способ картирования археологических объектов

Формула изобретения

Способ картирования погребенных в паводковых наносах археологических объектов, преимущественно строительных конструкций, по поверхности покрывающего их почвенного слоя, включающий построение квадратной сети наблюдений, измерение геомагнитной характеристики в узлах сети, построение карты геомагнитной характеристики и последующую обработку полученных результатов, отличающийся тем, что в качестве геомагнитной характеристики используют магнитную восприимчивость поверхности почвенного слоя, строят в изолиниях карту распределения магнитной восприимчивости, а обработку полученных результатов осуществляют путем выделения на карте сопряженных участков повышенных и пониженных значений магнитной восприимчивости геометрически правильной формы и построения по ним контуров археологических объектов, при этом повышенное значение магнитной восприимчивости соответствует внешним сторонам археологических объектов, а пониженное значение магнитной восприимчивости соответствует внутренним частям этих объектов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геологии и археологии и может быть использовано для картирования, выделения и оконтуривания по поверхности почвенного слоя, покрывающего паводковые отложения, границ археологических объектов, например, средневековых строительных конструкций на участках с высоким уровнем магнитных и электромагнитных помех.

Изучение самой верхней части геологического разреза (культурного слоя) неразрушающими методами исследований, с детальностью, необходимой для выполнения работ, направленных на поиск археологических объектов, погребенных в современных геологических отложениях, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Применение классических методов геофизических исследований для ее решения основывается на специально разрабатываемых методиках, учитывающих особенности конкретного геологического памятника. В отдельных случаях для решения поставленной задачи требуется разработка специального оборудования [Журбин И.В. Геофизика в археологии: методы, технологии и результаты применения. - Ижевск: Удмуртский институт истории, языка и литературы УрО РАН, 2004. - 152 с.].

Известны способы картирования археологических объектов с помощью методов электроразведки [Журбин И.В. Геофизика в археологии: методы, технологии и результаты применения. - Ижевск: Удмуртский институт истории, языка и литературы УрО РАН, 2004. С.38-44]. Данные методы основываются на разных значениях удельного электрического сопротивления археологических конструкций и природных геологических образований.

Известен способ картирования археологических объектов с использованием георадара [Д.С.Коробов. Основы геоинформатики в археологии (+CD-ROM) -М.: Издательство МГУ. 2011. 224 с.]. В способе используются особенности диэлектрической проницаемости геологической среды.

Для картирования археологических объектов применяется также сейсморазведка [Д.С.Коробов. Основы геоинформатики в археологии (+CD-ROM) -М.: Издательство МГУ, 2011, 224 с.]. В известном способе учитываются особенности распространения сейсмических волн в зависимости от скоростных характеристик различных участков среды.

Основным недостатком перечисленных способов является то, что с их помощью невозможно изучать самую верхнюю часть геологического разреза (мощностью до 0,5 м), представляющую интерес для археологов.

Наиболее близким к заявляемому является способ картирования культурного слоя с применением микромагнитной съемки, применяющийся в том числе и для обнаружения археологических объектов в виде строительных конструкций, погребенных в паводковых наносах (dark. A.J. Seeing Beneath the Soil: Prospecting methods in archaeology. - London.: Batsford Ltd., 1990, 192 p.). В известном способе последовательно выполняются следующие операции.

На участке исследований разбивают квадратную сеть наблюдений, густота которой выбирается с учетом предполагаемых размеров искомых объектов. В узлах сети выполняют измерения геомагнитного поля. Результаты магнитной съемки преобразуют на основе представления наблюденного геомагнитного поля T в виде суммы:

нормального (Tn), аномального (Ta) полей и поля вариаций T, затем исключаются влияние нормального поля и поля вариаций. Осуществляют процедуру разделения полученного значения аномального магнитного поля на ряд локальных аномалий разных порядков для локализации по пространственным характеристикам аномалообразующих объектов и разделения влияния природных и антропогенных источников аномального магнитного поля, что позволяет выявить аномальные эффекты и подчеркнуть связанные с ними особенности строения геологической среды. Вычисляют остаточные аномалии, создаваемые объектами, представляющими поисковый интерес, выполняют построение карты магнитного поля в изодинамах и проводят количественную интерпретацию магнитных аномалий. Определяют положение в плане, глубину залегания и размеры строительных конструкций верхнего строительного горизонта культурного слоя.

К недостаткам известного способа можно отнести невозможность применения способа на участках с высоким уровнем магнитных и электромагнитных помех (амплитуда помехи значительно превышает амплитуду полезного сигнала), необходимость сложной и трудоемкой процедуры предварительной обработки результатов измерений для интерпретации полученных данных, что увеличивает время исследований, и относительно высокая стоимость оборудования.

Задача изобретения: повышение эффективности поиска археологических объектов на участках с высоким уровнем магнитных и электромагнитных помех, сокращение времени поиска и значительное удешевление способа картирования.

