Магнитное моделирование участков поселения эпохи бронзы Малополовецкое-2А: некоторые результаты и прогноз
К.М. Бондарь (1), И.В. Виршило (1), С.Д. Лысенко (2)
1) Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка
2) Институт археологии НАН УкраиныВступление. Среди широкого разнообразия естественнонаучных методов изучения археологических памятников особое место занимает магнитометрия. Популярность различных видов магнитометрических съемок для решения археологических задач объясняется тем, что они являются эффективным инструментом поисков и картирования, позволяющим оптимально планировать дальнейшие раскопки [Becker, Fassbinder, 1999; Кошелев, 2004а; Ролле и др., 2006]. По магнитограммам успешно выделяются горизонтальные границы объектов, тогда как судить о глубине их залегания нет достаточных оснований. Кроме того, в условиях неглубокого залегания объектов в магнитоактивном почвенном слое, что особенно актуально для территории Украины, возможна значительная погрешность при определении их горизонтальных границ. Глубина заложения объекта, его сложность и соотношение с вмещающей средой (почвой) поддается количественной оценке при помощи математического моделирования. Его задачей является построение такого пространственного изображения магнитных свойств среды, которое численно объясняло бы наблюденное поле.
В настоящей работе представлены магнитные модели участков поселения эпохи бронзы Малополовецкое 2-А, созданные с использованием данных магнитной съемки и полевой каппаметрии, а также измерений магнитных свойств образцов почв и археологических материалов.
Методический подход и его обоснование. Магнитная модель (ММ) является частным случаем физико-археологической модели Кошелева [Кошелев 2004а]. Она создается на основе магнитометрических и петромагнитных данных и служит для археологической интерпретации результатов магнитных исследований. ММ дает основание для выделения слабоинтенсивных археомагнитометрических аномалий на фоне ландшафтных, обусловленных влиянием почвенного покрова. ММ значительно повышает информативность археологических схем, поскольку, как любое петрофизическое построение, количественно характеризует объекты. Моделирование магнитных свойств почвенных и культурных слоев должно сопровождать магнитные съемки. Эффективность такого комплексного подхода показана для памятников трипольской культуры [Кошелев, 2004б].
Для создания универсального инструмента при решении археомагнитометрических задач была адаптирована специализированная авторская программа [Віршило, 2004]. Главными ее алгоритмическими особенностями являются:
- разделение исследуемого объекта на множество ячеек малого размера, для каждой из которой определяются магнитные свойства (магнитная восприимчивость (k) и естественная остаточная намагниченность (Jn));
- при решении обратной задачи магнитные свойства среды для всех ячеек модели вычисляются итерационными методами оптимизации [Банди, 1988]. Подбор параметров модели прекращается, когда средняя разница между расчетным и наблюденным полем в точках наблюдения становится меньше заданной величины (в нашей работе - 0,2 нТл);
- результаты качественной интерпретации археомагнитометрических аномалий могут быть заложены в модель первого приближения в виде областей с отличными от фоновых значениями k и Jn, а также более широкими/узкими рамками изменений магнитных параметров;
- контуры предполагаемых археологических объектов определяются по визуализированной ММ. Взаимное соотношение магнитных свойств в соседних ячейках позволяет вводить градацию фоновых, слабых и сильных магнитных объектов. Выводы об их природе можно сделать совокупно по форме, размерам и интенсивности областей модели, состоящих из одной или многих ячеек со схожими свойствами.
Данный алгоритм имеет ряд преимуществ перед использовавшимися ранее методами моделирования археологических объектов [Завойский, 1978; Левашов, Цимбал, 1984]:
- он позволяет работать как с культурным слоем в целом, так и с небольшими по размерам слабонамагниченными объектами и слабыми аномалиями, которые им соответствуют;
- точность воспроизведения геометрической формы объекта ограничивается только детальностью модели;
- имеется возможность учета влияния почвенного слоя за счет использования эффективных величин намагниченности;
- расчет/подбор аномального поля производится по индуктивной и остаточной компонентам вектора суммарной намагниченности.
