Комплексные геофизические исследования Болгарского городища 2014-2017 гг Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 902/904

КОМПЛЕКСНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БОЛГАРСКОГО ГОРОДИЩА 2014-2017 ГГ.

© 2018 г. В. Г. Бездудный, И. В. Волков, В. Н. Марчук, А. Г. Ситдиков

Комплексное геофизическое исследование городища проводилось на нескольких площадках в том числе: 1) район оз. Галанка (керамическое производство) и 2) район раскопа №°СХСГУ («дом с башней» или «дом таможенника»). Цель исследований - получение новой информации о структуре застройки и отдельных сооружениях. Выполнено картирование распределения магнитного поля с сетью измерений 0,5x0,5м, проведено георадарное обследование с сетью измерений 0,5x0,1 м и 0,25x0,1 м, для чего применялись георадары с антеннами 200 МГц и 300МГц, а так же разработанный впервые в России многоантенный георадарный комплекс МАРК-300/8. В районе оз. Галанка, где прежде исследовались керамические горны, выявлена система простых и многокамерных горнов. Один многокамерный горн геофизически исследован с максимально возможным качеством для попытки виртуальной реконструкции системы горна и впоследствии раскопан. В районе раскопа СХСГУ выявлена упорядоченная структура городской, вероятно, усадебной застройки, предположительно локализован еще один мавзолей и несколько погребений возле него. Результаты комплексных геофизических исследований требуют проверки археологическими методами.

Ключевые слова: Болгарское городище, геофизические методы, георадар, магнитометрия, историческая топография, неразрушающие методы, керамическое производство, планировка поселения.

Геофизические исследования на архе- сти) грунтов в культурном слое городи-

ологических памятниках предоставляют возможность получения новой информации о памятнике неразрушающими методами, с возможностью ее перепроверки и уточнения. Результативность такого подхода к изучению средневековых памятников археологии продемонстрированы на Гочевском археологическом комплексе (Бездудный и др., 2016). Комплексные геофизические исследования Болгарского городища 2014-2017 годов проводилось на более чем десяти площадках. Основная масса исследований была проведена в весенний и осенний периоды при минимальном травостое. За четыре года исследовано: при помощи различных георадарных комплексов площадь 44 586 кв. м, произведено 135,1 км георадарных профилей; при помощи магнитометрии площадь - 57975 кв. м, сделано 199465 физических измерений магнитного поля.

Цели исследований следующие. Выявить границы резких изменений магнитного поля и границы изменений физико-химических свойств (плотно-

ща. Соотнести полученные при помощи магнитометрии и георадара результаты с наличием археологических объектов, уточнить их местоположение. По возможности определить структуру древней застройки. Очертить максимально перспективные для дальнейших археологических исследований участки.

Магнитометрия. Для магнитометрических исследований применялся процессорный оверхаузеровский датчик POS-2 (далее POS-2) в его градиентоме-трической (двухканальной) модификации. POS-2 является безклавиатурным, управляемым по порту, прецизионным измерительным прибором циклического типа, основанным на принципе динамической поляризации ядер (эффект Оверхаузе-ра). Датчик предназначен для измерения модуля индукции магнитного поля Земли в диапазоне 20000-100000 нТл. Проводилось измерение вертикального градиента (2м) магнитного поля земли. Принцип измерения - явление ларморовской прецессии магнитных моментов во внеш-

