Археологическая геофизика

По классификации А.К.Станюковича (1994), археологическая геофизика изучает скрытые объекты историко-культурного наследия: археологические объекты и комплексы, содержащиеся в культурных напластованиях; археологические памятники и комплексы, утратившие внешние отличительные признаки (грунтовые могильники, фундаменты несохранившихся архитектурных сооружений); умышленно спрятанные объекты-склады и иные сокрытия; памятники гидроархеологии и затонувшие объекты.

Геофизические методы исследований, в отличие от археологических, являются неразрушающими, что позволяет привлекать геофизику для создания кадастров археологических памятников и карт охранных историко-археологических зон. Сочетание результатов геофизических исследований всего археологического памятника с раскопками небольшой его части позволяет законсервировать культурный слой для будущих более совершенных методов археологических исследований. Актуальность проведения геофизической разведки особенно возрастает при экстренных исследованиях территорий перед застройкой, там, где раскопки не запланированы или по каким-либо причинам затруднены или невозможны, а также в случаях, когда ни в рельефе местности, ни в растительности нет каких-либо признаков погребенных объектов или они находятся под угрозой исчезновения в силу природных и техногенных процессов. При невозможности проведения раскопок на всей территории в зоне строительства такая геофизическая информация может оказаться единственным источником знаний о нераскопанной части памятника.

Предпосылками применения геофизических методов являются контрастность свойств объектов и среды, соотношение размеров объекта и глубины его залегания и уровень сигнала от объекта по сравнению с уровнем помех. Хотя глубины археологических объектов невелики, но по перечисленным выше предпосылкам применения археологическая геофизика не имеет серьезных преимуществ перед другими областями применения, скорее наоборот - археологические объекты оказываются весьма трудными для изучения геофизикой. У археологической геофизики есть два преимущества: обычно эти исследования столь детальны, что передвижение по площади осуществляется очень быстро и не требует транспорта, а проверки геофизических аномалий могут быть выполнены с небольшими затратами из-за их малых глубин. Без геофизики трудоемкость археологических раскопок велика, так как часто осуществляется с огромной избыточностью, напоминая поиск иголки в стоге сена. Поэтому археологи очень заинтересованы в использовании геофизических методов, чтобы заменить сплошные раскопки выборочными.

Для изучения археологических объектов могут применяться многие геофизические и близкие к ним другие методы дистанционных исследований: аэрофотосъемка, тепловая съемка, магниторазведка, электроразведка, в том числе радарная съемка, гравиразведка, сейсморазведка и ядерно-физические методы. Хорошо зарекомендовали себя в археологии каппа-метрия (изучение магнитных свойств верхнего слоя грунта) и металлоискатели - приборы, аналогичные армейским миноискателям. Наиболее универсальными и эффективными для археологических целей являются магниторазведка и электроразведка.

Геофизические методы могут применяться для построения детальных планов погребенных объектов, поисков скоплений керамического материала, очагов, зольников, изучения рвов и валов, гончарных и металлургических печей, различных погребений: в грунтовых могилах, склепах и даже курганах. Отдельной интересной проблемой геофизики в археологии является археомагнитная датировка. Многие археологические объекты с высокой термоостаточной намагниченностью (очаги, печи, горны) " запоминают " положение магнитного поля, существовавшее во время их нагрева. Так как магнитное поле за исторический период меняло свое направление вплоть до инверсии полюсов, то определение точного положения вектора магнитного поля позволяет соотнести памятник с соответствующим этому положению поля историческим периодом. Датировка является однозначной только для некоторых исторических эпох, так как одинаковые значения элементов геомагнитного поля периодически повторяются. В палеомагнитном методе разведочной геофизики из породы, обладающей термоостаточной намагниченностью, вырезается ориентированный образец, который исследуется в лаборатории на остаточную намагниченность.

Рассмотрим несколько примеров изучения археологических памятников с помощью геофизических методов, полученных геофизической группой геологического факультета МГУ. Например, работы на некрополе Херсона (г.Севастополь) сводились к выработке оптимальной методики поиска склепов и их картированию на некрополе, занимающем склоны Песочной балки. Исследования в основном выполнялись электроразведкой методом симметричного профилирования (MN = 1, АВ = 3 и 15 м) и срединного градиента (АВ = 90 м, MN = 1 м) с сетью наблюдений 1 x 1 м. Из выявленных аномалий более 100 можно было, разумеется с разной степенью вероятности, связать со склепами. Источниками некоторых аномалий являлись неровности рельефа и неоднородности, которые исключались по аномалиям малоразностного электропрофилирования. Выявление наиболее вероятностного положения склепов осуществлялось с учетом строения геологического разреза.

Древние строители некрополей вырубали склепы только в определенных геологических горизонтах: рыхлых известняках, снизу и сверху ограниченных тонкими слоями очень крепких, перекристаллизованных известняков. На рис. 5.13 приведены результаты электропрофилирования по одному из профилей. Повышенными значениями кажущихся сопротивлений () выделяются склепы в рыхлых известняках. К сожалению, не все аномалии оказывались над склепами.

