Геофизические методы в археологии. Методы прикладной геофизики в археологических исследованиях
TekstГЛАВА 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
В зависимости от исходных задач и сложности проведения работ на местности, подбирается подходящая измерительная аппаратура (магнитометры, электроразведочные установки, металлодетекторы, электротомографы, сейсмотомографы, георадары) и программное обеспечение для обработки данных.
АППАРАТУРА
Современная магниторазведочная аппаратура представлена высокочувствительными квантовыми магнитометрами и градиенто- метрами на их основе. В качестве примера можно привести квантовый магнитометр G-864 компании Geometrics.
Цезиевый магнитометр G-864 использует модифицированный Android-планшет Getac ZX70 в качестве консоли данных. Планшет Android включает в себя современный пользовательский интерфейс, обеспечивает связь по WiFi, GPS-навигацию и и возможность предварительной загрузки профилей съемки вместо использования традиционных рулеток и вешек для создания профилей в полевых условиях.
Регистрация данных измерений с помощью беспроводной платформы исключает возможность зацепления или разрыва кабеля во время съемки. Программное обеспечение G-864 позволяет пользователям визуализировать собранные данные в виде цветной карты георазреза.
https://www.geometrics.com/product/g-864-magnetometer/
Одним из лучших профессиональных образцов электро- разведочной аппаратуры на современном рынке является электротомограф Syscal R1 Plus компании IRIS Instruments.
Syscal R1 Plus специально разработан для разведки на средних глубинах. Он сочетает в себе источник питания, передатчик с выходной мощностью до 200 Вт и двухканальный приемник в одном устройстве. Различные коммутационные карты позволяют работать с 24 (Switch-24) до 72 (Switch-72) электродами. Измеренные данные могут быть загружены и обработаны с помощью программного обеспечения для ПК (Prosys II, поставляемого с Syscal).
Процесс измерений полностью автоматический и управляется микропроцессором. Внутренняя память может хранить полную информацию об напряжении питания, измеренных значениях удельного сопротивления почвы и других параметров. Последовательная связь позволяет передавать данные на микрокомпьютер для построения графиков и интерпретации данных.
http://www.iris-instruments.com/syscal-r1plussw.html
SUMMIT M Vipa – трехканальная сейсмостанция для вибро- и сейсмического мониторинга, с дополнительным каналом для шумомониторинга. Станция имеет встроенный литий-ионный аккумулятор, наличие пульта дистанционного управления с автоматической передачей данных позволяет подключить несколько станций по Ethernet или с помощью радиоканала для создания сети вибромониторинга. 24-битный АЦП с высоким разрешением обеспечивает широкий динамический диапазон и сверхчувствительный мониторинг вибрации как для непрерывной, так и для триггерной записи. К сейсмостанции подключен сейсмометр DMT-3D/DIN, оснащеный тремя геофонами с диапазоном частот от 1 до 315 Гц.
Сигналы от внешнего источника сейсмических волн проходят через поверхностный почвенный слой, регистрируются сейсмометром DMT-3D/DIN и подаются на сейсмостанцию SUMMIT M Vipa для дальнейшей обработки и картирования.
https://geodevice.co/product/summit-m-vipa/
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Пакет программ Zond разработан компанией Zond Software LTD и может использоваться для интерпретации геофизических данных при решении различных задач малоглубинной археогеофизики.
https://zond-geo.com/
ArchaeoFusion – программа для археологов и других специалистов, которые используют георадары для оперативного картирования и локализации археологических и других объектов в слое грунта.
https://archaeofusion.com/
Snuffler – Программа для обработки и анализа данных, полученных при магнитных и электротомографических съемках.
http://www.sussexarch.org.uk/geophys/snuffler.html
OpendTect – система интерпретации сейсмических данных с открытым исходным кодом для визуализации, анализа и интерпретации сейсмических данных. Пакет используется также для интерпретации георадарных данных.
https://www.dgbes.com/software/opendtect
Обширный спектр измерительной аппаратуры и программного обеспечения, которые могут с успехом использоваться в археогеофизике даны по ссылке:
https://geodevice.ca
Определяющим фактором подбора необходимой аппаратуры и программного обеспечения для археогеофизических исследований является оптимизация по соотношению цена/качество. Во многих случаях вместо сложных и дорогих измерительных систем можно использовать простой металлодетектор или магнитометр.
Поэтому, в археофизических исследованиях наибольшую популярность приобрели недорогие приборы и устройства, основанные на легко реализуемых методах прикладной геофизики.
Ниже приводится проект действующего макета магнитометра. Макет и программный код созданы в демонстрационных целях и не предназначены для коммерческого использования.