Характеристика объекта исследования. Многослойное поселение Малополовецкое-2А расположено между селами Малополовецкое и Яхны Фастовского района Киевской области (Украина) в урочище Попова Руга (рис. 1). Занимает мыс черноземной террасы левого берега р. Суботь (правый приток Каменки - левый приток Роси - правый приток Днепра), образованный обводненными залесенными балками (рис. 2). Выявлено в 1991 г. Р.Г. Шишкиным. Является одним из основных памятников Малополовецкого археологического комплекса.
В разные годы совместной экспедицией Фастовского государственного краеведческого музея и Украинского национального педагогического университета им. М. Драгоманова на поселении были заложены раскопы А (1992-1993 гг.; 346 м2); Д (1993; 36 м2); О (1996 г.; 16 м2). На раскопе А исследованы остатки слегка углубленного жилища (объект № 3) тшинецкого культурного круга (горизонт МП-III-IV, 1500-1200 cal. BC), землянка (объект № 1) и выносной очаг в виде вымостки из обожженных камней (объект № 2) белогрудовского горизонта (МП-V, 1200-1000 cal. BC). На раскопе Д исследованы гончарный горн и предгорновая яма древнерусского времени (объекты №4-5); на раскопе О - гончарный горн черняховской культуры (объект № 13). Среди находок эпохи бронзы: фрагменты лепных сосудов, в том числе малополовецкого, тшинецкого, белогрудовского типов, глиняное "рогатое пряслице", кремневые отщепы, каменные терочники. К более поздним эпохам относятся фрагменты лепных и гончарных сосудов черняховской культуры, фрагменты гончарной керамики древнерусского времени, шиферное пряслице [Готун и др., 2002].
В 2006 г. Фастовской археологической экспедицией были продолжены работы на поселении. Раскоп заложен в южной части памятника, на краю обводненной балки, на середине склона левого берега р.Суботь. Вскрыто 368 м2. Исследованы 4 обьекта (№№ 14-17) белогрудовского горизонта киево-черкасской группы тшинецкого культурного круга (МП-V, 1200-1000 cal. BC).
Ход работ, методы и основные результаты. На первом этапе работ была выполнена градиентная магнитная съемка квантовым морским магнитометром-градиентометром КМ-8. Участок съемки составил 50 х 56 м. Уровень нижнего датчика - 0,5 м, уровень верхнего - 1,0 м. Съемочные профили расположены на растоянии 0,75 м, режим непрерывной регистрации магнитной индукции (В) обеспечил детальность взятия отсчетов по профилю через 0,15 м. Достигнутая точность съемки модуля В по нижнему датчику, оцененная по повторным измерениям, составила 0,3 нТл, вертикального градиента Bz - 0,5 нТл/м.
Магнитная индукция (B) съемочного участка линейно возрастает в направлении с юга на север на 60 нТл. На фоне такого регионального тренда выделяются два фрагмента возмущенного поля (рис. 3). Фрагмент 1 был рекомендован для археологического изучения и вскрыт раскопом 2006 г. На рис. 4а показан соответствующий участок магнитограммы аномальной магнитной индукции (Ва) с наложенными контурами раскопанных объектов.
На втором этапе произведено археологическое исследование участка, сопровождавшееся полевыми измерениями магнитной восприимчивости по слоям (штыкам) в процессе раскопок с помощью Bartington Instruments Ltd MS2 Magnetic Susceptibility Meter (Великобритания) с датчиком-кольцом МS2D диаметром 185 мм. Глубинность измерения до 8 см. На рис. 5 представлен план раскопа 2006 г.
На фрагменте 1 магнитограммы (рис. 4а) выделяются три низкоамплитудных аномалии. На месте пологой изометрической положительной аномалии интенсивностью до 4 нТл найденное углубленное земляное сооружение пятиконечной формы с сильно округленными углами (объект 14).
Объект № 14 (рис. 5). Жилище. Расположено в квадратах Д-З/1-3, Д-Ж/1.зап. Площадь сооружения около 40 м2 (6,4 х 6,4 м); глубина пола от современной поверхности 0,9 м (0,6-0,65 м от поверхности эпохи поздней бронзы). Форма в плане напоминает неправильный пятиугольник со скругленными углами. В центральной части объекта зафиксированы три ямы: две хозяйственные, впоследствии использованные в качестве очагов, и одна большая яма, вероятно, остатки погреба (рис. 6). Глубина ям достигала 2-2,2 м от современной поверхности (СП). Из заполнения происходят фрагменты сосудов белогрудовского типа, кости животных, кремневые отщепы, обожженные камни.
