Методика комплексных геофизических исследований средневековых финно-угорских поселений бассейна р. Чепцы

И.В. Журбин

Физико-технический институт УрО РАН

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-06-04239а

 

Основными факторами, определяющими актуальность геофизических исследований в археологии, является возможность получения предварительной информации о расположении археологических объектов, оценки их формы и размеров, принцип сохранения археологических памятников (неразрушающие методы), а также существенное сокращение финансовых расходов и трудозатрат при полевых работах. Для каждого региона и культуры необходим выбор геофизических методов с учетом физических параметров археологических объектов и адаптация методики измерений к ландшафтным и геологическим условиям расположения памятника, влиянию конкретных мешающих факторов.

Комплексирование геофизических методов. Каждый из геофизических методов фиксирует распределение физических свойств в изучаемой среде (плотность, удельное электрическое сопротивление, магнитная восприимчивость, скорость распространения волн и пр.) [Geophysical Survey, 2008]. Именно поэтому с 1960-х гг. в отечественной научной практике ставился вопрос о желательном комплексировании геофизических методов [Шилик, 1965]. Такой подход направлен на повышение эффективности геофизики при изучении памятника, культурный слой которого содержит различные типы объектов. Применение нескольких методов различной физической природы позволяет снизить неоднозначность выводов при интерпретации геофизических данных. Позднее появилась тенденция многолетних исследований, позволяющих разработать и апробировать методику изучения определенных категорий археологических памятников. Это подразумевало последовательное применение на одном памятнике группы геофизических методов, с последующим сравнением результатов и оценкой потенциала каждого из них [Щеглов, 1985]. Измерения проводились последовательно на одних и тех же участках полигона.

Примеры изучения археологических и историко-архитектурных объектов, выполненные в последние годы с использованием комплекса геофизических методов, были представлены на сайте НПЦ «ГеоСкан». Известны комплексные работы Института археологии РАН, например, при изучении поселений Суздальского Ополья и Кисловодской котловины. Данное направление активно развивается в рамках междисциплинарных исследований Института археологии и этнографии СО РАН и Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Реализуемый подход предполагает поиск и выявления внутренней структуры поселений и могильников Западной Сибири и Алтая. На основе анализа и обобщения данных, полученных в ходе планомерных испытаний широкого набора геофизических методов (магнитометрия, электромагнитное частотное зондирований, метод сопротивлений, электротомография, георадиолокация, каппаметрия), и результатов археологической проверки были созданы комплексы геофизических исследований, ориентированные на определенные категории памятников. Результаты работ опубликованы в нескольких монографиях и представительном массиве статей разного уровня.

Особенности применения и ограничения геофизики на поселениях бассейна р. Чепцы. Основным критерием при выборе геофизического метода является контраст физических свойств объектов поиска и вмещающей среды. Необходимым условием для выявления археологических объектов (фундаментов или котлованов сооружений, ям, очагов, печей, погребений и пр.) является значительное отличие их физических свойств от соответствующих характеристик культурного слоя.

В результате многолетних исследований поселений чепецкой культуры, предложена реконструкция построек в виде наземных деревянных срубов без фундамента площадью от 20 до 64 кв. м [Иванова, 1998. С. 81–82]. Сооружения имели прямоугольную форму. Обычно внутри постройки снимался дерновый слой, в некоторых случаях фиксируется песчаная или песчано-глиняная подсыпка пола. Основными конструктивными элементами являлись мощная площадка из уплотненной или прокаленной глины, составляющая, вероятно, гидроизоляцию пола основной жилой зоны постройки и подочажную площадку, хозяйственные ямы и очаги. В абсолютном большинстве случаев очертания глиняных площадок не совпадают с границами построек – размеры площадок меньше (рис. 1). Такие сооружения выявлены на нескольких поселениях чепецкой культуры: Иднакар, Гурьякар, Учкакар, Дондыкар, Сабанчикар и пр. [Иванова, 1976; 1982; 1998]. Предложенная реконструкция согласуется и с этнографическими источниками XVIII–XIX вв. [Черных, 2008. С. 82]. Основной культурный слой, расположенный в пространстве между сооружениями, крайне неоднороден – аморфный темный гумус, в различной степени насыщенный песком, суглинком, углем, золой, древесным тленом и прочими включениями в виде небольших линз или тонких прослоек.

При электроразведке глиняные площадки чепецких сооружений определяют аномалии сопротивления, форма которых близка к прямоугольнику. В общем случае площадки характеризуются пониженным сопротивлением относительно культурного слоя. Прокаленным площадкам соответствуют контрастные биполярные аномалии магниторазведки (на рис. 2 аномалии электроразведки и соответствующие им аномалии магниторазведки показаны синим). При достаточной плотности и мощности такие объекты могут быть выделены и при георадарной съемке. Дополнительным признаком при интерпретации является взаимное расположение этих аномалий. При археологических и геофизических исследованиях средневековых финно-угорских поселений региона показано, что сооружения располагались достаточно четкими рядами [Иванова, 1998; Иванова, Журбин, 2014].

