Магниторазведка в археологии. Часть 3

3. Как это делается?

Технология магниторазведочных работ при археологических исследованиях

3.1. Чем работаем? Магнитометры и градиентометры

Наиболее известный вид магниторазведочной аппаратуры – магнитометр. Его модифицированная разновидность – градиентометр. Принципы измерения магнитного поля в этих приборах одинаковы – они могут быть протонные, феррозондовые, квантовые и т.д, различны лишь конструктивные решения, которые позволяют решать несколько разные задачи.
Рассмотрим наиболее широко применяющиеся виды магнитометров. В первую очередь это, конечно, протонные, феррозондовые и квантовые магнитометры. Все они обладают определёнными преимуществами и недостатками. Есть, конечно, ещё криогенные магнитометры, магнитометры на эффекте Холла, индукционные. Но пешеходные магнитометры, представляющие интерес для археологических изысканий, это, конечно, протонные, феррозондовые и в меньшей степени квантовые. Не станем утомлять читателя описанием физических принципов этих приборов – они подробно рассмотрены во многих источниках. Остановимся лишь на их сравнительных характеристиках.

Казалось бы, основная характеристика магнитометра – чувствительность. Однако это не совсем так. Например, криогенные магнитометры легко достигают чувствительности 0,0001 нТл, но они настолько неудобны, громоздки и капризны, что их не применяют даже в аэроварианте (хотя попытки были).
Квантовые магнитометры также вполне способны показать точность 0,01 нТл, но имеют весьма строгие ограничения по ориентации датчиков. Их уже много лет успешно используют при аэромагнитных съёмках.

Феррозондовые магнитометры, обладая весьма высокой точностью измерений и способностью выдавать не дискретные, как квантовый и протонный магнитометры, а непрерывнй сигнал, чувствительны к изменениям температуры, что доставляет конструкторам определённые хлопоты со «сползанием нуля» прибора.
Протонные же магнитометры, будучи менее чувствительны, оказались очень неплохими в смысле стабильности, малой подверженности температурным изменениям и к ориентации по сторонам света (хотя последняя всё-таки присутствует). К недостаткам протонных следует отнести дискретность измерений, требующую остановки на каждой точке, громоздкость и большой вес датчиков, а также невозможность измерений в сильных полях.
Ещё о чувствительности. Если вы видите в паспорте прибора чувствительность 0,1 нТл, то это совершенно не значит, что вы сможете обнаружить аномалию величиной хотя бы 1 нТл! Во-первых, на эту 0,1 нТл накладывается температурный дрейф нуля прибора (несколько нТл). Во-вторых, влияние пространственной ориентации прибора – ещё 2-4 нТл. Ну, и, естественно, уже знакомые нам вариации геомагнитного поля. Словом, как показывает многолетняя практика, выделить в процессе стандартной площадной пешеходной съёмки аномалию амплитудой менее 3-7 нТл невозможно. При маршрутной же съёмке (когда поисковик идёт по какому-то маршруту, часто по пересечённой местности), стараясь выделить аномалию по текущим показаниям прибора, аномалию даже в 10-20 нТл поймать весьма сложно. Так что, уважаемый поисковик, переключи на своём приборе чувствительность с 0,1 на 1 нТл и с лёгким сердцем приступай к работе, не заморачиваясь разглядыванием десятых долей на дисплее!
Ещё важная характеристика магнитометра – способ регистрации. Если информация выводится только на табло в цифровом виде и (или) на магнитный носитель, то, конечно же, это прибор, предназначенный для площадных съёмочных работ. Эти работы достаточно сложны, требуют материальных и временных затрат, а результат, представляемый в виде карт магнитного поля участка, выдаётся только спустя определённое время.
Поисковый прибор должен иметь световую (изменяющаяся шкала) и звуковую индикацию. Это позволяет оперативно, по ходу полевых исследований, видеть аномалию, отыскивать её центр и сразу принимать решение на предмет её перспективности. Самый распространённый поисковый прибор – ручной металлодетектор, но его глубинность оставляет желать много лучшего.
Требованиям более мощного глубинного поискового прибора отвечают магнитометры-градиентометры. Являясь, по сути, двумя магнитометрами, объединёнными в единый прибор, градиентометр даёт владельцу информацию не о численном значении поля в точке измерения, а о разнице поля между двумя точками пространства – о градиенте. Поскольку градиент поля Земли, геологических структур и временных вариаций исчезающее мал, градиентометр его игнорирует. А вот градиент от результатов человеческой деятельности, напротив, велик. Поле от небольших предметов человеческой деятельности невелико, но затухает настолько быстро, что это затухание (градиент) легко фиксируется градиентометром без предварительного построения карт магнитного поля. Уловит этот перепад и обычный магнитометр, но для этого оператору придётся на каждой точке производить не один, а два замера – внизу, на уровне земли, и выше на 1-2 метра, что, конечно же, неудобно. Но для правильного измерения поля магнитометром в необходимо останавливаться на каждой точке, и это уже неудобно вдвойне.