МАКЕТ МАГНИТОМЕТРА
НАЗНАЧЕНИЕ
Устройство предназначено для измерения составляющих напряженности геомагнитного поля, а также вычисления модуля геомагнитного поля и его градиента. С помощью этого устройства возможно обнаружение магнитных аномалий, создаваемых археологическими объектами, обладающими магнитными свойствами.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Оценка величин модуля напряженности и градиента модуля напряженности слабых постоянных магнитных полей, сравнимых с геомагнитным полем; поиск и обнаружение намагниченных объектов в верхнем слое грунта; предварительная магнитная съемка модуля напряженности поля и его градиента; составление предварительных магнитных карт местности.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Устройство состоит из трехосевого магниторезистивного модуля HMC5883L, платформы для разработки Raspberry Pi Pico (с микроконтроллером RP2040) и консоли (Galaxy Tab A7).
Модуль HMC5883L:
– Диапазон измерений (mT): ± 0.8;
– Разрядность преобразования: 12;
– Точность (nT): ± 200;
– Цифровой интерфейс: I2C;
– Скорость опроса (раз в сек): до 160;
– Время одного измерения (мсек): 6;
– Напряжение питания (V): 3.3—5;
– Потребляемый ток (мА): <0.1;
– Габаритные размеры (мм): 18х14х5.
Платформа Raspberry Pi Pico:
– Двухядерный процессор Arm Cortex-M0+;
– Тактовая частота (МГц): 133;
– Оперативная память (Кб): 264;
– Flash-память (Мб): 2;
– 12-битный АЦП;
– 30 GPIO портов;
– Порт MicroPython для RP2040;
– Поддержка MicroPython/Thonny;
– Напряжение питания через микро-USB порт (V): 5;
– Напряжение питания через выход VSYS (V): 1,8—5,5;
– Мах. потребляемый ток (мА): <100;
– Габаритные размеры (мм): 52.7x21x3.7.
Samsung Galaxy Tab A7 Lite:
– Диагональ дисплея (дюйм): 8.7;
– Разрешение дисплея (пикс.): 800x1340;
– Встроенная память (Гб): 32;
– Операционная система: Android 13;
– Wi-Fi (802.11) a/b/g/n/ac;
– Bluetooth: 5.0, A2DP, LE;
– Емкость (мАч): 5100;
– Высота (мм): 212.5;
– Ширина (мм): 124.7;
– Толщина (мм): 8;
– Вес (г): 370.
Питание измерительного и электронного модулей осуществляется путем их подключения к внешней консоли (Galaxy Tab A7) через микро-USB порт. Консоль работает в автономном режиме от собственной аккумуляторной батареи, зарядка аккумулятора консоли осуществляется от адаптера питания с кабелем USB – micro USB (1.55 А @ 5.0 V).
Время установления рабочего режима не более 5 сек.
Средний потребляемый ток (без внешней консоли):
– Не более 50.0 mA (@5 V, MicroPython);
Длина соединительного кабеля (м): 0.6;
Габаритные размеры контейнера (мм): Ø60 x 150;
Г абаритные размеры штанги (мм): Ø12 х 60;
Масса (кг): <0.2 (без внешней консоли).
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Трехосевой магниторезистивный модуль HMC5883L соединен с электронным модулем Pico/RP2040, оба модуля помещены в пластиковый немагнитный контейнер. Mагниточувствительные преобразователи магниторезистивного модуля расположены так, чтобы расстояние между преобразователями и нижней крышкой контейнера было минимальным. Магниточувствительный модуль может быть размещен параллельно или перпендикулярно поверхности грунта.
Электронный модуль соединен специальным кабелем с консолью Galaxy Tab A7, с помощью которой производится питание всех модулей устройства и управление процессом измерений.
Контейнер присоединен к немагнитной штанге, в торце которой находится кнопка «Пуск» для запуска измерительного процесса. В верхней части контейнера расположен светодиод для индикации начала и окончания процесса измерений.
Измерительные модули и электронный блок могут питаться автономно, без подключения к внешней консоли. Автономное питание осуществляется с помощью внешнего источника питания (батареи).
В конструкции модуля HMC5883L используется анизотропная магниторезистивная (AMR) технология, позволяющая производить точные измерения магнитного поля по трем различным осям (X, Y и Z) и угол между направлением профиля и магнитным склонением (азимут профиля), с последующим вычислением полного модуля поля и его градиента.
Управление процессом измерений производится программным путем. Полученные данные можно визуализировать на мониторе консоли с помощью специальной программы для двух- или трехмерной интерпретации (2D и 3D модели) или карт изолиний.
Основные модули устройства, электрическая принципиальная схема и программный код приведены в Приложении.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
1. Подключить измерительный и электронный модули к консоли через входной разъем платы Raspberry Pi Pico кабелем micro-USB.
2. Поместить корпус устройства с магниточувствительным модулем в начальную точку (пикет) выбранного профиля и нажать кнопку «Пуск». При нажатии кнопки загорается красный индикаторный светодиод на корпусе электронного блока, зуммер издает звуковой сигнал и начинается процесс измерения компонент магнитного поля, с последующим вычислением его модуля и градиента.