Геофизические методы в археологии. Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях

МЕТОД БИЭП

Метод бесконтактного измерения электрического поля (метод БИЭП) – относительно новый метод прикладной геофизики, разработанный специально для работ в особых условиях, где невозможно применение традиционных методов электроразведки. К таким условиям относятся техногенные участки – асфальтовые или бетонные покрытия, скальные породы, мерзлые грунты.

Основное отличие метода БИЭП от традиционных методов электроразведки заключается в том, что при бесконтактных измерениях поля используется емкостное заземление электродов вместо традиционного гальванического заземления.

В качестве примера реализации метода БИЭП можно привести аппаратуру Geometrics OhmMapper, представляющую собой измеритель удельного сопротивления почвы с емкостной связью.

Аппаратура OhmMapper работает на частоте приблизительно 16.6 кГц. Измерения производятся с помощью нескольких измерителей электрического поля емкостного типа и задающего генератора, последовательно подключеных в косу, которую оператор перемещает по заданному профилю.

СЕЙСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА

В основе сейсмической съемки лежит изучение пространственно – временных характеристик поля упругих колебаний, создаваемых при помощи специального устройства – источника упругих колебаний. Распространяясь в толще грунта, упругие волны попадают на границы слоев грунта или поверхность отдельных объектов с различными упругими свойствами.

При этом они изменяют свое направление, углы лучей и амплитуду и частично возвращаются обратно на земную поверхность.

На пути следования волн размещаются пункты приема, где при помощи сейсмоприемников отраженные волны регистрируются и преобразуются в электрический сигнал.

Измеряя время распространения волн от источника до точки регистрации отраженных волн, их амплитуду, частоту и другие характеристики, можно получить информацию о структуре слоя грунта и неоднородности его упругих характеристик.

Электрические импульсы или сейсмотрассы потом объединяются в сейсмограммы и после предварительной обработки (усиления, фильтрации и преобразования в цифровую форму) поступают на сейсмическую станцию.

Рис.9 – Пример сейсмограммы (Выделен годограф первых вступлений). Author – VickRomanoff. Licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license.

На сейсмической станции первичный материал подвергается дальнейшей обработке и анализу, по результатам анализа создается временной или глубинный разрез, показывающий детальное картирование слоев грунта и наличие в нем аномальных археологических объектов.

Основные требования к сейсмическим станциям – высокая чувствительность к сейсмическим сигналам, стабильность технических характеристик, надежная защищенность от внешних воздействий и посторонних помех (густонаселенных районов, промышленных объектов, ж.-д. и автомобильных дорог).

Рис.10 – Пример сейсмического глубинного разреза. Author – VickRomanoff. Licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

По аналогии с электротомографией, сейсмическая томография подразумевает специальную методику измерений с использованием большого количества источников и приемников сейсмосигнала, при количестве сейсмотрасс достигающем десятков тысяч.

Сейсмотомография использует времена пробега упругих волн от источника сигнала до пунктов его регистрации. Наибольшее применение в разведочной геофизике получила так называемая межскважинная сейсмотомография.

ТЕРМОСЪЕМКА

Мини-термосъемка позволяет определить участки грунта с аномальной температурой участков исследуемой поверхности. Тепловые аномальные зоны могут создавать отдельные участки поверхностного слоя грунта или археологические объекты, обладающие различными тепловыми свойствами (теплоемкость, теплопроводность).

Температура почвенного слоя может изменяться под действием следующих факторов:

– теплообмен с внешней средой (тепловое излучение, конвекция);

– тепловой поток в почвенном слое (теплопроводность почвы);

– процессы испарения, увлажнения, конденсации.

Если почвенный слой однороден по своим физическим свойствам и не содержит археологических объектов, то картина теплового контраста его поверхности с фоном в различное время суток примерно одинакова.

Наличие в грунтовом слое археологического объекта с другими тепловыми характеристиками приводит к нарушению однородности тепловой картины. В почвенном слое над объектом возникают тепловые аномалии за счет изменения величины и направления теплового потока и изменения влагообмена с воздухом.

Для обнаружения тепловых аномалий используют пирометры и тепловизоры. Пирометр измеряет температуру в одной локальной точке исследуемой поверхности и дает результат измерения в цифровом виде. Тепловизор представляет собой камеру, снимающую изображение в инфракрасном диапазоне (ИК-спектр).

