Геофизика в археологии: методы, технология и результаты применения

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.

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 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).

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), K.M. Леричи (Lerici С.М.) 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 электрои 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 магнитои 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 археологииоценкой потенциала этих методов для изучения различных типов объектовобсуждением методических и технических вопросов. Основными объектами исследований являлись античные постройки, гончарные печи и горны, оборонительные сооружения, 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, A.B. 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.

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;

— 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:

1. 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.

2. Разработка и развитие теоретических методов для формирования методики геофизических измерений, адаптированной для решения задач полевой археологии и музеефикации археологических объектов.

3. Разработка и совершенствование специализированной методики, характеризующейся такими параметрами как адаптивность, универсальность, возможность тиражирования и междисциплинарность.

4. 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.

6. Экспериментальные археогеофизические исследования на территории археологических памятников, содержащих разнообразные археологические объекты с точки зрения пространственных параметров и физических свойств.

7. 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 повышение надежности методов математической обработки и достоверности интерпретации археогеофизических данных при определении местоположения и границ археологических объектов. Таким образом, за счет ф 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, ф 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 ф программного обеспечения при исследовании разновременных археологических памятников, расположенных в различных ландшафтных зонах. Результаты археогеофизических измерений на всех исследованных памятниках подтверждены раскопками.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Принципы применения геофизических методов в полевых археологических исследованиях и при музеефикации памятников, а также логическая схема использования археогеофизических методов.

2. 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.

3. Адаптивная и универсальная методика измерений, включающая набор параметров. Выбор значений параметров обеспечивает настройку методики для поиска определенных объектов поиска в заданных условиях измерений.

4. 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.

5. Поисковая и уточняющая методики измерений, определение и обоснование их роли при междисциплинарных археогеофизических исследованиях.

6. 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.

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, 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 98−06−88 008к, руководитель Журбин И.В.), «Организация и проведение геофизических исследований на археологических памятниках Южного Урала» (РФФИ, проект 99−06−88 017к, руководитель Журбин И.В.), «Естественно-научные методы в археологии: комплексный подход к 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 98−01−18 042, руководитель Черных Е.М.), «Материальная культура и экономика населения бассейна р. Самара в бронзовом веке» (РГНФ, проект 00−01−93а, 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 04−06−88 027к, 05−06−88 016к, руководитель Макаров H.A.).

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 98−06−80 038а, 1998;2000 гг., руководитель Журбин И.В.) и «Метод обнаружения и оценки параметров локальных трехмерных неоднородностей в грунте» (программа РФФИ-Урал, проект 01−01−96435p, 2001;2003 гг., руководитель Журбин И.В.), «Эталонный памятник финно-угорского средневековья городище Иднакар: комплексный анализ формирования планировочной структуры» (программа РГНФ-Урал, проект 05−01 -80 104а/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.

ВЫВОДЫ.

Эффективное решение археологических задач на основе геофизических исследований основывается на технологии, позволяющей реализовать разработанную адаптивную методику археогеофизических измерений и методов интерпретации данных. Основными направлениями технологического развития является разработка специализированных аппаратно-программных средств, ориентированных на археогеофизику. Требования к аппаратуре и программному обеспечению визуализации и анализа геофизических данных, а также основные возможности и режимы разработанных специализированных средств определяются задачами каждого этапа измерений (поиск памятника, восстановление и реконструкция планировки, моделирование объектов).

Наиболее важными техническими и функциональными требованиями к аппаратуре, с точки зрения эффективности и точности восстановления границ археологических объектов поиска, являются — использование массива электродов, одновременно установленных на исследуемом участкеавтоматическая программная коммутация установленных электродов при измеренияхмалое энергопотребление (возможность работы при автономном питании в полевых условиях) — автоматическая структурированная запись и долговременное хранение результатов измеренийоперативная обработка результатов измерений.

Основные требования к программному обеспечению визуализации и анализа археогеофизических данных предполагают гибкий выбор режима отображения (одномерная, двумерная и изометрическая визуализация данных) — гибкие настройки диапазона отображения данных для контрастной визуализации различных объектоврегулируемая детальность описания структуры выявленных аномалий (анализ общей формы объекта и/или детализация его внутренней структуры) — формирование и настройка сетки измерений для верификации данных геофизических измерений при исследованиях археологических памятников.

Многоэлектродный автоматизированный электроразведочный комплекс «Иднакар», специализированная программная система обработки и визуализации результатов археогеофизических измерений, методика и алгоритмы измерений прошли успешную апробацию при исследовании археологических памятников России (полевые сезоны 1992;2003 гг.). 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, то есть построение их горизонтальных срезов (послойное изучение объектов в грунте), вертикальных срезов и построение трехмерной реконструкции объектов поиска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведена систематизация задач геофизических измерений при полевых археологических исследованиях и музеефикации погребенных памятников историко-культурного наследия. В соответствии с предложенной иерархической схемой, определены задачи археогеофизики на каждом этапе исследований. Для решения сформулированных задач предложен метод многосеточной электрометрии, суть которого состоит в адаптивном изменении конфигурации измерительной установки, измерительной сетки и шага измерений за счет программной коммутации массива электродов, установленных на участке исследований. На основе предложенного метода разработана оригинальная методика археогеофизических исследований памятников археологии, оперативная настройка параметров которой обеспечивает чувствительность к заданным типам объектов, необходимую точность восстановления формы, границ и пространственных характеристик археологических объектов для каждого памятника. Основным достоинством предложенной методики является возможность адаптации к геометрическим параметрам археологических объектов поиска, физико-геологическим условиям измерений и влиянию мешающих факторов на исследуемом памятнике. Адаптация методики осуществляется при моделировании измерений, основываясь на данных оперативной археологической проверки геофизических данных. Анализ соотношения требований археологической задачи на каждом этапе измерений и возможностей методики измерений позволил систематизировать характеристики методики по уровню значимости. На базе этой оценки были разработаны критерии формирования методики измерений, адаптированной к задаче исследований, и выделены поисковая и уточняющая методики археогеофизических измерений. Существенным научно-практическим результатом исследований является разработка технических и функциональных требований к аппаратуре и специализированному программному обеспечению для визуализации археогеофизических данных. Таким образом, на основе разработки теоретических положений, решения научно-методических и научно-практических задач, а также экспериментальной апробации полученных результатов, разработаны оригинальные метод, методика и технология археогеофизических измерений для полевых археологических исследований и сохранения памятников историко-культурного наследия.

