Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Естественно-научные методы в археологии. Археогеофизика . 21
1.1. Становление и развитие археогеофизики. Основные тенденции и результаты 24
1.2. Задачи археогеофизики. Традиции и новации 43
1.3. Геофизические методы в археологии. Критерии выбора 56
Глава 2. Методические аспекты археогеофизических исследований 67
2.1. Моделирование археогеофизических измерений 70
2.2. Археогеофизические измерения. Основные понятия и термины 78
2.3. Методика и технология измерений и интерпретации. Задачи, выбор параметров 102
Глава 3. Задачи полевой археологии и их реализация методами археогеофизики 112
3.1. Поисковые исследования 114
3.2. Восстановление планировки 123
3.3. Реконструкция планировки 138
3.4. Реконструкция археологических объектов 150
Глава 4. Аппаратура и программное обеспечение археогеофизических исследований 155
4.1. Аппаратура для археогеофизических измерений 156
4.2. Программное обеспечение визуализации археогеофизических данных 170
Заключение 183
Список литературы
- Становление и развитие археогеофизики. Основные тенденции и результаты
- Моделирование археогеофизических измерений
- Реконструкция археологических объектов
- Аппаратура для археогеофизических измерений
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Естественно-научные методы позволяют получить разносторонние характеристики элементов культурного слоя, существенно уточняют полученную в результате раскопок информацию и решают широкий спектр проблем, связанных с анализом и интерпретацией археологических материалов. Объединение полученной информации расширяет историко-культурный контекст исследуемых объектов и обеспечивает получение дополнительных данных для палеоэкономических и палеоэкологических реконструкций. Следовательно, междисциплинарный подход к исследованию археологических памятников способствует более полному познанию древних обществ.
Основой эффективных междисциплинарных исследований является привлечение к полевым и камеральным исследованиям профессионалов-естественников (физиков, химиков, геоморфологов, биологов и т.д.) со всем арсеналом их методов и средств. При использовании каждого из выбранных методов происходит адаптация традиционных исследовательских методик к задачам археологии и к условиям их применения на конкретных памятниках [67, 70]. Эффективность методического комплекса во многом определяется корректностью постановки задачи археологических исследований и физико-геологическими параметрами культурного слоя памятника. Накопленный опыт в практике отечественных и зарубежных исследователей позволяет говорить о перспективности комплексного подхода. Интеграция методов естественных наук с археологией традиционно осуществляется по пяти основным направлениям, в рамках которых специалисты-естественники совместно с археологами разрабатывают методы, методики и технологии для полевых археологических исследований, реконструкции древних производств, абсолютной хронологии, восстановления палеоландшафта и математических методов во всех звеньях научных исследований археолога
4 [68]. В частности, естественно-научные методы в полевой археологии
позволяют решать важные научные и практические задачи — поиск, разведка
и изучение археологических памятников в поле. В связи практической
необходимостью разработки данного направления, использование
неразрушающих геофизических методов в археологической практике
научных исследований зарубежных и отечественных специалистов имеет
давнюю традицию. Основные достижения в этой области нашли отражение
не только в научных публикациях, но и научно-методической, учебной и
научно-популярной литературе [14, 83, 139, 168].
Для получения предварительной информации о расположении
археологических объектов в грунте используются методы геофизики и
дистанционные исследования (аэрофотосъемка, съемка из космоса и пр.). С
помощью разведки производится поиск, открытие и научная фиксация
археологических памятников. Большинство археологических памятников
скрыто под наносами почвенных напластований и сливаются с окружающим
ландшафтом. Использование современных методов археологической
разведки позволяет обнаруживать их с большой точностью. Одним из таких
методов является аэрофотосъемка. В зарубежной археологии этот метод
систематически используется с 1920-х гг. [186, 257]. Она позволяет охватить
весь комплекс археологических памятников на исследуемой территории со
всеми прилегающими к нему валами, рвами и другими малозаметными
особенностями рельефа. Использование аналитических методов при
обработке цифровых фотографий позволяет построить высокоточные карты
памятников [53, 187, 209]. Аэрофотосъемка значительных по площади
археологических памятников со сложной структурой, космическая съемка в
различных спектрах предоставляют новую полезную информацию об их
планировке. Однако большая стоимость этих видов разведки не позволяет
провести их на территории абсолютного большинства археологических
памятников. Более того, интенсивное сельскохозяйственное использование
5 территории многих археологических памятников, эрозионные процессы,
ускоряющиеся в связи с применением тяжелой техники, искажают
особенности рельефа, вызванные погребенными археологическими
объектами. В этой ситуации данные аэрофотосъемки могут оказаться
недостаточно информативными.
Детальное исследование внутренней структуры археологических памятников возможно за счет применения неразрушающих геофизических методов исследования, адаптированных для использования в полевой археологии. Основное преимущество, в силу которого геофизические методы применяются для зондирования грунта с целью определения местоположения археологических объектов, состоит в том, что они позволяют выявлять комплексы различных погребенных сооружений, не нарушая поверхностного слоя почвы и самого объекта поисков. Применение геофизических методов в несколько раз сокращает объем земляных работ и стоимость археологической разведки. Кроме того, существенным преимуществом геофизических методов разведки является возможность послойного изучения археологического памятника [139].
Актуальность археогеофизических исследований определяется объективными ограничениями по применению методов, традиционных для полевой археологии. В первую очередь проблемы связаны с методикой археологических исследований, которая предполагает широкомасштабные раскопки и требует значительных временных и финансовых затрат. Более того, расширение площадей раскопа зачастую не дает дополнительных данных для культурно-исторической интерпретации памятника. В данном случае геофизические исследования культурного слоя памятника, его планировки и отдельных археологических объектов позволяют получать предварительную информацию для целенаправленного выбора участка раскопок, наиболее информативного с точки зрения изучения памятника.
