Геофизические методы в археологии. Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) заключается в измерении кажущегося сопротивления установкой с возрастающим расстоянием между питающими электродами, при постоянном положении ее центра. При этом увеличивается глубина проникновения тока в слой грунта и на результаты измерений начинают оказывать влияние объекты, залегающие на бóльшей глубине.

Зондирование методом сопротивлений относится к геометрическому зондированию, при котором глубинность зондирования зависит от расстояния между питающими и приемными электродами – чем больше расстояние, тем больше глубина зондирования. Чаще всего применяются четырехточечные (симметричные) зондирования, в которых изучают зависимость кажущегося сопротивления слоев грунта от полуразноса питающих электродов AB/2.

Археологические объекты, которые находятся в поверхностном слое грунта представляют собой неоднородности, нарушающие общую картину геоэлектрического разреза и являются объектами поиска.

Искажающее влияние объектов, находящихся в непосредственной близости от измерительных электродов, проявляется в виде вертикального сдвига кривой зондирования (или ее сегмента) по оси сопротивлений (Р-эффект). Кривая зондирования сдвигается вверх или вниз, причем значения увеличиваются или уменьшаются в зависимости от локального изменения плотности тока вблизи неоднородности.

Р-эффект возникает за счет изменения плотности тока над неоднородностью (вблизи приемных электродов) по сравнению с плотностью тока в горизонтальном поверхностном слое грунта. На геоэлектрическом разрезе Р-эффект проявляется как вертикальная аномалия.

С-эффект проявляется в виде заметного искажения кривой зондирования, когда питающий электрод А или B попадает на неоднородность, за счет резкого перераспределения плотности тока в геоэлектрическом разрезе. Обычно амплитуда С- эффекта меньше амплитуды Р- эффекта.

Рис. 5 – P-эффект – смещение кривой зондирования над неоднородностью.

Рис. 6 – C-эффект – локальная аномалия при пересечении неоднородности питающим электродом.

ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИЯ

Электротомография (Electrical Resistivity Тomography, Resistivity Imaging) – современное направление электроразведки представляющее собой комбинацию вертикального электрозондирования и электропрофилирования.

Суть методики наблюдений заключается в многократных повторных измерениях удельного сопротивления грунта вдоль системы профилей при разных положениях источника питающих линий. Результаты измерений представляются двухмерными и трехмерными томограммами.

Рис. 7 – Двухмерная модель геоэлектрического разреза полученная с помощью электротомографической съемки. Author: Surányi Gergely, Creative Commons Zero, Public Domain.

Разрешающая способность метода электротомографии зависит от числа и плотности измерений, обычно число измерений превышает несколько тысяч на профиле.

Для достижения максимальной эффективности метода электротомографии применяется специальная многоэлектродная аппаратура с программируемой автоматической коммутацией электродов. Каждый электрод может использоваться не только как измерительный, но и как питающий.

Однако, ввиду высокой стоимости многоэлектродной аппаратуры часто метод электротомографии реализуется в помощью стандартной одноканальной электроразведочной аппаратуры, совместно с блоком коммутации каналов. При этом коммутируются только приемные электроды, а питающие электроды переносятся вручную.

МЕТОД НЕЗАЗЕМЛЕННОЙ ПЕТЛИ

Метод незаземленной петли предназначен для прямого поиска проводящих археологических объектов, а также для детального исследования и классификации создаваемых ими аномалий по проводимости. Электромагнитное поле возбуждается переменным током, текущим в горизонтальной незаземленной прямоугольной петле. Приемным устройством является рамка с ферритовым сердечником, настроенная на рабочую частоту, с помощью которой производятся измерения.

В средней части петли, где первичное поле в достаточной степени однородно, создается сеть профилей с отдельными пикетами (или точками измерений) вкрест предполагаемого простирания аномалий от археологического объекта. Вдоль профилей на каждом пикете производятся измерения вертикальной магнитной компоненты поля или суммарного поля, которое является векторной суммой первичного поля петли и вторичного поля аномального объекта.

Рис. 8 – Площадная съемка методом незаземленной петли

(1 – генератор, 2 – линии профилей, 3 – сенсор)

В ряде случаев, вместо петли применяют бесконечно длинный кабель. При работе по методу длинного кабеля квазистационарное электромагнитное поле создается кабелем, расположенным на земле, оба конца которого заземлены и который питается от генератора токами низкой частоты – в диапазоне от от нескольких герц до нескольких килогерц.

При обработке результатов измерений выделяют два типа аномалий: от проводящих немагнитных объектов и от объектов с повышенной магнитной восприимчивостью по отношению к почвенному грунту.

Над проводящим немагнитным объектом интенсивность аномалии увеличивается с ростом частоты питающего поля. Объясняется это тем, что электрический ток в контуре петли воздействует на проводящий немагнитный объект, в котором создается вторичное магнитное поле, направленное противоположно первичному полю петли. В результате возникает аномалия проводимости, поле которой меньше поля петли.

Над проводящими высокомагнитными объектами интенсивность аномалии уменьшается с ростом частоты, а при определенном значении частоты питающего поля знак аномалии изменяется на противоположный. Это происходит потому, что проводящий объект, имеющий большую магнитную восприимчивость по сравнению с вмещающим грунтом, под воздействием поля петли намагничивается, причем магнитное поле объекта направлено в ту же сторону, что и первичное поле петли. В результате суммарное (аномальное) магнитное поле будет больше, чем поле петли.

Таким образом, можно распознавать археологические объекты с магнитными свойствами (изделия из железа или керамика с магнитными включениями) от немагнитных объектов (золото, серебро), обладающих проводимостью.

На основе метода индукционного частотного зондирования раработаны так называемые глубинные детекторы, металлодетекторы или сканеры для бесконтактного исследования поверхностного слоя грунта.

Метод индукционного частотного зондирования намного быстрее, чем метод сопротивлений (электроразведка), гораздо информативнее и более помехоустойчив, чем электромагнитное картирование на одной частоте.