Положительная аномалия интенсивностью 7,5 нТл с небольшой отрицательной сопряженной частью связана с очагом (объект 15) (рис. 4а).
Объект № 15 (рис. 5). Выносной очаг. Расположен в квадрате Ж/4. Остатки зафиксированы на глубине 0,2-0,27 от СП. Очаг представлял собой вымостку из больших фрагментов сосудов белогрудовского типа (не менее чем 4 тюльпановидных сосуда и 2 большие миски), обмазанную сверху слоем глины толщиной 4-5 см. Общая толщина пода достигала 7 см. Обмазка хорошо прокалена, фрагменты сосудов несут на себе следы вторичного обжига; под вымосткой почва также достаточно сильно обожжена. Площадь объекта 1,4 х 1,15 м; ориентирован по линии З-В. В плане очаг подовальной формы, видимо несколько сужался к западу. Вероятно, что объект является остатками пода купольной печи. Аналогичные объекты были выявлены на этом же поселении (очаг в объекте № 1) в 1992 г. и на поселении Малополовецкое-13 в 2004 г. [Лысенко, 2004].
Эффект от сооружения 16, к сожалению, не удалось восстановить полностью из-за большого количества в этой части металлического мусора, который исказил магнитограмму. Тем не менее, над этим объектом зафиксирована остаточная аномалия 2 нТл (рис. 4а).
Объект № 16 (рис. 5). Жилище. Расположено в квадратах З-К/4-6. Площадь сооружения около 40 м2 (6 х 5 м), контуры котлована неровные. Наиболее углубленной является северная часть объекта, находящаяся на глубине 1,4 м от СП. Здесь находился очаг, к югу от которого расположена предочажная (?) яма, достигавшая глубины 1,9 м от СП. Очаг представлял собой прокал диаметром до 0,7-0,8 м. Находки в заполнении аналогичны находкам из объекта № 14.
Объект № 17 (рис. 5). Очаг. К сожалению, обнаружен за пределам площадки микромагнитной съемки и далее нами не рассматривается.
В поле вертикального градиента Bz жилища 14 и 16 выражены пологими изометрическими аномалиями 1нТл/м, а очаг 15 - локальным всплеском 3 нТл/м.
По данным измерений полевой магнитной восприимчивости (kп) построена серия картограмм, которые отображают латеральное и вертикальное изменения kп. Также опробован естественный почвенный разрез чернозема, типичного в раскопе, без археологических следов и в спокойном магнитном поле. Полевая магнитная восприимчивость медленно уменьшается с глубиной от 25* 10-5 ед. СИ в пахотном гумусированном слое до 14...25*10-5 ед. СИ в светлом лессовидном суглинке (рис. 4в).
Поверхность пахотного слоя, промеренная по срезанному дерну, имеет kп =19...25*10-5 ед. СИ, латеральное распределение kп определяется перераспределением магнетиков вследствие сельскохозяйственной обработки почвы и не отображает археологического насыщения участка.
Жилище 14 проявляется на картограммах kп начиная от глубины 30 см (рис. 4в). Его заполнение однородно и имеет повышенную, по сравнению с вмещающей почвой, магнитную восприимчивость kп =23...26*10-5 ед. СИ, вследствие чего контуры жилища четко выделяются в каппаметрическом разрезе. Такая структура генерирует небольшую по амплитуде аномалию (рис. 4б).
Очаг 15 имеет высокую kп=120*10-5 ед. СИ, поскольку содержит магнетит, образовавшийся вследствие обжига глины и почвы.
С площади раскопа отобрано 123 монолитных образца с разных глубин, в том числе и из заполнения жилищ и вымостки очага. В лабораторных условиях изучены естественная остаточная намагниченность (Jn) на спин-магнитометре JR-4 (Geofyzika, Чехия) и магнитная восприимчивость (k) образцов на каппаметре MS2 с датчиком MS2B. Параллельно изучены магнитные характеристики образцов естественного почвенного разреза, отобранного в пустой части раскопа без магнитных аномалий и археологического наполнения. Почва участка отнесена к типичным черноземам, ее магнитные свойства плавно убывают с глубиной (рис. 6).