Очаги представляют собой скопления обожженных камней с концентрацией золистого грунта. В некоторых случаях фиксируются фрагменты глиняной обмазки. Очаги могли располагаться не только в сооружениях, но и в межжилищном пространстве. Очевидно, что участок грунта под очагом и камни очага характеризуются термоостаточной намагниченностью, что определяет возможность их выявления магниторазведкой. При сравнительном анализе наблюдаются существенные различия по площади распространения камней, высоте сохранившейся части, размеру камней, степени концентрации золы и находок. Следовательно, эти элементы сооружения другими геофизическими методами выявляются неоднозначно.

Хозяйственные ямы, заглубленные в материковый слой, иногда располагались возле очага сооружения (диаметр – до 2 м, глубина – до 1,0 м), но чаще частично выходили за пределы постройки (диаметр - до 3–4 м, глубина – до 2,0–2,5 м). Форма – прямоугольная или округлая, в некоторых случаях стенки укреплялись деревянными конструкциями. Также ямы отличаются характером заполнения. В жилых сооружениях они обычно заполнены гумусом с прослойками глины и небольшими пятнами суглинистого перемешанного слоя с малой примесью угля и золы. В производственных сооружениях выражены золистые прослойки в ямах, обожженные камни, угли, фрагменты тиглей, литейных форм и шлаков [Иванова, 1998. Табл. 24–26]. В случае электроразведки таким объектам будут соответствовать локальные аномалии повышенного сопротивления. Магниторазведка обеспечивает достоверное выявление ям преимущественно производственного характера.

В целом, на финно-угорских поселениях различия состава и структуры грунтов определяют существенный контраст физических свойств элементов сооружений и культурного слоя в межжилищном пространстве. Поэтому площадки, очаги и ямы могут быть выявлены различными методами геофизики, а построение сводной карты аномалий позволит восстановить планировку средневековых финно-угорских поселений (рис. 3).

Не менее важным фактором, влияющим на эффективность геофизических исследований в археологии, являются особенности природной среды – ландшафт, характер растительности, геологическое строение участка местности и т.п. Геологическими помехами при интерпретации данных могут являться изменения мощности культурного слоя (естественные понижения, склоны), повышенная влажность участков территории (обводненные низменности, зоны подъема грунтовых вод и т.п.), мерзлотный полигональный рельеф и пр.

Рельеф района исследований представляет собой увалистую равнину с хорошо выраженной овражно-балочной сетью. Основные речные системы окончательно сформировались в четвертичный период. В результате неоднократного понижения базиса эрозии происходило углубление русел, что привело к образованию нескольких надпойменных террас крупных рек. По сравнению с другими районами Удмуртии, регион локализации чепецкой культуры отличается наиболее сложным рельефом. Увалистый рельеф и преобладание склонов крутизной 6-10° способствует развитию плоскостной эрозии, которой подвержены более 78% площадей пахотных почв.

В почвенном покрове преобладают дерново-карбонатные почвы. В типе дерново-карбонатных почв выделяются подтипы дерново-карбонатных типичных, дерново-карбонатных выщелоченных и дерново-карбонатных оподзоленных почв. Для всех типов дерново-карбонатных почв характерна различной интенсивности серовато-коричневая окраска верхнего гумусового горизонта и тяжелый, чаще всего глинистый, гранулометрический состав. Дерново-карбонатные типичные почвы содержат в профиле щебень и более крупные обломки известковых пород. Участки концентрации таких включений могут вызывать локальные геофизические аномалии.

В частности, влияние ландшафта и особенностей растительного покрова на результаты комплексных геофизических исследований наглядно прослеживалось при изучении городища Весьякар IX–XII вв., которое являлось аграрно-ремесленным центром чепецкой культуры [Иванова, Журбин, 2014]. Поселение занимает языковидный мыс высокой коренной береговой террасы, ограниченный с запада и юго-востока глубокими балками с крутыми склонами, высота мыса – 32 м. Северная и центральная часть городища, а также юго-восточный склон залесены, остальная территория задернована. Анализ данных комплексных электрометрических исследований (рис. 4) позволяет утверждать, что культурный слой и археологические объекты выявлены на всей исследованной площади. При этом фиксируется различная мощность культурного слоя: в северной части гумусированный слой прослеживается на глубину до 1,0 м (области относительно высокого сопротивления на геофизической карте), а в южной части он не превышает 0,5 м. Также наблюдается существенное увеличение мощности гумусированного слоя вдоль склона мыса, по внешнему периметру участка геофизической съемки. Данные особенности фиксируются на геоэлектрических разрезах и подтверждаются археологическими данными [Иванова, 1983. Рис. 29–35; Семенов, 1985]. Вероятно, многолетняя распашка территории городища, которая продолжалась до конца 1950-х гг., и сопутствующая ей эрозия определили указанные тенденции в распределении культурного слоя.

