от проходящего транспорта; – дает ценную дополнительную информацию на участках не уверенной интерпретации аномалий магнитной индукции. Новая ценная информация может быть получена также по данным съемки магнитной восприимчивости. Преимущества полевых измерений каппаметрами по сравнению с магнитными съемками в том, что полученные результаты более просты для истолкования и в ряде случаев позволяют более четко установить горизонтальную проекцию скрытого объекта. Магнитометры относятся к категории пассивных измерительных приборов. Они измеряют уже существующее магнитное поле объекта вместе с постоянным магнитным полем Земли. В отличие от них каппаметры являются активными средствами исследований. Они создают собственное магнитное поле и фиксируют, как данный объект это поле изменяет. Магнитометры измеряют поле, созданное суммой индуктивной и остаточной намагниченности объекта, а каппаметры реагируют только на индуктивную намагниченность. (В принципе, если измерения магнитометром и каппаметром произведены одновременно, индуктивную и остаточную намагниченность можно определить раздельно). Наконец, магнитная аномалия часто представлена областью как положительных, так и отрицательных значений поля. Аномалия магнитной восприимчивости над тем же объектом может иметь только повышенные значения. Для проведения каппаметрической съемки с целью поисков археологических объектов или их крупных фрагментов измерители магнитной восприимчивости российского производства не могут быть использованы. Они предназначены для измерения магнитной восприимчивости образцов материалов. При этом намагничивающее поле проникает всего на несколько сантиметров внутрь образца или вглубь земли при измерениях на ее поверхности. Этого явно недостаточно для поисков археологических объектов, погребенных обычно слоем рыхлых отложений мощностью от 0.1 до 1.5–2 м. Каппаметрические исследования этими приборами могут проводиться лишь в процессе археологических раскопок, например, для поисков отдельных предметов или мелких фрагментов объектов, залегающих в непосредственной близости от поверхности наблюдений (до 5–7 см). Такие исследования проводятся обычно по густой сети, с размером ячейки от 10×10 см2 и более. В настоящее время в западных странах разработано несколько моделей измерителей магнитной восприимчивости специально для археологических исследований. В частности, измеритель электромагнитной индукции EM38 производства Geonics (Канада) может измерять кажущуюся магнитную 83

восприимчивость почвы на глубине 0.5–2 м; модель EM31 позволяет обнаруживать объекты на еще большей глубине. Эти приборы могут измерять также кажущуюся электрическую проводимость земли. Другая модель каппаметра MS32 фирмы Bartington Instruments (Англия) измеряет восприимчивость на глубине до 0.2 м. Подобный прибор модели 3101А выпускает Bison Instruments (США). Поиски археологических объектов такими приборами осуществляется по такой же сети наблюдений, что и магнитная съемка. При выборе сети нужно учитывать, что контуры выявленных таким образом аномалий, хотя и несколько размыты, но ближе реальным контурам объектов по сравнению с магнитными аномалиями, зафиксированными магнитометрами. Учитывая перечисленные выше особенности и возможности современной измерительной аппаратуры, вполне очевидно, что каппаметрическая съемка является важным компонентом комплекса магнитометрических исследований, позволяющим получить принципиально новую дополнительную информацию об искомых объектах и существенно повысить эффективность метода магнитной разведки в целом.

1.5.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Основные принципы комплексирования методов геофизической разведки можно сформулировать следующим образом: – другой геофизический метод включается в комплекс работ лишь в том случае, когда поставленные поисковые задачи одним методом решаются не полностью или неоднозначно; – из всех возможных геофизических методов в комплекс включается тот, который в данных физико-археологических условиях обладает наибольшей информативностью; – при прочих равных условиях предпочтение отдается методу, который по сравнению с другими в данных условиях обеспечивает экономию средств и времени на достижение поставленных целей. Несмотря на отмеченные выше достоинства магниторазведки, в некоторых случаях магнитометрические исследования археологических памятников не могут решить все поисковые задачи или решают отдельные задачи недостаточно надежно. Такая ситуация может возникнуть при неблагоприятных физико-геологических и археологических предпосылках или, например, при проведении съемки в условиях высокого фона магнитных помех. В этом случае в комплекс археологических исследований наряду с магнитометрией включается еще один, редко – два других геофизических метода. В соответствии с указанными выше принципами наиболее часто в комплексе с магниторазведкой проводят электроразведочные исследования, реже – сейсморазведочные и только в исключительных случаях (при поисках объектов весьма значительных масс) – гравиразведочные. В связи с этим ограничимся рассмотрением комплекса магниторазведки и электроразведки. Применение электроразведки в археологии имеет столь же давнюю историю, как и магниторазведки. Более того, в 60-е гг. электроразведочные исследования проводились, вероятно, чаще, чем магнитометрические, что связано, прежде всего, с недостатками магниторазведочной аппаратуры того 84

времени (низкая производительность работ, невысокая точность измерений, необходимость установки магнитометра на треноге, то есть, на значительном удалении от источников аномалий археологического происхождения). Известно немало примеров весьма успешного применения электроразведочных исследований в археологии. Некоторые из них приведены, например, в работе Г.С. Франтова и А.А. Пинкевича 64. Наиболее эффективными были электроразведочные работы методом сопротивлений (симметричное и дипольное электропрофилирование) особенно при поисках археологических объектов, содержащих каменные развалы, остатки стен, а также древних рвов и хозяйственных ям. В частности, в Украине исследования методом дипольного осевого электропрофилирования в 60–70 гг. проводились В.П. Дудкиным 13. Амплитуды аномалий дипольноосевого профилирования значительно выше сравнительно с аномалиями, которые фиксируются симметричным профилированием. Кроме того, на 50 % возрастает производительность работ по сравнению с методом симметричного профилирования. Несколько характерных примеров применения дипольно-осевого электропрофилирования для поисков различных археологических объектов представлено на рис. 1.17. Во время раскопок на поселении усатовской культуры у с. Маяки Одесской области в 1965–1965 гг. В.Г. Збеновичем 25 была обнаружена и частично прослежена окаймляющая поселение погребенная депрессия, интерпретированная как древний ров. По данным раскопок, характерная особенность заполнения рва состоит в появлении в его верхней части (в интервале глубин от 0.6–0.7 м от поверхности до 1.2 м) золистого темного пятна, представленного светло-серым мелкоструктурным суглинком с примесью пепла. Ниже залегает серо-желтая смесь суглинка с материковым лессом. Дно рва находится на глубине 3.7 м. Ширина рва в верхней, близкой поверхности части достигает 5 м, до глубины 2 м ров плавно сужается, а еще ниже его стенки становятся почти вертикальными. Дипольное осевое профилирование проводилось с целью трассирования древнего рва по системе профилей, ориентированных вкрест его простирания. Измерения проводились односторонней дипольной установкой с питающим диполем 2 м, приемным – 1 м, при расстоянии между центрами диполей 6.5 м. Результаты исследований приведены на рис. 1.17, а. На всех профилях ров отмечается аномальным понижением удельного электрического сопротивления на 40–45 %. Надежное определение местоположения рва было подтверждено результатами раскопок. Карта графиков дипольного профилирования дает основания для вывода о том, что удельное сопротивление культурного слоя значительно ниже, чем сопротивление окружающих пород. Другой пример, представленный на рис. 1.17, б, иллюстрирует применение дипольного профилирования с целью оконтуривания жилищ на поселении римского времени у с. Фурмановка Килийского района Одесской области. Для разведки был выбран участок площадью 740 м2 в южной части поселения. В пределах участка отсутствовал верхний слой почвы, снятый бульдозером, и непосредственно на поверхность выходил культурный слой мощностью 0.7 м. Ниже залегал желтый суглинок, переходящий в красноцветные глины. Остатки жилищ располагались в культурном слое на глубине 0.5–0.7 м. 85

Дипольное профилирование проводилось с шагом 1 м по системе профилей через 1 или 2 м дипольной установкой с одинаковыми размерами питающего и измерительного диполей – 1 м, при разносе между центрами диполей 4 м. Аномальные зоны, соответствующие местоположению искомых объектов, выделялись по карте графиков по максимумам удельного электрического сопротивления. Три шурфа, заложенные в местах наиболее характерных аномалий, однозначно подтвердили надежность используемой методики. В процессе исследований некрополя античного города Ольвия в качестве эталонного объекта был выбран каменный склеп, обнаруженный в 1965 г. Ю.И. Козуб на глубине 4 м. Характерным поисковым признаком большинства склепов является наличие в их верхней части линзообразной пустоты, обладающей высоким сопротивлением электрическому току. Как видно на рис. 1.17, в, склеп отмечается четкой аномалией удельного электрического сопротивления. Исследования проведены дипольной установкой с размерами питающего диполя 3 м, приемного – 1 м, при расстоянии между центрами диполей 10 м. Продолжение исследований на участке некрополя площадью 600 м2 с установкой указанных размеров позволило выделить еще несколько типичных для склепов аномалий. Приведенные примеры свидетельствуют о высокой разрешающей способности метода дипольного осевого электропрофилирования. В работе А.К. Станюковича 57 описан положительный опыт геофизического изучения памятников археологии трехэлектродной фокусированной установкой в модификациях вертикального электрического зондирования и симметричного электропрофилирования. Известно и ряд других примеров успешного использования метода электрического сопротивления в археологии. Однако по мере совершенствования магнитометрической аппаратуры поток сообщений об использовании электрических методов разведки заметно ослабевает. Электроразведка методом сопротивлений на постоянном и низкочастотном переменном токе при исследованиях археологических памятников постепенно уходит на второй план. Несмотря на то, что археологические исследования этими методами в значительной мере потеряли актуальность, в некоторых случаях они могут быть использованы в ограниченных объемах и в настоящее время, в частности, методом дипольно-осевого профилирования. Высокую эффективность археологических поисков и производительность работ могут обеспечить современные приборы для электромагнитных исследований верхней части геологического разреза. Вместо удельного электрического сопротивления они измеряют электрическую проводимость земли (величину, обратную удельному сопротивлению). Большое разнообразие электромагнитных методов осложняет их описание. Наиболее часто используется прибор, оснащенный двумя катушками (в других случаях – кольцами) – передающей и приемной, которые укрепляются на горизонтальной штанге. Передающая катушка питается переменным синусоидальным напряжением низкой частоты. Электромагнитное поле катушки проникает в землю и при наличии там проводящего объекта индуцирует в нем вторичное электромагнитное поле, которое воздействует на приемную катушку и создает в ней соответствующий электрический ток. Величина тока будет тем больше, чем выше проводимость подземного объекта. 86

Электронный блок прибора сравнивает токи катушек и измеряет значение проводимости. Прибор регистрирует средневзвешенную проводимость земли в окрестностях инструмента – так называемую кажущуюся электрическую проводимость. Штанга с катушками в процессе измерений располагается горизонтально на высоте примерно 1 м над землей. Шаг измерений зависит от размеров искомых объектов и обычно составляет 1–5 м. а

б

C

ρ к, Омм ρ , Омм k

10

10

0

0 2 4м

0

- контуры жилищ

С

0

2

4м

в ρ к, Омм

10 5

0

Условные обозначения

0

1

2м

- склеп - контуры остатков жилищ - шурф - зольное пятно - контур древнего рва

Рис. 1.17. Результаты исследований археологических объектов методом дипольного осевого электропрофилирования (по В.П. Дудкину 13): а – карта графиков дипольного электропрофилирования над древним рвом на позднетрипольском поселении у с. Маяки; б – карта графиков дипольного профилирования на поселении римского времени; в – аномалия удельного электрического сопротивления (ρ к) над склепом.

Подобным образом осуществляются электромагнитные исследования приборами Geonics EM31 и EM38. Они упоминались выше как измерители магнитной восприимчивости, но могут наряду с этим определять и величину проводимости. Такую возможность обеспечивает электронная схема прибора, которая позволяет отличать эффекты скрытых проводников от магнитных объектов, содержащих железо или ферромагнитные минералы. 87

Для успешного применения электромагнитного метода исследований необходимо, чтобы искомые объекты отличались от вмещающей среды по их физическим свойствам, в данном случае – по электрической проводимости и (или) магнитной восприимчивости. Общее представление о проводимости различных материалов дает следующая шкала. Проводимость возрастает в порядке: воздушные пустоты – камни – песок и гравий – ил и плодородная земля – органическая почва – глина – соленая почва – металл. Минимальный размер объекта, определяемого прибором EM31 на глубине 6 м, составляет приблизительно 1–2 м; более мелкие тела определяются только на меньших глубинах. Наиболее точное определение параметров объекта возможно, когда его размеры приблизительно равны глубине залегания. Результаты электромагнитных исследований и измерений удельного электрического сопротивления имеют большое сходство. Однако электромагнитный метод исследований имеет ряд достоинств и преимуществ. Измерения методом удельного сопротивления занимают продолжительное время, требуется нескольких операторов, в то время как электромагнитные исследования проводятся быстро и выполняются одним оператором. В отличие от метода удельного сопротивления, в котором на каждой точке измерений требуется заземлять 4 электрода, прибор для электромагнитных исследований не нуждается в контакте с землей. При измерении удельного сопротивления трудно добиться необходимого контакта на Каменистой, жесткой или сухой поверхности земли. Поэтому в таких условиях съемки электромагнитный метод имеет дополнительное преимущество. Магнитометрический и электромагнитный методы исследований имеют практически одинаковые возможности для выявления относительно крупных археологических объектов на небольшой глубине. Оба метода относятся к числу быстродействующих. Который из них предпочтительнее – зависит от конкретной ситуации. Магнитометр идеален при поиске обожженных глин, почв, кирпичей, в то время как «электромагнитометр» предпочтительнее при поиске каменных скоплений или пустот, разрушенных насыпей, заполненных канав, рвов, мест захоронения. Таким образом, оба метода неплохо дополняют друг друга, и необходимость их комплексирования вполне обоснована. Более того, в некоторых случаях, когда применение магнитометрии в силу крайне неблагоприятных физико-археологических предпосылок бесперспективно, вместо магнитометрических исследований археологического памятника целесообразно предусмотреть именно электромагнитные. Однако метод электромагнитных исследований не лишен и некоторых недостатков. Наиболее значительный из них состоит в том, что глубина исследований не регулируется в отличие от метода удельного сопротивления, где чувствительность к определенной глубине устанавливается простым изменением расстояния между электродами. Выявленные аномалии, в отличие от аномалий магнитной индукции геомагнитного поля, количественно не интерпретируемы. По ним невозможно определить параметры скрытых на глубине объектов. Следует отметить также большую чувствительность электромагнитного метода к помехам. Это могут быть металлические листы, кровельное железо, металлические ограждения, кольцевые провода, линии электропередачи. В 88

таких случаях замеры можно делать не ближе 10 м от источника помехи. Разряд отдаленной молнии может вызвать интерференцию и искажение сигнала. Многочисленные источники интерференции часто встречаются вблизи городов, что существенно усложняет работу прибора. Отмеченные недостатки существенно ограничивают возможности применения электромагнитных методов на низких частотах при археологических исследованиях.

1.5.4. ГЕОЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ В последнее десятилетие все большую популярность и вес приобретают электромагнитные методы исследований на высоких частотах. Развитие этих методов привело к созданию геолокаторов (георадаров), которые широко используются за рубежом и начинают применяться у нас (в Киеве – научноисследовательское предприятие «Диаскарб») для зондирования приповерхностных слоев земли (до глубин 20–30 м). Основы геолокации в доступной форме изложены в книге М.И. Финкельштейна, В.А. Кутева, В.П. Золотарева 63, в статье А.А. Борисова 5 и других литературных источниках. Физические основы работы георадаров тождественны обычным радиолокационным устройствам, применяемым для зондирования воздушного пространства. Отличие заключается в том, что средой зондирования георадаров является массив грунта. В отличие от воздуха, в подземной среде энергия электромагнитных сигналов быстро затухает по мере удаления от источника, что значительно ограничивает диапазон зондируемых глубин. По мере роста частоты возрастает степень затухания электромагнитных волн в земле и ограничивается глубина зондирования, но одновременно с этим увеличивается разрешающая способность метода и точность измерений. Геолокация проводится электромагнитными импульсами микроволнового диапазона от 100 МГц до 1 ГГц. Выбранный диапазон частот обеспечивает оптимальные условия подземного зондирования на глубинах до 20–30 м, что вполне приемлемо в практике археологических исследований. Аппаратурный комплекс состоит их трех частей – микроволнового блока, блока управления и компьютера с соответствующим программным обеспечением. Микроволновой блок – приемник и передатчик со своими антеннами – располагается непосредственно на грунте. В комплекте предусмотрено несколько приемопередаточных антенн для различных частот сигналов. Микроволновой блок подключается к блоку управления, связанному с компьютером. Блок управления формирует последовательность управляющих временных сигналов для согласования работы всех компонентов георадара. Обслуживание радара осуществляется одним человеком, съемка выполняется при пешем передвижении. Как показано в работе А.А. Борисова 5, результаты зондирования с помощью георадаров имеют большое внешнее сходство с данными, получаемыми при сейсмической разведке по методу отраженных волн. В основе сходства результатов сейсмического и радиолокационного зондирования геологической среды лежит кинематическая аналогия процессов волнового распространения акустических волн в твердом теле и электромагнитных волн в материальной среде. Это позволяет применять известные в сейсморазведке 89

методы цифровой обработки сигналов к результатам радиолокационного зондирования. Вместе с тем применяются и другие специфические методы обработки данных, в частности, такие, которые разработаны для цифровой обработки изображений. В конечном итоге по линиям наблюдений получают электромагнитные разрезы, внешне напоминающие сейсмические. Поисковые возможности георадаров определяются отличием искомых объектов от вмещающей среды по таким электрофизическим параметрам, как диэлектрическая и магнитная проницаемость и электропроводность. Общее представление об электрических характеристиках некоторых почв и пород при частотах поля 100 МГц можно получить из таблицы 1.10, заимствованной из работы М.Н Финкельштейна, В.А. Кутева и В.П. Золотарева 63. Таблица 1.10. Электрофизические характеристики некоторых материалов Материал

Воздух Пресная вода Морская вода Песчаная почва сухая Песчаная почва влажная Глинистая почва сухая Глинистая почва влажная Гранит сухой Гранит влажный Глинистый сланец влажный Песчаник влажный Известняк влажный

Электри- Удельное ческая затухание провосигнала, димость, дБ/м См/м

Относительная диэлектрическая проницаемость

0 10-3 4 1.5⋅10-4 7⋅10-3 2.5⋅10-4 5⋅10-2 10-8 10-3

0 0.18 330 0.14 2.3 0.28 20 10-5 0.6

1 81 81 3 25 3 15 5 7

Фазовая скорость распространения сигнала, м/мкс 300 33 33 170 60 170 78 130 110

10-1

45

7

110

4⋅10-2 2.5⋅10-2

24 14

6 8

120 110

Геолокатор позволяет выделить геологические границы, инородные структурные включения, области отличного минералогического состава, повышенной влажности и, естественно, отдельные объекты как археологического, так и техногенного происхождения. Некоторое представление о материалах, получаемых по данным дистанционного электромагнитного зондирования с помощью георадара, можно получить из следующих иллюстраций, заимствованных, с любезного согласия авторов, из работы А.А. Борисова и др. 4. На рис. 1.18, а приведены результаты геолокационных исследований в районе Китаево. По профилю зондирования №1 обнаружено христианское захоронение XI века. В интервале координат 7–9 м на глубине 0.6 м раскопками найдено два черепа; далее по профилю раскопки не проводились. Ниже предполагается захоронение более раннего периода. 90

На следующем рисунке (рис. 1.18, б) отображены результаты электромагнитного зондирования по одному из профилей на территории КиевоПечерской Лавры вблизи Успенского собора (внешняя территория). На рисунке отмечается характерная особенность поля, которая интерпретируется как недокументированный ранее склеп. а 1

б Киево-Печерская Лавра Успенский собор

2

0

0

1

1 Г л у б и н а, м

Г л у б и н а, м

Китаево Профиль №1

2

3

Склеп

2

3

4 4

5 6

8

12 10 Р а с с т о я н и е, м

14

16

0

2

4

6

8 10 12 14 16 Р а с с т о я н и е, м

18

20

Рис. 1.18. Электромагнитные разрезы по данным геолокационных исследований георадаром: а – в районе Китаево: 1 – христианское захоронение XI в., 2 – предполагаемое захоронение более раннего времени; б – вблизи Успенского собора, Киево-Печерская Лавра.

Приведенные рисунки дают лишь самое общее представление о возможностях метода. Однако и на этих примерах можно убедиться, что метод чувствителен главным образом к верхним кромкам исследуемых объектов. (Например, труба большого диаметра фиксируется, главным образом, верхней четвертью ее поверхности). В большинстве случаев геолокация (как аналог метода отраженных волн в сейсморазведке) мало перспективна для картирования подошвы искомых объектов. Этот недостаток отчасти можно компенсировать построением набора горизонтальных электромагнитных срезов на разных глубинах, хотя это и не решает проблемы в целом. Некоторые модели современных георадаров зарубежного производства позволяют получить трехмерное изображение погребенных объектов на основе использования методов дифракционной томографии. Однако такие модели приборов изготовляются, как правило, по заказу и, к сожалению, в настоящее время археологам практически недоступны из-за непомерно высокой стоимости. В целом геолокационный метод исследований обладает большими, в ряде случаев – уникальными возможностями дистанционного неразрушающего исследования археологических объектов. Однако, как отмечает А.А Борисов 5, «...георадар, безусловно, не является 100% универсальным средством. Применение георадаров имеет свои ограничения в случае слож91

ных по структуре подземных областей или при наличии высокой влажности, когда имеют место сильное затухание сигналов. В таких случаях требуется комплексный подход с использованием других геофизических методов исследований. Существенной проблемой является насыщенность верхнего слоя разреза... разного рода объектами на глубинах до 2 м». Последняя проблема («насыщенности») может оказаться решающей для ограничения применения метода в конкретных физико-археологических условиях. Кроме того, георадар эффективно работает в грунтах и средах с высоким удельным электрическим сопротивлением: сухие пески, льды, пресная вода, известняки, граниты и другие кристаллические породы. Однако чувствительность прибора уменьшается в грунтах типа глины, суглинка, при возрастании влажности пород. Это тоже ограничивает применение метода. Следует также учесть высокую стоимость аппаратурного комплекса – порядка 20–50 тысяч долларов. Можно, конечно, проводить работы на правах аренды или по заказу. Тем не менее, вполне очевидно, что покрывать сетью электромагнитных профилей весь археологический памятник с помощью георадарной установки было бы слишком расточительно. Это может быть допустимо только в случае уникальной ценности исследуемых объектов. Поэтому в общем случае целесообразно было бы сочетать проведение недорогих площадных магнитометрических исследований всего памятника с профильными геолокационными работами на отдельных профилях или участках, в пределах которых поисковые задачи решаются магнитометрией не полностью или не однозначно. Подводя итог данному разделу, следует отметить, что комплексирование магниторазведки с другими геофизическими методами, особенно – с электромагнитными, во многих случаях необходимо и полезно. Однако, независимо от того, какой метод дополнительно включен в комплекс исследований, это всегда приводит к существенному удорожанию работ. Для того чтобы избежать далеко не всегда необходимого комплексирования, достаточно придерживаться следующих простых рекомендаций. 1) Поисковая результативность магнитометрии прямо и однозначно определяется достигнутой точностью съемки и густотой сети наблюдений. Чем выше точность и гуще сеть наблюдений, тем более надежно выявляются археологические объекты или их детали заданных размеров. Практически нет таких аномальных магнитных эффектов, создаваемых локальными археологическими объектами или их относительно крупными фрагментами, которые нельзя было бы обнаружить современными магнитометрами, обладающими точностью измерений до ±0.01 нТ. 2) При археологическом истолковании магнитометрических данных не следует ограничиваться результатами непосредственных измерений магнитной индукции, которые в большинстве случаев трудно интерпретируемы. Следует применить такие приемы и методы обработки магнитометрических данных, которые даже в трудных условиях позволяют достигнуть максимального уровня фильтрации неизбежных помех, усилить полезные особенности выявленных аномалий и представить информацию об исследуемых археологических объектах в четкой, наглядной форме. Некоторые из этих приемов и методов обработки в упрощенном виде рассматриваются в главе 3.

92

____________________________________________________

Глава 2 ПОЛЕВЫЕ МАГНИТОРАЗВЕДОЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Магниторазведочные исследования археологических памятников – это не простое множество измерений магнитного поля в произвольно выбранных точках местности. Магнитометрические наблюдения должны быть выполнены на исследуемой площади по определенной системе и с заданной точностью, и только в этом случае могут называться съемкой. Методика и техника (технология) проведения магнитных съемок представляет собой совокупность взаимосогласованных правил и рекомендаций, следуя которым можно обеспечить требуемое качество магнитометрических данных и в конечном итоге – достижение поставленных поисковых целей. Технология полевых магниторазведочных исследований хорошо разработана применительно к решению геологоразведочных задач. Она доведена до уровня стандарта, регламентируется технической инструкцией по магниторазведке 27 и обеспечивает высокую эффективность решения задач геологического картирования и поисков месторождений полезных ископаемых. Многие положения этой технологии (сохраним за ней название «стандартной») могут и должны быть использованы и при магниторазведочных исследованиях археологических памятников. Однако стандартная технология съемки применительно к археологии не в состоянии обеспечить той же эффективности, что и при решении геологических задач. Это связано со спецификой условий археологических исследований. К таким условиям относятся: весьма малые по геологическим масштабам размеры и глубины залегания искомых объектов, их, как правило, слабая корреляция в пределах памятника, сравнительно небольшие аномальные эффекты, требующие более высокой точности измерений, необходимость более тщательного учета вариаций магнитного поля Земли и ряд других. Из этого следует, что магнитные съемки археологических памятников не могут не отличаться от съемок геологического назначения по целевому назначению, сети и точности наблюдений, методам и приемам полевых исследований, обоснованию благоприятных предпосылок для проведения магниторазведочных работ. По технологическим особенностям съемки археологических памятников наиболее близки, так называемым микромагнитным съемкам. Однако микромагнитные исследования предназначены совсем для других целей, на практике применяются крайне редко и отличаются наименее разработанной, упрощенной технологией. В то же время, за последние полвека накоплен некоторый опыт магнитометрических исследований непосредственно в археологии. Технология этих исследований апробирована на многочисленных археологических памятниках различных культур в разных физико-археологических условиях. Положительный (как и отрицательный) опыт этих исследований заслуживает 93

внимания и подлежит учету при разработке оптимальной технологии проведении магнитных съемок археологического назначения. Таким образом, требуется синтез опыта магнитометрических исследований в археологии с основами стандартной технологии магнитных съемок. Излагаемая в данной главе технология полевых магнитометрических исследований археологических памятников является попыткой такого синтеза и, не претендуя на уровень стандарта, рекомендуется для практического использования. Наряду с вопросами применения магнитной разведки в археологии рассмотрены также возможности использования данного метода при поисках и картировании объектов техногенного происхождения.

2.1. ВЫБОР ЦЕЛИ И АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОВЕДЕНИЯ МАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ При поисках и разведке, как археологических памятников, так и различных объектов техногенного происхождения могут быть использованы различные методы геофизических исследований. Одним из наиболее эффективных и в то же время простых и экономически выгодных является метод магнитной разведки. Магниторазведочные исследования могут проводиться для достижения следующих целей: – получение первичной информации о наличии предполагаемых, скрытых в земле археологических объектах для выделения инвестиций под раскопки; – выявление и картирование скрытых наносами отдельных объектов или всего памятника древней культуры (или истории); – выявление характерных особенностей археологического памятника; – детальные исследования археологических памятников различных культур с целью построения планов расположения древних построек и структурных планов поселений с упорядоченным характером их застройки; – решение вопросов охраны погребенных археологических памятников, оценки их состояния, обеспечение сохранности в процессе строительных работ, прокладки дорог и подземных коммуникаций; – уточнение местоположения отдельных объектов перед началом археологических раскопок или строительных работ; – оценка формы и глубины залегания искомых объектов; – экстраполяция контуров исследуемых объектов в процессе раскопок за пределы периметра раскопа; – экономия финансовых затрат на поисковые археологические раскопки; минимизация затрат труда и времени на изучение памятника. Определившись с целью (или группой целей) магнитометрических исследований, можно приступить к анализу условий, как благоприятных, так и неблагоприятных, для проведения магниторазведочных работ заданного целевого назначения. Магнитометрические исследования в археологии успешно применяются для выделения отдельных, достаточно крупных археологических объектов – остатков жилищ, построек хозяйственного и ритуального назначения, печей, хозяйственных ям, фортификационных сооружений и многих других, а 94

также с целью воссоздания или уточнения плана древних поселений в целом. В течение последних десятилетий накоплен большой опыт подобных работ, который требует анализа и обобщения. Физической основой магнитного метода разведки есть различие магнитных свойств (намагниченности) искомых объектов и вмещающей их среды. Это фундаментальное для магниторазведки условие соблюдается практически на всех археологических памятниках. В одних случаях повышенная намагниченность археологических памятников связана с наличием значительных масс обожженной глины и изделий из нее в местах расположения остатков жилищ (стен, пола, печей и др.). Например, трипольские площадки, по материалам раскопок, содержат иногда до нескольких тонн обожженной глины и имеют размеры в плане до 50 м2 и более. Вследствие термоостаточной намагниченности обожженных глин, во много раз превосходящей их естественную намагниченность, археологические объекты могут создавать значительные магнитные аномалии, которые, в частности, на трипольских поселениях, характеризуются амплитудами от нескольких десятков до нескольких сотен нанотесла. В других случаях погребенные слоем наносов остатки археологических объектов – жилищ, ям, рвов и многих других – образуют локальные участки размером до нескольких метров, заполненные материалом с повышенными магнитными характеристиками по сравнению с вмещающими слоями пород. Подобные объекты, залегают обычно неглубоко, и даже при небольшом различии магнитной восприимчивости коренных пород и перекрывающего их слоя наносов фиксируются магнитными аномалиями с амплитудой, вполне достаточной для их выявления высокоточной магнитной съемкой. Наконец, с археологическими памятниками тесно связан культурный слой, содержащий остатки предметов и продуктов деятельности человека, в том числе изделий из металла, обожженной глины, камней из кристаллических пород и других. В некоторых случаях культурный слой может быть отождествлен с самим памятником. Хотя культурный слой в среднем слабо отличается от вмещающей среды по физическим свойствам, но ряд участков, насыщенных магнитоактивным материалом, может быть выделен вполне уверенно. Магнитные характеристики большинства типов археологических объектов регионов Украины и Молдовы исследованы на сравнительно небольшом количестве образцов, отобранных из нескольких десятков археологических памятников, расположенных на территории Среднего Поднепровья, Украинского Полесья, Северного Причерноморья, Крыма, Юго-запада Украины и Молдовы. Тем не менее, по результатам исследований, приведенным в предыдущей главе, установлено, что археологические объекты различных типов значительно отличаются по магнитным свойствам один от другого и от вмещающей их среды (см. табл. 1.4). На основании анализа статистических характеристик археологических остатков доказана высокая вероятность обнаружения и выделения ряда археологических объектов по магнитометрическим данным (табл. 1.5). Таким образом, в большинстве случаев физические предпосылки для постановки магниторазведочных работ на археологических памятниках достаточно благоприятны. 95

К числу других условий, благоприятных для постановки магнитной съемки, относятся следующие: – однослойность археологического памятника; – небольшая глубина и мощность культурного слоя; – хорошая сохранность археологических остатков; – выдержанность магнитных характеристик однотипных археологических объектов на всей площади исследуемого памятника; – значительные размеры намагниченных объектов по сравнению с глубиной их залегания; – значительная глубина залегания коренных (кристаллических) пород, по сравнению с глубиной залегания искомых археологических объектов; – отсутствие в верхней части геологического разреза слоя пород с повышенной магнитной восприимчивостью, который может экранировать магнитное поле нижележащих искомых объектов; – благоприятные геометрические параметры археологических объектов; – достаточно большой объем магнитных масс и аномальный эффект, создаваемый искомыми объектами; – относительно низкий уровень магнитных помех, особенно в почвенном слое; – отсутствие магнитных помех техногенного происхождения; – отсутствие современных ям, траншей, мест выбора камня и последствий других горных работ на территории памятника; – спокойный рельеф дневной поверхности и подстилающих пород; – отсутствие на территории археологического памятника свалок железного лома, бытового мусора и т.п. Несоблюдение каких-то из названных условий не означает, что применение магнитной разведки археологических памятников в данной ситуации бесперспективно (исключая, вероятно, случай работы на участке с крайне высоким уровнем помех техногенного или антропогенного происхождения). Но это создает определенные неудобства или трудности при выполнении съемок, требует вынужденное усложнение технологии магнитных съемок или не обеспечивает возможности надежного решения каких-то из сформулированных выше задач. Высокая эффективность магниторазведочных исследований в археологии доказана не только теоретически, но и положительным опытом практического применения магнитного метода разведки в течение последних 50 лет на многих десятках археологических памятников. Магнитометрические исследования объектов техногенного происхождения также имеют надежную физическую основу. Из всего множества подобных объектов будем рассматривать лишь те, которые располагаются в непосредственной близости от земной поверхности на глубинах до 1–5 м. Это могут быть: – подземные трубопроводы, водопроводы, сооружения оросительных систем; – погребенные остатки военной техники и боеприпасов; – захоронения времен Великой отечественной войны; – подземные ходы, бункеры, другие подземные сооружения. Все эти объекты в большинстве случаев представляют собой (или содержат) изделия из металла (железо, сталь, чугун) или конструкции из 96

железобетона. По магнитным характеристикам такие материалы значительно превосходят магнитные свойства археологических остатков. Кирпичные, каменные кладки, многие конструкции из бетона также имеют повышенные магнитные характеристики. По размерам техногенные объекты обычно превосходят объекты археологического происхождения. Поэтому создаваемые ими аномальные эффекты могут значительно превышать аномалии от археологических объектов. Таким образом, применение магнитометрии при поисках и разведке большинства техногенных объектов не менее эффективно, чем при исследованиях археологических памятников. В настоящее время накоплен некоторый положительный опыт применения магнитной разведки для поисков техногенных объектов, свидетельствующий о высоких разрешающих способностях данного метода исследований. Несколько примеров таких поисков рассмотрено в главе 4. Отдельную группу техногенных объектов в приповерхностном слое земли составляют линии подземных кабелей (силовых, телефонных) и других коммуникаций для передачи сигналов или электрического напряжения. Для их поисков и трассирования применяются, главным образом, электромагнитные методы исследований.

97

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ СЪЕМОК Магнитные съемки могут проводиться: – протонными и квантовыми магнитометрами, измеряющими модуль вектора магнитной индукции (напряженности) магнитного поля Земли; – магнитными градиентометрами, предназначенными для измерения вертикального (и/или горизонтального) градиента геомагнитного поля; – компонентными магнитометрами, измеряющими X-, Y- и Z-составляющую вектора магнитной индукции Земли. В зависимости от измеряемой характеристики геомагнитного поля различают съемки магнитные (магнитометрические), градиентометрические и компонентные (см. табл. 2.1). Градиентометрические съемки будут рассмотрены в отдельном разделе, а компонентные в археологи пока не практикуются. Точность магнитной съемки является одной из наиболее важных ее характеристик. Точность съемки оценивает ее качество. Определяется точность величиной среднеквадратической погрешности измерений магнитной индукции. В зависимости от точности наблюдений различают магнитные съемки средней точности, высокоточные и прецизионные (съемки пониженной точности не рассматриваются). Съемки средней точности выполняются со среднеквадратической погрешностью до ±(5–8) нТ и обеспечивают возможность построения карт изолиний магнитного поля с сечением 20 или 25 нТ. В практике археологических исследований не применяются. Высокоточной считается съемка, выполненная со среднеквадратической погрешностью не свыше ±(2–4) нТ, что позволяет строить карты изолиний магнитного поля с сечением через 5 или 10 нТ. Это основной вид съемок археологического назначения. Прецизионные магнитные съемки проводятся с точностью не ниже ±(0.3–1) нТ, позволяющей строить карты изолиний магнитного поля с сечением через 1 или 2 нТ. Применение таких съемок желательно для магниторазведочных исследований весьма слабо намагниченных археологических объектов. Таблица 2.1. Классификация магнитных съемок. Сеть наблюдений, м2

Средней точности

Средняя квадратическая погрешность, нТ 5–8

Высокой точности

2–3

от 4 × 4 до 0.5×0.5

0.3–1

1×1, 0.5×0.5

не более 1–2 нТ/м

2×2, 1×1

Наименование съемок

Прецизионные Градиентные

(1..5)×5, (2..5)×10

При археологических изысканиях наиболее часто применяются высокоточные съемки со среднеквадратической погрешностью не выше ±(2–3) нТ. 98

Достижение точности прецизионных съемок требует дополнительных затрат (в частности, на проведение обязательных измерений вариаций геомагнитного поля), поэтому применение прецизионных исследований должно быть хорошо аргументировано. Для картирования объектов техногенного происхождения используются съемки средней или высокой точности. По назначению (в зависимости от решаемых задач) съемки классифицируются как поисковые и разведочные. Цель поисковых магнитометрических исследований состоит в том, чтобы найти (не пропустить) аномалии, связанные с искомыми объектами. Разведочные съемки планируются для уточнения формы, размеров и других характеристик объектов исследований. В зависимости от системы наблюдений различают съемки маршрутные, профильные и площадные. Маршрутные съемки выполняются по изломанным линиям наблюдений: вдоль полевых дорог, берегов водотоков, балок, по дорогам, тропам, границам полей и т.п. Профильные съемки проводятся по прямым линиям, проложенным инструментально (обычно – на пересеченной местности). Наблюдения по профилям и маршрутам производятся, как правило, с постоянным шагом наблюдений. Маршрутные и профильные съемки планируются обычно при рекогносцировочных или поисково-оценочных исследованиях, когда необходимо выяснить возможности магнитометрического метода исследований в данных условиях, определить местоположение и общие размеры памятника или отдельных его объектов, оценить аномальные эффекты, создаваемые искомыми объектами, форму и размеры связанных с ними аномалий. Такие исследования целесообразно выполнять на стадии проектирования магниторазведочных работ и совмещать, по возможности, с археологическим обследованием местности. Результаты наблюдений по профилям и маршрутам отображаются графиками магнитного поля. Основным, наиболее распространенным типом магнитной съемки есть съемка по площади. Она выполняется по системе сближенных профилей, проложенных на одинаковом расстоянии один от другого. Расстояние между профилями выбирается в зависимости от продольных размеров искомых аномалий и не должно превышать расстояние между точками наблюдений по профилям более чем в 3–4 раза. Соблюдение этого условия обеспечивает надежную интерполяцию значений поля в интервале между профилями и позволяет отображать магнитные аномалии в виде карт изолиний магнитной индукции. В противном случае съемка считается профильной, и ее результаты могут быть представлены лишь картой графиков аномалий магнитного поля. Расстояние между профилями и пунктами измерений по профилям определяют сеть наблюдений магнитной съемки. Вопросы выбора густоты сети съемки рассматриваются в следующем разделе. Магнитометрические исследования техногенных объектов в зависимости от их размеров и протяженности могут проводиться в варианте как профильной (маршрутной), так и площадной съемки. Масштаб магнитной съемки определяется густотой сети наблюдений. Согласно правилам, принятым в геофизике и топографии, масштаб определяется из такого расчета, чтобы расстояние между профилями укладывалось приблизительно в 1 см карты. При этом знаменатель масштаба должен быть кратным «круглому» числу (которое целое число раз укладывается в 99

1000) – 100, 200, 500, 1000 и т.д. Например, съемка по сети 2×2 м2 соответствует масштабу 1:200, а съемка по сети 4×4 м2 – масштабу 1:500. Для магнитных съемок археологического назначения определение такой характеристики, как масштаб, не принципиально. Чаще всего вместо рассчитанного масштаба приходится употреблять более мелкий, что обеспечивает лучшие условия визуального восприятия множества объектов исследуемого памятника. Так, можно еще согласиться с формально рассчитанным масштабом при изображении карты небольшого поселения, исследованного магнитной съемкой по сети, скажем, 2×2 м2. При размерах памятника близких 100 м карта магнитного поля умещается на полуметровом листе бумаги, что вполне приемлемо. Но попытка изобразить при той же сети съемки карту памятника километровой протяженности заставила бы употребить лист бумаги размером 5 метров, что было бы не рационально. Таким образом, определенный расчетом масштаб наиболее целесообразно понимать (и применять) как максимально допустимый масштаб изображения результатов съемки, при котором информационная насыщенность карты магнитного поля еще остается достаточно высокой (не менее чем 1 точка наблюдений на 1 см2 карты). На практике масштаб изображения карт магнитного поля выбирается произвольно, исходя из удобства работы, но не крупнее того, что рассчитан согласно приведенному выше правилу. Объективные материалы в более крупном масштабе могут быть получены только на основе детализационных работ, выполненных по более густой сети наблюдений.

100

2.3. СЕТЬ И ТОЧНОСТЬ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ 2.3.1. ВЫБОР ТОЧНОСТИ МАГНИТНОЙ СЪЕМКИ Точность магнитной съемки должна быть, по возможности, максимально высокой. Она определяется с таким расчетом, чтобы среднеквадратическая погрешность измерения характеристик магнитного поля не была выше 20– 30% амплитуды минимальных ожидаемых магнитных аномалий, создаваемых искомыми археологическими объектами. На стадии проектирования работ точность съемки выбирается исходя из требования, чтобы среднеквадратическая погрешность съемки (ε) была в 3–5 раз меньше амплитуды минимальных аномалий, представляющих поисковый интерес:

⎛1 1⎞ ε = ⎜ ... ⎟ Amin ⎝3 5⎠

(2.1)

Например, для выявления объектов с минимальной амплитудой создаваемых ними аномалий 10–15 нТ достаточно обеспечить достижение точности съемки порядка ± 2÷3 нТ. Амплитуды минимальных искомых аномалий можно рассчитать на основе физико-археологических моделей археологических объектов, определить опытным путем на участке работ непосредственно перед началом съемки или оценить по опыту работ прошлых лет в аналогичных условиях. Оценка реально достигнутой в процессе съемки точности осуществляется по данным специально предусмотренных для этого контрольных измерений в процессе полевых работ.

2.3.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ Сеть магнитометрических наблюдений определяется расстоянием между профилями съемки и расстоянием между точками измерений по профилю (шагом съемки). Эти расстояния определяются, в свою очередь, исходя из назначения съемки и в зависимости от размеров минимальных археологических объектов, представляющих поисковый интерес. Так, на стадии поисков густота сети наблюдений должна быть такой, чтобы не пропустить минимальные по размерам искомые объекты в пределах изучаемого археологического памятника. На стадии детального исследования археологических объектов (разведки) густота сети наблюдений должна быть выше, по меньшей мере, настолько, чтобы обеспечить необходимую точность установления контуров изучаемых объектов и приемлемую точность определения их параметров на основе количественной интерпретации выявленных магнитных аномалий. Учитывая различие целей поисковых и детальных магниторазведочных исследований, а также разнообразие археологических объектов по форме, 101

глубине залегания и размерам даже в пределах отдельного памятника, расчет сети наблюдений представляет собой непростую задачу. Решение вопроса о густоте сети наблюдений осложняется еще и тем обстоятельством, что магнитометрические исследования позволяют обнаружить не сам археологический объект, а только связанную с ним магнитную аномалию. Таким образом, вопрос о выборе сети должен решаться в зависимости не от ширины и длины искомых объектов, а от размеров создаваемых ими аномалий. Поэтому практически невозможно правильно рассчитать сеть магнитометрических наблюдений, не задаваясь предварительно минимальными размерами ожидаемых на площади съемки магнитных аномалий. Так как размеры искомых аномалий до начала работ, как правило, не известны, расчет сети наблюдений чаще всего обосновывается все же размерами искомых археологических объектов. Наиболее вероятные (типичные) размеры ожидаемых на площади исследований археологических объектов всегда можно с той либо иной степенью надежности оценить по данным археологических работ прошлых лет в аналогичных или сходных условиях. В связи с этим возникает вопрос, как зависят форма и размеры аномалий от геометрических параметров исследуемых намагниченных объектов? Условимся определять размеры аномалии магнитной индукции по ее ширине на уровне 2–4 нТ, соответствующем уровню погрешности съемки. В этом случае размеры локальной магнитной аномалии, согласно расчетам, всегда будут не меньше размеров соответствующих им аномальных объектов, если только их намагниченность не ниже чем (30–40)⋅10-3 СИ, что, как показано в главе 1 и в работе автора 18, практически всегда имеет место. На основании теоретических расчетов магнитных аномалий от модельных тел простой формы (шар, цилиндр, призма и др.) известно также, что форма и размеры магнитных аномалий зависят от формы и глубины залегания отвечающих им намагниченных объектов. Твердо установлена следующая особенность: чем больше горизонтальные размеры объекта (D) и глубина залегания (h) магнитных масс, тем большими будут поперечные размеры аномалий магнитной индукции. Если источник аномалии с поперечными размерами D < h залегает на значительной глубине, ширина магнитной аномалии может в несколько раз превосходить размеры аномального объекта. При уменьшении глубины залегания намагниченных масс форма аномалий магнитной индукции изменяется, они становятся уже, контрастнее. В предельном случае, когда археологический объект залегает в непосредственной близости от земной поверхности (на глубине h≈10..30 см) и имеет сравнительно большие поперечные размеры, намного превышающие глубину h (т.е. D >> h), аномалия магнитной индукции на уровне 2–4 нТ превосходит размер аномального объекта всего в 1.5–2 раза. Для расчета сети наблюдений примем более осторожную оценку поперечных размеров магнитной аномалии L, придерживаясь соотношения:

L = 1.5 D .

(2.2)

Надежность такой оценки иллюстрируется расчетами аномалий от модельных тел простой формы (сфера, цилиндр, пласт), которыми обычно аппроксимируют реальные археологические объекты для упрощения расчетов создаваемых ними аномальных эффектов. 102

B, нТ 15

B, нТ 15

1

3 2

2 1

10

3

10

5

5 L >= 1.5 м

0 -2

-1

0

L >= 2.5 м 1 D=1 м

2м 0

-2

-1 1 2 3

Рис. 2.1. Аномалии магнитной индукции от тел изометрического сечения: сфера (1); горизонтальный (2) и вертикальный (3) цилиндр.

1

2м D=1 м

Рис. 2.2. Магнитные аномалии от пластообразных тел: пласт конечной глубины (1), горизонтальный (2), «бесконечный» по глубине (3).

На рис. 2.1 представлены результаты расчетов аномалий магнитной индукции для объектов изометрического сечения радиусом 0.5 м с центром масс на глубине 0.75 м (при этом сфера и горизонтальный цилиндр залегает на глубине 0.25 м от земной поверхности, а вертикальный цилиндр – 0.40 м). Для удобства сравнения результатов расчетов массы тел, приняты близкими между собой, а интенсивность намагниченности – одинаковой и равной J = 40⋅10-3 СИ. На рис. 2.2 изображены графики магнитной индукции для пластообразных тел с такими же поперечными размерами и намагниченностью, как и изометрические тела. Как видно из рисунков, аномалии от пластообразных тел во всех случаях значительно шире аномалий от изометрических тел с такими же поперечными размерами (в данном случае – 1 м). Поэтому более надежная оценка размеров ожидаемых аномалий должна опираться на результаты теоретических расчетов моделей изометрической формы. Это и послужило обоснованием приведенного выше соотношения (2.2). Из теории и магниторазведочной практики установлено также, что изометрические в плане магнитные аномалии отвечают объектам изометрической формы, а вытянутые в каком-либо направлении – объектам линейно вытянутых форм. Эта особенность должна быть учтена при выборе формы сети наблюдений (квадратная или прямоугольная). В подавляющем большинстве случаев археологические объекты и соответствующие им аномалии магнитной индукции в плане имеют форму, близкую изометрической (остатки жилищ, печи, хозяйственные ямы, захоронения и др.). Соотношение длины и ширины аномалий редко превышает 1:4. Для таких объектов длина и ширина ожидаемых изометрических магнитных аномалий могут быть рассчитаны по соответствующим размерам связанных с ними археологических объектов с учетом соотношения (2.2). 103

Длина древних рвов, валов и некоторых других линейных источников магнитных аномалий может превышать ширину в 5 раз и более. Создаваемые такими объектами аномалии будут иметь не изометрическую, а линейно вытянутую форму. Поперечные размеры аномалий рассчитываются в соответствии с соотношением (2.2) по ширине искомых линейных археологических объектов. Что касается длины аномалии, то она возрастает по сравнению с длиной объекта не в 1.5 раза, а всего лишь на величину, близкую возрастанию ширины аномалии (L =1.5 D). При расчете сети наблюдений этим относительно небольшим приростом длины аномалии можно пренебречь, и принять ее примерно равной длине связанного с ней объекта линейной формы. Самое общее и вполне очевидное правило выбора сети магнитной съемки состоит в том, что сеть наблюдений следует выбирать исходя из размеров минимальных аномалий, связанных с искомыми археологическими объектами. При этом профили съемки прокладываются, по возможности, вкрест простирания искомых археологических объектов, расстояние между профилями рассчитывается исходя из длины, а шаг съемки – ширины предполагаемых магнитных аномалий. Кроме этого следует учитывать также следующие рекомендации: – при поисках изометрических объектов, когда соотношение длины и ширины аномалии не превышает 1:4, сеть наблюдений целесообразно выбрать квадратной (т.е. с одинаковым расстоянием между профилями и точками наблюдений по профилю), что обеспечивает наибольшую информативность съемки при заранее не известных направлениях ориентировки искомых объектов на площади исследований; – для поисков линейно вытянутых магнитных аномалий с соотношением сторон 1:5 (или более) при выдержанном направлении их длинных осей можно рекомендовать магнитную съемку по прямоугольной сети наблюдений, когда расстояние между профилями может в несколько раз превышать расстояние между точками по профилю.

2.3.3. СПОСОБЫ РАСЧЕТА СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ Вопросы теории расчета сети геофизических наблюдений изложены во многих литературных источниках. Рассмотрим способы расчета густоты сети магнитной съемки для случаев поисков линейно вытянутых и изометрических объектов археологического происхождения. Линейно вытянутые объекты. Пусть L – длина минимальных (представляющих интерес) искомых магнитных аномалий, распределенных на исследуемой площади и ориентированных случайным образом; d – расстояние между параллельно проложенными профилями наблюдений. Тогда, как показано в работе Ю.Д. Евдокимова 22, из решения известной задачи Бюффона для иглы, падающей на систему параллельных линий, следует, что при d ≥ L, по крайней мере, одна из линий профилей пересечет длинную ось аномалии с вероятностью:

P = 2 L / πd .

(2.3)

При d < L вероятность подсечения аномалии может быть рассчитана по формуле: 104

P=

2 2L (1 − 1 − d 2 ) + 2 arccos d . πd L π L

(2.4)

Зависимость вероятности обнаружения объекта P от отношения длины соответствующей ему магнитной аномалии (L) к расстоянию между профилями (d) представлена в таблице 2.2. Таблица 2.2. Вероятность подсечения археологического объекта (P) в зависимости от отношения L / d . L/d

P

0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 2 3 5 10 0.06 0.13 0.19 0.26 0.38 0.51 0.64 0.79 0.84 0.89 0.94 0.97

Как видно из таблицы, с вероятностью P, близкой 90%, аномальный объект будет отмечен, по меньшей мере, на одном из профилей, если только выполняется условие L / d ≥ 3 . Это означает, что в благоприятных условиях, когда профили ориентированы примерно вкрест простирания аномалии, она будет отмечена на трех соседних профилях. В худшем случае, если на части площади исследований направление длинной оси аномалии практически совпадает с направлением профилей, искомая аномалия может быть пропущена (нуль точек измерений), хотя вероятность P1 таких случаев весьма незначительна – P1 = 10%. Таким образом, может быть выбрана наиболее редкая сеть профилей, обеспечивающая заданную вероятность обнаружения археологических объектов линейной формы. При этом расстояние между точками наблюдений по профилям выбирается с таким расчетом, чтобы минимальная искомая аномалия фиксировалась не менее чем тремя измерениями на каждом из них. Если простирание линейного археологического объекта в каком-то диапазоне известно, вероятность его подсечения выше, чем в решении задачи Бюффона, и может быть вычислена по формуле:

P=2

θ L1 sin , d θ 2

(2.5)

где θ – угол между крайними возможными положениями длинной оси аномалии. В случае, когда величина угла θ не превосходит 90о, вероятность обнаружения объекта возрастает в 1.4 раза и становится равной 1 при d / L = 0.71. Расчет сети наблюдений для поисков линейных археологических объектов можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть археологические объекты типа древних рвов (валов, стен, каналов) с поперечными размерами около 2 м имеют длину 10 м и более и произвольным образом ориентированы на площади исследований. В соответствии с таблицей 2.2, для обнаружения таких объектов с вероятностью 90% расстояние между профилями должно быть не более 3 м. Для выбора расстояния между точками наблюдений по профилю нужно учесть, что поперечный размер аномалии будет примерно в 1.5 раза больше 105

ширины объекта, т.е. 2×1.5 = 3 м (см. разд. 2.3.2). Исходя из этого, расстояние между точками по профилю выбирается равным 1 м. Таким образом, сеть наблюдений будет 1×3 м2. Если же ориентировка тех же аномалий на местности известна с погрешностью не более ±45о, то, в соответствии с формулой (2.5), для их обнаружения сеть наблюдений может быть разрежена до 1×5 м2. Необходимость и степень сгущения сети наблюдений определяется выдержанностью аномалии по простиранию, ширине и амплитуде, а также требуемой точностью определения геометрических параметров искомых археологических объектов на основе интерпретации магнитометрических данных. В зависимости от этих условий детализация осуществляется простым сгущением сети профилей съемки (при том же шаге наблюдений), сгущением наблюдений по профилям (как правило, в два раза) или прокладкой специальных интерпретационных профилей. В обязательном порядке детализация (измерения с более густым шагом наблюдений) проводится на тех профилях, где искомая аномалия зафиксирована недостаточным количеством точек наблюдений (1–2). Объекты изометрической формы. С целью экономии затрат на проведение съемки принято рассчитывать расстояние между профилями исходя из длины минимальной по размерам искомой аномалии, а между точками – исходя из ее минимальной ширины. В соответствии с соотношением (2.2) ширина и длина магнитной аномалии превышают соответствующие характеристики искомых археологических объектов, по крайней мере, в 1.5 раза. Практически расчет сети наблюдений можно выполнить по той же схеме, что и для линейных объектов, т.е. в соответствии с заданной вероятностью обнаружения искомых аномалий и допусками таблицы 2.2. Однако в случае, когда ожидаемые на площади исследований объекты имеют форму, близкую изометрической, и представлены эллиптическим контуром или выпуклым многоугольником, вероятность обнаружения объекта может быть рассчитана по более простой формуле (из той же работы 22):

P=

K , 2πd

(2.6)

где K – периметр контура. Расчет сети наблюдений возможен также по специально рассчитанным таблицам. Наиболее подробные таблицы вероятностей подсечения эллиптических объектов прямоугольной сетью наблюдений опубликованы еще в 1964 году И.Д. Савинским 51. Рассчитаем, для примера, сеть магнитной съемки трипольского поселения с целью выявления всех трипольских площадок размером 4×4 м2 и более. Учитывая соотношение (2.2), размер аномалии можно принять равным 6×6 м2, а периметр ее контура K = 24 м. Задаваясь вероятностью обнаружения аномалии P = 0.9, расстояние между профилями съемки, согласно (2.6), должно быть не более d = 4 м. Так как искомые объекты по форме изометрические, сеть наблюдений выбирается квадратной – 4×4 м2. При такой густоте сети минимальная искомая аномалия в благоприятных условиях пересекается двумя профилями и будет охарактеризована измере106

ниями в 4 точках съемки, в неблагоприятных – всего двумя измерениями на одном профиле. Отсюда ясно, что выбранная сеть будет наиболее редкой из всех возможных сетей, обеспечивающих заданную вероятность обнаружения минимальных по размеру ожидаемых аномалий. Она не позволяет получить полную характеристику аномального объекта, и достаточна лишь для того, чтобы не пропустить аномалию. Если же мы хотим указать, где именно расположена искомая трипольская площадка с точностью, например, 0.5 м, следует провести более детальные магнитометрические исследования с шагом не более 1 м. При этом магнитная аномалия будет характеризоваться уже 5–6 точками наблюдений, что минимально необходимо для количественной интерпретации магнитометрических данных. Детализационные работы по сети, более густой, чем основная сеть съемки, проводятся обычно на последующем этапе исследований археологического памятника в пределах участков, выделенных, как перспективные, по данным поисковых работ. Исключение составляют случаи, когда отдельные интересующие нас аномалии оказываются по тем или иным причинам охарактеризованы всего 1–2 измерениями. В пределах таких аномалий в процессе съемки оперативно проводится необходимая детализация посредством дополнительных измерений в промежутках между точками основной сети съемки.

2.3.4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ РАСЧЕТА СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ Из рассмотренных выше примеров вполне очевидно, что выбор сети магнитометрических наблюдений совершенно не обязательно в каждом отдельном случае сопровождать расчетами на основе задачи Бюффона для иглы, падающей на систему параллельных линий, например, по формулам (2.3)–(2.6). Достаточно ограничиться вероятностью обнаружения минимальных искомых археологических объектов на уровне 90% (этого вполне достаточно для практических нужд), а затем воспользоваться следующими простыми приемами. 1) Задаваясь предполагаемыми размерами минимальных археологических объектов, представляющих поисковый интерес, оценить с учетом соотношения (2.2) размеры создаваемых ними магнитных аномалий. 2) Выбрать сеть наблюдений исходя из расчета, чтобы каждая минимальная по размерам искомая аномалия была охарактеризована не мене чем 2–3 профилями и 2–3 точками на каждом из них. Съемка по такой сети наблюдений позволяет в процессе поисковых работ не пропустить археологические объекты заданных размеров. Наиболее рациональной считается квадратная сеть наблюдений (как показано в работе Н.П. Красовского 35), когда расстояние между профилями равно расстоянию между точками наблюдений. Прямоугольная сеть съемки должна быть обоснована линейным характером искомых объектов и выдержанностью направления их длинных осей. При этом профили съемочной сети должны быть ориентированы вкрест генерального простирания искомых объектов. В частности для поисков изометрических объектов с соотношением сторон до 1:4 предпочтительно использовать квадратную сеть наблюдений, в остальных случаях – прямо107

угольную. В практике магнитных съемок археологических памятников наиболее часто применяются сети наблюдений 0.5×0.5, 1×1, 2×2 или 4×4 м2. 3) Расстояния между профилями и пикетами съемки должны выражаться «круглым» числом (т.е. таким, которое целое число раз укладывается в 1, 10 или 100). 4) Рекомендуется предусмотреть необходимую детализацию выявленных локальных магнитных аномалий, охарактеризованных недостаточным количеством точек наблюдений. 5) С целью выяснения природы типичных археологических объектов, обнаруженных магнитной съемкой, необходимо предусмотреть некоторый объем измерений на интерпретационных профилях. Наблюдения на интерпретационных профилях имеют параметрический характер и предназначены для уточнения формы и размеров некоторых из выявленных магнитных аномалий с целью получения надежных данных для проведения количественной интерпретации. В связи с этим такие наблюдения должны проводиться с более густым шагом и с максимально высокой точностью. Профили прокладываются строго вкрест простирания выявленных линейных магнитных аномалий или через эпицентр аномалий изометрической формы, по возможности, в пределах тех объектов, на которых намечаются опытные раскопки. Результаты расчета сетей магнитометрических наблюдений для поисков некоторых, часто встречающихся типов археологических объектов, приведены в табл. 2.3. Они могут быть использованы как ориентировочные для оперативного определения необходимой густоты сети наблюдений в соответствующих условиях. Таблица 2.3. Результаты расчетов сети наблюдений магнитной съемки некоторых типов искомых археологических объектов. Предпола№ гаемые пор Типы археологических объектов минимальные размеры, м2

Сеть поисковых наблюдений, м2

Детализационные работы, шаг, м

3×2.5; 4×3

1×2; 2×2

0.5, 1

4×4 и более

2×2, 4×4

1, 2

2×2

1×1

1 (0.5)

1×0.5; 1×1.5

0.5×0.5

1

Заполнение жилищ

2

Трипольские площадки

3

Гончарные горны

4

Бытовые печи

5

Хозяйственные ямы

1×1; 2×2

0.5×0.5; 1×1

6

Валы, рвы, каналы

1×5; 1×10

1×2; 1×4

0.5

Все выводы и рекомендации, приведенные относительно выбора сети магниторазведочных наблюдений при археологических исследованиях, справедливы и для обоснования сети магнитных съемок с целью поисков объектов техногенного происхождения. При выборе оптимальной в заданных условиях густоты сети съемки могут существенно помочь физико-археологические модели. В главе 1, где 108

рассматривается этот вопрос, на рис. 1.15 представлены магнитные аномалии над трипольской площадкой размером 4×9 м2, фиксируемые при различной густоте сети. Как видно из рисунка, в зависимости от целей магниторазведочных работ, сеть наблюдений может быть выбрана от 1×1 м2, если нас интересуют детали и особенности структуры объекта, до 4×4 м2 в случае, когда магнитометрические исследования имеют целью обнаружить (не пропустить) каждую отдельную площадку, получить ее обобщенные очертания и, в конечном итоге, – отобразить план застройки всего трипольского поселения. Однако предварительно следует решить, какую именно площадку мы собираемся «не пропустить». Если это сильно разрушенная площадка, то, как следует из рисунка 1.14, аномалия от нее имеет значительно более низкую интенсивность, ее размеры (по контуру изолинии 4 нТ – на уровне удвоенной погрешности съемки) будут несколько занижены, и для ее выделения потребуется более густая сеть наблюдений. В заключение рассмотрим случай правильного и неправильного выбора сети наблюдений на примере городища Монастырек – археологического памятника раннеславянского времени, описанного по результатам обработки автора в статье В.П. Дудкина 15. Для сокращения иллюстративного материала рассмотрим результаты исследований в пределах только одного планшета съемки (№1). Магнитометрические исследования на площади городища проведены с шагом 1 м по сети 1×2 м2. Результаты геофизических и археологических работ на площади планшета 1 представлены на рис. 2.3. В центре планшета, как видно на рис. 2.3, а, отмечается четкая локальная магнитная аномалия, которая была рекомендована для проведения раскопок. Аномалия характеризуется повышенными значениями магнитной индукции на трех соседних профилях и имеет форму, близкую треугольнику с закругленными вершинами. Одна из вершин направлена к юго-востоку, две другие – на запад и на север. Аномалия имеет один эпицентр (максимум), расположенный в центральной части планшета. В результате последующих раскопок (рис. 2.3, в) на месте аномалии обнаружены остатки жилища 16. В пределах жилища выявлен не один, а три участка потенциально повышенной намагниченности: развал камней и остатков печи-каменки и две хозяйственные ямы. Располагаются они примерно в вершинах описанной выше аномалии «треугольной» формы. Таким образом, магнитная съемка по сети 1×2 м2 позволяет уверенно выделить археологический объект, хотя и интегрально, обобщенно, не дифференцируя детали. Следует отметить, что задача детального картирования археологических объектов перед геофизическими работами и не ставилась. Целью исследований было обнаружение относительно протяженных археологических объектов типа жилище, а не их картирование и выявление деталей, в том числе – печей, хозяйственных ям и т.п. Тем не менее, в благоприятной обстановке по некоторым признакам удается сделать небезосновательные предположения о наличии таких объектов в пределах жилища. Такая ситуация наблюдается, например, в районе жилищ 6, 12 (на том же планшете). Жилище 12 частично накладывается в плане на более древнее жилище 6 (рис. 2.3, в). На профиле наблюдений, который прошел как раз по участку перекрытия жилищ, четко фиксируются две изолированные магнитные 109

аномалии, одна из которых отмечает глинобитную печь жилища 12, другая — печь-каменку жилища 6. Налицо – высокие разрешающие способности магнитной разведки при исследованиях объектов типа древних городищ. а

20

B лок, нТ

20

20

18

18

16

16

16

16

14

14

13

12

12 8

10

10

12

8

6

6

12

8

3

6

6

4

4

-3

2 0 0

б

2 2

4

6

8

10

12

14

16

18

-10

20

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

в -1,5

Ж.16-1.2 -1.8

-1.3

Условные обозначения

Ж. 12

Ж.6

-1.2 -1.0

-1.35

-0.9

Ж. 6 -1.2 -1.1

-0.9

- контуры жилищ - глинобитная печь - печькамянка - хозяйственная яма - вмещающие породы - карта изолиний В лок

Рис. 2.3. Городище Монастырек: а – пример правильного, б – неправильного выбора густоты сети наблюдений; в – результаты археологических раскопок.