Традиционные археологические исследования, предполагающие
разрушения памятника в процессе его изучения, не обеспечивают
физическое сохранение объектов историко-культурного наследия.
Информация о структуре культурного слоя, полученная с использованием
оперативных неразрушающих геофизических методов, позволяет не только
провести предварительную интерпретацию памятника в целом, но и
выделить на его территории объекты, раскопки которых позволят уточнить
предварительные выводы исследователя. Таким образом,
археогеофизический подход при музеефикации археологических объектов историко-культурного наследия предполагает возможность выделения эталонных для памятника объектов, локальные раскопки этих объектов и сохранение в первозданном виде всей остальной территории памятника.
Использование геофизических методов частично решает проблему охранных раскопок. Ввиду постоянного расширения инфраструктуры и территории городской застройки часто возникает проблема отвода под строительство участков, содержащих объекты археологии. Существующее законодательство предполагает археологическое согласование и выделение средств на охранные раскопки. Однако, время, в течение которого возможны археологические раскопки, зачастую весьма ограничено. В данном случае единственным решением проблемы является применение геофизических методов. Археогеофизика позволит оперативно определить расположение наиболее информативных объектов, раскопки которых необходимы для понимания памятника, и получить информацию об объектах, которые будут разрушены в процессе строительства.
Кроме того, оперативные и неразрушающие геофизические методы являются единственным эффективным способом изучения и дальнейшего сохранения исторических и археологических объектов, которые не могут быть исследованы раскопками (исторические здания, церкви, исторические парки и территории, расположенные в пределах городской застройки).
7 Таким образом, основными факторами, определяющими
привлекательность геофизических методов для археологии, являются
возможность оперативного получения предварительной информации об
объекте исследований, принцип сохранения археологических памятников,
возможность существенного сокращения финансовых расходов и
трудозатрат.
Степень разработанности проблемы. Впервые геофизические методы в
археологии были использованы в 1946 г. Р. Аткинсоном (Atkinson R.J.S.).
Дальнейшее развитие этого направления в зарубежных научных
исследованиях связано с археогеофизическими изысканиями М. Эйткина
(Aitken M.J.) (1953), К.М. Леричи (Lerici СМ.) и Е. Карабелли (Carabelli Е.)
(1955), Э. Сегре (Segre Е.) (1956), И. Сколлара (Scollar J.) (1959) и ряда
других ученых. В данный период основными геофизическими методами,
который использовались при археологической разведке, являлись
электроразведка и магниторазведка. Эпизодически, в комплексе с электро- и
магниторазведкой, использовалась также и сейсморазведка. В зарубежных
археогеофизических исследованиях выделяют три основных этапа развития:
экспериментальный (1950-е - начало 1960-х гг.), методический (1960-е гг.) и
производственный (с 1970-х гг.) [66]. В отечественной археологической
практике геофизические методы стали применяться с начала 1960-х гг. На
начальном этапе были проведены успешные экспериментальные
исследования по применению магнито- и электроразведки на
разновременных археологических памятниках (от неолита до средневековья).
Период становления отечественной археогеофизики (1960-е гг.) был связан, в
первую очередь, с расширением арсенала геофизических методов,
используемых в археологии; оценкой потенциала этих методов для изучения
различных типов объектов; обсуждением методических и технических
вопросов. Основными объектами исследований являлись античные
постройки, гончарные печи и горны, оборонительные сооружения,
8 трипольские поселения и пр. (Г.С. Франтов, К.К. Шилик, Г.Ф. Загний, В.А.
Круц, О.М. Русаков, Г.В. Грошевой, Л.Л. Галкин, М.А. Зайончковский, В.П.
Дудкин и др.). Практика археогеофизических исследований показала, что
необходимым условием эффективных междисциплинарных исследований
является более мощная техническая база, более разносторонний и крупный
научный коллектив. Ввиду этого, с 1970-х гг., археогеофизические
исследования продолжались совместно со специализированными
геофизическими учреждениями (В.В. Глазунов, В.А. Шевнин, И.Н. Модин,
А.К. Станюкович, В.М. Слукин, А.В. Мельников, Т.Н. Смекалова и др.).
Комплексные исследования этого периода характеризуются разнообразием
типов изучаемых археологических объектов, датируемых в широком
хронологическом диапазоне, а также расширением географии
археогеофизических изысканий. В этот период новыми направлениями
являлись изучение археологических памятников и архитектурно-
исторических объектов в черте городской застройки, многолетние и
многоцелевые археогеофизические исследования на полигонах. Тем не
менее, «весь прогресс был направлен на повышение производительности
работ» [133, С. 22]. Понимание ограниченности этого подхода, определило
переход на новый качественный уровень археогеофизики, основой которого
являются многоцелевые исследования памятников с получением не только
археологических, но и количественных геофизических данных об объектах (с
точки зрения изучения физических свойств, количественных реконструкций
и методов интерпретации, моделирования) [133, С. 22]. Определенным
итогом является тезис, о том что «... по мере осуществления
экспериментальных и практических работ все большее значение приобретали
моделирование и лабораторные исследования. Дальнейшее
совершенствование предложенных методов должно идти по линии теоретических разработок» [162, С. 111]. Данное заключение касалось результатов комплексных исследований конкретного памятника, однако, этот
вывод весьма определенно характеризует ситуацию, сложившуюся в
области теоретических разработок для археогеофизических исследований. Следовательно, на современном этапе моделирование археогеофизических измерений является новым методическим направлением, обеспечивающим решение методологической проблемы взаимодействия археологии и геофизики. Развитие данного направления предполагает решение ряда взаимосвязанных задач при участии археологов и специалистов-естественников.