Рис. 5.13. Схема строения склона Песочной балки со склепами и идеализированный график электропроводности в крест склону: 1 - почвенный слой ( = 30-70 Ом*м); 2 - прослой плотных известняков ( = 300-600 Ом*м); 3 - рыхлые обломочные известняки ( = 20-50 Ом*м); 4 - склепы

Второй пример связан с исследованием древних земельных наделов Гераклейского полуострова (г.Севастополь). Земельные наделы здесь являются античным археологическим памятником мирового значения, так как только на Гераклейском полуострове они сохранились практически полностью, а их изучение служит реконструкцией древнего способа возделывания винограда и фруктовых деревьев. Такая обширная территория не может быть изучена с помощью раскопок. Поэтому эффективным средством картирования плантажных стен оказались методы геофизики.

Верхняя часть геологического разреза изучаемой территории представляет собой переслаивание различных по плотности известняков сарматского возраста. Известняки перекрыты тонким чехлом рыхлых отложений (0,2-1 м). В более плотных известняках древние земледельцы прорубали канавы, а на глинистых известняках возводили плантажные стены из бутового камня. Канавы, расположенные между стенами, засыпались землей. Стены, на которые укладывалась виноградная лоза, выступали из почвы не более чем на 10 см и накапливали атмосферную влагу. Тонкий почвенный слой в случае необходимости искусственно наращивался.

Плантажные стены шириной около 1 м возводились параллельно друг другу через расстояние примерно 5 и 2 м. Они картировались с помощью электроразведки методом электропрофилирования дипольной экваториальной установкой, которая обладает высокой чувствительностью при прослеживании высокоомных объектов, какими являются стены (см. рис. 5.14). Амплитуды выявленных линейно вытянутых аномалий оказались невелики и плохо коррелировались по профилям из-за сравнительно большого межпрофильного расстояния. Поэтому были рассчитаны модули спектров пространственных частот аномалий с наиболее ярко выраженными гармониками с периодами 2 и 6 м. Следовательно, расстояние между осевыми линиями основных плантажных стенок может составлять, по нашему мнению, около 6 м, а система плантажа - с периодом 2 м.

Рис. 5.14. Монтаж плантажной стены и аномалии над ней в среде с электрическим сопротивлением: 1 -30 Ом*м, 2 - 100 Ом*м, 3 - 30 Ом* м

Третий пример, связанный с распознаванием типов источников статистического ансамбля магнитных аномалий городища Камно, расположенного недалеко от Пскова на высоком мысе при слиянии двух истоков р.Каменки, взят из работ В.В.Глазунова (1978). Городище занимает оконечность мыса и отделено от остальной части плато валом и рвом. Остатки построек не сохранились, поскольку стены были деревянными. В жилищах размещались очаги и глинобитные печи. Для реконструкции поселения требовалось уточнить стратиграфию культурного слоя и установить количество, назначение и размещение построек в пределах городища. Изучение культурного слоя с помощью магниторазведки оказалось возможным, потому что сохранившиеся очаги и печи, в отличие от вмещающего их слоя гумуса и подстилающих коренных пород, характеризуются индивидуальным и устойчивым комплексом магнитных свойств.

Магнитная съемка производилась по сети 1 x 1 м с помощью магнитометра М-27. Наблюдение выполнялось на высоте 0,65 м от земной поверхности. Соблюдение специальных мер обеспечивало точность съемки, вычисленной на основании 10% контрольных наблюдений, в +2,5 нТл.

Аномальное магнитное поле городища складывается из совокупности однотипных аномалий (изометричных или близких к изометричным) интенсивностью 7-40 нТл (см. рис. 5.15). Локальные аномалии магнитного поля складывались из 152 почти округлых в плане аномалий, имеющих примерно одинаковую форму, интенсивность и размеры 1-1,8 м. В размещении аномалий заметна закономерность. Они объединены в ряды. Центральные ряды прямолинейны и параллельны оси площадки, периферийные повторяют изгибы ее краев. Закономерная структура магнитного поля особенно четко проступает в средней части городища. Очаги представляли собой линзы прокаленного песка с круглой или прямоугольной оградкой из некрупного бутового камня. Остатки глинобитных печей представлены развалами обожженной глины, из которой был сооружен свод печей. В основании развалов находится вымостка из прокаленных булыжников, которые составляли под печи. Очаги являются древними сооружениями, а многие жилые постройки с печами создавались позднее. Польза от геофизических материалов во многом зависела от возможности распознавания этих объектов по аномалиям магнитного поля.

Рис. 5.15. Схематическая карта размещения очагов и печей в пределах городища Камно: 1 - очаг, 2 - печь, 3 - объект неустановленного типа, 4 - край площадки городища, 5 - траншеи и ямы по данным магнитных съемок