Совсем другую картину поля мы бы получили в результате съемки, проведенной по сети наблюдений, разреженной в 2 раза (2×4 м2). При этом, как видно на рис. 2.3, б, локальные магнитные аномалии становятся нечеткими, их форма, размеры, амплитуды настолько изменяются, что археологическое истолкование аномалий становится затруднительным. Сеть наблюдений магнитной съемки на городище Монастырек (1×2 м2) рассчитанная в соответствии с рассмотренными выше правилами (см. также табл. 2.3) исходя из размеров ожидаемых объектов с поперечными размерами порядка 3–4 м. Как видно из рассмотренного примера, такая густота сети является оптимальной в данных условиях и позволяет уверенно решать поставленные поисковые задачи.

110

2.4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Определившись с целевым назначением магниторазведочных работ и техническими характеристиками магнитной съемки, проектируемой для достижения поставленных целей в заданных физико-археологических условиях, необходимо выбрать вид применяемой магнитометрической аппаратуры. В решении этого вопроса могут помочь справочные сведения, приведенные в данном разделе. Сведения заимствованы из проспектов аппаратуры и из Интернета. Популярное изложение принципов работы некоторых типов рассматриваемой аппаратуры приведено в учебном пособии автора 33.

2.4.1. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА Для проведения магнитных съемок археологических памятников могут быть использованы любые типы и марки переносных магнитометров, обеспечивающих точность отсчитывания не ниже ±1 нТ в диапазоне до 80 000– 100 000 нТ. Этим условиям отвечают современные протонные и квантовые магнитометры. В настоящее время в практике магниторазведочных работ наиболее широко применяются протонные и квантовые магнитометры. Приборы, выпускаемые в России ГНПП «Геологоразведка» (С.-Петербург), более доступны по цене по сравнению с аппаратурой западных фирм. Немаловажен и тот факт, что немало таких приборов прежних лет выпуска сохранилось со времен бывшего СССР. Многие приборы сохранили свою работоспособность и высокие метрологические качества. Независимо от типа и марки магнитометра типичную конструкцию прибора можно представить в виде двух основных блоков – магнитоизмерительного преобразователя и измерительного блока. В комплект прибора входит также блок питания, который может быть оформлен в виде отдельного узла или вмонтирован непосредственно в измерительный блок. Магнитоизмерительный преобразователь (датчик) преобразует величину магнитной индукции в точке измерений в сигнал определенной частоты. Датчик магнитометра укрепляется на немагнитной штанге и соединяется с измерительным блоком кабелем. Во многих магнитометрах на противоположном конце штанги размещается вспомогательный электронный блок, обеспечивающий работу датчика. Измерительный блок прибора обеспечивает управление магнитометром, обработку сигнала от датчика и его преобразование в последовательность импульсов, соответствующую двоичному коду величины измеряемой магнитной индукции. Результат измерений выводится на цифровой индикатор и записывается устройством памяти (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ), если оно предусмотрено. Наряду с записью значений магнитной индукции последние модели магнитометров позволяют регистрировать время измерения и координаты точек наблюдений (номера профилей и пикетов). Магнитометр транспортируется по профилю в специальной ранцевой подвеске. 111

Таблица 2.4. Магнитометрическая аппаратура, выпускаемая ГНПП «Геологоразведка» (РФ). Основные технические характеристики

М а г н и т о м е т р ы П р о т о н н ы е ( я д е р н о - п р е ц е с с и о н н ы е) ММП – 203*

ММП – 203М1

2

3

Разрешение, нТ

±1

± 0.1

Систематическая погрешность, не более, нТ

±3

± 2.5

± 2.5

± 2.5

2.5

Нестабильность показаний за 8 ч работы, нТ

±1

±1

±1

±1

±1

Ориентационная погрешность, не более, нТ

±3

±1

±1

±3

500 – 1000

1000

1000

600 – 1000

1 Диапазон измерений, нТ

Устойчивая работа в полях с градиентом до, нТ/м

28

ММП – 203М2

ММ – 61*

4 20 000 – 100 000

5

± 1 , ± 0.1 ± 1 , ± 0.1

ММП −203МС 6

± 0.01

Квантовые ММП – 303* 7

ММ – 60*

ММ – 60М1

8 20 000 – 100 000

± 1 , ± 0.1 ± 1 , ± 0.1

9

± 0.01

20

20

20

±1

±7

±5

±3

1000

2000

2000

2000

1 Время установления рабочего режима, не более Время одного измерения, с Срок эксплуатации рабочего вещества Регистрация показаний: – встроенная память (ОЗУ) на 7500 измерений: – разгрузка ОЗУ на компьютер (интерфейс RS-232C): Интервал регистрации в автоматическом режиме, с Питание напряжением, В Масса комплекта, кг

29

Продолжение таблицы 2.4. 8 9

2

3

4

5

6

7

60 с

10 с

10 с

60 с

10 с

30–45 мин

30 мин

30 мин

3

3

3

3

2–3

0.15

0.15

0.1

1 год

5 лет

Не ограничен (керосин)

1 год

5 лет

–

–

–

Разгрузка ОЗУ+ ОЗУ Интерна фейсный кассетный блок нако(RS-232C) питель

нет

нет

нет

нет

нет

нет

60

3 – 3600

3 – 3600

60

3 –3600

13 ± 3

13 ± 2

13 ± 2

13 ± 3

13 ± 2

6

4.2

3.4

6

ОЗУ+ ОЗУ+ СпециЦифроальное печатаИнтерющий устройство фейсный интеррегиблок стратор фейсное (RS-232C) УИ–01 10, 20, 40, 20, 40, 60 10, 30, 60 60 12 ± 2

12 ± 2

12 ± 2

12

13

13

а

б

в

д

г

Рис. 2.4. Внешний вид некоторых приборов, выпускаемых в России. Протонные магнитометры: а– ММП-203 (первый выпуск, рабочее вещество – керосин): 1 – магнитоизмерительный преобразователь со штангой, 2 – измерительный блок, 3 – батарейный отсек; б – ММП–203М1С; квантовые магнитометры: в – М-33 (первый выпуск): 1 – датчик со штангой, 2 – измерительный блок, 3 – блок питания, 4 – кабель; г – ММ-60М1; д – походное положение датчиков магнитного градиентометра POS 2 (на базе ММП-203).

- 114 -

Полевая археолого-геофизическая лаборатория Спутниковая система определения координат (GPS) Магнитовариационная станция

Электронный теодолит, лазерный/ультразвуковой дальномер

Программноаппаратурный вычислитенльный комплекс (АРМ)

Магнитометрическая аппаратура

Квантовый магнитометр

Протонный магнитометр Магнитный градиентометр

Рис. 2.5. Основные компоненты программно-аппаратурного комплекса археолого-геофизической лаборатории.

Подобным образом устроены магнитометры как российского, так и западного производства. Технические характеристики магнитометров, выпускаемых в России, приводятся в таблице 2.4. Магнитометры типа ММП–203 вначале выпускались как ядернопрецессионные, использующие в качестве рабочего, богатого протонами вещества керосин. Позднее были разработаны усовершенствованные модели магнитометров данного типа. - 115 -

С начала 90 гг. протонные магнитометры российского производства, работают на принципе динамической поляризации ядер, основанной на применении эффекта Оверхаузера. Он наблюдается в системах, содержащих два вещества с сильным взаимодействием ядерных магнитных спинов одного из них с электронными спинами другого. Вследствие этого можно создать дополнительную поляризацию одной спиновой системы – ядерной, за счет другой – электронной. В магнитометрах типа ММП–203, работающих по этому принципу, используется протонсодержащая жидкость (гептан), в которой растворяется специальное вещество, образующее свободные ион-радикалы с одним или несколькими неспаренными электронами. Благодаря эффекту Оверхаузера величина ядерной прецессии возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с поляризацией, полученной без его использования. Соответственно возрастает интенсивность сигнала прецессии и точность измерений при сокращении времени наблюдений на точке. Значительно сокращается также энергопотребление прибора. Недостатком первых выпусков приборов этого типа была неустойчивость специального вещества, растворяемого в гептане, вследствие чего рабочее вещество необходимо было менять ежегодно. И только начиная с середины 90-х гг. появились российские магнитометры с более долгоживущим рабочим веществом, обеспечивающим бесперебойную работу прибора в течение 5 лет. При планировании прецизионных магнитометрических исследований предпочтение отдается самому высокоточному из доступных магнитометров. Однако в большинстве случаев разрешение (точность отсчитывания) не играет решающей роли при выборе аппаратуры, так как с любым из перечисленных в таблице 2.4 магнитометров всегда можно достичь достаточно высокой точности съемки. Важной характеристикой магнитометров, определяющей выбор аппаратуры для проведения съемки, является способ регистрации магнитометрической информации. Более совершенная технология регистрации данных предусматривает возможность вывода результатов измерений непосредственно на компьютер. В магнитометрах российского производства эта проблема решается оснащением прибора оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) с последующей разгрузкой ОЗУ на компьютер. Альтернативным вариантом является использование переносного портативного компьютера или оперативная передача результатов измерений на стационарный компьютер по каналу полевой радиосвязи (в российских магнитометрах не предусмотрено). Так или иначе, непосредственный вывод результатов измерений на компьютер практически полностью исключает ввод и первичную обработку магнитометрических данных вручную и обеспечивает возможность автоматизированной обработки магнитометрической информации по программам на компьютере. В случае использования современных магнитометров, позволяющих выводить результаты измерений непосредственно на компьютер, в сочетании с применением спутниковой радионавигационной системы GPS для геодезической привязки пунктов наблюдений и полевого (базового) компьютера, получаем полностью автоматизированную систему аппаратурно-программного обеспечения магнитометрических исследований археологических - 116 -

памятников. Схема такой археолого-геофизической лаборатории представлена на рис. 2.5. Как видно из таблицы 2.4, современные магнитометры, как протонные, так и квантовые, отличаются высокой точностью, многие их них обеспечивают возможность вывода измерительной информации на компьютер. Для того чтобы остановить свой выбор на том либо другом типе магнитометров следует учитывать их метрологические и эксплуатационные характеристики в комплексе. По технико-эксплуатационным характеристикам приборы заметно отличаются, в связи с чем можно разделить области их преимущественного применения. 1) Применение квантового магнитометра в труднопроходимой местности затруднительно, так как съемка выполняется двумя операторами, при этом в момент измерения операторы с магнитоизмерительным преобразователем (датчиком) и измерительным блоком должны быть удалены один от другого на расстояние порядка 5 м (на длину кабеля). Протонный магнитометр транспортируется в специальной ранцевой подвеске и обслуживается одним оператором, что, помимо экономии трудозатрат, создает преимущество использования прибора в труднопроходимой местности. 2) Недостатком протонных магнитометров является высокая чувствительность к помехам и высоким градиентам измеряемого магнитного поля (свыше 500–1000 нТ/м), вследствие чего может происходить срыв сигнала (на цифровом индикаторе фиксируются нули). Квантовый магнитометр работает практически при любых известных градиентах магнитного поля Земли и лучше приспособлен для работы в условиях интенсивных помех. 3) Время измерения на точке наблюдений протонным магнитометром составляет порядка 3 с, а квантовым – всего 0.1 или 0.14 с. Поэтому измерения с протонным магнитометром нужно проводить с остановкой на пункте наблюдений. С квантовым магнитометром возможны измерения в движении, без остановки на каждой точке. В сочетании с автоматической регистрацией показаний прибора устройством памяти это обеспечивает максимальную при пешем передвижении производительность работ (в условиях легко проходимой местности), недостижимую для протонных магнитометров. 4) Протонный магнитометр по сравнению с квантовым имеет меньшую величину азимутальной и ориентационной погрешностей и практически не имеет систематической составляющей погрешности, не требует получасового прогрева для выхода в рабочий режим. Техника измерений доведена до предельной простоты: управление магнитометром осуществляется с помощью одной ручки, выполняющей функции включателя, переключателя диапазонов и пусковой кнопки. Кроме того, протонный магнитометр рассчитан на работу при более низких температурах (до –30o С) чем квантовый (–10о С). Обладая такими особенностями, протонные магнитометры, при прочих равных условиях, имеют существенное преимущество по сравнению с квантовыми. 5) Для измерения магнитных вариаций тип магнитометра не имеет значения. Желательно только, чтобы прибор позволял автоматически фиксировать результаты измерений на устройстве памяти, и был оснащен блоком - 117 -

интерфейса для вывода данных на компьютер. Этим условиям отвечают последние модели как протонных, так и квантовых магнитометров. Из приведенной сравнительной характеристики приборов следует, что на участках легкопроходимой местности и в районах с высоким уровнем помех или высоким градиентом магнитного поля (более 500–1000 нТ/м) съемки целесообразно проводить квантовыми магнитометрами, в остальных случаях – протонными. При детальных исследованиях археологических объектов может быть весьма полезен магнитометр переносной феррозондовый трехкомпонентный МПФ–3. Прибор выпускается ГНПП «Геологоразведка» по заказу и служит для раздельного измерения вертикальной (Z) и горизонтальных (X и Y) составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли. Для проведения метрологических испытаний, калибровки и эталонирования квантовых, протонных и феррозондовых магнитометров тем же предприятием выпускается квантовый цезий-гелиевый магнитометр КЦГМ, обладающий высокой стабильностью работы и точностью измерений (случайная составляющая погрешности – ±0.01 нТ, систематическая погрешность – не более 10-4 %). Кроме магнитометров, рекомендуется оснастить археолого-геофизическую лабораторию приборами для измерений магнитных свойств пород и материалов археологических объектов. Отметим несколько приборов такого назначения, выпускаемых ГНПП «Геологоразведка» (Россия). Измеритель магнитной восприимчивости переносной ПИМВ-М предназначен для измерения кажущейся магнитной восприимчивости материалов в полевых и лабораторных условиях. Диапазон измерений 10-5– 1.0 ед. СИ, максимальная погрешность 10%. С помощью этого портативного прибора непосредственно в полевых условиях, не проводя отбор образцов, можно легко получить экспресс-информацию о кажущейся магнитной восприимчивости объектов исследований и вмещающей их среды, крайне необходимую как для оценки природы выявленных магнитных аномалий, так и для последующей качественной и количественной интерпретации магнитометрических данных. Измерения магнитной восприимчивости производятся в отдельных точках археологических раскопов, в местах обнаружения археологических остатков. В ряде случаев целесообразно провести каппаметрическую съемку исследуемого объекта или отдельных его частей по сети 0.5×0.5 м2 или меньше. Измеритель магнитной восприимчивости образцов ИМВО предназначен для определения индуктивной и остаточной намагниченности, магнитной восприимчивости и анизотропии образцов, отобранных в процессе археологических исследований. Используется в условиях полевых и стационарных лабораторий. Магнитометр астатический лабораторный МА–036П может быть использован для измерения магнитных моментов образцов горных пород и материалов, содержащихся в археологических объектах (например, обожженных глин) с целью определения их остаточной намагниченности, магнитной восприимчивости и анизотропии. Диапазон измерений 1.5⋅10-7 – 6⋅10-3 А⋅м2. В заключение заметим, что магнитометрическая аппаратура довольно быстро обновляется и совершенствуется, так что через несколько лет некоторые модели приборов могут оказаться безнадежно устаревшими. - 118 -

2.4.2. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ЗАПАДНЫХ ФИРМ Магнитометры западных фирм по своим техническим характеристикам не уступают, а во многих случаях превосходят магнитометры российского производства. В практике магнитометрических исследований зарубежных фирм магнитометры классифицируются как звуковые и цифровые. Звуковые магнитометры – самые дешевые, их стоимость около $600 США. Прибор длиной 1 м содержит репродуктор, который изменяет частоту и амплитуду звукового сигнала вблизи металлических объектов. В отличие от «не железных» детекторов, реагирующих на такие металлы, как медь, этот инструмент обнаруживает только железосодержащие материалы. Прибор применяется при поисках не взорвавшихся снарядов, других железных предметов, металлического мусора, Применение в археологии ограничено (выявление аномалий-помех), используется преимущественно при поисках техногенных объектов. Подобные приборы производятся различными фирмами; Schonstedt, Chicago Steel tape и Fisher (США), Lietz, SECO Manufacturing Co. Цифровые магнитометры отличается значительно более высокой чувствительностью. По цифровым показаниям этих приборов строятся графики или карты изолиний магнитного поля, определяется местоположение и форма погребенных археологических объектов, проводится количественная интерпретация выявленных магнитных аномалий с целью определения глубины залегания, предполагаемой массы объекта и других характеристик. В зависимости от реализуемого метода измерений магнитной индукции Земли различают четыре основных типа цифровых магнитометров: протонные – ядерно-прецессионные, протонные с использованием эффекта Оверхаузера, паро-щелочные, и феррозондовые. Не касаясь физических аспектов работы этих приборов, отметим только, что любой из них пригоден для археологических исследований. Наиболее дешевыми является протонные цифровые магнитометры. Они имеют стоимость в диапазоне $3000–10000. Приборы предельно просты в эксплуатации – имеют только одну ручку управления. Измеренное значение поля регистрируется на цифровом индикаторе и затем переносится в полевой журнал. В связи с этим такие магнитометры удобно использовать для археологических исследований ограниченных участков, не требующих большого объема работ (до нескольких тысяч точек наблюдений). Подобные приборы выпускаются фирмами многих стран: Англии – Littlemore Scientific Engeneering Co. (магнитометр ∗ Elsec Type 770), Geoscan Research; Канады – Geotech Ltd., Gem System, Scintrex (модель МР–2) и некоторых других. Если проведение магнитометрических исследований планируется в больших объемах, лучше использовать более совершенные магнитометры, которые обеспечивают сохранение измеренных данных в оперативной памяти прибора для последующей компьютерной обработки. Применение компьютера позволяет ускорить процесс измерений (не нужно записывать данные в ∗

Здесь и далее упоминаются модели магнитометрической аппаратуры, хорошо зарекомендовавшие себя в практике археологических исследований 90-х годов.

- 119 -

полевой журнал) и применить компьютерные программы обработки, интерпретации и построения карт, включая учет вариаций магнитного поля Земли. Один из наименее дорогих компьютеризованных протонных магнитометров, выпускавшихся фирмой Geometrics (Канада) – G–856, обеспечивает сопровождение каждого измерения регистрацией даты, времени и порядковым номером. Подобный прибор выпускался также английской фирмой Littlemore Scientific Engeneering Co. (магнитометр типа Elsec Type 820). Разработаны магнитометры, позволяющие оператору одновременно с измерениями напряженности магнитного поля получить изображение и запись координат каждого пункта измерений (х и у). Магнитометры, записывающие координаты пунктов измерений, выпускаются, например, уже упоминавшейся фирмой Scintrex (прибор МР–3, а также EDA, модель Omni). Кроме того, фирма Scintrex выпускает также паро-щелочные цезиевые магнитометры, которые прежде выпускала только фирма Varian. Подобно протонным магнитометрам, они измеряют модуль полного вектора магнитной индукции, и долгое время считались более быстродействующими и более точными. Наиболее точным является протонный магнитометром с использованием эффекта Оверхаузера (тип – Overhauser). Этот прибор подобен протонному магнитометру ядерно-прецессионного типа, но работает существенно быстрее при меньших энергозатратах (см. разд. 2.4.1.). Несколько моделей таких магнитометров выпускает фирма Gem System. В частности, Overhauserмагнитометр модели GSM-19FG может производить замеры со скоростью 0.02 с и запоминать более 30 000 результатов измерений. Точность записи (разрешение) – 0.01 нТ, общая точность измерений – не ниже 0.2 нТ. Работая в более медленном режиме (через 3 с) этот магнитометр может посылать свои данные непосредственно в компьютер. Предусмотрена также эксплуатация прибора в таком режиме, чтобы каждое измерение использовалось для непосредственного построения карты на экране дисплея. Этот магнитометр, подобно некоторым вышеупомянутым, может быть использован как магнитный градиентометр, вычисляя разницу значений от двух близкорасположенных датчиков. В отличие от других магнитометров, которые делают эту пару замеров последовательно, такие приборы как Gemградиентометр и Scintrex Omni производят их одновременно, что позволяет полностью игнорировать магнитные вариации и минимизировать эффект от проходящего транспорта и других переменных помех. Феррозондовые магнитометры являются обычно и градиентометрами и приборами для измерения одного из компонентов вектора магнитной индукции. Как правило, этот тип магнитометра измеряет вертикальный градиент вертикальной составляющей напряженности магнитного поля. Семейство феррозондовых градиентометров разработано специально для археологии. Они представляют FM-серию, выпускаемую фирмой Geoscan Research (Англия). Эти приборы могут измерять и сохранять данные со скоростью 10 замеров в секунду; однако, если требуется точность порядка 0.2 нТ, на каждый замер затрачивается не менее 5 с. Магнитометр может запомнить до 16 000 замеров. Измерители магнитной восприимчивости, специально разработанные для археологических исследований, имеют стоимость порядка $4000. Один из - 120 -

таких приборов – измеритель электромагнитной индукции типа ЕМ38, выпускаемый фирмой Geonics (Канада), позволяет измерять кажущуюся восприимчивость почвы на глубине 0.5–1.0 м. Другая модель – ЕМ31 обеспечивает еще большую глубину исследований. Оба прибора позволяют измерять не только магнитную восприимчивость, но и кажущуюся электрическую проводимость земли. Возможность двумя замерами прибора определить две различные физические характеристики приповерхностного слоя земли делают их весьма привлекательными для проведения археологических исследований. Другие каппаметры подобны детекторам металла. Одним из них является модель MS2 фирмы Bartington Instruments Ltd (Англия). Прибор имеет катушку диаметром 0.2 м и измеряет магнитную восприимчивость на глубине до 0.2 м. Подобный инструмент выпускает фирма Bison Instruments (США). Измерители магнитной восприимчивости производятся и в ряде других стран.

- 121 -

2.5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ МАГНИТНЫХ СЪЕМОК Технология магнитных съемок представляет собой сочетание определенной методики проведения полевых исследований и техники измерений на пунктах наблюдений. Современные магнитометры характеризуются высокой стабильностью работы в течение рабочего дня, и нет особой необходимости вводить поправки за нестабильность показаний приборов. Поэтому методика работ регламентируется, главным образом способом учета влияния магнитных вариаций. Техника проведения наблюдений на точках съемки определяется метрологическими характеристиками применяемых магнитометров. Все это и определило последовательность изложения материала данного раздела.

2.5.1. ВАРИАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В любой точке земной поверхности величина магнитной индукции не остается постоянной, а с течением времени изменяется. Такие изменения называются вариациями. Они могут иметь естественное или техногенное происхождение. Важно отметить, что связанные с вариациями отклонения значений поля могут быть соизмеримы с амплитудами искомых магнитных аномалий, создаваемых археологическими объектами, или даже значительно превосходить их по величине. Из этого следует, что качество магнитной съемки определяется точностью учета изменений магнитного поля во времени. Необходимость учета магнитных вариаций жестко регламентирует методику полевых магниторазведочных работ, и в связи с этим вопрос о происхождении и характере протекания вариаций требует детального рассмотрения.

Магнитные вариации естественного происхождения Величина магнитной индукции в точках земной поверхности изменяется с течением времени вследствие воздействия космических факторов и, прежде всего – радиационной активности Солнца. Вариациям подвержен не только модуль вектора магнитной индукции, но и все другие элементы геомагнитного поля – компоненты вектора индукции, углы склонения и наклонения. Так как при магнитометрических исследованиях археологических памятников непосредственно измеряемой величиной есть модуль магнитной индукции, в дальнейшем рассматриваются вариации именно этой характеристики поля. Вариации магнитной индукции Земли могут иметь периодический (квазипериодический) или апериодический характер. Некоторые из них относятся к промежуточному типу, так как имеют регулярный характер, но не могут быть охарактеризованы определенным периодом (например, так называемые бухтообразные возмущения или бухты, которые на графиках по форме напоминают очертания морских бухт). Магнитные вариации имеют амплитуды от первых единиц до нескольких десятков нанотесла. Апериодические изменения поля с амплитудой до - 122 -

1000 нТ называются магнитными бурями и имеют продолжительность до 2–3 суток. Характеристика главных типов магнитных вариаций приведена в таблице 2.5. Таблица 2.5. Характеристика вариаций магнитного поля Земли. № пор.

Тип магнитных вариаций

1

Вековые изменения (вековой ход)

2

Одиннадцатилетние

3

4 5

6

7 8

Периодичность

Амплитуда, нТ 60–70 * нТ/год

10 – 11 лет

до 20

Дополнительные сведения Медленные, плавные изменения поля. Учитываются при стыковке съемок разных лет Учитываются совместно с вековым ходом

Имеют форму двойной волны с максимумами в июне и декабре Солнечно24 час 25–100 Возрастают в годы неспокойного солнца суточные Спокойные вариации. Лунно-солнечные 12.5 час 3 Учитываются совместно с солнечно-суточными 0.5–5; Максимум приходится 10–45 с на полуденные часы. среднее КороткоПродолжительность – значение периодические – до нескольких часов колебания 2 нТ (КПК) ** 5–18; Имеют два максимума 40–150 с среднее интенсивности пульсаций – значение утренний и полуденный. – Продолжительность: 1.5–2 час 5 нТ Бухтообразные до 30–35 Имеют продолжительность от 15–20 мин до 2–3 час возмущения Годовые

Магнитные бури

1 год

до 30

до 1000 Продолжительность: до 5 сут.

_____________________ * Данные приведены для территории Украины ** Данные о КПК, которые наблюдаются ночью либо в высоких широтах, опущены.

Первые три типа магнитных вариаций, рассмотренные в таблице, характеризуются линейным в течение рабочего дня изменением магнитного поля. В ряде случаев эти изменения магнитного поля в течение рабочего дня близки нулю. Они не влияют на точность магнитной съемки, но их приходится учитывать при приведении к единому уровню магнитного поля результатов съемок, выполняемых в разные годы (или даже в один год, но в течение нескольких месяцев). В частности, вековые вариации геомагнитного поля, представляющие собой медленные, плавные изменения поля, учитываются только в случае наращивания съемки, выполненной в прошлые годы. Для этого по карте - 123 -

изопор определяют величину среднегодового изменения поля ΔB. Затем приводят результаты измерений прошлых лет к году съемки, прибавляя ко всем значениям поля поправку:

P = ΔB ( N 2 − N 1 ) ,

(2.7)

где N1 – год работ прошлых лет, N2 – год выполняемой съемки. При этом одновременно учитываются также и одиннадцатилетние вариации магнитного поля Земли. Годовые вариации, имеющие форму двойной волны с максимумами в июне и декабре, учитываются автоматически при реализации методических приемов привязки съемки к единому уровню, например, путем ежедневных измерений на исходном контрольном пункте. Наибольшее влияние на точность магниторазведочных работ оказывают суточные вариации, короткопериодические и бухтообразные изменения геомагнитного поля. Как правило, все они учитываются совместно одним из следующих способов: 1) на основе непосредственных измерений вариаций геомагнитного поля в процессе съемки; 2) по данным многочисленных, регулярно повторяемых в течение рабочего дня измерений на одном и том же контрольном пункте (КП); 3) по результатам измерений на контрольных или опорных пунктах в начале и в конце рабочего дня. Достоинства и недостатки каждого из указанных выше вариантов технологии магнитометрических съемок иллюстрирует рисунок 2.6.

B, нТ 8 tКП1 9 49180

49170

10

11

12

13

t i 14

15

D

30 Поправка за вариации, нТ

17 tКП218

16

19

t, час

1

C

2

20

3 49160

49150

10

0

B А 12

Линия условного нуля 14

16

49140

Рис. 2.6. Вариации магнитного поля в течение рабочего дня (условный пример).

На рисунке представлены: 1 – примерный график магнитных вариаций, который может быть получен по результатам их измерений в течение рабочего дня;

- 124 -

2 – график (прямая), характеризующий линейную часть магнитных вариаций по результатам измерений на контрольном пункте (КП) в начале и в конце рабочего дня; 3 – график (ломаная линия), характеризующий линейную и, частично, нелинейную часть магнитных вариаций; график строится по результатам регулярно повторяемых в течение рабочего дня измерений на исходном КП. Поправки за вариации отсчитываются от линии условного нуля, которая проходит горизонтально через точку графика 1, соответствующую моменту измерения на исходном КП в начале рабочего дня. Как видно на рис. 2.6, для любого момента измерений – времени ti – могут быть определены следующие поправки: – Истинное значение поправки за вариации, которое характеризуется величиной AD – расстоянием от линии условного нуля до линии графика вариаций 1; поправка должна учитываться с обратным знаком. – Линейная часть вариаций, определяемая по результатам измерений на КП в начале и в конце рабочего дня, соответствует величине AB, которая значительно отличается от истинной величины поправки (AD) в момент времени ti. – Поправка, учитывающая линейную и, частично, нелинейную часть магнитных вариаций по результатам повторных наблюдений на КП в течение рабочего дня. Величина поправки характеризуется отрезком AC. Эта поправка значительно меньше отличается от истинного значения поправки (AD) по сравнению с представлением о линейном характере изменения вариаций в течение рабочего дня (AB); такое отличие будет тем меньше, чем чаще производятся повторные наблюдения на КП. Приведенный анализ позволяет сделать следующие выводы. 1) Общий размах колебаний магнитных вариаций может достигать нескольких десятков нанотесла. Это превышает нижний порог даже таких интенсивных аномалий, которые вызваны скоплением обожженных глин (например, печами) и превосходит амплитуды более слабых аномалий от землянок, хозяйственных ям, рвов и многих других объектов. Таким образом, проведение магнитных съемок археологического назначения при полном игнорировании вариаций геомагнитного поля не имеет смысла. То же можно сказать и о съемке по методике измерений на КП только в начале и в конце рабочего дня. 2) Наиболее полно и точно вариации магнитного поля Земли учитываются по результатам их непосредственных измерения в процессе полевых работ. При этом может быть использована самая простая технология съемки – от одного КП с измерением на нем в начале и в конце рабочего дня. Недостаток такой технологии состоит в необходимости дополнительных расходов на содержание и обслуживание магнитовариационной станции. Но это единственная возможность обеспечить достижение требуемой высокой точности, в частности, прецизионных магнитных съемок. 3) Технология съемок с регулярно повторяемыми в течение рабочего дня измерениями на КП позволяет сравнительно точно учесть магнитные вариации. При проведении повторных измерений на КП через каждые 30– 40 мин недоучтенная нелинейная часть вариаций не превышает 5–6 нТ, то есть, соизмерима с предельной ошибкой высокоточной съемки, равной 2–3 среднеквадратическим погрешностям наблюдений. - 125 -

Вариации магнитного поля геологического и индустриального происхождения Особенности протекания магнитных вариаций в различных условиях изучены В.В. Бродовым 7, Г.С. Васюточкиным 9 и многими другими исследователями. Так, по данным В.В. Бродового, вследствие магнитной и электрической неоднородности горных пород возникают зоны аномального хода вариаций магнитного поля Земли. Большинство из них обуславливают лишь слабые изменения вариаций геомагнитного поля, которые можно не учитывать при выполнении магнитных съемок со среднеквадратической погрешностью 1– 5 нТ. В частности, возмущения во внутриконтинентальных аномальных зонах (с амплитудой до 20–30 нТ и периодом 20–120 мин), имеют градиент всего 0.2–0.3 нТ/км. Неоднородности намагниченности горных пород создают эффект аномального поведения магнитных вариаций до 2 %. Наиболее сильно на неоднородности протекания вариаций магнитного поля сказывается эффект береговой линии моря. По мере приближения к берегу со стороны суши вариации геомагнитного поля аномально возрастают вследствие скачка проводимости на границе двух сред. Резкая (на 15–20 %) изменчивость амплитуд вариаций наблюдается в полосе шириной 10 км в обе стороны от береговой линии. Высокоточные магнитометры отмечают вариации, связанные с береговым эффектом, в зоне шириной до 50–100 км. Учет аномалий берегового эффекта обеспечивается проведением съемки с одновременным измерением магнитных вариаций либо с использованием многократных измерений на КП в течение рабочего дня. В промышленно развитых районах магнитные вариации естественного происхождения осложняются полем магнитных помех. Амплитудные характеристики, периодичность и другие особенности этих осложнений изучены сравнительно слабо. Газопроводы, трубопроводы, здания, рельсовые пути, опоры линий электропередачи и многие другие объекты создают при археологических поисках помехи постоянного характера, убывающие с расстоянием от их источников. Так, газопроводы и трубопроводы создают магнитные помехи в зоне до 300 м с амплитудой до нескольких десятков нанотесла. Помехи, создаваемые скопления металлического мусора и свалками металлолома, достигают нескольких сотен нанотесла в эпицентре и быстро убывают с расстоянием. Влияние неработающего автотранспорта ощущается на расстоянии до 20–30 м. В целом, индустриальные помехи постоянного типа, как правило, мало влияют на точность магнитной съемки, но могут серьезно исказить общий характер магнитного поля на площади их существования. Кроме того, локальные помехи этого типа, фиксируемые всего несколькими точками, могут быть неотличимы от искомых аномалий археологического происхождения, что осложняет интерпретацию материалов магнитной съемки в целом. Индустриальные помехи переменного типа связаны с влиянием городов, электрифицированных железных дорог, линий электропередачи и других источников. Город является мощным источником промышленных помех во всем диапазоне частот. Фон помех города со средним уровнем развития промыш- 126 -

ленного производства снижается до уровня естественных вариаций магнитного поля лишь на расстоянии 5–10 км от его окраины. Поэтому проведение в черте городе магнитометрических исследований средней, а тем более высокой точности бесперспективно. Электрифицированные железнодорожные линии создают интенсивные, медленно меняющиеся поля в зоне шириной не менее 1 км. Помехи такого характера легко диагностируются и устраняются по данным непосредственных измерений магнитных вариаций на участке съемки, а также при достаточно частых повторных измерениях на исходных контрольных пунктах. Но связанные с работой железной дороги мгновенные «скачки» поля с амплитудой 5–10 нТ трудно выявить и учесть даже при фиксации вариаций в процессе съемки, поскольку измерения магнитовариационной станции осуществляются дискретно. Такие неучтенные помехи увеличивают диапазон изменения (разброс) случайных ошибок съемки и тем самым снижают ее качество. Таким образом, проведение высокоточных магнитных съемок вблизи железных дорог встречает большие, часто – непреодолимые затруднения. Трубопроводы и газопроводы также могут создавать мгновенные скачки магнитного поля. Даже на расстоянии 1 км от мощного трубопровода скачкообразные изменения магнитного поля могут достигать величины 1–2 нТ. Линии электропередачи, кабели создают низкочастотные магнитные поля, для учета которых необходимо измерять магнитные вариации непосредственно на участке съемки. Зона влияния ЛЭП средней мощности не превышает 150–200 м. Съемка участка ЛЭП без измерения магнитных вариаций непосредственно в этой зоне всегда будет выполнена с более грубой точностью. Движущийся автотранспорт вызывает резкие изменения магнитного поля в зоне до 100 м от шоссе, причем уровень помех возрастает с увеличением мощности двигателя (числа цилиндров) и убывает по мере удаления от источника. Например, помеха от движущегося мотоцикла на расстоянии 50 м уже не превышает 0.5 нТ. Учет влияния движущегося транспорта практически невозможен. Необходимо либо дождаться паузы между проездом машин, либо смириться с высоким уровнем помех и низкой точностью съемки на участках, примыкающих к автотрассам. В случае вынужденного проведения съемок вблизи железных дорог, автотрасс, трубопроводов, линий электропередачи и в других местах, где индустриальные помехи имеют случайный характер, рекомендуется проводить съемочные работы двумя независимыми рейсами, выполненными в разные дни. Это удваивает затраты на съемку части площади, но зато обеспечивает надежность полученных результатов за счет корректировки значений поля в точках, где, по данным обработки рейсов, значения поля вследствие случайных помех не совпадают на величину, превышающую утроенную точность съемки.

2.5.2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ МАГНИТНЫХ СЪЕМОК Излагаемые ниже общие положения методики магнитной съемки рассчитаны на применение магнитометров российского производства. В данном разделе рассмотрены методические вопросы магнитных съемок - 127 -

геологоразведочного назначения. Такой обзор не будет пустой тратой времени, так как методики проведения съемок в геологии и для решения археологических задач имеют немало общего. Магнитная съемка проводится по профилям предварительно созданной сети наблюдений. Измерения магнитного поля в точках профиля осуществляются рейсами. Рейс – это законченный цикл измерений, который начинается и заканчивается на одной и той же точке, принятой в качестве исходной. Такую точку обычно называют «контрольным пунктом» (КП). Структура и длительность рейса определяется требуемой точностью съемки и способом учета влияния вариаций магнитного поля Земли, а также густотой сети наблюдений, от чего зависит производительность работ. Если в процессе съемки предусмотрено измерение вариаций геомагнитного поля, длительность рейса не регламентирована, он может продолжаться несколько часов или непрерывно в течение рабочего дня. Повторные измерения на исходном КП ∗ рейса производятся исключительно с целью контроля стабильности показаний магнитометра. Учет магнитных вариаций производится по результатам их непосредственных измерений. Это самый простой вариант методики полевых работ, но он сопряжен с дополнительными расходами на регистрацию вариаций магнитного поля. Значительно чаще магнитные съемки проводятся без одновременной регистрации магнитных вариаций. В этом случае учет вариаций осуществляется приближенно – по результатам повторных измерений на КП в течение рабочего дня. Как было показано в предыдущем разделе, при частоте повторных измерений на КП через каждые 30–40 мин недоучтенная нелинейная часть вариаций не превышает 5–6 нТ, что соизмеримо с предельной ошибкой высокоточной съемки (на уровне удвоенной среднеквадратической погрешности наблюдений). Для проведения съемки участков небольшого размера (площадью примерно 1 км2) достаточно предусмотреть 1 КП. При выполнении съемки значительных площадей приходится выбирать несколько КП (во избежание непроизводительных потерь времени на подход к ним). Каждому локальному участку съемки от одного КП отвечает свой уровень магнитного поля, отличный от уровня поля магнитной индукции на других участках. Для приведения результатов съемки к единому уровню поля все КП должны быть увязаны между собой. Вместе взятые они образуют опорную сеть. Увязка опорной сети осуществляется не менее чем двумя независимыми рейсами. Альтернативным вариантом может быть методика с использованием опорно-магистрального варианта опорной сети. Магистрали для удобства ∗

Контрольный пункт (КП) служит для привязки результатов измерений магнитного поля к единому уровню, подготовки и проверки работоспособности аппаратуры, учета нестабильности показаний магнитометров с течением времени и для учета влияния магнитных вариаций, если их измерение в период съемки не предусмотрено. В качестве контрольных пунктов могут быть использованы произвольные точки, которые выбраны в спокойном магнитном поле на значительном удалении от источников возможных магнитных помех. Удобно, когда этим условиям удовлетворяют закрепленные на местности пункты геофизических наблюдений.

- 128 -

разбивки и топографической привязки съемочной сети прокладываются вкрест профилей. Расстояние между магистралями выбирается с таким расчетом, чтобы наблюдения по отрезку профиля от одной из них до другой можно было выполнить за 30–40 мин (с учетом производительности работ при заданном шаге съемки). По линиям магистралей выполняются магнитометрические измерения двумя независимыми рейсами. Магистральные точки могут быть приняты в качестве опорных, так как значения магнитной индукции на этих пунктах будут вычислены в 2 раз точнее, чем на рядовых точках съемки. Увязка концов магистралей позволяет получить подобие сети опорных точек, приведенных к единому уровню поля. Каждый рядовой магнитометрический рейс начинается и заканчивается на магистральных пунктах и может состоять из одного или нескольких звеньев от одной магистрали до другой. Поправки за влияние магнитных вариаций, определяемые по данным регулярных измерений на магистральных пунктах, вносятся в результаты наблюдений на рядовых точках съемки. К числу важных положений методики высокоточных магнитных съемок, обязательных для выполнения, нужно отнести требования о проведения контрольных измерений. Контрольные измерения проводятся для оценки соответствия реально достигнутой точности съемки проектным условиям. Такая оценка проводится на основании специальных контрольных наблюдений, которые должны быть предусмотрены проектом работ в объеме не менее 3 % от общего числа координатных точек съемки, но не менее 50 координатных точек на участок работ. Контрольные наблюдения должны быть независимыми (то есть выполняться в другой отрезок времени, другим оператором, или другим магнитометром) и, по возможности, равномерно распределены на площади съемки. Обзор методических вопросов магнитной съемки будет не полным без упоминания о микромагнитных съемках. Микромагнитные съемки применяются для решения некоторых частных геологических задач (уточнение контактов пород, характера слоистости, трещиноватости, особенностей метаморфизма пород, вариаций сортировки материала осадочных образований и ряда других). Методика именно микромагнитных исследований была заимствована и в модифицированном виде использована при проведении магнитных съемок археологических памятников в прошлые годы. Поэтому рассмотрение этого вопроса заслуживает особого внимания. Основные вопросы применения микромагнитной съемки изложены во многих литературных источниках (в частности, в работе С.Н. Кондрашева, В.И. Оксмана, Н.А. Страхова 32, в «Справочнике геофизика» 39 и других). Выявление литолого-петрографических или структурных особенностей пород, тектонических нарушений, зон контактов пород, решение ряда других геологических задач по данным микромагнитной съемки осуществляется на основе анализа микроструктуры магнитного поля в пределах небольших площадок (планшетов) обычно квадратной, реже – прямоугольной формы размером (10÷50)×(10÷50) м2. Число и местоположение площадок на местности выбираются исходя из поставленной геологической задачи, они автономны и не образуют единой площади исследований. Высокоточная магнитная съемка планшета выполняется по густой сети – от 0.5×0.5 до 5×5 м2 – - 129 -

магнитным рейсом, звенья которого имеют продолжительность не более 20– 30 мин. Каждое звено рейса начинается и заканчивается измерением на КП. По результатам этих измерений вносится поправка за вариации магнитного поля. На каждой площадке выбирается свой КП. Отдельные КП не увязываются между собой, так как нет необходимости приводить результаты съемки разрозненных планшетов к единому уровню магнитного поля. Для оценки точности съемки каждого планшета выполняются независимые контрольные наблюдения в объеме 3% от всего числа координатных точек.

2.5.3. МЕТОДИКА МАГНИТНОЙ СЪЕМКИ АРХЕОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Анализ результатов магнитных съемок прошлых лет Прежде чем излагать вопросы методики полевых магниторазведочных работ археологического назначения, рассмотрим наиболее существенные недостатки методики магнитных съемок, проводившихся в минувшие годы (чтобы не повторять ошибок прошлого). Применявшаяся ранее методика полевых работ, как уже отмечалось, заимствована из опыта магнитных и микромагнитных съемок, выполняемых для решения геологоразведочных задач. Есть сведения, что в начальный период применения магнитной разведки в археологии, когда еще использовались оптико-механические магнитометры типа М–23 или М–27, основные положения стандартной методики магнитных и микромагнитных съемок, в основном, соблюдались. Напомним, что главные из этих положений сводятся к следующему: – измерения вариаций геомагнитного поля во время съемки; альтернативный вариант методики – планирование съемки короткими магнитометрическими рейсами, которые начинаются и заканчиваются обязательными измерениями на контрольных пунктах (КП), с целью учета поправок за вариации магнитного поля; – увязка всех КП в одну систему (если их больше двух, а практически их может насчитываться столько, сколько планшетов на участке съемки); – фиксация времени снятия показаний магнитометра на всех точках съемки. Соблюдение этих требований, естественно, усложняет процесс съемки, приводят к значительным потерям труда и времени и, в конечном итоге – к снижению экономических показателей. Поэтому с появлением магнитометров нового поколения – протонных и квантовых – произошла «модернизация» общепринятой технологии съемок. В отличие от применявшихся ранее оптико-механических магнитометров, позволявших проводить только относительные измерения (определять насколько магнитное поле в одной точке больше или меньше, чем в другой), протонные и квантовые магнитометры дают возможность измерять абсолютную величину модуля магнитной индукции в точке наблюдений. Кроме того, они обеспечивают высокую точность измерений и характеризуются высокой стабильностью работы во времени. Полагаясь на эти несомненные достоинства новой аппаратуры, исполнители магнитных съемок полагали - 130 -

возможным избавиться от необходимости: а) повторных измерений на контрольных пунктах в течение рабочего дня, б) регулярных контрольных измерений для оценки качества съемки и в) регистрации в полевом журнале времени замеров на точках съемки. Под «съемкой» стали понимать простое множество показаний магнитометра в точках исследуемой площади, полученное при свободном «планировании» рейсов (вплоть до того, что съемка планшета, начатая в один день, заканчивалась в другой). Не строго соблюдались и требования техники наблюдений – к оптимальной ориентации датчика магнитометра на точках измерений, выдержке постоянной на всех точках съемки высоты датчика над уровнем земли и некоторые другие. Все это не могло не сказаться на качестве первичных результатов съемок. Оно было преимущественно настолько низким, что, скажем, в геологоразведке такие материалы съемок, вероятно, считались бы браком. В процессе дальнейшей разработки магнитометрического метода археологических исследований немало пришлось сталкиваться с подобными материалами съемок прошлых лет. И только после ряда неудачных попыток удалось разработать такие нестандартные приемы обработки результатов наблюдений, которые в конечном итоге позволили получить приемлемый по качеству и достоверности материал, пригодный для дальнейшей обработки. Это стало возможным на основе использования некоторых специфических особенностей проведенных съемок. К их числу относятся: – проведение съемок попланшетно, то есть в границах площадок ограниченных размеров; – окружение каждого планшета тремя-четырьмя (в угловых точках площади – двумя) такими же планшетами; – выполнение (хотя и не повсеместно, но во многих случаях) повторных измерений в крайних точках одного из стыкующихся планшетов, общих с начальными точками соседнего; – кратковременность процесса наблюдений на точках одного профиля (не более 10–15 мин). Достоверно известно, что магниторазведочные работы прошлых лет выполнялись строго попланшетно (это единственное правило, заимствованное из методики микромагнитных съемок, которое выполнялось неукоснительно). Повторные измерения в точках на стыке планшетов, хотя и не регулярно, но проводились, судя по записям в полевых журналах. Такие измерения выполнялись, в частности, во всех случаях, когда съемка соседнего планшета проводилась в другой день. При съемке зоны контакта планшетов в один и тот же день требование о повторных измерениях на крайнем профиле предшествовавшего планшета игнорировалось. Последний профиль одного планшета по умолчанию считался нулевым профилем следующего. В целом, можно считать, что повторные измерения на стыке планшетов имели место, хотя и в ограниченном количестве. Так как в полевых журналах время наблюдений на точках съемки не фиксировалось, совсем непросто определить продолжительность съемки одного профиля планшета. В то же время, установление этого интервала времени исключительно важно для оценки точности учета магнитных - 131 -

вариаций. Определим эту величину хотя бы приблизительно. Не располагая общепринятым документом о нормах выработки на магниторазведочные работы в археологии, воспользуемся нормами времени на выполнения единицы работ, приведенными в Справочнике укрупненных сметных норм на магниторазведочные работы 26 (Департамент геологии Украины). Пусть, в худшем случае, съемка проводится по планшетам большого размера – 100×100 м2 по сравнительно густой сети – 2×2 м2. Длина профиля 100 м, число точек – 50. Согласно СУСН (см. табл. 2.6) при такой сети наблюдений на съемку 1 км2 площади или 250 000 точек на местности 2 категории трудности (3-я категория отвечает уже сильно пересеченной местности) нужно затратить 155.95 отрядо-смен продолжительностью по 7 час. Таблица 2.6. Нормы затрат времени на магниторазведку с магнитометром типа ММ-61, в отрядо-сменах на 1 км2 (СУСН 26, табл. 3.2.3). Расстояние Виды работ Длина Рассто между пунк- Количество без про- яние между тами координатных с остановкой остановки филя, профилями, на пункте наблюдения пунктов на пункте м м наблюдения М наблюдения 1 2 3 4 5 6 І категория трудности 10 20 50 500 …

1 2 5 10 10 …

1 2 5 5 10 …

1000000 250000 40000 20000 10000 …

542.86 151.19 32.24 9.71 7.98 …

6.29 6.24 …

552.38 155.95 33.52 10.76 9.00 …

7.33 7.29 …

ІІ категория трудности 10 20 50 500 …

1 2 5 5 10 …

1 2 5 10 10 …

1000000 250000 40000 20000 10000 …

Из этого следует, что на съемку 1 профиля планшета нужно затратить:

Δt =

155.95 ⋅ 7 ⋅ 60 50 = 13.1 мин. 250000

При выполнении съемок по более редкой сети – 3×3 м2 или 4×4 м2 – этот интервал времени будет еще короче. В частности, для съемки по сети 5×5 м2 (40000 точек на 1 км2, 21 точка на профиле) аналогичный расчет при тех же условиях дает: Δt = 7 мин. Как будет показано ниже, магнитные съемки археологического назначения следует проводить по планшетам не произвольного, а - 132 -

оптимального размера (см. табл. 2.7). При этом число точек на отдельном профиле не превышает 20–30, и продолжительность съемки одного профиля планшета следует уменьшить, по крайней мере, вдвое по сравнению с приведенным выше расчетом. Поэтому оценку длительности работы на отдельном профиле съемки – порядка 10–15 мин – можно считать предельной. Для дальнейшего понимания как особенностей методики магнитной съемки археологического назначения, так и специфики первичной обработки магнитометрических наблюдений следует обратить внимание на следующее. Если бы строго выдерживалось требование повторных замеров в крайних точках стыкующихся планшетов, систему этих парных наблюдений можно было бы рассматривать как аналог опорно-магистральных ходов по сторонам планшетов и по измерениям на этих пунктах через каждые 7–13 мин (или менее) определять поправки за вариации магнитного поля. На вопрос, с какой точностью могут быть учтены вариации при такой периодичности измерений в крайних («магистральных») точках планшета, ответ дают разработчики микромагнитной съемки. Как показано на рис. 2.7, заимствованном из работы С.Н. Кондрашева и др. 32, в случае длительности звена рейса от одной «магистрали» до другой (т.е. по отдельному профилю планшета) не более Δt ≤ 15 мин погрешность определения поправки за вариации геомагнитного поля не превышает ΔВ = 2±1 нТ, что соизмеримо со среднеквадратической погрешностью съемки. B вар , нТ 5

4

Рис. 2.7. Зависимость погрешности поправки за вариации геомагнитного поля от длительности звена магнитометрического рейса (по С.Н. Кондрашеву 32) 1 –наиболее вероятные значения; 2, 3 – границы области вычисленных значений поправок.

2

3

1 2

3

1

t, мин 0

10

20

30

Совокупность перечисленных выше особенностей съемок позволило провести повторную, более основательную обработку первичных данных. Используя имеющиеся сведения о повторных замерах на стыке планшетов, оказалось возможным, пользуясь алгоритмом Н.И. Жарких (описанным в главе 3), устранить перекосы поля в границах планшетов и привести наблюдения по участку съемки к единому уровню. В процессе уравнивания системы планшетов съемки вычисляются исправленные значения поля в точках по периметрам планшетов. Они имеют больший вес, чем рядовые точки съемки, так как на них, в большинстве, измерения проведены дважды – - 133 -

при съемке одного, затем другого планшета. Использование их в качестве «твердых» точек дает возможность в процессе уравнивания системы планшетов учесть вариации геомагнитного поля и вычислить откорректированные значения поля в рядовых точках всех планшетов съемки. Несмотря на несовершенство исходных данных, во всех случаях результат получен с точностью, достаточной для практических нужд. Случайная составляющая общей погрешности съемки, оцененная по имеющимся результатам повторных измерений, не превышала ±(2..3) нТ. Вполне очевидно, что результаты процедуры учета магнитных вариаций в процессе уравнивания системы планшетов в один массив (приведения к единому уровню поля) были бы намного точнее и надежнее, при проведении обязательных и регулярных повторных измерений по периметру всех планшетов съемки. Это правило настоятельно рекомендовано к исполнению в числе других важных требований методики магнитных съемок археологических памятников. Другие неучтенные эффекты, связанные с недостатками применявшейся технологии полевых работ, – не проконтролированные грубые ошибки и случайные «всплески» значений поля, профильные погрешности и др. – были устранены применением специальных приемов дальнейшей обработки первичных материалов (см. главу 3). В заключение нашего обзора отметим еще одно отклонение применявшейся методики полевых работ от стандартной методики магнитной съемки – полное отсутствие детализационных работ. Детализация может иметь целью: 1) уточнение размеров и формы аномалий от искомых объектов и 2) отбраковки аномалий-помех случайного характера. Отказ от детализации аномалий археологического происхождения представляется оправданным. Далеко не все из них можно непосредственно увидеть в поле магнитной индукции, которое фиксируется магнитометрами. В частности, небольшие аномалии невысокой интенсивности, обнаруживаются только в результате последующей обработки результатов наблюдений, и, следовательно, могут быть детализированы лишь на следующем этапе полевых магнитометрических исследований. Другие аномалии, заметные на глаз в поле магнитной индукции по цифровой записи в полевом журнале, имеют значительные размеры и интенсивность и не требуют детализации. В том и другом случае детализация аномалий в процессе съемки не имеет смысла. Тем более что детализация сопряжена с возрастанием продолжительности съемки профиля и снижением точности учета магнитных вариаций Но нельзя согласиться с отказом от детализации аномалий, фиксируемых одной, редко – двумя точками наблюдений с целью выяснения, является ли каждая из них случайной аномалией-помехой или отображает окраину искомой аномалии археологического происхождения. Это можно легко выяснить в процессе съемки без существенных потерь путем нескольких дополнительных замеров со смешением от точки наблюдения на несколько дециметров в сторону или по высоте. Учитывая все изложенное, можно сформулировать основные положения методики магнитной съемки археологического назначения.

- 134 -

РЕКОМЕНДУЕМАЯ МЕТОДИКА МАГНИТНЫХ СЪЕМОК АРХЕОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 1. Сеть наблюдений при выполнении магнитных съемок археологических памятников должна быть квадратной, то есть с одинаковым расстоянием между профилями и точками наблюдений по профилям. Это требование выдвинуто на том основании, что искомые археологические объекты в разных местах памятника могут быть произвольно ориентированы относительно сети наблюдений. 2. Оптимальной при археологических исследованиях следует считать такую сеть магнитной съемки, когда расстояние между профилями и точками наблюдений составляет 2.0 или 3.0 м. Съемки с шагом 1.0 м (тем более – 0.5 м) целесообразны лишь с целью поисков объектов небольших поперечных размеров – гончарных и бытовых печей, древних рвов и т.п. Шаг съемки 4 м может считаться максимально допустимым. Проведение магнитной разведки по такой сети наблюдений, хотя и дает некоторое снижение трудовых и финансовых затрат, но приводит к существенным потерям археологической информации относительно объектов небольших размеров и невысокой намагниченности, которые могут быть пропущены съемкой или зафиксированы не достоверно, то есть недостаточным числом точек наблюдений (1–2). 3. Магнитная съемка должна выполняться попланшетно. Площадь съемки разбивается на отдельные участки квадратной формы (планшеты) размером от 20×20 до 100×100 м2 в зависимости от густоты сети наблюдений. Сторона квадрата должна соответствовать целому числу интервалов между точками наблюдений по профилям. Например, при густоте сети съемки 3×3 м2 приемлемыми будут планшеты размерами 60×60 или 90×90 м2, а при сети 4×4 м2 это могут быть квадраты со стороной 60, 80 или 100 м. Планшет размером 50×50 м2 приемлем лишь для съемок с шагом наблюдений 1 или 2 м (съемки по сети 5×5 м2 или еще реже, как правило, недостаточно информативны в археологическом отношении). 4. Размер планшета выбирается с таким расчетом, чтобы съемка на всей его площади могла быть выполнена в течение одного непрерывного магнитометрического рейса продолжительностью не более 3–4 часов. Время проведения рейса должно быть выбрано с учетом особенностей хода вариаций магнитного поля Земли. Как видно из приведенного ранее рисунка 2.6, вариации геомагнитного поля в первой половине дня имеют тенденцию к возрастанию и убывают после полудня. В интервал времени, когда общий ход магнитных вариаций меняет знак, погрешность учета вариаций по наблюдениям в крайних точках планшетов возрастает. Планирование магнитометрического рейса в период до или после середины рабочего дня позволяет избежать этой дополнительной погрешности. Выбор планшетов небольшого размера, съемка которых может быть выполнена менее, чем за 1 час, не запрещен, но сопряжен с дополнительными затратами средств и времени на топографо-геодезическое обеспечение магнитной съемки. - 135 -

С другой стороны, выбор размеров планшетов больше оптимальных, например, таких, съемка которых может быть закончена в течение рабочего дня (за 7 часов), не рекомендуется. Технически возможно реализовать такую съемку в варианте однодневного рейса, состоящего из двух звеньев продолжительность 3–4 часа. Но это сопряжено с необходимостью применения усложненной процедуры обработки результатов наблюдений, да и качество полученных результатов будет ниже, учитывая особенности хода геомагнитных вариаций в середине рабочего дня. В связи с этим планирование съемки по системе больших планшетов однодневными (тем более – многодневными) рейсами не рекомендуется. Таблица 2.7. Продолжительность магнитной съемки одного планшета при различной густоте сети наблюдений.* Продолжительность магнитной съемки планшета по заданной сети наблюдений:

Размер Планшета, м2

1×1 м2

2×2 м2

3×3 м2

4×4 м2

5×5 м2

20×20

1 ч 33 мин

0 ч 26 мин

–

0 ч 08 мин

0 ч 06 мин

30×30

3 ч 29 мин

0 ч 59 мин

0 ч 28 мин

–

0 ч 13 мин

40×40

6 ч 11 мин

1 ч 45 мин

–

0 ч 31 мин

0 ч 23 мин

50×50

9 ч 40 мин

2 ч 44 мин

–

–

0 ч 35 мин

60×60

13 ч 55 мин 3 ч 56 мин

1 ч 54 мин

1 ч 09 мин

0 ч 51 мин

80×80

24 ч 45 мин

6 ч 59 мин

–

2 ч 03 мин

1 ч 30 мин

90×90

31 ч 19 мин

7 ч 41 мин

4 ч 16 мин

–

1 ч 54 мин

–

3 ч 32 мин

2 ч 21 мин

100×100

38 ч 40 мин 10 ч 55 мин

____________ * Результаты расчетов получены на основании норм времени на магнитную съемку по заранее разбитой сети наблюдений (согласно СУСН 26). Магнитные съемки археологического назначения проводятся с одновременной разбивкой сети наблюдений, что требует некоторых дополнительных затрат времени. В связи с этим рассчитанная продолжительность съемки планшета должны быть увеличена, по приблизительным оценкам, на 10–15 %.

