Содержание к диссертации
ЗВЕДЕНИЕ 7
1. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В АРХЕОЛОГИИ 14
I.I. Объекты и методы археологических исследований 14
1.1.1. Археологические памятники 14
1.1.2. Методы археологических исследований 16
1.1.3. Физико-геологические модели типичных археологических объектов 23
1.2. Характеристика археологической отрасли разведочной геофизики 25
1.2.1. Историография археологической геофизики 25
1.2.2. Современные направления развития геофизических методов в археологии 37
1.3. Обоснование задач диссертационных исследований 44
1.3Л. Предпосылки для создания методов интерпретации магнитных аномалий археологических объектов. 44
1.3.2. Характеристика задач исследований
2. КОМПОНЕНТНЫЙ МЕТОД ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ ИЗОМЕТРИЧНЫХ В ПЛАНЕ ИСТОЧНИКОВ 51
2.1. Компоненты и структура изометричной аномалии 51
2.1.1. Характеристики векторов магнитного поля и намагниченности 51
2.1.2. Структура магнитной аномалии трехмерного источника 53
2.1.3. Общие аналитические выражения компонент поля изометричных в плане источников 58
2.2. Огруктурный анализ изометричной магнитной аномалии 61
2.2.1. Представление изометричной аномалии дТв виде ограниченного ряда Фурье 61
2.2.2. Разложение изометричной аномалии на компоненты с помощью гармонического анализа 62
2.2.3. Выделение компонент аномалии на поверхности наблюдений 64
2.3. Алгоритм выявления центра симметрии источника изометричной магнитной аномалии 66
2.3.1. Свойство гармоник, выделенных относительно центра симметрии 66
2.3.2. Вычисление разностных гармоник поля 69
2.3.3. Алгоритм выбора центра разложения аномалии 70
3. РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЗЭДАЧИ В КЛАССЕ ИЗОМЕТРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ 77
3.1. Аппроксимация наблюдаемой аномалии изометричной 77
3.1.1. Свойство компонент изометричной аномалии 77
3.1.2. Оценка изометричности аномалии 78
3.2. Определение направления вектора намагниченности 81
3.2.1. Изменение поля при изменении направления вектора намагниченности 81
3.2.2. Формулы определения склонения и наклонения вектора намагниченности 82
3.2.3. Выражение склонения и наклонения вектора намагниченности в различных координатных системах 84
3.2.4. Оценка точности полученных углов 87
3.3. Определение параметров и распознавание простейших источников изометричных аномалий 88
3.3.1. Распознавание модели методом параметрической
аппроксимации
3.3.2. Корреляционный анализ характеристик аномалии вертикального цилиндра 92
3.3.3. Определение параметров шара по полю Za с оценкой качества решения 96
4. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО МЕТОДА ДЛЯ ДАТИРОВКИ ГОНЧАРНОЙ
ПЕЧИ ПО АНОМАЛИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 104
4.1. Основание для датировки археологических объектов по магнитным аномалиям 104
4.1.1. Намагниченность обожженных археологических объектов 104
4.1.2. Соотношение намагниченностей различной природы, .105
4.1.3. Влияние вариаций склонения и наклонения магнитного поля на магнитную аномалию 106
4.2. Методические рекомендации по съемке аномалии дТ для датировки археологического объекта III
4.2.1. Требования к точности съемки III
4.2.2. Меры по обеспечению точности съемки 112
4.2.3. Сеть наблюдений 114
4.3. Датировка гончарной печи по аномалии дТ 116
4.3.1. Магнитная съемка поля печи 116
4.3.2. Анализ магнитного поля 118
4.3.3. Конструкция и магнитная структура печи по данным раскопок 122
4.3.4. Определение вектора намагниченности и геометрических параметров печи 126
4.3.5. Датировка печи 131
4.4. Выводы и рекомендации 134
5. АРХЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНСАМБЛЯ
МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ ГОРОДИЩА 136
5.1. Статистический ансамбль аномалий и методы его изучения 136
5.1.1. Источники однотипных аномалий на археологических памятниках 136
5.1.2. Задачи и методы изучения ансамбля аномалий 137
5.2. Магнитное поле городища Камно 139
5.2.1. Краткая археологическая характеристика городища 139
5.2.2. Магнитная съемка памятника 141