При изучении напольной стороны городища Учкакар в центральной части планшета выявлена аномальная зона большой площади. Данная особенность фиксируется при площадном электропрофилировании (рис. 5а), магниторазведке (рис. 5б) и электротомографии (рис. 5в). Археологические объекты в данных условиях не выявляются. При этом георадарная съемка показала наличие в центре планшета локальной зоны с повышенным содержание известняка и мергеля (материковые породы в районе поселения – карбонатные красно-бурые пылеватые известковисто-щебневатые глины). На основании этого были исключены из рассмотрения аномалии электро- и магниторазведки, вызванные природными факторами.

Следовательно, предварительный анализ ландшафтных и геологических условий позволяет оценить территорию, на которой возможно получение достоверных результатов геофизических исследований, а также дополнительно уточнить выбор геофизического метода, минимально подверженного влиянию особенностей природной среды на участке археологического памятника.

Существенные искажения в геофизические данные вносят мешающие факторы искусственного происхождения, основными из которых являются: распашка, строительный и бытовой мусор в поверхностном слое грунта, трубопроводы, остатки построек, наводки от линий электропередач и промышленных предприятий. Перечисленные объекты в различной степени влияют на результативность каждого геофизического метода. В частности, металлические предметы в приповерхностном слое определяют локальные аномалии с высоким градиентом затухания магнитного поля, что критично при анализе данных магниторазведки. При этом такие объекты не проявляются при электроразведке.

В частности, на внешней части городища Учкакар культурный слой практически утрачен в результате эрозионных процессов, вызванных многолетней распашкой, а на некоторых участках полностью уничтожен современной полевой дорогой (рис. 6а). На этой территории выявлены только объекты, заглубленные в материк (в основном ямы различного назначения). Более мощные напластования фиксируются в центральной части планшета площадного электропрофилирования (зона повышенного сопротивления). На данном участке частично сохранился культурный слой, перекрывающий ямы. Различие в структуре и мощности культурных напластований определяет, что данные электроразведки в центре и на периферии участка несопоставимы. Следовательно, были необходимы уточняющие исследования. В центральной части проведены дополнительные измерения методом магниторазведки и электротомографии (пример одного из девяти геоэлектрических разрезов приведен на рис. 6б). Сопоставление данных комплексных геофизических исследований позволило достигнуть значительного эффекта при интерпретации. Из 17 «неоднозначных» аномалий, выявленных методом площадного электропрофилирования в центре участка, три подтверждено методом электротомографии, 13 – магниторазведкой. Дополнительно методом магниторазведки выявлена еще одна яма.

В целом, результативность геофизических методов при изучении конкретного памятника археологии зависит от физических свойств объектов, геологических и ландшафтных условий местности, а также степени влияния мешающих факторов. При использовании комплекса методов обеспечивается возможность последовательного уточнения информации об археологическом памятнике. Принципиально важно понимать, что геофизика фиксирует аномалии (участки, на которых физическое поле в значительной степени отличается от окружающей территории), связанные с неоднородностями в грунте. Аномалии могут быть вызваны не только археологическими, но и природными или техногенными объектами. Исходя из этого интерпретация геофизических данных (соотнесение аномалий с определенными археологическими объектами) требует проведения раскопок. Очевидным требованием является единая координатная сетка памятника для геофизических и археологических исследований.

Основные принципы междисциплинарных исследований. Содержание задач археологии, для решения которых могут быть использованы методы геофизики, определяет требования к параметрам методики измерений: точность восстановления формы и пространственных характеристик объекта поиска, скорость проведения исследований и т.п. Эффективная методика измерений может быть сформирована на основе оценки уровня значимости ее составляющих на каждом этапе геофизических измерений.

На этапе поиска археологических объектов задача геофизических исследований состоит в оперативном построении «карты» аномалий участков, перспективных с точки зрения нахождения памятника. Следовательно, основными критериями методики являются высокая скорость измерений и универсальность используемых геофизических методов. Требование к точности восстановления формы определяется необходимостью качественной интерпретации: на данном этапе только форма аномалии позволит отличить археологические объекты от природных или техногенных структур.

