Подводные исследования крепости Саркел (Левобережное Цимлянское городище) с использованием дистанционных методов

С.А. Хохлов, С.В. Иванов, М.Н. Бардашов, Ю.Г. Ткаченко

АНО «Подводное археологическое общество», Москва

DOI: 10.25681/IARAS.2023.978-5-94375-423-4.15

Крепость Саркел была построена в 830-х гг. н.э. византийскими инженерами, по просьбе правителей Хазарского каганата. Об этом мы знаем из письменного источника, составленного Константином Багрянородным (913–959 гг.) – византийским императором, автором трактата «Об управлении империей» (948–952 гг.). В нем он написал наставления для своего сына, будущего наследника престола, Романа II [Константин Багрянородный, 1991. С. 5]. Из этого источника мы знаем о том, что Саркел, который переводится как «белый дом» (ἄσπρον ὁσπίτιον), был построен при участии византийцев по просьбе хазар, которые обратились к императору Феофилу (829–842 гг.) [Васильев, 1900. С. 76–152]. Для этого был направлен спафарокандидат Петрона Каматир из Константинополя. На больших кораблях «хеландиях» (χελανδίων) он доплыл до Херсонеса. Затем византийцы пересели на транспортные корабли (καματερά καράβια) и отправились в место на реке Танаис (Дон) для постройки крепости. Поскольку подходящих камней для постройки не было, они сделали печи и обожгли в них кирпичи, а известь сделали из речных ракушек [Константин Багрянородный, 1991. С. 170–177] (курсив наш. – авт.).

Первые археологические раскопки памятника проводились еще в XIX в., но самые масштабные раскопки были проведены в середине XX в. под руководством М.И. Артамонова. Была раскопана значительная часть крепости, сохранились отчеты, планы раскопок и аэрофотосъемка. Археологические материалы раскопок хранятся в Государственном Эрмитаже. Еще в 1940 г., до проведения масштабных раскопок, М.И. Артамонов опубликовал фотографии современного рельефа местности (рис. 1) [Артамонов, 1940. С. 137–139] и сделал карту ям, фактически отображающую рельеф городища до проведения раскопок (рис. 2, 1) [Артамонов, 1940. С. 138]. Анализируя этот план, можно предположить, почему были выбраны именно эти участки для проведения раскопок. Контуры городища угадывались по рельефу, а также хорошо проявлялись внутренние стены и даже некоторые здания. Некоторые структуры, проявившиеся на плане рельефа, не были раскопаны, например, участок с внешней стороны стены севернее так называемых речных ворот в восточной стене. В этом месте хорошо прослеживается перпендикулярная стене структура в направлении старого русла Дона.

На рис. 2, 3, 4 также показаны планы раскопок, опубликованные в статьях В.Д. Белецкого и П.А. Раппопорта [Белецкий, 1959. С. 13; Раппопорт, 1959. С. 43]. Несмотря на то, что оба плана опубликованы в одном сборнике МИА, вып. 75, они различаются – план в статье В.Д. Белецкого содержит больше раскопов. При анализе мозаики гидролокатора бокового обзора (ГБО) он более соответствует выступающим из донных отложений неровностям рельефа, оставленных при раскопках в 1950-х гг.

На рис. 3 собраны некоторые сохранившиеся фотографии раскопок. На двух верхних фотографиях видны отпечатки первого ряда кирпичей. Во многих местах остались только следы кирпичей. На фотографиях также есть большие конструкции, сложенные из кирпича (три нижних фотографии в правом ряду). Такие конструкции могут создавать достаточно сильные магнитные аномалии. Также сохранились две фотографии аэрофотосъемки раскопок, сделанные в 1950-х гг. (слева внизу).

В 1953 г. при заполнении Цимлянского водохранилища памятник был затоплен. Однако значительная часть осталась неизученной, а координаты самого городища не сохранились.

В 2019 г. городище было локализовано на дне Цимлянского водохранилища [Ткаченко и др., 2020]. На карте (рис. 4, вверху) видно старое русло Дона и современные контуры Цимлянского водохранилища. Памятник находится на глубине 10–15 м в 5 км от берега. Экспедиция 2022 г. провела первые исследования Саркела со времени его затопления. Цель археологических разведок – подтверждение информации о локализации Левобережного Цимлянского городища (ЛЦГ), исследование его дистанционными методами и оценка современного состояния памятника.