нем магнитном поле. Измеряемая величина - вертикальный градиент магнитного поля Земли, т.е. разница значений магнитного поля Земли, измеренных синхронно по верхнему и нижнему датчикам и деленная на расстояние между датчиками над предполагаемым объектом. Расстояние между датчиками градиентометра - 2 м, высота нижнего датчика над дневной поверхностью - 0,3 м. Среднее магнитное поле данного региона - 54 000 нТл. Проводилась непрерывная съемка, время каждого физического наблюдения - 0,5 сек., это позволило получать значения градиента магнитного поля с удовлетворяющей точностью ± 0,1 нТл/2 м. Профили измерений расположены на расстоянии 0,5 м. Шаг измерений по профилю - около 0,5м. Отдельные участки исследованы поточечной съемкой. Время каждого физического наблюдения - 3 сек., что позволяло получать значения градиента магнитного поля с точностью ± 0,01 нТл/2 м. Полученные данные обработаны при помощи специализированных программ. Результат представлен в виде распределения градиента магнитного поля на участках в цветном и черно-белом вариантах; с применением фильтрации паразитных значений и без него. Белый цвет - «0» значения градиента; синий, красный и их градации - отклонения от «0».

Георадиолокация. Принцип работы георадаров состоит в излучении сверхкороткого (1-2 периода колебаний) сверхширокополосного электромагнитного импульса и приеме отраженных сигналов. Отражение происходит на границах резкого изменения диэлектрической проницаемости исследуемой среды (грунта), либо на включенных в эту среду неоднородностях, связанных с природным (промоины, пале-орусла рек, погребенные каменные осыпи и т.п.), а также антропогенным воздействием (ритуальные погребения, остатки конструкций и сооружений). Анализ сигналов, полученных при перемещении георадара по поверхности грунта над подповерхностными неоднородностями позволяет локализовать их и идентифицировать. Процесс идентификации представляет собой сложную задачу и зависит как

от квалификации оператора и возможности использовать априорные данные, так и от условий работы георадара: так в сильно засоленных влажных грунтах сигнал быстро искажается и поглощается с глубиной, что приводит к проблемам (порой неразрешимым) при его анализе. Поэтому наилучшие результаты при работе с георадаром обычно получаются на слабоувлаж-ненных песчаных грунтах.

Так как излучаемый сигнал является сверхширокополосным, понятие несущей частоты для него не определено, можно оперировать лишь понятием центральной частоты, которая, как правило, определяется максимумом спектра сигнала. Высокие частоты электромагнитных волн сильнее поглощаются в грунте, чем низкие, поэтому для достижения больших глубин частотный диапазон переносят вниз. С другой стороны, с понижением частоты ухудшается разрешающая способность по глубине, и увеличиваются габаритные размеры антенн. Поэтому, выбор рабочего диапазона частот это всегда компромисс между требуемой глубиной зондирования и разрешающей способностью прибора. Частотный диапазон в районе 300 МГц позволяют проводить зондирование на глубинах до 2 м, 200 МГц - до 3 м (в некоторых случаях, на легких грунтах - до 5 м).

Основными измеряемыми параметрами в георадиолокации являются амплитуда отраженного сигнала и время его распространения до отражающего объекта. Амплитуда характеризует величину изменения диэлектрической проницаемости на границе отражения и размеры отражающего объекта. По времени прихода сигнала с учетом скорости его распространения в среде (определяемой диэлектрической проницаемости среды б) можно рассчитать глубину залегания исследуемого объекта. Проблема заключается в том, что диэлектрическая проницаемость среды зависит как от состава грунта (песок, глина и т.п.) так и от его влажности и заранее неизвестна. Поэтому при интерпретации георадарных данных обычно используются табличные значения, усредненные для данных типов грунтов. После

начала раскопок расчетные значения глубин корректируются с учетом поправочных коэффициентов, полученных как отношение расчётной глубины залегания характерных объектов к реально измеренной.

Одноканальный георадар состоит из передающей и приемной антенн, многоканальный - из ряда передающих и приемных антенн.

Одноканальная георадарная система 200 МГц (далее - георадар 200 МГц) - сверхширокополосный георадар с центральной частотой 200 МГц предназначен для зондирования различных объектов в грунте с низким и умеренным затуханием радиоволн. Состоит из совокупности передающей и приёмной антенны, блока управления и питания, а также компьютера. Передвижение георадара обеспечивается пешим порядком на скорости не более 1м/с, что позволяет сохранить плавность его движения на неровной поверхности и исследовать большую площадь. Методика исследования - непрерывная съемка параллельными проходами. Расстояние между проходами (профилями) зависит от требуемой степени детализации послойных планов и варьируется от 0,25 до 0,5м.