5.2.3. Источники и типы магнитных аномалий 142
5.3. Изучение статистического ансамбля аномалий городища 144
5.3.1. Выбор характеристик аномалий для статистического анализа 144
5.3.2. Статистическая модель аномального поля 146
5.3.3. Определение параметров археологических объектов 152
5.4. Археологическое истолкование геофизическихдданных 158
5.4.1. Стратиграфия и типы археологических объектов по данным раскопок 158
5.4.2. Магнитные свойства культурного слоя 159
5.4.3. Сопоставление магнитного поля с данными раскопок 161
5.4.4. Историческая реконструкция городища Камно на основании археолого-геофизических данных 163
5.5. Выводы и рекомендации 165
6. РОЛЬ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ ПРИ ИЗУЧЕНИЙ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ ХЕРСОНЕССКОГО ИСТ0РИК0-АРХЕ0Л0ГИЧЕСК0Г0 ЗАПОВЕДНИКА 168
6.1. Древнее строительство и земледелие в геологических условиях Гераклейского полуострова 168
6.1.1. Краткие археологические и геологические сведения
о полуострове 168
6.1.2. Зависимость плантажа от геологического строения земельных наделов 170
6.1.3. Сооружение цистерн и склепов с учетом геологического разреза 171
6.2. Геологические предпосылки применения геофизических
методов для изучения некрополя 179
6.2.1. Результаты геофизических работ без учета геологического строения некрополя 179
6.2.2. Изучение петрофизической модели геологического разреза некрополя 184
6.2.3. Методика сейсмического просвечивания "продуктивной" толщи некрополя 194
6.2.4. Проверка данных сейсмического просвечивания .197
6.3. Выводы и рекомендации 200
ЗАКШЕНИЕ 205
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2
Введение к работе
Актуальность проблемы. "Продовольственная программа СССР на период до 1990 года" и Постановление октябрьского (1984 г.) Пленума Щ КПСС предусматривает комплексную мелиорацию и освоение новых сельскохозяйственных угодий. В связи с этим большое значение, согласно закону СССР "Об охране и использовании памятников истории и культуры" и положениям Конституции СССР об охране и приумножении духовных ценностей, приобретает археологическое исследование обширных осваиваемых площадей. Интенсификация и увеличение масштабов археологических исследований невозможны только за счет дополнительного финансирования. Для решения этих задач в практику полевых археологических работ требуется внедрять новейшие достижения естественных наук и, в первую очередь, геолого-геофизические методы. Современные геофизические методы включают мощный и специализированный арсенал средств решения разнообразных археологических задач. Однако широкие возможности геофизических методов исследования реализуются лишь частично. Зто связано со слабой разработанностью способов истолкования аномальных и, в частности, магнитных полей археологических памятников, а также недостаточным комплексированием археологических, геологических и геофизических методов исследования.
Цель работы сводилась к повышению информативности геофизических исследований археологических памятников за счет разработки теоретических и методических основ съемки и интерпретации геофизических полей, а также - комплексирования геолого-геофизических и археологических исследований.
В задачи исследований входило:
I. Изучить свойства магнитных полей археологических памятников и класса моделей, аппроксимирующих типичные намагниченные археологические объекты.
2. Разработать алгоритмы решения обратных физико-математических задач в выбранном классе моделей, дать рекомендации по использованию алгоритмов на практике и установить их эффективность при изучении характерных археологических памятников.
3. Выявить и изучить связи археологических объектов с геологическими условиями и оценить необходимость учета этих условий при геофизическом обследовании археологических памятников.
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось путем выполнения полевых, экспериментальных и теоретических работ. Разработанные методики и рекомендации опробовались на типичных археологических памятниках. Полученные результаты проверялись раскопками и бурением.