В качестве ГИС использовалось ПО Google Earth. На изображении (рис. 4, внизу) одновременно на спутниковые снимки наложены немецкая карта 1942 г., где видно русло Дона до затопления, а также батиметрическая карта ЛЦГ и карты высот соседних связанных с ЛЦГ городищ Правобережное Цимлянское (ПЦГ) и Камышевское, выполненные методом аэрофотограмметрии.

Исследования проводились в два этапа с различных маломерных судов, двух парусно-моторных катамаранов и надувной моторной лодки. На рис. 5 показаны некоторые фотографии рабочего процесса экспедиции, установки оборудования и непосредственно работы.

Во время работы погодные условия в данном регионе были достаточно сложными, учитывая положение памятника в 5 км от берега. Локальные грозы с порывистым ветром протяженностью от получаса до нескольких часов, приходящие достаточно неожиданно, сильно осложняли проведение работ.

Гидроакустическое сканирование с использованием эхолота и гидролокаторов бокового обзора (ГБО). В процессе работы была построена батиметрическая карта дна с использованием эхолотов. Для этого была просканировано дно с использованием эхолота Humminbird Helix Chirp G4N. Сканирование проводилось по двум перпендикулярным направлениям. Расстояние между соседними галсами составило 3–10 м. Благодаря плотной сетке галсов была построена достаточно точная батиметрическая карта (рис. 6, внизу). Фиолетовым цветом приведена также схема всех GPS-треков, выполненных экспедицией. На рис. 6, вверху для сравнения с батиметрической картой приведен фрагмент схемы района городища из отчета В.И. Сизова [Сизов, 1889. Вклейка].

С батиметрической картой был сопоставлен общий план раскопок памятника 1950-х гг. (рис. 7) [Белецкий, 1959. С. 13; Раппопорт, 1959. С. 43]. На сопоставлении этих планов хорошо просматриваются направления раскопов и границы стен. На батиметрической карте не раскопанные высокие участки отображаются в коричневом цвете, а низины – в голубом. В результате сопоставления батиметрической карты дна и плана раскопок памятника 1950-х гг. была подтверждена локализация памятника на дне Цимлянского водохранилища, а также предложены координаты поворотных точек района памятника для придания объекту охранного статуса.

Была осуществлена съемка памятника с использованием двух различных гидролокаторов бокового обзора – разработки компании ООО «НЕЛАКС» с частотой 250 кГц и гидролокатором Humminbird Helix Chirp G4N с частотой 1050 кГц. Работы разными приборами проводились отдельно.

Характеристики гидролокатора «НЕЛАКС»: дальность обзора в сторону от судна 5–7 глубин; разрешающая способность по дистанции 10 см; разрешающая способность по углу 0,5° – 1°; питание 220 В, 50 Гц, 12–24 В; мощность не более 20 Вт. Датчики гидролокатора вывешивались с двух бортов катамарана. Обработка результатов проводилась специалистами ЮФУ, и затем проводилось сравнение с результатами работы гидролокатора Humminbird, которые обрабатывались авторами.

Характеристики гидролокатора Humminbird Helix 8 Chirp Mega SI+ с встроенным приемником GPS G4N: частота сонара, кГц: 83/200/455/800/1050; мощность излучения, Вт: 1000/8000; максимальная глубина, м: 38/60/240/360. Эхолот использовался в паре с датчиком XM 9 HW MSI T; частота сонара, кГц: CHIRP 150–220/455/1050; мощность излучения, Вт: 500/4000.

Сканирование проводилось на скоростях 6–10 км/ч. Датчик XM 9 HW MSI T был закреплен по центру катамарана. Заглубление датчика относительно поверхности 40 см. В ходе работ были опробованы все три режима сканирования на различных частотах: 1050 кГц, 800 кГц и 455 кГц. На больших частотах, 1050 и 800 кГц, прибор выдает хорошую детализацию, но дальность сканирования ограничена двадцатью метрами глубины и узкой полосой обзора – 10–15 м. Поэтому в основном сканирование проводилось на частоте 455 кГц. При этом полоса обзора была установлена 80 м на борт. Обработка данных и формирование мозаики гидроакустического изображения производились с использованием программного обеспечения ReefMaster v2.0, Adobe Photoshop CC, Google Earth Pro.

