CC BY
18
УДК 550.389.1
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-116-123
ОЦЕНКА ГЛУБИН ИСТОЧНИКОВ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ НА АРХЕОЛОГИЧЕСКОМ ПАМЯТНИКЕ АЛТЫНКАЗГАН (КАЗАХСТАН) МЕТОДОМ DEXP
Егор Игоревич Есин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, лаборант, тел. (961)720-60-51, e-mail: e.esin@g.nsu.ru
Евгений Сергеевич Богданов
Институт археологии и этнографии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 17, кандидат исторических наук, старший научный сотрудник, e-mail: bogdanov@archaeology.nsc.ru
Александр Николаевич Василевский
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник лаборатории сейсмической томографии; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, старший преподаватель кафедры геофизики, тел. (383)330-92-01, e-mail: VasilevskiyAN@ipgg.sbras.ru
Андрей Евгеньевич Астафьев
Мангыстауский государственный историко-культурный заповедник, Республика Казахстан, г. Актау, 3-й микрорайон, 66, научный сотрудник, e-mail: aasta@list.ru
Леонид Валерьевич Цибизов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)363-59-82, e-mail: TsibizovLV@ipgg.sbras.ru
В данной статье представлены результаты обработки данных магнитной съемки на территории археологического памятника Алтын-Казган при помощи метода DEXP (depth from extreme points). Показана эффективность метода для первичной оценки распределения источников аномалий по глубинам, что позволяет оперативно классифицировать их и выделить наиболее перспективные для подробного изучения.
Ключевые слова: структурный индекс, дипольные источники, археологическая магнитная съемка, особые точки.
ESTIMATION OF DEPTHS OF SOURCES OF MAGNETIC ANOMALIES IN THE ALTYNKAZGAN ARCHAEOLOGICAL SITE (KAZAKHSTAN) USING DEXP METHOD
Egor I. Esin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Laboratory Assistant, phone: (961)720-60-51, e-mail: e.esin@g.nsu.ru
Eugene S. Bogdanov
Institute of Archeology and Ethnography SB RAS, 17, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, e-mail: bogdanov@archaeology.nsc.ru
Alexandr N. Vasilevskiy
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, Laboratory of Seismic Tomography; Novosibirsk National Research State University, 2, Pirogova St., Novosibirsk, 630073, Russia, Senior Lecturer, Department of Geophysics, phone: (383)330-92-01, e-mail: VasilevskiyAN@ipgg.sbras.ru
Andrey E. Astafiev
Mangistaus State Historical and Cultural Reserve, 66, 3 district, Aktau, Kazakhstan, Researcher, e-mail: aasta@list.ru
Leonid V. Tsibizov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)363-59-82, e-mail: TsibizovLV@ipgg.sbras.ru
This article presents the results of processing magnetic data measured on the territory of the Altyn-Kazgan archaeological site using the DEXP method (depth from extreme points). The efficiency of the method is shown for the primary estimation of the distribution of sources of anomalies in depth, which allows them to be classified quickly and the most promising for detailed study.
Key words: structural index, dipole sources, archaeological magnetic survey, singular points.
DEXP (depth from extreme points) - метод поиска особых точек поля при помощи масштабирования поля (магнитных данных) по определенному правилу [Maurizio Fedi, 2005]. В данном методе ключевым понятием является структурный индекс, который связан с геометрией источника поля и указывает на характер затухания поля с высотой. Все методы по поиску особых точек напрямую связан со структурным индексом, так как во всех них основной интерес представляет глубина особой точки, которая будет напрямую зависеть от характеристик источника, т. е. от структурного индекса. Метод отличается простотой реализации, стабильностью, при этих качествах также дает точные данные по глубинам особых точек тел.
Данный метод может быть высокоэффективен при археологической магнитной съемке, поскольку при первичном анализе данных такой съемки необходимо оперативно оценить параметры источников множества локальных аномалий на значительной площади. Эти аномалии могут быть связаны как с археологическими объектами (прокаленной почвой в местах очагов, керамическими и железными артефактами), так и современными артефактами (кирпич, детали сельхозтехники и т. п.). Аномальное поле в таких случаях часто можно представить, как поле точечного диполя в силу небольших размеров источников, и считать его структурный индекс известным [Maurizio Fedi, 2005], что в большой степени снижает неопределенность при поиске особых точек методом DEXP.