В соответствии с принятой точкой зрения, при археогеофизических исследованиях принципиальными параметрами являются точность восстановления границ и пространственных характеристик археологических объектов поиска, а также высокая скорость измерений и достоверность интерпретации результатов. Даже на этапе становления археогеофизики была показана необходимость разработки специальной методики археогеофизических измерений, обработки и интерпретации полученных данных в зависимости от вида археологического объекта [68, 139]. Однако и в настоящее время при исследовании археологических памятников и поиске объектов на их территории в большинстве случаев используются методики измерений и аппаратура, разработанные в разведочной геофизике и предназначенные для поиска крупных геологических объектов. При таких измерениях однозначно выделяются только достаточно крупные археологические объекты, физические свойства которых значительно отличаются от вмещающего грунта. Таким образом, механическая адаптация геофизических методик не позволяет в полном объеме решать задачи археогеофизических исследований, которые предполагают определение местоположения локальных объектов поиска при максимальной точности восстановления контура и пространственных характеристик расположения в грунте.
10 Специфика в постановке задачи археогеофизических исследований
определяет актуальность разработки методологии археогеофизических исследований, а также специализированной методики измерений и технологии ее применения при полевых археологических изысканиях. Прикладным аспектом данного направления исследований является создание современных аппаратных и программных средств археогеофизики с использованием адаптивных методов измерений многосеточной электрометрии и методов экспресс-обработки и анализа полученных данных в полевых условиях, позволяющих исключить указанные недостатки применения традиционных геофизических методов. Использование автоматизированных средств для археогеофизических исследований позволит получить предварительную информацию о расположении объектов на территории археологического памятника, которая предоставит возможность планировать проведение раскопок, сократить материальные вложения и трудозатраты.
Целью настоящей работы является разработка методологии, методики и технологии археогеофизических исследований. В данном случае, под методологией предполагается выявление и развитие основных принципов взаимодействия археологии и геофизики, обеспечивающих высокую результативность междисциплинарных исследований. Специализированная методика археогеофизических измерений должна обладать такими характеристиками как адаптивность, универсальность, возможность тиражирования и междисциплинарность. Адаптивность предполагает возможность настройки в зависимости от задачи исследований, условий измерений и параметров археологических объектов. Универсальность подразумевает использование разработанных подходов и методов для неразрушающих исследований различных категорий археологических памятников, датируемых в широком хронологическом диапазоне и расположенных в различных ландшафтных зонах. Междисциплинарность
предполагает использование методов археологии, геофизики и
компьютерных технологий для полевых археологических исследований и
музеефикации памятников историко-культурного наследия.
Археогеофизическая методика основывается на методе многосеточной электрометрии грунтов и разрабатывается при использовании компьютерного моделирования измерений. Технология измерений определяет алгоритм решения исследовательских задач археологии и последовательное уточнение информации об объектах поиска по археогеофизическим данным.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
определение принципов эффективного применения геофизических методов при комплексных исследованиях археологических памятников, а также разработка концепции и логической модели археогеофизических исследований;
формулировка и обоснование задач археогеофизических исследований при изучении археологических памятников и музеефикации объектов историко-культурного наследия, а также определение требований на каждом этапе измерений;
построение пространственной модели среды, содержащей локальные трехмерные археологические объекты с различными значениями физических параметров;
разработка методов моделирования электрометрических измерений при заданном расположении археологических объектов в культурном слое;
оценка влияния компонентов методики измерений на чувствительность к различным типам объектов, точность и достоверность результатов археогеофизических измерений;
12 - оценка уровней значимости выделенных компонентов методики для
решения задач археологических исследований, предполагающая выбор
оптимальной комбинации параметров на каждом этапе измерений;
формирование подходов для разработки методов интерпретации археогеофизических данных и восстановления пространственных характеристик археологических объектов;
создание многоэлектродного автоматизированного электроразведочного комплекса и программного обеспечения для визуализации, обработки и интерпретации археогеофизических данных;
экспериментальная апробация метода, методики и технологии при исследованиях разновременных поселений, расположенных в различных ландшафтных зонах.
Направление исследований. В данном случае основными направлениями исследований являются:
Поиск путей повышения результативности археогеофизических исследований на основе междисциплинарного подхода, оптимального комплексирования методов археологии и геофизики, а также разработки современных неразрушающих методов и адаптации существующих методик.
Разработка и развитие теоретических методов для формирования методики геофизических измерений, адаптированной для решения задач полевой археологии и музеефикации археологических объектов.
Разработка и совершенствование специализированной методики, характеризующейся такими параметрами как адаптивность, универсальность, возможность тиражирования и междисциплинарность.
Определение системы критериев для формирования методики измерений, адаптированной к задаче исследований и условиям исследованиям.
5. Разработка технологии археогеофизических измерений на территории археологических памятников, а также аппаратных и программных средств для эффективной реализации методики и технологии.
Экспериментальные археогеофизические исследования на территории археологических памятников, содержащих разнообразные археологические объекты с точки зрения пространственных параметров и физических свойств.
Разработка рекомендаций по применению геофизических методов в полевых археологических исследованиях, определение ограничений и необходимых условий их эффективного использования.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Основными методами теоретических исследований являются системный анализ, математическое моделирование и метод многосеточной электрометрии. Системный анализ используется при разработке методологических принципов взаимодействия археологии и геофизики, в рамках которого выявлена логическая схема и единая процедура археогеофизических исследований, определены основные элементы методики измерений и факторы, влияющие на результативность комплексных исследований.