Большое количество проходов в разное время внесло сложность в их последующую обработку. Судя по данным эхолота, уровень воды в водохранилище колебался более чем на два метра, и даже на данных, снятых с интервалом два дня, было обнаружено изменение уровня примерно на 40 см. Такая ошибка может также быть связана с отличной от вертикали установкой датчика ГБО. К счастью, ПО ReefMaster позволяет внести поправку по высоте в каждый трек, и можно, используя точки пересечения треков, снятых в разные периоды времени, можно скорректировать данные и использовать их совместно для расчетов более точных интерполяций. Данные для расчета твердости дна также отличались в различные периоды. Скорее всего, это связано с процессами цветения воды и «облаками» взвеси, перемещающимися по водохранилищу как на поверхности, так, по-видимому, и на глубине. Такие «облака» взвеси при проходе в воде над объектом будут давать различные данные в разное время для амплитуды отраженного сигнала, используемой для расчета карты твердости дна. Поэтому были сделаны выводы, что лучше снимать как можно более плотно один участок в течение одного дня, а в следующие дни переходить к другому.

В результате обработки получены:

• батиметрическая карта акватории (рис. 7);

• карта твердости дна акватории (рис. 8);

• мозаика акустического изображения рельефа дна (рис. 9, 10).

На карту твердости дна акватории также были наложены планы раскопок 1950-х гг. (рис. 8, справа) и рельефа городища до проведения раскопок 1940 г. (рис. 8, слева). В дополнение к батиметрической карте, карта твердости дна дала больше информации о рельефе. Синим цветом на карте отображены твердые поверхности, хорошо отражающие акустический сигнал, а зеленым – более мягкие, скорее всего это ил, заполнивший ямы. Ил плохо отражает акустический сигнал. В зеленом цвете получились дно старого русла Дона и места раскопов, которые заполнились илом.

На рис. 13 представлены примеры съемки одного участка для сравнения работы приборов ГБО. Оба прибора показали хорошие результаты. Съемка с меньшей частотой позволяет лучше высветить тени и получить более выразительную картину. Съемка с большей частотой отобразила только объекты в полосе шириной 30 м, но с более хорошим разрешением. Мозаика ГБО была сопоставлена с планом раскопок (рис. 9, 10). На мозаике ГБО достаточно хорошо просматриваются контуры памятника. Некоторые части покрыты илом и угадываются только по обводам, но некоторые части выступают из донных отложений. Хорошо различимы длинный раскоп стены, здания, также можно рассмотреть перпендикулярные стены.

3D-модель дна и сопоставление с аэрофотосъемкой 1950-х гг. На основе батиметрической карты была построена трехмерная модель дна района памятника. Полученная 3D-модель дна была дополнена мозаикой ГБО. Повернув 3D-модель под тем же углом и найдя положение, с которого проводилась аэрофотосъемка 1950-х гг., удалось достаточно точно проанализировать, как выглядит памятник под водой сейчас (рис. 11). 3D-модель, использованная для реконструкции дна, представлена в правом нижнем углу. Для второго сохранившегося аэрофотоснимка была построена такая же модель с наложением плана раскопов (рис. 12).

Подводные работы, фотограмметрическая съемка и сопоставление планов (Здание II). Были совершены погружения на памятник (рис. 15; видео), произведен визуальный осмотр перспективных точек, а также проведена видеофиксация объекта и собран подъемный материал с поверхности дна. Погружения проводились на глубину от 7 до 18 м. Благодаря собранной статистике погружений были установлены условия для погружений в различные месяцы. В мае 2019 г. видимость на дне Цимлянского водохранилища была 1–1,5 м. Дневной свет проникал на глубины до 14 м. Температура воды была 16 градусов. В июле 2022 г. поверхностное цветение водохранилища сделало невозможным проникновение света ниже 6 м. На дне царила полная темнота (рис. 15), поэтому работы проводились с использованием фонарей. Видимость на объекте была 1,5–2 м при том, что видимость до глубины 6 м не превышала одного метра. Температура воды в дни июльских погружений на дне была 22 градуса. В сентябре 2022 г. поверхностное цветение водохранилища также сохранялось. На дне была полная темнота, и видимость у дна с фонарем составила около 1 м, такая же неудовлетворительная, как и на поверхности. Столь неподходящие для визуального исследования условия могли быть связаны со штормами, прошедшими накануне, либо это сезонное явление. Дальнейшие работы, возможно, дадут ответ на этот вопрос.