Оптимальный размер планшета съемки должен быть обоснован производительностью работ при данной сети наблюдений. Расчет времени, необходимого на проведение съемки отдельного планшета может быть проведен на основе затрат времени, регламентируемых СУСН 26 (см. табл. 2.6). Для упрощения процедуры выбора размеров планшетов в таблице 2.7 приведены результаты расчетов, выполненных для типичных размеров сетей наблюдений. Оптимальные варианты выделены в таблице жирным шрифтом. 5. Система планшетов съемки должна быть спланирована так, чтобы отдельные планшеты стыковались внакладку. Это означает, что граничные профили одного планшета считаются граничными и для соседнего, а крайние точки профилей одного из них – общие с нулевыми точками профилей - 136 -

сопредельного планшета. Именно на этих точках, общих для стыкующихся планшетов, производятся в процессе съемки повторные измерения, причем не специально, а в процессе съемки каждого планшета в отдельности. 6. Профили съемки надо ориентировать однообразно на всей площади исследований, так чтобы каждый из них имел продолжение на соседнем планшете. При выборе системы нумерации профилей и пикетов съемки необходимо принять во внимание особенности главной программы обработки данных – SURFER. Построение карт магнитного поля происходит от «нулевой» точки, которая расположена (на экране монитора компьютера) внизу слева. При этом нумерация точек наблюдений возрастает слева направо (по горизонтали), нумерация профилей – снизу вверх (по вертикали). Таким образом, с целью облегчения дальнейшей обработки материалов съемки желательно это учесть еще на стадии проведения полевых работ. Конкретно говоря, необходимо придерживаться таких правил: – на каждом планшете нумерация профилей и точек наблюдений своя – от 0 до максимального в его пределах номера профиля и пикета; – «нулевые» точки планшетов должны быть выбраны слева внизу; – нумерация профилей возрастает снизу вверх, пикетов – слева направо. – система нумерации должна быть идентичной на всех планшетах. Остается только определить, где «низ», а где «верх». Конечно, это определяется не местом «верхнего» или «нижнего» края страницы полевого журнала, а по топографической карте. На картах северная сторона всегда сверху. Таким образом, та сторона контура площади съемки (как и отдельного планшета), которая обращена к северу, и будет определять искомый «верх». Таблица 2.8. Примерная форма полевого журнала. Участок _______________ Планшет ____ Профиль ____ Время измерений: Начало ____ Окончание ____ Пикет

…

Отсчет

…

Пикет

Отсчет

…

Пикет

Отсчет

…

…

Детализация и повторные замеры:

- 137 -

Примечания:

…

7. Идеальной формой полевого журнала была бы таблица в виде матрицы, по одной стороне которой размечены пикеты, по другой – профили. Однако реализовать такую запись затруднительно, учитывая, что показания магнитометра выражаются пятизначным числом. Поэтому целесообразно организовать записи результатов наблюдений в полевом журнале в виде последовательных массивов данных по отдельным профилям, имея при этом в виду конечную цель – создание компьютерных файлов данных по планшету в целом. Рекомендуемая форма журнала представлена в таблице 2.8. Нижняя сторона страницы журнала отведена для записи повторных измерений, результатов детализации и служебных примечаний. Детализации подлежат только аномалии, фиксируемые 1–2 точками, с целью отбраковки аномалий помех случайного характера. Детализация более протяженных аномалий предположительно археологического происхождения должна проводиться на следующем этапе исследований памятника. 8. Главные требования к съемке археологического назначения: а) Съемка каждого отдельного планшета должна быть проведена в один прием – как один беспрерывный удлиненный магнитометрический рейс продолжительностью до 3–4 часов, без длительных перерывов (кроме «технических», не превышающих 5–10 мин). Прекращение съемки планшета вследствие дождя, выхода из строя магнитометра и по любым другим причинам приводит к получению результатов наблюдений, которые могут считаться браком. (Они сомнительны по причине возможно неверных показаний прибора либо недоброкачественны вследствие неизбежного различия уровней поля на одной и другой части планшета). Спасение результатов начатых, но прерванных измерений, на части планшета представляет довольно непростую задачу. Можно, конечно, провести съемку оставшейся части планшета в другой день. (Для этого придется предварительно повторить измерения на двух крайних профилях предыдущего рейса съемки). Но нет никакой гарантии, что предположение о недопустимо низком качестве предыдущих наблюдений, не подтвердится, и не придется повторять их снова. Таким образом, получаем порочный круг. Разумнее всего – это повторить съемку всего планшета заново. б) Магнитометрический рейс должен начинаться и заканчиваться измерениями на одной и той же точке – начальном пикете съемки планшета. Результаты наблюдений на этой точке определяются как среднее из 3–5 замеров, выполненных с интервалом несколько секунд один после другого. Время начального и конечного измерений на исходной точке съемки определяют продолжительность рейса и записываются в полевой журнал. Эти данные необходимы для внутреннего контроля стабильности показаний магнитометра в рейсе. в) Необходимо обеспечить обязательное проведение повторных измерений на профилях и в точках, общих для сопредельных планшетов. Такие измерения должны быть проведены на всех планшетах, причем фактически, а не переписыванием данных в полевом журнале из одного профиля в другой. Результаты этих измерений исключительно важны для обеспечения высокого качества съемки. Именно по этим данным определяется погрешность съемки (ее случайная составляющая). - 138 -

Но самое главное в том, что результаты первичных и повторных измерений, которые выполнены на одних и тех же точках в другое время, в другом магнитометрическом рейсе, а, в благоприятных условиях, – и другим магнитометром, можно считать независимыми. Их можно использовать в процессе дальнейшей обработки первичных наблюдений как опорномагистральные ходы по периметрам планшетов и рассматривать как достойный эквивалент регулярных измерений на контрольном пункте съемки (КП). За счет этого в процессе обработки исходных данных появляется реальная возможность автоматически учесть действие вариаций геомагнитного поля (причем с достаточно высокой точностью, принимая во внимание кратковременность циклов измерений по каждому из профилей планшета). Только наличие регулярно проводимых повторных измерений по линиям стыков планшетов дает возможность применить уникальную программу Н.И. Жарких и оперативно, в комплексе решить весь круг вопросов первичной обработки результатов наблюдений – от учета магнитных вариаций до приведения всех наблюдений к единому уровню поля. *** Соблюдение всех названных правил определяет вполне законченный вариант методики полевых магниторазведочных работ археологического назначения, который не уступает по качеству полученных материалов стандартной методике магнитных съемок, принятой в геологоразведке. Правила техники проведения наблюдений, требования к обслуживанию магнитометров, оптимальной ориентации датчика прибора и выдержки постоянной на всех точках съемки высоты датчика над уровнем земли сохраняются теми же, что и в стандартной технологии магниторазведочных работ, принятой в геологоразведке. Предложенная методика магнитной съемки рассчитана на применение магнитометров, которые не уступают по своим метрологическим характеристикам высокоточным протонным магнитометрам типа ММП–203 (и их модернизованным вариантам – ММП–203М1С, ММП–203М1, ММП–203М2, ММ–61). Поскольку такие магнитометры довольно широко распространены, можно надеяться, что съемки по рекомендуемой методике могут получить широкое применение. Они обеспечивают вполне приемлемые по точности первичные материалы без специальных измерений вариаций магнитного поля Земли и соблюдения некоторых, усложняющих полевые работы требований стандартной технологии съемки (таких как регулярные через каждые 20–30 мин. измерения на КП и некоторые другие). Это существенно облегчает и ускоряет проведение магниторазведочных исследований археологических памятников при невысокой стоимости работ.

- 139 -

2.6. ТЕХНИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ Техника проведения магнитной съемки определяется проектируемой точностью работ и типом применяемых магнитометров. Несмотря на кажущуюся простоту измерений современным магнитометром (например, прибором типа ММП-203, управление которым осуществляется с помощью одной ручки), существует множество особенностей методики и техники работ, с которыми достаточно знакомы только техники или инженеры-геофизики. Без учета этих особенностей технологии полевых магнитометрических работ добиться необходимой высокой точности съемки практически невозможно. В частности, одно из общих правил работы с магнитометрами гласит, что «техник-оператор должен знать принцип действия и устройство магнитометра, источники всех возможных ошибок и способы их устранения». В связи с этим настоятельно рекомендуется в качестве ответственного исполнителя полевых магнитометрических работ использовать специалиста – инженера или опытного техника-геофизика. Принцип действия протонных и квантовых магнитометров, настройки и испытания некоторых моделей приборов, подготовка их к работе и техника полевых наблюдений изложены в учебнике автора 33, в Справочнике оператора магниторазведчика 54 и других литературных источниках. Дополнительно к этому следует в обязательном порядке хорошо изучить заводские описания магнитометров 38 и технические инструкции 44 (руководства) по их эксплуатации. Следует помнить, что высокие метрологические характеристики современных магнитометров могут быть реализованы только при тщательном соблюдении всех правил и рекомендаций, изложенных в этих руководствах. К числу общих правил проведения полевых магниторазведочных работ относятся следующие: 1) В костюме оператора не должно быть изделий из ферромагнитных материалов. Рекомендуется проверить воздействие на показания магнитометра очков, часов, авторучек и других предметов. 2) В процессе съемки следует следить, чтобы вблизи пункта измерений не было источников магнитных помех (железных и железобетонных столбов, зданий и сооружений, линий электропередачи, автомашин, других механизмов, брошенного инструмента, металлолома и т.п.). При невозможности устранить источник помехи следует пропустить точку наблюдений или, сделав отметку в журнале, провести измерение, но смириться с возможно ошибочным результатом. 3) Измерения на всех точках съемки должны проводиться при одной и той же постоянной высоте датчика магнитометра над поверхностью земли. При этом датчик должен устанавливаться точно над точкой наблюдений. На точность измерений протонными и квантовыми магнитометрами в той или иной мере влияют ориентационная, азимутальная и инструментальная погрешности. Ориентационная погрешность возникает вследствие отклонения магнитоизмерительного преобразователя прибора от оптимального положения. В частности, датчик протонного магнитометра рекомендуется ориентировать под углом 90° к направлению магнитного меридиана, а квантового (по - 140 -

максимуму уровня сигнала) – в оптимальном положении наклона относительно крепежной штанги. Ориентационная погрешность протонных магнитометров не превышает 1–2 нТ, квантовых – до 5–7 нТ. Поэтому для протонных магнитометров желательно, а для квантовых обязательно изучение и максимальное ослабление этой погрешности. Изучение ориентационной погрешности осуществляется в период предполевых испытаний магнитометров экспериментально, путем непосредственных измерений при различных отклонениях датчика прибора от оптимального положения. Практически ориентационная погрешность в процессе съемки сводится к минимуму постоянным контролем правильности ориентировки датчика магнитометра. Не учтенная часть ориентационной погрешности входит в общую погрешность магнитной съемки в качестве случайной или систематической составляющей. Азимутальная погрешность возникает вследствие различия показаний магнитометра при прямом передвижении по съемочному профилю (условно – азимут 0°) и обратном – по соседнему профилю (азимут 180°). Исследование азимутальной погрешности магнитометра рекомендуется проводить совместно с инструментальной погрешностью на специальном контрольном профиле. Инструментальная погрешность представляет собой разность уровней магнитного поля, фиксируемых данным прибором и эталонным магнитометром. В качестве эталонного прибора может быть принят магнитометр, недавно полученный с завода-изготовителя либо прошедший ремонт, наладку и метрологические испытания. Можно также (при отсутствии других вариантов) принять за эталон самый стабильный из имеющихся в наличии магнитометров. Инструментальная погрешность определяется совместно с азимутальной погрешностью на контрольном профиле. В случае проведения съемки одним магнитометром данную погрешность можно не учитывать. Контрольный (эталонный) профиль прокладывается вблизи базы полевого отряда по азимуту, соответствующему азимуту съемочных профилей. Число точек на профиле должно быть не менее 30. Точки закрепляются колышками. Вблизи профиля не должно быть источников магнитных помех. На контрольном профиле перед началом полевых работ проводят измерения в прямом и обратном направлении (т.е., условно, в азимутах 0° и 180°) всеми имеющимися в отряде приборами. По данным измерений строят графики изменения значений поля по профилю. Результаты измерений по каждому профилю в азимутах 0° и 180° усредняют. По разности каждого из этих уровней поля относительно уровня эталонного магнитометра в азимуте 0° определяют поправку, учитывающую сумму азимутальной и инструментальной погрешностей каждого из приборов в азимутах 0° и 180°. (При наличии только одного прибора определяют разность его показаний в азимутах 0о и 180o). Эту поправку в дальнейшем будем называть азимутальной. В большинстве случаев азимутальная погрешность не превышает 3– 5 нТ. Повторные испытания магнитометров на контрольном профиле поводят обычно 1 раз в месяц в дни профилактики.

- 141 -

Техника наблюдений. В процессе съемки рекомендуется придерживаться следующих правил. 1) На исходных (контрольных) пунктах в начале и в конце рейса проводится серия из 3–5 замеров. Средняя величина показаний прибора и время измерений записываются в полевой журнал. 2) На каждой точке наблюдений перед началом измерений нужно обеспечить правильную ориентировку датчика магнитометра, его установку на нужной высоте и, по возможности, точно над пунктом съемки. 3) Для максимального ослабления азимутальной погрешности магнитометра рекомендуется проводить наблюдения при однообразной ориентировке оператора с прибором на всех точках съемки, например, лицом – в сторону возрастания нумерации пикетов (как на четных, так и нечетных профилях). Это избавляет от необходимости учета азимутальной погрешности в процессе первичной обработки данных и ограничивает возможность появления профильных аномалий. 4) На рядовых точках съемки проводится, как правило, один замер. И только в случае резкого изменения показаний прибора (на 20 нТ или более) сравнительно с предыдущей точкой съемки нужно провести серию не менее чем из трех замеров. Среднее из них записать в полевой журнал. 5) При проведении съемки протонным магнитометром может произойти срыв сигнала в точке, где в верхнем слое грунта находится железный предмет. В этом случае следует попытаться повторить измерение, предварительно сместившись от пункта наблюдений на 20–50 см в сторону или по высоте. 6) Если магнитная аномалия фиксируется только в одной или двух рядом расположенных точках профиля, необходимо сразу же доказать ее археологическое происхождение или отбраковать на основе дополнительных измерений в промежутках между точками основной сети съемки.

- 142 -

2.7. ТОПОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СЪЕМОК 2.7.1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ГЕОДЕЗИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ Топографо-геодезическое обеспечение магнитометрических работ включает: – подбор и получение топографических карт района проведения магнитной съемки, аэрофотоснимков, координат пунктов государственной и ведомственной геодезической сети, реперов, местных опорных геодезических пунктов и других топографо-геодезических материалов; – перенесение в натуру проекта расположения профилей и точек наблюдений; – создание на местности регулярной сети координатных точек магнитной съемки в соответствии с техническим заданием и с учетом требований к допустимой точности привязки выявленных съемкой археологических объектов; – плановую привязку профилей и пунктов магнитометрических наблюдений; – оформление результатов топографо-геодезических работ и создание топографических основ отчетных геофизических карт. Требования к точности топографо-геодезических работ определяются спецификой магнитных съемок археологических памятников или искомых техногенных объектов. В наиболее общем случае магнитные съемки, как отмечено выше, выполняются по сети наблюдений от 0.5×0.5 м2 до 4×4 м2, что соответствует масштабам от 1:50 до 1:500. Топографо-геодезические работы при геофизических исследованиях должны проводиться с такой точностью, чтобы погрешность плановой привязки пунктов наблюдений и обнаруженных съемкой магнитных аномалий не превосходила ± 1 мм в масштабе отчетной карты. Для съемок указанных масштабов это составляет от ±0.05 м до ±0.5 м. Достижение точности привязки ±0.05 м требует специальных приемов геодезических работ и удорожает их стоимость. Поэтому, учитывая специфику археологических объектов, вполне достаточно ограничиться точностью плановой привязки не ниже ±0.5 м. При проведении магнитных съемок археологических памятников необходимо пользоваться топографическими картами и планами как можно более крупного масштаба, не мельче, чем 1:10000–1:25000. Для плановой привязки точек геофизических наблюдений на местности по топографической карте ее масштаб должен быть не мельче масштаба съемки (масштаба отчетной карты). Так как по картам более мелкого масштаба привязка не может быть выполнена с требуемой точностью, а топографических карт (планов), соответствующих масштабам магнитных съемок археологического назначения (от 1:50 до 1:500), как правило, не существует, привязка точек съемки по топокартам практически невозможна. Запрещается также перенос в натуру и привязка точек съемочной сети по планам, приведенным к масштабу съемки путем формального увеличения топографических карт масштаба 1:10 000–1:25 000. - 143 -

По этой причине разбивка на местности и плановая привязка регулярной сети точек магнитной съемки, должны осуществляться инструментально. При этом рекомендуется выполнять топографо-геодезические работы наиболее простыми и экономичными методами, обеспечивающими разбивку сети съемки и плановую привязку точек наблюдений с заданной точностью.

2.7.2. ПОЛЕВЫЕ ТОПОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ Топографо-геодезическое обеспечение магнитной съемки может осуществляться традиционными средствами с применением геодезических инструментов, выпускавшихся ранее, или с использованием новейших приборов и средств определения планового положения пунктов наблюдений. В связи с тем, что современные геодезические приборы (в частности, основанные на применении электроники, лазерной и микропроцессорной техники) сравнительно дороги, рассмотрим вначале технологию полевых геодезических работ, разработанную в прошлые годы. Топографо-геодезические работы регламентируется техническими инструкциями 28,29 (или более современными) и должны обеспечить требуемую точность плановой привязки пунктов магнитометрических наблюдений при археологических исследованиях. Для проведения топографо-геодезических работ может быть использован любой теодолит, позволяющий измерять углы с точностью не ниже ± 30”. Промер расстояний осуществляется 20-метровой стальной геодезической лентой или 50-метровой рулеткой. Для непосредственной разбивки рядовой сети съемки может быть использован мерный шнур (трос) длиной не более 100 м. Перед началом съемки шнур должен быть тщательно проверен и размечен с помощью геодезической мерной ленты или 50-метровой рулетки. Метки на мерном шнуре должны быть надежно закреплены с погрешностью не более ±1 см. Достаточную точность промера расстояний (не ниже 1:1000) могут обеспечить также дальномеры или дальномерные насадки на зрительную трубу геодезического прибора. Специфические особенности топографо-геодезического обеспечения полевых магниторазведочных работ определяются особенностями магнитных съемок археологического назначения, которые проводятся: а) попланшетно; б) с одновременной разбивкой сети магнитометрических наблюдений. Основные положения методики топографо-геодезических работ сводятся к следующему. 1. Перенесение на местность проекта участка магнитной съемки осуществляется по топографической карте с необходимыми промерами на местности. Требуется вынос в натуру, как минимум, одной из угловых точек контура площади магнитной съемки, для большей уверенности – 2–4 угловых точек. 2. Разбивка сети наблюдений выполняется обычно в два этапа. Сначала на местности создается система квадратов, обозначенная угловыми точками будущих съемочных планшетов – каркасная сеть, затем на ее основе осуществляется разбивка заполняющей каркас рядовой сети магнитометрических наблюдений. Каркас топографо-геодезической основы магнитной съемки создается по сети N×N м2, где N – длина стороны планшета проектируемой съемки. - 144 -

Для удобства и упорядочивания процесса разбивки и привязки сети каркасных точек съемки, определяющих местоположения будущих планшетов, на местности прокладываются одна или две магистрали. Если ширина участка работ невелика (до 10 планшетов), достаточно одной магистрали, которая прокладывается, в зависимости от конфигурации площади участка съемки, примерно посредине площади или вдоль одной из ее сторон. В других случаях целесообразно проложить две магистрали по боковым сторонам участка съемки. Прокладка магистралей на местности осуществляется теодолитными ходами точности 1:500, замкнутыми на один или два пункта опорной геодезической сети (триангуляционные пункты, реперы и др.). Одновременно с прокладкой магистрали производится закрепление на местности точек с интервалом, равным длине съемочного планшета. При наклонах местности свыше 3о необходимо измерять вертикальные углы для вычисления горизонтального проложения линий. Промер расстояний осуществляется дальномером (дальномерной насадкой) или 20-метровой геодезической мерной лентой в одном направлении. Измерение линий в двух направлениях проводится только в случае недопустимой невязки теодолитного хода. Закрепление точек (окопанными деревянными кольями) должно обеспечивать их сохранность на время проведения полевых работ. Не менее двух точек на магистрали должно быть закреплено более надежно (деревянными столбами с крестовиною), чтобы обеспечить их сохранность до начала параметрических археологических раскопок. Необходимость привязки магистралей (и, в конечном итоге, – всех точек магнитной съемки) к государственной опорной геодезиической сети очевидна. Определение планового положения точек съемки в общепринятой (государственной) системе координат облегчает их использование в дальнейшем – при детализации, наращивании площади исследований или выносе на местность участков для проведения раскопок археологических объектов. Если пункты опорной геодезической сети (триангуляционные пункты, реперы и др.) не сохранились или расположены слишком далеко от участка работ, привязка магистралей осуществляется к ведомственным и местным опорным геодезическим пунктам, которые используются в строительстве, гидромелиорации, при земле- и лесоустроительных работах, на железных и автомобильных дорогах, при прокладке линий электропередачи. Сведения о координатах подобных пунктов можно получить в районных отделах архитектуры и строительства, в управлении железных (автомобильных) дорог и в других организациях. Использование перечисленных выше точек в качестве опорных для прокладки магистралей в большинстве случаев позволяет получить координаты магистральных и других точек съемки в условной или местной системе координат, что вполне допустимо при археологических исследованиях. При прокладке теодолитных ходов точности 1:500 необходимо соблюдать следующие требования: – относительная невязка теодолитного хода не должна превышать 1:500; – допустимая угловая невязка хода вычисляется по формуле

f = ±1′ n , где n – число углов в ходе; – длина стороны теодолитного хода должна быть в пределах 40–350 м; – наибольшая длина хода точности 1:500 не должна превышать 1.2 км; - 145 -

– число сторон в висячем теодолитном ходе точности 1:500 на незастроенной территории должно быть не более трех при общей длине хода 150 м. В зависимости от того, одна или две магистрали проложены на участке съемки, выбирается один из следующих вариантов технологии создания каркасной топографической сети. В случае одной магистрали на участке работ, от нее (в одну или в обе стороны) под прямым углом прокладываются висячие теодолитные ходы. Промер расстояний осуществляется геодезической 20-метровой мерной лентой в одном направлении. По линии хода закрепляют точки с интервалом, равным длине стороны съемочного планшета. Если длина висячих ходов не превышает 2–3 таких интервалов, можно получить достаточно высокую точность привязки угловых точек планшетов съемки. В случае двух магистралей на участке съемки система каркасных точек создается по линиям, прокладываемым перпендикулярно магистралям от одной из них до другой. Как и в предыдущем случае, промер расстояний по этим линиям осуществляется мерной лентой, точки закрепляются на местности деревянными кольями с интервалом, равным длине съемочного планшета. Текущую оценку точности плановой привязки каркасных точек можно получить по величине свешения и недомера в конце каждого хода от одной магистрали до другой. Среднеквадратическая погрешность определения координат пунктов каркасной сети оценивается по данным контрольных наблюдений, планируемых в объеме 5%. При этом фактически требуется оценить точность плановой привязки закрепляемых на местности магистральных и каркасных точек съемки. Для обеспечения 5% объема контроля точности определения координат предусматривают специальные контрольные наблюдения прокладкой секущего контрольного теодолитного хода по концам висячих ходов или по периметру участка работ. Если местность хорошо просматривается, для оценки точности плановой привязки каркасных пунктов рекомендуется применять быстрый и эффективный метод засечек от опорных магистральных пунктов. Согласно действующим инструкциям по проведению крупномасштабных топографо-геодезических работ, на участках площадью до 5 кв. км разрешается ориентировать съемочные сети по магнитному азимуту. При измерениях магнитного азимута запрещается находиться с теодолитом ближе 50 м от бетонных столбов и металлических опор линий электропередачи, а также зданий, технических сооружений, автомобилей, сельскохозяйственных машин и других источников магнитных помех. 3. Альтернативным вариантом методики создания сети каркасных точек съемки есть разбивка на местности квадратной сети угловых точек планшетов теодолитными ходами, замкнутыми на себя. В этом случае необходимо предусмотреть привязку каркаса топографо-геодезической основы съемки к ближайшим триангуляционным пунктам (реперам). Она осуществляется теодолитным ходом точности 1:500–1:000 без расстановки пикетов. Число каркасных точек, подлежащих привязке, определяется с таким расчетом, чтобы расстояние между ними не превышало 300 м. В зависимости от размера площади съемки привязке подлежит 2 или более пункта каркасной сети, расположенных предпочтительно в угловых точках площади или по диагонали. - 146 -

4. Оперативное создание сети пунктов рядовых магнитометрических наблюдений предусматривается попланшетно. Густота сети: n×m м2, где n – расстояние между профилями, m – шаг магнитной съемки (расстояние между пикетами); обычно n=m. Рядовая сеть магнитометрических наблюдений на археологических памятниках в целях экономии средств и времени, как правило, не закрепляется на местности. Разбивка рядовой сети осуществляется оперативно в процессе съемки по методу «трех мерных шнуров». Два таких шнура («магистральные») с метками через интервал, равный расстоянию между профилями съемки, растягивают между каркасными точками на противоположных сторонах планшета. Третий мерный шнур (по линии профиля) с метками через интервал, равный расстоянию между точками наблюдений, растягивают перпендикулярно первым двум непосредственно по съемочному профилю. После окончания измерений на всех точках профиля этот шнур перемещают на следующий профиль и так далее, до окончания съемки данного планшета. Такая методика гарантирует точность размещения датчика магнитометра на точках съемки с погрешностью не более ±0.1 м. Таким образом, в конечном итоге точность плановой привязки пунктов наблюдений определяется точностью определения координат угловых точек планшета, т.е. каркасных пунктов. Оперативная разбивка рядовой сети съемки описанным методом обеспечивается топобригадой из двух человек. Для увязки магнитометрических наблюдений по всей площади съемки соседние планшеты должны стыковаться между собой – последний профиль одного планшета считается начальным профилем соседнего. Точно так же ряд концевых точек профилей одного из планшетов становится рядом точек в начале профилей прилегающего планшета. 5. Камеральная обработка результатов топографо-геодезических измерений включает следующие виды работ: – составление схемы топографо-геодезического обеспечения магнитной съемки; – вычисления теодолитных ходов; – вычисление координат магистральных и каркасных точек съемки; – составление каталога координат пунктов каркасной геодезической сети; – обработка результатов контрольных измерений и оценка точности плановой привязки пунктов наблюдений; – составление отчета о проведенных топографо-геодезических работах и графических приложений к нему. Координаты магистральных точек съемки получают по результатам уравнивания теодолитных ходов. От магистральных точек координаты передаются последовательно на каркасные точки съемки на основе обработки разбивочных висячих ходов (в случае одной магистрали) или замкнутых теодолитных ходов от одной магистрали до другой. Завершается эта работа составлением каталога координат магистральных и каркасных точек съемки. По результатам обработки контрольных измерений (контрольных теодолитных ходов, засечек и других приемов) оценивается точность плановой привязки каркасной сети съемки. Среднеквадратическая погрешность вычисления координат может быть определена по формуле: - 147 -

⎛ n ⎞ Exy = ± ⎜ ∑ Δxi2 + Δyi2 ⎟ ⎝ i =1 ⎠

(

) (2n) ,

(2.8)

где Δx и Δy – разности координат контрольных точек по данным основных и контрольных измерений, n – количество контрольных точек. Отчет должен содержать перечень и краткое описание проведенных топографо-геодезических работ. Основным документом является каталог координат магистральных и каркасных точек съемки. Обработка топографогеодезических измерений (уравнивание теодолитных ходов, определение координат методами засечек, обработка результатов контрольных измерений и др.) производится, как правило, по программам на компьютере. Основным графическим приложением к отчету является план расположения магистралей, планшетов съемки и тех исходных геодезических пунктов, от которых осуществлялась привязки магистралей. На плане (или отдельным приложением) представляется схема теодолитных ходов, схемы привязок методами засечек, а также местоположение и абрис магистральных точек долговременной сохранности.

2.7.3. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ И ИЗЫСКАТЕЛЬСКИХ РАБОТ Как следует из приведенного выше описания, технология полевых и камеральных топографо-геодезических работ с использованием устаревших моделей геодезических инструментов довольно сложная и сопряжена со значительными затратами времени и труда квалифицированных специалистов-геодезистов. Современные геодезические инструменты несколько облегчают проведение полевых работ, но не решают проблему в целом. Если, например, использовать электронный тахометр типа SET5F с электрооптическим дальномером и сравнительно высокими метрологическими характеристиками (точность измерения углов – 5’’, расстояний – до 5 мм на 1000 м), это не устраняет необходимости проводить измерения для определения координат точек на местности. В связи с тем, что такие измерения немыслимы на тысячах и десятках тысяч рядовых точек съемки, речь идет только об измерениях, опять-таки, на угловых точках планшетов и последующей разбивке рядовой сети наблюдений внутри каждого из них методом «трех мерных шнуров», что будет гораздо быстрее. Практически все проблемы сводятся к минимуму, если плановую привязку пунктов геофизических наблюдений осуществлять современными средствами определения координат, основанными на использовании искусственных спутников Земли. Американская спутниковая радионавигационная система GPS предназначена для определения положения практически любых объектов. Двадцать четыре спутника GPS вращаются вокруг Земли на высоте 20200 км, совершая за день два оборота. Наземные приемники GPS вычисляют свои координаты, измеряя дальность до четырех или более спутников по времени прохождения сигнала от спутника до приемника. Доступ к сигналам является бесплатным, - 148 -

пользователь оплачивает лишь стоимость GPS-аппаратуры. Имея такую аппаратуру (приемник и антенну), пользователь может определять свое местоположение в реальном масштабе времени в любое время суток и независимо от условий погоды. Приемники определяют положение пользователя в автономном (при работе с одним приемником) или в дифференциальном режиме. В последнем случае работа выполняется не менее чем с двумя приемниками, точные координаты одного из которых известны. По назначению GPS-приемники делятся на три типа: – геодезические; – для создания ГИС (географических информационных систем), для изыскательских и картографических работ; – навигационные. Применяемые для картографических и изыскательских работ GPSприемники, работающие в дифференциальном режиме, обеспечивают точность определения положения пользователя до 0.1–1 м. Этого вполне достаточно для наших целей. Вычисленные положения тут же отображаются на электронной карте на экране персонального или специализированного полевого компьютера. Существенно, что подобные системы (например, GPS Pathfinder Pro XR) выпускаются в портативном исполнении (размером, примерно, 20×11×5 см) и могут обслуживаться непосредственно оператором, выполняющим магнитную съемку. Таким образом, состав полевого «отряда» сокращается до 1 человека. Вся последующая обработка геодезической информации производится на портативном полевом или стационарном компьютере по программам, разработанным для данной системы. Одновременное использование в процессе съемки, как радиогеодезической системы привязки точек наблюдений, так и магнитометра, предназначенного для вывода результатов измерений непосредственно на компьютер, создает необходимую базу для реализации полностью автоматизированной компьютерной технологии обработки магнитометрической информации (см. рис. 2.5).

- 149 -

2.8. ГРАДИЕНТОМЕТРИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ Градиентометрические съемки проводятся с точностью, которая определяется аппаратурной погрешностью применяемых приборов. Учитывая, что современные магнитометры имеют точность отсчитывания (разрешение) от ± 0.01 до ± 1 нТ, реально достижимая точность градиентометрических измерений составляет около ±(0.5–1) нТ/м при разносе датчиков магнитометра на расстояние 1–2 м. Поэтому по точности градиентометрические съемки можно считать прецизионными. В зависимости от системы наблюдений съемки градиентов магнитной индукции могут быть профильными или площадными. Съемки проводятся, как правило, по более густой сети по сравнению со съемками магнитной индукции. По назначению их можно отнести к категории детальных или детально-поисковых исследований. Величину градиентов магнитной индукции можно определить специальными приборами – градиентометрами – или рассчитать аналитически по результатам измерений магнитной индукции, воспользовавшись простейшими соотношениями вида:

B x = ΔB Δ x , B z = Δ B Δ z . Для расчета значений градиентов с более высокой точностью обычно применяют другие вычислительные формулы, некоторые из которых рассматриваются в главе 3. Таким образом чаще всего рассчитываются аномалии горизонтального градиента магнитной индукции. Эта характеристика при густой сети магнитной съемки может быть вычислена достаточно точно. Она используется как одна из трансформаций исходного магнитного поля при подготовке материалов для археологического истолкования магнитометрических данных. Существуют и методы вычисления вертикального градиента по распределению магнитного поля на площади или по отдельному профилю. Но никакие из этих трансформаций исходных аномалий магнитной индукции не могут сравняться в точности и надежности полученных данных с результатами непосредственных измерений градиентов магнитного поля приборами, предусмотренными для этой цели. Под градиентометрической съемкой будем понимать в дальнейшем съемку вертикального градиента магнитной индукции как более информативной характеристики, поскольку искомые археологические объекты находятся на некоторой глубине, то есть, удалены от земной поверхности именно по вертикали. Съемка вертикального градиента магнитной индукции может проводиться одним из следующих способов: – абсолютные измерения с использованием градиентометрической аппаратуры, которая обеспечивает получение результатов наблюдений непосредственно в единицах измерения градиентов (нТ/м); – относительные измерения градиента с помощью обычных магнитометров по результатам наблюдений на двух разных уровнях. Градиентометрическая аппаратура может быть двух типов: магнитные градиентометры или магнитометры-градиентометры. В первом случае – это магнитометр, оснащенный двумя или тремя датчиками, расположенными на фиксированном расстоянии один от другого на вертикальной штанге. Градиен- 150 -

тометр, оснащенный тремя датчиками, имеет заметные преимущества. Он разрешает проводить градиентометрическую съемку на двух уровнях и тем самим обеспечивает возможность решать задачу зондирования исследуемого разреза на двух разных глубинах. Градиентометры рассчитаны, как правило, на проведение именно градиентометрических измерений. Поэтому показания каждого из двух (или трех) датчиков градиентометра вырабатываются одновременно, а счетно-решающее устройство прибора вычисляет по этим данным значение градиента в точке наблюдений. Достоинство таких приборов в независимости показаний от магнитных вариаций, что существенным образом облегчает обработку полученных данных. В сущности никакой дальнейшей обработки и не требуется, а технология полевых работ предельно упрощена. Недостаток градиентометров в том, что значения магнитной индукции по показаниям датчиков не фиксируются. В связи с этим при археологическом толковании результатов исследований исключается возможность использования этой характеристики в комплексе с данными о распределении аномалий градиентов магнитной индукции. Магнитометры-градиентометры, в отличие от магнитных градиентометров, разрешают наряду с градиентами измерять также и значения магнитной индукции. Однако при этом существенно усложняется технология полевых работ, которая должна отвечать методическим требованиям обычной магнитометрической съемки. Градиентометрическую аппаратуру необходимых параметров можно заказать в любой фирме, которая производит квантовые или протонные магнитометры, однако обойдется это не дешево. Градиентометр с высокими метрологическими качествами стоит несколько десятков тысяч американских долларов. Таких средств могло бы хватить на проведение обычных магнитных съемок трех десятков археологических памятников площадью 5–10 га каждый (а это почти столько, столько в Украине всего изучено магниторазведкой площадей до настоящего времени). Может, когда-нибудь рядовой археолог и будет располагать такой техникой, но едва ли это произойдет в ближайшее время. Даже если наши отечественные специалисты в области разработки высокоточной аппаратуры станут изготовлять подобные приборы своими силами, нет никаких сомнений, что реализовать свою продукцию они будут по международным ценам. Итак, как это и раньше случалось в археологии, вопрос упирается в ассигнования. Максимум, на что можно рассчитывать, – это 1–2 градиентометра на всю страну для проведения опытных научноисследовательских работ либо исследований уж очень ценных и интересных археологических объектов. Тем не менее, существует реальная возможность проведения градиентометрических исследований без использования градиентометров. Такие съемки могут быть проведены обычными магнитометрами. Градиентометрические исследования можно провести как двухгоризонтные магнитометрические измерения, располагая датчик магнитометра сначала на одном, затем на другом уровне над земной поверхностью. Некоторый положительный опыт таких съемок накоплен в минувшие годы, в частности, при изучении поселения раннеславянского времени Монастырек и памятника доскифского периода Субботов. - 151 -

Возможность применения магнитометров для определения градиентов магнитной индукции базируется на относительно высокой чувствительности современных моделей этой аппаратуры. Чувствительность измерительной аппаратуры характеризуется минимальной величиной изменения по вертикали магнитной индукции ( ΔB Δz ), на которую еще может реагировать прибор. Чем меньше эта предельная величина, та выше чувствительность прибора. Пусть, например, градиент определяется по двум измерениям на точке наблюдений при расположении датчика магнитометра сначала на одном, потом на другом уровне над землей. При различии уровней 1 м и точности отсчитывания ±1 нТ чувствительность магнитометра будет ±1 нТ/метр. При тех же условиях и точности отсчитывания ±0.1 нТ чувствительность прибора возрастет до ±0.1 нТ/метр. Такую точность определения градиентов, вполне достаточную для практических целей, способны обеспечить современные протонные и квантовые магнитометры с соответствующим разрешением (точностью отсчитывания). Градиентометрические съемки с помощью магнитометров могут проводиться в двух модификациях: 1) практически одновременные измерения магнитной индукции при расположении датчика магнитометра на двух разных уровнях над землей, постоянных на всех точках съемки; 2) последовательное выполнение магнитной съемки сначала при одной постоянной высоте датчика магнитометра над уровнем земли, затем – второй раз – при другой постоянной высоте датчик прибора. Второй вариант съемки отпадает сразу как не эффективный экономически (две съемки вместо одной). Кроме того, он не обеспечивает надежное определение градиентов без регистрации и учета магнитных вариаций. На результаты измерений, проведенных как в первый, так и во второй раз, влияние вариации магнитного поля неизбежно. Вычисление разности этих результатов не компенсирует влияния вариаций, поскольку в разное время они протекают не одинаково. Поэтому пришлось бы вариации магнитного поля измерять и учитывать дважды, что явно не целесообразно. Таким образом, в действительности остается только один – первый вариант съемок. Съемка с одновременным измерением значений магнитного поля на двух высотах есть наиболее приемлемым вариантом технологии съемки градиентов магнитометрической аппаратурой. На каждом пункте наблюдений магнитометрические измерения на двух высотах выполняются практически одновременно или с таким небольшим интервалом, что можно пренебречь изменением магнитных вариаций за это время. В связи с этим при вычислении градиентов по разности показаний прибора вариации магнитной индукции можно не учитывать, и, следовательно, отпадает необходимость их измерения. Приведение наблюдений к единому уровню или учет других поправок не требуется. Поэтому съемка проводится быстро и просто, без обязательной привязки к контрольным пунктам. Отчетная карта строится непосредственно по результат измерений. Однако при такой упрощенной методике съемки мы будем иметь только значения градиентов. Результаты измерения магнитной индукции на каждом уровне наблюдений остаются искаженными влиянием магнитных вариаций, не - 152 -

привязаны к единому уровню наблюдений и отягощены систематической, азимутальной и другими погрешностями измерительной аппаратуры. Они не пригодны для дальнейшей обработки, и мы, следовательно, лишаемся возможности построения карт магнитной индукции. В то же время, как показывает опыт, при комплексном использовании градиента и магнитной индукции возможности качественной и количественной интерпретации магнитометрических данных существенным образом возрастают. Распределения магнитной индукции на двух уровнях относительно поверхности земли содержат ценную информацию об исследуемых археологических объектах. Потеря такой информации была бы весьма нежелательной. Поэтому съемку на двух уровнях наблюдений рекомендуется проводить, строго придерживаясь той технологии высокоточной магнитной съемки археологического назначения, которая была описана выше. Стоимость такой повысотной (двухгоризонтной) съемки, затраты труда и времени лишь ненамного выше затрат на обычную магнитную съемку. В результате такой съемки на каждом пункте наблюдений получают два значения магнитной индукции при разных высотах датчика магнитометра над землей и по их разности вычисляют значения градиентов как отношения вида ΔB/Δz, где Δz – расстояние между уровнями установки датчиков над землей. По данным съемки можно построить не только карту градиентов магнитного поля, но и карты магнитной индукции на двух уровнях. При выборе густоты сети градиентометрической съемки следует учитывать, что аномалии вертикального градиента более контрастные, узкие, имеют меньшие размеры сравнительно с аномалиями магнитной индукции. По форме и размерами они намного более близки контурам искомых археологических объектов в плане. Поэтому сеть наблюдений рекомендуется выбрать более густой (в 1.2–1.5 раза) по сравнению с сетью обычной магнитной съемки. Техника проведения съемки определяется типом применяемой аппаратуры. Основные положения техники полевых работ довольно детально рассмотрены в предыдущем разделе. Дополнительно следует отметить несколько более высокие требования относительно соблюдения точности установки датчика магнитометра по высоте. Высота наблюдений должна выдерживаться строго постоянной на всех пунктах съемки с точностью не менее 1–2 см, что достигается применением немагнитных штанг и упоров. В особенности тщательно должна контролироваться точность установки датчика над пикетом на разных высотах, так как даже небольшое отклонение в аномальном поле может привести к значительной погрешности результатов измерений. Градиентометрические съемки могут проводиться на любой стадии исследований археологических памятников и в зависимости от поставленных задач выполняются в следующих модификациях: 1) по интерпретационным профилям с целью разбраковки, оценки и интерпретации выявленных магнитных аномалий, предположительно связанных с археологическими объектами; 2) в границах отдельных микро площадок и микро полос для детализации выявленных магнитных аномалий, уточнения их формы, размеров, а также для оценки их природы и глубины залегания источника аномалии; - 153 -

3) в аномальных зонах для изучения внутреннего строения намагниченных археологических объектов; 4) на отдельных участках проявления региональных магнитных аномалий высших порядков, создаваемых неглубоко залегающими геологическими образованиями; такие особенности поля усложняют диагностику аномалий магнитной индукции, имеющих археологическую природу, но практически не фиксируются в поле градиентов; 5) в условиях сильного фона магнитных помех, связанных с наличием мелких предметов в верхнем слое грунта (например, осколков времен войны), создающих аномалии, которые очень быстро убывают с высотой и легко распознаются на основе сопоставления показаний при разных высотах датчика магнитометра; 6) на всей площади исследований, когда выполнение обычной магнитной съемки мало эффективно из-за низких амплитуд искомых аномалий магнитной индукции или вследствие высокого уровня магнитных помех. Благоприятными условиями для применения градиентометрических исследований можно считать те же, что и для магнитной съемки. Дополнительным, заслуживающим внимания, является условие отсутствия на площади съемки резких форм неровностей рельефа (обрывы, канавы и т.п.). Преимущества градиентометрической съемки определяются специфическими свойствами градиентов магнитной индукции. Как было отмечено в главе 1, градиент поля убывает пропорционально четвертой степени расстояния до источника магнитной аномалии, т.е. значительно быстрее, чем магнитная индукция, значения которой изменяются обратно пропорционально кубу этого расстояния. Это означает, что удаление от источника аномалии в два раза приводит к уменьшению аномалии градиента в 16 раз. Из этого следует, что в поле градиентов наиболее четко отмечаются аномалии от объектов, залегающих вблизи земной поверхности, и практически не фиксируются региональные аномалии, создаваемые геологическими образованиями, которые находятся на больших глубинах. Вследствие этого существенно упрощается последующая обработка результатов наблюдений и их археологическое истолкование. По той же причине разрешающая способность вертикального градиента при разделении суммарного аномального эффекта, создаваемого соседними близко расположенными телами, значительно выше, чем по аномалиям магнитной индукции. Так, по данным, приведенным в работе В.В. Бродового и Г.Г. Викторова 7, два источника магнитных аномалий в виде изолированных полюсов, расположенных на одной и той же глубине h на расстоянии Δx = h один от другого, легко фиксируются на кривой градиента ΔB Δz в виде двух пиков. Аналогичный эффект раздельного проявления полюсов на кривой магнитной индукции можно наблюдать при значительно большем расстоянии между ними – Δx1=1.4 h. Для вертикальных пластов большого распространения на глубину аналогичные пределы соответственно равны 1.1 h и 1.8 h. Другое важное следствие отмеченной выше зависимости градиентов от расстояния до аномальных магнитных масс состоит в том, что съемка градиентов всегда ориентирована на определенную глубину исследований. В частности, как отмечено в работе С.Н., Кондрашева и др. 32, при проведении съемки на уровне, близком дневной поверхности, верхняя граница доступных - 154 -

глубин исследований составляет 0.5–2 м, а при высоте датчика 1 м над поверхностью земли – увеличивается до 2–5 м. Таким образом, появляется возможность различать исследуемые объекты по глубине их залегания. При совместных измерениях градиента и индукции магнитного поля возможности качественной и количественной интерпретации магнитометрических данных существенно возрастают. Магнитометрические измерения на двух уровнях над поверхностью земли можно рассматривать, как своеобразное сочетание магнитного профилирования с магнитным зондированием, как утверждается в той же работе С.Н., Кондрашева и др. 32. По данным таких наблюдений появляется описанная выше возможность разделения аномальных объектов по глубине залегания. По данным С.Г. Васюточкина 10, при равных или близких погрешностях измерений B и Bz, градиентометрия имеет преимущества перед съемкой магнитной индукции лишь при поисках и обнаружении весьма небольших приповерхностных источников, находящихся на глубине не более 5–7 м. Чаще всего это случаи тел негеологического происхождения – археологические, техногенные объекты и некоторые другие. Это объясняет ограниченное использование градиентометрии в геологии и широкие возможности ее применения при археологических исследованиях и поисках объектов техногенного происхождения.

2.9. О СМЕТНОЙ СТОИМОСТИ МАГНИТОРАЗВЕДОЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Стоимость магниторазведочных работ является одним из решающих факторов широкого использования магниторазведки для решения разнообразных археологических задач. Совершенно очевидно, что магнитная разведка будет выглядеть тем привлекательнее, чем меньше средств требуется на проведение магнитометрических исследований. Поэтому данный вопрос заслуживает хотя бы краткого рассмотрения. В настоящее время нет официально принятых нормативных документов, определяющих затраты времени, труда, и средств на проведение магниторазведочных исследований археологических памятников. Их еще только предстоит разработать. В таких условиях представляется вполне обоснованным обратиться к опыту планирования и расчета сметной стоимости магниторазведочных работ, накопленному в отрасли геологической разведки. Именно в геологоразведочных организациях проведение магнитных съемок, обработка и интерпретация полученных данных осуществляются на высоком профессиональном уровне. Это касается и расчетов сметной стоимости работ. Основным нормативным документом, принятым в геологоразведке для расчета затрат по всем статьям расходов и общей стоимости работ, есть «Справочник укрупненных сметных норм». В приведенном выше разборе методических вопросов магнитной съемки были использованы сведения (таблицы и расчеты в разделе 2.5.3) из недавно выпущенного в Украине нового издание СУСН, раздел 8, на гравиразведочные и магниторазведочные работы 26. - 155 -

Альтернативным вариантом может быть использование норм на изыскательские работы в отрасли строительства. Для их сопоставления с нормами на геологоразведочные работы в НИИ памятникоохранных исследований (г. Киев) были проведены экспертные расчеты на примере условного памятника площадью 7 га, где предполагалось проведение магнитометрических исследований по сети 2×2 м2. Сметная стоимость полевых и Камеральных работ, рассчитанная по «строительным» нормам, составила (в ценах 2003 г.) 35 000 грн (ок. $ 7000), а по геологоразведочным – в 5 раз ниже. Комментарии, очевидно, излишни. Конечно, нормы затрат времени и труда, принятые в геологоразведке, не учитывают в полной мере специфические особенности магниторазведочных исследований в археологии, где они имеют явно выраженный научно-исследовательский характер и направлены на изучение объектов, которые отличны по своим характеристикам и условиям залегания от геологических образований. Но именно эти нормы целесообразно принять за основу при разработке нормативно-сметной документации на магниторазведочные исследования археологических памятников.

- 156 -

__________________________________________________________________

Глава 3 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Процесс обработки результатов магнитометрических исследований археологических объектов и памятников можно условно подразделить на два этапа. Вначале производится первичная обработка данных магнитной съемки с целью преобразования результатов магнитометрических измерений в аномалии магнитной индукции, исправленные за влияние вариаций магнитного поля Земли и приведенные к единому (абсолютному или условному) уровню. На этой же стадии производится оценка достигнутой точности съемки по результатам контрольных наблюдений и построение предварительных карт изолиний или графиков магнитного поля. По изложенным ниже причинам использование полученных таким образом материалов для обнаружения скрытых слоем наносов археологических объектов практически невозможно. Получение материалов, обеспечивающих надежное археологическое истолкование магнитометрических данных, предусматривается на втором этапе обработки. Исходные данные необходимо соответствующим образом обработать, трансформировать с целью выделения аномалий археологической природы, выявления их характерных особенностей и представления результатов в четкой, наглядной форме, удобной для последующего археологического истолкования. Рациональный комплекс необходимых исследований и преобразований исходной магнитометрической информации описан в работе автора 19 (под патронатом Дудкина В.П.) и в расширенном и дополненном виде рассматривается в данной главе.

3.1. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ Процесс первичной камеральной обработки результатов магнитометрических наблюдений существенно отличается по объему и содержанию вычислительных процедур в зависимости от применявшейся методики съемки. При использовании традиционной методики высокоточных магнитных съемок первичная обработка полученных экспериментальных данных включает следующие процедуры: – обработка магнитометрических рейсов, – оценка общей точности съемки, – построение первичных карт изолиний магнитной индукции (или карт графиков). Вычисление аномалий магнитной индукции на точках съемки производится в процессе обработки магнитометрических рейсов по формуле: - 157 -

Ba i = Bисх + ΔBизм + ΔBва р + ΔBаз + ΔBсист ,

(3.1)

где Ba i – значение аномалии магнитной индукции на любой i-той точке съемки, вычисленное с учетом всех поправок и приведенное к уровню поля на исходном контрольном пункте; Bисх – значение магнитного поля на исходном КП; Bизм = Bi – Bкп1 – приращение магнитной индукции на i -той точке съемки относительно исходного КП, полученное как разность отсчетов на этой точке и на КП в начале рабочего дня; ΔBвар = Bвар i – Bвар 1 – поправка за вариации, определяемая как разность значений магнитных вариаций в момент измерений на i-той точке съемки относительно значения вариации во время начального измерения на КП; ΔBаз – азимутальная поправка; определяется в предполевой период по результатам измерений на контрольном профиле; ΔBсист = [(Bкп2 – Bвар2) – (Bкп1 – Bвар1)] × (Ti –Tкп1) / (Tкп2 – Tкп1) – поправка, учитывающая нестабильность показаний магнитометра в момент времени Ti ; рассчитывается по разности исправленных за вариации показаний магнитометра на КП в начале и в конце рейса. Практически расчет ведется по упрощенной формуле:

Ba i = Bi + ΔBпост + ΔBва р + ΔBсист ,

(3.2)

где Bi – отсчет на точке измерений; ΔBпост = Bисх – Bкп1 + ΔBаз – сумма постоянных для данного рейса величин; ΔBвар – поправка за вариации магнитного поля; определяется по графику магнитных вариаций; ΔBсист – поправка за нестабильность показаний магнитометра, определяется по графику или аналитически (ее можно не учитывать, если за время рейса нестабильность показаний магнитометра не превышает удвоенной среднеквадратической погрешности съемки). Если магнитометрические работы проводятся без одновременных со съемкой измерений магнитных вариаций, то поправки за вариации определяются и учитываются совместно с поправками за нестабильность показаний приборов по результатам регулярных повторных измерений на КП. Оценка точности магнитной съемки производится по результатам контрольных измерений. Так как рядовые пункты магнитометрических наблюдений на археологических памятниках, как правило, не закрепляются на местности, в качестве контрольных целесообразно использовать точки на стыке соседних планшетов. Последний профиль одного планшета является нулевым профилем следующего, то же – с крайними пикетами на каждом профиле. Наблюдения на этих точках проводятся дважды (при съемке одного, затем – другого, соседнего планшета). Одно из них условно считается основным, другое – контрольным. Для того чтобы контроль был независимым, контрольные наблюдения желательно проводить в разные дни или в разных рейсах. Напомним, что общий объем контрольных наблюдений должен быть 3–5 % от числа основных, но не менее 50 точек на участок работ. - 158 -

Точность съемки по данным контрольных наблюдений оценивается по формуле: ε=±

n

∑ Δ / ( 2 n) , 2 i

(3.3)

i =1

где Δ – разность основных и контрольных измерений на точке съемки, n – количество контрольных точек. Обработка магнитометрических рейсов и контрольных измерений может выполняться непосредственно в полевых журналах вручную. Однако более рационально эту работу выполнять на компьютере после ввода файлов данных, содержащих исходные результаты наблюдений. С появлением новых магнитометров, позволяющих фиксировать результаты измерений в течение рабочего дня в ОЗУ с последующей его разгрузкой на компьютер, переход на компьютерную первичную обработку магнитометрических данных становится просто неизбежным. Преимущества компьютерной обработки данных, даже при традиционной методике проведения полевых работ, неоспоримы. Оплата аренды компьютера обходится не дороже содержания штата техников-вычислителей, а качество полученных материалов намного выше, чем при обработке вручную. Использование компьютера позволяет значительно сократить длительность процесса первичной обработки данных и практически одновременно с окончанием полевых работ получить первичную карту магнитной индукции участка работ. Такая карта дает представление об отсутствии грубых нарушений методики полевых работ, сбоев работы магнитометров, значительных перекосов уровней магнитного поля или другого брака в работе. Обнаруженные недоделки, сомнительные и неприемлемые по тем либо иным причинам данные (брак), могут быть оперативно обнаружены и исправлены. Кроме того, появляется реальная возможность оперативно оценивать по формуле (3.3) текущую точность съемки, которая достигнута поэтапно на каждом из отдельных планшетов. Если средняя квадратичная погрешность определения магнитной индукции на каких-то планшетах превосходит предусмотренную проектом величину, необходимо провести дополнительные контрольные измерения, а в случае подтверждения недопустимо низкой точности такие планшеты подлежат повторной съемке. Без надежной оценки точности определения значений магнитной индукции на всех участках площади исследований магнитная съемка считается не законченной, а полевые материалы не могут быть приняты к дальнейшей камеральной обработке. Построение отчетной карты аномалий магнитной индукции по участку работ осуществляется по данным обработки магнитометрических рейсов. Полученные данные можно вынести на топооснову и построить карту магнитной индукции вручную. Но это сопряжено с немалыми трудозатратами, да и качество построения такой карты будет невысоким. Поэтому результаты обработки магнитометрических рейсов объединяются в один массив в виде компьютерного файла данных, который позволяет быстро и просто построить карту изолиний с помощью компьютерной программы (например, программы Surfer). - 159 -

Первичная обработка материалов магнитных съемок археологического назначения Вначале подытожим описание первичной обработки результатов наблюдений, проведенных по стандартной методике съемки. В этом случае процесс обработки первичных данных растягивается на три этапа. Наиболее трудоемкий из них – первый, когда выполняется кропотливая работа формирования множества компьютерных файлов данных по каждому из магнитометрических рейсов (с указанием времени измерений на КП и рядовых точках съемки). В процессе съемки измерение вариаций магнитного поля, как правило, не предусматривается. С целью приближенного учета влияния вариаций съемка проводится короткими магнитометрическими рейсами продолжительностью до получаса, которых набирается великое множество. На втором этапе производится обработка каждого из магнитометрических рейсов, которая представляет собой довольно продолжительный и трудоемкий процесс, содержание которого рассмотрено выше. По данным обработки магнитометрических рейсов получают множество локальных массивов значений магнитной индукции, приведенных к единому уровню и приближенно исправленных за влияние вариаций магнитного поля Земли. И лишь на третьем этапе работы объединяют в единый массив все разрозненные данные, полученные при обработке многочисленных рейсов. Формируется компьютерный файл данных по всей площади съемки, необходимый для построения карты магнитной индукции и дальнейшей обработки магнитометрической информации. Учитывая все это, стандартная технология магнитной съемки представляется мало пригодной не только с методической точки зрения, но и вследствие сложности первичной обработки результатов наблюдений. Предложенная в главе 2 технология съемок археологического назначения упрощает процесс первичной обработки данных до минимума. Вначале осуществляется формированием ограниченного числа компьютерных файлов данных по результатам наблюдений, которые попрофильно и попланшетно записаны в полевом журнале. После этого применение к пакету этих данных программы Н.И. Жарких сразу приводит к получению массива исправленных исходных данных по всей площади исследований, приведенных к единому уровню. Как и при стандартной методике съемки, магнитометрические рейсы начинаются и заканчиваются на КП или произвольной точке, которая принята за исходную. Но результаты повторных измерений на исходном пункте рейса не используются для обработки результатов наблюдений, а служат лишь для внутреннего контроля стабильности работы магнитометра. При допустимой продолжительности рейса до 3–4 часов число обрабатываемых рейсов значительно уменьшается (не превышает общего числа планшетов). Более того, необходимость обработки рейсов вообще не возникает. Каждый из них охватывает всю площадь отдельного планшета. Совокупность повторных наблюдений по периметрам (в угловых точках площади – полупериметрам) планшетов служит в качестве множества опорно-магистральных ходов. Это позволяет привести наблюдения к единому уровню и более точно учесть влияние вариаций, с периодичностью не 0.5 часа, как при стандартной - 160 -

методике съемки, а всего 7–10 мин. Решение этих задач осуществляется автоматически в комплексе с процессом уравнивания системы планшетов съемки по алгоритму Н.И. Жарких, описанному в последующем разделе. Первичная обработка результатов наблюдений, полученных при проведении съемок археологического назначения, конкретно сводится к следующему. 1) На основании записей в полевых журналах сформировать (то есть набрать и записать) компьютерные файлы данных. Данные формируются попланшетно. Формат файла – матрица с тремя столбцами: X, Y, Z, где X и Y – номер профиля и номер пикета, соответственно; Z – показания магнитометра. Для упрощения работы во всех точках планшета съемки показания магнитометра рекомендуется уменьшить на одну и ту же постоянную величину, так чтобы результат выражался не более чем трехзначным числом (например, отбросить два старшие разряда в показаниях магнитометра и вместо 48 357, 48 388 ... записывать 357, 388 и т.д.). Это вполне допустимо, учитывая, что магнитометрические наблюдения при археологических исследованиях достаточно привести не к абсолютному, а условному уровню магнитного поля. Файл записывается на компьютере с расширением «.dat». Процедура может быть выполнена любым текстовым редактором, но удобнее всего это сделать, пользуясь программой SURFER, которая широко применяется в практике обработки магнитометрических данных. 2) Запустить программу Н.И. Жарких, ввести имена файлов данных по планшетам в порядке их стыковки и получить пакет новых файлов данных, исправленных за влияние вариаций геомагнитного поля и приведенных к единому уровню. С помощью этой же программы можно получить и общий файл данных по площади в целом. При отсутствии такой программы придется составить ее самостоятельно, пользуясь алгоритмом Н.И. Жарких 17, приведенным в подразделе 3.2.1. Во всяком случае, выполнение данной процедуры вручную возможно только со значительными затратами времени и, к тому же, весьма приближенно. 3) Оценить общую точность съемки (случайную составляющую погрешности) по данным повторных наблюдений в точках, расположенных по периметру съемочных планшетов по приведенной выше формуле (3.3). 4) Построить карту изолиний магнитной индукции с помощью программы SURFER. Как видно из приведенного описания, основной объем первичной обработки результатов наблюдений выполняется компьютером, что вполне естественно в наше время. Все замечания, высказанные выше по этому поводу, остаются в силе. Наиболее трудоемкой процедурой обработки остается набор информации о результатах наблюдений и формирование исходных файлов данных. Но и этой ручной работы можно избежать, если применять для магнитной съемки магнитометры, записывающие результаты замеров на оперативное запоминающее устройство с последующей разгрузкой данных на компьютер.

- 161 -

3.2. ПРИВЕДЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ УЧАСТКА СЪЕМКИ К ЕДИНОМУ УРОВНЮ 3.2.1. КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ОШИБОК ПО АЛГОРИТМУ Н.И. ЖАРКИХ В процессе полевых магнитометрических исследований привязка наблюдений к единому уровню осуществляется простым методическим приемом: каждый рейс с магнитометром начинается и заканчивается на контрольном пункте (КП). В результате все наблюдения будут привязаны к уровню магнитной индукции на исходном КП. Однако уровень поля на этой точке в разные часы дня (а тем более – в разные дни) не остается постоянным вследствие вариаций геомагнитного поля. При проведении съемок на больших площадях, а также в случае длительных вынужденных перерывов в работе по техническим, погодным и другим причинам, наблюдения на различных планшетах участка работ выполняются со значительным разрывом во времени. Происходящие за это время изменения уровня магнитного поля на исходном пункте съемки полностью учесть практически невозможно. Даже при съемке нескольких соседних планшетов в один и тот же день из-за неполного учета вариаций относительные уровни магнитного поля на каждом из них будут различными. Вследствие этого на границе планшетов возникают систематические ошибки, которые проявляются на сводной карте магнитного поля участка съемки системой ложных аномалий ступенеобразной формы. Поэтому на стадии первичной обработки магнитометрических данных необходимо выполнить процедуру уравнивания системы планшетов, т.е. привести магнитное поле участка съемки к единому уровню. Выполнение такой процедуры всегда возможно, если только методика съемки отвечает требованиям, изложенным в предыдущей главе. Напомним, что в соответствии с этими требованиями в процессе разбивки сети съемки предполагается стыковка соседних планшетов внакладку. При этом последний профиль одного из них служит начальным профилем другого, а ряд точек на концах профилей планшета отвечает ряду начальных точек профилей соседнего планшета. Наблюдения по сопредельному профилю и ряду конечных точек проводятся дважды – при съемке одного, потом – другого, соседнего с ним планшета. Прямое назначение этих повторных наблюдений – контроль и оценка качества съемки. Но есть и другое, не менее важное их назначение – как исходных данных для коррекции уровней магнитного поля планшетов и приведение всех наблюдений по площади съемки к единому уровню. Для коррекции систематических ошибок, которые возникают на границах соседних планшетов вследствие расхождения уровней поля, Н.И. Жарких 17 предложил следующий алгоритм. Магнитное поле вследствие систематических погрешностей имеет разрывы непрерывности на границах съемочных планшетов. Для устранения этих разрывов предлагается скорректировать магнитное поле путем суммирования исходного поля с кусочно-линейной функцией коррекции. Ее разрывы на границах планшетов должны компенсировать разрывы исходного поля. Скорректированное поле имеет вид: - 162 -

Bc ( x, y ) = Bs ( x, y ) + Fc ( x, y ) ,

(3.4)

где x, y – номера профилей и пикетов; Bc (x,y) – скорректированное поле; Bs (x,y) – исходное поле; Fc (x,y) – функция коррекции. Все эти функции определяются для каждого отдельного планшета. Функция коррекции имеет такой вид:

Fc ( x , y ) = A + Bx + Cy ,

(3.5)

где A, B, C – неизвестные коэффициенты. Их можно определить методом наименьших квадратов. Величина Q, которая подлежит минимизации, определяется как сумма квадратов изменений магнитного поля на границах планшетов:

Q =

∑ ( B (a) − B (b)) c

c

2

,

(3.6)

где сумма в (3.6) охватывает линию стыка планшетов, а символами a и b условно обозначенные соседние планшеты. В развернутом виде эту сумму можно определить формулой:

Q =

Ny ⎤ ⎡ Nx 2 B ( x , 1 ) − B ( x , N y ) + ( ) (B c ( N x , y ) − B cr (1, y ))2 ⎥ ∑ ∑ cd ⎢∑ c e =1 R ⎣ x =1 ⎦

(3.7)

В приведенной формуле Nx обозначает число пикетов, Ny – число профилей, R – множество планшетов, которые имеют не пустого нижнего или правого соседей; Bc (x,y) – поле обрабатываемого планшета; первый член в скобках есть сумма квадратов разностей между значениями поля на нижнем профиле избранного планшета и верхнем профиле его нижнего соседа Bcd; второй член в скобках – это сумма квадратов разностей между значениями поля в точках крайнего правого ряда пикетов избранного планшета и крайнего левого ряда значений поля его правого соседа Bcr. Каждый из этих членов уравнения может отсутствовать, если соответствующего соседа нет. Различия магнитного поля на границах соседних планшетов определяются по результатам повторных наблюдений в точках их стыковки. Для минимизации суммы квадратов Q автор решил отказаться от традиционного метода наименьших квадратов, который требует решения сложной системы большого числа линейных уравнений. Вместо этого минимизируется сумма квадратов отклонений для одного, избранного планшета. Ее можно записать, подобно (3.7), в виде: Nx

Ny

2

Q = ∑ ( Bc ( x ,1) − Bcd ( x , Ny ) ) + ∑ ( Bc ( Nx , y ) − Bcr (1, y ) ) + x =1

2

y =1

- 163 -

Nx

+

∑ ( B ( x, Ny) − B c

x =1

ct

2

Ny

2

( x ,1)) + ∑ ( Bc (1, y ) − Bcl ( Nx , y )) ,

(3.8)

y =1

где Bct и Bcl – соответственно значения поля для верхнего и левого соседа (если они существуют). Для этого процесса минимизации соседние планшеты должны выставлять данные с учетом их собственных функций коррекции. Поскольку результат корректирования данного планшета зависит от результатов расчетов по соседним планшетам, необходимо выполнять циклы итераций по всем планшетам. Процесс последовательных приближений считается законченным, когда изменение параметров функции коррекции по всем планшетам станет равной или меньше заданной величины (например, 1 нТ). В результате описанной процедуры магнитное поле участка съемки будет приведено к единому уровню, и после объединения группы планшетов в один массив и построения карты изолиний на стыках планшетов не будут отображаться ошибочные аномалии, обусловленные расхождением уровней поля соседних планшетов. Метод Н.И. Жарких хорошо зарекомендовал себя при обработке магнитометрических наблюдений на многих площадях, в том числе на участках со сложным характером магнитного поля и непостоянным распределением систематической погрешности в границах каждого из сравниваемых планшетов. Метод может быть применен для уравнивания магнитного поля площадей, которые состоят от одного до нескольких сотен планшетов и имеют любую конфигурацию, в том числе и неправильной (не прямоугольной) формы. В то же время следует иметь в виду, что данное преобразование поля имеет узкую направленность. Весь спектр аномалий – от региональных до случайных и профильных погрешностей – сохраняется без изменений, устраняются только систематические ошибки на стыке соседних планшетов съемки. Мы только подготовили надежную основу для дальнейших преобразований исходного поля, которые теперь могут быть реализованы не попланшетно, а по всей площади съемки в целом.