Математическое моделирование является методом разработки методики измерений, обладающей максимальной чувствительностью к существующим типам археологических объектов в заданных условиях измерений. Использование моделирования позволяет создавать алгоритмы и технологии измерений, ориентированные на решение различных исследовательских задач — поисковое картирование территории археологического памятника с использованием ускоренных методов измерений и детальное изучение выделенных археологических объектов. Предварительная проработка методики измерений на базе пространственных моделей обеспечивает
14 повышение надежности методов математической обработки и
достоверности интерпретации археогеофизических данных при определении
местоположения и границ археологических объектов. Таким образом, за счет
моделирования измерений при разработке комплексной методики
производится оценка условий применимости выбранных геофизических
методов и потенциала каждого из них при существующих мешающих
факторах на каждом участке измерений.
Для адаптации традиционной методики электрометрических измерений к задачам исследования локальных археологических объектов в приповерхностных слоях грунта был разработан метод многосеточной электрометрии. Суть предложенного метода заключается в адаптивном изменении конфигурации измерительной установки, измерительной сетки и шага измерений за счет программной коммутации массива электродов, установленных на участке исследований. Адаптивность измерительной сетки в данном методе принципиально отличает его от известных методов измерений с точки зрения возможности повышения пространственного разрешения и чувствительности. С аппаратной точки зрения метод предполагает, что на поверхности грунта располагаются одновременно несколько десятков электродов, расположенных по регулярной прямоугольной сетке. Каждый из электродов соединен с программируемым коммутатором. Коммутатор, в соответствии с реализуемым алгоритмом, позволяет задавать расположение питающих и измерительных электродов, участвующих в каждом единичном измерении. Следовательно, не меняя расположение электродов, можно провести несколько серий измерений.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей и методов моделирования измерений, совпадением полученных теоретических результатов с данными экспериментальной апробации методик измерений, аппаратуры и программного обеспечения при исследовании разновременных
15 археологических памятников, расположенных в различных ландшафтных
зонах. Результаты археогеофизических измерений на всех исследованных
памятниках подтверждены раскопками.
На зашиту выносятся следующие результаты:
Принципы применения геофизических методов в полевых археологических исследованиях и при музеефикации памятников, а также логическая схема использования археогеофизических методов.
Пространственная модель археологических объектов и методика ее построения, а также метод многосеточной электрометрии, позволяющий варьировать параметры измерительной сетки для достижения максимальной эффективности археогеофизических измерений с точки зрения археологических исследовательских задач.
Адаптивная и универсальная методика измерений, включающая набор параметров. Выбор значений параметров обеспечивает настройку методики для поиска определенных объектов поиска в заданных условиях измерений.
Оценка уровней значимости, обеспечивающая выбор оптимальных параметров методики измерений для решения задач поиска археологических памятников, восстановления и реконструкции их планировки и построения пространственных моделей отдельных объектов по археогеофизическим данным.
Поисковая и уточняющая методики измерений, определение и обоснование их роли при междисциплинарных археогеофизических исследованиях.
Автоматизированный многоэлектродный электроразведочный комплекс для археогеофизических измерений и оригинальное программное обеспечение визуализации и анализа геофизических данных, полученных при исследовании археологических объектов.
7. Экспериментальные данные, полученные при неразрушающих исследованиях разновременных поселений, расположенных в различных ландшафтных зонах.
Научная новизна. Предложена схема археогеофизических исследований, ориентированная на повышение эффективности полевых археологических исследований и методов музеефикации памятников историко-культурного наследия.
Разработан метод многосеточной электрометрии, ориентированный на
археогеофизические измерения. Адаптивность измерительной сетки
принципиально отличает его от известных методов измерений с точки зрения
возможности повышения пространственного разрешения и
чувствительности.
Предложен подход и разработаны методы формирования модели археологического объекта как упорядоченной совокупности элементов среды, вариация геометрических и физических параметров которых позволяет воссоздавать пространственный образ практически любого археологического объекта поиска.
Определены подходы и критерии формирования специализированной методики археогеофизических измерений. При моделировании измерений и натурных испытаниях на археологических памятниках исследованы основные компоненты методики (конфигурация измерительной установки, алгоритмы коммутации, многослойные измерения и параметры сети измерений). По результатам сравнительного анализа предложены уровни значимости каждой компоненты археогеофизической методики с точки зрения археологической задач на каждом этапе исследований.
Разработаны методика функциональной интерпретации археологических объектов по геофизическим данным и методика восстановления пространственных характеристик на базе многослойных измерений.
17 Практическая ценность. Выделены основные компоненты методики
измерений, выбор параметров которых позволяет адаптировать методику
для решения разнообразных задач археологических исследований и
существующих условий измерений на конкретном археологическом
памятнике.
Определены параметры поисковой и уточняющей методик археогеофизических измерений. Поисковая методика ориентирована на поиск археологических объектов, определение границ распространения культурного слоя и восстановление планировки памятника. Уточняющая методика позволяет реконструировать планировку и восстанавливать пространственных характеристики археологических объектов на основании электрометрических данных.
Сформулированы и обоснованы функциональные и технические требования многоэлектродного электроразведочного комплекса для археогеофизических измерений и специализированного программного обеспечения визуализации и археологической интерпретации геофизических данных.
Для реализации адаптивных археогеофизических исследований создано программное обеспечение автоматизации измерений, позволяющее решать научные и прикладные задачи при картировании археологических памятников методом многосеточной электрометрии.
Реализация результатов работы. Разработан многоэлектродный автоматизированный электроразведочный комплекс «Иднакар», специализированная программная система обработки и визуализации результатов археогеофизических измерений, методика и алгоритмы измерений. Электрометрические исследования на территории археологических памятников позволили определить планировку памятников и выделить контуры основных археологических объектов на их территории. Методика измерений обеспечивает детальное изучение отдельных объектов,
18 то есть построение их горизонтальных срезов (послойное изучение объектов
в грунте), вертикальных срезов и построение трехмерной реконструкции
объектов поиска.