Многоантенный Радар-

ный Комплекс МАРК-300/8 (далее МАРК-300/8) - многоканальный георадарный комплекс, предназначенный для зондирования различных объектов в грунте с низким и умеренным затуханием радиоволн. МАРК-300/8 состоит из совокупности передающих и приёмных антенн, с набором приемников и передатчиков, блока управления и питания, а также компьютера управления комплекса. Перечисленные узлы, за исключением компьютера, объединены в едином радарном блоке. Все антенны в комплексе одинаковы и рассчитаны на излучение и прием сверхширокополосных импульсов с центральной частотой 300 МГц. Перемещение радарного блока осуществлялась при помощи мини-трактора. Производительность МАРК-300/8 - 1 Га площади за 4 часа чистого рабочего времени. Один проход позволяет получать 8 равноотстоящих на 0,25 см георадарных профилей.

Расстояние между выборками сигнала в профиле составляет не более - 5см при скорости перемещения МАРК-300/8 - 1м/ сек. Ширина полосы охвата комплекса за один проход - 2 м. Для работы георадара и обработки радиолокационных данных применяется пакет программ GeoRad-3D-Pro, включающий программу сбора, программу объединения профилей, программу обработки.

Комплексные геофизические исследования 2014-2017 годов можно проиллюстрировать на примере двух площадок: район оз. Галанка (территория гончарного комплекса) и район восточнее раскопа СХС^ («дом таможенника»). Выбор месторасположения и конфигурации участков геофизических работ в районе оз. Галанка (рис.1-Г) обусловлено раскопанным в 1980, 1982 гг. комплексом керамических горнов (раскоп LXX) к СВ от озера, а также неоднократными находками здесь следов керамического производства и горнов (раскоп 1б 1948 г. и др.) (Васильева, 1988, с.123-127, 133-134). Первым этапом стало исследование магнитометрией 2,5 га западнее и южнее озера Галан-ка (рис. 1). Многоантенным георадаром МАРК-300/8 исследовано 1,5 га (примеры послойных планов - рис. 1-А, 1-Б). Методика анализа георадарного результата - объединение таких прорисовок с наиболее значимых послойных планов, в рамках участка; генерализация полученного результата. (Рис. 1-В). Для получения комплексного представления произведено объединение результатов магнитометрии и георадарной съемки. Одна из групп резких всплесков магнитного поля интерпретирована как многокамерный горн. Для уточнения границ, формы и структуры этого производственного комплекса выполнено комплексное геофизическое исследование с привлечением электроразведки, георадара и магнитометрии с максимальным качеством измерений (рис. 1-Д). В дальнейшем комплекс горнов был раскопан. Оказалось, что при помощи геофизики выявлены даже небольшие детали комплекса. Подтверждение раскопками выводов геофизических исследований дает материал для даль-

нейшей экстраполяции геофизических данных на не раскопанных участках.

Следующий этап - проверка возможностей геофизики на участках к западу и северо-западу от оз. Галанка. Прирезаны участки по 0,5 га по обе стороны дороги (рис. 1-Г). Явных следов археологических объектов на этой территории при помощи представленной методики не обнаружено. Хорошо на магнитограмме только прослеживается трубопровод.

К востоку от озера зафиксировано две линии предположительно однокамерных горнов. К югу и юго-западу - несколько многокамерных керамических горнов. Вблизи многокамерных горнов читаются следы остатков неких сооружений, вероятно, связанных с керамическим производством. Дальнейшие исследования при помощи других методов, включая раскопки, помогут уточнить и расширить накопленную информацию о производственной зоне около оз. Галанка. Общий итог - выявлена система простых и многокамерных горнов.