3.2.2. ИСКЛЮЧЕНИЕ ПРОФИЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ К проблеме приведения магнитометрических наблюдений к единому уровню имеет прямое отношение устранение так называемых профильных аномалий (погрешностей). Профильная погрешность имеет место в случае, когда значения магнитной индукции на данном профиле по тем или иным причинам систематически выше или ниже по сравнению со средним уровнем поля на соседних профилях. Задача обработки заключается в том, чтобы выявить такой профиль и исправить на нем уровень магнитной индукции, не изменяя в целом уровень поля данного планшета. Один из возможных алгоритмов процедуры состоит в следующем. Условия применения алгоритма: 1) региональный фон в границах планшета изменяется примерно линейно; 2) обработка ведется не по всей - 164 -

площади съемки, а попланшетно, не принимая во внимание реальных уровней поля соседних планшетов, которые в общем случае могут быть разными. По каждому профилю планшета рассчитывается среднее значение поля Bср (j). При вычислении среднего желательно из суммы предварительно исключать все значения, которые характеризуются горизонтальным градиентом магнитного поля более 10 нТ/м или другой допустимой величины (определяется опытным путем для конкретных условий в зависимости от характерных особенностей магнитных аномалий на площади исследований). Включение в расчет таких значений могло бы существенно исказить картину. Так, наличие 1–2 точек с отклонением значений поля на 100 нТ относительно среднего на профиле длиной 20 точек привело бы к погрешности определения среднего уровня поля (а в дальнейшем – и амплитуд локальных аномалий) на 5–10 нТ. А это уже сравнимо с полезными аномалиями минимальной амплитуды. Все полученные средние значения поля по профилям аппроксимируются линейной зависимостью вида:

Br ( j ) = aj + b ,

(3.9)

где j – номер профиля; a и b – коэффициенты корреляционной зависимости между средним значением поля по профилю и его номером. Значения коэффициентов рассчитываются методом наименьших квадратов при соблюдении условия: N

∑[ B ( j ) − B j =1

r

ср

( j )] = min ,

где N – число профилей. После этого уровень магнитной индукции на каждом профиле исправляется на величину разности между теоретически рассчитанным и фактическим значением среднего уровня магнитного поля. Расчетная формула имеет вид:

Bиспр (i, j ) = Bнабл (i, j ) + [ Br ( j ) − Bс р ( j )] , где

(3.10)

Bиспр (i, j ) – исправленные значения магнитной индукции в каждой i-той

точке j-го профиля. Исключение профильных погрешностей можно провести в начальной стадии процесса обработки, еще до приведения магнитного поля участка съемки к единому уровню, или позднее. Необходимость данной процедуры на начальном этапе обработки определяется качеством исходного материала и чувствительностью последующих трансформаций поля к профильным погрешностям. Так, если в дальнейшем планируется проведение трансформаций поля в профильном варианте, необходимость в данном этапе обработки отпадает. Отметим, что при наличии в границах планшетов нелинейных региональных аномалий (второго порядка и выше), применение описанной процедуры бесперспективно. - 165 -

3.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И РАЗДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 3.3.1. АНАЛИЗ ИСХОДНОГО ПОЛЯ АНОМАЛИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Предварительные данные, полученные на первом этапе обработки, необходимо проанализировать с целью: – оценки пригодности исходных данных для дальнейшей обработки; – выяснения наличия и характера различного рода ошибок и погрешностей; – обоснования комплекса необходимых преобразований исходного аномального поля, обеспечивающих получение качественных материалов для выделения аномалий археологической природы. Анализ первичных материалов магнитной съемки имеет предварительный характер, что вполне естественно, поскольку мы на данной стадии обработки имеем лишь один документ – карту магнитной индукции. Процесс анализа сводится к следующему. 1. Построение карты изолиний магнитной индукции с помощью программы SURFER. Минимальное сечение изолиний карты выбирается экспериментально (обычно через 10 или 20 нТ) с таким расчетом, чтобы обеспечить легкость чтения карты, но не утратить при этом необходимой детальности отображения поля. Если магнитная съемка выполнена без существенных нарушений технологии полевых работ, с необходимой точностью и по достаточно густой сети наблюдений, то полученные материалы, как правило, всегда пригодны для дальнейшей обработки. Поэтому анализ исходных данных рекомендуется начать с оценки соответствия характеристик съемки проектным условиям. 2. Оценка реальной достигнутой точности съемки, соответствие этого показателя проектным условиям имеет целью выяснить возможности решения поставленных археологических задач. Такая оценка осуществляется сопоставлением среднеквадратической погрешности съемки (определяется по данным контроля) с величиной минимальных аномалий археологической природы. Цель сопоставления – проверить выполнение условия, чтобы выделенные в процессе последующей обработки искомые локальные аномалии отмечались на карте, как минимум, одной изолинией. Сечение изолиний выбирается близким (2.5–3) ε, где ε – точность съемки. Если минимальная амплитуда выявленных аномалий, интересующих нас, превышает эту величину, то, следовательно, точность съемки вполне достаточна. Определение абсолютной величины минимальной амплитуды таких аномалий в начальный период обработки может быть затруднительным, в таком случае оценка проводится по относительной величине амплитуды, которая легко определяется по графикам исходного поля магнитной индукции. В случаях, когда некоторые из искомых археологических объектов отмечаются слабыми аномалиями (на уровне погрешности съемки) и не могут быть однозначно установлены по имеющимся данным, для их поисков (или уточ- 166 -

нения) предусматривается, при необходимости, проведение на отдельных участках памятника более высокоточных или прецизионных исследований. С целью оценки качества исходных данных по точности представления магнитных аномалий полезно также сравнение достигнутой точности съемки с возможностями современных магнитометров. Применяемые при археологических исследованиях протонные и квантовые магнитометры имеют разрешение ±(0.1–1.0) нТ. Среднеквадратическая погрешность высокоточной съемки такими приборами обычно не превосходит величины ε = ±(2–3) нТ. Если реально достигнутая точность съемки не выходит за эти пределы, то, следовательно, метрологические возможности современных магнитометров реализованы полностью, и качество съемки можно полагать достаточно высоким. 3. Оценка соответствия густоты сети наблюдений размерам искомых археологических объектов. Если на стадии проектирования работ не было допущено грубых просчетов, такое соответствие всегда имеет место. Густота сети наблюдений (обычно от 0.5×0.5 м2 до 4×4 м2) должна обеспечивать выделение интересующих нас аномалий археологической природы хотя бы 2–3 точками по профилю не менее чем на 2–3 соседних профилях. Без выполнения этого важного требования нельзя всерьез надеяться на успешное выделение аномалий, связанных с археологическими объектами и наблюдаемых, как правило, на фоне неизбежных помех. Так, в случае, когда искомые аномалии археологической природы фиксируются всего 1–2 точками по профилю, обнаружение погребенных археологических объектов становится весьма проблематичным. Это оказывается возможным только в случае значительного различия амплитуд аномалий и помех (не менее чем в 3–5 раз) или при условии корреляции полезных сигналов на 3 или более соседних профилях. Если густота сети наблюдений недостаточна для картирования большинства объектов поисков, то такую съемку нельзя признать удовлетворительной. В случаях, когда сеть наблюдений оказалась недостаточной для уверенного выделения только некоторых объектов определенных типов, необходимо провести магнитометрические исследования отдельных участках площади по более густой сети наблюдений. 4. Выявление точек с грубыми ошибками измерений магнитного поля, где зафиксированные значения магнитной индукции незакономерно завышены или занижены. Часто это простые описки или ошибки набора данных. Таких ошибок набирается немало вследствие поспешности, невнимательности или неразборчивого почерка оператора. Как правило, они легко выявляются и устраняются. Для облегчения диагностики подобных ошибок полезно использовать карты интерполяции – GRID-файлы SURFER'a (.grd). 5. Оценка по характеру поля наличия и степени влияния помех геологического происхождения, – региональных аномалий, создаваемых крупными геологическими объектами на глубине, – с целью принятия решения о необходимости и способах их исключения. 6. Оценка степени нелинейности поля по горизонтальным градиентам магнитной индукции (оценивается на глаз по сгущениям или разрежениям - 167 -

изолиний на карте) и степени дифференциации (изрезанности) поля, что позволит правильно выбрать варианты и средства последующей обработки данных. 7. Оценка наличия и степени проявления профильных погрешностей с целью выбора варианта последующей обработки данных в площадном либо профильном варианте. Такие погрешности проявляются зигзагообразными очертаниями изолиний на карте магнитной индукции. 8. Выявление «технологических» погрешностей, связанных с несовершенством процедуры уравнения системы планшетов съемки. Такие погрешности легко заметны на глаз: проявляются на карте изолиний магнитной индукции в виде узких полосовых аномалий вдоль границ сопредельных планшетов. Еще более заметны они на карте пространственной модели поля, где отмечаются ступенеобразным изменением «поверхности» поля. (Такая карта тоже может быть построена средствами Surfеr'а). В случае выявления подобных аномалий, следует проверить исходные данные, точность их введения и корректность процесса приведения результатов наблюдений к единому уровню. При неустранимом характере таких погрешностей следует провести необходимые полевые работы в полосе стыка сомнительных планшетов. В целом, анализ исходных данных позволяет получить полное представление о качестве имеющихся магнитометрических материалов и наметить общее направление их дальнейшей обработки. Одним из условий рациональной технологии полевых работ является проведение магнитометрической съемки археологических памятников попланшетно. В зависимости от сети наблюдений и геометрических характеристик искомых археологических объектов планшеты выбираются размером от 10×10 м2 до 100×100 м2. Измерения проводятся по равномерно расположенным профилям с постоянным шагом наблюдений по профилю. Площади магнитометрических исследований могут быть самыми различными – от нескольких планшетов до нескольких десятков планшетов, а на таких крупных археологических памятниках, как трипольские поселения типа Глыбочок или Ольховец, могут достигать 100–300 планшетов. Это составляет многие тысячи и десятки тысяч наблюдений. В связи с этим обработку магнитометрических измерений целесообразно выполнять по специальным программам на компьютере, а для этого использование исходной информации, систематически упорядоченной по планшетам, представляет наибольшие удобства. Таким образом, съемки, проведенные попланшетно и удовлетворяющие приведенным выше условиям, можно считать стандартными. Предлагаемая ниже технология обработки магнитометрических наблюдений рассчитана именно на такие исходные материалы. Это не исключает проведение магнитометрических съемок по другим системам наблюдений (профильные, по системе профилей различного направления и другие). Схема обработки таких наблюдений может иметь отличия в деталях, а некоторые из приведенных алгоритмов – неприменимы. Однако практически все рассматриваемые ниже процедуры могут быть успешно использованы, если результаты таких съемок привести к регулярной сети наблюдений. - 168 -

3.3.2. ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Использование современных высокоточных магнитометров, учет вариаций магнитного поля Земли и соблюдение всех требований методики и техники проведения магнитометрических съемок обеспечивают: – достижение высокой точности магнитной съемки (не ниже ±3 нТ), – приведение всех наблюдений к единому условному уровню, например, к уровню магнитной индукции на исходном контрольном пункте (КП), – исключение систематических ошибок, связанных с азимутальной и ориентационной погрешностью магнитометров. Тем не менее, несмотря на перечисленные достоинства измерительной аппаратуры, полученные в результате съемки магнитометрические данные, как правило, не могут быть использованы непосредственно для выделения и оконтуривания интересующих нас объектов археологического происхождения. Они содержат информацию не только об аномалиях, связанных со скрытыми в земле археологическими объектами, но и о магнитных воздействиях, обусловленных множеством других причин и источников. В самом общем случае на карте магнитной индукции, полученной по данным магнитной разведки археологического памятника, находят отображение аномалии следующих типов: 1) аномалии-помехи случайного характера; 2) аномалии техногенного происхождения; 3) профильные аномалии; 4) аномалии геологического происхождения; 5) «полезные» аномалии, создаваемые искомыми археологическими объектами. Аномалии-помехи случайного характера обычно знакопеременны, имеют небольшие размеры (фиксируются 1, редко – 2 точками) и широкий спектр амплитуд (чаще всего – в пределах 3–10 нТ, и лишь в отдельных случаях до 50–100 нТ). Такие аномалии связаны со случайными ошибками измерений, мелкими ферромагнитными предметами в верхнем слое грунта, иногда – с магнитными неоднородностями и изменениями рельефа и мощности почвенного слоя. Радиус воздействия на датчик магнитометра источников случайных аномалий-помех обычно не превышает нескольких дециметров. В то же время аномалии даже от небольших археологических объектов или их деталей имеют протяженность от одного до нескольких метров. Таким образом, эффективным методом распознавания аномалий-помех и их последующей фильтрации, может быть проведение магнитометрических наблюдений по более густой сети. Если, например, сгустить сеть съемки в два раза, то при этом искомая аномалия была бы зафиксирована вдвое большим числом точек, а помеха отмечалась бы, как и прежде, всего в одной точке наблюдений. Такое средства могло бы обеспечить наилучшие условия фильтрации аномалий-помех, Единственный его недостаток – заметное удорожание полевых работ. Тем не менее, отмеченную особенность аномалий-помех следует всегда иметь в виду при выборе сети проектируемой магнитной съемки и не стремиться к излишней экономии за счет использования предельно разреженной сети наблюдений. - 169 -

Примечательным свойством аномалий-помех есть их быстрое затухание с высотой. Амплитуды большинства из них становятся пренебрежимо малыми уже на высоте 0.5–1 м над землей. Учитывая это и принимая во внимание ограниченность радиуса воздействия источников случайных помех, действенным средством их распознавания и отбраковки могла бы стать детализация аномалий в процессе съемке путем повторных измерений в ближайшей окрестности пункта наблюдений, если бы только удалось добиться выполнения этой процедуры полевыми операторами. В ряде случаев удается снизить фон помех, используя данные исследований площади съемки приборами типа металлоискателей (миноискателей), хотя это сопряжено с дополнительными затратами средств и времени. Но основным методом борьбы с погрешностями данного класса является фильтрация аномалий-помех средствами математической обработки данных. Аномалии от техногенных объектов, создаваемые наземными и подземными сооружениями, трубопроводами, дорогами и т. п., имеют систематический характер, легко диагностируются и сводятся к минимуму еще в процессе полевых магнитометрических работ. Другие уверенно распознаются в процессе анализа распределения локальных аномалий приемами, описанными ниже в главе 4. Некоторое число аномалий техногенного и антропогенного происхождения, которые не находят объяснения (например, мелкие ферромагнитные предметы в верхнем слое грунта), имеют, как правило, случайный характер распределения и рассматриваются совместно с аномалиями-помехами соответствующего класса. Профильные погрешности, упоминавшиеся ранее, обязаны своим происхождением, в основном, нарушениям технологии съемки. К ним относятся: несоблюдение оптимального ориентирования датчика магнитометра на точках измерений, не выдержанность постоянной высоты датчика над поверхностью земли, наличие ферромагнитных предметов в костюме оператора (в том числе и на обуви). Часть профильных погрешностей может быть связана с несанкционированными длительными перерывами во время съемки. В ряде случаев профильные погрешности могут возникать и вследствие огрехов процесса обработки результатов наблюдений, в частности, из-за недоучета линейной составляющей магнитных вариаций. В отличие от случайных ошибок профильные погрешности имеют систематический характер. Они проявляются изменением уровней поля на соседних профилях планшета, в редких случаях продолжаются и на сопредельном планшете. Величина систематической погрешности находится обычно в пределах от 3 до 15–20 нТ. Профильные погрешности легко выявляются. На картах распределения локальных особенностей поля они отмечаются в виде узких, вытянутых по профилю аномалий. Один из способов их устранения рассмотрен выше (см. разд. 3.2.2). Аномалии геологического происхождения характеризуются значительной размерами (десятки и сотни метров). Это, как правило, широкие, пологие аномалии с низкими значениями горизонтальных градиентов магнитной индукции. Они накладываются на магнитные аномалии, создаваемые археологическими объектами, образуют региональный фон, на котором наблюдаются искомые аномалии археологического происхождения. В зависимости от размеров площади съемки и особенностей геологического разреза региональный фон может иметь как линейный, так и нелиней- 170 -

ный характер. Однако практически всегда можно считать, что в границах обычно небольших по размерам аномалий археологической природы, а часто и на площади всего планшета съемки, региональный фон геологического происхождения имеет примерно линейный характер. Для исключения регионального фона существует немало разных приемов, некоторые из которых рассматриваются в следующих разделах данной главы. «Полезные» аномалии, создаваемые археологическими объектами, фиксируются в 2–4, реже – в 5 и более точках профиля и имеют амплитуды 10–50 нТ, в отдельных случаях, например, над гончарными печами, трипольскими площадками – до нескольких сотен нанотесла. Это сравнительно узкие, крутые аномалии с большими горизонтальными градиентами магнитного поля, часто изрезанные вследствие разной намагниченности отдельных фрагментов аномального объекта. Самым надежным и проверенным средством выделения аномалий, обусловленных археологическими объектами, есть ослабление и удаление аномалий-помех и снятие регионального фона на основе данных, предварительно приведенных к единому уровню магнитного поля. Учитывая все выше изложенное, дальнейшую обработку исходных магнитометрических данных можно представить как последовательность следующих этапов: 1) исключение или максимальное ослабление профильных погрешностей; 2) выполнение трансформаций (преобразований) исходного поля магнитной индукции с целью фильтрации аномалий-помех, исключения региональной составляющей поля, определения градиентов магнитной индукции, магнитной восприимчивости источников аномалий и других важных характеристик; 4) выделение локальных магнитных аномалий археологической природы по отдельным трансформантам и по комплексу признаков; 5) археологическое истолкование магнитометрических данных – выделение предполагаемых археологических объектов, рекомендуемых для раскопок, оценка их природы и параметров, построение общего плана застройки поселения и др. Рассматривая применение магнитной разведки для решения иных, не археологических задач, отметим, что амплитуды, размеры и протяженность аномалий от объектов техногенного происхождения, как правило, выше, чем при археологических исследованиях, а фон помех меньше искажает картину аномального поля. В связи с этим обработка и интерпретация результатов магнитометрических измерений встречает меньше затруднений, чем при исследованиях археологических памятников. При этом полностью применимы все методы и приемы обработки магнитометрической информации, разработанные применительно к археологии. Поэтому в дальнейшем в данной главе при упоминании археологических объектов, имеются в виду, как правило, и объекты техногенного происхождения.

- 171 -

3.3.3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ В соответствии с приведенной выше характеристикой магнитных аномалий различного происхождения исходное поле магнитной индукции участка съемки можно представить в виде суммы нескольких составляющих:

B( x) = L( x) + R( x) + S ( x) + P( x) ,

(3.11)

где L(х) – локальные аномалии, создаваемые археологическими объектами; R(x) – региональное поле, плавно изменяющаяся составляющая, обусловленная влиянием объектов геологической природы; S(x) – систематические погрешности (профильные аномалии, погрешности уровня аномального поля на границах отдельных планшетов или частей планшетов); Р(х) – аномалиипомехи случайного характера, которые неизбежно присутствуют в результатах наблюдений и связаны с аппаратурной погрешностью магнитометров, недоучетом короткопериодических вариаций магнитного поля, а также с магнитными неоднородностями, как верхнего слоя грунта, так и материалов археологических объектов, и некоторыми другими причинами. Наблюденное поле магнитной индукции Земли, в котором проявляются одновременно все типы аномалий, имеет, как правило, сложный характер и мало пригодно для уверенного выделения искомых археологических объектов. В качестве примера рассмотрим результаты магнитной съемки поселения трипольской культуры Глыбочок. После первичной обработки результатов наблюдений, уравнивания системы планшетов по алгоритму Н.И. Жарких (см. разд. 3.2.1) и объединения их в один массив, по южной окраине поселения Глыбочок получена карта магнитной индукции, представленная на рис. 3.1. На карте мелкого масштаба, соответствующего размеру рисунка, локальные аномалии магнитной индукции (2), связанные с трипольскими площадками выявлены слабо, отображаются не повсеместно (главным образом, на участках с низким градиентом поля) и отмечаются практически точечными объектами. Для наглядности увеличим изображение магнитного поля в границах любого участка карты, например, в рамках планшета 38 (1 на рис. 3.1). Как видно на рис. 3.2, а, магнитное поле в пределах планшета возрастает с юго-востока на северо-запад и осложнено полосой локальных аномалий, которая ориентирована по азимуту, приблизительно, 20°. Наглядное представление о сложном характере поля дает пространственная модель (рис. 3.2, б), на которой полоса локальных аномалий отмечается «хребтом». В целом, как видно из рисунков 3.1 и 3.2, некоторые, крупные локальные аномалии археологической природы в благоприятных, как в данном случае, условиях могут быть заметны даже на глаз. Задача состоит в том, чтобы выделить все искомые аномалии (в том числе более слабые и мелкие) в «чистом» виде и представить их в четкой, наглядной форме. Для этого нужно выполнение двух процедур: снятие (исключение) регионального фона и фильтрацию помех. Таким образом, одна из основных задач обработки исходных данных состоит в том, чтобы, согласно соотношению (3.11), получить аномалию Bа(x) ≈ L(x), максимально очищенную от помех различного происхождения. - 172 -

1

2

C

B, нТ

75

600 500 50

400 300 200

25

100 0

0 0

25

50

75

100

125

150

175

0

100

200

300

200

225

250

-100

Рис. 3.1. Магнитное поле южной окраины поселения Глыбочок: 1 – экспериментальный планшет (№ 38); 2 – фрагменты кольцевой структуры застройки трипольского поселения.

а

б

20

B, нТ 15

260 240 220 200

10

180 160 140 120

5

100 80 60 40

0

0

5

10

15

20

20

Рис. 3.2. Магнитное поле экспериментального планшета (№ 38) участка Глыбочок: а – карта изолиний магнитной индукции, б – пространственная модель поля.

Что считать аномалией, а что помехой, зависит от тех задач, которые решаются магнитной разведкой. В практике геологоразведочных работ помехами считают аномалии, связанные не только с погрешностями измерений, случайными ошибками, но и с магнитными неоднородностями пород в верхнем слое геологического разреза, которые не представляют интерес для поисков. В археологии, наоборот, – именно такие аномалии от небольших объектов, находящихся в приповерхностном слое геологического разреза, и представляют поисковый интерес, а магнитные аномалии, которые создаются глубоко залегающими геологическими объектами больших размеров, рассматриваются как помехи наряду с аномалиями-помехами иного проис- 173 -

хождения. Создаваемый геологическими образованиями региональный фон искажает и вуалирует проявление искомых аномалий от археологических объектов. Избавиться от этого фона – одна из важнейших задач последующей обработки исходных магнитометрических данных. Исключение регионального фона и процесс удаления или подавления других аномалий-помех, как случайных, так и систематических, осуществляется принципиально разными методами. Некоторые из них рассматриваются в следующем разделе главы. Поэтому магнитные аномалии, остающиеся после исключения регионального фона, отображают распределение локальных особенностей магнитного поля, которые наряду с аномалиями от искомых археологических объектов содержит также и фон помех. Аномалии-помехи систематического характера (профильные) легко распознаются визуально по картам изолиний исходного магнитного поля или поля локальных аномалий. Для их устранения существуют довольно эффективные приемы. Особую трудность представляет процедура выявления и исключения (или ослабления) помех случайного характера. По некоторым характеристикам случайные аномалии-помехи могут быть близки искомым локальным аномалиям небольших размеров и амплитуд. Те и другие расположены на площади исследований незакономерно, случайным образом. Поэтому существует опасность при фильтрации помех потерять некоторую часть полезной информации об объектах поисков. Не имея других четких критериев, можно ограничиться следующей обобщенной отличительной характеристикой аномалий и случайных помех. Магнитными помехами считают локальные знакопеременные аномалии, которые имеют небольшой радиус автокорреляции (до нескольких дециметров) и, как правило, небольшую амплитуду. Такие аномалии, как уже отмечалось, возникают по техническим причинам (погрешности измерений) или вызваны такими магнитными неоднородностями небольших размеров в верхнем слое грунта, которые не представляют поискового интереса. «Полезные» аномалии в самом общем случае по размерам не менее чем в 3–5 раз превосходят соответствующие характеристики случайных помех (во всяком случае, технология магнитной съемки нацелена на то, чтобы это условие выполнялось). Радиус автокорреляции таких аномалий значительно выше, чем у помех, – от одного до нескольких метров. Амплитудная характеристика полезных аномалий не столь однозначная. Как правило, амплитуды искомых аномалий превышают уровень помех, что значительно упрощает процедуру выделения полезного сигнала в «чистом виде». Однако нередко возникает задача выделения полезных аномалий с амплитудой, близкой уровню помех. В этом случае для ослабления помех приходится применять более сложные алгоритмы обработки. Фильтрация помех может осуществляться разными методами, в основу которых положен принцип селекции аномалий по амплитуде, частоте или энергии. Частота определяется размерами аномалий по профилю или по площади (числом точек, на которых они фиксируются), а энергия – суммой квадратов ординат аномалии. Выбор метода фильтрации определяется отличительными особенностями аномалий и помех. В случае отличия аномалий от помех только по амплитуде задача разделения полей легко решается методами амплитудной фильтрации. Если же аномалии отличаются от помех - 174 -

только размерами и соизмеримы с ними по амплитуде, то разделение аномалий представляет более сложную задачу – выделения аномалий на уровне помех, и здесь применимые, главным образом, методы амплитудночастотной и энергетической фильтрации. Для успешного проведения процесса фильтрации желательно, чтобы распределение аномалий-помех в расчетном интервале было статистически однородным, а расчетный интервал достаточно большим, что обеспечивало бы достижение условия близости нулю среднего значения функции распределения помех b(x). Это не означает, что при других условиях задача не решается, но такое решение может оказаться неполным, недостаточно надежным или приемлемым лишь для ограниченного класса аномалий. Другим важным направлением обработки магнитометрических данных есть проведение комплекса необходимых преобразований (трансформаций) исходного магнитного поля. Основная цель этой работы – получение материалов, которые дают исчерпывающую характеристику аномалий от искомых объектов и обеспечивают полноту и достоверность археологического толкования результатов магнитометрических исследований. Вопросы фильтрации помех, исключения регионального фона и проведения других преобразований магнитных аномалий довольно полно разработаны в разведочной геофизике и широко освещены в литературных источниках. Рассмотрение всех известных трансформаций аномального магнитного поля не входит в круг задач данной книги. Ниже рассматриваются только некоторые из них, наиболее простые и приемлемые для использования в практике археологического истолкования магнитометрических данных. Выбор предлагаемых ниже вычислительных схем и параметров трансформаций осуществлялся с учетом следующих общих правил, рекомендованных в работе Н.Н. Боровко 6. 1) Результаты трансформации магнитных аномалий определяются двумя параметрами – шагом вычислений и базой оператора преобразования (то есть, размером расчетного интервала при профильном варианте расчетов или площадки – при площадном). 2) В большинстве случаев распределение рассчитанных трансформант характеризуется наибольшей чувствительностью к локальным особенностям поля, которые сравнимы по своим размерам с размерами площадки (интервала) трансформации. 3) Увеличение размера расчетного интервала приводит к большей надежности результата, так как при этом учитывается большее число исходных наблюдений, что позволяет выявлять более тонкие особенности исходного поля, например, аномалии пониженной интенсивности. 4) Выбор завышенного размера расчетного интервала (окна) приводит к искажениям результатов трансформации за счет включения в расчет значений поля, которые относятся к соседней аномалии. 5) С увеличением площадки (интервала) трансформации возрастает ширина полосы по краям площади участка, в которой вычисляемая характеристика не определяется из-за недостатка информации в расчетном окне. Таким образом, одной из важных задач на стадии трансформаций наблюденного магнитного поля есть определение оптимального размера расчетного окна. - 175 -

Искомые археологические объекты и соответствующие им локальные магнитные аномалии на стадии поисков фиксируются всего 3–5, редко – 6–7 точками наблюдений. Совместный учет этого обстоятельства и приведенных выше критериев (2–5) существенным образом ограничивает возможности выбора расчетных формул и методов трансформаций. Оптимальными вариантами преобразований можно считать такие, которые обеспечивают достаточную точность результата при ограниченном числе исходных точек, которое обычно невелико из-за небольших размеров искомых объектов и сравнительно редкой (в целях экономии) сети наблюдений. Вычислительные алгоритмы, способные обеспечить достаточно высокую в данных условиях информативность и минимальные потери информации в области периметра обрабатываемого участка, выражаются наиболее простыми формулами. Таким образом, требование простоты вычислительных схем трансформаций вынуждено не стремлением облегчить изложение связанных с этим проблем, а объективными причинами, прежде всего – спецификой искомых аномалий. Относительно шага вычислений следует заметить, что его, как правило, не следует выбирать меньше шага съемки. Сгущение шага вычислений не приводит к выявлению каких-то новых аномалий. С другой стороны – при разрежении шага расчетных точек происходит сглаживание результатов трансформации и частичная или полная потеря полезной информации, как вследствие пропуска точек, соответствующих искомым аномалиям, так и за счет автоматического возрастания ширины расчетного интервала и выхода его далеко за пределы размеров искомых объектов. Таким образом, наилучшей стратегией есть сохранение равенства шага вычислений шагу съемки. При выборе комплекса преобразований исходного магнитного поля следует учитывать, что разные трансформации выделяют, усиливают или ослабляют разные особенности магнитных аномалий, создаваемых археологическими объектами. Одни отличаются более высокой чувствительностью к глубине залегания объектов, другие – к их форме или другим характеристикам. Поэтому рекомендуется не ограничиваться каким-нибудь одним методом преобразований, а выполнить несколько разных трансформаций, используя при археологическом толковании магнитных аномалий все полученные данные. Выбор наиболее эффективных методов и параметров трансформаций в конкретных физико-геологических условиях с учетом особенностей археологических памятников осуществляется опытным путем в начальной стадии обработки магнитометрических материалов. В заключение необходимо отметить, что любые преобразования исходного магнитного поля не увеличивают информации о телах, которые создают магнитные аномалии. Вся необходимая информация содержится в результатах измерений магнитной индукции на археологических памятках. Главное достоинство трансформаций магнитных аномалий состоит в том, что зафиксированное при съемке поле в результате тех или иных преобразований приобретает наглядную, удобную и доступную для археологического толкования форму. Отсюда вытекает довольно важный, хотя и тривиальный вывод: желая добиться высокой эффективности магнитометрических исследований, необходимо, прежде всего, обеспечить достижение высокого качества исходных данных, т.е. – магнитной съемки. - 176 -

3.4. ВЫДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ Для разделения региональных и локальных аномалий могут быть использованы различные методы: – усреднение наблюденного магнитного поля; – вычисление вариаций магнитного поля по Б. Андрееву; – выделение локальных магнитных аномалий исключением наиболее вероятного уровня регионального поля; – выделение локальных магнитных аномалий исключением тренда (линейного или нелинейного регионального поля); – аналитическое продолжение магнитных аномалий в верхнее полупространство и вычисление остаточных аномалий; – выделение регионального поля с помощью различных фильтров, подавляющих локальные аномалии и помехи. Подобные преобразования могут проводиться как по площади, так и по профилям. При выборе площадного или профильного варианта трансформаций следует учитывать особенности фона помех. В отличие от короткопериодических аномалий-помех, фиксируемых 1–2 точками наблюдений и имеющих случайный характер распределения, профильные аномалии относятся к типу систематических погрешностей. Профильные погрешности можно считать систематическими ошибками, величина которых случайным образом изменяется от профиля к профилю. В случае, когда ошибки этого рода по тем или иным причинам не были исключены заранее, например, в соответствии с приведенным выше алгоритмом (см. разд. 3.2.2), они сохраняются в исходных данных даже после их уравнивания. При наличии профильных погрешностей, задачу выделения локальных аномалий предпочтительнее решать путем преобразований по профилям. После этих предварительных замечаний рассмотрим процедуры исключения регионального поля простейшими средствами.

3.4.1. РАЗДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ МЕТОДОМ УСРЕДНЕНИЯ Метод усреднения был теоретически обоснован еще в 1945 г. А.Н. Тихоновым и Ю.Д. Буланже 61 и с тех пор нашел самое широкое применение в практике обработки геофизических наблюдений. Расчет проводятся методом скользящего среднего по формуле:

Bс р (i ) =

+n 1 ∑ B(i + k ) , 2n + 1 k =− n

(3.12)

где B(i) – значения магнитной индукции в точках профиля в интервале ± n пикетов относительно центральной точки расчетного окна. В процессе усреднения знакопеременные аномалии-помехи при суммировании значений поля в расчетном интервале частично или полностью компенсируются. Поэтому усредненное значение магнитной индукции в - 177 -

центре расчетного окна содержит, главным образом, аномальное значение поля, значительно отфильтрованное от помех. Это свойство широко используется для сглаживания (выравнивания) результатов магнитометрических измерений на основе подавления или существенного ослабления помех. С этой целью усреднение значений магнитной индукции (или иных характеристик поля) осуществляется методом скользящего среднего в расчетном интервале небольших размеров. Результат вычислений относится к центру расчетного интервала. Интервал усреднения выбирается шириной 2n+1 точек по профилю (или ± n Δx, где Δx – шаг съемки в метрах), так чтобы он был соизмеримым с радиусом автокорреляции аномалий-помех. Так как помехи фиксируются обычно одной, редко – двумя точками наблюдений, в большинстве случаев принимают n = 1. Вариант усреднения по площади предусматривает включение в расчет значений поля на ± n смежных профилях. Методом усреднения можно исключить также региональный фон, создаваемый объектами геологической природы. Для этого искомые аномалии археологического происхождения рассматриваются как помехи, осложняющие региональное поле. Подавление этих «помех» и выделение региональной составляющей магнитного поля проводится методом усреднения с большим радиусом, соответствующим размерам (радиусу автокорреляции) искомых аномалий археологической природы. Радиуса усреднения выбирается опытным путем (в зависимости от размеров археологических объектов и густоты сети магнитной съемки) и составляет обычно m = (2..5) Δx, где Δx – расстояние между точками наблюдений. Региональную составляющую поля рассчитывают по формуле: +m 1 R(i ) = ∑ B(i + k ) 2m + 1 k =− m

(3.13)

Для исключения одновременно и аномалий-помех и региональной составляющей, т.е. для вычисления интересующих нас локальных аномалий заданных размеров, расчет выполняется по формуле:

L(i ) =

+n +m 1 2 B ( i + k ) − ∑ ∑ B(i + l ) . 2n + 1 k =− n 2m + 1 l =− m

(3.14)

В результатах трансформации исходных данных по этой формуле сохраняются, в основном, аномалии с размерами, большими 2n Δx и меньшими 2m Δx, при выборе m > n. Если фоном помех можно пренебречь, то, во избежание значительного ослабления полезных сигналов при усреднении, расчет локальных аномалий выполняется по формуле:

L(i ) = B(i ) −

+m 1 ∑ B(i + l ) 2m + 1 l =− m

- 178 -

(3.15)

При усреднении следующий вид:

Bс р (i , j ) =

по

площади

расчетные

формулы

приобретают

−n −n 1 ∑ ∑ B(i + k , j + l ) ; (2n + 1)(2n + 1) k =+ n l =+ n

+m +m 1 ∑ ∑ B(i + k , j + l ) ; (2m + 1)(2m + 1) k =− m l =− m L(i, j ) = Bср (i, j ) − R (i, j ) ; L(i , j ) = B (i , j ) − R(i , j ) .

R(i , j ) =

(3.16)

Результат расчета по формулам (3.16) относится к центру площадки со стороной 2n Δx⋅ 2n Δx при сглаживании исходных значений поля или 2m Δx⋅ 2m Δx – при вычислении региональной составляющей, при этом m > n. Для практических нужд достаточно принять n = 1 (для подавления помех, фиксируемых 1–2 точками по профилю) и m = 3...9 (для исключения регионального поля). Окончательно параметры пересчета m и n устанавливаются опытным путем, а начальные установки задаются, исходя из размеров ожидаемых археологических объектов и с учетом густоты сети наблюдений на участке съемки.

3.4.2. МЕТОД ВАРИАЦИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Вычисление вариаций магнитного поля по методу Б. Андреева 1 относится к числу наиболее простых и наименее трудоемких методов преобразований исходного магнитного поля. Метод вариаций, в отличие от метода усреднения, не позволяет определить региональную составляющую поля, но отличается высокой эффективностью при выделении локальных аномалий. Результаты трансформации отображают в подчеркнутом виде изменения (вариации) наблюденного распределения аномальных значений поля, то есть локальные особенности интерпретируемой аномалии. Вариации магнитного поля вычисляются по формуле:

L(i ) = B (i ) − ( B(i + n) + B(i − n)) / 2 ,

(3.17)

где B(i) – значение индукции магнитного поля Земли в расчетной точке профиля; B(i+n) и B(i–n) – значения магнитной индукции в точках профиля, удаленных на n пикетов влево и вправо от центра расчетного интервала, что при шаге съемки ± Δx соответствует расстоянию ± n Δx. Ширина расчетного окна выбирается с учетом размеров магнитных аномалий, представляющих поисковый интерес. Практически выбор величины n осуществляется исходя из густоты сети наблюдений и предполагаемых размеров искомых археологических объектов. Так, при шаге съемки 2 м и размерах ожидаемых аномалий по профилю 6–10 м следует выбрать n = 2. Кроме простоты вычисления, достоинства вариаций по Б. Андрееву состоят в следующем. - 179 -

1) Вариации магнитного поля позволяют выделять составляющие с малым радиусом автокорреляции. Аномалии размером меньше 2r = 2n Δx (где Δx – расстояние между точками наблюдений) в поле вариаций отображаются практически без изменений. 2) Аномалии с радиусом корреляции, большим r, практически полностью исключаются. 3) Вычисляя вариации магнитного поля при различной ширине расчетного интервала, можно выделять аномалии различных размеров, т.е. фактически решать задачи частотной фильтрации. 4) Одно из замечательных свойств метода вариаций состоит в том, что влияние объектов, расположенных в интервале глубин от 0 до (0.5…0.7) r, сохраняется в результатах трансформации практически без изменений, что немаловажно для использования метода с целью выявления аномалий археологического происхождения. 5) Влияние масс, расположенных глубже интервала локализации (r), практически во всех случаях становится пренебрежимо малым независимо от того, как распределены эти массы. 6) При вычислении вариаций усиление полезного сигнала не происходит, но не усиливаются и помехи, не подчеркиваются чрезмерно эффекты, обусловленные мелкими магнитными неоднородностями. 7) Метод вариаций рассчитан на непосредственное выделение локальных аномалий, в то время как методом усреднения локальные аномалии определяются лишь на втором этапе обработки как разность наблюденных значений поля и региональной составляющей. Метод вариаций не лишен также некоторых недостатков. 1) При расчете полезных аномалий не происходит усиления аномалийпомех. Но не происходит и их заметного подавления за счет суммирования и усреднения исходных данных в расчетном интервале. 2) Аномалии вариаций магнитного поля сопровождаются сопутствующими аномалиями обратного знака, не имеющими физической природы. Так, с обеих сторон положительной аномалии фиксируется два минимума. Подобный недостаток, вообще говоря, присущий и локальным аномалиям, полученным методом усреднения: на крыльях положительной аномалии появляются минимумы, соответствующие пониженным значениям магнитной индукции относительно среднего уровня в расчетном интервале. Аномалии вертикального градиента магнитной индукции тоже сопровождаются минимумами, отражающими влияние нижнего полюса намагниченных тел. В целом, указанный недостаток вполне терпимый, тем более что искомые аномалии археологической природы имеют, как правило, положительный знак, а рассматриваемые сопутствующие отрицательные аномалии при интерпретации обычно игнорируются. Вычисление магнитных вариаций по площади может быть реализовано по формуле:

L(i, j ) = B (i, j ) − [ B(i + n, j ) + B(i − n, j ) + B(i, j + n) + B(i, j − n)] / 4

(3.18)

В таком виде формула была предложена американским геофизиком У. Гриффином 71. В более общей записи эта формула имеет вид: - 180 -

L(i ) = B(i ) − B (r ) ,

(3.19)

где B (r ) – среднее значение поля на окружности радиуса r. При вычислении среднего значения поля на окружности радиуса r происходит фильтрация случайных знакопеременных ошибок, которые при суммировании частично компенсируются. В условиях высокого уровня случайных помех целесообразно и значение поля в центре расчетного интервала заменить средним на окружности радиуса r1 < r :

L(i , j ) = B (r1 ) − B (r )

(3.20)

Локальные аномалии, вычисленные таким образом, представляют собой разность двух вариаций с радиусами r1 и r. Радиус автокорреляции таких аномалий лежит в пределах между радиусами внутренней и внешней окружностей. При исследованиях археологических памятников, как правило, достаточно выбрать радиус внутренней окружности равным шагу съемки – r1 = Δx, а радиус внешней окружности – в 2–3 раза большим. На каждой окружности вычисляется среднее из четырех значений поля в точках, расположенных в углах квадратов с диагональю 2r и 2 r1 . Преобразования, подобные (3.20), применительно к гравитационному полю американские геофизики С. Саксов и К. Нигард 73 рекомендовали проводить по формуле вида:

F ( B) =

B ( R1 ) − B ( R2 ) R2 − R1

(3.21)

Легко видеть, что правые части равенств (3.20) и (3.21) отличаются только множителем 1/(R2–R1), который при фиксированных значениях радиусов R1 и R2 скажется только на размерности вычисленных аномалий и массштабе их отображения. Физически полученные данные будут соответствовать средней величине горизонтального градиента поля.

3.4.3. ВЫДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ ИСКЛЮЧЕНИЕМ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНОГО УРОВНЯ РЕГИОНАЛЬНОГО ФОНА В простейшем случае, когда региональная составляющая магнитного поля в пределах отдельного съемочного планшета характеризуется постоянной величиной, т.е. может быть представлена горизонтальной плоскостью, выделение локальных аномалий возможно на основе следующего простого алгоритма. 1) На каждом профиле определяется минимальное и максимальное значения магнитной индукции. 2) Значения магнитной индукции от минимума до максимума разбиваются на несколько интервалов (не менее 4–5). - 181 -

3) Подсчитывается число случаев попадания значений поля в точках профиля в каждый из выбранных интервалов. 4) Значение магнитной индукции, соответствующее середине интервала с максимальным количеством случаев принимается в качестве наиболее вероятного уровня регионального поля на данном профиле. 5) Локальные аномалии в точках профиля рассчитываются как разность наблюденных значений магнитной индукции и уровня магнитного поля, принятого за региональный фон. Данный алгоритм предложен В.П. Дудкиным. Именно этим методом выделялись локальные аномалии по материалам магнитных съемок прошлых лет на десятках поселений трипольской культуры, в том числе на таких памятниках как Майданецкое, Тальянки, Коновка и ряде других. Достоинства алгоритма состоят в следующем. 1) В результаты обработки данным методом не вносятся дополнительные искажения. Аномальные значения магнитной индукции, связанные с искомыми археологическими объектами, на уровне найденного регионального фона не сказываются, так как не могут составлять большинство случаев и попасть в интервал наиболее вероятных значений поля. Вся информация об искомых аномалиях сохраняется в результатах преобразований (так же, впрочем, как и сведения об аномалиях-помехах). 2) Данная процедура не производит фильтрации помех, но создает для этого благоприятные условия. В исходном магнитном поле аномалии-помехи отражаются относительными повышениями или понижениями значений магнитной индукции на 5–20 нТ. После вычитания наиболее вероятного уровня магнитного поля помехи становятся знакопеременными с тем же размахом колебаний, но относительно уровня, близкого нулю. Такое представление исходных данных облегчает фильтрацию помех, так как обеспечено условие близости нулю суммы аномалий-помех по профилю. 3) Так как преобразования по алгоритму В.П. Дудкина выполняются попрофильно, исключаются профильные погрешности. Более того, этот способ обработки, будучи приложен последовательно ко всем планшетам исследуемой площади, освобождает от необходимости уравнивания магнитного поля участка съемки. Локальные аномалии относительно «нулевых» уровней магнитного поля отдельных планшетов удовлетворительно стыкуются между собой без какой-либо дополнительной обработки. Главный недостаток метода состоит в том, что его нельзя применить во всех случаях, когда региональное поле в пределах планшета съемки описывается не горизонтальной, а наклонной плоскостью или, тем более, поверхностью второго порядка. В таких случаях следует использовать более сложные алгоритмы обработки, в частности, на основе рассматриваемого ниже анализа тренда исходных данных. Другим недостатком метода можно назвать неточность результата, связанную с ограниченным числом точек на профиле отдельного планшета, не образующих, как правило, представительную выборку значений для оценки наиболее вероятного уровня регионального поля. И совсем уж недопустимым следует считать допускавшуюся в прошлом интуитивную оценку уровня регионального фона на глаз, на основе беглого просмотра числовых данных без проведения необходимых расчетов. - 182 -

3.4.4. ИСКЛЮЧЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНОГО ФОНА ВТОРОГО ПОРЯДКА Магнитное поле планшета можно аппроксимировать некоторой усредняющей поверхностью. Это может быть горизонтальная или наклонная плоскость, если региональная составляющая поля имеет линейный характер, или криволинейная поверхность в случае нелинейного регионального поля. Рассмотрим более сложный из этих случаев, когда региональный фон близок поверхности второго порядка. Допущение о том, что региональное магнитное поле изменяется в пространстве как некоторая функция второго порядка, может быть выражено следующим уравнением:

R ( x, y ) = A1 + A2 x + A3 y + A4 xy + A5 x 2 + A6 y 2 ,

(3.22)

где R(x,y) – значение региональной составляющей поля в произвольной точке планшета; A1 , A2 ,..., A6 – неизвестные коэффициенты, х и у – условные координаты точек обрабатываемого планшета (для упрощения можно принять расстояние между точками наблюдений Δх = Δy = 1, тогда значения y = j будут соответствовать номерам профилей, а х = i – номерам пикетов по профилю). Коэффициенты расчетной формулы вычисляются методом наименьших квадратов из условия минимума суммы квадратов отклонений наблюденного поля от значений функции, описывающей региональный фон: j =M i= N

∑ ∑ (B(i, j ) − R(i, j ))

2

= min

(3.23)

j =0 i =0

Расчет значений регионального поля производится во всех точках планшета, в том числе и на периметре (пикеты – от 0 до N, профили – от 0 до M; обычно M ≈ N). Локальные аномалии вычисляются как разность наблюденного и регионального поля:

L(i , j ) = B (i , j ) − R(i , j ).

(3.24)

Данный метод применим и для исключения линейного регионального поля. В этом случае коэффициенты расчетной формулы (3.22) при членах полинома второго порядка (xy, x2, y2) становятся близкими нулю. Недостатком метода является невозможность его применения для участка съемки, состоящего из нескольких планшетов. Характер распределения поля на площади исследований определяется влиянием, как крупных, глубоко залегающих неоднородностей земной коры (создающих региональный фон 1-го порядка), так и воздействием более мелких объектов геологической природы (региональный фон 2-го, 3-го порядка и т.д.). Поэтому общая тенденция изменений поля в пределах каждого из планшетов съемки, как правило, различна, в одном случае региональное поле имеет линейный характер, в другом – нелинейный. Вследствие этого результаты расчетов по соседним планшетам чаще всего не стыкуются. Таким образом, метод применим лишь к отдельным планшетам небольшого размера, порядка 1 га. - 183 -

В качестве недостатка следует отметить и тот факт, что применение данного метода не избавляет от профильных аномалий, которые приходится исключать другими средствами. Всех этих недостатков лишен рассматриваемый ниже метод, основанный на тренд-анализе, в частности, тот его вариант, который предусматривает проведение расчетов по профилям магнитной съемки.

3.4.5. ВЫДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ ИСКЛЮЧЕНИЕМ ТРЕНДА Определение региональной составляющей магнитного поля данным методом предусматривает выявление наиболее общей тенденции (тренда) изменения поля по обрабатываемому профилю. Для этого измеренные значения магнитной индукции приближенно представляются функцией координат точек наблюдений, например, полиномом некоторой степени (см., в частности, работы А.Б. Каждана и О.И. Гуськова 30 или Г.П. Тафеева и К.П. Соколова 58): m

R ( x ) = ∑ Ck x k

(3.25)

k =0

где Ck – неизвестные коэффициенты, m – порядок полинома, х = i ⋅ Δх; приняв для простоты расстояние между точками Δх = 1, получим х = i, где i — номер пикета профиля. Коэффициенты Сk корреляционной зависимости R от х находят методом наименьших квадратов из условия минимума суммы квадратов отклонений значений наблюденного поля от поверхности тренда: n

∑ (B ( x ) − R ( x ) ) i =0

2

i

i

= min

(3.26)

Учитывая особенности и соотношение аномалий археологической и геологической природы, в большинстве случаев достаточно ограничиться полиномом первого или второго порядка. Приняв в (3.25) m=1, получим линейный региональный фон:

R(i ) = C1 + C2 i .

(3.27)

Нелинейное региональное поле рассчитывается при m = 2:

R (i ) = C1 + C2 i + C3 i 2 .

(3.28)

Локальные аномалии вычисляются как разность наблюденного и регионального поля:

L(i ) = B(i ) − R (i ) - 184 -

(3.29)

В зависимости от степени нелинейности регионального поля расчет проводится по всей длине профиля на участке работ или по отдельным его звеньям – отрезкам профиля в пределах отдельных планшетов.

3.4.6. ВЫДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРОДОЛЖЕНИЯ В ВЕРХНЕЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО Аналитическое продолжение магнитного поля в верхнее полупространство может быть проведено различными методами, например, по формуле А.К. Маловичко 41, которая (в случае выполнения расчетов по профилю) для расчетного интервала n = 9 точек наблюдений может быть представлена в виде: 4

R(i ) =

∑ Ck B(i + k ) ,

(3.30)

k =−4

где Сk – коэффициенты расчетной формулы: Со = 0.1464; С±1 = 0.1382, С±2 = 0.0977; С±3 = 0.0512; С±4 = 0.0300. При пересчете вверх локальные аномалии, создаваемые неглубоко залегающими объектами, и аномалии-помехи быстро затухают. Региональные аномалии, связанные с глубоко залегающими магнитными массами геологического происхождения уменьшаются с высотой намного медленнее. Поэтому на некоторой высоте Н над уровнем наблюдений сохраняется главным образом региональная составляющая поля, хотя и несколько ослабленная. По формуле (3.30) рассчитываются значения магнитного поля на высоте H, равной шагу съемки. Остаточные аномалии, дающие информацию о локальной составляющей наблюденного поля, вычисляются как разность:

L(i ) = B(i ) − R (i )

(3.31)

3.4.7. РАЗДЕЛЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ И ЛОКАЛЬНЫХ АНОМАЛИЙ МЕТОДАМИ ФИЛЬТРАЦИИ Выделение локальных аномалий с помощью разнообразных фильтров также может проводиться множеством различных методов. Рассмотрим те из них, которые были опробованы в процессе обработки магнитометрических данных на ряде археологических памятников и дают вполне приемлемые результаты. Энергетический фильтр, предложен И.Г. Клушиным 1. С целью выделения аномалий на уровне помех автор использовал положения теории линейного минимально-квадратичного сглаживания. В качестве исходного положения, как и в других подобных случаях, принято, что результаты магнитометрических наблюдений по профилю представляют собой сумму искомых аномалий и помех, т.е. B(i) = A(i) + P(i), причем распределение аномалий и помех статистически однородно. При подавлении - 185 -

помех некоторые изменения претерпевают и сами аномалии. Поэтому фильтрация помех осуществляется таким образом, чтобы обеспечить минимально возможное при данных условиях съемки среднеквадратическое отклонение истинной и выделенной аномалии. Вычислительная схема базируется на использовании энергетических спектров аномалий и помех, учитывающих только амплитуды составляющих, а не их фазы (что при обработке магнитометрических данных и не требуется). В конечном итоге получена следующая расчетная формула:

R (i) = 0.148 B(i) + 0.136( B(i + 1) + B(i − 1)) + 0.107( B(i + 2) + B(i − 2)) + + 0.069( B (i + 3) + B(i − 3)) + 0.033( B(i + 4) + B(i − 4)) + ...

(3.32)

где B(i) – значения магнитной индукции, полученные в точках профиля в процессе съемки; R(i) – значение магнитной индукции после фильтрации помех; i – номер точки по профилю. Локальные аномалии вычисляются как разность наблюденного и отфильтрованного (регионального) поля: L(i) = B(i)– R(i). Опыт применения энергетического фильтра при обработке результатов магнитометрических наблюдений на археологических памятниках свидетельствует о его высокой эффективности. Хорошие результаты получены даже в тех случаях, когда уровень помех и аномалий практически одинаков, т.е. при равенстве энергий или, иначе, средних квадратов аномалии и помех: Aср2 = Pср2. Энтропийный фильтр (метод энтропийного усреднения) А.Б. Каждан, О.И. Гуськов 30 рекомендуют применять в случаях резких экстремальных значений поля в некоторых точках наблюдений, оказывающих значительное влияние на выделяемые локальные аномалии. Сглаженное значение поля вычисляется по формуле: M

F (i ) = B (0) + ∑ [ B (i ) − B(0) * H (i )] ,

(3.33)

i =0

где B(0) – одно из значений поля в окне, М – ширина расчетного окна, H(i) – функция веса: H(i) = – K * Q(i) * log(Q(i)),

(3.34)

M

где

Q(i ) = B(i ) − B(0)

∑ B(i ) − B(0) ; i =1

K = 1 / log (M–1) – коэффициент, вводимый для перевода H(i) в относительные величины, не зависящие от основания логарифмов. Точка В(0) выбирается с таким расчетом, чтобы наделить наиболее характерные (преобладающие) значения В(i) весом большим по сравнению со значениями, менее типичными для данной выборки. При этом, чем большее по величине экстремальное значение попадет в окно усреднения, тем в меньшей степени оно влияет на конечный результат. - 186 -

Для обработки магнитометрических данных, полученных при исследованиях археологических объектов достаточно провести энтропийное усреднение по площади окна размером 3×3 точек наблюдений. Исходными данными служат локальные аномалии, выявленные другими методами обработки материалов. Результат вычислений характеризует степень рассеяния магнитометрической информации. Полученные аномалии пространственно совпадают с аномалиями физического поля. Размах аномалий заметно выше перепада значений локальных магнитных аномалий, что равносильно некоторому усилению локальных особенностей поля и позволяет выделять аномалии пониженной интенсивности. В ряде случаев метод энтропийного осреднения дает хорошие результаты и может найти применение в практике обработки магнитометрических данных. Фильтр Шеппарда 21 разработан в предположении, что на элементарном участке профиля график аномалии можно представить уравнением второго порядка вида y=a0+a1x+a2x2. Коэффициенты полинома определяются способом наименьших квадратов. Окончательная расчетная формула имеет вид:

B(i ) = 1 / 35 [ 17 B(i ) + 12(B(i + 2 ) + B (i − 2 )) − 3(B(i − 4 ) + B (i + 4 )) ] ,

(3.35)

где B(i)– значение поля в i-той точке профиля, B(i±n) – значения поля в окрестности расчетной точки на расстоянии n = ±2 и ±4 шага съемки. По этой формуле рассчитываются сглаженные (выровненные) значения поля в точках профиля. Локальные аномалии определяются как разность исходного и выровненного поля. А.К. Маловичко 41, анализируя данную вычислительную схему, установил, что операция выравнивания сопровождается некоторым искажающим действием. (Впрочем, как и многие другие методы фильтрации). Величина искажающего действия уменьшается с уменьшением шага расчета и зависит от крутизны аномального графика, достигая максимума в экстремальных точках. В связи с этим шаг по профилю не должен превышать глубину залегания подошвы того горизонта, в котором находятся аномальные массы. Практически все это означает, что применению данного фильтра в конкретных условиях должны предшествовать предварительные экспериментальные расчеты. Фильтр В. Мягкова 30 разработан на основе «двойного» усреднения значений поля (усреднения по усредненным данным) в окрестности точки наблюдений по профилю. Расчетная формула:

B (i ) = [B (i − 2 ) + 4 B (i − 1) + 6 B (i ) + 4 B (i + 1) + B (i + 2 )] 16 ;

(3.36)

Как видно из формулы, осреднение проводится в интервале ±2 пикета в обе стороны от расчетной точки с учетом веса отдельных значений. Наибольший вес имеет центральная точка расчетного окна. Результат – среднее взвешенное значение поля – относится к центру расчетного интервала и принимается в качестве выровненного значения поля. Локальная аномалия вычисляется как разность между фактическим и выровненным значением поля. - 187 -

3.4.8. ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ Процедура экстраполяции является важным составным элементом практически всех преобразований исходного магнитного поля. Большинство трансформаций магнитных аномалий осуществляется в некотором расчетном интервале по линии профиля или по площади, а результат расчета относится к его центру. При этом на краях профилей, а в случае площадного варианта расчетов – и на крайних профилях участка, расчет не может быть выполнен из-за отсутствия всех необходимых данных в окрестности рассматриваемой точки. В связи с этим по периметру участка съемки возникает «белое» поле, лишенное результатов трансформаций в полосе, отвечающей половине ширины расчетного интервала выполненных преобразований. Для исключения потерь информации на результативной карте в процессе выполнения трансформации недостающие значения магнитной индукции за пределами концевых пикетов или профилей должны быть дополнены экстраполированными значениями поля. Такие значения можно вычислить по известным формулам линейной или квадратической интерполяции/экстраполяции. Так, линейная экстраполяция поля в точку, которая предшествует нулевой, может быть выполнена по известной формуле:

B ( −1) = 2 B(0) − B (1) = B (0) − [ B (1) − B (0)] = B (0) − G

(3.37)

где G – градиент поля между соседними точками. Однако эти методы экстраполяции рассчитаны на гладкие, непрерывные функции, и вычисленные по ним данные нередко оказываются ошибочными, что приводят к появлению ложных аномалий трансформированного поля. Иначе и быть не может, так как в действительности мы пытаемся «продолжить» за пределы профиля, не гладкую функцию с учетом тенденции ее изменения, а, главным образом, функцию случайных помех. Подобная экстраполяция не отражает истинной тенденции изменения поля и во многих случаях усиливает локальные эффекты, создаваемые помехами. Если, например, значение поля в крайней точке профиля содержит аномалиюпомеху Δ = s, т. е. равную среднеквадратической погрешности съемки, то ошибка экстраполированного по формуле (3.37) значения в последующую точку станет равной Δ1 = 2 s, а это уже близко минимальной амплитуде искомой локальной аномалии. Более надежный способ экстраполяции исходных данных, как показывает опыт обработки магнитометрических наблюдений на археологических памятниках, состоит в том, чтобы заменить недостающие значения магнитной индукции усредненной величиной поля в интервале 3–5 пикетов на концах профилей. При вычислении среднего, следует исключать из суммы «аномальные» и «выскакивающие» значения магнитной индукции. Такие точки легко распознаются по сопутствующим высоким значениям горизонтального градиента магнитной индукции, например, 10 нТ/м или более (определяется опытным путем, исходя из анализа особенностей магнитного поля обрабатываемого участка съемки). При усреднении знакопеременные аномалии- 188 -

помехи частично компенсируются, и погрешность экстраполированного значения не будет превосходить среднего уровня помех. Если региональное поле можно считать постоянным (горизонтальная плоскость) или линейным, но с небольшим градиентом (не более 3–5 нТ/м), то при такой интерполяции в большинстве случаев не будут допущены существенные погрешности. В случае линейного с большим градиентом или нелинейного регионального фона можно воспользоваться следующим приемом. Рассчитывается средняя величина горизонтального градиента Gс р исходного магнитного поля в интервале 3–5 точек наблюдений в начале профиля. Экстраполяция значения поля в m-ную точку профиля, предшествующую начальной (нулевой) точке, выполняется по формуле:

B( − m) = B(0) − mGс р .

(3.38)

Аналогичным образом проводится экстраполяция значений магнитного поля в конце профиля; при этом средняя величина градиента Gср = (ΔB Δx) ср вычисляется в конце профиля и прибавляется к значению поля на последней точке. Таким же способом рассчитываются экстраполированные значения поля по профилям, как предшествующим нулевому профилю, так и последующим за крайним (последним) профилем участка, с той разницей, что вычисление средней величины градиента на каждом пикете такого «фиктивного» профиля осуществляется по значениям поля на соответствующих пикетах соседних профилей.

