Магнитометрические исследования городища Монастырек

Проведен анализ результатов прецизионной двухгоризонтной магнитометрической съемки городища Монастырек на основе сопоставления результатов многочисленных раскопов с магнитометрическими данными. На многочисленных примерах выявлены особенности отражения в магнитном поле основных типов археологических объектов (жилища, хозяйственные ямы, погребения). Показана высокая эффективность использования аномалий вертикального градиента магнитной индукции для поисков слабомагнитных археологических объектов, создающих слабоамплитудные магнитные аномалии. Доказана возможность замены двухгоризонтной магнитной съемки высокоточными измерениями на одном уровне наблюдений относительно земной поверхности, приведены рекомендации по проведению необходимых для этого трансформаций.

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 под руководством Е.В. Максимова [Максимов, Петрашенко 1988] и на большей части площади сопровождались геофизическими работами. Геофизические исследования методом высокоточной магнитной съемки выполнялись под руководством и при непосредственном участии В.П.Дудкина.

Раскопки городища проводились как до начала магнитометрической съемки, так и после ее завершения. С другой стороны прецизионные магнитометрические исследования проведены не на всей площади городища, а лишь в пределах доступных участков, исключая уже изученные археологически объекты. Учитывая эти особенности 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, зарубинецкой культуры и раннеславянских, несколько погребений, более 250 хозяйственных ям и других археологических объектов (рис. 1). 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 исследования проводились высокоточным протонным магнитометром методом прецизионной двухгоризонтной магнитной съемки при высотах магнитоизмерительного преобразователя прибора на уровне 0.2 и 1.2 м над поверхностью земли. Такая методика измерений имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с обычной магнитометрической съемкой :

• обеспечивается практически полный учет вариаций магнитного поля Земли;
• погрешности наблюдений минимизируются и оказывается возможным реализовать высокую точность измерений на уровне аппаратурной погрешности магнитометра (х1-2 нТ);
• представляется возможным непосредственно по результатам измерений вычислить значения вертикального градиента магнитной индукции Земли; эта характеристика магнитного поля обладает существенными достоинствами по сравнению с другими характеристиками и трансформантами поля и обеспечивает надежное археологическое истолкование магнитометрических данных.

Магнитометрическая съемка проведена по сети широтно ориентированных профилей, расположенных через 2 м один от другого, с шагом 1 м на площади 17 планшетов размером 20х20 м. Схема расположения планшетов (в нумерации, принятой при проведении археологических раскопок) представлена на рис. 1. Часть планшетов покрыта съемкой не полностью. Общая площадь съемки по сети 2х1 м составляет 4.6 га. Достигнутая точность съемки не превышает аппаратурной погрешности магнитометра и составляет х=х1 нТ, что позволяет строить карты магнитного поля с сечением изолиний через 2 нТ и более.

По данным магнитометрической съемки были вычислены значения вертикального градиента магнитной индукции и локальные магнитные аномалии методом исключения линейного тренда. Полученные данные, в основном, хорошо согласуются между собой. Археологическое истолкование магнитометрических данных осуществлялось, главным образом, по карте аномалий вертикального градиента поля с привлечением данных о локальных аномалиях там, где они более четко отображают интерпретируемый археологический объект. В качестве перспективных для археологических исследований принимались положительные магнитные аномалии, поскольку предполагается, 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 тремя и более точками и имеют амплитуду более 4-6 нТ/м. Такая низкая пороговая амплитуда аномалий обоснована с одной стороны высокой точностью магнитометрческих наблюдений и низким уровнем помех, а с другой стороны - ожидаемым низким уровнем намагниченности культурного слоя и сравнительно большой глубиной залегания магнитоактивных археологических остатков, которая по данным предварительно проведенных раскопок составляет 0.5-1.3 м.

Рис. 1. Схема расположения археологических объектов городища Монастырек : 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 магнитометрической съемкой; 8, 9 - перспективные зоны, рекомендованные для продолжения раскопок; 10 - номера планшетов магнитометрической съемки; 11 - траншеи; 12 - линии оборонительных сооружений.

Рис. 2. Городище Монастырек. Карта изолиний вертикального градиента магнитной индукции, совмещенная с планом расположения археологических объектов.

Рис. 3. Городище Монастырек. Карта локальных аномалий магнитной индукции, совмещенная с планом расположения археологических объектов.

Такой подход к прогнозу ожидаемых археологических объектов оказался вполне оправдан. На рисунках 2, 3 представлены, соответственно, карта вертикального градиента магнитной индукции по результатам непосредственных измерений магнитного поля на двух уровнях над земной поверхностью и карта локальных магнитных аномалий, вычисленных на основе трансформаций наблюденного магнитного поля. 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.