Поставленная задача решается способом картирования погребенных в паводковых наносах археологических объектов, преимущественно строительных конструкций, по поверхности покрывающего их почвенного слоя, включающим построение квадратной сети наблюдений, измерение магнитной восприимчивости поверхностного слоя почвы в узлах сети, построение в изолиниях карты магнитной восприимчивости, выделение на ней сопряженных участков повышенных и пониженных значений магнитной восприимчивости геометрически правильной формы и определение по ним контуров археологических объектов, при этом повышенное значение магнитной восприимчивости соответствует внешним сторонам археологических объектов, а пониженное значение магнитной восприимчивости соответствует внутренним частям этих объектов.

Способ осуществляют следующим образом.

На участке исследований разбивают квадратную сеть наблюдений. Густота сети наблюдений выбирается с учетом предполагаемых размеров исследуемых объектов. В узлах сети выполняют измерения магнитной восприимчивости поверхностного слоя почвы, по которым строят в изолиниях карту распределения магнитной восприимчивости поверхности почвенного слоя. На карте выделяют сопряженные участки повышенных и пониженных значений магнитной восприимчивости геометрически правильной формы. Контуры археологических объектов выделяют по резкой границе аномальных участков повышенных и пониженных значений исследуемого параметра. Повышенные значения магнитной восприимчивости поверхности почвенного относят к внешней стороне объектов, а пониженные значения соответствуют внутренним частям объектов. Способ применим преимущественно для археологических объектов в виде строительных конструкций, так как более мелкие объекты требуют очень густой сети наблюдений.

Использование для исследования археологических объектов, погребенных в паводковых наносах, вместо измерения величины магнитного поля магнитной восприимчивости, не зависящей от магнитных и электромагнитных помех, а отражающей только статистическую меру содержания ферромагнитных минералов, и прежде всего минералов железа в веществе, позволило использовать заявляемый способ на участках с высоким уровнем магнитных и электромагнитных помех, упростить способ картирования, значительно снизить временные и денежные затраты на проведение исследований.

На Фиг.1 показаны результаты измерений магнитной восприимчивости поверхности почвы Краскинского городища, расположенного в приустьевой части поймы р. Цукановка (побережье бухты Экспедиции, Японское море), где а - точки измерений (линиями показано положение обнаруженных на глубине 0.3-0.5 м фундаментов строительных конструкций); b - карта в изолиниях значений магнитной восприимчивости исследуемой поверхности почвенного слоя.

Возможность использования магнитной восприимчивости для (картирования) поверхности почвенного слоя, покрывающего современные пойменные отложения, содержащие остатки археологических объектов, основывается на заключении, что ее величина определяется как природными, так и антропогенными факторами:

- механической дифференциацией рыхлых отложений культурного слоя в процессе их образования в условиях антропогенной застройки;

- биологическим круговоротом веществ в почве и подпочвенном грунте;

- сорбционными процессами на глинистых минералах и гумусовом веществе почвенного слоя.

Данный вывод получен авторами при сопоставительном анализе результатов измерений магнитной восприимчивости, гранулометрических, минералогических исследований почвы и рыхлых отложений культурного слоя Краскинского городища, результатов физико-химического моделирования преобразования железа в этих отложениях и заверочных археологических раскопок.

Результаты анализов показали, что подпочвенный грунт (до 0,7 м) в культурном слое северной части Краскинского городища представляет собой рыхлые отложения, сформированные в конце первого тысячелетия. Основная часть разреза представлена переслаиванием гравийно-песчаных, песчаных и супесных (крупноалевритовых) образований, представляющих собой последовательность паводковых отложений пойменных возвышенностей: гравийно-песчаные и песчаные отложения образовалась в начале спада паводковых вод, супеси откладывались при дальнейшем снижении скорости потока. В разрезе отсутствуют глинистые слои, поскольку при той скорости потока, которая позволяет транспортировать только глинистые частицы, уровень паводковых вод был ниже высоты крепостного вала. В течение паводка накапливалось от 20 до 50 см песчаных и песчано-глинистых осадков. Эти отложения покрыты почвенным слоем мощностью 0,3 м.

Гранулометрический и минералогический анализы состава подпочвенного грунта в раскопах северо-западной части Краскинского городища показали, что гранулометрический состав дифференцирован. В грунте с внешней стороны экспериментально выявленных фундаментов строительных конструкций и непосредственно над ними преобладают песчано-гравийные, песчаные и крупноалевритовые зерна. Материал во внутренней части строений представлен в основном мелким алевритом и пелитом с небольшой примесью песчаных зерен. Гранулометрический и минеральный состав рыхлых отложений, распределение тяжелой фракции позволили сделать вывод о том, что различия гранулометрического состава подпочвенного грунта в северо-западной части Краскинского городища являются результатом процесса механической дифференциации осадка. Поступление паводковых вод на территорию средневекового поселения сопровождалось механической фильтрацией влекомых наносов стенами жилищ и оград. При этом песчаные зерна осаждались с внешней стороны строительных конструкций и задерживались самими стенами, а мелкоалевритовые и пелитовые частицы просачивались во внутренние части строений, при этом результаты минералогического анализа показали, что количественное содержание магнитных минералов в них почти в три раза меньше.