Следует отметить, что величина kп составляет 70% лабораторной магнитной восприимчивости k вследствие неровности поверхностей измерения в поле.
Магнитные свойства, усредненные по слоям почвы либо в пределах объектов, являются параметрами ММ и представлены в табл. 1.
Таблица 1
Магнитные свойства - параметры моделей А и В
Почвенный слой либо тип объекта Магнитная восприимчивость 10-5 (ед. СИ)
Естественная остаточная намагниченность 10-3 (А/м) Слой 30-60 см пустой очаг в слое жилище в слое Слои 60-90 см, 90-120 см, 120-150см, 150-180 см пустой жилище в слое На третьем этапе построены комплексные магнитные модели для раскопанного фрагмента 1 магнитограммы. Скелет модели представляет собой матрицу, в которой каждый объект аппроксимирован совокупностью элементарных ячеек правильной геометрической формы с заданными k и Jn. Для комплексной модели, показанной на рис. 7, элементарные ячейки для жилищ 14 и 16 представлены сферами, центры которых расположены на расстоянии 30 см друг от друга. Очаг 15 моделируется одним слоем сфер, с расстояниями между центрами 20 см. На рисунке указаны средние глубины слоев модели. Слой 0-30 см со средней глубиной 15 см в моделировании не участвует, так как вследствие многолетней вспашки перемешан и имеет однородные магнитные свойства, а значит, не вносит вклада в аномальное магнитное поле.
Ячейкам скелета присвоены полные (модель А) и эффективные (модель В) (т.е. разностные по отношению к свойствам вмещающего почвенного слоя) значения модельных параметров.
Для случаев А и В, при помощи адаптированного программного комплекса математического моделирования геофизических параметров [Вiршило, 2004], решена прямая задача магниторазведки, т.е. рассчитана магнитная индукция над участком по заданной модели распределения магнитных свойств.
На рис. 8 представлены варианты расчетного поля. Как видим, в первом случае, сгенерированном моделью А (рис. 8, А), все три аномалии имеют одинаковую интенсивность, что противоречит наблюдениям. Во втором случае, которому соответствует модель В, интенсивность аномалии 15 от высоконамагниченной вымостки очага осталась на прежнем уровне, а аномалии от жилищ-землянок 14 и 16 несколько приглушены, так как их намагниченность сравнима с почвенной. Такая модель лучше объясняет наблюденное поле.
Вклад слоев модели В в наблюденное поле показан на рис. 9. В силу того, что эффективные значения модельных параметров жилищ-землянок возрастают с глубиной, вклад каждого из представленных на рисунке слоев составляет около 30%.
Из опыта решения прямой задачи магниторазведки следует несколько признаков, помогающих нам уменьшить неоднозначность решения обратной задачи (подбор параметров модели, удовлетворяющей наблюденному полю магнитной индукции) для еще не раскопанного фрагмента 2 магнитограммы (рис. 3, 10а):
- пахотный слой почвы следует считать однородным и не вносящим вклада в аномальное магнитное поле;
- в модель первого приближения следует включать слои до глубины 180 см;
- параметры модели вне контуров аномалии следует ограничить величинами, характерными для почв;
- глубина объектов определяется последним слоем модели, значительно измененным оптимизацией;
- высокочастотные аномалии моделируются неоднородностями верхнего слоя (20-40 см).
На четвертом этапе создана ММ первого приближения и рассчитана прогнозная модель С для фрагмента 2 магнитограммы (рис. 3, 10а). Руководствуясь полученными на предыдущих этапах результатами, скелет ММ первого приближения для фрагмента 2 составлен из 4-х слоев: 20-40 см, 40-60 см, 60-80 см, 80-100 см. После обработки ее программой получена модель С и расчетное магнитное поле от нее (рис. 10б). На рис. 11 представлена визуализация прогнозной модели С в виде картограммы магнитной восприимчивости (k) на уровне 30 см с указанием максимальных глубин заложения предполагаемых объектов.