Площадка №2 расположена восточнее раскопа СХС^ (Волков И.В., Лопан О.В., Ситдиков А.Г., 2014, с. 20-21). Проблема состоит в том, что на старых планах разных групп этот участок изображался по-разному. Группа, восходящая к плану А.Шмидта, представляет здесь 2 «дуги» из палат, к первой относятся мавзолеи (№№1, 2, 4) раскопов XXXVII, XLVШ, LXXVI; к центру второй - дом раскопа СХС1У Расстояние от последнего до двух других должно составлять порядка 100-130 м. Группа, восходящая к плану Штрауса 1869 г., изображает три сооружения у дома раскопа СХС^ не как дугу, а как треугольник, и расстояние между ними значительно меньше. Волковым И.В. на космических снимках выявлены предположительно археологические объекты, пятна которых могут соответствовать обеим версиям изображения на планах. Исследование данной площадки является попыткой при помощи геофизических исследований локализовать остатки древней городской застройки и мавзолеев.

На участке площадью 1 га произведена магнитометрия (34298 наблюдений

магнитного поля) и георадарная съемка (20000 м профилей).

Результаты магнитометрических исследований различных участков стыкуются и соотносятся друг с другом (Рис. 2-А). Прорисовка границ изменений магнитного поля отражает предполагаемые археологические объекты (рис. 2-В).

По итогу георадарных исследований выстроено распределение электромагнитного импульса по каждому профилю и произведено объединение их в послойные планы в порядке заглубления на расчетных глубинах 0,5 - 1,5 м. Послойные планы представлены с прорисовкой выявленных объектов и без нее (Рис. 2-Б). Для расчета глубины залегания обнаруженных объектов использовалось табличное значение диэлектрической проницаемости грунтов равное 10, характерное для среднестатистических грунтов в данном регионе. Можно предположить, что нижние послойные планы на каждом участке даны в диапазоне истинных глубин до 1 м от поверхности. Более точно привязать относительную глубину полученных послойных планов к истинной глубине на данном этапе затруднительно.

Генерализация результата георадарного исследования и объединение его с результатом магнитометрического исследования (Рис. 2-Г) зафиксировала ряд структур под поверхностью, позволяющих сделать несколько выводов:

- Прослеживается корреляция результатов магнитометрии и георадара.

- В рамках исследованной территории прослеживается упорядоченная, возможно усадебная, структура древней жилой застройки.

- С учетом погрешностей вынесения в натуру координат, полученных с космо-снимка, объекты (№№1,1-1,3) выявлены точно.

- На одном участке зафиксировано два сооружения, которые частично перекрывают друг, друга. Причем ориентировка и размеры северного сооружения похожа на ориентировку и размеры 3 мавзолеев, расположенных севернее (рис. 2-Г). К западу от этого предполагаемого мавзолея зафиксирован ряд измене-

ний в грунте, по размеру соответствующих погребениям.

Обнаруженные неоднородности в грунте и аномалии магнитного поля, соотносимые с предполагаемыми археологическими объектами, нанесены на карту аэрофотосъемки исследуемой местности (рис. 1-Е).

Комплексные геофизические исследования Болгарского городища 2014-2017 гг. помогли получить новую информацию о культурном слое, которые желательно проверить другими методами, включая раскопки.

ЛИТЕРАТУРА

Бездудный В.Г., Стародубцев Г.Ю., Кайзер Э., Вингер К., Лясковская Л., Щеглова О.А. Начало комплексных исследований Гочевского средневекового поселения (северо-восточная часть посада, городище, Крутой курган и Царский дворец) // Естественнонаучные методы в изучении и сохранении памятников Костенковско-Боршевского археологического района. Материалы научно-практической конференции (Воронеж, 15-17 сентября 2016 г.). Воронеж, 2016. С. 17- 26.