Для выявления взаимосвязей количественного содержания железа в почвенном слое и подпочвенном грунте (паводковые наносы) были выполнены химические анализы проб почвенного слоя и грунта. Эти результаты затем использовались при построении физико-химической модели поведения железа в почвенном слое и подпочвенном грунте. Модель рассчитана при помощи программного комплекса WinSel.

В модели были учтены следующие важнейшие процессы:

1. Комплексообразование железа с неорганическими лигандами.

2. Комплексообразование железа с органическим веществом.

3. Влияние pH, Eh, ионной силы почвенных растворов.

4. Образование (разрушение) минералов железа.

5. Образование глинистых минералов.

6. Связывание растворенных форм железа глинистыми минералами.

Суть метода моделирования заключается в том, что объект исследования замещается другим - моделью, более простой и доступной для изучения, соответствующей объекту в основных отношениях. Результаты исследования модели переносятся на свойства изучаемого объекта. По результатам изучение свойств реального объекта проводится схематизация, то есть выбирают существенные для дальнейшего исследования свойства объекта, составляют из них логическую схему. Затем на основе логической схемы строят теоретическую модель, которая исследуется, определяются ее свойства. Эта модель сравнивается с результатами полученных на реальном объекте экспериментальных данных.

Проведенное физико-химическое моделирование преобразования железа в культурном слое Краскинского городища показало, что в песчаных отложениях на глубине 0.7-2.3 м от поверхности почвы основными минералами являются кварц (более 50%), гидрослюды (до 30%), каолинит (10-15%), монтмориллонит, серицит и хлорит. Здесь железо распределено относительно равномерно. Основная его часть, как и алюминий, входит в состав гидрослюд (иллитов). При смене окислительной обстановки на восстановительную значительная часть гидроокислов железа переходит в форму железа (II). При смене восстановительных условий на окислительные двухвалентное железо, при наличии свободного кислорода и при отсутствии или недостатке воды переходит в магнетит и, в гораздо меньшей степени, в гематит. В водном растворе наиболее вероятно образование карбонатов и сульфатов железа (III).

В случае увеличении концентраций хлора, брома, фосфора и серы наблюдается уменьшение валовых концентраций железа. Поэтому локальные аномалии магнитной восприимчивости, указывающие на участки с пониженным содержанием железа, могут относиться к бытовым очагам, зола которых может быть источником этих элементов.

Введение органического вещества (мусорные ямы и т.п.), напротив, способствует обогащению грунта железом, алюминием и кальцием. Это происходит главным образом за счет образования гуминовых комплексов, которые плохо растворимы в воде. Образование магнетита на таких участках происходит скорее всего по бактериальному механизму.

Следует отметить, что наиболее динамично по вертикали процессы преобразования железа протекают в самой верхней части культурного слоя - почвенном слое и подпочвенном грунте. В средней части и основании изученного разреза установлено относительно равновномерное распределение железа.

При дополнительном притоке и застое влаги, который наблюдается в приустьевой части пойменной долины на территории Краскинского городища, подпочвенные отложения подвергаются восстановительным процессам и оглеению. Это отражается в процентном соотношении главных химических компонентов исследованных проб грунта.

На фиг. 2 представлена полученная модель процессов миграции основных химических элементов в верхней части культурного слоя Краскинского городища. До глубины 0.7 м в разрезе по вертикали для песчаных отложений наблюдается концентрирование Al, Fe, Mn, Mg, Ca в поверхностном почвенном слое и на уровне 0.7 м от поверхности из-за процессов, протекающих под влиянием восходящих миграционных потоков биогенных элементов, захватываемых почвенной растительностью при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в нижележащей части разреза. В почвенном слое при участии железоредуцирующих бактерий происходит дальнейшее преобразование железа в магнетит.

В глинистых отложениях вышележащий почвенный слой и нижний уровень разреза обеднены этими элементами. Для них на уровне 0.35-0.5 м от поверхности почвенного слоя наблюдается образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют Al, Fe, Mn, Mg, Ca.

Предлагаемый способ картирования археологических объектов, преимущественно строительных конструкций раннего средневековья, основанный на особенностях распределения магнитных минералов в почвенном слое и подпочвенном грунте археологических объектов, расположенных на территории с высокой динамикой водных потоков - приустьевой части речной поймы, в настоящее время успешно применяется археологами для выбора участков раскопок на территории Краскинского городища. Заявляемый способ может быть эффективно применен для картирования археологических объектов, преимущественно строительных конструкций, расположенных на любых участках с похожими физико-географическими и геологическими условиями (паводковые отложения в приустьевой части пойменной долины).

Таким образом, применение в заявляемом способе в качестве информативного параметра магнитной восприимчивости позволяет эффективно использовать способ на участках с высоким уровнем магнитных и электромагнитных помех. Это связано с тем, что магнитная восприимчивость не зависит от помех и отражает только статистическую меру содержания магнитного железа в веществе. Кроме того, заявляемый способ значительно дешевле и существенно сокращает время поиска археологических объектов.