3.2. Как работаем? Методика работ

Прежде всего оператор магниторазведочного прибора не должен иметь при себе железосодержащих предметов, каковыми могут являться: карманный нож, часы, компас, металлические молнии на одежде, сотовый телефон, и прочее. Проверить, влияет ли предмет на показания просто – надо поднести его к датчику. Очень сильно влияют стальные супинаторы в обуви. Как-то автору этих строк пришлось наблюдать влияние супинаторов – на графике магнитного поля была просто «пила» амплитудой около 10 нТл! Естественно, профили пришлось переделать.

Магниторазведочные работы могут быть площадные и маршрутные.
Площадные работы, как отмечалось выше, требуют значительных затрат времени и не дают немедленного результата. Т.е. по ходу выполнения этих работ оператор не сходит с маршрута, попав в аномальное, по его мнению, поле и не начинает пытаться выявить его источник. Суть этого метода исследований в покрытии участка равномерной сетью профилей. При этом важнейшим параметром является расстояние между профилями и расстояния между точками измерений на самом профиле.
Расстояние между профилями в зависимости от размеров искомого объекта выбирается таким, чтобы профили пересекали аномалию над ним не менее, чем 2 раза. Обычно в зависимости от глубины и намагниченности предмета размер аномалии превышает его размер в 1,5-3 раза. Профили ориентируются по возможности перпендикулярно длинной оси объекта, если её направление известно. Расстояние между точками измерений на профиле должно быть в 4 и более раз меньше, чем расстояние между профилями (в случае применения феррозондовых градиентометров, дающих непрерывную информацию вдоль линии наблюдения, этот параметр, естественно, не имеет смысла).

Участок делается по возможности прямоугольным. Если участок большой, он разбивается на квадраты примерно 20Х20 метров и отрабатывается по этим квадратам. Предварительно в начале и в конце каждого профиля устанавливаются колышки, каждому профилю присваивается порядковый номер. Начинаются измерения с самого крайнего профиля №1, затем 2 и т.д. Вдоль профиля натягивается мерная лента или шнур, оператор делает для измерений остановку согласно выбранному расстоянию между точками, например, через 0,5 метра. Показания магнитометра на каждой точке записываются на магнитный носитель, а при его отсутствии – в журнал, с отметкой номера профиля и номера точки на профиле. Проход мо профилям для экономии времени выполняется «змейкой».
После выполнения полевых работ приступают к обработке полученных данных с целью построения карт магнитного поля. Если имеется комплекс компьютерных программ, позволяющих строить карты, то процесс работ на этом заканчивается. Если такой возможности нет, обработка производится вручную. Для этого сначала на миллиметровой бумаге вычерчивается масштабированный план участка. Выбирается любой удобный масштаб. Допустим, 1 см карты соответствует 1 метру на поверхности участка (масштаб 1:100). Наносится сетка профилей и точек с нумерацией. На каждой точке подписывается значение поля, которые затем соединяются линиями равных значений магнитного поля. Проводить их лучше мягким карандашом. Допустим, самое большое значение поля на участке 50587 нТл, а самое маленькое 50110 нТл. Естественно, следует подписывать на точках лишь значения выше 50 000. Например, вместо 50148 пишем 148.
Сечение изолиний (число нТл между соседними изолиниями) выбираем исходя из амплитуды аномалий, которые предстоит обнаруживать. Сечение д.б. не менее, чем в 2 раза меньше, и чаще всего кратное 2, 5 или 10. Например, выделяются аномалии от 10 нТл и выше — сечение не менее 5 нТл.
По картам магнитного поля выделяются структуры, которые предположительно могут быть связаны с интересующими объектами.
Маршрутные (поисковые) работы много проще: поисковик просто ходит с магнитометрам по участкам, которые он считает перспективными по произвольным маршрутам и через произвольно же выбираемые интервалы останавливается и выполняет измерения магнитного поля. Очевидны как преимущества метода – оперативность и простота, так и недостатки – неравномерное обследование участка и, как результат, большая вероятность пропуска объектов.
Надо сказать, что работа со специализированными поисковыми приборами (градиентометрами) также возможна как в площадном, так и в маршрутном вариантах, однако поисковые приборы позволяют выполнять археологические поиски в разы легче и быстрее.
Конечно же, оба метода имеют право на существование и применяются в зависимости от поставленных задач и возможностей исследователя.

3.3. Ищем и находим. Объекты поиска и аномалии над ними.