В нашей работе метод DEXP был применен к данным магнитной съемки на археологическом памятнике Алтынказган, исследования которого были начаты в 2014 г. Этот уникальный памятник находится на п-ове Мангышлак, на Северо-Восточном побережье Каспийского моря (рис. 1) и представляет собой скопление разноплановых каменных сооружений на территории в 120 га [Астафьев, Богданов, 2015]. Более 200 объектов расположены цепочками, повторяя грядовые возвышения рельефа. Визуально выявляются каменные и каменно-земляные курганы, ограды из плит песчаника, подковообразные конструкции и стеновые кладки. В Ш-У вв. н.э. вокруг этих курганов возникли каменные ограды с расположенными рядом катакомбными погребениями. Следующий этап строительства объектов на памятнике произошел через 500 лет: рядом с оградами под плоскими каменными насыпями нами обнаружены погребения 1Х-Х1 вв. Хронология существования различных объектов на памятнике свидетельствует периодичности прихода различных групп на территорию Прикас-пия, когда возникали благоприятные природные факторы для проживания.
Рис. 1. Месторасположение памятника Алтынказган
Сохранились исторические свидетельства о существовании у кочевников гуннского времени пространственного разделения места погребения тела и места совершения жертвенного приношения вещей. То есть другими словами, на Алтынказгане вполне возможно была ситуация с «тайным» сооружением погребений, которые без наземных построек не видно на современной поверхности. Для проверки этого предположения на участках, прилегающих к каменным оградам, были проведены геофизические исследования. В 2015 г. опробован метод электромагнитного частотного зондирования аппаратурой ЭМС [Shapa-
renko et al., 2016] и георадиолокация. По причине высокой сухости и засоленности почвы данные методы не принесли информативных результатов. В 2017 г. использовались другие методы и приборная база: электротомография и магнитометрия.
Магнитная съемка выполнялась при помощи калиевого магнитометра-градиентометра GSMP-35g и протонной магнитовариационной станции GEM-19T. Съемка выполнялась по сети параллельных профилей, расстояние между профилями составило 1 м, вдоль профилей расстояние между точками составило около 10 см (измерения проводились с частотой регистрации 10 Гц при скорости перемещения оператора около 1 м/с). Пространственная привязка осуществлялась по мерной ленте, время синхронизовалось по GPS. Погрешность съемки оценена по контрольным профилям и не превышает 0,2 нТл. Также были выполнены измерения магнитной восприимчивости отложений при помощи каппаметра KT-5 с погрешностью 10-5 СИ.
Магнитная съемка не принесла желаемого результата вследствие низкой магнитной восприимчивости отложений (не более 10-4 СИ), но при этом на одном из участков было выявлено множество приповерхностных локальных аномалий, также представляющих интерес (рис. 2). Часть из них была заверена тестовыми раскопами, что позволило впоследствии сравнить глубины, полученные в результате обработки данных методом DEXP, с истинными.
В основе метода DEXP лежит информация о трехмерном распределении поля в верхнем полупространстве области исследований. Обычно это является препятствием для применения метода. Один из эффективных приемов, для решения этой задачи - получение аналитической аппроксимации измеренного поля с помощью истокообразных гармонических функций [Аронов, 1990]. Имея два уровня измерений, можно с максимальной точностью (близкой к ошибкам измерения) восстановить поле в нужном трехмерном объеме. В качестве фиктивных источников магнитного поля мы выбрали поле вертикальных призм большой длины, расположенных ниже рельефа. Аппроксимация осуществлялась подбором магнитной проницаемости призм в предположении однородного намагничения полем, совпадающим с нормальным. Подбор осуществлялся посредством решения системы линейных уравнений с применением SVD разложения матрицы связи источники - поле. Регуляризация задачи инверсии осуществлялась двумя параметрами - латеральным размером аппроксимирующих призм и длиной ряда сингулярного разложения. Для выбора количества удерживаемых сингулярных чисел было использовано три критерия: абсолютная ошибка аппроксимации поля, относительная ошибка и кривизна L-кривой невязки [Hansen, 1987].
Далее, при получении трехмерного массива данных производилось масштабирование по следующему правилу [Maurizio Fedi, 2005]:
W = fnzan , (1)
где Жп - масштабированное поле, /п - массив данных поля, ап - показатель степени, зависящий от структурного индекса, который равен 1,5, п - индекс поля, используемый в формулах ( для магнитного поля соответственно 2 - поле, 3 - производная поля и так далее для любой п). После получения массива масштабированного поля по его модулю производится поиск локальных экстремумов в скользящем окне, глубина которых при правильно заданном структурном индексе будет эквивалента глубине особой точки. Описанным методом получены глубины точек, отмеченных на рис. 3 (эти точки были проверены археологическими шурфами).