3.4.9. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ Рассмотрим различные методы разделения локальных и региональных аномалий на условном теоретическом примере. На рисунке 3.3 представлены: – график нелинейного регионального магнитного поля, которое изменяется по закону, близкому кривой второго порядка (кривая 1); – локальная аномалия (кривая 2), создаваемая сильно разрушенными остатками древнего жилища (трипольской площадкой); – фон помех (кривая 3), рассчитанный генерацией случайных чисел в диапазоне от –10 до +10 нТ с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением s = ± 5 нТ; – сумма региональной и локальной составляющих (кривая 4); – суммарное поле, включая помехи (кривая 5). Вначале проведем исследования методом тренд-анализа. Как видно на рис. 3.4, региональная компонента, рассчитанная как линейный тренд (линия 4), существенно отличается от теоретических значений регионального поля. Отклонения достигают 20 нТ (см. табл. 3.1). Погрешность представления регионального фона нелинейным трендом (кривая 2) гораздо ниже и не превышает ± 2 нТ, т.е. вдвое ниже стандарта помех и примерно на уровне среднеквадратической погрешности высокоточной съемки. - 189 -

B a, нТ 125

B a, нТ 100

100

1

50 0 20

2

1

3

4

75

2

50 25

5

10

15

20

25

3

0 50

0 5

10

15

20

25

100

5

10

15

20

25

10

15

20

25

10

15

20

25

6

25

0

0

100

25

5

50 50

10

20

-25 75

4

5

15

25 0

-20

10

5

75

15

20

25

5

5

-25 75 50

50

7

25 0

0 5

10

15

20

25

Рис. 3.3. Теоретический пример магнитного поля: 1, 2 – региональная и локальная аномалии, 3 – помехи, 4, 5 – суммарное поле без учета и с учетом помех.

5

-25

Рис. 3.4. Разделение региональных и локальных аномалий методом тренданализа: 1 – исходное поле; 2, 3, 4 – региональный фон; 5, 6, 7 – локальные аномалии.

В процессе расчета коэффициентов тренд-функции методом наименьших квадратов при вычислении промежуточных сумм рекомендуется исключать резко отличные, «аномальные» значения наблюденного поля. В качестве критерия «аномальности» значений поля можно принять, например, условие выполнения неравенства:

B (i + 1) − B(i ) > G ,

(3.39)

где G – допускаемый горизонтальный градиент поля по профилю. Величина G выбирается опытным путем с учетом характерных особенностей аномального магнитного поля. В данном случае было принято G = 10 нТ/м. Игнорирование условия (3.39) приводит к необоснованному завышению или занижению (при больших отрицательных аномалиях) уровня регионального поля. Для данного примера это иллюстрируется кривой 3 на рис. 3.4. Таким образом, оптимальный подход к выделению регионального поля предусматривает вычисление нелинейного тренда в сочетании с процедурой исключения резко отличающихся значений наблюденного поля. Об этом убедительно свидетельствуют представленные на рис. 3.4 локальные аномалии, полученные расчетом линейного, нелинейного тренда и нелинейного тренда с учетом неравенства (3.39). На графике локальной аномалии, вычисленной в предположении линейного тренда (кривая 5), отчетливо видна неучтенная нелинейная составляющая регионального поля, обуславливающая резкое отличие выделенной - 190 -

аномалии от истинной (теоретической). График локальной аномалии, рассчитанной для нелинейного регионального фона без исключения аномальных значений поля (кривая 6), осложнен ложными минимумами за счет завышения уровня региональной составляющей магнитного поля. И только в случае расчета нелинейного тренда с исключением резко отличных аномальных значений поля (кривая 7) получаем практически не искаженную локальную аномалию, максимально близкую теоретической. Количественная характеристика рассмотренных вариантов расчетов приведена в табл. 3.1. Таблица 3.1. Отклонение значений регионального поля, рассчитанных методом тренд-анализа, от теоретических значений. Метод расчета Линейный тренд Нелинейный тренд (без учета аномальных значений поля) Нелинейный тренд (с исключением аномальных значений поля)

Минимальное отклонение, нТ –14

Максимальное отклонение, нТ +21

Стандарт s, нТ

–5

+10

± 4.6

–2

+2

± 1.4

± 10

Сравним теперь результаты расчетов методом тренд-анализа с другими методами разделения региональных и локальных аномалий. На рис. 3.5 приведены локальные аномалии, рассчитанные на основе усреднения наблюденного поля, пересчета в верхнее полупространство и фильтрации энергетическим фильтром. Как видно на рисунке, вычисленная методом тренд-анализа локальная аномалия (кривая 1), практически полностью совпадает с теоретической (кривая 6). Остаточная локальная аномалия, полученная на основе аналитического продолжения магнитного поля в верхнее полупространство (кривая 2), характеризуется систематически завышенными значениями поля. При пересчете вверх (т.е. при удалении от источников магнитных масс) уменьшается амплитуда не только локальных, но и региональных аномалий. Вследствие этого уровень поля на высоте Н, которое мы принимаем за региональное, будет несколько занижен, что и обуславливает завышение уровня локальной аномалии. Этот остаточный эффект легко исключается методом тренданализа. В результате получим локальную аномалию, близкую теоретической (кривая 3 на рис. 3.5). Сходная картина наблюдается и в случае выделения локальной аномалии энергетическим фильтром. Нелинейная составляющая регионального поля остается не отфильтрованной и наблюдается совместно с локальной аномалией (кривая 4). После исключения остаточного тренда локальная аномалия принимает нормальный вид (кривая 5).

- 191 -

Испытание фильтров Шеппарда и В. Мягкова показывает, что в наших специфических условиях они не обеспечивают сохранение форм, размеров и амплитуды локальных искомых аномалий (см. табл. 3.2). Локальные аномалии, вычисленные методом усреднения, представлены на рисунке 3.5 кривыми 7 (усреднение по 5-ти точкам) и 8 (расчетный интервал – 7 точек). Они значительно отличаются от теоретической кривой (6) по ширине и амплитуде и сопровождаются дополнительными ложными минимумами. Вариации магнитного поля по Б. Андрееву (кривая 9), хотя и осложнены дополнительными минимумами, но, по крайней мере, сохраняют амплитуду, близкую локальной теоретической аномалии. B a, нТ

B a, нТ 50

50

1

25 0 -25

0

50

4

25 0 -25

5

25

-25

5

10

20

25

0 -25

15

20

25

15

20

25

15

20

25

8

25 5

10

50

5 10

0

7

50

15

10

5

20

3

2

25

15

10

5

50

-25

6

25

9

25 15

20

25

0 -25

5

10

Рис. 3.5. Пример выделения локальной магнитной аномалии: 1 – методом тренд-анализа; 2, 3 – пересчетом в верхнее полупространство; 4, 5 – энергетическим фильтром; 6 – теоретическая кривая; 7, 8 – методом усреднения по 5 и 7 точкам; 9 – вариации по методу Б. Андреева.

Количественная характеристика различных методов выделения локальных магнитных аномалий приведена в таблице 3.2. Из сравнения всех полученных результатов, легко установить, что метод выделения локальных аномалий, основанный на тренд-анализе исходных данных, выгодно отличаются от других рассмотренных методов. Его можно рекомендовать как лучшее средство разделения локальных и региональных аномалий при обработке материалов магнитной разведки археологических объектов, особенно в случаях нелинейного характера регионального поля на участке съемки. Приемлемые результаты можно получить также на основе аналитического продолжения магнитных аномалий в верхнее полупространство или применением энергетического фильтра. Однако полученные при этом аномалии будут содержать неучтенную часть региональной составляющей исследуемого поля, которую все равно придется исключать все тем же методом тренд-анализа (или каким-либо иным). - 192 -

Таблица 3.2. Результаты выделения локальных аномалий различными методами. Преобразование

Уменьшение Уменьшение Относительная амплитуды ширины амплитуда локальной локальной сопутствующих аномалии, аномалии, минимумов, |А–А теор|/А теор, % Х/Х теор, % А min /А max, %

Исключение нелинейного тренда

4

0

на уровне помех

Вычисление остаточных аномалий

28

–20

–8

Энергетический фильтр

28

–20

–8

Вариации по Б. Андрееву

10

–15

–42

Фильтр Шеппарда

56

–30

–45

Фильтр В. Мягкова

42

–20

–30

Усреднение по 3 точкам

76

–40

–33

Усреднение по 5 точкам

54

–30

–39

Усреднение по 7 точкам

40

–20

–33

Таким образом, выделение регионального поля на основе тренд-анализа предпочтительно во многих отношениях. В то же время метод, основанный на исключении тренда, имеет существенный недостаток: в процессе расчета локальных аномалий фильтрации помех не происходит. Поэтому следующая задача обработки состоит в том, чтобы подавить помехи, максимально сохранив при этом полезные аномалии.

- 193 -

3.5. ФИЛЬТРАЦИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПОМЕХ На основе выше изложенного можем констатировать: с одной стороны – есть надежный способ выделения локальных аномалий на основе исключения нелинейного тренда. Но он не обеспечивает фильтрации аномалий-помех случайного характера, хотя и устраняет профильные аномалии. С другой стороны – известно ряд методов трансформаций аномального магнитного поля, менее пригодных для выделения искомых локальных магнитных аномалий, но способных подавлять или существенным образом ослаблять случайные магнитные аномалии. Так, в процессе аналитического продолжения аномалий в верхнее полупространство происходит значительное ослабление мелких одиночных аномалий, большинство из которых относятся к классу помех. Фильтрующие свойства присущи и многим методам усреднения поля. В процессе суммирования значений поля в расчетном интервале происходит частичная компенсация знакопеременных аномалий случайного характера, и в результатах расчета случайный компонент представлен в значительно ослабленном виде. Соответственно положениям математической статистики, среднее из N результатов измерений будет в корень из N раз точнее каждого отдельного из них. Известны и другие приемы и средства обработки исходных данных, которые разрешают существенным образом снизить уровень помех. Некоторые из них будут рассмотрены ниже. Но уже на данной стадии изложения основ обработки магнитометрических данных мы можем придти к выводу о необходимости комплексирования разных средств и методов преобразований исходного поля магнитной индукции, зафиксированного магнитной съемкой. Рассмотрим фильтрующие способности методов усреднения, основанных на применении энергетического фильтра, фильтров Шеппарда, В. Мягкова и метода простого усреднения в минимальном расчетном интервале (3 точки). (Метод вариаций по Б. Андрееву не рассматривается, т.к. имеет низкие фильтрующие способности, и полученные результаты расчетов сами нуждаются в дальнейшей фильтрации). Все отмеченные способы фильтрации испытывались на рассмотренном выше теоретическом примере: локальная аномалия амплитудой 50 нТ на фоне помех с нулевым средним и стандартом s = ± 5 нТ. Результаты представлены на рис. 3.6 и в табл. 3.3. Как видно на рисунке, осложненная помехами локальная аномалия (кривая 2), которая вычислена по исходному полю (кривая 1) исключением тренда, после фильтрации энергетическим фильтром (кривая 3) выглядит наиболее гладкой и свободной от помех. Однако при этом амплитуда аномалии уменьшается в 4 раза и заметно возрастает ее ширина. Слабые локальные аномалии при такой фильтрации могут быть вовсе утеряны. Фильтр В. Мягкова успешно подавляет аномалии-помехи, но почти вдвое ослабляет амплитуду искомой локальной аномалии. В то же время мало перспективные для разделения региональных и локальных аномалий фильтр Шеппарда и метод усреднения в минимальном по размерам расчетном окне (3 точки) дают наилучшие результаты (кривые 5, 6). Хотя и в этом случае амплитуда локальной аномалии уменьшается приблизительно на 25%, применение этих методов вполне оправданно, когда искомые локальные - 194 -

аномалии характеризуются сравнительно высокими амплитудами (на уровне А >= 5...10 s, где s — стандарт помех). B a, нТ

B a, нТ

50

1

100 50

0

0

-25

10

5

50

4

25

15

20

25

5

50

2

25

0

10

5

-25

15

20

25

-25

5

50

3

25

-25

5

10

15

20

25

0 -25

20

25

10

15

20

25

10

15

20

25

6

25

0

15

5

25

0

10

5

Рис. 3.6. Результаты фильтрации локальной аномалии разными методами: 1 – суммарное магнитное поле; 2 – локальная аномалия, осложненная помехами; 3 – энергетический фильтр, 4 – фильтр В. Мягкова; 5 – фильтр Шеппарда; 6 – усреднение по 3 точкам.

Таблица 3.3. Сравнительная характеристика методов фильтрации. Амплитуда локальной аномалии, нТ

Пределы изменения аномалийпомех, нТ

Среднее квадратичное значение помех, s, нТ

Исходная локальная аномалия

50

–10...+12

±5

Энергетический фильтр

13

–7... +5

±2

Фильтр В. Мягкова

29

–6...+8

±2

Фильтр Шеппарда

37

–5...+3

±2.4

Усреднение по 3 точкам

35

–5...+2

±2

Метод фильтрации

В качестве эффективного средства устранения аномалий-помех можно использовать простой амплитудный фильтр. Процесс фильтрации сводится к замене нулями всех значений поля, которые не превышают утроенного стандарта аномалий-помех 3 s (иначе – минимально аномального значение). Строго математически такую процедуру нельзя считать вполне корректной, так как при этом неминуемы искажения формы искомых аномалий в их периферийной части. Тем не менее, в конечном итоге можно получить достаточно приемлемый результат: поле локальных аномалий очищается от - 195 -

«мусора», а сами аномалии сохраняют свою реальную амплитуду (хотя и остаются осложненными случайными погрешностями). Формальное применение простой амплитудной фильтрации может привести к неоправданному сокращению площади полезных аномалий, представляющих поисковый интерес, за счет искусственного занижения до нуля значений поля в периферийных точках аномалий. Поэтому не всякое невысокое значение магнитной индукции подлежит устранению, а лишь те из них, которые отвечают одиночным аномалиям-помехам, имеющим случайный характер распределения и не связанным с искомыми аномалиями сравнительно большой протяженности (3–5 точек наблюдений по профилю и более). Задача распознавания и подавления ограниченных по размерам аномалийпомех случайного характера решается применением амплитудно-частотного фильтра. Фильтрация помех амплитудно-частотным фильтром проводится по предварительно рассчитанным локальным магнитным аномалиям и может выполняться в двух возможных режимах – линейном и площадном. В первом случае оценка того, является ли аномалия ограниченной по размерам и случайной, осуществляется сравнением значения поля в точке наблюдений со значениями в соседних точках профиля в соответствии со следующим алгоритмом. Пусть A – минимальная амплитуда искомой аномалии (задается интерпретатором). Тогда:

⎛ B (i) =>A при [B (i+1) => A или B (i–1) => A] ⎪ 0 при B (i) => A и невыполнении предыдущего условия […] B(i) = ⎨ B (i) при B(i) < A и { [B(i+1)>A и B(i+2) > A] (3.40) ⏐ или [B(i–1) > A и B(і–2) > A] } ⎝0 при B(i) < A и невыполнении предыдущего условия {…} При площадном варианте фильтрации учитываются значения поля не только по профилю, но и на соседних профилях. Расчет ведется в окне размером 3×3. Значения поля в центре окна сравнивается со значениями в 8 окружающих точках. Если значения поля хотя бы в одной из них превышает минимальную амплитуду искомой аномалии (А), фильтрация в расчетной (центральной) точке не происходит, и в ней сохраняется исходное значение магнитного поля. За счет этого, в отличие от профильного варианта фильтрации, удается избежать «урезывания» полезных аномалий, которые отмечаются на нескольких соседних профилях. Таким образом, фильтрация в площадном варианте позволяет учитывать корреляцию аномалий от профиля к профилю. Применение амплитудно-частотной фильтрации дает возможность избавиться от мелких (точечных) аномалий, которые не представляют поисковый интерес, и сохранить неизменными амплитуды искомых локальных аномалий (что необходимо, например, для оценки магнитной восприимчивости археологических объектов). Метод успешно испытан на многочисленных примерах.

- 196 -

3.6. СТАТИСТИЧЕСКИЕ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ВЫДЕЛЕНИЯ АНОМАЛИЙ

МЕТОДЫ

3.6.1. МЕТОД ОБРАТНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ Характеристика локальных аномалий, выделенных описанными выше приемами, будет неполной, если не определить степень их достоверности. Для оценки достоверности (надежности) выявленных локальных аномалий можно использовать метод обратных вероятностей. Этот метод был предложен А.Г. Тарховым 59 для обработки наблюдений по профилям в случаях, когда форма полезного сигнала известна или может быть принята условно (предположительно). Поэтому данный метод часто называют также способом условных вероятностей. Сущность метода состоит в том, что выделенные локальные аномалии, осложненные помехами, сравниваются с условно принятым сигналом заданной формы. Это может быть кривая, представленная в наших условиях 5–7 точками наблюдений, имеющая 1 максимум (объект небольших горизонтальных размеров), 2 максимума (широкий объект), знакопеременная или другой формы. Чем лучше ряд значений поля локальных аномалий в расчетном интервале отвечает форме заданной кривой, тем выше вероятность того, что отмеченная здесь аномалия соответствует искомой. Условие о форме эталонного сигнала не содержит слишком больших ограничений. Опыт показывает близость выделенных аномалий при изменении формы и ширины сигнала. Ординаты ожидаемой (эталонной) аномалии выбирают пропорциональными ординатам искомого сигнала. Примерный вид искомой аномалии можно легко определить из опыта работ в аналогичных условиях или по данным моделирования полей над ожидаемыми археологическими объектами заданных размеров, формы, свойств и глубины залегания. Результат вычисления локальных аномалий L(x) можно представить, как сумму полезного сигнала F(x) и помехи P(x):

L( x ) = F ( x ) + P ( x ) .

(3.41)

Задачей дальнейшей обработки данных есть возможно большее разрушение «искажающей» информации, связанной с помехами P(x), при минимальном разрушении «полезного» сигнала F(x) от искомых объектов и, в конечном итоге, – определение их местоположения. Способ обратных вероятностей предусматривает решение поставленной задачи сравнением исследуемого поля L(x) с ожидаемым сигналом A(x). Если между этими величинами существует корреляционная связь, то максимум корреляционной функции будет соответствовать положению искомого сигнала на профиле. Практически поступают следующим образом. В скользящем окне по профилю рассчитывают коэффициент правдоподобия наблюденной и условно выбранной эталонной аномалии A(i) по формуле:

⎡ 1 K (i ) = exp ⎢− 2 ⎣ 2s

⎡1 ⎤ A 2 (i + k )⎥ exp ⎢ 2 ∑ k =− m ⎣s ⎦ +m

- 197 -

+m

⎤

∑ A(i + k ) L(i + k )⎥⎦ ,

k =− m

(3.42)

где A(i+k) – ординаты точек эталонной аномалии; L(i+k) – значения магнитного поля в точках анализируемой кривой; ± m – ширина искомой аномалии, выраженная числом пикетов по профилю (ширина расчетного интервала, т.е.

1 N ∑ ( L(i) − L ) 2 – дисперсия помех, рассчитанная N − 1 i =1 по всем точкам профиля (N); L – среднее значение локальных аномалий по скользящего окна); s 2 =

профилю. Величина A2 =

+m

∑ A (i + k ) представляет собой энергию аномалии, кото2

k =− m

рая, как видно из формулы, определяется суммой квадратов ординат задаваемого эталонного сигнала. Энергия эталонной сигнала выбирается обычно близкой предполагаемой энергии аномалии от искомого объекта. Для выделения слабых аномалий энергия эталонного сигнала может быть выбрана на уровне помех, т.е. исходя из примерного равенства a 2 / s 2 ≈ 1 , где a 2 = A 2 / (2m + 1) – средний квадрат аномалии. Теоретически распределение помех в расчетном интервале должно быть статистически однородным, а ширина интервала достаточно большой, чтобы алгебраическая сумма аномалий-помех была близка нулю. Однако на практике можно ограничиться шириной расчетного интервала, равного числу точек на профиле (15–30). При этом надежность выделенных сигналов сохраняется достаточно высокой. В процессе расчета стандарта помех при суммировании значений магнитного поля по профилю следует исключать аномальные отклонения магнитной индукции, которые, как правило, сопровождаются значительным горизонтальным градиентом поля (10...20 нТ/м и более). За счет этого удается избежать сильных искажений величины коэффициента правдоподобия. V, %

Рис. 3.7. Выделение локальной аномалии методом условных вероятностей: 1 — аномалия, осложненная помехами; 2 — диаграмма распределения вероятностей.

B a, нТ

2

100 75 50 25 0 0 -25

1

5

10

15

20

25

Вероятность наличия аномалии в расчетном интервале определяется из условия:

V (i ) = K (i ) [K (i ) + 1] Если V(i) > 0.5 – искомая аномалия с заданными параметрами в данном окне есть, при V(i) < 0.5 – аномалии нет, и данные наблюдений содержат только помехи P(x), т.е. F(x) = P(x). Практически более удобно вероятность наличия аномалии V(i) выражать в процентах:

V (i ) = K (i ) /[K (i ) + 1] ⋅ 100% - 198 -

(3.43)

Применение метода условных вероятностей продемонстрируем на теоретическом примере. На рис. 3.7 вероятность выделения локальной аномалии, осложненной помехами (кривая 1), иллюстрируется диаграммой 2. Надежно выявленными считаются аномалии, установленные с вероятностью более 50%. В данном случае вероятность выделения «полезной» аномалии составляет 75–100%, в то время как аномалии-помехи отмечаются с вероятностью максимум 20%.

3.6.2. МЕТОД ВЗАИМНОЙ КОРРЕЛЯЦИИ Этот метод анализа локальных особенностей магнитного поля применяется при прослеживании от профиля к профилю локальных аномалий, искаженных помехами, в том числе высокочастотными составляющими наблюденного магнитного поля. Рассматривая значения наблюденного поля, как сумму полезных аномалий и аномалий-помех и полагая, что функция распределения помех является случайной, Ю.Б. Шауб 66 предложил способ, основанный на вычислении корреляционной функции U(x). Функцию U(x) вычисляют путем умножения значений поля на соседних профилях в точках, равноотстоящих в противоположных направлениях от расчетной i-той точки:

U (i ) =

n 1 ∑ B (i − k ) ⋅ B2 (i + k ) , 2n + 1 k =− n 1

(3.44)

где B1 и B2 – значения поля в точках двух соседних профилей, ± n – ширина расчетного интервала. Результат вычислений относится к точке, расположенной в центре расчетного окна посредине между исследуемыми профилями, что для компьютерной обработки и дальнейшего использования результатов вычислений не удобно. Модифицируя этот метод для случая трех профилей, когда взаимно корреляционная функция относится к точкам центрального профиля, получим для расчетного окна размером 3×3 точки наблюдений следующую формулу:

U (i , j ) =

1 ⎤ 1⎡ 1 1 1 B ( i + k , j − ) ⋅ B ( i − k , j + ) + B(i + k , j ) ⋅ B(i − k , j ) ⎥ , (3.45) ∑ ∑ ⎢ 5 ⎣ k =−1 l =0 ⎦

где i и j – текущие номера пикетов и обрабатываемого профиля. При необходимости формула может быть легко преобразована для расчетов в окне большего размера (5×3 или 7×3 точек наблюдений). Далее значения U(i,j) можно нормировать, разделив их на произведение дисперсий поля на соседних профилях, но можно ограничиться и полученными данными, учитывая ожидаемую близость дисперсий поля на локальных участках проявления искомых аномалий археологического происхождения. - 199 -

Функция взаимной корреляции отличается высокой чувствительностью к изменению формы аномалий на соседних профилях. Смещение экстремальных значений позволяет судить о простирании коррелируемых аномалий. В процессе расчета происходит частичное подавление знакопеременных и слабо амплитудных помех. Данный метод преобразований локальных магнитных аномалий используется как вспомогательный, дающий ценную информацию о размерах и простирании искомых объектов.

3.6.3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Характерные особенности магнитного поля различны в безаномальном пространстве и в пределах локальных возмущений поля, вызванных скрытыми в земле археологическими объектами. Такая постановка вопроса исключает возможность статистического анализа исходного поля магнитной индукции без предварительного исключения региональной составляющей, иначе пространство между локальными аномалиями в действительности нельзя считать «безаномальным». В связи с этим будем рассматривать приложение статистических методов анализа к полю заранее выделенных локальных аномалий. Для статистического анализа геофизических полей предложено множество различных методов и приемов, широко освещенных в специальной литературе. Рассмотрим только несколько из них, достаточно простых и эффективных в наших условиях применения. Дисперсия характеризует степень изменчивости исследуемого поля (неравномерность распределения аномальных точек). Расчет дисперсии осуществляется в скользящем окне, центр которого располагается в точке наблюдений. На каждой точке вычисляется средняя величина квадрата отклонений значений поля от среднего значения в данном окне. Для надежной оценки дисперсии необходимо включать в выборку не менее 25–30 значений поля, что соответствует минимальному размеру расчетного окна порядка 5×5 точек наблюдений. Однако для приближенной оценки величины дисперсии можно ограничиться расчетным окном меньшего размера – 3×3 точки. Вычисления проводятся по формуле:

D(i, j ) = ±

+n 1 ∑ (2n + 1) 2 − 1 k =− n

∑ (B(i + k , j + m) − B ) +n

2 2

,

(3.46)

m= − n

где B – среднее значения поля в окне размером (2n+1)×(2n+1); для окна размером 3×3 точки n = 1. Дифференцированность – степень изменчивости («изрезанности») поля – может быть оценена по формуле Н.Н. Боровко 6: 2

⎞ ⎛ 1 +1 L( j ) = ⎜ ∑ S ( j + k ) ⎟ , ⎠ ⎝ 3 k =−1

(3.47)

где S(j) = B(j–1) – 2 B(j) + B(j+1) – функция, которая предварительно рассчитывается в точках профиля и представляет собой «вторые разности». - 200 -

По данным исследований различных характеристик степени изменчивости поля, приведенным в упомянутой работе, оценка дифференцированности по формуле (3.47), представляется оптимальной. Неоднородность поля локальных аномалий может быть оценена по вероятности попадания в расчетное окно аномальных значений поля, превышающих предельную величину случайной ошибки. Процесс вычислений выполняется в два этапа. Сначала рассчитывается среднеквадратическая величина (стандарт s) аномалий-помех случайного характера. В процессе ее расчета должны быть исключены все значения поля, превышающие минимальную амплитуду локальных аномалий, представляющих поисковый интерес. Величина такой минимальной аномалии оценивается и устанавливается интерпретатором исходя из поставленных поисковых задач и представлений о физико-археологических моделях искомых объектов. На втором этапе вычисляется вероятность попадания в область расчетного окна аномальных значений, превышающих 2.5 s (минимально аномальное значение или предельную ошибку). Расчет выполняется простым подсчетом числа (n) аномальных значений в окне и оценкой частоты таких случаев по формуле:

V =

n 100% , N

(3.48)

где N – общее число точек в расчетном окне. Несмотря на простоту метод в некоторых случаях дает неплохие результаты. Оценка локальных аномалий по отношению сигнал/шум вычисляется по формуле: A(j) = B(j) / s,

(3.49)

где B(j) – текущее значение поля по профилю, s – стандарт аномалий-помех. Процедура вычисления среднеквадратического значения случайных ошибок s аналогична описанной выше. По данным расчета отношений сигнал/шум аномалии-помехи отмечаются низкими значениями параметра – до 2–2.5 единиц. Значения характеристики, превышающие 2.5, отвечают достоверно установленным локальным аномалиям. Выделенные статистическими методами аномалии, в отличие от результатов преобразования другими методами, не имеет физического смысла. Тем не менее, они достаточно надежно отмечают участки наиболее вероятного расположения аномалий «физической» природы. Следует отметить, что при вычислении дисперсии и степени дифференцированности поля вследствие суммирования исходных данных в расчетном интервале (окне) происходит заметное сглаживание, обобщение аномалий. В связи с этим они заслуживают применения во всех случаях, когда исходное поле локальных аномалии трудно интерпретируемо из-за сильной изрезанности или фрагментации. При вычислении статистических характеристик по формулам (3.48) и (3.49) сглаживания полученных аномалий не происходит. Они имеют форму, близкую «физическим» локальным аномалиям, и могут использоваться наравне с результатами трансформаций другими методами. - 201 -

3.7. ГРАДИЕНТЫ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Важной характеристикой искомых локальных аномалий являются градиенты магнитной индукции. Аномалии археологической природы отмечаются обычно повышенными значениями градиентов. Градиенты магнитного поля характеризуют скорость изменения магнитной индукции в горизонтальном или вертикальном направлении и обладают рядом специфических особенностей, которые широко используются при качественной и количественной интерпретации магнитных аномалий. В поле градиентов практически не отражается влияние глубоко залегающих объектов, исключается региональный фон, контуры аномалий становятся более близкими контурам самих объектов. В связи с этим трансформации исходного магнитного поля в значения вертикального и горизонтального градиентов магнитной индукции широко применяются в разведочной геофизике с целью одновременного решения таких задач, как: – исключение региональной составляющей поля (регионального фона); – выделение в явной и контрастной форме локальных аномалий от неглубоко залегающих объектов сравнительно небольших размеров; – разделение аномальных эффектов, создаваемых близко расположенными в плане локальными телами, которые в поле магнитной индукции фиксируются как единая аномалия. Вертикальный градиент магнитной индукции Земли, характеризует изменчивость магнитного поля по высоте. В отличие от магнитной индукции, аномалии вертикального градиента сильно зависят от глубины залегания магнитных масс и отражают влияние намагниченных объектов, расположенных, главным образом, в самом ближнем к земной поверхности слое, то есть, как раз там, где залегают искомые археологические объекты. В связи с этим вертикальный градиент представляет значительный интерес для выявления и оценки параметров археологических объектов. Аномалии вертикального градиента можно определить по данным градиентометрической съемки, но проведение таких исследований не всегда возможно и требует определенных затрат. Поэтому значительный интерес представляет расчет значений градиента по результатам измерений магнитной индукции. При выполнении необходимых преобразований следует учитывать, что по значениям магнитной индукции, полученным в результате магнитной съемки, поле вертикального градиента от приповерхностных образований, залегающих на глубинах 0–5 м, может быть рассчитано весьма приближенно. Редкая сеть обычной магнитной съемки, нацеленной на выявление искомых аномалий минимально допустимым количеством наблюдений, не обеспечивает необходимого число информативных точек в расчетном интервале преобразования. Для более точных расчетов вертикального градиента требуются наблюдения с более густым шагом, соизмеримым с глубиной залегания объектов поисков. Тем не менее, во многих случаях при достаточно густой сети магнитометрических наблюдений можно получить вполне удовлетворительные результаты. Вычисление вертикального градиента магнитной индукции в профильном варианте можно выполнить по упрощенной формуле А.К. Маловичко 41: - 202 -

B z (i ) =

1 5 ∑ C k B(i + k ) , Δx k = −5

(3.50)

где Δx – расстояние между точками наблюдений, Ck – коэффициенты, которые в точках расчетного интервала соответственно равны: С0 = 0.4876, С±1 = – 0.2122, С±2 = –0.1061, C ±3 = – 0.0236, С± 4=–0.0265, С±5= – 0.0042. Рассчитать вертикальный градиент магнитной индукции можно также на основе пересчета в верхнее полупространство. Величина вертикального градиента вычисляется из соотношения:

Bz (i ) =

B (i ) − Bh (i ) , h

(3.51)

где h – высота пересчета; Bh (i ) – значение магнитной индукции в i-той точке профиля на высоте h над поверхностью наблюдений. Примеры применения вертикального градиента рассматриваются ниже по результатам обработки материалов по участку Глыбочок. Горизонтальный градиент магнитной индукции, в отличие от вертикального, вычисляется без особых трудностей. В этом случае надежность результатов пересчета определяется не глубиной залегания или вертикальной мощностью аномального тела, а главным образом, – его горизонтальной протяженностью. Требование относительно превышения размеров тела шага съемки в 2–3 и более раз в большинстве случаев соблюдается. Для вычисления горизонтального градиента по результатам измерений магнитной индукции с равномерным шагом по профилю существует множество вычислительных схем. Учитывая ограниченные размеры локальных аномалий археологической природы, остановимся на простейших методах расчета. Горизонтальный градиент в расчетном интервале шириной ± m точек наблюдений по профилю может быть вычислен по формуле:

B x (i) = [B (i + m) − B(i − m)] 2mΔx ,

(3.52)

где Δx – расстояние между точками по профилю; B(i − m) , B(i + m) – значения магнитной индукции в точках профиля, удаленных на m пикетов, соответственно, влево и вправо от центра расчетного интервала. Ширина расчетного окна выбирается в зависимости от горизонтальных размеров искомых намагниченных тел. При поисках археологических объектов величина m обычно выбирается равной 1–3 точкам наблюдений по профилю. Формула (3.52) применима в случае линейного характера регионального поля в расчетном интервале, что практически всегда имеет место. В остальных случаях, когда региональный фон имеет в пределах расчетного окна нелинейный характер, следует использовать расчетные формулы, учитывающие эту особенность исходных данных, например формулу, основанную на аппроксимации исходного поля по 5 точкам: - 203 -

B x = [8( B(i + m) − B (i − m)) − ( B (i + 2m) − B (i − 2m)] 12mΔx

(3.53)

Результат вычислений относится к центру расчетного окна. Величина m принимается обычно равной 1 или 2 шагам съемки. В процессе анализа различных вычислительных схем А.К. Маловичко 42 установил, что при дифференцировании сложных функций формула (3.53) характеризуется наименьшим искажающим действием. Применение более сложных расчетных формул в практике магнитометрических исследований археологических памятников вряд ли целесообразно. Применение горизонтального градиента иллюстрируется рис. 3.8. Как видно из рисунка, локальная аномалия горизонтального градиента (кривая 2) представлена двумя экстремумами, соответствующими интервалам резкого возрастания и убывания поля магнитной индукции. Расстояние между экстремальными точками графика приблизительно равно ширине аномального объекта. При вычислении градиента по исходным данным, осложненным помехами (кривая 3), симметричная форма аномалии, естественно, нарушается, но сохраняет тенденцию изменения поля и амплитуду. Во многих случаях хороший результат может быть получен повторным дифференцированием поля градиентов. Расчет производится по формулам (3.52) или (3.53). Полученная при этом характеристика соответствует второй производной магнитной индукции Вхх. На рис. 3.8 вторая производная магнитной индукции Вxx представлена кривой 4. Для удобства истолкования этой характеристики она изображена в более крупном масштабе (в 2 раза) и взята с обратным знаком. Точки перехода графика Bxx через нуль, близки горизонтальным размерам аномального объекта. Горизонтальный градиент В, нТ В х, нТ/м имеет тот недостаток, что каж1 50 дая локальная аномалия магнит2 25 ной индукции представляется 0 аномалиями градиента 10 20 25 двумя 5 15 -25 разных знаков (см. рис. 3.8), что Ширина объекта -50 затрудняет интерпретацию карB x,нТ/м ты, отображающей эту характе2 В хх, нТ/кв.м ристику поля. Поэтому целесоо75 4 бразно использовать модуль 50 горизонтального градиента маг3 25 нитного поля. Искомая аномалия 0 10 20 15 25 при этом будет представлена 5 -25 одним максимумом. Кроме того, -50 аномалии модуля горизонтального градиента хорошо выдеРис. 3.8. Локальная магнитная аномалия (1) ляют наблюдаемые на археолои ее характеристики: 2 — горизонтальный гических памятниках ограниченградиент Вx; 3 — горизонтальный градиент ные участки, в пределах которых на фоне помех, 4 — вторая производная локальные особенности поля магнитной индукции Вxx. отличаются высокой степенью дифференциации (расчленения). Это могут быть, например, участки с магнитной неоднородностью культурного слоя или с сильной фрагментацией - 204 -

остатков археологических объектов. Выделение таких участков может служить прямым или косвенным признаком наличия искомых объектов на глубине. Модуль горизонтального градиента магнитной индукции рассчитывается в площадном варианте. Вычисляются значения градиентов в направлении профиля – Вx и в перпендикулярном направлении – Вy. Модуль горизонтального градиента определяется по формуле:

Bs (i , j) =

Bx (i , j) + By (i , j) 2

2

(3.54)

Значения градиента по профилю – Bx (i,j) и в направлении, перпендикулярном профилям – By (i,j), можно вычислить, например, по формуле (3.52). Расчетная точка будет располагаться в начале вектора Bs, который представляет собой геометрическую сумму векторов горизонтального градиента, направленных вдоль и поперек профиля. Аномалии модуля горизонтального градиента обычно шире локальных аномалий магнитной индукции. Это естественно, учитывая, что они охватывают область как положительной, так и отрицательной ветви кривой горизонтального градиента. Такие аномалии могут быть использованы только для выделения локальных особенностей поля на качественном уровне и не подлежат количественной интерпретации.

- 205 -

3.8. ОЦЕНКА НАМАГНИЧЕННОСТИ ИСТОЧНИКОВ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ Для оценки природы археологических объектов, отвечающих выделенным локальным аномалиям, рекомендуется использовать сведения об их магнитных свойствах. Несомненный интерес представляет оценка магнитных характеристики искомых объектов еще на стадии поисков, то есть до начала археологических раскопок, другими словами – без отбора, измерения и анализа проб археологических остатков. Такую оценку можно получить непосредственно по магнитометрическим данным. Некоторые из обнаруженных локальных магнитных аномалий, охарактеризованные достаточным числом точек наблюдений, могут быть интерпретируемы количественно. В пределах каждой такой аномалии должно быть 5–7 или более наблюдений. Это могут быть аномалии от крупных объектов или результаты специальных измерений над объектами меньших размеров, проведенных с более густым шагом по интерпретационным профилям. По данным количественной интерпретации часто удается определить не только глубину и размеры аномального объекта, но и оценить его эффективную намагниченность (или магнитную восприимчивость). Очевидно, что такая информация может быть получена только в отдельных точках участка съемки. Для получения данных о средней намагниченности источников всех магнитных аномалий, выявленных съемкой, достаточно провести расчеты по эмпирической формуле, приведенной в «Справочнике геофизика» 39:

J ср =

10 Bср , 2π p

(3.55)

где Jср – средняя величина модуля вектора намагниченности, 10-3 ед. СИ; Bср – среднее значение аномалий магнитной индукции в расчетном интервале; p = sin 2 I + sin 2 A cos 2 I – коэффициент, который зависит от магнитного наклонения I вектора намагниченности и магнитного азимута простирания A намагниченного тела. В результате расчета, получим величину намагниченности Jср в единицах 10-3 СИ, если магнитное поле Bср задано в нанотеслах. Формула (3.55) выведена в предположении, что поле магнитной индукции обусловлено только изучаемым магнитным объектом. При этом уровень нормального поля не должен существенно отличаться от нулевого уровня интерпретируемой аномалии. Этим условиям отвечают локальные аномалии, вычисленные, например, исключением тренда. Таким образом, вместо Bср будем использовать средние значения локальной составляющей поля L(i). Приведенная формула применима в случае достаточно больших горизонтальных (2b) и особенно вертикальных (2l) размеров намагниченных объектов по сравнению с глубиной их залегания (h). Вычисленные значения J отличаются от истинных не более чем на 25%, если выполняются условия: b > 3h и l > 2b. При невыполнении этих неравенств рассчитанные значения J - 206 -

оказываются систематически заниженными и характеризуют минимально возможные значения средней намагниченности. Для археологических объектов, остатки которых представлены обожженными глинами, типа остатков древних жилищ, культовых и производственных помещений и многих других первое условие соблюдается, второе, как правило, – нет. В связи с этим на основании проведенных экспериментальных исследований для объектов данного типа эмпирически установлен поправочный коэффициент С = 1.3 для приближения вычисляемой по формуле (3.55) намагниченности к ее истинной величине. Подобный поправочный коэффициент может быть подобран опытным путем и для других типов археологических и техногенных объектов, сложенных материалами, отличными от обожженных глин. Расчет ведется методом скользящего среднего в окне по профилю или по площади. В зависимости от этого расчет намагниченности объектов проводится по формулам (3.56) или (3.57):

J с р (i ) = J с р (i , j ) =

m 10 C L(i + k ) , 2 πp(2m + 1) k =− m

∑

m n 10 C L(i + k , j + l ) , 2 πp(2m + 1)(2n + 1) k =− m l =− n

∑∑

(3.56) (3.57)

где m – количество точек наблюдений слева и справа от центра расчетного интервала по профилю, n – число профилей в обе стороны от расчетного профиля, С – эмпирический поправочный коэффициент. При проведении расчетов по профилям ширину расчетного интервала (2m+1 точек наблюдений) выбирают близкой размерам искомых археологических объектов. В большинстве случаев достаточно выбрать m равным 1–3 точкам наблюдений. Расчет средней величины намагниченности по площади проводится обычно в квадратном окне размером от 3×3 или 5×5 точек наблюдений. Исходная информация о магнитных свойствах искомых объектов чаще всего представлена значениями магнитной восприимчивости. Поэтому для удобства разбраковки выявленных аномалий можно перейти от намагниченности, вычисленной по приведенным выше формулам, к магнитной восприимчивости. Определяемая по приведенным выше формулам намагниченность J представляет собой фактически модуль суммы индуктивной и остаточной намагниченности: J = J инд + J ост = κT + J ост . Величина остаточной намагниченности обычно заранее, до проведения специальных измерений специально отобранных образцов не известна. Принимая эту величину равной нулю, можем получить возможность вычислить эффективное ∗ значение магнитной восприимчивости из приближенной ∗

Под «эффективной» будем понимать в данном случае такую магнитную восприимчивость археологических остатков, при которой в нормальном геомагнитном поле напряженностью Т создается локальная магнитная аномалия, близкая по размерам и амплитуде реально существующей аномалии от данного объекта.

- 207 -

формулы: J = κэфф T, где Т – напряженность геомагнитного поля. Полагая напряженность нормального магнитного поля в наших широтах T =0.5 Э (что равносильно магнитной индукции В = 50000 нТ), значения эффективной магнитной восприимчивости в точках съемки можно вычислить по формуле:

κ эфф = J / T ≈ 2 J ,

(3.58)

где J – среднее значения намагниченности, вычисляемое по формулам (3.56), (3.57). Значения магнитной восприимчивости определяются в единицах 4π 10-6 ед. СИ, если величина J задана как n⋅10-3 ед. СИ (т.е. n⋅10-3 А/м). Следует заметить, что аномалии магнитной восприимчивости имеют более сглаженную, обобщенную, несколько расплывчатую форму и, как правило, превосходят по размерам аномалии локальной составляющей магнитной индукции. Во всяком случае этот факт доказан для остатков сгоревших глинобитных жилищ трипольского времени – трипольских площадок. Это легко объясняется особенностями данной магнитной характеристики. Распределение магнитной восприимчивости отображает, в ряде случаев, не только намагниченные объекты, но и ореолы рассеяния магнитоактивных материалов в окружающем их пространстве. Подобные ореолы неизбежно образуются, например, упомянутыми трипольскими площадками в процессе их разрушения, окисления, разубоживания магнитоактивных материалов вследствие перемещения их частиц и обломков во внешнюю среду. Такая особенность аномалий магнитной восприимчивости может оказаться весьма полезной при выделении и разбраковке скрытых на глубине магнитоактивных объектов, в том числе таких, в частности, как сильно разрушенные трипольские площадки.

- 208 -

3.9. ВЫДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АНОМАЛИЙ ПО КОМПЛЕКСУ ПРИЗНАКОВ 3.9.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Для решения задач прогноза перспективных объектов, рекомендуемых под раскопки, может быть использовано множество различных вычислительных схем, разработанных применительно к геологической разведке. Большинство из них базируется на выявлении интересующих объектов на основе сравнения комплекса признаков, присущих им, с набором подобных признаков на эталонном участке. Таким образом, в геологии, например, осуществляется прогноз новых месторождений в пределах рудоперспективной площади с известными и уже изученными месторождениями аналогичного типа. Основой решения задачи прогноза является физико-геологическая модель искомого объекта поисков, которая включает обширный набор характерных и независимых один от другого признаков – структурных, геометрических, физических, геофизических, геохимических и собственно геологических. Очевидно, что надежность прогноза будет тем выше, чем ближе описание модели отвечает реальным характеристикам и параметрам объекта. Поэтому физико-геологическая модель прогнозируемого объекта составляется обычно по результатам исследований эталонного объекта, соответствующего объекту прогноза. К сожалению, в археологии такой путь прогноза встречает большие затруднения. Типология, геометрические и физические характеристики и параметры объектов в пределах археологического памятника отличаются большим разнообразием, что затрудняет выбор эталонного археологического объекта. Набор характерных поисковых признаков ограничен тем, что комплекс геофизических исследований состоит из одного, в редких случаях – двух методов. Физические свойства, глубина залегания и геометрические характеристики искомых объектов, так же как и свойства вмещающей среды, до начала раскопок остаются, как правило, не известными. Тем не менее, опираясь на многолетний опыт магнитометрических и археологических исследований древних памятников различных культур практически всегда можно составить достаточно обоснованные первичные (типичные) физико-археологические модели (ФАМ) объектов поисков. Вопрос о составлении моделей подробно рассмотрен в главе 1. После того, как будет проведена магнитная съемка исследуемого археологического памятника, обработаны полученные данные, выполнены описанные в предыдущих разделах трансформации выявленных аномалий и выделены аномалии археологической природы, первоначальную модель отдельных объектов поисков можно существенно уточнить, дополнив новым набором признаков. Правомерность использования различных трансформант, в данном случае одного только – магнитного поля, обоснована тем, что каждая из них имеет свою специфику и характеризует или подчеркивает различные локальные особенностей поля и археологических объектов, которые им соответствуют. Использование результатов трансформаций для «наполнения» ФАМ предполагает выполнение следующих процедур. - 209 -

1) Классификация трансформант на основные и вспомогательные. Для этого из опыта работ и на основе исследований в конкретных условиях оценивается вес каждой из полученных характеристик (параметров), который выражается, например, в долях единицы. Как начальный вариант (при отсутствии каких-либо иных данных) можно принять веса всех признаков одинаковыми и равными 1. 2) Разбивка области значений каждой из трансформант исходного поля на несколько интервалов (градаций), соответствующих наиболее вероятному, сомнительному и практически невозможному соответствию исследуемых аномалий искомым археологическим объектам. Границы и число градаций определяются интерпретатором опытным путем. На основе подготовленных таким образом данных можно попытаться решить задачу выделения перспективных объектов, воспользовавшись какимлибо из методов прогноза, которые разработаны применительно к случаям отсутствия эталонных объектов. Такой метод можно было бы назвать решением задачи прогноза по моделям. Даже для такого случая решение задачи осуществляется непросто. Однако среди множества опубликованных алгоритмов можно найти несколько относительно простых вариантов, два из которых для иллюстрации метода рассматриваются ниже.

3.9.2. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПО ЭВРИСТИЧЕСКОМУ АЛГОРИТМУ А. НИКИТИНА С целью классификации исследуемых объектов по комплексу признаков и оценки их перспективности при отсутствии эталонных объектов может быть использован эвристический алгоритм А. Никитина 46, суть которого сводится к следующему. Составляется многопараметрический файл, в котором для каждой точки наблюдений приведены значения L различных параметров (признаков), полученных в результате разнообразных трансформаций исходного магнитного поля. Признаки, характеризующие объект поисков, предполагаются независимыми и имеющими одинаковую информативность. Диапазон значений каждого из L признаков разбивается на заданное и одинаковое число градаций, например – четыре. В результате каждый из признаков принимает в конкретной точке одну из четырех градаций: 1, 2, 3 или 4. Для каждой i-той точки вычисляют число: L

Yi = ∑ X l(i j ) ,

(3.59)

l =1

( j)

где X l i – представляет j-тый разряд (то есть, 1, 2, 3 или 4) l-го признака в i-той точке. В предположении независимости и нормального распределении значений признаков при делении объектов на 2 класса (перспективные и не перспективные) порог принятия решения согласно критерию максимального правдоподобия при суммировании (3.59) равен полусумме наибольших градаций всех признаков. Например, при L = 4 и наибольшей градации, равной - 210 -

4, получаем порог Yпор= 8, разделяющий область исследований на 2 класса: со значениями Yi > Yпор и Yi <= Yпор. Выбор и корректирование границ градаций признаков, участвующих в расчете, осуществляется опытным путем. В качестве исходного варианта может быть принята градация на основе статистических соображений. Для этого рассчитывается дисперсия помех s2, и затем границы градаций устанавливаются в зависимости от величины стандарта s, полагая, например, градацию 1 – при Ui < s, 2 – при s ≤ Ui < 2 s, – при 2 s ≤ Ui < 3 s и 4 – при Ui ≥ 3 s.

3.9.3. СОЗДАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ ФАЙЛОВ Композитный анализ является одним из методов статистического моделирования по геофизическим данным. Сущность метода состоит в совместном использовании нескольких параметров, характеризующих искомые объекты, с целью определения комплексных аномалий, наиболее объективно отражающих форму искомых объектов, степень намагниченности, их плановое и высотное расположение. Наиболее распространены две модели создания композитных файлов: аддитивная и мультипликативная. Алгоритм аддитивной модели исследуемого многопараметрического геофизического поля предусматривает суммирование всех параметров в каждой точке наблюдений:

U cmp (i ) =

1 N

∑ pk − 1

N

∑ pk U k (i ) ,

(3.60)

k =1

k =1

где U cmp (i) – значение композитной аномалии в точке наблюдений; U k (i ) – значения каждого из k = 1, 2, .., N используемых параметров; pk – вес k-го параметра. Аддитивная модель может быть создана в предположении равных весов n

каждого из рассматриваемых признаков; при этом любое pk = 1,

∑p k =1

k

=N и

по формуле (3.60) фактически рассчитывается простое среднее анализируемой группы параметров. Если из опыта работ на конкретном археологическом памятнике установлено, какие признаки следует учитывать с большим или, наоборот, меньшим весом, значения pk могут выбираться большими или меньшими единицы, и тогда композитная аномалия, вычисленная по приведенной выше формуле, представляет собой среднее взвешенное различных характеристик исследуемого поля. Характерные параметры геофизического поля должны быть объективно независимыми. Наилучшие результаты можно получить, используя данные различных геофизических методов – магниторазведки, электроразведки и других, а также данные экспериментальных исследований физических свойств археологических остатков. В случае использования аномалий одной и той же физической природы, например, магнитных, можно воспользоваться результатами трансформаций - 211 -

исходного (наблюденного) поля магнитной индукции. При этом следует включать в анализ такие параметры, которые характеризуют различные особенности исследуемых магнитных аномалий или свойства отвечающих им археологических объектов. В частности, можно рекомендовать следующий набор параметров. – Локальные аномалии, выделенные на основе тренд-анализа, дают основную, наиболее общую информацию об искомых аномалиях археологического происхождения (об их амплитудах, частотах и др.). Влияние объектов геологической природы, создававших региональный фон, полностью исключено. Но полученное поле локальных аномалий остается осложнено проявлением аномалий-помех. Поэтому перед использованием аномалий данного типа нужно предварительно исключить или хотя бы существенно ослабить фон помех. – Вариации магнитного поля по Б. Андрееву, сильнее других отражают амплитудные характеристики аномалий. – Аномалии, вычисленные на основе фильтрации исходного наблюденного поля энергетическим фильтром, характеризуют не столько амплитудные, как энергетические свойства локальных аномалий (в зависимости от площади, ограниченной аномальной кривой). – Локальные аномалии, вычисляемые методом осреднения при различных размерах расчетного окна, позволяют выделить аномальные объекты различной протяженности, то есть, могут рассматриваться как результат своего рода частотной фильтрации. – Аномалии модуля горизонтального градиента магнитной индукции характеризуют степень изменчивости (дифференциации) поля по горизонтали, которая зависит от горизонтальных размеров искомых объектов или может быть связана с участками повышенной магнитной неоднородности культурного слоя и археологических остатков в верхней части разреза. – Аномалии вертикального градиента магнитной индукции характеризуют степень изменчивости поля магнитной индукции с глубиной, мало чувствительны к глубоко залегающим источникам аномального поля и имеют контуры, весьма близкие истинным размерам искомых объектов. – Аномалии магнитной восприимчивости, рассчитываемой по магнитометрическим данным, характеризуют степень неоднородности приповерхностных образований разреза по магнитным свойствам, прямо связаны с размещением намагниченных археологических остатков на площади исследований и могут служить средством распознавания природы археологических объектов. – Аномалии по методу взаимной корреляции характеризуют выдержанность локальных искомых аномалий в пространстве между профилями съемки и могут использоваться для получения информации о протяженности исследуемых объектов в направлении вкрест профилей. К числу полезных характеристик поля могут быть отнесены и другие трансформанты по выбору интерпретатора. Существенно отметить, что в процессе расчета аддитивных композитных аномалий происходит значительное подавление аномалий-помех, которые имеют, как правило, знакопеременный характер и при суммировании в значительной мере компенсируются. - 212 -

Мультипликативные аномалии рассчитываются как произведение характерных параметров исследуемых полей: 1

⎤ n −1 ⎡ n U cmp (i ) = ⎢∏ U k (i )⎥ ⎦ ⎣ k =1

(3.61)

При использовании мультипликативной модели выделяемые композитные аномалии становятся еще более контрастными по сравнению с аддитивной моделью. Как и в предыдущем случае, достигается значительное подавление помех.

3.9.4. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ Оценка достоверности комплексных (композитных) магнитных аномалий осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом: – составляется многопараметрический файл с градацией аномалий на классы по статистическим характеристикам; – в процессе градации аномалий исключаются все экстремальные значения каждого из рассматриваемых параметров, превосходящие заданную минимальную амплитуду искомых аномалий; оставшиеся слабо амплитудные отклонения значений поля, имеющие случайный характер, можно считать помехами, осложняющими истинную картину аномального магнитного поля; – по этим данным по каждому профилю съемки рассчитывается стандарт помех s; – по отклонениям фактического значения исследуемого параметра (А) от стандарта (s) точкам наблюдений присваивается индекс: С = 0 – при A ≤ s; C = 1 – при s ≤ A ≥ 2 s; С = 2 – при 2 s ≤ A ≥ 3 s или С = 3 – при A ≥ 3 s; – такие вычисления выполняются по всем исследуемым параметрам (характеристикам) поля; – по этим данным рассчитывается сумма индексов и их среднее значение, которое представляет собой отклонение от среднего в долях стандарта и по смыслу идентично известному в статистике t-критерию Стьюдента t = ΔХ / s; – если распределение помех подчиняется нормальному закону (а это, как правило, всегда имеет место, когда должным образом исключены систематические погрешности), то при t = 1 вероятность (надежность) выявленных комплексных аномалий будет всего P = 68%, при t = 2 вероятность P = 95%, при t = 3 будем иметь P = 99,7%; – для остальных значений t оценка вероятностей может быть выполнена по формуле: P = 1 / (1.26 / t + 0.21 t), которая обеспечивает точность расчета не ниже 5% по сравнению со стандартной формулой вычисления t-критерия Стьюдента. Метод расчета опробован на многочисленных примерах и по своим результатам не уступает более громоздкому и «капризному» методу обратных (условных) вероятностей. - 213 -

3.10. ПРИМЕР ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Применение описанного выше комплекса трансформаций магнитных аномалий рассмотрим на примере обработки магнитометрических данных по участку Глыбочок. В самом начале произведено уравнивание исходного поля магнитной индукции и приведение результатов съемки к единому уровню. Результат этой работы представлен на рис. 3.1. Дальнейший процесс обработки для наглядности изображения будем рассматривать на примере одного планшета съемки – 38-го. (Результаты обработки по площади всего поселения приведены в отдельной книге автора 34). Как видно на рис. 3.2, локальные аномалии, предположительно связанные с искомыми археологическими объектами, наблюдаются в пределах планшета 38 на фоне интенсивного регионального поля геологического происхождения. Общий уровень аномалий магнитной индукции возрастает с юго-востока на северо-запад от 20 до 260 нТ. В связи с этим первая задача обработки исходного магнитного поля состояла в исключении региональной составляющей наблюденного поля. Судя по форме изолиний и неравномерному расстоянию между ними, региональный фон имеет нелинейный характер. Процесс решения задачи иллюстрируется рисунком 3.9. Как видно на рисунка, при исключении тренда в площадном варианте расчетов профильные погрешности сохраняются, и в поле локальных аномалий проявлены слабо интенсивные полосовые аномалии, вытянутые в направлении профилей. Для удаления профильных погрешностей достаточно исключить оставшуюся неучтенной линейную компоненту на основе расчета линейного тренда по профилям. Результаты такой процедуры представлены на рис. 3.9, Б. Последовательное выполнение двух процедур – исключение регионального поля сначала в площадном, затем в профильном варианте расчетов – усложняет процесс обработки и замедляет получение конечного результата. Отсюда следует, что при наличии профильных погрешностей предпочтительно выполнять преобразования исходной информации в профильном варианте расчетов. Аномалии, полученные таким образом на том же участке, по тем же исходным данным, представлены на рис. 3.9, В. Сопоставляя полученные данные с ранее вычисленными локальными аномалиями с отфильтрованной линейной составляющей (рис. 3.9, Б), легко установить их полную идентичность. При этом процесс обработки становится на одну процедуру короче. Далеко не все выявленные локальные магнитные аномалии, с точки зрения интерпретатора, могут представлять интерес. Так, одиночные аномалии (фиксируемые одной точкой), на выявление которых не была нацелена съемка, могут рассматриваться как аномалии-помехи случайного характера. Более протяженные аномалии, которые отмечаются несколькими точками, но имеют низкую амплитуду (менее удвоенной точности съемки), могут быть связаны с локальными магнитными неоднородностями почвы или культурного слоя, не представляющими поискового интереса. Такие аномалии при необходимости могут быть подавлены средствами амплитудно-частотной фильтрации. Результат такой процедуры представлен на рис. 3.9, Г. - 214 -

20

20

15

15

10

10

5

5

А 0 0

Б 5

10

15

20

0 0

20

20

15

15

10

10

5

5

10

15

20

5

10

15

20

Г

В 0 0

5

5

10

15

20

0 0

Рис. 3.9. Выделение локальных аномалий археологической природы исключением регионального фона второго порядка: А – на основе аппроксимации регионального поля планшета поверхностью второго порядка; Б – то же, после исключения профильных погрешностей; В – по данным исключения тренда второго порядка при профильном варианте расчетов; Г – то же, после амплитудночастотной фильтрации слабо амплитудных и одиночных аномалий.

Подобные проблемы (проявление профильных погрешностей, одиночных и слабо амплитудных аномалий) встречаются и при вычислении других трансформант исходного магнитного поля. В этих случаях фильтрация избыточной информации может быть достигнута описанными выше приемами. В качестве примера на рис. 3.10, А приведены аномалии модуля горизонтального градиента магнитной индукции, рассчитанные по значениям наблюденного поля (без предварительного исключения регионального фона). Аномальное поле заметно искажено профильными погрешностями. На рис. 3.10, Б представлены аномалии градиента, полученные после исключения линейной составляющей в «чистом» виде. - 215 -

20

20

15

15

10

10

5

5

А 0 0

Б 5

10

15

20

0 0

5

10

15

20

Рис. 3.10. Аномалии модуля горизонтального градиента магнитной индукции: А – по данным трансформации исходного магнитного поля; Б – то же, после фильтрации профильных погрешностей.

Наряду с локальными аномалиями, полученными исключением тренда, были исследованы и другие преобразования исходного магнитного поля. Различные трансформанты могут отражать или усиливать некоторые особенности магнитных аномалий археологической природы, слабо проявленные (или совсем не проявившиеся) в поле обычных локальных аномалий. Разбор результатов всех возможных трансформаций не представляется возможным. Остановимся для сопоставления лишь на некоторых из них, достаточно информативных в данных условиях. Рассмотренные ранее локальные аномалии, полученные исключением тренда второго порядка, изображены на рис. 3.11, А. Все они (за исключением двух, расположенных к западу от основной полосы) характеризуются высокой интенсивностью, значительными размерами и северо-западной ориентацией (радиально относительно центра поселения). Исходя из этого, такие аномалии можно интерпретировать как остатки сгоревших глинобитных домов – трипольские площадки. На рис. 3.11, Б рядом с описанной картой локальных аномалий помещены результаты вычисления вариаций магнитного поля по Б. Андрееву. Сопоставляя обе карты, легко установить, что местоположение и простирание аномалий, отождествляемых с трипольскими площадками, сохраняются неизменными. Отличие состоит в том, что аномалии вариаций магнитного поля более контрастны, имеют несколько меньшие размеры и превосходят локальные аномалии по амплитуде. Другим важным отличием поля вариаций магнитного поля является проявление ряда мелких локальных аномалий, сопутствующих основным, более крупным и интенсивным. Они имеют изометрическую форму, довольно значительные амплитуды (до 25 нТ) и могут интерпретироваться как остатки хозяйственных построек, хозяйственные ямы или локальные археологические объекты иного назначения. - 216 -

Аномалии модуля горизонтального градиента (рис. 3.11, В) рассчитаны по исходному полю магнитной индукции, то есть, представляют собой трансформанту, независимую от локальных аномалий. В отличие от вариаций магнитного поля, эти аномалии превосходят локальные аномалии по размерам. Это легко объясняется тем, что аномалии данного типа пространственно охватывают как области положительных значений горизонтального градиента, так и сопутствующие им участки отрицательных значений поля градиентов. Тем не менее, аномалии модуля горизонтального градиента в данном случае небесполезны, они подтверждают результаты предыдущих преобразований и обогащают наши представления об исследуемых объектах. Как видно на приведенной карте, искомые объекты характеризуются высокими значениями градиентов (до 50 нТ/м и более), что вполне отвечает представлению об особенностях магнитных аномалий от трипольских площадок. Мелкие, слабо амплитудные аномалии, соответствующие объектам типа хозяйственных построек и ям, не нашли себе отражения в поле горизонтального градиента, очевидно, вследствие низких значений параметра. Распределение значений магнитной восприимчивости в пределах планшета 38 показано на рис. 3.11, Г. Участки повышенной магнитной восприимчивости, подобно аномалиям модуля горизонтального градиента, превышают локальные магнитные аномалии по размерам. В данном случае это можно объяснить естественным рассеянием магнитоактивного материала в окрестности намагниченного объекта под воздействием как физико-геологических процессов, так и деятельности человека (например, вследствие многолетней и глубокой пахоты). Участки наиболее интенсивных значений магнитной восприимчивости пространственно совпадают с локальными аномалиями. Аномалии магнитной восприимчивости рассчитываются по предварительно вычисленным локальным аномалиям магнитной индукции. В связи с этим их нельзя считать в полной мере независимыми. Однако в результате данной трансформации удается оценить эффективную магнитную восприимчивость исследуемых объектов, а, следовательно, и их природу. В данном случае амплитуды аномалий магнитной восприимчивости достигают (250– 300)⋅ 4π 10-6 СИ или, как указано на рисунке, – до (250–300) микроединиц СГС. Такая магнитная восприимчивость может быть свойственна только объектам, содержащим обожженные глины, что подтверждает сделанный ранее вывод о соответствии выявленных аномалий трипольским площадкам. На рисунках 3.11, Д и Е приведены, соответственно, аномалии вертикального градиента и второй горизонтальной производной магнитной индукции. Как в том, так и в другом случае аномалии указанных характеристик поля в силу их природы заметно уступают размерам локальных аномалий магнитной индукции. При интерпретации этих аномалий следует учитывать, что их контуры по нулевой линии близки реальным контурам расположения слоев обожженной глиняной обмазки. Однако нулевая изолиния на картах результатов трансформаций имеет весьма сложную траекторию, огибая множество бесперспективных микро аномалий незначительной амплитуды и размеров.