В результате водолазных работ были обнаружены кирпичные стены. Стены здания возвышаются над дном на высоту до 70 см. При визуальном осмотре было выяснено, что низины на местах раскопов заполнены илом на глубину не менее 70 см.

С привлечением археологических отчетов о проведенных экспедицией М.И. Артамонова раскопках и полученных данных гидрофизических исследований, было проведено сопоставление и сведение планов (рис. 14). Сопоставления позволяют уверенно говорить о том, что обнаруженные кирпичные стены являются Зданием II из отчетов М.И. Артамонова. Также на дне зафиксированы остатки сооружений юго-западной стены и южной башни городища.

Несмотря на полную темноту и плохую видимость, не более метра, удалось сделать 3D-модель при помощи методов фотограмметрии (рис. 16). Были построены модель участка Здания II, а также ортофотоплан этого района, который был сопоставлен с планом Здания II (рис. 16). Съемка проводилась подводными камерами SJCAM 5000X и камерой Xiaomi Yi 4K. Построение фотограмметрической модели было выполнено с использованием программного обеспечения Agisoft Metashape.

Предположительное место снятого ортофотоплана представлено голубым прямоугольником (рис. 14, внизу слева). Кроме плана Здания II, сохранились также фотография и макет этого участка, хранящийся в Государственном Эрмитаже. Было проведено визуальное сопоставление этих данных (рис. 18). Общая конфигурация стены соответствует плану из отчетов М.И. Артамонова, также были сопоставлены отдельные кирпичи этого плана и снятого на дне ортофотоплана. С большой вероятностью можно утверждать, что это участок Здания II, отмеченный на планах синим прямоугольником. При этом большого количества кирпичей, нарисованных на планах М.И. Артамонова, не удалось найти (рис. 17), из чего можно сделать предположение, что стена продолжает разрушаться под водой. Подтверждением этому может служить кусок дерева, застрявший в стене, хорошо различимый на ортофотоплане.

Магнитометрическая съемка. Для проведения магнитометрической съемки использовался подводный магнитометр, собранный авторами на основе 3-axis Fluxgate Magnetometer с датчиками FGM-1 Fluxgate Sensor. FGM-1 представляют собой высокочувствительные автогенераторные датчики магнитного поля. Чувствительность датчиков магнитного поля – 0,1 нТл; диапазон измерения магнитного поля – ±80000 нТл; скорость измерений – 20 Гц. Датчики установлены по схеме градиентометра на расстоянии 60 см друг от друга. Расстояние между дальними датчиками, соответственно, 120 см.

Небольшая стоимость компонентов и собственная разработка подводного образца позволили провести эксперименты для апробирования и отработки методики подводной съемки в режиме буксировки на расстоянии 30 м от судна в непосредственной близости от дна на глубинах 10–15 м.

Полученные результаты показали перспективность используемой методики. Но также возникли сложности в интерпретации результатов. Во-первых, из-за недостаточной точности настройки соосности датчиков в схеме градиентометра результаты на разворотах галсов получались со значительными ошибками. Кроме того, при анализе были обнаружены участки, на которых показания значительно колебались – в диапазоне более 200 нТл, что, возможно, связано с колебаниями прибора под водой во время съемки.

Погодные условия позволили провести не очень большое количество измерений и с достаточно большим шагом, 5–20 м, между галсами. Полная темнота у дна также не позволяла держать прибор постоянно у дна, в результате чего часть данных снимались на высоте более двух метров над дном. Но в целом методика съемки магнитометром с камерой показала хорошие результаты, подтвердив, что таким способом возможно сканировать дно. Для более прозрачной воды в дальнейшем предполагается построение фотограмметрических ортофотопланов полос галсов дна на основе видео, снятого камерой. Такие полосы, при достаточно плотном покрытии, могут быть склеены в общий ортофотоплан дна с точной привязкой магнитометрических данных к нему.

