Геофизические методы в археологии. Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях
TekstМИКРОМАГНИТНАЯ СЪЕМКА
Основной задачей микромагнитной съемки при археологических исследованиях является изучение строения поверхностного слоя грунта и обнаружение находящихся в нем археологических объектов по различию их магнитных свойств с магнитными свойствами грунта.
Аномальный эффект от почвенных неоднородностей может достигать 20 нТл, объекты из обожженной глины (керамика, древние очаги, печи) могут формировать аномалии до 1000 нТл, а железные предметы и шлаки – до 2000 нТл.
Различают два вида магнитных съемок: маршрутные (профильные) и площадные, при которых выявляются участки с аномальными значениями магнитного поля и его градиентов.
Точки наблюдения обычно располагаются по системе параллельных профилей, ориентированных перпендикулярно предполагаемому простиранию изучаемых археологических объектов и имеют протяженность, в 5—10 раз превышающую их поперечные размеры.
Рис. 1 – Сетка профилей и размер шага по профилю в зависимости от величины аномалии археологического объекта.
Расстояния между профилями должны быть по крайней мере в три раза меньше продольных размеров исследуемых объектов для того, чтобы аномалия фиксировалась на трех и более соседних профилях.
Шаг по профилю определяется исходя из поперечных размеров археологических объектов, и он также должен быть по крайней мере в три раза меньше их поперечных размеров. Это необходимо для получения четкого аномального эффекта не менее чем на трех-пяти точках каждого профиля.
Возможные соотношения расстояний между профилями и точками наблюдений по профилю приведены в Таблице:
Подготовительный этап включает в себя следующие шаги:
1. По параметрам выбранной археогеофизической модели исследуемого объекта рассчитывается ожидаемая аномалия и строится ее график.
2. По амплитуде рассчитанного значения аномалии создаваемой археологическим объектом определяется точность съемки. В большинстве случаев при аномалиях меньше 100 нТл погрешность должна составлять 2—3 нТл.
3. После обоснования оптимальной точности съемки определяются густота и форма сети наблюдений (расстояние между профилями и шаг наблюдений по профилю).
4. Расстояние между профилями выбирают таким образом, чтобы они прослеживались не менее чем на трех соседних профилях. Выбранное расстояние будет определять масштаб съемки.
5. Шаг съемки зависит от ширины аномалии и проектной точности съемки. Профили ориентируются вкрест ожидаемого простирания изучаемого археологического объекта.
6. Маршрут должен начинаться и заканчиваться на опорном (контрольном) пункте. По наблюдениям на опорном пункте устанавливают нуль-пункт прибора – отсчёт, соответствующий полю, принятому за нормальное (определяется по картам нормального поля).
Рекомендуемый масштаб микромагнитных съемок для обнаружения слабомагнитных археологических объектов составляет 1:10—1:50 с постоянным уточнением положения сети профилей в зависимости от простирания археологического объекта.
При микромагнитной съемке производится исследование небольших участков грунта с равномерной и густой сетью точек наблюдения (5 × 5 м, 3 × 3 м, 1 × 1 м). Для измерений модуля напряженности магнитного поля Т и градиентов ΔТ, ΔZ применяются высокоточные полевые магнитометры и градиентометры (протонные или квантовые).
Рис. 2 – Квантовый магнитометр (модель Geometrics G-858) для наземной магнитной съемки в долине Сюрприз, Калифорния. Author: Jonathan Glen, USGS, CC0 License, Public Domain.
Чтобы исключить влияние геомагнитных вариаций измерения на рядовых точках профилей (пикетах) производятся одновременно с измерениями на одном и том же опорном (или контрольном) пункте. По результатам измерений на контрольном пункте в наблюденные значения на профилях вносят поправки за геомагнитные вариации, через несколько замеров на рядовых точках.
Для оценки точности съемки на ряде точек (5 – 10% от общего количества) ведутся повторные наблюдения и рассчитывается средняя квадратическая погрешность измерений. Требования к точности наблюдений при наземной съемке устанавливаются в зависимости от масштаба съемок и напряженности магнитного поля. В слабых полях точность наблюдений должна быть высокой: среднеквадратическая погрешность съемки не больше 5 нТл при мелкомасштабных съемках и не больше 2 нТл при крупномасштабных.