- 217 -

А

Б

20

20

В лок, нТ

В лок, нТ

160

15

180

15

100

100

75

75

50

10

50

10

30

30

20

5

20

5

15

15

10

10

5

0 0

0

5

10

15

10

20

20

30

5

0 0

В

5

10

15

20

10

15

20

10

15

20

Г 20 Каппа,

20

м.е. СГС

В х, нТ/м 55

15

300

15

50

200

35

10

150

10

25

100

15

5

10

70

5

40

7

0 0

5

5

10

15

20

Д 20

15

Е

В хх, нТ/кв.м

В z, нТ/м 15

10

10

6

75 30 20

2

5

1

0 0

100 50

4

5

5

20

8

10

15

0 0

15 10 5

1

5

10

15

20

0 0

1 5

Рис. 3.11. Результаты трансформаций исходного аномального магнитного поля различными методами (пояснения в тексте).

- 218 -

В конечном итоге это препятствует чтению полученной карты. Поэтому начальная изолиния принята выше нуля. В связи с этим размеры аномалий в плане уменьшаются, и контуры данных аномалий несколько меньше контуров реальных участков расположения слоев обожженной глиняной обмазки.

А

Б

20

20

В лок, нТ 100

15

15

50

50

10

30 20

5

5

10 5

5

10

15

10

20

20

30

0 0

10

15

20

10

15

20

В лок, нТ

100

15

75

100 75

50

50

10

30

30 20

20

5

15

15 10

10

0 0

5

20

В лок, нТ

5

4

Г

В

10

15 10

0

20

15

30 20

15

0 0

100 75

75

10

В лок, нТ

7

5

10

15

20

0 0

3

5

Рис. 3.12. Результаты выделения локальных аномалий вспомогательными методами: на основе усреднения (А – в интервале 5 точек наблюдений; Б – в интервале 7 точек) и фильтрации исходных данных (В – фильтром Шеппарда; Г – энергетическим фильтром).

Кроме описанных выше основных трансформаций приведем также несколько дополнительных. На следующем рисунке изображены результаты вычисления локальных аномалий методами фильтрации: – усреднения способом скользящего среднего в интервале 5 точек наблюдений (рис. 3.12, А); – усреднения по формуле В. Мягкова, расчетный интервал – 7 точек (рис. 3.12, Б); - 219 -

– фильтрации по методу Шеппарда (рис. 3.12, В); – фильтрации с применением энергетического фильтра И.Г. Клушина (рис. 3.12, Г). Распределение выявленных этими методами аномалий отличается от описанного выше в деталях, сохраняя общий план расположения. Рассмотрим также результаты обработки статистическими методами. Статистические характеристики исходного поля магнитной индукции, естественно, не имеют смысла, так как изначально не известно, статистику чего мы рассматриваем – региональных, локальных аномалий или фона помех. Следовательно, вначале нужно произвести разделение аномалий, как минимум – исключить региональную составляющую наблюденного поля какимлибо из перечисленных выше методов. Некоторые из статистических характеристик, рассчитанные по этим данным, представлены на рис. 3.13. Дисперсия поля локальных магнитных аномалий (рис. 3.13, А) приближенно оценивалась в скользящем окне размером 3×3 точки наблюдений. Величина дисперсии характеризует меру изменчивости поля (степень рассеяния или неравномерности распределения аномальных точек). Как видно на рисунке, максимумы дисперсии сосредоточены в пределах полосы интенсивных локальных аномалий, предположительно связанных с археологическими объектами типа трипольских площадок. Подобная особенность локальных аномалий устанавливается и по данным расчета степени неоднородности поля (рис. 3.13, Б). В отличие от дисперсии, неоднородность поля оценивалась по вероятности попадания в данное расчетное окно аномальных значений, превышающих предельную величину случайных ошибок, статистические характеристики распределения которых изучались заранее. Аномалии неоднородности поля выгодно отличаются от дисперсии большей контрастностью и четкостью изображения. Еще одна мера изменчивости поля – степень дифференцированности (рис. 3.13, В) оценивалась по методу Н.Н. Боровко (см. разд. 3.6.3.). Полученные аномалии дифференцированности (степени «изрезанности» поля) также отмечают искомые археологические объекты, однако в слишком сглаженной, обобщенной форме, лишенной важных деталей. Остальные, более мелкие объекты не отмечаются ввиду низкой степени соответствующей им степени изрезанности поля. Наиболее приемлемыми для археологического истолкования можно считать аномалии, выделяемые по соотношению сигнал/шум (рис. 3.13, Г), которые вычисляются как отношение величины аномалии в точке наблюдений к стандарту (среднему квадратическому отклонению) случайных ошибок в пределах расчетного профиля. По сравнению с предыдущими характеристиками, эти аномалии отличаются наибольшей контрастностью и по форме приближаются к лучшим вариантам локальных аномалий, рассчитанных другими методами преобразований. При археологическом истолковании магнитных аномалий на данной площади не возникает особой необходимости в привлечении еще и статистических характеристик поля. Достаточно информации можно получить по данным обычных, «физических» методов трансформаций. Представленный выше разбор статистических характеристик поля имел целью показать возможности этого направления преобразований. В условиях сильной изрезанности искомых магнитных аномалий вследствие интенсивных помех или - 220 -

сильной фрагментации самих археологических объектов применение статистических методов анализа исходного поля становится просто неизбежным.

А

Б 20 Неоднородность, %

20

D, нТ кв. 15

70

15

60

60

50

10

65

10

40

50 40

30

5

5

20

25

10

0 0

30

0

4

5

10

15

10

20

20

30

0 0

20

5

20 Сигн./шум

15

15

200

100

10

10

15

20

26

18 14

70 50

5

10 6

35

0 0

20

22

150

5

15

Г

В 20 Дифференцированность, усл. ед.

10

10

20

5

10

15

20

0 0

3

5

Рис. 3.13. Выделение особенностей магнитного поля статистическими методами: А – дисперсия поля локальных аномалий; Б – степень неоднородности поля; В – дифференцированность (степень изрезанности); Г – выделение локальных аномалий по отношению сигнал/шум.

По мере получения результатов каждого из описанных выше преобразований производится их предварительное качественное истолкование – отождествление отдельных аномалий с конкретными археологическими объектами, оценка их формы, размеров и других характеристик. Это вполне естественно, так как именно в процессе такого анализа оценивается применимость и результативность того или иного метода трансформаций. Окончательное археологическое истолкование магнитометрических данных осуществляется по комплексу признаков (трансформант), рассчитанных - 221 -

всеми, информативными в данных условиях методами. Пример такой интерпретации по участку Глыбочок (планшет 38) представлен на рис. 3.14. Классификация локальных магнитных аномалий по амплитудному признаку

20

Условные обозначения

Прогноз перспективных площадок по эвристическому алгоритму А.Никитина

20

5 - 10 нТ 10 - 20 нТ

15

15

20 - 180 нТ 10

10

5

5

А 0 0

Б 5

10

15

0 0

20

Оценка вероятности (достоверности) комплексных (композитных) аномалий

20

V, %

15

95

5

10

0 15

10

20 20

30

План расположения археологических объектов по данным композитного анализа

20

Условные обозначения -1 -2

15

-3 10

90

10

5

75

5

В 0 0

60

5

10

15

20

Г 0 0

5

10

15

20

Рис. 3.14. Археологическое истолкование магнитометрических данных по комплексу признаков. Условные обозначения к рисунку (Г): 1 – контуры древних жилищ, 2 – контуры участков расположения слоев обожженной глиняной обмазки, 3 – хозяйственные постройки, ямы или магнитные неоднородности культурного слоя иного происхождения.

В процессе анализа комплекса магнитометрических данных рассматриваются распределение композитных аномалий, решение задач прогноза (статистическое моделирование) по комплексу признаков и другие результаты обработки исходных данных по выбору интерпретатора. Композитный анализ осуществляется на основе многопараметрического файла с равными или, на - 222 -

усмотрение интерпретатора, различными весами отдельных компонент. При составлении, например, аддитивной модели композитного файла отдельные компоненты суммируются, и суммарное поле усредняется. За счет этого происходит подавление слабых и недостоверных аномалий, а контуры «полезных» аномалий обобщаются до наиболее вероятных, подтверждаемых всеми параметрами одновременно. Классификация композитных аномалий по амплитудному признаку приведена на рис. 3.14, А. Как видно из рисунка, данные классификации хорошо «вписываются» в схему расположения трипольских площадок. Результаты статистического моделирования (прогноза) по комплексу признаков изображены на рис. 3.14, Б. Прогноз перспективных участков, которые можно рекомендовать для проведения раскопок археологических объектов, выполнен согласно эвристическому алгоритму А. Никитина с использованием градации признаков по статистическим характеристикам параметров. С появлением результатов первых раскопок можно уточнить картину перспективных участков на основе градации признаков по уточненным моделям. Вероятность (достоверность) выявленных композитных аномалий иллюстрируется рис. 3.14, В, откуда видно, что в данном случае они выделены с высокой степенью надежности – на уровне 75–95%. План расположения археологических объектов приведен на рис. 3.14, Г на фоне упрощенной для наглядности карты изолиний композитных аномалий. На плане, кроме контуров слоев обожженной глиняной обмазки, показаны ожидаемые контуры древних жилищ. В основу определения размеров и ориентировки очертаний построек положено два предположения – относительное постоянство размеров жилищ (что для трипольских площадок, как правило, соблюдается) и расположение в их пределах контуров обожженной глины. В данном случае мы имеем дело с трипольскими жилищами (площадками) сравнительно больших размеров – порядка 8×20 м2. Другие, более мелкие объекты, отмеченные на плане, могут интерпретироваться предположительно как хозяйственные постройки, ямы или объекты иного назначения. Магнитометрическая съемка данного поселения проводилась по сети (4×4 м2) и не была нацелена на поиски подобных объектов размерами до 2–3 м, в связи с чем они устанавливаются не уверенно, а многие из них и вовсе пропущены или отфильтрованы в процессе преобразований наблюденного магнитного поля. Основной целью съемки было обнаружение крупных археологических объектов и исследование общего плана застройки памятника. Как видно из приведенных данных, эта задача решается вполне удовлетворительно.

- 223 -

3.11. КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ Идеальное программное средство компьютерной обработки магнитометрических данных должно совмещать в себе функции файлового менеджера, текстового редактора, электронных таблиц, программ построения карт графиков и изолиний магнитного поля и, наконец, пакета программ математической обработки результатов измерений, выполнения необходимых трансформаций и анализа комплекса полученных данных. К сожалению, такой вычислительный комплекс еще не создан. Во всяком случае, нам не известны публикации о наличии в какой-либо другой стране полной или частичной разработки комплекса программ обработки результатов магнитных съемок археологических памятников. В настоящее время приходится ограничиваться автоматизированным рабочим местом (АРМ) компьютерной обработки магнитометрических данных, которое наряду с программами специального назначения включает несколько широко известных программ общего пользования. Основой компьютерной технологии обработки магнитометрических данных есть использование следующих компонентов: 1) файловая система представления и хранения исходных данных (банк исходных магнитометрических данных и результатов их обработки и трансформаций); 2) комплекс программ первичной и окончательной обработки магнитометрических данных; 3) многофункциональное программное средство SURFER; 4) программы Microsoft Office и др. Исходные данные о магнитном поле участка съемки группируются попланшетно и записываются в виде файлов стандартного формата. Каждый файл представляет собой последовательность строк, упорядоченных в три колонки: X, Y и Z, где X – номер пикета, Y – номер профиля, Z – значение магнитной индукции в соответствующей точке профиля; числа разделяются пробелами. Файловая система представления исходных данных обеспечивает: – удобство использования, архивирования, хранения, коррекции и конвертирования исходных данных (например, в другой формат записи или при ином порядке нумерации профилей и/или пикетов); – возможность объединения данных по планшетам в один массив по всему участку съемки или отдельным его частям; – возможность применения любых методов преобразований поля магнитной индукции, включая построение результативных карт. Результаты различных преобразований исходного магнитного поля получают, естественно, также в виде файлов, пригодных для использования других программ и средств графического изображения результатов. Таким образом, исходная информация вводится в компьютер только один раз в самом начале процесса обработки. Результаты обработки – накапливаются в рабочем порядке. Для математической обработки экспериментальных данных имеется множество различных вычислительных средств. Однако наиболее подходящим, практически универсальным для целей обработки результатов магнит- 224 -

ной разведки археологических памятников, можно считать программное средство SURFER (Surface Mapping System, Inc. Golden Software, USA). Программный комплекс SURFER представляет собой мощное, многофункциональное средство обработки и отображения больших и сверхбольших массивов исходных данных. Достоинства этого программного средства очевидны даже исходя из беглого и далеко не полного перечня его основных функций и возможностей: 1) работа в режиме электронных таблиц; обеспечивает возможность создания и корректировки файлов данных, заданных по равномерной и не равномерной сети; 2) импорт-экспорт файлов различного формата (в том числе графических) и конвертирование файлов из одного формата в другой; 3) подготовка исходных данных, для построения карт с применением различных методов интерполяции; 4) построение карт изолиний и пространственных моделей любых массивов данных в режиме черно-белого или цветного изображения; 5) выбор масштабов и оптимального сечения карт изолиний; 6) редактирование и оформление картографического материала, раскраска карт цветом или оттенками серого (густотой штриховки); 7) применение различных методов и параметров сглаживания исходных данных и их преобразования с помощью встроенных математических функций; 8) классификация исследуемого массива данных по метрическим признакам и графическое изображение результатов; 9) выдача графической информации на принтер черно-белой или цветной печати. ..) десятки других функций и процедур. Данный программный комплекс предоставляет пользователю удобные и рациональные средства общения и управления, обеспечивает необходимую помощь, быстроту и эффективность работы, надежность результатов. В общем, если бы такого программного средства не было, его необходимо было бы разработать специально. Комплекс программ для решения частных задач обработки магнитометрических данных должен включать программы, выполняющие все те действия, которые не предусмотрены в SURFER’е. Тот факт, что SURFER чего-то «не может», вполне понятен, так как эта программа разрабатывалась как общетехническое средство, применяемое специалистами самых различных отраслей. Естественно, что программа не была изначально приспособлена для решения всех специфических задач обработки магнитометрических данных, полученных при исследованиях археологических памятников. Комплекс необходимых программ специального назначения разработан в Институте памятнико-охранных исследований Министерства Культуры Украины. Он состоит из двух основных программ – GeoFiltr и «Поиск» и нескольких вспомогательных. Программа GeoFiltr (автор и разработчик – Жарких Н.И) предназначена, главным образом для приведения магнитного поля участка съемки к единому уровню на основе анализа особенностей распределения исходного магнитного поля в пределах отдельных планшетов и на их границах. Наряду с этим программа позволяет объединить результаты уравнивания системы план- 225 -

шетов в один массив по всему участку съемки. Программа использует непосредственно исходные файлы данных, позволяет вести обработку большого числа планшетов (до нескольких сотен), оснащена удобным интерфейсом и обеспечивает быстрое и надежное выполнение заданных процедур. Программа «Поиск», разработана автором данной работы самостоятельно на основе рассмотренных выше алгоритмов обработки геофизических данных. Она предназначена для проведения различных трансформаций магнитного поля: вычисления градиентов магнитной индукции, локальных аномалий методом исключения тренда, усреднения, фильтрации с применением энергетического фильтра, метода амплитудно-частотной фильтрации, вычисления магнитной восприимчивости источников аномалий по магнитометрическим данным и других преобразований. Расчетные формулы и параметры процедур трансформаций выбраны применительно к особенностям магнитных полей археологических памятников. Вспомогательные программы предназначены, в основном, для решения задач первичной обработки результатов магнитометрических наблюдений – вычисление аномалий магнитной индукции, учет вариаций геомагнитного поля, оценка точности магнитной съемки. К сожалению, все эти программные наработки в значительной мере устарели в связи с переходом к новым, более совершенным операционным системам. Поэтому в будущем придется их воссоздать заново, используя проверенные опытом алгоритмы преобразований, приведенные в предыдущей части главы. Во всяком случае, практически не реальным представляется возврат к обработке вручную по упрощенным алгоритмам, не позволяющим реализовать все богатые возможности магнитометрического метода археологических исследований. В целом, технология компьютерной обработки магнитометрических данных с применением тех или иных программ выглядит сравнительно просто: – подготовка файлов исходных данных; – приведение магнитного поля участка съемки к единому уровню; – объединение данных по всем планшетам съемки в один массив; – выполнение различных трансформаций магнитных аномалий; – выдача результатов обработки в виде графических изображений на экран или на печать для их дальнейшего использования при археологической интерпретации выделенных аномалий предположительно археологической природы. В действительности процесс обработки магнитометрической информации далеко не формальный. Это поиск оптимальных решений на каждом этапе работы, в особенности на двух последних. Трудность состоит в отсутствии оптимальных алгоритмов распознавания, какие именно результаты наиболее соответствуют достижению конечных целей в данных физико-геологических условиях на данной площади применительно к искомым археологическим объектам определенной культуры или эпохи. В связи с этим оценка полученных результатов на каждом этапе работы производится специалистом визуально и, естественно, зависит от уровня его подготовки и опыта. Так, например, только после построения предварительной карты аномалий магнитной индукции выясняется наличие и необходимость исключения профильных погрешностей. Выявление общей закономерности регионального - 226 -

поля на площади съемки начинается с анализа исходной карты магнитной индукции и производится либо визуально (подчас на интуитивном уровне), либо методом проб и ошибок. И только на основе опробования различных вариантов выбирается оптимальный метод решения задачи об исключении регионального фона и вычислении локальных аномалий. Трансформации магнитных аномалий, выполненные с начальными установками параметров преобразований, могут оказаться недостаточно эффективными (часть аномалий пропущено, помехи недостаточно подавлены и т.п.). Следовательно, приходится изменять режим преобразований и повторять их заново, быть может, несколько раз, добиваясь наиболее четкой, наглядной и объективной картины распределения тех или иных особенностей анализируемого поля. Для того чтобы субъективные оценки промежуточных и окончательных результатов обработки были близки истине, нужно максимально использовать все имеющиеся сведения о типе, возрасте и особенностях изучаемого археологического памятника, а также о размерах, возможной глубине залегания, вещественном составе, магнитных свойствах отдельных археологических объектов и вмещающей их среды. Избежать многих ошибок позволяют заранее составленные физико-археологические модели объектов или памятников исследуемого типа. Таким образом, нельзя рассматривать компьютерную технологию обработки магнитометрических данных как некий автоматический процесс, слепо доверяя его результатам. Это процесс творческий, который требует активного контроля и непосредственного участия опытного исследователя. Компьютер и программное обеспечение процесса обработки представляют собой лишь инструмент, средство, позволяющее исследователю работать с максимальной эффективностью. За человеком остается выработка стратегии и принятие решений, инициализация необходимых вычислительных процессов и, главное, – оставаться «мерилом всех мерил», то есть осуществлять оценку полноты и совершенства полученных результатов на всех этапах обработки данных. Процесс обработки магнитометрической информации доведен до уровня полуавтоматической человеко-машинной системы. Полная автоматизация этого процесса вряд ли необходима, так как бесконтрольное использование компьютером всего комплекса промежуточных результатов может привести к сомнительным или ошибочным выводам на выходе работы такой системы. В отличие от обработки, процесс археологического истолкования магнитометрических данных практически не компьютеризован. Участие компьютера ограничивается использованием различных средств графического отображения результатов обработки и графических редакторов для выполнения простейших построений. Различают качественную и количественную интерпретацию магнитных аномалий. На данном этапе развития магниторазведки археологическое истолкование магнитометрических данных производится, главным образом, на уровне качественной интерпретации. При этом устанавливается наличие и местоположение искомых объектов, оценивается их форма, размеры и глубина залегания, характер взаимоотношений. Количественные оценки геометрических параметров исследуемых объектов, их намагниченности и глубины залегания рассчитываются (как правило – вручную) в редких случаях – в - 227 -

благоприятных условиях и лишь для небольшой части множества выявленных локальных аномалий археологического происхождения. Некоторые примеры такой интерпретации рассмотрены в следующей главе. Общие принципы и критерии, методика и конкретные приемы качественной интерпретации результатов магнитной разведки археологических памятников разработаны в достаточной мере. Это отражено и в примерах, рассмотренных в главе 4, и, в развернутом виде, в книге автора 34, где изложены результаты магнитной разведки трех десятков памятников трипольской культуры. Полученные к настоящему времени материалы свидетельствуют о высокой археологической информативности магнитной разведки, несмотря на то, что они основаны на данных, главным образом, качественной археологической интерпретации магнитных аномалий. Разработка автоматизированной системы археологического истолкования магниторазведочных данных с применением компьютерных технологий – дело отдаленного будущего. Но нет никаких сомнений, что такая автоматизированная система интерпретации данных магнитной разведки археологических памятников рано или поздно будет разработана. Некоторые соображения по этому поводу высказаны автором в заключительном разделе главы.

- 228 -

3.12. МОДЕЛИРОВАНИЕ ∗ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПО МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ Ни одно человеческое исследование не может назваться истинной наукой, если оно не прошло через математическое доказательство. (Леонардо да Винчи)

3.12.1. АРХЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ КАК ПРОЦЕСС МОДЕЛИРОВАНИЯ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Известные в разведочной геофизике решения вопросов моделирования геологических объектов не могут быть автоматически перенесены на почву археологии вследствие специфических особенностей объектов археологической природы и соответствующих им полей магнитных аномалий. Ниже рассмотрены некоторые аспекты проблемы моделирования археологических объектов по геофизическим данным и обсуждаются возможные направления ее реализации. Археологические остатки скрытых под наносами археологических объектов обладают, как правило, повышенными по сравнению с вмещающей средой значениями магнитных характеристик вещества. Вследствие этого они создают в окружающем пространстве собственные магнитные поля, которые, накладываясь на магнитное поле Земли, образуют магнитные аномалии. Эти аномалии служат главным источником информации об искомых археологических объектах, скрытых под слоем наносов. Весь комплекс исследований магнитных аномалий, выявленных на площади археологического памятника, можно обобщенно представить как последовательность следующих этапов – анализ, синтез и археологическое истолкование результатов. Анализ магнитометрической информации, полученной в результате непосредственных измерений на площади исследований, включает выполнение следующих процедур: – выявление особенностей магнитных полей, зафиксированных в процессе магнитометрической съемки над археологическими объектами той или иной природы; ∗

Автор данной книги не специалист в области разработки автоматизированных систем компьютерной обработки информации. Поэтому высказанные соображения по поводу автоматизированной системы археологической интерпретации не выходят за рамки краткого обзора проблемы в том виде, как это представляется возможным и желательным не специалисту (разработчику системы), но ее пользователю. Естественно, что изложение связанных с этим вопросов предельно упрощено и во многих отношениях имеет дискуссионный характер. Против дискуссии на эту тему нет никаких возражений, но главной целью публикации данного материала было привлечение внимания специалистов в области геофизики и программирования к решению проблемы, имеющей для археологии большой практический интерес.

- 229 -

– исключение нормального поля Земли и поля региональной составляющей геологического происхождения; – фильтрация аномалий случайного характера и подавление аномалийпомех; – выделение локальных аномалий археологической природы в «чистом» виде; – преобразования (трансформации) полей локальных магнитных аномалий, вычисление градиентов магнитной индукции, расчеты пространственного распределения полей, статистических и других характеристик с целью выявления и усиления специфических особенностей исследуемых аномалий, что в конечном итоге обеспечивает полноту и надежность последующего археологического истолкования магнитометрических данных. – анализ полученной информации на каждом промежуточном этапе исследований. Археологическое истолкование магнитных аномалий представляет собой заключительный этап исследований, однако к нему можно приступить, минуя этап синтеза и опираясь исключительно на результаты описанного выше анализа исходного магнитного поля. Рассмотрим, какие материалы могут быть получены в этом случае. Конечной целью магнитометрических исследований есть построение уточненных физико-археологических моделей (ФАМ) отдельных археологических объектов. При исследованиях памятника в целом требуется также построение плана расположения всех объектов на местности. Под ФАМ будем понимать – набор параметров, характеризующих магнитные свойства, форму, размеры и глубину залегания объекта. Так как параметры первичных, обобщенных моделей объектов практически всегда можно оценить из опыта работ прошлых лет, то фактически речь идет о том, чтобы установить распределение подобных моделей на площади исследований либо построить распределение более совершенных моделей, отвечающих специфике археологического памятника. Процесс археологической интерпретации магнитометрической информации, основанный только на результатах описанного выше анализа экспериментально полученных распределений магнитных аномалий, сводится фактически к поискам именно таких археологических объектов, которые подобны наперед заданным первичным физико-археологическим моделям. Аномалии, выявленные в процессе математической обработки исходных данных и разнообразных трансформаций, отождествляются с конкретными археологическими объектами определенных типов. Интерпретатор осуществляет такое отождествление (идентификацию) визуально, на глаз, сравнивая формы исследуемых локальных аномалий, их амплитуды и некоторые другие особенности с мысленным (заранее рассчитанным) обликом типичных моделей и идеализированным представлением об аномалиях, которые им соответствуют. Сравнение реальных аномалий с модельными осуществляется на чисто качественном уровне, т. е. относительно, в терминах «больше, меньше». Главным недостатком такой интерпретации является субъективный подход к идентификации локальных аномалий с соответствующими археологическими объектами и, как результат, – неминуемая зависимость результата от опыта и предпочтений интерпретатора. Такой процесс интерпретации - 230 -

можно, конечно, считать синтезом археолого-магнитометрической информации, так как при этом происходит обобщение множества магнитометрических признаков, концентрация представлений о специфических особенностях локальных аномалий и их трансформация в образ определенных археологических объектов. Однако первичные представления о форме конкретных моделей объектов в конечном итоге практически не претерпевает изменений по сравнению с исходными гипотетическими и обобщенными вариантами, и все «истолкование» сводится к попытке установить распределение на площади исследований моделей, подобных первичным образам. Таким образом, это можно назвать синтезом в первом приближении. Однако геофизика – наука точная и ограничивать ее возможности чисто качественным уровнем результата было бы не оправданным. В связи с этим под термином «синтез» мы будем понимать в дальнейшем совокупность таких процедур, которые в конечном итоге позволяют проводить отождествление локальных аномалий с определенными археологическими объектами на основании строгих математических расчетов. Описанная выше процедура интерпретации позволяет всего лишь предположительно оценить искомые археологические модели на качественном уровне, – например, как возможную трипольскую площадку, древний ров или землянку. Однако широко известны и такие процедуры, которые позволяют определить геометрические параметры, глубину залегания и магнитные характеристики источника магнитной аномалии. На основании этих данных можно не только однозначно установить наличие искомого объекта, но и составить более конкретное, более совершенное представление о его модели, близкое реально существующему объекту. Одним из классов процедур, способствующих существенно повысить надежность интерпретации и ограничить ее неоднозначность, есть количественная интерпретация локальных магнитных аномалий. Однако проведение такой интерпретации возможно не для всех аномалий, а лишь для тех, которые зафиксированы достаточным числом точек наблюдений (не менее 5– 7) и прослежены в обе стороны от эпицентра до выхода в «нормальное» (безаномальное) поле. Кроме того, число перспективных аномалий на площади исследований может достигать нескольких сотен, а процесс количественной интерпретации отличается высокой трудоемкостью. При этом на одной и той же площади исследований встречаются, как правило, археологические объекты самых разнообразных геометрических форм, и для каждого из них требуются различные подходы (процедуры) количественной интерпретации соответствующих им магнитных аномалий. Наконец, следует иметь в виду, что методы интерпретации разработаны, в основном, только для некоторых тел правильной геометрической формы, а выбор метода и формы тела осуществляется интуитивно, из опыта. По этим и другим причинам на данном этапе развития теории магнитометрии алгоритмизация процедур количественной интерпретации поля локальных магнитных аномалий вызывает значительные, в большинстве случаев – непреодолимые затруднения. Вследствие этого широкое использование компьютерной техники и применение компьютерных технологий в данном случае проблему не решают. Все это не исключает, конечно, применение в благоприятных условиях методов количественной интерпретации - 231 -

отдельных аномалий археологической природы. Мы лишь констатируем трудности широкого использования данных методов и, в частности, – для проведения расчетов в автоматизированном режиме. Синтез аномальных магнитных полей, сопутствующих археологическим объектам определенной природы, формы и намагниченности, представляет собой принципиально иной метод исследований магнитных аномалий. В отличие от процесса анализа, при синтезе магнитных аномалий мы не используем экспериментально полученное распределение магнитного поля над искомыми объектами, а, наоборот, – сами его синтезируем. При этом рассчитывается такое распределение значений магнитной индукции на площади исследований, которое можно ожидать над археологическими объектами, залегающими на определенной глубине и имеющими заданные геометрические параметры и наперед заданную величину магнитных характеристик. Подобные расчеты могут быть выполнены как для отдельных моделей археологических объектов, так и для любой их совокупности. Процесс синтеза магнитных аномалий иногда называют «моделированием». Такой термин, очевидно, не отвечает сути процесса, так как вернее было бы считать моделированием построение моделей археологических объектов по магнитометрическим данным, а не наоборот. В разведочной геофизике расчет синтетических магнитных полей называют прямой задачей, в отличие от обратной задачи – построения распределений аномальных магнитных масс по магнитометрическим данным. Синтез магнитных полей еще не интерпретация и не моделирование, но он может быть мощным средством того и другого. Синтез магнитных аномалий по физико-археологическим моделям (ФАМ) целесообразно применять для решения следующих задач: – оценка размеров, формы и амплитуды магнитных аномалий, ожидаемых на площади исследований над отдельными искомыми археологическими объектами заданных свойств и размеров; такие данные весьма полезны при обосновании технических характеристик проектируемых на данной площади магнитных съемок; они служат также весомым дополнением набора информации о физико-археологических моделях; – качественная оценка достоверности археологического истолкования магнитометрических данных на основе сравнения синтетических аномалий от предполагаемых физико-археологических моделей с аномалиями, экспериментально полученными над реальными археологическими объектами; – собственно моделирование археологических объектов по экспериментальным магнитометрическим данным. Первая задача – наиболее проста. Для каждого из типов ожидаемых на площади исследований археологических объектов создается обобщенная (из опыта работ в аналогичных условиях) модель объекта как набор параметров, характеризующих его магнитные свойства, форму, размеры и глубину залегания. По этим данным рассчитывается распределение значений магнитной индукции, ожидаемое на участке съемки на заданной высоте над подобным археологическим объектом. Вторая задача отличается от предыдущей тем, что параметры первичных ФАМ археологических объектов могут быть откорректированы по результатам магнитной разведки исследуемого археологического памятника. Рассчи- 232 -

танные над первичными моделями синтетические магнитные аномалии сравниваются с аномалиями, экспериментально полученными на площади съемки, с целью оценки обоснованности отождествления археологических объектов с теми или иными аномалиями. Такие оценки могут быть получены как для каждого из множества разнородных типов объектов, так и по всей площади в целом при условии относительного постоянства параметров и свойств объектов одного и того же типа в пределах памятника. Отметим, что метод сравнения положен в основу одного из способов количественной интерпретации. Рассчитанные теоретические кривые от моделей с определенными параметрами объединяются по тем или иным признакам в группы (палетки), отображаются на прозрачной основе и накладываются на график интерпретируемой аномалии. По палеточной кривой, которая наилучшим образом совпадает с интерпретируемым графиком, оцениваются параметры исследуемого объекта. В отличие от палеточного метода количественной интерпретации предлагается использование метода сравнения в упрощенном виде – на уровне критерия соответствия моделируемого магнитного поля экспериментально обнаруженным аномалиям, т.е. как составную часть процесса моделирования реальных археологических объектов. Моделирование археологических объектов предусматривает использование обобщенной физико-археологической модели только в качестве первого приближения. Затем рассчитанная для этой модели синтетическая магнитная аномалия сравнивается с аномалией, полученной экспериментально. Оценивается степень расхождения распределений полей. Если отклонение превышает, скажем, 10%, модель корректируется по геометрическим параметрам, физическим характеристикам или тем и другим вместе взятым. После этого расчет повторяют и опять сравнивают результат с экспериментальными данными. Процесс расчетов продолжают до тех пор, пока расхождение между расчетными и экспериментальными данными станет равным или меньше допустимой величины. После этого можно полагать, что принятая в последнем случае модель соответствует реальному объекту с заданной точностью. Результаты решения подобной задачи близки данным количественной интерпретации с той существенной разницей, что, в отличие от интерпретации аналитическими средствами, например, методом характерных точек, при этом используется информация по всему профилю или на площади интерпретируемой аномалии. Естественно, качество и достоверность интерпретации при этом резко возрастают. Возрастает и трудоемкость процесса расчетов, но это компенсируется возможностью реализации вычислительного процесса по программе на компьютере. Применение метода подобной интерпретации для всей площади археологического памятника наталкивается на значительные трудности. И дело не в том, что на площади исследований расположено, как правило, множество разнородных археологических объектов. Всегда можно заранее создать соответствующее множество ФАМ для первого приближения. Главная трудность состоит в том, чтобы в процессе расчета на компьютере автоматически распознать, какая аномалия какому типу объектов (какой модели) может соответствовать. - 233 -

Из этого затруднения может быть два выхода. Во-первых, для диагностики типа объекта можно привлечь данные нескольких геофизических методов. Это позволило бы построить действительно физико-археологическую модель вместо упрощенной модели магнито-археологической. Для достижения подобной возможности необходимо практиковать комплексирование магнитометрии с другими методами исследований – каппаметрией, электроразведкой и др. Естественно, это приводит к значительному удорожанию полевых геофизических исследовательских работ. Не отказываясь от комплексирования геофизических методов как весьма эффективного средства повышения надежности распознавания археологических объектов, рассмотрим и иные возможности. Другой путь, открывающий реальную возможность решения задач моделирования, лежит в направлении совершенствования алгоритма формирования магнито-археологической модели памятника и, соответственно, процедуры синтеза создаваемого моделью распределения значений магнитного поля. Можно, например, представить модели объектов не как вписанные в их контуры шары, цилиндры, параллелепипеды и т.д., а любую из них аппроксимировать множеством однородно намагниченных кубиков небольшого размера. В процессе моделирования количество, глубина залегания и намагниченность таких элементарных магнитных масс можно было бы корректировать методом подбора таким образом, чтобы обеспечить максимальное соответствие синтетического и экспериментального полей с точностью, не ниже заданной. Не исключено, что именно на этом пути можно ожидать появление эффективного метода моделирования, как отдельных объектов, так и археологических памятников в целом.

- 234 -

В жизни нет таких математических утверждений, в которых бы мы нуждались. Математические утверждения служат для того, чтобы из утверждений, не принадлежащих математике, выводить другие, равным образом не принадлежащие математике. (Л. Витгенштейн)

3.12.2. В ПОИСКАХ ОПТИМАЛЬНОГО АЛГОРИТМА МОДЕЛИРОВАНИЯ Обобщая все сказанное в предыдущем разделе, процесс моделирования археологических объектов по геофизическим, в частности, магнитометрическим данным можно представить как последовательность следующих этапов: 1) построение первичной физико-археологической модели или комплекса моделей археологических объектов, ожидаемых на площади исследований; 2) выполнение расчетов синтетических магнитных аномалий, отвечающих этим объектам; 3) сравнение локальных синтетических аномалий с аномалиями, полученными экспериментально, и оценка степени их расхождения; 4) корректирование геометрических и физических параметров модели в зависимости от величины и знака расхождений между рассчитанными значениями магнитного поля и экспериментальными данными, так чтобы при следующем расчете сходимость синтетических и практически полученных аномалий улучшалась; 5) выбор критерия прекращения подбора моделей и расчета промежуточных синтетических полей; 6) отображение результатов моделирования. Отсюда видно, что, говоря об алгоритме моделирования археологических объектов, в действительности имеется в виду некоторое множество составных алгоритмов этой непростой процедуры. Обсудим каждую из составляющих процедур в отдельности.

Построение физико-археологических моделей объектов Вполне очевидно, что не стоит выбирать модель как конструкцию геометрически идентичную археологическому объекту, каким он был когда-то – не разрушенным и не поврежденным временем. Так, выбор модели древней гончарной печи в виде полностью сохранившейся конструкции вряд ли можно считать оправданным. Хотя, как исключение, может быть и такая находка, но, скорее всего, следует рассчитывать на более или менее концентрированную кучу обломков. Точно так же никто не представляет себе трипольское жилище в виде покрытого наносами здания, а лишь как трипольскую площадку – тоже кучу камней (кусков обожженной глины), которые, в отличие от гончарной печи, распределены не кучно, а в виде горизонтального слоя. Отметим также, что реальное распределение археологических остатков в пределах отдельного объекта заранее не известно. Это касается и гончарной печи и трипольской площадки, в границах которой слой кусков - 235 -

глиняной обмазки не отличается равномерностью распределения и не образует четкого прямоугольника в плане. Даже такая простая конструкция, как хозяйственная яма, – не однородное цилиндрическое тело, а совокупность слоев заполнения материалом различного состава и намагниченности. В таких условиях главный вопрос заключается в том, что же считать моделью археологического объекта? В первом приближении можно, конечно, принять, что гончарной печи отвечает модель в виде намагниченной полусферы, трипольской площадке – тонкий горизонтальный пласт (пластина) конечных размеров, а хозяйственной яме – однородно намагниченный вертикальный цилиндр конечной глубины. Однако, забегая вперед, спросим, что же мы будем уточнять и корректировать в процессе дальнейшего моделирования? Оказывается, всего лишь геометрические размеры и величину намагниченности принятых в самом начале моделей правильной геометрической формы. Гипотеза о первичной форме модели при этом остается неизменной, хотя в действительности реальная форма объекта (скопления археологических остатков) может быть совершенно иной. Можно ли такой процесс считать моделированием? По-видимому, да, хотя такое моделирование осуществляется на грубо приближенном качественном уровне – на уровне оперирования идеализированными, обобщенными формами, далекими от форм реальных объектов. Принципиально иной путь моделирования лежит на пути полного отказа от каких бы то ни было, заранее ограниченных правильных геометрических форм, которые мы приписываем ожидаемым археологическим объектам. С точки зрения математики археологический объект представляет собой, в общем случае, множество хаотично расположенных масс (фрагментов археологических остатков), сочетание которых случайным образом изменяется в координатном поле. Учитывая эту особенность, вначале необходимо выбрать элементарную модель в виде небольшой намагниченной массы кубической, сферической, цилиндрической или иной формы. После этого модель археологического объекта можно представить как распределение археологических остатков в виде совокупности подобных элементарных моделей в четырехмерном векторном пространстве – x, y, z и значение намагниченности. Такой подход к построению модели археологического объекта не исключает его аппроксимации телом простой геометрической формы при выборе первого приближения, но наряду с этим позволяет также задавать первоначальную модель и в виде тела произвольной формы. Преимущества подобного подхода очевидны и в процессе моделирования, и в конечном результате. Корректирование исходной модели в процессе моделирования сводится к изменению числа, расположения и намагниченности отдельных элементарных магнитных масс, образующих объект. В конечном итоге, добившись удовлетворительного совпадения синтетического и экспериментального полей, мы получим такую форму археологического объекта, которая может кардинально отличаться от первоначальной гипотезы о его форме. В то же время установленное при этом расположение элементарных магнитных масс будет максимально близким реальному распределению в земле археологических остатков. - 236 -

Важное преимущество такого подхода к построению археологических моделей состоит также в том, что теперь нет необходимости иметь десятки моделей археологических объектов, ожидаемых на площади исследований. Возникает возможность моделировать не только отдельные объекты, но и всю совокупность распределения археологических остатков в пределах памятника в культурном слое. Формализованный подход к построению первичной модели обеспечивает значительную экономию времени. Более того, создаются благоприятные условия для автоматизации построения начального приближения, учитывая размеры, форму и амплитуды локальных аномалий. Все это, в конечном итоге, создает благоприятные предпосылки для полной автоматизации процесса моделирования археологических объектов и памятников в целом. С целью обеспечения возможности проведении моделирования в автоматизированном режиме процесс построения модели объекта должен быть доведен до построения матрицы координат источников моделируемых аномалий и их намагниченности. Возможны, безусловно, и другие алгоритмы построения исходной физико-археологической модели объекта (памятника). Важно, чтобы они были не хуже рассмотренных выше. Так, В.Н. Завойским 23 предложен принципиально иной алгоритм построения первичной модели. К числу важных достоинств этого алгоритма можно отнести возможность задавать модели любой сложности, в том числе и в виде тел произвольной формы. Однако модель задается координатами вершин сложно построенной сети треугольников. Вследствие этого процесс построения модели отличается высокой трудоемкостью, требует больших затрат ручного труда и не поддается алгоритмизации и реализации в автоматическом режиме на компьютере. Даже если такая модель обеспечивает недоступную другим алгоритмам высокую точность расчета конечного результата, данный алгоритм нельзя считать оптимальным применительно к решению задачи моделирования объектов археологической природы в автоматическом режиме работы. В данном случае нам нужна не сверхвысокая точность, а экспрессивность метода и его применимость для одновременного моделирования распределения множества разнородных магнитных масс на площади археологических исследований. Рассмотрим для сравнения еще один алгоритм. Весьма привлекательно выглядит, с нашей точки зрения, система физико-геологического моделирования, предложенная С.П. Левашовым 8,36. Для расчета физико-геологической модели среды используется метод «концентрации и разрастания масс». Для создания первичной модели не требуется никаких априорных геометрических построений, достаточно указать предполагаемую величину максимальной намагниченности объекта моделирования и ориентировочные значения максимальной и минимальной глубины его залегания. Расчет первичной модели среды производится непосредственно по исходным экспериментальным данным. В процессе дальнейших расчетов могут быть использованы не только исходные данные, но и остаточные аномалии, вычисленные как разность между исходным полем и теоретически рассчитанным от модели предыдущего приближения. По этим данным может быть проведено уточнение распределения намагниченности, т.е. коррекция первого приближения. Существенно, что коррекция может быть проведена автоматически. Контуры участков расположения магнитных масс могут быть установлены в плане или на заранее выбранных разрезах по - 237 -

распределению точек с повышенными значениями намагниченности или по карте изолиний (пороговая величина намагниченности выбирается интерпретатором). Таким образом, имеем практически законченную систему моделирования геологических объектов по магнитометрическим данным. Однако внедрение данной системы в практику археологических исследований сопряжено с рядом трудностей. Главная из них состоит в том, что данный алгоритм моделирования применим в условиях сравнительно большой протяженности интерпретируемых магнитных аномалий, когда они фиксируются десятками точек наблюдений, а не 3–7, редко 8–10 точками, как это имеет место в археологической практике. В процессе апробации метода С.П. Левашова на аномалиях, исследованных на достаточном протяжении, получен вполне удовлетворительный результат. (Примеры интерпретации аномалий над древними гончарными горнами и техногенными объектами типа трубопроводов большого диаметра приведены, в главе 4). Однако попытки моделирования археологических объектов по аномалиям, зафиксированным на ограниченном участке профиля, не увенчались успехом. Тем не менее, исследование возможностей применения данного метода с целью моделирования археологических объектов, по-видимому, следовало бы продолжить.

Выполнение расчетов синтетических магнитных аномалий Алгоритм расчета синтетических магнитных аномалий, отвечающих ожидаемым на площади исследований археологическим объектам, определяется выбором моделей этих объектов. Так, если бы мы остановились на задании моделей в виде статических, геометрически правильных форм, неизменных в процессе моделирования, то это и определило бы способ расчета магнитных эффектов моделей методами, известными в магниторазведке. Применение описанного выше алгоритма представления археологических моделей в виде совокупности простых элементарных масс, с одной стороны, упрощает задачу, позволяя для расчета магнитного эффекта каждой такой массы использовать простую и притом только одну базовую расчетную формулу. С другой стороны, алгоритм расчета усложняется, так как в процессе вычисления магнитного поля модели каждого из археологических объектов необходимо предусмотреть интегрирование магнитных эффектов составляющих его элементарных масс. Впрочем, при компьютерной технологии расчетов такие трудности вполне преодолимы. Попутно следует отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту вопроса о вычислении синтетических аномалий, здесь есть свои особенности, которые необходимо учитывать при проведении расчетов магнитных полей археологических моделей. Независимо от того, какой выбран алгоритм построения модели объектов, формулы для расчета магнитных эффектов содержит такой важный параметр, как магнитная характеристика материала, заполняющего моделируемый объект. Обычно это величина намагниченности заполняющего объект вещества. Учитывая важность этой характеристики для всего процесса моделирования и археологического истолкования магнитометрических данных, остановимся на вопросе ее определения подробнее. - 238 -

Намагниченность материала, слагающего археологические объекты, в благоприятных условиях может быть оценена по результатам количественной интерпретации аномалий, выявленных в процессе съемки. Однако более надежным следует признать определение намагниченности по данным непосредственных лабораторных измерений магнитных свойств образцов, отобранных на исследуемом археологическом памятнике или аналогичных ему по физико-археологическим условиям. Обычно определяются значения магнитной восприимчивости образцов и их остаточная намагниченность, если они обладают этим свойством. В конечном итоге, в зависимости от конкретных условий расчет величины намагниченности материалов заполнения археологического объекта может быть выполнен одним из следующих способов. 1) Если вещество, заполняющее объект, не обладает остаточной намагниченностью, то предполагается, что оно, обладая определенной магнитной восприимчивостью, в земном магнитном поле приобретает индуктивную намагниченность в направлении вектора геомагнитного поля. Величина индуктивной намагниченности Ji может быть легко вычислена из простого соотношения: J i = κT

(3.62)

где κ – магнитная восприимчивости вещества, Т – напряженность современного геомагнитного поля на участке съемки. 2) Если материал, слагающий археологический объект, обладает некоторой остаточной намагниченностью, например, представлен обожженными глинами, необходимо рассчитать векторную сумму индуктивного намагничивания Ji под воздействием современного магнитного поля и его собственной намагниченности Jr, сохранившейся со времен его образования. Модуль результирующего вектора Jобщ вычисляется по формуле: 2

2

J общ = J i + J r .

(3.63)

Значение индуктивной намагниченности рассчитывается по данным измерений магнитной восприимчивости по приведенной выше формуле (3.62), а величина остаточного намагничивания должна быть известна из опытных данных по результатам определения магнитных характеристик образцов. Кроме этого, необходимо указать направление вектора суммарной намагниченности, которое, как правило, не совпадает с ориентировкой вектора намагничивания современным магнитным полем Земли и в значительной мере зависит от направления вектора остаточной намагниченности. Ориентация в пространстве вектора остаточной намагниченности может быть известна по результатам измерений специально отобранных образцов, ориентированных в процессе отбора по странам света. Отбор ориентированных образцов проводится сравнительно редко, обычно в процессе лабораторных исследований ограничиваются измерениям модуля вектора остаточной намагниченности по обычным образцам. Поэтому ожидаемое на местности направление вектора остаточной намагниченности приближенно устанавливается по углам склонения и наклонения вектора - 239 -

напряженности геомагнитного поля для эпохи образования археологического объекта. Для территории Украины такие данные можно взять, например, из работы Г.Ф. Загния 24. 3) В некоторых случаях может быть известно, что материал, слагающий археологический объект, обладает остаточной намагниченностью (например, те же обожженные глины), но мы располагаем данными либо о его намагниченности, либо о магнитной восприимчивости. Для таких материалов расчет одной магнитной характеристики через другую по простой формуле (3.62) дает ошибочный результат. Поэтому, зная по результатам измерений образцов намагниченность такого материала, мы не можем определить его магнитную восприимчивость, значение которой требуется задать в расчетную формулу при использовании некоторых (см. ниже) алгоритмов вычисления синтетического магнитного поля. С другой стороны, мы не можем использовать вычислительную схему синтеза магнитного поля, которая требует подстановки значения намагниченности, если знаем только магнитную восприимчивость материала, так как по той же формуле (3.62) можно рассчитать лишь индуктивную составляющую намагниченности, а вопрос об остаточной и общей намагниченности остается открытым. В такой ситуации рекомендуется воспользоваться результатами статистического анализа магнитных характеристик материалов археологических объектов. В частности, в главе 1 результаты подобного анализа (по территории Украины) приведены для археологических объектов, вещественный состав которых определяется обожженными глинами. По данным анализа, связь между намагниченностью и магнитной восприимчивостью обожженных глин не может быть описана простой формулой (3.62), она подчиняется более сложной зависимости. Между этими магнитными характеристиками установлена тесная корреляционная связь, исходя из которой соотношение между ними (с приемлемым допущением) может быть представлено формулами (1.14), (1.16):

κ = 4π 10 −4 10 J , J=

κ 2 10 7 . (4π)2

(3.64)

В приведенных формулах J – в А/м (СИ), κ – в единицах 4π СИ. Таким образом, по средней величине магнитной восприимчивости с достаточной степенью надежности можно оценить среднее значение остаточной намагниченности любого типа археологических объектов, содержащих обожженные глины. (Подобные соотношения могут быть установлены и для других материалов). Введем понятие «эффективной» магнитной восприимчивости и намагниченности. Независимо от того, приобретает ли моделируемый объект только индуктивную намагниченность или суммарную – индуктивную и остаточную, его намагничивание (подмагничивание) происходит под воздействием магнитного поля Земли напряженностью Т. Обобщая формулу (3.62) на все случаи, для всех объектов – как обладающих, так и не обладающих собственной (остаточной) намагниченностью, можем принять: - 240 -

Jэфф = κэфф T, κэфф = Jэфф/T.

(3.65)

Под «эффективной» будем понимать такую намагниченность, которая соответствует общей (действительной) намагниченности объекта. Именно эту величину мы получаем в результате количественной интерпретации аномалии, зафиксированной магнитометром над объектом исследований, либо определяем по формуле (3.63) по данным лабораторных измерений отобранных из объекта образцов. Величина κ эфф – это такая магнитная восприимчивость, которая в заданном земном магнитном поле напряженностью Т обеспечивает величину общей намагниченности объекта, соответствующую эффективной (Jэфф). Если моделируется слабомагнитный объект, лишенный остаточной намагниченности (заполнение рвов, ям, культурный слой и проч.), общая намагниченность объекта определяется его индуктивным компонентом. Расчет намагниченности можно выполнить по формуле (3.64), принимая в качестве эффективной ту магнитную восприимчивость, которая получена для данного материала путем лабораторных исследований образцов (κ эфф = κ изм ). Если же моделируется объект, представленный обожженными глинами, то его общая намагниченность определяется по формуле (3.63) подстановкой значений индуктивного намагничивания Ji = κизм T и остаточного, вычисленного по формуле (3.64): J r= κ изм2 107/16π2. По рассчитанной таким образом величине Jэфф определяется (при необходимости) κэфф из соотношения (3.65). Вопросу о намагниченности моделируемых археологических объектов уделено столько внимания ввиду его исключительной важности для правильного археологического истолкования магнитометрических данных. В конечном итоге, намагниченность объекта – это основной признак, по которому осуществляется диагностика его физической природы. Так, неглубокая хозяйственная яма и остатки печи могут быть весьма близки по геометрическим параметрам, и только по степени намагниченности соответствующих археологических остатков мы можем с уверенностью отличить один объект от другого. Заметим, что все, описанные выше «изощренные» способы расчета намагниченности материалов моделируемых археологических объектов уместны лишь в случае «одноразового» расчета синтетического магнитного поля над конкретным археологическим объектом. При этом действительно необходимо представить данные о векторе намагниченности с максимально высокой (доступной) точностью. Если же расчет синтетического магнитного поля предусматривается как эпизод процедуры моделирования, в процессе которого корректируются не только геометрические размеры, но и намагниченность, – для первого приближения достаточно ограничиться примерными данными о величине и направлении вектора намагниченности. (Хотя и в этом случае для ускорения процесса сходимости результатов вычислений желательно принимать значения магнитных характеристик близкими истинным). Спектр возможных вычислительных схем для расчета синтетических магнитных аномалий не ограничивается лишь теми, которые оперируют исключительно величиной намагниченности вещества. Кроме них предложены и иные алгоритмы. Так, в упомянутой выше работе В.Н. Завойского 23 для расчета синтетического магнитного поля предусмотрено использование - 241 -

не намагниченности, а магнитной восприимчивости материала. Причем требуется вводить не одно, а два значения этой, вообще говоря, скалярной характеристики, два ее компонента – вдоль и по нормали к напластованию. Это неудобно, хотя бы из тех соображений, что по данным лабораторных исследований магнитных свойств образцов представляется обычно один компонент – средняя величина магнитной восприимчивости. Алгоритм В.Н. Завойского обеспечивает высокую точность и дает замечательные результаты при моделировании, в частности, сплошных интенсивно намагниченных масс с заметной магнитной анизотропией, подобных Криворожским железистым кварцитам. Однако применение его для моделирования археологических объектов затруднительно, как в чисто техническом плане, так и вследствие особенностей моделируемых объектов и соответствующих им магнитных полей. К числу таких особенностей относятся: сильная фрагментация археологических остатков, малые размеры объектов и отвечающих им аномалий, сравнительно слабая намагниченность и, наконец, неприменимость к большинству объектов понятия «напластование», по нормали к которому следует задавать один из компонентов магнитной восприимчивости. В целом, вопрос о выборе вычислительной схемы для расчета синтетических магнитных аномалий, создаваемых археологическими объектами, не может быть предрешен заранее, требуется предварительный отбор приемлемых методов расчета и их практическое испытание на известных примерах.

Краткий обзор других вопросов моделирования Алгоритмы других этапов моделирования не могут быть рассмотрены детально ввиду их явной зависимости от выбора процедуры создания первичной модели археологического объекта или памятника и алгоритма расчета соответствующего им синтетического поля локальных магнитных аномалий. Тем не менее, некоторые предварительные замечания могут быть высказаны и о специфике последующих этапов моделирования. Сравнение локальных синтетических аномалий с экспериментально полученными и оценка степени их расхождения относится к числу наиболее простых процедур. Процесс подбора синтетического магнитного поля может проводиться по сети, аналогичной сети полевых магнитометрических наблюдений. Степень расхождения синтетически полученных и экспериментальных данных должна оцениваться по разности тех и других значений в координатных точках съемки. Проводить такое сравнение в точках, интерполяции между координатными пунктами съемки вряд ли целесообразно. Это не может повысить точность сравнения и только усложняет процедуру расчета. Расхождения синтетического и экспериментального полей оцениваются в процентах или по разности значений поля в общепринятых единицах измерения магнитной индукции в зависимости от того, каким образом в дальнейшем предусматривается компенсация недостатков или избытков моделируемых магнитных масс. В любом случае результатом такого сопоставления полей должна быть матрица значений расхождений, которая используется в дальнейшем для корректирования модели. Две последовательные одна за другой матрицы могут быть использованы для уточнения процесса - 242 -

дальнейшей корректировки модели. После появления третьей матрицы первая может быть удалена. Корректирование геометрических и физических параметров модели в зависимости от величины и знака расхождений сравниваемых магнитных полей должно проводиться по такому алгоритму, чтобы при следующем расчете сходимость синтетических и экспериментальных данных улучшалась. По трудности данная процедура превосходит все другие алгоритмы процесса моделирования. Один из путей решения может быть основан на использовании комплексного параметра – соотношения амплитуды и размеров локальной магнитной аномалии (например, на уровне ее полумаксимума). Такой подход позволяет оценить соответствие модели искомому объекту исходя из представлений об изменчивости формы и амплитуды аномалии в зависимости от изменения намагниченности, размеров и глубины залегания магнитных масс. Из сравнения синтетической аномалии с экспериментально полученной можно установить множество полезных критериев для последующей корректировки. Рассмотрим хотя бы часть из них: – при заниженном значении амплитуды синтетической аномалии относительно экспериментальной и увеличении ее горизонтальных размеров можно вполне обосновано предположить, что глубина залегания моделируемого объекта завышена; это следует из общеизвестного факта: по мере удаления от источника аномалия становится шире и уменьшается по амплитуде; – при пониженном значении амплитуды и близости горизонтальных размеров синтетической и экспериментальной аномалий можно обосновано предположить, что модельное тело имеет заниженную величину намагниченности и, следовательно, для данного объекта следует эту характеристику увеличить; – если синтетическая аномалия по горизонтальным размерам меньше экспериментальной, то это, при близости их амплитуд, свидетельствуют о заниженных горизонтальных размерах модели при одновременном завышении ее намагниченности; – получение синтетических аномалий, превышающих размеры экспериментальных, но близких им по амплитуде означает, что горизонтальные размеры модели завышены, а намагниченность имеет недостаточную величину. Перечень подобных признаков можно продолжить, однако достаточно и названных, чтобы наглядно представить себе, как на их основе можно выбрать критерии корректирования предыдущего варианта модели к следующему, более совершенному. На каждом цикле моделирования исходная (предшествующая) матрица распределения магнитных масс на площади (или по профилю) – т.е. модель объекта – претерпевает изменения и дополнения. Что именно нужно исправить определяет алгоритм корректирования модели, а насколько – можно установить по данным сопоставления и количественной оценки расхождений синтетического и экспериментального полей. Кроме рассмотренного примера можно предложить множество других вариантов решения данной задачи. Они могут быть принципиально иными по сравнению с относительно простым алгоритмом, рассмотренным выше исключительно ради его наглядности. Однако в любом случае все они должны удовлетворять нескольким важным при моделировании археологических объектов условиям: а) возможность выработки корректирующих воздействий - 243 -

на основе анализа аномалий, фиксируемых буквально несколькими точками, б) оперативность процесса корректирования модели и в) возможность использования его в автоматизированном вычислительном процессе. Выбор критерия прекращения подбора моделей и расчета промежуточных синтетических полей не составляет большого труда. Как только, по данным сравнения очередного варианта синтетических магнитных аномалий с экспериментальными данными, будет достигнута наперед заданная точность, дальнейшие расчеты можно прекратить и перейти к формированию итогового документа результатов моделирования. В зависимости от конкретных условий (качество исходного материала, степень неоднородности археологических объектов и др.) точность построения модели может быть выбрана большей или меньшей, но она никогда не станет «нулевой», т.е. со 100% сходимостью во всех точках съемки. Это неизбежно хотя бы вследствие остаточного уровня случайных помех, не полностью отфильтрованных на предшествующих этапах обработки исходных данных. Более того, следует рассчитывать на то, что во многих случаях из-за медленного роста сходимости расчетных данных с исходными продолжительность процесса подбора придется ограничивать простым сокращением числа приближений (итераций) до приемлемой величины. Отображение результатов моделирования вначале можно представить как окончательный вариант матрицы распределения магнитных масс – археологических остатков, скопления которых соответствуют тем или иным археологическим объектам на площади исследований. Затем, располагая координатами и значениями намагниченности этих масс, легко можно осуществить построение их контуров, карт намагниченности и иных иллюстраций с помощью пакета программ типа SURFER. Окончание процесса моделирования означает не конец, а лишь начало «истинного» («в последней инстанции») археологического истолкования магнитометрических данных. Наиболее полные и достоверные результаты могут быть получены только при комплексной интерпретации всей имеющейся магнитометрической информации, включая и материалы описанного выше анализа магнитного поля участка съемки. Этот завершающий, самый интересный и ответственный этап работы, вряд ли следует доверять компьютеру и, вне сомнения, лучше всего предоставить человеку. Можно, конечно, вообразить себе такой вариант формализации задачи археологического истолкования результатов моделирования, который позволил бы автоматизировать и эту часть исследований. Для этого нужно сформулировать комплексный критерий распознавания археологических объектов по форме, размерам, намагниченности, ориентировке в плане выявленных моделированием скоплений археологических остатков, учитывая при этом отвечающие им локальные особенности магнитного поля и принимая во внимание характер взаимного расположения объектов, культурную принадлежность памятника и тип застройки поселения (линейное, кольцевое, квартальное). И такой многопараметрический рабочий критерий обязательно будет так или иначе сформулирован в процессе археологической интерпретации всего комплекса магнитометрических и археологических данных. Но вряд ли стоило бы этот комплексный критерий алгоритмизировать, вводить в компьютер и рассчитывать на его непогрешимость. Во-первых, такой алгоритм распознавания археологических объектов, разработанный для - 244 -

конкретной площади исследований, будет полностью или частично неприемлем для других археологических памятников и поэтому не может быть универсальным. Кроме того, обратная задача геофизики – определение распределения магнитных масс по известному распределению магнитного поля – всегда решается неоднозначно. Одному и тому же распределению поля на поверхности наблюдений может соответствовать множество вариантов распределений аномальных магнитных масс в земле. В связи с этим интерпретация геофизических данных – процесс творческий, многоплановый и многовариантный. Несмотря на всю строгость математических критериев, всегда найдется масса неясных случаев, когда самый умный компьютер или программа не сможет дать однозначного ответа. Полная автоматизация процесса археологического истолкования геофизических данных вряд ли возможна. Автоматизированная система моделирования археологических объектов и памятников, образ которой мы попытались увидеть, способна стать лишь еще одним инструментом в руках интерпретатора. Но последнее слово всегда останется за человеком.