Из рисунков 2, 3 видно, что контуры магнитных аномалий, как правило, не совпадают с контурами жилищ по результатам раскопок. Это можно объяснить двумя причинами : недостаточно густой сетью наблюдений и локальностью магнитных неоднородностей в культурном слое, заполняющем жилище.

Для иллюстрации рассмотрим несколько характерных примеров.

Жилище 16 расположено в центре планшета 1. Жилище отмечено одной магнитной аномалией, которая расположена, в основном, в пределах контура жилища по данным раскопочных работ (рис. 4, 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 из рис. 4, 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 “треугольной” аномалии. Таким образом, магнитная съемка по сети 2х1 м отмечает археологический объект интегрально, обобщенно, не дифференцируя детали. Следует отметить, что задача детального картографирование археологических объектов перед геофизическими работами и не ставилась. Целью были поиски относительно протяженных археологических объектов типа жилище, а не их картографирование и выявление деталей, 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, 12 (на том же планшете 1). Жилище 12 частично накладывается в плане на более древнее жилище 6 (см. рис. 5). 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 прийти и на примере жилищ 11, 5 (рис. 6). 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 - печи-каменки жилища 5. При этом амплитуда аномалии от печи-каменки выше аномалии от глинобитной печи.

Обобщая результаты сопоставления магнитных аномалий с контурами жилищ, легко установить, что за редким исключением жилища 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. 7) на планшете 19. Хотя он интерпретируется как жилище, однако, судя по магнитометрическим данным, представляет собой производственный объект или часть производственного комплекса. Амплитуда соответствующей 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.

Рис 4. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок (жилище 16).

Рис. 5. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилищ 6, 1.

Рис. 6. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилищ 5, 8, 11.

Рис. 7. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилища 9.

Рис 8. Сопоставление магнитометрических данных с результатами археологических раскопок жилища 10.

И действительно, в процессе раскопа объекта № 9 и прилагающей к нему территории обнаружены признаки, подтверждающие предположение об его отношении к производственному комплексу. Жилище 9 представляет собой полуземлянку размером 3.4х3.2 м, 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, очевидно, образует не горн, а просто выброс их в яму от близлежащего производственного комплекса. (Такое предположение подтверждается бессистемным расположением отдельных кусков шлаков, разбросанностью шлаков по всему раскопу, отсутствием среди шлаков кусков обожженной глины, которая применяется при построении горна, представлением слоя шлаков мелкими кусочками, как обычно бывает при выбросе 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 печиной, кусками шлака и фрагментами керамики. По мнению археологов, конструкция представляет собой кузнечный горн.

Хозяйственные ямы установлены в результате раскопочных работ практически на всей площади городища. Некоторые из них располагаются внутри жилищ. В этом случае они могут влиять на форму и положение эпицентра связанной с жилищем магнитной аномалии, как это мы наблюдаем на участке рассмотренного выше жилища 16 (рис. 4). По таким признакам диагностировать ямы до начала раскопок весьма затруднительно, хотя в некоторых случаях, как, например, на участке жилищ 12, 6 (рис. 5) вполне возможно.

Отдельно расположенные хозяйственные ямы магнитометрической съемкой при сети наблюдений 2х1 м 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 локальными магнитными аномалиями, тяготеющими к геометрическому центру группы ям. Имеется множество примеров таких случаев. Типичная ситуация имеет место к юго-западу от жилища 9 (рис. 7) и к западу от жилища 10 (рис. 8). 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 раскопочных работ, т.е. прогнозировать участки возможного скопления ям.

Морфология аномалий, в пределах которых найдены древние погребения, существенно отличается от аномалий, связанных с жилищами или хозяйственными ямами.

Рис. 9. Выделение древних погребений по аномалиям вертикального градиента магнитной индукции.

Узкими локальными линейными магнитными аномалиями сравнительно большой протяженности отмечаются обычно древние рвы или валы. Двух примеров для статистики, может быть, и недостаточно, но вызывает интерес тот факт, что оба изученных погребения приурочены именно к таким аномалиям. Как видно из рис. 9, а, погребение 1 расположено в северной части подобной линейной магнитной аномалии. Она начинается на планшете 6 и продолжается (с изгибом) в пределах планшета 1. 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. 9, б) на планшете 17. К западу от нее на сходной, но еще более узкой локальной аномалии экспериментальным раскопом обнаружена лишь группа из трех хозяйственных ям.

