Поиск и картирование магнитометрическим методом характерных археологических объектов (ров, гончарный горн)

Поиски и картирование археологических объектов геофизическими методами, в частности, магнитометрическими, находят все более широкое применение в практике полевых археологических исследований.

Высокая эффективность магнитометрического метода поисков археологических объектов наиболее часто иллюстрируется примерами картирования трипольских площадок [Дудкин 1978, с. 35-45; Дудкин 1970; Дудкин, Кошелев 1998]. И, действительно, для картирования таких археологических объектов, как трипольские площадки, имеющие размеры 30-50 м2 и более и представленные слоем обожженной глины мощностью до 30 см, имеются весьма благоприятные предпосылки. Однако это вовсе не означает, что применение магнитометрии для поисков и исследований археологических объектов иной природы мало перспективно. В данной работе высокая эффективность магнитного метода разведки рассмотрена на примерах картирования таких существенно различных по природе объектов, как гончарные горны и заполнение рва. В связи с резким сокращением в последние годы экспедиционных полевых работ (из-за временного прекращения их финансирования), объекты исследований выбраны по данным магнитометрических наблюдений, выполненных автором в прошлые годы.

Поиски гончарных горнов

В 1969-1970 гг. поисково-разведочные археологические работы проводились на поселении гончаров VII ст. Перед геофизической разведкой было поставлено требование выяснить местоположение гончарных горнов, расположенных, по предположениям автора раскопок А.Т. Смиленко [Смиленко 1968], на склонах балки Канцерка на юго-восточной окраине села Любимовка. Изучение материалов раскопок прошлых лет, а также результатов экспериментальных геофизических исследований, проведенных Г.Ф. Загнием на одном из локальных участков с помощью протонного магнитометра М-20, позволяло сделать вывод о возможности выделения искомых объектов магнитометрическим методом. Такой вывод обоснован прежде всего тем, что остатки гончарных горнов состоят из больших скоплений сильно обожженной глины (до 1000 кг) и, согласно расчетам, образуют значительные аномалии магнитного поля (до нескольких сотен нанотесла). Это хорошо согласовалось с данными экспериментальных исследований и позволяло использовать для поисков горнов не только дефицитные в то время протонные магнитометры, но и менее чувствительные, широко распространенные 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 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 DZ-магнитометром М-27 с точностью порядка ± 2 нТ.

Рис. 1. Карта изодинам вертикальной составляющей напряженности аномального магнитного поля над гончарными горнами: а - однокамерным, б - двухкамерным.

На участках аномальных значений магнитного поля были разбиты разведочные квадратные сети с ячейкой 1х1 м2. По этой сети проводилась детализация аномальных зон посредством измерений магнитометром М-27 по циклической методике (опорная точка -10 замеров - опорная точка), которая позволяла учесть нестабильность показаний магнитометра во времени и практически исключить влияние вариаций магнитного поля Земли. После обработки результатов измерений, учета необходимых поправок и исключения региональной составляющей геомагнитного поля строились карты изодинам вертикальной составляющей Za вектора напряженности магнитного поля Земли - основной материал для качественного археологического истолкования магнитометрических данных.

Характер аномалий на четырех участках отвечал в первом приближении аномалии над однородно намагниченной полусферой (рис. 1,а), что соответствует представлению об однокамерном гончарном горне. На двух участках аномалии имели более сложную форму (рис. 1,б), отвечающую модели двухкамерного горна.

Рис. 2. Аналитическое продолжение магнитной аномалии от гончарного горна по профилю 2 на глубины 0.5, 1 и 1.5 м: а - графики Z - составляющей напряженности магнитного поля, б - карта изолиний в вертикальной плоскости.

Процесс интерпретации магнитной аномалии над гончарным горном рассмотрим на примере однокамерного горна, приведенного на рис. 1,а. По профилям съемки проведено аналитическое продолжение аномалий в нижнее полупространство (ниже поверхности наблюдений) на глубины 0.5, 1 и 1.5 м. Рассмотрим результат, полученный, в частности, для профиля 2, проложенного через эпицентр интерпретируемой аномалии. Как видно из рис. 2, аномалия напряженности магнитного поля в интервале расположения гончарной печи с глубиной значительно (в несколько раз) возрастает. На карте изолиний Z-компоненты вектора напряженности магнитного Земли в вертикальной плоскости (рис. 2,б) четко оконтуривается область 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. 3.

Глубину верхней кромки аномального изометрического объекта (не предопределяя его формы) можно оценить по формуле Д.С. Микова [Миков 1962] по абсциссам x1 и x2 характерных точек интерпретируемых кривых Za на двух различных уровнях над поверхностью наблюдений:

где Dh - интервал между уровнями поля по высоте. Из графиков магнитного поля, представленных на рис. 3, определим, например, абсциссы точек перехода через 0 кривых Za на уровнях 0 и 0.5 м. Подставив полученные результаты (2x1 = 2.5 м - на нижнем уровне и 2x2 =4 м , соответственно, - на верхнем), получим: h = 0.3 м. Так как нижний уровень расположен на 0.5 м ниже поверхности наблюдений, истинная глубина залегания верхней кромки объекта будет на 0.5 м больше: h1 = h+0.5 = 0.8 м.