Эффективность разработанной методики и аппаратно-программных средств была показана при полевых исследованиях 1992-2003 гг. на территории разновременных поселений, которые функционировали в эпоху бронзы, раннем железном веке и средневековье. Поселения, на территории которых проводились археогеофизические измерения, расположены в различных ландшафтных зонах. Объектами эпохи бронзы являлись поселение Горный (Каргалинский горно-металлургический комплекс, Оренбургская область, 1996-1999, 2002 гг.), селища Песчаный Дол I и Песчаный Дол II (Самарская область, 2000 г.), поселения Улак-1 и Улак-6 (Республика Башкортостан, 2002-2003 гг.) и поселение Пяку-то I (Тюменская область, Ямало-Ненецкий автономный округ, 2001 г.). Памятники раннего железного века были представлены Момылевским городищем (Удмуртия, 1995), многослойным Зуево-Ключевским I городищем (Удмуртия, 1998-2001 гг.) и Павлиновым городищем (Курганская область, 2003 г.). Средневековыми поселениями, на которых проведены археогеофизические исследования, являлись городище-крепость Иднакар (Удмуртия, 1992-2000 гг.), городище Еськи (Тверская область, 1997 г.) и селища Суздальского Ополья (Владимирская область, 2004-2005 гг.). Результаты работ на археологических памятниках представлены в 16 отчетах по НИР.
Результаты археогеофизических исследований включены в отчеты по грантам на проведение экспедиционных исследований «Геофизические исследования на археологических памятниках Южного Урала» (РФФИ, проект 98-06-88008к, руководитель Журбин И.В.), «Организация и проведение геофизических исследований на археологических памятниках Южного Урала» (РФФИ, проект 99-06-88017к, руководитель Журбин И.В.), «Естественно-научные методы в археологии: комплексный подход к
19 исследованию многослойных памятников Прикамья» (ФЦП «Интеграция»,
проект СО 146, 2000-2001, руководители Журбин И.В. и Черных Е.М.).
Кроме того, под руководством автора были проведены успешные
электрометрические исследования при реализации проектов
«Археологические исследования Зуевоключевского I городища» (РГНФ,
проект 98-01-18042, руководитель Черных Е.М.), «Материальная культура и
экономика населения бассейна р. Самара в бронзовом веке» (РГНФ, проект
00-01-00093а, руководитель Мочалов О.Д.), INTAS-00-119 (руководители
Корякова Л.Н. и Daire M.-Y.), «Организация и проведение экспедиции по
изучению средневекового культурного ландшафта Суздальского Ополья»
(РФФИ, проекты 04-06-88027к, 05-06-88016к, руководитель Макаров Н.А.).
Апробация работы. Теоретические положения и практические результаты работы обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях, которые проходили в Финляндии (1995), Швеции (1998), Великобритании (1999), Германии (2001), Ирландии (2005), Москве (1994-2004), Йошкар-Оле, Сыктывкаре (1994), Йошкар-Оле (1995), Уфе (1996), Екатеринбурге (1998), Омске, Екатеринбурге, Самаре и Ижевске (1999), Ижевске (2000), Екатеринбурге и Ижевске (2001), Омске и Оренбурге (2002), Перми и Санкт-Петербурге (2003), Ижевске (2004), Санкт-Петербурге и Ижевске (2005). Опубликовано 23 тезисов докладов и 22 статьи в сборниках материалов конференций.
Теоретические и научно-практические результаты работы вошли в итоговые и промежуточные отчеты по исследовательскими проектам «Геофизика в археологии: методы геофизических исследований археологических памятников на Южном Урале» (РФФИ, проект 98-06-80038а, 1998-2000 гг., руководитель Журбин И.В.) и «Метод обнаружения и оценки параметров локальных трехмерных неоднородностей в грунте» (программа РФФИ-Урал, проект 01-01-96435р, 2001-2003 гг., руководитель Журбин И.В.), «Эталонный памятник финно-угорского средневековья
20 городище Иднакар: комплексный анализ формирования планировочной
структуры» (программа РГНФ-Урал, проект 05-01 -80104а/У, 2005 г.,
руководитель Иванова М.Г.). Исследовательская работа Журбина И.В.
«Методика исследования грунтов методом многосеточной электрометрии»
вошла в число победителей конкурса лучших научно-исследовательских
работ молодых ученых УрО РАН (2001).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии и 39 статей (из них 28 в рецензируемых изданиях и материалах международных и всероссийских научных конференций). Получено 4 патента России
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (278 наименований) и двух приложений. Диссертация изложена на 187 машинописных листах основного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы.
Становление и развитие археогеофизики. Основные тенденции и результаты
Впервые геофизические методы в археологии были использованы в 1946 г. Р. Аткинсоном [182, 278]. Он применил электроразведку для исследования границ и примерной планировки 10 неолитических поселений в графстве Дорчестер и для определения местоположения погребенных объектов, находящихся в пределах поселений [184]. Применяя электрометрию и магнитометрию Р. Аткинсон (Atkinson R.J.S.) и М. Эйткин (Aitken M.J.) [168, 183] достаточно уверено фиксировали рвы древних укреплений на территории Англии, а так же остатки печей старого металлургического центра. В 1950-х гг. итальянские ученые К.М. Леричи (Lerici СМ.) и Е. Карабелли (Carabelli Е.) с использованием электрометрии и сейсмоакустических методов исследовали этрусские подкурганные захоронения в могильных камерах в районе Черветери и пиценские гробницы в районе Фабриано [196, 235]. При исследовании историко-архитектурных объектов - античного города римского времени Вульчи и склепов Монте Аббатоне - ими были обнаружены контуры фундаментов отдельных сооружений, развалы мрамора, остатки каменной кладки, полости и пустоты [234].