0 5 10 15 20 25 30 35 40
X, т
Рис. 2. Аномалии модуля вектора магнитной индукции на участке археологического памятника Алтынказган и восстановленные особые точки (отмечены черными окружностями), полученные методом DEXP и заверенные раскопами; глубины особых точек:
1 - 0,15 м, 2 - 0,6 м, 3 - 0,3 м, 4 - 0 м, 5 - 0,4 м
Рис. 3. Проекция максимальных значений трансформированного DEXP-поля на плоскость Х7 (белыми ромбиками отмечены примеры особых точек)
При решении задачи глубина была определена с точностью до шага дискретизации - 0,1 м, на рис. 3 видно, что данный метод позволяет определить различные глубины особых точек с достаточной точностью, чтобы выбрать наиболее подходящие из них для непосредственного исследования (раскопок).
На месте особой точки № 1 на глубине 10-30 см были выявлены остатки алтарной конструкции из установленных вертикально плит с каменным ящиком и фрагментами разбитой керамической посуды. В центре каменного ящика зафиксированы следы прокаливания почвы (см. рис. 4). В точке № 2 были обнаружены обломки плит (магнитная восприимчивость менее 10-4 СИ), покрывающих прокаленную почву на глубине более 30 см (магнитная восприимчивость неоднородная, превышает 10- СИ) (см. рис. 5), аналогичный объект был обнаружен в точке № 5. В точке № 3 на глубине 25-30 см было выявлено скопление керамики и фрагмент сосуда со следами сильного обжига (см. рис. 6). В точке № 4 - современный металлический обломок на поверхности.
Рис. 4. Объект, обнаруженный на месте особой точки № 1
Рис. 5. Объект, обнаруженный на месте особой точки № 2
Рис. 6. Обломки кувшина, обнаруженные на месте особой точки № 3
Все полученные оценки верно описывают глубины источников относительно друг друга, а также приблизительно позволяют установить их абсолютные глубины. Можно сделать вывод, что метод DEXP действительно может быть эффективным в применении к археологическим исследованиям для оперативной оценки глубин и классификации на этом основании источников магнитных аномалий, связанных с археологическими объектами.
Работа поддержана грантом РНФ № 14-50-00036.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Астафьев А. Е., Богданов Е. С. Парадное седло из Алтынказгана // Археология, этнография и антропология Евразии. - 2015. - Т. 43, № 4. - С. 72-84.
2. Аронов В. И. Методы построения геолого-геофизических карт и геометризации залежей нефти и газа на ЭВМ. - М. : Недра, 1990. - 300 с.
3. Шапаренко И. О., Егоров В. Е., Цуканов К. Г., Богданов Э. С. Изучение археологического комплекса Юго-Западного Казахстана электромагнитными геофизическими методами. // 12th Conference and Exhibition Engineering Geophysics 2016. - 2016.
4. Hansen P. C. The truncated SVD as a method for regularization. BIT - 1987 - V. 27. -P. 543-553.
5. Maurizio Fedi DEXP: a fast method to determine the depth to the sources of potential fields - Geophysics, 2005 - 12 s.
REFERENCES
1. Astafev A. E., Bogdanov E. S. Paradnoe sedlo iz Altynkazgana // Arheologiya, etnografiya i antropologiya Evrazii. - 2015. - T. 43, № 4. - S. 72-84.
2. Aronov V. I. Metody postroeniya geologo-geofizicheskih kart i geometrizacii zalezhej nefti i gaza na EVM. - M. : Nedra, 1990. - 300 s.
3. Shaparenko I. O., Egorov V. E., Cukanov K. G., Bogdanov E. S. Izuchenie arheologicheskogo kompleksa Yugo-Zapadnogo Kazahstana elektromagnitnymi geofizicheskimi metodami. // 12th Conference and Exhibition Engineering Geophysics 2016. - 2016.
4. Hansen P. C. The truncated SVD as a method for regularization. BIT - 1987 - V. 27. -P. 543-553.
5. Maurizio Fedi DEXP: a fast method to determine the depth to the sources of potential fields - Geophysics, 2005 - 12 s.
© Е. И. Есин, Е. С. Богданов, А. Н. Василевский, А. Е. Астафьев, Л. В. Цибизов, 2018