Из соотношения площадей, ограниченных кривой Zа и осью абсцисс на уровне наблюдений (So) и на некоторой глубине h (Sh), можно определить глубину залегания центра источника аномалии. В частности, для объекта изометрической формы глубина залегания центра намагниченных масс определяется по формуле [Полетаев, Розенберг 1966, с. 55-63] :

и составляет в данном случае 1.3 м.

Для контроля оценим глубину залегания центра аномального объекта методом характерных точек [Магниторазведка 1980] по кривой Za(0.5), рассчитанной для глубины h=0.5 м. Расчет глубины залегания центра тела изометрической формы можно выполнить по формулам :

где x0 и xmin - координаты точек кривой, соответствующие значениям напряженности магнитного поля Za=0 и Za=Zmin на глубине h ниже поверхности земли. Определив из рис. 3 среднюю величину значений x0 =1.20 м и xmin=1.60 м при h =0.5 м получим, соответственно, h0 =1.35 м и h0=1.3 м, что хорошо согласуется с полученным ранее результатом.

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.

Рис.3. Пример количественной интерпретации магнитной аномалии, создаваемой гончарным горном .

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-компоненты вектора напряженности магнитного поля (Zxx). В данном случае оба приема приводят к аналогичному результату и можно принять, что поперечные размеры интерпретируемого аномального объекта не превышают 1.8 м (отрезок 2x0.5 на рис. 3.). Учитывая изометрическую в плане форму тела, его радиус будет 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 до начала раскопок на плане и на местности с точностью до ±(0.25..0.50) м.

Для определения природы археологических остатков, заполняющих объект исследований, целесообразно оценить степень их намагничения. Магнитную восприимчивость намагниченного объекта изометрической формы (типа вертикального цилиндра) можно приближенно вычислить по формуле

æ (4)

где M =10 h12 Zmax - магнитный момент изометрического намагниченного тела; S=pR2 - площадь поперечного сечения; R - радиус аномальной зоны; 10 - масштабный множитель для согласования единиц измерений.

Принимая глубину залегания верхней кромки цилиндра h1=0.8 м и радиус R=0.9 м, получим при Zmax = 100 нТ величину магнитной восприимчивости археологических остатков æ =503·4p10-6СИ. Можно предположить, что остатки древних гончарных горнов представлены обожженными глинами. В таком случае, как установлено в работе [Дудкин, Кошелев 1996], между намагниченностью и магнитной восприимчивостью этих остатков должно существовать соотношение: æ = 10, откуда J = 0.01 æ2. Подставляя вычисленное значение æ, получим J = 2530·10-3СИ. Эта величина близка среднему статистическому значению намагничения образцов обожженных глин, отобранных из гончарных печей [Дудкин, Кошелев 1996], равному J = (3100±750)·10-3 СИ. Из этого можно сделать вывод о том, что археологические остатки в данном случае действительно представлены обожженными глинами , что является важным доказательством принадлежности исследуемых археологических объектов (учитывая их форму и размеры) к типу гончарных печей.

Таким образом, по данным количественной интерпретации аномалий над гончарными горнами сравнительно легко оценить форму, размеры, глубину залегания и степень намагниченности (а, следовательно, и природу) археологических остатков. При этом следует отметить, что поиск гончарных печей обычными археологическими методами представляет, в частности, в данном районе, значительные трудности и сопряжен с большими расходами на поисковые горные работы в связи с большой глубиной залегания искомых объектов и отсутствием каких бы то ни было поисковых признаков на поверхности. Таким образом, целесообразность и необходимость применения магнитной разведки в практике археологических исследований не вызывает никаких сомнений. Археологические раскопки на основе использования данных магнитометрических исследований были проведены при минимальных затратах сил и средств.

Исследования рва на трипольском поселении

В качестве другого примера эффективности применения магнитометрии в поисковой археологии рассмотрим результаты магнитометрических исследований рва на поселении трипольской культуры у с. Казаровичи Киевской области.

Рис. 4. Карта графиков вертикальной составляющей напряженности магнитного поля над трипольским рвом.

Геофизические работы имели экспериментальный характер. Магнитометрической 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 (см. рис. 4).

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 (рис. 5). Верхняя часть рисунка представляет карту изолиний магнитного поля на уровне наблюдений, а в нижней части показаны вертикальные разрезы Z-компоненты 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. Процесс количественной интерпретации иллюстрируется рисунком 6 на примере профиля 2, по которому проведены опытные раскопки. Результаты раскопочных работ представлены на рис. 6,в. Расчет параметров аномального объекта выполнен по формулам, приведенным в «Справочнике геофизика» [Магниторазведка 1980].