Фактический материал. Работа выполнена в Ленинградском горном институте на кафедре геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Основной материал по диссертации получен автором с 1973 по 1983 гг. За этот период под его руководством проведено детальное геофизическое обследование 14 археологических памятников методами электро-, сейсмо- и магниторазведки, изучены физические свойства археологических объектов и геологическое строение обследуемых площадей. Археологический материал получен автором в Херсонесском историко-археологическом заповеднике, Ленинградском отделении института археологии АН СССР, Свердловском государственном университете, Государственном музее истории Ленинграда.
Научная новизна. Разработан метод разложения магнитной аномалии дТ класса изометричных в плане источников на линейно независимые компоненты. Для заданного класса моделей получены формулы определения направления намагниченности и предложен спо - 9 -соб оценки качества решения.
Исследована возможность археомагнитной датировки печей по магнитным аномалиям и, впервые, по аномалии дТ, зарегистрированной на наклонной плоскости наблюдений, датирована гончарная печь средневекового Крыма.
Обоснована и эксперименталвно подтверждена возможность распознавания типа печей раннесредневековых городищ Северо-Запада на основании статистического анализа характеристик магнитных аномалий и раскопок незначительной части городища.
Выявлена зависимость размещения, типа и назначения некоторых археологических объектов Херсонеса и его округи от геологического строения вмещающих или подстилающих коренных горных пород и доказана необходимость учета этой зависимости для обнаружения и распознавания объектов по данным комплексных геолого-геофизических исследований археологических памятников.
Практическая ценность. Алгоритмы компонентного метода интерпретации изометричных магнитных аномалий могут использоваться для решения геологических задач, в частности, для интерпретации магнитных аномалий трубок взрыва, штоков, округлых рудных тел и других геологических объектов, близких к изометричным в плане. Разработана и реализована методика прецизионной магнитной съемки поля локальных объектов с использованием магнитометров М-33 и методика датировки археологических объектов по магнитным аномалиям. Статистический подход к интерпретации ансамбля магнитных аномалий, опробованный : на городище Камно, позволяет повысить эффективность археолого-геофизического обследования широкого круга городищ Северо-Запада и Восточной Латвии. Намечены принципы комплексирования археологических, геологических и геофизических методов исследования при изучении археологических памятников
Херсонесского историко-археологического заповедника. Предложена методика сейсмического просвечивания толщи горных пород для выявления локальных пустот в геологических условиях Херсонесского некрополя, основанная на высокоточном измерении времени пробега головной волны.
Реализация результатов работы. Выполнение геофизических исследований с учетом разработанных рекомендаций по съемке и истолкованию геофизических полей обеспечило детальное картирование целого ряда разнообразных археологических памятников, расположенных в Крыму, Смоленской, Псковской, Ленинградской областях. Алгоритмы истолкования магнитных аномалий внедрены в геологоразведочное производство ПГО "Севзапгеология". Внедрение рекомендаций по комплексированию геолого-геофизических и археологических методов исследования в Херсонесском историко-археологическом за-повердике обеспечивает существенное сокращение площади раскопок, необходимых для изучения земельных наделов и обнаружения склепов некрополя, а также позволяет изучать влияние геологических условий на человеческую деятельность в древности.
Апробация работы. Результаты исследований, на основании которых составлена диссертация, рассматривались на ученом совете Ленинградского отделения Института археологии АН СССР, научно-методическом совете Херсонесского историко-археологического заповедника,на постоянно действующих семинарах:"Применение геофи-зических методов в инженерной геологии и гидрогеологии"(МГУ) в 1978г.;"Теория и практика геологической интерпретации гравимаг-нитных полей"(МГУ)в 1983г. ;"ЗДная геофизика в СССР и за рубежом" (НПО Рудгеофизика,ЛГИ)в 1984г.;на Всесоюзных совещаниях Применение физико-математических методов в археологии" (Москва,1978), "Человек и окружающая среда в древности и средневековье" (Москва, 1984 г.); на шестом Всесоюзном семинаре-совещании "Применение геофизических методов исследований в инженерной геологии и гидрогеологии" (Тбилиси, 1981 г.); школе передового опыта "Теория и практика геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий" (Алма-Ата, 1984 г.) и ежегодно на НТС кафедры геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых ЛГИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 146 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 44 рисунка , библиография - 241 наименование, в том числе 125 работ зарубежных авторов.