Прибор записывает одновременно показания трех датчиков и координаты GPS. Поскольку датчики настроены соосно, вычитая показания датчиков друг из друга можно получить величину локальных магнитных аномалий при проходе над ними.

Координаты GPS обновляются со скоростью одного измерения в секунду (1 Гц). В постобработке с использованием ПО MS Excel маршрут по показаниям GPS корректируется с использованием метода скользящего среднего. Таким образом, при достаточно ровных проходах можно повысить точность позиционирования. Оценочная точность позиционирования составляет 2–3 м. В дальнейшем планируется также использовать поправку с использованием стационарной GPS-станции, что позволит повысить точность до 1 м. Так как прибор делает 20 измерений в секунду, а GPS делает только одно измерение в секунду, координаты промежуточных точек также рассчитываются с интерполяцией и использованием скользящего среднего.

Для удержания прибора на небольшом расстоянии от дна на него была установлена панорамная камера с углом обзора 180–360 градусов и фонари, направленные вниз; при помощи этой системы оператор в реальном времени может держать нужную глубину погружения, визуально фиксируя дно. Также для удержания магнитометра у дна на него было установлено стабилизирующее крыло, создающее силу, направленную вниз при буксировке. Модуль камеры был выбран с учетом отсутствия магнитной составляющей. Аналоговая камера AHD оказалась практически не оказывающей никаких магнитных возмущений, в то время как ip-модули дают очень сильное возмущение. GPS прибора был вынесен на поверхность. Показания положения передаются под воду по кабелю Ethernet. Расчет положения прибора ведется с учетом длины кабеля и глубины погружения методом триангуляции и задержки положения на треке с учетом текущей скорости лодки и соответствующего времени, пройденного лодкой.

Цель магниторазведочных работ состояла в локализации магнитных аномалий на городище. Буксировка магнитометра осуществлялась с борта катамарана. Скорость буксировки была 4,0 км/ч. Маршрут, скорость и глубина фиксировались по показаниям установленного на лодке многофункционального эхолота-картплоттера с функцией гидролокатора бокового обзора Humminbird Helix 8 G4N. Магнитометрическая съемка осуществлялась по возможности параллельными галсами с промежуточным расстоянием 10–15 м. Буксировка проводилась на кабеле длиной 30 м.

Для расчетов позиционирования прибора была взята его средняя глубина погружения 10 м. Соответственно расстояние от буксирующей лодки, на которой записывались координаты GPS, составляло 28,3 м. Средняя скорость лодки 4 км/ч = 1,11 м/с. То есть прибор шел, условно, по тому же GPS-треку, что и лодка, с задержкой в 25,5 сек. Эта поправка была внесена во время постобработки данных в ПО Excel.

Постобработка была проведена так же, как в случае с наземным использованием прибора, с использованием метода скользящего среднего. Оценочная точность позиционирования составляет 3–5 м. Более сильные ошибки позиционирования возможны при резких разворотах – смене направления галсов. Кроме того, при резких поворотах также возможны ошибки из-за недостаточно точной настройки соосности датчиков. В дальнейшем планируется настроить соосность более точно. При выборе целей для будущей проверки с использованием водолазного поиска были учтены возможные ошибки на разворотах смены галсов.

Нанесение данных проходов на карту и построение карт с интерполяцией осуществлялись с использованием ПО Surfer. Для интерполяции картопостроения был выбран алгоритм «минимальных искривлений» (Minimum curvature) (рис. 19).

Профилирование дна на Саркеле. Для исследования дна в районе Саркела использовался также параметрический профилограф «НЕЛАКС», со следующими техническими характеристиками: ширина характеристики направленности 3 градуса; разрешающая способность по слоям 15 см; глубина зондирования до 30 м в зависимости от типа грунта; минимальная глубина акватории при съемке 1–1,5 м; питание 220 В, 50 Гц; мощность не более 2 кВт.

Судно с установленной на нем аппаратурой, в состав которой входил и параметрический профилограф, проходило галсами со скоростью 3 узла (5,5 км/ч) в районе работ. При этом записывались параметры эхо-сигналов от дна и координаты судна.