Основными источниками магнитных аномалий являются несколько высокомагнитных объектов, их k достигает 150*10-5 ед. СИ, один из которых (очаг 1) прослеживается только на уровне 20-40 см, а остальные проявлены также в слое 40-60 см (рис. 11). Аномалия в целом, вероятно, представляет собой наложение разновременных объектов. Наиболее мощным является источник в южной части фрагмента, он прослежен до глубины 60 см и имеет диаметр около 1 м. Возможно, он представляет собой остатки гончарного горна черняховской культуры или древнерусского времени. Менее интенсивные аномалии ("очаги"), возможно, представляют собой объекты эпохи бронзы, подобные объекту № 15 (рис. 5). "Ров", скорее всего связан с конструктивными особенностями теплотехнических сооружений; возможно, это их предочажные ямы и/или крупные скопления обожженного керамического материала. Участок будет вскрыт летом 2007 г., что позволит проверить эти предположения.
Обсуждение результатов. В нашей работе новый метод археомагнитного моделирования впервые апробируется на конкретном археологическом памятнике. По мере накопления магнитометрической, петромагнитной и археологической информации все больше факторов вовлекается в магнитное моделирование, что в свою очередь повышает точность прогнозов. Среди таких факторов могут быть как магнитные, так и геоинформационные, например данные о географическом и ландшафтном положении памятников различных культур Малополовецкого археологического комплекса.
На магнитных факторах хотелось бы остановиться подробнее. Среди наиболее перспективных направлений работы в плане уменьшения неоднозачности решения обратной задачи археомагниторазведки выделим такие:
- использование наблюденных данных о вертикальном градиенте магнитной индукции вместо расчетных;
- введение информации о фактическом направлении вектора остаточной намагниченности высокомагнитных обожженных объектов, которое не всегда совпадает с современным магнитным полем;
- учет фактического соотношения между индуктивной и остаточной намагниченностью всех слоев почвы и археологических объектов;
- создание банка данных ММ и расчетных аномалий от них для всех классов археологических объектов Малополовецкого комплекса.
Кроме того, положительный результат дает комплексирование магнитометрии с другими видами геофизической разведки. В нашем случае использована полевая каппаметрия и петромагнитные данные.
Анализ результатов работы наталкивает также на ряд важных методических выводов. Показано, что решение обратной задачи археомагниторазведки не может быть сведено к задаче поиска характеристик изолированных однородных тел в немагнитном пространстве. Использование оптимизационных алгоритмов оправдано при современном уровне точности и детальности магнитометрических съемок. Правдивость прогнозных ММ прямо пропорциональна количеству дополнительной, немагнитометрической, информации, заложенной в модели первого приближения.
В 2007 г. планируем продолжить наше исследование, не забывая, что археологическая интерпретация магниторазведочных данных методами математического моделирования - "процесс творческий, многоплановый и многовариантный" [Кошелев, 2004а].
Литература
Банди Б., 1988. Методы оптимизации. М. назад
Віршило І.В., 2004. Автоматизована система розв'язання задач інверсії даних сейсмоакустики для багатокомпонентного анізотропного геологічного середовища / Автореф. дис. на здоб. ступ. канд. геол. наук. Київ. назад
Готун І.А., Лисенко С.Д., Петраускас О.В., Шишкін Р.Г., 2002. Археологічна карта Київщини. Фастівський район. Київ. назад
Завойский В.Н., 1978. Вычисление магнитных полей от анизотропных трехмерных тел в задачах магниторазведки // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. № 1. назад
Кошелев І.М., 2004а. Магнітна розвідка археологічних пам`яток. Київ. назад
Кошелев И.Н., 2004б. Памятники трипольской культуры по магниторазведочным данным. Киев. назад
Левашов С. П., Цимбал Т.И., 1984. Моделирование плотностных неоднородностей методом последовательного накопления и разрастания масс. Докл. АН УССР. Сер. Б. № 3. назад
Лысенко С.Д., 2004. Дополнения к археологической карте Фастовского района (1999-2004 гг.) // Археологічні пам'ятки Фастівщини. Матеріали до археологічної карти Київської області. №№ 20-21. Фастів. назад
Ролле Р., Орлюк М., Романець Н., Ульрих Б., Цольнер Х., 2006. Археогеофізичні дослідження Більського городища та його округи // Більське городище та його округа. Київ. назад
Becker H., Fassbinder J.W.E., 1999. Magnetometry of a Scythian settlement in Siberia near Cicah in the Baraba Steppe 1999 // 3rd International Conference on Archaeological Prospection. Munich. назад