Тепловизионная съемка дает двухмерную тепловую картину исследуемой поверхности с окрашенными в различные цвета зонами. Пирометр является более точным и информативным прибором доступной стоимости, в отличие от тепловизора, стоимость которого намного выше стоимости пирометра.

Выделение аномальных тепловых сигналов от археологических объектов со слабым тепловыделением на фоне более сильных тепловых шумов производится путем преобразования двумерного распределения температуры в одномерную функцию, которая является сверткой термограммы по координатам и содержит в себе весь объект измерения или фрагмент его поверхности.

Введенная функция-свертка, как и исходная термограмма, несет информацию о тепловом состоянии исследуемого объекта, скрытых источниках тепловыделения, взаимодействии с окружающей средой, статистических параметрах излучаемой поверхности и искажениях, вносимых самой измерительной системой.

Нормированный график этой функции («образ» термограммы) является гистограммой распределения площади по температурному диапазону и позволяет определить наиболее вероятные значения температурных аномалий, вносимых археологическими объектами.

ГЕОРАДАРЫ

Результаты георадиолокации с помощью георадаров имеют большое внешнее сходство с данными, получаемыми при сейсмической разведке по методу отраженных волн. В основе сходства результатов сейсмического и радиолокационного зондирования геологической среды лежит кинематическая аналогия процессов волнового распространения акустических волн в твердом теле и электромагнитных волн в материальной среде.

Это позволяет применять известные в сейсморазведке методы цифровой обработки сигналов к результатам радиолокационного зондирования.

Вместе с тем применяются и другие специфические методы обработки данных, в частности, такие, которые разработаны для цифровой обработки изображений. В конечном итоге по линиям наблюдений получают электромагнитные разрезы, внешне напоминающие сейсмические.

При исследовании археологических памятников, георадары дают возможность бесконтактном способом обнаруживать скрытые помещения, фундаменты сооружений, места разрушения конструкции памятника. Использование георадаров эффективно в тех случаях, когда масштабные раскопки абсолютно невозможны (например, в условиях плотной городской застройки или на уникальных исторических объектах).

Один из самых известных примеров использования георадара в археологии – обнаружение с его помощью в 2016 году могилы английского короля Генриха I. Место захоронения было обнаружено на автомобильной парковке Редингской тюрьмы, раньше эта территория принадлежала Редингскому аббатству.

Ранее, в 2012 году, под муниципальной парковкой в городе Лестере археологи нашли могилу другого английского короля, знаменитого Ричарда III.

На Рис. 11 показана наземная радиолокационная съемка археологического памятника. Колесо георадарной установки, расположенное за приемо-передающими антенными блоками, является одометром, который управляет процессом сбора данных измерений.

Рис. 11 – Ground penetrating radar survey. The wheel trailing behind the transmitter/receiver antennas is an odometer that contrls data collection. Author: Archaeo-Physics LLC. Public Domain.

На Рис. 12 приведен двухмерный профиль георадара (радарограмма), показывающий структуру подземного склепа на историческом кладбище на разной глубине. Куполообразную крышу склепа можно увидеть на глубине от 1 до 2,5 метров.

Рис. 12 – склеп на историческом кладбище. CC BY-SA 3.0. Author: Tapatio. Licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

К недостаткам применения георадаров в археологических исследованиях можно отнести:

– Нестабильность работы в грунтах, содержащих мелкозернистые осадочные породы с высокой проводимостью (глины или наносы);

– Резкое снижение чувствительности при высоком уровне грунтовых вод;

– Сильное рассеяние сигнала на скальных и разнородных включениях в грунте;

– Относительно высокое потребление энергии, неудобное при проведении полевых работ;

– Высокие временные затраты на настройку и обработку данных георадаров по сравнению с простой техникой магнито- и электроразведки;

– Сложность и высокая стоимость аппаратуры.

Некоторые специалисты даже считают нецелесообразным использовать георадары для ежедневных полевых работ, предпочитая пользоваться обычными методами инженерной геофизики, или другими доступными средствами, такими как металлоискатели или глубинные детекторы индукционного типа.