В первой главе охарактеризованы объекты и методы полевых археологических исследований. Рассмотрены этапы формирования, тепе-эешнее состояние и перспективные направления развития археологи-іеской отрасли разведочной геофизики в СССР и за рубежом. Особое внимание уделено анализу существующих трудностей интерпретации шгнитных полей археологических памятников. Обоснованы задачи [иссертационной работы и намечены пути их решения.
Во второй главе излагаются теоретические основы компонентно- о способа интерпретации изометричных магнитных аномалий. Охарактеризована структура магнитной аномалии дТ . Получены общие выражения и выявлены особенности поля пяти линейно-независимых компонент магнитной аномалии класса изометричных в плане источников, аны алгоритмы разложения аномалии на компоненты и обнаружения ентра разложения.
В третьей главе приведены алгоритмы решения обратной физико-атематической задачи в классе изометричных источников. Разработана оценка изометричности аномалии. Получены строгие аналитические выражения для определения направления вектора намагниченности изометричного источника по компонентам аномалии, заданной на произвольно ориентированной плоскости наблюдений. Рекомендованы способы распознавания и оценки параметров простейших изометричных моделей по компонентам магнитной аномалии и корреляционным зависимостям характеристик аномалий.
Четвертая глава посвящена применению компонентного метода для датировки гончарной печи по аномалии магнитного поля. Обоснована возможность решения этой задачи. Выработаны методические рекомендации для магнитной съемки, обеспечивающей получение кондиционных данных для определения направления вектора намагниченности с "археомагнитной" точностью. Приведены результаты опробования предлагаемой методики на средневековой гончарной печи.
Пятая глава содержит описание методики археологического истолкования ансамбля магнитных аномалий средневекового городища. Выявлены причины возникновения статистических ансамблей археологических объектов на поселениях. На примере городища Камно рассмотрена и обоснована возможность статистического анализа характеристик магнитных аномалий для распознавания и классификации их источников. Выполнена историческая реконструкция городища Камно на основании археолого-геофизических данных.
В шестой главе рассмотрена роль геологических наблюдений при изучении некрополя и земельных наделов Херсонеса. Охарактеризована зависимость размещения и типа археологических объектов от состава вмещающих и подстилающих их горных пород. Доказана необходимость учета этой зависимости при геофизическом обследовании некрополя. Приведена методика сейсмического просвечивания "продуктивной" толщи некрополя с целью обнаружения склепов.
В заключении коротко перечислены результаты проведенных исследований.
Автор благодарен своему научному руководителю д.ф.-м.н.Т.Н. Симоненко, способствовавшей решению затронутых в диссертации вопросов. Автор признателен к.г.-м.н. Л.М.Горбуновой, к.г.-м.н.В.П. Захарову, к.г.-м.н. Г.Г.Кравцову, к.г.-м.н. В.С.Музылеву, к.и.н. А.Н.Щеглову за дискуссии и консультации, которые были весьма полезны при выполнении исследований и написании работы. При работе над темой диссертации автор постоянно пользовался вдохновляющей поддержкой, вниманием и ценными советами к.и.н. Г.М.Николаенко, И.А.Антоновой, которым он выражает искреннюю признательность. Особую благодарность автор выражает непосредственным участникам выполненных полевых работ к.и.н.К.М.Шоткину, О.И.Абрамович, Ю.Г. Добрецовой и С.С.Белобрагину, оказавшему также помощь в реализации созданных алгоритмов на ЭВМ.