Для апробации разработанных методик, алгоритмов и технологий реализован образец многоэлектродного автоматизированного электроразведочного комплекса и программное обеспечение, с помощью которых проведены исследования на поселениях эпохи бронзы, раннего железного века и средневековья. Поселения расположены в степной, лесостепной, лесной и таежной зонах. Разнообразие типов археологических объектов и условий измерений позволило получить репрезентативные данные для оценки и дальнейшего совершенствования разработанных методов, методик и технологий измерений.

К основным выводам работы относятся:

Необходимость применения археогеофизических методов в археологии определяется требованием повышения эффективности при проведении полевых исследований, охранных раскопок разрушающихся памятников, а также при изучении археологических объектов на особо охраняемых исторических территориях и при музеефикации памятников историко-культурного наследия. Результативность использования методов геофизики определяется соблюдением методологических принципов междисциплинарных исследований и применением специализированной методики измерений. Основными методологическими принципами являются адаптация традиционных геофизических методов для применения на археологических памятниках и проведение проверочных раскопок на основе единой координатной сетки. Для оптимизации археологических раскопок и методов музеефикации памятников предложены иерархические процедуры археогеофизических исследований, включающие несколько этапов, данные каждого из которых последовательно уточняют информацию о памятнике.

Адаптация геофизических методов исследования археологических памятников предполагает предварительный выбор метода и методики измерений исходя из физико-геологических и археологических условий измерений на исследуемом памятнике и анализа влияния факторов, искажающих результаты измерений.

Анализ специфических особенностей измерений при постановке задачи геофизических исследований археологических памятников и учет требования высокой точности при восстановлении границ и пространственных характеристик археологических объектов поиска в культурном слое определили необходимость автоматизации процесса археогеофизических измерений и обработки результатов. Для реализации этих требований разработан оригинальный адаптивный метод многосеточной электрометрии.

Разработка археогеофизической методики и технологии осуществляется на базе моделирования измерений. Предложен подход к формированию модели археологического объекта как упорядоченной совокупности элементов среды, вариация геометрических и физических параметров которых позволяет формировать пространственный образ практически любого археологического объекта поиска.

Оценка при моделировании основных компонентов археогеофизической методики (конфигурация измерительной установки, алгоритмы коммутации, многослойные измерения и параметры сети измерений) обеспечивает возможность адаптации к существующим условиям измерений. Предварительное моделирование методики позволяет достигнуть чувствительности к определенным типам объектов, заданную точность восстановления формы, границ и пространственных характеристик археологических объектов, а также обеспечить достоверность результатов измерений и взаимную координатную привязку археологических и геофизических данных.

Предложенная последовательность проведения археогеофизических исследований (поиск памятника, восстановление и реконструкция планировки памятника, реконструкция пространственных характеристик археологических объектов) уточняет информацию об археологическом памятнике в целом, его структуре, планировке и отдельных объектах. Каждый из этапов комплексных исследований предполагает выбор параметров методики измерений в соответствии с постановкой археологической задачи. При этом археогеофизика решает специфические проблемы, которые не могут быть эффективно решены с использованием только традиционных археологических методов. Следовательно, археогеофизические измерения дополняют существующие археологические методы и позволяют повысить эффективность и оптимизировать полевые археологические исследования.

Анализ задач на каждом этапе комплексных археогеофизических исследований показал различную степень значимости выделенных характеристик методики измерений (чувствительность, точность, достоверность и пр.). Разработка эффективных методик измерений предполагает выбор значений параметров измерительной установки, алгоритмов коммутации и сети измерений, обоснованный археологической задачей. Предложено выделить две основные методики археогеофизических измерений — поисковая и уточняющая. Поисковая методика ориентирована на поиск археологических объектов на локализованных территориях, определение границ распространения культурного слоя и восстановление планировки памятника. Уточняющая методика позволяет реконструировать планировку и восстанавливать пространственных характеристики археологических объектов на основании электрометрических данных.

Эффективное решение археологических задач на основе геофизических исследований основывается на технологии, позволяющей реализовать разработанную адаптивную методику археогеофизических измерений и методов интерпретации данных. Основными направлениями технологического развития является разработка специализированных аппаратно-программных средств, ориентированных на археогеофизику. Требования к аппаратуре и программному обеспечению визуализации и анализа геофизических данных, а также основные возможности и режимы разработанных специализированных средств определяются задачами каждого этапа измерений (поиск памятника, восстановление и реконструкция планировки, моделирование объектов).