В результате полевой съемки по наблюденным составляющим T, ΔT, ΔZ рассчитываются аномальные магнитные поля:
Ta = T – Tn – Tvar,
ΔTa = ΔT – ΔTvar,
ΔZ a= ΔZ – ΔZvar,
где Тn – нормальное поле, Тvar, ΔТvar, ΔZvar – вариации поля, измеренные на контрольном пункте и соответствующие измерениям на рядовых точках профилей.
При построении карт профилей на карте наносятся профили наблюдений, а перпендикулярно им откладываются аномалии. На картах у каждой точки записываются аномальные значения геомагнитного поля и проводятся линии равных значений (изолинии). Сечение изолиний при построении карт должно быть в 2 – 3 раза больше точности определения аномалий.
При обработке данных магнитных съемок определяются геометрические параметры (форма, размеры, глубина залегания) и магнитные свойства (остаточная намагниченность, магнитная восприимчивость) археологических объектов, и вместе с результатами магнитного картирования передаются археологам для планировки и проведения археологических раскопок.
В качестве примера на Рис. 3 приведена карта градиента аномального поля, построенная по результатам высокоточной микромагнитной съемки:
Рис. 3 – Микромагнитная съемка градиента аномального поля на месте археологических раскопок в районе Грейт-Бенд в центральном Канзасе. Author: Pöhönen, GNU Free Documentation License.
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ
Метод электропрофилирования реализуется в виде электроразведочной установки с питающими и приемными электродами, с помощью которых измеряется кажущееся удельное электрическое сопротивление грунта и его аномалии вдоль заданного направления (профиля).
Через питающую линию пропускается постоянный или низкочастотный переменный ток от аккумуляторных батарей или от генератора. Измеряется сила тока в питающей цепи. На приемных электродах измеряется разность потенциалов между ними. В качестве электродов используются металлические стержни, выполненные из стали (питающая линия) и латуни (приемная линия). Провода должны быть прочными на разрыв, иметь надежную изоляцию и достаточно низкое удельное электрическое сопротивление.
Рис. 4 – Схема электроразведочной установки с питающими и приемными электродами.
Наиболее распространенной электроразведочной установкой является четырехэлектродная симметричная установка AMNB. Питающие и приемные электроды этой установки располагаются на одной прямой линии профиля, причем приемные электроды M и N отстоят от центра отрезка AB на одинаковых расстояниях, центры питающей и приемной линий находятся в одной точке.
Если расстояние между приемными электродами MN меньше одной трети расстояния между питающими электродами, то такая установка называется установкой Шлюмберже.
Установка Веннера имеет равные расстояния между приемными и питающими электродами (AM=MN=NB).
Кажущееся удельное сопротивление рассчитывается по формуле:
𝜌k = k (Δ𝑈MN) / (𝐼AB),
где:
𝐼AB – величина тока в амперах на отрезке АВ;
Δ𝑈MN – разность потенциалов в вольтах на отрезке MN;
k – коэффициент установки:
k = π (AM*AN/MN) для установки Шлюмберже;
k = 2π*MN для установки Веннера;
AM, AN, MN – расстояние между электродами, м.
Для установки Веннера расчетная формула упрощается:
𝜌k = 2𝜋𝑠 (Δ𝑈MN) / (𝐼AB),
где:
s = AB/2 – величина полуразноса установки, м.
Удельное электрическое сопротивление слоев почвенного грунта зависит от многих факторов и может сильно различаться – от долей Ом·м до десятков тысяч Ом·м.
При погружении металлических электродов в почву, на границе контакта каждого электрода возникает двойной электрический слой. Это приводит к тому, что между электродами приемной линии возникает дополнительная разность потеннциалов, которая называется ЭДС поляризации. У латунных электродов приемной линии ЭДС собственной поляризации обычно составляет 20—30 милливольт, при температурной нестабильности 10%. У стальных электродов ЭДС поляризации в несколько раз выше, и обычно составляет 150—170 милливольт, при температурной нестабильности 20%.
ЭДС поляризации может вносить существенную ошибку при измерениях слабых сигналов, поэтому ее либо компенсируют, либо устраняют различными способами. При наиболее точных измерениях применяют специальные неполяризующиеся электроды.
При подключении к питающей линии генератора низкой частоты (порядка нескольких герц) проблема ЭДС поляризации сводится к минимуму.