- 245 -

_______________________________________________________

Глава 4 ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИМЕРЫ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Отобрать минимально необходимый иллюстративный материал из множества исследованных археологических памятников и отдельных объектов представляет непростую задачу. С точки зрения исторической интересны первые исследования крупнейшего трипольского поселения в Украине – Майданецкого (1971–1974 гг.), а в последующие годы – таких крупных поселений как Ятрановка, Ольховец или Глыбочок. Оригинальной структурой отличается ряд других трипольских поселений на территории Украины и Молдовы. Однако все они описаны в отдельной книге автора 34. Для того чтобы не дублировать информацию и не нарушать целостность изложения в последующей монографии, в данной главе широкое рассмотрение трипольских памятников не предусмотрено. В качестве примера, иллюстрирующего возможности магниторазведки при изучении памятников Триполья, приводятся только результаты детальных исследований на трипольском поселении Коновка и краткий иллюстративный материал по поселению Майданецкое. Высокая эффективность магнитометрического метода поисков археологических объектов наиболее часто иллюстрируется примерами исследований именно трипольских поселений 14,12. Такой пример из работы автора 19 – фрагмент застройки трипольского поселения Глыбочок – использован и в предыдущей главе при разборе методов обработки и археологического истолкования магнитометрических данных. Подобные примеры наиболее убедительны, и это вполне понятно, учитывая весьма благоприятные предпосылки для картирования и изучения средствами магниторазведки таких археологических объектов, как трипольские площадки, которые имеют размеры 30–100 м2 и представлены слоем обожженной глины мощностью до 30 см и массой до 1–2 тонн. Однако это вовсе не означает, что применение магнитометрии для поисков и исследований археологических объектов иной природы мало перспективно. Ярким примером высокой эффективности магнитной разведки таких объектов могут служить исследования городища раннеславянского времени Монастырек, поиски гончарных горнов VII в., картирование оборонительного рва на трипольском поселении. Рассмотрены также результаты исследований некоторых техногенных объектов, мест захоронения военной техники и других следов антропогенной деятельности, что имеет прямое отношение, как к исследованиям памятников истории, так и к проблеме распознавания магнитных аномалий археологиче- 246 -

ской и не археологической природы. Примеры магнитометрических исследований техногенных объектов приводятся, в основном, по литературным источникам. При этом предпочтение отдано примерам, так или иначе связанным с поисками археологических или исторических объектов. Несмотря на ограниченное число примеров, приведенные ниже материалы достаточно убедительно иллюстрируют высокие разрешающие способности магнитометрии при исследованиях не только археологических или исторических памятников, но и объектов техногенного происхождения. Рассмотренные ниже результаты исследований археологических памятников приводятся, главным образом, по данным качественной интерпретации магнитометрических данных. Возможности количественной интерпретации выявленных магнитных аномалий иллюстрируются только на нескольких примерах магнитометрических исследований отдельных археологических и техногенных объектов. В результате качественной интерпретации аномального магнитного поля устанавливается наличие и местоположение объектов археологического происхождения, оценивается их форма, размеры, глубина залегания, магнитные характеристики, пространственная ориентация. Археологической интерпретации предшествуют необходимые трансформации исходного магнитного поля, которые позволяют установить характерные особенности магнитных аномалий, отражающие специфику связанных с ними археологических объектов. По этим данным отдельные аномалии отождествляются с археологическими объектами того или иного типа, и устанавливается общая структура (план) древнего поселения. Полное изложение методики археологического истолкования магнитометрических данных, разбор основных принципов, приемов и критериев интерпретации приведены в другой монографии автора 34. Количественная интерпретация базируется на выводах, полученных на стадии качественной интерпретации, и дополняет ее расчетами глубины залегания, геометрических и физических параметров обнаруженных археологических объектов. Как правило, она проводится по магнитным аномалиям, связанным с отдельными объектами, типичными на площади исследуемого археологического памятника.

- 247 -

4.1. ТРИПОЛЬСКОЕ ПОСЕЛЕНИЕ КОНОВКА Поселение находится в Черновицкой области вблизи с. Коновка Кельменецкого района. Археологические исследования памятника проведены в связи с его прогнозируемым подтоплением по завершении строительства Днестровского гидроузла. Работы проведены Днестровско-Трипольской экспедицией Института археологии АН Украины в 1975–1980 гг. Археологические исследования поселения магнитометрическим методом имели целью выявление искомых археологических объектов на территории памятника и, наряду с этим, – уточнение разрешающих способностей метода при определении местоположения и контуров трипольских площадок. Результаты совместных археологических и магнитометрических исследований поселения Коновка нашли отражение в статье Н.М., Шмаглия, С.М. Рыжова, В.П. Дудкина 70, опубликованной еще в 1985 г. Анализ образцов глины, отобранных из остатков сгоревших трипольских жилищ, показывает, что среднее значение их остаточной намагниченности лежит в пределах (4500..5000)⋅10-3 СИ, а магнитной восприимчивости – (350..550)⋅4π10-6 СИ. Среднее значение магнитной восприимчивости перекрывающего слоя почвы и подстилающих суглинков не превышает (20– 30)⋅4π10-6 СИ. Предполагаемые размеры трипольских площадок – не менее (4...8)×(8…16) м2 при глубине залегания порядка 0.5 м. При таких условиях, согласно элементарным расчетам, аномалии магнитного поля, созданные трипольскими площадками исследуемого памятника, должны были достигать величин первых десятков, а в отдельных случаях – сотен нанотесла. Результаты полевых магнитометрических исследований полностью подтвердили этот вывод. Магнитная съемка, проведенная магнитометром М-27 по сети 4×4 м2, позволила достаточно уверенно выделить множество аномалий, создаваемых трипольскими площадками. Они хорошо проявляются на общем спокойном фоне на карте графиков ΔZ. Горизонтальный градиент напряженности магнитного поля на границах аномальных зон достигал в ряде случаев 50–80 нТ/м, а амплитуды аномалий ΔZ доходили до 100–150 нТ. Пример выделения трипольских площадок по карте графиков магнитного поля иллюстрирует рис. 4.1. Выделены две рядом расположенные трипольские площадки. Сплошной линией отмечены контуры главных компонентов трипольских жилищ, штриховой – вероятные пристройки к основному зданию. Всего на территории памятника обнаружено порядка 110 локальных аномалий, которые, вероятнее всего, отвечают трипольским площадкам. План расположения выделенных таким образом потенциально археологических объектов показан на рис. 4.2. На втором этапе исследований, то есть для выяснения вопросов надежности определения местоположения и контуров объектов для раскопок, были выбраны два участка детализации, на которых магнитная съемка проведена по сети 1×1 м2. Последующие раскопки семи площадок на этой территории продемонстрировали высокую эффективность магнитометрического метода археологических исследований. Результаты, полученные на одном из участков детализации, приведены на рисунке 4.3. Контуры установленных раскопками площадок со слоем обожженной глиняной обмазки (площадки 3 и - 248 -

4) вполне удовлетворительно совпадают с контурами соответствующих аномалий.

Рис. 4.1. Фрагмент карты графиков ΔZ Участка магнитометрической съемки на площади поселения Коновка (по В.П.Дудкину)

100

17

C 75

7 2

0

19

12

Условные обозначения: 1

18

20

21

16

14

0,1,..21 3

100

200

50

6

8

7

11 7 8

25

0

1

3

2

4

9

6 12

1

5

4

3

2

0 0

11

10

25

50

75

100

125

150

175

Рис. 4.2. План расположения трипольских площадок на площади поселения Коновка (по В.П. Дудкину 70): 1 – контуры трипольских площадок, 2 – проектные контуры участков раскопок, 3 – номера планшетов съемки.

Всего изучено раскопками полностью или частично (траншеями и шурфами) 12 трипольских площадок. Чаще всего они представлены несколькими слоями обожженной глиняной обмазки толщиной от 10–15 до 30 см. По данным археологических исследований изученные площадки отвечают остаткам глинобитных домов различных типов. Преимущественно это одно- или - 249 -

двухэтажные жилища. Одна из построек имела, вероятнее всего, культовое назначение. 15

Площ. N` 5 Площ. N` 4

Площ. N` 3

10

Z, нТ 240 200 160

5

120 80 40 0 -40

0 0

5

10

15

20

25 м

-80

Рис. 4.3. Карта изолиний ΔZ участка детализации на планшете 4 с контурами трипольских площадок №3 и №4 по данным раскопок (по В.П. Дудкину).

В целом, результаты магнитной разведки поселения Коновка однозначно свидетельствует о высоких разрешающих способностях магнитометрии для решения как поисковых, так и разведочных задач при исследованиях памятников трипольской культуры. На основании полученных данных, исследователи пришли к выводу, что застройка поселения имела неупорядоченный, хаотический характер. Но это не типично для трипольских памятников, где преобладают чаще всего замкнутые кольцевые структуры застройки поселений. В дальнейшем, при повторной интерпретации магнитометрических данных с привлечением различных преобразований исходного магнитного поля удалось существенно уточнить и дополнить картину распределения локальных магнитных аномалий археологического происхождения, установить характер их упорядоченности и воссоздать структурный план поселения Коновка. Результаты этих исследований приведены в другой работе автора 34.

- 250 -

4.2. ПАМЯТНИК ТРИПОЛЬСКОЙ КУЛЬТУРЫ – МАЙДАНЕЦКОЕ Одно из крупнейших трипольских поселений, из числа тех, что известны на сегодняшний день и почти официально получили статус трипольских «протогородов», находится возле с. Майданецкое Тальновского района Черкасской области. Поселение Майданецкое занимает особое место в истории изучения трипольской цивилизации. Открытие Майданецкого, как и других «протогородов» Триполья, намного превышающих по размерам все известные памятники эпохи энеолита на территории Европы и Ближнего Востока, в корне изменило представление о масштабах и уровне развития трипольской цивилизации. О существовании в этом районе такого крупного трипольского поселения стало известно по данным дешифрирования аэрофотоснимков К.В. Шишкиным 67,68. К этому открытию археологи отнеслись с некоторым недоверием. Известные здесь и ранее следы застройки трипольского времени интерпретировались как несколько небольших близко расположенных поселений. И только последующая магнитная разведка памятника смогла доказать гипотезу К.В. Шишкина, обратить предположение в научный факт. Археологические исследования памятника, предпринятые под руководством Н.М. Шмаглия для проверки открытия К.В. Шишкина, сопровождались магнитной съемкой территории предполагаемого поселения – на площади около 180 га. Съемка проведена в 1971–74 гг. В.П. Дудкиным. Для проведения съемки использованы имевшиеся в то время оптико-механические магнитометры типа М-23, М-27. Несмотря на невысокие метрологические характеристики применявшейся аппаратуры, упрощенный способ обработки исходных данных и выделение локальных аномалий археологической природы вручную по карте графиков магнитного поля (подобно тому, как это описано по участку поселения Коновка), получены впечатляющие по тем временам результаты. Удалось не только доказать наличие здесь крупного единого трипольского поселения (и тем самым подтвердить правоту К.В. Шишкина), но и отобразить план застройки поселения. План Майданецкого был представлен в виде карты распределения локальных магнитных аномалий археологического происхождения. Всего на поселении выявлено 1574 трипольских сооружений. Достоверность и надежность магниторазведочных данных подтверждена многочисленными раскопками. Преимущества плана поселения, воссозданного по данным магнитной разведки (рис. 4.5), очевидны. Он выразительно отличается от результатов дешифрирования аэрофотоснимков (рис. 4.4) своей конкретностью и значительно более высокой степенью детальности отображения застройки поселения в виде множества следов отдельных построек. Результаты комплексных исследований трипольского поселения Майданецкое, выполненных почти полвека назад, могут служить яркой иллюстрацией высоких разрешающих способностей магнитной разведки в археологии. Сведения о результатах этих исследований изложены в статье Н.М. Шмаглия, В.П. Дудкина, К.В. Зиньковской 69, а ход последующих раскопок памятника - 251 -

отражен в многочисленных работах Н.М. Шмаглия, М.Ю. Видейко и других исследователей.

Рис. 4.4. План трипольского поселения Майданецкое по данным дешифрирования аэрофотоснимков (по К.В. Шишкину 68).

- 252 -

Рис. 4.5. Планировка трипольского поселения Майданецкое (по В.П. Дудкину) по данным археологических исследований магнитометрическим методом: 1 – контуры локальных магнитных аномалий высокой интенсивности; 2 – контуры аномалий, которые отвечают археологическим остаткам предположительно; 3 – курган раннебронзового века; 4 – пруд.

- 253 -

4.3. МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРОДИЩА РАННЕСЛАВЯНСКОГО ВРЕМЕНИ МОНАСТЫРЕК Городище Монастырек расположено у с. Монастырек Каневского района Черкасской области на высоком (около 100 м) плато правого берега Днепра. Археологические исследования проводились Каневской экспедицией Института археологии АН Украины в 1987 г. под руководством Е.В. Максимова 40 и на большей части площади сопровождались геофизическими работами. Высокоточная магнитная съемка выполнялась под руководством В.П. Дудкина. Повторная обработка исходных фактических данных магнитной съемки и детальное археологическое истолкование магнитометрических материалов проведены автором книги и опубликованы В.П. Дудкиным 15 в 1998 г. Раскопки городища проводились, как до начала магниторазведочных работ, так и после их завершения. Магнитометрические исследования проведены не на всей площади городища, а лишь в пределах доступных участков, исключая ранее изученные археологически объекты. Учитывая эти особенности процесса исследований, будем рассматривать лишь те результаты, которые получены на объектах раскопок, проведенных с учетом магнитометрических данных. На площади городища раскопками выявлено более 40 жилищ древнерусского времени, зарубенецкой культуры и раннеславянских, несколько погребений, более 250 хозяйственных ям и других археологических объектов (рис. 4.6). По периметру городища выявлены следы земляных укреплений. Полнота, детальность и результативность раскопок послужили основой для выбора городища Монастырек с целью анализа возможностей и эффективности магнитометрических исследований археологических памятников древнерусского и раннеславянского времени. Магнитометрические работы проводились высокоточным протонным магнитометром методом высокоточной двухгоризонтной магнитной съемки при высотах магнитоизмерительного преобразователя прибора на уровне 0.2 и 1.2 м над поверхностью земли. Такая методика измерений имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной магнитной съемкой: – обеспечивается практически полный учет вариаций магнитного поля Земли; – погрешности наблюдений минимизируются, и можно реализовать высокую точность измерений на уровне аппаратурной погрешности магнитометра (±1–2 нТ); – представляется возможным непосредственно по результатам измерений вычислить аномалии вертикального градиента магнитной индукции Земли, который обладает существенными достоинствами по сравнению с другими характеристиками и трансформантами магнитного поля и обеспечивает надежное археологическое истолкование магнитометрических данных. Магнитная съемка проведена по сети широтно-ориентированных профилей, расположенных через 2 м один от другого, с шагом 1 м на площади 17 планшетов размером 20×20 м2. Схема расположения планшетов (в нумерации, принятой при проведении археологических раскопок) представлена на рис. 4.6. Часть планшетов покрыта съемкой не полностью. Общая площадь съемки – - 254 -

около 4.6 га. Достигнутая точность съемки не превышает аппаратурной погрешности магнитометра и составляет ε = ±1.4 нТ. По качеству материалов проведенная на городище съемка близка прецизионной. Общий план расположения археологических объектов и участки проведения раскопок на территории памятника представлены на рисунке 4.6, где отображены: 1 – жилища по данным раскопок, проведенных до начала магнитометрических работ; 2– то же, с учетом магнитометрических данных; 3 – хозяйственные ямы; 4 – печь-каменка; 5 – глинобитная печь; 6 – погребения; 7 – участки городища, охваченные магнитной съемкой; 8, 9 – перспективные зоны, рекомендованные для раскопок; 10 – номера планшетов магнитной съемки; 11 – траншеи; 12 – линии оборонительных сооружений. По данным двухгоризонтной магнитной съемки были вычислены значения вертикального градиента и локальные аномалии магнитной индукции методом исключения линейного тренда. Соответствующие карты представлены на рис. 4.7, 4.8. Полученные данные, в основном, хорошо согласуются между собой. Археологическое истолкование магнитных аномалий осуществлялось, главным образом, по карте аномалий вертикального градиента поля с привлечением данных о локальных аномалиях магнитной индукции там, где они более наглядно отображают интерпретируемый археологический объект. В качестве перспективных для археологических исследований принимались положительные магнитные аномалии, полагая, что в культурном слое и заполнении жилищ должны присутствовать остатки керамики, обожженных глин, металлических изделий и другие материалы повышенной намагниченности. При этом наибольший интерес представляют относительно протяженные магнитные аномалии, которые фиксируются 3-мя и более точками и имеют амплитуду более 4–6 нТ/м. Низкая пороговая амплитуда аномалий обоснована с одной стороны высокой точностью магнитометрических наблюдений и низким уровнем помех, а с другой – ожидаемым низким уровнем намагниченности культурного слоя и сравнительно большой глубиной залегания магнитоактивных археологических остатков, которая по данным предварительно проведенных раскопок достигает 0.5–1.3 м. Такой подход к прогнозу ожидаемых археологических объектов оказался вполне оправдан. Из сопоставления плана раскопов с картами магнитного поля легко установить, что в подавляющем большинстве случаев на участках, рекомендованных для раскопок, выявлены те или иные археологические объекты. На рис. 4.7, 4.8 видно также, что контуры магнитных аномалий, как правило, не совпадают с контурами жилищ по результатам раскопок. Это можно объяснить локальным характером распределения магнитных неоднородностей в культурном слое, заполняющем жилище. - 255 -

С

60 31

30

Тр.1

32

29

19

33

17

Тр.2 40

13

16

15

14

26

П.1

37 3

2

1

7

39 4

9

1

2

5

23

13 15 21

3

20

40

41

22

4

5

60

80

100

120

10

15

20

1

2

3

7

8

9

14

4

5

10

11 Тр

п1

6 12

13 14 15 16 17 18 19 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5

Рис. 4.6. Схема . 4.6. Схема расположения археологических объектов на территории Монастырек(условные обозначения – в тексте).

5

140

Схема расположеня участков магнитометрической съемки

Условные обозначения

5

12

13

Тр.4

0

Тр.3

43

11

8

6

44

38 7

20

12

14

40

10

25

24

11

19

42

16

0 0

18

10

36

27

6

28

9

34

35

20

П.2

60 31

30

32 33

40

29 П.2

17

19

10

26

35

34 36

27 П.1

37 3

2

1

4

- раскопки, проведенные без учета магнитометрической съемки - результаты раскопок (жилища), проведенных с учетом магнитометрических данных П.1 - погребения

23 24 11

12

7

20 25

6 5 20

40

15

0

60 1

2

4

13

22

21

8

80 6

10

15

100 20

5

10

15

120

30

Рис. 4.7. Городище Монастырек. Карта изолиний вертикального градиента магнитной индукции, совмещенная с планом расположения археологических объектов.

6

44

43 41

38

16

14

42

40

39

20

0 0

28

9

20

140

60 31

30

32

40

29 П.2

17

19

33

10

26

35

34 36

27 П.1

37 3

2

1

4

- раскопки, проведенные без учета магнитометрической съемки - результаты раскопок (жилища), проведенных с учетом магнитометрических данных П.1 - погребения

23 24 11

12

7

20 25

6 5 20

40

15

0

60 1

2

4

13

22

21

8

80 6

10

15

5

100 20

30

Рис. 4.8. Городище Монастырек. Карта локальных аномалий магнитной индукции, совмещенная с планом расположения археологических объектов.

7

44

43 41

38

16

14

42

40

39

20

0 0

28

9

10

120

15

20

140

Для иллюстрации рассмотрим несколько характерных примеров. Жилище 16 расположено в центре планшета 1. Жилище отмечено одной магнитной аномалией, которая, по данным раскопок, расположена, в основном, в пределах контура жилища (рис. 4.9, а). Аномалия характеризуется повышенными значениями характеристик магнитного поля на трех соседних профилях и имеет форму, близкую треугольнику с закругленными вершинами. Одна из вершин направлена в юго-восточный угол жилища, две другие — на запад и на север. Аномалия имеет один эпицентр (максимум), расположенный в центральной части жилища. В действительности, как видно на рис. 4.9, в, в пределах жилища выявлен не один, а три участка потенциально повышенной намагниченности: развал камней и остатков печи-каменки и две хозяйственные ямы. Располагаются они примерно в вершинах описанной выше аномалии треугольной формы. Таким образом, магнитная съемка по сети 2×1 м2 отмечает археологический объект интегрально, обобщенно, не дифференцируя детали. Следует принять во внимание, что задача детального картирования археологических объектов перед геофизическими работами и не ставилась. Целью были поиски относительно протяженных археологических объектов типа жилище, а не картирование деталей внутри них, в том числе хозяйственных ям. Тем не менее, в некоторых случаях при благоприятном расположении профиля наблюдений оказывается возможным выделение каждого из локальных объектов в отдельности. Такая ситуация наблюдается, например, в районе жилищ 6 и 12 (на том же планшете 1). Жилище 12 частично накладывается в плане на более древнее жилище 6 (см. рис. 4.10). На профиле наблюдений, который прошел как раз по участку перекрытия жилищ, четко фиксируются две изолированные магнитные аномалии, одна из которых отмечает глинобитную печь жилища 12, другая — печь-каменку жилища 6. Судя по амплитудам магнитных аномалий, остатки печи-каменки имеют более высокую намагниченность. К таким же заключениям можно придти и на примере жилищ 11 и 5 (рис. 4.11). Как и в предыдущем случае, одно из жилищ (11) накладывается на другое (5). Аномалия вертикального градиента магнитной индукции по профилю на участке перекрытия жилищ имеет два максимума, один из которых отвечает остаткам глинобитной печи жилища 11, другой — печикаменки жилища 5. Аналогично предыдущему случаю, аномалия от печикаменки имеет большую амплитуду. Обобщая результаты сопоставления магнитных аномалий с контурами жилищ легко установить, что жилища, за редким исключением, характеризуются локальными аномалиями «закрытого» типа, представленными замкнутым контуром изолиний поля, который, в основном, располагается внутри границ жилища. Размеры, амплитуда и форма аномалий определяются, главным образом, количеством, особенностями расположения и намагниченностью археологических остатков в заполнении жилищ и, отчасти, положением магниторазведочной сети относительно изучаемого объекта. Особый случай представляет собой археологический объект № 9 (рис. 4.12) на планшете 19. Хотя он интерпретируется как жилище, однако, судя по магнитометрическим данным, представляет собой производственный объект или часть производственного комплекса. Амплитуда соответствующей - 259 -

аномалии вертикального градиента магнитной индукции достигает 100 нТ/м, т.е. в 5 раз и более превышает амплитуду аномалий от других объектов типа жилище на данной площади исследований. Аномалия, судя по форме в плане и на графиках, связана не с очаговым локальным источником повышенной намагниченности, а с магнитоактивным слоем, распространенным по всей площади жилища. И, действительно, в процессе раскопа объекта № 9 и прилагающей к нему территории обнаружены признаки, подтверждающие предположение о его отношении к производственному комплексу. Жилище 9 представляет собой полуземлянку размером 3.4×3.2 м2, углубленную в грунт на 1.05–1.15 м и ориентированную углами по сторонам света. В юго-западном углу жилища 9 на уровне лессового пола встречен завал камней – развал печи-каменки, обломки шлака. Внутри жилища выделяется темное углистое пятно – хозяйственная яма. На ее дне обнаружена масса железных шлаков. По мнению археологов, масса шлаков отвечает, очевидно, не горну, а месту выброса отходов в яму от близлежащего производственного комплекса. Такое предположение подтверждается бессистемным расположением отдельных кусков шлаков, разбросанностью шлаков мелкими кусочками по всему раскопу, отсутствием среди шлаков кусков обожженной глины, которая применяется при построении горна, и, наконец, находками среди шлаков необожженных костей и фрагментов керамики. Куски железных шлаков найдены также в непосредственной близости от объекта 9. К юго-западу от жилища, начиная с глубины 0.5 м, прослежены 4 хозяйственные ямы, в заполнении которых отмечены обломки керамики, кости, зола, уголь и обожженная глина. В частности, в яме 2 по периметру обнаружены куски обожженной глины. Яма заполнена кусками шлака и фрагментами керамики. По мнению археологов, конструкция представляет собой кузнечный горн. Хозяйственные ямы установлены в результате раскопок практически на всей площади городища. Некоторые из них располагаются внутри жилищ. В этом случае они могут влиять на форму и положение эпицентра связанной с остатками жилища магнитной аномалии, как это мы наблюдаем на участке рассмотренного выше жилища 16 (рис. 4.9). По таким признакам прогнозировать яму до начала раскопок весьма затруднительно, хотя в некоторых случаях, как, например, на участке жилищ 12 и 6 (рис. 4.10) вполне возможно. Отдельно расположенные хозяйственные ямы магнитной съемкой при сети наблюдений 2×1 м2 фиксируются крайне редко, учитывая их размеры (диаметр от 0.5 до 2 м, в среднем – около 1 м) и сравнительно невысокую намагниченность заполняющего материала. Однако группы из 2–3 и более близко расположенных ям обычно отмечаются заметными локальными магнитными аномалиями, тяготеющими к их общему геометрическому центру. Имеется множество примеров таких случаев. Типичная ситуация имеет место к западу от жилища 10 (рис. 4.13) и к юго-западу от жилища 9 (рис. 4.12). Существенно отметить, что локальные магнитные аномалии от группы ям, как правило, заметно отличаются от аномалий, связанных с жилищами, что позволяет обоснованно предположить их природу еще до начала раскопок, т.е. прогнозировать участки возможного скопления ям.

- 260 -

а

Жилище 16 Карта локальных магнитных аномалий (а) и результаты раскопок: разрез (б) и план (в)

Ж.16 16

Условные обозначения: 1

2

3

6

7

8

-1.2

4

5

9

10

14

12

1 - почва; 2 - коренные породы (лесс); 3 - культурный слой; 4 - камни; 5 - остатки печи-камянки; 6 - обгоревшее дерево (уголь); 7 - печь-камянка; 8 - ямы хозяйственные; 9 - высотные отметки ; 10 - контур раскопа.

B a, нТ 5

10

б

12

14

в

Ж.16 -1.2

-1.3

-1.8

0

15

10

А

Б

А

Б -0.9

Ж. 16 Рис. 4.9. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилища 16.

8

а

Жилища 12, 6 Карта аномалий вертикального градиента магнитного поля (а) и результаты раскопок: план (б) и разрез (в)

8

Условные обозначения:

6

2

1

3 8

7

6

-1.2

4

5

9

10

Ж.12

А

1 - почва; 2 - коренные породы (лесс); 3 - культурный слой; 4 - камни; 5 - глинобитная печь; 6 - обгоревшее дерево (уголь); 7 - печь-камянка; 8 - ямы хозяйственные; 9 - высотные отметки; 10 - контур раскопа.

Ж.6

Б

4 2 0

10

12

14

16

18

20

B z, нТ/м 4 -1,5

в

б Ж. 12

2

-1.2

А

-1.0

Б

-1.35

0

10

20

15

Ж. 6

-2 -1.2 -1.1

Б

А -0.9

Яма

Ж.12

Ж.6

Рис. 4.10. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилищ 6 и 12.

9

Жилища 11, 5, 8 Карта аномалий вертикального градиента магнитного поля (а) и результаты раскопок: разрез (б) и планы (в,г)

9

2

3

6

7

8

-1.2

7 4

5

6 А

9

10

5

2

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

в г

Ж. 11 А

10

Ж. 8

-1.15

5 0

Ж. 5

3

б

10

Б

4

1 - почва; 2 - коренные породы (лесс); 3 - культурный слой; 4 - камни; 5 - глинобитная печь; 6 - обгоревшее дерево (уголь); 7 - печь-камянка; 8 - ямы хозяйственные; 9 - высотные отметки; 10 - контур раскопа.

B z, нТ/м 15

Ж. 11

8

Условные обозначения: 1

а

10

12

A

14

-0.8

-1.2 Б

-1.1

-1.1

Б

Ж.11,5

-1.6 -2

Ж. 5 -0.9

-1.4

Ж. 8 -0.8

-0.6

-0.5

-1.1

Рис. 4.11. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилищ 5, 8 и 11.

8

а Жилище 9 Карта локальных магнитных аномалий (а) и результаты раскопок: разрез (б) и план (в)

8

Условные обозначения:

6

1

2

3

6

7

8

-1.2

4

5

9

10

1 - почва; 2 - коренные породы (лесс); 3 - культурный слой; 4 - камни; 5 - глинобитная печь; 6 - обгоревшее дерево (уголь); 7 - печь-камянка; 8 - ямы хозяйственные; 9 - высотные отметки; 10 - контур раскопа.

4

2

0 B z, нТ/м 100

Ж.9

16

18

20

22

24

в

б

Ж.9

А

50

Б

-1.3 -1.2

0

19

20

21

22

23

24

Б

А Ж.9

-1.6

-1

№1

№2

№3 -2.0

№4 -0.7

Рис. 4.12. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилища 9.

9

Жилище 10 Карта аномалий вертикального градиента магнитного поля (а) и результаты раскопок: план (б) и разрез (в)

а

24

22

Условные обозначения: 1

2

3

6

7

8

-1.2

4

5

9

10

Ж. 10 20

18

1 - почва; 2 - коренные породы (лесс); 3 - культурный слой; 4 - камни; 5 - глинобитная печь; 6 - обгоревшее дерево (уголь); 7 - печь-камянка; 8 - ямы хозяйственные; 9 - высотные отметки; 10 - контур раскопа.

16 0

2

4

6

8

10

12

B z, нТ/м 40

б

в

-1.35

№27 -0.8

№20 -1.3

№18

№19 -1

-0.75

А

-0.7

-0.7

-0.7

№21 №36

№22

20

№28

-0.8

-1.18

0

Ж.10 Б

0 А

2

4

6

8

10

12

Б

№20 №21

Рис 4.13. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилища 10.

8

Морфология аномалий, в пределах которых найдены древние погребения, существенно отличается от аномалий, связанных с жилищами или хозяйственными ямами. Узкими линейными магнитными аномалиями сравнительно большой протяженности отмечаются обычно древние рвы. Двух примеров для статистики, может быть, и недостаточно, но вызывает интерес тот факт, что оба изученных погребения приурочены именно к таким аномалиям. Как видно на рис. 4.14, а, погребение 1 расположено в северной части подобной линейной магнитной аномалии. Она начинается на планшете 6 и продолжается (с изгибом) в пределах планшета 1.

а

10 9

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1 9

10

11

П. 2

9

П. 1

8

0 8

б

10

12

13

14

15

16

0 12

13

14

15

16

17

18

19

20

Рис. 4.14. Выделение древних погребений по аномалиям вертикального градиента магнитной индукции.

Учитывая особенности магнитной аномалии и положение погребения относительно нее, можно предположить, что к югу от погребения 1, может быть еще одно или несколько погребений. Подобная ситуация наблюдается и в районе погребения 2 (рис. 4.14, б) на планшете 17. Однако к западу от него на подобной, но еще более узкой локальной аномалии экспериментальным раскопом обнаружена лишь группа из трех хозяйственных ям. Рассмотренный пример магнитометрических исследований раннеславянского городища Монастырек еще раз убедительно свидетельствуют о высокой эффективности магнитной разведки археологических памятников. Такой вывод, оказывается, справедлив не только относительно трипольских поселений, где остатки жилищ отличаются высокой намагниченностью слагающего их материала (скоплений обожженных глин), но и при исследованиях археологических памятников других культур в условиях сравнительно низких характеристик намагниченности искомых объектов. - 266 -

Проведенная на городище Монастырек прецизионная двухгоризонтная магнитная съемка при всех ее достоинствах имеет свои недостатки. Для ее выполнения требуется специальная дорогостоящая аппаратура – дифференциальный магнитометр, опробованный В.П. Дудкиным 12 еще в 1970 г., магнитометр-градиентометр или, по меньшей мере, модернизация серийных магнитометров и оснащение их необходимыми приспособлениями. Кроме того, несколько усложняется технология полевых работ, что также сопряжено с дополнительными расходами. В связи с этим возникает вопрос об альтернативе: нельзя ли, не проводя полевых градиентометрических наблюдений, получить распределение вертикального градиента магнитной индукции по результатам обычной магнитной съемки? Для решения этого вопроса на заключительном этапе обработки магнитометрических данных по площади городища Монастырек были исследованы возможности вычисления вертикального градиента магнитной индукции по результатам измерений на одном уровне наблюдений (в данном случае на высоте 20 см от земной поверхности). Успешно применяемые в геологоразведке вычислительные схемы непосредственного расчета вертикальных градиентов магнитного поля в наших условиях оказались практически неприменимы по целому ряду причин: – магнитные аномалии археологической природы отличаются сильной изрезанностью в связи с естественной магнитной неоднородностью культурного слоя; – «полезные» аномалии от археологических объектов фиксируются небольшим количеством точек (2–3, редко – 5-ю или более), что значительно меньше ширины необходимого расчетного интервала; – наблюденное магнитное поле осложнено аномалиями-помехами, которые при трансформации магнитной индукции в значения вертикального градиента усиливаются и затрудняют выделение полезных сигналов. Все эти препятствия можно было бы преодолеть, имея результаты магнитной съемки, проведенной с меньшим шагом наблюдений по профилю – через 0.5 м и менее. Это могло бы обеспечить достаточное число точек в расчетном интервале, а также возможность сглаживания наблюденного поля и фильтрации короткопериодических аномалий-помех частотными методами. Однако исследования с шагом 0.5 м или меньше вряд ли обойдутся дешевле, чем двухгоризонтная съемка. Был опробован и другой путь вычисления вертикального градиента магнитной индукции, основанный на использовании аналитического продолжения магнитных аномалий в верхнее полупространство, на некоторую высоту H выше уровня наблюдений. По этим данным значения вертикального градиента магнитной индукции могут быть вычислены по формуле:

Bz (i ,0) = [ B(i ,0) − B(i , H )] / H ,

(4.1)

где B(i,0), B(i, H ) – значения магнитной индукции соответственно на нижнем («нулевом») и верхнем уровне над поверхностью земли. Пересчет наблюденного магнитного поля в верхнее полупространство можно выполнить, например, по формуле А.К. Маловичко, рассмотренной в главе 3: - 267 -

B(i , H ) =

+4

∑K

j =−4

j

⋅ B(i + j ,0) ,

(4.2)

где B (i + j ,0) – значения наблюденного поля на «нулевом» уровне в точках расчетного интервала j = ±4; K j – коэффициенты расчетной формулы. Экспериментальные расчеты проведены по 1-му планшету магнитной съемки городища Монастырек. МагB(0) 50 B(+1) нитное поле, измеренное в 40 процессе двухгоризонтной съемки на нижнем уровне 30 (0.2 м), было пересчитано по Bz набл Bz теор 20 формуле (4.2) в верхнее полупространство на высоту 10 Bz 1.2 м. Используя полученные 0 12 4 8 16 20 м данные, по формуле (4.1) -10 вычислены «теоретические» значения вертикального граРис. 4.15. Сопоставление значений диента магнитной индукции. вертикального градиента по результатам Сопоставление этих трансформаций – B z теор, с данными теоретически рассчитанных непосредственных измерений – B z набл. значений вертикального градиента поля со значениями, полученными экспериментально по данным наблюдений на двух уровнях, показывает, что результаты расчетов хорошо согласуются с данными непосредственных измерений. На рис. 4.15 результаты аналитического продолжения аномалий в верхнее полупространство – В(+1), в сравнении со значениями магнитной индукции на нижнем уровне наблюдений – В(0), приведены по профилю 14 через эпицентр аномалии над описанным выше жилищем 16 (см. рис. 4.9). На этом же рисунке приведены графики теоретически рассчитанных и экспериментально полученных значений вертикального градиента – B z набл и B z теор. Расхождение этих значений иллюстрируются графиком dBz = B z набл – B z теор. Средняя величина расхождения экспериментальных и теоретических данных составляет около 1.5 нТ при практически нулевом среднем (< 0.5 нТ), что фактически на уровне погрешностей наблюдений. Таким образом, можно считать доказанным на экспериментальной основе возможность использования магнитной съемки на одном уровне при археологических исследованиях археологических памятников зарубинецкой культуры, раннеславянских и древнерусского времени, при условии, что шаг наблюдений по профилю не более 1 м. На основании анализа результатов магнитометрических исследований городища Монастырек можно сделать следующие выводы. 1. Магнитометрические исследования отличаются общей высокой эффективностью даже в случае поисков слабомагнитных археологических объектов. 2. Высокоточная (прецизионная) двухгоризонтная магнитная съемка имеет существенные преимущества перед обычной магнитной съемкой. Она

B, нТ B z , нТ/м

- 268 -

не только обеспечивает достижение более высокой точности магнитометрических исследований, но и предоставляет возможность непосредственно по результатам измерений определять две характеристики поля – значения магнитной индукции и ее вертикального градиента. В целом это создает благоприятные условия для реализации высоких разрешающих способностей магнитной разведки при исследованиях археологических памятников в условия сравнительно низкой намагниченности археологических остатков. 3. Сеть магнитометрических наблюдений 2×1 м вполне достаточна для проведения неразрушающих поисков и исследований археологических памятников типа городища Монастырек. При этом, хотя контуры жилищ определяются и приближенно, но их наличие и местоположение устанавливаются практически однозначно. Другие, более мелкие объекты (типа хозяйственных ям) можно прогнозировать по магнитометрическим данным только в случае их группирования на небольшом расстоянии один от другого или на основе детализационных работ по более густой сети наблюдений. 4. Вместо двухгоризонтной магнитной съемки можно ограничиться проведением высокоточных магнитометрических исследований по той же сети наблюдений (с шагом не более 1 м) при выполнении измерений на одной постоянной высоте (0.1–0.2 м) над земной поверхностью. Значения вертикального градиента магнитной индукции рекомендуется рассчитывать на основе аналитического продолжения магнитных аномалий в верхнее полупространство на небольшую высоту (не выше глубины залегания магнитоактивных археологических остатков).

- 269 -

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 археологических объектов. Успешное решение поисково-картировочных задач на этих объектах гарантирует не менее успешное решение аналогичных задач на множестве других объектов с промежуточными геометрическими и физическими параметрами.

4.4.1. ПОИСКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ГОНЧАРНЫХ ГОРНОВ В 1969-70 гг. поисково-разведочные археологические работы проводились 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 методом свидетельствовали как материалы раскопок прошлых лет, так и экспериментальные 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 скоплений 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 гончарных 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 детализация по сети 1×1 м2. - 270 -

Наблюдения выполнялись по циклической методике (опорная точка – 10 замеров – опорная точка). Такая методика съемки позволяла учесть нестабильность показаний магнитометра во времени и практически полностью исключить влияние вариаций магнитного поля Земли. После обработки результатов измерений, учета необходимых поправок и исключения региональной составляющей геомагнитного поля строились карты изолиний вертикальной составляющей Za вектора напряженности магнитного поля Земли, которые служили основным материал для археологического истолкования магнитометрических данных. а

4

б

5

Z а, нТ

4

100

3

75

3

40

2

20

2

0 -20

1

1

-40 -60

0

5

6

7

8

9

0 10м 1

2

3

4

-60 -40 -20 0

5

6

7

Z a, нТ

8

9м

20 40 60

Рис. 4.16. Карта изолиний вертикальной составляющей напряженности магнитного поля (Za) 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 соответствовало 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 проведено 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 интерпретируемой 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 изолиний Z-составляющей вектора напряженности геомагнитного поля, построенной в вертикальной плоскости (рис. 4.17, б), четко определяется контур области 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 интерпретация магнитной аномалии, создаваемой таким изометрическим телом небольшого распространения на глубину, иллюстрируется рис. 4.18. - 271 -

Z, нТ

400 300 200 100 0 -100

Уровень наблюдений h=0м

1

2

3

4

5м

Z, нТ

400 300

h = 0.5 м

Глубину верхней кромки аномального изометрического объекта (не предопределяя его формы) можно оценить по формуле Д.С. Микова 45 по абсциссам x1 и x2 характерных точек интерпретируемых кривых Za на двух различных уровнях над поверхностью наблюдений:

200 100 0 -100

1

2

3

4

5м

h=

x1 Δh x2 − x1

(4.3)

Z, нТ

400 300

где Δh – интервал между уровнями поля по высоте; x1 и x2 – 200 абсциссы точек перехода через 0 100 кривых Z на каждом из уровней. a 0 4 1 3 2 5м Определив значения x1 и x2 -100 из графиков магнитного поля, Z, нТ приведенных на рисунке 4.18 400 (2x1 = 2.5 м – на нижнем уровне и 300 h = 1.5 м 2x2 = 4 м, соответственно – на 200 верхнем), и подставляя их в 100 0 формулу (4.3), получим глубину 4 3 1 2 5м h = 0.3 м. -100 Так как нижний уровень расположен на 0.5 м ниже по1 3 2 4 5м 0 верхности наблюдений, истинная 0.5 глубина залегания верхней кромки объекта будет на 0.5 м боль1.0 ше: h1 = h+0.5 = 0.8 м. 1.5 Из соотношения площадей, Глубина ограниченных кривой Zа и осью Рис. 4.17. Аналитическое продолжение абсцисс на уровне наблюдений магнитной аномалии от гончарного горна по (So) и на некоторой глубине h профилю 2 на глубины 0.5, 1 и 1.5 м: (Sh), можно определить глубину а – графики напряженности магнитного поля залегания центра источника ано(Za), б – карта изолиний Za малии методом Б.Д.Полетаева и в вертикальной плоскости. В.Н. Розенберга 48. В частности, для объекта изометрической формы глубина залегания центра намагниченных масс определяется по формуле: h = 1.0 м

h0 =

Δh ( S 0 S k − 1)

- 272 -

(4.4)

Z a, нТ Z xx, усл. ед.

200

Z xx (0.5) Z a (0.5)

100

Z a (0)

0.5 Z max 2 X 05 0 1

2

2 X 03

4

5м

2 X min -100 0

Величина h0 составляет в данном случае 1.3 м. Для контроля оценим глубину залегания центра интерпретируемого объекта методом характерных точек по кривой Za(0.5), рассчитанной для глубины h = 0.5 м. Глубину залегания центра тела изометрической формы можно рассчитать по формулам (Д.С. Миков 45):

h0 = x0 1.41 + h ; 1

2

3

4

5м

h 1= 0.8 м

h0 = xmin 2 + h ,

(4.5)

где h – глубина уровня отображения аномалии; x0 и xmin – коорh 0 = 1.3 м динаты точек кривой, в которых h 2 = 1.8 м значения напряженности магнит2 ного поля Za = 0 и Za = Zmin . h, м Определим из рис. 4.18 по графику Za при h = 0.5 значения Рис. 4.18. Пример количественной абсцисс характерных точек: x0 = интерпретации магнитной аномалии, 1.20 м и xmin = 1.60 м. создаваемой гончарным горном. Подставляя их значение в формулу (4.5), получим, соответственно, h0 =1.35 м и h0 = 1.3 м, что хорошо согласуется с результатом проведенных ранее вычислений. Зная глубину верхней кромки объекта и его центра, легко оценить предельную глубину, на которой можно еще ожидать находки археологических остатков. В данном случае нижняя кромка археологического объекта залегает на глубине порядка h2 = h1+2(h0 – h1) = 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-составляющей вектора напряженности магнитного поля (Zxx). В данном случае оба приема приводят к близкому результату и можно принять, что поперечные размеры интерпретируемого аномального объекта не превышают 1.8 м (отрезок 2x0.5 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 подтвердили выводы, полученные по данным геофизической разведки. Границы гончарных горнов были определены на местности до начала раскопок с точностью 0.3–0.5 м. 1

- 273 -

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:

κ = 2M S ,

(4.6)

где M = h12 Zmax – магнитный момент намагниченного тела; S =πR2 – площадь поперечного сечения; R – радиус аномальной зоны. Принимая глубину залегания верхней кромки цилиндра h1 = 8 м и радиус R = 0.9 м, получим при Zmax = 100 нТ величину магнитной восприимчивости археологических остатков κ= 503·10-6 СГС или, переходя к международной системе единиц измерения, κСИ = 503·4π10-6 СИ. Такая магнитная восприимчивость, в соответствии с данными, приведенными в главе 1 (табл. 1.4), отвечает материалам, представленным обожженными глинами. Такой вывод является важным доказательством принадлежности исследуемых археологических 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: 2 J СИ = 10 7 κ СИ 16 π 2 .

Рассчитанное выше значение магнитной восприимчивости приближенно соответствует намагниченности J = 2530⋅10-3 СИ, что примерно отвечает нижнему 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 сопряжено с большими расходами на поисковые горные работы в связи со значительной глубиной залегания искомых объектов, их разбросанностью на местности и отсутствием каких бы то ни было поисковых признаков на поверхности. Целесообразность и необходимость применения магнитной разведки 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 исследований оборонительного рва на поселении трипольской культуры у с. Казаровичи Киевской области. Графики наблюденного над линией рва магнитного - 274 -

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 отображать с достаточной степенью детальности исследуемые аномалии и проводить 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 линейной 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 наблюдений для получения наглядного представления о распределении аномальных 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 наблюдений, с большой степенью достоверности можно предположить связь аномалии с археологическим объектом типа рва. Для целей количественной интерпретации аномальный объект в первом приближении можно аппроксимировать мощным вертикальным пластом, удовлетворяющим условию 2b>h1, где 2b – горизонтальная мощность пласта, h1 – глубина залегания его верхней кромки.

- 275 -

12

а

Аномалии магнитной индукции Карта изолиний Пространственная Ba, нТ модель магнитного поля рва

13 11

8

б

9 7 5

4

3 1

0 0

4

8

12

-1

Профиль

Профиль

Карты графиков магнитной индукции по данным съемки по данным моделирования в 0.5 В max г 3 3

2

1 Контур рва

0 0

4

8

12 м

2

Ba, нТ

1

20 10

0

0

4

8

12 м

0

Рис. 4.19. Результаты магнитометрических исследований оборонительного рва на трипольском поселении.

Профиль 4 3 2 1

0 1.5 м

0

4

8

12

16

20

24 м

Рис. 4.20. Аналитическое продолжение магнитных аномалий над трипольским рвом в нижнее полупространство.

- 276 -

Процесс количественной интерпретации иллюстрируется рисунком 4.21 на примере профиля 2, по которому проведены опытные раскопки. Результаты 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 h1 определяются по абсциссам x0,5 и x0,25 характерных точек кривой Za на уровне наблюдений, где значения напряженности магнитного поля составляют соответственно Zmax/2 и Zmax/4:

h1 =

x02.25 − x02.5 ; 2 x0.5

(4.7)

b = x02.5 − h 2 . В частности, для аномалии по профилю 2, определив из рис. 4.21 значения x0.5 и x0.25, получим: h1 = 0.4 м, b = 0.95 м. Глубину залегания центра аномальных магнитных масс можно оценить по формуле:

h0 = xi

Zi , Z max − Z i

(4.8)

где Zi – значения магнитной индукции в точках, удаленных на расстояние xi от эпицентра кривой – точки со значением Zmax. Усредняя результат расчета по нескольким точкам, получим h0 ≈ 0.9 м. Зная глубину залегания верхней кромки h1 и центра масс h0, можно оценить глубину нижней кромки археологического объекта: h2 = h1 + 2(h0 – h1) = 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 ≥ 1.5h0 ≈ 2 м (при том же расположении центра масс на глубине h0). 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 намагниченность аномального тела может быть вычислена из простого соотношения: - 277 -

J=

10 ΔZ a ⋅ , 2π sin I

(4.9)

где ΔZa – 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 ≈ 70o, и амплитуду аномалии по профилю 2 (см. рис. 4.21) ΔZa = 22 нТ, получим: J = 39⋅10-3 СИ. Z, нТ

Z(0.5) max

а

в Глубина

20

0

-1

15

-2 м

Z(0) max

10

16

14

18

20 м

Условные обозначения

Z(0) 0.5 max

5

- почвенный слой

Z(0) 0.25 max

- лессовидный суглинок

0 16 -5

18

20 м

б

-1

14

- смешанное заполнение рва - темное гумусированное заполнение рва

h2

1 2 3

- глина - песок

h1 h0

0

-2 м

Уровень наблюдений

- контур рва по данным количественной интерпретации магнитной аномалии

16

20 м

18

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:

h=

2M , Z max

- 278 -

(4.10)

где M = J⋅S – магнитный момент единицы длины цилиндра; J – величина намагниченности; S = πR2 – площадь, R – радиус поперечного сечения. При ΔZa = 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

h1, м

b, м

h0, м

h2, 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 археологических 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 заполнения 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 восприимчивости заполнения ям и рвов. Таким образом, предположение о связи выявленной аномальной зоны с древним рвом получает дополнительное подтверждение. - 279 -

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 количественной интерпретации магнитных аномалий желательно, чтобы измерения 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 гончарных 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 способностях магнитного метода поисков и исследований археологических объектов базируется на сопоставлении моделей с результатами экспериментальных раскопок. Обобщая полученные результаты, можно вполне обоснованно утверждать, что высокоточные и прецизионные магнитные съемки могут успешно применяться также для выделения хозяйственных ям, объектов типа заполнения жилищ, остатков древних построек, ритуальных сооружений, в ряде случаев захоронений и многих других типов археологических объектов. Необходимо 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 м2, чтобы не пропустить объект, 1×1 м2 для его детализации и, кроме того, рекомендуется провести дополнительные наблюдения с шагом 0.5 м по интерпретационным профилям. При этом достаточно провести высокоточную съемку со среднеквадратической погрешностью ε = ± (3...4) нТ. Для поисков и картирования древних рвов сеть наблюдений может быть от 2×1 м2 до 5×1 м2 с последующей детализацией с шагом 0.5 м по интерпретационным 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.

- 280 -

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 накладываться на аномалии археологической природы и искажать общую картину их распределения. Под термином «техногенные» обычно понимают объекты промышленности, строительства или коммуникаций. Наряду с этим существует множество других источников магнитных аномалий-помех антропогенного происхождения. 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 аномалии, создаваемые такими предметами, не представляют, естественно, никакого интереса. Значительную часть антропогенных объектов составляет множество захоронений военной техники, оружия, боеприпасов и другого имущества, которые сохранились со времен Великой отечественной войны. Учитывая, что основным магнитоактивным материалом, как собственно техногенных (промышленных), так и антропогенных (бытовых) объектов является железо, различить их по магнитометрическим данным практически невозможно. 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 аномалии должны быть отбракованы. В связи с этим в дальнейшем для сокращения, говоря о техногенных объектах, мы будем иметь в виду и объекты антропогенного происхождения. В некоторых случаях техногенные объекты их категории военноисторических могут представлять непосредственный поисковый интерес. Однако множество находок времен последней войны, как правило, военноисторического интереса не представляют. При проведении магнитных съемок они создают аномалии-помехи, осложняющие археологическое истолкование полученных данных. Техногенные объекты, связанные с гражданской деятельностью населения также не представляют, как правило, научного интереса и не подлежат учету и охране. Поэтому заслуживает особого внимания проблема 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, - 281 -

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 опубликованных) примеров успешного применения магнитометрического метода поисков объектов, представляющих определенный интерес для историков, специалистов в области военной техники, а также объектов типа скрытого в земле склада боеприпасов, представляющих повышенную опасность для населения. Известны также примеры специальных поисков и картирования средствами магниторазведки скрытых в земле техногенных объектов различного 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 привлекают единым подходом к вопросам методики магнитометрических исследований и интерпретации магнитных аномалий от объектов весьма разнообразных 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 типичного техногенного объекта приведем результаты экспериментальных магнитометрических 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: выяснение возможностей магнитометрического метода при трассировании подземных трубопроводов, оценка информативности и экономической эффективности магнитометрии по сравнению с альтернативными исследованиями методами электроразведки, а также выявление связей характерных особенностей магнитного поля с техническим состоянием трубопровода. Для сокращения объема материала последние два аспекта целевого задания не рассматриваются. Экспериментальные исследования проведены в пределах двух участков площадью 120×20 м2 каждый, выделенных заказчиком в качестве наиболее интересных. С целью сокращения иллюстративного материала ниже рассматриваются результаты исследований только по одному из участков (№2). Длинная ось участка съемки ориентирована широтно (вдоль оси трубопровода), 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 м2 протонным магнитометром ММП-203 при установке датчика прибора на высоте 0.3 м над поверхностью земли. - 282 -

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 железными предметами в верхних слоях грунта, задача достижения высокой точности 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 аномалий, которые в отдельных местах прерываются аномалиями отрицательного знака. Подобная характерная особенность распределения магнитных аномалий является типичной и наблюдается практически на всех трубопроводах. Трубопровод из стальных цельнометаллических труб фиксируются, как правило, цепочкой магнитных диполей, отвечающих отдельным трубам (или секциям труб). Каждый такой диполь отмечается интенсивной положительной аномалией 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 проявляется более контрастно, чем на Дубоссарском полигоне. Эта объясняется, по-видимому, тем, что в данном случае мы имеем дело не с цельнометаллическими трубами, а с бетонными конструкциями, армированными железом. Вследствие ячеистого заполнения стенок труб магнитоактивным материалом их остаточная намагниченность значительно уступает намагниченности цельнометаллических 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 намагниченность труб вызвана главным образом индуктивной составляющей, то вектор намагничивания труб должен быть ориентирован в плоскости магнитного меридиана. При широтном, как в данном случае, залегании трубопровода 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, сопутствующих главным положительным аномалиям. В какой-то мере четкообразный характер магнитной аномалии трубопровода отмечается и на Дубоссарском трубопроводе. Периодически с интервалом 4–5 м наблюдается резкое уменьшение амплитуды аномалии и пережимы (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 - 283 -

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).

Карта аномалий магнитной индукции 0

1

А

C 3

4

B a, нТ/м

А

10

20 0

0

2

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Б Аномалии горизонтального градиента магнитной индукции

120

B x, нТ/м

10

20 0

0

10

В

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Аномалии вертикального градиента магнитной индукции

120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

800 400 100 -200 -600 -1000

B z, нТ/м

10

20 0

1600 1000 250 0 -200 -1000 -2000

120

1000 700 550 200 -200 -400 -1000

Пространственная модель аномалий магнитной индукции над трубопроводом Г

Условные обозначения:

1 - вентили 2 - металлический столб Ось трубопровода: 3-основного, 4 - заброшенного (?)

Рис.4.22. Результаты магнитометрических исследований на Дубоссарском гидротехническом полигоне.

- 284 -

Эпицентр трубопровода располагается вблизи максимума аномалии в точках, где магнитная индукция близка величине Bo = Bmax – |Bmin|. По данным трансформаций исходных аномалий магнитного поля, зона трубопровода отличается высокими значениями горизонтального и вертикального градиентов 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 отрицательными магнитными аномалиями. Положительная аномалия к северу от основной ветви трубопровода в районе профилей 50–60, по-видимому, связана 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 профиля 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 B0 = Bmax – |Bmin| 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 45, – по характерным точкам кривой:

h=

x min 3

=

x065 0.58

(4.11)

или, из соотношения амплитуд аномалий на уровнях 0 и Δh метров над поверхностью наблюдений:

- 285 -

h = Δh

Bm1 Bm 0 − Bm1

.

(4.12)

Расчеты по формулам (4.11), (4.12) дают следующие значения h: 1.4, 1.5 и 1.4 м, соответственно. B a, нТ

Относительная погрешность 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 залегания центра трубопровода в районе профиля 10 можно принять в среднем близкой 1.1 м. Магнитный момент горизонтального кругового цилиндра связан с другими параметрами соотношениями:

а Bmax 0

1000

B(0) 800

2x 0.65

600

B a, нТ ( h=1 м)

Bmax 1

400

400

B(1) 200

d

200

x min

0 0

i -200 0 1 2

h

0

0

5

M = Bmax ⋅ h 2 2 = J ⋅ S , (4.13)

h

J 10

15

20 м

б h=1.25 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Рис. 4.23. Пример интерпретации магнитной аномалии по профилю 10: а – методом характерных точек, б – по алгоритму С.П. Левашова.

где S = πR2 – площадь поперечного сечения цилиндра радиуса R; J – модуль вектора намагниченности. Отсюда можно определить величину намагниченности источника аномалии:

J=

Bmax ⋅ h 2 . 2S

(4.14)

Принимая R = 0.4 м, h = 1.4 м, Bmax = 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: tg i = 3d Δh , где d – смещение максимумов интерпретируемой аномалии при пересчете на высоту h. В нашем случае при d = 0.6 м получим: i = 61o. Таким образом, основные характеристики исследуемого объекта в данном случае могут быть определены простейшими приемами, основанными на использовании характерных точек интерпретируемой кривой. - 286 -

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 принципиально 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 Таблица 4.2. Результаты количественной максимальную величину его интерпретации. предполагаемой намагниченности. Угол Номер Средняя НамагниЗадавшись границами наклона глубина ченность, глубин 0.5 и 2 м и максипрофиля вектора мальной намагниченностью залегания, J, А/м намагничи- J = 20 А/м, получим геомагh, м вания нитный разрез, представленный на рис. 4.23, б. На i, градус фоне нулевой намагничен10 1.1 20.1 61 ности вмещающей среды 11 0.8 13.3 61 контур сечения трубопровода отмечается изолини30 0.75 7.2 56 ями интенсивности намагни31 0.75 5.8 56 чивания в интервале 12– 70 0.8 9.2 61 20 А/м с центром на глубине 1.25 м. Такое совпадение 74 0.8 10.5 61 результатов интерпретации 113 0.95 16.8 61 различными методами говорит о высокой степени до114 0.8 8.4 65 стоверности определения 18 1.2 –18,0 -119 геометрических и физических параметров исследуемого объекта. О распределении характеристик трубопровода на всей площади исследований дают представление данные количественной интерпретации аномалий по ряду других профилей, выбранных на участках наименьшего искажения 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 60о. С целью уточнения природы упоминавшихся ранее интенсивных отрицательных аномалий проведена также количественная интерпретация по профилю 18 через область минимума, ближайшего к описанному выше интерпретационному профилю 10. График магнитной индукции по профилю 18, пред- 287 -

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, получим такой график магнитной индукции, который по форме вполне соответствует 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 а B a, нТ 18 подтверждают правильность предположения об обратной 200 намагниченности части труб в 0 зонах интенсивных минимумов. ? Величину намагниченности и -200 магнитной восприимчивости по -400 объекту в целом можно оценить непосредственно по магнито-600 B(0) метрическим данным. Воспользовавшись методом, описанным -800 в «Справочнике геофизика» 39, -1000 можно вывести эмпирическую б формулу: 1000 B max 0

800

B a, нТ

600 ( h=1 м) 400 400 200 200 0 0

B(0)

J (i ) =

2x 0.65

Bmax 1

m 10 C ∑ B(i + k ) . 2πp(2m + 1) k =− m

(4.15) d

xmin

B(1)

Поправочный коэффициент C зависит от формы аноh 0 мального объекта. Для случая J h i трубопровода из бетонных, -200 армированных железом труб по 0 5 10 15 20 данным количественной интерРис. 4.24. Интерпретация магнитной претации аномалий (табл. 4.2) аномалии по профилю 18: коэффициент принят равным а – исходный график магнитной индукции, С = 3.8. б – «обращенная» кривая. Определив намагниченность J, из известного соотношения J = κT можно оценить также величину эффективной магнитной восприимчивости объекта, приняв в первом приближении T ≈ 0.5 Э. Результат расчетов приведен на рис. 4.25. - 288 -

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 намагничивания 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).

Аномалии магнитной восприимчивости

А

к, 10 -3

0

50 30

10

14 5

20 0

J, А/м 30 20 10 0 -10 -20 -30

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0

Распределение интенсивности намагничивания вдоль оси трубопровода

Б

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

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. - 289 -

Некоторые элементы такого анализа рассматриваются ниже в заключительной части данного раздела главы.

2. Картирование линии водопровода в урочище Зеленая Брама Характерный случай картирования «незапланированного» типичного техногенного объекта – водопровода описан в работах Ю.А. Ружина и А.К. Станюковича 50,56. Магнитометрические исследования проводились в лесном массиве Зеленая Брама близ Умани с целью поисков скрытых наносами ферромагнитных объектов времен Великой Отечественной войны. 0

С Та ,нТ

2

800

4

600 400

6

200

Шурф 8

50 -50

10

-200

Трубопровод -400

12 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 м

-600

Рис. 4.26. Карта изолиний напряженности магнитного поля (Та) над линией современного водопровода в урочище Зеленая Брама (по Ю.А. Ружину и А.К. Станюковичу 50).

На одном из участков магнитометрические работы первоначально были нацелены, по сигналу местных жителей, на поиски склада артиллерийских боеприпасов времен войны. Однако выявленная система знакопеременных аномалий (цепочка магнитных диполей), представленная на рис. 4.26 не могла быть связана с гипотетическим складом снарядов. Сравнение обнаруженной аномалии с аномалиями от гидротехнического сооружения, представленного на рис. 4.22, показывает их весьма близкое сходство. Как положительные, так и отрицательные области аномальной зоны отличаются высокими значениями амплитуд и горизонтальных градиентов поля. Размеры диполей достигают 6– 8 м, а их оси расположены на одной прямой в направлении меридиана. Четкообразная структура поля на участке съемки позволяет однозначно утверждать, что склад снарядов здесь не может располагаться. Такая линейная группа аномалий, скорее всего, могла соответствовать какому-то линейному объекту типа трубопровода. Небольшой шурф, пройденный для проверки аномалии, подтвердил наличие современного водопровода. - 290 -

Существенно отметить, что поиски были нацелены на выявление объекта примерно изометрической формы. Остановка поисковых работ на стадии оконтуривания первой попавшейся секции труб водопровода могла бы закончиться ошибочным выводом о связи выявленной аномалии с искомым объектом. Данный пример позволяет сформулировать «первое правило» диагностики аномалий техногенной природы: изучение сомнительных аномалий всегда следует несколько продолжить в их периферийной части для оценки их возможного линейного характера и связи с трубопроводами или иными техногенными объектами.

3. Выявление техногенного объекта на поселении предскифского периода Суботов Суботовское городище расположено на окраине с. Суботов Чигиринского района Черкасской обл. Поселение относят к чернолесской культуре предскифского периода. Памятник Суботов давно привлекал внимание археологов. Археологические исследования проводились экспедициями Института археологии НАНУ в 1951, 55 и 71 гг. под руководством А.И. Тереножкина 60. В 1994 г. экспедиция МЧНП НИИГео провела здесь раскопки (В.И. Клочко) и магнитную съемку южной части поселения (В.П. Дудкин). Обработка и интерпретация исходных магнитометрических данных выполнена автором в 1999 г. Как видно на рис. 4.27, а, на южных планшетах магнитной съемки – 10, 3, 2 (на планшетах 9 и 4 съемка не проводилась) тип поля магнитной индукции существенно отличается от поля северной части участка работ. Относительно спокойное магнитное поле на уровне 70–100 нТ (уровень условный) сменяется к югу (на планшете 10) знакопеременными высоко интенсивными аномалиями амплитудой до –1000 и +1400 нТ. Они характеризуются высокими горизонтальными градиентами и намного превосходят размеры аномалий археологической природы (первые метры), обнаруженные в северной части площади, достигая 10–15 м в поперечнике. Особенно наглядно отличия этих аномалий от тех, что обусловлены археологическими объектами, проявлены на карте локальных аномалий, представленной на рис. 4.27, б. Возник вопрос, какова природа этих аномалий, не связаны ли они с неизвестными ранее крупными археологическими объектами, имеющими отношение, например, к выплавке или обработке металла? Дальнейшие магнитометрические исследования, проведенные к востоку от этой зоны в пределах планшетов 2 и 3, позволили выяснить, что аномалии данного типа образуют линейно вытянутую цепочку взаимосвязанных минимумов и максимумов. По этому признаку их можно уверенно отождествить с техногенным объектом типа трубопровода. В дальнейшем было установлено, что здесь проходит линия водовода местного гидротехнического сооружения. Прерывистый характер аномальной зоны можно объяснить значительной остаточной намагниченностью отдельных звеньев трубопровода, вследствие чего единый объект отмечается системой магнитных диполей, полюсы каждого из которых отмечаются парой аномалий – положительной и отрицательной.