Аналогичные исследования были проведены Э. Сегре (Segre Е.) на этрусском некрополе близ Рима [260]. В конце 1940-х гг. К.М. Леричи (Lerici СМ.) организовал в Милане институт «Наука и техника на службе археологии». При исследовании римской крепости в Ксантене (Германия) электрометрическими методами И. Сколлар (Scollar J.) обнаружил ранее не известные элементы укреплений стены и башни, что позволило осуществить археологическую реконструкцию сооружения [259]. Ф. Фрич (Fritsch V.) и Ф. Хампль (Hampl F.) на территории средневекового замка Цветендорф (Австрия) с помощью электрометрических измерений установили местоположение стены, остатки которой не фиксировались другими методами [221]. В начале 1960-х гг. были проведены опытные исследования по применению электрометрии в полевых археологических исследованиях в Польше [38] и Болгарии [174]. В перечисленных исследованиях основным геофизическим методом, который использовался при археологической разведке, являлась электрометрия. Тем не менее, именно на этапе становления археогеофизики, кроме электрометрии стали осваиваться и другие геофизические методы — магниторазведка и сейсморазведка. Магниторазведка для археологического картирования впервые была применена в конце 1950-х гг. в Англии [177] при этом была доказана возможность использования магнитометрии для поиска археологических объектов [199]. В 1960-х гг. магниторазведка уже активно использовалась в полевых археологических исследованиях в различных странах [251]. Одним из первых известных опытов применения сейсморазведки является изучение археологических объектов базилики Св. Петра в Риме, выполненные в начале 1950-х гг. [236]. Успехи использования геофизики для задач археологии стимулировали дальнейшее развитие этого направления в зарубежных исследованиях [180, 214, 252].
В целом начальный этап развития археогеофизики характеризуется экспериментами по применению различных методов разведочной геофизики и обсуждение методических вопросов их применения в археологии [66]. История становления и использования геофизических методов в отечественных и зарубежных археологических исследованиях достаточно подробно рассмотрена в научной литературе [118, 139, 168]. По мнению А.К. Станюковича, периодизация зарубежного опыта становления археогеофизики как научной дисциплины, проведенная В.В. Глазуновым [23], справедлива и для отечественной археогеофизики [133]. В отечественной археологической практике геофизические методы стали применяться с начала 1960-х гг. В Ленинградском отделении Института археологии АН СССР в 1962 г. была создана небольшая группа геофизической разведки, которая проводила экспериментальные работы по применению магнито- и электроразведки на разновременных археологических памятниках (от неолита до средневековья). Первым опытом работы группы было геофизические исследования в 1962 г. неолитической стоянки Вьюн, которые позволили определить границы культурного слоя памятника [138]. Практика работы группы показала, что археогеофизика требует более мощной технической базы, более разностороннего и крупного научного коллектива. В 1976 г. эта группа была расформирована [69].
Начальный период формирования отечественной археогеофизики (1960 е гг.) был связан, в первую очередь, с расширением арсенала геофизических методов, используемых в археологии; оценкой потенциала этих методов для изучения различных типов объектов; обсуждением методических и технических вопросов. Наиболее часто использовались различные модификации методов электрометрии и магниторазведки. Электрометрические исследования были связаны с построением плана античных построек при картировании занесенных фундаментов стен и получением планировки скифского некрополя [156, 157], а также с поисками методом вызванной поляризации мест расположения кострищ на стоянках [71]. Магниторазведка применялась при поиске, картировании и изучении гончарных печей на территории средневековых памятников Крыма с использованием феррозондового магнитометра [158, 159], поиске гончарных горнов и исследовании структуры оборонительных сооружений древнерусского городища Изяславль с использованием магнитометров различных типов и металлодетектора [155], картировании поселения трипольской культуры и могильников с использованием протонного магнитометра [51, 175] и высокоточной специализированной аппаратурой [37, 40].
Моделирование археогеофизических измерений
В абсолютном большинстве известных археогеофизических исследований качестве основного метода археогеофизических измерений используется электропрофилирование, сущность которого заключается в следующем: в грунте с помощью питающих электродов А и В возбуждается электрическое поле и на поверхности измеряется разность потенциалов между измерительными электродами М и N (рис. 6). По известной разности потенциалов между измерительными электродами AUMN И току питающей линии 1дв с учетом коэффициента установки, зависящего от взаимного положения питающих и измерительных электродов, вычисляется кажущееся удельное сопротивление (рк). После этого питающие и измерительные электроды, перемещаются на некоторое, предварительно определенное расстояние, и измерения повторяют в той же последовательности. При всех последующих измерениях сохраняется взаимное положение электродов. Необходимо учитывать, что полученное в результате измерений распределение кажущегося удельного сопротивления в среде является лишь трансформацией реального распределения, а не его реальным отображением. Величина рк может принимать значения за пределами диапазона распределения истинного удельного сопротивления исследуемой области. Последовательное перемещение измерительной установки по участку исследований позволяет сформировать двумерный массив данных рк- В пределах массива выделяются участки, значение удельного сопротивления которых отличается от сопротивления однородного грунта. Таким образом фиксируются аномалии сопротивления. На этапе качественной интерпретации данных электрометрии предполагается, что аномальное значение сопротивления вызвано наличием в грунте археологических объектов. Следовательно, координаты расположения аномалии сопротивления определяют вероятное местоположение археологических объектов поиска.
Оценка применимости методики электрометрических исследований и методов восстановления пространственных характеристик археологических объектов, разработанных для решения поставленных археологических задач, и их последующая адаптация возможна с использованием процедуры моделирования измерений.
Моделирование измерений представляет собой компьютерный эксперимент, при котором определяется разность потенциалов между измерительными электродами. Исходными данными для моделирования измерений являются формализованное описание структуры среды, геометрических и физических параметров археологических объектов поиска, их пространственное положение в культурном слое и координаты расположения электродов, участвующих в измерениях.