Период цикла зондирования составлял 100 мс для профилографа и 67 мс для гидролокатора. Для зондирования в приборах применялись сигналы с линейно-частотной модуляцией, что позволило добиться высокого разрешения и проникновения в грунт при относительно небольших уровнях излучения.

Основным результатом работы профилографа было определение общего состояния археологического памятника, а именно следующих моментов:

1) заиленность на открытых участках дна – очень незначительна, т.е., буквально, несколько сантиметров;

2) в ямах раскопов ил скапливается уже на несколько десятков сантиметров;

3) в ерике (старое русло Дона) видна заиленность в районе 1–2 м.

Подобное состояние дна было подтверждено погружениями в районе Здания II, где глубина ила была более 70 см. На рис. 20 приведены показания профилографа по результатам одного из галсов. Цифрами 1 и 2 обозначены места раскопов археологов 50-х гг. XX в., цифрой 3 – ерик.

На рис. 21, сверху приведены показания профилографа по треку (GALS_6). Зеленая стрелка отображает место предполагаемой не раскопанной стены. Данные профилографа показали, что в районе предполагаемой стены есть второе отражение, которое, возможно, является этой стеной. На этом же рисунке (рис. 21, снизу) – карта твердости дна, построенная с использованием эхолота, на которой в этом же месте отобразился переход с твердого на мягкий грунт.

Заключение. В результате водолазных работ были обнаружены остатки зданий, раскопанных экспедицией М.И. Артамонова. Несмотря на полную темноту и плохую видимость, удалось сделать фотограмметрическую модель части здания. С использованием мозаики ГБО и ГИС было установлено, что остатки кирпичного сооружения являются описанными в археологических отчетах остатками Здания II. При визуальном осмотре было выяснено, что стены здания возвышаются над дном на высоту до 70 см, а низины на местах раскопов заполнены илом на глубину не менее 70 см. С привлечением подробных археологических отчетов о проведенных экспедицией М.И. Артамонова раскопках и полученных данных гидрофизических исследований было проведено сопоставление и сведение планов в ГИС. Это позволило выяснить современное состояние городища и сравнить различные гидрофизические комплексы между собой. Памятник является хорошим полигоном для проверки данных гидрофизического оборудования, которые можно сравнить с археологическими отчетами раскопок, проведенных до затопления.

Были также определены условия для работы подводных археологов в акватории Цимлянского водохранилища. Несмотря на столь сложные условия для проведения археологических разведок, стоит провести дополнительные исследования на городище и придать памятнику охранный статус.

 

Литература

Артамонов М.И., 1940. Саркел и некоторые другие укрепления в северо- западной Хазарии // СА. Т. VI. С. 130–167. назад

Белецкий В.Д., 1959. Жилища Саркела – Белой Вежи // Труды Волго-Донской археологической экспедиции. Т. II / Отв. ред. М.И. Артамонов. М.; Л.: Изд-во АН СССР. С. 40–134. (МИА; № 75). назад

Васильев А.А., 1900. Византия и арабы. Т. I. Политические отношения Византии и арабов за время Аморийской династии. СПб.: Тип. И.Н. Скороходова. XI, 210, 183 с. (Записки ист.-филолог. фак. Санкт-Петербургского ун-та; ч. 56). назад

Константин Багрянородный, 1991. Об управлении империей / Под ред. Г.Г. Литаврина и А.П. Новосельцева. М.: Наука. 496 с. назад

Раппопорт П.А., 1959. Крепостные сооружения Саркела // Труды Волго-Донской археологической экспедиции. Т. II / Отв. ред. М.И. Артамонов. М.; Л.: Изд-во АН СССР. С. 9–39. (МИА; № 75). назад

Сизов В.И., 1889. Раскопки в двух городищах близ Цимлянской станицы на Дону // Труды VI Археологического Съезда в Одессе (1884 г.). Т. IV. Одесса: Тип. А. Шульце. С. 273–280. назад

Ткаченко Ю.Г., Хохлов С.А., Горлов И.О., Бардашов М.Н., Садеков Р.Н., Фазлуллин С.М., 2020. Локализация и современное состояние Левобережного Цимлянского городища – Саркел (Белая Вежа) // Хазарский Альманах. Т. 17 / Отв. ред. О.Б. Бубенок. М.: Индрик. С. 326–338. назад