Пешеходные магнитометрические приборы могут быть полезными при решении следующих задач:

• поиски утерянных предметов
• поиски затопленных объектов
• поиски предметов, захороненных под слоем земли, скальных пород, льда. В последнем случае это могут быть транспортные средства, трубы, трубопроводы, лодки, оружие, боеприпасы, авиационные двигатели и самописцы, рельсы, устья скважин, станки, цепи, якоря, лыжники, попавшие под лавину с лыжами, на которых установлены специальные магниты.
• поиски археологических объектов, имеющих остаточную намагниченность, к которым относятся: фундаменты и строения, содержащие обожжённый кирпич и камни, очаги и печи, в некоторых случаях подземные пустоты.

Заметим, что величина аномалии от железосодержащих предметов сильно зависит от марки стали, из которой он изготовлен. В частности, нержавеющая сталь менее магнитна, чем обычная, а нержавеющая сталь марки 300 можно считать немагнитной.
Вообще аномалия магнитного поля затухает обратно пропорционально кубу расстояния между датчиком магнитометра и объектом, что позволяет путём сравнительно несложных вычислений определить расстояние до объекта. Для этого существует развитый математический аппарат и разработаны специальные программы, есть и «ручные» методы. Однако применительно к археологическим объектам они практически не применяются по причине их неглубокого (до первых метров) расположения. При этом любой поисковик может приблизительно прикинуть по размеру и интенсивности аномалии, как глубоко находится объект. Например, небольшая в плане интенсивная, но быстро исчезающая с высотой аномалия связана с небольшим, неглубоко погруженным предметом. А большая по площади аномалия, медленно затухающая с высотой – с крупным глубоко залегающим предметом см. рис 14 . Понятно, что термины «быстро, медленно затухающая», «большая, малая интенсивность», «большая, малая в плане аномалия» относительны, и дают, на первый взгляд, весьма размытое представление. Однако умение по характеру аномалии оценивать параметры найденного объекта быстро приходит с опытом.

Приведём некоторые расстояния (глубины), с которых могут быть обнаружены некоторые объекты (по S. Breiner): .

Автомобиль весом 1 тонна даёт аномалию 40 нТл на расстоянии 10 метров и 1 нТл на расстоянии 30 метров;
Корабль 1000 тонн — от 300 до 700 нТл на 30 метрах;
Лёгкий самолёт — от 20 до 30 нТл на 7 метрах; 0,5-2 нТл на 17 метрах;
Отвёртка длиной 5 дюймов – 5-10 нТл на 1,7 метра; 0,5-1 нТл на 3 метрах;
Пистолет 38 или 45 калибра – 10-20 нТл на 1,7 метра, от 1-2 нТл на 3 метрах;
Стрелковое оружие – 10-50 нТл на на 1,7 метра, 2-10 нТл на 3 метрах.

Типичные археологические объекты — фундаменты, скопления керамики дают аномалии от первых нТл до десятков на расстояниях 0,5-1 метр. Очаги, печи – от нескольких до десятков до сотен нТл (рис. 1- 8).

3. Результаты работ и их истолкование

Результаты поисковых работ очевидны – в ходе движения по произвольному маршруту обнаруживается аномалия, методом «холодно — теплее — горячо» находится её центр. Поисковик, обследовав аномалию и оценив её интенсивность, размеры на поверхности и форму, делает вывод о её связи или отсутствии таковой с нужным объектом, и объект извлекается или не извлекается из земли.
Результаты площадных работ после обработки компьютером с помощью специальных программ представляются в двухмерном или трёхмерном виде. Как правило, масштабные объекты – фундаменты, стены, другие строительные сооружения опознаются по характерным контурам и размерам. Определить же по магнитной аномалии природу небольшого объекта практически нельзя, возможно лишь предположить материал, из которого предмет состоит. Это связано прежде всего с тем, что аномалия не повторяет форму предмета (мы помним, что с расстоянием она быстро вырождается в аномалию над диполем). Размер и форма аномалии также зависят от величины и направления намагниченности предмета, а также от его глубины. Однако тот факт, что в магниторазведке практически не бывает ложных аномалий, а также то, что практически не существует природных экранов постоянного магнитного поля, выдвигает этот метод на первое место по эффективности при археологических исследованиях.

Заключение

Подведём некоторые итоги. Очевидно, что магниторазведка обладает рядом преимуществ перед другими техническими методами в археологии, в частности, перед электроразведочными (съёмки с металлоискателями, георадарами, зондированиями и профилированиями):

• большая глубинность;
• компактность аппаратуры;
• отсутствие ложных аномалий;
• простота истолкования результатов;
• отсутствие природных помех;
• возможность работы в любых условиях – по льду, по болоту, на воде и пр.

Однако не существует метода, дающего исчерпывающую информацию об объекте, за исключением, конечно же, поисков железных объектов — тут ответ очевиден. И потому, как и в «большой» геофизике, самыми эффективными являются комплексные исследования, когда применяются сразу несколько методов, каждый из которых освещает определённые свойства объекта. Конкретный перечень методов, конечно же, зависит от конкретных целей исследований, от предполагаемой глубины, размеров и свойств объекта.

С.Г. Седов. канд. геол.-минер. наук