Традиционно моделирование в геофизике основывается на физико-геологических моделях среды, которые подразумевают максимально приближенное к нормальным условиям обобщенное и формализованное представление об основных геологических и физических характеристиках исследуемого объекта и его вмещающей среды [72]. Модель оперирует некоторыми усредненными физическими свойствами объекта (в первую очередь, удельное электрическое сопротивление) и использует достаточно упрощенные размеры, пропорции и другие геометрические соотношения, которые, тем не менее, отражают определенную совокупность встречающихся реальных ситуаций. Для задач разведочной геофизики чаще всего используются двумерные модели слоистой среды, которые содержат набор слоев с различными типами границ, разделяющих эти слои (горизонтальные, вертикальные и наклонные) и содержащие цилиндрические тела (то есть тела ограниченного сечения в вертикальной плоскости и бесконечной длины по оси, перпендикулярной плоскости вертикального сечения) [169, С. 16 - 20]. Использование такого типа моделей практически неприемлемо для археогеофизики, так как археологические объекты в большинстве случаев представляют собой локальные трехмерные тела, расположенные в пространстве культурного слоя. Локальность объектов поиска в двумерных геологических моделях не учитывается. Тем не менее, успешный опыт моделирования с двумерными моделями известен в отечественной и зарубежной геофизике. Например, при разработке методики определения горизонтальных границ и глубины залегания траншеи прямоугольного сечения, перекрытой слоем наносных отложений, в качестве модели траншеи использовались бесконечные призмы треугольного и прямоугольного сечения [228]. При разработке методики исследований римской фермы моделью стен сгоревшего здания являлся бесконечный цилиндр в однородном пространстве [266]. На городище Камно для контрастирования карты магнитного поля и выявления на ней аномалий, вызванных объектами застройки городища, была исключена фоновая составляющая [29]. Было установлено, что поле фона подобно магнитному полю однородно намагниченной горизонтальной пластины. Развитием физико-геологической модели, применительно к задачам археогеофизики, является понятие физико-археологической модели. Под физико-археологической моделью понимается «набор абстрактных возмущающих тел, геометрические параметры, взаимное расположение и контрастность физических свойств которых с той или иной степенью приближения отражают реальные размеры, положение и характеристики ожидаемых археологических объектов» [123, С. 7]. Понятие объектов поиска в физико-археологической модели отличается от физико-геологической модели большей пространственной упорядоченностью локальных объектов, широким диапазоном их форм и видов, а также масштабами поисков. Для упрощения процесса математического моделирования, при формировании физико-археологической модели памятника реальные археологические объекты заменяются сочетанием тел геометрически правильной формы [88, С. 12 — 13].
Реконструкция археологических объектов
На этапе становления археогеофизики при анализе методических проблем применения геофизических методов в полевых археологических исследований подчеркивалось, что «... проблема состоит в том, что применением геофизических приборов в практике археологических экспедиций занимаются в основном не археологи, а инженеры. ... Поэтому сейчас возникает задача постепенного освоения археологами навыков работы с приборами» [70, С. 95 - 96]. В дальнейшем, лозунг о формировании «археологов-инженеров» был снят, и в качестве перспективного пути развития археогеофизики рассматривалось тесное взаимодействие со специализированными геофизическими учреждениями [68]. Однако в исходной постановке вопроса, безусловно, было рациональное зерно. Насущная проблема состояла в адаптации существующих геофизических приборов для задач археогеофизики. Это объяснялось принципиальным различием исследовательских задач, стоящих перед геологоразведкой полезных ископаемых и изучением археологических памятников геофизическими методами. В качестве основных требований геофизических измерений на памятниках археологии были выделены «...предельно точная локализация погребенного памятника, определение его габаритов до вскрытия, большая производительность прибора, простота и надежность его в эксплуатации» [37, С. 192]. В настоящее время требования к археогеофизическим исследованиям принципиально не изменились.
Необходимость модернизации существующего геофизического оборудования стала очевидна уже на начальном этапе археологической геофизики. По литературным источникам известно, что уже в 1950-х гг. в Оксфордской лаборатории археологии и истории искусств велась разработка специализированной электроразведочной аппаратуры с цифровой индикацией [220]. В 1965 году коллективом отечественных авторов был создан и апробирован в полевых условиях магнитометр направленного действия, который показал хорошие результаты при исследованиях могильников, включающих грунтовые захоронения, погребения в сырцовых и земляных склепах, каменных ящиках. Кроме того, магнитометр был успешно использован для картирования поселений: античных и средневековых усадеб, средневекового Звенигородского городища [37]. Позднее, уже в 1970-х гг. произошла доработка прибора, которая позволила достигнуть более высокой надежности при работе в полевых условиях за счет жесткой конструкции [19]. В 1980-х гг. специально для археологического применения метода электрометрии был разработан измеритель на интегральных микросхемах, что позволило значительно повысить надежность прибора, уменьшить его массу и габариты, снизить напряжение питания [85]. Измеритель был использован на поселении Затон, на котором исследовалась центральная часть. Была выделена площадь, занятая погребенной постройкой, и некоторые особенности ее планировки. По оценке разработчиков прибор показал более высокую эффективность по сравнению со своим серийным прототипом. Необходимо отметить, что данное направление развития археогеофизической аппаратуры улучшало лишь эксплуатационные свойства приборов и упрощало процесс измерений, но не могло принципиально повысить качество археогеофизической разведки - обеспечить высокую точность восстановления границ и пространственных характеристик археологических объектов. Проблема состояла в том, что модификация приборов не изменяла их структуру и принципы работы.