- 291 -

90

а 14

13

б

60

Bа , нТ

N

1400

1000 500 200 100 90 80 70

60

30

60

9

10

50 0 -50 -200 -500 -1000 0

5

10

15

20 м

0 60

30

4

2

3

30

Условные обозначения - локальные магнитные аномалии археологического происхождения - контур раскопа 2

- номер планшета съемки - гидротехническое сооружение

0 90

60

30

0

Рис. 4.27. Результаты магнитометрических исследований южной окраины поселения Субботов: а – карта изолиний магнитной индукции; б – локальные аномалии (по комплексу признаков).

292

0

Вывод кажется очевидным, если рассматривать результаты съемки всей площади исследований в целом. Но если бы съемка проводилась на ограниченном участке, например, только в рамках планшета 10, легко придти к ошибочному предположению о том, что выявленный локальный фрагмент протяженной аномалии техногенного происхождения может иметь археологическую природу. Таким образом, данный пример еще раз подтверждает сформулированное выше «первое правило» – исследовать аномалию на достаточном протяжении. Для того чтобы закончить описание результатов исследований, проведенных в районе Суботово, отметим, что в северной части площади (на периферии городища) средствами магнитной разведки не удалось сделать ярких открытий, обнаружить остатки жилищ либо иных крупных объектов. Выявлено небольшое число хозяйственных ям различного размера, существование которых было подтверждено последующими археологическими раскопками.

4.5.2. ОБЪЕКТЫ ИЗОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ В пределах древних поселений объекты археологических исследований имеют преимущественно изометрическую форму с соотношением длин сторон от 1:1 до 1:5. Они легко диагностируются магнитометрией на фоне линейно вытянутых аномалий техногенного происхождения. Однако техногенные объекты и соответствующие им аномалии также могут быть изометрической формы. В связи с этим интерес представляет вопрос распознавания изометрических аномалий археологической и неархеологической природы, выяснения их характерных отличий. Рассмотрим несколько примеров поисков объектов, представленных такими ферромагнитными материалами, как чугун, железо, сталь. В нашем кратком обзоре данной проблемы достаточно ограничиться тремя примерами поисков подобных объектов сравнительно крупного, среднего и мелкого размера, соответственно – захоронения пушек В. Беринга, сейфа и ствола винтовки. 1. Поиски склада пушек В. Беринга Убедительным примером высокой эффективности магнитной разведки при поисках ферромагнитных объектов можно считать магнитометрические исследования А.К. Станюковича 50,56, проведенные еще в 1981 г. в составе экспедиции «Беринг-81» на Командорских островах. Работы проводились с целью поисков склада чугунных пушек Второй Камчатской экспедиции Витуса Беринга (1741–42 гг.). Микромагнитная съемка выполнена квантовым магнитометром М-33 по сети 1×1 м2 на площади свыше 1 га. По данным магнитометрических наблюдений оперативно и уверенно были выделены аномалии от нескольких железных предметов, в том числе и аномалия от штабеля пушек, приведенная на рис. 4.28. Количественная интерпретация магнитной аномалии проводилась методом характерных точек, который описан в предыдущих разделах. Применение этого приближенного, но экспрессивного метода интерпретации позволило - 293 -

еще до начала раскопок рассчитать, что источник аномалии залегает практически горизонтально на глубине около 2.5 м и имеет длину порядка 3.9 м. Проверка раскопками по12 казала, что аномалия вызвана С горизонтально залегающим 10 под береговыми отложениями штабелем из 10 уложенных вплотную одна к другой чу8 Т a, нТ гунных пушек пакетбота «Свя500 той Петр». Штабель имел 6 линейные размеры 2×2.2 м2 и 300 ориентирован по странам 100 4 света. Общая масса пушек – 0 около 3500 кг, средняя глу-200 бина залегания – около 3 м. 2 Таким образом, погрешность -400 определения глубины залега-500 0 ния объекта по данным коли0 2 4 6 8 10 12 14 чественной интерпретации не превышает 20 %, а линейных Рис. 4.28. Карта изолиний магнитного размеров – 44 %. поля (ΔТа) над штабелем чугунных пушек По результатам расчета экспедиции Витуса Беринга (1741–42 гг.) ( по Ю.А. Ружину и А.К. Станюковичу 50). намагниченности и магнитной восприимчивости источника аномалии, вещество пушек оказалось близкими не чугуну, а железным рудам, что вполне объяснимо, если принять во внимание сильную степень окисления и минерализацию металла от длительного пребывания во влажной среде (в течение 140 лет). Вполне очевидно, что гораздо лучше сохранившиеся ферромагнитные объекты времен Великой отечественной войны (танки, автомашины, военная техника, боеприпасы, бункеры и т.п.) могут быть обнаружены с не меньшим успехом, чем пушки Беринга. Уверенно обнаруживаются и объекты меньшего размера. 2. Поиски остатков военной техники в урочище “Зеленая брама” Поиски сейфа. В середине 80-х годов Комплексная поисковая экспедиция «Зеленая Брама», организованная общественными организациями МВД СССР при участии ИЗМИРАН, проводила магнитометрические исследования с целью поисков тайников частей Красной армии, оказавшихся в немецком окружении в начальный период войны в лесном массиве Зеленая Брама близ Умани. В результате этих исследований, описанных в упоминавшихся выше работах, обнаружены многочисленные предметы вооружения и техники, боеприпасы, личные вещи участников боев, в том числе сейф с документами штаба одной из воинских частей. Согласно первоначальным установкам захоронение сейфа предполагалось в пределах площади свыше 25 га. Обследование местности, сопровож- 294 -

Глубина

Глубина

даемое магнитометрическими наблюдениями маршрутного характера, позволило сократить наиболее перспективный участок поисков до 2 га. Объект был найден в течение нескольких часов методом «свободного поиска» (по системе зигзагообразных профилей, прокладываемых на местности визуально без предварительной топографической привязки). Измерения проводились магнитометром М-33 при высоте наблюдений 1.3 м над поверхностью земли. Общее представление о выявленной магнитной аномалии дает рис. 4.29, а. Нулевой уровень аноА малии определен графиТ а, нТ чески. Аномалия представ400 Та max Tamax + Ta min ляет собой максимум 300 (340 нТ) и сопутствующий ему минимум (–40 нТ), от200 ражающий влияние нижнего полюса намагниченного те100 N ла. Проекция центра магTa min нитных масс не совпадает с 0 6 2 4 8 10 м максимумом аномалии, ко0 торый смещен, как это чаще всего наблюдается, к югу. В качестве первого приближеh = 0.9 м ния положение эпицентра 1м источника аномалии принято в точке профиля, где б значение поля удовлетвоТ а, нТ ряло условию B0 = B max – 200 |Bmin|. Та max Судя по форме ано100 Tamax+ Ta min малии на карте изолиний, N объект поисков имеет форTa min 0 му, близкую изометриче6 8м 2 4 ской, и может быть упо0 доблен шару. По данным количественной интерпреh = 0.6 м тации методом характерных точек определены: диаметр модели d = 72 см, глубина 1м залегания центра магнитных масс h = 85 см, интенРис. 4.29. Графики аномалий напряженности сивность намагничивания магнитного поля (Та), создаваемые: а – сейфом, J =113 А/м, магнитная восб – стволом винтовки (по Ю.А. Ружину и 50 приимчивость материала А.К. Станюковичу ). -3 κ = 239⋅4π 10 СИ. Последующими раскопками в указанном месте выявлен стальной сейф с разнообразными документами, относящимися к начальному периоду Великой Отечественной войны. Сейф сварен из металлического листа толщиной 0.5 см, габариты – 50×35×33.5 см. Центр сейфа находился на глубине 90 см от поверхности земли. Таким образом, глубина залегания объекта определена практически точно, поперечные размеры несколько завышены. - 295 -

Аномалия “Винтовка”, представленная на рис. 4.29, б, выявлена в ходе работ в том же лесном массиве Зеленая Брама. Интересной особенностью аномалии является расположение сопутствующего минимума не к северу, а к югу от максимума. Это объясняется наличием у объекта сильной остаточной намагниченности, которая намного превышает индуктивную. Проверка раскопками показала, что аномалия вызвана наклонно залегающим на глубине 0.6 м стволом трехлинейной винтовки, который имеет длину 94 см и ориентирован дульным срезом на север. Местоположение эпицентра аномального тела определено по данным количественной интерпретации с высокой точностью, глубина залегания и линейные размеры – завышены примерно на 0.5 м. Одной из причин значительной погрешности интерпретации предполагается обратная намагниченность объекта. Другой причиной может быть заметное отличие формы объекта от принятой при интерпретации модели однородного стержня (наличие затвора в казенной части ствола, магазина, спускового механизма). Обзор характерных примеров поисков скрытых в земле изометрических объектов неархеологической природы можно было бы пополнить множеством других случаев. Однако и приведенных типичных примеров вполне достаточно для иллюстрации высоких разрешающих способностей магнитометрии при поисках ферромагнитных объектов разнообразного происхождения. Следует отметить также, что имеются сообщения о высоких разрешающих способностях магнитометрического метода исследований метеоритных кратеров и непосредственных поисков ферромагнитного метеоритного вещества (см. работы Е.Г. Гуськова 11, Э.А. Побул 47, В.И. Цветкова 65). В целом, приведенные примеры убедительно свидетельствуют, что магнитный метод поисков и разведки намагниченных объектов, залегающих в верхнем слое земли, представляет большой интерес не только для археологов, но и для представителей различных научных и инженерных дисциплин – строителей, специалистов по военной истории, минеров, мелиораторов, метеоритологов и многих других. Однако в данном случае нас интересует вопрос не столько поисков подобных объектов по магнитометрическим данным, как процесс распознавания аномалий археологической и неархеологической природы. Этой проблеме и посвящен заключительный раздел главы.

4.5.3. ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ РАСПОЗНАВАНИЯ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Археологические объекты и соответствующие им магнитные аномалии имеют, преимущественно, изометрическую форму и гораздо реже – линейно вытянутую (древние рвы, валы, некоторые фортификационные сооружения). Объекты техногенного происхождения, наоборот, – чаще имеют линейную форму и реже – изометрическую. Кроме того, интенсивность магнитных аномалий техногенного происхождения, как правило, значительно (часто во много раз) превышает амплитуды аномалий от археологических объектов. Таким образом, разделение объектов на археологические и техногенные чаще всего возможно элементарными средствами, визуально, по двум простейшим признакам – форме и интенсивности сопоставляемых магнитных аномалий. - 296 -

Рассмотрим вначале аномалии от линейных объектов. В качестве примера эффективного применения магнитометрии для поисков линейных объектов ранее рассмотрены результаты исследований рва на поселении трипольской культуры у с. Казаровичи Киевской области. По данным высокоточной магнитной съемки древний ров уверенно фиксируется (рис. 4.19) узкой линейной магнитной аномалией шириной 2–4 м и амплитудой 10–25 нТ. По данным количественной интерпретации, ров в первом приближении имеет прямоугольное сечение. Ширина рва изменяется в пределах 1.4–2 м, глубина залегания верхней кромки заполнения рва – в пределах 0.35–0.50 м, нижней кромки – 1.2–1.65 м. Материал заполнение рва, как было установлено при разборе приведенного выше примера, имеет магнитную восприимчивость порядка (50..80)⋅4π 10-6 СИ. Эта величина близка средней величине магнитной восприимчивости заполнения ям и рвов, которая по данным исследований магнитных характеристик археологических объектов Украины (глава 1, табл. 1.4), составляет (56±8)⋅4π 10-6 СИ. По амплитуде магнитных аномалий, по форме и размерам источника аномалии и магнитным свойствам заполняющего материала линейный археологический объект типа рва весьма существенно отличается от техногенных объектов линейной формы типа трубопроводов (рис. 4.22, 4.26). Линейно вытянутые техногенные объекты легко распознаются по характерным особенностям соответствующих им магнитных аномалий. Аномалии техногенного происхождения отличаются от линейных аномалий археологической природы более строгой выдержанностью ориентировки по прямой или звеньям ломаной линии. Главное отличие – более высокие амплитуды техногенных аномалий, соответствующие более высокой намагниченности материала. Кроме того, им присуща, в большинстве случаев, характерная четкообразная форма. Нетрудно различить и техногенные аномалии линейной формы от аномалий, образуемых археологическими объектами изометрической формы. Выделение линейных техногенных объектов на фоне изометрических объектов археологической природы представляет собой одну из наиболее простых задач. Однако здесь можно допустить грубый просчет, если не учесть четкообразный характер аномалии от линейных техногенных объектов. Отдельный фрагмент такой аномалии может оказаться по форме и размерам близким изометрическим искомым аномалиям от археологических объектов. Техногенное происхождение такого фрагмента аномалии можно уверенно предположить только по ее значительно более высокой амплитуде, не свойственной аномалиям от археологических объектов. В остальных случаях сомнительную аномалию следует обязательно исследовать на периферии с целью выяснения, не является ли она отдельным звеном линейно ориентированной цепочки подобных аномалий техногенного происхождения. В обобщенном виде отличительные особенности магнитных аномалий, обусловленных археологическими и техногенными объектами при различных вариантах сочетания их формы, рассмотрены в таблице 4.3. Наиболее сложную задачу представляет распознавание археологических объектов изометрической формы при наличии на площади исследований техногенных аномалий аналогичной формы. Особые трудности в процессе распознавания изометрических объектов археологического и техно- 297 -

генного происхождения возникают в случаях, когда техногенные объекты сложены слабомагнитным материалом (кирпич, бетон) или, наоборот, археологические объекты состоят из материалов с высокой намагниченностью (гончарные горны, железоплавильные печи или производственные комплексы). При этом амплитуды аномалий той и иной природы могут оказаться неотличимо близкими. В таких условиях весьма желательно не ограничиваться приемами элементарной разбраковки аномалий по их форме или амплитудному признаку. Для объективной диагностики техногенных магнитных аномалий в данном случае требуется более глубокий анализ. Таблица 4.3. Отличительные особенности магнитных аномалий археологического и техногенного происхождения. Аномалии археологического происхождения

Аномалии техногенного происхождения Линейно вытянутой формы

Изометрической формы

Линейные аномалии техногенного происхождения имеют, как правило, большую протяженность, явно выраженную ориентировку по прямой, четкообразную форму. Заметно отличаются от линейных аномалий археологической природы значительно более высокими амплитудами.

Аномалии линейно вытянутой формы, связанные с археологическими объектами, легко отличаются от изометрических техногенных по форме и имеют, как правило, значительно более низкую интенсивность.

Изометрические аномалии, связанные с археообъектами, Изометрической логическими легко отличаются от линейформы ных техногенных по форме, а от отдельных фрагментов техногенной аномалии четкообразной формы – по значительно более низким значениям амплитуд.

Изометрические аномалии археологической природы характеризуются, как правило, более низкими значениями амплитуд при сопоставимых размерах и глубине залегания конкурирующих техногенных объектов.

Линейно вытянутой формы

Одним из наиболее продуктивных средств анализа магнитометрических данных, полученных в результате съемки, является проведение количественной интерпретации, как предположительно техногенных аномалий, так и сомнительных аномалий археологической природы. Даже если те и другие, на первый взгляд, весьма близки по размерам и амплитудам, источники археологических и техногенных аномалий могут существенно отличаться формой аномального тела, глубиной залегания его верхней и нижней кромок, магнитными характеристиками заполняющего материала. Так, аномалии изометрической формы могут отвечать в одних случаях скоплениям масс сферической формы, в других – они могут быть аппроксимированы конечным по глубине вертикальным цилиндром (например, хозяйственные ямы) или - 298 -

тонким горизонтальным слоем (пластиной) ограниченных размеров, как, например, трипольские площадки. Предполагаемую форму и размеры искомых объектов археологических памятников практически всегда можно оценить из опыта работ прошлых лет в аналогичных или сходных условиях. Поэтому после проведения количественной интерпретации по совокупности данных о глубине залегания и геометрической форме источников аномалий их разбраковка может быть выполнена достаточно уверенно. В подтверждение этому сопоставим, например, аномалии от сейфа (рис. 4.29) и гончарного горна (рис. 4.18), рассмотренные в приведенных выше примерах. Амплитуды аномалий одного порядка – 340 и 100 нТ, соответственно. Глубины залегания центра магнитных масс по результатам количественной интерпретации также оказались близкими – 0.9 м и 1.3 м. Однако в одном случае (сейф) рассчитанная величина намагниченности источника аномалии составляет 113 А/м, а в другом (горн) – всего 2530·10-3 СИ или 2.53 А/м. По этому признаку современный объект из стали легко отличить от археологического объекта, представленного остатками обожженных глин. Изометрическая аномалия от штабеля пушек В. Беринга также соизмерима по размеру с аномалией от гончарного горна, превосходя ее примерно в 1.5 раза (см. рис. 4.16, 4.28). Как сообщают авторы исследований, по намагниченности и магнитной восприимчивости вещества пушки оказались близкими не чугуну, а железным рудам. Тем не менее, амплитуда аномалии от склада пушек оказалась в данном случае намного выше, чем у аномалий от горнов. Но легко себе представить, что при иных обстоятельствах (большая глубина залегания или степень окисления материала) амплитуды аномалий могли бы быть и близкими между собой. В таких условиях вопрос о принадлежности данной аномалии объекту той или иной природы однозначно может быть решен только на основе количественных расчетов. Магнитная аномалия, создаваемая винтовкой (рис. 4.29), по размерам и очертаниям подобна аномалиям, например, от хозяйственных ям овальной формы (глава 1, рис. 1.8), однако существенно отличается от них в 4–5 раз большей амплитудой и наличием интенсивного минимума, который отражает влияние нижнего полюса объекта. Пример со стволом винтовки характерен и по другой причине. Он иллюстрирует проявление такого важного признака техногенных аномалий, как остаточная намагниченность источника аномалии. Уже в данном случае вследствие сильной остаточной намагниченности нижний полюс намагниченного тела отмечается не к северу, а к югу от центра аномалии. При ином расположении ствола в пространстве амплитуда отрицательной части аномалии могла бы даже превзойти амплитуду в области положительных значений поля. Явление, когда отдельные железные предметы фиксируются отрицательными магнитными аномалиями, довольно часто наблюдается над техногенными объектами (например, вблизи вентилей и металлического столба на описанном выше Дубоссарском трубопроводе) и практически никогда – над археологическими. Это не означает, что материалы археологических объектов не обладают остаточной намагниченностью. Она может быть даже очень высока, как, например, у обожженных глин, которые вследствие обжига приобретают большую термоостаточную намагниченность. Объясняется это другими факторами. - 299 -

Археологические объекты приобретают остаточную (термоостаточную) намагниченность в направлении вектора магнитной индукции Земли. Если в течение последующих веков положение намагниченного тела в пространстве сохраняется неизменным (а это для большинства объектов соблюдается), то вектор его остаточной намагниченности практически совпадает с направлением индуктивного намагничивания современным геомагнитным полем. В худшем случае вследствие естественного разрушения объекта с течением времени может произойти фрагментация и перемещение археологических остатков. При этом векторы остаточной намагниченности отдельных фрагментов теряют согласованную ориентировку, и их суммарная остаточная намагниченность значительно уменьшается, во многих случаях – до нуля. Тем не менее, общая намагниченность фрагментированного археологического объекта остается, преимущественно, достаточно высокой, так как сохраняется повышенная магнитная восприимчивость исходного материала. Вследствие этого амплитуда аномалии может оказаться достаточно высокой за счет индуктивного намагничивания современным магнитным полем Земли. Но главное в том, что даже и в этом случае вектор намагниченности объекта совпадает с направлением современного магнитного поля. В отличие от археологических остатков, объекты техногенного происхождения или их отдельные фрагменты приобретают остаточную намагниченность в том месте и в том положении, в котором они находились в момент изготовления, где металл нагревался до температуры выше точки Кюри и при последующем охлаждении намагничивался существовавшим там геомагнитным полем. Труба, например, нагревалась и приобретала при остывании остаточную намагниченность на каком-то прокатном стане. Вектор остаточной намагниченности жестко связан («вморожен») в тело трубы. В другом месте, где эта труба уложена, при ином, чем на прокатном стане, положении направление вектора ее намагниченности может значительно, даже диаметрально отличаться от направления вектора напряженности геомагнитного поля. Таким образом, резкое отклонение вектора намагниченности объекта от направления современного магнитного поля может быть еще одним аргументом в пользу неархеологической природы такой аномалии. Рассуждения об особенностях намагничивания техногенных и археологических объектов имеют далеко не отвлеченный характер. Они позволяют обосновать важный практический вывод: отрицательные магнитные аномалии не представляют поискового интереса при археологических исследованиях, так как они либо связаны с обратно намагниченными техногенными объектами, либо отражают влияние нижних кромок нормально намагниченных объектов и сопутствуют рядом расположенной искомой аномалии положительного знака. Наряду с проведением количественной интерпретации, в качестве другого, не менее важного приема обработки и анализа исходной магнитометрической информации следует назвать использование результатов трансформаций магнитных аномалий, которые могут быть выполнены методами, описанными в главе 3, в работе автора 19 и многих других литературных источниках. По данным расчетов градиентов магнитной индукции, локальных аномалий и результатов фильтрации наблюденного магнитного поля в четкой наглядной форме выделяются такие особенности аномалий, которые в исходном поле магнитной индукции проявлены слабо или завуалированы - 300 -

влиянием региональной составляющей поля. При этом одни особенности (полезные) усиливаются, другие (помехи) подавляются. Проведение подобных преобразований исходных магнитных аномалий позволяет в ряде случаев существенно повысить надежность диагностики объектов и достоверность количественной интерпретации. Иллюстрации применения некоторых видов трансформаций в процессе анализа наблюденных аномалий магнитной индукции приведены в описанных выше примерах. Обобщая все сказанное, к числу главных компонентов анализа исходных данных с целью разбраковки выявленных аномалий, разделения их на две категории – археологические и техногенные – можно отнести следующие: – проведение количественной интерпретации выявленных магнитных аномалий описанными выше или иными способами; – широкое использование имеющейся информации о магнитных свойствах искомых археологических объектов и объектов техногенного происхождения; – применение различного рода трансформаций магнитных аномалий; – определение магнитных характеристик источников аномалий точно – по данным непосредственных измерений специальной аппаратурой или хотя бы приближенно – по магнитометрическим данным; – использование результатов физико-математического моделирования и других приемов анализа геофизической информации; – применение комплекса полевых геофизических исследований (вопросы комплексирования геофизических методов рассмотрены в главе 1). Следует отметить также, что успешная диагностика техногенных магнитных аномалий при исследованиях археологических памятников возможна только при условии достаточной полноты и высокого качества полевых материалов. Для этого необходимо, чтобы магнитная съемка отвечала следующим требованиям: – проведение полевых магнитометрических измерений с необходимой точностью и по достаточно густой сети; – планирование системы наблюдений с таким расчетом, чтобы съемочные профили выходили за пределы искомых аномалий в «нормальное» («фоновое») поле; – исследования участков, примыкающих к сомнительным магнитным аномалиям, с целью выяснения, не являются ли они фрагментами протяженной линейной аномальной зоны, которая во многих случаях может отвечать не археологическим, а техногенным объектам; – при необходимости – проведение измерений по интерпретационным профилям с более густым шагом, так чтобы интересующие нас аномалии были охарактеризованы не менее чем 5–7 точками наблюдений.

- 301 -

_________________________________________________________

Глава 5 О ДАЛЬНЕЙШЕМ РАЗВИТИИ МЕТОДА МАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ 5.1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Приведенные в предыдущей главе примеры свидетельствуют о возможности успешного применения магнитной разведки для решения множества вопросов, связанных с проведением археологических исследований. Задачи, решаемые магниторазведкой, перечислены в главе 2. Как видно из приведенного там перечня, область применения магнитометрического метода археологических исследований достаточно широка. Но есть один вопрос, который не обсуждался ранее. Магнитометрия в течение последних 30–40 лет проявила себя как эффективный и экономически выгодный метод картирования археологических памятников или отдельных обособленных объектов, в том числе, и небольших размеров (таких как ров или гончарная печь), если только локальный участок их предполагаемого расположения на местности хотя бы примерно известен. Вопрос в том, может ли магнитная разведка считаться эффективным методом археологических поисков на площадях, где до начала поисковых работ наличие и примерное местоположение интересующих нас объектов не известно? Ответ на такой вопрос не однозначный. На поисковой эффективности магнитометрического метода исследований (на его разрешающих способностях) никак не отражается условие его применения на площадях с известными либо с еще не известными археологическими объектами. Если такие объекты там есть, а слагающие их материалы обладают повышенной намагниченностью, все они будут успешно обнаружены. Однако стоимость поисков на площади значительных размеров может оказаться достаточно высокой. Но, с другой стороны, поисковые работы средствами магнитной разведки даже на больших площадях считаются вполне экономически выгодными применительно к решению геологических задач – поисков месторождений полезных ископаемых, когда размеры искомых объектов составляют многие десятки и сотни метров, а поисковые площади измеряются десятками квадратных километров. Почему же магнитная разведка не может быть экономически целесообразной для поисков пусть не любых, но достаточно крупных археологических объектов, расположенных на площади таких же размеров? Отвечая на подобный вопрос, напомним, что под археологическим объектом (в магниторазведочном понимании этого термина, как это изложено в разделе 1.2) подразумеваются остатки отдельного строения (жилища, - 302 -

построек иного назначения) или его крупных фрагментов (например, печи). В магнитном поле такой объект отображается отдельной локальной аномалией, практически изолированной от других подобных аномалий. Археологический памятник (поселение, городище, некрополь) представляет собой совокупность территориально ограниченного множества близко расположенных «элементарных» объектов небольших размеров, каждый из которых создает свою локальную магнитную аномалию. Придерживаясь такого толкования терминов «объект» и «памятник», сформулируем заданный ранее вопрос более конкретно: почему не могут быть экономически эффективными поиски таких крупных скоплений археологических объектов, как, например, поселения или городища, примерное расположение которых на местности не известно? Вначале отметим, что месторождения, нефтеперспективные структуры или иные объекты геологических поисков фиксируются в большинстве случаев, как единое целое, как более или менее дифференцированная, но единая аномальная зона достаточно большой интенсивности и протяженности. В противоположность этому, поселение, состоящее из остатков множества сравнительно небольших объектов – жилищ, построек хозяйственного назначения и ряда других, не может отмечаться протяженной единой аномалией или аномальной зоной, занимающей всю площадь памятника. Оно фиксируется как множество разрозненных, обычно изолированных одна от другой локальных аномалий сравнительно небольших размеров и интенсивности, которые обусловлены намагниченными остатками отдельных построек, печей и т.п. Именно по этому признаку мы и устанавливаем наличие поселения на исследуемой площади. При этом полагаем, что все иные локальные особенности поля, которые превышают размеры аномалий от остатков предполагаемых жилищ, имеют неархеологическое происхождение и должны быть исключены в процессе обработки результатов наблюдений наряду и аномалиями-помехами случайного характера. Из этого следует, что для обнаружения поселений, даже очень крупных, приходится проводить магнитные съемки по такой густой сети наблюдений, как для поисков отдельного объекта, т.е. требуются детальные исследования. А это означает, что только поиски по сети от 1×1 до 4×4 м2 могут обеспечить выявление поселения, как множества всех, в том числе минимальных по размерам искомых объектов, его составляющих. При этом на каждом квадратном километре площади съемки необходимо выполнить, в зависимости от требуемой густоты сети, от 65000 до 1 миллиона физических наблюдений, соответственно. Ясно, что это требует значительных затрат средств, труда и времени. Таким образом, проведение планомерных поисковых магнитометрических исследований археологического назначения территории всей страны или ее крупных регионов практически не реально. Но поисковые исследования этим методом на ограниченных площадях вполне целесообразны и в большинстве случаев даже выгодны экономически в сравнении с другими методами поисков (например, аэроархеологическим методом). Выбор таких площадей должен осуществляться в соответствии с имеющимися археологическими предпосылками о возможном нахождении там искомых объектов. Экономическая эффективность поисков будет тем выше, чем точнее опреде- 303 -

лены границы исследуемой площади, чем более они близки контуру искомого памятника. Как отличить выявленные в процессе поисков поля локальных магнитных аномалий археологической природы от аномалий-помех техногенного и антропогенного происхождения, подробно рассмотрено в предыдущей главе. Но вот на такой важный вопрос, как определение культурной принадлежности выявленных поселений, магнитная разведка в большинстве случаев не может дать однозначный ответ. Надежное определение культурной принадлежности доисторических памятников возможно только на основании раскопок поселения и последующего анализа найденных там свидетельств материальной культуры. По магнитометрическим данным о культурной принадлежности памятника можно судить только предположительно, да и то лишь в отдельных благоприятных случаях. Если, например, на плане застройки поселения, воссозданном по магниторазведочным данным, отмечаются характерные кольцевые структуры расположения построек, то такое поселение можно предположительно отнести к числу памятников Триполья, подобно тому, как это в свое время удалось сделать К.В. Шишкину на основе результатов дешифрирования аэрофотоснимков в Черкасской области 67,68. Исходя из изложенного выше, магнитометрию вполне можно рассматривать как один из поисковых археологических методов, который способен выявлять и отдельные объекты небольших размеров, и целые поселения, состоящие из множества таких объектов. Но наиболее целесообразным представляется использование магниторазведки при исследованиях археологических памятников, местоположение которых на местности предположительно или точно известно. Это, хотя и ограничивает область применения магнитной разведки в археологии, но оставляет практически неограниченные возможности наращивать темпы и объемы магнитометрических работ в направлении исследований многих тысяч памятников практически всех известных древних культур, многие из которых до сих пор остаются весьма слабо изученными. Особое место в области возможных приложений магнитометрического метода могли бы занимать, по-видимому, исследования памятников Триполья. В отдаленном будущем, вероятно, появятся и иные достаточно эффективные методы детальных исследований трипольских поселений, не уступающие магнитной разведке. Однако в настоящее время это единственный из естественнонаучных методов, который, как показано в работе автора 34, позволяет воссоздавать детальные планы поселений трипольской культуры с высокой надежностью (порядка 90 %). К тому же, это единственный метод неразрушающих полевых исследований, не требующий вскрытия памятника и сопровождаемый лишь небольшим объемом раскопок параметрического назначения. В этом отношении он ближе всех отвечает требованиям охраны и сохранения историко-культурных памятников давнего прошлого. Ко всему сказанному следует добавить, что технология полевых магниторазведочных работ, а также методы обработки данных и интерпретации выявленных магнитных аномалий, которые разработаны применительно к решению археологических задач, могут быть успешно использованы и в других областях. Апробированы и показали высокие разрешающие - 304 -

способности исследования методом магнитного разведки для выявления и прослеживания различных объектов техногенного происхождения, поисков военной техники, боеприпасов и т.п. Магнитометрические исследования могут оказать неоценимую помощь гидромелиораторам – при поисках заброшенных или забытых гидротехнических сооружений, строителям – при поисках подземных камер, бункеров, подземных коммуникаций (не в черте больших городов), многим другим специалистам, заинтересованным в проведении поисков и исследований скрытых в земле намагниченных объектов достаточно крупных размеров.

5.2. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТОРАЗВЕДКИ В АРХЕОЛОГИИ Перспективы развития метода есть смысл обсуждать лишь в одном случае – при условии, что магниторазведка найдет широкое применение в практике археологических исследований. Поэтому из множества связанных с этим проблем наиболее насущной является проблема внедрения магнитной разведки в археологию. Учитывая крайне низкий (прямо скажем – нулевой) «рейтинг» магниторазведки в археологических кругах, обсуждать перспективы дальнейшего развития этого метода исследований, казалось бы, бесперспективно. Однако есть все основания полагать, что в ближайшие годы «рейтинг» магнитной разведки может существенно подняться. Трудно верится, что это произойдет стихийно, по доброй воле археологов, и они проявят, наконец, интерес к магниторазведке как эффективному средству решения поисково-разведочных археологических задач. Вряд ли можно найти разумное объяснение, почему этого не произошло ранее, почему магнитная разведка не получила широкого распространения при изучении археологических памятников, начиная еще с 70-х годов, когда были получены первые бесспорные доказательства ее высокой археологической информативности. Но в настоящее время существует несколько внешних, объективно существующих факторов, способствующих внедрению магнитной разведки в практику археологических исследований. Назовем хотя бы несколько из них. Это могут быть усилия службы охраны и сохранения памятников далекого прошлого, которая не должна и не будет мириться с бесконтрольным проведением археологических раскопок и связанным с этим полным разрушением объектов и памятников древних культур. Не случайно именно в НИИ памятникоохранных исследований Министерства культуры Украины были проведены научно-исследовательские работы в направлении разработки неразрушающих методов археологических исследований и, прежде всего, – магниторазведки. Всестороннюю поддержку можно ожидать от множества общественных и государственных организаций, работающих «на ниве культуры», которые заинтересованы в открытии, всестороннем изучении и сохранении культурного наследия прошлого. По данным магнитной разведки, практически без раскопок могут быть получены новые, интересные и важные сведения о поселениях древних культур. Воссозданные по магниторазведочным данным планы древних памятников дают уникальную, недоступную другим методам - 305 -

исследований информацию о расположении и числе построек на территории поселения и, косвенно, – о численности населявших его жителей. Эти сведения способны пролить свет на многие вопросы об условиях существования и социального устройства древних цивилизаций, существовавших на нашей земле. Наконец, можно не сомневаться, что магниторазведка, как метод поисков искомых археологических объектов, найдет поддержку со стороны государства (Министерства финансов), а также спонсоров, субсидирующих раскопки, ввиду того, что проведение магнитной разведки археологических памятников ведет к значительному снижению общей стоимости работ за счет сокращения объемов дорогостоящих раскопок поискового назначения. К этому можно добавить отсутствие недружественных, открытых, обоснованных фактами порицаний или обвинений в неполноценности либо не объективности метода магнитной разведки со стороны специалистовархеологов. Следовательно, отмеченный выше низкий рейтинг объясняется не недостатками метода, а имеет совсем иные причины, что оставляет надежду на изменение отношения археологов к магниторазведке в будущем. Таким образом, совсем не беспочвенной выглядит наша уверенность на использование магниторазведки в качестве равноправного компонента общего комплекса археологических исследований. Это позволяет перейти к обсуждению перспектив дальнейшего развития метода. Подводя итог полувековой истории адаптации магниторазведки к условиям ее использования в археологии, можем констатировать: – метод магнитной разведки археологических памятников достиг сравнительно высокого уровня разработки; – доказана высокая эффективность метода в решении разнообразных археологических задач. Дальнейшая доработка технологии полевых магниторазведочных работ не актуальна, во всяком случае, до появления новых средств измерений магнитного поля Земли. Тем не менее, следовало бы изучить опыт геофизиковгеологоразведчиков, проводящих микромагнитные исследования. Не исключено, что это позволило бы внести полезные изменения и дополнения в методику проведения полевых исследований, описанную в главе 2. Широкий простор для дальнейшего усовершенствования метода открывается в области апробирования и разработки различных средств и методов обработки магнитометрической информации. До настоящего времени исследована лишь небольшая часть возможных, сравнительно простых методов и приемов обработки исходных данных. К числу наиболее важных задач этого направления исследований можно отнести такие, как: 1) поиск новых средств и методов математической обработки магнитометрической информации, эффективных применительно к решению археологических задач,; 2) разработка современного программного комплекса обработки и преобразований (трансформаций) магнитометрических данных; 3) разработка автоматизированной системы археологической интерпретации магнитных аномалий, выявленных на территории археологического памятника (некоторые аспекты этого вопроса рассмотрены в главе 3, разд. 3.12). - 306 -

Наряду с этим существует настоятельная необходимость развертывания не только магнитометрических, но и других геофизических исследований, в первую очередь – электромагнитными методами и средствами геолокации. Комплексирование магнитометрии с другими методами геофизической разведки способно значительно расширить круг задач, решаемых неразрушающими методами археологических исследований, и обеспечить высокую достоверность и надежность археологической интерпретации выявленных аномалий. Насущной задачей исследований в последующие годы следует считать также форсированное изучение физических свойств археологических объектов разных типов и культурной принадлежности, накопление, обработка и обобщение информации о физических характеристиках археологических материалов. От этого в значительной мере зависит полнота и качество археологической интерпретации геофизических данных. Таким образом, существует ряд вопросов, требующих дальнейшей доработки в последующие годы. Несмотря на это, в целом, магнитометрический метод археологических исследований можно считать разработанным в достаточной мере, для того чтобы уже сейчас приступить к его широкому внедрению в практику археологических исследований. Но на этом пути хотелось бы избежать возможных просчетов или явных неудач. Необходимо обратить внимание на две особенности, присущие данному методу исследований. 1) Магнитометры, которые применяются для проведения магнитной съемки, предельно просты в обращении. В частности, управление протонным магнитометром типа ММП-203 осуществляется одним переключателем, выполняющим функции включения прибора, выбора рабочего диапазона измерений и пусковой кнопки для начала измерений. Методика магниторазведочных работ также максимально упрощена, и ее освоить можно в течение нескольких часов. Таким образом, проведение полевых работ больших трудностей не вызывает, магнитная съемка может быть успешно проведена не только специалистом-геофизиком, но и предварительно подготовленным археологом. 2) В отличие от полевых работ, процесс обработки результатов магнитной съемки, выполнение необходимых трансформаций исходных магнитометрических данных и археологическая интерпретация выявленных магнитных аномалий, требуют определенной квалификации, опыта, знания компьютера и умения работать с программами технического назначения. Мало вероятно, чтобы даже квалифицированный археолог мог успешно справиться с этой работой. Геофизику по образованию это удалось бы значительно легче, хотя и требуется некоторое время на адаптацию к условиям применения магниторазведки для решения археологических задач. Следует учесть также, что качество и достоверность результатов археологического истолкования магнитометрических данных в значительной мере определяется опытом интерпретатора, добытым в процессе проведения аналогичных исследований других памятников. Учитывая все эти соображения, наиболее целесообразным было бы проблему внедрения магниторазведки в археологическую практику решать не локально, а радикально. Многих трудностей становления метода магнитной разведки в практике археологических исследований удалось бы избежать, если бы при какой-то крупной археологической организации (например, при - 307 -

Институте археологии) была создана стационарная геофизическая партия (отдел) с ограниченным контингентом исполнителей (несколько полевых отрядов и небольшая камеральная группа из 3–4 достаточно квалифицированных специалистов). Результаты принятия подобного решения позитивны во всех отношениях. Это обеспечивало бы: – централизованное решение вопросов технического и методического обеспечения всех магнитометрических исследований археологического предназначения; – квалифицированное выполнение полевых магниторазведочных работ по заявкам археологических экспедиций или иных организаций; снижение экономических затрат и гарантия высокого качества магниторазведочных работ, сравнительно с организацией множества самодеятельных отрядов, работающих полмесяца в году, укомплектованных случайными исполнителями и аппаратурой сомнительного качества; – накопление опыта применения магнитной разведки в различных условиях, обеспечение преемственности достижений в области совершенствования полевых работ и последующей обработки данных; – наработка, совершенствование и концентрация наработок программного обеспечения, необходимого для обработки и интерпретации магнитометрических данных; – разработка новых средств и методов обработки результатов магнитных съемок и археологической интерпретации выявленных магнитных аномалий; – сохранение и пополнение архива фактических данных, как полевых материалов, так и результатов их дальнейшей обработки; – квалифицированное проведение отбора образцов материалов из археологических объектов, вскрытых раскопками, организация измерений физических свойств образцов, полная статистическая обработка результатов измерений, сохранение, пополнение и обобщение полученных данных; – решение вопросов комплексирования магниторазведки с другими методами геофизических исследований; – научный подход к выполнению всего комплекса археолого-магнитометрических исследований. Отсюда очевидно, что централизованная археолого-геофизическая организация способна решить множество вопросов. Важно отметить также, что только таким образом возможна дальнейшая разработка и совершенствование метода магнитной разведки, его целенаправленное внедрение в практику археологических исследований. И это вполне естественно, так как ничего этого нельзя достичь ни в одиночку, ни в условиях кустарного применения магнитометров непосредственно археологами в процессе раскопок в качестве «кладоискательского» средства обнаружения искомых объектов. Нет никаких сомнений в том, что такая геофизическая организация обязательно будет создана, как и в том, что магнитная разведка нужна археологии и рано или поздно будет воспринята археологами как необходимый и неотъемлемый компонент общего комплекса археологических исследований. Магниторазведка имеет все шансы стать одним из ведущих методов археологических исследований. - 308 -

Быть может, тех примеров применения магнитометрии в археологии, которые приведены в данной книге, недостаточно, для того чтобы убедить всех читателей в достоинствах данного метода археологических исследований. В таком случае можно рекомендовать ознакомиться с другой работой автора – «Памятники трипольской культуры по данным магнитной разведки» 34. В ней на примерах интерпретации магнитометрических данных по трем десяткам трипольских поселений достаточно убедительно показано: магнитная разведка, в сущности, – единственный и безальтернативный метод неразрушающих археологических исследований, предоставляющий археологу уникальную археологическую информацию, не доступную в настоящее время другим методам исследований.

Отзывы, вопросы и предложения просим направлять автору: Кошелев Игорь Николаевич [email protected]

- 309 -

_____________________________________________

ЛИТЕРАТУРА 1. Андреев Б.А., Клушин И.Г. Геологическое истолкование гравитационных аномалий. – Л.: Гостоптехиздат, 1962. – 494 с. 2. Арабаджи М.С., Бакиров Э.А. и др. Математические методы и ЭВМ в поисково-разведочных работах. – М.: Недра, 1984. – 264 с. 3. Баранов В. Потенциальные поля и их трансформации в прикладной геофизике. / Пер. с англ. – М., Недра, 1980.– 152 с. 4. Борисов А.А. и др. Исследование подземных объектов и сооружений на внешней и внутренней территории Успенского собора Киево-Печерской Лавры методом дистанционного электромагнитного зондирования. Отчет по НИР, НИП «Диаскарб». – К.,1998. – 154 с. 5. Борисов А.А. Подземное электромагнитное зондирование с помощью георадаров. Геофизический журнал, №4, Ин-т геофизики НАНУ. – К. – 1999. 6. Боровко Н.Н. Статистический анализ пространственных геологических закономерностей. – Л.: Недра, 1971. – 174 с. 7. Бродовой В.В., Викторов Г.Г. Основы высокоточной магниторазведки. – М.: МГРИ, 1985. – 100 с. 8. Булах Е.Г., Левашов С.П. Построение геоплотностных моделей методом последовательного накопления и разрастания аномальных масс. – В кн. «Изучение литосферы геофизическими методами». К.: Наукова думка,1987. – С. 37–47. 9. Васюточкин Г.С. Предельные и вероятностные характеристики поля КПК в средних широтах и методика учета δT.– В кн. Методы разведочной геофизики. – Тр. НПО «Геофизика», вып. 23. – М.:1976. –С. 67–80. 10. Васюточкин Г.С. Исследование щелочных (рубидиевого и калиевого) магнитометра и градиентометра и основ их применения в наземной магниторазведке. ВНИИГеофизика. Автореферат. канд. дисс. – М.,1977. 11. Гуськов Е.Г. Плотность и магнитные свойства метеоритов. – Метеоритика, вып. 33. – М.: Наука, 1974. – С. 148–156. 12. Дудкин В.П. К вопросу о применении дифференциального магнитометра в археологической разведке. – СА, 1970, № 1. 13. Дудкин В.П. Дипольно-осевое электропрофилирование в археологической разведке. – Одесский археологический музей. Материалы по археологии Северного Причерноморья. Вып.7. – 1971 г. – С. 5–21. 14. Дудкин В.П. Геофизическая разведка крупных Трипольских поселений. – В кн. “Использование методов естественных наук в археологии”. – К.: Наукова думка, 1978. – С. 35–44. 15. Дудкин В.П. Магнитометрические исследования городища Монастырек. – Археометрiя та охорона iсторико-культурної спадщини, №3. – К. – 1999. – С. 25–38. 16. Дудкин В.П. Поиск и картирование магнитометрическим методом характерных археологических объектов (ров, гончарный горн). Археометрiя та охорона iсторико-культурної спадщини, №4. – К. – 2000. – С. 4–11. - 310 -

17. Дудкiн В.П., Жарких М.І., Кошелев І.М. Первинна обробка результатiв спостережень на археологiчних пам’ятках. – Археометрiя та охорона iсторикокультурної спадщини, №1. – К. – 1997. – С. 10–18. 18. Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Магнитные свойства археологических объектов. – Археометрiя та охорона iсторико-культурної спадщини, №1. – К. – 1997. – С. 19–27. 19. Дудкин В.П., Кошелев И.Н.. Методы комплексной интерпретации результатов магнитометрической съемки археологических памятников. – Археометрiя та охорона iсторико-культурної спадщини, №3. – К. – 1999. – С. 11–24. 20. Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Выбор сети магнитометрических наблюдений на археологических памятниках. – Археометрiя та охорона iсторико-культурної спадщини, №4. – К. – 2000. – С. 12–17. 21. Дэвис Дж. Статистика и анализ геологических данных / Пер. с англ.– М.: Мир, 1977. 22. Евдокимов Ю.Д. О некоторых количественных оценках надежности поисковой сети. – Вопросы разв. геофиз., вып. 4. – М.: Недра, 1964. 23. Завойский В.Н. Вычисление магнитных полей от анизотропных трехмерных тел в задачах магниторазведки. – Изв. АН СССР, сер. Физика Земли, № 1, 1978. – С. 76–85. 24. Загний Г.Ф. Структура археовековых вариаций геомагнитного поля на Украине и в Молдавии за последние 5500 лет. – Дисс. к. ф.-м. н. Ин-т геофиз. АН УССР. – К.,1979. 25. Збенович В.Г. Исследование позднетрипольского поселения усатовского типа в с. Маяки. – В сборнике «Археологические исследования на Украине в 1965–1966 гг.» – Наукова думка. – К. – 1967. 26. Збірник укрупнених кошторисних норм (ЗУКН) на геологорозвідувальні роботи. Розділ 8. Гравірозвідувальні та магніторозвідувальні роботи (наземні). – Департамент геології України. – 2004. 27. Инструкция по магниторазведке. – Л.: Недра,1981. – С. 263. 28. Инструкция по топографо-геодезическому обеспечению геологоразведочных работ. – М.: Мингео СССР, 1984. – С. 214. 29. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000-1:500. ГУГК. – М.: Недра, 1985. – С. 152. 30. Каждан А.Б., Гуськов О.И. Математические методы в геологии.– М., Недра, 1990.– С. 252. 31. Квачевский О.А. Об использовании данных статистического анализа физических свойств пород и руд для оценки возможностей применения геофизических методов. – Сб. «Вопросы разв. геофиз.», вып. 7, ВИРГ. – Л., 1968. 32. Кондрашев С.Н., Оксман В.И., Страхова Н.А. Основные вопросы применения микромагнитной съемки. – Госгеолком СССР, ВИЭМС. – М.: 1965. – С. 62. 33. Кошелев И.Н. Гравитационная и магнитная разведка. – К.: Вища школа, 1990. – С. 312. 34. Кошелев И.Н. Памятники трипольской культуры по данным магнитной разведки. – К. – 2004. – 470 с. (Библ. им. В.И. Вернадского) 35. Красовский Н.П. Методика комплексирования геофизических исследований при геологическом картировании. – К.: Наукова думка, 1965. - 311 -

36. Левашов С. П., Цимбал Т.И. Моделирование плотностных неоднородностей методом последовательного накопления и разрастания масс. – Докл. АН УССР, сер. Б, 1984, № 3. С. 16-19. 37. Логачев АА., Захаров В.П. Магниторазведка. – Л.:Недра,1979. –351 с. 38. Магнитометр пешеходный протонный ММП-203. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 39. Магниторазведка. Справочник геофизика / Под ред. В.Е.Никитского и Ю.С. Глебовского, 2 изд. – М.: Недра, 1990. – 367 с. 40. Максимов Е.В., Петрашенко В.А. Славянские памятники у с. Монастырек на Среднем Днепре. – К., 1988. – 148 с. 41. Маловичко А.К. Основной курс гравиразведки. Ч.1. – Пермь: Изд. ПГУ, 1968. – 322 с. 42. Маловичко А.К., Тарунина О.Л. Высшие производные гравитационного потенциала и их применение при геологической интерпретации аномалий.– М., Недра, 1972.– 152 с. 43. Мачинин В.А., Смекалова Т.Н. и др. Геофизические исследования в античной археологии. Препринт №15(841). – М., ИЗМИРАН, 1989. – 25 с.. 44. Методические рекомендации по применению пешеходного квантового магнитометра. / Пак В.П., Трипольский В.П. и др. – Мингео СССР, КазВИРГ. – Алма-Ата.: 1977. – 97 с. 45. Миков Д.С. Методы интерпретации магнитных аномалий. – Изд. Томского ун-та. – Томск, 1962. – 188 с. 45. Никитин А.А. Теоретический основы обработки геофизической информации. – М.: Недра, 1986. – 345 с. 47. Побул Э.А. Применение геофизических методов при исследовании метеоритных кратеров Эстонской ССР. – Тр. Ин-та геологии АН ЭССР, вып. XI. – Таллин, 1963. С. 45–51. 48. Полетаев Б.Д., Розенберг В.Н. Интегральный способ определения глубин залегания возмущающих тел. – Развед. геофизика, вып. 9. – М.:Недра, 1966. С. 55-63. 49. Родионов Д.А. Функции распределения содержаний элементов и минералов в изверженных горных породах. – М.: Наука, 1964. –102 с. 50. Ружин Ю.А., Станюкович А.К. Реализация метода свободного поиска (иллюстрации и аномалии). – Препринт №71(825). – М., ИЗМИРАН, 1988. – С. 26. 51. Савинский И.Д. Таблицы вероятности подсечения эллиптических объектов прямоугольной сетью наблюдений. – М.: Недра, 1964. 52. Смиленко А.Т. Отчет о раскопках на балке Канцерке в 1968 г. – Науковий архів Інституту Археології АН України. 53. Соколов К.П. Геологическое истолкование магниторазведочных данных. – М. :Госгеолтехиздат. –1956. – 128 с. 54. Справочник оператора магниторазведчика. /Под ред. В.Е. Никитского. – М.: Недра, 1987. – 173 с. 55. Справочник по математическим методам в геологии / Д.А. Родионов, Р.И.Коган, В.А. Голубева и др. – М.: Недра, 1987. – 335 с. 56. Станюкович А.К., Ружин Ю.Я. Методы обнаружения локальных ферромагнитных объектов в грунте при помощи цифровых магнитометров. – Препринт №73(827). – М.: ИЗМИРАН, 1988. – 26 с. - 312 -

57. Станюкович А.А. Электроразведка на археологических памятниках с трехэлектродной фокусированной установкой. – Препринт №34(860). – М.:ИЗМИРАН, 1989. – 14 с. 58. Тафеев Г.П., Соколов К.П. Геологическая интерпретация магнитных аномалий. – Л.: Недра, 1981. – 327 с. 59. Тархов А.Г., Сидоров А.А. О математической обработке геофизических данных. – Изв. АН СССР, сер. геофиз., №10. – 1960. 60. Тереножкин А.И. Субботовское городище. – СА, №3, 1958. – С. 154-178. 61. Тихонов А.Н., Буланже Ю.Д. Об осреднении гравиметрических полей. – Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз., т. 9, вып. 3. – 1945. 62. Третяк А.Н., Волок З.Е. Палеомагнитная стратиграфия плиоценчетвертичных осадочных толщ Украины. – К.: Наукова думка, 1976. – 88 с. 63. Финкельштейн М.Н., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. – М.: Недра,1986. – 128 с. 64. Франтов Г.С., Пинкевич А.А. Геофизика в археологии. –Л.,1966. 65. Цветков В.И. О потерях при сборе железных метеоритов при помощи металлоискателя. – Метеоритика, вып. 38. – М.: Наука, 1979. – С. 65– 67. 66. Шауб Ю.Б. Применение корреляционного анализа для обработки геофизических данных. – Изв. АН СССР, сер. геофиз., №4. –1963. 67. Шишкін К.В. Планування трипільських поселень за даними аерофотозйомки. – Археологія, № 52. – 1985. – С. 94–100. 68. Шишкін К.В. З практики дешифрування аерофотознімків в археологічних цілях. – Археологія, № 10. – 1973. – С. 32–40. 69. Шмаглій М.М., Дудкін В.П., Зіньківський К.В. Про комплексне вивчення трипільських поселень. – Археологія, №10. – 1973. – С. 23 –31. 70. Шмаглий Н.М., Рыжов С.М., Дудкин В.П. Трипольское поселение Коновка в Среднем Поднепровье. – Археология, 52. – К.: Наукова думка. – 1985. 71. Griffin W. Residual gravity in theory and practice. Geophisics, vol.XIV, №1, 1949. 72. Le Borgne, E. Ann. Geophys. 11, 399-419 (1955). 73. Saxovs S., Nyggard K. Residual anomalies and depthe estimation. Geophisics, 18, №4,1953.

- 313 -

Приложения

РЕЦЕНЗИИ Копия (в переводе с украинского)

Рецензия на монографию Игоря Николаевича Кошелева «Магнитная разведка археологических памятников» Книга написана на русском языке, состоит из 340 страниц, содержит вступление, 5 глав, 68 иллюстраций, 24 таблицы, 73 библиографических источника. В ней изложены физические основы магнитной разведки, технология проведения специальных магнитных съемок, методы обработки и археологической интерпретации магнитометрических данных. Глава 1 посвящена физическим основам магнитной разведки. Последние рассмотрены предельно кратко, но строго в соответствии с общепринятой теорией магнитометрии. Популярное изложение начальной части главы вполне оправдано стремлением обеспечить доступность восприятия материала специалистами, которые не имеют базового геофизического образования, – историками-археологами, – для которых, главным образом, эта книга и предназначена. Основным в главе 1, с точки зрения рецензентов, есть анализ физико-археологических предпосылок магнитометрических исследований археологических памятников. Исключительная важность этого вопроса вполне понятна. Ведь только при наличии благоприятных физикоархеологических предпосылок имеет смысл включение магнитной разведки в комплекс археологических исследований, и могут быть обеспечены условия достоверной археологической интерпретация полученных данных. Отметим, что материалы о построении моделей археологических объектов получены как результат собственных исследований автора монографии. В работе приведены результаты статистической обработки данных о магнитных свойствах археологических объектов, оценена вероятность их выделения по магнитометрическим данным, проведен анализ взаимосвязей магнитных характеристик. Такие полные и широкие обобщения на сегодня практически отсутствуют, и они, несомненно, представляют большой интерес для специалистов. Важно отметить и тот факт, что автор творчески развил применительно к археологии концепцию о физико-геологических моделях объектов, которая имеет широкое применение в области геологической разведки. Представленные в работе физико-археологические модели археологических объектов создают научно обоснованную базу для продуктивного использования магнитометрических методов в археологии. Автором приведен обзор результатов геофизических исследований археологических объектов с помощью некоторых других методов прикладной геофизики с соответствующим сравнительным анализом. Убедительно показана целесообразность комплексирования ряда геофизических методов и ведущая роль магнитометрии в этом комплексе. - 314 -

В главе 2, базируясь на стандартных положениях методики и техники магнитных съемок, а также на критическом анализе недостатков съемок, которые проводились в археологии в прошлые годы, автор формулирует рекомендации по технологии съемок археологического назначения. Предложенная технология является дальнейшим развитием методики микромагнитных исследований в геологии, представляет собой глубокую адаптацию этой методики для нетипичных в геологоразведке объектов и новых условий применения. По мнению рецензентов, разработанная технология полевых магнитометрических работ заслуживает доверия, и может представлять определенный интерес и для исполнителей современных микромагнитных исследований при решении ряда других задач. Глава 3 посвящена рассмотрению проблем обработки результатов магнитной съемки с целью выделения аномалий археологического происхождения и последующей их интерпретации. Исследования автора были направлены на сравнительный анализ существующих методов интерпретации, которые могут применяться в археологии, где объекты в геофизических полях проявляются лишь несколькими аномальными значениями на соседних профилях съемки. В значительной мере автору это удалось, о чем свидетельствуют полученные результаты. Заслугой автора можно считать также проведение глубокого анализа источников магнитных помех разного происхождения, учет которых позволяет, в конечном итоге, выделить с достаточной достоверностью именно те локальные аномалии, которые отображают лишь археологические объекты. Предложенную систему обработки и трансформаций наблюденных магнитных аномалий можно считать оптимальной в данных условиях и на данной стадии разработки магнитометрии археологического назначения. Археологическая интерпретация магнитных аномалий, выделенных в процессе обработки результатов съемок, проведена автором, преимущественно, на качественном уровне, без проведения количественных расчетов. Такой подход вынужден, он обусловлен имеющимися полевыми материалами, которые фиксируют аномалии археологического происхождения ограниченным числом точек наблюдений, недостаточным для применения существующих методов количественной интерпретации. Относительно общих принципов и приемов качественной археологической интерпретации магнитометрических данных у рецензентов нет принципиальных замечаний. На этом заканчиваются три главные части рецензируемой работы, которые имеют отношение к геофизическим методам исследований. Глава 4 представленной на рецензию работы иллюстрирует на конкретных примерах высокую эффективность магнитометрии при решении археологических задач. С профессиональной точки зрения достоверность приведенных геофизических материалов и их интерпретация не вызывает сомнений. Последняя, 5 глава текста, как и 4 глава, предназначена археологам. Автор

аргументирует необходимость внедрения магнитометрии в повседневную практику археологических исследований и высказывает свою точку зрения по этому поводу. Со своей стороны, рецензенты, как геофизики, могут только приветствовать положительное решение проблемы внедрения магнитной - 315 -

разведки в археологию и не имеют никаких сомнений относительно целесообразности такого решения. Подытоживая все сказанное, рецензенты отмечают следующее. Работа составлена на высоком профессиональном уровне, учитывая ее назначение для научных работников, которые не имеют специальной подготовки в области геофизики. Работа заслуживает высокой оценки как по сути изложенного, так и по требованиям к языку и стилю изложения, рассчитанного, главным образом, на читателя гуманитарного профиля. Легко доступное изложение материала иллюстрируется достаточным числом оригинальных, хорошо выполненных рисунков и табличным материалом. Рецензенты полностью разделяют мнение автора о назначении книги для широкого круга специалистов. Она может быть полезной археологам, специалистам по охране памятников археологии и истории, геофизикам, исследователям объектов военной истории, но может быть полезна и строителям, мелиораторам, другим специалистам, деятельность которых связана с исследованиями приповерхностного слоя геологического разреза, а также студентам. Рецензенты считают возможным рекомендовать издание представленной работы как научной монографии. Данная работа может быть использована и как учебное пособие для студентов высших учебных заведений геофизического и археологического профилей. Такое учебное пособие могло бы принести не меньшую пользу в учебном процессе, чем популярный учебник того же автора для техникумов («Гравитационная и магнитная разведка"), который выдержал несколько переизданий. Зав. кафедрой геофизики геологического факультета Киевского национального университета имени Тараса Шевченка д-р геол. наук, профессор

С.А.Выжва

Доцент кафедры геофизики канд. геол. наук

ГЕОЛОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Подписи

С.А. Выжвы, М.И. Гузия

- 316 -

М.И. Гузий

Копия

Рецензия И.Н. Кошелев. Магнитная разведка археологических памятников. Рукопись, 340 страниц Рецензируемая рукопись является первым в Украине научным трудом, в котором обобщены материалы по проблеме использования магнитной разведки для изучения памятников археологии. Если учесть, что история использования этого метода на памятниках археологии Украины насчитывает уже более тридцати лет, то сам факт появления такой работы следует всячески приветствовать. По меньшей мере, два поколения украинских археологов в той или иной мере использовали плоды сотрудничества с геофизиками, не всегда имея представление о том, каким путем получены те или иные результаты. А это, в свою очередь, порождало недоверие к результатам исследований, непонимание возможностей и перспектив использования геофизических методов для поиска и изучения археологических объектов. Информация о практическом применении магнитной съемки в археологии на протяжении последних десятилетий была рассеяна во множестве периодических изданий, отсутствовали какие-либо обзоры методики и практики ее применения. Монография И.Н. Кошелева представляет собой наиболее полный и всесторонний труд в области применения магнитной съемки для нужд археологии. Очень важно, что здесь в доступной форме рассмотрены основные положения методики, техники проведения полевых исследований, сведения о применяемой технике, вопросы обработки и археологической интерпретации полученных результатов. Понимание технических аспектов облегчено приведением массы примеров практического использования магнитной съемки на самых различных типах древних памятников, которые относятся к самым разным эпохам. В монографии изложен бесценный опыт организации и проведения магнитометрических исследований, накопленный на протяжении более чем трех десятилетий, и, что особенно ценно, – при изучении именно археологических древностей Украины. Тем самым подчеркнут определенный приоритет отечественных исследователей в применении данного метода, что особенно важно сегодня, когда подобные исследования организуются и проводятся международными экспедициями, причем заграничные коллеги зачастую и не подозревают, что не являются пионерами в применении магнитной съемки на местных археологических объектах. Книга в действительности может быть использована в качестве учебника для студентов соответствующего спектра специальностей – от археологии до музееведения, охраны историко-культурного наследия. В третьем тысячелетии для исследователя в сфере гуманитарных наук сотрудничество с представителями естественных наук должно стать необходимостью, что невозможно себе представить без полного взаимопонимания. Рецензируемая работа, как мне представляется, может способствовать достижению такой цели. - 317 -

Нет никаких сомнений, что издание рецензируемой книги станет важным и заметным событием в развитии археологической науки. Считаю, что монография И.Н. Кошелева «Магнитная разведка археологических памятников» представляет интерес для широкой категории читателей и заслуживает издания.

Кандидат исторических наук Старший научный сотрудник Института археологии НАН Украины М.Ю. Видейко 23.12.2004.

- 318 -