Восстановление планировки археологического памятника предполагает определение местоположения основных археологических объектов, их предварительную классификацию и первичное определение планировочной структуры памятника. Аналогично предыдущему этапу исследований, важными критериями являются высокая скорость измерений и достаточная точность восстановления формы объекта поиска. При этом на первый план выходит требование универсальности применяемого комплекса геофизических методов, что позволяет с большой долей вероятности определять расположение всех археологических объектов различных типов и выявлять участки для дальнейших уточняющих исследований.

Заключительным этапом является детальная оценка пространственных характеристик и формы отдельных объектов. Основным требованием является максимально точное пространственное описание выделенных объектов. В соответствии с этим основными элементами методики являются минимальный шаг и максимальное количество слоев измерений. Сравнительно высокая трудоемкость при реализации методики и значительные временные затраты (по сравнению с методиками, описанными ранее) определяют тщательный отбор объектов по предварительным данным для детализирующих измерений.

Таким образом, соотнесение наиболее существенных характеристик методики измерений на каждом этапе комплексных исследований с возможностями геофизики для конкретного памятника или региона позволяет разработать оптимальную схему археолого-геофизических исследований.

Сравнительный анализ набора геофизических карт может обеспечить возможность существенно уточнить представление о планировке поселений и выявить разнообразные объекты на их территории. Учитывая вариацию геометрических параметров и физических свойств археологических объектов, необходимо использовать комплекс геофизических методов, что позволяет избежать неоднозначности при интерпретации и дает возможность выявить максимальное количество разноплановых объектов планировки. Имея в виду указанные особенности, при изучении средневековых финно-угорских поселений бассейна р. Чепцы в качестве основного геофизического метода была выбрана электроразведка (площадное электропрофилирование), для уточняющих исследований использовались магниторазведка и георадарная съемка, детализирующих – электротомография.

На этой основе проведены междисциплинарные исследования Кушманского городища Учкакар, где геофизическими измерениями (электроразведка, магниторазведка и георадар) была охвачена вся территория, на которой вероятно наличие археологических объектов (более 26 000 кв. м). Проведены целенаправленные раскопки разноплановых объектов, которые определяют структуру городища (внутренняя линия укреплений) и планировку каждой из структурных частей – комплекс сооружений на средней части поселения и комплекс ям – на внешней. Соотнесение результатов раскопок (менее 1% территории городища) со сводной геофизической картой позволило уточнить классификацию геофизических аномалий и обеспечило возможность реконструировать планировку и структуру поселения в целом (рис. 7).

Заключение. Рассмотренные этапы геофизических исследований археологических памятников являются скорее логической схемой, нежели жестко и однозначно определенным алгоритмом. Данная схема регламентирует лишь последовательность уточнения информации об археологическом памятнике с помощью различных геофизических измерений. При этом начальный и завершающий этап выбирается, исходя из конкретной археологической задачи (поиск объектов, восстановление планировки, оценка пространственных характеристик) и общей стратегии исследований (археологические раскопки, музеефикация памятника и пр.).

 

Литература

Иванова М.Г., 1976. Кушманское городище // Вопросы археологии Удмуртии / Отв. ред. В.Е. Владыкин. Ижевск: Удм. науч.-исслед. ин-т истории, экономики, литературы и яз. С. 93-106. назад

Иванова М.Г., 1982. Городище Гурья-кар. Результаты исследований 1979 г. // Средневековые памятники бассейна р. Чепцы / Отв. ред. М.Г. Иванова. Ижевск: УдНИИ. С. 3-26. назад

Иванова М.Г., 1983. Отчет о раскопках Удмуртской археологической экспедиции в 1982 г. // РФ НОА УИИЯЛ. 1983. Оп.2-Н. № 613. назад

Иванова М.Г., 1998. Иднакар: Древнеудмуртское городище IX–XIII вв. Ижевск: Удмуртский ин-т истории, языка и литературы УрО РАН. 294 с. назад

Иванова М.Г., Журбин И.В., 2014. Археологические и геофизические исследования средневековых поселений бассейна р. Чепцы // РА. № 1. С. 40-53. назад

Семенов В.А., 1985. Городище Весья-кар // Материалы средневековых памятников Удмуртии / Отв. ред. М.Г. Иванова. Устинов: НИИ при Совете Министров Удм. АССР. С. 48-77. назад

Черных Е.М., 2008. Жилища Прикамья (эпоха железа). Ижевск: Удмуртский гос. ун-т. 272 с. назад

Шилик К.К., 1965. Опыт применения магниторазведки на древнерусском городище // Археология и естественные науки / Отв. ред. Б.А. Колчин. М.: Наука. С. 252-256. назад

Щеглов А.Н., 1985. 25 лет работы Тарханкутской экспедиции: итоги и перспективы // КСИА. Вып. 182. С. 3-7. назад

Geophysical Survey in Archaeological Field Evaluation, 2008. Swindon: English Heritage. 59 р. назад