Следовательно, при измерениях усовершенствованными образцами аппаратуры использовалась традиционная для геофизики методика измерений. Это означает, что новые конструктивные особенности оказывают, безусловно, положительное, но лишь косвенное влияние на качество археогеофизических измерений при поиске, разведке и изучении археологических памятников.
В отечественной и зарубежной археогеофизической практике в большинстве случаев для всех этапов археологической разведки используются приборы, разработанные для целей геологоразведочных и инженерных геофизических исследований, которые не удовлетворяют задачам измерений на археологических памятниках по таким параметрам, как точность, быстродействие, чувствительность, возможность хранения и обработки полученной измерительной информации. Основные возможности и технические характеристики существующих разнообразных приборов представлены в археологической [37, 192, 222] и специализированной геофизической литературе [10, 11, 172]. Анализ технических параметров новых разработок показывает, что неуклонно повышается точность регистрации результатов единичного измерения, современные разработки обеспечиваются памятью для хранения результатов измерений [170]. В настоящее время наличие памяти для регистрации данных рассматривается как основной фактор повышения производительности полевых исследований, который обеспечивает возможность предварительной обработки и анализа результатов измерений в полевых условиях [231]. Однако, в большинстве случаев, серийно выпускаемые приборы для исследования грунтов методом электрометрии, ориентированы на «одноканальный» режим работы, то есть в каждый момент времени производится одно измерение.
Аппаратура для археогеофизических измерений
Необходимым условием повышения результативности археогеофизических исследований является адаптация традиционных естественно-научных методик к задачам археологии и к условиям их применения на конкретных памятниках. Оценка адекватности разработанной методики измерений возможна на основе интерпретации геофизических данных на каждом этапе измерений. Технологической компонентой методики интерпретации является разработка оригинального программного обеспечения. Компьютерная обработка и визуализация данных необходима для археогеофизических измерений. Это связано, во-первых, с большим количеством данных, получаемых при исследованиях. Другая причина состоит в необходимости фильтрации, обеспечивающей повышение качества данных и возможности отображения их в различных режимах для достижения большей информативности. Требования к программному обеспечению визуализации и анализа геофизических данных, а также основные возможности и режимы разработанной специализированной программы определяются задачами каждого этапа измерений (поиск памятника, восстановление и реконструкция планировки, моделирование объектов).
В настоящее время для визуализации и обработки геофизических данных в основном используются программы GEOPLOT, SURFER, GEOEAS, Geostatistical Toolbox, TechBASE, Rockworks, EM Vision и ряд отечественных разработок (Геопоиск, Geostatistical Software Tool). Абсолютное большинство известного программного обеспечения ориентировано на отображение геофизических данных, полученных при геологоразведочных исследованиях. Это определяет ограниченный выбор режимов визуализации и ориентацию на специализированный класс методов анализа. Следовательно, существующее коммерческое программное обеспечение не учитывает специфические требования обработки, визуализации данных археогеофизических исследований и требует трудоемкой адаптации. Эти обстоятельства определили необходимость разработки оригинального программного обеспечения для визуализации, обработки и анализа данных многосеточной электрометрии, полученных при измерениях многоэлектродным автоматизированным электроразведочным комплексом «Иднакар» на памятниках археологии.
Разработанная программная система визуализации археогеофизических данных предоставляет пользователю возможности выбора режима отображения и математической обработки данных (сглаживание, фильтрация, интерполяция). Существенным достоинством разработанной программы является широкий диапазон режимов визуализации и гибкая система настроек для каждого из режимов. Требование многовариантной системы режимов отображения определяется спектром исследовательских задач, решаемых геофизикой в археологии, и, соответственно, необходимостью адаптивной визуализации геофизических данных в зависимости от постановки задачи археологических исследований. В разработанной программе реализованы практически все известные режимы визуализации (рис. 41). Режимы визуализации приведены по материалам исследования фортификационных сооружений Павлинова городища (Археолого-этнографическая экспедиция Института истории и археологии УрО РАН, начальник экспедиции д.и.н., проф. Л.Н. Корякова) [232] и перечислены в порядке увеличения размерности изображения. Простейшим способом интерпретации археогеофизических данных и выявления местоположения археологических объектов поиска является профиль изменения сопротивления (рис. 41а) - одномерный график изменения удельного электрического сопротивления вдоль заданного отрезка на участке исследований. Динамика изменения удельного сопротивления позволяет выделить границы объектов поиска по фиксируемым резким перепадам значений и отклонению от среднего уровня сопротивления, соответствующего «стерильному» грунту. Это наиболее известный способ отображения геофизических данных, который использовался для интерпретации уже на этапе становления археогеофизики. Данный режим отображения логически связан с традиционной методикой исследований, предполагающей измерения по системе намеченных параллельных профилей на территории памятника. Следовательно, при традиционной методике интерпретации профили изменения сопротивления строились по линии профиля измерений. Необходимо учитывать, что в большинстве случаев ориентация сети измерений выбирается случайным образом относительно границ объектов поиска. Это означает, что направление профиля измерений не во всех случаях является оптимальным для выявления границ объекта или особенностей его внутренней структуры. В соответствии с этим, в разработанной программе предусмотрен произвольный выбор направления и длины при отображении профиля изменения сопротивления. Следующим уровнем представления и визуализации археогеофизической информации являются карты изменения удельного сопротивления, выполненные в цвете или оттенках серого, обеспечивающие двумерное представление распределения сопротивления на участке измерений (рис. 416). Изменение численных значений результатов измерений определяет изменение цвета на соответствующем участке карты. При построении карты весь диапазон изменения сопротивления на участке исследований разбивается на конечное число поддиапазонов, каждому из которых при отображении присваивается определенный цвет. Участки территории исследований, значение сопротивления которых находится в границах каждого из поддиапазонов, «закрашиваются» одинаковым цветом.