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:

В частности, для аномалии по профилю 2, определив из рис. 6 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

где Zi - значения магнитной индукции в точках, удаленных на расстояние xi от эпицентра кривой со значением Zmax. Усредняя результат расчета по нескольким точкам, получим h0 » 0.9 м.

Рис. 6. 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: 1 - почвенный слой, 2 - лес- совидный суглинок, 3 - глина, 4 - песок, 5 - смешанное заполнение рва, 6 - темное гумусированное заполнение рва, 7 - кон- тур рва по данным количественной интерпретации магнитной аномалии .

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 (пластом) шириной 2b, ограниченной по глубине и вытянутой по горизонтали на значительное расстояние (контур 1 на рис. 6,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 і1.5h0 »2 м (при том же расположении центра масс на глубине h0). На рис. 6,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). Однако более надежной будет оценка, основанная на использовании результатов пересчетов магнитной аномалии на глубину 0.5 м, близкую в данном случае поверхности залегания практически неизмененного вещества заполнения рва. При этом намагниченность аномального тела может быть вычислена из простого соотношения:

где DZa - амплитуда магнитной аномалии, I - магнитное наклонение на участке съемки, 10 - масштабный множитель для согласования единиц измерений. Принимая угол наклонения близким нормальному - I » 70o, и амплитуду аномалии по профилю 2 на глубине 0.5 м (см. рис. 6) DZa = 22 нТ, получим: J = 39Ч10-3 СИ.

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

где M = JЧS - магнитный момент единицы длины цилиндра; J - величина намагничения; S=pR - площадь, R -радиус поперечного сечения. При DZa = 22 нТ, J = 39Ч10-3 СИ и R=b=0.95 м, получим h0 = 1.0 м, что хорошо согласуется с ранее проведенным расчетом по формуле (6).

Количественная интерпретация проведена по всем профилям съемки. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты количественной интерпретации магнитных аномалий над трипольским рвом (участок Казаровичи).

Сопоставляя полученные данные с результатами опытных раскопок по профилю 2 (рис. 6,в), можно отметить следующее.

1). Глубина верхней кромки исследуемого объекта по данным интерпретации магнитных аномалий на 10-20 см завышена. Это можно объяснить ослаблением намагниченности верхней части объекта за счет процессов окисления заполняющего ров вещества (воздействия воды и кислорода на магнитоактивные минералы).

2) Глубина залегания нижней кромки аномального объекта (предельная глубина рва) определяется весьма приближенно. Более достоверно может быть установлена глубина центра магнитных масс.

3) Горизонтальная мощность аномального объекта (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) Вычисленная величина намагничения J = (26..49)Ч10-3 СИ аномального объекта близка средней намагниченности заполнения ям и рвов, которая по данным статистической обработки отобранных по региону Украины образцов [Дудкин, Кошелев 1996] составляет J =(51± 6) Ч 10-3 СИ. Таким образом, предположение о связи выявленной аномальной зоны с древним рвом представляется вполне оправданным.

5) Для обеспечения необходимой точности (±0.25..0.50 м) определения параметров древнего рва (размеров, глубины залегания, намагниченности 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.

Выводы и рекомендации

На основании приведенных данных и примеров можно сделать вывод о высокой эффективности магнитометрического метода не только для поисков гончарных печей, но и при поисках и исследованиях древнего рва. 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 магнитометрическая 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 2х1 м2, чтобы не пропустить объект, 1х1 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 e = ± (3-4) нТ.

Для поисков и картирования древних рвов сеть наблюдений может быть от 2х1 м2 до 5х1 м2 с последующей детализацией с шагом 0.5 м по интерпретационным профилям. Магнитометрические наблюдения должны быть, по возможности, прецизионными (с точностью порядка ± 1-2 нТ).

Обработку и интерпретацию магнитометрических данных желательно проводить на компьютере, что способствует повышению эффективности и достоверности получаемых результатов.

Литература

1. Дудкин В.П. Геофизическая разведка крупных трипольских поселений // Использование методов естественных наук в археологии.- К. : Наукова думка, 1978.- С. 35-45.
2. Дудкин В.П. К вопросу о применении дифференциального магнитометра в археологической разведке.- СА.- 1970.- № 1.
3. Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Рациональный комплекс преобразований магнитных аномалий с целью выделения археологических объектов по магнитометрическим данным // АРОІКС.- Вип. 2.- К., 1998.
4. Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Магнитные свойства археологических объектов // АРОІКС.- Вип.1.- К., 1996.
5. Магниторазведка. Справочник геофизика /Под ред. В.Е. Никитского, Ю.С. Глебовского.- М.: Недра, 1980.- 367 с.
6. Миков Д.С. Методы интерпретации магнитных аномалий.- Томск : Изд. Томского ун-та., 1962.- 188 с.
7. Полетаев Б.Д., Розенберг В.Н. Интегральный способ определения глубин залегания возмущающих тел.- Развед. Геофизика.- Вып. 9.- М. : Недра, 1966.- С. 55-63.
8. Смиленко А.Т. Отчет о раскопках на балке Канцерке в 1968 г. // Науковий архів Інституту Археології АН України.