Приведенные примеры и сопоставление карт магнитного поля с планом раскопок в целом убедительно свидетельствуют о высокой эффективности магнитометрических исследований при поисках не только археологических объектов трипольских поселений, отличающихся высокой намагниченностью археологических остатков (в частности - скоплений обожженных глин), но и при исследованиях археологических памятников других культур в условиях сравнительно низких характеристик намагниченности искомых объектов. Проведенная для этой цели на городище Монастырек прецизионная двухгоризонтная магнитометрическая съемка при всех ее достоинствах имеет свои недостатки. Требуется специальная дорогостоящая аппаратура (дифференциальный магнитометр [Дудкин 1970] или магнитометр-градиентометр, которые серийно не выпускаются), 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 вместо двухгоризонтной магнитной съемки использовать другую, более простую и доступную технологию магнитометрических исследований стандартными средствами.

Для решения этого вопроса нами исследованы возможности вычисления вертикального градиента магнитной индукции по результатам измерений на одном уровне наблюдений (обычно на высоте 10-20 см от земной поверхности). Успешно применяемые в геологоразведке вычислительные схемы 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 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.

Рис. 10. Сопоставление значений вертикального градиента по результатам трансформаций - Bz (теор), с данными непосредственных измерений - Bz (набл).

Все эти препятствия можно было бы преодолеть, если провести магнитометрические исследования с очень малым шагом наблюдений по профилю - через 0.5 м и менее. Это могло бы обеспечить сглаживание наблюденного поля, достаточное число точек в расчетном интервале и возможность фильтрации короткопериодических аномалий-помех частотными методами. Однако исследования с шагом 0.5 м или менее вряд ли обойдутся дешевле, чем двухгоризонтная съемка.

Другой путь вычисления вертикального градиента магнитной индукции может быть основан на пересчете наблюденных значений поля на некоторую высоту H выше уровня наблюдений. При этом значения вертикального градиента магнитной индукции могут быть вычислены по следующей формуле :

где

значения магнитной индукции соответственно на нижнем (“нулевом”) и верхнем уровне относительно поверхности земли.

Пересчет наблюденного поля в верхнее полупространство можно выполнить, например, по формуле А.К. Маловичко [Дудкин, Кошелев 1999] :

где

значения наблюденного поля на “нулевом” уровне в точках расчетного интервала j = х4; - коэффициенты расчетной формулы.

Экспериментальные расчеты нами проведены по 1-му планшету съемки. Магнитное поле, измеренное в процессе двухгоризонтной съемки на нижнем уровне, было пересчитано по формуле (2) в верхнее полупространство на высоту 1 м. Используя эти данные вместо реально измеренных значений магнитной индукции на верхнем уровне, вычислены по формуле (1) значения вертикального градиента поля на уровне наблюдений. Сопоставление этих теоретически рассчитанных значений вертикального градиента поля со значениями, полученными из непосредственных наблюдений на двух уровнях, показывает, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Для иллюстрации результаты трансформаций приводятся на рис. 10, в частности, по профилю 14 через эпицентр аномалии над описанным выше жилищем 16 (см. рис. 4). Средняя величина расхождения экспериментально полученных и теоретически рассчитанных значений вертикального градиента (график dB на рис. 10) составляет около 1.5 нТ при практически нулевом среднем (х0.5 нТ), что фактически на уровне погрешностей наблюдений.

Таким образом, можно считать доказанной на экспериментальной основе возможность использования магнитометрической съемки на одном уровне при исследованиях археологических памятников зарубинецкой культуры, раннеславянских и древнерусского времени.

На основании проведенного анализа результатов магнитометрических исследований городища Монастырек можно сделать следующие выводы.

Магнитометрические исследования отличаются общей высокой эффективностью даже в случае поисков слабомагнитных археологических объектов.

Прецизионная двухгоризонтная магнитная съемка имеет существенные преимущества перед обычной магнитной съемкой, обеспечивая возможность определения вертикального градиента магнитной индукции Земли непосредственно по результатам измерений, высокую точность магнитометрических наблюдений, и, как следствие, - высокие разрешающие способности метода при исследованиях археологических памятников в условия сравнительно низкой намагниченности археологических остатков.

Сеть магнитометрических наблюдений 2х1 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.

Вместо двухгоризонтной магнитной съемки можно ограничиться проведением высокоточных магнитометрических исследований по той же сети наблюдений при выполнении измерений на одной высоте (0.1-0.2 м) над земной поверхностью. При этом необходимо обеспечить тщательный учет вариаций магнитного поля Земли. 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).

Литература

• Дудкин В.П. К вопросу о применении дифференциального магнитометра в археологической разведке.- СА.- 1970.- № 1.

• Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Методы комплексной интерпретации результатов магнитометрической съемки археологических памятников // АРОІКС.- Вип. 3.- 1999 р.

• Максимов Е.В., Петрашенко В.А. Славянские памятники у с. Монастырек на среднем Днепре.- К., 1988.- 148 с.