Васильева И.Н. О технологии производства неполивной керамики Болгарского городища // Город Болгар: Очерки ремесленной деятельности / Отв. ред. Г.А. Федоров-Давыдов. М.: Наука, 1988. С. 103- 150.

Волков И.В., Лопан О.В., Ситдиков А.Г. Раскоп CXCIV // Археологические исследования 2013 г.: Болгар и Свияжск / Авторы-сост. Ситдиков А.Г., Валиев Р.Р., Старков А.С. Казань: ЗАО «Издательский дом «Казанская недвижимость», 2014. С. 20-21.

Информация об авторах:

Бездудный Владимир Григорьевич, руководитель Лаборатории Археологическая Геофизика (г. Ростов-на-Дону, Россия); [email protected]

Волков Игорь Викторович, кандидат исторических наук, ведущий научный сотрудник Центра археологического наследия Российского научно-исследовательского института культурного и природного наследия имени Д.С. Лихачёва (г. Москва, Россия); [email protected]

Марчук Василий Николаевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской Академии Наук (г. Фрязино Московской области, Россия) [email protected]

Ситдиков Айрат Габитович, чл.-корр АН РТ, доктор исторических наук, директор, Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ, зав. кафедрой, Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия); [email protected]

COMPLEX GEOPHYSICAL EXPLORATION OF BOLGARY SITE IN 2014-2017

V. G. Bezdudny, I. V. Volkov, V. N. Marchuk, A. G. Sitdikov

Complex geophysical exploration of the site was conducted in some areas including: 1) district of Galanka lake (place of pottery making) and 2) district to the east of excavation number CXCIV ("house with tower" or "customs officer's house"). The aim of exploration is new information on the structure of site development and of single constructions. The mapping of magnetic fields distribution in 0,5 x 0,5 m measuring net and georadar measuring net 0,5 x 0,1 m and 0,25 x 0,1 m was fulfilled. We used georadar equipped by 200 MHz and 300 MHz antennas, and also first in Russia multianten-nas georadar complex MARK-300/8. The system of single and multiple kilns was revealed in the district of Galanka Lake, where in previous excavation the objects of pottery making were found out. One multichamber kiln was explored by geophysical methods with the best possible quality to reconstruct its system virtually, and then it was excavated. The regular urban site layout was revealed in the district of CXCIV excavation, presumably some households. One object may be interpreted as

a vault with some graves nearby. The results of complex geophysical exploration of the site must be verified by archaeological methods.

Keywords: Bolgary site, geophysical methods, georadar, magnetometry, historical topography, nondestructive methods, pottery making, layout of site.

About the Authors:

Bezdudny, Vladimir.G. Head of Laboratory Archaeological Geophisic. Grizodubovoi Str., 50, Rostov na Don, 344058, Russian Federation; [email protected]

Volkov Igor V. Candidate of Historical Sciences. Russian Research Institute for Cultural and Natural Heritage named after Dmitry Likhachev. Kosmonavtov Str., 2, Moscow, 129301, Russian Federation; plany_2010@ mail.ru

Marchuk Vasily N. Candidate of Physical and Mathematical Sciences. Fryazino branch of the Institute for Radio Engineering and Electronics named after Vladimir Kotelnikov. Vedenskogo Sq., 1, Fryazino, Moscow Reg., 141190, Russian Federation; [email protected]

Sitdikov Airat G. TAS Corresponding Member. Doctor of Historical Sciences. Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences. Butlerov Str., 30, Kazan, 420012, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; Head of department, Kazan (Volga Region) Federal University. Kremlyovs-kaya St., 18, Kazan, 420000, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; [email protected]

Рис. 2-А-Г. Сборная магнитограмма, исследование района раскопа №194 (дом таможенника). Прорисовка границ изменений магнитного поля. Пример послойных планов (георадар) и прорисовка изменений в грунте. Прорисовка результата комплексного геофизического исследования, в сравнении с результатами раскопок. Болгарское городище.